JPH0413572B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は直線作動器（リニアアクチユエータ）
に関するものであつて、更に詳細には低摩擦再循
環ボール型作動器に関するものである。

従来技術 ネジ山を使用して回転運動を直線運動に変換さ
せる直線作動器は公知である。米国特許第
4060314号に於いては、レーザミラーの反射表面
を位置決めし調節する為に使用される高精度低摩
擦直線作動器が開示されている。上掲の特許に開
示された直線作動器ではネジ山とナツトとを使用
しており、ネジとナツトとの間に於けるネジ山内
に小さなボールベアリングが循環されてネジとナ
ツトとのネジ山間の間に転がり摩擦を与えてい
る。この様な従来作動器に於いては、負荷が多数
のボールとレースとの接触に於いて均一に分布さ
れていると言うこと、及び作動器に予備負荷を与
えることによつてボールとレース間の接触の高い
初期的偏向が与えられていると言うことによつて
その精度及び安定性を得ているものである。上掲
の特許に記載されているようなタイプの直線作動
器に於いては、動作上極めて効果的なものである
がその構成上幾つかの欠点を有している。

第１に、ボールが再循環する構成であるので、
作動器自体の寸法を減少することが困難であり、
従つてある与えられた空間内に位置させることの
できる作動器の数は限定される。ナツト及びレー
スの外形や、ボール再循環機構及びその他の重要
性のある寸法に関する製造上の制限が存在するこ
とから、高精度の作動器を製造する場合には実際
的にネジを直径は0.5インチ又はそれ以上とせざ
るを得ない。第２に、ネジとナツトの構成に於い
てはネジの溝がその回転軸に対して所定の角度を
持つた負荷ベクトルを有していることが問題であ
る。即ち、ネジとナツトとの間に負荷をかけるこ
とによつてスラスト方向（即ち、回転軸方向）の
直線成分と回転軸に直交する半径方向における半
径方向成分の両方のベクトルが発生される。直線
作動器によつて発生されるある与えられたレベル
のスラストに対して、スラスト方向と平行な方向
に全ての負荷が変換される場合と比較してボール
及びボール−レース上にはこの半径方向のベクト
ル成分だけより大きな負荷が印加されることとな
る。

目 的 本発明は以上の点に鑑みなされたものであつ
て、極めて高精度であると共に安定性があり、し
かも構成が簡単であつて製造容易であると共にコ
スト低減化を可能とした改良型直線作動器を提供
することを目的とする。本発明の直線作動器はよ
り小型化してコンパクト化することが可能であ
り、その場合にも上掲特許に記載されたボール−
スクリユー型作動器と同程度の精度、長期安定性
及びスラスト負荷を得ることが可能なものであ
る。

構 成 本発明の１特徴によれば、本直線作動器は実質
的に平行な対向表面を形成する２個のデイスクを
有するものである。これらデイスクの内の一方は
他方のデイスクに対して近離移動可能であり、両
表面間の距離を変化させることが可能である。一
方のデイスクは、対向表面に垂直な回転軸周りに
駆動モータによつて回転される。これらデイスク
の各表面は回転軸周りに同心的に配設された少く
とも２個の環状溝を有しており、これらの溝はボ
ール用レースを形成している。ボールはこれら溝
内に於いて２つの表面の間に挟持されて循環す
る。それぞれのデイスクに於ける溝は前記回転軸
の方向にピツチを有する螺旋の１回転として形成
されている。この螺旋の端部は溝内に設けられた
ステツプによつて接続されている。隣接する同心
円型の溝の中に設けられたこれらステツプの位置
は直径方向に於いて回転軸の両側に位置されてい
る。これらデイスクの少くとも１個のデイスクに
設けられた溝は180度の円弧長を多数越えて凹設
乃至はアンダーカツトされており、従つてこの凹
設部分に沿つて存在するボールは無負荷状態にあ
る。同心円状の溝の凹設部分の円弧位置は180度
オフセツトされており、従つて隣接する溝内の無
負荷状態のボールはデイスクの対向する半分の部
分に存在する。従つて、全負荷はデイスクの全周
に沿つて夫々の溝内に存在するボールによつて分
担されることとなる。

実施例 以下添付の図面を参考に本発明の具体的実施の
態様に付いて詳細に説明する。第１図乃至第４図
は本発明の基本概念を説明する為の各説明図であ
る。一対の同軸内側環状部材１０及び１２は該環
状部材の回転軸に沿つて形成した螺旋の１回転の
形状に機械加工された対向端部表面１３及び１４
を有している。各螺旋回転は、夫々１６及び１８
で示した如く、ステツプで終端しており、第１図
に示した如く、このステツプは内側環状部材の後
側に存在している。螺旋表面は内側環状部材の回
転軸に対して垂直な平面に対し角度θだけ傾斜さ
れている。角度θは、従来のネジ山に於ける場合
と同様に、螺旋のピツチと環状部材の直径とによ
つて決定される。容易に理解されることである
が、それぞれの螺旋表面を互いに接触させて、下
部環状部材１２を上部環状部材１０に対して矢印
で示した方向に回転させた場合には、傾斜表面の
間の相対的な移動によつて環状部材１２が環状部
材１０に対してピツチ及び回転角度によつて決定
される量だけ軸方向に相対的に移動される。１回
転すると、夫々のステツプ部分が整合されるので
２つの環状部材は急激に近接する方向に移動す
る。従つて、最大の軸方向移動量は螺旋１回転の
ピツチよりも幾分小さな値に制限される。

上述した如く、２つの螺旋表面を接触させる代
りに、これら２つの表面の間に循環型ボールを挿
入させることが可能である。この様にボールを設
けることによつて、滑り摩擦ではなく転がり摩擦
とすることが可能であり、しかもこれら２つの環
状部材間の相対的な回転に応答して発生されるこ
れら２つの環状部材間の相対的な軸方向運動に影
響を与えることはない。しかしながら、実質的な
スラスト負荷を吸収することの可能な実際的な装
置を製造する場合には、２つの対向表面１３及び
１４の間の螺旋ギヤツプの全周に渡つてボールを
分布させることが必要である。このことは、循環
するボールがステツプを通過せねばならないと言
うことを意味するので実際的でないかもしれな
い。更に、一方のステツプの角度位置が対向表面
のステツプと相対的に回転するので、対向螺旋表
面と負荷支持接触状態にボールが維持されている
螺旋部分の長さは減少され、従つて回転と共にス
ラスト負荷を伝達するボールの数が減少する。

本発明は、２つの環状部材の相対的回転によつ
て直線運動が与えられると共に、全周に渡つて離
隔配置された一定の数のボールの上に均一にスラ
スト負荷が分布されることを確保することを可能
とした構成を提供するものである。即ち、本発明
に拠れば、２つの付加的な対向螺旋表面を設ける
ものであり、これらの付加的な螺旋表面は回転軸
周りに設けられた最初の組の対向表面と同心円的
に設けられるものである。これら付加的な螺旋表
面は最初の組の対向表面のステツプから180度オ
フセツトされた位置にステツプを有している。再
び第１図及び第２図を参照して説明すると、内側
環状部材１０と同心円的に第２環状部材２０が設
けられており、第２環状部材２０は１螺旋回転の
螺旋表面２２を有すると共にステツプ１６の位置
とは正反対の位置にステツプ２４を有している。
また、内側環状部材１２と同心円的に第２環状部
材２６が設けられており、第２環状部材２６は螺
旋１回転の螺旋表面２８を有すると共にステツプ
１８とは正反対の位置に設けられたステツプ３０
を有している。第１図に於いては、理解を容易に
する為に、第２環状部材２０及び２６の端部を形
成する螺旋表面は夫々軸方向外側にオフセツトさ
せて示してある。従つて、実際には、これら外側
環状部材２０及び２６は共通回転軸に沿つて互い
に近接させることが可能であり、対向螺旋表面２
２と２８との間に介在されるボールによつてのみ
離隔されるものである。

螺旋表面１４がステツプ１８の一端部から３２
で示される様にステツプ１８とは正反対位置にあ
たる点３４へ至るまで多少アンダーカツトされて
いる場合には、この半分のセクタに沿つて移動す
るボールは２つの対向する螺旋表面と負荷支持状
態とはならない。従つて、第２図に示した如く、
右半分セクタに接触するボールのみが負荷状態と
なる。同様に、螺旋表面２８がステツプ３０の端
部３６からステツプ３６の正反対位置に於ける点
３８に渡つてアンダーカツトされている場合に
は、外側螺旋表面２８の左半分セクタに存在する
ボールのみが対向螺旋表面２２と負荷支持状態と
なる。しかしながら、２組の同心円的な螺旋表面
が存在しているので、負荷支持状態にあるボール
は２組の同心円的な螺旋表面の一方又は他方と接
触状態にあり従つて実質的に360度に渡つて負荷
支持状態が存在するものであり、環状部材１０及
び２０と環状部材１２及び２６とによつて形成さ
れる２つのスラスト部材の全周に渡り多数のボー
ルに実質的に一様な負荷分布が形成される。更
に、この様にバランスされた負荷分布とすること
によつて、同じ総数のボールを負荷状態に維持す
ると共に同じく360度に分布させた状態で一方の
スラスト部材を他方のスラスト部材に対して180
度に渡り回転させることが可能である。

次に、第３図及び第４図に関して説明すると、
第３図は行程の開始時点に於いて対向する螺旋表
面のそれぞれのステツプが実質的に整合されてい
る状態であつて、負荷支持ボールと無負荷ボール
との分布状態を示している。第４図は、下部環状
部材１２と２６とを上部環状部材１０と２０とに
対して相対的に約180度回転させた後の状態に於
けるステツプ１８及び３０とボールとの相対的な
位置関係を示している。第１図に示した如く下部
環状部材が上部環状部材に対して180度回転する
と、ボールは螺旋対向表面間を転動して、その中
心位置を環状部材の回転軸の周りに約90度回転移
動する。

上述した如き本発明の原因を使用した直線作動
器の１実施例を第５図に示してある。カラー乃至
は取付けハブ４０が本直線作動器の基台を形成し
ている。ハブ４０の一端には溝が設けられてお
り、玉スラスト軸受けのレースを形成している。
複数個のボールベアリング４２がこのレース内を
循環する。ボールベアリング４２は循環のスラス
ト部材４４に設けられボールレースを形成する係
合溝と係合する。スラスト部材４４は、第１図に
おける上部環状部材１０と２０とに対応してい
る。スラスト部材４４はスプラインを形成した外
側表面４６を有しており、それは駆動シヤフト４
８に形成したスプラインと係合している。スプラ
インを形成したシヤフト４８は、フレキシブルカ
ツプリング５２を介してモータ等（不図示）の駆
動シヤフト５０に結合されている。

スラスト部材４４は環状表面５４を有してお
り、その表面には一対の同心円状の円形溝５６及
び５８（第１図における螺旋表面２２及び１３に
夫々対応している）が形成されている。これらの
同心円状の溝は参照番号６０で示した如くボール
ベアリングに対するレースを形成する。ボール６
０はまた第２スラスト部材６８（第１図における
下部環状部材１２と２６とに対応している）の対
向環状表面６６に形成した一対の環状溝２６及び
６４（第１図における螺旋表面２８及び１４に
夫々対応している）によつて形成されるレースに
係合する。フランジ付きヘツド７２を有する直線
作動器シヤフト７０は１個以上のピン７４によつ
てスラスト部材６８に固着されている。直線作動
器シヤフト７０は、取付けハブ４０に設けられた
中央開口７６に挿通されてシヤフト７０の回転軸
の長手方向に於ける直線運動が可能なように案内
されて設けられている。保持リング７８は組立て
後にシヤフト７０を所定位置に保持するものであ
るが、直線作動器シヤフトの所定の運動を許容す
るものである。キー８０がシヤフト７０に設けら
れたキー溝８２に係合すると共に、取付けハブ４
０に設けられたキー溝に係合し、直線作動器シヤ
フト７０が回転することを阻止している。このキ
ーは、更に、スラスト部材４４に設けられた円弧
状スロツト８３内に延在している。第６図に示し
た如く、この円弧状スロツトは180度をやや越え
た角度範囲に渡つて設けられており、キー８０が
円弧状スロツト８３の両端部と当接することによ
つてスラスト部材４４の角運動を制限している。

本発明の原理によれば、溝５６及び５８とそれ
らと対をなす溝６２及び６４の底部の各々は、第
１図及び第２図に関し説明した螺旋表面の場合と
同様に、スラスト部材４４及び６８の回転軸の周
りに螺旋を１回転することによつて形成されてい
る。第６図に示した如く、螺旋溝５６は浅い端部
と深い端部との間にステツプ８４（第１図におけ
るステツプ２４に対応している）を有しており、
一方内側円形溝５８の螺旋形状に於いてはステツ
プ８６（第１図におけるステツプ１６に対応して
いる）が設けられている。これらのステツプは螺
旋を１回転した場合に一端部から他端部へ溝の深
さが遷位する場合の急激な変化によつて形成され
るものであり、従つてこのステツプの高さは螺旋
のピツチを表わすものである。滑かな動作を得る
為には、ボールが一方のレベルから他方のレベル
へ遷位する場合に順次これらのボールを負荷状態
とさせるか又は無負荷状態とさせるステツプ位置
に於いて円形溝内に遷位角度を機械加工すると良
い。また、これらの溝５６及び５８は螺旋によつ
て決定される公称値に関して僅かに深く形成され
ており、そうすることによつて第１図及び第２図
に関し前に説明した様にボール６０との負荷支持
接触からの逃げを与えている。この様な逃げは、
各々の溝に於いて、ステツプから時計方向に進ん
でステツプと正反対の点、例えば溝５６及び５８
に対しては参照番号９０及び９２で示した点に渡
つて設けられている。従つて、夫々の溝の一方の
約半周に渡つて位置されたボール及び他方の溝の
約半周に渡つて位置されたボールは全てスラスト
部材６８に設けられた対向する溝と第３図及び第
４図に関し説明した様な方法で負荷支持接触状態
にある。この様な状態はスラスト部材４４の180
度の回転の全体に対して言えることである。

理解される如く、スラスト部材４４が180度回
転すると、引つ張り状態にある場合に、直線作動
器シヤフトが螺旋溝のピツチの半分に等しい距離
だけハブ４０に対して相対的に直線移動する。こ
の場合に、スラスト負荷は溝の全周360度に渡つ
て分布されており、その負荷の半分は一方の溝で
受けられており、他の半分は他方の溝で受けられ
ている。この様にスラスト軸受けの全周に渡つて
多数のボールで均一な負荷を受ける構成とするこ
とによつて、高精度とすることが可能であると共
に大きな負荷の下でも長期間の安定性を得ること
が可能である。本発明直線作動器は、特に、米国
特許第4060314号及び4060315号に記載されたタイ
プのレーザミラー取付け装置に応用するのに適し
ている。

本発明の１変形例としては、上述した如く２つ
の同心円状の螺旋溝を使用する代りに第７図及び
第８図に示した如く４個の同心円状螺旋溝を使用
することが可能である。この場合には溝が４個で
あると言う以外は構成及び原理の点に於いて上述
したものと全く同一である。４個の溝を設けた場
合には、２対の溝、即ち内側対１００及び１０２
と外側対１０４及び１０６とを設けたものとして
考えることが可能である。この内側対は第５図の
実施例に示した螺旋溝対と同一である。外側の２
つの溝は夫々のステツプの位置を逆にしてある。
従つて内側溝１００と外側溝１０６とは角度位置
に於いてステツプ１０８と１１０とをそれぞれ
有しており、一方内側溝１０２と外側溝１０４と
は角度位置に於いてステツプ１１２と１１４と
を夫々有しており、この状態を第７図及び第８図
に示してある。

第８図は対向するベアリングのレースを直線状
に引き伸ばした状態を示してあり、丸で囲んだ数
字によつて示された位置は第７図に於ける溝の角
度位置に対応する。理解される如く、内側溝内に
於ける負荷支持ボールは角度位置及びとの間
に存在している。外側溝に付いても同様のことが
言えるが、２つの中間溝に於いては、負荷支持ボ
ールが角度位置ととの間に位置されている。
２個の溝とする代りに４個の溝とする場合の利点
としては、負荷支持ボールの数が増加されると言
うことと、回転軸からの負荷支持ボールの平均半
径距離がレースの360度の全周に渡つて同一であ
ると言うことである。従つて、２溝構成とする代
りに４溝構成とする場合には負荷支持分布を円周
方向のみならず半径方向に付いてもバランスさせ
ることが可能である。一方、２溝構成に於いて
は、負荷支持ボールの半分は回転軸からの距離に
関して負荷支持ボールの他の半分とは異なつた半
径位置に存在するものである。

効 果 以上詳説した如く、本発明によれば、従来のボ
ールスクリユー型の直線作動器と比較して、著し
く寸法を小型化、特に軸方向寸法を短寸とした直
線作動器とすることが可能である。即ち、本発明
においては、内側と外側の二重構造を有する螺旋
表面を使用しているので、180°互いにオフセツト
させた一対の180°螺旋表面セクタによつて全周
（360°）にわたり負荷状態を得ることが可能であ
る。このことは、ボールスクリユーを使用する従
来技術と比較して、直線作動器の軸方向長さを短
かくすることを可能とする。

更に、本発明においては、螺旋の１回転分のみ
を機械加工することが必要であるに過ぎないの
で、製造が極めて容易であり且つ低コストであ
る。従来のボールスクリユー型の直線作動器では
多数回転分の螺旋表面を設ける必要があり、製造
が困難であると共に高価となる。

更に、従来のボールスクリユー型直線作動器で
はネジを切る必要があるので、その性能はネジ切
り精度に制限され、特にネジのピツチをあまり小
さくできないので高精度とすることは不可能であ
つた。本発明では、ネジではなく互いに対向させ
て螺旋表面を設けるものであるから、螺旋表面の
ピツチを極めて小さく設定することが可能であ
り、直線作動器の性能を著しく高精度化させるこ
とが可能である。

以上、本発明の具体的構成に付き詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例に限定されるべきも
のでは無く、本発明の技術的範囲内に於いて種々
の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に基づいて実施化した直
線作動器の模式的説明図、第２図は第１図の２−
２線に沿つて取られた断面図、第３図及び第４図
は本作動器の夫々異なつた位置に於けるボールの
負荷状態とボールの位置とを示した各説明図、第
５図は本直線作動器の１実施例の断面図、第６図
及び第７図はデイスク表面の詳細を示した各平面
図、第８図は溝の底部の形状を拡大して示した説
明図、である。 符号の説明、１０，１２……内側環状部材、１
３，１４……螺旋対向表面、２０，２６……外側
環状部材、１６，１８，２４，３０……ステツ
プ、４４……スラスト部材、５６，５８……円形
溝、６０……ボール、６２，６４……対向円形
溝、６８……第２スラスト部材、７０……直線作
動器シヤフト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 負荷体を軸方向に移動させる直線作動器にお
   いて、前記軸の周りに相対的に回転可能であり前
   記軸に沿つて互いに相対的に移動可能に軸支され
   た第１スラスト部材と第２スラスト部材とを有
   し、これらスラスト部材は夫々前記軸に対し実質
   的に垂直な対向表面を有しており、前記各表面は
   前記軸と同軸的な円形状のボールレースを形成す
   る少なくとも一対の同心円状の溝を有しており、
   各レースは対向表面に設けられ互いに結合するレ
   ースと対向して位置されており、複数個のボール
   が前記対向表面間で結合するレースの対の全周に
   わたつて配置されており、これらのボールの少な
   くとも幾つかは前記スラスト部材が前記軸に沿つ
   て互いに近接する方向に付勢された場合に前記対
   向表面に設けられたレースと係合し、前記レース
   を形成する溝の底部が実質的に全周にわたつて軸
   方向に延在する螺旋で形成され該螺旋の両端部を
   ステツプで連結しており、一方のスラスト部材を
   他方のスラスト部材に対して相対的に回転させる
   手段が設けられており、夫々のレースにおけるス
   テツプが互いに角度方向にオフセツトして配設さ
   れていることを特徴とする直線作動器。 ２ 特許請求の範囲第１項おいて、前記オフセツ
   ト角度が約180度であることを特徴とする直線作
   動器。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記レース
   の少なくとも一方を形成する溝の底部が前記溝の
   長さの一部にわたつて前記溝を定義する螺旋に対
   し軸方向に所定量だけ凹設されており、前記レー
   スに沿つてボールが移動する前記スラスト部材間
   の空間を増加させたことを特徴とする直線作動
   器。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記ステツ
   プから夫々のレースの全周の約半分にわたり凹所
   が凹設されていることを特徴とする直線作動器。 ５ 特許請求の範囲第１項において、各スラスト
   部材が二対の同心状レースを有することを特徴と
   する直線作動器。 ６ 特許請求の範囲第４項において、各スラスト
   部材が二対の同心状レースを有することを特徴と
   する直線作動器。 ７ 特許請求の範囲第１項において、前記溝の
   各々がその溝の全周にわたり実質的に一様な勾配
   で深さが変化すると共にその溝の浅い端部と深い
   端部とが近接する個所においてステツプを形成す
   ると共に前記ステツプは全ての溝において同一で
   あることを特徴とする直線作動器。 ８ 特許請求の範囲第７項において、前記オフセ
   ツト角度が約180度であることを特徴とする直線
   作動器。 ９ 特許請求の範囲第７項において、前記スラス
   ト部材の内の一方における前記溝の底部が同一の
   勾配を維持しながらその全周の略半分を超えて他
   の部分よりも軸方向の深さが所定量だけ深く形成
   されていることを特徴とする直線作動器。