JP2007187262A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールねじ機構の作動音を大幅に低減させるとともに、ユニットの小型化を図り、更に直線動作される出力軸の高い位置精度を確保する。
【解決手段】 ボールねじ機構３０のナット部材３１は、電動モータ２０のロータマグネット２１内に挿通された状態で、ハウジング１１に回転可能に支持されており、ロータマグネット２１と一体回転される。出力軸３２は、ナット部材３１内に挿通されており、外周面のボール溝３２ａとナット部材３１の内周面のボール溝３１ａとの間に、ボール３３を介装される。出力軸３２は、ロータマグネット２１の回転に伴うナット部材３１の回転により、軸方向に直線動作される。また、出力軸３２引き込み側のハウジング１１内空間には、原点位置を検出するマイクロスイッチ４０と、出力軸３２の回転角度を検出するレゾルバ５０とが設けられる。レゾルバ５０及びマイクロスイッチ４０により、出力軸３２の直線動作のストローク位置が正確に検出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の自動式マニュアルトランスミッションのギヤシフト装置や、４輪駆動車の２駆・４駆切替機構等に用いられ、電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換させることにより、出力軸に所定の直線動作を行わせる電動アクチュエータに関する。

従来からボールねじ機構は知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、特許文献１で開示されているボールねじ装置を示す断面図である。

ボールねじ装置１００は、図４に示すように、外周面にボールねじ溝１０１を有するねじ軸（出力軸）１０２と、内周面にボールねじ溝１０３を有するナット１０４と、ボールねじ溝１０１，１０３間で転動可能に挟持され、ねじ軸１０２及びナット１０４間に介在される複数のボール１０５とを備える。ボールねじ装置１００は、ナット１０４の回転を直線運動に変換させることにより、ねじ軸１０２に所定の直線動作を行わせる。

ボール１０５は、ボール循環部材１０６によりボールねじ溝１０１内を循環させられる。ボール循環部材１０６は、溶融型液晶ポリマを主成分とする樹脂材料を射出成形して形成されており、内部を多層構造とされている。ボール循環部材１０６の多層構造により、ボール１０５との衝突等で発生した振動が吸収され、ボール１０５を循環させる際に発生する騒音レベルが低減される。

また、ボールねじ機構をモータと一体化させたモータ内蔵形ボールねじ装置が、特許文献２に開示されている。図５は、特許文献２で開示されているモータ内蔵形ボールねじ装置を示す断面図である。

図５を参照すると、モータ内蔵形ボールねじ装置１１０において、ボールねじ軸１１１には、ボールねじナット１１２及びボールスプラインナット１１３が、ボール１１４を介して螺合されている。各ボールねじナット１１２の外周面には、ダイレクトドライブモータ１１５のロータ１１６及びナット回転位置検出用のセンサロータ１１７が一体回転可能に取り付けられている。

また、各ボールねじナット１１２の外周側には、ハウジング１１８が設けられており、各ボールねじナット１１２及びハウジング１１８間には、クロスローラ軸受１１９が介在される。更に、ハウジング１１８の内周面には、ステータ１２０及びセンサステータ１２１がそれぞれ、各ロータ１１６及びセンサロータ１１７に放射方向に沿って対向して設けられる。

ところで昨今、自動車用のマニュアルトランスミッションのギヤシフトを、電動アクチュエータを用いて電動化した自動式マニュアルトランスミッションが、広く普及し始めている。自動式マニュアルトランスミッションは、マニュアルトランスミッションの高燃費を維持しつつ、運転者の快適性及び操作性を向上させる。

特許文献３には、アクチュエータ機構を備えた車両変速機２が開示されている。図６は、特許文献３で開示されている車両変速機の制御システムを示す概略図であり、図７は、図６の車両変速機のアクチュエータ機構を示す要部断面図である。

図６及び図７を参照すると、アクチュエータ機構１３０は、係合機構１３１を車両変速機１４０のハウジング１４１に保持されており、シフトアンドセレクトシャフト１４２をセレクト方向Ｘに沿って移動させるセレクトアクチュエータ１３２を備える。すなわち、セレクトアクチュエータ１３２は、ＥＣＵ１３３により制御される電動モータ１３４と、電動モータ１３４により回転駆動され、ピニオンギヤ１３５を有する回転シャフト１３６と、回転シャフト１３６のピニオンギヤ１３５を噛合されるラック部１３７を有するシフトアンドセレクトシャフト１４２とを備える。

セレクトアクチュエータ１３２では、電動モータ１３４が回転シャフト１３６を回転駆動し、ピニオンギヤ１３５が回転されると、ピニオンギヤ１３５の回転が、ラック部１３７を介してシフトアンドセレクトシャフト１４２に伝達される。シフトアンドセレクトシャフト１４２は、ロックボール１４３に対してセレクト方向Ｘに沿って相対移動され、前進又は後退される。
特開２００５―１２７３７９号公報（第４頁、第２図） 特開２００５―７３３２０号公報（第３〜４頁、第１図） 特開２００４―２５７４４３号公報（第５〜６頁、第１図及び第３図）

上述したような自動式マニュアルトランスミッションに用いられるセレクトアクチュエータ１３２のような電動アクチュエータには、良好な高速作動性能に加え、低騒音であること及び小型であることが求められている。

しかし、図５に示すモータ内蔵形ボールねじ装置１１０、又は図６及び図７に示すセレクトアクチュエータ１３２のような従来の電動アクチュエータを、自動式マニュアルトランスミッションのギヤシフト装置に適用した場合、電動アクチュエータの高速作動に伴うボールねじ機構自体の騒音、ボールねじ機構の取付精度の悪化に起因する偏荷重で発生する騒音、ボールねじ機構を含む機械系全体の剛性不足に起因する共振音等が大きな問題となる。

また、電動アクチュエータでは、電動モータに内蔵されたパルスセンサにより、作動位置を検出しているものが多いが、ストローク量の大きい電動アクチュエータで伝達機構のガタツキが大きい場合には、絶対（原点）位置を検出するセンサを必要とする。このため、電動アクチュエータの外部にサーボシステムの絶対位置を検出するためのセンサ等を別設する必要があり、小型化を図ることが困難であった。

本発明は、ボールねじ機構の特に高速作動時における騒音を大幅に低減させることができるとともに、ユニットの特に長さ方向の小型化を図ることができ、更に直線動作される出力軸の高い位置精度を確保することができる電動アクチュエータを提供することを目的としている。

１）本発明の電動アクチュエータは、ロータマグネット及びステータを有する電動モータ、ボールねじ機構及び出力軸を、ハウジング内に備えており、電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換させることにより、出力軸に所定の直線動作を行わせる電動アクチュエータであって、前記ボールねじ機構は、前記電動モータのロータマグネット内に挿通された状態で、ハウジングに回転可能に支持され、ロータマグネットと一体回転されるナット部材と、該ナット部材内に挿通され、外周面とナット部材の内周面との間にボールを介装されるとともに、電動モータのロータマグネットの回転に伴うナット部材の回転により、直線動作される出力軸と、を備えることを特徴とする。なお、ボールねじ機構は、ナット部材の外径をコンパクト化することができる循環コマ式であることが好ましく、又は端面循環方式であってもよい。

前記電動アクチュエータでは、ボールねじ機構が電動モータのロータマグネット内に配置されるので、ボールねじ機構の作動音が電動モータ内部に閉じ込められ、ボールねじ機構の作動に伴う騒音を大幅に低減させることができる電動アクチュエータが得られる。また、ボールねじ機構の出力軸の長手方向において、電動アクチュエータのユニットとしての長さが短縮され、小型化が図られるとともに、電動モータとボールねじ機構を連結させるカップリング等の部品が不要となり、部品点数及び組付工数が削減される。更に、電動アクチュエータのユニットとしての剛性が高められ、制御性が向上されるとともに、剛性不足に起因する共振音の発生等が抑制される。

２）本発明の電動アクチュエータは、前記１）に記載の電動アクチュエータにおいて、ボールねじ機構における出力軸引き込み側のハウジング内空間には、原点位置を検出する原点位置検出手段が設けられることを特徴とする。

前記電動アクチュエータでは、マイクロスイッチ又は磁気センサ等からなる原点位置検出手段により、サーボシステムの原点位置が検出され、直線動作される出力軸の高い位置精度が確保されるとともに、ボールねじ機構における出力軸引き込み側のハウジング内空間の有効活用が図られ、高いスペース効率が確保される。これにより、電動アクチュエータのユニットとしての特に長さ方向の小型化が図られるとともに、電動アクチュエータの外部にサーボシステムの絶対位置を検出するためのセンサ等を別設する必要のない電動アクチュエータが得られる。

３）本発明の電動アクチュエータは、前記２）に記載の電動アクチュエータにおいて、ハウジング内には、ボールねじ機構の出力軸の回転角度を検出する回転角度検出手段が設けられることを特徴とする。

前記電動アクチュエータでは、レゾルバ又はロータリエンコーダ等の回転角度センサからなる回転角度検出手段により、出力軸の回転角度を検出することができ、検出された回転角度及び原点位置検出手段により検出された原点位置に基づいて、出力軸の直線動作のストローク位置を正確に検出することができる電動アクチュエータが得られる。

４）本発明の電動アクチュエータは、前記１），２）又は３）に記載の電動アクチュエータにおいて、電動モータのロータマグネットと、前記ボールねじ機構のナット部材との間には、磁束遮蔽部材が介在されており、磁束遮蔽部材は、ロータマグネット及びナット部材と一体回転されることを特徴とする。

前記電動アクチュエータでは、磁束遮蔽部材により、電動モータのロータマグネットの磁束がボールねじ機構側に回り込むことを防止することができる電動アクチュエータが得られる。

本発明の電動アクチュエータによれば、ボールねじ機構の特に高速作動時における騒音を大幅に低減させることができるとともに、ユニットの特に長さ方向の小型化を図ることができ、更に直線動作される出力軸の高い位置精度を確保することができる。

以下、図示実施形態により、本発明を説明する。
図１及び図２はそれぞれ、本発明の一実施形態である電動アクチュエータを示す断面図であり、図１はマイクロスイッチＯＦＦの状態を、図２はマイクロスイッチＯＮの状態をそれぞれ示す。また図３は、図１の電動アクチュエータの斜視図である。

図１〜図３を参照すると、電動アクチュエータ１０は、ロータマグネット２１及びステータ２２を有する電動モータ２０及びボールねじ機構３０を、ハウジング１１内に備えており、電動モータ２０の回転をボールねじ機構３０を介して直線運動に変換させることにより、出力軸３２に所定の直線動作を行わせる。

ボールねじ機構３０は、ナット部材３１及び出力軸３２を備える。ナット部材３１は、電動モータ２０の略円筒状に形成されたロータマグネット２１内に挿通された状態で、ハウジング１１にボールベアリング１２を介して回転可能に支持されており、ロータマグネット２１と一体回転される。

出力軸３２は、ナット部材３１内に挿通されており、外周面に形成されたボール溝３２ａとナット部材３１の内周面に形成されたボール溝３１ａとの間に、ボール３３を介装される。出力軸３２は、回転力を抑制させる機構（図示しない）に連結されており、電動モータ２０のロータマグネット２１の回転に伴うナット部材３１の回転により、軸方向（図１中、左右方向）に直線動作される。

電動モータ２０のロータマグネット２１と、ボールねじ機構３０のナット部材３１との間には、磁束遮蔽リング３４が介在されており、磁束遮蔽リング３４は、ロータマグネット２１及びナット部材３１と一体回転される。磁束遮蔽リング３４は、電動モータ２０のロータマグネット２１の磁束がボールねじ機構３０側に回り込むことを防止する。

ボールねじ機構３０における出力軸３２引き込み側（図１中、右側）のハウジング１１内空間には、サーボシステムの原点位置を検出するマイクロスイッチ４０と、出力軸３２の回転角度を検出するレゾルバ５０（又はロータリエンコーダ等）とが設けられる。レゾルバ５０により検出された出力軸３２の回転角度、及びマイクロスイッチ４０により検出されたサーボシステムの原点位置に基づいて、出力軸３２の直線動作のストローク位置が正確に検出される。

すなわち、マイクロスイッチ４０は、出力軸３２が引き込み側に動作された図２に示す状態で、ヒンジ４１を出力軸３２に形成されたスプライン状の平らな溝に押圧されることによってＯＮされる（図１中の符号Ａで示す円内、及び図２中の符号Ｂで示す円内参照）。これにより、サーボシステムの原点位置が検出され、直線動作される出力軸３２の高い位置精度が確保される。

また、レゾルバ５０は、ナット部材３１の端部外周面に設けられ、ナット部材３１と一体回転されるレゾルバロータ５１と、ハウジング１１の内周面にレゾルバロータ５１と放射方向に沿って対向配置されたレゾルバステータ５２と、図示しないレゾルバデジタルコンバータとから構成される。レゾルバ５０においては、レゾルバロータ５１の回転によりレゾルバステータ５２に励磁信号に対する出力信号が出力され、当該出力信号がレゾルバデジタルコンバータによりデジタルパルスに変換される。これにより、出力軸３２の回転角度が検出される。

以上のように上記実施形態によれば、ボールねじ機構３０が電動モータ２０のロータマグネット２１内に配置されるので、ボールねじ機構３０の作動音を電動モータ２０内部に閉じ込めることができ、ボールねじ機構３０の特に高速作動時における騒音を大幅に低減させることができる。また、ボールねじ機構３０の出力軸３２の長手方向（図１中、左右方向）において、電動アクチュエータ１０のユニットとしての長さを短縮することができ、小型化を図ることができるとともに、電動モータ２０とボールねじ機構３０を連結させるためのカップリング等の部品を不要とすることができ、部品点数及び組付工数を削減することができる。更に、電動アクチュエータ１０のユニットとしての剛性を高めることができ、制御性を向上させることができるとともに、剛性不足に起因する共振音の発生等を抑制することができる。

また、ボールねじ機構３０における出力軸３２引き込み側のハウジング１１内空間に設けられたマイクロスイッチ４０により、サーボシステムの原点位置を検出することができ、直線動作される出力軸３２の高い位置精度を確保することができるとともに、ハウジング１１内空間の有効活用を図ることができ、高いスペース効率を確保することができる。これにより、電動アクチュエータ１０のユニットとしての特に長さ方向の小型化を図ることができるとともに、電動アクチュエータ１０の外部にサーボシステムの絶対位置を検出するためのセンサ等を別設する必要をなくすことができる。

更に、ボールねじ機構３０における出力軸３２引き込み側のハウジング１１内空間に設けられたレゾルバ５０により、出力軸３２の回転角度を検出することができる。レゾルバ５０により検出された出力軸３２の回転角度及びマイクロスイッチ４０により検出されたサーボシステムの原点位置に基づいて、出力軸３２の直線動作のストローク位置を正確に検出することができる。

なお、上記実施形態では、マイクロスイッチ４０を用いて原点位置を検出するように構成したが、これに限らず、マイクロスイッチ４０に代えて、図示しない磁気センサにより原点位置を検出するように構成することもできる。すなわち、出力軸３２における引き込み側の所定の位置にマグネット（図示しない）を圧入により埋設し、マグネットを磁気センサ（図示しない）により検出することで原点位置を検出する。これによると、非接触で原点位置を検出することができ、高い耐久性を確保することができる。

本発明により得られる電動アクチュエータは、車両の自動式マニュアルトランスミッションのギヤシフト装置として、低騒音かつ小型の電動アクチュエータが求められる場合に好適に用いられる。

本発明の一実施形態である電動アクチュエータのマイクロスイッチＯＦＦの状態を示す断面図である。 図１の電動アクチュエータのマイクロスイッチＯＮの状態を示す断面図である。 図１の電動アクチュエータの斜視図である。 特許文献１で開示されているボールねじ装置を示す断面図である。 特許文献２で開示されているモータ内蔵形ボールねじ装置を示す断面図である。 特許文献３で開示されている車両変速機の制御システムを示す概略図である。 図６の車両変速機のアクチュエータ機構を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ 電動アクチュエータ
１１ ハウジング
２０ 電動モータ
２１ ロータマグネット
２２ ステータ
３０ ボールねじ機構
３１ ナット部材
３２ 出力軸
３３ ボール
３４ 磁束遮蔽部材（磁束遮蔽リング）
４０ 原点位置検出手段（マイクロスイッチ）
５０ 回転角度検出手段（レゾルバ）
５１ レゾルバロータ
５２ レゾルバステータ

Claims (4)

1. ロータマグネット及びステータを有する電動モータ、ボールねじ機構及び出力軸を、ハウジング内に備えており、電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換させることにより、出力軸に所定の直線動作を行わせる電動アクチュエータであって、
   前記ボールねじ機構は、前記電動モータのロータマグネット内に挿通された状態で、ハウジングに回転可能に支持され、ロータマグネットと一体回転されるナット部材と、
   該ナット部材内に挿通され、外周面とナット部材の内周面との間にボールを介装されるとともに、電動モータのロータマグネットの回転に伴うナット部材の回転により、直線動作される出力軸と、を備えることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記ボールねじ機構における出力軸引き込み側のハウジング内空間には、原点位置を検出する原点位置検出手段が設けられることを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
3. 前記ハウジング内には、前記ボールねじ機構の出力軸の回転角度を検出する回転角度検出手段が設けられることを特徴とする請求項２記載の電動アクチュエータ。
4. 前記電動モータのロータマグネットと、前記ボールねじ機構のナット部材との間には、磁束遮蔽部材が介在されており、磁束遮蔽部材は、ロータマグネット及びナット部材と一体回転されることを特徴とする請求項１，２又は３記載の電動アクチュエータ。

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