JP2006266310A - 電動リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑え、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】
電動モータ５と同軸状に連結され、ねじ軸７と、外周にリンク２の一端部を支持する支持軸１２を有するナット８と、このナット８とねじ軸７間に収容されたボール９とからなり、支持軸１２を介してリンク２を揺動運動させるボールねじ３と、ねじ軸７を回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受１０、１１とを備えた電動リニアアクチュエータ１において、一対の支持軸受１０、１１のうち、電動モータ５側の支持軸受１０を複列アンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受１１を滑り軸受とすると共に、ねじ溝７ａが形成されているねじ軸７の外周部と滑り軸受１１の支持部２０との境界部に、外周部に対して４５°以下の面取りが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、自動車のブレーキ、エンジン、トランスミッション等の駆動部に使用される電動リニアアクチュエータ、特に電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換して用いる電動リニアアクチュエータに関するものである。

自動車等の車両の各種駆動部に使用される電動リニアアクチュエータにおいて、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に変換する機構として、台形ねじあるいはラックアンドピニオン等の歯車機構が一般的に使用されている。これらの変換機構は、滑り接触部を伴うため動力損失が大きく、電動モータの大型化や消費電力の増大を余儀なくされている。そのため、より効率的なアクチュエータとしてボールねじ機構が採用されるようになってきた。

従来、この種の電動リニアアクチュエータでは、駆動側の作用線はボールねじの軸心と同一であり、純アキシアル荷重がボールねじに負荷されるが、ボールねじに負荷される荷重が純アキシアル荷重でない場合には、ボールねじにラジアル荷重が直接負荷されないようにリニアガイド等が併用されていた。

しかしながら、一般産業機器の用途では比較的大きな空間スペースがあり、構成部品の配置や大きさに対する自由度が大きいが、自動車のエンジンルーム等ではそれが厳しく制限される。したがって、ボールねじに純アキシアル荷重のみが負荷される構造の電動リニアアクチュエータを組み込むことは困難であった。

こうした問題点を解決したものとして、図５に示すような電動リニアアクチュエータが知られている。この電動リニアアクチュエータ５０は、一対のリンク５１と、このリンク５１を介して被駆動部材を揺動駆動するボールねじ５２と、このボールねじ５２を駆動する電動モータ５３とを主たる構成としている。

ボールねじ５２は、図６に示すように、電動モータ５３により回転駆動されるねじ軸５４と、このねじ軸５４の外周面に形成された螺旋状のねじ溝５４ａと対向する螺旋状のねじ溝５５ａが内周面に形成されたナット５５と、これら両ねじ溝５４ａ、５５ａ間に収容された多数のボール５６とを備えている。また、図５に示すように、ナット５５には、リンク５１の一端部を回転自在に支承する支持軸５７が設けられている。この支持軸５７は、ナット５５の重心を通り、ねじ軸５４の軸心に対して直角に設けられている。

また、ボールねじ５２は、螺旋状のねじ溝５４ａ、５５ａとの間にボール５６の無限循環路を形成する循環部材としてのリターンチューブ５８を備えている（図６参照）。このリターンチューブ５８は、ナット５５に装着されており、支持軸５７を介してナット５５に作用する負荷荷重Ｆのラジアル方向成分Ｆｒが作用する側（図中上側）と反対側（図中下側）に配置されている。

これにより、ラジアル方向成分Ｆｒが作用する反対側（図中下側）に位置するボール数より、ラジアル方向成分Ｆｒが作用する側（図中上側）に位置するボール数が多くなる。したがって、支持軸５７を介してナット５５に作用する負荷荷重Ｆのラジアル方向成分Ｆｒによってボールねじ５２の寿命が低下するのを防止することができる。
特開２００４−８４８２７号公報

しかしながら、こうした従来の電動リニアアクチュエータ５０において、ボールねじ５２のねじ軸５４を回転自在に支承する支持軸受として一対の深溝玉軸受５９、６０が配設されているが、この場合、電動リニアアクチュエータ５０のボールねじ５２には、作用点からの反力として振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されるため、振動や騒音発生が問題となっていた。

本発明は、こうした従来の課題を解消し、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑え、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記一対の支持軸受のうち、前記電動モータ側の支持軸受をアンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受を滑り軸受とした構成を採用した。

このように、ナットの外周面に支持軸が設けられ、この支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじを備え、このボールねじのねじ軸が一対の支持軸受で支承された電動リニアアクチュエータにおいて、一対の支持軸受のうち、電動モータ側の支持軸受をアンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受を滑り軸受としたので、アキシアル荷重を負荷する側の支持軸受の角振れを小さく抑制することができ、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を抑えることができる。また、運転中に温度上昇が生じてねじ軸が膨張しても、一方の滑り軸受により許容することができると共に、この滑り軸受は高い剛性を有しているため、振動を一層吸収することができる。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記ボールねじに軽予圧が付与されていれば、ボールねじの回転トルクの上昇を抑制し、温度上昇を防止することができると共に、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を一層抑えることができる。

また、前記アンギュラ玉軸受が、請求項３に記載の発明のように、複列アンギュラ玉軸受であっても良いし、また、請求項４に記載の発明のように、４点接触玉軸受であっても良い。

また、請求項５に記載の発明のように、前記ねじ溝が形成されている外周部と前記滑り軸受の受け面となる支持部との境界部に、前記外周部に対して４５°以下の面取りが形成されていれば、両者の径差が小さくなり、ねじ溝を高周波焼入れするコイルと支持部を高周波焼入れするコイルとを兼用することができ、ねじ溝と支持部とを連続して焼入れすることができる。したがって、熱処理の工数が削減でき、低コスト化を図ることができる。

本発明に係る電動リニアアクチュエータは、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記一対の支持軸受のうち、前記電動モータ側の支持軸受をアンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受を滑り軸受としたので、軸方向荷重を負荷する側の支持軸受の角振れを小さく抑制することができ、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を抑えることができる。また、運転中に温度上昇が生じてねじ軸が膨張しても、一方の滑り軸受により許容することができると共に、この滑り軸受は高い剛性を有しているため、振動を一層吸収することができる。

ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記一対の支持軸受のうち、前記電動モータ側の支持軸受をアンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受を滑り軸受とすると共に、前記ねじ溝が形成されている外周部と前記滑り軸受の受け面となる支持部との境界部に、前記外周部に対して４５°以下の面取りが形成されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動リニアアクチュエータの第１の実施形態を示す縦断面図、図２は、本発明に係るボールねじを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は駒部材の斜視図、図３は、ボールねじにおけるねじ軸の要部拡大図である。

この電動リニアアクチュエータ１は、リンク２と、このリンク２を介して図示しない被駆動部材を揺動駆動するボールねじ３と、このボールねじ３を駆動し、ハウジング４に取付けられた電動モータ５とから構成されている。

ボールねじ３は、電動モータ５のモータ軸５ａにカップリング６を介して連結され、図２（ａ）に示すように、電動モータ５により回転駆動され、外周面に螺旋状のねじ溝７ａが形成されたねじ軸７と、このねじ軸７のねじ溝７ａと対向する螺旋状のねじ溝８ａが内周面に形成されたナット８と、これら両ねじ溝７ａ、８ａ間に収容された多数のボール９とを備えている。各ねじ溝７ａ、８ａの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここでは、各ねじ溝７ａ、８ａの断面形状は、ボール９との接触角が大きくとれ、軸方向すきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、アキシアル荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。

円筒状のナット８の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝８ａの一部を切欠く楕円状の駒窓１３が穿設され、この駒窓１３に楕円状の駒部材１４が装着されている。また、図２（ｂ）に示すように、駒部材１４の内方には、ねじ溝８ａの隣合う１周分同士を連結する連結溝１５が形成され、この連結溝１５とねじ溝８ａの略１周の部分とでボール９の転動路を構成している。そして、転動路内の内外のねじ溝７ａ、８ａ間に介在された多数のボール９は、ねじ溝７ａ、８ａに沿って転動し、駒部材１４の連結溝１５に案内されてねじ軸７のねじ山を乗り越え、隣接するねじ溝７ａに戻り、再びねじ溝７ａ、８ａに沿って転動する。

駒部材１４の連結溝１５は、ナット８の隣接するねじ溝８ａ間を滑らかに接続するようにＳ字状に湾曲して形成されている。そして、その両端の開口縁１６は、ナット８の隣接するねじ溝８ａの窓開口縁部に合致するように、ナット８のねじ溝８ａに接続されている。また、連結溝１５の深さは、ボール９が連結溝１５内でねじ軸７におけるねじ溝７ａのねじ山を越えることができる深さとされている。

この駒部材１４は、金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金からなる。この射出成形に際しては、まず、金属粉と、プラスチックおよびワックスからなるバインダとを混練機で混練し、その混練物をペレット状に造粒する。造粒したペレットは、射出成形機のホッパに供給し、金型内に加熱溶融状態で押し込むことにより成形される。前記金属粉としては、後に浸炭焼入が可能な材質が好ましく、例えば、Ｃ（炭素）が０．３ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が１〜２ｗｔ％、残りがＦｅ（鉄）からなるものとする。なお、駒部材１４の材質はこれに限らず、例えば、ＰＡ（ポリアミド）６６等の射出成形可能な熱可塑性樹脂によって形成しても良い。

図１に示すように、ねじ軸７は、一対の転がり軸受からなる支持軸受１０、１１を介してハウジング４に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承されている。一方、ナット８は、その外周面に対向して一対の支持軸１２が突設されている。この支持軸１２は、リンク２の一端部を回転自在に支承し、ねじ軸７の軸心に対して直角に突設されている。したがって、ナット８は、軸方向移動自在に、かつ回転不可に支持されている。

このような構成により、電動モータ５の回転に伴ってねじ軸７が回転し、このねじ軸７の回転によりナット８が軸方向（図中左右方向）に移動される。すなわち、このボールねじ３により、モータ軸５ａの回転運動がボールねじ３を介してナット８の軸方向運動に変換され、ナット８の支持軸１２を介して連結されたリンク２が揺動運動する。

ここで、ボールねじ３には所定の軽予圧が付与されている。すなわち、両ねじ溝７ａ、８ａ間に収容されるボール９として大径サイズを選択している。これにより、ボールねじ３に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑えることができる。なお、ボールねじ３に予圧を付与する手段としては、このように、大径サイズのボール９を収容する以外に、図示しないが、ナット８を一対のナットで構成し、このナット間にすきま調整用の間座を介装させた、所謂ダブルナット方式、あるいは、ねじ軸７におけるねじ溝７ａのリードを連続的に変化させ、ねじ軸７とナット８との間に予圧を付与する方式であっても良い。

本実施形態では、ねじ軸７を回転自在に支承する一対の支持軸受１０、１１のうち、電動モータ５側に配設される支持軸受１０に複列アンギュラ玉軸受、ねじ軸７の端部に配設される支持軸受１１に滑り軸受が使用されている。

支持軸受１０は、内周に複列の外側転走面が形成された外輪１７と、内周に複列の内側転走面が形成された内輪１８と、これら内外輪間に転動自在に収容された複列のボール１９、１９とを備えた複列アンギュラ玉軸受で構成されている。この支持軸受１０は、所定の接触角を有し、従来から使用されている深溝玉軸受に比べ負荷容量が大きく、また、角振れを小さく抑制することができるため、ボールねじ３に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、前述したボールねじ３の軽予圧と相俟って、電動リニアアクチュエータ１の振動や騒音の発生を抑えることができる。

一方、支持軸受１１はＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼からなり、ズブ焼きにより硬化処理されている。支持軸受１１が滑り軸受で構成されているため、運転中に温度上昇が生じてねじ軸７が膨張しても、この支持軸受１１により許容することができると共に、円筒で支持されるため高い剛性を有し、振動を吸収する能力に優れている。

ねじ軸７はＳ５３Ｃ等の炭素０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中炭素鋼からなり、外周のねじ溝７ａおよび支持軸受１１の受け面となる支持部２０は、所望の耐摩耗性を確保するため、高周波焼入れによって表面が硬化処理されている。ここで、ねじ溝７ａが形成されている外周部と支持部２０との境界部には、図３に拡大して示すように、所定の面取り１６が形成されている。この面取り２１は、４５°以下、好ましくは、２０〜４０°の範囲に設定されている。なお、符号７ｂは、転造により形成されたねじ溝７ａのうち不完全ねじ部を示し、転造前の素材の形状は図中二点鎖線にて示す。

本実施形態では、ねじ溝７ａが形成されている外周部と支持部２０との境界部に比較的小さな角度からなる面取り２１が形成されているためその径差が小さくなり、ねじ溝７ａを高周波焼入れするコイルと支持部２０を高周波焼入れするコイルとを兼用することができ、ねじ溝７ａと支持部２０とを連続して焼入れすることができる。したがって、熱処理の工数が削減でき、低コスト化を図ることができる。なお、ねじ溝７ａの表面硬さを５８〜６４ＨＲＣの範囲に設定することにより、支持部２０の表面硬さを少なくとも５０ＨＲＣに確保することができる。

ねじ溝７ａが形成されている外周部と支持部２０との境界部に通常の面取りが形成されていた場合、両者の径差が大きくなって支持部の表面硬さが著しく低下すると共に、エッジ部に高周波焼入れ時の渦電流が集中して過熱し、角部に割れ等が生じる恐れがある。しかし前述した本実施形態のように、所定の面取りが形成されていれば、こうした焼き割れを防止でき、また、焼逃げを設けることなく、ねじ部と連続的に高周波焼入れを行うことができる。

図４は、本発明に係る電動リニアアクチュエータの第２の実施形態を示す縦断面図である。なお、この実施形態は前述した実施形態と支持軸受の構成が異なるのみで、その他同一部品同一部位には同じ符号を付してその重複した説明を省略する。

ねじ軸７は、一対の転がり軸受からなる支持軸受２２、１１を介してハウジング４に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承されている。本実施形態では、一対の支持軸受２２、１１のうち、電動モータ５側に配設される支持軸受２２に４点接触玉軸受が使用されている。

この支持軸受２２は、外輪２３と、互いに突き合された一対の内リング部材２４ａ、２４ｂからなる内輪２４と、内外輪間に転動自在に収容されたボール１９とを備えている。

外輪２３の転走面の断面形状は、軸受の幅中心に対して軸方向に等距離オフセットした一対の曲率中心を有する円弧面で構成された、所謂ゴシックアーク形状に形成されている。一方、内輪２４の内リング部材２４ａ、２４ｂの転走面の断面形状は、所定の曲率半径を有する円弧状に形成され、互いに協働してゴシックアーク形状の転走面が構成されている。

本実施形態における支持軸受２２が四点接触玉軸受からなり、内外輪の転走面の断面形状がゴシックアークに形成されているので、所定の接触角を有し、コンパクトな単列の玉軸受でありながら両方向のアキシアル荷重を負荷することができると共に、軸受の径方向すきまに対して軸方向すきまの範囲を抑制することができる。したがって、ボールねじ３に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、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、特許請求の範囲の記載によって示され、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。

本発明に係る電動リニアアクチュエータは、電動モータのモータ軸と同軸状に連結され、モータ軸の回転運動を軸方向運動に変換するボールねじを備え、このボールねじにおけるねじ軸を、一対の支持軸受でハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承した電動リニアアクチュエータに適用できる。

本発明に係る電動リニアアクチュエータの第１の実施形態を示す縦断面図である。 （ａ）は、本発明に係るボールねじを示す縦断面図である。 （ｂ）は、同上駒部材を示す斜視図である。 本発明に係るねじ軸の要部拡大図である。 本発明に係る電動リニアアクチュエータの第２の実施形態を示す縦断面図である。 従来の電動リニアアクチュエータを示す一部を断面した正面図である。 図５のボールねじを示す縦断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
２・・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
３・・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
４・・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
５・・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
５ａ・・・・・・・・・・・・・・・・モータ軸
６・・・・・・・・・・・・・・・・・カップリング
７・・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
７ａ、８ａ・・・・・・・・・・・・・ねじ溝
７ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・不完全ねじ部
８・・・・・・・・・・・・・・・・・ナット
９、１９・・・・・・・・・・・・・・ボール
１０、１１、２２・・・・・・・・・・支持軸受
１２・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
１３・・・・・・・・・・・・・・・・駒窓
１４・・・・・・・・・・・・・・・・駒部材
１５・・・・・・・・・・・・・・・・連結溝
１６・・・・・・・・・・・・・・・・開口縁
１７、２３・・・・・・・・・・・・・外輪
１８、２４・・・・・・・・・・・・・内輪
２０・・・・・・・・・・・・・・・・支持部
２１・・・・・・・・・・・・・・・・面取り
２４ａ、２４ｂ・・・・・・・・・・・内リング部材
５０・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
５１・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
５２・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
５３・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
５４・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
５４ａ、５５ａ・・・・・・・・・・・ねじ溝
５５・・・・・・・・・・・・・・・・ナット
５６・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
５７・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
５８・・・・・・・・・・・・・・・・リターンチューブ
５９、６０・・・・・・・・・・・・・深溝玉軸受
Ｆ・・・・・・・・・・・・・・・・・負荷荷重
Ｆｒ・・・・・・・・・・・・・・・・ラジアル方向成分

Claims (5)

1. ハウジングに取り付けられた電動モータと、
   この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
   このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、
   両ねじ溝間に収容された多数のボールと、
   前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、
   前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、
   前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、
   前記一対の支持軸受のうち、前記電動モータ側の支持軸受をアンギュラ玉軸受とし、他方の支持軸受を滑り軸受としたことを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
2. 前記ボールねじに軽予圧が付与されている請求項１に記載の電動リニアアクチュエータ。
3. 前記アンギュラ玉軸受が複列アンギュラ玉軸受で構成されている請求項あまたは２に記載の電動リニアアクチュエータ。
4. 前記アンギュラ玉軸受が４点接触玉軸受で構成されている請求項１または２に記載の電動リニアアクチュエータ。
5. 前記ねじ溝が形成されている外周部と前記滑り軸受の受け面となる支持部との境界部に、前記外周部に対して４５°以下の面取りが形成されている請求項１乃至４いずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。

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