JP2009156416A - 電動リニアアクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】
電動モータ停止時に確実に位置保持できる電動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】
回転運動を直線運動に変換するボールねじ１を備えたアクチュエータ本体１０と、電動モータ２０と、電動モータ２０の回転運動をアクチュエータ本体１０に伝達する歯車機構３０とを備えたボールねじアクチュエータにおいて、歯車機構３０を構成する歯車３１に係合してアクチュエータ本体１０を位置保持する一保持機構４０を備えているので、歯車の回転が阻止されて、アクチュエータ本体１０の位置保持が確実になされる。特に、歯車３１の歯に係合して歯車の回転を阻止する構成なので、摩擦係合のように係合面が滑るおそれはなく、振動荷重が作用した場合でも安定して位置保持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、自動車のブレーキ、エンジン、トランスミッション等の駆動部に使用される電動リニアアクチュエータ、特に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して用いる電動リニアアクチュエータに関するものである。
従来のこの種の電動リニアアクチュエータとしては、たとえば、ハウジングに支持された回転自在な電動モータにより、ボールねじを構成するボールねじ軸を回転駆動自在とし、ボールねじ軸を回転駆動することより、ボールナットに結合した出力部材を、軸方向に変位可能としている。ボールねじは摩擦が非常に低く、出力部材側に作用するアキシャル荷重によって簡単にボールねじ軸が回転してしまうので、出力部材を位置保持するために、たとえば、電動モータにブレーキを持たせる、あるいは伝達手段としてウォームギヤのような低効率なものを設けることがなされている。
しかし、電動モータにブレーキ機能を持たせるためには、電動モータとして容量が大きいものを使用し、且つ、ブレーキの作動中、この電動モータにブレーキトルクを発生させるための電流を流し続けなければならない。
また、駆動歯車に逆方向に回転不能なウォームギヤを使用する場合には、リード角を小さくする必要があるが、リード角を小さくすると効率が悪く、ボールねじを使用する意味がなくなってしまう。
そこで、特許文献１では、ハウジングの内側に環状部材が軸受を介して回転自在に支持され、ハウジングの内周面と環状部材の外周面との間に一方向クラッチが設けられ、さらに、ボールねじ軸を環状部材に対して摩擦材を介して摩擦係合させている。
電動モータによりボールねじ軸を正回転させる際には、一方向クラッチがロックせず、ボールねじ軸が円滑に回転し、ボールナットを介して出力部材がアキシャル荷重に抗して軸方向に変位する。電動モータの停止時には、出力部材に作用するアキシャル荷重により、ボールねじ軸を逆方向に回転させる方向のトルクが作用する。このトルクが摩擦材を介して環状部材に作用するが、一方向クラッチがロックし、環状部材が回転不能である。また、環状部材に対し摩擦材を介して摩擦係合するボールねじ軸も、摩擦材の側面と相手面との摩擦係合部に作用する摩擦力に基づいて、逆方向に回転することが防止される。また、電動モータを逆回転させる際には、一方向クラッチはロックしたままの状態となるが、摩擦係合部には、アキシャル荷重に基づくトルクに加え、電動モータから伝達されるトルクが加わる。この結果、摩擦係合部で滑りが生じ、ボールねじ軸が回転し、出力部材をアキシャル荷重方向に変位させることができる。
このように、電動モータ停止時でも、出力部材をアキシャル荷重に抗して静止させることができる。しかも、電動モータにブレーキトルクを発生させるための電流を流し続ける必要はなく、電動モータとして特別に容量が大きいものを使用する必要がない。
特開２００５−２９１４８０号公報
しかしながら、上記従来技術の場合には、電動モータ停止時の位置決めは、基本的に摩擦材の摩擦係合力に依存しており、不安定なものであった。そこで、ボールねじ機構そのものに位置保持手段を設けることも考えられるが、ボールが循環しているために、位置保持手段を設けるスペースが制約される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電動モータ停止時に確実に位置保持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している。
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、回転運動を直線運動に変換するボールねじを備えたアクチュエータ本体と、電動モータと、該電動モータの回転運動をアクチュエータ本体に伝達する歯車機構とを備えたボールねじアクチュエータにおいて、前記歯車機構を構成する歯車の歯に係合してアクチュエータ本体を位置保持する位置保持手段を備えていることを特徴とする。
このように、電動モータの回転運動をアクチュエータ本体に伝達する歯車機構とを備えたボールねじアクチュエータにおいて、前記歯車機構を構成する歯車の歯に係合してアクチュエータ本体の出力部材の位置を保持する位置保持手段を備えているので、位置保持手段によって歯車の回転が阻止されて、アクチュエータ本体の位置保持が確実になされる。特に、歯車の歯に係合して歯車の回転を阻止する構成なので、摩擦係合のように係合面が滑るおそれはなく、振動荷重が作用した場合でも安定して位置保持することができる。
好ましくは、請求項２に記載の発明のように、位置保持手段は、歯車に対して係脱自在に設けられるロック部材と、該ロック部材を歯車に対して係脱する方向に駆動する駆動手段と、を備えていれば、ロック部材によって確実に歯車の歯に確実に係合させることができる。
また、請求項３に記載の発明のように、駆動手段がソレノイドであれば、簡単な構成でロック部材を駆動することができる。
また、請求項４に記載の発明のように、ロック部材をソレノイドのシャフトとすれば、構成部品を最低限とすることができる。
また、請求項５に記載の発明のように、ロック部材は歯車の歯筋に沿って移動する構成とすれば、歯車の歯に対して確実に係合させることができる。
また、請求項６に記載の発明のように、歯車機構の歯車とモータが直結された構成で、電動モータのモータエンコーダのＺ相と歯車の位相を合わせ、Ｚ相の信号に基づいてロック部材の駆動手段が制御される構成とすれば、Ｚ相の信号からロック部材を駆動するタイミングを歯車の歯の間に合わせて決めることができる。
また、請求項７に記載の発明のように、電動モータがある速度以下でかつ目標位置偏差以下に到達した場合に、ロック部材の駆動手段が制御されることにより、コストをかけることなく、確実にロック部材を歯車の歯に係合させることができる。
また、請求項８に記載の発明のように、ロック部材が歯車に係合できなかった場合、数パルス分電動モータを送りながら数度ロック部材を往復駆動させように駆動手段が制御される構成とすれば、確実にロック部材を係合させて位置保持することができる。
本発明に係る電動リニアアクチュエータは、回転運動を直線運動に変換するボールねじを備えたアクチュエータ本体と、電動モータと、該電動モータの回転運動をアクチュエータ本体に伝達する歯車機構とを備えたボールねじアクチュエータにおいて、前記歯車機構を構成する歯車の歯に係合してアクチュエータ本体を位置保持する位置保持手段を備えているので、位置保持手段によって歯車の回転が阻止されて、アクチュエータ本体の位置保持が確実になされる。特に、歯車の歯に係合して歯車の回転を阻止する構成なので、摩擦係合のように係合面が滑るおそれはなく、振動荷重が作用した場合でも安定して位置保持することができる。
回転運動を直線運動に変換するボールねじを備えたアクチュエータ本体と、電動モータと、該電動モータの回転運動をアクチュエータ本体に伝達する歯車機構とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記歯車機構を構成する歯車の歯に係合してアクチュエータ本体の出力部材の位置を保持するソレノイドを備えている。
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す断面図、図２は図１のソレノイドと歯車の関係を示す斜視図である。
この電動リニアアクチュエータ１は、図１に示すように、回転運動を直線運動に変換するボールねじ１を備えたアクチュエータ本体１０と、電動モータ２０と、電動モータ２０の回転運動をアクチュエータ本体１０に伝達する歯車減速機構３０と、歯車減速機構３０を構成する第１歯車３１の歯に係合してアクチュエータ本体１０を位置保持する位置保持機構４０を備えている。
ボールねじ１は、外周面に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝３ａが形成されたナット３と、対向する両ねじ溝２ａ、３ａにより形成された転動路に転動自在に収容された多数のボール４と、を備えている。ボールは、特に図示しないが、転動路を周回経路とするリターンチューブや駒部材等の公知の循環機構によって循環するようになっている。
アクチュエータ本体１０は、ハウジング１１内周に、ナット３が一対の回転軸受１５、１６を介して回転自在に支持され、ねじ軸２が、ハウジング１１に対して相対回転不能でかつ軸方向に移動自在に支持されており、ナット３が歯車減速機構３０を介してモータ駆動され、ねじ軸３が出入り（直線運動）するようになっている。
ねじ軸２は、一本の軸体の一端から所定長さ分だけねじ溝２ａが形成され、ねじ溝２ａが設けられていない部分が、出力軸部２ｂとしてハウジング１１から外部に突出している。この出力軸部２ｂがハウジング１１に対してガイド１３を介してハウジング１１に対して相対回転不能でかつ軸方向に移動自在に支持されている。
電動モータ２０は、ハウジング１１からねじ軸２と平行に設けられ、ハウジング１１に固定されている。
歯車機構３０は、電動モータ２０のモータ軸２１に固定された小径の平歯車である第１歯車３１と、第１歯車３１に噛合するナット３外周に設けられた大径の平歯車である第２歯車３２とから構成されている。第２歯車３２はナット３外周の軸方向中途部にフランジ状に延びており、ナット３を支持する回転軸受は、この従動歯車を挟んでナット外周の左右一対設けられている。
位置保持機構４０は、第１歯車３１に対して係脱自在に設けられるロック部材としてのシャフト４１と、シャフト４１を第１歯車３１の歯に対して係脱する方向に駆動する駆動手段としてのソレノイド４２と、を備えている。シャフト４１は、歯車の歯筋に沿う直線に沿って延びる直線状の棒状部材で、ソレノイド４２によって直線駆動され、シャフト先端が受部４３に係脱する構成となっている。
ソレノイド４２は、小径の第１歯車３１に隣接して、ハウジング１１の電動モータ２０と反対側の側面に設けられた取付穴１４にねじ込み固定されている。図示例では、ソレノイド４２の貫通孔にシャフト４１が挿通されているが、図は、シャフト４１がソレノイド４２の電磁力を利用して直線駆動されることを概念的に示しているだけで、ソレノイド４２の具体的な構成は特に示していない。
ソレノイド４２の構成は、一般的には、ソレノイド本体に固定された固定鉄心と、ソレノイド本体に出没自在の可動鉄心と、可動鉄心を固定鉄心から離間させる方向に付勢するスプリングと、を有する構成であり、電源オン時には可動鉄心がスプリングのばね力に抗して固定鉄心側に磁気吸引され、電源オフ時にはスプリングのばね力によって固定鉄心から離間した元の位置に復帰する。図示例では、固定鉄心、可動鉄心及びスプリングが省略されている。実際には、シャフト４１は可動鉄心に固定され、可動鉄心に倣って移動する。可動鉄心と固定鉄心の位置関係によって、シャフト４１を電源オンで突出、電源オフでスプリング復帰とすることもできるし、電源オンで復帰、電源オフでスプリングのばね力で突出させることもできる。
また、自己保持型のソレノイドの場合には永久磁石を有し、シャフトを電源オンで突出、永久磁石で突出維持（これで省電力効果が得られる）、電源オフでスプリング復帰させるようにしてもよい。尚、復帰時に永久磁石のエネルギーを打ち消すため、短時間開放電流を流す。逆に、電源オンでシャフトを復帰位置に、永久磁石で復帰維持（これで省電力効果が得られる）、電源オフでスプリング突出としてもよい。尚、突出時に永久磁石のエネルギーを打ち消すため、短時間開放電流を流す。
位置保持する場合には、位置保持を行いたいタイミングにおいて、図１に示す通り、第１歯車３１に対してシャフト４１が歯間を通過貫通して、回転方向に回り止めをするものである。歯車の歯に係合して歯車の回転を阻止する構成なので、摩擦係合のように係合面が滑るおそれはなく、振動荷重が作用した場合でも安定して位置保持することができる。シャフト４１は、ボールねじ１と歯車機構３０で十分減速されているので、作用するトルクは小さく、小型のソレノイド４２で十分作動可能である。
また、第１歯車３１の位置とタイミングを図ってシャフト４１の駆動制御を行う必要があるが、これには各種の対策が可能である。
１）電動モータ２０と第１歯車３１は直結する。この際、モータエンコーダのＺ相がわかる場合には、この位相と歯車の歯の位相を合わせることで、Ｚ相の信号に基づいてソレノイド４２を制御することにより、シャフト４１の突出位置を歯間位置に合致するように決めることが可能である。
２）ソレノイド４２が通過貫通できなかった場合、数パルス分、モータを送りながら、数度、通過貫通を行うようにソレノイド４２を制御し、シャフト４１の突出動作を複数回繰り返す。
３）所定の位置に停止する場合、電動モータ２０は、通常、急に停止する制御を行うことは稀で、目的位置に達した場合、速度を漸減して停止する。そのため、ある速度以下、目標位置偏差以下に到達した場合、シャフト４１が歯車の歯間を通過貫通できるよう、複数回突出動作を繰り返し行うようにソレノイド４２を制御する。何度か行ううちに、シャフト４１が歯間に係合して位置保持を完了する。
２），３）において、１回でシャフト４１が歯車の歯間を通過貫通できる場合もあるので、シャフトを１回だけ駆動する場合も当然含まれる。また、１）においては、Ｚ相信号に基づいて位相を合わせているが、合致しない場合もあるので、２），３）のように複数回繰り返し制御するようにしてもよい。一番コスト的に有利なのは、３）の方法である。
図２は、ソレノイド４２が第１歯車３１を通過貫通している状況を、拡大したものである。
ソレノイド４２のシャフト４１は片持ちになると、第１歯車３１からのモーメント荷重によりこじられる可能性があるため、反対側に受部４３を配置している。シャフト４１を受部４３で受けることにより、より強固にシャフト４１を保持することができる。
なお、上記実施例では、ソレノイド４２のシャフト４１を、そのまま第１歯車３１の歯間に通過貫通させたが、キー状のロック部材をハウジング１１に設置し、ロック部材をソレノイド４２でスライドさせることで、同様の機構を達成しても良い。このようにすれば、ソレノイド４２の強度は必要最低限でよく、キーの端部形状を工夫することにより、より容易に第１歯車３１の歯筋に従って通過貫通させることが可能であり、歯車の回転が阻止されて、アクチュエータ本体１０の位置保持が確実になされる。また、ロックする歯車は、第１歯車３１だけでなく、第２歯車３２を用いる構成でもよい。
また、上記実施例では、ナット３が歯車減速機構３０を介してモータ駆動され、ねじ軸２が出入り（直線運動）するようになっているが、逆に、ねじ軸２が歯車減速機構３０を介してモータ駆動され、ナット３に連結された出力部材が出入り（直線運動）するようになっていてもよい。
また、歯車の歯に係合するロック部材を駆動する手段としては、ソレノイド４２に限定されるものではなく、その他各種駆動手段を適用することが可能である。さらに、上記実施例ではロック部材を歯車の回転軸と平行の歯筋方向に移動させているが、歯車の回転軸と直交する方向係脱する構成でもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
本発明に係る電動リニアアクチュエータは、自動車の電動アクチュエータ等に適用することができる。
本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す正面断面図ある。 図１におけるソレノイドと歯車の関係を示す斜視図である。
符号の説明
１・・・・・・・・・・ボールねじ
２・・・・・・・・・・ねじ軸
２ａ・・・・・・・・・ねじ溝
３・・・・・・・・・・ナット
３ａ・・・・・・・・・ねじ溝
４・・・・・・・・・・ボール
１０・・・・・・・・・アクチュエータ本体
１１・・・・・・・・・ハウジング
１３・・・・・・・・・リニアガイド
１４・・・・・・・・・取付穴
１５・・・・・・・・・転がり軸受
１６・・・・・・・・・転がり軸受
１７・・・・・・・・・転がり軸受
２０・・・・・・・・・電動モータ
２１・・・・・・・・・モータ軸
３０・・・・・・・・・歯車減速機構
３１・・・・・・・・・第１歯車
３２・・・・・・・・・第２歯車
４０・・・・・・・・・位置保持機構
４１・・・・・・・・・シャフト（ロック部材）
４２・・・・・・・・・ソレノイド
４３・・・・・・・・・受部

Claims (8)

  1. 回転運動を直線運動に変換するボールねじを備えたアクチュエータ本体と、電動モータと、該電動モータの回転運動をアクチュエータ本体に伝達する歯車機構とを備えたボールねじアクチュエータにおいて、前記歯車機構を構成する歯車の歯に係合してアクチュエータ本体を位置保持する位置保持手段を備えていることを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
  2. 位置保持手段は、歯車に対して係脱自在に設けられるロック部材と、該ロック部材を歯車に対して係脱する方向に駆動する駆動手段と、を備えてい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。
  3. 駆動手段がソレノイドである請求項２に記載の電動リニアアクチュエータ。
  4. ロック部材はソレノイドのシャフトである請求項３に記載の電動リニアアクチュエータ。
  5. ロック部材は歯車の歯筋に沿って移動する構成となっている請求項２乃至４のいずれの項に記載の電動リニアアクチュエータ。
  6. 歯車機構の歯車とモータが直結された構成で、電動モータのモータエンコーダのＺ相と歯車の位相を合わせ、Ｚ相の信号に基づいてロック部材の駆動手段が制御される請求項２乃至５のいずれの項に記載の電動リニアアクチュエータ。
  7. 電動モータがある速度以下でかつ目標位置偏差以下に到達した場合に、ロック部材の駆動手段が制御される請求項２乃至５のいずれかの項に記載の電動リニアアクチュエータ。
  8. ロック部材が歯車に係合できなかった場合、数パルス分電動モータを送りながら数度ロック部材を往復駆動させように駆動手段が制御される請求項６又は７に記載の電動リニアアクチュエータ。
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