(57)【要約】【課題】低コストで、取り扱い容易性に優れ、ねじ軸やナットの位置を高精度に測定できるボールねじ機構を提供する。【解決手段】ねじ軸１０には、機械加工により切欠１２を形成しており、これにより位置検出ができるので、磁気スケールを着磁していた従来技術に比べ、加工形成が容易であるにもかかわらず、耐熱性が高く、残存磁気の影響を受けることがなく、長期間安定して高精度にねじ軸又はナットの位置を測定することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に外ねじ溝を形成するとともに、所定の間隔で並ぶ複数の凹部を形成したねじ軸と、
内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
前記ねじ軸に形成された凹部を検出する検出手段とを有することを特徴とするボールねじ機構。
【請求項２】
前記検出手段は、前記ナットに対して前記ねじ軸が相対移動する際に、前記凹部の間隔を検出することを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。
【請求項３】
深さを変えた前記凹部が少なくとも一つ形成され、前記検出手段は、深さの異なる前記凹部を判別することを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ機構。
【請求項４】
前記凹部は転造加工又はブローチ加工により形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじ機構。
【請求項５】
前記検出手段の検出部は前記ナットに取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のボールねじ機構。
【請求項６】
前記凹部は、前記ねじ軸の外ねじ溝以外の部位に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のボールねじ機構。
【請求項７】
前記凹部は、前記ねじ軸の外ねじ溝内に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のボールねじ機構。
【請求項８】
前記ねじ軸は複数の外ねじ溝を有し、前記凹部は、前記複数の外ねじ溝ごとに形成され、前記検出手段は、前記複数の外ねじ溝ごとに形成された凹部を区別して検出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のボールねじ機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールねじ機構に関し、例えば車両のオートマチックトランスミッションのシフトアクチュエータや４輪駆動車の２駆・４駆切り替え機構などに用いられると好適な、高精度な位置決めを実現できるボールねじ機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ねじ溝を有するねじ軸と、ねじ軸を包囲するナットと、ねじ軸とナットとの間に配置された複数の転動体とからなり、例えばねじ軸の回転運動をナットの軸線方向運動に変換できるボールねじ機構が知られている。ところで、ナットを精度良く位置決めしようとした場合、ナットの位置を直接測定するか、ねじ軸の回転位置を測定することで間接的にナットの位置を求めるか、いずれかの手法が考えられる。ここで、ナットの位置を直接測定することは、理論上は可能であるが、実際的には装置構成が大がかりとなる。一方、ねじ軸の回転位置を測定する技術としては、特許文献１に示すように、ねじ軸外周に磁気スケールを着磁させた上で、これを磁気センサで測定することがある。
【特許文献１】
特開平６−１８７０３９号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のボールねじ機構によれば、別個のロータリエンコーダなどを設けることなく、コンパクトな構成でありながら、着磁されたねじ軸を検出することで、ねじ軸の回転位置即ちナットの軸線方向位置を検出することができる。しかしながら、特許文献１の技術によれば、以下のごとき問題がある。まず、磁気特性により、ねじ軸が高温にさらされることによって着磁が消えやすいという問題がある。従って、特許文献１のボールねじ機構を高温環境下で用いる場合、別個に冷却などの手段が必要となってコスト高や装置の大型化を招く。又、ねじ軸の素材が限定されるので、そのような素材に強い磁気を着磁することは困難であり、その結果検出信号が弱くなるという問題もある。
【０００４】
更に、特許文献１のボールねじ機構においては、ねじ軸製作後の脱磁をよほど慎重に行わないと、磁気スケール着磁後も余計な磁気が残存し、それにより誤った検出信号が出力される恐れがある。余計な磁気に基づく検出信号をハイパスフィルタを通すことで、電気的に処理（排除）することも考えられるが、ねじ軸の移動速度が遅く検出信号のパルスが低周波になる時には検出不能になるという問題が生じる。特に、転造によって強い圧縮力をかけた場合に残存磁気は大きくなる傾向があるが、自動車用途などのように大量生産を必要とするねじ軸では、コストや手間などの観点から転動工程で加工するのが好ましく、従って磁気スケール着磁以外に、ねじ軸の回転を検出する何らかの手法の確立が急務となっている。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、低コストで、取り扱い容易性に優れ、ねじ軸やナットの位置を高精度に測定できるボールねじ機構を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールねじ機構は、
外周面に外ねじ溝を形成するとともに、所定の間隔で並ぶ複数の凹部を形成したねじ軸と、
内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
前記ねじ軸に形成された凹部を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールねじ機構は、外周面に外ねじ溝を形成するとともに、所定の間隔で並ぶ複数の凹部を形成したねじ軸と、内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、前記ねじ軸に形成された凹部を検出する検出手段とを有するので、磁気スケールを着磁していた従来技術に比べ、加工形成が容易であるにもかかわらず、耐熱性が高く、残存磁気の影響を受けることがなく、高精度にねじ軸又はナットの位置を測定することができる。尚、凹部とは、切欠又はくぼみをいうが、ねじ溝のように周方向に長く延在するものをいわないものとする。検出手段としては、接触式でも非接触式でも特に種類を限定されないが、少なくとも検出位置を凹部が通過したときに、それに応じて異なる信号を出力できるものが好ましく、例えば磁気により凹部を検出するタイプや、レーザ光を照射してその反射光を受光することで凹部を検出するタイプであればより好ましい。
【０００８】
更に、前記検出手段は、前記ナットに対して前記ねじ軸が相対移動する際に、前記凹部の間隔を検出すると好ましい。例えば等間隔に前記凹部を形成することで、前記ナットに対する前記ねじ軸の回転角度を求めることができるが、前記凹部は不等間隔で配置されていても良い。
【０００９】
更に、深さを変えた前記凹部が少なくとも一つ形成され、前記検出手段は、深さの異なる前記凹部を判別すると好ましい。例えば前記ねじ軸の１回転ごとに前記凹部の深さを深くした場合、ねじ軸の微小回転角度を測定しつつも、ねじ軸が１回転するごとに、高い（又は低い）信号が出力されることから、これを検出することで深さを判別できるため、角度ごとの微小回転に加え、１回転、２回転といった比較的大きな量の位置制御にも対応できることとなる。
【００１０】
更に、前記凹部は転造加工又はブローチ加工により形成されると好ましい。転造加工であれば、外ねじ溝と凹部とを一度に加工できるので、より低コストとなる。
【００１１】
更に、前記検出手段の検出部は前記ナットに取り付けられていると好ましい。
【００１２】
更に、前記凹部は、前記ねじ軸の外ねじ溝以外の部位（例えば螺旋状に形成されたねじ溝の間など）に設けられていると好ましい。
【００１３】
更に、前記凹部は、前記ねじ軸の外ねじ溝内に設けられていると好ましい。
【００１４】
更に、前記ねじ軸は複数の外ねじ溝（いわゆる多条ねじ溝）を有し、前記凹部は、前記複数の外ねじ溝ごとに形成され、前記検出手段は、前記複数の外ねじ溝ごとに形成された凹部を区別して検出すると好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図であり、図２は、かかるボールねじ機構に用いるボールねじの上面図である。図２において、ねじ軸１０は、その外周面に螺旋状に形成された外ねじ溝１１を有しており、外ねじ溝１１の間の螺旋外周面１３に、周方向に等間隔（例えば３０度ごと）に且つ軸線に平行に形成された凹部である切欠溝１２を形成している。外ねじ溝１１と、切欠溝１２とは転造により一度に加工できる。
【００１６】
図１において、ねじ軸１０を包囲するようにして配置されたナット２０は、内周面に、外ねじ溝１１に対向して内ねじ溝（不図示）を有し、内ねじ溝と外ねじ溝１１とで形成される螺旋状空間には、転動体であるボール（不図示）が転動自在に配置されている。ねじ軸１０は、カップリングを介して不図示のモータの回転軸に連結されており、ナット２０は不図示の被駆動部材に取り付けられているものとする。
【００１７】
ナット２０の外周からホルダ２１が軸線方向に延在するように取り付けられている。ホルダ２１には磁気センサ２２が取り付けられており、磁気センサ２２の検出部は、螺旋外周面１３に向いており、磁気センサ２２の出力信号は、解析部２３に出力されるようになっている。尚、ねじ軸１０を転動する際に、螺旋外周面１３の中央には皺１３ａが生じやすいが、磁気センサ２２の検出部は、かかる皺１３ａを回避するようにして配置されると好ましい。磁気センサ２２と、解析部２３とで検出手段を構成する。
【００１８】
本実施の動作を説明すると、不図示のモータが回転すると、ねじ軸１０も回転し、螺旋状空間をボールが転動することで、低摩擦でねじ軸１０の回転運動がナット２０の軸線方向運動に変換される。ここで、磁気センサ２２の出力信号は、解析部２３に出力されて解析される。
【００１９】
図３は、解析部２３が入力した磁気センサ２２の出力信号と時間の関係を示したグラフである。本実施の形態では、ねじ軸１０の切欠１２が磁気センサ２２の検出部の前方を横切ると、パルス信号が出力されるようになっている。従って、パルス信号の間隔が狭いほど、ねじ軸１１の回転速度が低く、パルス信号の間隔が広いほど、ねじ軸１１の回転速度が高いことを意味する。図３の例では、領域Ａにおいては、パルス信号の間隔が徐々に増大しており、従ってねじ軸１０が加速状態にあることがわかり、領域Ｄにおいては、パルス信号の間隔が徐々に減少しており、従ってねじ軸１０が減速状態にあることがわかり、領域Ｃにおいては、パルス信号の間隔が一定であることから、ねじ軸１０が一定速度で回転していることがわかる。
【００２０】
本実施の形態によれば、ねじ軸１０には、機械加工により切欠１２を形成しており、これを磁気的に検出することで、ねじ軸１０の回転角度即ちナット２０の位置検出ができるので、磁気スケールを着磁していた従来技術に比べ、加工形成が容易であるにもかかわらず、耐熱性が高く、残存磁気の影響を受けることがなく、長期間安定して高精度にねじ軸又はナットの位置を測定することができる。
【００２１】
図４は、第２の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。本実施の形態においては、図１に示す実施の形態に対し、凹部の形状が異なるのみであるため、その他の説明は省略する。図４において、ねじ軸１１０の螺旋外周面１１３には、等間隔に凹部１１２ａ〜１１２ｃが形成されているが、この場合、磁気センサ２２が信号を発生するのは、ねじ軸１１０が４回転した位置ごとになる。例えば、車両のオートマチックトランスミッションのシフトアクチュエータに、このボールねじ機構を利用した場合、ナット２０を軸線方向の規定位置に停止させる必要があるが、図４のボールねじ機構は、このような用途に好適なものである。
【００２２】
尚、凹部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、ナット２０の複数の位置を検出するための用途に限らず、例えば凹部１１２ｂのパルス信号を検出したらねじ軸１１０の回転を遅くし、凹部１１２ａのパルス信号を検出する位置で正確に停止させる、或いは凹部１１２ｂのパルス信号を検出したら、他の動作を行う機器のスイッチをオンするなどの用途も考えられる。
【００２３】
図５は、第２の実施の形態の変形例にかかるねじ軸の上面図である。図５に示すねじ軸１１０’においては、図４に示す実施の形態と同様に、磁気センサ２２が信号を発生するのは、ねじ軸１１０’が４回転した位置ごとになるが、凹部１１２ａ’、１１２ｂ’、１１２ｃ’はそれぞれ深さが異なっている（図５では理解しやすいように面積を異ならせているが、実際は深さが異なっている）。磁気センサ２２は、凹部の深さが異なる場合、図３の点線で示すように、異なる高さのパルス信号を発生する。従って、解析部２３は、発生したパルス信号の高さ（即ち強度）を検出して、閾値と比較することで、検出した凹部がどの位置にあるものかを判別することができる。
【００２４】
図６は、別な変形例にかかるねじ軸の上面図である。図５に示す変形例では、凹部の深さを異ならせて、ナット２０の位置を各々検出するようにしているが、本変形例では、凹部１１２ａ”は１つのくぼみであり、凹部１１２ｂ”は２つのくぼみであり、凹部１１２ｃ”は３つのくぼみからなっている。磁気センサ２２は、通過する凹部によって、１つから３つのパルス信号を連続して出力するので、解析部２３は、発生したパルス信号の数を検出して、検出した凹部がどの位置にあるものかを判別することができる。
【００２５】
図７は、更に別な変形例にかかるねじ軸の上面図である。図７に示す変形例では、例えば３０度の角度ごとに切欠１１２ａ’”を形成し、且つ４８個の切欠１１２ａ’”ごとに、深い凹部１１２ｂ’”を形成している。両者は、パルス信号の高さで区別ができる（図３参照）。このように、２種類の凹部をねじ軸１１０’”に形成すれば、ナット２０の相対位置検出と絶対位置検出とが可能となる。
【００２６】
図８は、第３の実施の形態の変形例にかかるボールねじ機構の上面図であり、図９は、かかるボールねじ機構に用いられるねじ軸の上面図である。図９に示すねじ軸２１０は、２条の外ねじ溝２１１Ａ、２１１Ｂを有する２条ねじ軸であり、従って２つの螺旋外周面２１３Ａ、２１３Ｂが形成されている。一方の螺旋外周面２１３Ｂには、例えば角度３０度ごとに凹部２１２ｂが形成されており、他方の螺旋外周面２１４Ａには、凹部２１２ｂより大きな間隔で、凹部２１２ａが形成されている。尚、凹部２１２ａは、互いに深さが異なっており、凹部２１２ｂは、隣接する凹部２１２ａの間で徐々に深さが異なるように形成されている。
【００２７】
図８において、ナット２０の外周から、１８０度の位相で一対のホルダ２１Ａ，２１Ｂが軸線方向に延在するように取り付けられている。ホルダ２１Ａ，２１Ｂにはそれぞれ磁気センサ２２Ａ，２２Ｂが取り付けられている。磁気センサ２２Ａの検出部は、螺旋外周面２１３Ａに向いており、磁気センサ２２Ｂの検出部は、螺旋外周面２１３Ｂに向いており、両者の出力信号は、解析部２３に出力されるようになっている。磁気センサ２２Ａ、２２Ｂと、解析部２３とで検出手段を構成する。
【００２８】
本実施の動作を説明すると、不図示のモータが回転すると、ねじ軸２１０も回転し、螺旋状空間をボールが転動することで、低摩擦でねじ軸１０の回転運動がナット２０の軸線方向運動に変換される。ここで、磁気センサ２２Ａ，２２Ｂの出力信号は、解析部２３に出力されて解析される。
【００２９】
図１０は、解析部２３が入力した磁気センサ２２Ａ、２２Ｂの出力信号と時間の関係を示したグラフである。磁気センサ２２Ａの出力信号は、１回転おきにパルス状の波形となり、磁気センサ２２Ｂの出力信号は、角度３０度ごと（図では６０度ごと）にパルス状の波形となり、且つ１回転の間に徐々に強度が高くなっている。例えば、磁気センサ２２Ａの出力信号のみでは、ねじ軸２１０の細かい回転角度がわからず、磁気センサ２２Ｂの出力信号のみでは、ナット２０の大きな移動量がわからない。本実施の形態は、そのような問題を解決できるものである。即ち、解析部２３は、磁気センサ２２Ａからのパルス信号の高さに基づいて、ねじ軸２１０が現在何周目の位置にあるかを検出でき、更に磁気センサ２２Ｂのパルス信号の高さに基づいて、現在の回転角が何度かわかるので、これらを総合して、ねじ軸２１０は何周目プラス何度回転したかを正確に判別できる。
【００３０】
図１１は、第４の実施の形態にかかるねじ軸の拡大図である。図１１に示すように、本実施の形態のねじ軸３１０は、外ねじ溝３１１の溝底に凹部３１２を等間隔に形成している。かかる凹部３１２は、外ねじ溝３１１と共に転動により形成でき、その場合螺旋外周面３１３に形成するより容易である。又、一般的には外ねじ溝３１１の溝底を、ボールが転動しないような設計を行うので、摩耗などの恐れは低い。又、ナットが大きな荷重を受けるにつれ、ボールと外ねじ溝３１１との接触点は、螺旋外周面３１３に近づくので、ここに切欠等を設けた場合のボールの乗り上がりなどが抑制される。尚、磁気センサの検出部（不図示）は、外ねじ溝３１１の溝底に対峙するようにして配置されると良い。
【００３１】
図１２は、第５の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。図１２に示すねじ軸４１０は、１条の外ねじ溝４１１を有しているが、螺旋外周面２１３には、例えば角度３０度ごとに溝４１２ｂが形成されているが、かかる溝は１回転おきに長くなっている。これを溝４１２ａとする。
【００３２】
更に、図１２において、ナット２０の外周から、１８０度の位相で一対のホルダ２１Ａ，２１Ｂが軸線方向に延在するように取り付けられている。ホルダ２１Ａ，２１Ｂにはそれぞれ磁気センサ２２Ａ，２２Ｂが取り付けられている。磁気センサ２２Ａの検出部は、螺旋外周面２１３の溝４１２ｂの通過位置に対向し、磁気センサ２２Ｂの検出部は、螺旋外周面２１３の溝４１２ａの通過位置に対向している。両者の出力信号は、解析部２３に出力されるようになっている。磁気センサ２２Ａ、２２Ｂと、解析部２３とで検出手段を構成する。
【００３３】
図１３は、解析部２３が入力した磁気センサ２２Ａ、２２Ｂの出力信号と時間の関係を示したグラフである。磁気センサ２２Ａの出力信号は、１回転おきにパルス状の波形となり、磁気センサ２２Ｂの出力信号は、角度３０度ごと（図では６０度ごと）にパルス状の波形となる。本実施の形態は、１条ねじでありながら、解析部２３が、磁気センサ２２Ａからのパルス信号の高さに基づいて、ねじ軸４１０が現在何周目の位置にあるかを検出でき、更に磁気センサ２２Ｂのパルス信号のカウント数に応じて、例えば１回カウントすれば３０度、２回カウントすれば６０度というように、現在の回転角が何度かわかるので、これらを総合して、ねじ軸４１０は何周目プラス何度回転したかを正確に判別できる。
【００３４】
尚、図１２の構成において、センサを一つとすることもできる。この場合における、解析部が入力した磁気センサの出力信号と時間の関係を示したグラフを図１４に示す。例えばねじ軸において、角度３０度ごとに溝を形成し、且つその溝を１回転の間に徐々に長くするようにすると、単一のセンサから出力された信号は、図１４（ａ）に示すようになる。ここで、最も長い溝をセンサが検出すると、最も高い強度のパルスＰの信号を出力することから、２番目に高いパルス（Ｐ−１）を超え且つパルスＰ未満の閾値ＴＨを、解析部で設定することで、閾値ＴＨを超えたパルスが出力されるごとに、１回転したことを判別できる。
【００３５】
又、ねじ軸において、角度３０度ごとに溝を形成し、且つ１回転おきに溝を長くすると、単一のセンサから出力された信号は、図１４（ｂ）に示すようになる。ここで、最も長い溝をセンサが検出すると、最も高い強度のパルスＰの信号を出力することから、それより低いパルス（Ｐ−１）を超え且つパルスＰ未満の閾値ＴＨを、解析部で設定することで、閾値ＴＨを超えたパルスが出力されるごとに、１回転したことを判別できる。
【００３６】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば凹部の形成は、転造加工でなくブローチ加工で行っても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のボールねじ機構は、外周面に外ねじ溝を形成するとともに、所定の間隔で並ぶ複数の凹部を形成したねじ軸と、内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、前記ねじ軸に形成された凹部を検出する検出手段とを有するので、磁気スケールを着磁していた従来技術に比べ、加工形成が容易であるにもかかわらず、耐熱性が高く、残存磁気の影響を受けることがなく、高精度にねじ軸又はナットの位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。
【図２】第１の実施の形態にかかるボールねじ機構に用いるボールねじの上面図である。
【図３】解析部２３が入力した磁気センサ２２の出力信号と時間の関係を示したグラフである。
【図４】第２の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。
【図５】変形例にかかるねじ軸の上面図である。
【図６】別な変形例にかかるねじ軸の上面図である。
【図７】更に別な変形例にかかるねじ軸の上面図である。
【図８】第３の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。
【図９】第３の実施の形態にかかるボールねじ機構に用いるボールねじの上面図である。
【図１０】解析部２３が入力した磁気センサ２２Ａ、２２Ｂの出力信号と時間の関係を示したグラフである。
【図１１】第４の実施の形態にかかるねじ軸の拡大図である。
【図１２】第５の実施の形態にかかるボールねじ機構の上面図である。
【図１３】解析部２３が入力した磁気センサ２２Ａ、２２Ｂの出力信号と時間の関係を示したグラフである。
【図１４】磁気センサの出力信号と時間の別な関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０、１１０，２１０，３１０  ねじ軸
２０  ナット
２２，２２Ａ、２２Ｂ  磁気センサ
２３  解析部
【図１】
2004308704.tif 000003
【図２】
2004308704.tif 000004
【図３】
2004308704.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004308704.tif 000011
【図１０】
2004308704.tif 000012
【図１１】
2004308704.tif 000013
【図１２】
2004308704.tif 000014
【図１３】
2004308704.tif 000015
【図１４】
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