(57)【要約】【課題】適用機器にスライド案内機構が無くても設置が可能で、かつボール径とねじ溝のリードの関係による制限にかかわらずに任意の減速または増速機能が得られる直線駆動装置を提供する。【解決手段】ねじ軸２に巻方向およびリードの少なくとも一方が異なる２種類のねじ溝５，６を形成する。各種類のねじ溝５，６に対応するねじ溝７，８をそれぞれ有する一対のナット３，４をねじ軸２の外周に設ける。ねじ軸２および各ナット３，４のねじ溝間に複数のボール９を介在させてボールねじ１を構成する。上記一対のナット３，４を、連結手段１９により、相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸に巻方向およびリードの少なくとも一方が異なる２種類のねじ溝を形成し、各種類のねじ溝に対応するねじ溝をそれぞれ有する一対のナットをねじ軸の外周に設け、ねじ軸および各ナットのねじ溝間に複数のボールを介在させたボールねじと、このボールねじの上記一対のナットを相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結した連結手段とを備える直線駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、上記一対のナットのうちの一方のナットが、中空のロータを有するモータを備え、上記ロータに上記ねじ軸が挿入された直線駆動装置。
【請求項３】
請求項２において、上記ロータおよびねじ軸を互いに軸方向移動自在に係合させてロータの回転を上記ねじ軸に伝える回転伝達手段を設けた直線駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記一対のナットのいずれか一方に直線出力部材を取付け、この直線出力部材と他方のナットとの間に上記連結手段を設けた直線駆動装置。
【請求項５】
請求項４において、上記連結手段が、上記直線出力部材およびナットのうちのいずれか一方および他方にそれぞれ設けられた軸方向溝、およびこの軸方向溝に摺動自在に係合する係合部材からなる直線駆動装置。
【請求項６】
請求項４において、上記連結手段が直動転がり軸受である直線駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、短いストロークで駆動される高負荷容量が必要な駆動装置、例えば推力が必要な油圧シリンダの代わりに用いられる電動駆動装置や、自動車用の各種電動駆動装置、あるいは高速位置決めの用途などに適用できる直線駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータを利用して回転を直線運動に変換するアクチュエータとして、例えばボールねじや滑りねじを用いるものが多数ある。これらのねじ式のアクチュエータで、モータとねじとを減速機構を介さず連結すると、１リード／１回転の直線駆動が可能となる。
このアクチュエータが大きな荷重を受けるとすると、大荷重に耐えるために、モータの負荷容量を上げるか、ボールねじとモータの間に、各種歯車、プーリー等の減速機構を設ける必要がある。ボールねじのリードを小さくすると、モータの回転数を上げることができ、モータの最大トルクが発生する領域で仕事を行うことができるが、リードが小さいと、ボールねじに使用できるボールは必然的にリードより小さいものとなり、ボールの負荷容量が足りなくなるという問題が起きる。
また、上記アクチュエータで高速動作を行わせようとした場合、リードを大きくする必要があるが、軸径を変えずにリードを大きくしようとした場合、ねじ溝の軸方向に対する傾き角度が大きくなり過ぎ、円滑な動作が得られなくなる。
【０００３】
この解決策として、２つのナットを有する差動ボールねじを利用した直線駆動装置が提案されている（特許文献１）。ここに示されている直線駆動装置は、短いストロークで高い負荷容量を得ることが可能で、見かけ上のリード（１回転当たりに進む距離）を２種類のナットのリード差によって任意に変えられる。これにより、ボールねじに使用されるボール径に制約が無くなり、高い負荷容量仕様のボールねじを使用することができる。また、２つのナットのねじ溝の方向を互いに逆向きとすることで、高速動作を行わせることもできる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１０１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記提案例の直線駆動装置は、差動式のボールねじと、そのねじ軸を駆動するモータとを単に組み合わせたものであるため、これを適用機器に設置するときに、スライド側のナットが回転することなく進退自在に案内されように設置することが必要となる。そのため、適用機器におけるスライド駆動させる部材が進退のみ自在なように設けられていることが必要で、適用機器にスライド案内機構を設けることが必要であった。また、上記提案例の直線駆動装置は、モータをねじ軸の進退に伴って移動可能なように案内するスライド案内機構を備えたものであるため、構成が複雑で、かつ大型化するという課題がある。
【０００６】
この発明の目的は、適用機器にスライド案内機構が無くても設置が可能で、かつボール径とねじ溝のリードの関係による制限、あるいはリードによる制限にかかわらずに任意の減速または増速機能が得られる直線駆動装置を提供することである。
この発明の他の目的は、構成をコンパクト化することである。
この発明のさらに他の目的は、モータを支持するスライド案内機構を不要とすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の直線駆動装置は、ねじ軸に巻方向およびリードの少なくとも一方が異なる２種類のねじ溝を形成し、各種類のねじ溝に対応するねじ溝をそれぞれ有する一対のナットをねじ軸の外周に設け、ねじ軸および各ナットのねじ溝間に複数のボールを介在させたボールねじと、このボールねじの上記一対のナットを相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結した連結手段とを備える。
この構成によると、２種類のねじ溝の巻方向およびリードの組み合わせによって、ボール径とねじ溝のリードの関係による制限、あるいはリードによる制限に係わらずに、任意の減速または増速の機能が得られる。一対のナットは、上記連結手段により、相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結されているため、この直線駆動装置を設置する適用機器にスライド案内機構を設けることが不要であり、適用機器の構成が簡素化される。
【０００８】
この発明において、上記一対のナットのうちの一方のナットが、中空のロータを有するモータを備え、上記ロータにねじ軸が挿入されたものとしても良い。
このようにモータのロータを中空としてねじ軸を挿入することで、直線駆動装置の全体がコンパクト化される。また、モータが一方のナットに備えられることで、この直線駆動装置の設置がより一層簡単になる。
【０００９】
上記のように一方のナットに備えられたモータが中空のロータを有し、このロータにねじ軸が挿入された構成の場合に、上記ロータおよびねじ軸を互いに摺動自在に係合させてロータの回転を上記ねじ軸に伝える回転伝達手段を設けても良い。
このように回転伝達手段を設けることで、固定設置のモータの回転を、進退動作するねじ軸に伝達することができ、モータを支持するスライド案内機構を不要にできる。
【００１０】
この発明において、上記一対のナットのいずれか一方に直線出力部材を取付け、この直線出力部材と他方のナットとの間に上記連結手段を設けても良い。
このように直線出力部材に上記連結手段を設ける場合、連結手段を一対のナット間に直接に設ける場合に比べて連結手段が簡単な構成のもので済む。
【００１１】
この発明において、上記連結手段が、上記直線出力部材およびナットのうちのいずれか一方および他方にそれぞれ設けられた軸方向溝、およびこの軸方向溝に摺動自在に係合する係合部材からなるものであっても良い。このように連結手段を軸方向溝および係合部材からなるものとした場合、構成が簡素にできる。
上記連結手段は直動転がり軸受であっても良い。直動転がり軸受を使用した場合は、抵抗の少ない円滑な動作が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この直線駆動装置Ａは図２に全体を示すものであり、図１のボールねじ１を使用する。このボールねじ１は、１本のねじ軸２と、一対のナット３，４とを備える。ねじ軸２は、互いに仕様の異なる２種類のねじ溝５，６を各々外径面に形成したねじ軸部分２ａ，２ｂを軸方向に並んで有しており、各ナット３，４は、各々のねじ軸部分２ａ，２ｂの外周に遊嵌して配置されている。各ナット３，４は、ねじ軸２の各ねじ溝５，６に対応するねじ溝７，８が各々形成されている。これらねじ軸２のねじ溝５，６とナット３，４のねじ溝７，８の間に、多数のボール９が介在している。ナット３，４は、ねじ軸２との間でボール９を無限に循環させる循環部１０を有している。循環部１０は、いわゆるリターンチューブ式、コマ式、ガイドプレート式、エンドキャップ式等のいずれの循環形式のものであっても良い。固定側となるナット３は、他の部品への取付用のフランジ３ａを一端（図１の右端）の外周に有している。
【００１３】
上記仕様の異なる２種類のねじ溝５，６とは、巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なるねじ溝である。この実施形態では、片方のねじ溝５，７と、もう片方のねじ溝６，８との仕様の違いは、リードの違いとされ、片方（図１の右側）のねじ溝５，７のリードＬ１の方が、もう片方（図１の左側）のねじ溝６，８のリードＬ２以上（Ｌ１＞Ｌ２）とされされている。ねじ溝５，７と、ねじ溝６，８の巻き方向は同じである。ねじ軸２の両側のねじ溝６，８をそれぞれ形成したねじ軸部分２ａ，２ｂは、この例では同じ軸径としてあるが、異なる軸径としても良い。
【００１４】
リードの大きい方のナット３は、機械ベース等となる固定側部材（図示せず）にフランジ３ａを介して固定する。このナット３のフランジ３ａは、図２に示すようにモータ１１を備えている。すなわち、フランジ３ａにハウジング１２がボルト等で取付けられ、このハウジング１２にモータ１１が内蔵される。ハウジング１２はモータケーシングとなるものであり、ねじ軸２と同心の筒部１２ａと、この筒部１２ａの一端（図２の右端）開口を閉じる蓋部１２ｂとからなる。モータ１１は中空のロータ１４を有し、ロータ１４内にねじ軸２が挿入される。ロータ１４は軸受１５，１６を介してハウジング１２に回転自在に支持される。モータ１１のステータ１３は、ハウジング筒部１２ａの内壁に支持される。
【００１５】
図２において、モータ１１のロータ１４とその内部に挿入されたねじ軸２との間に回転伝達手段１８が設けられている。回転伝達手段１８は、ロータ１４およびねじ軸２を互いに軸方向移動自在に係合させてロータ１４の回転をねじ軸２に伝えるものであり、ねじ軸２に設けられた軸方向溝１７と、ロータ１４に固定されて軸方向溝１７に摺動自在に係合する係合部材１８ａとでなる。軸方向溝１７は、ねじ軸２の周方向の１箇所であっても良いが、この実施形態では周方向の複数箇所に設けられ、インボリュートスプライン等のスプライン溝とされている。ねじ軸２の軸方向溝１７の形成された箇所はスプライン軸部２ｃとなる。係合部材１８ａは、各軸方向溝１７に対してそれぞれ設けられたものであり、キー状の部材であっても、ロータ１４に一体に設けられた突部であっても良い。
【００１６】
ボールねじ１における一対のナット３，４は、連結手段１９により、互いに相対回転が不能でかつ軸方向移動が自在に連結されている。両ナット３，４のうちのモータ非設置側のナット４に、直線出力部材２０が設けられている。直線出力部材２０は、この直線駆動装置Ａの出力端となる部材である。直線出力部材２０は、円筒状に形成されてナット４の外周に嵌合し、止め具２１によりナット４に固定される。直線出力部材２０はねじ軸２と同心に設けられ、そのモータ側端は他方のナット３のフランジ３ａを除く部分の外周まで延びる。上記連結手段１９は、この直線出力部材２０におけるナット３の外周部分とナット３との間に設けられている。連結手段１９は、直線出力部材２０の内径面に設けられた軸方向溝２２と、ナット３の外径面に設けられて上記軸方向溝２２に摺動自在に係合する係合部材２３とでなる。係合部材２３は例えばスライドキーからなり、上記軸方向溝２２はキー溝からなる。なお、この実施形態とは逆に、ナット３に軸方向溝２２を、直線出力部材２０に係合部材２３をそれぞれ設けても良い。直線出力部材２０の先端外周には、適用機器における直線移動させる部材（図示せず）を取付けるためのフランジ２０ａが形成されている。この直線出力部材２０の先端開口は防塵用の蓋部材２４で閉止される。
【００１７】
上記構成の動作を説明する。モータ１１を駆動すると、ロータ１４の回転が回転伝達手段１８を介してねじ軸２に伝達される。ロータ１４の１回転により、ねじ軸２はナット３のリードＬ１（図１）分だけ軸方向に移動する。ここではモータ１１の回転によりねじ軸２が図中左方向に移動するものとする。したがって、ねじ軸２の１回転により、ねじ軸２はナット３のリードＬ１分だけ左方向に移動する。また、両ナット３，４は連結手段１９を介して互いに軸方向移動自在に連結されているので、このとき他方のナット４は、図中の右方向にナット４のリードＬ２分だけ移動する。これにより、直線出力部材２０は、リード差（Ｌ１−Ｌ２）だけ左方向に移動する。
【００１８】
図３は、図２の状態からモータ１１をｎ回転させて、直線出力部材２０を左方向に移動させた状態を示している。図２および図３において、Ｈ１，Ｈ２は、ナット３のフランジ３ａの左端から直線出力部材２０のフランジ２０ａの左端までの距離をそれぞれ示す。Ｓ１，Ｓ２は、ナット３のフランジ３ａの左端からねじ軸２の左端までの距離を示す。Ｔ１，Ｔ２は、ねじ軸２の左端からナット４の左端までの距離を示す。このとき、図２に示した各距離と、図３に示した各距離には、次の関係がある。
Ｓ２−Ｓ１＝ｎ×Ｌ１    （１）
Ｔ２−Ｔ１＝ｎ×Ｌ２    （２）
いま、ナット４の左端から直線出力部材２０の左端までの距離をＤとすると、
Ｈ１＝Ｓ１−Ｔ１＋Ｄ    （３）
Ｈ２＝Ｓ２−Ｔ２＋Ｄ    （４）
の関係があるから、（３），（４）式より、
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となる。すなわち、直線出力部材２０は、固定しているナット３に対して（ｎ×Ｌ１−ｎ×Ｌ２）だけ左方向に移動することになる。つまり、リード差×回転数だけ直線出力部材２０が移動することになる。
【００１９】
例えば、Ｌ１＝１０，Ｌ２＝８（単位はｍｍ）とすると、直線出力部材２０はロータ１４の１回転あたり２だけ、つまり（１０−８）×１だけ移動する。
ちなみに、ナット３のみのボールねじを用いた場合、１回転あたり１０移動することになるので、この直線駆動装置Ａではナット３のみのボールねじに１／５の減速機構を内蔵したものと等価の機能を有することになる。
また、リードが２（ｍｍ）の単体ナットのボールねじを用いても同率の減速比とすることができるが、その場合のボールねじに使用できるボールの径は２（ｍｍ）未満と小さいものとなるので、負荷容量に制約が出て来ることになる。
これに対して、この実施形態の直線駆動装置Ａでは、上記したようにリード８のナットのボール（８未満）を使用でき、負荷容量を大きく設定できる。なお、リード差を２とするリードＬ１，Ｌ２の組み合わせは任意に設定できるため、ボール径（負荷容量）が制約を受けることもない。
【００２０】
このように、この実施形態の直線駆動装置Ａでは、差動式のボールねじ１を用いて減速機構を内蔵した構造と等価としているので、小さいモータ１１で高負荷を得ることができる。また、２種類の仕様のリードＬ１，Ｌ２のねじ溝５，６をボールねじ１に形成したので、ボール径を任意に設定でき、ボールねじ１の負荷容量を大きくすることができる。これにより、短いストロークで、より高荷重の直線駆動装置を実現できる。
【００２１】
また、一対のナット３，４を相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結する連結手段１９を設けたので、この直線駆動装置Ａを設置する適用機器にスライド案内機構を設けることが不要であり、適用機器の構成が簡素化される。一方のナット３にはモータ１１を設置し、そのロータ１４を中空としてボールねじ１のねじ軸２を挿入したため、ボールねじ１とモータ１１をコンパクトに一体化でき、全体の構成を小型化できる。さらに、ロータ１４とねじ軸２を互いに摺動自在に係合させてロータ１４の回転をねじ軸２に伝える回転伝達手段１８を設けたので、固定設置のモータ１１の回転を、進退動作するねじ軸２に伝達することができ、モータ１１を支持するスライド案内機構を不要にできる。これにより、構成が簡素化され、かつより一層コンパクト化される。
【００２２】
さらに、ナット４に直線出力部材２０を取付け、上記連結手段１９はこの直線出力部材２０と他方のナット３との間に設けたため、一対のナット３，４間に直接に連結手段１９を設ける場合に比べて、連結手段１９が簡単な構成のもので済む。取付部であるナット３および直線出力部材２０のフランジ３ａ，２０ａ間にラジアル方向の偏荷重が加わったとしても、単体のナットとしたボールねじを用いた場合に比べて、力を受ける支持部間（ナット３，４間の距離）が長いので、傾き難く、ミスアライメントに強い構造とすることができる。ナット３，４間は直線出力部材２０により同軸状態を保持することができる。
ボールねじ１およびモータ１１は、ハウジング１２および直線出力部材２０で覆われているので、防塵性に優れ、ボールねじ１の潤滑グリースが漏れる恐れがなく、長期間にわたり無給脂での稼働が可能である。
【００２３】
図４は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、上記実施形態において、連結手段１９を軸方向溝２２および係合部材２３で構成した代わりに、一対のナット３，４を連結する連結手段１９Ａを、直動転がり軸受としたものである。直動転がり軸受は、転動体（図示せず）がガイドに沿って転動しながら案内するものであるため、摩擦抵抗が小さく、滑らかな動作が得られる。
【００２４】
なお上記各実施形態では、両側のナット３，４に対するねじ軸２のねじ溝５，６を巻方向が同じで互いにリードが異なるものとしたが、両ねじ溝５，６は巻方向が互いに逆となるものとしても良い。巻方向が互いに逆となる場合は、両ねじ溝５，６のリードの和がこの直線駆動装置Ａのリードとなるため、高速の進退動作が可能になる。例えば、単独のボールねじの限界ＤＮ値（限界の直径×回転数の値）による移動速度よりも速い移動速度が実現でき、最高で２倍までの移動速度が得られるように設計できる。
また、上記各実施形態では、モータ１１として、モータ軸であるロータ１４が中空軸状のものを使用したが、モータのロータにプーリーやギヤを関係させてモータの回転をねじ軸１に伝達することにより、ねじ軸２と芯をずらした位置にモータを設置するようにしても良い。
【００２５】
図５は、この実施形態にかかる直線駆動装置Ａの適用機器の一例となる電動ブレーキシステムを示す。この電動ブレーキシステムは、自動車の車輪６１を制動するシステムであり、車輪６１は車輪用軸受６２に回転自在に支持されている。車輪６１は、リム６３の外周にタイヤ６４を設けたものである。
ブレーキ７５は、車輪６１に設けられたブレーキ輪７６およびこのブレーキ輪７６に摩擦接触可能なブレーキ片７７を有する作動部７８と、ブレーキ片７７を作動させる駆動部７９とを有し、この駆動部７９に図２の実施形態の直線駆動装置Ａが用いられている。ブレーキ輪７６はブレーキディスクからなる。ブレーキ片７７はパッドからなり、ブレーキ輪７６を挟み付けるように一対のブレーキ片７７が設けられている。片方のブレーキ片７７は、ブレーキフレーム８１に固定され、もう片方のブレーキ片７７は、ブレーキフレーム８１に直線的に進退自在に設置された進退部材８２に取付けられている。この進退部材８２として、直線駆動装置Ａの直線出力部材２０が用いられる。進退部材８２の進退可能方向はブレーキ輪７６に対面する方向である。直線駆動装置Ａにおける固定ナット３のフランジ３ａは、ブレーキブレーム８１の一端に取付けられる。
この電動ブレーキシステムは、上記作動部７８および駆動部７９で構成されるブレーキ７５と、ブレーキペダル等の操作部材の操作に従い上記モータ１１を制御する操作部（図示せず）とを有し、操作部にアンチロック制御手段が設けられている。
【００２６】
上記構成の電動ブレーキシステムによると、ブレーキペダル等の操作部材（図示せず）を制動操作するとモータ１１が駆動され、その回転が差動式のボールねじ１を介してブレーキ片７７の直線往復動作に変換され、ブレーキ片７７でブレーキ輪７６を挟み付けることで制動が行われる。このとき、モータ１１の回転を往復直線運動に変換する機構として上記の直線駆動装置Ａを用いているため、減速率が大きく得られて、小さいモータ１１で高負荷を得ることができ、負荷容量も大きくすることができる。
【００２７】
この発明の直線駆動装置は、上記電動ブレーキシステムの他に、電動パワーステアリング装置など、自動車用の種々の直線駆動装置に効果的に適用できる。また、この直線駆動装置は、電動射出形成機や電動プレスなど、従来は高荷重の油圧シリンダを用いたような用途にも適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明の直線駆動装置は、ねじ軸に巻方向およびリードの少なくとも一方が異なる２種類のねじ溝を形成し、各種類のねじ溝に対応するねじ溝をそれぞれ有する一対のナットをねじ軸の外周に設け、ねじ軸および各ナットのねじ溝間に複数のボールを介在させたボールねじと、このボールねじの上記一対のナットを相対回転することなく互いに軸方向移動自在に連結した連結手段とを備えるため、ボール径とねじ溝のリードの関係による制限や、リードによる制限にかかわらずに任意の減速または増速機能が得られ、またこの直線駆動装置を設置する適用機器にスライド案内機構が無くても良く、適用機器の構成が簡素化できる。
上記一対のナットのうちの一方のナットが、中空のロータを有するモータを備え、上記ロータに上記ねじ軸が挿入されたものとした場合は、ボールねじとモータをコンパクトに組み合わせることができて、全体の構成を小型化できる。
上記ロータおよびねじ軸を互いに軸方向移動自在に係合させてロータの回転を上記ねじ軸に伝える回転伝達手段を設けた場合は、モータを支持するスライド案内機構が不要となり、より一層コンパクト化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる直線駆動装置におけるボールねじの一部破断正面図である。
【図２】同直線駆動装置の断面図である。
【図３】同直線駆動装置の作動状態を示す断面図である。
【図４】同直線駆動装置の他の例を示す断面図である。
【図５】同直線駆動装置を適用した電動ブレーキシステムの断面図である。
【符号の説明】
１…ボールねじ
２…ねじ軸
３，４…ナット
５，６…ねじ軸のねじ溝
７，８…ナットのねじ溝
９…ボール
１１…モータ
１４…ロータ
１５，１６…軸受
１８…回転伝達手段
１９，１９Ａ…連結手段
２０…直線出力部材
２２…軸方向溝
２３…係合部材
Ａ…直線駆動装置
【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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