JP2015117787A - Electric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般産業用の電動機、自動車や船舶輸送機械等の駆動部に使用されるボールねじ機構を備えた電動アクチュエータ、詳しくは、自動車のトランスミッションやパーキングブレーキ等で、電動モータからの回転入力をボールねじ機構を介して駆動軸の直線運動に変換する電動アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an electric actuator for general industrial use, an electric actuator having a ball screw mechanism used in a drive unit of an automobile, a ship transporting machine, and the like, and more specifically, rotation input from an electric motor in an automobile transmission, a parking brake, etc. The present invention relates to an electric actuator that converts a linear motion of a drive shaft through a ball screw mechanism.
各種駆動部に使用される電動アクチュエータにおいて、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に変換する機構として、台形ねじあるいはラックアンドピニオン等の歯車機構が一般的に使用されている。これらの変換機構は、滑り接触部を伴うため動力損失が大きく、電動モータの大型化や消費電力の増大を余儀なくされている。そのため、より効率的なアクチュエータとしてボールねじ機構が採用されるようになってきた。 In electric actuators used in various drive units, a gear mechanism such as a trapezoidal screw or a rack and pinion is generally used as a mechanism for converting the rotational motion of the electric motor into a linear motion in the axial direction. Since these conversion mechanisms involve a sliding contact portion, the power loss is large, and it is necessary to increase the size of the electric motor and increase the power consumption. Therefore, a ball screw mechanism has been adopted as a more efficient actuator.
ボールねじ機構を用いたアクチュエータとして、自動車等において、ドライバーの省力化、および車両制御性の向上を目的にトランスミッションの切替やクラッチ、ブレーキを電動モータで作動するシステムが開発されている。このような用途に用いられる電動アクチュエータには出力シャフトの軸方向位置決めのため、アクチュエータ内部に直動センサ、ないしは回転センサを設置して出力シャフトの軸方向位置を検出することがある。 As an actuator using a ball screw mechanism, a system for operating a transmission switching, a clutch, and a brake with an electric motor has been developed in an automobile or the like for the purpose of saving a driver's labor and improving vehicle controllability. In order to position the output shaft in the axial direction in an electric actuator used for such applications, a linear motion sensor or a rotation sensor may be installed inside the actuator to detect the axial position of the output shaft.
例えば、船舶用の電動アクチュエータでは、外洋上で使用されることも考慮しなくてはならず、一般のアクチュエータとは異なった思想で開発することが望まれる。また、一般的なリニアアクチュエータにおいては、軸方向の変位検出がなされて制御されることが多いため、軸方向変位する部分にリミットスイッチを設けて使用される。また、アクチュエータの駆動源となる電動モータは、ハウジング外壁に露出した状態で組み付けられることが多い。 For example, in an electric actuator for a ship, it must be considered that it is used on the open ocean, and it is desired to develop it with a concept different from that of a general actuator. In general linear actuators, axial displacement detection is often performed and controlled. Therefore, a limit switch is provided at a portion that is axially displaced. In many cases, the electric motor serving as the drive source of the actuator is assembled in a state of being exposed on the outer wall of the housing.
然しながら、リニアアクチュエータのストローク位置検出をリミットスイッチで行おうとすると、軸方向変位を2ポジションで検出することとなる。この場合、途中の位置は検出できないことから、何らかの理由によりアクチュエータが2ポジションの間で停止した場合、いずれの方向に移動させるべきか駆動回路が判断できないという問題がある。 However, if the stroke position of the linear actuator is detected with the limit switch, the axial displacement is detected at two positions. In this case, since the position in the middle cannot be detected, there is a problem that when the actuator stops between two positions for some reason, the drive circuit cannot determine in which direction it should be moved.
こうした問題を解決した電動アクチュエータとして、図8に示すようなものが知られている。この電動アクチュエータ100は、円筒状のハウジング101と、このハウジング101に取り付けられた電動モータ102と、この電動モータ102の回転力を伝達する複数のギヤからなる第1動力伝達機構と、測定軸113aの回転角度を検出するポテンシオメータ113と、複数のギヤを備え、電動モータ102の回転力をポテンシオメータ113の測定軸113aに伝達する第2動力伝達機構とを有している。
As an electric actuator that solves such a problem, one shown in FIG. 8 is known. The
ハウジング101は、ハウジング本体101Aと、その端面に組み付けられたカバー部材101Bと、モータブラケット101Cとからなる。ハウジング本体101Aの内部には、モータ室101aとねじ軸室101bとを有し、モータ室101a内には、モータ102が配置されている。電動モータ102は、板状のモータブラケット101Cに固定されている。モータブラケット101Cは、玉軸受114の外輪をハウジング本体101Aとの間に挟み込み、かつハウジング本体101Aのモータ室101aとねじ軸室101bを塞ぐようにして取り付けられている。
The
電動モータ102の回転軸102aは、モータブラケット101Cから突出しており、その端部には第1ギヤ103が圧入により相対回転不能に取り付けられている。モータブラケット101Cの袋孔に一端を圧入嵌合した長軸104の周囲には、第2ギヤ105が回転自在に配置され、第1ギヤ103および第3ギヤ106の大ギヤ部106aに噛合している。
A rotating
第3ギヤ106は、大ギヤ部106aと小ギヤ部106bとを同軸に形成しており、さらにねじ軸107の端部に、セレーション結合で相対回転不能に取り付けられている。第3ギヤ106の一部を覆うようにして、支持部材108がモータブラケット101Cに取り付けられている。ここで、第1ギヤ103、第2ギヤ105、第3ギヤ106が第1動力伝達機構を構成する。
The
第2ギヤ105に隣接して配置された第4ギヤ109が長軸104の周囲に回転自在に支持されている。第4ギヤ109は、第3ギヤ106の小ギヤ部106bに噛合した大ギヤ部109aと小ギヤ部109bとが同軸に形成されている。
A
第4ギヤ109の小ギヤ部109bは、長軸104に平行して支持部材108に植設された短軸110に対して回転自在に支持された第5ギヤ111の大ギヤ部111aに噛合している。第5ギヤ111は、大ギヤ部111aと小ギヤ部111bとが同軸に形成されている。小ギヤ部111bは、第5ギヤ111に隣接して配置され長軸104の周囲に回転自在に支持された第6ギヤ112に噛合している。
The
センサとしてのポテンシオメータ113は、カバー部材101Bの孔に嵌合配置されている。ポテンシオメータ113の測定軸113aは第6ギヤ112に連結され、一体的に回転するようになっている。片持ち状に延在している長軸104の先端は、第6ギヤ112と測定軸113aとを介して、ポテンシオメータ113によって支持されている。ここで、第1ギヤ103、第2ギヤ105、第3ギヤ106、第4ギヤ109、第5ギヤ111、第6ギヤ112が第2動力伝達機構を構成する。
The
ねじ軸107は、ハウジング本体101Aに対して、右端側を玉軸受114により回転自在に支持されている。ねじ軸107は円筒状のナット115を貫通し、左端側に雄ねじ溝107aを形成している。ナット115の内周面には、雄ねじ溝107aに対向して雌ねじ溝115aが形成され、両ねじ溝107a、115aによって形成される螺旋状の空間には、多数のボール116が転動自在に配置されている。ナット115は、ハウジング本体101Aに対して回り止めが設けられ、ねじ軸室101b内において、軸線方向に相対移動可能で、相対回転不能となっている。なお、軸線方向移動要素であるナット115と、回転要素であるねじ軸107と、転動体であるボール116とでボールねじ機構を構成し、このボールねじ機構と駆動軸117とで駆動機構を構成する。
The right end side of the
ねじ軸107の左端は、丸軸状の駆動軸117に形成された袋孔117a内に侵入している。駆動軸117の右端は、ナット115に対して同軸に嵌合し、ピンで連結されて一体的に移動するようになっている。ハウジング本体101Aに対して、駆動軸117はブッシュ118により軸線方向に移動可能に支持されている。ハウジング本体101Aから突出した駆動軸117の端部には、リンク部材(図示せず)に連結するための孔117bが形成されている。
The left end of the
回転軸102aの回転力は、第1ギヤ103、第2ギヤ105、第3ギヤ106、第4ギヤ109、第5ギヤ111、第6ギヤ112を介してポテンシオメータ113の測定軸113aに伝達される。測定軸113aの回転に応じた信号は、ポテンシオメータ113から不図示の駆動回路に入力される。この信号に基づいてねじ軸107が所定の回転量だけ回転したと判断すれば、駆動回路は電動モータ102への電力供給を停止させる。これに対し、電動モータ102に逆極性の電力が供給された時は、回転軸102aが逆方向に回転するので、上述とは逆の動作で、電動アクチュエータ100の駆動軸117が引き込む方向に移動する。
The rotational force of the rotating
このように、第2ギヤ105、第4ギヤ109、第6ギヤ112の中心が一致し、同じ長軸104の周囲に回転自在に配置されているので、高いギヤ比の減速比を得るために5段のギヤ列を用いながら、コンパクトな構成とすることができる。この様に複数のギヤが内蔵される電動アクチュエータ100内にあって3枚のギヤが同一の回転中心軸を持つことは、中心軸の数が減じられること、中心軸を支えるハウジング類の支え穴が減じられるため、加工工数が減ること、軸の部品点数が削減できる等、多くのメリットを持つ。
As described above, the centers of the
また、リミットスイッチ等による変位位置検出の代わりに、ねじ軸107の回転変位をポテンショメータ113で検出するため、任意の位置制御が可能となる。ねじ軸107の回転を直接検出するに当り、ねじ軸107は多回転であるため、第2動力伝達機構のギヤ列を介して減速した回転変位をポテンショメータ113で検出する。一方、電動モータ102から出力される回転運動はギヤ列を介して減速されてねじ軸107へ伝達される。この2系統のギヤ列の一部に共通の回転中心軸を設けることで、コンパクトなレイアウトが可能となり、コスト的にも大きな貢献がある(例えば、特許文献1参照。)。
Moreover, since the rotational displacement of the
こうした従来の電動アクチュエータ100では、ポテンシオメータ113は、一般的に80°〜170°の範囲で有効検出角度を設定することができ、高精度なセンサではあるが、ねじ軸107とポテンシオメータ113間に係る多段のギヤ(平歯車)を持つ電動アクチュエータ100が大減速を得るには、小ギヤと大ギヤの歯数差を大きくする必要がある。これでは、ギヤが多段になって部品点数が増えるだけでなく、各ギヤを収容する電動アクチュエータ100のサイズが大きくなってしまう。
In such a conventional
また、駆動軸117の直線運動を位置検出する機構でありながら、ねじ軸107の回転量から平歯車の減速を介してポテンシオメータ113の検出角に変換するため、駆動軸117とポテンシオメータ113は間接的な関係となり、ねじ軸107とポテンシオメータ113間に介在する部品点数が多いほど、位置検出精度を低下させる要因となるだけでなく、ねじ軸107の回転よりも減速された回転角を測定することになるため、分解能が低下し、また、それを補うために高分解能なセンサが必要となる。さらに、角度検出用にアクチュエータの駆動には必要のない3枚のギヤを配置しているため、コストや組立性の面で課題があった。
In addition, although the mechanism detects the position of the linear movement of the
本発明は、こうした従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高分解能な位置検出が可能で、多段のギヤを使用することなく位置検出精度を高め、低コストで信頼性を向上させた電動アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and can detect a position with high resolution, improve position detection accuracy without using a multi-stage gear, and improve reliability at low cost. An object of the present invention is to provide an electric actuator.
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、ハウジングと、このハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータの回転力を、モータ軸を介して伝達する減速機構と、この減速機構を介して前記電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構と、を備え、前記ボールねじ機構が、前記減速機構に連結され、前記ハウジングに装着された転がり軸受を介して回転可能に、かつ軸方向移動不可に支持されたナットと、このナットに多数のボールを介して内挿され、前記駆動軸と同軸状に一体化されて前記ハウジングに対して回転不可に、かつ軸方向移動可能に支持されたねじ軸とで構成され、前記減速機構が、前記モータ軸に外嵌固定された入力歯車と、この入力歯車に噛合され、前記ナットの外径に固定された出力歯車を備えた電動アクチュエータにおいて、前記歯車のうちどちらか一方の歯車のピッチ円上に複数の近接センサが配設され、これら近接センサのうち一つの近接センサと他の一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1が、前記歯車の歯厚をα、ピッチをβ、そして、nを歯車の歯数以下の整数とした時、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たしている。 In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 of the present invention includes a housing, an electric motor attached to the housing, and a speed reduction mechanism that transmits the rotational force of the electric motor via a motor shaft. And a ball screw mechanism that converts the rotational motion of the electric motor into a linear motion in the axial direction of the drive shaft via the speed reduction mechanism, and the ball screw mechanism is connected to the speed reduction mechanism and is attached to the housing. A nut that is rotatably supported via a mounted rolling bearing and is not axially movable, and is inserted into the nut via a large number of balls and is coaxially integrated with the drive shaft to form the housing. A screw shaft that is supported so as to be non-rotatable and movable in the axial direction, and the speed reduction mechanism is meshed with the input gear that is externally fitted and fixed to the motor shaft. In the electric actuator having an output gear fixed to the outer diameter of the nut, a plurality of proximity sensors are disposed on the pitch circle of one of the gears, and one of the proximity sensors When the length X1 of the arc on the pitch circle connecting the other proximity sensor is α, the tooth thickness of the gear is α, the pitch is β, and n is an integer equal to or less than the number of gear teeth, nβ <X1 < The relationship of α + nβ (n = 1, 2, 3,...) is satisfied.
このように、電動モータの回転力を伝達する減速機構と、この減速機構を介して電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構と、を備え、ボールねじ機構が、減速機構に連結され、ハウジングに装着された転がり軸受を介して回転可能に、かつ軸方向移動不可に支持されたナットと、このナットに多数のボールを介して内挿され、駆動軸と同軸状に一体化されてハウジングに対して回転不可に、かつ軸方向移動可能に支持されたねじ軸とで構成され、減速機構が、モータ軸に外嵌固定された入力歯車と、この入力歯車に噛合され、ナットの外径に固定された出力歯車を備えた電動アクチュエータにおいて、歯車のうちどちらか一方の歯車のピッチ円上に複数の近接センサが配設され、これら近接センサのうち一つの近接センサと他の一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1が、歯車の歯厚をα、ピッチをβ、そして、nを歯車の歯数以下の整数とした時、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たしているので、歯車のパルス出力を計測することによって駆動軸の高分解能な位置検出が可能で、歯車の回転方向を同時に検出することができ、多段のギヤを使用することなく位置検出精度を高めた電動アクチュエータを提供することができる。 As described above, the ball screw mechanism includes a speed reduction mechanism that transmits the rotational force of the electric motor, and a ball screw mechanism that converts the rotational motion of the electric motor into a linear motion in the axial direction of the drive shaft via the speed reduction mechanism. Is connected to the speed reduction mechanism, is rotatably supported via a rolling bearing mounted on the housing, and is supported so as not to move in the axial direction, and is inserted into the nut via a large number of balls, An input gear, which is composed of a screw shaft that is coaxially integrated and supported so as to be non-rotatable with respect to the housing and movable in the axial direction, and in which the speed reduction mechanism is externally fitted and fixed to the motor shaft, and the input gear In the electric actuator having an output gear fixed to the outer diameter of the nut, a plurality of proximity sensors are arranged on the pitch circle of one of the gears, and among these proximity sensors When the length X1 of the arc on the pitch circle connecting one proximity sensor and one other proximity sensor is α, the gear tooth thickness is α, the pitch is β, and n is an integer equal to or less than the number of gear teeth, nβ Since the relationship <X1 <α + nβ (n = 1, 2, 3,...) Is satisfied, the position of the drive shaft can be detected with high resolution by measuring the pulse output of the gear, and the rotation direction of the gear can be determined. It is possible to provide an electric actuator that can detect at the same time and has improved position detection accuracy without using a multi-stage gear.
好ましくは、請求項2に記載の発明のように、前記複数の近接センサのうちさらに一つの近接センサが前記歯車間に配置され、この近接センサと前記一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX2が、X2≠X1≠βの関係を満たしていれば、検出出力の分解能が略2倍に向上する。 Preferably, as in the invention according to claim 2, one of the plurality of proximity sensors is further disposed between the gears, and an arc on a pitch circle connecting the proximity sensor and the one proximity sensor. If the length X2 satisfies the relationship X2 ≠ X1 ≠ β, the resolution of the detection output is improved approximately twice.
また、請求項3に記載の発明のように、前記近接センサが前記入力歯車に配置されていれば、減速される歯数が少ない側の歯車となり、駆動軸の軸方向の位置を高分解能で検出することができる。 If the proximity sensor is arranged on the input gear as in the third aspect of the invention, it becomes a gear on the side where the number of teeth to be reduced is small, and the axial position of the drive shaft can be obtained with high resolution. Can be detected.
また、請求項4に記載の発明のように、前記駆動軸を摺動可能に支持するブッシュが前記ハウジングに装着され、当該ブッシュが端部にスリットを有する有端リングからなっていれば、ハウジングとの材質の違いに起因する線膨張係数の差異によって生ずる摺動すきまの変化を許容することができ、低温または高温領域において、駆動軸が摺動する際、ブッシュと駆動軸との間の摩擦力が増大し、駆動軸のスムーズな動きを阻害することなく、また、電動モータへの負荷が増えるのを防止することができる。
Further, as in the invention according to
また、請求項5に記載の発明のように、前記ブッシュが低温または高温領域において、スリットの幅が0以上に、かつ嵌合シメシロが0以上になるように設定されていれば、低温使用温度域内においては、線膨張係数の大きいハウジングがブッシュ以上に収縮しても、ブッシュのスリットがすきまを有すると共に、高温使用温度域内においては、線膨張係数の大きいハウジングがブッシュ以上に膨張しても、ハウジングとブッシュとの嵌合シメシロが残る。
Further, as in the invention according to
また、請求項6に記載の発明のように、前記ブッシュが軸線に対して傾斜したスリットを有していれば、ブッシュにラジアル荷重が負荷されても、スリット部に軸方向のいずれかの部分で受けることができる。
In addition, as in the invention described in
本発明に係る電動アクチュエータは、ハウジングと、このハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータの回転力を、モータ軸を介して伝達する減速機構と、この減速機構を介して前記電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構と、を備え、前記ボールねじ機構が、前記減速機構に連結され、前記ハウジングに装着された転がり軸受を介して回転可能に、かつ軸方向移動不可に支持されたナットと、このナットに多数のボールを介して内挿され、前記駆動軸と同軸状に一体化されて前記ハウジングに対して回転不可に、かつ軸方向移動可能に支持されたねじ軸とで構成され、前記減速機構が、前記モータ軸に外嵌固定された入力歯車と、この入力歯車に噛合され、前記ナットの外径に固定された出力歯車を備えた電動アクチュエータにおいて、前記歯車のうちどちらか一方の歯車のピッチ円上に複数の近接センサが配設され、これら近接センサのうち一つの近接センサと他の一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1が、前記歯車の歯厚をα、ピッチをβ、そして、nを歯車の歯数以下の整数とした時、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たしているので、歯車のパルス出力を計測することによって駆動軸の高分解能な位置検出が可能で、歯車の回転方向を同時に検出することができ、多段のギヤを使用することなく位置検出精度を高めた電動アクチュエータを提供することができる。 An electric actuator according to the present invention includes a housing, an electric motor attached to the housing, a reduction mechanism that transmits the rotational force of the electric motor via a motor shaft, and the electric motor via the reduction mechanism. A ball screw mechanism that converts rotational motion into linear motion in the axial direction of the drive shaft, and the ball screw mechanism is connected to the speed reduction mechanism and is rotatable via a rolling bearing mounted on the housing. A nut that is supported so as not to move in the axial direction, and is inserted into the nut via a large number of balls, and is integrated with the drive shaft so as to be non-rotatable and axially movable. The speed reduction mechanism is engaged with and fixed to the motor shaft and is fixed to the outer diameter of the nut. In the electric actuator provided with the output gear, a plurality of proximity sensors are arranged on the pitch circle of one of the gears, and one of the proximity sensors is connected to the other proximity sensor. When the length X1 of the arc on the pitch circle is α, the gear tooth thickness is α, the pitch is β, and n is an integer equal to or less than the number of gear teeth, nβ <X1 <α + nβ (n = 1, 2, 3)), the high-resolution position of the drive shaft can be detected by measuring the pulse output of the gear, and the rotational direction of the gear can be detected simultaneously. An electric actuator with improved position detection accuracy can be provided without using it.
ハウジングと、このハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータの回転力を、モータ軸を介して伝達する減速機構と、この減速機構を介して前記電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構と、を備え、前記ボールねじ機構が、前記減速機構に連結され、前記ハウジングに装着された転がり軸受を介して回転可能に、かつ軸方向移動不可に支持されたナットと、このナットに多数のボールを介して内挿され、前記駆動軸と同軸状に一体化されて前記ハウジングに対して回転不可に、かつ軸方向移動可能に支持されたねじ軸とで構成され、前記減速機構が、前記モータ軸に外嵌固定された入力歯車と、この入力歯車に噛合され、前記ナットの外径に固定された出力歯車を備えた電動アクチュエータにおいて、前記入力歯車のピッチ円上に複数の近接センサが配設され、これら近接センサのうち一つの近接センサと他の一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1が、前記入力歯車の歯厚をα、ピッチをβ、そして、nを歯車の歯数以下の整数とした時、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たしている。 A housing, an electric motor attached to the housing, a reduction mechanism that transmits the rotational force of the electric motor via a motor shaft, and the rotational movement of the electric motor via the reduction mechanism in the axial direction of the drive shaft A ball screw mechanism that converts the linear screw motion into a linear motion, and the ball screw mechanism is connected to the speed reduction mechanism and is supported by a rolling bearing mounted on the housing so as to be rotatable and not axially movable. And a screw shaft that is inserted into the nut via a large number of balls, is coaxially integrated with the drive shaft, and is supported so as to be non-rotatable and axially movable with respect to the housing. An electric actuator comprising: an input gear configured to be externally fitted and fixed to the motor shaft; and an output gear meshed with the input gear and fixed to the outer diameter of the nut. A plurality of proximity sensors are arranged on the pitch circle of the input gear, and the length X1 of the arc on the pitch circle connecting one proximity sensor and the other proximity sensor among these proximity sensors is the input circle. When the gear tooth thickness is α, the pitch is β, and n is an integer equal to or smaller than the number of gear teeth, the relationship of nβ <X1 <α + nβ (n = 1, 2, 3,...) Is satisfied.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る電動アクチュエータの一実施形態を示す縦断面図、図2は、図1のアクチュエータ本体を示す縦断面図、図3は、図1のセンサの配置箇所を示す一部を破断したIII矢視図、図4は、図3の要部拡大図、図5は、センサの出力のパルス波形を示すグラフ、図6(a)は、図1のブッシュを示す正面図、(b)は、(a)の側面図、図7(a)は、図6のブッシュの変形例を示す正面図、(b)は、(a)の側面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of an electric actuator according to the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an actuator main body of FIG. 1, and FIG. 3 is a partial view showing an arrangement position of the sensor of FIG. FIG. 4 is an enlarged view of the main part of FIG. 3, FIG. 5 is a graph showing a pulse waveform of the output of the sensor, FIG. 6 (a) is a front view showing the bush of FIG. (B) is a side view of (a), FIG. 7 (a) is a front view showing a modification of the bush of FIG. 6, and (b) is a side view of (a).
この電動アクチュエータ1は、ハウジング2と、このハウジング2に取り付けられた電動モータ3と、この電動モータ3の回転力を、モータ軸3aを介して伝達する一対の平歯車4、5からなる減速機構6と、この減速機構6を介して電動モータ3の回転運動を駆動軸7の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構8、そして、平歯車4の端面側に配置した近接センサ9と、を備えている。
The electric actuator 1 includes a housing 2, an
ハウジング2はA6063TEやADC12等のアルミ合金からダイキャストによって形成され、第1のハウジング2aと、その端面に組み付けられた第2のハウジング2bとからなる。第1のハウジング2aの内部には電動モータ3が配置されている。電動モータ3のモータ軸3aには入力歯車となる小平歯車4が相対回転不能に取り付けられている。また、出力歯車となる大平歯車5は、後述するボールねじ機構8を構成するナット16の外径に相対回転不能に取り付けられ、小平歯車4に噛合している。
The housing 2 is formed by die-casting from an aluminum alloy such as A6063TE or ADC12, and includes a
ナット16の外径には転がり軸受14が装着されている。この転がり軸受14は深溝玉軸受からなり、その外輪は、第1のハウジング2aと軸受ブラケット10とで挟持された状態で取り付けられている。
A rolling
駆動軸7は、ボールねじ機構8を構成するねじ軸15と一体に構成され、駆動軸7の図中左端部に、リンク部材(図示せず)に連結するための円孔7aが形成されると共に、第1のハウジング2aに駆動軸7を収容する円筒状の貫通孔2cが形成され、第2のハウジング2bに袋孔2dが形成されている。駆動軸7の外周は、第1のハウジング2aに対してブッシュ11により摺動可能に支持されている。このブッシュ11は、第1のハウジング2aの貫通孔2cの開口側に圧入された鍔付きのカラー12に内嵌されている。また、カラー12は止め輪13によって位置決め固定され、カラー12の鍔によって駆動軸7と第1のハウジング2aとの間がラビリンスシールとして密封され、外部から塵埃等が侵入するのを防止している。
The
ボールねじ機構8は、図2に拡大して示すように、外周に螺旋状のねじ溝15aが形成されたねじ軸15と、このねじ軸15のねじ溝15aに対向し、内周に螺旋状のねじ溝16aが形成されたナット16と、両ねじ溝15a、16aによって形成される螺旋状の空間に転動自在に収容された多数のボール17とで構成されている。ナット16は、その外周に前述した大平歯車5がキー19を介して圧入固定されると共に、第1のハウジング2aと軸受ブラケット10に嵌合された転がり軸受14が止め輪18を介して位置決め固定され、軸方向に相対移動不可で、相対回転可能となっている。
As shown in an enlarged view in FIG. 2, the
各ねじ溝15a、16aの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここではボール17との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動の発生を抑制することができる。
The cross-sectional shape of each
ナット16はSCM415やSCM420等の肌焼き鋼からなり、真空浸炭焼入れによってその表面に55〜62HRCの範囲に硬化処理が施されている。これにより、熱処理後のスケール除去のためのバフ加工等を省略することができ、低コスト化を図ることができる。一方、ねじ軸15はS55C等の中炭素鋼あるいはSCM415やSCM420等の肌焼き鋼からなり、高周波焼入れ、あるいは浸炭焼入れによってその表面に55〜62HRCの範囲に硬化処理が施されている。
The
ここで、図3に示すように、減速機構6を構成する小平歯車4の端面側に近接センサ9が配設されている。本実施形態では、近接センサ9は、3つのセンサ9a、9b、9cからなり、図4に拡大して示すように、小平歯車4の歯4a、4b、4c、4d、4e、4f、・・・に対向して配設されている。ここで、センサの配置について説明すると、センサ9aとセンサ9bは、ある程度の幅を持たせて配置されている。具体的には、センサ9aの照射点Paが歯車を軸方向から見て小平歯車4の歯4aに照射される範囲、つまり歯車の歯厚αにセンサ9aを配置するとすれば、センサ9aの照射点Paとセンサ9bの照射点Pbを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1は、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たすようにセンサ9bを配置している。ここで、αは歯車の歯厚、βは歯車のピッチ、nは歯車の歯数以下の整数である。なお、図4においては、n=2の場合の配置を示している。
Here, as shown in FIG. 3, a
また、3つのセンサ9a、9b、9cの各照射点Pa、Pb、Pcが小平歯車4のピッチ円上に配設されていることにより、小平歯車4の回転角を精度良く検出することができる。
Further, since the irradiation points Pa, Pb, Pc of the three
近接センサ9は、リミットスイッチやマイクロスイッチ等の機械的スイッチに代わるもので、非接触で検出物体が近付いたことを検出するセンサであり、動作の違いにより、レーザ式をはじめ電磁誘導を利用した高周波発振型、磁石を用いた磁気型、静電容量の変化を利用した静電容量型等があるが、本実施形態では、近接センサ9としてレーザ式変位センサが使用されている。このレーザ式変位センサは、三角測量を応用した方式で、発光素子と受光素子の組み合わせで構成され、発光素子には、半導体レーザが用いられている。半導体レーザの光は投光レンズを通し集光され、検出物体(ここでは、小平歯車4)に照射される。そして、検出物体から拡散反射された光線の一部は受光レンズを通して受光素子上にスポットを結ぶ。具体的には、小平歯車4にレーザ光を照射し、小平歯車4のパルス出力を測定する。ここでは、小平歯車4にレーザ光が当たると「1」、当たらないと「0」を出力する。
The
なお、これ以外にも、例えば、磁石を用いた磁気型や静電容量を利用した静電容量型あるいは電磁誘導を利用した高周波発振型の近接センサであっても良い。この高周波発振型は、検出コイルより高周波磁界が発生し、この磁界に磁性体からなる検出物体が近付くと電磁誘導より、検出物体に誘導電流(渦電流)が流れ、この電流によって、検出コイルのインピーダンスが変化、発振が停止することで検出されるというものである。 In addition, for example, a proximity sensor of a magnetic type using a magnet, a capacitance type using a capacitance, or a high-frequency oscillation type using electromagnetic induction may be used. In this high-frequency oscillation type, a high-frequency magnetic field is generated from the detection coil, and when a detection object made of a magnetic material approaches the magnetic field, an induction current (eddy current) flows to the detection object due to electromagnetic induction. It is detected when the impedance changes and oscillation stops.
次に、図1および図4、5を用いて、本発明に係る電動アクチュエータの作動および近接センサ9の作動について詳細に説明する。まず、電動アクチュエータ1に関しては、図1に示すように、電動モータ3が駆動されると、その回転は減速機構6を介してボールねじ機構8のナット16に減速して伝達され、ねじ軸15が軸方向に直線運動をする。そして、このねじ軸15と同軸上に一体に形成された駆動軸7の直線運動に連動される。
Next, the operation of the electric actuator and the operation of the
また、近接センサ9に関しては、図4に示すように、小平歯車4の端面にセンサ9aを1個配置した場合に比べ、センサ9cを歯4eと隣り合う歯4fの間に配置することで、分解能が略2倍に向上する。ここでは、センサ9cを歯4eと歯4fの略中央に配置する例を示したが、これに限られない。センサ9cの配置としては、センサ9aとセンサ9bに重複しない位置であれば良い。つまりセンサ9aのセンサ9cを結ぶピッチ円上の円弧の長さX2が、X2≠X1≠βの関係を満たせば良い。このように、駆動軸7の直動範囲の任意の位置で、2つのセンサ9a、9cからなる近接センサ9で回転角を計測することによって駆動軸7の高分解能な位置検出が可能で、多段のギヤを使用することなく位置検出精度を高めた電動アクチュエータ1を提供することができる。
As for the
さらに、センサ9aの照射点Paとセンサ9bの照射点Pbの距離X1が、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たすようにセンサ9bを配置することにより、小平歯車4の回転方向、すなわち、駆動軸7の進行方向を同時に検出することができる。具体例として、図4に、センサ9aの照射点Paが歯車を軸方向から見て小平歯車4の歯4aの中央部に位置する際に、センサ9bの照射点Pbが歯4cの端部(歯車を軸方向から見た際の歯面側におけるエッジ部)になるようにセンサ9bを配置した例を示す。図5は、図4のようにCW方向に回転させた際のパルス波形を示したものであり、図5のグラフの左→右に時間が変化する様子を示している。ここで、センサ9aとセンサ9bの波形が0→1になる時間に着目して、図4のようにCW方向(グラフの左→右に動いている)の場合、センサ9aとセンサ9bの波形が0→1になる箇所を読むと、センサ9a→センサ9b→センサ9a→センサ9b・・・の順番に出力する。
Further, by arranging the
一方、CCW方向の場合には、得られるパルス波形は、CW方向と時間の流れが逆になるため、図5におけるグラフの時間を、右→左に見れば良い。この状態で、センサ9aとセンサ9bの波形が0→1になる箇所を読むと、センサ9b→センサ9a→センサ9b→センサ9a・・・の順番に出力する。したがって、センサ9bを配置することにより、小平歯車4がどちらの方向に回転しているかを読み取ることができる。なお、駆動軸7の軸方向の位置を高分解能で検出するためには、本実施形態のように、減速される側(歯数が少ない側、ここでは小平歯車4)に近接センサ9を配置するのが好ましい。また、ここでいうCWとは、出力軸側から見て時計方向(正回転)、CCWとは、出力軸側から見て反時計方向(逆回転)のことをいう。
On the other hand, in the case of the CCW direction, the obtained pulse waveform has a time flow opposite to that in the CW direction, so the time in the graph in FIG. 5 may be viewed from right to left. In this state, when the part where the waveforms of the
次に、低コストで信頼性を向上させた電動アクチュエータの例として、図6にブッシュ11を示す。このブッシュ11は、前述したように、第1のハウジング2aの貫通孔2cの開口側に圧入された鍔付きのカラー12に内嵌され、駆動軸7を摺動可能に支持している。このブッシュ11は、摩擦係数の小さいLBC3等の銅合金で形成され、軸線に沿って平行なスリット11aを有する有端リングからなる。このスリット11aは、第1のハウジング2aとの材質の違いに起因する線膨張係数の差異によって変化する駆動軸7との摺動すきまを許容している。すなわち、アルミ合金からなる第1のハウジング2aと銅合金からなるブッシュ11とでは、線膨張係数で30〜40%の違いがあり、例えば、低温使用温度域内においては、線膨張係数の大きい第1のハウジング2aがブッシュ11以上に収縮するが、こうした状況においても、ブッシュ11のスリット11aがすきまを有する(0以上になる)ように設定されている。一方、高温使用温度域内においては、線膨張係数の大きい第1のハウジング2aがブッシュ11以上に膨張しても、第1のハウジング2aとブッシュ11との嵌合シメシロが残る(0以上になる)ように設定されている。
Next, a
このように、本実施形態では、ブッシュ11が有端リングで構成され、低温または高温領域において、スリット11aの幅が0以上に、かつ嵌合シメシロが0以上になるように設定されているので、駆動軸7が摺動する際、ブッシュ11と駆動軸7との間の摩擦力が増大し、駆動軸7のスムーズな動きを阻害することなく、また、電動モータ3への負荷が増えるのを防止することができる。したがって、駆動軸7のスムーズな動きが可能となるため、歯車を安定して回転することができ、アクチュエータの信頼性が向上する。このように、本実施の形態の電動アクチュエータにおいては、高分解能な位置検出が可能で、かつ多段のギヤを使用することなく位置検出精度を高め、低コストで信頼性を向上させることができる。
Thus, in the present embodiment, the
図7に示すブッシュ20は、前述したブッシュ11の変形例である。このブッシュ20はLBC3等の銅合金で形成され、軸線に対して傾斜したスリット20aを有する有端リングからなる。この傾斜したスリット20aにより、ブッシュ20にラジアル荷重(図中矢印にて示す)がスリット20a部に負荷されても、軸方向のいずれかの部分で受けることができる。
A
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。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an embodiment, and is merely an example, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Of course, the scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further, the equivalent meanings described in the scope of claims and all modifications within the scope of the scope of the present invention are included. Including.
本発明に係る電動アクチュエータは、一般産業用の電動機、自動車等の駆動部に使用され、電動モータからの回転入力をボールねじ機構を介して駆動軸の直線運動に変換するボールねじ機構を備えた電動アクチュエータに適用できる。 An electric actuator according to the present invention is used in a drive unit of a general industrial electric motor, an automobile or the like, and includes a ball screw mechanism that converts rotational input from an electric motor into linear motion of a drive shaft via the ball screw mechanism. Applicable to electric actuators.
1 電動アクチュエータ
2 ハウジング
2a 第1のハウジング
2b 第2のハウジング
2c 貫通孔
2d 袋孔
3 電動モータ
3a モータ軸
4 小平歯車
4a、4b、4c、4d、4e、4f 小平歯車の歯
5 大平歯車
6 減速機構
7 駆動軸
7a 円孔
8 ボールねじ機構
9 近接センサ
9a、9b、9c センサ
10 軸受ブラケット
11、20 ブッシュ
11a、20a スリット
12 カラー
13 止め輪
14 転がり軸受
15 ねじ軸
15a、16a ねじ溝
16 ナット
17 ボール
18 止め輪
19 キー
100 電動アクチュエータ
101 ハウジング
101A ハウジング本体
101B カバー部材
101C 電動モータブラケット
101a モータ室
101b ねじ軸室
102 電動モータ
102a 回転軸
103 第1ギヤ
104 長軸
105 第2ギヤ
106 第3ギヤ
106a 大ギヤ部
106b 小ギヤ部
107 ねじ軸
107a 雄ねじ溝
108 支持部材
109 第4ギヤ
109a 大ギヤ部
109b 小ギヤ部
110 短軸
111 第5ギヤ
111a 大ギヤ部
111b 小ギヤ部
112 第6ギヤ
113 ポテンシオメータ
113a 測定軸
114 玉軸受
115 ナット
115a 雌ねじ溝
116 ボール
117 駆動軸
117a 袋孔
117b 孔
118 ブッシュ
n 歯車の歯数
P ピッチ円
Pa、Pb、Pc センサの照射点
X1、X2 近接センサの照射点の距離
α 歯車の歯厚
β 歯車のピッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric actuator 2 Housing 2a 1st housing 2b 2nd housing 2c Through-hole 2d Bag hole 3 Electric motor 3a Motor shaft 4 Small spur gear 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f Small spur gear tooth 5 Large spur gear 6 Deceleration Mechanism 7 Drive shaft 7a Circular hole 8 Ball screw mechanism 9 Proximity sensors 9a, 9b, 9c Sensor 10 Bearing bracket 11, 20 Bush 11a, 20a Slit 12 Collar 13 Retaining ring 14 Rolling bearing 15 Screw shaft 15a, 16a Screw groove 16 Nut 17 Ball 18 Retaining ring 19 Key 100 Electric actuator 101 Housing 101A Housing body 101B Cover member 101C Electric motor bracket 101a Motor chamber 101b Screw shaft chamber 102 Electric motor 102a Rotating shaft 103 First gear 104 Long shaft 105 Second gear 106 Third gear 06a Large gear portion 106b Small gear portion 107 Screw shaft 107a Male screw groove 108 Support member 109 Fourth gear 109a Large gear portion 109b Small gear portion 110 Short shaft 111 Fifth gear 111a Large gear portion 111b Small gear portion 112 Sixth gear 113 Tensiometer 113a Measuring shaft 114 Ball bearing 115 Nut 115a Female thread groove 116 Ball 117 Drive shaft 117a Bag hole 117b Hole 118 Bush n Number of gear teeth P Pitch circle Pa, Pb, Pc Sensor irradiation point X1, X2 Proximity sensor irradiation point Distance α Gear tooth thickness β Gear pitch
Claims (6)
このハウジングに取り付けられた電動モータと、
この電動モータの回転力を、モータ軸を介して伝達する減速機構と、
この減速機構を介して前記電動モータの回転運動を駆動軸の軸方向の直線運動に変換するボールねじ機構と、を備え、
前記ボールねじ機構が、前記減速機構に連結され、前記ハウジングに装着された転がり軸受を介して回転可能に、かつ軸方向移動不可に支持されたナットと、
このナットに多数のボールを介して内挿され、前記駆動軸と同軸状に一体化されて前記ハウジングに対して回転不可に、かつ軸方向移動可能に支持されたねじ軸とで構成され、前記減速機構が、前記モータ軸に外嵌固定された入力歯車と、この入力歯車に噛合され、前記ナットの外径に固定された出力歯車を備えた電動アクチュエータにおいて、
前記歯車のうちどちらか一方の歯車のピッチ円上に複数の近接センサが配設され、これら近接センサのうち一つの近接センサと他の一つの近接センサを結ぶピッチ円上の円弧の長さX1が、前記歯車の歯厚をα、ピッチをβ、そして、nを歯車の歯数以下の整数とした時、nβ<X1<α+nβ(n=1、2、3・・・)の関係を満たしていることを特徴とする電動アクチュエータ。 A housing;
An electric motor attached to the housing;
A speed reduction mechanism for transmitting the rotational force of the electric motor via the motor shaft;
A ball screw mechanism that converts the rotational motion of the electric motor to the linear motion in the axial direction of the drive shaft via the speed reduction mechanism, and
The ball screw mechanism is connected to the speed reduction mechanism, and is rotatably supported via a rolling bearing mounted on the housing and is supported so as not to move in the axial direction;
The nut is inserted through a large number of balls, and is composed of a screw shaft that is coaxially integrated with the drive shaft and supported so as to be non-rotatable and axially movable with respect to the housing. In the electric actuator including a reduction mechanism, an input gear externally fitted and fixed to the motor shaft, and an output gear meshed with the input gear and fixed to the outer diameter of the nut,
A plurality of proximity sensors are arranged on the pitch circle of one of the gears, and the arc length X1 on the pitch circle connecting one proximity sensor and the other proximity sensor among these proximity sensors. However, when the tooth thickness of the gear is α, the pitch is β, and n is an integer equal to or smaller than the number of gear teeth, the relationship of nβ <X1 <α + nβ (n = 1, 2, 3,...) Is satisfied. An electric actuator characterized by that.
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