JP4576982B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

この発明は、ボールねじ装置に関するもので、一般産業用機械に使用できるほか、車両用の変速装置の動力操作機構に使用することができるボールねじ装置に関する。

ボールねじ装置による被駆動体の駆動方式には、ねじ軸を回転し、ねじ軸に螺合するナットをねじ軸方向に移動させて被駆動体を駆動する駆動方式が広く利用されている。この構成では、ナットの直線運動をそのまま被駆動体の直線運動として利用することが一般的であるが、前記ナットの直線運動を一旦アーム部材の揺動運動に変換し、アーム部材の揺動運動を再び回転運動に変換して被駆動体を駆動する駆動方式も利用されている（特許文献１参照）。

図５乃至図７は、上記したボールねじ装置を使用した車両用変速機をモータを動力として操作する変速機用電動駆動装置（以下、駆動装置という）１００を説明する図で、図５は駆動装置１００の配置を説明する図、図６は車両用変速装置の操作レバーのシフトパターンの一例、図７は図５のＡ−Ａ線に添った断面図である。

まず、全体の構成の概略を説明する。駆動装置１００は、図５に示すように、車両用変速装置のケース１０３の上に設置され、車両用変速装置の操作レバーが図７で符号１０８で示す駆動ピンに連結され、駆動ピン１０８が図６に示すシフトパターンに従って移動して車両用変速装置のギアの切換を行なうように構成されている。

駆動装置１００は主ハウジング１０４と副ハウジング１０５から構成される（図５参照）。図７において、主ハウジング１０４の内部には、切換シャフト１０７がシフトスリーブ１１２の内部に同軸に配置されており、切換シャフト１０７は軸方向及び軸心の回りに回転自在に支持されている。また、切換シャフト１０７には駆動ピン１０８が設けられており、主ハウジング１０４の外部に突出している。

切換シャフト１０７の図７で右側には雄セレーション１１１が形成され、シフトスリーブ１１２の雌セレーション１１３を介してシフトスリーブ１１２の一端に結合され、シフトスリーブ１１２の回転は前記したセレーション結合を介して切換シャフト１０７に伝達される。

また、切換シャフト１０７の図７で右側は、切換シャフト１０７と同心の円弧状ラック１１６が形成されており、シフトスリーブ１１２に形成された開口部１１９において、モータ１０９（図５参照）で駆動されるピニオン１１７と噛合しており、切換シャフト１０７はラック１１６に噛合するピニオン１１７の回転により軸方向左右に移動する。

シフトスリーブ１１２には、ラック１１６とピニオン１１７とが噛合する開口部１１９の付近の左右に２つの揺動アーム１２２が設けられており、揺動アーム１２２の先端付近には、ボールねじ機構１２３のナット１２８がピン１２９を介して揺動可能に取り付けられている。ピン１２９が保持される揺動アーム１２２の保持孔１３０は後述する理由から細長孔に形成されている。

ナット１２８はモータ１１０（図５参照）で駆動されるボールねじ軸１２４に螺合しており、ボールねじ軸１２４の回転によりナット１２８はボールねじ軸１２４の軸方向（図７では紙面に垂直方向）に移動し、揺動アーム１２２を介して切換シャフト１０７と同軸に配置されているシフトスリーブ１１２をその軸心の回りに揺動させる。

以上の構成により、モータ１０９（図５参照）を駆動すると、ピニオン１１７、ラック１１６を経て切換シャフト１０７は軸方向に移動して駆動ピン１０８をセレクト方向（図６で中立位置Ｎを通る水平方向）に移動し、車両用変速装置のシフトレバーはギア切換段選択位置に移動し、駆動ピン１０８に連結される車両用変速装置のシフトレバーによるギア切換段の選択が行われる。

次に、モータ１１０（図５参照）を駆動すると、揺動アーム１２２はボールねじ軸１２４、ナット１２８、揺動アーム１２２を介してその軸心回りに揺動し、駆動ピン１０８に連結される車両用変速装置のシフトレバーを、先に選択されたギア切換段のギアを噛合位置に設定する。

上記した構成では、ナット１２８がボールねじ軸１２４の軸方向に移動して揺動アーム１２２を介してシフトスリーブ１１２を、その軸心（切換シャフト１０７の軸心と同じ）の回りに揺動させると、ナットの軸心とシフトスリーブの軸心との間隔が変動するから、ナット取り付け用ピン１２９を保持する揺動アーム１２２に設けられている保持孔１３０は、上記した間隔の変動に対応できるように、図７で上下方向に細長い細長孔に形成されている。
特開２００２−３１７８７１号公報。

上記したような、ナットの軸心とシフトスリーブの軸心との間隔の変動をシフトスリーブに設けた細長孔で解決することは、大きな負荷を扱う場合には構造上必ずしも望ましくない。そこで、以下説明するような構成が提案されるが、なお、ナットが揺動アームに作用する作用点のずれが発生し、ボールねじ装置の寿命を短縮させる不都合があった。以下、その構成と解決しようとする課題について説明する。

図８及び図９は、上記した提案された変速機用電動駆動装置の揺動アームとボールねじとの機構部分（以下、駆動機構という）を説明する図である。

図８の（ａ）は駆動機構の一部を断面で示した正面図、図８の（ｂ）は図８の（ａ）のＡ−Ａ線に添った断面図である。図８の（ａ）（ｂ）において、ボールねじ装置２０１のボールねじ軸２０３は、ハウジング２００に保持されたボールベアリング２０２により回転自在に支持され、ボールねじ軸２０３の一端は減速歯車装置２０４を介してモータ２０５に接続されている。モータ２０５の回転によりボールねじ軸２０３が回転すると、ボールねじ軸２０３に螺合しているナット２１０が軸方向に移動する。なお、ボールねじ装置２０１自体は従来のボールねじ装置と変らない。

ナット２１０は、螺合するボールねじ軸２０３の左右に、それぞれ外側縁にガイド２１０ｃ、２１０ｄを備えた溝（すり割）２１０ａ及び２１０ｂが形成され、溝２１０ａには後述する揺動アームである揺動アーム２２０の略円板状の先端部２２０ａがガイド２１０ｃに添って緩みなく嵌合し、溝２１０ｂには後述する揺動アームである揺動アーム２２１の略円板状の先端部２２１ａがガイド２１０ｄに添って緩みなく嵌合している。

揺動アーム２２０及び２２１は、一方の端部が上記したようにナット２１０の溝２１０ａ、２１０ｂに嵌合する略円板状の先端部２２０ａ、２２１ａに形成され、他方の端部は、被駆動軸であるシフトスリーブ２３０に固定結合されている。なお、揺動アーム２２０及び２２１が揺動しても、被駆動軸であるシフトスリーブ２３０の軸心は移動せず、その位置で回動するように構成されている。

以上説明した駆動機構の動作を説明する。揺動アーム２２０とナット２１０の溝２１０ａの関係と、揺動アーム２２１とナット２１０の溝２１０ｂの関係は同じであるから、以下の説明では、揺動アーム２２０とナット２１０の溝２１０ａの関係についてのみ説明する。

図９は、駆動機構の動作を説明する図で、図９の（ａ）は駆動機構の揺動アーム２２０が中立位置、即ちボールねじ軸２０３の軸心に対して揺動アーム２２０の中心軸が垂直な位置にある状態を示している。

揺動アーム２２０の先端部２２０ａとナット２１０の溝２１０ａのガイド２１０ｃとの接触点はＰ０にあり、これはボールねじ軸２０３の軸心を含む平面上にあって、ボールねじ軸２０３には格別の反力は作用しない。

図９の（ａ）に示す状態から、ボールねじ軸２０３の回転によりナット２１０が右側に移動すると図９の（ｂ）に示す状態になる。揺動アーム２２０の先端部２２０ａは溝２１０ａの内部で傾斜するが、揺動アーム２２０の他方の端部２２０ｅは軸心の移動しないシフトスリーブ２３０に固定されているので、揺動アーム２２０の傾斜は、揺動アーム２２０をシフトスリーブ２３０側（図９の（ｂ）では上側）に移動させる結果となり、揺動アーム２２０の先端部２２０ａとナット２１０の溝２１０ａのガイド２１０ｃとの接触点はＰ１に移動する。即ち、接触点はボールねじ軸２０３の軸心よりも上側に移動し、ナット２１０が揺動アーム２２０に作用する作用点にずれｄが発生する。

このずれにより、図９の（ｃ）に示すように、接触点に作用する軸方向の力Ｆにずれｄが乗算された反力モーメントＭ（Ｍ＝Ｆ×ｄ）がナット２１０に作用する。この結果、ボールねじ内部に装填されているボールへ均等な軸方向力が作用しなくなり、ボールねじ軸、或いはナットのボール転動面に部分的に大きな面圧を作用させることになる。大きな面圧の発生は、ボールねじの転がり疲労を促進させ、ボールねじ装置の寿命を短縮させるという不都合が生じる。

この発明は、上記した不都合を解決し、揺動アームの作用点のずれの発生を防止してボールねじ装置の寿命を長く維持させることができるボールねじ装置を提供することを目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、ねじ軸と、該ねじ軸に螺合するナットと、前記ねじ軸とナットとの間に形成されたボール循環路を循環移動する複数個のボールとから構成されるボールねじ機構と、揺動可能な被駆動軸と前記ナットとを連結するアーム軸方向に伸縮可能な揺動アームとを備え、前記揺動アームは、前記ナットの両側に配設され、前記ナットに回動自在に取付けられる第１の部材と、揺動可能な被駆動軸に固定される第２の部材との２つの部材のみからなり、前記第１の部材と第２の部材とは、アーム軸方向には伸縮可能に、アーム軸方向に交差する方向には移動が禁止されて結合され、前記第１の部材は、前記ナットとの連結側の端部が該ナットに対して所定の揺動中心の回りに回動自在に取付けられており、該所定の揺動中心は前記ねじ軸の軸心を含み、且つ前記被駆動軸の軸心に平行な平面上にあることを特徴とするボールねじ装置である。

また、前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部が略円板状に形成された結合部材を備え、前記ナットは前記揺動アームの結合部材に嵌合する凹部を備えている。

また、前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部に円形結合孔を備え、前記ナットは前記揺動アームの円形結合孔に嵌合する突起部を備える構成でもよい。

また、前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部に円形結合孔を備え、前記ナットは前記揺動アームの円形結合孔に嵌合するピンが固定される孔を備え、前記揺動アームとナットとは前記ピンで結合される構成でもよい。

この発明のボールねじ装置は、揺動アームが、前記ナットの両側に配設され、前記ナットに回動自在に取付けられる第１の部材と、揺動可能な被駆動軸に固定される第２の部材との２つの部材のみからなり、前記第１の部材と第２の部材とは、アーム軸方向には伸縮可能に、アーム軸方向に交差する方向には移動が禁止されて結合され、前記第１の部材は、前記ナットとの連結側の端部が該ナットに対して所定の揺動中心の回りに回動自在に取付けられており、その揺動中心はねじ軸の軸心を含み、且つ前記被駆動軸の軸心に平行な平面上にあるように構成されているから、揺動アームが傾斜してもナットに反力モーメントを発生させることがなく、ボールねじ機構の寿命を長くすることができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は、この発明の実施の形態の揺動アームとボールねじ機構から構成される駆動装置を説明する図で、先に図８の（ａ）（ｂ）を参照して説明した駆動機構を改良したものである。

図１の（ａ）は揺動アームとボールねじ機構から構成される駆動装置１０の一部を断面で示した正面図で、図１の（ｂ）は図１の（ａ）のＢ−Ｂ線に添った断面図である。

図１の（ａ）（ｂ）において、ボールねじ装置１１のボールねじ軸１２は、ハウジング１９に保持されたボールベアリング１４、１５により回転自在に支持され、ボールねじ軸１２の一端は、減速歯車機構１７を経てモータ１８に接続されている。モータ１８の回転により減速歯車機構１７を経てボールねじ軸１２が回転すると、ボールねじ軸１２に螺合しているナット１３が軸方向に移動する。ボールねじ装置１１自体は従来のボールねじ装置と変らない。

ナット１３は、螺合するボールねじ軸１２からみて左右に、それぞれ外側縁に突起部１３ｃ、１３ｄを備えた凹部（すり割）１３ａ及び１３ｂが形成されており、凹部１３ａには、後述する揺動アーム２１の略円板状の先端部２１ａが緩みなく且つ回動可能に嵌合する円弧状の受部１３ｐが備えられている。また、凹部１３ｂも同様に後述する揺動アーム２２の略円板状の先端部２２ａが緩みなく、且つ回動可能に嵌合する円弧状の受部１３ｑが備えられている。

即ち、揺動アーム２１の略円板状の先端部２１ａと円弧状の受部１３ｐ、１３ｑとは円弧面で揺動自在に接触しており、接触する円弧面の中心軸はボールねじ軸１２の軸心上に位置している。言い換えれば、揺動アーム２１の揺動中心Ｍはボールねじ軸１２の軸心を含む平面上にある。

揺動アーム２１は第１及び第２の部材から構成されており、第１の部材２１Ａは、一方の端部が上記したナット１３の円弧状の受部１３ｐを備えた凹部１３ｃに嵌合する略円板状の先端部２１ａを備え、他方の端部は、後述する第２の部材２１Ｂと軸方向に摺動自在な連結部材（例えば棒状体）２１ｂに構成されている。

第２の部材２１Ｂは、一方の端部が揺動自在な被駆動軸３０に固定結合され、他方の端部は先に説明した第１の部材２１Ａの連結部材２１ｂに摺動自在に結合する連結部材（例えば中空体）２１ｃに構成されている。

第１の部材２１Ａの連結部材２１ｂと第２の部材２１Ｂの連結部材２１ｃとの間の摺動連結部２１Ｃは、軸方向には摺動自在で、軸回りには回転しない構造の連結部であればどのような構造であってもよく、インロー継手などが使用できる。

図１の（ｃ）は連結部２１Ｃの構成の一例を示す断面図で、図１の（ｂ）のＣ−Ｃ線に添った断面図である。断面矩形に形成された第１の部材２１Ａと第２の部材２１Ｂが軸方向には摺動自在で、軸回りには回転することなく連結されている。

揺動アーム２２も、第１の部材２２Ａと第２の部材２２Ｂとから構成される。その構成は揺動アーム２１と全く同一の構成であるから説明を省略するが、揺動アーム２２の第１の部材２２Ａは、ナット１３の円弧状の受部１３ｑを備えた凹部１３ｄに嵌合する略円板状の先端部２２ａを備え、第２の部材２２Ｂは被駆動軸３０に固定結合される。

被駆動軸３０は、例えば、前記した図７のシフトスリーブ１１２や、図８のシフトスリーブ２３０に相当する部材で、揺動アーム２１及び２２が揺動するとき、被駆動軸３０の軸心は移動せず、その位置で回動するように構成されている。被駆動軸３０の軸心はボールねじ軸１２の軸心と平行な平面上にあり、被駆動軸３０の軸方向はボールねじ軸１２の軸方向と直角に交差している。

駆動装置の動作を説明する。揺動アーム２１とナット１３の凹部１３ｃの関係と、揺動アーム２２とナット１３の凹部１３ｄとの関係は同じであるから、以下の説明では揺動アーム２１とナット１３の凹部１３ｃの関係についてのみ説明する。

図２は、駆動装置の動作を説明する図で、図２の（ａ）は駆動装置の揺動アーム２１が中立位置、即ちボールねじ軸１２の軸心に対して揺動アーム２１の中心軸が垂直な位置にある状態を示している。

揺動アーム２１の先端部２１ａとナット１３の凹部１３ｃの円弧状の受部１３ｐとの接触点はＰにあり、接触点Ｐはボールねじ軸１２の軸心を含む平面上にあって、ボールねじ軸１２には格別の反力は作用しない。

図２の（ａ）に示す状態から、ボールねじ軸１２の回転によりナット１３が右側に移動すると図２の（ｂ）に示す状態になる。揺動アーム２１の先端部２１ａはナット１３の円弧状受部１３ｐを備えた凹部１３ｃの中で、揺動中心Ｍの回りに傾斜する。このとき、揺動アーム２１の他方の端部である第２の部材２２Ｂは軸心の移動しない被駆動軸３０に固定されているので、揺動アーム２１の傾斜は、揺動アーム２１の摺動連結部２１Ｃにおいて第１の部材２１Ａと第２の部材２１Ｂとの距離が調整され、揺動アーム２１の先端部２１ａとナットの凹部１３ｃとの接触点Ｐ及び揺動中心Ｍは移動しない。

この構成により、揺動アーム２１が右或いは左側に傾斜しても、揺動アーム２１の揺動中心は常にボールねじ軸１２の軸心を含み、且つ被駆動軸３０の中心線と平行な平面上にあるから、ナット１３に発生する作用力はナットボール循環路の中心を通り、ナット１３に反力モーメントは発生しない。

図３は、揺動アームとボールねじとの接続部分の第１変形例を説明する図で、図３の（ａ）はその正面図、図３の（ｂ）はその断面図である。先に図１及び図２を参照して説明した実施の形態と同一部材には同一符号を付してある。

図３の（ａ）及び（ｂ）において、ナット１３には、螺合するボールねじ軸１２の左右２つの平面部１３ｒ及び１３ｓの中央に、それぞれ円柱状の突起１３ｆ及び１３ｇが設けられており、突起１３ｆ及び１３ｇの軸心は、ボールねじ軸１２の軸心と直交し、ボールねじ軸１２の軸心を含む平面上に位置している。

揺動アーム２１の先端部２１ａには前記ナット１３の円柱状の突起１３ｆに嵌合する円形孔２１ｆが形成され、揺動アーム２２の先端部２２ａにも、同様には前記ナット１３の円柱状の突起１３ｇに嵌合する円形孔２２ｆが形成され、揺動アームの先端部２１ａ及び２２ａは、円柱状の突起１３ｆ及び１３ｇの回りに回転自在に取付けられ、揺動アームの揺動中心Ｍはボールねじ軸１２の軸心を含み、且つ被駆動軸３０の中心線と平行な平面上にある。

この構成によっても、揺動アーム２１が右或いは左側に傾斜しても、揺動アーム２１の揺動中心Ｍは常にボールねじ軸１２の軸心を含み、且つ被駆動軸３０の中心線と平行な平面上にあるから、ナット１３に発生する作用力はナットボール循環路の中心を通り、ナット１３に反力モーメントは発生しない。

図４は、揺動アームとボールねじとの接続部分の第２変形例を説明する図で、図４の（ａ）はその正面図、図４の（ｂ）はその断面図である。先に図１及び図２を参照して説明した実施の形態と同一部材には同一符号を付してある。

図４の（ａ）及び（ｂ）において、ナット１３には、螺合するボールねじ軸１２からみて左右に２つの平面部１３ｒ、１３ｓが形成されており、平面部１３ｒ、１３ｓの中央にはそれぞれ円形孔１３ｊ及び１３ｋが設けられており、円形孔１３ｊ及び１３ｋの軸心は、ボールねじ軸１２の軸心と直交し、ボールねじ軸１２の軸心を含む平面上に位置している。

揺動アーム２１の先端部２１ａは、前記ナット１３の平面部１３ｒ上に設けられた円形孔１３ｊに対応する位置に円形孔２１ｇが形成され、揺動アームの先端部２１ａは円形孔１３ｊを貫通するピン２３ａの回りに回転自在に取付けられる。揺動アーム２２の先端部２２ａも、同様に前記ナット１３の平面部１３ｓ上に設けられた円形孔１３ｇに対応する位置に円形孔２２ｇが形成され、揺動アームの先端部２２ａは円形孔１３ｋを貫通するピン２４ａの回りに回転自在に取付けられる。揺動アームの先端部２１ａ及び２２ａは、円柱状の突起１３ｆ及び１３ｇの回りに回転自在に取付けられ、揺動アームの揺動中心Ｍはボールねじ軸１２の軸心を含み、且つ被駆動軸３０の中心線と平行な平面上にある。

この構成によっても、揺動アーム２１が右或いは左側に傾斜しても、揺動アーム２１の揺動中心Ｍは常にボールねじ軸１２の軸心を含み、且つ被駆動軸３０の中心線と平行な平面上にあるから、ナット１３に発生する作用力はナットボール循環路の中心を通り、ナット１３に反力モーメントは発生しない。

以上説明した発明の実施の形態では、この発明のボールねじ装置を車両用の変速装置の動力操作機構に適用するものとして説明したが、この発明のボールねじ装置は、車両用の変速装置の動力操作機構に限られるものではなく、広く一般の機械装置の駆動機構に適用できることは言うまでもない。

ナットの直線運動を一旦揺動アームの揺動運動に変換し、再び回転運動に変換して被駆動体を駆動するボールねじ装置で、揺動アームが傾斜してもその揺動中心位置はボールねじ機構のねじ軸の軸心を含み、且つ揺動アームの回転軸中心線と平行な平面上にあり、ナットに反力モーメントが発生せず、ボールねじ機構の寿命を長くすることができるボールねじ装置を提供する。

この発明の実施の形態の揺動アームとボールねじ機構から構成される駆動装置を説明する図。 図１に示す駆動装置の動作を説明する図。 揺動アームとボールねじとの接続部分の第１変形例を説明する図。 揺動アームとボールねじとの接続部分の第２変形例を説明する図。 従来のボールねじ装置を使用した変速機用電動駆動装置の配置を説明する図。 図５に示す車両用変速機の操作レバーのシフトパターンの一例を説明する図。 図５に示す車両用変速機のＡ−Ａ線に添った断面図。 従来の駆動装置の揺動アームとボールねじ機構部分を説明する図。 図８に示す従来の駆動装置の動作を説明する図。

符号の説明

１１ ボールねじ装置
１２ ボールねじ軸
１３ ナット
１３ａ、１３ｂ 溝
１３ｃ、１３ｄ 突起部
１３ｆ、１３ｇ 円柱状の突起
１３ｊ、１３ｋ 円形孔
１３ｐ、１３ｑ 受部
１３ｒ、１３ｓ 平面部
１４、１５ ボールベアリング
１７ 減速歯車機構
１８ モータ
１９ ハウジング
２１、２２ 揺動アーム
２１ａ、２２ａ 先端部
２１ｆ、２２ｆ 円形孔
２１ｇ、２２ｇ 円形孔
２１Ａ、２２Ａ 第１の部材
２１Ｂ、２２Ｂ 第２の部材
２１Ｃ、２２Ｃ 摺動連結部
３０ 被駆動軸

Claims (4)

1. ねじ軸と、該ねじ軸に螺合するナットと、前記ねじ軸とナットとの間に形成されたボール循環路を循環移動する複数個のボールとから構成されるボールねじ機構と、
   揺動可能な被駆動軸と前記ナットとを連結するアーム軸方向に伸縮可能な揺動アームとを備え、
   前記揺動アームは、前記ナットの両側に配設され、前記ナットに回動自在に取付けられる第１の部材と、揺動可能な被駆動軸に固定される第２の部材との２つの部材のみからなり、前記第１の部材と第２の部材とは、アーム軸方向には伸縮可能に、アーム軸方向に交差する方向には移動が禁止されて結合され、
   前記第１の部材は、前記ナットとの連結側の端部が該ナットに対して所定の揺動中心の回りに回動自在に取付けられており、該所定の揺動中心は前記ねじ軸の軸心を含み、且つ前記被駆動軸の軸心に平行な平面上にあること
   を特徴とするボールねじ装置。
2. 前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部が略円板状に形成された結合部材を備え、前記ナットは前記結合部材に嵌合する凹部を備えること
   を特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。
3. 前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部に円形結合孔を備え、前記ナットは前記揺動アームの円形結合孔に嵌合する突起部を備えること
   を特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。
4. 前記揺動アームは、前記ナットとの連結側の端部に円形結合孔を備え、前記ナットは前記揺動アームの円形結合孔に嵌合するピンが固定される孔を備え、前記揺動アームとナットとは前記ピンで結合されること
   を特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。

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