JP2011052760A - 回転−直動変換機構およびアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と大きな動作量という相反する２つの技術的課題を同時に達成することができる回転−直動変換機構およびアクチュエータを提供する。
【解決手段】回転−直動変換機構３は、遊星歯車機構５と、第１、第２のねじ棒８、３２と、送り部材７と、主軸９およびスリーブ３３を備えている。遊星歯車機構５は、モータ４によって太陽歯車２０を駆動し、遊星歯車２４を回転させるとともに公転させる。第１のねじ棒８は、送り部材７に一体に設けられ、主軸９を直動させる。第２のねじ棒３２は、遊星歯車軸２３に一体に設けられている。送り部材７は、遊星歯車２４の公転にともなって回転するとともに第２のねじ棒３２に沿って直動する。スリーブ３３は、カバー２Ｂに回転を防止されて摺動自在に支承され、送り部材７と一体に進退する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転を直動に変換する回転−直動変換機構およびこれを用いたアクチュエータに関する。

通常、回転運動を直線運動（直動）に変換する一般的な回転−直動変換機構としては、ねじが用いられるが、例えば特許文献１に開示されているようにこれに減速歯車機構として遊星歯車機構を組合わせたものも知られている。遊星歯車機構は、駆動軸（入力軸）、従動軸（出力軸）、固定軸、固定軸が共通となる基本軸を備え、プラネタリー型の場合、太陽歯車（入力軸）と、内歯車（固定軸）と、遊星歯車と、遊星歯車の公転運動を拾いトルク、回転を伝達するキャリア（出力軸）によって構成されている。

前記特許文献１に開示されている遊星差動ねじ型回転−直動変換機構は、内燃機関の吸気バルブのバルブリフト量を調整するアクチュエータに組み込まれ、コントロールシャフトを移動させるようにしたもので、サンシャフトと、ナットと、プラネタリシャフトと、リテーナと、ナットを回転させる駆動モータとを備え、ナットの回転をサンシャフトの直動に変換し、これによりコントロールシャフトを軸方向に移動させる構造を採っている。

特開２００７−１８７２２８号公報

しかしながら、上記した従来の遊星差動ねじ型回転−直動変換機構は、サンシャフトの動作量でコントロールシャフトのストロークを確保しているため、コントロールシャフトの最大ストロークが長ければサンシャフトの全長も長くなって動作量が大きくなるため、動作方向に大型化するという問題があった。また、サンシャフトの直動を速くする場合は、ナットの回転速度を上げることで対応することが可能であるが、あまり回転速度を上げると、ナットやプラネタリシャフトやサンシャフトのねじ部が摩耗したり欠けが生じ易くなり耐久性が低下するという問題もあった。

本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小型化と大きな動作量という相反する２つの技術的課題を同時に達成することができ、また高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗や欠けを低減することができる回転−直動変換機構およびアクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る回転−直動変換機構は、ケース内に収納された遊星歯車機構と、第１、第２のねじ棒と、送り部材と、主軸およびスリーブを具備し、前記遊星歯車機構は、モータによって駆動する太陽歯車と、前記ケース内に固定された内歯車と、遊星歯車軸に設けられ前記太陽歯車と前記内歯車に噛合して回転するとともに公転する遊星歯車と、前記遊星歯車軸を回転自在に支承する回転自在なキャリアを有し、前記第１のねじ棒は、前記送り部材に一体に設けられ、前記第２のねじ棒は、前記遊星歯車軸に一体に設けられて前記送り部材を螺合貫通し、前記送り部材は、前記遊星歯車の公転にともなって回転するとともに前記第２のねじ棒に沿って直動し、前記主軸は、前記スリーブに回転を規制されて摺動自在に支承され、前記第１のねじ棒の回転にともなって直動するものである。

本発明に係る回転−直動変換機構は、上記発明において、前記遊星歯車と前記遊星歯車軸を少なくとも２つ備えているものである。

本発明に係る回転−直動変換機構は、上記発明において、前記モータの出力軸と前記太陽歯車との間に過負荷防止用のクラッチを備えているものである。

本発明に係るアクチュエータは、上記発明に係る回転−直動変換機構を備えているものである。

本発明においては、遊星歯車軸に一体に設けた第２のねじ棒によって送り部材を直動させ、送り部材に一体に設けた第１のねじ棒によって主軸を直動させ、これらの直動量の和を回転−直動変換機構の動作量としているので、言い換えれば送り部材と主軸に回転−直動変換機構の動作量を分担させているので、１つの部材を直動させる場合に比べて回転−直動変換機構の軸方向の長さを短縮でき、小型で大きな動作量を得ることができる。また、遊星歯車軸と第１のねじ棒に負荷を分散させているので、高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗や欠けが少なく、耐久性を向上させることができる。

また、本発明においては、遊星歯車と遊星歯車軸を少なくとも２つ備えることにより、さらに負荷を分散させるようにしているので、ギヤやねじの摩耗や欠け等を一層少なく抑えることができる。

また、本発明においては、過負荷防止用のクラッチを備えているので、遊星歯車機構が停止して過負荷状態になったとき、回転伝達を遮断し、遊星歯車機構、送り部材、第１、第２のねじ棒等の破損を未然に防止することができる。

また、本発明においては、本回転−直動変換機構を備えているので、小型でロングストロークが得られ、高速動作も可能となるので、バルブ弁軸を直動させるアクチュエータ等に用いて好適である。

本発明に係るアクチュエータの一実施の形態を示す正面図である。 アクチュエータの断面図である。 回転−直動変換機構の斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は回転−直動変換機構の動作状態を示す断面図である。 本発明に係るアクチュエータの他の実施の形態を示す正面図である。 アクチュエータの断面図である。 図７のＡ−Ａ線断面図である。 図７のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１〜図５において、本実施の形態は、バルブを開閉制御するアクチュエータに適用した例を示す。アクチュエータ１は、ケース２内に収納された回転−直動変換機構３を備えている。

ケース２は、それぞれ円筒状に形成されたケース本体２Ａおよびカバー２Ｂとからなり、ケース本体２Ａの前端側開口部にケース２Ｂの後端側開口部が雄ねじ６ａと雌ねじ６ｂの螺合によって一体的に結合されている。

回転−直動変換機構３は、ケース本体２Ａに収納されたモータ４と、このモータ４によって駆動する遊星歯車機構５と、カバー２Ｂに収納された送り部材７、第１のねじ棒８、主軸９、第２のねじ棒３２およびスリーブ３３等を備えている。

モータ４は、取付板１０を介してケース本体２Ａ内に収納され、外部コード１１の一端が端子１２に接続されている。外部コード１１は、ケース本体２Ａの背面に形成したコード用孔１３よりクランプ部材１４を通して外部に導出され、電源に接続されている。取付板１０は、モータ４の前面に複数個の止めねじ１５によって固定され、ケース本体２Ａの前端側開口部の内周面に形成した環状溝１６内に回転を阻止された状態で嵌め込み固定されている。

遊星歯車機構５は、プラネタリー型の遊星歯車機構からなり、太陽歯車２０と、内歯車２１と、キャリア２２と、２つの遊星歯車軸２３および各遊星歯車軸２３に取付けられた２つの遊星歯車２４とを備えている。

太陽歯車２０は、外周面に平歯ギヤ２６が形成された歯車本体２０Ａと、この歯車本体２０Ａの一端側に設けられた円筒部２０Ｂと、歯車本体２０Ａと円筒部２０Ｂを連結する円板部２０Ｃとを一体に有し、歯車本体２０Ａがモータ４の出力軸２５に微小な隙間を保って回転可能に嵌装され、過負荷防止用のクラッチ２７を介して出力軸２５に結合されている。

クラッチ２７は、出力軸２５に固定された第１のマグネット２７Ａと、太陽歯車２０の円筒部２０Ｂの内周面に設けられ第１のマグネット２７Ａの外周を取り囲む第２のマグネット２７Ｂとを備え、通常の動作時において、第１、第２のマグネット２７Ａ、２７Ｂの磁力によって太陽歯車２０と出力軸２５を磁気的に結合することによりトルク、回転を伝達し、太陽歯車２０側に前記磁力による結合力を越える過大負荷が加わって太陽歯車２０が停止したとき、出力軸２５と第１のマグネット２７Ａが太陽歯車２０に対して空転し、回転を遮断するように構成されている。なお、クラッチ２７としては、マグネットクラッチに限らず、摩擦クラッチ等の他の型式のクラッチを用いることが可能である。

内歯車２１は、ケース本体２Ａの環状溝１６に取付板１０およびベアリング２９とともに嵌挿され、ケース本体２Ａとカバー２Ｂの雄ねじ６ａと雌ねじ６ｂを締め付けることにより取付板１０とベアリング２９によって挟持固定されている。また、内歯車２１は、円筒状に形成され、内周面中間部に一体に設けた環状の平歯ギヤ部２１Ａを有し、この平歯ギヤ部２１Ａの内側に太陽歯車２０の歯車本体２０Ａと遊星歯車２４が挿入されている。さらに、内歯車２１の内部空間で平歯ギヤ部２１Ａより後方側の空間２８ａにはクラッチ２７と太陽歯車２０の円筒部２０Ｂが位置づけられ、前方側の空間２８ｂには前記キャリア２２がベアリング２９を介して回転自在に配設されている。なお、太陽歯車２０は、第１のマグネット２７Ａとキャリア２２によって軸方向の移動が規制されている。

キャリア２２は、円板状に形成され、前記遊星歯車軸２３を回転自在に軸支している。このため、キャリア２２の外周寄りには、２つの軸受孔３０が周方向に１８０°離間して形成され、これらの軸受孔３０に各遊星歯車軸２３が挿通され、ベアリング３１によって回転自在に軸支されている。各遊星歯車軸２３の後端部は、キャリア２２の後方に突出し、その突出端部に遊星歯車２４がそれぞれ圧入、ねじ等によって固定されている。

ここで、通常の遊星歯車機構ではキャリアは、遊星歯車の位置を規制するとともにトルクおよび回転を伝達する機能を有するが、本実施の形態においては、遊星歯車軸２３に第２のねじ棒３２を設けることにより推力および直動の機能を付与し、キャリア２２の機能を分離して送り部材７を設けることによりキャリア２２に遊星歯車軸２３と遊星歯車２４の位置を規制する支持体としての機能のみをもたせている。

遊星歯車２４は、太陽歯車２０の平歯ギヤ２６と内歯車２１の平歯ギヤ部２１Ａに噛合している。したがって、モータ４の駆動によって太陽歯車２０が出力軸２５と一体に回転すると、遊星歯車２４は太陽歯車２０によって回転すると同時に、太陽歯車２０の周りを公転する。これによりキャリア２２は回転し、遊星歯車軸２３は回転するとともに公転する。

送り部材７は、主軸９とキャリア２２との間に回転自在に配設され、前記第２のねじ棒３２が螺合貫通するねじ孔３９を有し、前記遊星歯車２４の公転にともなって回転するとともに前記第２のねじ棒３２に沿って直動する。すなわち、遊星歯車２４が公転すると、遊星歯車軸３２も遊星歯車２４と一体に公転し、これにより送り部材７およびキャリア２２が回転する。また、送り部材７は、第２のねじ棒３２に螺合しているので、第２のねじ棒３２の回転にともない進退（直動）する。

第１のねじ棒８は、基端部（後端部）８ａが送り部材７の中心孔４０に圧入固定され、前端部８ｂがカバー２Ｂの前端側開口部４３付近にまで延在し、外周面に雄ねじ４４が全長にわたって形成されている。

主軸９は、両端が開放する筒状体に形成され、基端部（後端部）側内周面に第１のねじ棒８の雄ねじ４４に螺合する雌ねじ４５が形成され、送り部材７の前面側にスリーブ３３内に挿入された状態で配設されている。また、主軸９は、回転を阻止されてスリーブ３３を摺動自在に貫通し、前端がスリーブ３３とともにカバー２Ｂの前端側開口部４３から外部に突出し、図示を省略したバルブの弁軸５０が連結されている。

第２のねじ棒３２は、遊星歯車２４の公転（キャリア２２の回転）を前記送り部材７に伝達してこれを回転させるとともに進退（直動）させるもので、前記遊星歯車軸２３の前端に一体に突設され、前記送り部材７のねじ孔３９を螺合貫通している。また、第２のねじ棒３２は、十分な長さを有して外周面に送り部材７のねじ孔３９に螺合する雄ねじ３２ａが全長にわたって形成され、スリーブ３３に挿入されている。

スリーブ３３は、筒体からなり、前端面に主軸９が摺動自在に貫通する挿通孔５１を有し、後端側開口部に送り部材７の前端面に一体に突設した筒部５２に軸線方向の移動を阻止された状態で回転自在に連結されている。このため、スリーブ３３は、後端部外周面に周方向に等間隔おいて突設した複数本（例えば４本）の回転防止用ピン５３を有し、これらのピン５３の外端部がスリーブ３３を貫通してカバー２Ｂの内周面に軸線方向に形成した長溝５５に摺動自在に係入することによりカバー２Ｂに対して回転を規制され、内端部が同じくスリーブ３３を貫通して前記筒部５２に形成した環状溝５４に摺動自在に係入することにより送り部材７に対して軸線方向の移動を規制されている。

次に、上記構造からなるアクチュエータ１の動作について図６を参照して説明する。図６（ａ）はストローク零の初期状態（非駆動状態）、（ｂ）は送り部材および主軸が直動している状態、（ｃ）は送り部材および主軸が最大ストローク直動して停止した状態を示す図である。図６（ａ）に示す初期状態において、送り部材７は後退してキャリア２２と接触した初期位置状態に保持されている。この状態において、スリーブ３３は、送り部材７と一体に後退してカバー２Ｂ内に没入し、前端部がカバー２Ｂの前端側開口部４３から僅かに突出した状態を保持している。また、主軸９も後退して前端部がスリーブ３３から僅かに突出し、後端が送り部材７の前面に当接した状態を保持している。

上記のような初期状態において、モータ４を駆動して出力軸２５を正方向に回転させると、その回転はクラッチ２７を介して太陽歯車２０に伝達される。このため、太陽歯車２０は出力軸２５と一体に回転し、遊星歯車２４を回転させる。遊星歯車２４が回転すると、これと一体の遊星歯車軸２３および第２のねじ棒３２も回転し、この第２のねじ棒３２の回転により送り部材７を直動（前進）させる。送り部材７が第２のねじ棒３２に沿って直動すると、スリーブ３３も送り部材７と一体に前進し、カバー２Ｂの前端側開口部４３から外部に徐々に突出する。

また、遊星歯車２４は、回転すると同時に太陽歯車２０の周りを公転するため、この公転により送り部材７およびキャリア２２を回転させる。

送り部材７が回転すると、これと一体の第１のねじ棒８も回転する。このため、主軸９は第１のねじ棒８に沿って直動し、スリーブ３３の外部に徐々に突出する。図６（ｂ）はこの状態を示す。

送り部材７は、最大ストローク直動すると、スリーブ３３の外周面後端部に設けたストッパ部５６がカバー２Ｂの内壁面５７に当接することにより停止する。送り部材７が停止すると、キャリア２２、遊星歯車軸２３、遊星歯車２４および太陽歯車２０も停止して遊星歯車機構５が停止状態となる。このため、過負荷状態となり出力軸２５および第１のマグネット２７Ａが太陽歯車２０に対して空転し、回転伝達が遮断される。

回転伝達が遮断されて送り部材７が回転しなくなると第１のねじ棒８も回転しなくなるため、主軸９はその位置で停止する。図６（ｃ）はこの状態を示す。なお、送り部材７と主軸９を元の初期位置状態に復帰させるときは、モータ４を上記とは反対方向に駆動すればよい。

このようなアクチュエータ１においては、直動部材を送り部材７および主軸９で構成し、これらを第１のねじ棒８と第２のねじ棒３２の二軸によってそれぞれ直動させるようにしているので、回転−直動変換機構３の動作量が、送り部材７の移動量と、主軸９の移動量を加えた値となり、動作量を大きくすることができる。また、第１のねじ棒８と第２のねじ棒３２は、回転−直動変換機構３の初期状態において、ケース２内に並列に収納されているので、回転−直動変換機構３の軸方向の長さを短縮でき、小型化することができる。さらに、それぞれ２つからなる遊星歯車軸２３および遊星歯車２４と、第１、第２のねじ棒８、３２とを備え、これらに負荷を分散させているので、高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗、欠け等が少なく、耐久性を向上させることができる。

図７〜図１０は本発明に係るアクチュエータの他の実施の形態を示すものである。
本実施の形態は、アクチュエータ１’の回転−直動変換機構３’を、太陽歯車２０と、内歯車２１と、キャリア２２と、３つの遊星歯車軸２３および３つの遊星歯車２４とからなる遊星歯車機構５’と、送り部材７、第１のねじ棒８、主軸９、第２のねじ棒３２、スリーブ３３等で構成したものである。すなわち、本実施の形態は、遊星歯車軸２３と遊星歯車２４と第２のねじ棒３２の数をそれぞれ１つ増やした点が上記した実施の形態におけるアクチュエータ１と異なるだけで、その他の構成は全く同一であるため、同一構成部材、部分については同一符号をもって示し、その説明を省略する。

このようなアクチュエータ１’によれば、遊星歯車軸２３と遊星歯車２４および第２のねじ棒３２の数を増加させているので、負荷を一層分散させることができ、上記した実施の形態のアクチュエータ１に比べてギヤやねじの摩耗、欠け等をより一層低減することができる。

１、１’…アクチュエータ、２…ケース、３、３’…回転−直動変換機構、４…モータ、５、５’…遊星歯車機構、７…送り部材、８…第１のねじ棒、９…主軸、２０…太陽歯車、２１…内歯車、２２…キャリア、２３…遊星歯車軸、２４…遊星歯車、２５…出力軸、２７…クラッチ、３２…第２のねじ棒、３３…スリーブ。

Claims (4)

1. ケース内に収納された遊星歯車機構と、第１、第２のねじ棒と、送り部材と、主軸およびスリーブを具備し、
   前記遊星歯車機構は、モータによって駆動する太陽歯車と、前記ケース内に固定された内歯車と、遊星歯車軸に設けられ前記太陽歯車と前記内歯車に噛合して回転するとともに公転する遊星歯車と、前記遊星歯車軸を回転自在に支承する回転自在なキャリアを有し、
   前記第１のねじ棒は、前記送り部材に一体に設けられ、
   前記第２のねじ棒は、前記遊星歯車軸に一体に設けられて前記送り部材を螺合貫通し、
   前記送り部材は、前記遊星歯車の公転にともなって回転するとともに前記第２のねじ棒に沿って直動し、
   前記主軸は、前記スリーブに回転を規制されて摺動自在に支承され、前記第１のねじ棒の回転にともなって直動する回転−直動変換機構。
2. 請求項１記載の回転−直動変換機構において、
   前記遊星歯車と前記遊星歯車軸は少なくとも２つである回転−直動変換機構。
3. 請求項１または２記載の回転−直動変換機構において、
   前記モータの出力軸と前記太陽歯車との間に過負荷防止用のクラッチを備えている回転−直動変換機構。
4. 請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の回転−直動変換機構を備えたアクチュエータ。

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