WO2011036969A1 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアアクチュエータにおけるナット部材に発生する偏荷重を防止し、ナット部材の長寿命化を目的とする。 【解決手段】ナット部材と被駆動部材との間を互いに略直交する２つの回転軸を持つ接触力均等化機構で連結し、ナット部材と被駆動部材との微小傾斜を吸収し、エッジロードの発生を防ぐと共に、２つの回転軸をねじ軸方向に投影したときの交点位置を、ナット部材に対して最適荷重作用点に設定することにより、被駆動部材から伝わる外力をその作用点に作用させ、ナット部材とねじ軸との各接触部に作用する荷重を均等化し、ナット部材に発生する偏荷重を防止する。

Description

リニアアクチュエータ

　本発明は、ねじ軸とナット部材と有する回転直動変換機構を用いたリニアアクチュエータに関する。

　効率向上による消費電力削減や環境負荷低減の観点から、油圧システムの電動化が進んでいる。昨今、こうした電動化の技術を用いて、従来、油圧シリンダを用いていた推力生成装置を電動リニアアクチュエータに置き換えようとする動きが高まっている。

　油圧シリンダのように大きな推力を発生させる必要のある電動リニアアクチュエータには、大きな推力に耐え、長寿命であることが要求される。

　電動リニアアクチュエータに必要な回転直動変換機構としては、ボールねじが実用化されているが、電動リニアアクチュエータを油圧シリンダに置き換えて用いる場合には、ナット部材に発生する偏荷重がボールねじの寿命を低下させ、大きな課題となる。

　この偏荷重は、ナット部材と駆動対象物に連結された被駆動部材とが、加工や取付けの誤差または可動部のガタなどによって、相対的に微小傾斜し、接触部が外周方向にずれることで発生する。

　そして、偏荷重が発生すると、ねじ軸とナット部材との複数の接触部に作用する荷重が不均等となり、一部の接触部に作用する荷重が増大する。

　電動リニアアクチュエータに用いられる回転直動変換機構の多くは、ボールねじにおける球のように転動体を介して、ねじ軸とナット部材とが接触するが、ナット部材に偏荷重が発生すると、その接触部に発生するヘルツ応力が増大してフレーキングの発生を早め、回転直動変換機構の寿命を低下させる。

　このため、ナット部材に生じる偏荷重を防止することが必要であり、すなわち、ねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等化することが求められる。

　ナット部材に生じる偏荷重の防止には、従来は、以下のような方策が考えられている。

　特許文献１に記載の技術は、駆動部材と被駆動部材との間を、それぞれ軸が互いに直交するように配置された円柱状の係合部材とこの係合部材を摺動自在に保持する円形孔とからなるカプラによって連結し、駆動部材と被駆動部材との微小傾斜を、このカプラで吸収するようにしている。

　また、特許文献２の「ボールねじ式移動装置」、特許文献３の「ボールねじ」、および、特許文献４「ボールねじ装置及び射出成形機の電動型開閉装置」に記載の技術は、ボールねじ式リニアアクチュエータのナット部材と被駆動部材との間に、自動調芯機能を持った部材が取付けられている。

　特に、特許文献２では凸曲面に、特許文献３及び特許文献４では球面に、加工された部材によって、ナット部材と被駆動部材との傾斜を吸収し、偏荷重を防止している。

特開平０３－２２８５３８号公報 特開２００３－３０７２６４号公報 実開平０５－０６６３６０号公報 特開２００２－３２７８２６号公報

　これら従来の技術は、ナット部材と被駆動部材との微小傾斜を吸収し、荷重をねじ軸の中心軸上に作用させることができる。しかしながら、それでもねじ軸とナット部材との間の複数の接触部に作用する荷重を均等化することはできないことがわかった。

　回転直動変換機構の寿命を更に向上させるためには、この残った不均等性を更に低減する必要があり、この残った不均等性を更に低減することは、大推力用の電動リニアアクチュエータに用いられる回転直動変換機構には特に有効である。

　ねじ軸とナット部材とからなる一般的な回転直動変換機構において、ナット部材に作用する外力がねじ軸の中心軸上に作用し、このとき、ねじ軸とナット部材との複数の接触部から反力としてナット部材に作用する接触力が均等であると仮定する。

　この複数の接触部が軸方向から見てほぼ同心円上に、円周方向にほぼ等間隔で配置されている場合には、各接触力の軸方向成分の合力の作用点は、ほぼ、ねじ軸の中心軸上となり、大きさも作用線も一致するため、この接触力はナット部材に作用する外力とほぼ釣合う。

　ところが、ねじ軸とナット部材との接触部は螺旋状に配置され、互いに軸方向にずれた位置にあるため、各接触部の接触力の軸直角方向成分によってナット部材には、ねじ軸の中心軸と直交する軸回りのモーメントが発生し、これがアンバランスモーメントとして残る。

　すなわち、外力がねじ軸の中心軸上に作用した場合に、各接触部の接触力が均等な状態でバランスするということは成り立たず、仮定は矛盾していることとなる。

　このため、外力がねじ軸の中心軸上に作用すると、各接触部の接触力が不均等性になり、ナット部材に偏荷重（モーメント荷重）が発生し、回転直動変換機構の寿命を低下させることになる。

　本発明は、回転直動変換機構を用いたリニアアクチュエータにおいて、ねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等化することで大推力に耐えつつ、長寿命を確保できるリニアアクチュエータを実現するものである。

　このアンバランスモーメント、つまり、偏荷重を防止または低減するための一つの方策として、ナット部材に作用する外力を、ねじ軸の中心軸上から所定の半径方向に所定の距離ずらすことが考えられる。好ましくは、最適荷重作用点に、作用させることが考えられる。

　複数の接触点の荷重が均等であれば、ねじ軸からナット部材へ反力として作用する接触力の軸方向成分の合力の作用点は、ほぼ、ねじ軸の中心軸上となる。

　このため、外力の作用位置をねじ軸の中心軸からずらすことで偶力を形成し、そのずらす距離とずらす方向とによって、この偶力の大きさとモーメントの方向とを調整することができ、これにより、偶力とアンバランスモーメントとを相殺することができる。

　このときナット部材は各接触点の荷重が均等な状態でバランスしている。つまり、各接触点における荷重が均等であるといえる。

　アンバランスモーメントが完全に相殺される偶力（外力）の作用点が最適荷重作用点であるが、この最適荷重作用点はねじ軸とナット部材との接触部の配置状態から定量的に算出できる。

　各接触点における荷重を均等にするため、本発明は、以下の構成をとる。

　本発明の形態の一つであるリニアアクチュエータは、ねじ軸と、ねじ軸に螺合するナット部材と、駆動対象物に連結された被駆動部材と、ナット部材と被駆動部材とを連結し、互いに略直交する２つの回転軸を持つ接触力均等化機構（カプラ）と、を有し、ねじ軸に対する相対的な回転運動によって、ナット部材を軸方向に進退運動させ、ナット部材の進退運動によって、接触力均等化機構と被駆動部材とを介して、駆動対象物に直動運動を与えるものである。

　そして、接触力均等化機構の２つの回転軸を、ねじ軸の方向に投影したときの交点位置を、ねじ軸の回転軸から、半径方向にずらしたことを特徴とする。

　このずらすべき半径方向（中心軸からの方向）および距離は、ねじ軸とナット部材との接触部の配置状態によって概ね決定される。

　このように交点位置を半径方向にずらし、接触力均等化機構の２つの回転軸を、回転運動（揺動運動）させることによって、ナット部材と被駆動部材との間の微小傾斜を吸収する。

　そして、２つの回転軸をねじ軸の方向に投影したときの交点位置が、ナット部材に対して固定された外力の作用点となり、この作用点をねじ軸とナット部材との接触部の配置状況から決定される最適荷重作用点に合わせる。

　これにより、ナット部材に発生するアンバランスモーメントを相殺し、各接触部に作用する荷重を均等化でき、ナット部材に発生する偏荷重の防止または低減が可能となる。

　また、本発明の形態の一つであるリニアアクチュエータは、ナット部材と被駆動部材との間で荷重を伝達する際に、圧縮方向の荷重を伝達するものであり、引張方向の荷重を伝達しないように使用されるものである。

　つまり、本発明の形態の一つであるリニアアクチュエータは、たとえば、ねじ軸に対してナット部材が上下方向に駆動するように使用することが想定される。

　また、リニアクチュエータを水平方向に使用する場合であっても、リニアクチュエータの一方向からばね等によって荷重が作用している機構やリニアクチュエータの一方にＬ字レバーが形成される機構が想定される。

　こうしたリニアアクチュエータを、このように使用することにより、ナット部材と被駆動部材とは片方向の外力を伝達し、荷重の方向が異なることがなく、ナット部材の最適荷重作用点の位置が一定であり、こうした一定の最適荷重作用点に外力は作用する。

　また、こうしたリニアアクチュエータを水平方向で使用する場合には、ナット部材の進退方向の両側に２つの接触力均等化機構を連結し、２つの接触力均等化機構は、同一の被駆動部材に連結されていることが好ましい。

　また、リニアアクチュエータを水平方向で使用しない場合であっても、リニアアクチュエータに対して双方向の荷重が作用する場合には、ナット部材の進退方向の両側に２つの接触力均等化機構を連結し、この２つの接触力均等化機構は、同一の被駆動部材に連結されていることが好ましい。

　こうした構成を有することにより、ナット部材の最適荷重作用点が外力の方向によって異なる場合であっても、外力の方向によって、これを伝達する接触力均等化機構が作用する力の位置（方向）を変え、外力の方向によらず、最適荷重作用点に外力を作用させることができる。

　また、本発明の形態の一つであるリニアアクチュエータは、ねじ軸とナット部材とが、ナット部材に回転支持された複数のローラを介して接触し、転がり対偶によるローラねじ機構を構成していることが、特に、好ましい。

　こうしたローラねじ機構を有することにより、小球の点接触部に大きなヘルツ応力が発生するボールねじに比較して、ローラの接触部が線接触であるローラねじは、ヘルツ応力を低減することができる。

　つまり、ローラねじは、ボールねじと大きさが同程度ならばより大きな推力に耐えることができ、耐推力が同程度ならばより小型化できる。

　ここで使用するローラねじは、一方向からのスラスト荷重をねじ軸に伝達するローラの数が３つであり、それらをねじリードの略３分の１ずつ軸方向にずらし、３分の２π［rad］ずつ円周方向にずらして配置したものが好ましい。

　これにより、ねじ軸とナット部材との接触部が３つとなるため、構成部品に多少の寸法誤差が存在しても確実に全てのローラがねじ軸と接触し、荷重を支持することができる。　

　また、ローラの数が３つのローラねじを使用し、ねじ軸の回転軸をＺ軸、３つのローラのうち、軸方向の中央に配置されているローラとねじ軸との接触部中心を通りＺ軸と直交する軸をＹ軸、Ｙ軸とＺ軸との両方と直交する軸をＸ軸、ねじ軸のリードをＬ［mm］、ローラとねじフランク面との接触部を通過する螺旋のリード角をγ［rad］、ＹＺ平面をＹ軸回りにγ回転させた平面上におけるねじフランク面とローラとの接触部の中央付近における接線とＸＺ平面とのなす角をα［rad］と規定する。

　この場合、接触力均等化機構の２つの回転軸を、ねじ軸の方向に投影したときの交点位置は、Ｚ軸から半径方向にほぼ

の距離であり、Ｚ軸回りの角度がＸ軸から、ほぼ

の角度であることが好ましい。

　このように交点位置を設定することにより、ナット部材に作用する外力を、最適荷重作用点の近傍に作用させ、ねじ軸と３つのローラとの接触力をほぼ完全に均等化することができる。

　つまり、３つのローラを用いた場合の最適荷重作用点とは、３つのローラの作用する荷重が均等となる点であること意味する。

　こうしたリニアアクチュエータは、ねじ軸のリードが大きい場合に、特に、有効である。

　なお、本発明の形態の一つであるリニアアクチュエータは、電動フォークリフトの昇降に使用することができる。

　本発明の回転直動変換機構を用いたリニアアクチュエータにより、ねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等化することで、大推力に耐えつつ、長寿命を確保できるリニアアクチュエータを実現することができる。

リニアアクチュエータの外観図。 図１に示したリニアアクチュエータの正面図。 図１に示したリニアアクチュエータに使用したローラねじの左側面図，正面図およびＡ－Ａ断面図。 図１に示したリニアアクチュエータに使用したねじ軸と３つのローラとを示した左側面図，正面図，上面図およびＢ－Ｂ断面図。 図１に示したリニアアクチュエータに使用したねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等にする接触力均等化機構の外観図。 図５における接触力均等化機構の各部品の分離図。 図５における接触力均等化機構の上面図および下面図。 実施例２におけるリニアアクチュエータの外観図。 図８に示したリニアアクチュエータ使用したねじ軸と６つのローラとを示した左側面図および正面図。 実施例３におけるリニアアクチュエータの外観図。 リニアアクチュエータを搭載したフォークリフトの側面図。 図１１に示したフォークリフトにおける荷役装置の拡大図。

　以下、発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

　図１，図２，図３，図４は実施例１のリニアアクチュエータを、図８，図９は実施例２のリニアアクチュエータを、図１０は実施例３のリニアアクチュエータをそれぞれ図示したものである。

　図５，図６，図７はこれらリニアアクチュエータにおいて、ねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等にする接触力均等化機構を図示したものである。

　図１１，図１２は、リニアアクチュエータを搭載したフォークリフトおよび荷役装置を示したものである。

　本実施例におけるリニアアクチュエータは、例えば、ねじ軸が地面と垂直あるいはそれに近い向きに設置され、ナット部材は重力に逆らって被駆動部材を押し上げるというような、ナット部材に一方向荷重が作用する場合を想定したものである。

　つまり、ねじ軸に対してナット部材が上下に駆動するような場合を想定したものである。

　図１は、実施例１におけるリニアアクチュエータの外観図を示す。

　本実施例におけるリニアアクチュエータは、外周面に螺旋溝を形成したねじ軸１と、３つのローラ３１，３２，３３（ローラ３３は図１では死角となり図示されていない）、および、各々のローラを転がり軸受４を介して回転支持するローラケージ２を構成要素とするナット部材１１と、を有している。

　ナット部材１１は、３つのローラ３１，３２，３３を介して、ねじ軸１に螺合する。

　リニアアクチュエータは、さらに、ナット部材１１とねじ軸１の複数の転動部における接触力が不均等になるのを防止する接触力均等化機構１２を構成要素として有している。

　なお、接触力均等化機構１２は、中間部材５および滑動部材６を構成要素として有している。

　ねじ軸１とナット部材１１とは、それらの間に相対的な回転運動を与えることにより、相対的な直動運動を生成する回転直動変換機構を構成している。

　例えば、ねじ軸１が、図示しないモータの出力軸によって回転駆動された場合、ナット部材１１の回転が阻止されている状態であれば、ナット部材１１は直動駆動される。

　リニアアクチュエータは、ナット部材１１が接触力均等化機構１２を介して被駆動部材８に接続され、回転を阻止される。これによって、ナット部材１１は直動駆動される。

　図２は、図１に示したリニアアクチュエータの正面図を示す。

　つまり、本実施例におけるリニアアクチュエータは、図２中、左右に駆動するものであり、図２中、右側から左側に向かって力が作用し、ナット部材１１と被駆動部材８との間で荷重を伝達する際に、圧縮方向の荷重を伝達することになる。

　なお、図２において使用した符号は、図１において使用した符号と同様の構成要件を示すものである。

　図３は、図１に示したリニアアクチュエータに使用したローラねじの左側面図（ａ）、正面図（ｂ）およびＡ－Ａ断面図（ｃ）を示す。つまり、本実施例におけるねじ軸１とナット部材１１とを有するローラねじを示したものである。

　図３（ａ）に示すように、ナット部材１１は、３つのローラ３１，３２，３３がそれぞれリードのほぼ３分の１ずつ軸方向にずらされ、その結果、３分の２πずつ円周方向にずらされて配置されている。

　図３（ｂ）に示すように、ねじ軸１とナット部材１１との接触部に作用する荷重が均等であるとして、ナット部材１１に発生するモーメントを計算することができる。

　ナット部材１１に作用する一方向荷重Ｆは、接触力均等化機構１２を介して、ナット部材１１とねじ軸１との接触部に均等に作用し、ローラケージ２，転がり軸受４を介して各ローラに伝わる。

　図３（ｃ）に示すように、このローラねじは、台形状断面の螺旋溝を外周に形成したねじ軸１と、その螺旋溝の一方の傾斜面であり、台形状断面の螺旋溝の右上方向を向いた右フランク面１ａに接触して転動する３つのローラ３１，３２，３３（ローラ３２，３３は図３（ｃ）では図示されていない）と、各々のローラを転がり軸受４を介して回転支持するローラケージ２を構成要素としている。

　各ローラは、ローラケージ２に固定された各ローラの自転軸を、ねじ軸１の螺旋溝のリード角でねじ軸１の中心軸と交差する平面内に配置し、その平面内で外周方向に向かって各ローラとねじ軸１とが転動する接触部側に傾斜する。

　そして、各ローラとねじ軸１との転動距離の大きい部分同士、転動距離の小さい部分同士がそれぞれ転動するようになっており、各ローラとねじ軸１との接触線上のいずれの点においてもすべりが微小であり、完全に近い転がりが可能である。

　また、各ローラの端面を、ねじ軸１の中心軸に対して傾斜させ、各ローラが転動するねじ山と隣のピッチのねじ山とを、干渉しにくくしている。

　さらに、各ローラの転動面を、各ローラが転動するフランク面を含むねじ山の隣（次）のピッチのねじ山を越えて、ねじ軸１の軸方向範囲を占める構成とすることで、各ローラのヘルツ接触部の曲率半径を拡大し、ヘルツ応力を低減し、転動部の耐久性を向上させている。

　加えて、各ローラの転動部に隣接した端面に凹部を形成することにより、各ローラの自転軸を外周方向に向かって各ローラとねじ軸１とが転動する接触部側に傾斜させる際の傾斜量が小さい場合であっても、次のピッチにおけるねじ山と各ローラ端面との干渉を避けることができる。

　この傾斜量が小さいと、各ローラの転動部の径が同じ場合は、ナット部全体の外径を小さく抑えることができる。

　図５，図６，図７は、本実施例におけるリニアアクチュエータに形成されるねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等にする接触力均等化機構１２を図示したものである。

　なお、図６，図７において使用されている符号は、図５において使用されている符号と同様の構成要素を示すものである。

　図５は、図１に示したリニアアクチュエータに使用したねじ軸とナット部材との各接触部に作用する荷重を均等にする接触力均等化機構の外観図を示したものである。

　図５において、接触力均等化機構１２は、凸曲面部（円筒曲面部）６ａと平面部６ｄとからなり、ほぼ半円柱形状で凸曲面部６ａに摺動面を有する４つの滑動部材６と、円盤状のものにねじ軸１を通すための円筒形の穴が開けられたリング状をしており、滑動部材６の凸曲面部６ａに対応する凹曲面部５ａを有する中間部材５と、を構成要素としている。

　なお、滑動部材６には、ナット部材１１のローラケージ２と、または、被駆動部材８とを接続する連結ピン部材７が形成されている。

　この滑動部材６は、その断面がほぼ半円形状であり、曲面部分で中間部材５と接触し、平面部分では中間部材５と接触しない構造をとることにより、圧縮方向の荷重を伝達することになり、引張方向の荷重を伝達しないようになる。このように、滑動部材６の断面が半円形状である構成により、接触力均等化機構１２を薄く形成できるとともに、滑動部材６にせん断荷重でなく圧縮荷重が働く構成により、接触力均等化機構１２の強度が向上する。

　接触力均等化機構１２は、滑動部材６の凸曲面部６ａと中間部材５の凹曲面部５ａとが接触及び摺動するよう配置され、円弧の円周方向に摺動することにより揺動動作を行う。

　中間部材５の凹曲面部５ａは、上面５ｂ，下面５ｃのそれぞれに２つずつ形成されており、同一面上の２つの凹曲面部５ａは、そこに配置される滑動部材６の揺動軸６ｂ（上面５ｂに対応）または揺動軸６ｃ（下面５ｃに対応）が同一となるように、つまりそれぞれ同一の揺動軸上に形成されている。

　図６は、図５における接触力均等化機構１２の各部品（構成要素）の分離図を示したものである。

　滑動部材６の平面部６ｄには、連結ピン部材７を挿入する孔が設けられ、連結ピン部材７が挿入される。

　同様に、ローラケージ２及び被駆動部材８にも、連結ピン部材７の挿入孔が設けられる。

　滑動部材６の平面部６ｄに挿入されている連結ピン部材７がローラケージ２及び被駆動部材８に挿入されることで、滑動部材６とローラケージ２とが、および、滑動部材６と被駆動部材８とが、半径方向にずれないように形成される。

　これにより、ナット部材１１は接触力均等化機構１２を介して被駆動部材８へ連結され、ナット部材１１および被駆動部材８は、ねじ軸１に直角な軸回りの揺動が可能となる一方で、ねじ軸１の軸回りの相対回転ができない状態となる。

　ナット部材１１および被駆動部材８は、ねじ軸１の回転軸とほぼ平行（軸方向）に直動可能であるが、ねじ軸１の回転軸回りには回転できないように、図示していないリニアガイドなどによって拘束されている。

　この結果、モータ（図示せず）の出力によって、ねじ軸１が回転すると、ナット部材１１はねじ軸１に対して相対的に直動動作を行い、被駆動部材８は、ねじ軸１とほぼ平行に進退する。

　図７は、図５における接触力均等化機構１２の上面図（ａ）及び下面図（ｂ）を示したものである。

　中間部材５の上面５ｂに配置された滑動部材６の揺動軸６ｂと中間部材５の下面５ｃに配置された滑動部材６の揺動軸６ｃとは、互いに交差（直交）またはねじれの位置にあり、２つの揺動軸６ｂ，６ｃをねじ軸１の方向に投影したときの交点６ｅは、中間部材５の中心６ｄから距離Ｌｄだけ離れた位置に存在する。

　このような接触力均等化機構１２は、２つの揺動軸により、微小傾斜を吸収でき、滑動部材６の断面を半円形状とすることにより、接触力均等化機構１２を薄く形成できると共に強度も向上する。

　以下、ナット部材１１の最適荷重作用点（交点６ｅ）を算出する。

　図４は、図１に示したリニアアクチュエータに使用したねじ軸と３つのローラとを示した左側面図（ａ），正面図（ｂ），上面図（ｃ）およびＢ－Ｂ断面図（ｄ）を示したものである。

　本実施例におけるナット部材１１の最適荷重作用点は以下のように算出できる。まず、最適荷重作用点を求めるために、ねじ軸１とナット部材１１との接触部に作用する荷重が均等であるとして、ナット部材１１に発生するモーメントを計算する。

　ナット部材１１に作用する一方向荷重Ｆ（図３（ｂ）に示すもの）は、ローラケージ２、転がり軸受４を介して各ローラに伝わる。

　図４には、各ローラ３１，３２，３３が、ねじ軸１から受ける線分布荷重の合力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、これが作用する代表点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とが図示されている。

　以下の説明を容易にするため、３点の中で軸方向中央にある点Ｐ１がＸＹ平面上となるようなＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を、図４に示す。

　このとき、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位置は次式で表される。

　ここで、Ｄは各点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の配置径（（ａ）参照）、Ｌはねじ軸１のリード（（ｂ）参照）である。

　合力Ｆ１は、ねじ軸１の中心軸に対してリード角γ（（ｃ）参照）ずれた平面内にあって、ＸＺ平面に対して角度α（（ｄ）参照）傾斜した接触部接線と対になる法線方向に作用している。

　合力Ｆ２，Ｆ３も同様であり、合力Ｆ１がリードＬの３分の１ずつＺ軸方向にずれ、１２０゜ずつ、ねじ軸１の円周方向に回転した状態で作用している。

　合力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３それぞれのＸ成分，Ｙ成分，Ｚ成分は、接触部に作用する荷重が均等であるとの条件のもと、それぞれの力の大きさを等しくＦｎとし、次のように表される。

　ナット部材１１に作用する一方向荷重Ｆは、３つの接触部に作用する力のＺ成分を合わせたものに等しくなるため、

よりＦｎは以下である。

　合力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の３つの力によって生じるモーメントＭ（（ａ）参照）は、Ｘ軸回りのモーメントＭｘとＹ軸回りのモーメントＭｙとの合成として次のように表すことができる。

　上式に、合力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の各成分およびＦｎを代入して以下が求まる。

　また、モーメントＭの回転軸の向きθ_M（（ａ）参照）は、

である。

　ナット部材１１の最適荷重作用点Ｐ０（（ａ）参照）は、ナット部材１１に生じるモーメントＭを相殺する荷重作用点であり、Ｚ軸からの距離ｒ（（ａ）参照）とＺ軸回りの角度θ（（ａ）参照）で表すと次のように求めることができる。

　接触力均等化機構１２の中心６ｄ（図７参照）は、ねじ軸１の中心軸上に配置され、図７における寸法Ｌｄは、図４における距離ｒと一致させることが好ましい。

　また、接触力均等化機構１２は、ローラケージ２に対して、図７における６ｅが角度θの方向となるように、連結ピン部材７によってナット部材１１に取付けられている。

　すなわち、ナット部材１１に作用する外力は接触力均等化機構１２を介して伝わり、このとき外力は最適荷重作用点Ｐ０である交点６ｅに作用するため、ねじ軸１とナット部材１１との３つの接触部に作用する荷重がほぼ完全に均等化される。

　また、接触力均等化機構１２の持つ２つの揺動軸の揺動運動により、ナット部材１１と被駆動部材８との間の微小傾斜を吸収することができ、微小傾斜しても最適荷重作用点Ｐ０は交点６ｅとほぼ重なる。

　なお、最適荷重作用点Ｐ０と交点６ｅとを一致させることにより、大きい効果（たとえば、リニアアクチュエータの耐用年数１５年）を得ることができるが、最適荷重作用点Ｐ０と交点６ｅとが一致せず、ずれていても、所定の効果（たとえば、リニアアクチュエータの耐用年数１０年）を得ることができる場合がある。

　つまり、交点６ｅを、中間部材５の中心６ｄから離れた位置に（ねじ軸１の回転軸から半径方向にずらして）設定すると共に、交点６ｅを、最適荷重作用点Ｐ０が存在する方向に少しでも近づけて設定することにより、所定の効果が得られる。

　したがって、実施例１に示すリニアアクチュエータは、図１に示すように、ねじ軸１と、ねじ軸１に螺合し、回転支持された３つのローラ３１，３２，３３を介してねじ軸１と接触するローラねじ機構を持つナット部材１１と、駆動対象物に連結された被駆動部材８と、ナット部材１１と被駆動部材８とを連結するものであり、図５に示すように、互いにねじれの位置関係にある２つの回転軸（６ｂ，６ｃ）を持つ接触力均等化機構１２、を有するものである。

　そして、ねじ軸１に対する相対的な回転運動によって、ナット部材１１をねじ軸１の方向に進退運動させ、ナット部材１１の進退運動によって、接触力均等化機構１２と被駆動部材８とを介して、駆動対象物に直動運動を与える。

　そこで、実施例１に示すリニアアクチュエータの特徴は、接触力均等化機構１２の２つの回転軸をねじ軸１の方向に投影した時の交点位置（６ｅ）を、ねじ軸１の回転軸から、ナット部材１１の進行方向に対して、３つのローラのうち最先にあるローラの位置のおおよその方向に、ずらしたことにある。

　ここで、進退運動の進行方向は、図４（ｂ）に示すＺ軸のプラスの方向（図中、左側から右側へ）である。つまり、ローラ３１，３２，３３が傾斜している角度が鋭角の方向に進行する。

　また、実施例１に示すリニアアクチュエータの特徴は、接触力均等化機構１２の２つの回転軸をねじ軸１の方向に投影したときの交点位置（６ｅ）を、ねじ軸１の回転軸から、ナット部材１１の退行方向に対して、３つのローラのうち最後にあるローラの位置のおおよその方向に、ずらしたことにある。

　ここで、進退運動の退行方向は、図４（ｂ）に示すＺ軸のマイナスの方向（図中、右側から左側へ）である。つまり、ローラ３１，３２，３３が傾斜している角度が鈍角の方向に退行する。

　このことから、ねじ軸１とナット部材１１との３つの接触部に作用する荷重の不均等をおおよそ防止することができる。

　本実施例におけるナット部材に作用する外力がナット部材とねじ軸との各接触部に均等に作用する回転直動変換機構を用いることにより、ねじ軸とナット部材との複数の転動部に作用する接触力が不均等になることを抑制する。

　したがって、回転直動変換機構を用いたリニアアクチュエータの長寿命化を図ることができ、副次的に騒音発生を防止することもできる。

　以下、本実施例で示したリニアアクチュエータを搭載したフォークリフトについて説明する。

　図１１は、リニアアクチュエータを搭載したフォークリフトの側面図を示したものである。

　図１１において、フォークリフトは、走行装置及び荷役操作装置等が装着された車体９と、車体９の前方に設置された荷役装置９０を備えている。

　荷役装置９０は、荷物等を支持するフォーク９５と、フォーク９５を上下に駆動するための支柱であるアウタマスト９１とを有している。

　図１２は、図１１に示したフォークリフトにおける荷役装置の拡大図を示したものである。

　図１２において、荷役装置９０は、アウタマスト９１と、アウタマスト９１の内側に設置され、アウタマスト９１に沿って昇降するインナマスト９２と、インナマスト９２の上部に設置されたチェーンホイール９３と、チェーンホイール９３を介して、一方の端がアウタマスト９１に、他方の端がフォーク９５にそれぞれ接続されたリフトチェーン９４と、インナマスト９２を上下運動（昇降）させるリニアアクチュエータと、を備えている。

　そして、荷役装置９０は、インナマスト９２に設置され、インナマスト９２の上下運動と連動して昇降するフォーク９５を有している。

　リニアアクチュエータは、アウタマスト９１に回転可能に支持されたねじ軸１と、ねじ軸１に螺合するナット部材１１と、インナマスト９２に固定された被駆動部材８と、ナット部材１１と被駆動部材８との間に設けられた接触力均等化機構１２と、を有している。

　ねじ軸１は複数の歯車９６を介して、モータ９７と接続しており、モータ９７の駆動力によって、ねじ軸１が回転する。

　ナット部材１１は、接触力均等化機構１２を介して、被駆動部材８と連結されており、ねじ軸１の回転軸回りには回転できないように連結されている。

　このため、ねじ軸１の回転に従って、ナット部材１１が直動運動する。ナット部材１１の直動運動は、接触力均等化機構１２及び被駆動部材８を介して、インナマスト９２に伝わる。

　したがって、モータ９７の駆動力によってナット部材１１が直動運動し、ナット部材１１の直動運動に従って、インナマスト９２を昇降させることができる。

　インナマスト９２が昇降すると、チェーンホイール９３も同時に昇降する。チェーンホイール９３が動滑車として作用するため、インナマスト９２の速度に比較して２倍の速度でフォーク９５が昇降する。

　このような荷役装置９０は、モータ９７を駆動することによって、フォーク９５を昇降させることができ、こうした荷役装置９０は、フォークリフトに利用することができる。

　フォーク９５に荷役対象物が搭載されると、荷役対象物の自重により、インナマスト９２は微小傾斜し、インナマスト９２に固定された被駆動部材８も微小傾斜し、被駆動部材８と共にナット部材１１も微小傾斜する。

　しかし、この微小傾斜は接触力均等化機構１２によって吸収され、ナット部材１１にエッジロード等を発生させることはない。

　また、被駆動部材８からナット部材１１に伝わる荷重を、接触力均等化機構１２により、ナット部材１１の最適荷重作用点に作用させるため、ナット部材１１とねじ軸１との接触部に作用する荷重は均等となり、一部の接触部に過大な負荷がかからないようになる。

　こうしたことから、リニアアクチュエータの長寿命化が図れる。

　すなわち、本実施例のように、従来、主に油圧アクチュエータが利用されてきたフォークリフトのアクチュエータとして、電動リニアアクチュエータを利用することができる。

　このように、フォークリフトに電動リニアアクチュエータを用いた場合、以下のようなメリットが考えられる。

　・油圧アクチュエータに比べて、機械効率を高くすることができるため、省エネである。

　・電動リニアアクチュエータは、動力回生を行うことができるため、省エネである。

　・電動リニアアクチュエータは、油レスのフォークリフトを実現できるため、汚染などの環境負荷を低減でき、食品工場等の油圧アクチュエータの使用が困難な環境へ適用可能となる。

　また、本実施例に示した、つまり、接触力均等化機構を用いたリニアアクチュエータを搭載したフォークリフトは、以下のようなメリットがある。

　・接触力均等化機構を用いることにより、各ローラに均等な荷重を作用させることができるため、長寿命化が図れる。

　・接触力均等化機構を用いることにより、用いない場合に比べて、より機械効率を高くすることができるため、省エネである。

　以下、図８を用いて、実施例２を説明する。

　図８は、実施例２におけるリニアアクチュエータの外観図を示すものである。

　リニアアクチュエータは、外周面に螺旋溝を形成したねじ軸１と、ねじ軸１に螺合し、６つのローラ３１，３２，３３および３１′，３２′，３３′（ローラ３３′は図８では死角となり図示されていない）と、各々のローラを転がり軸受４および４′を介して、回転支持するローラケージ２０を構成要素とするナット部材１３と、ナット部材１３に発生する偏荷重を防止する接触力均等化機構（偏荷重防止機構）１２および１２′と、を有している。

　なお、接触力均等化機構（偏荷重防止機構）１２および１２′は、それぞれ中間部材５および５′ならびに滑動部材６および６′を具備している。

　ねじ軸１とナット部材１３とは、それらの間に相対的な回転運動が与えられることにより、相対的な直動運動を生成する回転直動変換機構を構成している。

　ねじ軸１は、図示しないモータの出力軸に接続され、ナット部材１３は接触力均等化機構１２および１２′を介して、被駆動部材８０と接続されている。

　接触力均等化機構１２および１２′は、実施例１で説明した接触力均等化機構と同様である。

　このように構成することにより、ナット部材１３に双方向の荷重が作用する場合であっても、偏荷重を防止あるいは低減することができる。

　図９は、図８に示したリニアアクチュエータ使用したねじ軸と６つのローラとを示した左側面図（ａ）および正面図（ｂ）を示したものである。

　図９は、ねじ軸１とナット部材１３との関係を示したものであるが、説明の都合上、ローラケージ２０，転がり軸受４および４′を省略して図示する。

　ナット部材１３は、実施例１におけるナット部材１１を２つ設置したものである。

　一方のナット部材を他方のナット部材に対して、ねじ軸１と垂直の方向であるＸ軸回りまたはＹ軸回りに、１８０゜回転させ、つまり、２つのナット部材を向かい合わせに設置する。

　さらに、２つのナット部材をねじ軸１の中心軸回りにβ回転させて設置する（（ａ）参照）。

　６つのローラのうち、一方の３つのローラ３１，３２，３３はねじ軸１の右フランク面１ａと接触し、他方の３つのローラ３１′，３２′，３３′はねじ軸１の左フランク面１ｂと接触するよう配置されている（（ｂ）参照）。

　このように配置することによって、ナット部材１３は、進退の両方向（たとえば、前後、左右のような平面上における移動）について、荷重を支えることができるため、被駆動部材８０に両方向の荷重が作用する場合にも用いることができる。

　また、被駆動部材８０に、図８において、左向き荷重Ｆが作用する場合、荷重は被駆動部材８０から接触力均等化機構１２を介して、ナット部材１３に伝わり、３つのローラ３１，３２，３３が、ねじ軸１に対して荷重を作用させる。

　このとき、接触力均等化機構１２′は、滑動部材６′と中間部材５′とが連結されておらず、圧縮荷重のみを伝達するため、被駆動部材８０から接触力均等化機構１２′を介してナット部材１３に荷重が伝わることはない。

　被駆動部材８０に、図８において、右向きの荷重Ｆ′が作用する場合、荷重は被駆動部材８０から接触力均等化機構１２′を介して、ナット部材１３に伝わり、３つのローラ３１′，３２′，３３′が、ねじ軸１に対して荷重を作用させる。

　このとき、接触力均等化機構１２は、滑動部材６と中間部材５とが連結されておらず、圧縮荷重のみを伝達するため、被駆動部材８０から接触力均等化機構１２を介してナット部材１３に荷重が伝わることはない。

　一方の３つのローラ３１，３２，３３とねじ軸１との接触状態から、実施例１に示す通り最適荷重作用点Ｐ０が求まり、他方の３つのローラ３１′，３２′，３３′とねじ軸１との接触状態から、実施例１に示す通り最適荷重作用点Ｐ０′が求まる。

　この２つの最適荷重作用点（Ｐ０，Ｐ０′）は、実施例１における最適荷重作用点を表わす距離ｒと角度θとのうち、距離ｒは等しいが、角度θも等しいとは限らず、多くの場合において角度θは異なる。

　このため、一方の３つのローラ３１，３２，３３が荷重を受ける場合、すなわち被駆動部材８０に左向きの荷重Ｆが作用する場合と、他方の３つのローラ３１′，３２′，３３′が荷重を受ける場合、すなわち被駆動部材８０に右向きの荷重Ｆ′が作用する場合とでは、最適荷重作用点が異なることになる。

　そこで、本実施例では、荷重の向きによって異なる最適荷重作用点に、荷重を作用させるために、圧縮荷重を伝達する２つの接触力均等化機構をナット部材１３の両側にそれぞれ配置している。

　こうした構成により、被駆動部材８０に作用する荷重の向きによらず、ナット部材１３に発生する偏荷重を防止あるいは低減することができる。

　なお、本実施例に示した、つまり、接触力均等化機構を用いたリニアアクチュエータは、フォークリフトに限らず、従来の油圧シリンダに置き換えて使用することができる。建設機械、たとえば、パワーショベルのアームの先端に形成され、バケットを駆動する機構に、こうしたリニアアクチュエータを使用することができる。

　なお、本実施例におけるリニアアクチュエータは、たとえば、ねじ軸１が水平方向に設置され、ナット部材１３が水平方向に駆動する場合に好適である。また、ねじ軸１に対してナット部材１３が進退の両方向から荷重を受ける場合に好適である。

　以下、図１０を用いて、実施例３を説明する。

　図１０は、実施例３におけるリニアアクチュエータの外観図を示すものである。

　実施例３は、実施例１におけるローラねじを、ボールねじに置き換えた構成である。

　つまり、実施例１にけるナット部材１１をボールねじ用ナット部材１４に、ねじ軸１をボールねじ用ねじ軸１０に置き換えたものである。

　リニアアクチュエータに、一般的なボールねじを使用する場合も、転動体であるボール（球）とボールねじ用ねじ軸１０との接触状態から、実施例１に示す方法を用いて、最適荷重作用点を算出することができる。

　なお、ボールねじを使用した場合の最適荷重作用点の算出にあたっては、各ボールが、ボールねじ用ねじ軸１０に対して、一点一点、作用していることから、ボールねじ用ねじ軸１０の一周あたりのボールの数を考慮して算出することになる。

　実施例３においても、接触力均等化機構（偏荷重防止機構）１２は、ボールねじ用ナット部材１４の最適荷重作用点に荷重を作用させることができ、被駆動部材８１とボールねじ用ナット部材１４との間に取付けられる。

１，１０　ねじ軸
２，２０　ローラケージ
４，４′　転がり軸受
５，５′　中間部材
６，６′　滑動部材
７　連結ピン部材
８，８０，８１　被駆動部材
９　車体
１１，１３，１４　ナット部材
１２，１２′　接触力均等化機構
３１，３１′，３２，３２′，３３，３３′　ローラ
９０　荷役装置
９１　アウタマスト
９２　インナマスト
９３　チェーンホイール
９４　リフトチェーン
９５　フォーク
９６　歯車
９７　モータ

Claims (9)

1. 　ねじ軸と、前記ねじ軸に螺合するナット部材と、駆動対象物に連結された被駆動部材と、前記ナット部材と前記被駆動部材とを連結するカプラと、を有し、
   　前記ねじ軸に対する相対的な回転運動によって、前記ナット部材を軸方向に進退運動させ、前記ナット部材の進退運動によって、前記カプラ及び前記被駆動部材とを介して、前記駆動対象物を軸方向に駆動するリニアアクチュエータにおいて、
   　前記カプラは互いに略直交する２つの回転軸を持ち、この２つの回転軸を、前記ねじ軸の方向に投影したときの交点位置を、前記ねじ軸の中心軸から、半径方向にずらしたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 　請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   　前記ねじ軸と前記ナット部材とは、前記ナット部材に回転支持された複数のローラを介して接触し、転がり対偶によるローラねじ機構を構成していることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 　請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   　一方向からのスラスト荷重をねじ軸に伝達するローラの数は３つであり、それらをねじリードの略３分の１ずつ軸方向にずらし、３分の２π［rad］ずつ円周方向にずらして配置することを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 　請求項３に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   　ねじ軸の回転軸をＺ軸、３つのローラのうち、軸方向の中央に配置されているローラとねじ軸との接触部中心を通り前記Ｚ軸と直交する軸をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸との両方と直交する軸をＸ軸、ねじ軸のリードをＬ［mm］、ローラとねじフランク面との接触部を通過する螺旋のリード角をγ［rad］、ＹＺ平面をＹ軸回りにγ回転させた平面上におけるねじフランク面とローラとの接触部の中央付近における接線とＸＺ平面とのなす角をα［rad］と規定した場合、
   　前記カプラの２つの回転軸を、前記ねじ軸の方向に投影したときの交点位置は、
   　前記Ｚ軸から半径方向にほぼ
   

   

   の距離であり、前記Ｚ軸回りの角度が前記Ｘ軸から、ほぼ
   

   

   の角度であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 　請求項１に記載のリニアアクチュエータを昇降に用いたことを特徴とする電動フォークリフト。
6. 　請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   　前記ナット部材と前記被駆動部材との間で荷重を伝達する際に、圧縮方向の荷重を伝達し、引張方向の荷重を伝達しないことを特徴とするリニアアクチュエータ。
7. 　請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   　前記ナット部材の進退方向の両側に２つのカプラを連結し、２つのカプラは、同一の被駆動部材に連結されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
8. 　ねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、回転支持された３つのローラを介して前記ねじ軸と接触するローラねじ機構を持つナット部材と、駆動対象物に連結された被駆動部材と、前記ナット部材と前記被駆動部材とを連結するカプラと、を有し、
   　前記ねじ軸に対する相対的な回転運動によって、前記ナット部材を軸方向に進退運動させ、前記ナット部材の進退運動によって、前記カプラ及び前記被駆動部材とを介して、前記駆動対象物に直動運動を与えるリニアアクチュエータにおいて、
   　前記カプラは互いにねじれの位置関係にある２つの回転軸を持ち、この２つの回転軸を前記ねじ軸の方向に投影したときの交点位置を、前記ねじ軸の回転軸から、前記ナット部材の進行方向に対して、前記３つのローラのうち最先にあるローラの位置の方向に、ずらしたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
9. 　請求項８に記載のリニアアクチュエータを昇降に用いたことを特徴とする電動フォークリフト。

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