JP2005106275A

JP2005106275A - 電動リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP2005106275A
Application number: JP2004051251A
Authority: JP
Inventors: Koji Hashimoto; 橋本　　浩司
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP4748379B2

Abstract

【課題】省エネを図りつつも、目標位置に正確に移動部材を移動させることができる電動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】ボールスクリュー機構は一般的に効率が高いため、電動モータ２０の回転軸であるネジ軸２０ａの回転に応じてナット２１を移動させて動力伝達を行う場合に、電動モータ２０への電力供給が停止すれば、ナット２１が移動する方向に力を受けると、電動モータ２０の回転軸２０ａが回転するように動力が逆方向に伝達されることを許容する。電動モータ２０への電力の供給を中断した状態で、ディテントレバー３１の複数の凹部３１ｂのいずれかにローラ３２ａが係合していない場合には、ローラ３２ａは凹部３１ｂのいずれかに向かって付勢されるようにすれば、レンジ切換弁１０が、保持されるべき位置のいずれかに駆動され、そこで保持されるようになる。この間、電動モータ２０に電力は供給されないので、省エネを図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動リニアアクチュエータに関し、特に、車両の自動変速機のシフトレンジを切り替えるために用いられると好適な電動リニアアクチュエータに関する。

旧来の自動変速機のシフトレンジを切り替えるレンジ切り替え装置は、変速機内のマニュアルバルブと、このマニュアルバルブにシフトケーブルで連結されたシフトレバーとを備えており、かかるシフトレバーをドライバーが操作することにより、シフトケーブルを介してマニュアルバルブを切り替えるようになっている。従って、シフトレバーは、ドライバーの力で無理なくシフトケーブルを動作させることができる位置に設けられる必要がある。これに対し、最近は、車室内デザインの自由度の拡大要請、同一プラットフォームからの派生車種の拡大要請などから、シフトレバーを任意の場所に設置する必要が生じている。

このような要請に応えたレンジ切り替え装置が、特許文献１に開示されている。このレンジ切り替え装置は、モータを用いてレンジ切り替えを行うようになっており、マニュアルバルブが目標位置になったことを検知して、モータ駆動を停止させている。
特開平７−１９０１８０号公報

ところで、モータや駆動系は慣性があるので、目標位置になった時点でモータへの電力供給を中断しても、マニュアルバルブは目標位置を通り過ぎて駆動されるということがある。そこで、上記特許文献１においては、目標位置に近づいたことをセンサにて検出し、それから所定のタイミングでモータを逆転制動することで、正確に目標位置にマニュアルバルブが到達するようにしている。

しかるに、このようにモータに制動のための逆特性の電力を供給することは、省エネに反するという問題がある。又、上記特許文献１においては、モータからディテント機構に動力を伝達するためにウォーム機構を設けているが、ウォーム機構は一般的に効率が悪いので、更に省エネに反するという問題がある。

一方、以下の特許文献２には、マニュアルバルブを目標位置に精度良く移動させるために、目標位置に近づいたら動作させる電磁クラッチを動作させて、ローラがディテント機構の凹部に係合できるようにして、マニュアルバルブが目標位置に到達するようにしたシフト切り替え機構が開示されている。しかしながら、電力供給で動作する電磁クラッチを設けることは、省エネに反し、またコストを増大させるといった問題もある。
特開２００１−１８２８２８号公報

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、省エネを図りつつも、目標位置に正確に移動部材を移動させることができる電動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の電動リニアアクチュエータは、
移動部材と、
前記移動部材を、保持されるべき複数の位置のいずれかに駆動する駆動機構と、
電動モータと、
前記電動モータからの動力を前記駆動機構に伝達する動力伝達機構とを有し、
前記駆動機構が、前記移動部材における保持されるべき複数の位置にそれぞれ対応して設けられた複数の凹部と、前記凹部に選択的に係合可能となっている係合部材とを備え、
前記動力伝達機構が、ネジ軸と、ナットと、前記ネジ軸とナットとの間に配置された複数のボールとを備えたボールスクリュー機構を含み、
前記電動モータへの電力の供給を実質的に中断した状態で、前記複数の凹部のいずれかの所定位置に前記係合部材が係合していない場合には、前記係合部材は前記凹部のいずれかの所定位置に向かって付勢され、その付勢力を利用して、前記移動部材が、前記保持されるべき位置のいずれかに駆動され、そこで保持されるようになっており、前記ボールスクリュー機構は、前記付勢力の一部を前記電動モータに伝達可能となっていることを特徴とする。

本発明の電動リニアアクチュエータは、移動部材と、前記移動部材を、保持されるべき複数の位置のいずれかに駆動する駆動機構と、電動モータと、前記電動モータからの動力を前記駆動機構に伝達する動力伝達機構とを有し、前記駆動機構が、前記移動部材における保持されるべき複数の位置にそれぞれ対応して設けられた複数の凹部と、前記凹部に選択的に係合可能となっている係合部材とを備え、前記動力伝達機構が、ネジ軸と、ナットと、前記ネジ軸とナットとの間に配置された複数のボールとを備えたボールスクリュー機構を含んでいるが、ボールスクリュー機構は一般的に効率が高いため、例えば前記電動モータの回転軸に前記ネジ軸を連結させて、その回転に応じて前記ナットを移動させて動力伝達を行う場合に、前記電動モータへの電力供給が停止すれば、前記ナットが移動する方向に力を受けると、前記電動モータの回転軸が回転するように動力が逆方向に伝達されることを許容する。これを利用して、前記電動モータへの電力の供給を実質的に中断した状態で、前記複数の凹部のいずれかの所定位置に前記係合部材が係合していない場合には、前記係合部材は前記凹部のいずれかの所定位置に向かって付勢されるようにすれば、その付勢力を利用して、前記移動部材が、前記保持されるべき位置のいずれかに駆動され、そこで保持されるようになる。この間、電動モータに電力は供給されないので、省エネを図ることができる。尚、「電動モータへの電力の供給を実質的に中断した状態」とは、完全に電力の供給を中断した状態の他、前記電動モータに電力の供給があっても、その出力トルクが弱いため前記係合部材が前記凹部のいずれかの所定位置に向かって付勢されることを阻止することができない状態も含む。

更に、前記移動部材は、変速機のシフトポジションに対応して前記複数の位置に駆動され保持されると好ましい。

又、前記駆動機構は、前記複数の凹部を設け回動可能であって、前記移動部材に連結されたディテントレバーを含み、前記ディテントレバーの回動に応じて、前記移動部材が前記保持されるべき複数の位置に駆動されるようになっていると好ましい。

更に、前記ディテントレバーの回動角度を検出するセンサを有し、前記電動モータは、センサの出力に基づいて電力供給が制御されるようになっていると好ましい。

又、前記電動モータは、その回転軸の回転角度に応じて電力供給が制御されるようになっていると好ましい。

更に、前記移動部材が、前記保持されるべき複数の位置のいずれかに到達する前に、前記電動モータへの電力の供給が中断されると好ましい。

又、前記動力伝達機構は、プラスチックギヤを使用した減速機構を含むと好ましい。

更に、前記電動モータに対して電磁気的に制動を行なう回生制動回路を有し、電力の供給を中断した後に、この回生制動回路を前記電動モータに接続すると好ましい。

又、前記移動部材が、前記保持されるべき複数の位置のいずれかに到達する前に、前記電動モータの減速を行うと好ましい。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態である電動リニアアクチュエータを含むシフト切り替え機構の斜視図である。図１において、移動部材であるレンジ切換弁１０は、スプールバルブ形式のものであって、このレンジ切換弁１０には、不図示の自動変速機の制御のための基本油圧となるライン油圧が供給されている。レンジ切換弁１０は、スプール１０ａを軸方向に操作することで、ポートを切換えて、各シフトレンジを設定するための摩擦係合装置（図示略）の係合及び解放を制御するものである。

このレンジ切換弁１０は、直流モータ（電動モータ）２０により駆動される。より具体的に駆動系について説明する。不図示の車体に固定された電動モータ２０の回転軸は、外周に雄ネジ溝が形成されたネジ軸２０ａとなっている。ネジ軸２０ａの周囲には、ナット２１が配置されている。ナット２１の内周には雌ネジ溝が形成され、ネジ軸２０の雄ネジ溝とナット２１の雌ネジ溝との間には、多数のボール（不図示）が転動自在に配置されている。よって、ネジ軸２０ａの回転は、ナット２１の軸線方向移動に変換されることとなる。ネジ溝２０ａ、ナット２１，及び不図示のボールによりボールスクリュー機構すなわち動力伝達機構が構成される。

ナット２１は、コントロール軸２２の一端に、一対のレバー２３を介して連結されている。従って、ナット２１が移動すると、コントロール軸２２は、それに応じた量だけ回転するようになっている。コントロール軸２２の他端側には、ディテントレバー２４が一体的に回転するように取り付けられている。ディテントレバー３１に植設されたピン３１ａは、レンジ切換弁１０の先端の凹部に係合しており、ディテントレバー３１の回動に応じて、レンジ切換弁１０が軸線方向に移動するようになっている。尚、コントロール軸２２の末端には、その回転力を測定する回転センサ２５が設けられている。

回転センサ２５からの出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ５１を介してＣＰＵ５４に入力される。一方、車室内に配置されたシフトレバーＳＬのシフト位置を検出するレンジ検出器５２からの信号も、ＣＰＵ５４に入力される。ＣＰＵ５４は、これらの信号を元に、図２に示す制御態様で電動モータ２０に、アンプ５３を介して電力を供給するようになっている。

次に、ディテント機構３０について説明する。ディテントレバー３１は略扇形状を有し、その外周には複数個の凹部３１ｂが形成されている。これら凹部３１ｂのうちの一つの凹部に対し、一端を不図示の車体に固定されたディテントスプリング３２の端部に設けられたローラ（係合部材）３２ａが係合可能となっている。かかる係合により、コントロール軸２２の回転位置、つまりレンジ切換弁１０の複数のレンジポジション（Ｐ−Ｒ−Ｎ−Ｄ−Ｌ）が決定される。凹部３１ｂは、なめらかに深くなる形状を有し、またバネ材からなるディテントスプリング３２は、取り付けられた状態で図１で下方に付勢力を発揮するので、コントロール軸２２がフリーに回転するのであれば、ローラ３２ａは凹部３１ｂのいずれかの底部に安定して保持されることとなる。尚、ディテントレバー３１とディテントスプリング３２とで、ディテント機構３０すなわち駆動機構を構成する。

コントロール軸２２の回転により、ディテントレバー３１を通じてレンジ切換弁１０が切換えられる。このときレンジ切換弁１０の各レンジポジションにおいて、ローラ３２ａは、ディテントスプリング３２の付勢力に抗して、ディテントレバー３１の凹部３１ｂを隔てる凸部を乗り越えつつ、隣の凹部３１ｂに係合するといった動作を繰り返す。

次に、本実施の形態のシフト切り替え機構の基本的な制御について、図２を参照して説明する。ＣＰＵ５４は、ステップＳ１０１で、現在のシフトレバーＳＬの位置をレンジ検出器５２からの信号で検出し、ステップＳ１０２で、記憶していた位置と比較して、シフトレバーＳＬが移動したか否かを判断する。シフトレバーＳＬが移動したと判断すれば、ドライバーがシフトを所望していると判断し、ステップＳ１０３で、電動モータ２０への電力供給を開始する。

更に、ＣＰＵ５４は、ステップＳ１０４で、シフトレバーＳＬのシフト位置を求め、ステップＳ１０５で、それを回転センサ２５からの信号によるコントロール軸２２の回転位置とを比較し、偏差を求める。ＣＰＵ５４は、かかる偏差に基づいて、電動モータ２０への電力供給を続行するが、それによりネジ軸２０ａ、ナット２１を介してコントロール軸２２が回転するので、上述したように一つの凹部３１ｂから他の凹部３１ｂへとローラ３２ａが移動しながら、ディテントレバー３１が回動し、レンジ切換弁１０を移動させることとなる。

ＣＰＵ５４は、ステップＳ１０５で求めた偏差を設定値と比較し、設定値以上であれば、電動モータ２０への電力供給を続行し、且つ偏差を繰り返し求める。一方、ステップＳ１０５で求めた偏差が設定値未満となった場合、ＣＰＵ５４は、ステップＳ１０７で電動モータ２０への電力供給を停止する。このとき、ローラ３２ａがディテントレバー３１の凹部３１ｂの底部（所定位置）に位置していない場合、レンジ切換弁１０は不適切な位置にある恐れがあるので、これを適切な位置に移動させる必要がある。

レンジ切換弁１０が適切な位置にない場合、凹部３１ｂの斜面にローラ３２ａが位置していることになるので、ディテントスプリング３２の付勢力により、ローラ３２ａは凹部３１ｂの底部に向かって付勢され、それによりディテントレバー３１は、レンジ切換弁１０を適切なシフトポジションとする回転位置に移動しようとする。ここで、本実施の形態では、コントロール軸２２と電動モータ２０とは、低フリクションのボールスクリュー機構により連結されているため、電動モータ２０への電力供給を停止すれば、コントロール軸２２は抵抗を失って、その回転力（すなわちディテントスプリング３２の付勢力の一部に相当）が電動モータ２０へ伝達されるようになる。すなわち、電力供給を行うことなく、また複雑な位置制御を行うことなく、レンジ切換弁１０は適切な位置に移動することとなる。従って、ここでいう「設定値」とは、ローラ３２ａの目標位置を底部とする特定の凹部３１ｂの両斜面のいずれかにローラ３２ａが位置できるだけの、シフト位置とコントロール軸２２の回転位置との間の偏差をいうものである。尚、所定位置である「底部」は、凹部３１ｂの最深部である必要はなく、例えば最深部を挟んで一定の範囲であって、それにより位置決めされるレンジ切替弁１０によって適切なシフトポジションを確保できる位置であれば足りる。

更に、ＣＰＵ５４は、ステップＳ１０８で、ローラ３２ａの最終的に落ち着いた位置を最適なコントロール軸２２の角度として記憶して、以降の制御に用いるようにしている。

図３は、本実施の形態の変形例を示す図である。図４は、本変形例にかかるモータの制御回路図である。本変形例においては、図３に示すように、電動モータ２０の回転軸２０ｂと、ネジ軸２０ａとは分離されており、更に回転軸２０ｂに結合された歯数の少ないプラスチックギヤ２０ｃと、ネジ軸２０ａに結合された歯数の大きいプラスチックギヤ２０ｄとを噛合させることで、回転軸２０ｂの回転力を減速してネジ軸２０ａに伝達できるようになっている。プラスチックギヤ２０ｃ、２０ｄが減速機構を構成する。

電動モータ２０の定格トルクが小さい場合には、減速機構を設けてトルクを増大させる必要があるが、減速機構に金属製の歯車対を設けると重量増の他にも、慣性力増大という問題が生じる。かかる場合、ＣＰＵ５４が、電動モータ２０への電力供給を中断した際に、ナット２１は慣性により直ちに停止せず、目標停止位置から大きくずれてしまう恐れがある。これに対し、本実施の形態によれば、減速機構にプラスチックギヤ２０ｃ、２０ｄを用いることで、その慣性力を低く抑えながらも減速を達成できるようにし、それにより制動制御を容易とすることができる。

図５〜図１０は、ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す図である。図５に示す変形例においては、ネジ軸１２０ａの端部に雄スプライン１２０ｍを形成し、プラスチックギヤ１２０ｃの内周に雌スプライン１２０ｆを形成し、これらスプラインを相互に係合させることで、ネジ軸１２０ａに対してプラスチックギヤ１２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

図６に示す変形例においては、ネジ軸２２０ａの端部に、プラスチックギヤ２２０ｃをモールド成形することで、ネジ軸２２０ａに対してプラスチックギヤ２２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

図７に示す変形例においては、円筒状の台金３２０ｇの外周に、プラスチックギヤ３２０ｃをモールド成形し、更に、ネジ軸３２０ａの端部に雄スプライン３２０ｍを形成し、台金３２０ｇの内周に雌スプライン３２０ｆを形成し、これらスプラインを相互に係合させることで、ネジ軸３２０ａに対してプラスチックギヤ３２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

図８に示す変形例においては、ネジ軸４２０ａの端部にキー溝４２０ｍを形成し、プラスチックギヤ４２０ｃの内周にキー溝４２０ｆを形成し、これら溝間にキー４２０ｇを挿入することで、ネジ軸４２０ａに対してプラスチックギヤ４２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

図９に示す変形例においては、円筒状の台金５２０ｇの外周に、プラスチックギヤ５２０ｃをモールド成形し、更に、ネジ軸５２０ａの端部に台金５２０ｇを嵌合圧入することで、ネジ軸５２０ａに対してプラスチックギヤ５２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

図１０に示す変形例においては、円筒状の台金６２０ｇの外周に、プラスチックギヤ６２０ｃをモールド成形し、更に、ネジ軸６２０ａの端部に台金６２０ｇを嵌合圧入した後、ピン６２０ｈを、台金６２０ｇからネジ軸６２０ａに対して半径方向に貫通させることで、ネジ軸６２０ａに対してプラスチックギヤ６２０ｃを相対回転不能に取り付けることができる。

尚、プラスチックギヤの素材としては、ポリアセタールにグラスファイバーを混入させたものが好ましい。又、潤滑剤を含浸させた素材を用いてプラスチックギヤを形成しても良い。

図４において、直流の電動モータ２０の両端子は、回生制動回路を構成する電源Ｅまたは抵抗Ｒに選択的に接続されるようになっている。かかる選択は、スイッチＳの操作によりなされ、スイッチＳは、ＣＰＵ５４により行われる。本実施の形態によれば、ＣＰＵ５４が、スイッチＳの操作により、電動モータ２０への電力供給を中断した後、直ちに電動モータ２０の両端子を抵抗Ｒに接続する。このとき、電動モータ２０の両端子には電力が発生するが、それを抵抗Ｒで消費することで、電動モータの回転軸２０ｂは仕事をし、すなわち回生制動を与えられることとなる。かかる回生制動を利用し、電動モータ２０への電力供給が中断された後、慣性に抗して直ちにナット２１の移動を停止できるようにしている。抵抗Ｒの代わりに、キャパシタやバッテリーなどのエネルギ回収器を用いてもよい。

尚、ＣＰＵ５４は、電動モータ２０の回転軸２０ｂの回転速度を検出し、目標位置に近づいたときに減速してオーバーランせずに、丁度ディテントレバー３１の凹部３１ｂに凸部３２ａがとどまるように制御することも可能である。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、コントロール軸２２の回転位置を検出する回転センサ２５を設ける代わりに、電動モータ２０の回転軸すなわちネジ軸２０ａの回転位置を検出するセンサ２２’を設けても良い（図１参照）。

又、電動モータとネジ軸間の動力伝達はギヤに限られない。例えば、図１１に示すように、電動モータ７２０の回転軸７２０Ａにプーリ７２０Ｂを取り付け、一方、ネジ軸７２０Ｃの端部にプーリ７２０Ｄを取り付け、両プーリ間をベルト７２０Ｅにより駆動しても良いことはもちろんである。

本実施の形態である電動リニアアクチュエータを含むシフト切り替え機構の斜視図である。シフト切り替え機構の制御を示すフローチャートである。本実施の形態の変形例を示す図である。本変形例にかかるモータの制御回路図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。ネジ軸に対してプラスチックギヤを取り付ける変形例を示す断面図である。電動モータとネジ軸間の動力伝達をベルト駆動によって行う変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０レンジ切換弁
２０電動モータ
２０ａネジ軸
２１ナット
２２コントロール軸
３１ディテントレバー
３１ｂ凹部
３２ディテントスプリング
３２ａローラ

Claims

移動部材と、
前記移動部材を、保持されるべき複数の位置のいずれかに駆動する駆動機構と、
電動モータと、
前記電動モータからの動力を前記駆動機構に伝達する動力伝達機構とを有し、
前記駆動機構が、前記移動部材における保持されるべき複数の位置にそれぞれ対応して設けられた複数の凹部と、前記凹部に選択的に係合可能となっている係合部材とを備え、
前記動力伝達機構が、ネジ軸と、ナットと、前記ネジ軸とナットとの間に配置された複数のボールとを備えたボールスクリュー機構を含み、
前記電動モータへの電力の供給を実質的に中断した状態で、前記複数の凹部のいずれかの所定位置に前記係合部材が係合していない場合には、前記係合部材は前記凹部のいずれかの所定位置に向かって付勢され、その付勢力を利用して、前記移動部材が、前記保持されるべき位置のいずれかに駆動され、そこで保持されるようになっており、前記ボールスクリュー機構は、前記付勢力の一部を前記電動モータに伝達可能となっていることを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
前記移動部材は、変速機のシフトポジションに対応して前記複数の位置に駆動され保持されることを特徴とする請求項１に記載の電動リニアアクチュエータ。
前記駆動機構は、前記複数の凹部を設け回動可能であって、前記移動部材に連結されたディテントレバーを含み、前記ディテントレバーの回動に応じて、前記移動部材が前記保持されるべき複数の位置に駆動されるようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動リニアアクチュエータ。
前記ディテントレバーの回動角度を検出するセンサを有し、
前記電動モータは、センサの出力に基づいて電力供給が制御されるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の電動リニアアクチュエータ。
前記電動モータは、その回転軸の回転角度に応じて電力供給が制御されるようになっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
前記移動部材が、前記保持されるべき複数の位置のいずれかに到達する前に、前記電動モータへの電力の供給が中断されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
前記動力伝達機構は、プラスチックギヤを使用した減速機構を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
前記電動モータに対して電磁気的に制動を行なう回生制動回路を有し、電力の供給を中断した後に、この回生制動回路を前記電動モータに接続することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
前記移動部材が、前記保持されるべき複数の位置のいずれかに到達する前に、前記電動モータの減速を行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。