JP2008138878A - ねじ−ナット型リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアアクチュエータ（１）を提供する。
【解決手段】リニアアクチュエータ（１）は、ケーシング（６）と、コイル（４）を備えたステータを持つモータ（２）と、ねじ−ナットシステムと、ベアリング（１１）によってモータの側方に軸線方向及び半径方向で支持されたロータ（５）とを含む。ベアリングは、ロータにしっかりと取り付けられたボール（１４）を有し、ケーシングに円筒形キャビティ（１５）が形成されているか或いは位置決めされており、このキャビティにボール（１４）が挿入される。ストップ（１７）がキャビティ内に位置決めされており、ロータの軸線方向でボール（１４）に対して本質的に一か所で支持される。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、ねじ−ナット型のリニア（線形）アクチュエータに関する。

リニアアクチュエータは非常に多岐に亘り、多くの様々な用途で使用されている。

自動車の分野では、リニアアクチュエータは、米国特許第６，６４１，２９２号、ＵＳ２００５／００４６２９１、ＵＳ２００５／０１７４７９６に記載されているように、へッドライトを水平方向平面及び垂直方向平面内で位置決めするのに使用される。これらの文献に記載のデバイスは、ねじにしっかりと取り付けられたシャフトのリニア変位を行うため、ねじ−ナットシステムを駆動するステッピングモータを含む。ステッピングモータにより、ねじのシャフトの変位及び位置決めを、少数の部品によって、及び比較的簡単な制御装置を使用することによって迅速に行うことができる。

自動車のへッドライト調節の分野では、占有容積、重量、及び価格が小さい構成要素を使用して、高性能で信頼性があり且つ動的なねじ−ナットシステムを提供することが重要である。しかしながら、自動車で使用される構成要素は、極端な環境条件でも、詳細には−４０℃乃至１２０℃の範囲の温度でも、性能を保持しなければならない。

従来のアクチュエータでは、ロータが変位されるべき部材に及ぼすトルクは、温度が低下すると減少する。これは、ロータとステータとの間に位置決めされたベアリングの摩擦力が増大するためである。これは、ベアリング内に存在する潤滑剤の粘度が上昇するために生じる。非常に低い温度で受容可能な粘度を持つ特定の潤滑剤が存在するけれども、こうした潤滑剤は高価であるか或いは、環境上の理由により受容不能である。

上述の従来のアクチュエータの別の欠点は、リニア部材の変位方向を変えたとき、幾らかの遊隙が生じるということである。こうした遊隙は、へッドライトの位置決め精度、及び構成要素の振動及び磨耗に対して不利益である。

ＵＳ２００６／０１０８８８５には、消費者の電子的用途用のモータが開示されている。このモータは、ボールベアリングを有する。しかしながら、このモータは、自動車の分野のリニアアクチュエータには適していない。これは、ベアリングの不安定性による。確かに、ボールは、モータのケーシング内に組み立てられた部品のキャビティに収容されており、モータの軸線の端部の本質的に球形の表面に当接しているが、これは分離可能な態様である。振動や衝撃が加わった場合には、ボールと軸線の端部との間のインターフェースが分離し、場合によっては、衝突したり磨耗したりし、これによって、モータの半径方向振動が生じるばかりでなく、ロータの中心がずれてしまう。更に、ボールが取り付けられたハウジングの形状は、ボールの磨耗及び位置に敏感であり、正確な製造上の及び取り付け上の許容差を必要とする。
米国特許第６，６４１，２９２号明細書 米国特許出願公開第２００５／００４６２９１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１７４７９６号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１０８８８５号明細書

以上に鑑みると、本発明の目的は、高性能で信頼性があり、コンパクトで経済的なリニアアクチュエータを提供することである。

本発明の具体的な目的は、大きな熱振幅に亘って高性能で信頼性があり且つ経済的であり、特に低い温度で高性能で作動できるリニアアクチュエータを提供することである。

製造費及び組み立て費を減少するように、部品点数が少なく組み立てが容易なデバイスを提供するのが有利である。

経済的であり且つ軽量であるが耐磨耗性に優れたリニアアクチュエータを提供するのが有利である。

本発明の目的は、請求項１に記載のアクチュエータによって達成される。

本発明では、制御されるべき部材を線形をなして変位するためのアクチュエータは、ケーシングと、モータと、ねじ−ナットシステムを含む。モータは、好ましくはステッピングモータであり、コイルを含むステータと、永久磁石を含むロータを有する。ロータは、変位されるべき部材とは反対側の、その端部の一方が、球形の又は非球形のボールの形態のベアリングによって支持されている。ボールは、ロータと一体であるか或いはロータにしっかりと取り付けられており、ケーシングの本質的に円筒形のキャビティに挿入される。ボールベアリングは、回転軸線上の本質的に一か所で、キャビティ内に位置決めされたストップの硬質の表面に対して軸線方向で支持される。好ましくは、ボールは、ボールベアリングで使用されているような従来の球形のボールの形態であり、ロータに溶接されるか或いは接着剤で結合されている。これによって、高硬度であり且つ幾何学的精度が高いベアリングを形成できる、その結果、ロータを半径方向及び軸線方向で支持でき且つ非常に正確に位置決めできる。

本発明の好ましい実施例によれば、ねじ−ナットシステムのねじはロータと一体であり、リニア変位部材には、ねじと係合するナットが設けられており、ねじは、ロータ側に設けられたベアリングとは反対側の第２ベアリングによって支持されている。ねじの端部に設けられたベアリングもまた、好ましくは、ロータと一体であるか或いはロータにしっかりと取り付けられた球形の又は非球形のボールであり、ケーシングの本質的に円筒形のキャビティに挿入される。ボールベアリングは、回転軸線上の本質的に一か所で、キャビティ内に位置決めされたストップの硬質の表面に対して軸線方向で支持される。好ましくは、第２ベアリングのボールもまた、ボールベアリングで使用されているような従来の球形のボールの形態であり、ロータに溶接されるか或いは接着剤で結合されている。これによって、高硬度であり且つ幾何学的精度が高いベアリングを形成できる、その結果、ロータ及びねじを半径方向及び軸線方向で支持でき且つ非常に正確に位置決めできる。

ねじを軸線方向で位置決めする上で遊隙をなくすため、ばね、好ましくはコイルばねが、一方の円筒形キャビティ内に、このキャビティ一端の壁と、移動自在であり且つボールに対して支持されたストップとの間に位置決めされている。

ボールの半径が小さく、ケーシングのキャビティ及びストップとの接触面が小さいため、摩擦係数を非常に低くでき、特に、モータのトルクに抵抗する、ベアリングの潤滑剤による抵抗係数を非常に低くできる。摩擦係数及び磨耗を減少するため、ボール及びストップの表面硬度を高くするのが有利である。ボール及びストップの表面硬度は、ロックウェル硬度Ｃスケールで５０以上であり、好ましくは、ロックウェル硬度Ｃスケールで６０以上であり、例えば、ロックウェル硬度Ｃスケールで約６５、又はそれ以上である。

ケーシングにキャビティとして形成された円筒形支承部は高精度で容易に製造でき、コイルばねを収容するため及び案内するために使用される。更に、この構成により、アクチュエータを形成する様々な部材（ケーシング、ステータ、及びロータ）を、容易に自動化できる方法で及び少ない作動で軸線方向（ロータの回転軸線と平行）に取り付けることができる。

リニア変位ユニットは、有利には、別体の又はヒンジ連結された二つの部分を含んでいてもよく、ねじの周囲に手早く且つ容易に組み立てることができる。一つの変形例では、リニア変位ユニットは、ロータをケーシングに組み立てた後にねじに組み立ててもよい。

リニア変位ユニットは、有利には、プラスチック材料を射出成形したものであってもよく、両部分を、ねじの周囲に組み立てるときに自動的に取り付ける弾性クリップ等の取り付け手段が設けられている。これらの二つの部分は、組み立て後にナットを形成するように、ねじのねじ山と相補的なねじ部分を備えている。

本発明のこの他の目的及び利点は、特許請求の範囲、以下の説明、及び添付図面から理解されよう。

添付図面を参照すると、アクチュエータ１、１’、１’’は、モータ２、好ましくはステッピングモータと、一つ又はそれ以上のコイル４を有するステータ３と、ロータ５と、ステータ及びロータが取り付けられたケーシング６と、ねじ山を有するナット部分８、８’、８’’を有するリニア変位ユニット７、７’、７’’とを含み、ねじ山を有するナット部分８、８’、８’’は、ロータ５と一体に構成されるとともにロータ５から延びるねじ部分９に取り付けられる。リニア変位ユニット７、７’、７’’は、自動車のへッドライトの取り外し自在の支持体等の制御されるべきユニットに連結するためのカップリング部分１０、１０’を含む。リニア変位ユニット７、７’、７’’は、一つ又は二つの非線対称の表面を有し、これらの表面は、リニア変位ユニットが回転しないようにするため、ケーシングの相補的表面と係合する。従って、ロータ５を回転させると、ねじ部分９が回転し、ねじ込み及びねじ外しの夫々によってリニア変位ユニットを軸線方向に線形移動させる。

ステッピングモータを使用するのが有利である。これは、制御されるべきユニットの部分を、コンパクトであり且つ安価な設計で容易に且つ手早く調節できるためである。それにも関わらず、他の種類の可逆モータを本発明で使用してもよい。

ロータ５の支持及び案内は、ベアリング１１、１２によって行われる。これらのベアリングは、ロータの変位ユニット７、７’、７’’とは反対側の一端１３ａ、及びねじ部分９の自由端１３ｂに位置決めされる。例示の実施例では、ロータ側のベアリング１１は、ケーシング６に形成された、一端が閉鎖した円筒形キャビティ１５に受け入れられたボール１４を含む。ベアリング１１のキャビティ１５には、ばね１６、好ましくはコイルばねが収容されており、取り外し自在のストップ１７をボール１４に押し付ける。このばねは、ねじ部分９とナット部分８との間の遊隙を補償するのに使用される。ボール１４は、有利にはボールベアリングで使用される通常のボールであってもよく、これらのボールは、安価であり、表面硬度が高く、幾何学的精度が高い。ボールは、好ましくは、ロータ５の端部１３ａに溶接されるが、接着剤結合等の他の取り付け手段によってボールをロータに取り付けてもよい。

ボールをロータと、特にねじと一体に機械加工することもできる。

ボールの直径が小さく、ベアリング１１のキャビティ１５の円筒形表面並びに取り外し自在のストップ１７と接触する表面が小さいため、摩擦による抵抗トルクを最小に減少できる。確かに、キャビティの壁と接触したボールの接線方向速度が低く、かつ摩擦力の適用点が、軸線方向ストップに関する各回転軸線について回転軸線に非常に近い。従って、低温の粘性の潤滑剤によって及ぼされる摩擦による抵抗トルクが、アクチュエータの性能に及ぼす影響は非常に小さい。それにも関わらず、モータの半径方向位置決めの精度は非常に高く、ロータの組み立てが非常に容易であり、これによって、ばね、ロータ、及びステータを、ケーシング内に、軸線方向で、即ち回転軸線Ａに沿って挿入できる。この目的のため、ケーシング６は二つの部分６ａ、６ｂを含み、実質的に同軸のインターフェース１８がコイル１４の周囲に位置決めされる。

他端の、即ちねじ側のベアリング１２もまた、好ましくは、ボール１４で形成されている。このボールは、好ましくは、ねじ９の端部１３ｂに溶接されているか或いは接着剤で結合してある。ボールは、ケーシングの一部に形成した円筒形キャビティ１９に挿入される。このキャビティ１９もまた、一端が閉鎖しており、好ましくは鋼等の硬質材料でできたストップ２０が設けられている。ストップは、ばね１６及びリニア変位ユニット７、７’、７’’によって及ぼされた線形力に対抗してボールを軸線方向で支持するのに使用される。

図１ａ及び図１ｂに示す実施例を更に詳細に参照すると、リニア変位ユニット１０は二つの部分１０ａ、１０ｂで形成されている。これらの部分は、ねじ９の両側で組み立てられ、ねじの周囲にしっかりと取り付けられる。従って、リニア変位ユニット１０のナット部分８ａ、８ｂの各々は、ねじ部分を有し、これらのねじ部分は、ひとたび組み立てられると、ねじのねじ山と相補的な連続したねじを形成する。リニア変位ユニットの両部分は、別体の部品として形成されていてもよいし、ヒンジを備えた単一の部品として形成されていてもよい。両部品には、弾性クリップである取り付け手段２１、２２及び／又は相補的穴２４に嵌着されるべきピン２３が設けられていてもよく、これらの手段は、好ましくは、注入したプラスチック材料で、ユニット１０の部分と一体成形される。かくして、リニア変位ユニットの両部分は、ロータをケーシングに組み立てた後でも、ねじの周囲に、手早く、簡単に、そして自動的に組み立てることができる。

図３を参照すると、別の態様では、リニア変位ユニット７’’は、ナット部分８’’及びアーム２４ａ、２４ｂを有するカップリング部分１０を含む。アームは、自由端２５がナット部分８’’のブラケット２６に取り付けられる。例示の例では、アーム２４ａ、２４ｂは弾性であり、アームの端部２５に設けられた溝２７に受け入れられたナット部分８’’のブラケット２６にクリップによって組み立てられる。かくして、ナット部分８’’は、ねじ９に予め取り付けてあってもよく、ケーシング６に組み立てられていてもよく、その場合、カップリング部分１０は、ケーシングをロータに組み立てた後に取り付けられる。

図１ａは、本発明の一実施例によるリニアアクチュエータの部分断面斜視図である。 図１ｂは、図１ａの実施例の断面図である。 図２は、本発明の第２実施例によるリニアアクチュエータの断面斜視図である。 図３は、本発明の第３実施例の断面斜視図である。

符号の説明

１、１’、１’’ アクチュエータ
２ モータ
３ ステータ
４ コイル
５ ロータ
６ ケーシング
７、７’、７’’ リニア変位ユニット
８、８’、８’’ ナット部分
９ ねじ部分
１０、１０’ カップリング部分
１１、１２ ベアリング
１３ａ 一端
１３ｂ 自由端
１４ ボール
１５ 円筒形キャビティ
１６ ばね
１７ ストップ

Claims (9)

1. リニアアクチュエータ（１）において、
   ケーシング（６）と、コイル（４）を含むステータを有するモータ（２）と、ねじ−ナットシステムと、ベアリング（１１）によって前記モータの側方に軸線方向及び半径方向で支持されたロータ（５）とを含み、
   前記ベアリングは、前記ロータにしっかりと取り付けられたボール（１４）を有し、前記ケーシングに円筒形キャビティ（１５）が形成されているか或いは位置決めされており、このキャビティに前記ボールが挿入され、
   ストップ（１７）は、前記キャビティ内に位置決めされるとともに、前記ロータの軸線方向で前記ボール（１４）に本質的に一か所で当接する、アクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記ボール（１４）は球形である、ことを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載のアクチュエータにおいて、
   前記ボール（１４）は、前記ロータ（５）に溶接されている、ことを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１、２、又は３に記載のアクチュエータにおいて、
   前記ねじ−ナットシステムのねじ部分（９）の端部（１３ｂ）と一体であるか或いはこの端部に取り付けられたボール（１４）を含む第２ベアリング（１２）が設けられ、
   前記ケーシングの円筒形キャビティ（１９）内に前記ボールが挿入され、ストップが、前記ロータの軸線方向で前記ボールに本質的に一か所で当接する、ことを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のアクチュエータにおいて、
   ばね（１６）が前記ベアリング（１１、１２）のうちの一方のキャビティ（１５）に収容されており、前記ばねは、前記ねじを軸線方向で位置決めする上での遊隙を抑えるため、対応するボール（１４）に対して軸線方向に力を及ぼす、ことを特徴とするアクチュエータ。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のアクチュエータにおいて、
   各ストップは、硬質材料でできた挿入体（１７、２０）の形態である、ことを特徴とするアクチュエータ。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載のアクチュエータにおいて、
   リニア変位ユニット（７、７’）は、前記ねじ−ナットシステムの前記ねじ部分（９）のいずれかの側に組み立てられる少なくとも二つの部分（１０ａ、１０ｂ、１０ａ’；１０ｂ’）を含む、ことを特徴とするアクチュエータ。
8. 請求項７に記載のアクチュエータにおいて、
   前記リニア変位ユニットの両部分は、射出成形したプラスチック材料で製造され、前記両部分に、弾性アーム又はピン等からなる取り付け手段、及び相補的穴が設けられており、前記両部分を前記ねじ部分（９）の周囲で互いに近付けたとき、クリップによって取り付けられ又は自動的に取り付けられる、ことを特徴とするアクチュエータ。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のアクチュエータにおいて、
   前記ケーシング（６）は、前記ステータ及び前記ロータの周囲で軸線方向に組み立てられる二つの部分（６ａ、６ｂ）を含むとともに、前記ケーシング（６）は、前記モータ部分の周囲に同軸のインターフェース（１８）を有する、ことを特徴とするアクチュエータ。

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