JP2019158110A - 直動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで移動精度に優れた直動アクチュエータを得る。【解決手段】所定の距離に亘って延出する溝状のガイド部１１を備えた基体部１と、ガイド部１１の延出方向に沿ったねじ部２２を有し、ガイド部１１と摺動する凸部２１をねじ部２２の軸芯Ｘに交差する方向に突出形成したねじ軸２と、ねじ部２２に螺合しつつ回転し、ねじ軸２を基体部１に対して相対回転不能に往復移動させる駆動部３とを備え、凸部２１とガイド部１１との当接部Ｐが、往復移動の方向に沿って線状に形成されている直動アクチュエータＡ。【選択図】図１

Description

本発明は、基体部に対してねじ軸を往復動作させる直動アクチュエータに関する。

従来、このような直動アクチュエータとしては例えば以下の特許文献１に記載されたものがある。

この直動アクチュエータは、外周面に雄ねじ部を設けたねじ部と、このねじ部に螺合する雌ねじ部を内周面に備えたナットと、ねじ部とナットとの間に転動自在に介装される複数のボールと、ナットを回転させるトルク伝達部材と、を備えている。

ねじ部の一端側には、軸芯に直交する方向に突出するピン部材が設けられており、このピン部材は、ハウジングに設けた直線状の溝部に沿ってスライドする。このため、ねじ部はハウジングに対して回転せずに往復移動する。

一方、ナットの先端には、軸芯の方向に突出した係止部が形成されている。この係止部は、ナットが回転してねじ部が直線移動し、ピン部材がナットの先端に近付いたときにピン部材に当接してナットの回転を停止させる。

このような構成にすることで、係止部がピン部材に当接する際の衝突力が大きい場合でも、その衝突力はピン部材の両端部および溝部を介してハウジングに伝達され、ねじ部およびナットが受ける衝突力の影響が抑制されるとのことである。

特開２０１６−１９６９２７号公報

このような直動アクチュエータにあっては、直動動作が正確で、直動開始や停止が円滑に行われる必要がある。そのためには、例えば、ねじ部のピン部材と溝部とのあいだのガタつき等は極力解消しておく必要がある。仮に、当該ガタつきが存在する場合、ねじ部が溝部に対して所定角度だけ回転自在となり、ねじ部の停止精度が損なわれる。また、ねじ部の動作開始時あるいは停止時に、ピン部材が溝部に衝突して振動や騒音が発生する。

上記特許文献１に記載の直動アクチュエータでは、筒状であるピン部材がねじ部の径方向に沿って延出しており、ピン部材と溝部との当接部が、ピン部材の表面において、ねじ部の径方向に沿って直線状に形成される。

このため、ピン部材と溝部との当接力が過度に高まるのを防止するには、ねじ部の径方向に沿う当接部の長さを所定の長さに設定する必要がある。よって、直動アクチュエータとしての直径が大きくなり、直動アクチュエータのサイズをコンパクトにすることに適していない。

また、ねじ部の往復移動に際し、ピン部材の当接部は、溝部の表面のうち当接部の長さとねじ部の移動距離とを掛け合わせた領域と摺動する。このため溝部の側には広い当接面が形成される。ピン部材が円滑に移動するためには、特に溝部に形成される当接面が清浄である必要がある。しかし、本構成では、当接面を広くした場合、異物等が付着し易くなる。よって、ピン部材あるいは溝部が摩耗し易くなり、ガタつきの進行が早まってねじ部の移動精度が低下する可能性がある。

このような事情から、上記従来の技術にあっては、コンパクトで移動精度に優れた直動アクチュエータを得るにも改良の余地があり、そのようなコンパクトで移動精度に優れた直動アクチュエータが求められている。

（特徴構成）
本発明に係る直動アクチュエータの特徴構成は、
所定の距離に亘って延出する溝状のガイド部を備えた基体部と、
前記ガイド部の延出方向に沿ったねじ部を有し、前記ガイド部と摺動する凸部を前記ねじ部の軸芯に交差する方向に突出形成したねじ軸と、
前記ねじ部に螺合しつつ回転し、前記ねじ軸を前記基体部に対して相対回転不能に往復移動させる駆動部とを備え、
前記凸部と前記ガイド部との当接部が、前記往復移動の方向に沿って線状に形成されている点にある。

（効果）
直動アクチュエータの駆動に伴い、回転する駆動部からねじ部に駆動力が伝達される際に、凸部がガイド部に当接してねじ部の回転は阻止される。駆動部の回転が続く間、凸部はねじ部の回転を阻止するためにガイド部に押し付けられ、この状態で、凸部はガイド部に対してねじ部の軸芯の方向に沿って往復移動する。

本構成では、凸部とガイド部との当接部は、凸部の移動方向に沿って線状に形成されるから、ねじ部の軸芯から当接部までの距離が略一定の値となる。この場合、軸芯に沿った凸部の長さを適宜設定することで、凸部とガイド部との単位面積当たりの当接力を下げることができる。このように、本構成であれば、凸部の外径を所定長さに留めたコンパクトな構成であって、耐久性に優れた直動アクチュエータを得ることができる。

また、本構成のように、ねじ部が回転しようとする際に、軸芯から一定距離の位置で凸部がガイド部に当接する場合、凸部に作用する当接力のモーメント計算が容易となる。この結果、凸部やガイド部の強度設定や材料選択が容易となる。

さらに、凸部とガイド部との当接箇所が特定されることで、双方の部材の形状を設定し易くなり、双方の部材どうしの隙間寸法がより厳密に設定できるなど、精度が良く凸部の移動に際してガタつきの少ない直動アクチュエータを得ることができる。

（特徴構成）
本発明に係る直動アクチュエータにあっては、前記軸芯に沿う方向視において、前記当接部を含み、前記凸部と前記ガイド部との隙間寸法Ｄ１が０．１ｍｍ以下である領域が、前記凸部あるいは前記ガイド部の表面に沿って２０×Ｄ１以上の長さに形成されていると好都合である。

（効果）
本構成のように、凸部の表面およびガイド部の表面を構成することで、両者の当接部に生じる応力の高まりを抑えることができる。凸部あるいはガイド部は、金属材料または樹脂材料などで形成されるが、互いの当接に際しては幾分の変形が生じる。その場合に、当接部に隣接する領域の間隔を規定しておくことで、当該隣接する領域にあっても凸部とガイド部とが互いに当接する機会が生じ、局所的な面圧の高まりを抑えることができる。この結果、凸部やガイド部の摩耗が抑制され、凸部とガイド部とは円滑な摺動状態を維持することができる。

（特徴構成）
本発明に係る直動アクチュエータにあっては、前記軸芯に沿う方向視において、前記軸芯と前記当接部とを結ぶ仮想線のうち、前記当接部よりも前記軸芯の側の部分と、前記当接部における前記凸部および前記ガイド部の接線のうち、前記当接部よりも前記軸芯の側の部分とのなす角度が４０度以内に形成されていると好都合である。

（効果）
本構成のように、接線と仮想線とが交差する角度を一定の値以下とすることで、ねじ部が駆動部から回転力を受け、凸部がガイド部に当接する際に、凸部がガイド部に作用させる押圧力がガイド部の表面に沿って分散するのを抑制することができる。

仮に、接線と仮想線とが交差する角度が大きく、分散する力の成分が大きい場合、凸部がガイド部に当接する際に両者に滑りが生じ易くなる。そのため、凸部とガイド部の何れかが摩耗し易くなり、両者の隙間が広がって、ねじ部の回転方向を反転させるたびに異音や振動が生じることとなる。また、隙間が広がる結果、凸部がガイド部に当接する際の速度が高まり、両部材どうしが当接する際の衝撃力が高まって摩耗の進行がさらに早まることとなる。

しかし、本構成であれば、ガイド部に対して凸部が垂直に近い角度で当接するから両者が滑り難くなり、摩耗が生じ難く耐久性の高い直動アクチュエータを得ることができる。

（特徴構成）
本発明に係る直動アクチュエータにあっては、前記軸芯に沿う方向視において、前記接線と前記仮想線とが重なるように構成することができる。

（効果）
本構成であれば、凸部はガイド部に対してガイド部の当接位置における法線方向から当接することとなり、両者の滑りが殆ど生じない。よって、凸部やガイド部の耐久性が極めて高いものとなる。

また、ガイド部が形成された基体部の形状が筒状である場合、凸部がガイド部に外力を及ぼす方向は、軸芯に沿う方向視において基体部の周方向に沿った方向となる。このように、外力の方向が基体部の径方向すなわち肉厚方向には向かないため、ガイド部そのものが変形する可能性が低くなる。つまり、基体部の部材厚を薄く構成した場合にも凸部の当接によって基体部が変形し難くなり、直動アクチュエータを軽量・コンパクトに構成することが可能となる。

（特徴構成）
本発明に係る直動アクチュエータにあっては、前記軸芯に沿う方向視において、前記凸部の表面および前記ガイド部の表面の何れか一方を、前記当接部を挟んで両側に隣接する領域が前記仮想線と重なる直線状に構成することができる。

（効果）
本構成は、凸部あるいはガイド部の何れか一方の当接部を平面に形成する趣旨である。このように一方を平面に形成しておくことで、仮に他方の曲面に製作誤差が存在し、両面の当接位置が所定の位置と異なる場合でも両面の接線方向が仮想線と一致する。よって、両面の当接方向が安定し、滑り等が生じ難い当接部を形成することができる。

第１実施形態の直動アクチュエータの構成を示す一部断面斜視図 第１実施形態の凸部およびガイド部を示す説明図 第１実施形態の凸部およびガイド部の詳細を示す説明図 第２実施形態の凸部およびガイド部を示す説明図

〔第１実施形態〕
（全体概要）
本発明の直動アクチュエータＡは、モータ駆動等によって装置の一部を直線方向に往復移動させ、例えば車両に搭載される各種の操作部に外力を伝達するものである。

図１に示すように、当該直動アクチュエータＡは、基体部１と、この基体部１に対して出退移動するねじ軸２とを備えている。基体部１には、例えば所定の距離に亘って延出する直線状かつ溝状のガイド部１１が備えられ、ねじ軸２の一部に設けられた凸部２１がこのガイド部１１に沿って移動し、ねじ軸２の移動方向が決定される。

ねじ軸２は、ガイド部１１の延出方向に沿った軸芯Ｘを有するねじ部２２を備えている。このねじ部２２の先端に、軸芯Ｘに交差する方向に突出した一対の凸部２１がねじ部２２と一体回転する状態に形成されている。ただし、この凸部２１は、径方向に沿って一方向のみに突出するものでもよい。凸部２１の突出方向は、図１では、軸芯Ｘに対して垂直な方向であるが、必ずしも垂直方向である必要はない。凸部２１の外径がねじ部２２に対して大きく、ガイド部１１に当接できるものであれば何れの方向に突出するものであっても良い。

ねじ部２２は、軸芯Ｘの方向に沿って所定の長さに形成された雄ねじである。このねじ部２２は、例えば筒状の駆動部３に挿入されており、駆動部３の内面に形成した雌ねじに螺合している。駆動部３は、例えば一方の端部に図外の環状ギヤ部などを備えており、別途設けた駆動モータによって正逆両方向に回転駆動される。駆動部３の他方の端部と基体部１とに亘っては軸受部４が設けられており、基体部１との間にボールベアリング４１が配置されている。これにより駆動部３は基体部１に対して円滑に回転する。

駆動部３の回転中、凸部２１がガイド部１１に押し付けられ、ねじ軸２の回転が阻止される。これにより、ねじ軸２はガイド部１１に対してスラスト移動し、ねじ軸２の端部に設けられた出力部２３などによって他の操作部材を押し引き駆動する。

（凸部とガイド部の形状）
図２には、凸部２１およびガイド部１１を示す断面図を示し、図３には、凸部２１およびガイド部１１の当接部Ｐの拡大図を示す。ここでの凸部２１の形状は軸芯Ｘに沿う方向視において紡錘形状である。また、軸芯Ｘに垂直な方向視においては、図１に示すように長方形の形状である。

ガイド部１１は、凸部２１を包持する一対の溝部である。ガイド部１１の内部には、ねじ軸２が往復移動可能な例えば円筒形状の移動室１２が設けられている。一対のガイド部１１は、軸芯Ｘに沿う方向視において移動室１２に対して点対称の位置に連接されている。

図２および図３に示すように、凸部２１の先端は紡錘状に形成されており、軸芯Ｘに沿う方向視にあっては、凸部２１はガイド部１１に対して点接触する。このように接触する当接部Ｐが、凸部２１においては、軸芯Ｘの方向に沿った凸部２１の全幅に亘って設けられている。一方、ガイド部１１においては、図１に点線で示したように、軸芯Ｘ方向に沿って所定の距離だけ設けられている。このように、凸部２１とガイド部１１との当接部Ｐは、ねじ軸２の往復移動方向に沿って線状に形成される。

本構成であれば、夫々の凸部２１とガイド部１１との当接位置が軸芯Ｘから等距離の位置に設定される。この場合、軸芯Ｘに沿った凸部２１の長さを適宜設定することで、凸部２１とガイド部１１との当接部Ｐの長さを調節して、凸部２１およびガイド部１１における単位面積当たりの当接力を下げることができる。この結果、凸部２１の外径を所定長さに留めたコンパクトな構成であって、耐久性に優れた直動アクチュエータＡを得ることができる。

また、軸芯Ｘから一定距離の位置に当接部Ｐが設定されると、凸部２１がガイド部１１に及ぼす当接力のモーメント計算が容易となる。この結果、凸部２１やガイド部１１の強度設定や材料選択が最適なものとなり、各構成部材のコンパクト化などを図ることができる。

さらに、軸芯Ｘに対する凸部２１とガイド部１１との当接部Ｐの位置が特定されることで、双方の部材の形状を設定し易くなり、双方の部材どうしの隙間寸法がより厳密に設定できる。そのため、精度が良く凸部２１の移動に際してガタつきの少ない直動アクチュエータＡを得ることができる。

（凸部とガイド部との当接部の具体例）
凸部２１とガイド部１１との当接部Ｐ１（Ｐ）は、駆動部３の回転方向が反転する際に変更される。図２および図３に示した当接部Ｐ１は、ねじ軸２が紙面において反時計方向に回転するときのものである。この状態では、凸部２１の反対側の当接部Ｐ２はガイド部１１と僅かに離間している。よって、ねじ軸２の回転方向が反転する度に凸部２１とガイド部１１とは所定の速度で衝突する。これが繰り返されることで、凸部２１あるいはガイド部１１の当接部Ｐが変形し、あるいは摩耗する。

軸芯Ｘに沿う方向視において、仮に凸部２１あるいはガイド部１１の当接部Ｐにおける曲率が小さく尖った形状である場合、毎回の衝突によって当該当接部Ｐの摩耗が進行し易くなる。凸部２１あるいはガイド部１１の当接部Ｐの曲率が小さい場合、毎回の衝突によって当該尖った当接部Ｐが集中的に摩耗し、当接部Ｐの高さが減少する結果、凸部２１とガイド部１１との間隔が早期に拡大してしまう。この結果、凸部２１とガイド部１１とのガタつきが過大となる。

このような不都合を防止するために、例えば、凸部２１およびガイド部１１の形状として、当接部Ｐを中心として隣接する領域の隙間の拡がり程度を規定するとよい。具体的には、図３に示すように凸部２１とガイド部１１との隙間寸法Ｄ１の規定値を例えば０．１ｍｍとしたとき、当接部Ｐを含めて隙間寸法Ｄ１が０．１ｍｍ以下である領域の寸法が、凸部２１の表面あるいはガイド部１１の表面に沿って２０×Ｄ１以上の長さとなるように構成する。

凸部２１およびガイド部１１をこのように構成することで、両者の当接部Ｐに生じる応力上昇を抑えることができる。凸部２１あるいはガイド部１１は、金属または樹脂など材料で形成されるが、当接に際しては幾分の変形が生じる。その場合に、当接部Ｐを含む領域の隙間寸法Ｄ１を適切に設定しておくことで、当接部Ｐに隣接する部位も当接する機会が生じ、局所的な面圧の高まりを抑えることができる。つまり、凸部２１あるいはガイド部１１が、摩耗の少ないうちに広い面積で当接するようになる。この結果、当接力の集中が緩和され、さらなる摩耗が抑制されて凸部２１とガイド部１１とは円滑な摺動状態を維持することができる。

尚、Ｄ１に掛け合わせる係数は、ガイド部１１や凸部２１として用いる材料に応じて、あるいは、凸部２１の形状等に応じて適宜設定することができる。

（当接部の設置姿勢）
本実施形態においては、図２に示すように軸芯Ｘに沿う方向視において、軸芯Ｘと当接部Ｐとを結ぶ仮想線Ｌ１のうち、当接部Ｐよりも軸芯Ｘの側の部分と、当接部Ｐにおける凸部２１およびガイド部１１の接線Ｌ２のうち、当接部Ｐよりも軸芯Ｘの側の部分とのなす角度θが例えば４０度以内に形成されていると好都合である。

このように接線Ｌ２と仮想線Ｌ１とが交差する角度θを一定の値以下とすることで、凸部２１がガイド部１１に当接する際に、凸部２１からガイド部１１に作用する外力の方向をガイド部１１の表面における法線に近付けることができる。よって、ガイド部１１の表面に沿って外力が分散するのを抑制することができる。

図２に示したように、仮想線Ｌ１に垂直な方向に沿って当接部Ｐに作用する力Ｆは、ガイド部１１の当接部Ｐにおいて接線Ｌ２に垂直な方向の力Ｆ１と、接線Ｌ２の方向に沿う力Ｆ２とに分散される。よって、接線Ｌ２と仮想線Ｌ１との角度θが大きくなるほど力Ｆ２の成分が大きくなる。

力Ｆ２が大きくなると、凸部２１がガイド部１１に当接する際に両者に滑り易くなる。そのため、凸部２１およびガイド部１１の少なくとも一方かが摩耗し易くなり、凸部２１とガイド部１１との隙間が広がることとなる。その結果、ねじ部２２の回転方向を反転させるたびに異音や振動が生じることとなる。

また、隙間が広がる結果、凸部２１のガイド部１１に対する衝突速度が高まり、両部材どうしの当接力が高まって摩耗の進行がさらに早まる。しかし、凸部２１がガイド部１１の法線に近い角度で当接する本構成であれば、両者が滑り難くなり、摩耗が生じ難く、耐久性の高い直動アクチュエータＡを得ることができる。

このような当接部Ｐの設置姿勢については、特に、軸芯Ｘに沿う方向視において凸部２１とガイド部１１との接線Ｌ２と仮想線Ｌ１とが重なるように構成すると好適である。

本構成であれば、凸部２１がガイド部１１に当接する際に、凸部２１からの力Ｆがガイド部１１に対して垂直に作用する。よって、両者の滑りが生じなくなり、凸部２１やガイド部１１の摩耗が抑制されて耐久性が極めて高いものとなる。

また、ガイド部１１が形成された基体部１の形状が筒状である場合、凸部２１がガイド部１１に外力を及ぼす方向は、軸芯Ｘに沿う方向視において、基体部１の周方向に沿った方向となる。このように、外力の方向が基体部１の径方向すなわち肉厚方向には向かないため、ガイド部１１そのものが変形する可能性が低くなる。つまり、基体部１の部材厚を薄く構成した場合にも、凸部２１の当接によって基体部１が変形し難くなり、直動アクチュエータＡを軽量・コンパクトに構成することが可能となる。

（凸部およびガイド部の形状の具体例）
図３の例では、軸芯Ｘに沿う方向視にあっては、凸部２１およびガイド部１１における当接部Ｐを含む領域の形状は何れも曲線状である。ただし、何れか一方を直線状に形成することもできる。

図４には、ガイド部１１の側に直線部１１ａが形成され、つまり、当接部Ｐを含んだ領域に平面が形成される例を示した。この場合、両者が曲線である場合に比べて、当接部Ｐの位置を設定し易くなる。仮に、両者が曲線であると、部品の製造誤差や取り付け誤差によってねじ軸２とガイド部１１との軸線がずれたときに、両部材の当接部Ｐの位置が変化し、特に接線Ｌ２の方向が大きく変化することがある。この結果、凸部２１およびガイド部１１の当接力の伝達態様が適切でなくなり、摩擦の発生程度などが大幅に変わる可能性がある。

しかし、一方の面を平面に構成することで、凸部２１およびガイド部１１の当接部Ｐの位置が多少変化した場合でも、凸部２１からガイド部１１に作用する力Ｆの方向は殆ど変化しない。よって、所期の性能を発揮し易い直動アクチュエータＡを得ることができる。

さらに図４の例では、軸芯Ｘに沿う方向視においてガイド部１１に形成した平面が仮想線Ｌ１と重なる直線部１１ａが形成されている。これにより、上記の如く、凸部２１とガイド部１１との滑りが生じなくなり、凸部２１やガイド部１１の摩耗が抑制されて耐久性が高まるうえ、基体部１を薄く構成するなど軽量・コンパクトな直動アクチュエータＡを得ることができる。

本発明に係る特徴構成は、基体部に形成されたガイド部に当接する部位を持ち、ガイド部に沿って回転不能に往復移動するねじ軸を備えた直動アクチュエータに広く適用することができる。

１ 基体部
１１ ガイド部
２ ねじ軸
２１ 凸部
２２ ねじ部
３ 駆動部
Ａ 直動アクチュエータ
Ｌ１ 仮想線
Ｌ２ 接線
Ｐ 当接部
Ｘ 軸芯
θ 角度

Claims (5)

1. 所定の距離に亘って延出する溝状のガイド部を備えた基体部と、
   前記ガイド部の延出方向に沿ったねじ部を有し、前記ガイド部と摺動する凸部を前記ねじ部の軸芯に交差する方向に突出形成したねじ軸と、
   前記ねじ部に螺合しつつ回転し、前記ねじ軸を前記基体部に対して相対回転不能に往復移動させる駆動部とを備え、
   前記凸部と前記ガイド部との当接部が、前記往復移動の方向に沿って線状に形成されている直動アクチュエータ。
2. 前記軸芯に沿う方向視において、
   前記当接部を含み、前記凸部と前記ガイド部との隙間寸法Ｄ１が０．１ｍｍ以下である領域が、前記凸部あるいは前記ガイド部の表面に沿って２０×Ｄ１以上の長さに形成してある請求項１に記載の直動アクチュエータ。
3. 前記軸芯に沿う方向視において、
   前記軸芯と前記当接部とを結ぶ仮想線のうち、前記当接部よりも前記軸芯の側の部分と、
   前記当接部における前記凸部および前記ガイド部の接線のうち、前記当接部よりも前記軸芯の側の部分とのなす角度が４０度以内に形成されている請求項１または２に記載の直動アクチュエータ。
4. 前記軸芯に沿う方向視において、
   前記接線と前記仮想線とが重なるように構成されている請求項３に記載の直動アクチュエータ。
5. 前記軸芯に沿う方向視において、
   前記凸部の表面および前記ガイド部の表面の何れか一方が、前記当接部を挟んで両側に隣接する領域が前記仮想線と重なる直線状に構成されている請求項４に記載の直動アクチュエータ。

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