JP2005261029A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電源が投入された際に、ねじ軸部材の軸方向絶対位置を瞬時に検出可能にし、この検出を電動アクチュエータ本体を大形化することなく、実現可能にすること。
【解決手段】ナット部材１４に螺合されたねじ軸部材１５に当該ねじ軸部材１５の中心線に沿って中空部１５ａを形成し、この中空部１５ａにねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を検出する絶対位置検出機構４を設けて、ナット部材１４を駆動するモータ１の回転角に応じたねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータの回転によりねじ軸部材を軸方向移動させる電動アクチュエータに関し、特に、モータの回転角度に対応するねじ軸部材の軸方向絶対位置を検出するための電動アクチュエータに関する。

従来から、モータにより回転するナット部材にねじ軸部材を螺合させ、モータの１回転あたりのねじ軸部材の送り量に基づき、モータの回転角度に対応する位置にねじ軸部材を軸方向移動させる（位置決めする）電動アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電動アクチュエータでは、ロータリエンコーダで検出したモータまたはナット部材の回転角度（回転数）と指定したねじ軸部材の停止位置との誤差に基づき、この誤差を例えばゼロに近づけるように、指定した軸方向位置にねじ軸部材の位置決めを行なっている。
実開平１−８６４５７号公報

しかしながら、前記電動アクチュエータにあっては、モータまたはナット部材の１回転あたりのねじ軸部材の送り量と、ロータリエンコーダにより検出したモータの回転角度とに基づきねじ軸部材の軸方向位置を認識するため、電動アクチュエータの駆動装置の電源を切ってしまうと、電源を再投入した際、ロータリエンコーダの信号情報が保存されていないため、ねじ軸部材の軸方向位置を正しく認識できない。従って、ねじ軸部材の軸方向ストローク内の任意の位置に設置された原点センサを探し、その位置を軸方向の基準位置とする原点復帰動作が必要になる。

また、前記のような電動アクチュエータを自動車のトランスミッションやブレーキなどに用いる場合には、大きな問題がある。例えば、自動車の走行中に発生するノイズより、電動アクチュエータの駆動回路がシステムリセットされたり、他の系統で瞬間的に大電力が消費されたりして、電源ラインに大きな電圧降下が生じると、電動アクチュエータが瞬間的に停電状態になることがある。ロータリエンコーダはこれまでの回転検出情報を残していないため、ねじ軸部材の現在位置を認識できなくなる。従って、この停電時にはトランスミッションやブレーキが動作しないという重大な問題がある。

一方、電動アクチュエータの駆動回路がシステムリセットされたり、電源が切れたりしたときのねじ軸部材の位置を、半導体メモリに記憶させる方法が提案されている。この方法では、システムブートしている間や停電している間に、電動アクチュエータに何らかの軸方向外力が加わると、ナット部材が強制的に回転付勢され、ねじ軸部材が位置ずれしてしまう。この位置ずれは、位置誤差として累積されてくるため、やはり前記原点センサとこの原点センサに基づく原点復帰動作が必要になる。

さらに、ねじ軸部材のストローク分の長さが持つリニアスケール等の絶対位置検出器を、そのねじ軸部材に対し平行配置する方法が考えられる。しかし、その絶対位置検出器の設置スペースが電動アクチュエータ本体の体格を増大してしまう。従って、省スペースが要求される自動車用の電動アクチュエータとして用いるには不適当である。特に、機構部品が密集している部位の取り付けが不可能となる場合があった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ねじ軸部材の中心線に沿って形成した中空部に絶対位置検出機構を配置することにより、絶対位置検出機構の占有空間をねじ軸部材内に収めることができ、また、停電が発生した場合などにも、停電回復後はモータまたはナット部材およびねじ軸部の停電直前の絶対位置を認識できる電動アクチュエータを提供することにある。

前述した目的を達成するため、本発明に係る電動アクチュエータは、下記（１）〜（１２）を特徴としている。
（１）モータを駆動しナット部材を回転させることにより、前記ナット部材に螺合されたねじ軸部材を軸方向移動させるための電動アクチュエータであって、
前記ねじ軸部材に当該ねじ軸部材の中心線に沿って形成された中空部と、
前記中空部に設けられた絶対位置検出機構と、
を備え、
前記絶対位置検出機構が、前記モータの回転角に対応する前記ねじ軸部材の軸方向における軸方向絶対位置を検出すること。
（２）上記（１）記載の電動アクチュエータであって、前記絶対位置検出機構が、前記中空部に臨むように前記ねじ軸部材に設けられた磁路部と、当該磁路部に対向するように軸方向配置されたコイルと、を含むこと。
（３）上記（１）記載の電動アクチュエータであって、前記モータの回転軸と前記ナット部材とが減速機構を介して連結されていること。
（４）上記（１）記載の電動アクチュエータであって、前記モータの回転軸に前記ナット部材が直接組み付けられていること。
（５）上記（１）記載の電動アクチュエータであって、前記モータが、ブラシレスＤＣモータであること。
（６）上記（２）記載の電動アクチュエータであって、前記コイルが、交流電圧が印加される１次コイルと、当該１次コイルのコイル軸方向の両側に配置された２次コイルと、を含むこと。
（７）上記（２）記載の電動アクチュエータであって、前記コイルが、交流電圧が印加される第１のコイルと、当該第１のコイルのコイル軸方向の一側に配設され、かつ前記第１のコイルと同等の交流電圧が印加される第２のコイルと、を含むこと。
（８）上記（２）記載の電動アクチュエータであって、前記磁路部が、前記ねじ軸部材の中空部内へ環状に突出する環状突出部であること。
（９）上記（２）記載の電動アクチュエータであって、前記コイルが、交流電圧が印加される１つのコイルであり、前記磁路部が、前記ねじ軸部材の中空部内へ環状に突出し、かつ軸方向にテーパ状に形成されていること。
（１０）上記（３）記載の電動アクチュエータであって、前記減速機構が、前記モータによって回転するウォームギアと、当該ウォームギアに噛合されて前記ナット部材に前記モータの回転を伝えるウォームホイールと、を有していること。
（１１）上記（３）記載の電動アクチュエータであって、前記減速機構が、前記モータによって回転する第１の平歯車と、当該第１の平歯車に噛合されて前記ナット部材に回転を伝える第２の平歯車と、を有していること。
（１２）上記（１）記載の電動アクチュエータであって、前記絶対位置検出機構が、前記ねじ軸部材の内周に設けられた環状の永久磁石と、当該永久磁石内に軸方向配置された磁歪材料と、を有し、前記磁歪材料に対し超音波を発信してから、この磁歪材料の密度変化部位からエコーが戻ってくるまでの時間を計測することにより、前記ねじ軸部材の軸方向絶対位置を検出すること。

上記（１）記載の電動アクチュエータによれば、絶対位置検出機構は、ねじ軸部材の中空部内に収納されて、このねじ軸部材に相対向し、軸方向移動するねじ軸部材の軸方向絶対位置を監視する。これにより、絶対位置検出部材設置のための占有空間をねじ軸部材の外に別途設ける必要がなくなる。従って、絶対位置検出部の新たな設置によって電動アクチュエータ本体の体格が大形化するのを回避できる。
上記（２）記載の電動アクチュエータによれば、ねじ軸部材に設けられた磁路部が、ねじ軸部材に螺合されたモータの回転によって軸方向移動するため、この磁路部に対向配置された固定側のコイルに、磁路部との磁気結合度合いに応じて誘起電圧や自己インピーダンスの変化を生じさせる。これにより、このコイルの電気特性の変化からねじ軸部材の軸方向移動による絶対位置を、コイルへの電源供給が遮断されて再び電源が回復した後も、正確に検出できる。
上記（３）記載の電動アクチュエータによれば、ナット部材の回転速度をモータの回転軸の回転速度に対し十分に緩めることにより、体格の小さなモータであっても、ねじ軸部材に大きな軸方向推力を発生することができる。よって、電動アクチュエータの体格を小さくすることができる。
上記（４）記載の電動アクチュエータによれば、モータ（の回転軸）とナット部材との間に減速機構を介在させることがないため、電動アクチュエータのねじ軸部材に軸方向外力が加わると、ナット部材とモータの回転軸が回転付勢される逆作動が生じ易い。よって、意図的に逆作動させる必要のある用途（例えば、電動アクチュエータのモータが故障した際に手動で動作させる必要がある場合等）にも適用できる。
上記（５）記載の電動アクチュエータによれば、ブラシレスＤＣモータが回転子の永久磁石の角度に応じて複数組のコイルに駆動電流を順次流す構成をとるところから、回転子の電気角１周期内の絶対角度を検出し、ねじ軸部材のねじのリード長さおよび減速機の減速比をその回転子の絶対角度で除算した信号を併用することで、ねじ軸部材の軸方向絶対位置を更に高い位置分解能で得ることができる。
上記（６）記載の電動アクチュエータによれば、１次コイルおよび２次コイルがこれらに対し相対的に軸方向移動するねじ軸部材とともに差動トランスを構成し、ふたつの２次コイルには、ねじ軸部材の軸方向移動位置に応じて電磁結合度が相対的に変化する誘起電圧が得られる。これらの誘起電圧はねじ軸部材の軸方向移動量に応じた信号であり、これらの両信号を差動演算することにより、ねじ軸部材のねじ軸方向の絶対位置を得ることができる。この軸方向絶対位置を用いてモータを駆動制御すれば、ねじ軸部材の軸方向位置を任意に位置決めすることができる。
上記（７）記載の電動アクチュエータによれば、ねじ軸部材の軸方向位置により第１のコイルおよび第２のコイルの自己インダクタンスが相対的に増減するため、各コイルに交流電圧を印加すると各コイルの電流振幅が相対的に増減する。これらの相対的に増減する電流を差動演算することで、各コイルに対するねじ軸部材の軸方向位置を検出することができる。
上記（８）記載の電動アクチュエータによれば、環状突出部は、その内径部が円形であるため、この内径部に対するコイルの同軸度のずれによる磁気結合度合への影響が小さい。よって高精度にねじ軸部材の軸方向位置を検出することができる。
上記（９）記載の電動アクチュエータによれば、ねじ軸部材が軸方向移動するとき、これに対向するコイルの自己インダクタンスが、このコイルと磁路部との間隔が変化することにより変化する。従って、この自己インダクタンスの変化を電圧、電流の変化として捉えることで、ねじ軸部材の軸方向移動位置を極めて簡単かつ安価な構成にて得ることができる。
上記（１０）記載の電動アクチュエータによれば、ウォームホイールの周辺に小径短寸のウォームギアを螺合する構成であるため、高速から低速への動力変換機構を、ウォームホイールより僅か大きい半径内の空間に収めることが可能になる。従って、減速機構および電動アクチュエータ本体の小形化を実現できる。
上記（１１）記載の電動アクチュエータによれば、第１の平歯車の周辺に小径短寸の第２の平歯車を螺合する構成であるため、高速から低速への動力変換機構を、第１の平歯車よりも僅かに大きい半径内の空間に収めることが可能になり且つ、ねじ機構とモータを軸方向に平行に配置することができる。従って、減速機構および電動アクチュエータ本体の小形化を実現できる。
上記（１２）記載の電動アクチュエータによれば、磁歪材料を用いることで、簡単にねじ軸部材の軸方向絶対位置を検出でき、特にストロークの長い電動アクチュエータを構成するのに有用である。

本発明の電動アクチュエータは、ねじ軸部材に形成した中空部に絶対位置検出機構を設けたことで、電動アクチュエータ本体を大形化することを回避できる。また、モータの回転によって軸方向移動されるねじ軸部材の軸方向絶対位置を、電動アクチュエータの駆動装置への電源が断たれ、その後回復した場合にも、高精度に検出可能とすることができる。

以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

(第１実施形態)
図１は本発明に係る電動アクチュエータの第１実施形態の要部縦断面図であり、図２は図１の断面と直交する方向に切断した際の電動アクチュエータの第１実施形態の要部縦断面図である。尚、図１および図２ではモータを縦に切断せず示している。この電動アクチュエータは、回転型ＤＣモータなどのモータ１と、モータ１の回転を減速する減速機構２と、減速機構２に連結されたねじ機構３と、ねじ機構３に連結された絶対位置検出機構４とからなる。

モータ１は電動アクチュエータの動力源となるものであり、例えば自動車に搭載される電動アクチュエータの駆動に用いる場合には、ブラシ付きのＤＣモータのほかブラシレスＤＣモータなどが用いられる。

このモータ１は、電動アクチュエータの本体を包む略円筒状の中ケース５の外周面に着脱可能に取り付けられている。このモータ１の回転軸６は中ケース５に形成された、図２に示すような有底型のモータ軸収納孔７内に突出している。

このモータ軸収納孔７の底部には軸受部材（ボールベアリング）８が設置されており、この軸受部材８に回転軸６の下端周面が回転自在に支持されている。

中ケース５の左右端部には、左ケース９および右ケース１０がそれぞれボルトなど締結部材（図示しない）により着脱可能に取り付けられている。これらの左ケース９および右ケース１０は、中心部が外側に突出する突出部９ａおよび突出部１０ａを持つ。

突出部９ａは、後述のねじ軸部材１５の左端部を一定の間隙をおいて軸方向移動自在に収納するサイズ、形状に形成されている。突出部１０ａは突出部９ａに比べて軸方向に長く、先端が開放されている。また、この突出部１０ａはねじ軸部材１５の外周を摺動自在に支承する内径寸法および長さに形成されている。

減速機構２はモータ１の回転速度を一定の減速割合で減速し、後述のナット部材に伝えるものであり、ウォームギア１１とこのウォームギア１１に噛合するウォームホイール１２とからなる。減速割合はウォームギア１１とウォームホイール１２とのギア数の比であり、ウォームギア１１の回転がウォームホイール１２に伝えられ、これが低速回転する。

ウォームギア１１はモータ１の回転軸６に取り付けられ、回転軸６とともに回転する。ウォームホイール１２はフランジ部１２ａとシリンダ部１２ｂを一体に有し、フランジ部１２ａの周縁にギアが形成されている。

また、ウォームホイール１２のシリンダ部１２ｂの外周が、中ケース５の内周に嵌挿された２組の軸受部材１３によって、垂直面内で回転可能に支持されている。

ねじ機構３は、モータ１の回転がウォームホイール１２を介して伝達されるナット部材１４と、このナット部材１４の内周にボール１６を介して螺合されたねじ軸部材１５とからなる。ナット部材１４はフランジ部１４ａとシリンダ部１４ｂを一体に有し、このシリンダ部１４ｂの外周にウォームホイール１２のシリンダ部１２ｂ内周が嵌合、固定されている。従って、ナット部材１４は、ウォームホイール１２とともにねじ軸部材１５の廻りに円滑に回転可能となっている。

ねじ軸部材１５は全体に円筒状となし、従って中心部は中空部１５ａとなっている。このねじ軸部材１５は、図上、略左半分の外周にねじ溝１７が形成されている。ねじ溝１７はボール１６を介してナット部材１４内周のねじ溝（符号を省略）に螺合されている。一方、ねじ軸部材１５外周の右半分は円滑面１８となっている。この円滑面１８は突出部１０ａの内周に軸方向摺動自在に支持されている。円滑面１８部には、軸方向の所定長に亘って所定深さおよび幅の細長いガイド溝１９が所定長に亘って形成されている。

また、突出部１０ａには、これの肉厚内を貫通するように、回り止めピン２０がねじ込まれ、その先端がガイド溝１９内に突出している。従って、ねじ軸部材１５は各ケース５、９、１０内において回転が規制され、ガイド溝１９の長さ内で軸方向移動が可能となっている。ねじ軸部材１５の右端（開放端）には筒内への塵埃や湿気の侵入を防止し且つ本電動アクチュエータの出力を他の機構部品へ伝達するためのキャップ２１がはめ込まれている。２２は右ケース１０ａおよびねじ軸部材１５間をシールするシールリングである。

ねじ軸部材１５は磁性材からなり、このねじ軸部材１５の内周に、中空部１５ａ内へ環状に突出する磁路部としての環状突出部２３が一体に設けられている。この環状突起部２３は絶対位置検出機構４の一部を構成している。

絶対位置検出機構４は、環状突起部２３と、この環状突起部２３に対向するように中空部１５ａ内に配置された１次コイル２４と、２次コイル２５、２６とから構成されている。各コイル２４、２５、２６は軸方向に並置され、１次コイル２４の両隣りに２次コイル２５、２６がそれぞれ配置されている。なお、各コイル２５、２６は電気的特性および機械的特性が略等しく、１次コイル２４の軸方向長さと２次コイル２５、２６のうち１本の軸方向長さを合計した長さと、環状突起部２３の軸方向長さとが略等しくされている。

また、１次コイル２４および２次コイル２５、２６は磁性材のコイル軸２７に嵌挿されている。このコイル軸２７は一端が左ケース９の突出部９ａ端の中心部に、これを貫通するように螺合されて、中空部１５ａ内の軸方向に延びている。２８はその螺合状態を保持する締め付け用ナットである。

従って、１次コイル２４および２次コイル２５、２６はコイル軸２７上に固定的に支持され、各コイル２４、２５、２６の周囲を、ねじ軸部材１５の環状突起部２３が微小間隙を介し、軸方向移動可能となっている。２９は各コイル２４、２５、２６端を外部へ引き出すためのリード線である。このリード線２９は、例えばコイル軸２７に設けた中心孔などを通して、前記のように外部へ引き出される。

図３は前記電動アクチュエータを利用した絶対位置検出機構４の電気系統を示すブロック図である。図１および図２と同一の構成部分には同一符号を付して、その重複する説明を省略する。絶対位置検出機構４は、１次コイル２４に接続された交流電源４１と、差動増幅器４２と、同期整流器４３と、ローパスフィルタ４４とを備えている。ここで、２次コイル２５、２６は、コイル軸２７に対し互いに逆方向の磁束を発生するように、直列接続されている。２次コイル２５、２６の互いに接続されない側の各一端は、差動増幅器４２の２つの入力端子にそれぞれ接続されている。

差動増幅器４２は、２次コイル２５、２６に誘起された２つの電圧を差動結合するように機能する。同期整流器４３は差動結合された電圧と１次コイル２４を励磁する交流電源４１の電圧とを入力として、同位相または逆位相判別のための同期整流信号を生成するものである。ローパスフィルタ４４は同期整流信号に含まれるリップル成分を除去するように機能する。

次に、前記のように構成された電動アクチュエータの基本動作および絶対位置検出動作について、説明する。

モータ１が駆動開始され、回転軸６が回転すると、減速機構２のウォームギア１１およびウォームホイール１２を介して、ねじ機構３のナット部材１４がモータ１の回転に対して減速回転する。このナット部材１４の回転は、ボール１６を介して螺合するねじ機構３のねじ軸部材１５に伝えられる。

ナット部材１４はウォームホイール１２および軸受１３を介して中ケース５側に固定されているため、ねじ軸部材１５はナット部材１４の回転方向に応じて、左または右の軸方向にケース５、９、１０内を移動する。

ねじ軸部材１５は、回り止めピン２０がガイド溝１９に入り込んでいるため、回転が規制されるとともに、軸方向移動がガイド溝１９の長さ内可能となっている。従って、ねじ軸部材１５はモータ１の回転数に対応する距離だけ軸方向移動し、指定した位置で停止する。

続いて、モータ１の駆動によって軸方向移動したねじ軸部材１５の位置決めを行なう等のために、そのねじ軸部材１５の現在の軸方向位置を検出する場合を説明する。

モータ１の駆動を開始すると、減速機構２のウォームギア１１、ウォームホイール１２を介してねじ機構のナット部材１４が減速回転する。このモータ１およびナット部材１４の回転角(回転数)は、ナット部材１４とともにボールねじを構成するねじ軸部材１５の軸方向移動量に対応する。

このため、ねじ軸部材１５に一体の環状突起部２３を介しての、１次コイル２４に対する二つの２次コイル２５、２６の電磁結合の度合いが、相対的に増減する。従って、１次コイル２４に交流電源４１から図４(ａ)に示すような交流電圧を印加して励磁すると、図４(ｂ)に示すようなねじ軸部材１５の軸方向変移(右方向変移、左方向変移)に対して、２次コイル２５、２６に、図４(ｃ)および図４(ｄ)に示すような電圧が誘起される。

この場合において、直列接続された２次コイル２５、２６に誘起される電圧のレベルはねじ軸部材１５の軸方向変移位置、つまり２次コイル２５、２６の環状突起部２３に対する相対位置関係により、前記のように変化する。

このように２次コイル２５、２６にそれぞれ誘起された電圧は、差動増幅器４２の二つの入力端子に入力される。この差動増幅器４２では、入力された二つの電圧信号を差動結合し、図４(ｅ)に示すような信号を生成する。

次に、その差動結合した２次コイル２５、２６の誘起電圧と１次コイル２４に入力される交流電源電圧の各周期を同期整流器４３に入力して、同位相または逆位相の判別を行なうことで、図４(ｆ)に示すような正負の全波整流信号を生成する。

続いて、この全波整流信号をローパスフィルタ４４に通してリプルを除去し、図４(ｇ)に示すような１次コイル２４および２次コイル２５、２６に対するねじ軸部材１５の軸方向位置、すなわち、ねじ軸部材１５の軸方向絶対位置の信号を生成する。

このような電動アクチュエータ構成では、仮に一旦電動アクチュエータの駆動回路の電源が切れた場合であっても、電源の再投入時に再び１次コイル２４が励磁され、２次コイル２５、２６はねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を瞬時に認識する。従って、従来におけるような原点復帰動作が不要となる。

また、このような軸方向絶対位置の検出手段である１次コイル２４、２次コイル２５、２６および環状突起部２３は、すべてねじ軸部材１５の中空部１５ａ内に納めておくことができる。従って、このような検出手段のために電動アクチュエータ本体に別途設置空間を用意する必要がなくなり、電動アクチュエータ全体の体格が大きくなるのを回避できる。この結果、省スペース化が要求される自動車用電動アクチュエータとして、利用価値が高いものとなる。

さらに、このようにして得られたねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を用いて、モータ１の回転角度および回転数を制御することにより、ねじ軸部材を任意に指定した軸方向位置に位置決めしたり、任意の速度で移動したりすることができる。

(第２実施形態)
次に、本発明に係る電動アクチュエータの第２実施形態を図面に基づき説明する。図５は電動アクチュエータの第２実施形態の要部縦断面図である。本実施形態は、絶対位置検出機構４Ａを除いて、第１実施形態と同様の構成であり、軸方向絶対位置の検出にコイルの自己インダクタンスの変化を検出する手法を用いるものである。

図５において、コイル軸２７には、磁路２３に対向する部位に、第１のコイル５１および第２のコイル５２が隣り合うように配置されている。第１のコイル５１および第２のコイル５２は、図６の電動アクチュエータにおける絶対位置検出回路に示すように接続されている。この絶対位置検出回路では、第１のコイル５１が電流検出用の抵抗５３を介して交流電源４１に接続され、また第２のコイル５２が電流検出用の抵抗５４を介して電源４１に接続されている。第１のコイル５１および第２のコイル５２は電気特性、機械特性が同等のものが用いられる。

第１のコイルと５１と抵抗５３との接続点Ｐ１および第２のコイル５２と抵抗５４との接続点Ｐ２が、それぞれ差動増幅器４２の２つの入力端子に接続されている。また、差動増幅器４２には同期整流器４３およびローパスフィルタ４４が順次接続されている。

差動増幅器４２、同期整流器４３およびローパスフィルタ４４は、第一の実施形態について述べたものと同一の機能を持ち、差動増幅器４２は、第一のコイル５１および第二のコイル５２に流れる電流によって抵抗５３および抵抗５４に生じる２つの電圧を差動結合するように機能する。

同期整流器４３は差動結合された電圧と交流電源４１の電圧とを入力として、同位相または逆位相判別のための同期整流信号を生成するものである。フィルタ４４は同期整流信号に含まれるリプルを除去するように機能する。

前記のように構成された電動アクチュエータの基本動作および絶対位置検出動作について、図７を参照して説明する。図７は図６に示すねじ軸部材１５の移動と電気系統各部の信号波形を示す説明図である。

まず、モータ１が駆動開始され、回転軸６が回転すると、減速機構２のウォームギア１１およびウォームホイール１２を介して、ねじ機構３のナット部材１４がモータ１の回転に対して減速回転する。このナット部材１４の回転は、ボール１６を介して螺合するねじ機構３のねじ軸部材１５に伝えられる。

ナット部材１４はウォームホイール１２および軸受１３を介して中ケース５側に固定されているため、ねじ軸部材１５はナット部材１４の回転方向に応じて、左または右の軸方向にケース５、９、１０内を移動する。ねじ軸部材１５はモータ１の回転数に対応する距離だけ軸方向移動し、指定した位置で停止する。

次に、モータ１の駆動によって軸方向移動したねじ軸部材１５の位置決めを行なう等のために、そのねじ軸部材１５の現在の軸方向位置を検出する場合を説明する。

まず、モータ１の駆動を開始すると、減速機構２のウォームギア１１、ウォームホイール１２を介してねじ機構のナット部材１４が減速回転する。このモータ１およびナット部材１４の回転角(回転数)は、ナット部材１４とともにボールねじを構成するねじ軸部材１５の軸方向移動量に対応する。

このため、ねじ軸部材１５に一体の環状突起部２３に対する１次コイル５１および２次コイル５２の電磁結合の度合いが、相対的に増減する。従って、各コイル５１、５２の自己インダクタンスも相対的に増減する。

そこで、各コイル５１、５２に交流電源４１を接続して、図７(ａ)に示すような電圧を印加すると、ねじ軸部材１５の図７(ｂ)に示すような軸方向変移に対し、図７(ｃ)または図７(ｄ)に示すような電流が各コイル５１、５２に流れる。

この電流の振幅は各コイル５１、５２が持つ自己インダクタンスに応じて相対的に変化する。抵抗５３、５４は各コイル５１、５２に流れる電流に対する電圧を発生し、これらの各電圧が差動増幅器４２に２つの入力端子から入力される。この差動増幅器４２では、入力された２つの電圧信号を差動結合し、図７(ｅ)に示すような信号を生成する。

次に、その差動結合した各電圧信号の周期を同期整流器４３に入力して同位相または逆位相の判別を行なうことで、図７(ｆ)に示すような正負の全波整流信号を生成する。

続いて、この全波整流信号をローパスフィルタ４４に通してリプルを除去し、図７(ｇ)に示すような各コイル５１、５２に対するねじ軸部材１５の軸方向位置、すなわち、ねじ軸部材１５の軸方向絶対位置の信号を生成する。

このような電動アクチュエータ構成においても、一旦電動アクチュエータの駆動回路の電源が切れた場合に、電源の再投入時にねじ軸部材１５の軸方向絶対位置が瞬時に認識される。従って、従来におけるような原点復帰動作が不要となる。

前記各実施形態では、減速機構として、コンパクトでありながら大きな減速比が、得られ、かつ逆動作せずに位置保持性が良いという利点から、ウォームギア１１およびウォームホイール１２を用いた例を示した。これに代えて、ねじ機構３とモータ１の位置関係や減速比によっては平歯車および傘歯車などからなる、他の形式の減速機構を必要に応じて用いることができる。例えば、本電動アクチュエータが設置されるスペースの制限により、ねじ機構３とモータ１の位置関係を軸方向に平行にする必要がある場合は、ウォームギア１１およびウォームホイール１２の代わりに平歯車を用いればよい。また、本実施形態の如く、ねじ機構３の軸とモータ１の軸の位置関係を直交とし且つ、減速比を小さくとりたい場合は、ウォームギア１１およびウォームホイール１２の代わりに傘歯車を用いるとよい。

また、前記実施形態では、モータ１の効率とねじ軸部材１５の軸方向移動速度等の諸元から、モータ1とねじ軸部材１５との間に前記減速機構２を配置したが、用途によってはナット部材１４に回転子を、中ケース５に固定子をそれぞれ組み込んだ形式のダイレクトドライブモータを構成し、直接ナット部材１４に回転力を与えるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、絶対位置検出機構４として、ねじ軸部材１５に対し中空部１５ａ内へ突出する環状突起部２３を設けた例を示したが、ねじ軸部材１５の内周を軸方向にテーパ状に突出させた環状突起部を設け、これに対向するコイル軸２７上の位置に１つのコイルを配設するようにしてもよい。これにより、ねじ軸部材１５が軸方向移動することによって変化するコイルのインダクタンスによって、ねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を検出することができる。

さらに、ねじ軸部材１５の内周に環状突起部として円環状の永久磁石を設け、この永久磁石の中に前記のようなコイルではなく、軸状の磁歪材料を配設するようにしてもよい。この場合には、永久磁石の磁場により磁歪材料の密度が変化して音響インピーダンスに差が生じる。

そこで、この磁歪材料の片端面または両端面に圧電素子などにより少なくとも半周期の超音波を発信する。すると、音響インピーダンスに差が出ている部位(永久磁石の軸方向絶対位置)からエコーが戻ってくる。

この超音波の発信からエコーが戻ってくるまでの時間を計測することで、ねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を検出することができる。この磁歪材料を用いた軸方向絶対位置の検出方法は、ストロークの長い電動アクチュエータを構成する場合に、特に有用である。

また、前記実施形態では、モータ１としてブラシ付きのＤＣモータを用いた場合を示したが、ブラシレスＤＣモータなど、他の形式のモータも適用できる。例えばブラシレスＤＣモータでは、通電切り替え(回転子の永久磁石の角度に応じて、各相のモータ巻線にトルク電流を流す)のために、回転子の絶対角度を検出する機構を有する。

そこで、回転子の電気角１周期内の絶対角度を検出し、ねじ機構のリード長さおよび減速機の減速比を回転子の前記絶対角度で除算した信号を併用することで、ねじ軸部材１５の軸方向絶対位置を更に高い位置分解能で得ることができる。

また、前記実施形態では、ねじ機構としてボールねじを用いた場合を示したが、転動体を用いないすべりねじを使用してもよい。しかしながら、転動体としてボールを用いたボールねじの方が、トルク性能や効率等の面からは好ましい。なお、ボールねじは、移動体と軌道面の隙間が無い予圧形式が好ましいが、転動体と軌道面の隙間がある形式であっても、低コストに電動アクチュエータを構成できるという利点がある。

本発明に係る電動アクチュエータの第１実施形態の要部縦断面図である。 図１の断面と直交する方向に切断した際の電動アクチュエータの第１実施形態の要部縦断面図である。 本発明の電動アクチュエータにおける絶対位置検出部を示す電気系統図である。 図３におけるねじ軸部材の位置と電気系統図各部の信号との関係を示す説明図である。 本発明に係る電動アクチュエータの第２実施形態の要部縦断面図である。 本発明の電動アクチュエータにおける他の絶対位置検出部を示す電気系統図である。 図６におけるねじ軸部材の位置と電気系統図各部の信号との関係を示す説明図である。

符号の説明

１：モータ
２：減速機構
３：ねじ機構
４：絶対位置検出機構
５：中ケース
６：モータの回転軸
９：左ケース
１０：右ケース
１１：ウォームギア
１２：ウォームホイール
１４：ナット部材
１５：ねじ軸部材
２３：環状突起部
２４：１次コイル
２５、２６：２次コイル
２７：コイル軸
４１：交流電源
４２：差動増幅器
４３：同期整流器
４４：ローパスフィルタ
５１：第一のコイル
５２：第二のコイル
５３、５４：抵抗

Claims (12)

1. モータを駆動しナット部材を回転させることにより、前記ナット部材に螺合されたねじ軸部材を軸方向移動させるための電動アクチュエータであって、
   前記ねじ軸部材に当該ねじ軸部材の中心線に沿って形成された中空部と、
   前記中空部に設けられた絶対位置検出機構と、
   を備え、
   前記絶対位置検出機構が、前記モータの回転角に対応する前記ねじ軸部材の軸方向における軸方向絶対位置を検出することを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記絶対位置検出機構が、前記中空部に臨むように前記ねじ軸部材に設けられた磁路部と、当該磁路部に対向するように軸方向配置されたコイルと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記モータの回転軸と前記ナット部材とが減速機構を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記モータの回転軸に前記ナット部材が直接組み付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
5. 前記モータが、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
6. 前記コイルが、交流電圧が印加される１次コイルと、当該１次コイルのコイル軸方向の両側に配置された２次コイルと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータ。
7. 前記コイルが、交流電圧が印加される第１のコイルと、当該第１のコイルのコイル軸方向の一側に配設され、かつ前記第１のコイルと同等の交流電圧が印加される第２のコイルと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータ。
8. 前記磁路部が、前記ねじ軸部材の中空部内へ環状に突出する環状突出部であることを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータ。
9. 前記コイルが、交流電圧が印加される１つのコイルであり、前記磁路部が、前記ねじ軸部材の中空部内へ環状に突出し、かつ軸方向にテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータ。
10. 前記減速機構が、前記モータによって回転するウォームギアと、当該ウォームギアに噛合されて前記ナット部材に前記モータの回転を伝えるウォームホイールと、を有していることを特徴とする請求項３に記載の電動アクチュエータ。
11. 前記減速機構が、前記モータによって回転する第１の平歯車と、当該第１の平歯車に噛合されて前記ナット部材に回転を伝える第２の平歯車と、を有していることを特徴とする請求項３に記載の電動アクチュエータ。
12. 前記絶対位置検出機構が、前記ねじ軸部材の内周に設けられた環状の永久磁石と、当該永久磁石内に軸方向配置された磁歪材料と、を有し、前記磁歪材料に対し超音波を発信してから、この磁歪材料の密度変化部位からエコーが戻ってくるまでの時間を計測することにより、前記ねじ軸部材の軸方向絶対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。

Images