(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-11
(45)【発行日】2022-10-19
(54)【発明の名称】アクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体
(51)【国際特許分類】
B06B 1/04 20060101AFI20221012BHJP
F16C 29/04 20060101ALI20221012BHJP
G09B 29/00 20060101ALI20221012BHJP
G09B 9/02 20060101ALI20221012BHJP
【FI】
B06B1/04 S
F16C29/04
G09B29/00 C
G09B9/02
(21)【出願番号】P 2019152948
(22)【出願日】2019-08-23
【審査請求日】2021-03-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000143949
【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】伊 栄生
(72)【発明者】
【氏名】内田 智規
【審査官】服部 俊樹
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2006/106817(WO,A1)
【文献】特開2003-065332(JP,A)
【文献】特開2004-270746(JP,A)
【文献】特開2005-325943(JP,A)
【文献】実公昭41-009248(JP,Y1)
【文献】国際公開第2015/019535(WO,A1)
【文献】特開2017-067229(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B06B 1/04
F16C 29/04
H02K 7/06
B06B 1/12
G09B 29/10
G09B 29/00
G09B 9/02
F16C 32/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
パイプと、
前記パイプの内部に配置され、送りねじとしてのボールねじと、
前記パイプの内部に配置され、前記ボールねじと螺合され、回転運動を直線運動に変換する、送りナットとしての変換ナットと、
前記パイプの内部に配置され、前記変換ナットと一体に固定され、前記パイプの一方の端部である自由端から伸縮可能に移動される
、円筒形状のピストンと、
前記パイプの前記自由端の先端に設けられ、前記ピストンを移動可能に保持する支持機構と
を備えるアクチュエータにおいて、
前記支持機構が、複数のローラフォロアを備えた転がり軸受け構造であ
って、
前記転がり軸受け構造は、前記複数のローラフォロアと、前記複数のローラフォロアのそれぞれが回転し前記ピストンを移動可能に保持するように、前記複数のローラフォロアを前記ピストンの周囲に配置する保持部とを備え、
前記転がり軸受け構造において、同形状である前記複数のローラフォロアが、ピストンの軸芯に向かう方向のみに、それぞれ移動されることにより、前記ピストンが予圧されて保持されるように構成されることを特徴とするアクチュエータ
。
【請求項2】
前記転がり軸受け構造には、3個以上の前記ローラフォロアが設けられることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項3】
前記転がり軸受け構造には、4個の前記ローラフォロアが設けられることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
【請求項4】
請求項1乃至
3のいずれか1項に記載された前記アクチュエータを3個備え、移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が120°の角度で離間するように、前記3個のアクチュエータが接続され、前記移動ベースがエアベアリングを介してすべり床の上をX-Y方向に移動できるのと共に、Z軸回りの回転(Yaw運動)ができるように構成されたことを特徴とするトライポッド構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、特許文献1に開示されたドライビングシミュレータが知られている。このようなドライビングシミュレータにおける加振システムは、後述する
図1に示すように、ヘキサポッド(Hexapod:6軸)構造体と、トライポッド(Tripod:3軸)構造体とから主に構成されている。
【0003】
ヘキサポッド構造体は、スチュワートプラットフォームとも呼ばれ、上部にコックピットが設けられる天板を6本のアクチュエータで支持するように構成されている。このようなヘキサポッド構造体では、すべり床平面上に設定されたX、Y軸、およびこの平面に垂直なZ軸とから構成された、X、Y、Z軸の3方向の並進運動の他に、各軸回りの回転運動を加えた、すなわち、前後方向、左右方向、上下方向、ロール(Roll)、ピッチ(Pitch)、ヨー(Yaw)の動きからなる、6自由度のチルト運動を再現しており、これにより操作者の運転操作に応じて運転状態をシミュレーションするように構成されている。
【0004】
トライポッド構造体は、上述のヘキサポッド構造体が搭載された移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が120°の角度で離間するように、3本のアクチュエータが接続され、移動ベースがすべり床の上をX-Y方向に移動できるのと共に、Z軸回りの回転(Yaw運動)ができるように構成されている。なお、比較的高い周波数での小振幅の動作は、ヘキサポッド構造体により再現され、比較的低い周波数での大振幅の動作は、トライポッド構造体により再現される。
【0005】
このようなトライポッド構造体では、例えば、特許文献2に開示されたような電動アクチュエータが使用される。このようなアクチュエータでは、後述する
図2に示すように、パイプの内部に少なくとも、送りねじとしてのボールねじと、送りナットとしての変換ナットと、変換ナットと一体的に固定されているピストンとを備え、ボールねじの回転運動をピストンの直線運動に変換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第5813706号公報
【文献】特開2015-40614号公報
【文献】特開2001-124175号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
このような従来のアクチュエータでは、パイプの先端に設けられ、ピストンを移動可能に保持する支持機構として、特許文献3に示すように滑り軸受けが使用されていた。しかしながら、トライポッド構造体に使用されるアクチュエータでは、軸線に直交する横方向の荷重、つまり、重力に対して水平に設置されるため自重に起因するモーメント、または、他のアクチュエータの駆動により発生する横方向のモーメント等により
図2cに示すピストン24の支持部(ここでは、滑り軸受け部26)と、
図2bに示す変換ナット23の支持部で摩擦力が生じる。このような摩擦力により、後述する
図7(a)に示すように、折り返し時の加速度にショックが発生し、搭乗タイプのドライビングシュミレータの場合には、試験シナリオによっては、運転者に違和感を与えることとなり、評価に影響を与える場合がある。
【0008】
また、ピストンの支持機構として、滑り軸受けの代わりにボールスプラインを使用して摩擦を低減する構造も知られているが、比較的大荷重がかかるトライポッド構造体では、アクチュエータに、軸線に直交する横方向の荷重が与えられた場合には、先端部のスプラインのボールに荷重が集中し、その部分が損傷する恐れがあった。またこの課題を解決するために、ボールスプラインを大きくする方法も考えられるが、製造が難しく困難となり、コストが高くなるという問題があった。
【0009】
従って、本発明の目的は、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま低減できるアクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するために、本発明のアクチュエータは、パイプと、前記パイプの内部に配置され、送りねじとしてのボールねじと、前記パイプの内部に配置され、前記ボールねじと螺合され、回転運動を直線運動に変換する、送りナットとしての変換ナットと、前記パイプの内部に配置され、前記変換ナットと一体に固定され、前記パイプの一方の端部である自由端から伸縮可能に移動されるピストンと、前記パイプの前記自由端の先端に設けられ、前記ピストンを移動可能に保持する支持機構とを備えるアクチュエータにおいて、前記支持機構が、複数のローラフォロアを備えた転がり軸受け構造であることを特徴とする。
【0011】
また、前記転がり軸受け構造は、前記複数のローラフォロアと、前記複数のローラフォロアのそれぞれが回転し前記ピストンを移動可能に保持するように、前記複数のローラフォロアを前記ピストンの周囲に配置する保持部とを備えるものとしてもよい。
【0012】
また、前記転がり軸受け構造において、前記複数のローラフォロアのそれぞれがピストンに対して予圧され、前記ピストンが予圧されて保持されるように構成されるものとしてもよい。
【0013】
また、前記転がり軸受け構造に、3個以上の前記ローラフォロアが設けられるものとしてもよい。
【0014】
前記課題を解決するために、本発明のトライポッド構造体は、前記アクチュエータを3個備え、移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が120°の角度で離間するように、前記3個のアクチュエータが接続され、前記移動ベースがエアベアリングを介してすべり床の上をX-Y方向に移動できるのと共に、Z軸回りの回転(Yaw運動)ができるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、ピストン支持部を滑り軸受けから転がり軸受けにすることにより、アクチュエータ全体の摩擦力を半分以下に減らすことが可能となり、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま半減できるアクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体を提供することができ、ドライビングシミュレータの使用範囲を広げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】ドライビングシミュレータの加振システムの一例を示す図である。
【
図2】
図2(a)は、
図1に示すトライポッド構造体に使用される従来のアクチュエータの縦断面図であり、
図2(b)は、
図2(a)に示すIIb部分の拡大図であり、
図2(c)は、
図2(a)に示すIIc部分の拡大図である。
【
図3】
図3(a)は、本発明のアクチュエータの縦断面図であり、
図3(b)は、
図3(a)に示すIIIb部分の拡大図である。
【
図4】
図4(a)は、
図3(b)に示す転がり軸受け部を示す斜視図であり、
図4(b)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部の正面図であり、
図4(c)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部の側面図である。
【
図5】
図5(a)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部を説明するための部分断面図であり、
図5(b)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部を
図5(a)とは異なる向きから示す部分断面図である。
【
図6】
図6(a)は、転がり軸受け部のローラフォロア部を示す斜視図であり、
図6(b)は、ローラフォロア部を示す断面図である。
【
図7】
図7(a)は、従来のアクチュエータの加速度特性を示す図であり、
図7(b)は、本発明のアクチュエータの加速度特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0018】
図1は、ドライビングシミュレータの加振システムの一例を示す図である。
【0019】
図1において、ドライビングシミュレータの加振システム10は、ヘキサポッド構造体100と、トライポッド構造体200とから主に構成されている。
【0020】
ヘキサポッド構造体100は、スチュワートプラットフォームとも呼ばれ、上部にコックピットが設けられる天板110に、1箇所当たり2本のアクチュエータ120が合計3箇所、つまり、6本のアクチュエータ120A、120B、120C、120D、120E、120Fが接続され、天板110が支持されるように構成されている。ここで使用されるアクチュエータ120A、120B、120C、120D、120E、120Fとして、油圧ジャッキや電気アクチュエータ等が使用可能であるが、ここでは、後述する
図2(a)乃至
図3(b)に示すように電気アクチュエータが使用されるものとする。また、6本のアクチュエータ120A、120B、120C、120D、120E、120Fの各々は、その長さが制御されるが、角度は自由に回動できるようにユニバーサルジョイントで接続される。
【0021】
このようなヘキサポッド構造体100は、後述するすべり床240平面上に設定されたX、Y軸、およびこの平面に垂直なZ軸とから構成された、X、Y、Z軸の3方向の並進運動の他に、各軸回りの回転運動を加えた、すなわち、前後方向、左右方向、上下方向、ロール(Roll)、ピッチ(Pitch)、ヨー(Yaw)の動きからなる、6自由度のチルト運動を再現できるように構成され、これにより操作者の運転操作に応じて運転状態をシミュレーションできるように構成されている。
【0022】
トライポッド構造体200は、上述のヘキサポッド構造体100を上部に搭載した移動ベース210に、上面視の初期状態で相互に中心角度が120°の角度で離間するように、3本のアクチュエータ220A、220B、220Cが接続されて構成される。トライポッド構造体200は、3本のアクチュエータ220A、220B、220Cの長さを制御することにより、移動ベース210が、空気圧などによるエアベアリング230を介して、すべり床240の上をX-Y方向に移動できるのと共に、Z軸回りの回転(Yaw運動)ができるように構成される。なお、比較的高い周波数での小振幅の動作は、ヘキサポッド構造体100により再現され、比較的低い周波数での大振幅の動作は、トライポッド構造体200により再現される。
【0023】
図2(a)は、
図1に示すトライポッド構造体200に使用される従来のアクチュエータ20の縦断面図であり、
図2(b)は、
図2(a)に示すIIb部分の拡大図であり、
図2(c)は、
図2(a)に示すIIc部分の拡大図である。
【0024】
図2(a)乃至
図2(c)において、従来のアクチュエータ20は、パイプ21と、ボールねじ22と、変換ナット23と、ピストン24と、サーボモータ25と、滑り軸受け部26とを備える。
【0025】
パイプ21は、円筒形状に形成され、その内部にボールねじ22と、変換ナット23と、ピストン24とが配置される。ボールねじ22は、図示を省略するタイミングベルト機構によりサーボモータ25に接続され、回転駆動される。変換ナット23は、
図2(b)に示すように、ボールねじ22と螺合され、パイプ21の内部で回転が制限され、ボールねじ22の回転に合わせて、パイプ21の内部の軸線上に摺動される。なお、変換ナット23は、滑り軸受けにより、パイプ21の内部に摺動可能に保持される。ボールねじ22と、変換ナット23は、それぞれ送りねじと、送りナットを構成している。
【0026】
ピストン24は、変換ナット23に固定され、変換ナット23の移動に合わせて、パイプ21の内部で移動される。ピストン24は、パイプ21の一方の端部である自由端の内部から伸縮可能に駆動され、アクチュエータ20の可動部を構成している。つまり、アクチュエータ20では、サーボモータ25により回転駆動されたボールねじ22の回転運動をピストン24の直線運動に変換している。滑り軸受け部26は、
図2(c)に示すように、パイプ21の一方の端部である自由端の先端に設けられ、移動するピストン24を摺動可能に保持し、ピストン24の支持機構を構成している。
【0027】
このように構成された従来のアクチュエータ20では、後述する
図7(a)に示すように、アクチュエータの加速度特性において、折り返し時にショックが発生し、運転者に違和感を与える場合があるという問題があった。また、この場合には、車両の性能を評価する評価者は、車両運動によるショックなのか、シミュレータのショックなのかが判断できず、車両の性能評価に悪影響を与えることとなっていた。
【0028】
検討の結果、この問題の原因は、
図1に示すようなドライビングシミュレータのトライポッド構造体に使用されるアクチュエータでは、軸線に直交する横方向の荷重、つまり、重力に対して水平に設置されるため自重に起因するモーメント、または、他のアクチュエータの駆動により発生する横方向のモーメント等により摩擦力が過大となることだと判明した。そこで、上述の従来のアクチュエータで問題となっていた加速度の折り返し時のショックを半減させた本発明のアクチュエータを以下に説明する。
【0029】
図3(a)は、本発明のアクチュエータ220の縦断面図であり、
図3(b)は、
図3(a)に示すIIIb部分の拡大図である。
【0030】
図3(a)及び
図3(b)において、本発明のアクチュエータ220は、パイプ221と、ボールねじ222と、変換ナット223と、ピストン224と、サーボモータ225と、転がり軸受け部226と、固定フランジ227とを備える。
【0031】
図3(a)及び
図3(b)に示す本発明のアクチュエータ220は、
図2(a)乃至
図2(c)に示す従来のアクチュエータ20と比較して、ピストン224の支持機構として、滑り軸受け部26の代わりに、転がり軸受け部226とこれを固定する固定フランジ227が設けられていることが主に異なり、それ以外の部分は同様の構成である。同様の構成要素には、同様の参照符号を付し、その説明を省略する。
【0032】
固定フランジ227は、ここでは
図3(b)に示すように、パイプ221の自由端の先端にスタッドボルト等により固定され、転がり軸受け部226は、この固定フランジ227にボルト等により固定されているが、この形状には限定されない。つまり、固定フランジ227を設けずに、転がり軸受け部226を直接パイプ221の自由端の先端に固定する構成としてもよい。
【0033】
一般に、転がり軸受けは、摩擦係数が滑り軸受けの0.1~0.2に対してその1/10~1/100程度となっており、格段に摩擦力が低下することが従来から知られている。また従来の滑り軸受けの代わりにボールスプラインを使用する方法もあるが、ボールスプラインではボールが小さいため、先端部のボールに荷重が集中し、その部分が損傷する恐れがある。これに対して、本発明の転がり軸受け部226では、後述するように、ローラフォロアを使用するため、比較的大きなサイズを使用することができ、大きな荷重に対する耐性も有している。
【0034】
図4(a)は、
図3(b)に示す転がり軸受け部226を示す斜視図であり、
図4(b)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部226の正面図であり、
図4(c)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部226の側面図である。
【0035】
図4(a)乃至
図4(c)に示すように、転がり軸受け部226は、4個のローラフォロア部226A、226B、226C、226Dと、これを保持する保持部226aとから主に構成されている。なお、ここでは4個のローラフォロア部226A、226B、226C、226Dが設けられるものとしたが、ピストン224の軸芯を保持するために3個以上であればいくつ設けられるものとしてもよい。なお、ローラフォロア部226A、226B、226C、226Dの形状は全て同じであるため、以下の説明では、ローラフォロア部226Aを例にとり説明する。
【0036】
図5(a)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部226を説明するための部分断面図であり、
図5(b)は、
図4(a)に示す転がり軸受け部226を
図5(a)とは異なる向きから示す部分断面図である。
図6(a)は、転がり軸受け部226のローラフォロア部226Aを示す斜視図であり、
図6(b)は、ローラフォロア部226Aを示す断面図である。
【0037】
図5(a)乃至
図6(b)に示すように、ローラフォロアとは、その内部にニードルと呼ばれる針状のローラが組み込まれている、ドーナツ形状のベアリングであり、ローラフォロア部226Aは、主に、ローラフォロア226Aaと、この中心に配置され回転軸となるシャフト226Abと、シャフト226Abの両側に配置され、シャフト226Abを回転可能に保持する2つのヨーク226Acと、シャフト226Abの一方の端部に配置され、ローラフォロア226Aaとシャフト226Abの内部に潤滑グリスを注入するためのグリスニップル226Adとから主に形成される。
【0038】
また、本実施形態では、
図4(a)乃至
図4(c)に示すように、ローラフォロア部226A、226B、226C、226Dのそれぞれの背後からピストン224に向けて、予圧ねじ226Pを使用して予圧をかける構成としている。予圧ねじ226Pとして、ここでは全ねじボルトを使用して、ローラフォロア部226Aのヨーク226Acに予圧をかける構成としているが、これには限定されず、スプリングを使用する方法や、その他の方法を使用して予圧をかけるものとしてもよい。
【0039】
また、このように、ローラフォロア部226A、226B、226C、226Dに、予圧ねじ226P等により予圧を掛ける構成とすることにより、ピストン224とローラフォロア部226A、226B、226C、226Dとのガタがなくなり、荷重が比較的大きい、トライポッド構造体200に使用されるアクチュエータ220において、横方向の荷重が過大となる場合においても、安定してピストン224を保持することができる。
【0040】
図7(a)は、従来のアクチュエータ20の加速度特性を示す図であり、
図7(b)は、本発明のアクチュエータ220の加速度特性を示す図である。
【0041】
図7(a)及び
図7(b)において、縦軸は加速度を示し、横軸は時間を示している。なお、アクチュエータ20、220の加速度特性とは、アクチュエータ20、220の可動部であるピストン24、224の先端部の加速度特性を意味する。
図7(a)に示すように、従来のアクチュエータ20の加速度特性では、加速度の折り返し地点付近でノイズが発生しており、ショックが生じていることがわかる。これに対して、
図7(b)に示すように本発明のアクチュエータ220の先端部の加速度特性では、加速度の折り返し地点付近のノイズが半減しており、問題が改善していることがわかる。
【0042】
このように、本実施形態のアクチュエータ220によれば、滑り軸受け部26の代わりに、転がり軸受け部226を設けることにより、ピストン224の支持機構の摩擦係数を大幅に低減することができる。また、転がり軸受け部226に、比較的大きなサイズであり、大きな荷重に対する耐性を有するローラフォロア部226A等を3個以上の複数個設けることにより、アクチュエータ220の軸線に直交する横方向の荷重が比較的大きな場合においても、これに対する耐性を有することができる。さらに、ローラフォロア部226A等の背後からピストン224に向けて、予圧ねじ226P等により予圧をかける構成とすることにより、横方向の荷重が過大となっても安定してピストン224を保持することができる。
【0043】
なお、これまで、本発明のアクチュエータ220及びこれを備えたトライポッド構造体200が、ドライビングシミュレータの加振システム10に搭載される実施形態を例にとり説明してきたが、これには限定されない。つまり本発明は、例えば自動車、バイク、電車、航空機、船舶などの運輸機器や、橋梁、ビル、住宅、建築物などの構造物や、これらの部品などの被試験構造物に対して、外力を印加して行う載荷試験や、振動を与えて行う加振試験や、操作者の運転操作に応じた運転状態などのシミュレーション試験などの各種の試験を行うための試験装置に適用するものとしてもよい。
【0044】
以上説明したように、本発明によれば、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま低減できるアクチュエータ及びこれを使用したトライポッド構造体を提供することができる。
【符号の説明】
【0045】
10 ドライビングシミュレータの加振システム
100 ヘキサポッド構造体
110 天板
120A、120B、120C、120D、120E、120F アクチュエータ
200 トライポッド構造体
210 移動ベース
220、220A、220B、220C アクチュエータ
221 パイプ
222 ボールねじ
223 変換ナット
224 ピストン
225 サーボモータ
226 転がり軸受け部
226A、226B、226C、226D ローラフォロア部
226Aa ローラフォロア
226Ab シャフト
226Ac ヨーク
226Ad グリスニップル
226a 保持部
226P 予圧ねじ
227 固定フランジ
230 エアベアリング
240 すべり床