JP3714983B2

JP3714983B2 - Thrust actuator

Info

Publication number: JP3714983B2
Application number: JP02633295A
Authority: JP
Inventors: 悦史山田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JPH08223983A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、モータの回転力を軸方向の動力に変換してロッドを駆動する推力アクチュエータに関し、特に４輪駆動車における２輪駆動と４輪駆動との切換装置、または差動固定装置（通称デフロック）のロック状態とアンロック状態との切換装置等に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、４輪駆動車における２輪駆動と４輪駆動との切換装置としては、特公平５−５５３３１号公報に開示されたものが知られている。
この切換装置は、フォークシャフトに固定されたシフトフォークによってスライダを操作し、このスライダを介して前輪側の駆動軸に設けられたスプラインと後輪側の駆動軸に設けられたスプラインとを連結されることで４輪駆動となり、切り離されることで２輪駆動となる。そして、フォークシャフトを軸方向に往復動させる手段として推力アクチュエータが用いられている。
【０００３】
推力アクチュエータは、モータの回転力をギヤの組み合わせにより増力してピニオンギヤに伝達し、ピニオンギヤからロッドと同軸に配設したラックギヤに伝達して推力（軸方向の動力）に変換している。そして、モータとロッド間には、ロッドがロックした時に反力（弾力）を蓄えるためのトーションスプリングが配設されている。
【０００４】
この推力アクチュエータの作動を図８に示すタイムチャートに基づいて簡単に説明する。
始動スイッチがオンされてモータが回転すると、推力によりロッドが作動して、そのロッドに連結されたフォークシャフトを駆動する。ここで、ロッドがロックした場合（即ち、スライダとスプラインとが噛み合わないでフォークシャフトの移動が停止した時／図８中のＸ時点）でも、トーションスプリングがモータの回転力を受けて捩じられることにより、モータはロックすることなく回転を継続し、所定量回転した後、通電が停止される（図８中のＹ時点）。
【０００５】
この状態でスライダとスプラインとが噛み合うのを待ち、噛み合った時（図８中のＺ時点）に、トーションスプリングに蓄えられた弾力によってロッドが作動する。このトーションスプリングの働きにより、モータロック時の過大推力がロッドに掛からないようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の推力アクチュエータは、下記の課題を有している。
イ）モータが所定量回転した後、モータへの通電を停止するシステムである。従って、モータへの通電を停止するタイミングを知るために、モータの回転量（回転角）を検出する装置が必要であり、この検出装置からモータの通電制御を行う制御装置（ＥＣＵ）へ信号を送るための信号線が必要となって、システム的にコスト高となる。
【０００７】
ロ）トーションスプリングは、その捩じりトルクを小さくする目的で、モータに近い側（減速量を小さくできる）に配設されている。そのため、トーションスプリングの捩じり量（回転量）を大きく取ることが多く、通常では角度にして１８０度と大きいことから、バネ定数の極端に小さいスプリングを必要とする。これを実現するためには、スプリングの巻き数を極端に大きくしなければならず、トーションスプリング自体が大きくなり、装置全体の大型化を招く。
【０００８】
仮に、バネ定数の大きいスプリングを使用した場合は、モータの捩じり込み量に従ってロッドの出力荷重の増加度合いが大きくなることから、過荷重となってしまうため適用は困難である。
一方、トーションスプリングをロッド側に設けた場合は、捩じり量の角度は小さくなるが、捩じりトルクは大きくする必要があるため、やはりトーションスプリング自体が大きくなってしまう。
【０００９】
ハ）上述の説明でロッドがロックしている時、即ちスライダがスプラインと噛み合うまでの所謂「待ち状態」の時は、トーションスプリングに蓄えられた反力によりモータが逆回転しないように、進み角の小さいウォームギヤを設ける必要がある。しかし、スライダがスプラインと噛み合ってロッドの作動が終了した後でも、ロッドにはトーションスプリングのセット荷重（残存捩じり分による捩じりトルク）が掛かっている。従って、進み角の小さいウォームギヤによってモータが逆回転できない構造であると、モータとロッドとの間で動力を伝達する各ギヤや軸、および軸を支持するハウジング等に常時荷重が掛かってしまう。このため、耐力が大きくクリープ強度の高いギヤや軸およびハウジングを用いる必要があることから、装置の大型化を招くとともにコスト高となる。
【００１０】
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、モータへの通電停止後に動力伝達系に荷重が掛からない構造として装置の小型化および軽量化を実現するとともに、電気配線を簡素化してコストダウンを図った推力アクチュエータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成を採用した。
請求項１では、通電を受けて負荷電流に応じた出力トルクを発生するモータと、軸方向に往復動可能に設けられたロッドと、前記モータの出力トルクを軸方向の推力に変換して前記ロッドに伝達するとともに、前記モータへの通電が停止された時に、前記ロッドに掛かる負荷を受けて前記モータを逆回転できる動力伝達機構と、前記モータを所定時間通電するとともに、前記モータに所定値以上の負荷が掛かった時に、前記モータの出力トルクが前記所定値を超えないように前記負荷電流を制限するモータ駆動回路とを備え、
前記動力伝達機構は、前記モータの出力軸に取り付けられるウォームギヤと、このウォームギヤに噛み合うウォームホィールとを有する歯車減速機構によって構成され、前記モータへの通電が停止された時に、前記モータが逆回転できる様に、前記ウォームギヤの進み角が大きく設定されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２では、請求項１に記載した推力アクチュエータにおいて、
前記モータ駆動回路は、前記モータに所定値以上の負荷が掛かった時に、前記モータに流れる負荷電流を一定に保つ定電流回路を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３では、請求項１または２に記載した推力アクチュエータにおいて、
前記モータ駆動回路は、前記モータに所定値以上の負荷が掛かった時に、前記モータに流れる負荷電流を所定の増加率で増加させることを特徴とする。
【００１４】
【作用および発明の効果】
（請求項１）
モータに発生する出力トルクが動力伝達機構により軸方向の推力に変換されて、ロッドに伝達されることでロッドが駆動される（軸方向に移動する）。この駆動中にロッドがロックしてモータに掛かる負荷が増大すると、負荷の増大に伴ってモータの出力トルクも増大するが、モータに掛かる負荷が所定値以上となっても、モータ駆動回路によってモータの出力トルクが所定値を超えないように負荷電流が制限される。
その後、ロッドのロック状態が解消されてロッドが移動を完了し、モータへの通電が停止されると、モータは、動力伝達機構に残存する荷重を受けて一旦わずかに逆回転した後、停止する。
【００１５】
この発明によれば、ロッドがロックしてモータに掛かる負荷が増大した時に、モータに流れる負荷電流が制限されてモータの出力トルクが抑えられるため、ロッドおよび動力伝達機構に過大な（必要以上の）負荷が掛からない。また、モータへの通電が停止された後、モータが一旦わずかに逆回転して動力伝達機構の残存荷重を解消することができるため、モータの回転停止後にロッドおよび動力伝達機構に負荷が掛からない。このため、動力伝達機構の構成部品（例えば、ギヤ、軸、軸受等）の小型化および軽量化（樹脂化）が可能となる。
また、モータは、モータ駆動回路により所定時間だけ通電される。つまり、所定時間経過後にモータへの通電が停止される。従って、従来装置のように、モータへの通電停止タイミングを知るためにモータの回転量を検出する必要がないことから、その分、電気配線を簡素化してコストダウンを図ることができる。
【００１６】
（請求項２）
モータ駆動回路は、定電流回路を有し、この定電流回路によって、モータに所定値以上の負荷が掛かった時にモータに流れる負荷電流を一定に保つことができる。これにより、モータは負荷電流に応じた出力トルク（所定値）を発生する。即ち、出力トルクが所定値以上となることはない。
【００１７】
（請求項３）
モータ駆動回路は、モータに所定値以上の負荷が掛かった時に、モータに流れる負荷電流を所定の増加率で増加させる。これにより、負荷の急増に伴ってモータ出力が急増するのを抑えることができるため、動力伝達機構に衝撃荷重が加わることがなく、動力伝達機構を構成する各部品の強度を低く設定することが可能となる。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の推力アクチュエータを４輪駆動車の２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置に適用した実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は推力アクチュエータの内部構造を示す平面図（アッパケースを取り外した状態）、図２は推力アクチュエータの内部構造を示す側面断面図である。
【００１９】
まず、図４に基づいて２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置１００の構造を説明する。
切換装置１００は、前輪駆動軸１１０の外周に設けられたスプライン１１１、後輪駆動軸１２０に設けられたスプライン１２１、両者のスプライン１１１、１２１に係合可能に設けられたスライダ１３０、およびスライダ１３０を操作するシフトフォーク１４０が固定されたフォークシャフト１５０等より構成されている。
【００２０】
前輪駆動軸１１０は、エンジンからトランスミッション（図示しない）を介して駆動力が伝達されて、エンジン運転中は常時回転している（後輪駆動軸１２０にエンジンの駆動力が伝達される構造でも良い）。
後輪駆動軸１２０は、前輪駆動軸１１０と軸方向に対向して配置され、前輪駆動軸１１０の端部にベアリング１６０を介して回転自在に支持されている。
【００２１】
スライダ１３０は、２輪駆動の時に前輪駆動軸１１０のスプライン１１１に噛み合わされており、２輪駆動から４輪駆動へ切り換える時に、図４の右方向へ移動して後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とも噛み合う（両方のスプライン１１１、１２１と噛み合った状態）。
即ち、フォークシャフト１５０に固定されたシフトフォーク１４０によってスライダ１３０を操作し、このスライダ１３０を介して前輪駆動軸１１０のスプライン１１１と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とが連結されることで４輪駆動となり、切り離されることで２輪駆動となる。
【００２２】
推力アクチュエータ１は、フォークシャフト１５０を駆動操作するもので、図１および図２に示すように、出力トルクを発生するモータ２、このモータ２の出力トルクを伝達する動力伝達機構（後述する）、この動力伝達機構により伝達された動力（推力）を受けて軸方向に往復動するロッド３、各構成部品を収容するケース４、およびモータ２を通電するモータ駆動回路５（図３参照）等より構成されている。
【００２３】
モータ２は、モータ駆動回路５より通電を受けて出力軸２ａが回転することにより、負荷電流に応じた出力トルクを発生する（図５参照）。
動力伝達機構は、歯車減速機構を成すもので、モータ２の出力軸２ａに取り付けられて出力軸２ａと一体に回転するウォームギヤ６、ウォームギヤ６と噛み合うウォームホイール７、ウォームホイール７と同軸に設けられた小径ギヤ８、小径ギヤ８と噛み合う大径ギヤ９、大径ギヤ９と同軸に配置された小径ギヤ１０、小径ギヤ１０と噛み合うプレートギヤ１１、プレートギヤ１１と一体に回転するピニオンギヤ１２、およびピニオンギヤ１２と噛み合うラックギヤ１３等より構成されている。
【００２４】
ウォームギヤ６は、モータ２の通電が停止された時に、モータ２が逆回転できるように進み角（ピッチ）の大きいものを使用している。
ウォームホイール７と小径ギヤ８とは、図示しない軸受を介してケース４に回転自在に支持された支持軸１４と一体に設けられており、その支持軸１４と共に同期して回転する。
大径ギヤ９と小径ギヤ１０は、軸受１５を介してケース４に回転自在に支持された支持軸１６と一体に設けられて、その支持軸１６と共に同期して回転する。
【００２５】
プレートギヤ１１は、図２に示すように扇形に設けられて、その要となるボス部１１ａ（図１参照）で支持軸１７に回転可能に支持されている。
ピニオンギヤ１２は、プレートギヤ１１のボス部１１ａが軸方向に延長されて、その延長部の外周に一体に設けられている。
ラックギヤ１３は、ロッド３の端部に一体に設けられて、ピニオンギヤ１２の回転力を推力（軸方向の動力）に変換する。
【００２６】
ロッド３は、ケース４（アッパケース４ｂ）にシール部材１８を介して往復動可能に支持されて、先端部がケース４の外側（図２の左側）へ突出し、その先端部に設けられた連結ピン３ａ（図４参照）を介して切換装置１００のフォークシャフト１５０に連結されている。このロッド３は、ラックギヤ１３により変換された推力を受けてラックギヤ１３と一体に作動する（軸方向に移動する）ことにより、フォークシャフト１５０を駆動する。
【００２７】
ケース４は、各構成部品を収容するロアケース４ａと、このロアケース４ａの開口部にシール部材１９を介して液密に被せられるアッパケース４ｂとから成り、両者がビス２０により締め付け固定されている。なお、ロアケース４ａには、モータ２の通電端子２１が取り出された防水コネクタ２２が一体に設けられている。この防水コネクタ２２には、モータ駆動回路５の給電線に取り付けられた給電用コネクタ（図示しない）が差し込まれて、通電端子２１を介してモータ駆動回路５からモータ２へ駆動電力が給電される。
【００２８】
モータ駆動回路５は、図３に示すように、手動スイッチ２３を介して電子制御装置（ＥＣＵ）２４に接続され、手動スイッチ２３がオンされた時に、電子制御装置２４より出力される起動信号を受けてモータ２を所定時間（例えば１秒間）だけ通電する。但し、モータ駆動回路５は、モータ２に流れる負荷電流を一定に保つ定電流回路（例えばＰＷＭ：パルス幅変調）を備え、出力軸２ａに掛かる負荷が増加しても所定値ｉ₃以上の平均電流が流れないように負荷電流を制限している。従って、モータ２の出力トルクは、出力軸２ａに掛かる負荷が増加しても、負荷電流ｉ₃に応じた規定トルクＴ₃以上には大きくならない。ここで、ＰＷＭがゆえに負荷電流はリップル分があるが、周波数が１００Ｈｚ程度以上であれば、トルク変動はほとんどない。
【００２９】
上記の関係を図５に示すモータ特性図を用いて説明する。
一般的な直流モータ２の負荷電流ｉと回転数Ｎとの関係は、図５に示すように、出力トルクＴに対して反比例する。
従って、▲１▼モータ２の出力軸２ａに掛かる負荷が軽い場合、即ちモータ２の出力トルクが小さくて良い場合は、低負荷時の或る出力トルクＴ₁に対して回転数Ｎ₁は高いが、負荷電流ｉ₁は低くなる。
【００３０】
また、▲２▼モータ２の出力軸２ａに掛かる負荷が重い場合、即ちモータ２の出力トルクが大きくなる場合は、高負荷時の或る出力トルクＴ₂に対して回転数Ｎ₂は低いが、負荷電流ｉ₂は高くなる（但し、モータ２に流れる負荷電流を制限しない場合）。
これに対して、モータ２に流れる負荷電流を制限した場合は、高負荷になってもｉ₃以上電流が流れないため、負荷電流ｉ₃に応じた出力トルクＴ₃以上の負荷が掛かればモータ２は停止する。即ち、出力軸２ａに掛かる負荷がモータ２の規定トルクＴ₃以上に増加しても、モータ２の出力トルクはＴ₃以上にならない。
【００３１】
なお、上記の電子制御装置２４は、マイクロコンピュータ（図示しない）を内蔵して車両のエンジン制御、サスペンション制御、またはエアコン制御等を行うもので、イグニッションスイッチＩＧがオンされることで、車載電源Ｂより電力の供給を受けて作動する。
【００３２】
次に、本実施例の作動を図６に示すタイムチャートを参照しながら説明する。
但し、以下の説明は、２輪駆動から４輪駆動へ切り換える場合の作動である。
乗員により手動スイッチ２３がオンされて、電子制御装置２４からモータ駆動回路５へ起動信号が出力されることにより、モータ駆動回路５を介してモータ２が通電される（図中Ａ点）。
通電を受けてモータ２が回転することにより、出力軸２ａに取り付けられたウォームギヤ６が出力軸２ａと一体に回転し、このウォームギヤ６と噛み合うウォームホイール７が回転する（図２に回転方向を矢印で示す）。
【００３３】
ウォームホイール７の回転は、ウォームホイール７と共に支持軸１４に一体に設けられた小径ギヤ８を介して大径ギヤ９に伝達される。この大径ギヤ９の回転は、同期して回転する小径ギヤ１０からプレートギヤ１１に伝達された後、このプレートギヤ１１と同期して回転するピニオンギヤ１２からラックギヤ１３に伝達されて、ピニオンギヤ１２とラックギヤ１３との間で軸方向の推力に変換される。
【００３４】
このラックギヤ１３で変換された推力により、ロッド３が作動（図２の右方向へ移動）してフォークシャフト１５０を駆動する。これにより、フォークシャフト１５０に固定されたシフトフォーク１４０を介してスライダ１３０が移動（図４の右方向へ移動）し、前輪駆動軸１１０に設けられたスプライン１１１と噛み合ったまま、後輪駆動軸１２０に設けられたスプライン１２１とも噛み合うことで、前輪駆動軸１１０と後輪駆動軸１２０とが連結されて２輪駆動から４輪駆動へ切り換えられる。
【００３５】
ここで、シフトフォーク１４０を介して移動するスライダ１３０は、後輪駆動軸１２０のスプライン１２１に噛み合う際に、スプライン１２１の端面に当接してスムーズな噛み合いが行われない場合が生じる。この場合、前輪駆動軸１１０の回転に伴ってスライダ１３０とスプライン１２１との互いの歯筋が合致するまでスライダ１３０の移動が停止される（図中Ｂ点）。
【００３６】
これにより、推力アクチュエータでは、ロッド３がロック（作動停止）することでモータ２の出力軸２ａに掛かる負荷が急増する（図中一点鎖線で示す）。この時、モータ２は、出力軸２ａに発生する出力トルクが所定値Ｔ₃を超えないように負荷電流が制限されるため、出力軸２ａに掛かる負荷の方がモータ出力（出力トルク）より大きくなって、モータ２の回転が停止する。
【００３７】
その後、前輪駆動軸１１０の回転に伴いスライダ１３０と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１との歯筋が合致して両者が噛み合い始めると、出力軸２ａに掛かっている負荷が低減してモータ出力より小さくなることで、それまで停止していたモータ２が回転する（図中Ｃ点）。
このモータ２の回転により、再びロッド３が移動してスライダ１３０とスプライン１２１との噛み合いを完了させる。
【００３８】
その後、フォークシャフト１５０は、スライダ１３０と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とが噛み合った状態でさらに移動し、シフトフォーク１４０がストッパ１７０に当接することで停止する（図中Ｄ点）。このシフトフォーク１４０がストッパ１７０に当接して停止することで再び出力軸２ａに掛かる負荷が増大するが、上述したようにモータ２に流れる負荷電流が制限されることで、モータ出力が所定値Ｔ₃以上になることはない。
【００３９】
モータ２の通電開始から所定時間（１秒）経過後に通電が停止されることにより、出力軸２ａが一旦停止するが、ロッド３に掛かっている負荷（動力伝達機構に残存する荷重）が反力となって出力軸２ａが逆回転することにより、ロッド３および動力伝達機構に掛かっていた負荷が解消される（図中Ｅ点）。
【００４０】
（本実施例の効果）
本実施例では、ロッド３がロックしてモータ２の出力軸２ａに過大な負荷が掛かった時に、モータ２に流れる負荷電流を制限してモータ２の出力トルクが所定値Ｔ₃を超えないように維持することができる。このため、従来装置のようにモータの出力トルクをトーションスプリングに蓄える必要がないことから、トーションスプリング自体が不要となる。
【００４１】
また、モータ２の通電が停止された時に、モータ２が逆回転してロッド３および動力伝達機構に掛かっていた負荷を解消することができる。これにより、ロッド３および動力伝達機構を構成する各ギヤ類（ウォームギヤ６、ウォームホイール７、小径ギヤ８、大径ギヤ９、小径ギヤ１０、プレートギヤ１１、ピニオンギヤ１２、ラックギヤ１３）の小型化および樹脂化による軽量化を図ることができるとともに、それに伴って各ギヤ類を支持する支持軸１４、１６、１７およびケース４の樹脂化が可能となり、コストダウンを図ることができる。
【００４２】
また、本実施例では、モータ２の通電時間が予め設定されており、通電開始から所定時間経過後に通電停止される。従って、従来装置のように、モータ２の通電停止タイミングをモータ２の回転量によって検出する必要がないため、その分、電気配線の簡素化（システムの簡素化）を図ることができる。
なお、上述の作動は、２輪駆動から４輪駆動へ切り換える場合について説明したものであるが、４輪駆動から２輪駆動へ切り換える場合についても同様の作用および効果が得られることは言うまでもない。
【００４３】
（第２実施例）
第１実施例では、スライダ１３０が後輪駆動軸１２０のスプライン１２１と噛み合う直前にロッド３が停止する時、モータ出力の急増によって衝撃荷重が掛かることがあるため、動力伝達機構の各ギヤ類６〜１３の強度安全率を高く設定する必要がある。
そこで、本実施例では、ロッド３がロックしてモータ２に掛かる負荷が急増した時に、モータ２に流れる負荷電流を急増させないで、図７に示すように、所定の増加率（例えば１０mA／msec）で増加させる様にした。このように、電流を所定の増加率で徐々に増加させることにより、上記の衝撃荷重による不具合を解消できるため、動力伝達機構に使用する各ギヤ類６〜１３の安全率を低く設定できる。また、小型化が可能となる。
【００４４】
〔変形例〕
本実施例では、モータ２に流れる負荷電流を制限することにより、モータ２に掛かる負荷が急増した時（Ｔ₃以上）にモータ２が停止する。このため、例えば高回転型のモータ２を使用していれば、モータ２の停止に伴う衝撃力が加わるため、この衝撃力を吸収する衝撃吸収材（例えばトーションスプリング）を動力伝達機構に介在させても良い。
本実施例では、モータ２が逆回転できるように、進み角の大きいウォームギヤ６を使用したが、ウォームギヤ６の代わりに小径の平歯車を用いても良い。
本実施例では、推力アクチュエータ１を２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置１００に適用したが、差動固定装置のロック状態とアンロック状態との切換装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】推力アクチュエータの内部構造を示す平面図である。
【図２】推力アクチュエータの内部構造を示す側面断面図である。
【図３】推力アクチュエータを駆動する電気回路図である。
【図４】推力アクチュエータを含む切換装置の全体断面図である。
【図５】出力トルクに対する回転数と電流との関係を示すモータ特性図である。
【図６】第１実施例の作動に係わるタイムチャートである。
【図７】第２実施例の作動に係わるタイムチャートである。
【図８】従来装置の作動に係わるタイムチャートである。
【符号の説明】
１推力アクチュエータ
２モータ
３ロッド
５モータ駆動回路
６ウォームギヤ（動力伝達機構）
７ウォームホイール（動力伝達機構）
８小径ギヤ（動力伝達機構）
９大径ギヤ（動力伝達機構）
１０小径ギヤ（動力伝達機構）
１１プレートギヤ（動力伝達機構）
１２ピニオンギヤ（動力伝達機構）
１３ラックギヤ（動力伝達機構）[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a thrust actuator that converts a rotational force of a motor into axial power to drive a rod, and in particular, a switching device between a two-wheel drive and a four-wheel drive in a four-wheel drive vehicle, or a differential fixing device (common name). It is suitable for use in a switching device between a locked state and a unlocked state of a differential lock.
[0002]
[Prior art]
For example, as a switching device between two-wheel drive and four-wheel drive in a four-wheel drive vehicle, one disclosed in Japanese Patent Publication No. 5-55331 is known.
In this switching device, a slider is operated by a shift fork fixed to a fork shaft, and a spline provided on the drive shaft on the front wheel side and a spline provided on the drive shaft on the rear wheel side are connected via this slider. By doing so, it becomes four-wheel drive, and when it is cut off, it becomes two-wheel drive. A thrust actuator is used as means for reciprocating the fork shaft in the axial direction.
[0003]
The thrust actuator increases the rotational force of the motor by a combination of gears and transmits it to the pinion gear, and transmits it from the pinion gear to a rack gear disposed coaxially with the rod to convert it into thrust (power in the axial direction). Between the motor and the rod, a torsion spring for storing a reaction force (elasticity) when the rod is locked is disposed.
[0004]
The operation of this thrust actuator will be briefly described based on the time chart shown in FIG.
When the start switch is turned on and the motor rotates, the rod is actuated by thrust, and the fork shaft connected to the rod is driven. Here, even when the rod is locked (that is, when the movement of the fork shaft is stopped because the slider and the spline do not mesh with each other / time point X in FIG. 8), the torsion spring is twisted by receiving the rotational force of the motor. Thus, the motor continues to rotate without being locked, and after a predetermined amount of rotation, energization is stopped (time Y in FIG. 8).
[0005]
In this state, it waits for the slider and the spline to mesh with each other, and when they mesh (Z point in FIG. 8), the rod is actuated by the elastic force stored in the torsion spring. This torsion spring prevents excessive thrust from being applied to the rod when the motor is locked.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional thrust actuator has the following problems.
B) A system that stops energization of the motor after the motor has rotated a predetermined amount. Therefore, in order to know the timing of stopping energization of the motor, a device for detecting the rotation amount (rotation angle) of the motor is necessary, and a signal is sent from this detection device to the control device (ECU) that performs energization control of the motor. A signal line for transmission is required, which increases the cost of the system.
[0007]
B) The torsion spring is disposed on the side close to the motor (the amount of deceleration can be reduced) for the purpose of reducing its torsional torque. For this reason, the torsion spring often has a large twisting amount (rotation amount) and is usually as large as 180 degrees in angle, so that a spring having an extremely small spring constant is required. In order to realize this, the number of turns of the spring must be extremely increased, and the torsion spring itself becomes large, resulting in an increase in the size of the entire apparatus.
[0008]
If a spring having a large spring constant is used, the degree of increase in the output load of the rod increases according to the amount of twisting of the motor, and it becomes difficult to apply because it becomes overloaded.
On the other hand, when the torsion spring is provided on the rod side, the angle of the torsion amount is reduced, but the torsion spring itself is also increased because the torsion torque needs to be increased.
[0009]
C) When the rod is locked in the above description, that is, when the slider is in a so-called “waiting state” until it engages with the spline, the advance angle is set so that the motor does not reversely rotate due to the reaction force stored in the torsion spring. It is necessary to provide a small worm gear. However, even after the slider is engaged with the spline and the operation of the rod is finished, the set load of the torsion spring (torsion torque due to the remaining torsion) is applied to the rod. Accordingly, if the worm gear has a structure in which the worm gear with a small advance angle cannot reversely rotate, a load is always applied to each gear and shaft that transmits power between the motor and the rod, a housing that supports the shaft, and the like. For this reason, since it is necessary to use a gear, a shaft, and a housing having a high yield strength and a high creep strength, the apparatus is increased in size and cost is increased.
[0010]
The present invention has been made on the basis of the above circumstances, and as a structure in which no load is applied to the power transmission system after the energization of the motor is stopped, the apparatus is reduced in size and weight, and the electrical wiring is simplified to reduce the cost. The object is to provide a thrust actuator that is down.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following configuration in order to achieve the above object.
In claim 1, a motor that receives an energization and generates an output torque according to a load current, a rod that is provided so as to be capable of reciprocating in an axial direction, and an output torque of the motor that is converted into an axial thrust, A power transmission mechanism capable of transmitting to the rod and reversely rotating the motor in response to a load applied to the rod when energization of the motor is stopped; and energizing the motor for a predetermined time; A motor drive circuit that limits the load current so that the output torque of the motor does not exceed the predetermined value when the load is applied,
The power transmission mechanism is constituted by a gear reduction mechanism having a worm gear attached to an output shaft of the motor and a worm wheel meshing with the worm gear, and the motor can reversely rotate when energization to the motor is stopped. Similarly, the advance angle of the worm gear is set to be large .
[0012]
In claim 2, in the thrust actuator according to claim 1,
The motor driving circuit includes a constant current circuit that maintains a constant load current flowing through the motor when a load of a predetermined value or more is applied to the motor.
[0013]
In claim 3, in the thrust actuator according to claim 1 or 2,
The motor driving circuit increases a load current flowing through the motor at a predetermined increase rate when a load of a predetermined value or more is applied to the motor.
[0014]
[Operation and effect of the invention]
(Claim 1)
The output torque generated in the motor is converted into axial thrust by the power transmission mechanism and transmitted to the rod, thereby driving the rod (moving in the axial direction). If the rod locks during this drive and the load applied to the motor increases, the output torque of the motor increases as the load increases. However, even if the load applied to the motor exceeds a predetermined value, the motor drive circuit The load current is limited so that the output torque does not exceed a predetermined value.
After that, when the rod lock state is released and the rod completes its movement and the energization to the motor is stopped, the motor receives a load remaining in the power transmission mechanism and then once reverses slightly to stop. .
[0015]
According to the present invention, when the load applied to the motor increases due to the locking of the rod, the load current flowing through the motor is limited and the output torque of the motor is suppressed. ) No load is applied. In addition, after energization of the motor is stopped, the motor can be rotated slightly in the reverse direction once to eliminate the remaining load of the power transmission mechanism, so that no load is applied to the rod and the power transmission mechanism after the motor stops rotating. . For this reason, the components (for example, gears, shafts, bearings, etc.) of the power transmission mechanism can be reduced in size and weight (resinized).
The motor is energized for a predetermined time by the motor drive circuit. That is, energization to the motor is stopped after a predetermined time has elapsed. Therefore, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to detect the rotation amount of the motor in order to know the timing of stopping energization of the motor, and accordingly, the electrical wiring can be simplified and the cost can be reduced.
[0016]
(Claim 2)
The motor drive circuit has a constant current circuit, and the constant current circuit can keep the load current flowing through the motor constant when a load of a predetermined value or more is applied to the motor. As a result, the motor generates an output torque (predetermined value) corresponding to the load current. That is, the output torque does not exceed a predetermined value.
[0017]
(Claim 3)
The motor drive circuit increases the load current flowing through the motor at a predetermined increase rate when a load of a predetermined value or more is applied to the motor. As a result, it is possible to prevent the motor output from rapidly increasing with a sudden increase in load, so that no impact load is applied to the power transmission mechanism, and the strength of each component constituting the power transmission mechanism can be set low. It becomes possible.
[0018]
【Example】
Next, an embodiment in which the thrust actuator of the present invention is applied to a switching device that switches between two-wheel drive and four-wheel drive of a four-wheel drive vehicle will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing the internal structure of the thrust actuator (with the upper case removed), and FIG. 2 is a side sectional view showing the internal structure of the thrust actuator.
[0019]
First, the structure of the switching device 100 that switches between two-wheel drive and four-wheel drive will be described with reference to FIG.
The switching device 100 includes a spline 111 provided on the outer periphery of the front wheel drive shaft 110, a spline 121 provided on the rear wheel drive shaft 120, a slider 130 provided to be able to engage with both the splines 111 and 121, and the slider 130. The fork shaft 150 etc. to which the shift fork 140 which operates is fixed is comprised.
[0020]
The front wheel drive shaft 110 may be configured such that a driving force is transmitted from the engine via a transmission (not shown) and is always rotating during engine operation (the engine driving force is transmitted to the rear wheel drive shaft 120). ).
The rear wheel drive shaft 120 is disposed so as to face the front wheel drive shaft 110 in the axial direction, and is rotatably supported by an end portion of the front wheel drive shaft 110 via a bearing 160.
[0021]
The slider 130 is engaged with the spline 111 of the front wheel drive shaft 110 during two-wheel drive. When the two-wheel drive is switched to the four-wheel drive, the slider 130 moves to the right in FIG. Mesh with both splines 111 and 121.
That is, the slider 130 is operated by the shift fork 140 fixed to the fork shaft 150, and the spline 111 of the front wheel drive shaft 110 and the spline 121 of the rear wheel drive shaft 120 are connected via the slider 130, thereby four wheels. It becomes a drive and becomes a two-wheel drive by being cut off.
[0022]
The thrust actuator 1 drives and drives the fork shaft 150. As shown in FIGS. 1 and 2, the motor 2 that generates output torque, a power transmission mechanism (described later) that transmits the output torque of the motor 2, From a rod 3 that reciprocates in the axial direction by receiving power (thrust) transmitted by the power transmission mechanism, a case 4 that houses each component, a motor drive circuit 5 (see FIG. 3) that energizes the motor 2, and the like. It is configured.
[0023]
The motor 2 receives output from the motor drive circuit 5 and rotates the output shaft 2a, thereby generating an output torque corresponding to the load current (see FIG. 5).
The power transmission mechanism constitutes a gear reduction mechanism, and is provided coaxially with the worm gear 6 attached to the output shaft 2a of the motor 2 and rotating integrally with the output shaft 2a, the worm wheel 7 meshing with the worm gear 6, and the worm wheel 7. A small diameter gear 8, a large diameter gear 9 meshing with the small diameter gear 8, a small diameter gear 10 arranged coaxially with the large diameter gear 9, a plate gear 11 meshing with the small diameter gear 10, a pinion gear 12 rotating integrally with the plate gear 11, and The rack gear 13 etc. which mesh with the pinion gear 12 are comprised.
[0024]
A worm gear 6 having a large advance angle (pitch) is used so that the motor 2 can reversely rotate when energization of the motor 2 is stopped.
The worm wheel 7 and the small-diameter gear 8 are provided integrally with a support shaft 14 that is rotatably supported by the case 4 via a bearing (not shown), and rotate synchronously with the support shaft 14.
The large-diameter gear 9 and the small-diameter gear 10 are provided integrally with a support shaft 16 that is rotatably supported by the case 4 via a bearing 15, and rotate synchronously with the support shaft 16.
[0025]
The plate gear 11 is provided in a fan shape as shown in FIG. 2 and is rotatably supported on the support shaft 17 by a boss portion 11a (see FIG. 1) which is the main part thereof.
The pinion gear 12 has a boss portion 11a of the plate gear 11 that extends in the axial direction, and is integrally provided on the outer periphery of the extension portion.
The rack gear 13 is integrally provided at the end of the rod 3 and converts the rotational force of the pinion gear 12 into thrust (power in the axial direction).
[0026]
The rod 3 is supported by the case 4 (upper case 4b) through a seal member 18 so as to be able to reciprocate, and a tip portion protrudes to the outside of the case 4 (left side in FIG. 2), and is connected to the tip portion. The pin 3a (see FIG. 4) is connected to the fork shaft 150 of the switching device 100. The rod 3 receives the thrust converted by the rack gear 13 and operates integrally with the rack gear 13 (moves in the axial direction), thereby driving the fork shaft 150.
[0027]
The case 4 includes a lower case 4 a that accommodates each component and an upper case 4 b that is liquid-tightly covered with an opening of the lower case 4 a via a seal member 19, both of which are fastened and fixed by screws 20. The lower case 4a is integrally provided with a waterproof connector 22 from which the energization terminal 21 of the motor 2 is taken out. A power supply connector (not shown) attached to the power supply line of the motor drive circuit 5 is inserted into the waterproof connector 22, and drive power is supplied from the motor drive circuit 5 to the motor 2 through the energization terminal 21. .
[0028]
As shown in FIG. 3, the motor drive circuit 5 is connected to an electronic control unit (ECU) 24 via a manual switch 23, and when the manual switch 23 is turned on, an activation signal output from the electronic control unit 24 is output. In response, the motor 2 is energized for a predetermined time (for example, 1 second). However, the motor drive circuit 5 includes a constant current circuit (for example, PWM: pulse width modulation) that keeps the load current flowing through the motor 2 constant, and even if the load applied to the output shaft 2a increases, the motor drive circuit 5 has an average greater than a predetermined value i _3. The load current is limited so that no current flows. Therefore, even if the load applied to the output shaft 2a increases, the output torque of the motor 2 does not increase beyond the specified torque T ₃ corresponding to the load current i ₃ . Here, because of the PWM, the load current has a ripple, but if the frequency is about 100 Hz or more, there is almost no torque fluctuation.
[0029]
The above relationship will be described with reference to a motor characteristic diagram shown in FIG.
The relationship between the load current i of the general DC motor 2 and the rotational speed N is inversely proportional to the output torque T as shown in FIG.
Therefore, (1) When the load applied to the output shaft 2a of the motor 2 is light, that is, when the output torque of the motor 2 may be small, the rotational speed N ₁ is higher than a certain output torque T ₁ at low load. However, the load current i ₁ becomes low.
[0030]
(2) When the load applied to the output shaft 2a of the motor 2 is heavy, that is, when the output torque of the motor 2 increases, the rotational speed N ₂ is lower than the certain output torque T ₂ at the time of high load. The load current i ₂ becomes high (provided that the load current flowing through the motor 2 is not limited).
On the other hand, when the load current flowing through the motor 2 is limited, current does not flow beyond i ₃ even when the load becomes high. Therefore, if a load exceeding the output torque T ₃ corresponding to the load current i ₃ is applied, the motor 2 stops. That is, load on the output shaft 2a is also increased to the specified torque T ₃ or more motor 2, the output torque of the motor 2 is not a T ₃ or more.
[0031]
The electronic control device 24 incorporates a microcomputer (not shown) and performs vehicle engine control, suspension control, air conditioner control, and the like. When the ignition switch IG is turned on, the on-vehicle power supply B Operates with more power.
[0032]
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to the time chart shown in FIG.
However, the following explanation is an operation when switching from two-wheel drive to four-wheel drive.
The manual switch 23 is turned on by the occupant and a start signal is output from the electronic control unit 24 to the motor drive circuit 5, whereby the motor 2 is energized via the motor drive circuit 5 (point A in the figure).
When the motor 2 is rotated by being energized, the worm gear 6 attached to the output shaft 2a rotates integrally with the output shaft 2a, and the worm wheel 7 meshing with the worm gear 6 rotates (the direction of rotation is indicated by an arrow in FIG. 2). ).
[0033]
The rotation of the worm wheel 7 is transmitted to the large-diameter gear 9 via the small-diameter gear 8 provided integrally with the support shaft 14 together with the worm wheel 7. The rotation of the large-diameter gear 9 is transmitted from the small-diameter gear 10 that rotates in synchronization to the plate gear 11, and is then transmitted from the pinion gear 12 that rotates in synchronization with the plate gear 11 to the rack gear 13. It is converted into axial thrust with the rack gear 13.
[0034]
The rod 3 is actuated (moved to the right in FIG. 2) by the thrust converted by the rack gear 13 to drive the fork shaft 150. As a result, the slider 130 moves (moves in the right direction in FIG. 4) via the shift fork 140 fixed to the fork shaft 150, and remains in mesh with the spline 111 provided on the front wheel drive shaft 110. The front wheel drive shaft 110 and the rear wheel drive shaft 120 are connected by meshing with the spline 121 provided at 120, and the two-wheel drive is switched to the four-wheel drive.
[0035]
Here, when the slider 130 that moves via the shift fork 140 meshes with the spline 121 of the rear wheel drive shaft 120, the slider 130 may abut against the end surface of the spline 121 and may not be smoothly meshed. In this case, the movement of the slider 130 is stopped until the tooth traces of the slider 130 and the spline 121 coincide with the rotation of the front wheel drive shaft 110 (point B in the figure).
[0036]
As a result, in the thrust actuator, the load applied to the output shaft 2a of the motor 2 is rapidly increased when the rod 3 is locked (stopped) (indicated by a dashed line in the figure). At this time, the motor 2, since the output torque generated in the output shaft 2a load current so as not to exceed the predetermined value T ₃ is limited, towards the load on the output shaft 2a is greater than the motor output (output torque) Thus, the rotation of the motor 2 stops.
[0037]
Thereafter, when the tooth traces of the slider 130 and the spline 121 of the rear wheel drive shaft 120 coincide with each other as the front wheel drive shaft 110 rotates, the load applied to the output shaft 2a is reduced and the motor output is reduced. By decreasing, the motor 2 that has been stopped until then rotates (point C in the figure).
The rotation of the motor 2 causes the rod 3 to move again to complete the engagement between the slider 130 and the spline 121.
[0038]
Thereafter, the fork shaft 150 further moves in a state where the slider 130 and the spline 121 of the rear wheel drive shaft 120 are engaged with each other, and stops when the shift fork 140 comes into contact with the stopper 170 (point D in the figure). When the shift fork 140 comes into contact with the stopper 170 and stops, the load applied to the output shaft 2a increases again. However, as described above, the load current flowing through the motor 2 is limited, so that the motor output becomes a predetermined value T. _No more than ₃ .
[0039]
When the energization is stopped after elapse of a predetermined time (1 second) from the start of energization of the motor 2, the output shaft 2a is temporarily stopped, but the load applied to the rod 3 (the load remaining in the power transmission mechanism) is a reaction force. Thus, the output shaft 2a rotates in the reverse direction, and the load applied to the rod 3 and the power transmission mechanism is eliminated (point E in the figure).
[0040]
(Effect of this embodiment)
In this embodiment, when an excessive load is applied to the output shaft 2a of the motor 2 and the lock rod 3, so that the output torque of the motor 2 does not exceed the predetermined value T ₃ by limiting the load current flowing to the motor 2 Can be maintained. For this reason, since it is not necessary to store the output torque of the motor in the torsion spring as in the conventional device, the torsion spring itself becomes unnecessary.
[0041]
Further, when the energization of the motor 2 is stopped, the load applied to the rod 3 and the power transmission mechanism due to the reverse rotation of the motor 2 can be eliminated. As a result, the rod 3 and the gears constituting the power transmission mechanism (the worm gear 6, the worm wheel 7, the small diameter gear 8, the large diameter gear 9, the small diameter gear 10, the plate gear 11, the pinion gear 12, and the rack gear 13) can be reduced in size. The weight can be reduced by resinization, and the support shafts 14, 16, and 17 and the case 4 that support the gears can be made resinous, and the cost can be reduced.
[0042]
Further, in this embodiment, the energization time of the motor 2 is set in advance, and the energization is stopped after a predetermined time has elapsed since the start of energization. Therefore, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to detect the energization stop timing of the motor 2 based on the amount of rotation of the motor 2, so that the electrical wiring can be simplified correspondingly (system simplification).
In addition, although the above-mentioned operation | movement demonstrated the case where it switches from 2 wheel drive to 4 wheel drive, it cannot be overemphasized that the same effect | action and effect are acquired also when switching from 4 wheel drive to 2 wheel drive.
[0043]
(Second embodiment)
In the first embodiment, when the rod 3 stops immediately before the slider 130 is engaged with the spline 121 of the rear wheel drive shaft 120, an impact load may be applied due to a sudden increase in motor output. It is necessary to set the strength safety factor of ˜13 high.
Therefore, in this embodiment, when the rod 3 is locked and the load applied to the motor 2 increases rapidly, the load current flowing through the motor 2 is not increased rapidly, as shown in FIG. ) To increase. As described above, by gradually increasing the current at a predetermined rate of increase, the above-described problem caused by the impact load can be eliminated, so that the safety factors of the gears 6 to 13 used in the power transmission mechanism can be set low. Further, the size can be reduced.
[0044]
[Modification]
In this embodiment, by limiting the load current flowing to the motor 2, when the load applied to the motor 2 suddenly increases (T ₃ or more) to the motor 2 is stopped. For this reason, for example, if a high-rotation type motor 2 is used, an impact force accompanying the stop of the motor 2 is applied. Therefore, an impact absorbing material (for example, a torsion spring) that absorbs the impact force is interposed in the power transmission mechanism. May be.
In this embodiment, the worm gear 6 having a large advance angle is used so that the motor 2 can rotate in the reverse direction, but a small diameter spur gear may be used instead of the worm gear 6.
In this embodiment, the thrust actuator 1 is applied to the switching device 100 that switches between two-wheel drive and four-wheel drive. However, the thrust actuator 1 can also be applied to a switching device between a locked state and an unlocked state of the differential fixing device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an internal structure of a thrust actuator.
FIG. 2 is a side sectional view showing an internal structure of a thrust actuator.
FIG. 3 is an electric circuit diagram for driving a thrust actuator.
FIG. 4 is an overall cross-sectional view of a switching device including a thrust actuator.
FIG. 5 is a motor characteristic diagram showing the relationship between the rotation speed and current with respect to output torque.
FIG. 6 is a time chart relating to the operation of the first embodiment.
FIG. 7 is a time chart relating to the operation of the second embodiment.
FIG. 8 is a time chart relating to the operation of the conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Thrust Actuator 2 Motor 3 Rod 5 Motor Drive Circuit 6 Worm Gear (Power Transmission Mechanism)
7 Worm wheel (power transmission mechanism)
8 Small diameter gear (Power transmission mechanism)
9 Large diameter gear (Power transmission mechanism)
10 Small-diameter gear (power transmission mechanism)
11 Plate gear (power transmission mechanism)
12 Pinion gear (power transmission mechanism)
13 Rack gear (power transmission mechanism)

Claims

a) a motor that receives an energization and generates an output torque according to the load current;
b) a rod provided so as to be capable of reciprocating in the axial direction;
c) Power transmission that converts the output torque of the motor into axial thrust and transmits the thrust to the rod, and can reversely rotate the motor in response to a load applied to the rod when energization of the motor is stopped. Mechanism,
d) a motor drive circuit that energizes the motor for a predetermined time and limits the load current so that the output torque of the motor does not exceed the predetermined value when a load of a predetermined value or more is applied to the motor. ,
The power transmission mechanism is constituted by a gear reduction mechanism having a worm gear attached to the output shaft of the motor and a worm wheel meshing with the worm gear, and the motor can rotate reversely when energization to the motor is stopped. Similarly, a thrust actuator , wherein the advance angle of the worm gear is set large .

The thrust actuator according to claim 1, wherein
The thrust actuator, wherein the motor drive circuit has a constant current circuit that keeps a load current flowing through the motor constant when a load of a predetermined value or more is applied to the motor.

The thrust actuator according to claim 1 or 2,
The thrust actuator, wherein the motor drive circuit increases a load current flowing through the motor at a predetermined increase rate when a load of a predetermined value or more is applied to the motor.