JP6373637B2 - 電動リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ機構を備えた電動リニアアクチュエータに関する。

従来、船舶や航空機においては、被駆動部品に直線運動をさせるリニアアクチュエータとして、油圧アクチュエータが使用されている。しかし、油圧アクチュエータは、ポンプや配管など、大掛かりな設備が必要である。そのため、潜水艦など、設置スペースが限られた環境において、設置スペースが大きくなるという問題がある。そこで、油圧アクチュエータよりも設置スペースが小さく、且つ、油圧アクチュエータよりも比較的音が静かな電動リニアアクチュエータを代わりに使用することが求められている。

電動リニアアクチュエータは、一般産業用の電動機や自動車などの各種駆動部に使用されている。そして、電動リニアアクチュエータにおいては、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に効率的に変換するために、ボールねじ機構が採用されている。

特許文献１には、電動モータの回転力を伝達する減速機構を介して、電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構を備えた電動アクチュエータが開示されている。減速機構には、主に歯車が利用されている。

しかしながら、特許文献１の電動アクチュエータにおいては、歯車を用いた減速機構を介しているために、機械的な振動、および、それに起因する騒音が発生する。よって、静粛性が要求される環境での使用に適しているとは言えない。

一方、特許文献２には、電動モータのロータが外周に固定されたモータ軸の一端部に、円筒状のナットが圧入固定され、このナットの回転によってねじ軸を軸方向に移動させる電動リニアアクチュエータが開示されている。この電動リニアアクチュエータは、歯車を用いた減速機構を用いていないので、機械的な振動およびそれに起因する騒音は小さい。

特開２０１１−１１７５１３号公報 特開２００８−２９８１０７号公報

しかしながら、特許文献２の電動リニアアクチュエータにおいては、モータ軸の一端部にナットを固定しているため、モータ軸とナットとをハウジングに収容しなければならず、特許文献１のものよりも、ハウジングの軸方向の長さが長くなる。一方、潜水艦など、設置スペースが限られた環境においては、電動リニアアクチュエータをできるだけ小型化することが求められている。

また、特許文献２の電動リニアアクチュエータにおいては、モータ軸の一端部に固定されて、軸受で支承されたナットで、ロッドが伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を受けているが、ナットでロッドを一点支持しているために、ロッドが座屈しやすいという問題がある。

本発明の目的は、小型化するとともに、ロッドを座屈しにくくすることが可能な電動リニアアクチュエータを提供することである。

本発明は、電動モータの回転運動をロッドの軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構を備えた電動リニアアクチュエータであって、前記電動モータは、ハウジングの中に収容され、外周面にロータが固定された筒状のモータ軸を備えており、前記ボールねじ機構は、内周面にねじ溝が形成され、軸方向の一端部から他端部にわたって外周面が前記モータ軸の内周面に固定されたナットと、前記ナットのねじ溝との間に複数のボールを介して前記ナットに内挿され、外周面にねじ溝を有する前記ロッドと、を備え、前記ハウジングの両端部にそれぞれ配置された軸受で、前記ナットの両側部分において前記ロッドが支持されており、前記軸受のうちの少なくとも一方が、ボール循環構造の軸受とされており、前記ボール循環構造の軸受が有するボールと、前記ボールねじ機構が有するボールとが、同じ大きさにされており、前記ボール循環構造の軸受側において、前記ロッドの前記ねじ溝の一部が前記ハウジングの外側に露出していることを特徴とする。

本発明によれば、ナットは、その軸方向の一端部から他端部にわたって外周面がモータ軸の内周面に固定されている。即ち、ナットが、モータ軸の中に収容されている。そして、モータ軸はハウジングの中に収容されている。ここで、モータ軸の端部にナットが固定されている場合、モータ軸とナットとをハウジングに収容するために、ハウジングの軸方向の長さを、モータ軸の軸方向の長さにナットの軸方向の長さを合わせた長さよりも長くする必要がある。しかし、ナットをモータ軸の中に収容した場合、モータ軸をハウジングに収容すればよいので、ハウジングの軸方向の長さは、モータ軸の軸方向の長さよりも長ければよい。よって、ナットをモータ軸の中に収容することで、ナットの分だけハウジングの長さを短くすることができる。これにより、電動リニアアクチュエータを小型化することができる。

また、軸方向の一端部から他端部にわたってナットの外周面をモータ軸の内周面に固定することで、ロッドが伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を、ナットを介してモータ軸でその全長にわたって受けることができる。これにより、ロッドの座屈強度が向上するので、ロッドを座屈しにくくすることができる。

電動リニアアクチュエータの側面断面図である。 電動リニアアクチュエータの側面断面図である。 図１の要部Ａの拡大断面図である。 電動リニアアクチュエータの側面断面図である。 電動リニアアクチュエータの側面断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
（電動リニアアクチュエータの構成）
本発明の第１実施形態による電動リニアアクチュエータは、電動モータの回転運動をロッドの軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構を備えた電動リニアアクチュエータであって、例えば、潜水艦に搭載されて使用されるものである。電動リニアアクチュエータ１は、側面断面図である図１、図２に示すように、電動モータ２と、ボールねじ機構３と、ハウジング５と、を有している。

ここで、図１、図２において、図中左側を一端側、図中右側を他端側として説明する。図１は、ロッド８が最も他端側に移動したときの状態を図示している。図２は、ロッド８が最も一端側に移動したときの状態を図示している。即ち、ロッド８は、図１に示す状態と、図２に示す状態との間で、その軸方向に直線運動する。

（ハウジング）
ハウジング５は、アルミ合金などの金属製であって、円筒状に形成されている。ハウジング５の内部には、電動モータ２、および、ボールねじ機構３を構成するナット７が配置されている。なお、ハウジング５は円筒形状に限定されず、角筒形状などであってもよい。

（電動モータ）
電動モータ２は、交流モータであって、金属製の環状のロータ２ａと、ロータ２ａとの間に所定の間隔をあけてロータ２ａに対向配置された、複数のコイルからなるステータ２ｂと、を備えている。電動モータ２の回転数は、インバータ（図示せず）により変化される。なお、電動モータ２は交流モータに限定されず、直流モータなどであってもよい。

また、電動モータ２は、中空円筒状のモータ軸４を備えている。このモータ軸４は、ハウジング５の中に収容されている。モータ軸４の外周面には、ロータ２ａが固定されている。ロータ２ａに対向配置されたステータ２ｂは、ハウジング５の内周面に固定されている。

モータ軸４は、ハウジング５の内周面に設けられた一対の転がり軸受６によって、ハウジング５に対して回転自在に支承されている。転がり軸受６は、玉軸受、ころ軸受、円錐ころ軸受などであってよい。電動モータ２のロータ２ａが回転すると、モータ軸４も一緒に回転することとなる。

（ボールねじ機構）
ボールねじ機構３は、モータ軸４の内周面に固定された円筒状のナット７と、ナット７に内挿された（内部に挿入された）円柱状のロッド８と、を備えている。図１の要部Ａの拡大断面図である図３に示すように、ナット７の内周面には、螺旋状のねじ溝７ａが形成されている。一方、ロッド８は、その外周面に螺旋状のねじ溝８ａを有している。そして、ロッド８は、ナット７のねじ溝７ａとの間に複数のボール９を介してナット７に内挿されている。即ち、ナット７のねじ溝７ａとロッド８のねじ溝８ａとで形成される螺旋状の転動路に、複数のボール９が転動自在に収容されている。

なお、ナット７のねじ溝７ａおよびロッド８のねじ溝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よいが、ボール９との接触角を大きくとることができ、且つ、アキシアルすきまを小さく設定可能なゴシックアーク形状が好ましい。なお、アキシアルすきまとは、ロッド８を移動させていないときに、ナット７およびロッド８を軸方向に相対的に動かしたときの動き量である。ボールねじ機構３の潤滑には、グリースが使用される。

ナット７は、ＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０等の肌焼き鋼からなり、その内周面には硬化処理が施されている。ナット７は、キー（図示せず）によってモータ軸４の内周面に回転不能に固定されている。そのため、モータ軸４が回転されると、ナット７も一緒に回転することとなる。

図３に示すように、ナット７の胴部には、周方向に１８０°離れた位置に、一対の駒窓１５がそれぞれ設けられている。この駒窓１５は、断面円形であり、ナット７の内周面から外周面にかけて貫通してねじ溝７ａの一部を切欠いている。この駒窓１５には、焼結合金からなる断面略円形の駒部材１６が嵌合されている。この駒部材１６のロッド８に対向する面には、ねじ溝７ａの隣り合う１周分同士を連結する連結溝１６ａが形成されている。

連結溝１６ａは、ナット７の隣接するねじ溝７ａ同士を滑らかに接続するように、略Ｓ字状に湾曲して形成されている。また、連結溝１６ａの深さは、ボール９が連結溝１６ａ内でロッド８のねじ溝８ａ間のねじ山８ｂを越えることができる深さとされている。この連結溝１６ａとねじ溝７ａの略１周の部分とで、ボール９の転動路の一部を構成している。

このような構成において、ナット７が回転されると、転動路内のねじ溝７ａ、８ａ間に介在する複数のボール９は、ねじ溝７ａ、８ａに沿って転動する。そして、駒部材１６の連結溝１６ａに案内されて、ねじ山８ｂを乗り越えて隣接するねじ溝７ａに戻り、再びねじ溝７ａ、８ａに沿って転動する。このように、転動路内に収容された複数のボール９が転動路を無限循環するように構成されている。

図１、図２に戻って、ナット７は、その軸方向の一端部から他端部にわたって外周面がモータ軸４の内周面に固定されている。即ち、ナット７はモータ軸４の中に納まっている。後述するように、ロッド８が直線運動した際に、ロッド８が伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を、ナット７を介してモータ軸４がその全長にわたって受けることで、ロッド８の座屈強度が向上する。

ロッド８は、モータ軸４と同軸である円柱状の軸本体１２と、軸本体１２の外側から軸本体１２に嵌め込まれて軸本体１２の外周面の一部を覆うねじ溝筒１３と、を備えている。軸本体１２の一端側の外周面には、径方向に突出する段部１２ａが設けられている。また、軸本体１２の他端側の外周面には、ロックナット１４が固定されている。そして、ねじ溝筒１３は、軸本体１２の外周部に嵌まり込むように挿入され、一端が段部１２ａに当接し、他端がロックナット１４に当接した状態で、段部１２ａとロックナット１４との間に配置されて、軸本体１２と軸方向に固定されている。また、ねじ溝筒１３は、キー等で軸本体１２と周方向に固定されている。

ねじ溝筒１３の外周面には、ねじ溝８ａおよびねじ山８ｂが形成されている。ねじ溝筒１３が軸本体１２に嵌め込まれることで、ロッド８はその外周面にねじ溝８ａおよびねじ山８ｂを有するようになる。

ロッド８は、以下のようにして組み立てられる。まず、ねじ溝筒１３が嵌め込まれておらず、且つ、ロックナット１４が固定されていない状態の軸本体１２に、ねじ溝筒１３を嵌め込んで、ねじ溝筒１３の一端を段部１２ａに当接させる。その後、ねじ溝筒１３の他端にロックナット１４を当接させながら、ロックナット１４を軸本体１２に固定する。

なお、軸本体１２の外周面にねじ溝８ａが形成されていてもよい。この場合、ねじ溝筒１３、段部１２ａ、および、ロックナット１４は不要となる。また、この場合、軸本体１２は、Ｓ５５Ｃ等の中炭素鋼あるいはＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０等の肌焼き鋼からなり、その外周面には硬化処理が施されていることが好ましい。

ロッド８は、ハウジング５の両端部にそれぞれ配置された一対の軸受１０，１１で、ナット７の両側部分において、ハウジング５に対して摺動可能に支持されている。本実施形態において、ハウジング５の一端部に配置された軸受１０は、すべり軸受１０であり、ハウジング５の他端部に配置された軸受１１は、ボール循環構造の軸受１１である。なお、ハウジング５の両端部にボール循環構造の軸受１１がそれぞれ配置された構成であってもよい。

ボール循環構造の軸受１１は、ハウジング５の内周面に設けられた転がり軸受１７によって、ハウジング５に対して回転自在に支承されている。ボール循環構造の軸受１１は、ナット７と同様の構造をしている。即ち、ボール循環構造の軸受１１は、ロッド８のねじ溝８ａとで転動路を形成するねじ溝と、転動路を無限循環する複数のボールとを有しており、ロッド８の移動に伴って回転する。ボール循環構造の軸受１１が有するボールと、ボールねじ機構３が有するボール９とは、同じ大きさにされている。そのため、ボール循環構造の軸受１１でロッド８のねじ溝８ａを支持することができる。

ロッド８の両端部には、さまざまな被駆動部品が取り付けられる。電動リニアアクチュエータ１が潜水艦に搭載される場合、被駆動部品は、例えば、魚雷発射管の扉である。これら被駆動部品は回転しない。よって、ロッド８は、ナット７が回転すると、ハウジング５に対して相対回転しない状態で、その軸方向に直線移動することとなる。

ロッド８の位置は、位置検出器（図示せず）により検出される。位置検出器は、ＬＶＤＴ（Linear Variable Differential Transformer）やＲＶＤＴ（Rotary Variable Differential Transformer）などの変位センサであってよい。なお、ロッド８の外周面にストッパを取り付けて、ストッパをナット７の側面などに当接させることで、ロッド８の移動を停止させる構成であってもよい。

また、本実施形態において、ナット７は、すべり軸受１０よりもボール循環構造の軸受１１に近い位置に配置されている。これにより、ボール循環構造の軸受１１とナット７との距離が短くされている。ナット７の位置は、ロッド８のストローク長の中心位置である。

（電動リニアアクチュエータの動作）
次に、電動リニアアクチュエータ１の動作について説明する。図１、図２に示すように、電動モータ２のロータ２ａを回転させると、モータ軸４も一緒に回転する。この回転により、ナット７が回転し、複数のボール９が転動路を無限循環する。これにより、ロッド８は、ハウジング５に対して相対回転しない状態で、軸方向に直線移動する。このようにして、電動モータ２の回転運動がロッド８の軸方向の直線運動に変換される。

（作用・効果）
以上に述べたように、本実施形態では、ナット７の外周面が軸方向の一端部から他端部にわたってモータ軸４の内周面に固定されている。即ち、ナット７が、モータ軸４の中に収容されている。そして、モータ軸４はハウジング５の中に収容されている。ここで、モータ軸４の端部にナット７が固定されている場合、モータ軸４とナット７とをハウジング５に収容するために、ハウジング５の軸方向の長さを、モータ軸４の軸方向の長さにナット７の軸方向の長さを合わせた長さよりも長くする必要がある。しかし、ナット７をモータ軸４の中に収容した場合、モータ軸４をハウジング５に収容すればよいので、ハウジング５の軸方向の長さは、モータ軸４の軸方向の長さよりも長ければよい。よって、ナット７をモータ軸４の中に収容することで、ナット７の分だけハウジング５の長さを短くすることができる。これにより、電動リニアアクチュエータ１を小型化することができる。

また、軸方向の一端部から他端部にわたってナット７の外周面をモータ軸４の内周面に固定することで、ロッド８が伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を、ナット７を介してモータ軸４でその全長にわたって受けることができる。これにより、ロッド８の座屈強度が向上するので、ロッド８を座屈しにくくすることができる。

また、ロッド８は、ハウジング５の両端部にそれぞれ配置された軸受１０，１１によって、ナット７の両側部分において支持されている。電動モータ２のトルクを高めて、電動リニアアクチュエータ１の出力を高くしようとすると、ロッド８に作用するラジアル荷重が大きくなる。また、ロッド８が伝達するスラスト力が大きくなる。そこで、ハウジング５の両端部において、軸受１０，１１でロッド８を支持することで、ロッド８に作用するラジアル荷重を一対の軸受１０，１１に配分する。これにより、ロッド８に作用するラジアル荷重によってナット７にかかる負荷を低減させることができる。また、ロッド８が伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を一対の軸受１０，１１に配分することで、ロッド８の座屈強度を向上させることができる。これらにより、ラジアル荷重による負荷を抑えながら、ロッド８が伝達するスラスト力を大きくすることができるので、電動リニアアクチュエータ１を高出力化することができる。

また、ボール循環構造の軸受１１が有するボールと、ボールねじ機構３が有するボール９とを、同じ大きさにすることで、ボール循環構造の軸受１１でロッド８のねじ溝８ａを支持することができる。これにより、ねじ溝筒１３が設けられている部分の一部をハウジング５の外側に出すことができるので、ねじ溝筒１３が設けられている部分よりも軸方向に外側の部分を軸受で支持するのに比べて、ハウジング５の長さを短くすることができる。よって、電動リニアアクチュエータ１をさらに小型化することができる。

また、すべり軸受１０よりもボール循環構造の軸受１１に近い位置にナット７を配置することで、ボール循環構造の軸受１１とナット７との距離が短くなる。ここで、ナット７の位置は、ロッド８のストローク長の中心位置であり、ねじ溝筒１３は、この位置に対して配置される。そのため、ボール循環構造の軸受１１とナット７との距離を短くすることで、ねじ溝筒１３のうち、ハウジング５の外側に出ている部分の長さを、さらに長くすることができる。これにより、ハウジング５の長さをさらに短くすることができる。

［第２実施形態］
（電動リニアアクチュエータの構成）
次に、本発明の第２実施形態に係る電動リニアアクチュエータ２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の電動リニアアクチュエータ２０１が第１実施形態の電動リニアアクチュエータ１と異なる点は、側面断面図である図４、図５に示すように、ハウジング５の両端部にそれぞれ配置された軸受が、それぞれすべり軸受１０である点である。なお、図４は、ロッド８が最も他端側に移動したときの状態を図示している。一方、図５は、ロッド８が最も一端側に移動したときの状態を図示している。即ち、ロッド８は、図４に示す状態と、図５に示す状態との間で、その軸方向に直線運動する。

本実施形態において、ナット７は、モータ軸４の軸方向の中央に配置されている。ナット７は、その軸方向の一端部から他端部にわたって外周面がモータ軸４の内周面に固定されている。ナット７の位置は、ロッド８のストローク長の中心位置であり、ねじ溝筒１３は、この位置に対して配置される。一対のすべり軸受１０は、ナット７から等距離の位置にそれぞれ配置されている。なお、軸方向の一端部から他端部にわたってナット７の外周面がモータ軸４の内周面に固定されていれば、ナット７の位置はこれに限定されない。

なお、ハウジング５とすべり軸受１０との隙間をＯリングなどのシール部材でシールすることで、ハウジング５の外部から塵埃等が侵入するのを防止してもよい。電動リニアアクチュエータ２０１が潜水艦に搭載される場合、ハウジング５とすべり軸受１０との隙間をシールすることで、電動リニアアクチュエータ２０１が水没した場合であっても、電動リニアアクチュエータ２０１を好適に動作させることができる。

（作用・効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る電動リニアアクチュエータ２０１によると、ナット７をモータ軸４の中に収容することで、ナット７の分だけハウジング５の長さを短くすることができる。これにより、電動リニアアクチュエータ２０１を小型化することができる。また、軸方向の一端部から他端部にわたってナット７の外周面をモータ軸４の内周面に固定することで、ロッド８が伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を、ナット７を介してモータ軸４でその全長にわたって受けることができる。これにより、ロッド８の座屈強度が向上するので、ロッド８を座屈しにくくすることができる。

また、ロッド８に作用するラジアル荷重を一対の軸受１０，１０に配分することで、ロッド８に作用するラジアル荷重によってボールねじ機構３にかかる負荷を低減させることができる。また、ロッド８が伝達するスラスト力により発生する座屈荷重を一対の軸受１０，１０に配分することで、ロッド８の座屈強度を向上させることができる。これらにより、ラジアル荷重による負荷を抑えながら、ロッド８が伝達するスラスト力を大きくすることができるので、電動リニアアクチュエータ２０１を高出力化することができる。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ 電動リニアアクチュエータ
２ 電動モータ
２ａ ロータ
２ｂ ステータ
３ ボールねじ機構
４ モータ軸
５ ハウジング
６ 転がり軸受
７ ナット
７ａ ねじ溝
８ ロッド
８ａ ねじ溝
８ｂ ねじ山
９ ボール
１０ すべり軸受
１１ ボール循環構造の軸受
１２ 軸本体
１２ａ 段部
１３ ねじ溝筒
１４ ロックナット
１５ 駒窓
１６ 駒部材
１６ａ 連結溝
１７ 転がり軸受

Claims (2)

1. 電動モータの回転運動をロッドの軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構を備えた電動リニアアクチュエータであって、
   前記電動モータは、ハウジングの中に収容され、外周面にロータが固定された筒状のモータ軸を備えており、
   前記ボールねじ機構は、
   内周面にねじ溝が形成され、軸方向の一端部から他端部にわたって外周面が前記モータ軸の内周面に固定されたナットと、
   前記ナットのねじ溝との間に複数のボールを介して前記ナットに内挿され、外周面にねじ溝を有する前記ロッドと、
   を備え、
   前記ハウジングの両端部にそれぞれ配置された軸受で、前記ナットの両側部分において前記ロッドが支持されており、
   前記軸受のうちの少なくとも一方が、ボール循環構造の軸受とされており、
   前記ボール循環構造の軸受が有するボールと、前記ボールねじ機構が有するボールとが、同じ大きさにされており、
   前記ボール循環構造の軸受側において、前記ロッドの前記ねじ溝の一部が前記ハウジングの外側に露出していることを特徴とする、電動リニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電動リニアアクチュエータにおいて、
   前記軸受のうちの一方は、前記ボール循環構造の軸受とされており、
   前記軸受のうちの他方は、すべり軸受とされており、
   前記すべり軸受よりも前記ボール循環構造の軸受に近い位置に、前記ナットが配置されていることを特徴とする、電動リニアアクチュエータ。

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