JP7229479B2 - ロケットエンジンのバルブアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ロケットエンジンの燃料バルブを開閉するためのバルブアクチュエータに関する。

例えば特許文献１には、ロケットエンジンに燃料を供給する経路を開閉するバルブアクチュエータが示されている。このバルブアクチュエータ２００は、図１０に示すように、ポペットバルブ２０２を開閉駆動するものであり、モータ２１２と、減速機２１４と、倍力装置２１５とを含む。

ポペットバルブ２０２は、内部に燃料の経路２０３が形成されたバルブハウジング２０４と、バルブハウジング２０４の内部に配された弁体２０６とを含む。弁体２０６は、バルブステム２０７と、バルブステム２０７の先端部に装着された傘部２０８とを有する。

モータ２１２の回転駆動力は、減速機２１４を介して倍力装置２１５に伝わり、倍力装置２１５により増力されると共に直線運動に変換されてポペットバルブ２０２の弁体２０６に伝達される。モータ２１２の駆動力により弁体２０６が軸方向（図中上下方向）に直線運動すると、弁体２０６の傘部２０８と弁座シート２０５との間の隙間の大きさが調整され、これによりバルブハウジング２０４内の経路２０３に供給される燃料の流量を調整することができる。

上記のようなロケットエンジンのバルブアクチュエータに設けられる減速機として、例えば特許文献２に示された減速装置を用いることができる。この減速装置は、図１１に示すように、ボール係合溝１１１が形成された入力板１１０とボール係合溝１２１が形成された出力板１２０とを軸方向に対向させて配置し、両ボール係合溝１１１，１２１に係合させたボール１３０を介して、入力板１１０から出力板１２０に回転トルクを伝達するものである。

具体的に、この減速装置は、共通の回転中心Ｘ周りに回転自在に設けられた入力板１１０及び出力板１２０と、これらの間に介在した複数のボール１３０と、ハウジング１６０に固定された保持器１４０とを備える。入力板１１０に設けられた第１のボール係合溝１１１は円形に形成され、出力板１２０に設けられた第２のボール係合溝１２１は波形に形成される（図１２参照）。入力板１１０は、入力軸１７０の外周に偏心カム１８０を介して取り付けられ、これにより、円形の第１のボール係合溝１１１の曲率中心Ｏ１は、回転中心Ｘから偏心量ａだけ偏心している。入力軸１７０が回転すると、入力板１１０が回転中心Ｘ周りに振れ回り半径ａで公転し、これに伴って第１のボール係合溝１１１に係合したボール１３０が、保持器１４０に設けられたポケット１４１内で半径方向に往復動する。このボール１３０と波形の第２のボール係合溝１２１との接触力の回転方向の分力により、出力板１２０が回転する。

例えば、入力軸１７０の回転に伴って、入力板１１０の中心線Ｏ１が図１２に示す位置から矢印方向に公転すると、回転中心Ｘよりも上方に位置するボール１３０（Ａ）が波形の第２のボール係合溝１２１の外径側部分に押しつけられ、回転中心Ｘよりも下方に位置するボール１３０（Ｂ）が波形の第２のボール係合溝１２１の内径側部分に押しつけられる。このときのボール１３０から第２のボール係合溝１２１に付与される接触力の回転方向の分力Ｆ（矢印参照）により、出力板１２０が回転する。このように、上記の減速装置では、複数のボール１３０のうち、回転中心Ｘよりも上側のボール１３０（Ａ）のみでなく、回転中心Ｘよりも下側のボール１３０（Ｂ）もトルク伝達に寄与するため、負荷容量の増大や振動軽減を図ることができる。

特開２０１７－０８９８２４号公報 特開２０１８－０２１６０２号公報

しかし、上記の減速装置では、図１３に示すように、ボール１３０と各ボール係合溝１１１，１２１とがアキシャル方向に対して傾斜した角度で接触するため、入力板１１０及び出力板１２０がボール１３０から受ける接触力Ｆ３’，Ｆ４’（ボール１３０に加わる接触力Ｆ３，Ｆ４の反力）は、ラジアル方向成分Ｆ３ａ’，Ｆ４ａ’及びアキシャル方向成分Ｆ３ｂ’，Ｆ４ｂ’を有する。このため、入力板１１０を支持する軸受１５１，１５２及び出力板１２０を支持する軸受１５３，１５４には、ラジアル・アキシャル両方向の荷重を受けられるものを使用する必要がある。このような軸受としては、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が一般的であるが、これらの軸受は、ラジアル方向の許容不可と比べてアキシャル方向の許容不可が小さいため、ラジアル・アキシャル両方向の荷重に耐え得るものを選定しようとすると、軸受サイズが大きくなり、結果として減速装置全体のサイズが大きくなってしまう。

また、減速装置内部の接触摩擦損失を低減する手段として、通常は、油等の液体潤滑剤やグリース等の半固体潤滑剤が使用される。しかし、図１０のようなロケットエンジンのバルブアクチュエータは宇宙空間で使用されるため、これに組み込まれた減速装置内の潤滑剤は、微小重力、高真空、幅広い温度範囲などの特殊な環境にさらされる。微小重力環境下では、減速装置を構成する部材の回転による遠心力により潤滑剤が撹拌され、所望の位置に潤滑剤を留まらせることが困難となるため、潤滑膜が形成されず境界潤滑状態となり、摩擦損失の増加、さらには減速装置の破損を招く恐れがある。また高真空環境下では、油やグリースは使用中に蒸発する恐れがあるため、上記と同様に境界潤滑状態となり、摩擦損失の増加や、減速装置の破損に繋がる。さらに宇宙空間では、ロケットエンジンへの太陽光の照射の有無より、ロケットエンジン全体の温度が－１００～＋１５０℃程度の間で変化する。また、ロケットエンジンの燃料として液体水素や液体酸素を使用した場合には、バルブハウジング等を介して減速装置に－２００℃程度の温度が伝わることとなる。これらのような幅広い温度変化は、潤滑剤の劣化を著しく加速させ、減速装置の寿命を極端に短くする恐れがある。

以上のような理由により、宇宙空間等の特殊な環境では油やグリースが使用できないため、減速装置内部の接触摩擦損失が増加し、伝達効率が低下する。このため、大容量のモータが必要となり、結果として減速装置、さらにはバルブアクチュエータ全体のサイズが大きくなる。

以上の事情から、本発明は、ロケットエンジンのバルブアクチュエータの小型化、特に、転動体を介して軸方向に回転トルクを伝達する減速装置を備えたバルブアクチュエータの小型化を図ることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、電動モータと、前記電動モータの回転を減速する減速装置とを有し、ロケットエンジンの燃料バルブを開閉するバルブアクチュエータであって、前記減速装置が、軸方向両側の側面に第１の転動体係合溝を有する第１部材と、前記第１部材の軸方向両側に設けられ、それぞれ第２の転動体係合溝を有する一対の第２部材と、前記第１部材と前記一対の第２部材との軸方向間にそれぞれ設けられ、軸方向に対向する前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝に係合する複数のボールと、前記第１部材と前記一対の第２部材との軸方向間にそれぞれ設けられ、前記複数のボールを周方向に保持する複数のポケットを有する一対の第３部材とを備え、前記第１部材、前記一対の第２部材、及び前記一対の第３部材のうちの何れかが、前記電動モータから回転が入力される入力回転部に設けられ、前記第１部材、前記一対の第２部材、及び前記一対の第３部材のうちの他の何れかが、前記入力回転部と同軸に配された出力回転部に設けられ、前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝のうちの一方が、前記入力回転部及び前記出力回転部の回転中心から偏心した曲率中心を有する円に沿って形成され、前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝のうちの他方が、前記回転中心上に曲率中心を有するピッチ円に対して交互に交差する波状曲線に沿って形成され、前記複数のボールの表面、前記第１の転動体係合溝の内面、前記第２の転動体係合溝の内面、および前記複数のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に固体潤滑被膜を設けたロケットエンジンのバルブアクチュエータを提供する。

このように、本発明のバルブアクチュエータの減速装置では、軸方向両側の側面に第１の転動体係合溝が形成された第１部材を中心として、第２の転動体係合溝を有する一対の第２部材、ポケットを有する一対の第３部材、及び複数のボールをそれぞれ軸方向対称に配置する。これにより、第１部材には、軸方向両側からボールとの接触力が加わるため、これらの接触力のアキシャル成分が相殺される。これにより、第１部材にアキシャル方向の負荷が加わらないため、第１部材を支持する軸受等の支持部に加わる負荷が軽減され、この支持部を小型化することができるため、減速装置の小型化、ひいてはバルブアクチュエータの小型化が図られる。

また、本発明のバルブアクチュエータの減速装置では、複数のボールの表面、第１の転動体係合溝の内面、第２の転動体係合溝の内面、および複数のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に固体潤滑被膜を設けた。これにより、宇宙空間のような特殊環境下であっても、潤滑剤（固体潤滑被膜）を、ボールと第１の転動体係合溝、第２の転動体係合溝、および複数のポケットとの係合部に留まらせることができるため、これらの係合部における接触摩擦損失を低減することができる。その結果、減速装置内部におけるトルク損失が低減され、減速装置の伝達効率が向上するため、バルブアクチュエータ全体を小型化することができる。

減速装置が、第１部材を回転可能に支持する転がり軸受を有する場合、上記のように第１部材に加わるアキシャル方向の負荷が相殺されることでこれを支持する転がり軸受に加わる負荷が軽減されるため、転がり軸受の内輪、外輪、および保持器と転動体との係合部における接触摩擦損失が低減される。このとき、複数の転動体の表面、内輪の軌道面、外輪の軌道面、および保持器のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に固体潤滑被膜を設けることが好ましい。これにより、宇宙空間のような特殊環境下であっても、潤滑剤（固体潤滑被膜）を、転動体と外輪、内輪、及び保持器との係合部に留まらせることができるため、これらの係合部における接触摩擦損失がさらに低減され、減速装置内部におけるトルク損失をさらに低減することができる。

固体潤滑被膜は、例えば、炭素原子およびフッ素原子からなるフッ素樹脂を主成分とした固体潤滑剤や、二硫化モリブデンを主成分とした固体潤滑剤で形成することができる。

以上のように、本発明によれば、減速装置の第１部材にアキシャル方向の負荷が加わらないため、第１部材を支持する軸受等の支持部を小型化することができる。また、宇宙空間のような油やグリースを用いることができない環境で使用する場合でも、減速装置内の係合部の接触摩擦損失を低減することができるため、減速装置内におけるトルク損失が低減され、減速装置の伝達効率が向上する。以上により、減速装置の小型化、ひいてはバルブアクチュエータ全体の小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るバルブアクチュエータを模式的に示す側面図である。 上記バルブアクチュエータに組み込まれた減速装置の断面図である。 上記減速装置の入力部材（第１部材）を軸方向から見た正面図である。 上記減速装置の固定部材（第２部材）を軸方向から見た正面図である。 上記減速装置の出力部材（第３部材）を軸方向から見た正面図である。 図５のＶＩ部の拡大図である。 入力部材、出力部材、固定部材、及びボールを模式的に示す分解斜視図である。 ボールに加わる接触力を示す正面図である。 図２の減速装置の拡大図である。 特許文献１に示された減速装置の断面図である。 特許文献２に示された減速装置の断面図である。 図１１の減速装置の出力板及びボールの正面図である。 図１１の減速装置の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るバルブアクチュエータ１は、図１に示すように、電動モータ４１と、電動モータ４１の回転駆動力（矢印Ｐ１参照）を減速する減速装置４２と、減速装置４２から出力された回転運動（矢印Ｐ２参照）を軸方向の直線運動（矢印Ｐ３参照）に変換してバルブ４４に伝達する運動変換機構４３とを備える。運動変換機構４３としては、図１０に示された倍力装置２１５や、ボールねじ機構などを使用することができる。電動モータ４１を駆動してバルブ４４を軸方向に移動させることにより、バルブ４４の先端の傘部４４ａと、バルブハウジング５０に設けられた流通穴５１の内周面との間の隙間が調整され、これにより流通穴５１を介してバルブハウジング５０内の流路に供給される燃料の流量が調整される。このバルブアクチュエータ１は、宇宙機のロケットエンジンの燃料バルブの開閉に用いられる。

以下、上記のバルブアクチュエータ１のうち、減速装置４２の構成を詳しく説明する。減速装置４２は、図２に示すように、入力回転部２と、出力回転部３と、転動体としてのボール４と、固定部材５と、これらを収容するハウジング６とを主に備える。図示例では、ハウジング６が、入力側（図２では左側）に設けられた第１ハウジング部材６ａと、出力側（図２では右側）に設けられた第２ハウジング部材６ｂとで構成される。両ハウジング部材６ａ，６ｂは、ボルト２３等の適宜の手段により固定される。入力回転部２と出力回転部３とは同軸に配置され、共通の回転中心Ｘを有する。固定部材５は、ハウジング６に固定されている。

入力回転部２は、入力軸７、偏心カム部８、転がり軸受９および入力部材１０を有する。入力軸７の入力側（図中左側）の端部には、電動モータ４１の回転軸４１ａ（図１参照）が連結され、これにより回転軸４１ａと入力軸７とが一体に回転可能とされる。入力軸７は、ハウジング６に対して回転中心Ｘ周りに回転自在とされる。本実施形態では、入力軸７の外周面と出力回転部３の内周面との間に複数の転がり軸受１１が装着されている。図示例では、偏心カム部８の軸方向両側に、軸受１１がそれぞれ２個ずつ設けられる。入力軸７の外周面と第１ハウジング部材６ａの内周面との間には、シール部材２１が設けられる。偏心カム部８は入力軸７の外周に設けられ、図示例では入力軸７と一体に設けられている。偏心カム部８の円筒形外周面８ａの中心線Ｏ１は、回転中心Ｘに対して偏心量ａだけ半径方向に偏心している。入力部材１０は略円盤状を成し、入力部材１０の中心線は、偏心カム部８の円筒形外周面８ａの中心線Ｏ１と一致している。偏心カム部８の円筒形外周面８ａと入力部材１０の内周面との間には、転がり軸受９が装着される。これにより、入力部材１０が偏心カム部８に対して相対回転自在とされる。

固定部材５は、入力部材１０の軸方向両側に設けられる。固定部材５は環状を成し、図示例では両固定部材５が同一材料で同一形状に形成される。各固定部材５は、適宜の手段によりハウジング６に固定される。図示例では、固定部材５のハウジング６に対する周方向移動を規制する規制部材２４が設けられる。規制部材２４は、各ハウジング部材６ａ，６ｂの内周面及び各固定部材５の外周面に設けられたキー溝に装着され、これらと周方向で係合することで、固定部材５のハウジング６に対する周方向移動を規制している。

入力部材１０と各固定部材５とは、所定の間隔で軸方向に並べて配置される。入力部材１０の軸方向両側の側面には、それぞれ第１の転動体係合溝１３が形成される。各固定部材５には、それぞれ第１の転動体係合溝１３と軸方向で対向する第２の転動体係合溝１６が形成される。すなわち、本実施形態では、第１の転動体係合溝１３を有する第１部材が入力部材１０として入力回転部２に設けられ、第２の転動体係合溝１６を有する第２部材が固定部材５とされる。

図３に示すように、入力部材１０に形成された第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１は、半径ｒの円形に形成される。第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１の曲率中心は、偏心カム部８の円筒形外周面８ａおよび入力部材１０の中心線Ｏ１と一致する。すなわち、軌道中心線Ｌ１の曲率中心（すなわち中心線Ｏ１）は、入力回転部２の回転中心Ｘに対して偏心量ａだけ偏心している。この第１の転動体係合溝１３と係合することにより、各ボール４が、周方向（軌道中心線Ｌ１に沿う方向）に移動可能な状態で所定の半径方向位置に保持される。尚、第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１とは、第１の転動体係合溝１３に沿ってボール４を移動させたときのボール４の中心の軌跡を意味する。

図４に示すように、固定部材５に形成された第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２は、回転中心Ｘ上に曲率中心を有する基準ピッチ円Ｃに対して一定のピッチで交互に交差する波状曲線で形成される。すなわち、第２の転動体係合溝１６は、回転中心Ｘとの距離Ｒが基準ピッチ円半径ＰＣＲに対して増減変動する波状曲線で形成される。本実施形態では、軌道中心線Ｌ２の波状曲線に、回転中心Ｘとの距離Ｒが基準ピッチ円半径ＰＣＲより大きい山部が１０個、回転中心Ｘとの距離Ｒが基準ピッチ円半径ＰＣＲより小さい谷部が１０個設けられる。両固定部材５に形成される第２の転動体係合溝１６は、同じ形状を有し、且つ同じ位相となるように配される。尚、第２の転動体係合溝１６の軌道中心線とは、第２の転動体係合溝１６に沿ってボール４を移動させたときのボール４の中心の軌跡を意味する。

図２に示すように、出力回転部３は、入力部材１０の軸方向一方側（図中左側）に設けられた第１出力部材３１と、入力部材１０の軸方向他方側（図中右側）に設けられた第２出力部材３２と、第１出力部材３１と第２出力部材３２とを連結する連結部材３３とを有する。第１出力部材３１は、円筒状の軸部３１ａと、軸部３１ａから外径側に延びる円盤部３１ｂとを有する。第２出力部材３２は、出力軸として機能する軸部３２ａと、軸部３２ａから外径側に延びる円盤部３２ｂとを有する。第２出力部材３２の軸部３２ａは、円筒部３２ａ１と、円筒部３２ａ１の開口部を閉塞する蓋部３２ａ２とを有する。蓋部３２ａ２には、運動変換機構４３の入力軸４３ａ（図１参照）が連結され、これにより、第２出力部材３２と入力軸４３ａとが一体に回転可能とされる。図示例では、第１出力部材３１の軸部３１ａ及び円盤部３１ｂが一体成形され、第２出力部材３２の軸部３２ａ及び円盤部３２ｂが一体成形される。

出力回転部３は、ハウジング６に対して回転中心Ｘ周りに回転自在とされる。本実施形態では、第１出力部材３１の円盤部３１ｂの外径端と第２出力部材３２の円盤部３２ｂの外径端とが連結部材３３で連結され、これにより両出力部材３１，３２が一体に回転可能とされる。具体的には、第１出力部材３１の軸部３１ａの外周面と軸方向一方側の固定部材５の内周面との間に装着された転がり軸受１４と、第２出力部材３２の軸部３２ａの外周面と軸方向他方側の固定部材５の内周面との間に装着された転がり軸受１５とで、出力回転部３がハウジング６に対して一体に回転自在に支持されている。第２出力部材３２の軸部３２ａの外周面と第２ハウジング部材６ｂの内周面との間にはシール部材２２が設けられる。

第１出力部材３１の円盤部３１ｂ及び第２出力部材３２の円盤部３２ｂには、それぞれボール４を保持する複数のポケット１７が形成される。すなわち、本実施形態では、ポケット１７を有する一対の第３部材が出力部材３１，３２として出力回転部３に設けられる。ポケット１７は、図５に示すように、両回転部材１０，２０の回転中心Ｘを中心に径方向に放射状に延びる長穴で形成されている。図示例では、各ポケット１７が円盤部３１ｂ，３２ｂの外周面に開口している。ポケット１７は、同一円周上で周方向等間隔に形成される。本実施形態では、両出力部材３１，３２に設けられたポケット１７が同じ位相（周方向位置）に設けられ、各ポケット１７にボール４が１個ずつ配置されている。各出力部材３１，３２に形成されるポケット１７の個数（すなわち、各出力部材３１，３２と入力部材１０との間に配されるボール４の個数）は、軌道中心線Ｌ２の波状曲線の山部又は谷部の個数（１０個）より１個多い１１個である。

図６に示すように、ボール４は、各ポケット１７内で、基準ピッチ円Ｃを中心として半径方向に所定量ｍの範囲で移動することができる。本実施形態では、各ポケット１７の周壁に、周方向に対向する一対の平行な平坦面１７ａが設けられ、この平坦面１７ａの周方向間隔が、ボール４の外径と略同等（僅かに大径）とされる。これにより、各ボール４が、各ポケット１７により、半径方向移動可能な状態で所定の周方向位置に保持される。

図７に示すように、入力部材１０と両出力部材３１，３２とは共通の回転中心Ｘを有し、この回転中心Ｘ上に両固定部材５の軸心が配置されている。入力部材１０の中心軸Ｏ１（すなわち、第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１の曲率中心）は、回転中心Ｘに対して偏心量ａだけ偏心している。各出力部材３１，３２のポケット１７内に配置されたボール４が、ポケット１７から軸方向両側に突出した状態となり、この突出部分が入力部材１０の第１の転動体係合溝１３及び固定部材５の第２の転動体係合溝１６に係合する（図２参照）。尚、図７では、各部材を模式的に示しており、例えば、ポケット１７を、各出力部材３１，３２の外周面に開口していない長穴で表している。

本実施形態の減速装置４２では、第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２の山部の個数が１０個（谷部の個数も同様に１０個）で、ボール４の個数が１１個であるので、次式により求められる減速比ｉは１／１１となる。
減速比ｉ＝（ボール個数－山部の個数）／ボールの個数
なお、山部の個数はボールの個数±１とされ、減速比ｉがマイナスの値となる場合は、入力回転部２の回転方向に対して出力回転部３の回転方向が逆であることを意味する。

第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２の形状は、入力回転部２から出力回転部３に減速された回転運動が伝達されるように設定される。具体的に、減速装置４２の減速比をｉとしたとき、入力軸７の回転角θにおいて、出力回転部３が回転角ｉθの状態で、第１の転動体係合溝１３に係合したボール４が第２の転動体係合溝１６に係合してトルクを伝達するように、第２の転動体係合溝１６の形状が設定される。詳しくは、入力回転部２及び出力回転部３の回転中心Ｘと第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２との距離Ｒが下記の式（１）を満たすように、第２の転動体係合溝１６の形状が設定される。
Ｒ＝ａ・ｃｏｓ（ψ／ｉ）＋√｛ｒ^２－（ａ・ｓｉｎ（ψ／ｉ））^２｝・・・（１）
但し、
Ｒ：回転中心Ｘと第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２との距離
ａ：回転中心Ｘに対する第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１の中心Ｏ１の偏心量
ｉ：減速比
ψ：出力回転部３の回転角
ｒ：第１の転動体係合溝１３の軌道中心線Ｌ１の半径

入力部材１０、両出力部材３１，３２、及び両固定部材５のうち、少なくともボール４と接触する第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面は、ボール４との表面硬度差による摩耗を低減するために、ボール４の表面と同程度の表面硬度を付与することが好ましい。例えば、第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面の表面硬度を、ＨＲＣ５０～６０の範囲内とすることが好ましい。具体的には、入力部材１０、出力部材３１，３２、及び固定部材５を、Ｓ４５ＣやＳ５０Ｃなどの機械構造用炭素鋼や、ＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼を用いて形成し、これに全体熱処理又は浸炭熱処理を行うことで、上記の表面硬度を得ることができる。あるいは、上記の各部材を、ＳＵＪ２などの軸受鋼やＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて形成し、これに全体熱処理又は高周波熱処理を行うことでも、上記の表面硬度を得ることができる。

バルブアクチュエータ１は宇宙空間で使用されるため、減速装置４２の内部に油等の液体潤滑剤やグリース等の半固体潤滑剤を使用することができない。そこで、本実施形態では、ボール４と接触する第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面に、固体潤滑被膜を設けている（図３、４、及び９の散点領域参照）。固体潤滑被膜は、例えば、フッ素原子や炭素原子からなるフッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）を主成分とした固体潤滑剤や、二硫化モリブデンを主成分とした固体潤滑剤で形成される。これにより、ボール４と、第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面との係合部に固体潤滑被膜を介在させることができるため、互いに係合する面同士の直接接触を抑制し、摩耗及び摩擦損失を低減することができる。具体的に、ＰＴＦＥは分子間凝集力が小さく、せん断強さが非常に小さいため、ＰＴＦＥの粒子間ですべりが発生することで、互いに係合する面同士の摩擦損失を低減することができる。また、二硫化モリブデンは六方晶系の層状の結晶構造を有し、高荷重領域でその層状間ですべりが発生することで、互いに係合する面同士の摩擦損失を低減することができる。ＰＴＦＥや二硫化モリブデンは、熱的、化学的にも安定した潤滑剤であることが知られているため、宇宙空間における幅広い温度変化にも対応することができる。

次に、本実施形態の減速装置４２の動作を要約して説明する。図２に示す入力回転部２の入力軸７を回転させると、入力部材１０が、回転中心Ｘを中心に振れ回り半径ａで公転運動を行う。その際、入力部材１０は、入力軸７に設けられた偏心カム部８に対して回転自在であるので、自転運動をほとんど行わない。これにより、第１の転動体係合溝１３とボール４との間の相対的な摩擦量が低減され、回転トルクの伝達効率が高められる。

入力部材１０が公転運動を行うと、円形の第１の転動体係合溝１３に係合する各ボール４が、固定部材５に形成された第２の転動体係合溝１６に沿って移動する。詳しくは、入力部材１０の中心線Ｏ１が図５に示す位置から矢印方向に公転すると、図８に示すように、入力部材１０に形成された第１の転動体係合溝１３がボール４に係合して、各ボール４に略上向きの接触力Ｆ１が作用する。このボール４が、第２の転動体係合溝１６と係合することで、第２の転動体係合溝１６にボール４との接触力Ｆ２’が作用すると同時に、ボール４に、第２の転動体係合溝１６との接触による接触力Ｆ２が作用する。この接触力Ｆ２の周方向成分Ｆ２ａにより、ボール４が第２の転動体係合溝１６に沿って周方向に移動する。このボール４が、出力回転部３のポケット１７と周方向に係合し、これにより生じる接触力Ｆ３’が、出力回転部３を入力軸７と同方向に回転させる力として作用する（図５参照）。

出力回転部３を回転させる力（すなわち、ボール４から各出力部材３１，３２のポケット１７に作用する接触力Ｆ３’≒ボール４が第２の転動体係合溝１６から受ける接触力Ｆ２の周方向成分Ｆ２ａ）は、ボール４と波形の第２の転動体係合溝１６との接触状態によって変化するため、各々のボール４の位置によって大きさが異なる（図５参照）。ボール４は、入力回転部２及び出力回転部３の回転中心Ｘを中心として配置されているため、出力回転部３を回転させる力は、回転中心Ｘを中心に分布される。具体的に、波形の第２の転動体係合溝１６のうち、山部の頂部と谷部の頂部との中央付近（回転中心Ｘを中心としたピッチ円に対する傾斜角度が大きい部位）に接触する図中上下両端のボール４は、出力回転部３を回転させる力が大きく、波形の第２の転動体係合溝１６の山部の頂部又は谷部の頂部付近（回転中心Ｘを中心としたピッチ円に対する傾斜角度が小さい部位）に接触する図中左右両端のボール４は、出力回転部３を回転させる力が小さい。

上記の減速装置４２では、入力部材１０を中心として、一対の固定部材５、一対の出力部材３１，３２、及び複数のボール４をそれぞれ軸方向対称に配置している。これにより、図９に示すように、入力部材１０は、軸方向両側に設けられたボール４から接触力Ｆ１’を受け、この接触力Ｆ１’のアキシャル成分Ｆ１ａ’が相殺される。これにより、入力部材１０を支持する軸受９や、入力軸７を支持する軸受１１（図２参照）にアキシャル方向の負荷が伝達されないため、軸受９，１１を小型化し、ひいては減速装置４２を小型化することができる。また、軸受９，１１に加わる荷重の方向が限定されることで、軸受内部におけるトルク損失が低減され、減速装置４２のトルク伝達効率が高められる。

また、上記の減速装置４２では、ボール４と第２の転動体係合溝１６との接触力Ｆ２’が、ハウジング６に固定された固定部材５で支持されるため、この接触力Ｆ２’を支持する大型の軸受が不要となる。また、ボール４が、半径方向に往復動しながらポケット１７と回転方向で係合することで、ボール４から出力回転部３に回転方向の接触力Ｆ３’のみが加わる。このように、接触力Ｆ３’の方向が回転方向に限定されることで、出力回転部３を支持する軸受１４，１５を小型化して減速装置４２の小型化が図られると共に、軸受内部におけるトルク損失が低減され、減速装置４２のトルク伝達効率が高められる。

上記のように、トルク伝達時には、各出力部材３１，３２の円盤部３１ｂ，３２ｂのうち、ポケット１７間に設けられた柱部に、ボール４との接触による周方向の接触力Ｆ３’が加わる。従って、円盤部３１ｂ，３２ｂのポケット１７間に設けられた柱部が、ボール４から受ける接触力Ｆ３’により損傷することが懸念される。特に、減速比を大きくするためにポケット１７の数（すなわちボール４の数）を多くすると、ポケット１７間の柱部の周方向幅が細くなるため、ボール４との接触力Ｆ３’により柱部が損傷する懸念が高まる。

この点に関し、本実施形態では、図５に示すように、回転中心Ｘよりも上側のボール４だけでなく、回転中心Ｘよりも下側のボール４にもポケット１７との接触力Ｆ３’が作用し、トルク伝達に寄与する。このため、例えば回転中心Ｘよりも上側のボール４だけでトルク伝達を行う場合と比べて、各ボール４から円盤部３１ｂ，３２ｂに加わる接触力Ｆ３’が分散されるため、円盤部３１ｂ，３２ｂの各柱部に加わる荷重が軽減される。特に、本実施形態では、入力部材１０の両側に出力部材３１，３２を設けることで、ボール４と出力部材３１，３２との接触点が増えるため、各接触点における荷重をさらに軽減できる。さらに、本実施形態では、上述のように、円盤部３１ｂ，３２ｂの材料選択や熱処理により、ポケット１７の内面の表面硬度をＨＲＣ５０以上まで高めると共に、ポケット１７の内面に固体潤滑被膜を設けている。以上により、各出力部材３１，３２のポケット１７間の柱部の耐久性が高められ、あるいは、柱部の耐久性を維持しながら負荷容量を高めることができる。

こうして、入力回転部２の入力軸７に入力された回転が、ボール４を介して出力回転部３に伝達される。その際、入力回転部２及び出力回転部３の回転中心Ｘと第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２との距離Ｒが上記の式（１）を満たすように、第２の転動体係合溝１６の軌道中心線Ｌ２が設計されていることで、出力回転部３は入力軸７に対して減速された回転数で回転する。

本発明の実施形態は上記に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。

上記の実施形態では、第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面に固体潤滑被膜を形成したが、これに限らず、これらのうちの一箇所あるいは二箇所のみに固体潤滑被膜を形成してもよい。例えば、第１の転動体係合溝１３の内面および第２の転動体係合溝１６の内面に固体潤滑被膜を形成した場合、これらとボール４との接触によりボール４の表面に固体潤滑剤が移着される。このボール４の表面に移着した固体潤滑剤が、ボール４とポケット１７との係合部に介在することで、この係合部における摩耗及び摩擦損失が低減される。この他、第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、及びポケット１７の内面に固体潤滑被膜を形成せずに、ボール４の表面に固体潤滑被膜を形成してもよい。あるいは、第１の転動体係合溝１３の内面、第２の転動体係合溝１６の内面、およびポケット１７の内面のうちの少なくとも一箇所と、ボール４の表面とに固体潤滑被膜を形成してもよい。

また、上記のバルブアクチュエータ１では、減速装置４２の内部に設けられた転がり軸受９、１１、１４、１５にも油やグリースを使用できないため、これらの転がり軸受９、１１、１４、１５にも固体潤滑被膜を適用することが好ましい。具体的に、各転がり軸受の転動体（ボール）の表面、内輪の軌道面、外輪の軌道面、保持器のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に、固体潤滑被膜を形成することが好ましい。固体潤滑被膜は、上記と同様に、例えばＰＴＦＥや二硫化モリブデンを主成分とした固体潤滑剤で形成される。これにより、ボールと外輪、内輪、および保持器との係合部におけるトルク損失を低減することができるため、減速装置４２の伝達効率がさらに高められる。尚、転がり軸受９、１１、１４、１５としては、図示例のような深溝玉軸受に限らず、アンギュラ玉軸受やころ軸受を使用してもよい。

また、上記の実施形態では、円形の第１の転動体係合溝１３が全周で連続している場合を示したが、これに限らず、第１の転動体係合溝１３を、例えば、円形の軌道中心線Ｌ１に沿って形成された複数（例えば転動体と同数）の円弧状の溝で構成してもよい。

また、上記の実施形態では、入力部材１０を入力軸７に対して回転自在としたが、入力部材１０と入力軸７とを一体に回転する構成としてもよい。また、上記の実施形態では、入力軸７と偏心カム部８とを一体形成した構成を例示したが、これに限らず、入力軸７と偏心カム部８とを別体に形成し、入力軸７の外周面に偏心カム部８を固定してもよい。

また、上記の実施形態では、第１出力部材３１の軸部３１ａ及び円盤部３１ｂや、第２出力部材３２の軸部３２ａ及び円盤部３２ｂをそれぞれ一体形成しているが、これらの部材を別体に形成してもよい。また、第１出力部材３１と第２出力部材３２とを同一材料で同一形状に形成すれば、これらの製作コストを低減できる。

また、上記の実施形態では、第１出力部材３１と第２出力部材３２とを連結部材３３により連結した場合を示したが、これに限らず、例えば、両出力部材３１，３２を一体形成したり、これらを溶接により一体化したりしてもよい。また、両出力部材３１，３２は、必ずしも連結する必要はなく、これらをそれぞれ独立して回転可能としてもよい。

また、上記実施形態では、減速装置４２の減速比ｉの大きさが１／１１である場合を例示したが、これに限らず、例えば１／５～１／５０の範囲内の任意の大きさの減速比を有する減速装置を使用することができる。この場合は、減速比ｉに応じて、転動体係合溝の軌道中心線の波状曲線の山部／谷部の数や、固定部材のポケットおよびボールの数を適宜設定すればよい。

また、上記の実施形態では、第１の転動体係合溝１３を有する第１部材を入力部材１０、第２の転動体係合溝１６を有する第２部材を固定部材５、ポケット１７を有する第３部材を出力部材３１，３２とした場合を示したが、これに限らず、使用者の要求仕様や使用環境等によって、第１部材、第２部材、及び第３部材を、入力回転部、固定部材、及び出力回転部のそれぞれに適宜割り当てることで、動力伝達形態を任意に変更することができる。

１ バルブアクチュエータ
２ 入力回転部
３ 出力回転部
４ ボール
５ 固定部材（第２部材）
６ ハウジング
７ 入力軸
８ 偏心カム部
９、１１、１４、１５ 転がり軸受
１０ 入力部材（第１部材）
１３ 第１の転動体係合溝
１６ 第２の転動体係合溝
１７ ポケット
３１，３２ 出力部材（第３部材）
３３ 連結部材
４１ 電動モータ
４２ 減速装置
４３ 運動変換機構
４４ バルブ
５０ バルブハウジング

Claims (4)

1. 電動モータと、前記電動モータの回転を減速する減速装置とを有し、ロケットエンジンの燃料バルブを開閉するバルブアクチュエータであって、
   前記減速装置が、軸方向両側の側面に第１の転動体係合溝を有する第１部材と、前記第１部材の軸方向両側に設けられ、それぞれ第２の転動体係合溝を有する一対の第２部材と、前記第１部材と前記一対の第２部材との軸方向間にそれぞれ設けられ、軸方向に対向する前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝に係合する複数のボールと、前記第１部材と前記一対の第２部材との軸方向間にそれぞれ設けられ、前記複数のボールを周方向に保持する複数のポケットを有する一対の第３部材とを備え、
   前記第１部材、前記一対の第２部材、及び前記一対の第３部材のうちの何れかが、前記電動モータから回転が入力される入力回転部に設けられ、前記第１部材、前記一対の第２部材、及び前記一対の第３部材のうちの他の何れかが、前記入力回転部と同軸に配された出力回転部に設けられ、
   前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝のうちの一方が、前記入力回転部及び前記出力回転部の回転中心から偏心した曲率中心を有する円に沿って形成され、前記第１の転動体係合溝と前記第２の転動体係合溝のうちの他方が、前記回転中心上に曲率中心を有するピッチ円に対して交互に交差する波状曲線に沿って形成され、
   前記複数のボールの表面、前記第１の転動体係合溝の内面、前記第２の転動体係合溝の内面、および前記複数のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に固体潤滑被膜を設けたロケットエンジンのバルブアクチュエータ。
2. 前記減速装置が、前記第一部材を回転可能に支持する転がり軸受を有し、
   前記転がり軸受が、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在した複数の転動体と、前記複数の転動体を保持する複数のポケットを有する保持器とを備え、
   前記複数の転動体の表面、前記内輪の軌道面、前記外輪の軌道面、および前記保持器のポケットの内面のうちの少なくとも一箇所に固体潤滑被膜を設けた請求項１に記載のロケットエンジンのバルブアクチュエータ。
3. 前記固体潤滑被膜が、フッ素樹脂を主成分とした固体潤滑剤で形成された請求項１又は２に記載のロケットエンジンのバルブアクチュエータ。
4. 前記固体潤滑被膜が、二硫化モリブデンを主成分とした固体潤滑剤で形成された請求項１又は２に記載のロケットエンジンのバルブアクチュエータ。

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