JP5271306B2 - 電気制御アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、可動部材の相対的な位置関係等の機械的な変位が制御されるように構成された任意の装置に用いられる、電気駆動モータと360°以上の回転調整域で制御可能な駆動軸とを備えた電気制御アクチュエータに関する。
この種の電気制御アクチュエータは種々の駆動目的に使用可能であり、例えばロボットアーム、(例えば航空機の場合も含めた)フラップ等の機械部品に適用可能である。この場合、それぞれの部品は任意の、一義的に定義された、検出可能なポジションに変位されなければならない。したがって、制御には、刻々と変化する変位(移動)位置を検出するための一義的な応答信号が必要である。
本発明の目的は、所定の目的に向けて汎用設計されたコンパクトな構造を有する電気制御アクチュエータを提供することである。
上記課題解決するため、機械的な変位を制御される装置に用いられる、電気駆動モータと360°以上の回転調整域で制御可能な駆動軸とを備えた、本発明による電気制御アクチュエータであって、前記駆動軸の回転位置の検出ならびにフィードバックを行うために一体に組み込まれた非接触式角度検出手段を有し、前記角度検出手段は、前記駆動軸によって駆動されるエンコーダ伝動機構を備えたエンコーダシステムとして形成されており、前記駆動軸は、それぞれの回転位置がセンサによって絶対値として一義的に検出される少なくとも2個の検出回転体と連結され、前記検出回転体は所定の変速比で連動連結されており、前記検出回転体の検出された回転位置に基づいて前記駆動軸の回転位置が決定可能であり、前記角度検出手段がマルチポテンショメータ機構の特性をエミュレートする出力信号、すなわちポテンショメータの供給電圧に比例し且つポテンショメータ負荷特性曲線をエミュレートする信号を発生することにより評価ユニットが回転位置を検出することを特徴とする。
本発明の第1の実施態様において、電気制御アクチュエータは駆動軸の刻々と変化(不変化も含め)する回転位置の検出ならびにフィードバックを行うために一体に組み込まれた非接触式角度検出手段を有し、一体に組み込まれたこの角度検出手段は好ましくは、通常のマルチポテンショメータ機構の特性に類似する(エミュレートされた)出力信号を発生させる。このことは、上記出力信号は、従来のマルチポテンショメータ機構の場合に通例生ずるエラーにもならうことを意味している。それゆえ、本発明による電気制御アクチュエータのユーザは、既存の制御装置がポテンショメータ信号のエラー補償対策を備えていれば、ユーザ側の既存の制御装置を引き続きそのまま利用することが可能である。したがってまた、本発明による電気制御アクチュエータが採用されても、既存の制御装置に手を加えなくても、本発明の電気制御アクチュエータを既存の制御装置で使用できるようにするため、実際には、故意にエラーまたは角度検出手段の出力信号の特性が類似化、模範化される。
エミュレートされた出力信号の特性は例えば以下の通りである:
−負荷分圧特性曲線のシミュレーション、つまり、本来的には線形である特性曲線に生じ る「意図的な」ひずみ。
−すべりクラッチのシミュレーション、つまり、出力信号は作動範囲を越えるまたは離れ た後、再びゼロまたはその他の初期値にジャンプするのではなく、一定に保たれる。
−レシオメトリック出力つまり印加電圧に比例した信号の模倣。
さらに、本発明による電気制御アクチュエータは、角度検出手段が、電気駆動モータ、駆動軸および好ましくはギア変速機構と共に1つの共通のハウジング内に統合配置されていることにより、非常にコンパクトに形成されている。
また、その他の詳細、特別な実施態様の特徴ならびに変形実施形態は以下の説明から判明する通りである。
密閉ハウジングを備えた本発明の電気制御アクチュエータの斜視図である。 上記電気制御アクチュエータの軸方向断面を示す図である。 第1の実施形態の角度検出手段を有する上記電気制御アクチュエータの上方部分領域のみを示す、図2とは異なった方向から見た軸方向断面の拡大図である。 図3に示した実施形態による角度検出手段の斜視図である。 第2の実施形態による角度検出手段の図4と同様な斜視図である。 角度検出手段の基本的な構成を示す分解斜視図である。
以下、図面によって具体的に示した好ましい実施例ならびに変形実施形態を参照し、本発明を詳細に説明する。
図面中、同一の部品には常に同一の符号が付されている。
本発明による電気制御アクチュエータ1は電気駆動モータ2と、360°以上の回転調整域で制御可能な駆動軸4とを有している。サンプリングごとの駆動軸4の回転位置の検出ならびにフィードバックを行うために、本発明による電気制御アクチュエータ1は一体的に組み込まれた非接触式角度検出手段6を有している。
発明を特徴付ける実施態様により、角度検出手段6は、その角度検出出力特性の点で通常のマルチポテンショメータ機構に対する置き換えが可能なように、類似する出力信号、言い換えるとマルチポテンショメータ機構に置き換えて使用することができるような出力信号(つまりマルチポテンショメータ機構をエミュレートする出力信号)を生成するように設計されている。
好ましい実施態様において、角度検出手段6は、駆動軸4によって駆動されるエンコーダ伝動機構8を備えたエンコーダシステムとして形成されている。そのため、駆動軸4は、それぞれの回転位置がセンサによって絶対値として一義的に検出される少なくとも2個の回転軸支された検出回転体10、12と連結されている。ここでは、検出回転体10、12は所定の変速比で連動連結されており、検出回転体10、12の検出された回転位置に基づいて駆動軸4の回転位置が360°以上の調整域全体にわたって一義的に決定可能となっている。
そのため、それぞれの検出回転体10、12は磁石部材14を有している。それぞれの検出回転体10、12に付属する磁石部材14には、それぞれの磁石部材14に基づいてそれぞれの検出回転体10、12の回転位置を検出するための評価ユニット20を備えたセンサ16、18が対応させられている。特にマイクロコントローラ(μコントローラ)を有する電子評価ユニット20が、好ましくは、個々の検出回転体10、12の回転位置がサンプリング毎に検出され、この回転位置の組み合わせに基づいて駆動軸4の回転位置も決定する。磁石部材14はそれぞれの検出回転体10、12の回転軸に対して径方向に磁化されており、センサ16、18としてはホール効果型センサが使用されるのが好適である。
エンコーダ伝動機構8の検出回転体が直列に配置されていることも好都合であり、その際、検出回転体の一方(図示した実施形態では検出回転体10)のみが駆動軸4と直接に連結されている。検出回転体10、12は互いに直接的に伝動可能に連結されてもよいし(図3、4)または中間ピニオン22を介して間接的に連結されてもよい。(図5)。図5に示した中間ピニオン22が介在する後者のケースでは、エンコーダ伝動機構8は、好ましくは、軸方向にずれた2つの面に配置されている検出回転体10、12によって構成してもよい。
さらに別の好ましい実施態様において、エンコーダ伝動機構8はギア伝動機構として形成されている。これにより、すべりを生ずることのない、ギア間のトルク伝動が保証される。この場合、検出回転体10、12の変速比(ないし減速比)は、エンコーダ伝動機構8の係合ギアの歯数によって決定される。好ましくは、検出回転体10、12相互の間に生ずる歯数差は2以上であり、その際、トータルの変速比から求まる検出回転体10、12の歯数は好ましくは偶数であり、いずれにせよ共通の公約数をもつ。
双方の検出回転体10、12が直接に係合する、図3、4に示した第1の実施形態において、「第1の検出回転体10:第2の検出回転体12」の歯数比は、例えば68:60であってよい。言うまでもなく、上記の条件を満たすその他の適当な比も可能である。
中間ピニオン22が介在する、図5に示した第2の実施形態では、例えば以下のギア比に設定することができる:
駆動軸4と結合されたピニオン24の歯数:20
ピニオン24と連結された第1の検出回転体10の歯数:68
第1の検出回転体10と噛み合っている中間ピニオン22の第1のギアの歯数:20
中間ピニオン22の第2のギアの歯数:36
中間ピニオン22の第2のギアと連結された第2の検出回転体12の歯数:34
上述のギア比は単なる例として理解されなければならず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で言うまでもなく他の種々の設計変更も可能である。
本発明の一つの実施形態において、電気制御アクチュエータ1のすべての構成要素が、1つの共通のコンパクトな、好ましくは気密カプセル化された被覆ハウジング26内に収納されている。図1、2から理解できるように、ハウジング26は少なくともほぼ円筒ポット状に形成されている。この場合、ハウジング26は略中央で上下2つのキャップ状ハウジング部分、つまり上側の第1ハウジング部分26aと下側の第2ハウジング部分26bに分割されている。これは分割面が横方向に、特に駆動軸4に対して直交方向に延びていることを意味している。ハウジング26内における双方のハウジング部分26a、26bの結合領域には実質的に板状の基台28が配置されている(これについては特に図3〜図6も参照)。上側の第2ハウジング部分26bは、電気駆動モータ2を収容するためのフード状隆起部分26cを有している。さらに、第2ハウジング部分26bの領域には、不図示の中継電線を通すための貫通筒30が設けられている。好ましくは、貫通筒30は、中継線を着脱式に差込接続するためのコネクタとして形成してもよい。
さらに別の好ましい実施態様において、電気駆動モータ2はギア変速機構32を介して駆動軸4を間接的に駆動する。このギア変速機構32は下側の第1ハウジング部分26a内に配置され、好ましくは多段遊星ギア機構として形成されている(図2参照)。
検出回転体10、12を含んだエンコーダ伝動機構8、評価ユニット20を備えたセンサ16、18、及び電気駆動モータ2が、基台28の、ギア変速機構32とは向かい合う側となる第2ハウジング部分26b側に取り付けられている。電気駆動モータ2の軸34は基台28の孔36を通り抜け、駆動ピニオン38を介してギア変速機構32と連動連結されている。加えてさらに、基台28は、エンコーダ伝動機構8のすべての回転可動部品のための軸支箇所を作り出している。
駆動軸4は、延長部4bと、この延長部4bの先端領域であるの接続端4aとを備えている。接続端4aは、制御された回転変位を外部装置に伝達するために、軸シール37を越えて、第1のハウジング部分26aのボス孔39を通り抜けてハウジング26から外側へ突き出している。延長部4bは、基台28の軸支孔40を通り抜け、ピニオン24をを介してエンコーダ伝動機構8と連結される(図2参照)。
さらに別の有利な実施態様において、センサ16、18はエンコーダシステムの評価ユニット20と共に1枚の共通の回路基板42上に配置されている。図4から最もよく見て取れるように、この回路基板42は検出回転体10、12をブリッジ状に覆うようにして基台と平行かつ該部材から離間して基台28に取付けられており、その際、それぞれのセンサ16、18は軸方向において当該検出回転体10、12と直接に隣接している。回路基板42は、とりわけ有利な実施態様において、いわゆる「バイア:スルーホール」の形の、特に表面が金属化された孔44を有しており、この孔は図5に示した実施形態においてエンコーダ伝動機構8の中間ピニオン22の軸部分22a(図5参照)用の回転軸支箇所を作り出している。従って、図4と図5から理解できるように、中間ピニオン22はその一端が基台28の図示されていない軸受け孔に支持され、他端は軸部分22aによって回路基板42の孔44に保持されている(図4参照)。
それぞれの磁石部材14を収容するため、それぞれの検出回転体10、12は軸方向において回路基板42と同じ側にポット状の椀部46を有しており、この椀部46は天井壁48(図3参照)を有し、この天井壁の厚さによって磁石部材14とこの磁石部材14による磁気特性を検出するセンサ16、18との間の間隔が定まる。したがって、片持ちで基台28に回転軸支された検出回転体10、12は反対側ではセンサ16、18によって軸方向に位置決めされている。これにより、好適には、検出回転体10、12がわずかな摩擦でセンサ16、18に密接することにより、本発明による電気制御アクチュエータ1の姿勢の非依存性が実現される。
さらに別の好適な実施態様において、エンコーダ伝動機構8の検出回転体10、12は好ましい実施形態において、通常の標準とは異なる20°以下の歯元面角度を有するギア体として形成されている。このことは、個々のギア間の噛み合いバックラッシの最小化に寄与する。
電気駆動モータ2とエンコーダ伝動機構8とが、基台28に並び配置で、基台28のほぼ径方向において互いに向き合う位置となる面領域に取り付けられている。この場合、特に中間ピニオン22が採用されている実施形態におけるエンコーダ伝動機構8の検出回転体の回転軸が、駆動軸4とは同軸ではない偏心した1つの略円軌道上に位置している。これにより、本発明による電気制御アクチュエータ1が、特に角度検出手段6とエンコーダ伝動機構8に関してモジュール式構成とする可能性が得られる。したがって、種々の仕様に適合させるため、前もって準備された多数のコンポーネントからそれぞれに適切なコンポーネントを選択してユニット化し、電気制御アクチュエータ1の組み立てをユニット組み立て方式で実施することが可能である。
以下になお、測定・評価電子回路および出力信号に関連して、本発明の特別な実施態様を説明する。
出力信号は、ポテンショメータ・エミュレーションに相応した状態で、供給電圧に比例している。そのため、ポテンショメータのレシオメトリック出力が評価ユニット20のマイクロコントローラでエミュレート演算されている。供給電圧は例えば12ビット〜13ビット分解能で読み込まれ、出力値はその値に対応しながら補正される。
さらに、出力信号はポテンショメータ負荷特性曲線をエミュレートするように生成されている。これはマイクロコントローラにおいて補正テーブルによって行うことができる。
さらに、好適には、ある限界位置を越えると出力信号は一定値に保持されてしまい、それ以上変化しないようにすることによって、この出力信号が滑りクラッチの特性をエミュレートするように生成することも可能となる。
さらに、出力信号がフィードバックされ、所定の制御で調整されることにより、十分な温度非依存性を達成することができる。また、好ましくは、出力信号は高分解能で読み込まれる(12〜13ビット)。フィードバックされた値は出力される値と比較される。この値は必要に応じて補正される。
さらに、好適には、出力信号と供給電圧を読み込むために使用されるA/D変換器の分解能をオーバーサンプリングによって高めるような構成を採用することで、低コストの低分解能A/D変換器が使用可能となる。
センサ16、18の一時的なスリープや電流フィルタリングのいずれかあるいはその両方を採用することにより、角度検出手段6の電流消費を小さく抑えることが可能となる。例えば光学式エンコーダに比較して相対的にわずかとなる電流消費は、主として、ホール効果型センサベースで作動するセンサが角度情報の読出しの間に「低電力モード」に切り換えることによって実現される。フィルタ(RCフィルタ)は電流を平滑化し、これによって、ピーク電流を防止する。
さらに、出力信号は、好適には、フィルタリングされた「PWM信号」と、D/A変換器の出力とから合成可能である。したがって、アナログ出力信号は、例えば10ビットD/A変換器と、例えばマイクロコントローラの8ビットPWMとから合成されているために、外部のD/A変換器は不要である。この場合、キャリブレーションは双方の信号が連続的に例えば18ビットに合成されるようにして行われる。
なお、本発明は請求項1に記載の特徴コンビネーションに制限されるものではないことに留意されたい。むしろ、本願全体のうちに開示されたすべての個別的な特徴は、個々にかつまた任意のコンビネーションで適用可能である。またさらに、上記のコンセプト全体に基づく電気制御アクチュエータに、直接ディジタルの、エンコーダ出力信号を転送するためのディジタルインタフェースを装備することも同じく本発明の範囲に属するものである。この場合には、上述したA/D変換器ないしD/A変換器を不要にすることができる。
尚、特許請求の範囲の項に図面との対象を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。
1:電気制御アクチュエータ
2:電気駆動モータ
4:駆動軸
6:非接触式角度検出手段
8:エンコーダ伝動機構
10、12:検出回転体
14:磁石部材
16、18:センサ
20:評価ユニット

Claims (22)

  1. 機械的な変位を制御される装置に用いられる、電気駆動モータ(2)と360°以上の回転調整域で制御可能な駆動軸(4)とを備えた電気制御アクチュエータ(1)であって、
    前記駆動軸(4)の回転位置の検出ならびにフィードバックを行うために一体に組み込まれた非接触式角度検出手段(6)を有し、
    前記角度検出手段(6)は、前記駆動軸(4)によって駆動されるエンコーダ伝動機構(8)を備えたエンコーダシステムとして形成されており、
    前記駆動軸(4)は、それぞれの回転位置がセンサ(16、18)によって絶対値として一義的に検出される少なくとも2個の検出回転体(10、12)と連結され、前記検出回転体(10、12)は所定の変速比で連動連結されており、前記検出回転体(10、12)の検出された回転位置に基づいて前記駆動軸(4)の回転位置が決定可能であり、
    前記角度検出手段(6)がポテンショメータの供給電圧に比例し且つポテンショメータ負荷特性曲線をエミュレートする出力信号を発生することにより評価ユニット(20)が回転位置を検出することを特徴とする電気制御アクチュエータ。
  2. それぞれの前記検出回転体(10、12)は磁石部材(14)を有し、それぞれの前記検出回転体(10、12)には、前記磁石部材(14)に基づいてそれぞれの前記検出回転体(10、12)の回転位置を検出するための評価ユニット(20)を備えた前記センサ(16、18)が対応させられ、前記評価ユニット(20)は前記検出回転体(10、12)の回転位置に基づいて前記駆動軸(4)の回転位置も決定することを特徴とする請求項1に記載の電気制御アクチュエータ。
  3. 前記検出回転体(10、12)のうち一方のみが前記駆動軸(4)と直接に連結され、前記検出回転体(10、12)は互いに直接に連結されているかまたは中間ピニオン(22)を介して間接的に連結されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電気制御アクチュエータ。
  4. 前記エンコーダ伝動機構(8)はギア伝動機構として形成され、前記検出回転体(10、12)の変速比は前記エンコーダ伝動機構(8)の前記ギアの歯数によって決定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  5. 前記検出回転体(10、12)相互の歯数差は2以上であり、トータルの変速比から求められる各前記検出回転体(10、12)の歯数は共通の公約数をもつことを特徴とする請求項4に記載の電気制御アクチュエータ。
  6. 前記電気駆動モータ(2)はギア変速機構(32)を介して前記駆動軸(4)を間接的に駆動し、前記ギア変速機構(32)は好ましくは多段遊星ギア機構として形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  7. 中央領域で上下2つのキャップ状の第1と第2のハウジング部分(26a、26b)に分割されたハウジング(26)を有し、前記ハウジング(26)内における前記ハウジング部分(26a、26b)の結合領域には板状の基台(28)が配置され、前記ギア変速機構(32)は前記第1のハウジング部分(26a)内に配置され、他方、前記角度検出手段(6)と前記電気駆動モータ(2)とは前記第2のハウジング部分(26b)内に収容されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  8. 前記検出回転体(10、12)と、前記センサ(16、18)と、前記評価ユニット(20)とを含む前記エンコーダ伝動機構(8)、及び前記電気駆動モータ(2)が、前記基台(28)の、前記ギア変速機構(32)とは反対側に取り付けられ、前記電気駆動モータ(2)の軸(34)は前記基台(28)の孔(36)を通り抜け、駆動ピニオン(38)を経て前記ギア変速機構(32)と連結されていることを特徴とする請求項7に記載の電気制御アクチュエータ。
  9. 前記駆動軸(4)は、前記ハウジング(26)から突き出た、制御されるべき制御対象装置に接続される接続端部(4a)、及び、前記基台(28)の孔(40)を通り抜けるとともにピニオン(24)を介して前記エンコーダ伝動機構(8)と連結される、前記接続端部(4a)とは反対側に位置する延長部(4b)を有することを特徴とする請求項7または8に記載の電気制御アクチュエータ。
  10. 前記センサ(16、18)と前記エンコーダシステムの評価ユニット(20)とは共通の回路基板(42)上に配置され、前記回路基板(42)はそれぞれの前記センサ(16、18)がそれぞれに対応する前記検出回転体(10、12)と軸方向において直接隣接するようにして前記基台(28)と平行かつ前記基台(28)から離間して前記基台(28)に固定されていることを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  11. 前記回路基板(42)が、前記エンコーダ伝動機構(8)の中間ピニオン(22)用の回転軸支箇所として、表面が金属化された孔(44)を有することを特徴とする請求項10に記載の電気制御アクチュエータ。
  12. それぞれの前記検出回転体(10、12)は軸方向において前記回路基板(42)と同じ側に磁石部材(14)を収容するためのカップ状突設部(46)を有し、前記カップ状突設部(46)は天井壁(48)を有し、前記天井壁の厚さによって、前記磁石部材(14)と、対応する前記センサ(16、18)との間の間隔が決定されることを特徴とする請求項10または11に記載の電気制御アクチュエータ。
  13. 前記検出回転体(10、12)はその一方側を軸支され、反対側を前記センサ(16、18)によって軸方向に固定されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  14. 前記エンコーダ伝動機構(8)の前記検出回転体(10、12)は、歯元面角度が20°以下のギアとして形成されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  15. 前記電気駆動モータ(2)と前記エンコーダ伝動機構(8)とは互いに並行して、径方向において互いに反対に位置する領域に取り付けられ、前記エンコーダ伝動機構(8)の前記検出回転体(10、12)は、前記検出回転体(10、12)の回転軸によって、前記駆動軸(4)の軸から偏心した1つの略円軌道を形成していることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  16. 特に前記角度検出手段(6)がモジュール式に形成されていることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  17. 所定の位置しきい値を超えると出力信号はそれ以上変化しないことによって、滑りクラッチの特性がエミュレートされることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  18. 出力信号がフィードバックされ、所定の制御で調整されることにより、温度非依存性とされていることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  19. 出力信号と供給電圧の読み込み時にオーバーサンプリングが行われ、低分解能のA/D変換器が利用されることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  20. 出力信号が、フィルタリングされたPWM信号と、D/A変換器の出力とから合成されることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  21. 前記角度検出手段(6)の電流消費が前記センサ(16、18)の一時的なスリープ及び電流フィルタリングの少なくともいずれか一方によって抑制されることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
  22. 前記角度検出手段(6)の出力信号を転送するためのディジタルインタフェースが設けられることを特徴とする請求項1〜21のいずれか一項に記載の電気制御アクチュエータ。
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