(57)【要約】【課題】大きな推力を効率良く発生でき信頼性の高めるとともに、がたを抑制した回転直動変換機構を提供すること。【解決手段】外周面に一周する公転ローラ溝２１ｂ〜２４ｂを設けた公転ローラ２２を、中心にあるラックロッド１のラックロッドねじ１ａに対して、ラックロッドねじリード角以上の軸角で噛み合わせて自転自在にホルダ部材３へねじり配置する。このホルダ部材を、モータ５でラックロッド１まわりに回転させ、ラックロッド１を直動させる。ラックロッドねじ１ａと公転ローラ溝２１ｂ〜２４ｂの噛み合い設定箇所を転がり接触化して高効率化するとともに、噛み合い箇所を面状化した上にそれ以外での干渉を抑制できるため、高信頼性を確保しながら大推力を発生可能とした。また、公転ローラ２１〜２４をラックロッドねじ１に軸角を大きくする向きにトルクをかけて組付けることにより、がたを抑制できる。【選択図】図１
2006329259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形または円柱形のラックロッドと、前記ラックロッドの周囲に前記ラックロッドと相対的に回転可能に支持されたホルダ部材と、前記ホルダ部材に回転可能に支持された公転ローラと、を備えた回転直動変換機構であって、
前記ラックロッドは、その外周面に所定のリード角をもつねじを有し、
前記ラックロッドの軸に対する前記公転ローラの軸角は、前記ラックロッドねじのリード角より大きく設定され、
前記公転ローラは、その外周面に前記ラックロッドねじのフランクと噛み合う環状面を備える
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項２】
請求項１に記載の回転直動変換機構において、
前記公転ローラは、その外周面に、前記ラックロッドのねじ山の両側面である両フランクとそれぞれ噛み合う二側面の環状面をもつ環状溝を有する
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項３】
請求項２に記載の回転直動変換機構において、
前記公転ローラは、前記環状溝が複数個形成されることを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つの請求項に記載の回転直動変換機構において、
前記公転ローラは、前記ラックロッドの周囲を公転するとともに、前記公転ローラの軸を中心にして自転することを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つの請求項に記載の回転直動変換機構において、
前記ラックロッドねじのフランクと前記公転ローラ環状面の噛み合う箇所である噛み合い箇所を通るラックロッドねじ螺線を、前記公転ローラ軸と前記ラックロッド軸の共通垂線に直交する面である共通平行面を投影面として垂直投影して描画される平面曲線において、前記噛み合い箇所は、当該噛み合い箇所の接線が前記公転ローラ軸の軸線と直交する関係で設定される
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項６】
請求項１に記載の回転直動変換機構において、
前記公転ローラを前記ラックロッドねじに噛み合わせて固定設置するとき、前記ラックロッドねじのリード角より大きく設定された前記公転ローラの軸角が増大する向きに力又はトルクを付加しつつ固定設置する
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項７】
請求項３に記載の回転直動変換機構において、
前記ラックロッドのそれぞれのフランクと前記公転ローラの環状溝のそれぞれの環状面との噛み合い箇所は、前記ラックロッド軸に平行する略一直線上に設定される
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項８】
請求項１に記載の回転直動変換機構において、
前記ホルダ部材は、前記公転ローラを挟むホルダ端板と前記ホルダ端板を連結するホルダ連結部とを有し、
前記ホルダ連結部は、前記ラックロッドに対してねじり配置された公転ローラに沿った形状に構成される
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【請求項９】
請求項１に記載の回転直動変換機構において、
前記ホルダ部材は、前記公転ローラを挟むホルダ端板と前記ホルダ端板を連結するホルダ連結部とを有し、
前記ホルダ連結部は、前記ラックロッドに対してねじり配置された公転ローラの内部に軸を通して構成され、前記公転ローラのラジアル軸受けを兼ねる
ことを特徴とする回転直動変換機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転運動と直線運動の間で運動方向を変換することにより回転トルクと推力を変換する回転直動変換機構に係り、特に、大推力で信頼性が高くがたの小さい高効率のパワーステアリング装置に好適な回転直動変換機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、自動車のパワーステアリング装置の一般的な技術について、その概要を説明する。図２１は、乗用車で現在主流となっている、ラックピニオン方式のステアリング機構である。主な構成要素は、ステアリングホイール１０１、その回転軸であるステアリングコラム１０２、その下端部に設けられたピニオン１０３、そのピニオン１０３に噛合うラックを設けたロッド（このロッド自体をラックと称することが多いが、本発明では混乱を避けるため、以下、ラックロッドと呼称し、符号番号１とする）、その両端に接続し、その他端で操舵輪１０６と繋がるタイロッド１０５である。
【０００３】
これにより、ドライバーがステアリングホイール１０１をまわすと、ステアリングコラム１０２が回転し、下端のピニオン１０３も回転する。ピニオン１０３の回転でそれに噛合うラックによりラックロッド１が軸方向に直動し、それに繋がるタイロッド１０５が動いて操舵を行う。パワーステアリング装置は、これらの構成要素のいずれかをアシストしてドライバーのステアリングホイール１０１をまわす力を低減するシステムである。
【０００４】
近年、このパワーステアリング装置は、自動車に欠かせない装備品となっている。特に最近は、自動車全体がそうであるように、このパワーステアリング装置にも、従来の油圧アシスト方式（油圧ポンプを常時回転させているので一般にパワー多消費）に代わって、電動アシスト方式が主流を占めるようになり、省エネに貢献している。
【０００５】
本発明のような回転直動変換機構は、モータを回転駆動源とし前記ラックロッド１に直動のアシスト力を付与するラックアシスト機構１０７として、電動パワーステアリング装置に適用される。しかも、この場合は、小型化の見地から回転速度の高いモータを用いるのが望ましいので、回転直動変換機構としては減速機構を兼ね備えたものが要求される。このような要求を満たす機構として、例えばボールねじ方式の回転直動変換機構が従来から提案されている(例えば、特許文献１を参照)。
【０００６】
ここで、この特許文献１に記載されたステアリング装置は、ラックロッド１にねじを切り、このねじにナットを噛み合わせ、そのナットを回転動力源であるモータで回転させることによりラックを直動させるようにしたものである。そして、この場合、モータを１回転させたとき、ラックロッドのねじのリード分だけラックロッドが移動されるので、ねじのリード角を小さくしてやれば、その分、大きな減速比が得られ、モータの回転速度が上げられ、小型化が図れることになる。
【０００７】
このとき、ラックロッドのねじとナットのねじの間に大きな荷重が働くので、ここに多数のボールを配し、このボールを循環させて転がり接触とし、摩擦を低減して高効率化が達成されるようにしている。
【特許文献１】特開平７−１６５０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１に示すような従来技術は、多数のボールをラック軸の外周回りで循環させる手段が不可欠であり、このボール循環が滑らかでないと、ボールとナット間及びボールとラック間ですべり摩擦が発生し、ボールの摩擦係数が増大して伝達効率が低下する。
【０００９】
特に、モータを小型化（小さいトルクで高速回転するモータ）するため、減速比を大きく設定しているステアリング装置では、ねじのリード角を小さくしなければならないので(現状は５度前後)、ボール摩擦係数(現状は０．０１前後)が増加したとすると、図２３に示したように、著しく効率が低下してしまう。
【００１０】
ここで、この図２３は、ボール摩擦係数をパラメータとしたリード角とボールねじ機構の効率の関係を示したもので、図示のように、ボール摩擦係数が０．０１前後から増加するにつれ、伝達効率が低下してゆくことが判る。
【００１１】
また、従来技術では、一旦すべりが発生し出すと、ボール転動面が荒れはじめ、それが一層のすべりを誘発し、破局的なボール摩擦係数の急上昇を招き、短時間で機構の破綻にまで到る恐れがある。
【００１２】
このため、このホールねじ機構では、ボールの循環状態を常に良好に保つことが至上命題であり、このため、ボール戻り経路の最適設計と共に、ボールとナットねじ、ラックロッドねじの形状寸法の高精度化が最重要項目となり、高コストとなる。また、このとき必要な精度は、ボール数の増加に伴って急激に上昇するため、コスト面からボール数の上限に事実上の限度が決められ、一方、このボール数は、ボールねじ機構が発生できる最大出力を決める。
【００１３】
よって、従来技術によるボールねじ機構は、伝達力に実用上の上限が現われ、従って、これを用いたパワーステアリング装置は、要求される直動出力(ラック推力)が大きな大型車には搭載できないという課題があった。
【００１４】
本発明の第一の目的は、高信頼性を確保しながら大推力化を図る高効率回転直動変換機構を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、部品精度が若干低くてもガタの少ない回転直動変換機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。  
円筒形または円柱形のラックロッドと、前記ラックロッドの周囲に前記ラックロッドと相対的に回転可能に支持されたホルダ部材と、前記ホルダ部材に回転可能に支持された公転ローラと、を備えた回転直動変換機構であって、
前記ラックロッドは、その外周面に所定のリード角をもつねじを有し、
前記ラックロッドの軸に対する前記公転ローラの軸角は、前記ラックロッドねじのリード角より大きく設定され、
前記公転ローラは、その外周面に前記ラックロッドねじのフランクと噛み合う環状面を備える構成とする。
【００１６】
また、前記回転直動変換機構において、前記公転ローラは、その外周面に、前記ラックロッドのねじ山の両側面である両フランクとそれぞれ噛み合う二側面の環状面をもつ環状溝を有する構成とする。また、前記回転直動変換機構において、前記公転ローラは、前記環状溝が複数個形成される構成とする。
【００１７】
また、前記回転直動変換機構において、前記公転ローラを前記ラックロッドねじに噛み合わせて固定設置（組み付ける）するとき、前記ラックロッドねじのリード角より大きく設定された前記公転ローラの軸角が増大する向きに力又はトルクを付加しつつ固定設置（組み付け）する構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大きな推力が発生でき、効率が良く信頼性の高い回転直動変換機構を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、回転駆動源をモータとする回転直動変換機構として自動車のステアリングに応用することにより、大型車への電動ステアリング装置の搭載も可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態に係る回転直動変換機構について、図１〜図２３を参照しながら以下詳細に説明する。まず、本発明を自動車のラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置に適用した第一の実施形態を図１〜図１５、図２１、図２２に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明の第一の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置のラックアシスト機構の縦断面図、図２は図１において手前の公転ローラを正規の姿勢で配した図、図３は全公転ローラの側面図、図４は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図、図５は同じサブアセンブリの横断面図である。また、図２１は、本実施形態が適用されたラックアシスト機構の電動パワーステアリング装置における配置を示す図、図２２は本機構の回転直動変換動作を説明する図である。
【００２２】
残りの図６乃至図１５は、本発明の軸角設定に関する説明図である。まず、図６はラックロッドねじ螺線の投影面（ラックロッド軸と公転ローラ軸の共通平行平面で噛み合い箇所を通る）の説明図、図７は投影面の垂直方向から見た（ラックロッド軸と公転ローラ軸の共通垂線上から見た）右側ねじフランク上のねじ螺線の矢視図である。図８、図９はその投影面へラックロッド右側ねじフランク上のねじ螺線を投影した平面曲線（サインカーブ）であり、図１０は噛み合い部の拡大図である。同様に、図１１は同じ投影面に他方のラックロッド左側ねじフランク上のねじ螺線を投影した平面曲線（サインカーブ）であり、図１２はその噛み合い部拡大図である。
【００２３】
一方、図１３は本実施形態に係る回転直動変換機構を従来技術に適用した場合における、同じ投影面へラックロッド右側ねじフランク上のねじ螺線を投影した平面曲線（サインカーブ）であり、図１４は図１３における噛み合い部の拡大図である。図１５は、本実施形態と従来技術を含めた回転直動変換機構におけるラックロッドねじ上の全噛み合い箇所の分布を示す図である。
【００２４】
最初に、本発明の第一の実施形態に係る回転直動変換機構の構成を説明する。ラックロッド１の外周面にラックロッドねじ１ａを形成する。そして、ラックロッド１の中心軸であるラックロッド軸１ｄの周囲に９０度の等角度間隔で４本の公転ローラ２１，２２，２３，２４を配する。これらの中心軸である公転ローラ軸２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ，２４ｄは、ラックロッド軸１ｄに対してねじって配される（公転ローラ軸とラックロッド軸の互いの軸芯が平行ではない）。
【００２５】
ここで、図３に良く表わされているように、これら公転ローラの各々の外周には、複数の環状溝２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂが軸方向位置が互いにずれた状態で設置される（図３の例では隣接する公転ローラがリードの概略１／４ずれている、厳密には、｛（リード）／４｝×Ｃｏｓ（公転ローラ軸とラックロッド軸の軸角）ずれる）。そして、各環状溝を構成する両側の環状面（環状溝の底面から環状山に向けて立設する面）が、ラックロッドねじ１ａの両フランク（ラックロッドねじのねじ溝からねじ山に向けて立ち上がっている側面）と噛み合うように、公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄと前記ラックロッド軸１ａは互いにねじれた姿勢で固定配置される。
【００２６】
このとき、各公転ローラは、公転ローララジアル軸受２１ｆ〜２４ｆと公転ローラスラスト軸受２１ｅ〜２４ｅによりローラ端２１ｃ〜２４ｃが支持され、それらのローラ軸受はホルダ部材３に嵌合されていて、これにより、全ての公転ローラ２１〜２４が自転できるようにしてある。ここで、この公転ローラには、径方向荷重と共にスラスト荷重がかかるため、これを支持する軸受は上記の如くラジアルとスラストの２タイプの玉軸受を用いたが、両荷重を受けることができるアンギュラー玉軸受やテーパローラ軸受の１種類でもよい。
【００２７】
また、本実施形態は、角状の溝であるために、噛み合い部において発生する径方向荷重は極めて小さくなる。このため、扱う荷重レベルが小さいと、スラスト軸受を深溝化することによって径方向荷重を受持たせることが可能となり、ラジアル軸受が省略できる場合もある。また、寸法に制約がある場合には各軸受をニードル軸受としてもよい。
【００２８】
ホルダ部材３は、図４と図５から明らかなように、公転ローラ２１、２２、２３、２４を挟んでいるホルダ端板３ｂ及びモータ側ホルダ端板３ｃと、それらをつなぐホルダ連結部３ｄにより構成されている。このときホルダ連結部３ｄは、ホルダ端板３ｂとは一体に形成され、他方のモータ側ホルダ端板３ｃとはホルダ連結ねじ７で締結される。このホルダ連結ねじ７の締結は、公転ローラの軸角が増大する方向に両ホルダ端板３ｂ、３ｃにトルクをかけながら行う（公転ローラの所定の軸角よりもやや大きく角度を付けて組み込むことによって寸法公差を調整することであり、組み込み時のがたを低減するためである）。このホルダ連結部３ｄは、特に図５に表わされているように、ラック１の周囲で、各公転ローラ２１，２２，２３，２４の間に設けられるものであるが、本実施形態では公転ローラを４本設けているので、同じく４箇所に設置してある。
【００２９】
次に、一方のモータ側ホルダ端板３ｃには、ラックロッド１を覆うようにパイプ部が延在し、そこにモータ５の構成要素であるロータ５ａが圧入又は焼き嵌めにより固定されている。そして、このホルダ部材３は、ホルダラジアル軸受３ｆとホルダスラスト軸受３ｅにより、ケーシング６の内部に回転可能に支持されている。これらの軸受は、アンギュラー玉軸受やテーパローラ軸受の１種類としてもよい。また、両ホルダ軸受は各々複列アンギュラー玉軸受でも勿論良い。
【００３０】
このように、公転ローラを組み込んだホルダ部材３は、軸受押さえ４によりケーシング６に固定配置されるが、このケーシング６は、ホルダ部材軸受が嵌合されるホルダ部材ケーシング６ａと、モータ５のステータ５ｂが圧入又は焼き嵌めされているモータケーシング６ｂに二分割されている。ここで、この軸受押さえ４は、かしめやねじ止めによりホルダ部材ケーシング６ａに固定配置される。
【００３１】
こうして公転ローラ２１〜２４が組み込まれたホルダ部材３は、ホルダ部材ケーシング６ａに装着され、この後、モータケーシング６ｂがねじ止め等により装着される。そして、これによりステータ５ｂとロータ５ａが対向してモータ５が形成されることになる。ここで、この組み立てに際しては、適宜、グリースが構成部品間に流し込まれる。ところで、回転直動変換動作を起こすためには、直動部であるラックロッド１の回転を防止して直動のみ許す直動対偶が必要である。
【００３２】
本実施形態では、図２１のピニオン１０３とラックロッド１に設けたピニオン１０３と噛み合うラックがその役目を果たす。これが無いようなシステムの場合、例えばステアバイワイヤシステムなどでは、ボールスライダーのような直動対偶を別途備える必要がある。今回のようなステアリング機構の場合、スライダー部のボールを省略してすべり対偶としても直動部の速度は小さいため効率低下は小さい。よって、コスト重視の場合は、単純な継ぎ手構造としても差し支えない。このことは、ステアリング機構以外での適用において、直動部の要求速度が小さい場合、一般的に当てはまる。つまり、減速比率を大きく設計した場合であり、具体的には、ラックロッドねじのリード角が小さい場合である。
【００３３】
上述した本発明の実施形態に係る回転直動変換機構の構成における最も重要な観点の一つとして、このラックロッド軸１ｄに対する公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄの軸角（ラックロッド軸１ｄに平行な空間直線と公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄに平行な空間直線を同一点を通るように描いたときに両者が成す角のうちで０゜〜９０゜の範囲にある角度である。また、ラックロッド軸１ｄと公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄの共通垂線（共通垂線は１本しか存在しない）方向から見たときの両線が成す角のうちで０゜〜９０゜の範囲にある角度であるともいえる。さらに、ラックロッド軸１ｄと公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄの共通平行面（共通垂線に直交する面）に両線を投影した時の両投影線の成す角のうちで０゜〜９０゜の範囲にある角度であるともいえる。このように３つの見方による軸角の定義があり、この軸角は図２で図示しているので参照。）の設定がある。
【００３４】
公転ローラの軸角が決まると、つまり、公転ローラ軸の向きが決まると、公転ローラ溝の方向が決まるため、軸角の設定が不適切であると、良好な噛み合いを実現するねじ１ａと公転ローラ溝２１ｂ〜２４ｂが見出せない場合もあり得る。このように非常に重要な設計項目である軸角を、本実施形態に係る回転直動変換機構においては、ラックロッドねじ１ａのリード角（ラックロッド軸芯に垂直な断面方向とねじ切りされたねじ溝の方向とのなす角度）ではなく、このリード角よりも大きくしたことが本発明の主要な技術的特徴である。この特徴によって、公転ローラとラックロッドねじの噛み合い箇所付近での干渉を回避できる理由を、以下、図６〜図１０と図１３、図１４を用いて説明する。ここで、説明を明確化するため、噛み合いがラックロッドねじ１ａの右側フランク（図６の説明を参照）で生じるような向きに公転ローラ２１〜２４が公転する場合を扱う。
【００３５】
ラックロッドと公転ローラは三次元的に配置されているが、両者の位置関係を考察するために便利な平面を考える。図６の斜視図で示す投影面がその平面である。この平面は、ラックロッド軸１ｄと公転ローラ軸２１ｄ〜２４ｄの共通平行面の内で噛み合い箇所を通るものである。この共通平行面の法線方向（図６に示す共通垂線方向）からラックロッドを見た矢視図が図７である。図７には、フランク（ねじの側面）上の噛み合い箇所とそこを通るラックロッドねじ右側フランク上の螺線が描いてある。図８は、フランク上の噛み合い箇所とラックロッドねじ右側フランク上の螺線を、図６に示す投影面（共通平行面）に投影した結果である。
【００３６】
ここで、螺線はサインカーブとなり、噛み合い箇所Ｋで両面が接触するようにするためには、その噛み合い箇所は少なくとも噛み合い箇所Ｋにおけるサインカーブの接線が公転ローラ軸の投影線と直交する位置に設定することが必要である。このことは、公転ローラ軸の投影線と直交する線が噛み合い箇所の接線と平行になることと同じである。公転ローラ軸の投影線と直交する線は、公転ローラ環状面を投影したものとみなされることからも理解できる。
【００３７】
ここにおいて、公転ローラ軸が仮に公転ローラ軸角をねじリード角とした場合（想到できる思考範囲、以下従来と記す）、公転ローラ軸に直交する向きの接線を持つ点（例えば、図８のａ，ｂ，…）は、ラックロッド軸１ｄの投影線との交点である。
【００３８】
したがって、本実施形態の特徴のように、図２に示す軸角がラックロッドねじのリード角のときよりも大きい、すなわち、公転ローラ軸がリード角のときよりも立った場合、噛み合い箇所として設定可能な位置は、その位置における接線がリード角のときよりも倒れたところであるから、図８に示すような位置となる。図８では、平面曲線（サインカーブ）と接線との関係が明確ではないため、それを横に引き伸ばして、接線との位置関係を見やすくしたものが図９であり、さらに図１０はその噛み合い箇所付近（図９のＭ部）の拡大図である（図１０で紙面に垂直な方向の面がねじのフランク面となる）。一方、上述の従来（想到できる思考範囲）の場合（軸角をラックロッドねじリード角とした場合）を、同様な説明図である図１３と図１４（図１３のＰ部拡大図）で示す。図９で細かいハッチングで示す部分は図７で示すラックロッドねじ山部分に相当し、図９で紙面に垂直な方向の面がねじのフランク面となる。
【００３９】
本発明を示す図１０の場合は、噛み合い設定箇所における接線は、噛み合い設定箇所からはずれるとラックロッドねじ山の縁部から離れて隙間が発生しているのに対して、図１４の場合は、噛み合い設定箇所の下側でラックロッドねじ山の縁部に食い込んでいることがわかる。すなわち、軸角をねじリード角とする場合（図１４の場合）は、噛み合い設定箇所での接触は実現できるがその周囲で干渉（公転ローラの環状面がラックロッドねじ山に食い込む）が発生してしまうのに対して、軸角をねじリード角よりも大きくした本発明の場合（図１０の場合）では、噛み合い設定箇所での接触の実現とともにその周囲での干渉を回避できることがわかる。
【００４０】
つまり、ラックロッドねじフランクと公転ローラ溝側面の環状面が接するように設定した噛み合い箇所付近において、両者の干渉を回避できる。この結果、局部的に過大な応力を発生することがないので、広い範囲で材料の限界に近い大きな応力を受けることが可能となり、高い信頼性を確保しながら大きな推力を発生できるという効果がある。
【００４１】
さらに説明すると、公転ローラの軸角をねじリード角とする例を示す図１４と公転ローラの軸角をねじリード角より大とする本実施形態を示す図１０とを対比すると、噛み合い設定箇所が、従来ではラックロッド軸１ｄの投影線とラックロッドねじ螺旋投影線（サインカーブ）との交点（図８に示すａ，ｂ，…）であり、本実施形態ではラックロッド軸１ｄから隔たった点（図８に示す黒丸）である。このようになる理由であるが、図７で図面の真上から公転ローラを設置した場合、従来例では、公転ローラの軸角がねじのリード角と等しいのであるから、公転ローラの環状溝（螺旋溝ではなく、公転ローラ軸線と直交する溝の側面部）を投影した直線とねじフランクを投影したサインカーブとの噛み合い箇所は、ラックロッド軸の投影線上となる。これに対して、本実施形態では、公転ローラの軸角をリード角より大きくして図７で真上から公転ローラを設置するのであるから、公転ローラの環状溝側面部の投影直線がラックロッドねじの投影サインカーブと接する接点（噛み合い箇所）は基準となる１ｄ（ねじ軸の投影線）からずれるのは当然であり、その接点が基準線１ｄよりも上方となるのである（公転ローラの軸角をねじリード角より大としているので）。
【００４２】
さらに、従来例では図１４に示すように環状溝が下方で食い込むのに対して、本実施形態では図１０で噛み合い箇所の両側で隙間が形成されて食い込むことが無いとして図示しているが、図８に示すサインカーブは１ｄの投影線と交わる交点で変曲点（曲線の上の凸形状と下の凹形状との変わり目）を形成しており、ここで、変曲点というのは、一般的に云って、この変曲点に引いた接線に対して曲線の一方と他方とは異なる側に存在すると云う属性を備えているので、図１４において、接線は１ｄの上のサインカーブでは隙間ができるが、下のサインカーブでは接線はサインカーブの右側に存在することとなる。これに対して、本実施形態では、変曲点から上方にずれたサインカーブの位置であるので、この位置での接線は図１０に示すようにその上と下とで隙間ができることとなるのである。
【００４３】
以上は、噛み合いがラックロッドねじ１ａの右側フランクで生じるような向きに公転ローラ２１〜２４が公転する場合であったが、図３に示すようなラックロッドねじ山の両側面である両フランクと各々噛み合う前記した環状面二面を両側面とする環状溝２１ｂ〜２４ｂを公転ローラに設けた結果、噛み合いがラックロッドねじ１ａの左側フランクで生じる逆の場合も同様に動作する。図１１、図１２は前述した図９、図１０と同様の説明図である。これから、噛み合い箇所がラックロッドねじ１ａの左側フランクで起こる場合と右側フランクで起こる場合でずれているということがわかる（図１２では噛み合い設定箇所が１ｄ投影線より下側である）。
【００４４】
以上の状況をまとめたのが、図１５である。公転ローラの環状面を組み合わせて環状溝２１ｂ〜２４ｂとした結果、ラックロッドねじ１ａの両フランクを噛み合い箇所として使用する（直動の向きで使用するフランクが異なる）ことになったため、一箇所にかかる負荷時間を低減でき、信頼性が向上するという効果がある。また、図１５から明らかなように、噛み合い箇所の分布が右側フランク時と左側フランク時で各々直線にのっていることがわかる（図１５で各々を右側フランク噛み合い線と左側フランク噛み合い線と称している）。この噛み合い分布から、公転ローラ２１〜２４をラックロッドねじ１に噛合わせる時、軸角を大きくする向きにトルクをかけて公転ローラ２１〜２４を固定配置すれば（公転ローラの組み込み時に寸法公差の調整方法として）、公転ローラ２１〜２４とラックロッドねじ１の加工誤差で生じた両噛み合い線上のがたを小さくする効果が生じる。
【００４５】
次に、この実施形態の動作について、図２２を用いて動作を説明する。この図２２は、動作原理を説明するため、ラックロッド１の外周面を展開して示した図である。
【００４６】
今、モータが、図２２において、上から下へ回転する場合に限定して考える。ホルダ部材がラックロッド軸を中心に回転し、これに保持されている４本の公転ローラもモータと同一回転を行う。よって、図２２では、公転ローラは上（Ａ位置）から下（Ｂ位置）へ垂直に移動する。図２２の太線は、公転ローラがＡ位置にある場合のラックロッドねじ山の右側フランクを示す。
【００４７】
そして、このＡ位置から、公転ローラがδラジアン(rad)だけ公転してラックロッドの円周上をδ・(ラック軸半径)だけ動いてＢ位置に到達した場合を考える。このとき、公転ローラ溝の右側環状面の位置は、ラックロッド軸方向には移動せず、展開図上では上下方向にのみ移動する。よって、ラックロッドが軸方向(展開図上では左右方向)に、δ・(ラックロッド軸半径)・ｔａｎ(ラックロッドねじリード角)だけ動いた場合、ねじ山右フランクが左に動いて破線の位置となり、公転ローラ溝とラックロッドねじの噛み合いを保つ。このようにして回転直動変換が生じる。
【００４８】
また、モータの１回転あたりのラック移動量Ｍ(以後、機構ピッチと呼称する)は、δを２πとして、
Ｍ＝２π・(ラックロッド軸半径)・ｔａｎ(ラックロッドねじリード角)
となる。この式から明らかなように、ラックロッドねじリード角を小さくすることにより、減速割合を増大できることが分かる。
【００４９】
また、噛み合い箇所は、公転ローラ側の環状面とラックロッド側のねじ面であり、曲率の小さい（平面により近い）面同士の噛み合いとなる。よって、噛み合い時の弾性変形によって広範囲で接触が起きるため、発生する応力の最大値（ヘルツ応力）が抑制される。このために、噛み合い一箇所あたりの負荷荷重が増大し、コンパクトながら、大きな推力が発生可能になるという効果がある。すなわち、従来技術におけるボールねじ機構では、ボールとねじは点接触となるのに対して、本実施形態ではラックロッドねじと公転ローラの噛み合い時の平面近似の接触によって、また両者の弾性変形によって広範囲の接触となるため、発生応力の最大値が抑制されるのである。
【００５０】
また、噛み合い箇所では、相対すべりが無くなる向き、すなわち一体で動く向きに摩擦力が働く。この摩擦力によって、公転ローラは、その公転ローラ溝がラックロッドねじ山というレール上を転がるように自転を起こす。ここで重要なことは、公転ローラが自転しても噛み合い箇所において公転ローラ溝が軸方向に移動しないということである。これは、公転ローラ溝がねじではなく環状溝であることから実現している。このように、公転ローラは全噛み合い箇所での摩擦の和が低減するように自ら自転速度を制御するため、損失が小さく高効率になるという効果がある。以上をまとめると、本発明は、ナットを回転フリーのローラに分割して転がり接触を実現する方法とみなすことが出来る。
【００５１】
ところで、ラックロッド１に推力を発生させた場合、その反力がラックロッド１の軸方向に現われるが、この反力は、最終的にはラックロッドねじ１ａと各公転ローラの公転ローラ溝２１ｂ〜２４ｂの噛み合い箇所にかかる。このとき、この実施形態では、１本の公転ローラに複数の公転ローラ溝が設けてあるため、溝数だけ噛み合い箇所が多くなり、この結果、大きな荷重に耐えることができる。また、この実施形態では、公転ローラが複数本(ここでは公転ローラ２１〜２４の４本)設置されているため、更に噛み合い箇所が増加し、その分、大きな荷重に耐えることができ、この結果、大きなラック推力を発生させることができる。
【００５２】
しかも、この実施形態では、公転ローラ２１〜２４がラックロッド１の周囲に等角度間隔で配置されているため、各公転ローラに現れる力のうち、径方向(ラックロッド軸１ｄを中心とする径方向)に現れる成分は相互にキャンセルし合って、外には現われない。この結果、ホルダラジアル軸受３ｆの荷重が低減し、小負荷容量の軸受を用いることができ、コストの低減と小形化に寄与することができ、且つ、そこで発生する摩擦損失も小さくなるので、性能の向上にも寄与することができる。
【００５３】
ここで、公転ローラ２１〜２４をホルダ部材３に組み込むときについて考えてみると（本実施形態の特徴である、公転ローラの軸角をラックロッドねじのリード角よりも大きくするという構成を前提として寸法公差の調整手法として）、このときは、まず、モータ側ホルダ端板３ｃをホルダ端板３ｂと一体化されているホルダ連結部３ｄにホルダ連結ねじ７で仮止めしてサブアセンブリとし、これをホルダ部材ケーシング６ａに挿入し、その中央にラックロッド１をねじ込むことになる。
【００５４】
そして、この後、仮止めしていたホルダ連結ねじ７を一旦緩め、モータ側ホルダ端板３ｃを若干ねじって、公転ローラ軸とラックロッド軸の二軸角度を調整し、噛み合い箇所におけるがたを低減した上で再度、締結することになる。そうすると、ここで、がたを小さくするにつれて軸受部の摩擦が増大するため、適度なねじりを行うことになるが、このことは、組み立ての最終段階で、がたと効率の調整が容易に行なえることを意味し、従って、この実施形態によれば、がたの程度と効率のばらつきが低減できるという利点がある。がたが回避できるということは、ステアリング装置においては、ハンドルを切っても操舵輪がまったく反応しないという不感帯の存在が回避できることを意味し、操舵フィーリングの改善に寄与することができる。
【００５５】
また、この実施形態では、モータ５のステータ５ｂをケーシング６側に設け、ロータ５ａをホルダ部材３側に設けると共に、図示してないが、既に説明したように、ラックロッド１には直動のみ許して回転を止めるラックとピニオン１０３が設けてあるので、このラックロッド１は回転することなく、直動だけを行なうことになり、このため、ラックロッド１の先に装着されるタイロッドには回転力が伝達される虞れがなく、使い勝手が良いという利点がある。
【００５６】
次に、本発明の第二の実施形態を図１６、図１７に基づいて説明する。図１６は公転ローラとホルダのサブアセンブリの側面図であり、図１７はその横断面である。ホルダ連結部が、ラックロッドに対してねじり配置される公転ローラ２１〜２４に沿って形成され、ホルダねじれ連結部３ｅとなる以外は、既に説明した第一の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。この連結部は、ホルダ端板３ｂと一体となる中実体から公転ローラがねじり配置される部分に公転ローラの外径をわずかに拡大した円柱をくり貫いて残った形状としてもよい。これにより、第一の実施形態のホルダ連結部に比べて、断面積を容易に確保できるため、外径を小さくすることが可能となる。この結果、回転部となるこのサブアセンブリの回転軸である中心軸周りの慣性モーメントを小さくできるため、指令に対する応答性が向上し、動作の制御が容易であるという特有の効果がある。
【００５７】
次に、本発明の第三の実施形態を図１８乃至図２０に基づいて説明する。図１８は、公転ローラ２１〜２４の内部に軸を通し、公転ローララジアル軸受２１ｆ〜２４ｆも内蔵したアセンブリである。この軸にホルダ連結部の役割を担わせるため、この軸をローラ内蔵ホルダ連結部３ｆと呼称する。また、図１９は、公転ローラとホルダのサブアセンブリの側面図であり、ローラ内蔵ホルダ連結部３ｆの取り付け箇所を断面にした図である。図２０はその横断面図である。これ以外は、既に説明した第一及び第二の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。
【００５８】
公転ローラ内部にホルダ連結部を設けたため、上記した第二の実施形態よりもさらに慣性モーメントが低減でき、指令に対する応答性が一層向上し、動作の制御がさらに容易になるという特有の効果がある。また、公転ローラ以外に両ホルダ端板３ｂ，３ｃを連結する部材スペースが不要となったため、公転ローラの設置加工本数を増大でき、一層の大推力化が可能となる効果もある。本実施形態では、内蔵する公転ローラ軸受をラジアル軸受のみとしたが、スラスト軸受も兼ねるアンギュラ玉軸受やテーパローラ軸受でも良い。このようにすると、ローラ軸端の構造が単純化でき、公転ローラの軸方向の位置決め調整構造が単純となる効果がある。また、本実施形態では、公転ローララジアル軸受をニードルベアリングとしたが、玉軸受やローラ軸受としてももちろん良い。
【００５９】
以上の説明では、公転ローラの本数が４本の場合であったが、それに限らず、何本でも良い。理想的には３本が良い。また、何れも公転ローラ、例えば公転ローラ２１〜２４について、それらの径がラックロッド１の径と概略同じにしているが、本発明の実施形態としては、強度が許す限り、公転ローラの径をラックロッドの径よりも小さくすることができる。そして、この場合は、公転ローラの本数を更に多くすることができ、これにより、より一層大きなラック推力が要求される場合にも対応することができる。
【００６０】
このように、本発明では、第一の目的として高信頼性を確保しながら大推力化を図ることにあり、また、第二の目的として部品精度が若干低くてもガタを少なくすることにあり、このような目的の達成のために、本発明は次のような実施形態を含むものである。
【００６１】
第一の目的は、円形棒状のラックロッドと、このラックロッドの周囲に当該ラックロッドと相対的に回転可能に支持されたホルダ部材と、このホルダ部材に回転可能に支持された公転ローラと、前記ロッドと前記ホルダ部材を相対的に回転させる回転駆動源とを備えた回転直動変換機構において、前記ラックロッドの外周面にねじを備え、ラックロッド軸に対する前記公転ローラの軸角を当該ラックロッドねじのリード角より大きく設定し、当該公転ローラの外周面に前記ラックロッドねじのフランクと噛み合う環状面（本願の図面に示す複数環状溝や単一の環状溝が本発明の必須要件ではない）を備える第一の手段によって達成される。また、前記第一の手段とともに、当該公転ローラの外周面に、ラックロッドねじ山の両側面である両フランクと各々噛み合う前記した環状面二面を両側面とする環状溝（単一の環状溝）を設定する第二の手段によって達成される。
【００６２】
さらに、前記第二の手段とともに、前記環状溝を複数個とする第三の手段によっても達成される。また、前記第一乃至第三の手段とともに、前記噛み合い箇所を通るラックロッドねじ螺線を前記公転ローラ軸と前記ラックロッド軸の共通平行面で当該噛み合い箇所を通る平面へ投影してできる平面曲線を考えた時、当該噛み合い箇所は、そこでの接線が前記公転ローラ軸と直交するところに設ける第四の手段によって達成される。
【００６３】
また、前記第二の目的は、前記第四の手段とともに、前記公転ローラを前記ラックロッドねじに噛合わせて固定する時、公転ローラ軸角が増大する向きに力またはトルクを付加しつつ固定配置可能な構成とする第五の手段によって達成される。
【００６４】
また、前記第一及び第二の目的は、円形棒状のラックロッドと、このラックロッドの周囲に当該ラックロッドと相対的に回転可能に支持されたホルダ部材と、このホルダ部材に回転可能に支持された公転ローラと、前記ロッドと前記ホルダ部材を相対的に回転させる回転駆動源とを備えた回転直動変換機構において、前記ラックロッドの外周面にねじを備え、ラックロッド軸に対する前記公転ローラの軸角を当該ラックロッドねじのリード角より大きく設定し、当該公転ローラの外周面にラックロッドねじ山の両側面である両フランクと各々噛み合う環状面を側面とする環状溝を複数個備え、各フランク毎の噛み合い箇所を前記ラックロッド軸に平行な直線上に分布させても達成される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る回転直動変換機構の縦断面図である。
【図２】図１に示す回転直動変換機構おいて手前の公転ローラを正規の姿勢で配置した図である。
【図３】第一実施形態に係る回転直動変換機構における全公転ローラの側面図である。
【図４】第一実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図５のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４の切断面）である。
【図５】第一実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図４のＡ−Ａ切断面）である。
【図６】第一実施形態におけるラックロッドねじ螺線の投影面の説明図である。
【図７】第一実施形態における投影面の垂直方向から見た（ラックロッド軸と公転ローラ軸の共通垂線上から見た）右側ねじフランク上のねじ螺線の矢視図である。
【図８】第一実施形態におけるラックロッド右側ねじフランク上のねじ螺線の投影面へ投影した平面曲線（サインカーブ）を示す図である。
【図９】図８をラックロッド軸方向に引き伸ばした噛み合い箇所の説明図である。
【図１０】図９に示すＭ部拡大図である。
【図１１】第一実施形態におけるラックロッド左側ねじフランク上のねじ螺線の投影面へ投影した平面曲線（サインカーブ）をラックロッド軸方向に引き伸ばした噛み合い箇所の説明図である。
【図１２】図１１に示すＮ部拡大図である。
【図１３】第一実施形態と対比する従来技術による噛み合い箇所の説明図である。
【図１４】図１３に示すＰ部拡大図である。
【図１５】第一実施形態におけるラックロッドねじ上の噛み合い箇所の説明図である。
【図１６】本発明の第二実施形態に係る回転直動変換機構における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図である。
【図１７】第二実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図１６のＡ−Ａ切断面）である。
【図１８】本発明の第三実施形態に係る回転直動変換機構における公転ローラとホルダ連結部のサブアセンブリの側面図（一部が断面図）である。
【図１９】第三実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図２０のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４の切断面）である。
【図２０】第三実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図４のＡ−Ａ切断面）である。
【図２１】本発明の実施形態に係る回転直動変換機構の基本的動作の説明図である。
【図２２】本発明の実施形態におけるラックロッドねじと公転ローラとの関連動作を示す説明図である。
【図２３】従来技術であるボールねじ機構の効率の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６６】
１：ラックロッド
１ａ：ラックロッドねじ
１ｄ：ラックロッド軸
２１，２２，２３，２４：公転ローラ
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ：公転ローラ溝（環状溝）
２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ，２４ｄ：公転ローラ軸
２１ｅ，２２ｅ，２３ｅ，２４ｅ：公転ローラスラスト軸受
２１ｆ，２２ｆ，２３ｆ，２４ｆ：公転ローララジアル軸受
３：ホルダ部材
３ｅ：ホルダスラスト軸受
３ｆ：ホルダラジアル軸受
３ｄ：ホルダ連結部
３ｄ：ホルダ連結部
３ｅ：ホルダねじれ連結部
３ｆ：ローラ内臓ホルダ連結部
５：モータ
６：ケーシング
１０３：ピニオン
１０７：ラックアシスト機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006329259.tif 000016
【図１６】
2006329259.tif 000017
【図１７】
2006329259.tif 000018
【図１８】
2006329259.tif 000019
【図１９】
2006329259.tif 000020
【図２０】
2006329259.tif 000021
【図２１】
2006329259.tif 000022
【図２２】
2006329259.tif 000023
【図２３】
2006329259.tif 000024
【図６】
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