JPH10122323A - 負荷感応型直動無段変速機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外力等に対応した動作環境に応じて与えられ
た負荷に感応して減速比を無段階で変えることができる
とともに回転運動を直線運動に高い伝達効率で変換する
ことができる負荷感応型直動無段変速機を提供する。 【解決手段】 所定ピッチＰを有する螺旋状の螺子部
（４、３）の螺合により構成された螺子軸２とナット１
において、前記ナット１における螺子部３の直径Ｄ０を
これに螺合する螺子軸２の螺子部４の直径ｄより若干大
きく形成するとともに、前記ナット１を支持部材５に対
して回動自在に支持し、該支持部材５を前記螺子軸２直
径方向に所定のばね荷重Ｆ_S によって付勢して前記ナッ
ト１を螺子軸２に偏心して接触するように構成したこと
を特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットや運搬機
械あるいはジャッキ等、幅広い分野において利用され得
る負荷感応型直動無段変速機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業界のあらゆる分野において電動モー
タ等の回転運動を直動運動に変換する変換装置として、
螺子あるいはボール螺子が広く採用されている。しか
し、それらの変速比は固定されていたために、通常は使
用条件のうち最大の推力を生成する条件でも作動が可能
なように大きな減速比を選択せざるを得なかった。その
ため、負荷が軽いときでも低速でしか駆動できないとい
う大きな問題があった。そこで、負荷に応じて変速比を
変更できる負荷感応型の変速機能を有する駆動系が必要
とされていたが、実質的には全く存在していないのが現
状である。例えば、これまで電動モータからボール螺子
を駆動するまでの歯車列を切り換えるような機構は存在
していたが、負荷によって変速比を切り換えるために
は、負荷を検知して切換え動作を行うところの制御機構
を必要とするために、大がかりな装置となる他、変速も
連続的に行えるものではなかった。また、この変速機構
として車両等において採用しているような負荷感応型ト
ルクコンバータを使用する方法も考えられるが、これも
装置が大型化して広い範囲で使用できる装置とはなって
いない。

【０００３】また、従来から図６に示すような、螺子軸
に対してそのピッチ円半径よりも若干半径が大きい軸受
を支持部材に対して回動自在に支持し、該軸受を螺子軸
の直径方向に偏心させて接触させるように構成した変速
機はすでに市販されている。このものは、螺子軸と軸受
のそれぞれの中心軸から偏心接触点までの半径の差が螺
子軸の回転にしたがって並進運動を生成するものであ
り、その特徴は、ボール螺子のような複雑な構造でな
く、螺子軸と軸受のみから構成されるので構造が単純で
軽量かつ安価であり、また摩擦によることなくローリン
グコンタクトによって回転運動を直線運動に変換できる
ため、摩擦損失が少なく変換効率が高い等の利点があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
図６の例では、螺子軸に対する軸受の偏心量は調整ビス
等により所定の一定の値に設定されて使用されるもので
あるため、その変速比は一定であった。

【０００５】そこで本発明は、前記従来の変速機におけ
る諸課題を解決して、外力等に対応した動作環境に応じ
て与えられた負荷に感応して減速比を無段階で変えるこ
とができるとともに回転運動を直線運動に高い伝達効率
で変換することができる負荷感応型直動無段変速機を提
供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、所定
ピッチを有する螺旋状の螺子部の螺合により構成された
螺子軸とナットにおいて、前記ナットにおける螺子部の
直径をこれに螺合する螺子軸の螺子部の直径より若干大
きく形成するとともに、前記ナットを支持部材に対して
回動自在に支持し、該支持部材を前記螺子軸直径方向に
所定のばね荷重によって付勢して前記ナットを螺子軸に
偏心して接触するように構成したことを特徴とするもの
である。また本発明は、前記螺子軸とナットの偏心接触
面について、それの偏心量と接触角度の関係を与える螺
子軸あるいはナットの螺子面のフランク形状と、前記ナ
ットを螺子軸に対してその直径方向に付勢するばねにお
ける変位と荷重の特性との相互関係を調整することによ
って、螺子軸あるいはナットに作用する軸方向の負荷荷
重が増大するにしたがって前記ナットの螺子軸に対する
偏心量が所望の割合で減少しかつ減速比が所望の割合で
増大する特性を有し、また前記螺子軸あるいはナットに
作用する軸方向の負荷荷重が減少するにしたがって前記
ナットの螺子軸に対する偏心量が所望の割合で増大しか
つ減速比が所望の割合で減少する特性を有するように構
成したことを特徴とするもので、これらを課題解決のた
めの手段とするものである。

【０００７】

【実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。図１は本発明の負荷感応型直動無段変速機
の１実施の形態の基本原理を示すものであり、図１
（Ａ）は低負荷荷重小減速比でナット直行速度大なる時
の直動無段変速機の縦断面図、図１（Ｂ）は高負荷荷重
大減速比でナット直行速度小なる時の直動無段変速機の
縦断面図、図１（Ｃ）は低負荷荷重時（図１（Ａ））か
ら高負荷荷重時（図１（Ｂ））までのナットと螺子軸の
噛合状態を無段階的に示した横断面図である。図１
（Ａ）に示すように、本発明の回転運動を直線運動に変
換する変換装置を兼ね備える負荷感応型直動無段変速機
は、所定ピッチＰを有する螺旋状の台形螺子等からなる
螺子部４を具備する螺子軸２が、同様に所定ピッチＰを
有する螺旋状の台形螺子等からなる螺子部３を具備する
ナット１の内周側に螺合されて構成されている。

【０００８】本発明による負荷感応型直動無段変速機
は、前記ナット１と螺子軸２とから構成された構成体に
おける螺子軸２に対し、ナット１の直径Ｄ０をこれに螺
合する螺子軸２の螺子部４の直径ｄより若干大きく形成
する（螺子軸２のピッチ円半径よりもナット１のピッチ
円半径を若干大きく形成）とともに、前記ナット１を支
持部材５に対してベアリング６等を介して回動自在に支
持し、該支持部材５を前記螺子軸２の直径方向に所定の
ばね荷重Ｆｓによってばね７等により付勢されて前記ナ
ット１を螺子軸２に偏心して接触するように構成したも
のである。そして、その移動原理は、回転する螺子軸２
とこれに螺合するナット１との間に生じた相対回転差に
依存して互いに軸動するものである。すなわち螺子軸２
が回転のみして軸動不可であればナット１が相対回転差
に見合うだけのピッチ分だけ軸方向に直行する。

【０００９】以上の構成により、前記螺子軸２とナット
１の螺子部３、４における偏心接触面について、それら
の偏心量Ｘと接触角度の関係を与える螺子軸２あるいは
ナット１の螺子面のフランク形状と、前記螺子軸２を直
径方向に付勢するばね７における変位と荷重の特性との
相互関係を調整することによって、螺子軸２あるいはナ
ット１に作用する軸方向の負荷荷重が増大するにしたが
って、前記ナット１の螺子軸２に対する偏心量Ｘが所望
の割合で減少しかつ減速比が所望の割合で増大する特性
を有し、また前記螺子軸２あるいはナット１に作用する
軸方向の負荷荷重Ｆ１が減少するにしたがって前記ナッ
ト１の螺子軸２に対する偏心量Ｘが所望の割合で増大し
かつ減速比が所望の割合で減少する負荷感応型の無段変
速特性を有するものであり、広く産業界全般にて使用で
きる。

【００１０】さらに詳述すると、前記ナット１における
螺子部３の直径Ｄ０とこれに螺合する螺子軸２の螺子部
４の直径ｄとの関係は、ナット１の直径Ｄ０がこれに螺
合する螺子軸２の螺子部４の直径ｄより若干大きく形成
され、図１（Ｂ）のように、螺子軸２に図面下方への高
負荷荷重Ｆ１が作用した場合に（ナット１に上方への高
負荷荷重Ｆ１（点線矢印）が作用したことと同効）、螺
子軸２の軸心ｌがナット１の軸心Ｌに対して小さな偏心
量Ｘが与えられ、すなわちナット１における螺子軸２と
の噛合直径Ｄ（Ｘ）≒ｄのように選定して、ナット１と
螺子軸２との間の減速比を無限大に近いものとするもの
である。つまり、螺子軸２の回転に対してナット１の軸
方向の直行速度は０に近くなるように選定されるもので
ある。ただし、Ｘ＝０ではナット１が空転するのみで、
推力は生じないために、Ｘ＝０となるような使用は避
け、有限値の範囲にて作動させる。

【００１１】螺子軸２の軸方向に対して所定の負荷荷重
Ｆｘが作用した場合に、ナット１を付勢するばね荷重Ｆ
ｓに抗してナット１の軸心Ｌが螺子軸２の軸心ｌから直
径方向に所定の偏心量Ｘだけ偏心した状態を説明するも
のである。この状態では、ナット１に作用するばね荷重
Ｆｓは負荷荷重Ｆｘが螺子斜面のカム作用によってナッ
ト１に及ぼすナット直径方向の力と釣り合っている。そ
して、ばね荷重Ｆｓは偏心量Ｘに逆比例して増大する傾
向を有する（偏心量Ｘが大なるとき、ばね７は伸びてい
るために押圧力は小さく、偏心量Ｘが小なるとき、ばね
７は圧縮されて大きな押圧力を発揮する。）ため、軸方
向の負荷荷重が高くなると偏心量Ｘが小さくなるように
ばね７が大きく圧縮され、軸方向の負荷荷重が低くなる
とばね力で偏心量Ｘが大きくなるものである。つまり、
螺子軸２に図面下方へ所定の負荷荷重Ｆｘが作用した場
合を考えると、螺子軸２とナット１の偏心接触面につい
て、それの偏心量Ｘと接触角度の関係を与える螺子軸２
あるいはナット１の螺子面のフランク形状と、前記螺子
軸２を直径方向に付勢するばね７における変位と荷重の
特性との相互関係が自動的に調整されることになって、
螺子軸２あるいはナット１に作用する軸方向の負荷荷重
が増大するにしたがって前記ナットの螺子軸に対する偏
心量が所望の割合で減少しかつ減速比が所望の割合で増
大する特性を有し、また前記螺子軸あるいはナットに作
用する軸方向の負荷荷重が減少するにしたがって前記ナ
ットの螺子軸に対する偏心量が所望の割合で増大しかつ
減速比が所望の割合で減少する特性を得ることができ
る。このとき、螺子軸２における螺子部４とナット１に
おける螺子部３との接触点Ｑが両者の噛合部を形成して
おり、その時の螺子軸２の回転直径はｄであり、ナット
１の回転直径はＤ（Ｘ）＝Ｄ０−２（ａ−Ｘ）である
（ａは負荷なし時の最大偏心量）。したがって、螺子軸
２の角速度をωとすれば、その時のナット１の角速度Ｗ
は、両者の接触点Ｑを通過する円周距離が等しいことか
ら導かれるπｄω＝πＤ（ｘ）Ｗより、Ｗ＝（ｄ／Ｄ
（ｘ））ω＝（ｄ／（Ｄ０−２（ａ−Ｘ））ωとなる。
角速度の減速比Ｒ（ｘ）はＷ／ω＝ｄ／Ｄ（ｘ）であ
る。

【００１２】このように、本発明では、ナット１と螺子
軸２との偏心支持部分にばね荷重による付勢という単純
な構成を付加したことにより、従来では及びもつかなか
った負荷感応型無段変速という著しく重要な効果を生ぜ
しめることになったのである。何故なら、このばね荷重
によってナット１を螺子軸２に対し、大きな偏心が出る
ように支持している状態にて負荷である螺子軸２（ある
いは相対的にナット１）の軸方向の負荷荷重が増大する
と、ナット１および螺子軸２の各螺子部３、４のフラン
ク形状は通常は台形をしているため、螺子軸２はナット
１の中心に移動しようとする。かくして、螺子軸２とナ
ット１のそれぞれの軸心ｌ、Ｌから偏心接触点Ｑまでの
半径の差が軸方向の直行運動を生成していたのであるか
ら、その差が少なくなると大きな変速効果が生成され
て、低速化しながら強力な推力を生成するという動作が
自然に生成されるのである。極限的に、螺子軸２とナッ
ト１の軸心ｌとＬとが一致すると、螺子軸２とナット１
のそれぞれの軸心ｌ、Ｌから偏心接触点Ｑまでの半径の
差がなくなり、螺子軸２が回転してもナット１は軸動し
なくなる。つまり減速比は無限大になり、無限大の推力
が生成できることになる。ただし、この時、極限状態で
は螺子軸２が回転するとナット１は同軸にて自由に回転
するため実質の推力はゼロに低下することになる。その
ため、負荷荷重に応じた推力は、偏心量が多い状態から
ゼロに近づいて行くと次第に増大し、ある偏心量で最大
になり、偏心量がゼロで推力もゼロになるような変動を
示すものと考えられる。そのため、実際の偏心量の作動
範囲は、ある値からゼロに近いが有限の小さな値まで変
動するようにして変速させることになると思われる。図
３に偏心量Ｘと出力軸速度（ナット１の直行速度）との
関係を示す。

【００１３】このような構成によって、ロボットあるい
は運搬機械さらにはジャッキ等において外力等に対応し
た動作環境に応じてロボットの脚あるいは運搬用腕等に
作用される負荷が、本発明の構成体である螺子軸２とナ
ット１との間で軸方向に作用する負荷として作用し、該
負荷に応じて、螺子軸２の入力回転を無負荷最小減速比
でナット直行速度最大時から最大負荷最大減速比でナッ
ト直行速度最小時までの無段階で変速してナット１の軸
方向の直行速度として出力することができる。しかも、
本発明によれば、その構成体が動力を回転運動から直線
運動に変換する変換装置としても機能することができ
て、従来のもののように電気的な制御装置などを伴うこ
とがなく、機械的な簡素な構造とすることが可能となり
低コストとなる。また、本発明の負荷感応型直動無段変
速機によれば、低負荷時には力は小さいが速やかにナッ
ト１が螺子軸２上を移動し、高負荷時には直行速度が遅
くなるがナット１が螺子軸２上を大きな推力で移動する
ことが可能となる。

【００１４】図２は、本発明の負荷感応型直動無段変速
機がユニット化されて支持部材であるハウジング５内に
収納された状態を示すもので、図２において、所定ピッ
チを有する螺旋状の螺子部の螺合により構成された回転
自在なナット１と螺子軸２との構成体は、ナット１の外
周に装着された一対のベアリング６、６によって支持部
材である筒状のハウジング５の内周に嵌合支持されてい
る。ハウジング５は、図２（Ｂ）に示すようにスプリン
グ７によって直径方向に所定のばね荷重にて付勢され、
図２（Ｃ）に示すように回転不能でスライド自在にレー
ル状の規制ガイド８に沿って直行するように構成されて
いる。本図における実施の形態では、図２（Ａ）に示す
ように、ナット１と螺子軸２との負荷感応型直動無段変
速機の構成体を３個連結した３連構成を採用して確実で
円滑な駆動力の伝達により、より効果的な変換機能およ
び無段変速機能の実現が図られている。

【００１５】図４は、ナット１のフランク断面形状とし
てやや螺子山の斜面が凸面形状を呈している場合の偏心
量と出力軸速度との関係を示したもので、偏心量の増大
に対して出力軸速度が比較的徐々に増大する特性を有す
ることが理解される。図５では、ナット１のフランク断
面形状としてやや螺子山の斜面が凹面形状を呈している
場合の偏心量と出力軸速度との関係を示し、偏心量の増
大に対して出力軸速度が比較的急激に増大する特性を有
する。このように、本発明の負荷感応型直動無段変速機
を採用するロボットや運搬機械さらにはジャッキ等にお
いては、それらの脚や腕が外力等に対応した動作環境に
適合すべき挙動特性を示すように、螺子軸およびナット
構成体において適切なフランク形状が決定される。

【００１６】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明の趣旨の範囲内で、螺子軸およびナッ
トの形状、それらの材質、螺子部の断面形状および螺合
形態、ナットの支持部材における支持形態、スプリング
等による支持部材の付勢形態等については適宜採用でき
るものである。また、前述した実施の形態ではナットを
支持する支持部材を所定のばね荷重によって螺子軸直径
方向に付勢するように構成したが、場合によっては螺子
軸自体をナット側に所定のばね荷重によって付勢するよ
うに構成することも可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、ロボットあるいは運搬機械さらにはジャッキ等
において外力等に対応した動作環境に応じてロボットの
脚あるいは運搬用腕等に作用する負荷荷重が、螺子軸と
ナットとの間で軸方向に作用する負荷として作用して、
該負荷に応じて螺子軸の入力回転を無負荷最小減速比で
ナット直行速度最大時から最大負荷最大減速比でナット
直行速度最小時までの無段階で変速してナットの軸方向
の直行速度として出力することができる。しかも、本発
明によれば、その構成体が動力を回転運動から直線運動
に変換する変換装置としても機能することができて、従
来のもののように変速のための駆動機構や電気的な制御
装置などを伴うことがないので、機械的な機構の採用の
みにより著しく簡素な構造とすることが可能となり、堅
牢で軽量かつ小型化が可能で低コストとなる。また、本
発明の負荷感応型直動無段変速機によれば、簡素な機械
的な構造を有するものでありながら、低負荷時には力は
小さいが速やかにナットが螺子軸上を移動し、高負荷時
には直行速度が遅くなるがナットが螺子軸上を大きな力
で移動することが可能となり、負荷感応型直動無段変速
機を備えたロボットあるいは運搬機械等の脚や腕が外力
等に対応した動作環境に無理なく適合すべき挙動特性を
示すという絶大な効果を奏することになる。

【００１８】また、通常の螺子軸とナットとの構成体に
おける接触面での摩擦による伝達機構のものでは伝達効
率がせいぜい２０〜３０％程度であるのに対して、本発
明の負荷感応型直動無段変速機によれば、螺子軸とナッ
トとの偏心接触面において滑ることなくローリングコン
タクトによって作動するために、摩擦に起因する損失が
殆どなく、７０〜８０％程度の伝達効率が得られる（伝
達効率の値については、本発明の負荷感応型直動無段変
速機における偏心接触点が有限の面にて接触していた
め、面各部で相対速度差がある。その効果は詳述しない
がヘルツの応力式等を用いて計算することができ
る。）。この伝達効率は、ボール螺子の伝達効率９０％
に比較すればそれほどではないものの、ボール螺子より
もはるかに簡単な構造で上記のような伝達効率を達成で
きたことは注目に値するものである。さらに、ナットが
螺子軸の直径方向に生ずる非常に微小な移動にて大きな
変速比が生成できるため、負荷に感応した変速は、殆ど
肉眼でも関知できないような微小なナットの動きによっ
て行われるため、その応答速度は著しく高速であり、ま
た機構の磨耗も微小である。さらにまた、螺子軸とナッ
トは偏心接触してはいるものの、接触点は螺子部の山の
数だけ存在することによって負荷荷重はこれらの接触部
分に分散されるために、大きな負荷荷重まで支持するこ
とが可能となり堅牢である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の負荷感応型直動無段変速機の１実施の
形態の基本原理を示すものであり、図１（Ａ）は低負荷
荷重小減速比でナット直行速度大なる時の直動無段変速
機の縦断面図、図１（Ｂ）は高負荷荷重大減速比でナッ
ト直行速度小なる時の直動無段変速機の縦断面図、図１
（Ｃ）は低負荷荷重時から高負荷荷重時までのナットと
螺子軸の噛合状態の横断面図であ。

【図２】本発明のユニット化された負荷感応型直動無段
変速機の組付け状態の説明図である。

【図３】本発明の負荷感応型直動無段変速機における偏
心量と出力軸速度との関係を示す図である。

【図４】本発明の負荷感応型直動無段変速機における偏
心量と出力軸速度との関係の１例を示す図である。

【図５】本発明の負荷感応型直動無段変速機における偏
心量と出力軸速度との関係のその他の例を示す図であ
る。

【図６】従来の螺子軸とナットの構成体を示す要部縦断
面図である。

【符号の説明】

１ ナット ２ 螺子軸 ３ ナット螺子部 ４ 螺子軸螺子部 ５ ハウジング（支持部材） ６ ベアリング ７ ばね ８ 規制ガイド ａ 最大偏心量 Ｄ０ ナットにおける螺子部の直径 ｄ 螺子軸の螺子部の直径 Ｆ 負荷荷重 Ｆ_S ばね荷重 Ｌ ナット軸心 ｌ 螺子軸軸心 Ｐ 螺子部ピッチ Ｑ 接触点 Ｘ 偏心量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定ピッチを有する螺旋状の螺子部の螺
   合により構成された螺子軸とナットにおいて、前記ナッ
   トにおける螺子部の直径をこれに螺合する螺子軸の螺子
   部の直径より若干大きく形成するとともに、前記ナット
   を支持部材に対して回動自在に支持し、該支持部材を前
   記螺子軸直径方向に所定のばね荷重によって付勢して前
   記ナットを螺子軸に偏心して接触するように構成したこ
   とを特徴とする負荷感応型直動無段変速機。
2. 【請求項２】 前記螺子軸とナットの偏心接触面につい
   て、それの偏心量と接触角度の関係を与える螺子軸ある
   いはナットの螺子面のフランク形状と、前記ナットを螺
   子軸に対してその直径方向に付勢するばねにおける変位
   と荷重の特性との相互関係を調整することによって、螺
   子軸あるいはナットに作用する軸方向の負荷荷重が増大
   するにしたがって前記ナットの螺子軸に対する偏心量が
   所望の割合で減少しかつ減速比が所望の割合で増大する
   特性を有し、また前記螺子軸あるいはナットに作用する
   軸方向の負荷荷重が減少するにしたがって前記ナットの
   螺子軸に対する偏心量が所望の割合で増大しかつ減速比
   が所望の割合で減少する特性を有するように構成したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の負荷感応型直動無段変
   速機。