(57)【要約】【課題】外部軸力が作用した場合のナットの軸方向の位置を機械的に保持してエネルギー損失を低減できるボールねじ装置を提供することを目的とする。【解決手段】外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットと、前記軸転動溝とナット転動溝との間を転動するボールとを有し、前記ねじ軸と前記ナットとをボールを介して螺合させたボールねじ装置において、前記軸転動溝の谷部の断面形状の軸谷部投影形状と前記ナット転動溝の谷部の断面形状のナット谷部投影形状の全周における半径が、それぞれ一定でないことを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットと、前記軸転動溝とナット転動溝との間を転動するボールとを有し、前記ねじ軸と前記ナットとをボールを介して螺合させたボールねじ装置において、
前記軸転動溝の谷部と前記ナット転動溝の谷部のそれぞれの断面形状の谷部投影形状の全周における半径が一定でないことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記軸谷部投影形状と前記ナット谷部投影形状が、それぞれ楕円形状であることを特徴とするボールねじ装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記軸谷部投影形状とナット谷部投影形状を円弧を組合わせた多角形状としたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項４】
請求項１から請求項２または請求項３において、
局所的に狭くなった谷間距離により発生する保持トルクを、前記ナットに作用する外部軸力により発生する前記ねじ軸を逆回転させる逆回転トルク以上としたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３または請求項４に記載のボールねじ装置のねじ軸を電動モータと連結したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１、請求項２または請求項３に記載のボールねじ装置のねじ軸を電動モータと連結し、局所的に狭くなった谷間距離により発生する保持トルクが、前記ナットに作用する外部軸力により発生する前記ねじ軸を逆回転させる逆回転トルクに比べて小さい場合に、前記電動モータにより不足した保持トルクを補うことを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の可変動弁装置や自動車のパーキングブレーキ等に用いられる位置保持機能を有するアクチュエータに用いるボールねじ装置およびそれを用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ボールねじ装置はねじ軸を回転させてナットを軸方向に移動させる装置であるが、ボールねじ装置の停止時にナットに外部から軸方向の力（外部軸力という。）が作用すると、ボールを介して螺旋状の軸転動溝が押され、ねじ軸が逆方向に回転してナットが外部軸力の方向に移動する。
このようなボールねじ装置を有するアクチュエータを用いた従来の内燃機関の可変動弁装置は、カムプロフィールを軸方向に変化させた三次元カムを有するカム軸をボールねじ装置のナットに連結し、ねじ軸をＤＣモータやステッピングモータ等の電動モータにより回転させ、カム軸を軸方向に変位させてバルブリフトを可変にしている。
【０００３】
このとき、三次元カムが軸方向に傾斜していることに伴って、バルブスプリングにより常に閉弁方向に付勢されている吸・排気バルブからのバルブ反力の軸方向の分力がナットに作用し、この軸方向分力によるナットの移動を防止するためにカム軸のストロークに応じた付加電流を電動モータに供給して軸方向分力を相殺している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１６１７６４号公報（第４頁、左欄２０行目―第６頁、右欄３行目、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術においては、軸方向分力、つまり外部軸力によるナットの移動を防止するために電動モータに付加電流を供給して外部軸力を相殺しているため、常に電力を供給し続ける必要があり、そのためエネルギーの損失が大きくなるという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、外部軸力が作用した場合のナットの軸方向の位置を機械的に保持してエネルギー損失を低減できるボールねじ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットと、前記軸転動溝とナット転動溝との間を転動するボールとを有し、前記ねじ軸と前記ナットとをボールを介して螺合させたボールねじ装置において、前記軸転動溝の谷部の断面形状の軸谷部投影形状と前記ナット転動溝の谷部の断面形状のナット谷部投影形状の全周における半径が、それぞれ一定でないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
これにより、本発明は、谷間距離の狭い部位で保持トルクを機械的に発生させることができ、外部からの電力等の供給を受けることなくナットに作用した外部軸力により発生するねじ軸の逆回転トルクを抑止してナットの軸方向の位置を保持することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、図面を参照して本発明によるボールねじ装置の実施例について説明する。
【実施例】
【０００８】
図１は実施例のボールねじ装置を示す断面図、図２は保持トルクが発生したときのねじ軸とナットの位置を示す説明図、図３は保持トルクが発生していないときのねじ軸とナットの位置を示す説明図である。
なお、図２、図３は図１に示すＡ−Ａ断面を軸直角方向の平面に投影した図として示してある。
【０００９】
図１において、１はボールねじ装置であり、例えばこま式のボール循環機構を備えたボールねじ装置である。
２はボールねじ装置１のねじ軸であり、合金鋼や炭素鋼等の鋼材で製作され、その外周面には略半円弧形状の軸転動溝３が一定のリードで螺旋状に形成されている。
本実施例の軸転動溝３の谷部の図１に示すＡ−Ａ断面線の断面形状を軸直角方向の平面に投影した形状（軸谷部投影形状４という。）は、従来のねじ軸の軸谷部投影形状が円形状となるのに対して図２、図３に示すように長半径Ｒａ、短半径Ｒｂからなる楕円形状、つまり軸谷部投影形状４の全周における半径が一定とならないように形成されている。
【００１０】
５はボールねじ装置１のナットであり、合金鋼や炭素鋼等の鋼材で製作され、内周面には軸転動溝３と対向する略半円弧形状のナット転動溝６が軸転動溝３と同じリードで形成されている。
本実施例のナット転動溝６の谷部の図１に示すＡ−Ａ断面線の断面形状を軸直角方向の平面に投影した形状（ナット谷部投影形状７という。）は、従来のナットのナット谷部投影形状７が円形状となるのに対して図２、図３に示すように長半径Ｒｃ、短半径Ｒｄからなる楕円形状、つまりその全周における半径が一定とならないように形成されている。
【００１１】
８はボールであり、合金鋼等の鋼材またはセラミック材等で製作された球体であって、軸転動溝３およびナット転動溝６の間に配置される。
上記の軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄとは、これらが図２に示す同位相の位置にある場合にその谷間距離がボール８の直径に比べて狭くなるように形成されており、ねじ軸２の軸転動溝３とこれに対向するナット５のナット転動溝６の間に形成される転動空間が局所的に狭くなるように構成される。
【００１２】
なお、上記の局所的に狭くした谷間距離は、ボール８と軸転動溝３およびナット転動溝６の弾性変形によりその部位のボール８の通過を許容する谷間距離に設定されている。
また、上記のねじ軸２の軸転動溝３とこれに対向するナット５のナット転動溝６および図示しないこま式のボール循環機構により循環転動路が形成され、この循環転動路に複数のボール８と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入される。
【００１３】
これにより、軸転動溝３とナット転動溝６とがボール８を介して螺合し、ねじ軸２を回転させることによってボール８が循環転動路を転動しながら循環してナット５を軸方向に進退動させる。
上述した構成の作用について説明する。
ボールねじ装置１のナット５に図１に示す矢印Ｂ方向に外部軸力が作用した場合、この外部軸力によりボール８が螺旋状の軸転動溝３を押し付けられ、その円周方向の分力によりねじ軸２を逆回転させる逆回転トルクが発生する。
このとき軸谷部投影形状４とナット谷部投影形状７が楕円であることから、軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄとが図２に示すように同位相の位置にあると、その位置での谷間距離が狭いために機械的にボール８を押圧する押圧力が増加してボール８と軸転動溝３およびナット転動溝６間の摩擦力が増加する。この摩擦力がねじ軸２の逆回転トルクに抗する保持トルクとなり、ねじ軸２の外部軸力による逆回転を防止してナット５の位置を保持する。
なお、図３に示すように軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄとの位相がずれていると、谷間距離が広くなって押圧力が減少またはなくなるので保持トルクも減少またはなくなる。
図４はボールねじ効率とナットの位相の関係を示す説明図であり、ねじ軸２の軸方向の移動を固定してねじ軸２を回転させた場合に、ねじ軸２を回転させるためのトルクとそのときにナット５に発生する軸方向の力とにより求めたボールねじ効率とナット５の位相との関係を谷間距離が狭くなる位相、つまり軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｂが一致する位相を始点として示したものである。
図４に示すように、本実施例のボールねじ装置１においては、軸谷部投影形状４とナット谷部投影形状７との楕円形状により、ナット５の位相が１８０度ずれるごとに軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄが一致し、ボールねじ効率が低下してねじ軸２とナット５との間に保持トルクが発生する。
またナット５の位相が９０度付近では軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の長半径Ｒｃが略一致し、また軸谷部投影形状４の短半径Ｒｂとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄが略一致するため谷間距離による押圧力が発生しない。このためナット５の位相が９０度付近から１８０度ずれるごとに押圧力が発生しなくなるので、ボールねじ装置１本来のボールねじ効率が得られる。
このように、本実施例のボールねじ装置１においては軸谷部投影形状４の長半径Ｒａと短半径Ｒｂおよびナット谷部投影形状７の長半径Ｒｃと短半径Ｒｄを調節することにより保持トルクを発生させる領域と保持トルクを発生させない領域を任意に設定することができる。
【００１４】
本実施例のボールねじ装置１のねじ軸２を図示しない電動モータに連結し、ねじ軸２の回転をナット５の軸方向の直線運動に変換するアクチュエータとして用いた場合、例えばナット５をカム軸に連結して可変動弁装置として用いた場合は、ナット５の進退動によりカム軸がバルブを押し下げたときにバルブからのバルブ反力により発生する軸方向分力が外部軸力としてナット５に作用する。
【００１５】
このとき、本実施例のボールねじ装置１は軸谷部投影形状４の長半径Ｒａとナット谷部投影形状７の短半径Ｒｄが同位相となったときに保持トルクが発生するので、バルブ反力により発生した逆回転トルクを抑止してナット５の位置を保持することができる。
以上説明したように、本実施例では、ねじ軸の軸谷部投影形状とナットのナット谷部投影形状との間に形成される谷間距離を局所的にボールの直径に比べて狭くしたことにより、谷間距離の狭い部位で保持トルクを機械的に発生させることができ、外部からの電力等の供給を受けることなくナットに作用した外部軸力により発生するねじ軸の逆回転トルクを抑止してナットの軸方向の位置を保持することができる。
【００１６】
また、軸谷部投影形状とナット谷部投影形状を楕円形状としたことにより軸谷部投影形状の長半径Ｒａとナット谷部投影形状の短半径Ｒｄが互いに同位相になったときに保持トルクが発生するため１８０度ごとに保持トルクを発生させることができる。
なお、本実施例のボールねじ装置をアクチュエータとして用いた場合、逆回転トルクを抑止する保持トルクが不足するときは電動モータにより逆回転トルクに抗するトルクを発生させて保持トルクの不足分を補うようにすれば、電動モータだけで逆回転トルクに抗するトルクを発生させる場合よりも発生させるトルクが少なくてすむのでエネルギー損失を低減することができる。
本実施例では、軸谷部投影形状とナット谷部投影形状の全周における半径を一定とならないようにするために楕円形状を用いて説明したが、必ずしもその形状でなくてもよく、長円形状や多角形状を用いて軸谷部投影形状とナット谷部投影形状の全周における半径を一定とならないようにしてもよい。
例えば、３箇所で保持トルクを発生させる場合は図５に示すように軸谷部投影形状は、ねじ軸２側の破線で示す軸基準円を想定し、円周方向に３等分してその中心からの長さを軸基準円の半径と同じ長さの軸長径部Ｒ１とし、軸長径部Ｒ１から６０度ずれた位置の軸基準円の中心からの長さは軸基準円の半径より短い長さの軸短径部Ｒ２とした円孤で形成する。
またナット谷部投影形状は、ナット５側の破線で示すナット基準円を想定し、円周方向に３等分してその中心からの長さをナット基準円の半径と同じ長さのナット短径部Ｒ３とし、ナット短径部Ｒ３から６０度ずれた位置のナット基準円の中心からの長さはナット基準円の半径より長い長さのナット長径部Ｒ４とした円孤で形成する。
このように構成することにより、軸谷部投影形状の軸長径部Ｒ１とナット谷部投影形状のナット短径部Ｒ３が互いに同位相になったときに保持トルクが発生する領域となり、６０度ずれた付近では保持トルクが発生しない領域となり、３個所、つまり１２０度ごとに保持トルクを発生させることができるボールねじ装置を得ることができる。同様に多角形状とすればさらに小さい角度ごとに保持トルクを発生させることができる。
上記のように本実施例のボールねじ装置を用いれば、軸谷部投影形状とナット谷部投影形状による谷間距離を狭くして所定の角度ごとに保持トルクを発生させることができ、これを利用して保持トルクが発生する位相で段階的にナットの軸方向位置を制御するアクチュエータとすることができる。
【００１７】
なお、本実施例ではこま式のボール循環機構のボールねじ装置を例に説明したが本発明を適用するボールねじ装置はこれに限らず、チューブ式やエンドキャップ式等のボール循環機構を有するボールねじ装置に適用しても上記と同様の効果を得ることができる。
また、ボールねじ装置のねじ軸を回転させてナットを軸方向に進退動させるとして説明したが、ねじ軸を固定してナットを回転させる形式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例のボールねじ装置を示す断面図
【図２】保持トルクが発生したときのねじ軸とナットの位置を示す説明図
【図３】保持トルクが発生していないときのねじ軸とナットの位置を示す説明図
【図４】ボールねじ効率とナットの位相の関係を示す説明図
【図５】３箇所で保持トルクを発生させる場合の構成を示す説明図
【符号の説明】
【００１９】
１  ボールねじ装置
２  ねじ軸
３  軸転動溝
４  軸谷部投影形状
５  ナット
６  ナット転動溝
７  ナット谷部投影形状
８  ボール
【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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