JP2016519562A - アクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

アクチュエータシステムは、少なくとも１つの電動リニアアクチュエータを有する。このアクチュエータシステムは、コントローラと電源回路とを含む。スイッチモードコンバータへの入力段におけるコモンモードノイズの低減は、整流及び平滑化されたのちの供給電圧に対して行われる。【選択図】図４

Description

本発明は、リニアアクチュエータと、コントローラと、電源回路と、操作ユニットとを含むアクチュエータシステムに関する。

電動リニアアクチュエータを有するアクチュエータシステムは、調節式テーブル、調節式ベッド、及び、調節式椅子などの調節式家具の分野で広く用いられている。電動リニアアクチュエータは、他の多くの工業製品にも用いられている。電動リニアアクチュエータは、機械的に移動可能なコンポーネントを調節するために、機械的な構造体に有利に組み込まれる。例えば、LinakA/Sに属する国際公開ＷＯ０２／２９２８４Ａ１に記載されているタイプのピストンロッドを含むリニアアクチュエータが、上述した作業に適している。このタイプのリニアアクチュエータは、スピンドルナットを有するスピンドルを含む。スピンドルは、伝達手段を介して、可逆電気モータにより駆動される。スピンドルが駆動すると、電気モータの回転方向に応じてスピンドルナットが内方又は外方へ移動する。リニアアクチュエータは、別個の部品からなる製品であり、スピンドルと、伝達手段と、電気モータはハウジングに収容されている。ハウジングは、典型的には、モータハウジングと外管とで構成される。内管は、スピンドルナットに固定されている。内管は、スピンドルナットがスピンドル上で内方又は外方へ移動するのと同時に、外管に対して内方又は外方に変位する。リニアアクチュエータは、LinakA/Sに属する国際公開ＷＯ２００４／１００６３２Ａ１に記載されている昇降支柱としても設計可能である。

アクチュエータシステムの電力は、通常、コンバータを介して主電源（mains）から供給されるものであり、当該コンバータは、主電源からの交流電圧を適切な電圧レベルの直流電圧に変換するように構成されている。変圧器に基づくコンバータは、数十年に亘って用いられている。しかしながら、近年では、エネルギー効率の高いコンバータや、待機時の電力消費量に対する注目が集まっているため、変換ロスが低く、且つ、構成が比較的コンパクトで場所をとらないという明らかな利点を有するスイッチモード電源回路の使用に対する関心が高まっている。しかしながら、スイッチモード電源回路は、製造コストが高いうえに、その動作モードにおいて、小さいパケットで変換電力を切り替えるため、主電源に接続された他の電子機器の弊害となる電気ノイズを生成しうるという不利点がある。アクチュエータのＤＣモータにおいても、整流子が、電機子巻線のための電流を同様に切り替えるため、ノイズの原因となる。従って、この電気ノイズが伝播して主電源に戻ることを効率的に防止することが、法的要件（legal requirement）となっている。低減すべきノイズは、１５０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの周波数範囲内であるため、スイッチモード電源回路の入力側に適切なローパスフィルタを設計することにより確実にノイズを低減することができる。このため、主電源から必要な電力を引き出すことのできる電源回路が求められている。

更に、コモンモードノイズ、すなわち、接地する際に両方の入力リードに発生するノイズの低減にも特に注目が集まっている。コモンモードノイズは、同一のコアに属する自己インダクタンス（self-inductance）を、両方の入力リードに導入することにより低減される。この結果、ノイズは、コイル内において電磁的に平衡を保つため、主電源に向かって伝播しない。更に、コモンモードコイルは、不平衡なノイズのための良好な減衰手段を有する。しかしながら、コモンモードコイルは高価であり、比較的大きいことが欠点である。従って、スイッチモード電源回路の入力段においてコモンモードノイズを低減又は排除する課題に対する、より安価でコンパクトな解決手段が望まれる。

国際公開ＷＯ０２／２９２８４Ａ１ 国際公開ＷＯ２００４／１００６３２Ａ１

本発明を理解するためには、電源回路において、コモンモードフィルタを構築するとともに当該フィルタを配置する従来の方法を検討することが妥当である。

電源回路の入力段は、各々が独自の機能を有するブロックに分割される。第１ブロックは、高周波ノイズを除去するコンデンサを有する、主電源に接続されるブロックであり、別のブロックは、コモンモードフィルタで構成されるブロックであり、第３ブロックは、整流回路を有するブロックであり、最後のブロックは、直流電圧のノイズ低減及びリップル低減のためのコンデンサを有するブロックである。

主電源の交流電圧への接続は、入力リードの１つに直列に接続されたヒューズを介して実現される。主電源に接続した際のピーク電流を制限するために、更に、ＮＴＣ抵抗器が、入力リードに対して直列に設けられている。これに続いて、コンデンサが、入力リードを跨ぐように並列に挿入されている。先行技術によれば、２つの巻線を有するコモンモードフィルタは、この位置に挿入されることにより、２つの入力リードの各々が、共通コアに対する個別の自己インダクタンスにつながる。供給電圧は、コモンモードフィルタにおける自己インダクタンスの他方側から、交流電圧を整流するためのブリッジ整流器へと導かれる。ブリッジ整流器からの出力電圧側に接続されたコンデンサは、スイッチモードコンバータに更に供給するための電圧を平滑化する。

回路内における電圧及び電流をざっとに計算したところ、ブリッジ整流器の下流における電圧は、入力電圧よりも高く２の平方根倍である。同様に、出力側の電流は、入力側よりも低く２の平方根分の１である。すなわち、電力を表す積ＶＡは、段（stage）の入力側と段の出力側において同じである。段内でのロスは最小限であるため、無視することができる。

しかしながら、コモンモードコイルの物理的なサイズは、コイルを流れる電流に依存しており、サイズは、電流の２乗に比例して増大する。

これらの発見を考慮に入れて上述した課題を解決するために、アクチュエータシステムのためのスイッチモード電源回路の設計に関して、特に、入力段におけるコモンモードノイズの低減に関して、より安価でコンパクトな解決手段が必要とされている。これは、本発明により、コモンモードフィルタを入力段内に配置することで実現することができる。

アクチュエータシステムのための電源回路は、交流電圧を整流して直流電圧を生成するための整流回路と、コモンモードノイズを低減するためのコモンモードフィルタと、直流電圧を調節するためのスイッチモードコンバータと、から構成され、前記コモンモードフィルタは、前記電源回路における、前記整流回路と前記スイッチモードコンバータとの間に挿入されている。

より具体的には、コモンモードノイズのフィルタリングは、前記電源回路において供給される整流電圧に対して行われる。

更に、前記電源回路の交流電圧の入力側には、ノイズ低減のためのコンデンサが設けられる。

前記電源回路による整流電圧の出力側には、ノイズ低減及び直流電圧のリップル低減のためのコンデンサが用いられる。

前記電源回路は、
‐ノイズ低減のためのコンデンサを有する、主電源に接続するための第１ブロックと、
‐整流回路を有する第２ブロックと、
‐ノイズ低減及び直流電圧リップル低減のためのコンデンサを含む第３ブロックと、に続いて、
‐コモンモードフィルタを有する第４ブロックと、
‐直流電圧を調節するためのスイッチモードコンバータを有する第５ブロックと、
を順に形成することにより構成される。

従って、スイッチモードコンバータへの供給のための接続は、第４ブロックで行われる。

本発明は、更に、少なくとも１つのリニアアクチュエータと、コントローラと、操作ユニットと、上述したような電源回路と、を含むアクチュエータシステムに関する。

より詳細には、電源回路の入力段は、主電源の交流電圧への接続が、入力リードの一方に直列に接続されたヒューズを介して実現されるように構成される。主電源に接続した際のピーク電流を制限するために、更に、ＮＴＣ抵抗器が、入力リードに対して直列に挿入されている。この下流には、コンデンサが、入力リードを跨ぐように並列に挿入されている。入力リードは、交流電圧を整流するための整流回路に接続されている。コンデンサは、整流回路からの出力電圧側に接続されており、当該電圧を平滑化する。この下流には、２つの入力リードを有するコモンモードフィルタが接続されている。共通コアにおける個別の自己インダクタンスを介して、入力リードは、スイッチモードコンバータに接続されたコモンモードフィルタの出力端子に接続されて、有利な構成となる。この構成により、コモンモードフィルタにおける電流は、入力段の交流電圧側の位置と比較して低く２の平方根分の１となり、優れた効果を奏することができる。コモンモードコイルのサイズは、電流の２乗で増大するため、本発明の教示内容によれば、コモンモードコイルの物理的サイズを約半分に低減する一方で、コモンモードノイズを、従来技術と同程度低減することができる。（ブリッジ整流を行う代わりに）電圧を倍増させて回路を構成する場合、本発明の教示内容に従えば、コモンモードコイルのサイズを約４分の１に低減することができる。

要約すると、入力段は、コモンモードノイズのフィルタリングが、当該入力段において、整流及び平滑化された供給電圧に対して実現されることを特徴とする。

本発明を用いて、コンパクトでありながら、同様にコモンモードノイズを低減する効果が得られるフィルタを構成可能な解決方法を提供することにより、上述した課題を解決することができる。スペースの必要性が低減されるため、場所をとらずにコモンモードノイズを大幅に低減することができるコモンモードフィルタを構成することができる。従って、より安価で、電源回路や制御キャビネット内で場所をとらない、小型のコモンモードコイルを選択することができ、経済性を大幅に高めることができる。

従って、コモンモードフィルタの設計者は、任意によって、本発明の教示内容に従い、コモンモードノイズを低減するための特定の要件を満たす適切な妥協策を選択することができる。

本発明に係る電動リニアアクチュエータを有するアクチュエータシステムを駆動するための、スイッチモード電源回路の入力段についての詳細な説明を、以下において、添付図面を参照しながら行う。

キッチン設備の接合ベース部の高さを調節するための組み込みアクチュエータシステムを有するキッチン設備を示す図である。 図１に示すアクチュエータシステムを示す模式図である。 スイッチモード電源回路のコモンモードフィルタの従来型の構成を示す要図である。 本発明に係るスイッチモード電源回路のためのコモンモードフィルタの構成を示す要図である。 本発明に係るスイッチモード電源回路のための代替のコモンモードフィルタの構成を示す要図である。 高さ調節式テーブルを示す斜視図である。 テーブルトップを透明に描いた高さ調節式テーブルを示す図である。

図１は、ベース部２と上部３とで構成されるキッチン設備１を示す。ベース部２は、互いに結合した５つのキッチン要素で構成される。ベース部２において、キッチン設備１には２つのアクチュエータシステムが設けられており、その各々は、コントローラ４、７と、各々が少なくとも１つの電動リニアアクチュエータを含む２つのコラム５、６、８、９とを含む。コントローラは、無線又は有線の操作ユニット１０により操作される。ピーク負荷時の追加の電力を確保するとともに緊急下降（emergency lowering）を行うために、キッチン設備は、充電式電池パック１１を更に含む。

図１及び２に示すキッチン設備のためのアクチュエータシステムの構成を図２にも示す。同図は、２つのコントローラ４、７を示しており、その各々が、主電源に接続するための専用の内蔵型電源回路１２、１３を有する。４つのアクチュエータ５、６、８、９は、コントローラ４、７の各々に対で接続されている。操作ユニット１０は、コントローラ７の何れか１つと接続しているが、通信バス１４との接続を介して、両方のアクチュエータシステムを操作する。

電源回路１２、１３は、整流回路を有する入力段を備えた構成とされる。当該整流回路は、アクチュエータシステムのコントローラへの供給電圧やアクチュエータへの駆動電圧などを調節及び安定化するスイッチモードコンバータに対して主電源の交流電圧が供給される前に、当該交流電圧を整流且つ調節する。これにより、エネルギー効率及び信頼性が高く、非常にコンパクトに製造することが可能な電源回路１２、１３が実現される。

図３は、スイッチモード電源回路のためのコモンモードフィルタの従来型の構成を示す要図である。主電源への接続は、入力リードの１つに直列に接続されたヒューズ１５を介して実現される。主電源に接続した際のピーク電流を制限するために、更に、ＮＴＣ抵抗器１６が、入力リードに対して直列に挿入されている。この下流には、コンデンサ１７が、入力リードを跨ぐように並列に挿入されている。従来技術によれば、２つの巻線を有するコモンモードフィルタ１８は、この位置において、２つの入力リードの各々が共通コアにおいて個別の自己インダクタンスを有するように、挿入される。コイル間の磁気結合により、コモンモードノイズが効果的に除去される。一般的に、コイルは、コアが飽和することなくコモンモードノイズを補償することができるように設計すべきである。これは、コアのサイズ及び材料を総合的に選択（general choice）することにより実現される。更に、コアに基づくコア巻線は、巻線の抵抗に対して適切な自己インダクタンスを実現するように設計すべきである。供給電圧は、コモンモードフィルタにおける自己インダクタンスの他方側から供給され、交流電圧を整流するためのブリッジ整流器１９へと供給される。ブリッジ整流器１９からの出力電圧側に接続されたコンデンサ２０は、スイッチモードコンバータに供給するための電圧を平滑化する。

図４は、スイッチモード電源回路のコモンモードフィルタを構築するための、本発明を示す要図である。同図において、電源回路における入力段は、従来技術と同様に構成されており、主電源の交流電圧への接続は、入力リードの１つに直列に接続されたヒューズ２１を介して実現されている。入力リードと直列に接続しているＮＴＣ抵抗器２２、及び、入力リードを跨ぐように並列に挿入されているコンデンサ２３も同様に設けられている。従来技術の回路と異なり、入力リードは、更に、交流電圧を整流するための整流回路に導かれており、ここでは、当該整流回路は、ブリッジ整流器２４で構成されている。コンデンサ２５は、ブリッジ整流器２４からの出力電圧側に設けられており、電圧を平滑化する。この後になって初めて、コモンモードフィルタ２６が、整流回路の直流電圧側の２つの入力リードに接続されている。共通コアにおける個別の自己インダクタンスを介して、入力リードは、スイッチモードコンバータに接続したコモンモードフィルタの出力端子に接続される。この構成により、コモンモードフィルタ２６における電流は、入力段の交流電圧側の位置と比較して低く２の平方根分の１であり、優れた効果を奏することができる。コモンモードフィルタのコイルサイズは、電流の２乗の割合で増えていくため、コモンモードコイルの物理的サイズは約半分であるが、コモンモードノイズを同じだけ低減することができる。これは、以下に示す、主電源の供給電圧が２３０Ｖの交流電圧である例を用いて説明することができる。主電源に対する負荷が１アンペアだとすると、電力消費（power dissipation）は２３０Ｗである。整流回路の下流において、電圧は３２５Ｖであり、電流は７００ｍＡに低減されるため、電力消費は、やはり２３０Ｗである。コイルの物理的サイズの縮小は、以下のように計算することができる。

従って、従来技術と比較して、コイルの物理的サイズは半分に縮小されている。

図５は、代替の解決手段を示しており、本発明に係るスイッチモード電源回路のコモンモードフィルタを構築するための要図である。この解決手段は、特に、１２０Ｖの交流電圧で設置された主電源に対して適用するのに適している。主電源の交流電圧への接続は、入力リードの１つに直列に接続されたヒューズ２７を介して実現される。ＮＴＣ抵抗器２８は、入力リードに対して直列に挿入されており、コンデンサ２９は、入力リードを跨ぐように並列に挿入されている。入力リードの一方は、出力電圧を平滑化する２つのコンデンサ３０、３１間の中心点まで更に導かれている。中心点は、人為的接地（artificial ground）３２として機能する。他方の入力リードは、更に、交流電圧を整流するための整流回路に導かれており、当該整流回路は、ここでは、２つの別々の整流器３３、３４を用いている。２つの整流器３３、３４は、交流電圧のそれぞれの半波を、コンデンサ３０、３１の他方の端子へ伝導することにより、人為的接地３２に対する正電源３５及び負電源３６として機能する。従って、出力電圧を倍増することができる。この次に、整流回路の直流電圧側におけるコモンモードフィルタ３７が、２つの入力リードに接続されている。共通コアにおける個別の自己インダクタンスを介して、入力リードは、スイッチモードコンバータに接続したコモンモードフィルタの出力端子に接続される。なお、この構成により、コモンモードフィルタの物理的サイズを４分の１に縮小することができる。これについては、主電源の供給電圧が１２０Ｖの交流電圧である例を用いて説明することができる。主電源に対する負荷が２アンペアであるとすると、電力消費は２４０Ｗである。整流回路の下流において、電圧は３４０Ｖであり、電流は７００ｍＡに低減されるため、電力消費は、やはり２４０Ｗである。コイルの物理的なサイズの低減は、以下の式を用いて計算することができる。

従って、従来技術と比較して、コイルの物理的なサイズは、４分の１に縮小されている。

図６は、テーブルトップ３９を含む高さ調節式テーブル３８を示す斜視図である。テーブルトップ３９の両側において、昇降支柱４０の形態、例えば、LinakA/Sに属する国際公開ＷＯ２００４／１００６３２Ａ１に記載されているタイプのリニアアクチュエータが設けられている。昇降支柱は、テーブルトップ３９が取り付けられた支持フレーム４１（図７参照）に設けられている。各昇降支柱４０の他端は、足部４２を含み、この上に高さ調節式テーブル３８が立っている。昇降支柱４０は、モータハウジング４３（図７参照）と、２つの相互に入れ子式の型材（profiles）とを含む。型材４４の一方は、静止位置で足部４２に固定されており、当該型材の他方は、静止した型材４４に対して入れ子式に出退変位することができる。変位可能な型材は、ギアを介してスピンドルを駆動する電気モータを用いて移動される。スピンドルは、入れ子状に移動可能な型材に固定されたスピンドルナットに取り付けられる。従って、テーブルトップ３９の変位は、移動可能な型材によって決定される。

図７は、斜視図で見た高さ調節式テーブル３８であり、テーブルトップ３９は透明に描かれている。テーブルトップ３９が取り付けられた支持フレーム４１は、２つの平行な縦部材４５と、２つの平行な横部材４６とを含む。２つの昇降支柱４０は、ここでは、高さ調節式テーブル３９の安定性を高めるために交差部材４７に互いに接続されている。この範囲、すなわち、これらの縦部材４５及び横部材４６により定まる長さ、幅、及び高さの範囲内に、モータハウジング４３及びコントロールボックス４８を設けることが望ましい。コントロールボックス４８は、コントローラと電源回路とを含む。後者は、図３〜５に記載したタイプのものである。高さ調節式テーブル３８は、操作ユニット４９を介して調節することができる。従って、高さ調節テーブル３８は、昇降支柱４０で構成される２つのリニアアクチュエータ、コントローラ、電源回路、及び操作ユニットを有するアクチュエータシステムを含む。

Claims (7)

1. アクチュエータシステムのための電源回路であって、
   交流電圧を整流して直流電圧を生成するための整流回路と、
   電圧を平滑化するために、前記整流回路からの出力電圧側に設けられたコンデンサと、
   コモンモードノイズを低減するためのコモンモードフィルタと、
   直流電圧を調節するためのスイッチモードコンバータと、を含み、
   前記コモンモードフィルタは、前記整流回路及び前記コンデンサの下流であって、前記スイッチモードコンバータの上流において、前記電源回路に挿入されていることを特徴とする、電源回路。
2. コモンモードノイズのフィルタリングは、前記電源回路において、整流及び平滑化された後の供給電圧に対して実現されることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータシステムのための電源回路。
3. 前記電源回路の交流電圧接続部には、ノイズ低減のためのコンデンサが用いられることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータシステムのための電源回路。
4. 前記電源回路による整流電圧の供給部には、ノイズ低減及び直流電圧のリップル低減のためのコンデンサが用いられることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータシステムのための電源回路。
5. アクチュエータシステムのための電源回路を構築するための方法であって、前記回路は、
   ノイズ低減のためのコンデンサを有する、主電源に接続するための第１ブロックと、
   整流回路を有する第２ブロックと、
   ノイズ低減及び直流電圧のリップル低減のためのコンデンサを含む第３ブロックと、に続いて、
   コモンモードフィルタを有する第４ブロックと、
   直流電圧を調節するためのスイッチモードコンバータを有する第５ブロックと、
   を順に形成することにより構築されることを特徴とする、方法。
6. 少なくとも１つのリニアアクチュエータと、コントローラと、操作ユニットとを含むアクチュエータシステムであって、
   前記アクチュエータシステムは、請求項１〜４のうち１つ又は複数に記載の電源回路を含むことを特徴とする、アクチュエータシステム。
7. アクチュエータシステムのための電源回路であって、
   交流電圧を整流及び電圧倍増して直流電圧を生成するための整流回路と、
   電圧を平滑化するために、前記整流回路からの出力電圧側に設けられたコンデンサと、
   コモンモードノイズを低減するためのコモンモードフィルタと、
   直流電流を調節するためのスイッチモードコンバータと、を含み、
   前記コモンモードフィルタは、前記整流回路及び前記コンデンサの下流であって、前記スイッチモードコンバータの上流において、前記電源回路に挿入されていることを特徴とする、電源回路。

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