JP4891565B2 - 回転直動変換機構 - Google Patents

Description

本発明は、回転運動と直線運動の間で運動方向を変換することにより回転トルクと推力を変換する回転直動変換機構に係り、特に、大きな角加速度を伴う回転運動下での良好な制御性が要求される分野、例えば電動パワーステアリング装置に好適な回転直動変換機構に関する。

まず、自動車のパワーステアリング装置の一般的な技術について、その概要を説明する。図２６は、乗用車で現在主流となっている、ラックピニオン方式のステアリング機構である。主な構成要素は、ステアリングホイール１０１、その回転軸であるステアリングコラム１０２、その下端部に設けられたピニオン１０３、そのピニオン１０３に噛合うラックを設けたロッド（このロッド自体をラックと称することが多いが、本発明では混乱を避けるため、ラックロッドと記述し、符号番号１とする）、その両端に接続し、その他端で操舵輪１０６と繋がるタイロッド１０５である。

これにより、ドライバーがステアリングホイール１０１をまわすと、ステアリングコラム１０２が回転し、下端のピニオン１０３も回転する。ピニオン１０３の回転でそれに噛合うラックによりラックロッド１が軸方向に直動し、それに繋がるタイロッド１０５が動いて操舵を行う。パワーステアリング装置は、これらの構成要素のいずれかをアシストしてドライバーのステアリングホイール１０１をまわす力を低減するシステムである。

近年、このパワーステアリング装置は、自動車に欠かせない装備品となっている。特に最近は、自動車全体がそうであるように、このパワーステアリング装置にも、従来の油圧アシスト方式に代わって、電動アシスト方式が主流を占めるようになり、省エネに貢献している。

本発明のような回転直動変換機構は、モータを回転駆動源とし前記ラックロッド１に直動のアシスト力を付与するラックアシスト機構１０７として、電動パワーステアリング装置に適用される。しかも、この場合は、小型化の見地から回転速度の高いモータを用いるのが望ましいので、回転直動変換機構としては減速機構を兼ね備えたものが要求される。このような要求を満たす機構として、例えばボールねじ方式の回転直動変換機構が従来から提案されている(例えば、特許文献１を参照)。

ここで、この特許文献１に記載されたステアリング装置は、ラックロッド１にねじを切り、このねじにナットを噛み合わせ、そのナットを回転動力源であるモータで回転させることによりラックを直動させるようにしたものである。そして、この場合、モータを１回転させたとき、ねじのリード分だけラックが移動されるので、リード角を小さくしてやれば、その分、大きな減速比が得られ、モータの回転速度が上げられ、小型化が図れることになる。

このとき、ラックロッドのねじとナットのねじの間に大きな荷重が働くので、ここに多数のボールを配し、このボールを循環させて転がり接触とし、摩擦を低減して高効率化が達成されるようにしている。
特開平７−１６５０８９号公報

しかし、上記特許文献１に示すような従来技術は、多数のボールを循環させる手段が不可欠であり、このボール循環が滑らかでないと、ボール部とナット間及びボールとラック間ですべり摩擦が発生し、ボール部の摩擦係数が増大して伝達効率が低下する。

特に、モータを小型化（小さいトルクで高速回転するモータ）するため、減速比を大きく設定しているステアリング装置では、ねじのリード角を小さくしなければならないので(現状は５度前後)、ボール摩擦係数(現状は０．０１前後)が増加したとすると、図２７に示したように、著しく効率が低下してしまう。

ここで、この図２７は、ボール摩擦係数をパラメータとしたリード角とボールねじ機構の効率の関係を示したもので、図示のように、ボール摩擦係数が０．０１前後から増加するにつれ、伝達効率が低下してゆくことが判る。

また、従来技術では、一旦すべりが発生し出すと、ボール転動面が荒れはじめ、それが一層のすべりを誘発し、破局的なボール摩擦係数の急上昇を招き、短時間で機構の破綻にまで到る恐れがある。

このため、このボールねじ機構では、ボールの循環状態を常に良好に保つことが至上命題であり、このため、ボール戻り経路の最適設計と共に、ボールとナットねじ、ラックロッドねじの形状寸法の高精度化が最重要項目となり、高コストとなる。また、このとき必要な精度は、ボール数の増加に伴って急激に上昇するため、コスト面からボール数の上限に事実上の限度が決められ、一方、このボール数は、ボールねじ機構が発生できる最大出力を決める。

よって、従来技術のボールねじ機構は、伝達力に実用上の上限が現われ、従って、これを用いたパワーステアリング装置は、要求される直動出力(ラック推力)が大きな大型車には搭載できないという課題があった。

この課題の解決指針として、接触箇所毎の負荷容量の増大を考え、点接触状態のボールねじ機構とは異なって、噛み合い部が面接触化した別の機構を創出することが考えられる。しかし、このような回転直動変換機構は、回転部の慣性モーメントが小さいボールねじ機構よりも大きくなることが考えられるため、急激な高回転化や高頻度の反転動作等の高角加速度動作が要求される電動パワーステアリング等への適用時に、制御性の低下が想定され得る。

本発明の第１の目的は、高効率を確保しながら噛み合い部を面接触化して大推力化を図る回転直動変換機構において、その回転部の慣性モーメントを低減して制御性を向上させるとともに、回転直動変換機構の小径化を図って搭載性を向上させることにある。また、本発明の第２の目的は、回転直動変換機構の部品のサブアセンブリ化を図り、組立て性を向上させることにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
円形の外周面にねじを有するラックロッドと、
前記ラックロッドのねじと噛み合うように外周面を一周する環状溝を有するとともに前記ラックロッドの略ねじリード角に等しい軸角をもって前記ラックロッドにねじり配置される公転ローラと、
前記公転ローラを保持して前記ラックロッドの周囲を回転するホルダ部材と、
前記ホルダ部材を前記ラックロッドに対して相対的に回転させる回転手段と、を備えた回転直動変換機構であって、
前記ホルダ部材は、前記公転ローラの両端を回転可能に支持するホルダ端板部と、前記両端のホルダ端板部を連結するホルダ連結部と、からなり、
前記公転ローラは、前記環状溝を有する中空のローラ部と、前記ローラ部を回転可能に支持し且つ前記中空に配置されたローラ軸と、からなり、
前記ローラ部を支持するローラ軸が、前記両端のホルダ端板部を連結する前記ホルダ連結部を形成し、前記ホルダ連結部のすべては、前記ローラ軸のみで構成されるものとする。

また、前記回転直動変換機構において、前記ローラ部を支持するとともに前記ホルダ端板部を連結する機能を有する前記ローラ軸と、前記ローラ部とはラジアル軸受けで連結される構成とする。さらに、前記回転直動変換機構において、前記公転ローラのローラ部は、前記公転ローラの軸に沿って複数のローラ部分に分割され、前記各ローラ部分は前記ローラ軸との間でラジアル軸受けで連結され、各ローラ部分の間はスラスト軸受けで連結される構成とする。さらに、前記回転直動変換機構において、前記公転ローラのローラ部は、前記公転ローラの軸に沿って複数のローラ部分に分割され、前記分割されたローラ部分の間に配置するスラスト軸受けを前記ローラ軸に設け、前記スラスト軸受けが、前記ローラ軸と前記ローラ部とのラジアル軸受けの役割をも担う構成とする。

本発明によれば、大きな推力が発生できて高効率の回転直動変換機構において、制御性、搭載性、さらに組立て性の向上を図ることができる。

また、本発明によれば、回転駆動源をモータとする回転直動変換機構として自動車のステアリングに適用することにより、応答性の良い電動ステアリング装置を実現することができる。

本発明の実施形態に係る回転直動変換機構について、図１〜図２８を参照しながら以下詳細に説明する。まず、本発明を自動車のラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置に適用した第１の実施形態を図１〜図６、図２６、図２８に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態のラックアシスト機構の縦断面図、図２は、図１を上部から見た（９０度異なる方向から見た）縦断面図である。ここで、図１には手前の公転ローラを正規の姿勢で配してあるが、その公転ローラを除いた縦断面図が図３である。図４は、全三本の公転ローラの側面図、図５は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図６のＡ−Ａ）、図６は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図５のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４）である。また、図２６は、本実施形態が適用されたラックアシスト機構の電動パワーステアリング装置における配置を示す図、図２８は本機構の回転直動変換動作を説明する図である。

最初に、本発明の第１の実施形態に係る回転直動変換機構の構成を説明する。ラックロッド１の外周面にラックロッドねじ１ａを形成する。そして、ラックロッド１の中心軸であるラックロッド軸１ｄの周囲に１２０度の等角度間隔で３本の公転ローラ２１，２２，２３を配する。これらの中心軸である公転ローラ軸２１ｄ，２２ｄ，２３ｄは、ラックロッド軸１ｄに対してねじって配される（公転ローラの軸芯が図２に示す軸角を形成するようにラックロッドねじの軸１ｄからねじリード角程度ずらせて配置される）。ここで、図４に明示された如く、これら公転ローラの各々の外周には、複数の環状溝である公転ローラ溝２１ｂ，２２ｂ，２３ｂが設けられる。

本実施形態の場合、軸方向の中心（図４中に示す）に対して公転ローラ溝２１ｂを対称に配したので、残りの公転ローラ２２，２３の互いの公転ローラ溝配置は軸方向の中心に対して鏡像の関係になる。このため、公転ローラ溝２２ｂ，２３ｂは、その加工時に加工機へのチャッキングの向きを反対にするだけで良く（公転ローラ２２の右端は公転ローラ２３の左端に対応する同一構造であり、把持の仕方のみが異なる）、加工コストの低減効果がある。

さらに、本実施形態は、公転ローラの両端の形状が同一であることから、公転ローラ２２，２３はまったく同一形状となり、組立て時に設置方向のみ互いに反対向きにすれば良い。この結果、公転ローラ数である３本よりも少ない２種類の公転ローラ（公転ローラ２１と公転ローラ２２（同一の公転ローラ２３））を製作するだけでよくなり、加工コストの低減効果がある。特に、公転ローラを型成型で製作する場合、製作コストを左右する型の種類が少なくなるため、加工コストの低減効果は一層大きなものとなる。

ラックロッドねじの条数が一条の場合、一般に、等角度間隔で配置する公転ローラの本数がＮのとき、ＩＮＴ（Ｎ／２＋０．５）（この値を超えない整数（ｉｎｔｅｇｅｒ））まで公転ローラの種類を少なくすることが可能となる。公転ローラが４本から一本づつ増加した場合、その種類数は、２、３，３，４，４，５，５‥‥‥となり、本数の増加に連れて種類数と本数の差は拡大していく。

各公転ローラ溝を構成する両側の環状面が、ラックロッドねじ１ａの両フランク（ねじ溝からねじ山にわたるねじ側面）と噛み合うように、公転ローラ軸２１ｄ〜２３ｄと前記ラックロッド１は、ラックロッドねじ１ａのリード角に概略等しい軸角だけねじれた姿勢で配置される。このとき、各公転ローラは、公転ローララジアル軸受２１ｆ〜２３ｆと公転ローラスラスト軸受２１ｅ〜２３ｅによりローラ端２１ｃ〜２３ｃが支持され、それらの公転ローラ軸受はその両端に配されたホルダ端板３ｂ，３ｃに嵌合されていて、これにより、全ての公転ローラ２１〜２３が自転可能となる。

ここで、これら公転ローラには、径方向荷重と共にスラスト荷重がかかるため、これを支持する軸受は上記の如くラジアルとスラストの２タイプの玉軸受を用いたが、径方向寸法に制約がある場合にはラジアル軸受をニードル軸受としてもよい。また、両荷重を受けることができるアンギュラー玉軸受やテーパローラ軸受の１種類でもよい。

また、本実施形態は、角状の溝であるために、噛み合い部において発生する径方向荷重は極めて小さくなる。このため、扱う荷重レベルが小さいと、スラスト軸受を深溝化することによって径方向荷重を受持たせることが可能となり、ラジアル軸受が省略できる場合もある。また、径方向寸法に制約がある場合には各軸受をニードル軸受としてもよい。また、溝が三角形状の場合、噛み合い箇所において径方向の分力が生じ、角状の場合に比較して径方向荷重が大きくなるため、大荷重に対応するローラ軸受とすればよい。これら公転ローラのねじれ姿勢を確保するために、両ホルダ端板３ｂ，３ｃを一体化させるホルダ連結部３ｄを設け、それらをホルダ連結ねじ３ｇでホルダ端板に締結する。このようにしてホルダ部材３が形成される。

図５と図６に、公転ローラ２１，２２，２３を組み込んだホルダ部材３を示す。ホルダ連結部３ｄは、図５に明示されるように、隣り合う公転ローラの間で、その最外部が公転ローラの最外部よりもラックロッド軸１ｄ寄りに配される。本実施形態は、公転ローラが３本のタイプなのでその数と同一のホルダ連結部を設けているが、必要に応じて増減しても良い。この場合でも、望ましくは、回転対称性を確保する数とする。また、本実施形態では、ホルダ連結部３ｄは反モータ側のホルダ端板３ｂと一体に形成され（モータ側のホルダ端板３ｃは連結ねじ３ｇで連結部３ｄと連結される）、ホルダ連結部３ｄとホルダ端板３ｂの繋ぎ部の強度の向上とともに部品点数の低減によるコスト低減という特有の効果がある。

また、このサブアセンブリは、ホルダ端板３ｃにホルダパイプ部３ｘが延在し（図１を参照）、そこにモータ５の構成要素であるロータ５ａが圧入又は焼き嵌めにより固定配置される。そして、このホルダ部材３は、ホルダラジアル軸受３ｆとホルダスラスト軸受３ｅにより、ケーシング６の内部に回転可能に保持される。このように、ホルダ部材３を回転させるホルダ回転手段は、ホルダ軸受と回転駆動源により構成する。一方、ラックロッド１には、軸方向移動は可能だがラックロッド軸１ｄ周りの回転が阻止されるラックロッド直動対偶部を設ける。本実施形態では、図２６のピニオン１０３とラックロッド１に設けたピニオン１０３と噛み合うラックが直動対偶部の役目を果たす。

以上のホルダ回転手段とラックロッド直動対偶部によって、ホルダ部材３を前記ラックロッド１に対し相対的に回転させる相対回転手段を形成する。前記ホルダ軸受は、アンギュラー玉軸受やテーパローラ軸受１種類としてもよい。また、両ホルダ軸受は各々複列アンギュラー玉軸受でも勿論良い。このように、公転ローラを組み込んだホルダ部材３は、軸受押さえ４によりケーシング６にラックロッド軸１ｄ方向に固定配置されるが、このケーシング６は、ホルダ部材軸受が嵌合されるホルダ部材ケーシング６ａと、モータ５のステータ５ｂが圧入又は焼き嵌めされているモータケーシング６ｂに二分割されている。

ここで、この軸受押さえ４は、かしめやねじ止めによりホルダ部材ケーシング６ａに固定配置される。こうして公転ローラ２１〜２３が組み込まれたホルダ部材３は、ホルダ部材ケーシング６ａに装着され、この後、モータケーシング６ｂがねじ止め等により装着される。そして、これによりステータ５ｂとロータ５ａが対向して、ホルダ回転手段の回転源となるモータ５が形成される。ここで、この組み立てに際しては、適宜、グリースが構成部品間に流し込まれる。

ところで、図２６のピニオン１０３とラックロッド１に設けた、そのピニオンと噛み合うラックが無い（直動対偶部が無い）ようなシステムの場合、例えばステアバイワイヤシステムなどでは、ボールスライダーのような直動対偶を別途備える必要がある。今回のようなステアリング機構の場合、スライダー部のボールを省略してすべり対偶としても直動部の速度は小さいため効率低下は小さい。よって、コスト重視の場合は、すべり対偶となる単純なスプライン継ぎ手やキー溝継ぎ手構造としても差し支えない。

このことは、直動部の要求速度が小さいステアリング機構以外への適用の場合、一般的に当てはまる。例えば、減速比率を大きく設計した場合であり、具体的には、ラックロッドねじのリード角が小さい場合である。前記ラックロッド軸１ｄに対する公転ローラ軸２１ｄ〜２３ｄの軸角（ラックロッド軸１ｄに平行な空間直線と公転ローラ軸２１ｄ〜２３ｄに平行な空間直線を同一点を通るように描いたときに両者が成す角のうちで０゜〜９０゜の範囲にある角度であり、本実施形態の軸角は図２を参照。）は、ラックロッドねじ１ａのリード角程度としたが、望ましくはリード角よりも大きくする。これにより、噛み合い設定箇所以外での干渉を極力低減する特有の効果を奏する。

次に、本発明の実施形態に係る回転直動変換機構の動作について、図２８を用いて説明する。図２８は、動作原理を説明するため、ラックロッド１の外周面を展開して示した図である。

図２８において、モータが上から下へ回転する場合に限定して考える。ホルダ部材３がラックロッド軸１ｄを中心に回転し、ホルダ部材３に保持されている３本の公転ローラ２１，２２，２３もモータ５と同一回転を行う。よって、図２８では、公転ローラは上（Ａ位置）から下（Ｂ位置）へ垂直に移動する。図２８の太線は、公転ローラがＡ位置にある場合のラックロッドねじ山の右側フランクを示す。そして、このＡ位置から、公転ローラがδラジアン（ｒａｄ）だけ公転してラックロッドの円周上をδ・(ラック軸半径)だけ動いてＢ位置に到達した場合を考える。

このとき、公転ローラ溝の右側環状面の位置は、ラックロッド軸方向には移動せず、展開図上では上下方向にのみ移動する。よって、ラックロッドが軸方向(展開図上では左右方向)に、δ・(ラックロッド軸半径)・ｔａｎ(ラックロッドねじリード角)だけ動いた場合、ねじ山右フランクが左に動いて破線の位置となり、公転ローラ溝とラックロッドねじの噛み合いを保つ。このようにして回転直動変換が生じる。

また、モータの１回転あたりのラック移動量Ｍ(以後、機構ピッチと称する)は、δを２πとして、
Ｍ＝２π・(ラックロッド軸半径)・ｔａｎ(ラックロッドねじリード角)
となる。この式から明らかなように、ラックロッドねじリード角を小さくすることにより、減速割合を増大できることが分かる。また、噛み合い箇所は、公転ローラ側の環状面とラックロッド側のねじ面（ねじフランク）であり、曲率の小さい面同士（直線近似の面同士）の噛み合いとなる。よって、噛み合い時の弾性変形によって広範囲で接触が起きるため（ラックロッドねじと公転ローラとが点接触でなく、面接触となるので）、発生する応力の最大値（ヘルツ応力）が抑制される。このために、噛み合い一箇所あたりの負荷荷重が増大し、コンパクトながら、大きな推力が発生可能になるという効果がある。

また、噛み合い箇所では、相対すべりが無くなる向き、すなわち一体で動く向きに摩擦力が働く。この摩擦力によって、公転ローラは、その公転ローラ溝がラックロッドねじ山というレール上を転がるように自転を起こす。ここで重要なことは、公転ローラが自転しても噛み合い箇所において公転ローラ溝が軸方向に移動しないということである。これは、公転ローラ溝がねじではなく環状溝であることから実現している。このように、公転ローラは全噛み合い箇所での摩擦の和が低減するように自ら自転速度を制御するため、損失が小さく高効率になるという効果がある。

以上のように、ラックロッド１の直動は、モータ５からトルクを受けたホルダ部材３の回転運動が源になっているため、直動の急加速や高頻度の運動方向の反転を実現するには、ホルダ部材３の高角加速度動作の実現が不可欠である。そこで、本実施形態では、回転部であるホルダ部材３のホルダ連結部３ｄの最外部を、隣り合う公転ローラの間で公転ローラの最外部よりもラックロッド軸１ｄ寄りに配置したため、公転ローラ最外部よりも外側に離れてホルダ部材を配置した場合と比較して、ホルダ連結部３ｄの回転中心からの距離を小さくできる。この結果、同一断面で同一強度を確保したホルダ連結部でも最外部よりも離れて配置した場合と比較してホルダ部材３の慣性モーメントを低減できる。

ホルダ部材３の慣性モーメントが低減すると、同じトルクを与えても大きな角加速度を実現できることから、ラックロッド１の急加速や高頻度の運動方向の反転を伴う直動動作が容易に実現でき、制御性が向上するという効果がある。この制御性向上により、ステアリングホイールからの操舵指示に俊敏に反応する電動パワーステアリングが実現できる。また、ホルダ連結部３ｄを公転ローラの間に設けることにより、そのホルダ連結部と繋がるホルダ端板３ｂ、３ｃを公転ローラの最外部より外側へ拡張する必要が無くなり、ホルダ端板の慣性モーメントが低減して上記と同様の制御性向上の効果がある。同時に、回転直動変換機構全体の径を規定する回転部の径を、必要最小限である公転ローラの最外部の径に留めることができるため、回転直動変換機構の小径化を実現できるという効果がある。この小径化により、回転直動変換機構を搭載した車両の最低地上高の低下を回避できる。

ところで、ラックロッド１に推力を発生させた場合、その反力がラックロッド１の軸方向に現われるが、この反力は、最終的にはラックロッドねじ１ａと各公転ローラの公転ローラ溝２１ｂ〜２３ｂの噛み合い箇所に掛かる。このとき、本実施形態では、１本の公転ローラに複数の公転ローラ溝（公転ローラの環状溝）が設けてあるため、溝数だけ噛み合い箇所が多くなり、この結果、大きな荷重に耐えることができる。

また、本実施形態では、公転ローラが複数本(公転ローラ２１〜２３の３本)設置されているため、噛み合い箇所が増加し、大きな荷重に耐えることができ、この結果、大きなラック推力を発生させることができる。製作コストや慣性の低減の観点からは、公転ローラの数は少ないほど良い。よって、必要な強度の確保等が可能であれば、公転ローラの数は１本が最も良い。

しかし、本実施形態のように、公転ローラがラックロッド周囲を回転するタイプでは、公転ローラとホルダ部材を含む回転部の回転バランスが重要であるため、公転ローラ１本よりも２本以上の方が良く、（もちろん、１本のタイプでは、バランスをとるために公転ローラと同等のバランサを設置すればよいが、軽量化の観点からは好ましくない）以上の観点のみからいえば、公転ローラ２本タイプが最も理想的な数となる。

しかし、ラックロッドと公転ローラの軸間距離を正規の位置に保持する観点からすると、３本以上が必要である。ただ、４本以上にすると過剰拘束状態となり、拘束に寄与しない公転ローラが生じたり、逆に組み込めない公転ローラが生じたりする可能性が出てくる。本実施形態の公転ローラ数は３本であるため、回転バランスが取れて、かつ、ラックロッドとの軸間距離を過不足なく規定できるという特有の効果がある。

また、本実施形態では、公転ローラ２１〜２３がラックロッド１の周囲に等角度間隔で配置されているため、各公転ローラに現れる力のうち、径方向(ラックロッド軸１ｄを中心とする径方向)に現れる成分は相互にキャンセルし合って、外には現われない。この結果、ホルダラジアル軸受３ｆの荷重が低減し、小負荷容量の軸受を用いることができ、コストの低減と小形化に寄与することができ、且つ、そこで発生する摩擦損失も小さくなるため、性能向上にも寄与することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る回転直動変換機構を図７に基づいて説明する。図７は本発明の第２の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置のラックアシスト機構の縦断面図である。ホルダ連結部が、両ホルダ端板３ｂ，３ｃから分離して別体となった別体ホルダ連結部３ｈとなる以外は、第１の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。組み込んだ公転ローラ２１〜２３に合わせて別体ホルダ連結部３ｈの長さを選択できるため、公転ローラスラスト軸受２１ｅ〜２３ｅに適度な予圧をかけることが可能となる。

よって、これらのスラスト軸受の摩擦定数を低減できるため、第２の実施形態に係る回転直動変換機構の効率を向上できる効果がある。また、別体としたために、ホルダ部材３の他の部分と異なる材料にすることが容易となる。例えば、ホルダ端板３ｂ，３ｃをアルミ合金製として軽量化を図るとともに、別体ホルダ連結部材３ｈを公転ローラ２１〜２３と同様の素材（例えば、炭素鋼）で製作することも可能となる。この場合、温度変化で公転ローラが熱膨張しても、その両端を軸支するホルダ端板の距離を規定するホルダ連結部も同様の熱膨張を行うため、不要の荷重が公転ローラスラスト軸受２１ｅ〜２３ｅに掛かることがなく、第２の実施形態に係る回転直動変換機構の高性能化及びスラスト軸受の高寿命化が可能になるという特有の効果がある。さらに、別体としたため、その形状の自由度が増す。例えば、製作容易な円柱とすれば、加工コストの低減を図ることが可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る回転直動変換機構を図８及び図９に基づいて説明する。図８は本発明の第３の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置のラックアシスト機構の縦断面図、図９は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図８のＧ−Ｇ）である。ホルダ連結部が、両ホルダ端板から分離して別体となった別体ホルダ連結部３ｈとなる以外は、第１の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。

別体ホルダ連結部３ｈにはモータ側ホルダ端板３ｃと締結するホルダ連結部一体ねじ３ｉが設けられた結果、モータ側ホルダ端板３ｃの反モータ側からホルダ連結部を締結できるようになったため、ホルダパイプ部３ｘよりも外側に設置せざるを得なかった締結部品（第１の実施形態では、ホルダ連結ねじ３ｇ）が不要となり、強度的に許容されるまでラックロッド１寄りにホルダ連結部を設けることが可能となる。よって、ホルダの慣性モーメントを一層低減でき、制御性を一層向上できる効果がある。

次に、本発明の第４の実施形態に係る回転直動変換機構を図１０に基づいて説明する。図１０は、本発明の第４の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置のラックアシスト機構の縦断面図である。ホルダ連結部３ｄが、モータ側のホルダ端板３ｃと一体化し、もう一方のホルダ端板３ｂと分離している以外は、第３の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。第３の実施形態において、ねじ締結を行ったホルダ端板３ｃとホルダ連結部３ｄを一体化したために、その締結部における強度の向上と、ねじ締結が不要となるために組立て性の向上という特有の効果がある。

次に、本発明の第５の実施形態に係る回転直動変換機構を図１１乃至図１４に基づいて説明する。図１１は本発明の第５の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置のラックアシスト機構の縦断面図、図１２は全四本の公転ローラの側面図、図１３は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図１４のＡ−Ａ）、図１４は同じサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図１３のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４）である。公転ローラが４本になった以外は、第１の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。公転ローラを４本としたために、第１の実施形態よりも大きな推力を発生させることが可能になるという特有の効果がある。なお、図１３に示す図示構造においても、ホルダ連結部３ｄは、その全てが公転ローラ２１〜２４の最外周位置よりも内側に配設されている。すなわち、ホルダ連結部を公転ローラよりもラックロッド中心寄りに配置している。

次に、本発明の第６の実施形態に係る回転直動変換機構を図１５に基づいて説明する。図１５は、本発明の第６の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の全四本の公転ローラの側面図である。第５の実施形態において、公転ローラ２１と２２、公転ローラ２３と２４の２組が、ともに左右の向きが異なる以外は同一形状となるように、公転ローラ溝の位置を変更した（公転ローラ２１の右端が公転ローラ２２の左端に相当し、公転ローラ２３の右端が公転ローラ２４の左端に相当する）。そして、それ以外は、第５の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。これは、第１実施形態の説明の中で述べた、公転ローラの設置数がＮの時にＩＮＴ（Ｎ／２＋０．５）（この値を超えない整数）まで公転ローラの種類を少なくできるという、Ｎ＝４における具体例である。Ｎ＝４の場合に２種類の公転ローラでよいことになる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る回転直動変換機構を図１６及び図１７に基づいて説明する。図１６は本発明の第６の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図、図１７は同じサブアセンブリの横断面図（図１６のＡ−Ａ）である。

ホルダ連結部が、ラックロッド１に対してねじり配置される公転ローラ２１〜２４に沿って形成され、ホルダねじれ連結部３ｋとなる以外は、既に説明した第４の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。この連結部３ｋは、ホルダ端板３ｂと一体となる中実体から公転ローラがねじり配置される部分に公転ローラの外径をわずかに拡大した円柱をくり抜いて残った形状とみなしてもよい。これにより、第４の実施形態のホルダ連結部に比べて、断面積を容易に確保できるため、外径を小さくすることが可能となる。すなわち、図１７において、連結部３ｋは、紙面に直交の方向に配置された円形又は多角形の構造体（ラックロッド軸と平行な構造体）ではなくて、公転ローラのねじれに沿い且つ公転ローラと殆ど隙間無く配設されたねじれ構造体であるから、断面を大とできるので連結部最外部の半径をより小さくできる。

この結果、回転部となるこのサブアセンブリの中心軸周りの慣性モーメントを小さくできるため、指令に対する応答性が向上し、動作の制御が容易であるという特有の効果がある。また、４本の公転ローラ２１〜２４のうちの２本をラックロッド１の一方のねじフランクに押圧し、他の２本をもう一方のねじフランクに押圧するように、各公転ローラの軸方向位置を設定して、公転ローラ溝とラックロッドねじ山の噛み合いがたを大幅に低減することができる。これにより、反転時や始動時等の出力が発生しない無応答状態を回避できるという特有の効果がある。

このような噛み合いがたの低減法は、公転ローラが４本である場合に限らず、公転ローラの設定数が複数であれば同様に可能である。また特に、公転ローラの組み分けを２１，２３と２２，２４とすることにより、動作にともなって発生する荷重の分布がラックロッド軸１ｄに対して回転対称的になるため、各部にかかる荷重の集中を回避でき、信頼性が向上するという特有の効果もある。この信頼性向上は、公転ローラの設定本数が４以上の偶数の場合であれば同様に可能である。

次に、本発明の第８の実施形態に係る回転直動変換機構を図１８乃至図２１に基づいて説明する。図１８は本発明の第８の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の公転ローラとホルダ部材とラックロッドを側面図としそれ以外を縦断面とした図であり、図１９は公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。また、図２０は公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図、図２１はそのサブアセンブリの横断面図である。公転ローラとホルダ部材の構成が異なる以外は、第５または第６の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。

これまでに開示した実施形態は、公転ローラを中実体とし、その軸支部は公転ローラの両端に配置したものであった。これに対して、第８の実施形態は、図１９に明示されるように、各公転ローラ２１〜２４を、それらの中心軸部に貫通穴の開いた中空体（公転ローラ部）とし、それらの穴を通るローラ軸（ホルダ連結部３ｍに相当するもの）と、ローラ軸に対して公転ローラ２１〜２４を軸支する公転ローララジアル軸受２１ｅ〜２４ｅを内蔵した公転ローラサブアセンブリを構成要素とする。このように、回転直動変換機構全体の組立ての前段階で、公転ローラ２１〜２４と公転ローララジアル軸受２１ｅ〜２４ｅとホルダ連結部３ｍからなる公転ローラサブアセンブリを組み立てることが可能になる。

よって、並列した組立て工程を組むことが可能となり、組立ての時間短縮等の組立て性向上という効果が出てくる。そして、公転ローラサブアセンブリを、図２０に示すように、ホルダ端板３ｂ，３ｃへ固定配置する。このとき、公転ローラスラスト軸受２１ｆ〜２４ｆを、公転ローラ（ローラ部）２１〜２４の両端縁とホルダ端板３ｂ、３ｃの間に挟持する。この結果、ローラ軸は、両ホルダ端板３ｂ，３ｃを連結するホルダ連結部３ｍの役割を兼ねることになるため、ローラ内蔵ホルダ連結部３ｍと称する。

本実施形態では、ホルダ端板３ｂ，３ｃ連結するそれ専用のホルダ連結部を別設したものでなく、公転ローラのローラ軸をホルダ連結部と兼用させたため、少なくともその分の慣性モーメントが低減できる。また、本実施形態は、ホルダ連結部が前記公転ローラよりも前記ラックロッド中心軸寄りに配することにもなるため、一層小さな慣性モーメントを実現できる。以上により、指令に対する応答性が一層向上し、動作の制御がさらに容易になるという効果がある。ところで、公転ローラの内部を貫通する穴を開けると、ローラ部の強度低下が懸念される。しかし、ローラ部の肉厚がある程度以上あれば、最も荷重の集中する公転ローラ溝底の荷重がほとんど増大しなくなり、公転ローラの強度低下は無視できる。本実施形態では、ホルダ連結部として強度的に必要最小径を有するローラ内蔵ホルダ連結部３ｍを用いたために、ローラ部の肉厚を大きく設定でき、公転ローラ強度を確保できるという特有の効果がある。

要するに、本実施形態は、強度向上に貢献せず無駄な部分である公転ローラの中心部を除去し、回転直動変換機構にとって必須のホルダ連結部をその穴に通して、慣性モーメントを低減したものである。ここで、本実施形態では、ローラ内臓ホルダ連結部３ｍ以外にホルダ連結部を設けなかったため、公転ローラ同士の間隔が空く。このため、公転ローラの設置加工本数を増大することが可能となり、一層の大推力化が可能となる特有の効果もある。また、内蔵する公転ローラ軸受をラジアル軸受のみとしたが、スラスト軸受も兼ねるアンギュラ玉軸受やテーパローラ軸受でも良い。このようにすると、ローラ軸端の構造が単純化でき、公転ローラの軸方向の位置決め調整構造が単純となる効果がある。また、本実施形態では、公転ローララジアル軸受をニードルベアリングとしたが、玉軸受やローラ軸受としてももちろん良い。

次に、本発明の第９の実施形態に係る回転直動変換機構を図２２に基づいて説明する。図２２は、本発明の第９の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。公転ローラ２１〜２４の各ローラ部は、左側ローラ部２１ｈ〜２４ｈ、右側ローラ部２１ｉ〜２４ｉ、中央ローラ部２１ｊ〜２４ｊの３個に分割され、その各々が公転ローララジアル軸受２１ｈｅ〜２４ｈｅ、２１ｉｅ〜２４ｉｅ、２１ｊｅ〜２４ｊｅでローラ内蔵ホルダ連結部３ｍに対して回転自在に配される。また、中央ローラ部と両側のローラ部の間には、ローラ部間スラスト軸受２１ｍ〜２４ｍ、２１ｎ〜２４ｎが配される。これら以外は、第８の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。

ラックロッドねじ１ａにおいて、公転ローラとの噛み合いを、概略同一の径上に設定する通常の場合、公転ローラにおけるラックロッドねじ１ａとの噛み合い箇所は、公転ローラ両端に近い公転ローラ溝ほど、公転ローラ軸から離れる（これは、公転ローラ軸上でラックロッド軸と最も接近する点である最接近点が、公転ローラの軸方向の中央とした場合である。一般的には、最接近点から離れた公転ローラ溝ほど、噛み合い箇所が公転ローラ軸から離れる、ということができる）。

このため、噛み合い設定箇所ですべらないための公転ローラ自転速度は、公転ローラ溝毎に異なる。よって、公転ローラは、全体的にすべりが小さくなる平均的な自転速度を自ら選択するが、逆にいうと、ほぼ全ての噛み合い箇所で、わずかではあるがすべりが発生する。このすべりの程度は、噛み合い設定箇所ですべらないための公転ローラ自転速度の範囲が狭いほど、小さくなる。すなわち、公転ローラ側の噛み合い箇所の公転ローラ軸からの距離が狭く分布するほど、噛み合い部におけるすべりは小さくなる。

本実施形態では、ラックロッドねじとの噛み合い箇所が公転ローラ軸に近い最接近点付近の中央側ローラ部２１ｊ〜２４ｊと、噛み合い箇所が公転ローラ軸から遠い左端側ローラ部２１ｈ〜２４ｈ、及び、右端側ローラ２１ｉ〜２４ｉ部に分割し、各々異なる回転速度で回転可能としたため、全体として噛み合い部のすべりを低減できることになる。よって、噛み合い部のすべり損失を抑制でき、機構の効率を向上できるという特有の効果がある。

次に、本発明の第１０の実施形態に係る回転直動変換機構を図２３に基づいて説明する。図２３は、本発明の第１０の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。３個に分割されたローラ部の間に設けるスラスト軸受を、ローラ内蔵ホルダ連結部３ｍに固定した、左側連結部固定軸受２１ｐ〜２４ｐと右側連結部固定軸受２１ｑ〜２４ｑとし、それらのスラスト軸受にラジアル軸受の役目も担わせる以外は、第９の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。

例えば、左側からの荷重がかかった場合を考える。左端側ローラ部２１ｈ〜２４ｈにかかる荷重は左側連結部固定軸受２１ｐ〜２４ｐで受けるため、右側連結部固定軸受２１ｑ〜２４ｑは中央側ローラ部２１ｊ〜２４ｊにかかる荷重を受けるだけとなるため、各軸受を小容量のものにすることが可能となる。また、右側の公転ローラ軸受２１ｆ〜２４ｆは、右端側ローラ２１ｉ〜２４ｉにかかる荷重のみを受けるだけとなるため、同様にその容量を小さくすることができる。右側からの荷重がかかった場合もまったく同様に考えることができる。以上により、全ての公転ローラ軸受を小容量化できるため、公転ローラの小径化が可能となり、機構の小径化や低慣性モーメント化を実現できる特有の効果がある。

次に、本発明の第１１の実施形態に係る回転直動変換機構を図２４に基づいて説明する。図２４は、本発明の第１１の実施形態が適用された電動パワーステアリング装置の公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図２０のＡ−Ａ）である。ホルダ端板３ｂ，３ｃが、円形ではなく、ローラ内臓ホルダ連結部３ｍと締結する部分を突起部とするクローバ型のホルダ端板３ｂ，３ｃとする以外は、第８、第９、第１０の実施形態と同様であるため、その他の部分の構造、動作及び効果についての説明は省略する。ホルダ端板の不要な部分を削除したため、回転部の慣性モーメントが一層低減し、制御性が一層向上するという特有の効果がある。このように、ホルダ端板３ｂ，３ｃの不要な部分の削除は、慣性モーメントの低減に非常に効果的であり、公転ローラの本数が少なくなるほど顕著な効果を奏する。

図２５は、公転ローラが三本の場合の第１２の実施形態であるが、ホルダ端板の削除部が大きくなることがわかる。公転ローラが二本の場合はさらに顕著となる。

また、以上説明した実施形態では、何れも公転ローラ、例えば公転ローラ２１〜２４について、それらの径がラックロッド１の径と概略同じにしているが、本発明の実施形態としては、強度が許す限り、公転ローラの径をラックロッドの径よりも小さくすることができる。そして、この場合は、公転ローラの本数を更に多くすることができ、これにより、より一層大きな推力が要求される場合にも対応することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態の特徴は、回転直動変換機構における回転部の慣性モーメントを低減して制御性を向上させるとともに回転直動変換機構の小径化を図って搭載性を向上させることを目的としており、その目的は、円形棒状で外周面にねじを備えたラックロッドと、外周面を一周する環状溝を備えこの環状溝が前記ラックロッドねじと噛み合うべく前記ラックロッドに対し当該ねじリード角程度の軸角でねじり配置される公転ローラと、このラックロッドの周囲を回転可能に支持されたホルダ部材と、このホルダ部材と前記ラックロッドの間で相対的な回転を実現すべく少なくともホルダ回転手段を含む相対回転手段を備えた回転直動変換機構において、前記ホルダ部材は前記公転ローラの両端を回転可能に支持するべく当該公転ローラの両端に配されるホルダ端板部とそれらを連結するホルダ連結部からなり、前記ホルダ連結部を前記公転ローラよりも前記ラックロッド中心寄りに配する第１の構成を採用することによって達成される。また、前記第１の構成とともに、前記ホルダ連結部を隣り合う前記公転ローラの間に配したり、前記ホルダ連結部を前記公転ローラの中心軸とする第２、第３の構成を採用することによっても達成される。

また、本発明の実施形態の特徴は、回転直動変換機構の部品のサブアセンブリ化を図り組立て性を向上させることを目的としており、この目的は、円形棒状で外周面にねじを備えたラックロッドと、外周面に一周する環状溝を備えたローラ部とそのローラ部を回転可能に支持する当該ローラ部の中心を貫通するローラ軸からなる軸別体型公転ローラと、このローラ軸の両端側で前記ラックロッドの周囲に当該ラックロッドと相対的に回転可能に支持された２個のホルダ端板部と、このホルダ端板部を前記ラックロッドに対し相対的に回転すべく少なくともホルダ回転手段を含む相対回転手段を備えた回転直動変換機構において、前記環状溝と前記ラックロッドねじが噛み合うべく前記ローラ軸が前記ラックロッドに対し当該ねじリード角程度の軸角で両前記ホルダ端板にねじり固定配置され、前記ホルダ端板と前記ローラ軸で前記公転ローラを支持するホルダ部材を形成する第４の構成を採用することによって達成される。

本発明の第１の実施形態に係る回転直動変換機構の縦断面（手前の公転ローラを正規位置に配置）である。。 図１に示す第１の実施形態に係る回転直動変換機構を上部から見た（９０度異なる方向から見た）縦断面図である。 図１に示す第１の実施形態に係る回転直動変換機構で手前の公転ローラを取り除いた縦断面図である。 第１の実施形態における全３本の公転ローラの側面図である。 第１の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図６のＡ−Ａ線断面）である。 第１の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図５のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４線断面）である。 本発明の第２の実施形態に係る回転直動変換機構で手前の公転ローラを取り除いた縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転直動変換機構で手前の公転ローラを取り除いた縦断面図である。 第３の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図８のＧ−Ｇ線断面）である。 本発明の第４の実施形態に係る回転直動変換機構で手前の公転ローラを取り除いた縦断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る回転直動変換機構で手前の公転ローラを正規位置に配置した縦断面図である。 第５の実施形態における全４本の公転ローラの側面図である。 第５の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図１４のＡ−Ａ線断面）である。 第５の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図１３のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４線断面）である。 本発明の第６の実施形態における全４本の公転ローラの側面図である。 本発明の第７の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図である。 第７の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図１６のＡ−Ａ線断面）である。 本発明の第８の実施形態における公転ローラとホルダ部材とラックロッドを側面図とし、それ以外の構成を縦断面とした図である。 第８の実施形態における公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。 第８の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの側面図（一部が断面図であり、図２１のＢ１−Ｂ２−Ｂ３−Ｂ４線断面）である。 第８の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図２０のＡ−Ａ線断面）である。 本発明の第９の実施形態における公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。 本発明の第１０の実施形態における公転ローラサブアセンブリの縦断面図である。 本発明の第１１の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図（図２０のＡ−Ａ線断面）である。 本発明の第１２の実施形態における公転ローラとホルダ部材のサブアセンブリの横断面図である。 本発明の実施形態に係る回転直動変換機構が適用されたラックアシスト機構の電動パワーステアリング装置における配置を示す図である。 従来技術であるボールねじ機構の効率の一例を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る回転直動変換機構の動作を説明する図である。

符号の説明

１：ラックロッド
１ａ：ラックロッドねじ
１ｄ：ラックロッド軸
２１，２２，２３，２４：公転ローラ
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ：公転ローラ溝（環状溝）
２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ，２４ｄ：公転ローラ軸
２１ｅ，２２ｅ，２３ｅ，２４ｅ：公転ローラスラスト軸受
２１ｆ，２２ｆ，２３ｆ，２４ｆ：公転ローララジアル軸受
３：ホルダ部材
３ｅ：ホルダスラスト軸受
３ｆ：ホルダラジアル軸受
３ｄ：ホルダ連結部
３ｋ：ホルダねじれ連結部
３ｍ：ローラ内臓ホルダ連結部
５：モータ
６：ケーシング
１０３：ピニオン
１０７：ラックアシスト機構

Claims (5)

1. 円形の外周面にねじを有するラックロッドと、
   前記ラックロッドのねじと噛み合うように外周面を一周する環状溝を有するとともに前記ラックロッドの略ねじリード角に等しい軸角をもって前記ラックロッドにねじり配置される公転ローラと、
   前記公転ローラを保持して前記ラックロッドの周囲を回転するホルダ部材と、
   前記ホルダ部材を前記ラックロッドに対して相対的に回転させる回転手段と、を備えた回転直動変換機構であって、
   前記ホルダ部材は、前記公転ローラの両端を回転可能に支持するホルダ端板部と、前記両端のホルダ端板部を連結するホルダ連結部と、からなり、
   前記公転ローラは、前記環状溝を有する中空のローラ部と、前記ローラ部を回転可能に支持し且つ前記中空に配置されたローラ軸と、からなり、
   前記ローラ部を支持するローラ軸が、前記両端のホルダ端板部を連結する前記ホルダ連結部を形成し、前記ホルダ連結部のすべては、前記ローラ軸のみで構成される
   ことを特徴とする回転直動変換機構。
2. 請求項１において、
   前記ローラ部を支持するとともに前記ホルダ端板部を連結する機能を有する前記ローラ軸と、前記ローラ部とはラジアル軸受けで連結される
   ことを特徴とする回転直動変換機構。
3. 請求項１において、
   前記公転ローラのローラ部は、前記公転ローラの軸に沿って複数のローラ部分に分割され、
   前記各ローラ部分は前記ローラ軸との間でラジアル軸受けで連結され、各ローラ部分の間はスラスト軸受けで連結される
   ことを特徴とする回転直動変換機構。
4. 請求項１において、
   前記公転ローラのローラ部は、前記公転ローラの軸に沿って複数のローラ部分に分割され、
   前記分割されたローラ部分の間に配置するスラスト軸受けを前記ローラ軸に設け、前記スラスト軸受けが、前記ローラ軸と前記ローラ部とのラジアル軸受けの役割をも担う
   ことを特徴とする回転直動変換機構。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載された回転直動変換機構を適用した電動パワーステアリング装置。

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