特許 7674842 再循環式ボールねじ回転アクチュエータ

(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】2025-04-30

(45)【発行日】2025-05-12

(54)【発明の名称】再循環式ボールねじ回転アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/22 20060101AFI20250501BHJP

   B64C 13/36 20060101ALI20250501BHJP

【ＦＩ】

F16H25/22 C

B64C13/36

【請求項の数】 20

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021007073

(22)【出願日】2021-01-20

(65)【公開番号】P2021162150

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2024-01-09

(31)【優先権主張番号】16/837,266

(32)【優先日】2020-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(74)【代理人】

【識別番号】100163522

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 晋平

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(72)【発明者】

【氏名】ミッチェル・メラー

【審査官】小川 克久

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－１７９５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０２９４６２３５（ＵＳ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第００６８４４０７（ＥＰ，Ａ２）

【文献】特表２００５－５２５５１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ ２５／２２

Ｂ６４Ｃ １３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転アクチュエータであって、
複数のボールベアリングと、
各々が流体圧力供給装置からの流体圧力を受け入れる複数の流体ポートを有する外側シリンダと、
前記外側シリンダによって包囲されるピストンであって、前記ピストン、前記外側シリンダ、および前記複数のボールベアリングが一体となって外側ボールねじを形成し、前記ピストンは、前記流体圧力に応じて、前記回転アクチュエータの長手方向の中心軸に沿って並進するように構成されている、ピストンと、
前記ピストンによって包囲される内側シャフトであって、前記内側シャフト、前記ピストン、および前記複数のボールベアリングは一体となって、前記長手方向の中心軸の周りで前記外側ボールねじと同心の内側ボールねじを形成する、内側シャフトと
を備え、
前記外側ボールねじと前記内側ボールねじは、一緒になって、1つまたは複数の共有ボール経路を有するインタレースボール回路を形成し、前記流体圧力に応じて前記長手方向の中心軸に沿った前記ピストンの並進は、前記ピストンおよび前記内側シャフトを回転させ、それにより、前記インタレースボール回路を介して、前記外側ボールねじと前記内側ボールねじとの間の前記複数のボールベアリングを再循環させるために有効である、
回転アクチュエータ。

【請求項2】

前記外側シリンダの内径は前記外側ボールねじの複数の雌ねじを含み、前記ピストンの外径は前記外側ボールねじの複数の雄ねじを含み、前記ピストンの内径は前記内側ボールねじの複数の雌ねじを含み、前記内側シャフトの外径は前記内側ボールねじの複数の雄ねじを含む、請求項1に記載の回転アクチュエータ。

【請求項3】

前記外側ボールねじの前記雌ねじと前記雄ねじは左ねじであり、前記内側ボールねじの前記雌ねじと前記雄ねじは右ねじである、請求項2に記載の回転アクチュエータ。

【請求項4】

前記ピストンは、前記外側シリンダを複数の圧力キャビティに分離するように構成され、前記外側シリンダの複数の前記流体ポートは、前記流体圧力供給装置を前記複数の圧力キャビティに流体接続するように構成されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項5】

一組のスラストベアリングをさらに備え、前記ピストンが単一のピストンであり、前記一組のスラストベアリングのそれぞれが前記内側シャフトの対向する遠位端に配置されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項6】

前記ピストンは一対のピストンを含み、前記複数の流体ポートは、前記一対のピストンの間の前記回転アクチュエータのほぼ中間点に配置された内側流体ポートと、前記内側流体ポートを挟む一対の外側流体ポートとを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項7】

前記1つまたは複数の共有ボール経路は、少なくとも6つの共有ボール経路を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項8】

前記1つまたは複数の共有ボール経路は、10個以下の共有ボール経路を含む、請求項7に記載の回転アクチュエータ。

【請求項9】

前記内側ボールねじの前記共有ボール経路の数が、前記外側ボールねじの前記共有ボール経路の数に等しい、請求項1から8のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項10】

前記回転アクチュエータは、前記長手方向の中心軸に沿った前記ピストンの2インチ以上の並進ごとに約60度、前記内側シャフトを回転させるように構成されている、請求項1から9のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項11】

前記インタレースボール回路が、前記内側ボールねじおよび前記外側ボールねじを通過する単一の連続したボール経路を含み、前記ボールベアリング用の少なくとも9個のボールスタートを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項12】

前記内側ボールねじ内の前記複数のボールベアリングの並進速度が、前記外側ボールねじ内の前記複数のボールベアリングの並進速度に等しい、請求項1から11のいずれか一項に記載の回転アクチュエータ。

【請求項13】

第1のパネルと、
第2のパネルと、
前記第1のパネルと前記第2のパネルとを相互接続し、回転軸を有する回転ヒンジ付きジョイントと、
前記回転ヒンジ付きジョイントに接続された回転アクチュエータであって、
前記回転ヒンジ付きジョイントの前記回転軸に接続された回転可能な内側シャフトと、
前記回転可能な内側シャフトを包囲し、流体圧力に応じて前記回転アクチュエータの長手方向の中心軸に沿って並進するピストンと、
前記ピストンを包囲し、前記流体圧力を受け入れる複数の流体ポートを有する外側シリンダであって、前記回転可能な内側シャフト、前記ピストン、および前記外側シリンダは、少なくとも1つの共有ボール経路を有するインタレースボール回路を一緒に画定する2つの同心ボールねじを形成するために、前記長手方向の中心軸に対して同心円状に配置される、外側シリンダと、
前記インタレースボール回路の前記少なくとも1つの共有ボール経路内に配置された複数のボールベアリングであって、前記外側シリンダへの前記流体圧力の受入れに応じて前記長手方向の中心軸に沿った前記ピストンの並進が、前記少なくとも1つの共有ボール経路を介して、前記2つの同心ボールねじ間の前記複数のボールベアリングを再循環させ、前記ピストンと前記内側シャフトを回転させ、それによって前記回転ヒンジ付きジョイントを作動させ、前記第2のパネルに対する前記第1のパネルの角度位置を変化させるために有効である、複数のボールベアリングとを含む、回転アクチュエータと
を備える、ヒンジ付きパネルアセンブリ。

【請求項14】

前記回転ヒンジ付きジョイントの前記回転軸が、前記回転アクチュエータの前記長手方向の中心軸と同軸に整列している、請求項13に記載のヒンジ付きパネルアセンブリ。

【請求項15】

前記回転可能な内側シャフトを前記回転ヒンジ付きジョイントに接続する少なくとも1つの機械的結合部をさらに備える、請求項13または14に記載のヒンジ付きパネルアセンブリ。

【請求項16】

前記ピストンは前記外側シリンダを複数の圧力キャビティに分離するように構成されており、前記圧力キャビティの各々が前記外側シリンダの前記流体ポートのそれぞれの1つと流体連通する、請求項13から15のいずれか一項に記載のヒンジ付きパネルアセンブリ。

【請求項17】

前記ピストンが一対のピストンを含み、前記複数の流体ポートが前記一対のピストン間の前記回転アクチュエータのほぼ中間点に配置された内側流体ポートを含み、一対の外側流体ポートが前記内側流体ポートを挟む、請求項16に記載のヒンジ付きパネルアセンブリ。

【請求項18】

胴体と、
前記胴体に接続された一対の翼と、
前記胴体に接続された尾翼と、
回転軸を有する回転ヒンジ付きジョイントを介して前記翼の一方および／または前記尾翼に接続された空力飛行操縦翼パネルと、
前記回転ヒンジ付きジョイントに接続された回転アクチュエータであって、
前記回転軸に接続された回転可能な内側シャフトと、
前記回転可能な内側シャフトを包囲し、流体圧力に応じて前記回転アクチュエータの長手方向の中心軸に沿って並進するピストンと、
前記ピストンを包囲し、前記流体圧力を受け入れる複数の流体ポートを有する外側シリンダであって、前記回転可能な内側シャフト、前記ピストン、および前記外側シリンダは、少なくとも1つの共有ボール経路を有するインタレースボール回路を一緒に画定する2つの同心ボールねじを形成するために、前記長手方向の中心軸に対して同心円状に配置され、前記ピストンが前記外側シリンダを複数の圧力キャビティに分離するように構成され、前記複数の流体ポートが流体圧力供給装置を前記複数の圧力キャビティに接続するように構成されている、外側シリンダと、
前記インタレースボール回路の前記少なくとも1つの共有ボール経路内に配置された複数のボールベアリングであって、前記外側シリンダへの前記流体圧力の受入れに応じて前記長手方向の中心軸に沿った前記ピストンの並進が、前記少なくとも1つの共有ボール経路を介して、前記2つの同心ボールねじ間の前記複数のボールベアリングを再循環させ、前記ピストンと前記内側シャフトを回転させ、それによって前記回転ヒンジ付きジョイントを作動させ、前記空力飛行操縦翼パネルの角度位置を変化させるために有効である、複数のボールベアリングとを含む、回転アクチュエータと
を備える、固定翼航空機。

【請求項19】

前記外側シリンダの内径は外側ボールねじの複数の雌ねじを含み、前記ピストンの外径は前記外側ボールねじの複数の雄ねじを含み、前記ピストンの内径は内側ボールねじの複数の雌ねじを含み、前記内側シャフトの外径は前記内側ボールねじの複数の雄ねじを含む、請求項18に記載の固定翼航空機。

【請求項20】

前記ピストンが一対のピストンを含み、前記複数の流体ポートが前記一対のピストン間の前記回転アクチュエータのほぼ中間点に配置された内側流体ポートを含み、一対の外側流体ポートが前記内側流体ポートを挟む、請求項18または19に記載の固定翼航空機。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

流体駆動のリニアアクチュエータおよび回転アクチュエータは、従動負荷にトルクと直線力を伝えるために、様々な動的システムで使用される。ボールねじアセンブリは、一般に遭遇するタイプのリニアアクチュエータである。典型的なボールねじアセンブリは、比較的低い入力トルクに応答して大きい直線力と並進を実現するために、比較的短いねじピッチを使用する。回転アクチュエータは、多くの場合、従動負荷に機械的に結合され、マルチセルバッテリパックまたは別の電源を介して選択的に通電される電気モーターを含む。通電されたモーターは出力トルクを生成することで応答し、出力トルクを結合された従動負荷に伝達することができる。回転翼およびラックアンドピニオン式アクチュエータの場合のように、回転アクチュエータはまた、流体的に作動するものであってもよい。スレッドオンスレッドアクメねじアセンブリは、従動負荷に力を伝えるために一般的に使用されるアクチュエータのさらに別の例である。しかしながら、アクメねじは、噛み合ったねじ山に沿った摩擦が大きいために、このような摩擦およびそれに起因して起こり得る故障モードが比較的十分に許容される用途において広く使用されている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0002】

その様々な実施形態において、一般に上で説明された従来のアクチュエータと比較して、高トルク効率と低摩擦を提供するように構成されているコンパクトな回転アクチュエータが本明細書に開示される。回転アクチュエータは、ヒンジ付きパネルアセンブリの回転ヒンジ付きジョイントを効率的に駆動するための軸上または軸外の解決策として使用できる。代表的なヒンジ付きパネルアセンブリには、固定翼航空機、例えば、薄翼飛行機の翼および尾翼に配置されたフラップ、補助翼、方向舵、トリムタブ、またはストラットなどの空力飛行操縦翼面／パネルが含まれるが、これらに限定されない。着陸装置ドアや貨物ドアなどが含まれるがこれらに限定されるものではない他の航空用途は、本教示の恩恵を受けることができ、また、説明された回転アクチュエータは、コンパクトで高効率な回転作動を必要とする他の産業にわたっても有用性がある。

【0003】

以下に詳細に説明するように、本開示の回転アクチュエータは、1つまたは複数の共有ボール経路を有するインタレースボール回路を介して、ボールベアリングを共有／再循環する2つの同心ボールねじを形成または画定する。一方のボールねじは、回転アクチュエータの長手方向の中心軸に対して他方のボールねじ内で半径方向に配置されているので、さらに明確にするために、本明細書では、2つのボールねじを外側ボールねじおよび内側ボールねじと呼ぶ。

【0004】

開示された実施形態では、1つまたは2つのピストンが、外部圧力供給装置からの許容流体圧力に応じて外側シリンダ内を並進する。これが起こると、外側ボールねじと内側ボールねじが反対の軸方向に並進し、並進運動とその結果生じるピストンの回転により、最終的にボールベアリングが内側ボールねじと外側ボールねじとの間で再循環する。これは完全に外側シリンダのエンベロープ内で起こるため、回転アクチュエータは外側ボールリターン経路が存在しないことを特徴とする。代わりに、ボールベアリングは、1つまたは複数の共有ボール経路内を転がってその経路に沿って並進するが、これは、単一の連続したボール経路または複数の共有ボール経路として具体化でき、共有ボール経路は一体となって上記のインタレースボール回路を形成する。ピストンの回転は最終的に内側シャフトに回転を与え、内側シャフトは、次いで、上記の回転ヒンジ付きジョイントまたはヒンジ付きパネルアセンブリなどの従動負荷、ただし、これに限定されない従動負荷に結合される。

【0005】

外側シリンダは、外側ボールねじの雌ねじを形成する1組のヘリカル状またはらせん状の溝を画定する。ピストンは、ピストン面前後の差圧によって外側シリンダ内を並進し、外側ボールねじの雄ねじを含む外径を有する。ピストンの内径は、内側ボールねじの雌ねじを含む。ピストンと外側シリンダによって包囲される内側シャフトは、内側ボールねじの雄ねじを含む。このように、内側ボールねじの動作により、内側シャフトがピストンに対して回転する。

【0006】

本開示の回転アクチュエータを、このようなヒンジ付きパネルアセンブリの回転ヒンジジョイントを用いて軸上に任意選択で配置してもよく、これにより、薄翼航空機の例では、関連するクランクアセンブリおよび機械的結合部を大型翼下カヌーフェアリング内に収容する必要性がなくなる。他の構成では、回転アクチュエータが回転ヒンジ付きジョイントから軸外に配置され、1つまたは複数の機械的結合部を介して回転ヒンジ付きジョイントに接続される。

【0007】

開示された非限定的な実施形態では、回転アクチュエータは、複数のボールベアリング、外側シリンダ、ピストン、および内側シャフトを含む。外側シリンダは、各々が流体圧力供給装置からの流体圧力を受け入れるように構成されている複数の流体ポートを有する。ピストンは外側シリンダによって包囲される。ピストン、外側シリンダ、およびボールベアリングが一体となって外側ボールねじを形成する。さらに、ピストンは、流体圧力に応じて回転アクチュエータの長手方向の中心軸に沿って並進するように構成されている。内側シャフトはピストンによって包囲され、内側シャフト、ピストン、およびボールベアリングは、一体となって、長手方向の中心軸の周りで外側ボールねじと同心の内側ボールねじを形成する。

【0008】

この実施形態では、外側ボールねじと内側ボールねじとが一緒になって、1つまたは複数の共有ボール経路を有するインタレースボール回路を形成する。流体圧力に応じて長手方向の中心軸に沿ったピストンの並進は、回転する動的効果を有し、即ち、ピストンおよび内側シャフトを回転させるために有効であり、この動作により、外側ボールねじと内側ボールねじとの間のボールベアリングがインタレースボール回路を介して再循環する。

【0009】

ヒンジ付きパネルアセンブリも本明細書に開示されている。開示された例示的な実施形態によれば、ヒンジ付きパネルアセンブリは、回転アクチュエータと、第1のパネルおよび第2のパネルを相互接続し、かつ回転軸を有する回転ヒンジ付きジョイントとを含む。回転アクチュエータは、回転ヒンジ付きジョイントに接続され、回転可能な内側シャフト、ピストン、外側シリンダ、および複数のボールベアリングを含む。内側シャフトは、回転ヒンジ付きジョイントの回転軸に接続される。ピストンは、回転可能な内側シャフトを包囲し、流体圧力に応じて回転アクチュエータの長手方向の中心軸に沿って並進するように構成されている。外側シリンダは、ピストンを包囲し、かつ複数の流体ポートを有し、各々の流体ポートが流体圧力を受け入れるように構成されている。

【0010】

回転可能な内側シャフト、ピストン、および外側シリンダが、上記のインタレースボール回路を一緒に画定する2つの同心ボールねじを形成するために、長手方向の中心軸に対して同心円状に配置され、ボールベアリングがインタレースボール回路の少なくとも1つの共有ボール経路内に配置される。外側シリンダへの流体圧力の受入れに応じて、長手方向の中心軸に沿ったピストンの並進は、少なくとも1つの共有ボール経路を介して2つの同心ボールねじ間でボールベアリングを再循環させ、ピストンと内側シャフトとを回転させ、それによって回転ヒンジ付きジョイントを作動させ、第2のパネルに対する第1のパネルの角度位置を変化させるために有効である。

【0011】

固定翼航空機も本明細書に開示されている。固定翼航空機の代表的な実施形態は、胴体に接続された一対の翼および尾翼と、回転軸を有する回転ヒンジ付きジョイントを介して翼の一方および／または尾翼に接続された空力飛行操縦翼パネルと、回転ヒンジ付きジョイントに接続され、本明細書で説明されるように構成されている回転アクチュエータとを含む。

【0012】

上記の概要は、本開示の全ての実施形態または全ての態様を表すことを意図するものではない。むしろ、前述の概要は、本明細書で説明されるいくつかの新規の概念および形態の例示を提供するに過ぎない。上記の形態および利点、ならびに他の形態および利点は、添付の図面および添付の特許請求の範囲に関連して捉えたとき、図示の実施形態および本開示を実施するための代表的な方法に関する以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。さらにまた、本開示は、上および下に提示される要素および形態のありとあらゆる組合せおよびサブ組合せを明示的に含む。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本明細書に記載のタイプの対応するコンパクトな回転アクチュエータを介して各々が作動可能である空力飛行操縦翼面を有する例示的な固定翼航空機の概略図である。

【図2A】本開示の回転アクチュエータを介して動力供給されるヒンジ軸を有する代表的なヒンジ付き空力飛行操縦翼パネルの概略図である。

【図2B】本開示の回転アクチュエータを介して動力供給されるヒンジ軸を有する代表的なヒンジ付き空力飛行操縦翼パネルの概略図である。

【図2C】それぞれの回転アクチュエータを介して各々動力供給される2つのヒンジ軸を有する代表的なヒンジ付き空力飛行操縦翼パネルの概略図である。

【図2D】それぞれの回転アクチュエータを介して各々動力供給される2つのヒンジ軸を有する代表的なヒンジ付き空力飛行操縦翼パネルの概略図である。

【図3】可能な単一ピストンの実施形態による回転アクチュエータの部分断面斜視図である。

【図4】図3に示される回転アクチュエータの概略断面図である。

【図5】本明細書に開示される回転アクチュエータの構造に組み込むことができる複数の共有ボール経路から形成される例示的なインタレースボール回路の概略斜視図である。

【図6】図3および図4に示される回転アクチュエータの代替の二重ピストンの実施形態の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本開示を修正および代替の形態に拡張してもよく、代表的な実施形態は例として図面に示され、以下で詳細に説明される。本開示の発明の態様は、開示された実施形態に限定されない。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、本開示の範囲内にある修正、同等物、組合せ、および代替物をカバーすることを意図している。

【0015】

本開示は、多くの異なる形態の実施形態の影響を受けやすい。本開示の代表的な実施形態は、図面に示され、これらの実施形態が本開示の広範な態様の限定ではなく、開示された原理の例示として提供されることを理解して、本明細書で詳細に説明する。その程度まで、例えば、要約、背景、概要、および詳細な説明のセクションに記載されているが、特許請求の範囲に明示的に記載されていない要素および限定を、暗示、推論またはその他の方法によって、単独でまたは集合的に、特許請求の範囲に組み込むべきではない。本詳細説明の目的のために、特に、断りのない限り、単数形は複数形を含み、逆もまた同様であり、例えば、「1つ」は「少なくとも1つ」または「1つ以上」を意味し、「および」および「または」という単語は接続詞と論理和の両方であり、「任意の」および「全ての」という単語は両方とも「あらゆる全ての」を意味し、「含む」、「格納する」、「備える」、「有する」などの単語はそれぞれ「含むがこれに限定されない」を意味する。さらにまた、「約」、「ほぼ」、「実質的に」、「概算」、「一般的に」などの近似語は、本明細書では、「で、近くで、またはほぼ～で」、「の0～5％以内で」、「許容可能な製造公差内で」、またはそれらの論理的な組合せの意味で使用されてもよい。

【0016】

図面を参照すると、同様の参照番号がいくつかの図全体において同様の形態を参照しており、例示的な航空機10が図1に示されている。航空機10、例えば、図示の固定翼航空機は、胴体16に接続された一対の主翼12および尾翼14を含む。当業者によって理解されるように、翼12および尾翼14は、一般に18で示される様々な空力飛行操縦翼面またはパネルを含む。例えば、翼12の各々は、1つまたは複数の制御可能なフラップ18Fおよび補助翼18Aを有してもよく、一方、尾翼14は、方向舵18Rおよび昇降舵18Eを含む。図1に明示的に示されていないが当技術分野で十分に理解されているスポイラ、トリムタブ、スラットなどであるがこれらに限定されない他の空力飛行操縦翼パネル18は、航空機10の他の位置で使用してもよいので、空力飛行操縦翼パネル18の構成および使用は、航空機10の用途および構成によって異なってもよい。

【0017】

空力飛行操縦翼パネル18の各々は、本開示に従って構築されたそれぞれのコンパクトな回転アクチュエータ20（図3および図4）または200（図6）を介して独立して作動可能である。航空機10に搭載されて使用される各回転アクチュエータ20および／または200は、流体圧力供給装置15と流体連通している。図示の例示的な航空用途では、流体圧力供給装置15は、油圧作動流体ポンプ、弁、取付具、ホース、および流体フィルタを含む航空機10の油圧流体回路として任意選択で具体化してもよく、これらはいずれも図示されていないが、当技術分野でよく理解されている。

【0018】

図1に示される様々な空力飛行操縦翼パネル18のそれぞれの角度位置は、航空機10のパイロットによって選択的に変更される、または、以下に説明されるように、回転アクチュエータ20に流体圧力供給装置15からの流体圧力を受け入れることによって、機内飛行制御ユニットまたは航空電子工学ユニット（図示せず）によって自律的に変更される。本教示を説明するために本明細書で使用される例示的な実施形態は、この目的のための油圧流体圧力の使用を企図しているが、空力飛行操縦翼パネル18の作動を、圧縮空気またはガス／空気圧作動を使用することによってなど他の方法で達成する他の実施形態を想定してもよい。例示を簡単にするために、作動をこのような駆動形態に限定せずに、本開示の空力飛行操縦翼面18は油圧作動されるものとして以下に説明する。

【0019】

図2Aおよび図2Bでは、第1のパネル、この場合は図1の翼12の一方が、回転ヒンジ付きジョイント21を介して第2のパネル、この場合はフラップ18Fに、接続されているヒンジ付きパネルアセンブリ19が示されており、回転ヒンジ付きジョイント21は回転軸またはヒンジ軸A₂₁を有する。図2Aおよび図2Bはそれぞれ、代表的な空力飛行操縦翼パネル18の「フラップアップ」および「フラップダウン」構成を示し、図1に示される他のパネル18は他の実施形態において同様に配置される。図2Cおよび図2Dは、同様に、別のヒンジ付きパネルアセンブリ190の「フラップアップ」および「フラップダウン」構成を示しており、顕著な違いは、図2Aおよび図2Bに示される代表的なフラップ18Fが、図2Cおよび図2Dにおいて2ピースフラップアセンブリで、即ち、前縁フラップ18F－1および後縁フラップ18F－2で置き換えられていることであり、「前縁」および「後縁」は、翼12上の気流に対する相対位置を指す。前縁フラップと後縁フラップのそれぞれ18F－1と18F－2は、回転ヒンジ付きジョイント21Bを介して回転可能に相互接続されている。

【0020】

図2A～図2Dの構成では、フラップ18Fおよび前縁フラップ18F－1は、それぞれ、回転ヒンジ付きジョイント21または21Aを使用して、翼12に回転可能に接続されている。回転アクチュエータ20の利点は、そのコンパクトなサイズと高いトルク効率である。これにより、回転アクチュエータ20を、ヒンジ付きジョイント21、21A、または21Bのヒンジ軸A₂₁上に／同軸上に配置することが可能になる。図2Aの図示の実施形態では、例えば、回転アクチュエータ20は、回転アクチュエータ20の長手方向の中心軸A₂₀とヒンジ軸A₂₁が同軸上に整列するように、ヒンジ軸A₂₁上に配置されている。このような同軸配置により、回転アクチュエータ20に必要なパッケージングエンベロープ、および、そうでなければ必要とされるであろう様々な機械的アームまたは機械的結合部、例えば、翼12の下のこのタイプの大型カヌーフェアリングを削減できる。したがって、本回転アクチュエータ20を使用して構築された場合の図1の航空機10は、このような翼下フェアリングがないことによって特徴付けられてもよく、重量および抗力の有益な減少を伴う。

【0021】

オプションの代替的な軸外構成を表すために図2Bに仮想線で示されているが、回転アクチュエータ20をヒンジ軸A₂₁から短い距離を隔てて配置し、1つまたは複数の機械的結合部23を使用して回転アクチュエータ20を回転ヒンジ付きジョイント21へ接続することも可能である。また、このような構成を、図2Cおよび図2Dの代表的な実施形態ならびに図1の他の飛行操縦翼パネル18と共に使用してもよい。したがって、回転アクチュエータ20の軸上配置は、上記の利点および他の可能な利点を提供するが、本回転アクチュエータ20を本開示の範囲内で軸外で使用してもよく、例えば、上記のように、翼下フェアリング内に一般的に収容されるタイプの大きくて効率の悪いアクチュエータに代わる改良品またはアフターマーケット交換品として使用してもよい。

【0022】

図3および図4を参照すると、回転アクチュエータ20は、往復ピストン24の直線運動を内側シャフト25の回転運動に変換するために、2つの同心の／外側および内側ボールねじを組み込んでいる。内側シャフト25は、従動負荷、例えば、図2A～図2Dの回転ヒンジ付きジョイント21、21A、または21Bと内側シャフト25との噛み合い係合を容易にするために、図示されるように複数の半径方向の歯またはスプライン125を含んでもよい。

【0023】

図3の例示的な実施形態による回転アクチュエータ20は、3つの主要構成要素、即ち、ピストン24、内側シャフト25、および外側シリンダ26を含み、3つの主要構成要素は、回転アクチュエータ20の長手方向の中心軸A₂₀に対して同軸上に配置されている。したがって、長手方向の中心軸A₂₀は、ピストン24、内側シャフト25、外側シリンダ26の各々の長手方向の中心軸である。以下でさらに詳細に説明するように、矢印P₁ およびP₂によって示される通り、流体圧力が、外側シリンダ26の対向する端部に交互に受け入れられる。このような流体圧力が、対応する流体ポート41を介して外側シリンダ26に選択的に受け入れられており、1つの流体ポート41が図3の視点から見える。例示を簡単にするためだけに、いくつかのボールベアリング42が図3に示されている。しかしながら、当業者によって理解されるように、実際の実施形態では、描写されたボール経路40の全てがボールベアリング42で満たされる。

【0024】

外側シリンダ26の複数の流体ポート41は、外側シリンダ26のアクセス可能な位置に、即ち、外側シリンダ26の外周壁26Wを貫通するボアまたは穴として形成してもよい。外側シリンダ26の内径は、外側ボールねじ29－Oの雌ねじ28を画定する／含む。ピストン24の外径は、外側ボールねじ29－Oの雄ねじ32を画定するかまたは含み、ピストン24の内径は、内側ボールねじ29－Iの雌ねじ34を画定するかまたは含む。同様に、内側シャフト25の外径は、内側ボールねじ29－Iの雄ねじ36を画定するかまたは含む。外側ボールねじ29－Oのねじ方向は、内側ボールねじ29－Iのねじ方向と反対であり、これにより、所望の動きおよび反対の並進が保証される。

【0025】

図示のように、例えば、外側ボールねじ29－Oの雌ねじ28および雄ねじ32は左ねじであり、内側ボールねじ29－Iの雌ねじ34および雄ねじ36は右ねじである。しかしながら、他の実施形態では反対のことが当てはまる可能性があり、即ち、外側ボールねじ29－Oの雌ねじ28および雄ねじ32は右ねじであってもよく、一方、内側ボールねじ29－Iの雌ねじ34および雄ねじ36は左ねじであってもよい。

【0026】

ピストン24は、図4に示されるように、外側シリンダ26を複数の圧力キャビティ、例えば、圧力キャビティ30Aおよび30Bに分離するように構成されている。外側シリンダ26の複数の流体ポート41は、流体圧力供給装置15（図1を参照）を複数の圧力キャビティ30Aおよび30Bに流体的に接続するように構成されている。ピストン24の位置および構成により、反対に配置された（名目上「右の」および「左の」）流体キャビティ30Aおよび30Bの間にバリアが形成される。ピストン24の前後の差圧は、長手方向の中心軸A₂₀に沿った2つの可能な軸方向のうちの1つ、即ち、図3および図4の視点から右方向または左方向にピストン24を駆動するために使用される。

【0027】

一般に、回転アクチュエータ20の構造によって、ピストン24が長手方向の中心軸A₂₀に沿って並進すると、ピストン24が外側シリンダ26に対してかつ外側シリンダ26内で半径方向に回転することができるようになる。このような回転は、外側ボールねじ29－Oの動作によって発生する。同様に、内側ボールねじ29－Iおよびピストン24の並進によって、内側シャフト25はピストン24に対して回転する。いくつかの構成では、内側ボールねじ29－Iの共有ボール経路40の数はまた、外側ボールねじ29－Oの共有ボール経路40の数に等しい。

【0028】

図3および図4の図示された単一ピストンの代表的な実施形態では、ピストン24は内側シャフト25を包囲し、内側シャフト25の軸方向端部E1およびE2は一組のスラストベアリング35（図4）によって支持され、摺動シール37は外側シリンダ26、ピストン24、および／または内側シャフト25の間の摺動界面に配置される。同様に、静的シール39は、静的界面で使用される。

【0029】

いくつかの実施形態では、図4に概略的に示される任意選択の回転位置センサ42は、回転アクチュエータ20のエンドキャップ44に近接する内側シャフト25に接続されてもよく、エンドキャップ44はキャビティ30Aおよび30Bを閉鎖するように構成されている。回転位置センサ42は、内側シャフト25の角度位置を測定し、例えば、外部電子制御ユニット（図示せず）に報告するように構成されている。回転可変差動変圧器または回転エンコーダを含むがこれらに限定されない、様々なタイプのセンサをこのような目的のために使用してもよい。

【0030】

図3および図4に示される外側シリンダ26は、ピストン24を取り囲み／包囲しており、内側シャフト25、ピストン24、および外側シリンダ26は、上記のように長手方向の中心軸A₂₀に対して同心円状に配置されるため、同心の内側ボールねじ29－Iと外側ボールねじ29－Oとが一体となって形成される。一緒に、内側ボールねじ29－Iおよび外側ボールねじ29－Oは、1つまたは複数のヘリカル状またはらせん状の溝を含み、これらの溝は、少なくとも1つの共有ボール経路40、例えば、内側ボールねじ29－Iおよび外側ボールねじ29－Oを通過してその一体部分を形成する単一の連続したボール経路40、または図5に示すように複数の共有ボール経路40を一体として画定する。複数のボールベアリング42が、共有ボール経路40内に配置される。ボールベアリング42は、例示を簡単にするためにほぼ同じ直径であるように示されているが、ボールベアリング42は、異なる直径を有していてもよく、例えば、より大きいボール直径とより小さいボール直径とを交互に有していてもよく、また、隣接するボールベアリング42は、共有ボール経路40に沿って同じ方向へ並進しながら異なる方向に回転するようになっていてもよい。ボールベアリング42の構造材料もまた、意図された用途によって異なってもよく、例示的な鋼またはセラミックの実施形態は、広範な用途において有用である。

【0031】

図3に最もよく示されるように、ボールガイド46は、共有ボール経路40の遷移部に形成され、外側ボールねじ29－Oから内側ボールねじ29－Iへのボールベアリング42のスムーズな移動を可能にする。長手方向の中心軸A₂₀に沿ったピストン24の並進により、内側ボールねじ29－Iと外側ボールねじ29－Oとの間のそれぞれの共有ボール経路40内で、ボールベアリング42を再循環させるための原動力が供給される。ピストン24は、ピストン24が軸A₂₀に沿って並進するとき、長手方向の中心軸A₂₀の周りを回転するようにさらに構成され、それにより、長手方向の中心軸A₂₀はピストン24および内側シャフト25の回転軸となる。

【0032】

ボールベアリング42および共有ボール経路40に関して、本開示のこの特定の態様は、回転アクチュエータ20が、従来のスレッドオンスレッドアクチュエータに比べて摩擦が大幅に低下した状態で動作しながら、外側ボールねじ29－Oと内側ボールねじ29－Iとの間のそれぞれのボールベアリング42を再循環できることを保証する。内側シャフト25とピストン24とに接触するボールベアリング42は、ボールベアリング42が依然としてピストン24と転がり接触したままの状態で、外側シリンダ26内で半径方向に再循環して外側シリンダ26に接触する。これが起きるときのピストン24の回転速度または角速度は、内側シャフト25の回転速度の約半分であり、外側シリンダ26内でピストン24が半径方向に回転および並進することによる摩擦により、ボールベアリング42が一定の速度で並進する。即ち、内側ボールねじ29－I内での複数のボールベアリング42の並進速度は、外側ボールねじ29－O内での複数のボールベアリング42の並進速度に等しい。

【0033】

本構造をさらに最適化するために、回転アクチュエータ20は、ピストン24の2インチ以上の並進ごとに内側シャフト25を完全に1回転させるために、比較的高いねじピッチを使用してもよい。長いねじピッチの目的は、確実に、内側シャフト25に与える出力トルクを十分に大きく維持し、入力としての直線的な力を十分に小さく維持することである。本回転アクチュエータ20の構成の利点は、例えば、ボールベアリング42が動かなくなった場合に、必要に応じて内側シャフト25に手動トルクまたは電気トルクを加えることによって、逆駆動する能力である。従来のボールねじと比較して長いねじピッチを用いると、複数のねじ／ボールスタートをピストン24、外側シリンダ26、および内側シャフト25の周りに配向させることも可能になる。

【0034】

さらにまた、ねじ／ボールスタート数が多くなると、より大きな接触荷重を支持するためにより多くのボールベアリング42を使用することができる。非限定的で例示的な例として、18個ものねじ／ボールスタートを、内側ボールねじ29－Iと外側ボールねじ29－Oの各々に使用してもよい。各ねじ／ボールスタートは、前のねじ／ボールスタートから20度回転してもよい。しかしながら、回転アクチュエータ20の必要なサイズおよびボールベアリング42のサイズに基づいて、異なる数のねじ／ボールスタートを使用することもでき、したがって、図示の実施形態は、本教示の代表であり、非限定的である。

【0035】

図5を簡単に参照すると、例示的なインタレースボール回路50は、合計12個の異なるねじ／ボールスタートを備えた少なくとも6つの共有ボール経路40を含み、各々には、明確にするために名目上S1～S12とラベル付けされている。図示された構造は、当業者によって理解されるように、外側ボールねじ29－Oおよび内側ボールねじ29－I内に画定されたボール経路40の模造の立体／3D表現である。また、図示のボール経路40は、上記のように、実際の実施形態ではボールベアリング42で完全に満たされ、その結果、外側ボールねじ／外側ボール回路内のボールベアリング42は、ボールベアリング42を内側ボールねじ／内側ボール回路に押し付けようとする傾向がある。同様に、内側ボールねじ29－I内のボールベアリング42は、ボールベアリング42を外側ボールねじ29－Oに押し付けようとする傾向があり、内側ボールねじ29－Iと外側ボールねじ29－Oとの間のそれぞれに延在するボール経路40が内側ボールリターン経路を効果的に形成する。

【0036】

図示の実施形態では、ボールスタートS1およびS7を有するボール経路40は、ボールスタートS2およびS8を有するボール経路40と同様に相互接続され、以下このように続いていく、即ち、S3およびS9、S4およびS10、S5およびS11、およびS6およびS12と続いていく。図5に示されるような複数のボール経路40を使用することにより、冗長性が増し、回転アクチュエータ20内の摺動摩擦が低下する。即ち、図5のインタレースボール回路50内の所与の共有ボール経路40を通って並進するとき、図3および図4のボールベアリング42が、たまたま詰まったり、動かなくなったりした場合、インタレースボール回路50内の残りのボールベアリング42は、影響を受けないであろう。これは、単一の連続したボール経路40を使用する場合には当てはまらない。

【0037】

図3に示されるボールガイド46は、ボール回路50内の共有ボール経路40間の遷移部、即ち、外側ボールねじ29－Oから内側ボールねじ29－Iに移動するときなど、所与のボールベアリング42が1つの共有ボール経路40から別の共有ボール経路40に移動するベンド部または旋回部として遷移部を形成する。旋回部は、ボールベアリング42の衝突を防ぐように設計する必要がある。必要な表面形状の複雑さを考えると、インタレースボール回路50とその様々なボールガイド46とを構築する場合、選択的レーザ溶融などの積層造形／3Dプリンティング法が最適な場合がある。ボールスタートおよびボール経路40の他の組合せまたは数量は、本開示の範囲内で、例えば、9個のねじ／ボールスタートで可能であり、したがって、図5の実施形態は、本教示を例示することを目的とし非限定的である。

【0038】

図5に例示されるインタレースボール回路50内のボールベアリング42のジャム抵抗を円滑にするために、特に、図3および図4の回転アクチュエータ20または図6に示される二重ピストン回転アクチュエータ200のより高速に動作する実施形態において、当業者によって理解されるように、より多くのおよび／またはより短い共有ボール経路40を使用してもよく、曲線およびボールガイド46を徐々に曲げて構成してもよい。回転アクチュエータ20が高速動作する場合、拘束されたボールベアリング42の並進速度はより大きくなる傾向があり、したがって慣性の影響が増大する。例えば、ボールベアリング42が並進する場合、慣性により所与のボールベアリング42がインタレースボール回路50内で回転を停止すると、摩擦が増加し、摩耗するため、動作効率が低下する。

【0039】

図6を参照すると、図4の単一ピストン回転アクチュエータ20の代替として、第1のピストン124および第2のピストン224、外側シリンダ126、および内側シャフト225を含む二重ピストン回転アクチュエータ200を構築してもよい。図3のエンドキャップ44に類似するエンドキャップ144は、遠位端E1に配置されている。回転アクチュエータ200は、一対の外側流体ポート41（P_O）に挟まれた内側流体ポート41（P_I）を利用し、内側流体ポート41（P_I）は、回転アクチュエータ200の軸方向のほぼまたはちょうど中間点に配置される。流体圧力が両方の外側流体ポート41（P_O）を介して回転アクチュエータ200に印加されると、第1のピストン124および第2のピストン224のそれぞれは、矢印IIによって示されるように互いに向かって移動し、この場合、内側流体ポート41（P_I）は、外側シリンダ126から捕捉流体を排出するための出口ポートとして機能する。同様に、内側流体ポート41（P_I）への流体圧力の導入は、矢印OOによって示されるように、ピストン124および224を軸方向外向き方向に駆動し、外側流体ポート41（P_O）は出口ポートとして機能する。

【0040】

図6の例示的な二重ピストンの実施形態は、内部の複雑さが増すという犠牲を払ってではあるが、図3および図4の単一ピストンの実施形態と比較して最適な方法で回転アクチュエータ200の負荷のバランスをとるのに役立つことができる。したがって、図6の構成により、図4に示されるスラストベアリング35の必要性がなくなる。適切な流体シールおよび荷重支持を確実にするために、摺動シール37は任意の摺動または並進構成要素の接触面で保持され、静的シール39は静的界面に配置され、ジャーナルベアリング55は回転支持を提供するために使用される。

【0041】

図3～図4および図6にそれぞれ示される例示的な回転アクチュエータ20および200により、コンパクトな構造が可能になる。次に、コンパクトな構造は、図1の飛行操縦翼パネル18の作動などであるがこれらに限定されない複数の用途において望ましく、貨物ドアまたは着陸装置ドアの作動などの用途のために大型化が可能である。高摩擦アクメねじの代わりに高効率の内側ボールねじ29－Iおよび外側ボールねじ29－O、ならびに図5に例示される開示されたインタレースボール回路50および共有ボール経路40を使用することによって、回転アクチュエータ20または200を、必要に応じて、内側シャフト25（図3および図4）または225（図6）に印加されたトルクによって選択的に逆駆動できるように、長いねじピッチによる解決策が有効になる。

【0042】

ねじピッチは、図3および図6の内側シャフト25または125と外側シリンダ26または126との間でそれぞれわずかに異なり、他の可能な実施形態は同じねじピッチを有することが望ましい場合がある。本開示の範囲内の比較的長いねじピッチの例には、ピストン24、124または224の2インチ以上、例えば、いくつかの実施形態で1回転当り約3～4インチ、のストロークに対して内側シャフト25または125が1回転することが含まれる。さらにまた、開示された解決策によって可能になる大きなねじピッチを使用することにより、複数のねじスタートが可能になり、それにより、より多くのボールベアリング42（図3および図4を参照）を使用して、様々な構成要素間の接触荷重を支えることができる。

【0043】

例えば、9個のねじ／ボールスタートを、各々が以前のスタートから40度回転させた状態で、内側ボールねじ29－Iと外側ボールねじ29－Oとのそれぞれに使用してもよく、回転アクチュエータ20または200の大きさおよびボールベアリング42の大きさに基づいて他の実施形態で使用可能な任意の数のスタートを用いてもよい。理想的には、制限なしに、構造を過度に複雑にすることなく、少なくとも6～12個のねじまたはボールスタートが最適であると考えてもよい。このような構成により、ピストン24、124または224が上記のように数インチ、例えば2インチ以上並進する場合、内側シャフト25または225を約60度以上回転させることが可能になる。

【0044】

したがって、上で説明された回転アクチュエータ20および200は、1つまたは複数のピストン、即ち、図3および図4のピストン24または図6の第1のピストン124および第2のピストン224の直線運動を内側シャフト25または225の回転運動に変換するために、同心の内側ボールねじ29－Iおよび外側ボールねじ29－O、ならびに再循環ボールベアリング42の使用を想定している。本明細書に開示されている多くの利点のうち、低摩擦およびコンパクトさにより、例示的な用途例として本明細書で使用されている航空機10以外の幅広い用途に、本教示が提供される。同様に、開示された例示的な寸法、範囲、構造材料などは、特定の用途に適合するように、開示の範囲内で変更されてもよい。例えば、図1の飛行操縦翼面18と比較して質量が増加した従動負荷の作動が要求される回転装置用途を支持するために、より大きなおよび／またはより多くのボールベアリング42および適切に拡大された外側シリンダ26または126、ピストン24、124または224、および内側シャフト25または225を使用してもよい。これらおよび他の利点は、前述の開示を考慮して、当技術分野の当業者によって容易に理解されるであろう。

【0045】

本開示の態様が例示された実施形態を参照して詳細に説明されてきた。しかしながら、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、開示された構造および／または方法に特定の修正を加えてもよいことを認識するであろう。本開示はまた、本明細書に開示される正確な構造および構成に限定されない。前述の説明から明らかな変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲内にある。さらにまた、本概念は、前述の要素および形態の組合せおよび下位の組合せを明確に含む。

【符号の説明】

【0046】

10 航空機
12 翼／主翼
14 尾翼
15 流体圧力供給装置
16 胴体
18 空力飛行操縦翼面／空力飛行操縦翼パネル
18A 補助翼
18E 昇降舵
18F フラップ
18F－1 前縁フラップ
18F－2 後縁フラップ
18R 方向舵
19 ヒンジ付きパネルアセンブリ
20 回転アクチュエータ
21 回転ヒンジ付きジョイント
21A 回転ヒンジ付きジョイント
21B 回転ヒンジ付きジョイント
23 機械的結合部
24 ピストン
25 内側シャフト
26 外側シリンダ
26W 外周壁
28 外側ボールねじの雌ねじ
29－I 内側ボールねじ
29－O 外側ボールねじ
30A 圧力キャビティ
30B 圧力キャビティ
32 外側ボールねじの雄ねじ
34 内側ボールねじの雌ねじ
35 スラストベアリング
36 内側ボールねじの雄ねじ
37 摺動シール
39 静的シール
40 共有ボール経路
41 流体ポート
41（PI） 内側流体ポート
41（PO） 外側流体ポート
42 ボールベアリング／回転位置センサ
44 エンドキャップ
46 ボールガイド
50 インタレースボール回路
55 ジャーナルベアリング
124 第1のピストン
125 内側シャフト／スプライン
126 外側シリンダ
144 エンドキャップ
190 ヒンジ付きパネルアセンブリ
200 回転アクチュエータ
224 第2のピストン
225 内側シャフト
A₂₀ 長手方向の中心軸
A₂₁ ヒンジ軸
E1 軸方向端部
E2 軸方向端部
P₁ 圧力
P₂ 圧力

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】