JP2014115234A - 機械式アブソリュートユニットと機械式アブソリュートエンコーダとアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 回転角度センサが備えられた動力源の出力軸に連結される主動歯車と、上記主動歯車に歯合される複数の従動歯車と、上記複数の従動歯車の回転角度を検出する従動歯車用回転角度センサと、を備えていて、上記主動歯車及び上記複数の従動歯車の回転角度の組み合わせから上記主動歯車の回転数を算出するようにしたもの。
【選択図】図4
Description
以下、アクチュエータの構成とアブソリュートエンコーダによる絶対位置の検出について説明する。
ちなみに、その回転数の情報は上記アブソリュートエンコーダに設けられた揮発性メモリに保持されることになる。
また、その後、再び電力が供給されても、上記回転角度センサによって上記出力軸の回転角度は検出できるものの、電力供給停止以前の回転数が保持されていないため、可動部の絶対位置の算出は不可能である。
しかしながら、このようなバッテリーバックアップ方式のアブソリュートエンコーダは、その機能を維持するために上記バッテリの交換を行わなければならない。
この種の機械式アブソリュートエンコーダの構成を開示するものとして、例えば、特許文献1、特許文献2等がある。
前述したように、機械式アブソリュートエンコーダをアクチュエータに組み込む場合には、機械式アブソリュートエンコーダを含めて予め一体化されたモータユニットをアクチュエータに組み込むことになる。ところが、機械式アブソリュートエンコーダが予め一体化されたモータユニットの種類は限られており、ユーザーが必要とする仕様のモータを備えたモータユニットをアクチュエータに組み込むことができないという問題があった。
また、機械式アブソリュートエンコーダが一体化されたモータユニットは高価であるという問題があった。
また、請求項2に記載された機械式アブソリュートユニットは、請求項1記載の機械式アブソリュートユニットにおいて、ベースプレートを備えていて、このベースプレートには上記主動歯車と複数の従動歯車が組み込まれており、上記ベースプレートには基板が取り付けられていて、この基板には上記ネジの回転数を算出する処理部が設けられていることを特徴とするものである。
また、請求項3に記載された機械式アブソリュートエンコーダは、請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、上記機械式アブソリュートユニットの主動歯車が連結される出力軸を備えた動力源に設けられ上記主動歯車の回転角度を検出する回転角度センサと、を具備したことを特徴とするものである。
また、請求項4に記載されたアクチュエータは、ハウジングと、上記ハウジングに移動可能に設けられた可動部と、上記ハウジング内に設けられ上記可動部を駆動するネジ・ナット機構と、上記ハウジングの一端側に設けられ上記ネジを回転・駆動するモータと、上記モータに設けられモータの出力軸の回転角度を検出する出力軸用回転角度センサと、上記ハウジングの他端側に着脱可能に設けられた請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、を具備したことを特徴とするものである。
また、請求項5に記載されたアクチュエータは、請求項4記載のアクチュエータにおいて、上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの主動歯車と上記ネジとがカップリングによって連結されていることを特徴とするものである。
また、請求項6に記載されたアクチュエータは、請求項4又は請求項5記載のアクチュエータにおいて、上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの一部が上記ハウジングの一部として機能するように構成されていることを特徴とするものである。
また、予め上記動力源に備えられた回転角度センサを上記主動歯車の回転角度を検出するために用いることができるため、上記機械式アブソリュートユニット側に設ける回転角度センサの数を減らすことができ、安価に機械式アブソリュートエンコーダとしての機能を追加することができる。
また、請求項2記載の機械式アブソリュートユニットによると、請求項1記載の機械式アブソリュートユニットにおいて、ベースプレートを備えていて、このベースプレートには上記主動歯車と複数の従動歯車が組み込まれており、上記ベースプレートには基板が取り付けられていて、この基板には上記ネジの回転数を算出する処理部が設けられているため、よりコンパクトで整理された機械式アブソリュートユニットを得ることができ、且つ、上記機械式アブソリュートユニット内に回転数を算出する機能も同時に得ることができる。
また、請求項3記載の機械式アブソリュートエンコーダは、請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、上記機械式アブソリュートユニットの主動歯車が連結される出力軸を備えた動力源に設けられ上記主動歯車の回転角度を検出する回転角度センサと、を具備したため、例えば、任意の仕様のモータの出力軸に回転角度センサが備えられたアクチュエータに対して上記機械式アブソリュートユニットを取付けるだけで容易に得られるものである。
また、請求項4記載のアクチュエータによると、ハウジングと、上記ハウジングに移動可能に設けられた可動部と、上記ハウジング内に設けられ上記可動部を駆動するネジ・ナット機構と、上記ハウジングの一端側に設けられ上記ネジを回転・駆動するモータと、上記モータに設けられモータの出力軸の回転角度を検出する出力軸用回転角度センサと、上記ハウジングの他端側に着脱可能に設けられた請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、を具備したため、任意の仕様のモータと機械式アブソリュートエンコーダの機能を備えたアクチュエータを容易に構成することができる。
また、請求項5記載のアクチュエータによると、請求項4記載のアクチュエータにおいて、上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの主動歯車と上記ネジとがカップリングによって連結されているため、上記機械式アブソリュートユニットの着脱をより容易に行うことができる。
また、請求項6記載のアクチュエータによると、請求項4又は請求項5記載のアクチュエータにおいて、上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの一部が上記ハウジングの一部として機能するように構成されているため、部品の一部省略による構成の簡略化を図ることができる。
本実施の形態による機械式アブソリュートユニット1を備えたアクチュエータ3は、次のような構成となっている。
まず、図1に示すように、上記アクチュエータ3には、アルミニウム製のハウジング5がある。このハウジング5は、図3に示すように、略U字型の断面形状を成している。図2に示すように、上記ハウジング5内部の幅方向(図3中左右方向)両側には、長さ方向(図3中紙面垂直方向)に延長された溝5a、5a′が形成されている。
また、図1乃至図3に示すように、上記ハウジング5の開口部5cの上方(図2中上側)には、上部カバー7が設置されている。
図2、図7に示すように、上記貫通孔8aの後端側(図2中右側)には軸受9、9が設置されている。この軸受9は、略円筒形状の外輪9aとこの外輪9aの内側に設置された内輪9b、及び、上記外輪9aと上記内輪9bとの間に転動可能に保持された複数の鋼球9cとから構成されている。上記複数の鋼球9cは保持具9dによって保持されている。また、上記フロントカバー8の後端側(図2中右側)には、押え部材9eが当接・配置されており、上記軸受9、9を押えている。
なお、上記機械式アブソリュートユニット1の詳細な構成については後述する。
この軸受13は、略円筒形状の外輪13aと内輪13b、及び、上記外輪13aと上記内輪13bとの間に転動可能に保持された複数の鋼球13cとから構成されている。また、上記ベアリングケース11の前端側(図2中左側)には、押え部材11bが当接・配置されており、上記軸受13を押えている。
なお、上記出力軸用回転角度センサ14cは、本実施の形態においては光学式センサであるが、磁気式センサやレゾルバ方式のセンサを用いてもよい。
また、上記モータ14bにはコントローラ12によって制御される。このコントローラ12は図9に示すように、後述する機械式アブソリュートユニット1のCPU33cと通信することができ、上記機械式アブソリュートユニット1から後述するスライダ21の絶対位置を取得し、このスライダ21の絶対位置に基づいて上記モータ14bの制御を行うものである。
また、上記スライダ21には、長さ方向(図3中紙面垂直方向)に延長された貫通孔21f、21f′が形成されている。これら貫通孔21f、21f′内には、筒状の潤滑油保持部材21g、21g′がそれぞれ内装されている。
まず、図4乃至図8に示すように、上記機械式アブソリュートユニット1には、ベースプレート25がある。このベースプレート25は、上記機械式アブソリュートユニット1がアクチュエータ3のフロントカバー8に取り付けられた際には、フロントカバー8の機械式アブソリュートユニット係合部8bに係合される。また、上記ベースプレート25にはアブソリュートユニットカバー10が係合・固定される。
これにより、上記機械式アブソリュートユニット1が上記フロントカバー8に固定される。
また、上記歯車保持用プレート27は、ボルト29、29を、上記段付き貫通孔27e、27eを貫通させて、上記ベースプレート25の雌ネジ部25d、25dに螺合させることにより、上記ベースプレート25に固定される。
また、図7に示すように、上記基板31のベースプレート25側(図7中上側)には従動歯車用回転角度センサとしての磁気センサ33a、33bが実装されている。また、図4〜図7には図示していないものの、上記基板31上には、上記磁気センサ33a、33bやモータユニット14の出力軸用回転角度センサ14cから得られた情報の処理するCPU33cや、モータユニット14の出力軸用回転角度センサ14cと通信を行うための通信素子33d、CPU33cとコントローラ12との通信を行うための通信素子33eや、図示しないコネクタ等の複数の電子部品(図9に示す)が実装されている。
また、上記基板31は、ボルト34、34、34、34を上記貫通孔31a、31a、31a、31a、及び、上記スペーサ32、32、32、32を貫通させて、上記雌ネジ部27f、27f、27f、27fに螺合させることにより、上記歯車保持用プレート27に固定されている。
また、上記歯車部材39bには、図8に示すように、貫通孔39eが形成されている。上記軸39aは上記歯車部材39bの貫通孔39eに圧入されている。
また、上記歯車部材43bには、図8に示すように、貫通孔43eが形成されている。上記軸43aは上記歯車部材43bの貫通孔43eに圧入されている。
したがって、上記算出されたボールネジ16の回転数と出力軸用回転角度センサ14cから得られた回転角度から、スライダ21の絶対位置が算出することができる。
上記主動歯車35、第1従動歯車39、第2従動歯車43の回転角度には次のような関係がある。
前述したように、上記主動歯車35の歯車部材35cの歯数(N0)と上記第1従動歯車39の歯車部材39bの歯数(N1)と上記第2従動歯車43の歯車部材43bの歯数(N2)はそれぞれ異なっており、互に素となるように設定されているため、上記主動歯車35を回転させていくと、第1従動歯車39、及び、第2従動歯車43の回転角度は、図10のグラフに示すように変化していく。
なお、図10(a)、(b)は、横軸にボールネジ16の回転数を取り、縦軸に主動歯車35、第1従動歯車39、第2従動歯車43の回転角度を取り、その変化及び組み合わせを示した図である。図10(a)は最初の部分を示しており、図10(b)は最後の部分を示している。
まず、この初期状態から上記主動歯車35を正転させて上記スライダ21を前進(図1中左下側、図2中左側)に移動させる場合を想定する。上記主動歯車35が回転されると上記第1従動歯車39及び第2従動歯車43も回転されるが、上記主動歯車35の回転角度に対して、上記第1従動歯車39の回転角度がずれる。また、このとき、上記第2従動歯車43の回転角度は、上記主動歯車35の回転角度と上記第1従動歯車39の回転角度の両方に対してずれている。
しかし、ある時点で上記主動歯車35の回転角度と上記第1従動歯車39や上記第2従動歯車43の回転角度とのずれが最大となり、それ以降は、上記主動歯車35の回転角度と上記第1従動歯車39や上記第2従動歯車43の回転角度とのずれが小さくなっていき、上記主動歯車35、上記第1従動歯車39、及び、上記第2従動歯車43の回転角度が再び一致して、初期状態と同様の状態に戻る。
この初期状態と同様の状態まで戻るときの上記主動歯車35、第1従動歯車39、第2従動歯車43の回転角度の変化は図10(b)に示すようなものとなる。
よって、このような上記主動歯車35、第1従動歯車39、第2従動歯車43の回転角度の関係から、上記主動歯車35の回転数に対して、固有の上記第1従動歯車39の回転角度と上記第2従動歯車43の回転角度の組み合わせが存在しているといえる。そのため、上記第1従動歯車39の回転角度と上記第2従動歯車43の回転角度の組み合わせから、上記主動歯車35の回転数、ひいては、ボールネジ16の回転数を求めることができる。
また、求めることができる上記主動歯車35の回転数、すなわち、上記主動歯車35の回転数に対応する第1従動歯車39、第2従動歯車43の回転角度の組み合わせの数(n)は、次の式(I)により算出される。
n=N1×N2=24×23=552 ―――(I)
また、本実施の形態の場合は、上記スライダ21が原点にある状態から、上記ボールネジ16が552回転して上記スライダ21が前進した位置までの範囲で、上記スライダ21の絶対位置を求めることが可能である。
また、上記機械式アブソリュートユニット1は、アクチュエータ3に組み込まれた状態で上記主動歯車35の回転角度を検出する出力軸用回転角度センサ14cと組み合わされて、機械式アブソリュートエンコーダとして機能するものである。
以上が、アクチュエータ3の構成についての説明である。
まず、モータユニット14のモータ14bが駆動されて出力軸14gが回転されると、ボールネジ16が回転され、それによって、上記ボールナット19、ひいては、スライダ21が上記アクチュエータ3の長さ方向(図2中左右方向)に移動される。上記モータ14bはコントローラ12によって制御される。
上記スライダ21の絶対的な位置はコントローラ12に出力され、上記モータ14bの制御に使用される。
そして、上記機械式アブソリュートエンコーダは、電力の供給が停止されたとしても、その後再び電力が供給された際に各歯車の回転角度を検出すれば、モータの回転数やアクチュエータの可動部の絶対位置を算出することができるものである。
まず、予めモータユニット14に備えられている出力軸用回転角度センサ14cを用いることができるため、新たに主動歯車35用の回転角度センサを設置する必要はなく、煩雑な調整作業の不要化、構成の簡略化、低コスト化を図ることができ、結局、任意の仕様のモータユニット14に機械式アブソリュートエンコーダとしての機能を容易に付加することができる。
また、予めモータユニット14に備えられている出力軸用回転角度センサ14cを用いることができるため、上記機械式アブソリュートユニット側に設ける回転角度センサの数を減らすことができ、安価に機械式アブソリュートエンコーダとしての機能を追加することができる。
また、このような出力軸用回転角度センサ14cを備えたモータユニット14は入手しやすいため、上記機械式アブソリュートユニット1を用いることで、所望の仕様のモータ14bと上記出力軸用回転角度センサ14cを備え、且つ、機械式アブソリュートエンコーダの機能を備えたアクチュエータを容易に得ることができる。
以上が、本実施の形態についての説明である。
本実施の形態による機械式アブソリュートユニット49には、まず、ベースプレート51がある。このベースプレート51は上記機械式アブソリュートユニット49の構成要素の一つであるとともに、前述した第1の実施の形態のアクチュエータ3におけるフロントカバー8にも相当するものである。すなわち、上記機械式アブソリュートユニット49は上記ベースプレート51によって、取付対象物である図示しないアクチュエータと一体となって使用されるものである。
図12や図13に示すように、この主動歯車65の前端側(図12中左下側)には歯車部65aが形成されている。また、上記主動歯車65には前後方向(図12中左下側から右上側に向かう方向)に延長された貫通孔65bが形成されている。この貫通孔65bに、アクチュエータのボールネジ66が挿入・固定される。また、上記主動歯車65には上記貫通孔65bに直交する向きに延長された貫通孔65cが形成されており、この貫通孔65c内の雌ネジ部に螺合される図示しないスタッドによって、上記図示しないボールネジが固定される。
また、上記機械式アブソリュートユニット49も、アクチュエータに組み込まれた状態で、上記アクチュエータのモータユニットの出力軸用回転角度センサと組み合わされて、機械式アブソリュートエンコーダとして機能するものである。
本実施の形態におけるアクチュエータにおいても、前述した第1の実施の形態におけるアクチュエータ3と同様、図示しないモータによってボールネジ66が回転され、図示しないスライダが移動される。
その際、前述した第1の実施の形態の場合と同様に、上記ボールネジ66の回転によって、上記機械式アブソリュートユニット49の主動歯車65が回転されるとともに、第1従動歯車67と第2従動歯車71も回転される。
そして、これら主動歯車65、第1従動歯車67、第2従動歯車71の回転角度の組み合わせから上記主動歯車65、ひいては、上記ボールネジ66の回転数が算出される。また、上記ボールネジ66の回転数と回転角度から上記スライダのアクチュエータの長さ方向における絶対的な位置が求められる。
本実施による機械式アブソリュートユニット49及びアクチュエータも、前述した第1の実施の形態の機械式アブソリュートユニット1及びアクチュエータ3と同様の効果を奏する。
しかし、本実施による機械式アブソリュートユニット49は、アクチュエータに対して確実に固定することができる。また、上記機械式アブソリュートユニット49の一部であるベースプレート51が、上記アクチュエータのハウジングの一部として機能するように構成されているため、部品の一部省略による構成の簡略化を図ることができる。
以上が、本実施の形態による機械式アブソリュートユニット49及び上記機械式アブソリュートユニット49を用いたアクチュエータの効果についての説明である。
例えば、従動歯車の個数や、主動歯車や従動歯車の歯数及びその組み合わせには、スライダの可動範囲の大きさ、すなわち、検出できる主動歯車の最大回転数によってさまざまな場合が考えられる。
前述した前述の第1の実施の形態や第2の実施の形態の場合においては、モータユニットに設けられモータの出力軸の回転角度を検出する出力軸用回転角度センサによって、主動歯車の回転角度を検出していたが、上記出力軸用回転角度センサとは別に主動歯車用の回転角度センサを設ける構成も考えられる。
また、前述の第1の実施の形態や第2の実施の形態の場合には、機械式アブソリュートユニット1、49側のCPUを用いて回転数の算出等を行っていたが、モータユニット側のCPUを用いて回転数の算出等を行う場合も考えられる。
その他、本願発明は、図示した構成に限定されず、様々な変形が考えられる。
3 アクチュエータ
14 モータユニット
14b モータ
14c 出力軸用回転角度センサ
14g 出力軸
17 ボールネジ
19 ボールナット
21 スライダ
25 ベースプレート
31 基板
33a 磁気センサ(従動歯車用回転角度センサ)
33b 磁気センサ(従動歯車用回転角度センサ)
35 主動歯車
39 第1従動歯車
43 第2従動歯車
49 機械式アブソリュートユニット
51 ベースプレート
55 基板
57a 磁気センサ(従動歯車用回転角度センサ)
57b 磁気センサ(従動歯車用回転角度センサ)
65 主動歯車
66 ボールネジ
67 第1従動歯車
71 第2従動歯車
Claims (6)
- 回転角度センサが備えられた動力源の出力軸に連結される主動歯車と、
上記主動歯車に歯合される複数の従動歯車と、
上記複数の従動歯車の回転角度を検出する従動歯車用回転角度センサと、を備えていて、
上記主動歯車及び上記複数の従動歯車の回転角度の組み合わせから上記主動歯車の回転数を算出するようにしたことを特徴とする機械式アブソリュートユニット。 - 請求項1記載の機械式アブソリュートユニットにおいて、
ベースプレートを備えていて、このベースプレートには上記主動歯車と複数の従動歯車が組み込まれており、上記ベースプレートには基板が取り付けられていて、この基板には上記ネジの回転数を算出する処理部が設けられていることを特徴とする機械式アブソリュートユニット。 - 請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、
上記機械式アブソリュートユニットの主動歯車が連結される出力軸を備えた動力源に設けられ上記主動歯車の回転角度を検出する回転角度センサと、
を具備したことを特徴とする機械式アブソリュートエンコーダ。 - ハウジングと、
上記ハウジングに移動可能に設けられた可動部と、
上記ハウジング内に設けられ上記可動部を駆動するネジ・ナット機構と、
上記ハウジングの一端側に設けられ上記ネジを回転・駆動するモータと、
上記モータに設けられモータの出力軸の回転角度を検出する出力軸用回転角度センサと、
上記ハウジングの他端側に着脱可能に設けられた請求項1又は請求項2記載の機械式アブソリュートユニットと、
を具備したことを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項4記載のアクチュエータにおいて、
上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの主動歯車と上記ネジとがカップリングによって連結されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項4又は請求項5記載のアクチュエータにおいて、
上記機械式アブソリュートエンコーダユニットの一部が上記ハウジングの一部として機能するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
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