WO2021210406A1 - 多段式ボールねじユニット及びこれを用いた電動アクチュエータ - Google Patents

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WO2021210406A1
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screw shaft
screw
spiral groove
shaft
ball
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隆 咲山
敬史 押田
哲弘 西出
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Thk株式会社
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
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    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/22—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa

Definitions

  • the present invention relates to a multi-stage ball screw unit configured by superimposing a first ball screw device and a second ball screw device having a reverse screw relationship with each other, and an electric actuator configured by using the multi-stage ball screw unit.
  • an actuator that outputs a linear motion according to the amount of rotation of the electric motor is known, and in such an actuator, a ball screw device is used as a mechanism for converting the rotational motion of the electric motor into the axial motion of the first screw shaft.
  • a ball screw device is used as a mechanism for converting the rotational motion of the electric motor into the axial motion of the first screw shaft.
  • a multi-stage actuator in which a plurality of ball screw devices having a reverse screw relationship with each other are superposed is also known (see, for example, Patent Document 1).
  • These multi-stage actuators are configured by using a ball screw unit in which a ball screw device composed of a screw shaft and a nut member screwed to the screw shaft is doubly stacked in the radial direction, and the first ball screw unit located inside is used.
  • the nut member of the ball screw device is integrated with the screw shaft of the second ball screw device located on the outside to form a composite shaft.
  • the first ball screw device and the second ball screw device constituting such a multi-stage ball screw unit have a reverse screw relationship with each other. Therefore, when the rotational motion of the electric motor is transmitted to the composite shaft screwed into the nut member of the second ball screw device in a fixed state, the composite shaft is guided by the nut member and rotates in the axial direction. Exercise to.
  • the screw shaft of the first ball screw device if the screw shaft of the first ball screw device is held non-rotating, the screw shaft will move in the axial direction with the rotation of the composite shaft. That is, the axial movement of the composite shaft and the axial movement of the screw shaft of the first ball screw device with respect to the composite shaft overlap, so that the ball screw unit becomes a nut member of the second ball screw device.
  • the screw shaft of the first ball screw device can be moved in the axial direction with a large stroke amount.
  • the load capacity of the axial load in the ball screw device is determined by the diameter of the balls and the number of balls spirally arranged between the nut member and the screw shaft.
  • the screw shaft of the second ball screw device located on the outside is overlapped.
  • the shaft diameter of the screw shaft of the first ball screw device located inside is naturally smaller than that of the first ball screw device, and as a result, the load-loading capacity of the first ball screw device is smaller than that of the second ball screw device. It tends to be.
  • the load-loading capacity of the multi-stage electric actuator is dominated by that of the first ball screw device, and if the load-loading capacity of the actuator itself is to be increased, the first ball screw device is used. It was necessary to increase the shaft diameter of the screw shaft. However, if the shaft diameter of the screw shaft of the first ball screw device located inside is increased, the screw shaft of the second ball screw device located outside is also increased in diameter, resulting in an increase in the size of the actuator. There was a problem.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is a multi-stage ball screw capable of reducing the size of the entire device while sufficiently increasing the load capacity of the axial load. It is an object of the present invention to provide a unit and an actuator using the unit.
  • the first screw shaft in which the first spiral groove on which the rolling element rolls is formed on the outer peripheral surface and the first spline groove is formed along the axial direction and the first screw shaft described above. It is formed in a hollow cylindrical shape that covers the one-screw shaft from the outside, and a second spiral groove on which the rolling element rolls is formed in the opposite direction to the first spiral groove on the outer peripheral surface, and a second spline groove is formed along the axial direction.
  • the number of the first spiral groove formed on the first screw shaft is larger than the number of the second spiral groove formed on the second screw shaft. It is set.
  • the axial pitch of the first spiral groove formed on the first screw shaft is larger than the axial pitch of the second spiral groove formed on the second screw shaft. Is also set small.
  • the number of rolling elements arranged between the first screw shaft and the inner screw nut screwed thereto without increasing the shaft diameter of the first screw shaft. Can be increased, and the load-loading capacity of the first ball screw device located on the inner side can be increased to a level comparable to that of the second ball screw device located on the outer side. Therefore, if the electric actuator is configured by using the ball screw unit of the present invention, it is possible to reduce the size of the entire device while sufficiently increasing the load capacity of the axial load of the electric actuator.
  • FIG. 1 It is a perspective sectional view which shows an example of the Embodiment of the electric actuator configured by using the ball screw unit of this invention. It is a perspective sectional view which shows the use state of the electric actuator shown in FIG. It is a perspective view which shows an example of the ball screw device applicable as the first ball screw device of an electric actuator. It is sectional drawing of the nut member of the ball screw device shown in FIG. It is a perspective view which shows an example of the ball screw device which can be applied as the 2nd ball screw device of an electric actuator. It is a perspective view which shows the inside of the nut member of the ball screw device shown in FIG.
  • FIG. 1 and 2 are perspective views showing an electric actuator configured by using the multi-stage ball screw unit of the present invention (hereinafter, referred to as “ball screw unit”).
  • FIG. 1 is a perspective sectional view showing a state in which the first screw shaft and the second screw shaft of the ball screw unit are housed in the housing of the electric actuator, and
  • FIG. It is a perspective sectional view which shows the state which protruded from a housing.
  • the electric actuator includes a housing 1 having a base plate 1a and a cylindrical cover member 1b fixed to the base plate 1a, and the ball screw unit and the electric motor 7 are housed inside the housing 1.
  • the ball screw unit accommodates a first screw shaft 3 having a hollow portion and being formed in a cylindrical shape and having a first spiral groove in which a ball rolls on the outer peripheral surface, and the first screw shaft 3.
  • a second screw shaft 4 having a hollow portion to be formed and having a cylindrical shape and a second spiral groove in which a ball rolls is formed on an outer peripheral surface, and a second screw shaft 4 provided in the hollow portion of the second screw shaft 4.
  • the inner screw nut 5 screwed to the first screw shaft 3 via a large number of balls, and the inner screw nut 5 is fixed to the cover member 1b of the housing 1 and screwed to the second screw shaft 4 via a large number of balls. It includes an outer screw nut 6.
  • the cover member 1b of the housing 1 has a two-stage cylindrical shape in which a small-diameter cylindrical portion 12 is connected to a large-diameter cylindrical portion 11, and the base plate 1a is fixed to the open end of the large-diameter cylindrical portion 11.
  • a storage chamber for the electric motor 7 is formed in the housing 1.
  • each component constituting the ball screw unit is housed in the small-diameter cylindrical portion 12 of the cover member 1b.
  • the inner diameter of the small-diameter cylindrical portion 12 is set to be slightly larger than the outer diameter of the second screw shaft 4, and the second screw shaft 4 is inside the small-diameter cylindrical portion 12 without interfering with the housing 1. It can move in the axial direction while rotating freely.
  • An opening 13 is provided at the tip of the small-diameter cylindrical portion 12 opposite to the large-diameter cylindrical portion 11, and the second screw shaft 4 and the first screw shaft 3 are external from the housing 1 through the opening 13. It is configured to advance to.
  • a rod-shaped first joint member 2 is fixed to the base plate 1a of the housing 1.
  • One end of the first joint member 2 in the axial direction is fixed to the base plate 1a, and the other end is inserted into the hollow portion of the first screw shaft 3 to the center of the cover member 1b formed in a cylindrical shape. positioned. Further, the first joint member 2 penetrates the inside of the housing 1, and the end portion on the opposite side to the base plate 1a substantially matches the opening portion 13 of the cover member 1b.
  • the first joint member 2 and the first screw shaft 3 located outside the first joint member 2 constitute a ball spline device.
  • a plurality of spline grooves along the axial direction are provided on the outer peripheral surface of the first joint member 2 and the inner peripheral surface of the first screw shaft 3, and a large number of balls are arranged in these spline grooves. .. That is, the first joint member 2 and the first screw shaft 3 are spline-coupled via a large number of balls rolling in the spline groove, and the first screw shaft 2 is fixed to the housing 1. While the first joint member 2 can be freely moved in the axial direction with respect to the joint member 2, it cannot rotate in the circumferential direction of the first joint member 2.
  • the first joint member 2 functions as a rotation stopper for the first screw shaft 3.
  • a ball as a rolling element is interposed between the first joint member 2 and the first screw shaft 3, but a roller may be used instead of the ball.
  • the first joint member 2 and the first screw shaft 3 may be spline-coupled by sliding contact.
  • the first screw shaft 3 and the inner screw nut 5 constitute the first ball screw device. Specifically, 30 first spiral grooves for rolling balls are formed on the outer peripheral surface of the first screw shaft 3, and a large number of inner screw nuts 5 are arranged in the first spiral groove 30. It is screwed onto the first screw shaft 3 via a ball. Since the first screw shaft 3 is stopped by the first joint member 2, when the inner screw nut 5 is rotated, the first screw shaft 3 is axially oriented with respect to the inner screw nut 5. Move to.
  • FIG. 3 shows an example of a ball screw device applicable as the first ball screw device, which includes a screw shaft 3A in which a rolling groove as a first spiral groove 30 is formed on an outer peripheral surface, and a large number of balls. It is composed of a cylindrical nut member 3B screwed into the screw shaft 3A via the screw shaft 3A.
  • the screw shaft 3A corresponds to the first screw shaft 3
  • the nut member 3B corresponds to the inner screw nut 5.
  • the screw shaft 3A is a so-called multi-threaded screw, and three rolling grooves 30a, 30b, 30c are formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 3A, and these rolling grooves 30a, 30b, 30c have the same lead.
  • the rolling grooves 30a, 30b, and 30c are evenly arranged at equal intervals on the outer peripheral surface of the screw shaft 3A at a pitch of 1/3 of the lead along the axial direction. That is, the pitch of the rolling groove in the axial direction is a value obtained by dividing the lead of the rolling groove by the number of rows of the rolling groove.
  • the thread portion 31 indicates the outer diameter of the screw shaft 3A. If the number of the rolling grooves formed on the screw shaft 3A is two or more, the design may be changed as appropriate.
  • the nut member 3B has a through hole through which the screw shaft 3A is inserted and is formed in a cylindrical shape, and an infinite circulation path for the ball is provided on the inner peripheral surface of the through hole.
  • the ball is interposed between the screw shaft 3A and the nut member 3B, and by rotating the nut member 3B with respect to the screw shaft 3A, the screw shaft 3A moves in the axial direction of the nut member 3B.
  • the infinite circulation path goes around the screw shaft 3A, and in the example shown in FIG. 3, an infinite circulation path of three circuits is provided for the nut member 3B.
  • the number of circuits in the infinite circulation path can be appropriately changed in design according to the axial length of the nut member 3B and the required load-bearing capacity.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a nut member cut along one infinite circulation path.
  • An infinite circulation path 32 that goes around the screw shaft 3A is provided on the inner peripheral surface of the nut member 3B, and a large number of balls 3C are arranged in the infinite circulation path 32.
  • the infinite circulation path 32 corresponds to a plurality of rolling grooves 30a, 30b, 30c provided in the screw shaft 3A. As described above, assuming that the screw shaft 3A is provided with three rolling grooves 30a, 30b, 30c, each infinite circulation path 32 has three load portions 33 and three non-load portions 34. It is composed of.
  • the individual load portions 33 face any of the rolling grooves 30a, 30b, 30c of the screw shaft 3A, and the balls 3c are formed between the load portion 33 and the rolling grooves 30a, 30b, 30c of the screw shaft 3A. It rolls while applying a load between them.
  • the no-load portion 34 connects the load portions 33 to each other and faces the thread portion 31 of the screw shaft 3A, and the ball 3c rolling on the no-load portion 34 is released from the load and said. It gets over the thread portion 31 of the screw shaft 3A.
  • these load portions 33 and no load portions 34 are alternately provided along the circumferential direction of the nut member 3B, and as a result, the infinite circulation path 32 forms an annular shape that goes around the screw shaft 3A.
  • the infinite circulation path 32 forms an annular shape that goes around the screw shaft 3A.
  • the no-load portions 34 are present at three locations in the infinite circulation path 32, these no-load portions 34 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the nut member 3
  • the rolling grooves 30a, 30b, and 30c of the screw shaft 3A go around the screw shaft 3A, they advance by one lead in the axial direction, but the infinite circulation path 32 has the load portion 33 and the no-load portion 34. Since these are provided by dividing the circumference of the screw shaft 2 into three equal parts by 120 degrees, the ball 3c that has rolled one load portion 33 is in the axial direction of the screw shaft 3A. It progresses by 1/3 of the lead.
  • the axial length of each infinite circulation path 32 with respect to the leads of the rolling grooves 30a, 30b, and 30c, that is, along the axial direction of the screw shaft 3A In a multi-thread screw type ball screw device in which the width of the infinite circulation path 32 can be set small and the leads of the rolling grooves 30a, 30b, 30c are set large, the axial length of the nut member 3B is set. It is possible to shorten the size and reduce the size.
  • the no-load portion 34 is formed in a piece-shaped deflector 35.
  • a through hole for mounting the deflector 35 is formed through the nut member 3B from the outer peripheral surface to the inner peripheral surface, and by fitting the deflector 35 into the through hole, the inner peripheral surface of the nut member 3B is formed.
  • the no-load portion 34 is provided, and the infinite circulation path 32 of the ball 3C is completed.
  • the infinite circulation path 32 of the ball 3C is completed only by fitting the deflector 35 to the nut member 3B, and since there is no protrusion on the outer peripheral surface of the nut member 3B, the outside of the nut member 3B. It is possible to keep the diameter small. Therefore, if the structure of the nut member 3B is applied to the inner screw nut 5, the outer diameter of the second screw shaft 4 in which the inner screw nut 5 is housed in the hollow portion can be suppressed to be small.
  • the hollow portion of the second screw shaft 4 is divided into two in the axial direction, one is used as an accommodating portion for the inner screw nut, and the other is used as an accommodating portion for the second joint member 8 described later.
  • the accommodating portion of the second joint member 8 is located on the large-diameter cylindrical portion side of the cover member 1b, and the accommodating portion of the inner screw nut 5 is located on the opening 13 side of the cover member 1b.
  • a second joint member 8 for transmitting the rotation of the electric motor 7 to the second screw shaft 4 is provided inside the housing 1.
  • the second joint member 8 is formed in a cylindrical shape having a base end portion 81 held by the housing 1 via a pair of angular contact bearings 80 and a wall thickness thinner than the base end portion 81. It is composed of a rotation transmitting portion 82 inserted in a gap between the outer peripheral surface of the screw shaft 3 and the inner peripheral surface of the second screw shaft 4.
  • the rotor of the electric motor 7 is fixed to the outer peripheral surface of the base end portion 81, and when the electric motor 7 is energized, the second joint member 8 rotates with respect to the housing 1.
  • the second joint member 8 and the second screw shaft 4 located outside the second joint member 8 constitute a ball spline device.
  • a plurality of spline grooves along the axial direction are provided on the outer peripheral surface of the rotation transmission portion 82 of the second joint member 8 and the inner peripheral surface of the second screw shaft 4, and a large number of balls have these spline grooves. Is located in. That is, the second joint member 8 and the second screw shaft 4 are spline-coupled via a large number of balls rolling in the spline groove, and the second screw shaft 4 is the rotation of the second joint member 8. While the second joint member 8 can freely move in the axial direction with respect to the transmission unit 82, it cannot rotate in the circumferential direction of the second joint member 8.
  • a ball as a rolling element is interposed between the second joint member 8 and the second screw shaft 4, but a roller may be used instead of the ball.
  • the second joint member 8 and the second screw shaft 4 may be spline-coupled by sliding contact.
  • the outer screw nut 6 is fixed to the inner peripheral surface side of the small-diameter cylindrical portion 12 of the housing 1.
  • the outer screw nut 6 constitutes a second ball screw device in cooperation with the second screw shaft 4.
  • a second spiral groove 40 on which the ball rolls is formed on the outer peripheral surface of the second screw shaft 4, and the outer screw nut 6 has a large number of arranged in the second spiral groove 40. It is screwed onto the second screw shaft 4 via a ball.
  • the second spiral groove formed on the outer peripheral surface of the second screw shaft 4 has a reverse screw relationship with the first spiral groove formed on the outer peripheral surface of the first screw shaft 3.
  • the outer screw nut 6 is fixed to the inner peripheral surface side of the small-diameter cylindrical portion 12 of the housing 1, but the outer screw nut 6 is attached to the small-diameter cylindrical portion. It may be formed integrally with 12.
  • the second screw shaft 4 rotates with respect to the housing 1 together with the second joint member 8, when the second screw shaft 4 is rotated, the second screw shaft 4 causes the housing. It moves in the axial direction with respect to the outer screw nut 6 fixed to 1.
  • the second screw shaft 4 is supported by the second joint member 8, and such movement in the axial direction is permitted. Therefore, when the second screw shaft 4 is rotated by the electric motor 7, the second screw shaft 4 moves in the axial direction while rotating with respect to the housing 1, and as a result, the second screw shaft 4 is rotated.
  • the shaft 4 spirally moves with respect to the housing 1.
  • FIG. 5 shows an example of a ball screw device applicable as the second ball screw device, and is a screw shaft 4A in which a rolling groove of a ball as a first spiral groove 40 is spirally formed on the outer peripheral surface. And a cylindrical nut member 4B screwed into the screw shaft 4A via a large number of balls.
  • the screw shaft 4A corresponds to the second screw shaft 4, and the nut member 4B corresponds to the outer ball screw nut 6.
  • a ball rolling groove 40 is formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 4A with a predetermined lead. Further, there is a thread portion 41 between the rolling grooves 40 adjacent to each other, and the thread portion 41 indicates the outer diameter of the screw shaft 4A.
  • the nut member 4B has a through hole through which the screw shaft 4A is inserted and is formed in a cylindrical shape, and an infinite circulation path that goes around the screw shaft 4A is provided on the inner peripheral surface of the through hole.
  • a large number of balls 4C are arranged in the infinite circulation path.
  • the nut member 4B has three circuits of infinite circulation paths of the ball 4C, and cover plates 43 for constructing a no-load passage of the ball 4C are mounted on the outer peripheral surface of the nut member 4B at three places. ing.
  • the number of circuits in the infinite circulation path may be appropriately selected according to the load-bearing capacity required for the nut member 4B.
  • FIG. 5 shows the infinite circulation path located at the second position among the three circuit infinite circulation paths provided in the nut member 4B. The state in which the cover plate 43 is removed is shown.
  • a ball forwarding path 44 forming a part of the infinite circulation path is formed in the nut member 4B, and the ball forwarding path 44 can be visually recognized from the outside by removing the cover plate 43 from the nut member 4B. can.
  • the ball forwarding path 44 extends in the axial direction of the nut member 4B and penetrates the nut member 4B from the outer peripheral surface to the inner peripheral surface, and can be easily formed by, for example, cutting using an end mill. be.
  • the cover plate 43 can be formed by injection molding of a synthetic resin. Then, by closing the ball forwarding path 44 from the outside with the cover plate 43, the infinite circulation path of the ball 4C is completed.
  • FIG. 6 shows a state in which the balls 4C arranged in the infinite circulation path of the nut member 4B are observed from the through hole of the nut member 4B.
  • a spiral load rolling groove 45 facing the rolling groove 40 of the screw shaft 4A is formed on the inner peripheral surface of the nut member 4B, and the ball 4C has the rolling groove 40 of the screw shaft 4A and the nut.
  • the member 4B rolls while being loaded with a load rolling groove 45. Further, when the ball 4C rolls through the load rolling groove 45 of the nut member 4B and reaches the formation position of the ball forwarding path 44, the ball 4C gradually sinks into the inside of the ball forwarding path 44 and becomes a no-load state.
  • the ball forwarding path 44 is rolled.
  • the second rolling groove 40 formed on the outer peripheral surface of the second screw shaft 4 and the first rolling groove 30 formed on the outer peripheral surface of the first screw shaft 3 have spiral winding directions opposite to each other.
  • the moving direction of the second screw shaft 4 in the axial direction and the moving direction of the first screw shaft 3 in the axial direction are the same. Therefore, when the electric motor 7 is driven, as shown in FIG. 2, the first screw shaft 3 further advances from the tip of the second screw shaft 4 that has advanced from the housing 1, and the first joint
  • the first screw shaft 3 can be moved in the axial direction within a range in which the member 2 does not come out of the hollow portion of the first screw shaft 3, and the stroke amount of the first screw shaft 3 with respect to the housing 1 is increased.
  • the electric actuator of this embodiment is a multi-stage type.
  • the outer circumference of the second screw shaft 4 is increased.
  • the lead of the second spiral groove 40 formed on the surface is set to be larger than the shaft diameter of the second screw shaft 4.
  • the lead of the first spiral groove 30 formed on the outer peripheral surface of the first screw shaft 3 is the second spiral groove 40. It is set to be almost the same as the lead of.
  • the shaft diameter of the first screw shaft 3 is smaller than that of the second screw shaft 4.
  • the load-loading capacity of the first ball screw device composed of the first screw shaft 3 and the inner screw nut 5 is the second ball screw device composed of the second screw shaft 4 and the outer screw nut 6. It becomes smaller than that of the above, and there is a concern that the load-loading capacity of the electric actuator as a whole is reduced. This is more remarkable as the lead of the first spiral groove 30 formed on the outer peripheral surface of the first screw shaft 3 is set larger in order to increase the advance speed of the first screw shaft 3.
  • the lead of the first spiral groove 30 is the lead of the second screw shaft 4.
  • the number of balls arranged between the first screw shaft 3 and the inner screw nut 5 is substantially the same as the lead of the second spiral groove 40 of the second screw shaft 4 and the outer screw. It can be increased to the same extent as the number of balls arranged between the nuts 6.
  • the load-bearing capacity of the first ball screw device located on the inner side in the radial direction can be increased to the same level as that of the second ball screw device located on the outer side, and the shaft diameter of the first screw shaft 3 can be increased. It is possible to increase the load-bearing capacity of the electric actuator as a whole without increasing the size.
  • the lead of the first spiral groove 30 is the second spiral groove 40 of the second screw shaft 4. Even if it is substantially the same as the lead, the axial pitch of the first spiral groove 30 on the first screw shaft 3 is smaller than the axial pitch of the second spiral groove 40 on the second screw shaft 4. Also in this respect, the number of balls arranged between the first screw shaft 3 and the inner screw nut 5 is the number of balls arranged between the second screw shaft 4 and the outer screw nut 6. It can be increased to the same extent as the number, and the load loading capacity of the first ball screw device located on the inner side in the radial direction is increased to the same level as that of the second ball screw device located on the outer side. Is possible.
  • the first ball screw device and the second ball screw device stacked in the radial direction are located inside.
  • the load-loading capacity of the first ball screw can be increased to the same level as that of the second ball screw device located on the outside without setting the shaft diameter of the screw shaft 3 of one ball screw device to be large. It is possible to realize a small electric actuator having a large stroke amount and a high expansion / contraction speed.
  • the lead of the first spiral groove 30 and the lead of the second spiral groove 40 formed on the first screw shaft 3 are required for the first screw shaft 3 as an output shaft. It may be appropriately changed according to the stroke amount to be performed, the moving speed, and the load-loading capacity required for the first screw shaft 3. Further, the lead of the first spiral groove 30 and the lead of the second spiral groove 40 may not be substantially the same.

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Abstract

軸方向荷重の負荷能力を十分に高めつつも、装置全体の小型化を図ることが可能な多段式ボールねじユニット及びこれを用いたアクチュエータであって、転動体の転がる第一螺旋溝(30)が外周面に形成されると共に軸方向に沿って第一スプライン溝が形成された第一ねじ軸(3)と、前記第一ねじ軸(3)を外側から覆う中空円筒状に形成され、外周面には転動体の転がる第二螺旋溝(40)が前記第一螺旋溝(30)とは逆巻きに形成されると共に軸方向に沿って第二スプライン溝が形成された第二ねじ軸(4)と、前記第二ねじ軸(4)の中空部内に設けられると共に多数のボールを介して前記第一ねじ軸(3)の第一螺旋溝(30)に螺合する内側ねじナット(5)と、多数のボールを介して前記第二ねじ軸(4)の第二螺旋溝(40)に螺合する外側ボールねじナット(6)と、を備え、前記第一螺旋溝(30)の条数は前記第二螺旋溝(40)の条数よりも多く設定されている。

Description

多段式ボールねじユニット及びこれを用いた電動アクチュエータ
　本発明は、互いに逆ねじの関係にある第一のボールねじ装置及び第二のボールねじ装置を重ね合わせて構成した多段式ボールねじユニット及びこれを用いて構成した電動アクチュエータに関する。
　従来、電動モータの回転量に応じた直線運動を出力するアクチュエータは公知であり、そのようなアクチュエータでは電動モータの回転運動を第一ねじ軸の軸方向運動に変換する機構としてボールねじ装置が用いられている。また、前記第一ねじ軸の軸方向へのストローク量を増大させるため、互いに逆ねじの関係にある複数のボールねじ装置を重ね合わせた多段式アクチュエータも公知である（例えば特許文献１参照）。
　これら多段式アクチュエータは、ねじ軸及びこれに螺合するナット部材から構成されるボールねじ装置を半径方向へ二重に重ねたボールねじユニットを用いて構成されており、内側に位置する第一のボールねじ装置のナット部材が外側に位置する第二のボールねじ装置のねじ軸と一体化され、複合軸を構成している。また、このような多段式ボールねじユニットを構成する第一のボールねじ装置と第二のボールねじ装置は互いに逆ねじの関係にある。従って、第二のボールねじ装置のナット部材を固定した状態でこれに螺合する前記複合軸に電動モータの回転運動を伝達すると、当該複合軸は前記ナット部材に案内されて回転しながら軸方向へ運動する。このとき、第一のボールねじ装置のねじ軸を非回転に保持しておけば、当該ねじ軸は複合軸の回転に伴って軸方向へ運動することになる。すなわち、前記複合軸の軸方向への移動と当該複合軸に対する第一ボールねじ装置のねじ軸の軸方向への移動が重なることにより、このボールねじユニットでは第二のボールねじ装置のナット部材に対して第一のボールねじ装置のねじ軸を大きなストローク量で軸方向へ移動させることが可能となっている。
特表２０１８－５１１７５４
　一般的に、ボールねじ装置における軸方向荷重の負荷能力はナット部材とねじ軸との間に螺旋状に配列されるボールの直径やボールの数によって決まる。この点に関し、前述した多段式ボールねじユニットでは、第一のボールねじ装置と第二のボールねじ装置とを径方向に重ねていることから、外側に位置する第二のボールねじ装置のねじ軸に比べて内側に位置する第一のボールねじ装置のねじ軸の軸径は自ずと小さなものとなり、結果として前記第一のボールねじ装置の荷重負荷能力は第二のボールねじ装置のそれよりも小さくなる傾向にある。
　すなわち、多段式の電動アクチュエータの荷重負荷能力に対しては第一のボールねじ装置のそれが支配的であり、アクチュエータそのものの荷重負荷能力の増大を図るのであれば、第一のボールねじ装置のねじ軸の軸径を大きくすることが必要であった。しかし、内側に位置する第一のボールねじ装置のねじ軸の軸径を大きくすると、外側に位置する第二のボールねじ装置のねじ軸も大径化し、結果的にアクチュエータの大型化を招くといった課題があった。
　本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、軸方向荷重の負荷能力を十分に高めつつも、装置全体の小型化を図ることが可能な多段式ボールねじユニット及びこれを用いたアクチュエータを提供することにある。
　本発明が適用される多段式ボールねじユニットは、転動体の転がる第一螺旋溝が外周面に形成されると共に軸方向に沿って第一スプライン溝が形成された第一ねじ軸と、前記第一ねじ軸を外側から覆う中空円筒状に形成され、外周面には転動体の転がる第二螺旋溝が前記第一螺旋溝とは逆巻きに形成されると共に軸方向に沿って第二スプライン溝が形成された第二ねじ軸と、前記第二ねじ軸の中空部内に設けられると共に多数のボールを介して前記第一ねじ軸の第一螺旋溝に螺合する内側ねじナットと、多数のボールを介して前記第二ねじ軸の第二螺旋溝に螺合する外側ボールねじナットと、を備えている。
　そして、前記目的を達成する第一の発明においては、前記第一ねじ軸に形成された第一螺旋溝の条数は前記第二ねじ軸に形成された第二螺旋溝の条数よりも多く設定されている。
　また、前記目的を達成する第二の発明においては、前記第一ねじ軸に形成された第一螺旋溝の軸方向ピッチは前記第二ねじ軸に形成された第二螺旋溝の軸方向ピッチよりも小さく設定されている。
　本発明の多段式ボールねじユニットによれば、前記第一ねじ軸の軸径を大きくすることなく、前記第一ねじ軸とこれに螺合する内側ねじナットの間に配置される転動体の数を増加させることができ、内側に位置する第一のボールねじ装置の荷重負荷能力を外側に位置する第二のボールねじ装置のそれと遜色がない程度にまで高めることが可能となる。従って、本発明のボールねじユニットを使用して電動アクチュエータを構成すれば、当該電動アクチュエータの軸方向荷重の負荷能力を十分に高めつつも、装置全体の小型化を図ることが可能となる。
本発明のボールねじユニットを用いて構成した電動アクチュエータの実施形態の一例を示す斜視断面図である。 図１に示す電動アクチュエータの使用状態を示す斜視断面図である。 電動アクチュエータの第一のボールねじ装置として適用可能なボールねじ装置の一例を示す斜視図である。 図３に示したボールねじ装置のナット部材の断面図である。 電動アクチュエータの第二のボールねじ装置として適用可能なボールねじ装置の一例を示す斜視図である。 図５に示したボールねじ装置のナット部材の内部を示す斜視図である。
　以下、添付図面を用いて本発明の多段式ボールねじユニット及びこれを用いた電動アクチュエータを詳細に説明する。
　図１及び図２は本発明の多段式ボールねじユニット（以下、「ボールねじユニット」という）を用いて構成した電動アクチュエータを示す斜視図である。図１はボールねじユニットの第一ねじ軸及び第二ねじ軸を電動アクチュエータのハウジング内に収納した状態を示す斜視断面図、図２は前記第一ねじ軸に対して最大ストローク量を与えて前記ハウジングから突出させた状態を示す斜視断面図である。
　前記電動アクチュエータは、ベースプレート１ａ及び当該ベースプレート１ａに固定される円筒状のカバー部材１ｂを有するハウジング１を備えており、当該ハウジング１の内部に前記ボールねじユニット及び電動モータ７が収納されている。
　前記ボールねじユニットは、中空部を有して円筒状に形成されると共に外周面にボールの転動する第一螺旋溝が形成された第一ねじ軸３と、前記第一ねじ軸３を収容する中空部を有して円筒状に形成されると共に外周面にボールの転動する第二螺旋溝が形成された第二ねじ軸４と、前記第二ねじ軸４の中空部内に設けられると共に多数のボールを介して前記第一ねじ軸３に螺合する内側ねじナット５と、前記ハウジング１のカバー部材１ｂに固定されると共に多数のボールを介して前記第二ねじ軸４に螺合する外側ねじナット６と、を備えている。
　前記ハウジング１のカバー部材１ｂは大径円筒部１１に小径円筒部１２が連なった二段円筒形状を有しており、前記大径円筒部１１の開放端に前記ベースプレート１ａを固定することによって前記ハウジング１内に前記電動モータ７の収容室が形成されている。また、前記ボールねじユニットを構成する各部品は前記カバー部材１ｂの小径円筒部１２に収納されている。前記小径円筒部１２の内径は前記第二ねじ軸４の外径よりも僅かに大きく設定されており、当該第二ねじ軸４は前記ハウジング１と干渉することなく前記小径円筒部１２の内部で自在に回転しながら軸方向へ移動可能である。前記小径円筒部１２の前記大径円筒部１１と反対側の先端には開口部１３が設けられ、当該開口部１３を通して前記第二ねじ軸４及び前記第一ねじ軸３が前記ハウジング１から外部へ進出するように構成されている。
　前記ハウジング１のベースプレート１ａには棒状の第一ジョイント部材２が固定されている。この第一ジョイント部材２はその軸方向の一端が前記ベースプレート１ａに固定され、他端は前記第一ねじ軸３の中空部に挿入されて、円筒形状に形成された前記カバー部材１ｂの中心に位置している。また、当該第一ジョイント部材２は前記ハウジング１内を貫通しており、前記ベースプレート１ａと反対側の端部は前記カバー部材１ｂの開口部１３に略合致している。
　前記第一ジョイント部材２とその外側に位置する前記第一ねじ軸３はボールスプライン装置を構成している。前記第一ジョイント部材２の外周面と前記第一ねじ軸３の内周面には軸方向に沿った複数条のスプライン溝が設けられており、多数のボールがこれらスプライン溝に配置されている。すなわち、前記第一ジョイント部材２と前記第一ねじ軸３は前記スプライン溝を転動する多数のボールを介してスプライン結合しており、前記第一ねじ軸２は前記ハウジング１に固定された第一ジョイント部材２に対して当該第一ジョイント部材２の軸方向へ自在に移動可能である一方、当該第一ジョイント部材２の周方向には回転不能である。すなわち、前記第一ジョイント部材２は前記第一ねじ軸３の回転止めとして機能している。尚、図１に示した本実施形態では前記第一ジョイント部材２と前記第一ねじ軸３の間に転動体としてのボールを介在させたが、ボールの代わりにローラを用いてもよい。また、前記第一ジョイント部材２と前記第一ねじ軸３が滑り接触によってスプライン結合するものであってもよい。
　前記第一ねじ軸３と前記内側ねじナット５は第一のボールねじ装置を構成している。具体的には、前記第一ねじ軸３の外周面にはボールの転動する第一螺旋溝が３０形成されており、前記内側ねじナット５は当該第一螺旋溝３０に配列された多数のボールを介して前記第一ねじ軸３に螺合している。前記第一ねじ軸３は前記第一ジョイント部材２によって回転止めがなされているため、前記内側ねじナット５に回転を与えると、前記第一ねじ軸３は前記内側ねじナット５に対して軸方向へ移動する。
　図３は前記第一のボールねじ装置として適用可能なボールねじ装置の一例を示すものであり、外周面に第一螺旋溝３０としての転動溝が形成されたねじ軸３Ａと、多数のボールを介して前記ねじ軸３Ａに螺合した円筒状のナット部材３Ｂとから構成されている。前記ねじ軸３Ａが前記第一ねじ軸３に相当し、前記ナット部材３Ｂが前記内側ねじナット５に相当する。
　前記ねじ軸３Ａは所謂多条ねじであり、当該ねじ軸３Ａの外周面には３条の転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃが形成され、これら転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃは同一のリードを有している。従って、前記ねじ軸３Ａの外周面には軸方向に沿って前記リードの１／３のピッチで前記転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃが等間隔で均等に配置されている。すなわち、軸方向における転動溝のピッチとは、前記転動溝のリードを当該転動溝の条数で割った値である。また、互いに隣接する転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃの間はねじ山部３１であり、当該ねじ山部３１が前記ねじ軸３Ａの外径を示している。尚、前記ねじ軸３Ａに形成される前記転動溝の条数は２条以上の複数であれば、適宜設計変更して差支えない。
　一方、前記ナット部材３Ｂは前記ねじ軸３Ａが挿通する貫通孔を有して円筒状に形成され、当該貫通孔の内周面には前記ボールの無限循環路が設けられている。前記ボールは前記ねじ軸３Ａとナット部材３Ｂとの間に介在しており、前記ナット部材３Ｂを前記ねじ軸３Ａに対して回転させることにより、当該ねじ軸３Ａが前記ナット部材３Ｂの軸方向へ移動を生じる。前記無限循環路は前記ねじ軸３Ａの周囲を一周しており、図３に示した例では前記ナット部材３Ｂに対して３回路の無限循環路が設けられている。前記無限循環路の回路数は前記ナット部材３Ｂの軸方向長さや必要とする荷重負荷能力に応じて適宜設計変更することが可能である。
　図４は一つの無限循環路に沿ってナット部材を切断した断面図を示すものである。前記ナット部材３Ｂの内周面には前記ねじ軸３Ａの周囲を一周する無限循環路３２が設けられ、当該無限循環路３２には多数のボール３Ｃが配列されている。前記無限循環路３２は前記ねじ軸３Ａに設けられた複数条の転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃに対応している。前述の如く、前記ねじ軸３Ａに対して３条の転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃが設けられているとすると、各無限循環路３２は３個の負荷部３３及び３個の無負荷部３４で構成されている。個々の負荷部３３は前記ねじ軸３Ａの転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃのいずれかと対向しており、ボール３ｃは当該負荷部３３と前記ねじ軸３Ａの転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃとの間で荷重を負荷しながら転動する。一方、前記無負荷部３４は前記負荷部３３同士を連結すると共に前記ねじ軸３Ａのねじ山部３１と対向しており、当該無負荷部３４を転動するボール３ｃは荷重から開放されて前記ねじ軸３Ａのねじ山部３１を乗り越える。また、これら負荷部３３及び無負荷部３４は前記ナット部材３Ｂの周方向に沿って交互に設けられ、その結果として前記無限循環路３２はねじ軸３Ａの周囲を一周する環状をなしている。図４に示した実施形態では前記無負荷部３４が前記無限循環路３２内に三か所存在することから、これら無負荷部３４は前記ナット部材３Ｂの周方向に等間隔をおいて配置されている。
　前記ねじ軸３Ａの転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃは当該ねじ軸３Ａの周囲を一周すると軸方向へ１リード分だけ進行するが、前記無限循環路３２は前記負荷部３３及び前記無負荷部３４の組み合わせを３組含んでおり、それらは前記ねじ軸２の周囲を１２０度ずつ３等分して設けられているので、一つの負荷部３３を転動したボール３ｃはねじ軸３Ａの軸方向へリードの１／３だけ進行する。
　従って、図３及び図４に示すボールねじ装置では、各転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃのリードに対して各無限循環路３２の軸方向の長さ、すなわち前記ねじ軸３Ａの軸方向に沿った無限循環路３２の幅を小さく設定することができ、前記転動溝３０ａ，３０ｂ，３０ｃのリードが大きく設定された多条ねじタイプのボールねじ装置において、前記ナット部材３Ｂの軸方向長さを短縮化して、その小型化を図ることが可能となる。
　前記無負荷部３４は駒状のデフレクタ３５に形成されている。前記ナット部材３Ｂには前記デフレクタ３５を装着する貫通穴が外周面から内周面へ貫通形成されており、当該貫通孔に前記デフレクタ３５を嵌合させることによって前記ナット部材３Ｂの内周面に無負荷部３４が設けられ、前記ボール３Ｃの無限循環路３２が完成している。
　前記ボール３Ｃの無限循環路３２は前記ナット部材３Ｂに前記デフレクタ３５を嵌合させるのみで完成しており、当該ナット部材３Ｂの外周面に突起物が存在しないことから、当該ナット部材３Ｂの外径を小さく抑えることが可能となっている。このため、前記ナット部材３Ｂの構造を前記内側ねじナット５に適用すれば、当該内側ねじナット５を中空部内に収めた前記第二ねじ軸４の外径も小さく抑えることが可能となる。
　一方、前記第二ねじ軸４の中空部は軸方向に二分割されており、一方は前記内側ねじナットの収容部として利用され、他方は後述する第二ジョイント部材８の収容部として利用されている。前記第二ジョイント部材８の収容部は前記カバー部材１ｂの大径円筒部側に位置し、前記内側ねじナット５の収容部は前記カバー部材１ｂの開口部１３側に位置している。
　前記ハウジング１の内部には前記電動モータ７の回転を前記第二のねじ軸４に伝達するための第二ジョイント部材８が設けられている。前記第二ジョイント部材８は、一対のアンギュラコンタクト軸受８０を介して前記ハウジング１に保持される基端部８１と、当該基端部８１よりも肉厚の薄い円筒状に形成されて前記第一ねじ軸３の外周面と前記第二ねじ軸４の内周面との隙間に挿入された回転伝達部８２とから構成されている。前記基端部８１の外周面には前記電動モータ７のロータが固定され、当該電動モータ７に通電すると、前記第二ジョイント部材８が前記ハウジング１に対して回転を生じる。
　前記第二ジョイント部材８とその外側に位置する前記第二ねじ軸４はボールスプライン装置を構成している。前記第二ジョイント部材８の回転伝達部８２の外周面と前記第二ねじ軸４の内周面には軸方向に沿った複数条のスプライン溝が設けられており、多数のボールがこれらスプライン溝に配置されている。すなわち、前記第二ジョイント部材８と前記第二ねじ軸４は前記スプライン溝を転動する多数のボールを介してスプライン結合しており、前記第二ねじ軸４は前記第二ジョイント部材８の回転伝達部８２に対して当該第二ジョイント部材８の軸方向へ自在に移動可能である一方、当該第二ジョイント部材８の周方向には回転不能である。尚、図１に示した本実施形態では前記第二ジョイント部材８と前記第二ねじ軸４の間に転動体としてのボールを介在させたが、ボールの代わりにローラを用いてもよい。また、前記第二ジョイント部材８と前記第二ねじ軸４は滑り接触によってスプライン結合するものであってもよい。
　従って、前記電動モータ７によって前記第二ジョイント部材８に回転を与えると、前記第二ねじ軸４が当該第二ジョイント部材８に連れ回されて前記ハウジング１に対して回転を生じ、当該第二ねじ軸４に固定された前記内側ねじナット５も前記ハウジング１に対して回転を生じる。
　一方、前記ハウジング１の小径円筒部１２の内周面側には前記外側ねじナット６が固定されている。この外側ねじナット６は前記第二ねじ軸４と協働して第二のボールねじ装置を構成している。具体的には、前記第二ねじ軸４の外周面にはボールの転動する第二螺旋溝４０が形成されており、前記外側ねじナット６は当該第二螺旋溝４０に配列された多数のボールを介して前記第二ねじ軸４に螺合している。前記第二ねじ軸４の外周面に形成された第二螺旋溝は前記第一ねじ軸３の外周面に形成された第一螺旋溝と巻き方向が逆ねじの関係になっている。
　尚、図１及び図２に示した実施形態では、前記外側ねじナット６が前記ハウジング１の小径円筒部１２の内周面側に固定されていたが、当該外側ねじナット６を前記小径円筒部１２と一体に形成してもよい。
　前述の如く、前記第二ねじ軸４は前記第二ジョイント部材８と共に前記ハウジング１に対して回転を生じるため、当該第二ねじ軸４に回転を与えると、前記第二ねじ軸４が前記ハウジング１に固定された外側ねじナット６に対して軸方向へ移動する。前記第二ねじ軸４は前記第二ジョイント部材８によって支承されており、このような軸方向への移動が許容されている。このため、前記電動モータ７によって前記第二ねじ軸４に回転を与えると、当該第二ねじ軸４は前記ハウジング１に対して回転を生じながら軸方向へ移動し、結果的に前記第二ねじ軸４は前記ハウジング１に対して螺旋状に運動する。
　図５は前記第二のボールねじ装置として適用可能なボールねじ装置の一例を示すものであり、外周面に第一螺旋溝４０としてのボールの転動溝が螺旋状に形成されたねじ軸４Ａと、多数のボールを介して前記ねじ軸４Ａに螺合した円筒状のナット部材４Ｂとから構成されている。前記ねじ軸４Ａが前記第二ねじ軸４に相当し、前記ナット部材４Ｂが前記外側ボールねじナット６に相当する。
　前記ねじ軸４Ａの外周面には所定のリードでボールの転動溝４０が一条形成されている。また、互いに隣接する転動溝４０の間はねじ山部４１であり、当該ねじ山部４１が前記ねじ軸４Ａの外径を示している。
　前記ナット部材４Ｂは前記ねじ軸４Ａが挿通する貫通孔を有して円筒状に形成され、当該貫通孔の内周面には前記ねじ軸４Ａの周囲を一周する無限循環路が設けられ、当該無限循環路には多数のボール４Ｃが配列されている。前記ナット部材４Ｂは前記ボール４Ｃの無限循環路を三回路有しており、当該ナット部材４Ｂの外周面にはボール４Ｃの無負荷通路を構築するためのカバープレート４３が三か所に装着されている。前記無限循環路の回路数は当該ナット部材４Ｂに必要とされる荷重負荷能力に応じて適宜選択して差し支えない。尚、前記無限循環路にボール４Ｃが配列されていることを明確にするため、図５では前記ナット部材４Ｂに設けられた三回路の無限循環路のうち、二番目に位置する無限循環路について前記カバープレート４３を取り外した状態を示している。
　前記ナット部材４Ｂには前記無限循環路の一部をなすボール回送路４４が形成されており、前記カバープレート４３を前記ナット部材４Ｂから取り外すことによって当該ボール回送路４４を外側から視認することができる。前記ボール回送路４４は前記ナット部材４Ｂの軸方向に延びると共に当該前記ナット部材４Ｂを外周面から内周面に貫通しており、例えばエンドミルを用いた切削加工によって容易に形成することが可能である。また、前記カバープレート４３は合成樹脂の射出成型で形成することが可能である。そして、前記ボール回送路４４を前記カバープレート４３で外側から閉塞することにより、ボール４Ｃの無限循環路が完成する。
　図６は前記ナット部材４Ｂの無限循環路に配列されたボール４Ｃを当該ナット部材４Ｂの貫通孔から観察した様子を示すものである。前記ナット部材４Ｂの内周面には前記ねじ軸４Ａの転動溝４０に対向する螺旋状の負荷転動溝４５が形成されており、前記ボール４Ｃはねじ軸４Ａの転動溝４０とナット部材４Ｂの負荷転動溝４５との間で荷重を負荷しながら転動する。また、ボール４Ｃは前記ナット部材４Ｂの負荷転動溝４５を転動して前記ボール回送路４４の形成位置に到達すると、当該ボール回送路４４の内部に徐々に沈み込み、無負荷状態となって当該ボール回送路４４を転動する。
　同図に示すように、前記ボール回送路４４に配列された総てのボール４Ｃは当該ナット部材４Ｂの内周面に露出しており、前記ボール回送路４４を転動するボール４Ｃは常に前記ねじ軸４Ａに接触している。このように、前記ボール回送路４４を無負荷状態で転動するボール４Ｃは常に前記第二ねじ軸４に面しているので、前記ナット部材４Ｂの外径は小さく抑えることが可能であり、前記ナット部材４Ｂの構造を前記外側ねじナット６に適用すれば、当該外側ねじナット６の外径を小さく抑え、その結果として当該外側ねじナット６を収容する前記ハウジング１の小径円筒部１２の外径も小さく抑えることが可能となる。
　次に、図１に示した電動アクチュエータの動作について説明する。
　図１に示した状態、すなわち前記第二ねじ軸４及び前記第一ねじ軸３がハウジング１内に収納されている状態で前記電動モータ７に通電し、当該電動モータ７を回転駆動すると、前記ハウジング１に対して回転自在に支承された第二ジョイント部材８に回転が与えられる。前記第二ジョイント部材８が回転すると、前記第二ねじ軸４は当該第二ジョイント部材８に連れ回され、前記ハウジング１のカバー部材１ｂの内部で回転を生じる。また、前記カバー部材１ｂには前記外側ねじナット６が固定されており、当該外側ねじナット６は前記第二ねじ軸４に螺合しているので、当該第二ねじ軸４は自らの回転に伴い前記外側ねじナット６に対して軸方向へ移動を生じることになる。すなわち、前記電動モータ７に通電すると、図２に示すように、前記第二ねじ軸４は螺旋状に運動しながら前記カバー部材１ｂの開口部１３から前記ハウジング１の外へ進出する。
　一方、前記第二ねじ軸４が回転すると、当該第二ねじ軸４に固定された前記内側ねじナット５も回転を生じる。このとき、前記内側ねじナット５と第一のボールねじを構成している前記第一ねじ軸３は前記第一ジョイント部材２によって周方向への回転が係止されているので、前記内側ねじナット５が回転を生じると、前記第一ねじ軸３が前記内側ねじナット５に対して軸方向へ移動することになる。すなわち、前記第二ねじ軸４が回転すると、前記第一ねじ軸３が前記第二ねじ軸４に対して軸方向へ移動する。
　前記第二ねじ軸４の外周面に形成された第二転動溝４０と前記第一ねじ軸３の外周面に形成された第一転動溝３０は螺旋の巻き方向が逆方向なので、前記第二ねじ軸４を電動モータ７によって回転させた場合に、当該第二ねじ軸４の軸方向への移動方向と前記第一ねじ軸３の軸方向への移動方向は同一となる。このため、電動モータ７を駆動すると、図２に示すように、前記ハウジング１から進出した前記第二ねじ軸４の先端から前記第一ねじ軸３が更に進出することになり、前記第一ジョイント部材２が前記第一ねじ軸３の中空部から抜け出さない範囲で、当該第一ねじ軸３を軸方向へ移動させることが可能となり、前記ハウジング１に対する前記第一ねじ軸３のストローク量を大きく設定することができる。つまり、本実施形態の電動アクチュエータは多段式となっている。
　一方、前記電動モータ７の回転方向を逆転させると、前記第二ねじ軸４及び前記第一ねじ軸３の軸方向への移動方向は逆転し、図１に示すように、前記第一ねじ軸３を前記第二ねじ軸４の中空部内に引き込み、更に前記第二ねじ軸４を前記ハウジング１のカバー部材１ｂの内部に引き込み、前記第一ねじ軸３及び前記第二ねじ軸４は互いに重ね合わされた状態で前記ハウジング１の内部に格納される。
　以上のように構成された本実施形態の電動アクチュエータでは、前記第二ねじ軸４がハウジング１から進出する速度、ハウジング１に収納される速度を高速化するため、前記第二ねじ軸４の外周面に形成された第二螺旋溝４０のリードを当該第二ねじ軸４の軸径よりも大きく設定している。また、前記第二ねじ軸４に対する前記第一ねじ軸３の進出速度を高速化するため、前記第一ねじ軸３の外周面に形成された第一螺旋溝３０のリードは第二螺旋溝４０のリードと略同一に設定されている。
　一方、前記第一螺旋溝３０のリードと前記第二螺旋溝４０のリードを略同一に設定したのでは、前記第一ねじ軸３の軸径が第二ねじ軸４のそれよりも小さいため、前記第一ねじ軸３と前記内側ねじナット５で構成された第一のボールねじ装置の荷重負荷能力が、前記第二ねじ軸４と前記外側ねじナット６で構成された第二のボールねじ装置のそれよりも小さくなってしまい、電動アクチュエータの全体としての荷重負荷能力が低下してしまう懸念がある。このことは、前記第一ねじ軸３の進出速度を高速化するため、当該第一ねじ軸３の外周面に形成された第一螺旋溝３０のリードを大きく設定するほど顕著である。
　この点に関して本実施形態の電動アクチュエータでは、第一ねじ軸３に対して第一螺旋溝３０を多条溝として形成しているので、当該第一螺旋溝３０のリードが前記第二ねじ軸４の第二螺旋溝４０のリードと略同一であっても、前記第一ねじ軸３と前記内側ねじナット５との間に配列されるボールの数は、前記第二ねじ軸４と前記外側ねじナット６との間に配列されるボールの数と同程度にまで増加させることが可能である。
　従って、径方向の内側に位置する第一のボールねじ装置の荷重負荷能力を外側に位置する第二のボールねじ装置のそれと同等程度にまで高めることができ、前記第一ねじ軸３の軸径を大きくすることなく、電動アクチュエータ全体としての荷重負荷能力を高めることが可能となる。
　また、前記第一螺旋溝３０は前記第一ねじ軸３に対して多条ねじとして形成されているので、当該第一螺旋溝３０のリードが前記第二ねじ軸４の第二螺旋溝４０のリードと略同一であっても、前記第一ねじ軸３における第一螺旋溝３０の軸方向ピッチは前記第二ねじ軸４における第二螺旋溝４０の軸方向ピッチよりも小さいものとなる。この点においても、前記第一ねじ軸３と前記内側ねじナット５との間に配列されるボールの数は、前記第二ねじ軸４と前記外側ねじナット６との間に配列されるボールの数と同程度にまで増加させることが可能であり、径方向の内側に位置する第一のボールねじ装置の荷重負荷能力を外側に位置する第二のボールねじ装置のそれと同等程度にまで高めることが可能となる。
　以上説明してきたように、本発明の多段式ボールねじユニットを用いて電動アクチュエータを構成すれば、半径方向に重ねた第一のボールねじ装置及び第二のボールねじ装置に関して、内側に位置する第一のボールねじ装置のねじ軸３の軸径を大きく設定することなく、当該第一ボールねじの荷重負荷能力を外側に位置する第二のボールねじ装置のそれと同程度にまで高めることができ、ストローク量が大きく且つ伸縮速度の速い、小型電動アクチュエータを実現することが可能である。
　尚、本発明のボールねじユニットにおいて、前記第一ねじ軸３に形成された第一螺旋溝３０のリードと第二螺旋溝４０のリードは、出力軸としての前記第一ねじ軸３に必要とされるストローク量や移動速度、当該第一ねじ軸３に必要とされる荷重負荷能力に応じて適宜変更して差し支えない。また、第一螺旋溝３０のリードと第二螺旋溝４０のリードは略同一でなくても差し支えない。

Claims (4)

  1. 転動体の転がる第一螺旋溝(30)が外周面に形成されると共に軸方向に沿ってスプライン溝が形成された第一ねじ軸(3)と、
    前記第一ねじ軸(3)を外側から覆う中空円筒状に形成され、外周面には転動体の転がる第二螺旋溝(40)が前記第一螺旋溝(30)とは逆巻きに形成されると共に軸方向に沿ってスプライン溝が形成された第二ねじ軸(4)と、
    前記第二ねじ軸(4)の中空部内に設けられると共に多数のボールを介して前記第一ねじ軸(3)の第一螺旋溝(30)に螺合する内側ねじナット(5)と、
    多数のボールを介して前記第二ねじ軸(4)の第二螺旋溝(40)に螺合する外側ボールねじナット(6)と、を備え、
    前記第一ねじ軸(3)に形成された第一螺旋溝(30)の条数は前記第二ねじ軸(4)に形成された第二螺旋溝(40)の条数よりも多いことを特徴とする多段式ボールねじユニット。
  2. 前記第一ねじ軸(3)に形成された第一螺旋溝(30)の軸方向ピッチは前記第二ねじ軸(4)に形成された第二螺旋溝(40)の軸方向ピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の多段式ボールねじユニット。
  3. 転動体の転がる第一螺旋溝(30)が外周面に形成されると共に軸方向に沿ってスプライン溝が形成された第一ねじ軸(3)と、
    前記第一ねじ軸(3)を外側から覆う中空円筒状に形成され、外周面には転動体の転がる第二螺旋溝(40)が前記第一螺旋溝(30)とは逆巻きに形成されると共に軸方向に沿ってスプライン溝が形成された第二ねじ軸(4)と、
    前記第二ねじ軸(4)の中空部内に設けられると共に多数のボールを介して前記第一ねじ軸(3)の第一螺旋溝(30)に螺合する内側ねじナット(5)と、
    多数のボールを介して前記第二ねじ軸(4)の第二螺旋溝(40)に螺合する外側ボールねじナット(6)と、を備え、
    前記第一ねじ軸(3)に形成された第一螺旋溝(30)の軸方向ピッチは前記第二ねじ軸(4)に形成された第二螺旋溝(40)の軸方向ピッチよりも小さいことを特徴とする多段式ボールねじユニット。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の多段式ボールねじユニットを用いた電動アクチュエータであって、
    前記外側ねじナット(6)が固定されたハウジング(1)と、
    前記ハウジング(1)に固定されると共に前記第一ねじ軸(3)とスプライン結合し、当該第一ねじ軸(3)の軸周りの回転を防止すると共に当該第一ねじ軸(3)の軸方向への移動を許容する第一ジョイント部材(2)と、
    前記第二ねじ軸(4)を回転駆動する電動モータ(7)と、
    前記第二ねじ軸(4)とスプライン結合し、当該第二ねじ軸(4)に前記電動モータ(7)の回転を伝達すると共に、当該第二ねじ軸(4)の軸方向への移動を許容する第二ジョイント部材(8)と、
    を備えたことを特徴とする電動アクチュエータ。
PCT/JP2021/013997 2020-04-16 2021-03-31 多段式ボールねじユニット及びこれを用いた電動アクチュエータ WO2021210406A1 (ja)

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