(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024034086
(43)【公開日】2024-03-13
(54)【発明の名称】ねじ機構及びこれを備える直動アクチュエータ
(51)【国際特許分類】
F16H 25/24 20060101AFI20240306BHJP
F16H 25/20 20060101ALI20240306BHJP
H02K 7/06 20060101ALI20240306BHJP
【FI】
F16H25/24 A
F16H25/20 H
H02K7/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022138096
(22)【出願日】2022-08-31
(71)【出願人】
【識別番号】000102692
【氏名又は名称】NTN株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107423
【弁理士】
【氏名又は名称】城村 邦彦
(74)【代理人】
【識別番号】100120949
【弁理士】
【氏名又は名称】熊野 剛
(72)【発明者】
【氏名】上岡 広樹
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 光司
【テーマコード(参考)】
3J062
5H607
【Fターム(参考)】
3J062AA01
3J062AB21
3J062AB22
3J062BA16
3J062CD04
3J062CD23
3J062CD45
3J062CD64
3J062CD79
5H607AA12
5H607BB01
5H607BB09
5H607CC03
5H607DD03
5H607DD08
5H607EE52
(57)【要約】
【課題】ねじ機構のコスト低減を図りつつ、ねじ軸に必要とされる動作精度を長期間に亘って安定的に維持可能とする。
【解決手段】ナット31とねじ軸32とを備え、ナット31の回転方向に応じてねじ軸31が軸方向一方側に前進又は軸方向他方側に後退移動するねじ機構3において、ねじ軸31の外周面のうち、ナット32よりも軸方向一方側の領域に、ねじ軸31の後退移動限を規定するストッパ34と、ハウジング5の案内溝5eに嵌合されることによりねじ軸がその軸線回りに回転するのを規制する回り止め部材35とを軸方向に並べて固定した。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内周面に雌ねじが形成されたナットと、外周面に前記雌ねじと対向する雄ねじが形成されたねじ軸と、を備え、前記ナットの回転方向に応じて前記ねじ軸が軸方向一方側に前進又は軸方向他方側に後退移動するねじ機構において、
前記ねじ軸の外周面のうち、前記ナットよりも軸方向一方側の領域に、
前記ナットに設けられた係合部と前記ナットの回転方向で係合することにより前記ねじ軸の後退移動限を規定するストッパと、
径方向外側の端部が軸方向に延びる案内溝に嵌合されることにより前記ねじ軸がその軸線回りに回転するのを規制する回り止め部材と、を軸方向に並べて固定したことを特徴とするねじ機構。
【請求項2】
前記回り止め部材の径方向外側の端部に軸方向に延びた軸方向部が設けられ、該軸方向部の径方向内側に前記ストッパが配置されている請求項1に記載のねじ機構。
【請求項3】
前記回り止め部材が、前記ストッパよりも機械的強度が低い材料で形成されている請求項1に記載のねじ機構。
【請求項4】
前記雌ねじと前記雄ねじの間に介在する多数のボールをさらに備える請求項1に記載のねじ機構。
【請求項5】
請求項1~4の何れか一項に記載のねじ機構と、前記ナットを回転駆動させる電動モータとを備え、前記ねじ軸が出力軸を構成する直動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ねじ機構及びこれを備える直動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、省力化や低燃費化等を目的として自動車の電動化が進展しており、例えば、自動車の自動変速機、ブレーキ、ステアリング等の操作に電動モータの力を利用するシステムが開発され、市場に投入されている。係るシステムには、電動モータ及びその回転運動を直線運動に変換するねじ機構を備えた電動アクチュエータが広く使用されている。
【0003】
例えば下記の特許文献1には、内周面に雌ねじが形成された回転側のナットと、外周面に雄ねじが形成された直動側のねじ軸と、上記雌ねじと雄ねじの間に配された多数のボールとを備えたねじ機構(ボールねじ機構)が記載されている。このねじ機構において、ねじ軸の外周面には径方向に延びた径方向部を有する回り止め部材が固定されており、回り止め部材の外径端は、ねじ機構を収容したハウジングに設けられた軸方向の案内溝に嵌合されている。係る構成により、電動モータの出力を受けてナットが回転駆動されると、ねじ軸はその軸線回りに回転(ナットと共回り)することなくナットの回転方向に応じて軸方向一方側に前進又は軸方向他方側に後退移動する。
【0004】
ナットには、その軸方向一方側の端面から軸方向外側に突出した係合部が設けられており、ねじ軸が後退限(ストロークエンド)に達した時には、係合部とねじ軸に固定された回り止め部材とがナットの回転方向で係合(係合部に対して回り止め部材の周端面が当接)する(特許文献1の
図8を参照)。これにより、ねじ軸のさらなる後退移動が規制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記構成を有する従来のねじ機構において、例えばねじ軸の進退移動(ナットの係合部に対する回り止め部材の衝突)が繰り返されることによって回り止め部材が損傷・変形等してしまうと、ねじ軸の後退移動限に狂いが生じ、電動アクチュエータの操作対象の動作精度に悪影響が及ぶおそれがある。そのため、回り止め部材は、例えば、焼入れ等の高強度化・高硬度化処理が施された炭素鋼等、高価ではあるものの高い機械的強度(特に、引張強さ)を具備する材料で形成される。一方、回り止め部材の外径端部は、ねじ軸の進退移動に伴ってハウジングの案内溝に対して摺動するが、当該部分は、回り止め部材のうちでナットの係合部に対して衝突する部分に必要とされるような機械的強度を具備している必要はない。すなわち、従来のねじ機構に設けられる回り止め部材は、要求特性を遥かに上回る不要な特性(機械的強度)を具備した部分を含んでおり、無駄なコストが掛かっているとの指摘がある。
【0007】
上記の実情に鑑み、本発明は、ナットの回転に伴ってねじ軸が軸方向に進退移動するねじ機構において、コスト低減を図りつつ、ねじ軸に必要とされる動作精度を長期間に亘って安定的に維持可能とすることを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために創案された本発明は、内周面に雌ねじが形成されたナットと、外周面に雌ねじと対向する雄ねじが形成されたねじ軸と、を備え、ナットの回転方向に応じてねじ軸が軸方向一方側に前進又は軸方向他方側に後退移動するねじ機構において、
ねじ軸のうち、ナットよりも軸方向一方側の領域に、ナットに設けられた係合部とナットの回転方向で係合することによりねじ軸の後退移動限を規定するストッパと、径方向外側の端部が軸方向に延びる案内溝に嵌合されることによりねじ軸がその軸線回りに回転するのを規制する回り止め部材と、を軸方向に並べて固定したことを特徴とする。
【0009】
上記構成によれば、従来のねじ機構の回り止め部材が併せ持っていた、ねじ軸の後退移動限を規定するストッパ機能、及びねじ軸がナットと共回りするのを規制する回り止め機能のうち、ストッパ機能が、回り止め部材とは別に設けたストッパによって発揮されることになる。この場合、ストッパとしては、特に引張強さや硬度等、ねじ軸の後退移動限を規定する(ねじ軸の必要以上の後退移動を規制する)のに必要とされる特性に優れた材料で作製されたものを使用する一方、回り止め部材としては、摺動性等、ねじ軸を回り止めした状態で軸方向に進退移動させるのに必要とされる特性に優れた材料、すなわちストッパの作製材料よりも安価な材料で作製されたものを使用することができる。
【0010】
本発明に係るねじ機構では、従来のねじ機構に設けられていた回り止め部材が、独立した二部材(ストッパ及び回り止め部材)に分割されて部品点数が増加する分、部品の管理等に要するコスト面では従来のねじ機構よりも不利になるが、上記二部材のそれぞれを要求特性に応じた最適材料で形成できることにより享受されるコスト低減効果が、部品点数増加に基づくコスト増加分を上回る。そのため、本発明によれば、コスト低減を図りつつ、ねじ軸に必要とされる動作精度を長期間に亘って安定的に維持可能なねじ機構を実現することができる。
【0011】
上記のねじ機構において、回り止め部材の径方向外側の端部には軸方向に延びた軸方向部を設けることができる。このようにすれば、回り止め部材全体を軸方向に厚肉化せずとも、案内溝に対する回り止め部材の軸方向の嵌合量(嵌合代)を十分に確保することができる。また、この場合、上記軸方向部の径方向内側にストッパを配設するのが好ましい。これにより、ストッパの大型化によるコスト増を防止することができる。
【0012】
ストッパと回り止め部材とが独立して設けられる本発明に係るねじ機構においては、回り止め部材を、ストッパよりも機械的強度が低い材料で形成することができる。これにより、ねじ機構のコスト低減を図ることができる。このとき、ストッパは、高強度化処理が施された鋼材で形成するのが好ましい。高強度化処理としては、例えば、焼入れ処理、浸炭処理、浸炭窒化処理などを挙げることができ、何れの処理を採用した場合でも、ストッパの少なくとも表層部には硬化層(高硬度層)が形成される。
【0013】
本発明は、ナットの内周面に形成された雌ねじとねじ軸の外周面に形成された雄ねじの間に介在する多数のボールを備えたねじ機構に適用することができる。すなわち、本発明は、雌ねじと雄ねじが直接螺合した、いわゆるすべりねじ機構に適用することができる他、いわゆるボールねじ機構にも適用することができる。
【0014】
以上で説明した本発明に係るねじ機構と、当該ねじ機構のナットを回転駆動させる電動モータとを備え、ねじ機構のねじ軸を出力軸とした直動アクチュエータは、本発明に係るねじ機構が前述したような特徴を有することから、安価で、しかも操作対象を精度良く操作することができるものとなる。
【発明の効果】
【0015】
以上のことから、本発明によれば、ナットの回転に伴ってねじ軸が軸方向に進退移動するねじ機構において、コスト低減を図りつつ、ねじ軸に必要とされる動作精度を長期間に亘って安定的に維持可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】本発明の実施形態に係るねじ機構を備えた直動アクチュエータの概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態を図面(
図1~
図5)に基づいて説明する。なお、方向性を説明するために「軸方向」及び「径方向」との語句を使用するが、「軸方向」とは、
図1等に示すねじ機構3を構成するナット31の軸線(回転軸)に沿う方向(
図1の紙面左右方向)であり、「径方向」とは、上記回転軸を中心とする円の径方向(
図1の紙面上下方向)である。また、「軸方向一方側」及び「軸方向他方側」とは、それぞれ
図1の紙面左側及び右側(ねじ機構3を構成するねじ軸32の前進側及び後退側)である。
【0018】
図1は、本発明の実施形態に係るねじ機構を備えた直動アクチュエータ1の概略縦断面図であり、
図2は、
図1のA-A線矢視断面図である。この直動アクチュエータ1は、駆動源としての電動モータ2と、回転運動を直線運動に変換して出力する運動変換機構であるねじ機構3と、動力伝達機構4と、これらを収容したハウジング5とを備えた電動アクチュエータである。
【0019】
電動モータ2は、ステータコアやステータコイルを含むモータ本体と、出力軸2aとを備え、ステータコイルは図示外の動力電源と電気的に接続される。電動モータ2には、出力軸2aの回転角を検出・制御することができるモータ、例えば三相ブラシレスモータが使用される。
【0020】
本実施形態のハウジング5は、三分割された第1ハウジング5a、第2ハウジング5b及び第3ハウジング5cを軸方向に結合したものである。詳細には、電動モータ2のモータ本体を保持した第1ハウジング5aの軸方向一方側及び軸方向他方側に、第2ハウジング5b及び第3ハウジング5cが図示しないボルト等の締結部材を用いてそれぞれ取り付けられている。
【0021】
本実施形態のねじ機構3は、内周面に螺旋状の溝からなる雌ねじ31aが形成されたナット31と、電動モータ2の出力軸2aと平行に配置され、外周面に雌ねじ31aと対向する雄ねじ32aが形成されたねじ軸部32bを有するねじ軸32と、互いに対向する雌ねじ31aと雄ねじ32aの間に画成されるボール通路に介在する多数のボール33とを備えた、いわゆるボールねじ機構である。図示は省略しているが、ねじ機構3には、ボール通路内でボール33を循環させるための循環部材が設けられる。
【0022】
ねじ軸32は、上記のねじ軸部32bと、ねじ軸部32bよりも軸方向一方側に設けられた小径部32dと、ねじ軸部32bと小径部32dの間に介在する中径部32cとを一体に有し、中径部32cの外周面は円筒面に形成されている。本実施形態のねじ機構3は、ねじ軸32と同軸に配置された連結軸36を備え、この連結軸36は、ねじ軸32と一体的に進退移動可能にねじ軸32の小径部32dに固定されている。連結軸36は、ねじ軸32と図示外の操作対象とを連結するための軸状部材であり、その軸方向一方側の端部に形成された孔部に操作対象が直接又は間接的に取り付けられる。従って、ねじ軸32及び連結軸36が、直動アクチュエータ1の出力軸を構成する。なお、連結軸36に相当する部分を一体的に備えたねじ軸32を採用し、連結軸36を省略しても良い。
【0023】
ナット31は、転がり軸受6によってハウジング5(の第1ハウジング5a)に対して回転自在に支持されている。図示例の転がり軸受6は、ナット31の外周面に装着された内輪6aと、第1ハウジング5aの内周面に装着された外輪6bと、内輪6aと外輪6bの間に転動自在に配された複数のボール6cと、複数のボール6cを周方向に間隔を空けて保持した図示外の保持器とを備えた玉軸受である。図示例の転がり軸受6の内輪6aは、ナット31とは別部材であるが、内輪6aがナット31と一体化された転がり軸受6を用いることもできる。
【0024】
動力伝達機構4は、電動モータ2から出力される回転運動(回転駆動力)をねじ機構3の回転部材であるナット31に伝達するためのものであり、電動モータ2の出力軸2aと一体回転可能に設けられた駆動ギヤ41と、ナット31と一体回転可能に設けられ、駆動ギヤ41と噛み合った従動ギヤ42とを備える。本実施形態では、従動ギヤ42に、駆動ギヤ41よりも大径でかつ歯数の多いものを採用している。そのため、動力伝達機構4に入力された電動モータ2の回転運動は、減速されると共にトルクが増加された上でナット31に伝達される。これにより、電動モータ2を小型化することができる。
【0025】
直動アクチュエータ1のねじ機構3は、ねじ軸32がその軸線回りに回転するのを規制するための回転規制手段と、ねじ軸32が所定の後退移動限を超えて後退移動するのを規制する(ねじ軸32の後退移動限を規定する)ためのストローク規制手段とを有する。
【0026】
まず、回転規制手段は、
図1及び
図2に示すように、ナット31よりも軸方向一方側でねじ軸32の中径部32cに取り付け固定された回り止め部材35と、ハウジング5(第2ハウジング5b)の内周面に設けられて軸方向に延び、回り止め部材35の外径端部が嵌め込まれた案内溝5eとを備える。
【0027】
回り止め部材35は、
図3~
図5に示すように、ねじ軸32の中径部32cに固定された環状部35aと、環状部35aから径方向外側に延びた径方向部35bと、径方向部35bの外径端部から軸方向他方側に延びた軸方向部35cとを一体に有し、径方向部35b(及び軸方向部35c)、並びにこれらが嵌め込まれた案内溝5eは、周方向等間隔で複数(ここでは2つ)設けられる。ここでは、径方向部35b及び軸方向部35cの外径端部を含む一部が対応する案内溝5eに嵌め込まれている。本実施形態の案内溝5eは、第2ハウジング5bの内周に固定した案内部材5dに設けられた軸方向溝で構成される。なお、案内部材5dを省略し、第2ハウジング5bの内周面に案内溝5eを直接形成しても良い。
【0028】
ストローク規制手段は、
図1に示すように、ナット31と回り止め部材35の間に配置され、ねじ軸32の中径部32cに取り付け固定されたストッパ34と、ナット31の一端面から軸方向外側(軸方向一方側)に突出した突起状の係合部31bとを備える。係合部31bは、ナット31の一端面の周方向一部領域に設けられており、軸方向に見ると円弧状の形態をなす(
図2及び
図4を参照)。
【0029】
ストッパ34は、
図2~
図5に示すように、ねじ軸32の中径部32cに取り付け固定された環状部34aと、環状部34aから径方向外側に延びた径方向部34bとを一体に有し、径方向部34bは、周方向等間隔で複数(ここでは2つ)設けられる。このストッパ34及び回り止め部材35がねじ軸32に取り付けられた状態(
図3参照)において、ストッパ34の径方向部34bの外径端部は、回り止め部材35の軸方向部35cよりも径方向内側に位置し、また、ストッパ34の他端面は、回り止め部材35の軸方向部35cの他端面よりも軸方向一方側に位置するか、あるいは軸方向部35cの他端面と同一平面上に位置する。要するに、ストッパ34は、回り止め部材35の軸方向部35cの径方向内側に配置されると共に、回り止め部材35の軸方向幅の範囲内に配置された状態でねじ軸32の中径部32cに取り付け固定されている。また、ストッパ34の径方向部34bの周方向位置と、回り止め部材35の径方向部35bの周方向位置とは一致している。
【0030】
なお、回り止め部材35及びストッパ34は、ねじ軸32に対する軸方向の相対位置を調整した上でねじ軸32の中径部32cに取り付け固定される。そのため、回り止め部材35及びストッパ34(の環状部35a,34a)が取り付け固定されるねじ軸32の中径部32の軸方向寸法は、両環状部35a,34aの軸方向寸法を合算した値よりも大きくなっている。また、ねじ軸32に対する回り止め部材35及びストッパ34の固定方法としては、両者が軸方向及び周方向に相対移動するのを防止することができるのであれば特に制約はなく、例えば圧入、溶接などの一般的な方法を選択することができる。なお、ここで言う圧入には、環状部35a,34aの内周面及び中径部32の外周面の双方を円筒面に形成し、これら円筒面同士を圧入する方法の他、環状部35a,34aの内周面又は中径部32の外周面の何れか一方に設けた軸方向に延びる凸状を円筒面に形成された他方に圧入する方法を含む概念である。
【0031】
以上のような動力伝達機構4及び回転規制手段が設けられていることにより、電動モータ2に通電されてその出力軸2aが回転すると、駆動ギヤ41、駆動ギヤ41と噛み合った従動ギヤ42、さらにはねじ機構3のナット31が一体的に回転し、ナット31の回転方向に応じて、ねじ軸32は、その軸線回りに回転することなく、軸方向一方側に前進又は軸方向他方側に後退移動する。そして、ねじ軸32が後退移動限(ストロークエンド)に到達すると、ねじ軸32に固定されたストッパ34(の径方向部34b)とナット31の係合部31bとがナット31の回転方向で係合する(ストッパ34の径方向部34bの周端面にナット31の係合部31bが当接する)ことにより、ねじ軸32のさらなる後退移動が規制される。
【0032】
以上で説明したように、本実施形態の直動アクチュエータ1に設けられたねじ機構3においは、ねじ軸32のうち、ナット32よりも軸方向一方側の領域に、ねじ軸32の後退移動限を規定するストッパ34と、ねじ軸32がその軸線回りに回転するのを規制する回り止め部材35とを軸方向に並べて固定している。係る構成によれば、従来のねじ機構の回り止め部材が併せ持っていた、ねじ軸32の後退移動限を規定するストッパ機能、及びねじ軸32がナット31と共回りするのを規制する回り止め機能のうち、ストッパ機能が回り止め部材35とは別に設けたストッパ34によって発揮される。
【0033】
ストッパ34は、ナット31に設けた係合部31bとナット31の回転方向で係合(衝突)することによりストッパ機能を発揮することから、高い機械的強度(特に引張強さや硬度)を具備していることが求められるところ、ストッパ34が回り止め部材35とは分離独立して設けられるため、係る要求特性に優れた材料で作製することができる。その一方、回り止め部材35は、(その外径端部が)ハウジング5に設けた案内溝5eに嵌合された状態で案内溝5eに沿って軸方向に進退移動することから、回り止め部材35に最優先で求められる特性は、機械的強度ではなく摺動性である。従って、回り止め部材35は、ストッパ34よりも安価に作製することができる。
【0034】
具体例を挙げると、ストッパ34としては、
・S45C、S50C等の鋼材(中炭素鋼)で作製されると共に少なくともナット31の係合部31bとの当接部に、焼入れ処理などの高強度化・高硬度化処理が施されたもの、
・JIS G4053に規定されたSCr420、SCr430等のクロム鋼、あるいは同じくJIS G4053に規定されたSCM420、SCM430等のクロムモリブデン鋼で作製されると共に、浸炭処理、浸炭窒化処理などの高強度化・高硬度化処理が施されたもの、
などを使用することができる。
【0035】
一方、まわり止め部材35としては、例えば、
・焼結金属で作製され、少なくとも案内溝5eとの摺動部に浸炭処理、浸炭窒化処理、又は表面仕上げが施されたもの、
・焼入れ等の高強度・高硬度化処理が施されていない未熱処理の鋼材(例えば、炭素鋼)で作製され、少なくとも案内溝5eとの摺動部に表面仕上げが施されたもの、あるいは、
・樹脂材料、特にポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等のスーパーエンジニアリングプラスチックをベースとする樹脂材料、で作製されたもの、
などを使用することができる。
【0036】
本実施形態のねじ機構3では、従来のねじ機構に設けられていた回り止め部材が、互いに独立した二部材(ストッパ34及び回り止め部材35)に分割されて部品点数が増加する分、部品の管理等に要するコスト面では従来のねじ機構よりも不利になるが、上記二部材のそれぞれを要求特性に応じた最適材料で形成できることにより享受されるコスト低減効果が、部品点数増加に基づくコスト増加分を上回る。そのため、本発明によれば、コスト低減を図りつつ、ねじ軸32に必要とされる動作精度を長期間に亘って安定的に維持可能なねじ機構3を実現することができる。
【0037】
また、本実施形態のねじ機構3において、回り止め部材35の外径端部、つまりハウジング5に設けた案内溝5eに嵌合される部分には軸方向部35cを設けているので、案内溝5eに対する回り止め部材35の嵌合代を十分に確保することができる。これにより、回り止め部材35の全体を軸方向に厚肉化することなく、回り止め機能を適切に発揮することができる。また、回り止め部材35の軸方向部35cの径方向内側にストッパ34を配置しているので、ストッパ34の大型化によるねじ機構3のコスト増を効果的に防止することができる。
【0038】
以上、本発明の一実施形態に係るねじ機構3及びこれを備えた直動アクチュエータ1について説明したが、ねじ機構3には、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更を施すことができる。
【0039】
例えば、以上で説明したねじ機構3は、いわゆるボールねじ機構であるが、本発明は、径方向で対向する雌ねじ31aと雄ねじ32aの間に介在する多数のボール33が省略され、雌ねじ31aと雄ねじ32aが直接螺合した、いわゆるすべりねじ機構に適用することもできる。
【0040】
また、以上で説明したねじ機構3においては、回り止め部材35の径方向部35bを周方向等間隔で2つ設けていたが、径方向部35bは周方向等間隔で3つ以上設けても構わない。また、ストッパ34の径方向部34bは、周方向等間隔で2つ設ける他、周方向の一箇所にのみ設けるようにしても構わない。
【0041】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【0042】
1 直動アクチュエータ
2 電動モータ
3 ねじ機構
4 動力伝達機構
5 ハウジング
5e 案内溝
31 ナット
31a 雌ねじ
31b 係合部
32 ねじ軸
32a 雄ねじ
34 ストッパ
34b 径方向部
35 回り止め部材
35b 径方向部
35c 軸方向部