JP7427876B2 - actuator - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator.
従来、回転駆動力を直線方向の軸力に変換して出力するアクチュエータが知られている。 Conventionally, actuators that convert rotational driving force into linear axial force and output it are known.
例えば特許文献1には、ボールねじを利用したアクチュエータが開示されており、このアクチュエータでは、ねじ軸の回転運動がナットの直線運動に変換され、ナットと連結された出力軸から軸力(軸に沿う方向の力)が出力される。
For example,
上述した様なアクチュエータは、比較的小さな入力トルクから大きな軸力が得られるため、乗り物の振動をアクティブに制動するサスペンション技術などに応用される場合がある。 Since the actuator described above can obtain a large axial force from a relatively small input torque, it may be applied to suspension technology for actively damping vibrations of a vehicle.
しかしながら、アクチュエータにおける動力の伝達系(例えばモータ、ギア、ボールねじなど)に故障などで固着が生じると、アクチュエータの動きが失われ、サスペンション等としての機能も失われる虞がある。 However, if the power transmission system (for example, motor, gear, ball screw, etc.) in the actuator becomes stuck due to a failure, there is a risk that the actuator will lose its movement and function as a suspension or the like.
そこで、本発明は、上記の固着が生じた場合などに動力側と出力側とを切り離すフェールセーフ(フューズ)機能をアクチュエータに付与することを課題としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide an actuator with a fail-safe (fuse) function that separates the power side and the output side when the above-mentioned sticking occurs.
上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータの一態様は、螺旋ねじが設けられ、回転力が入力される回転部と、上記回転部の螺旋ねじと直接または間接に係合する螺旋ねじが設けられ、上記回転部の回転に伴って上記回転部に沿って直線移動する直動部と、上記直動部と互いに同軸かつ入れ子の配置で上記直動部に連結され、上記直動部と共に直線移動して軸力を出力する出力軸と、上記直動部と上記出力軸との双方に挿入されて上記直動部と上記出力軸とを相互に連結し、上記回転力に伴う最大の軸力を越える力が上記直動部と上記出力軸との相互間に加わった場合に連結を解く連結具と、を備える。 In order to solve the above problems, one aspect of the actuator according to the present invention includes a rotating part provided with a helical screw and into which rotational force is input, and a helical screw that engages directly or indirectly with the helical screw of the rotating part. is provided with a linear motion section that linearly moves along the rotation section as the rotation section rotates; an output shaft that moves linearly with the shaft and outputs axial force; and an output shaft that is inserted into both the linear motion part and the output shaft to interconnect the linear motion part and the output shaft; a coupling device that releases the coupling when a force exceeding the axial force of is applied between the linear motion part and the output shaft.
このようなアクチュエータによれば、上記の固着などで最大の軸力を越える力が上記直動部と上記出力軸との相互間に加わった場合には連結具が連結を解くのでフェールセーフ(フューズ)機能が実現される。 According to this type of actuator, if a force exceeding the maximum axial force is applied between the linear motion part and the output shaft due to the above-mentioned sticking, etc., the coupling device releases the connection, so there is a fail-safe function (fuse ) function is realized.
上記アクチュエータにおいて、上記連結具は、上記最大の軸力を越える力によって壊れることで上記直動部と上記出力軸との連結を解いてもよい。壊れることで連結を解く連結具は、上記最大の軸力を越える力によって壊れる材質で形成されていることが望ましく、上記最大の軸力を越える力によって上記直動部側と上記出力軸側とに破断する破断構造を有することも望ましい。 In the actuator, the coupling tool may be broken by a force exceeding the maximum axial force to disconnect the linear motion section from the output shaft. It is preferable that the coupling device, which releases the connection when it breaks, is made of a material that breaks due to a force that exceeds the maximum axial force, and that the linear motion part side and the output shaft side are separated by a force that exceeds the maximum axial force. It is also desirable to have a rupture structure that ruptures.
壊れる材質の連結具は、材質の選択や調整によって安定したフェールセーフ機能が得られる。また、破断構造を有する連結具は、所望の破断形状が容易に実現される。 For connectors made of breakable materials, a stable fail-safe function can be obtained by selecting and adjusting the material. In addition, the connector having the fracture structure can easily achieve a desired fracture shape.
上記アクチュエータにおいて、上記連結具は、上記直動部と上記出力軸との少なくとも一方である抜出対象から、上記最大の軸力を越える力によって抜けることで上記直動部と上記出力軸との連結を解いてもよい。 In the actuator, the coupling device is pulled out from the extraction target, which is at least one of the linear motion section and the output shaft, by a force exceeding the maximum axial force, thereby causing the coupling between the linear motion section and the output shaft to be removed. You can break the connection.
抜けることで連結を解く連結具は、上記抜出対象の内壁に対し、上記直線移動の方向について隙間を有することで、上記最大の軸力を越える力によって抜けることが望ましい。さらに、その連結具は、上記抜出対象に挿入された挿入箇所に、上記直線移動の前後方向それぞれを向いた平行面を有し、この平行面が上記内壁に対して隙間を有することが望ましい。 It is desirable that the connector, which is to be uncoupled by being pulled out, has a gap in the direction of the linear movement with respect to the inner wall to be pulled out, so that it can be pulled out by a force that exceeds the maximum axial force. Furthermore, it is preferable that the connecting tool has parallel surfaces facing each of the front and rear directions of the linear movement at the insertion point inserted into the extraction target, and that the parallel surfaces have a gap with the inner wall. .
隙間を有することで抜ける連結具は、隙間の調整によって容易にフェールセーフ機能が実現される。この連結具がさらに上記平行面を有する場合は、上記直動部と上記出力軸との相互間における力の伝達方向を上記平行面によって上記直線移動の方向に揃えることが出来る。 A connector that can be removed by having a gap can easily achieve a fail-safe function by adjusting the gap. When this connector further has the parallel surface, the direction of force transmission between the linear motion part and the output shaft can be aligned with the direction of linear movement by the parallel surface.
また、抜けることで連結を解く連結具は、上記抜出対象への挿入方向奥側の端部が、上記直線移動の方向と上記挿入方向との双方に対して斜めに面取りされていることで、上記最大の軸力を越える力によって抜けることも望ましい。さらに、その連結具は、上記抜出対象に挿入された挿入箇所に、上記直線移動の前後方向それぞれを向いた平行面を有し、この平行面における上記挿入方向奥側の縁が面取りされていることが望ましい。 In addition, the connector, which is uncoupled by being pulled out, has an end on the far side in the direction of insertion into the object to be pulled out, which is chamfered diagonally with respect to both the direction of linear movement and the direction of insertion. , it is also desirable that it be pulled out by a force that exceeds the maximum axial force mentioned above. Furthermore, the connecting tool has parallel surfaces facing each of the front and back directions of the linear movement at the insertion point inserted into the extraction target, and the edge of the parallel surface on the back side in the insertion direction is chamfered. It is desirable to be present.
面取りされていることで抜ける連結具は、面取りの位置や大きさの調整によって容易にフェールセーフ機能が実現される。この連結具がさらに上記平行面を有する場合は、上記直動部と上記出力軸との相互間における力の伝達方向を上記平行面によって上記直線移動の方向に揃えることが出来る。 For connectors that are chamfered so that they can be removed, a fail-safe function can be easily realized by adjusting the position and size of the chamfer. When this connector further has the parallel surface, the direction of force transmission between the linear motion part and the output shaft can be aligned with the direction of linear movement by the parallel surface.
本発明のアクチュエータによれば、上記の固着が生じた場合などに動力側と出力側とを切り離すフェールセーフ(フューズ)機能が実現される。 According to the actuator of the present invention, a fail-safe (fuse) function is realized that disconnects the power side and the output side when the above-mentioned sticking occurs.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.
図1は、本発明のアクチュエータの一実施形態を示す断面図である。図1には、アクチュエータの出力軸中心に沿う面で切断された断面の図が示されている。また、一部の要素については、理解の便宜上、断面ではなく外観が示されている。図2は、アクチュエータの一部要素を示す斜視図である。 FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of the actuator of the present invention. FIG. 1 shows a cross-sectional view taken along a plane along the center of the output shaft of the actuator. Furthermore, for convenience of understanding, some elements are shown in external view rather than in cross section. FIG. 2 is a perspective view showing some elements of the actuator.
本実施形態のアクチュエータ1は、回転運動を直線運動に変換するボールねじを利用することにより、電動モータ等の駆動源から入力された回転力を軸力(軸に沿う方向の力)に変換して出力するボールねじ式直動型アクチュエータである。
The
本実施形態のアクチュエータ1は、回転運動を直線運動に変換するボールねじ10と、図示しない電動モータ等の駆動源から回転力を受けてボールねじ10のねじ軸11に伝達する伝達ギア20と、ボールねじ10のナット13に連結され、ボールねじ10により前記回転力から変換された軸力を出力する中空状の出力軸30と、ボールねじ10及び出力軸30を内包する略筒状のハウジング部材40と、ボールねじ10のねじ軸11を回転自在に保持する玉軸受け51と、玉軸受け51をハウジング部材40に対して固定する軸受ハウジング50とを備えている。伝達ギア20はねじ軸11に、ギア固定ナット21で固定されている。
The
ボールねじ10のねじ軸11が本発明にいう回転部の一例に相当し、ボールねじ10のナット13が本発明にいう直動部の一例に相当する。なお、本発明のアクチュエータは、回転部がナットで直動部がねじ軸となった構造であってもよいし、ボールを介して間接に係合するボールねじではなく、螺旋ねじ同士が直接に係合するボルトナットが用いられてもよい。また、出力軸30が本発明にいう出力軸の一例に相当する。
The
ボールねじ10は、螺旋状のねじ溝11aを外周面に有するねじ軸11と、ねじ軸11のねじ溝11aに対向する螺旋状のねじ溝13aを内周面に有するナット13と、両ねじ溝11a,13aにより形成される螺旋状のボール転動路内に転動自在に装填された複数のボール(図示せず)と、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路(図示せず)と、を備えている。即ち、ねじ軸11とナット13は前記ボールを介して間接的に係合されている。
The
前記ボールは、前記ボール転動路内を移動しつつねじ軸11の回りを回って前記ボール転動路の終点に至り、そこで前記ボール転動路から掬い上げられて前記ボール循環路の一方の端部に入る。前記ボール循環路に入った前記ボールは前記ボール循環路内を通って前記ボール循環路の他方の端部に達し、そこから前記ボール転動路の始点に戻されるようになっている。
While moving within the ball rolling path, the ball rotates around the
なお、ねじ軸11、ナット13、及び前記ボールの素材は特に限定されるものではなく、一般的な材料を使用可能であり、例えば鋼等の金属やセラミックがあげられる。また、ねじ溝11a、13aの断面形状は、円弧状でもよいしゴシックアーク状でもよい。
Note that the materials of the
ボールねじ10は、前記ボールを介して間接的に係合されたナット13とねじ軸1とが相対的に回転運動させられると、前記ボールの転動を介してねじ軸11とナット13とが軸方向に相対的に直線移動する。そして、前記ボール転動路と前記ボール循環路により無端状のボール通路が形成されており、前記ボール転動路内を転動する前記ボールが無端状の前記ボール通路内を無限に循環するようになっているため、ねじ軸11とナット13とは継続的に直線移動することができる。ねじ軸11の回転方向によって、ナット13の直線移動方向が決定する。
In the
ボールねじ10と、ボールねじ10のナット13に連結されている出力軸30とは、ハウジング部材40の内部空間に内包されており、ボールねじ10のねじ軸11及び出力軸30がハウジング部材40と同軸に配されている。また、ナット13は、出力軸30の中空内部30aの軸方向一端部(図1では下端の開口部)に内包されており、ナット13と出力軸30は同軸かつ入れ子の配置となっている。
The
ナット13は、連結要素53により、出力軸30に連結されている。本実施形態では一例として2つの連結要素53が備えられている。ナット13が直線移動すると、その軸力が連結要素53によって出力軸30に伝達され、出力軸30がナット3とともに直線移動するので、出力軸30から軸力が出力される。連結要素53が本発明にいう連結具の一例に相当する。
The
出力軸30とハウジング部材40との間には、連結要素53を覆うように出力軸30を周回したリング状の滑り軸受55が設けられている。滑り軸受55は、出力軸30の外面に固定されていて出力軸30をハウジング部材40に対して支持している。滑り軸受55はハウジング部材40の内周面を滑って、出力軸30と共にハウジング部材40内を軸方向に移動する。
ここで、連結要素53による連結構造の詳細について説明する。
図3は、連結要素の部分を示す拡大図である。
A ring-shaped sliding bearing 55 that goes around the
Here, details of the connection structure by the
FIG. 3 is an enlarged view showing a portion of the connecting element.
出力軸30には、径方向に延びる貫通穴31が設けられている。連結要素53は出力軸30の貫通穴31に出力軸30の外側から圧入されており、連結要素53の圧入方向奥側は、ナット13に設けられた凹部13bに嵌め込まれている。言い換えると、連結要素53は、出力軸30の貫通穴31に負隙間嵌合し、ナット13の凹部13bに隙間嵌合している。
The
また、連結要素53の圧入方向奥側には、出力軸30の軸方向(即ち軸に沿う方向)の前後それぞれを向いた平行面53aが設けられており、平行面53aによってナット13の凹部13bの内壁が軸方向に押されることで軸力がナット13から出力軸30へと伝達される。平行面53aによって伝達されることで軸力の伝達方向が軸方向に正しく揃うことになる。
In addition,
連結要素53によるナット13と出力軸30との連結は、ナット13と出力軸30との間に軸方向の過大な力が加わった場合に解かれる。ここで過大な力とは、アクチュエータ1による最大出力よりも大きな力であり、伝達ギア20からボールねじ10のねじ軸11に伝達される最大の駆動力によってナット13に生じる最大の軸力を越える力である。
The connection between the
このような過大な力によって連結要素53の連結が解かれることにより、いわゆるフェールセーフ機能が実現する。即ち、伝達ギア20に対する駆動源からナット13に至る動力伝達経路のどこかで固着などが生じた場合に動力側と出力側とが切り離されて出力軸30の可動性が保証される。このため、アクチュエータ1が例えばサスペンションなどに組み込まれている場合、上記固着が生じてもサスペンションなどの機能が担保されることになる。
When the
このようなフェールセーフ機能は、例えば鉄道向けの制振装置に使用されるような縦型用アクチュエータに有効である。鉄道車両は車体と台車が分離しており、車体と台車の間には空気ばねが設けられている。低周波振動は前記空気ばねで吸収して高周波振動は縦型アクチュエータにより制振するようなシステムの場合、アクチュエータが固着すると車体の位置も固定される可能性がある。上記のようなフェールセーフ機能が有れば、このような固着時にも例えば空気ばねを最大限に下げて車体の自重を固着したアクチュエータにかけて固着を解き、車体の固定を回避することができる。
ここで、連結要素53が連結を解く方式としては、破壊による方式や脱落による方式などが考えられる。
以下、連結要素53が連結を解く各方式について説明する。
図4は、連結要素53が破壊により連結を解く方式を示す図である。
Such a fail-safe function is effective for vertical actuators such as those used in vibration damping devices for railways, for example. A railway vehicle has a car body and a bogie that are separated, and an air spring is installed between the car body and the bogie. In the case of a system in which low-frequency vibrations are absorbed by the air spring and high-frequency vibrations are damped by a vertical actuator, if the actuator is stuck, the position of the vehicle body may also be fixed. If there is a failsafe function as described above, even in the event of such a fixation, for example, the air spring can be lowered to the maximum extent and the weight of the vehicle body can be applied to the fixed actuator to release the fixation, thereby avoiding the fixation of the vehicle body.
Here, as a method for uncoupling the connecting
Each method by which the connecting
FIG. 4 is a diagram illustrating how the connecting
図4に示す方式における連結要素53は、例えばアルミなど硬度の低い材質で形成されており、上述した過大な力によって一発破壊されてナット13側と出力軸30側とに分断される。なお、連結要素53は一発破壊されることが望ましいが、過大な力によって連結要素53が破壊されるのであれば一発破壊でなくてもフェールセーフ機能は実現される。
連結要素53は破壊後にもアクチュエータ1内部に留まるためアクチュエータ1の周辺機器や環境などに影響を与えることも無い。
The connecting
Since the connecting
図4に示す方式では、所望の状況下で連結要素53の一発破壊が生じるように材質の調整が行われる。このような材質の調整とは別に、あるいは材質の調整に加えて、破断構造が設けられることによって、より望ましい破断状態が容易に実現される。
図5は、破断構造の一例を示す図である。
In the method shown in FIG. 4, the material is adjusted so that the connecting
FIG. 5 is a diagram showing an example of a fractured structure.
図5に示す連結要素53には、破断構造の一例として、ナット13側と出力軸30側との境界に溝53bが設けられている。上述した過大な力が加わった場合、この溝53bの存在により、連結要素53はナット13側と出力軸30側とに確実に破断されることになる。なお、破断構造としては図5に示す溝53bの他に例えば、ナット13側の部分と出力軸30側の部分とが接着された構造などであってもよい。このような接着構造では、上述した過大な力が加わった場合に接着箇所で連結要素53が破断される。
次に、連結要素53が脱落によって連結を解く方式について説明する。
図6は、連結要素53が脱落によって連結を解く第1の方式を示す図である。
The connecting
Next, a method of uncoupling the
FIG. 6 is a diagram showing a first method in which the connecting
図6に示す第1の方式では、連結要素53が有する上述した平行面53aとナット13の凹部13bの内壁との隙間53cが大きめに設定されている。この隙間53cは、通常使用時(図6(A))にナット13と出力軸30との連結を常に維持する程度の大きさとなっている。
In the first method shown in FIG. 6, a
上述した過大な力が加わった場合(図6(B))には、隙間53cの存在によって連結要素53がナット13と出力軸30に対して大きく傾き、さらに、連結要素53がナット13の凹部13bから抜けて脱落状態(図6(C))となる。ナット13から抜けた後も連結要素53はアクチュエータ1内部に留まるためアクチュエータ1の周辺機器や環境などに影響を与えることも無い。
When the above-mentioned excessive force is applied (FIG. 6(B)), the
図6に示す方式では、所望の状況下で連結要素53の脱落が生じるように隙間53cの大きさが調整される。このような隙間53cの大きさは、メカ的な計算や解析で求められるので設計が容易である。
図7は、連結要素53が脱落によって連結を解く第2の方式を示す図である。
In the method shown in FIG. 6, the size of the
FIG. 7 is a diagram showing a second method in which the connecting
図7に示す第2の方式では、連結要素53がナット13に挿入された挿入方向の奥側(図7の下側)における連結要素53の端部に大きめの面取53dが施されている。この面取53dは、軸力の方向と挿入方向との双方に対して傾いている。
In the second method shown in FIG. 7, a
また、面取53dに対して挿入方向の手前側(図7の上側)には、上述した平行面53aが設けられている。通常使用時(図7(A))には平行面53aによってナット13と出力軸30とが連結され、軸力が伝達される。
Further, the above-described
上述した過大な力が加わった場合(図7(B))には、面取53dの存在によって連結要素53がナット13と出力軸30に対して大きく傾き、さらに、連結要素53がナット13の凹部13bから抜けて脱落状態(図7(C))となる。ナット13から抜けた後も連結要素53はアクチュエータ1内部に留まるためアクチュエータ1の周辺機器や環境などに影響を与えることも無い。
When the above-mentioned excessive force is applied (FIG. 7(B)), the connecting
図7に示す方式では、所望の状況下で連結要素53の脱落が生じるように面取53dの大きさや傾きが調整される。このような大きさや傾きは、メカ的な計算や解析で求められるので設計が容易である。
なお、図6および図7では、連結要素53がナット13から抜ける例が示されているが、連結要素53は出力軸30から抜けてもよい。
また、上述した連結要素53が破壊によって連結を解く方式と、連結要素53が脱落によって連結を解く方式は、組み合わされて用いられてもよい。
In the method shown in FIG. 7, the size and inclination of the
Note that although FIGS. 6 and 7 show an example in which the connecting
Furthermore, the above-described method of uncoupling the connecting
1…アクチュエータ、10…ボールねじ、20…伝達ギア、30…出力軸、31…貫通穴、40…ハウジング部材、11…ねじ軸、13…ナット、13b…凹部、53…連結要素、53a…平行面、53b…溝、53c…隙間、53d…面取
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記回転部の螺旋ねじと直接または間接に係合する螺旋ねじが設けられ、前記回転部の回転に伴って前記回転部に沿って直線移動する直動部と、
前記直動部と互いに同軸かつ入れ子の配置で前記直動部に連結され、前記直動部と共に直線移動して軸力を出力する出力軸と、
前記直動部と前記出力軸との双方に挿入されて前記直動部と前記出力軸とを相互に連結し、前記回転力に伴う最大の軸力を越える力が前記直動部と前記出力軸との相互間に加わった場合に連結を解く、前記最大の軸力を越える力で破壊されない連結具と、
を備え、
前記連結具は、前記直動部と前記出力軸との少なくとも一方である抜出対象に挿入されて隙間嵌合し、前記抜出対象に挿入されて隙間嵌合した挿入箇所に、前記直線移動の前後方向それぞれを向いた平行面を有し、この平行面で前記軸力を受け、この平行面における前記抜出対象への挿入方向奥側の端部が、前記直線移動の方向と前記挿入方向との双方に対して斜めに面取りされていることで、前記最大の軸力を越える力によって前記抜出対象から抜けて前記直動部と前記出力軸との連結を解くものであることを特徴とするアクチュエータ。 a rotating part provided with a spiral screw and into which rotational force is input;
a linear motion part that is provided with a helical screw that engages directly or indirectly with the helical screw of the rotating part, and that moves linearly along the rotating part as the rotating part rotates;
an output shaft that is connected to the linear motion section in a coaxial and nested arrangement with the linear motion section, and that moves linearly together with the linear motion section to output an axial force;
It is inserted into both the linear motion part and the output shaft to interconnect the linear motion part and the output shaft, and the force exceeding the maximum axial force accompanying the rotational force is inserted between the linear motion part and the output shaft. a coupling device that is not destroyed by a force exceeding the maximum axial force that breaks the connection when applied between the coupling device and the shaft;
Equipped with
The connecting tool is inserted into the extraction target, which is at least one of the linear motion part and the output shaft, and is fitted with a clearance, and is inserted into the extraction target and moved into the insertion position where the clearance fit is achieved. The parallel surface receives the axial force on the parallel surface, and the end of the parallel surface on the back side in the insertion direction into the extraction target is aligned with the direction of the linear movement and the insertion direction. By being chamfered diagonally with respect to both directions, it is assumed that a force that exceeds the maximum axial force causes it to come out of the extraction target and break the connection between the linear motion part and the output shaft. Characteristic actuator.
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