JP5276086B2 - 差動機構とブレーキを備えたアクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、アクチュエータに関し、特に、差動機構およびブレーキを備えたアクチュエータに関する。

リニアアクチュエータは、対象物に力を与えて直線的に変位させるように設計された機械である。リニアアクチュエータとしては、電気機械的アクチュエータ（electromechanical actuator：ＥＭＡ）から構成でき、ここでは、アクチュエータが電気モータによって駆動される。ＥＭＡは、液圧式もしくは空気圧式のリニアアクチュエータよりも優れた効率を有し、液圧式アクチュエータシステムで使用される流体に付随した火災の危険や漏れの問題がない。

大きな力の能力を有するＥＭＡを得るためには、ＥＭＡの電気モータを大きなトルクを生成するものとするか、あるいは、アクチュエータのギアトレインによってモータの必要な出力トルクを軽減するか、のいずれかが必要である。大きなトルク能力を有するモータは、一般に、そのロータの回転慣性が非常に大きなものとなる。モータの必要な出力トルクを低下させる減速ギアシステムによれば、モータの物理的な寸法および回転慣性が小さくなるが、モータをより高速な回転速度で作動させることが必要となる。モータの回転慣性は、アクチュエータの出力側においては、モータの回転慣性とギア減速比の２乗との積に比例する。

ギアトレインやボールねじ等の全ての構成要素を含むＥＭＡの寸法は、ＥＭＡ用モータの回転慣性によって、さらには、ＥＭＡが動作中に経験し得る過渡的な過負荷状態つまり過渡的な力のスパイク（スパイク状に立ち上がる瞬間的な力の入力）によって、決定される。過渡的な力のスパイクは、例えば、ロケットエンジンの始動によって引き起こされる。この過渡的な力のスパイクによって、ボールねじがモータを逆転させようとする。しかし、モータの回転慣性がこの逆方向の駆動に抵抗する。過渡的な力のスパイクの間、ＥＭＡは、そのドリフト（ずれ）が許容され得るが、モータの回転慣性が高いと、過渡的な力のスパイクを逃がすのに必要な素早い加速が阻害される。ＥＭＡが過渡的な高い負荷を機械的に支持するためには、ＥＭＡは、比較的大きくかつ重い設計となり得る。代替として、動的に滑りを生じるクラッチをＥＭＡの駆動系に組み込み、モータをＥＭＡギアトレインから切り離せるようにすることもできる。しかしながら、このような動的なクラッチは、通常動作中における駆動系の回転慣性を付加することとなり、ＥＭＡの周波数応答の性能に影響を与えてしまう。要求される周波数応答にＥＭＡを合致させるためには、この動的なクラッチにより付加される回転慣性に打ち勝つだけの付加的なトルクを生成させるべくモータが過度に大きなものとなってしまう。このような動的なクラッチおよびこれに対応する大型のモータでは、結局、ＥＭＡは、比較的に大きくかつ重く、複雑なものとなる。

過渡的な力のスパイクは、ボールねじが内部ストッパつまりエンドストッパに衝突したときにも生じ得る。モータの回転慣性によって、ボールねじをストッパを越えて駆動し続けようとする。もしストッパが力のスパイクに対抗するだけの十分な強度を有していれば、これに続く最も弱い部材、例えばボールねじや該ボールねじを駆動するギアトレインのいずれかが損傷し得る。このような問題は、アクチュエータが強固なストッパに衝突してモータが急激に減速した際に生じるトルクスパイクに対処できるようにギアトレインならびにＥＭＡのストッパを設計することによって、解決することも可能である。モータの回転速度減少に伴ってＥＭＡの内部の軸系が撓むようにし、捩り方向の追従性を与えるのである。しかしながら、このような設計手法では、通常動作中の負荷を扱うのに必要なものよりも、ＥＭＡがより大きくかつ重くなってしまう。

本発明の一つの態様においては、アクチュエータは、差動機構と、モータと、ブレーキと、を含む。上記差動機構は、第１レグと第２レグとを有するギアトレインからなる。上記モータは、差動機構の第１レグを介してボールねじを回転駆動するように構成されている。上記ブレーキは、差動機構の第２レグに接続されているとともに、保持力を備え、差動機構内のトルクがこの保持力を越えたときに、この差動機構内のトルクを消散するように、上記ブレーキが構成されている。

本発明の他の特徴や技術的な事項は、以下の説明ならびに添付の図面によってさらに明らかになるであろう。

本発明に係るアクチュエータの一実施例を示す構成説明図。

差動機構とブレーキとを備えた本発明のアクチュエータの一実施例を以下詳細に説明する。

図１に示すように、アクチュエータ１００は、差動機構１０５を有し、この差動機構１０５は、ギアトレインからなり、第１レグ１０６ａと第２レグ１０６ｂとを備えている。差動機構１０５としては、速度加算型差動機構（speed-summing differential）が用いられ得る。モータ１０１は、電気モータとすることができ、アクチュエータ１００はＥＭＡとすることができる。通常の動作では、モータ１０１が差動機構１０５の第１レグ１０６ａを介してボールねじ１０４を駆動し、ボールねじ１０４を回転させる。ボールねじ１０４は並進ナット１０７と螺合しており、ボールねじ１０４の回転により、並進ナット１０７が並進部材１０８を矢印１０９で示す方向に動作させる。ブレーキ１０３は、差動機構１０５を横切るモータ１０１の出力トルクを、第２レグ１０６ｂを介して保持しかつバランスさせる。いくつかの実施例では、差動機構１０５は、２：１の減速ギア段として作用する。ポジションセンサ１０２を設け、並進ナット１０７ないし並進部材１０８に関する位置データを図示せぬコントローラに送信するようにしてもよい。

過渡的な力のスパイク（スパイク状に立ち上がる瞬間的な力の入力）がアクチュエータ１００に作用することがある。この過渡的な力のスパイクは、例えば、ロケットエンジンの始動時、あるいは、ボールねじ１０４が比較的高速で内部ストッパつまりエンドストッパに衝突したとき、に生じ得るが、これらに限定されるものではない。ボールねじ１０４は差動機構のレグ１０６ａを介して駆動モータ１０１を逆転させようとし、あるいは、モータ１０１が上記ストッパを越えてボールねじ１０４を駆動しようとする。これらの過渡的な力のスパイクの下で、モータ１０１の回転慣性によって、差動機構１０５内でトルクが立ち上がる。このように差動機構１０５内で立ち上がったトルクは、差動機構１０５の第２レグ１０６ｂを介してブレーキ１０３に伝達される。差動機構１０５におけるトルクがブレーキ１０３の保持力を上回ったときには、ブレーキ１０３は滑りを生じて回転し、過剰なトルクを消散させてアクチュエータ１００を保護する。いくつかの実施例においては、ブレーキ１０３の保持力は、モータ１０１の最大出力トルクと等しい。ブレーキ１０３としては、過渡的な力のスパイクを消散させるために適宜なブレーキ構成であればよい。ブレーキ１０３は、いくつかの実施例では、摩擦材料を用いたものからなる。

このような例示的な実施例の技術的な作用・効果は、アクチュエータにおける過渡的な力のスパイクを消散させることである。ブレーキを設けることによって、過渡的な負荷ではなく通常動作時の負荷を取り扱い得るようにアクチュエータを設計すればよく、アクチュエータとして必要な寸法や重量が減少する。

以上の記載は、特定の実施例を説明するためのものであり、本発明を限定することを意図したものではない。当業者には、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変更や修正あるいは均等物が明らかになるであろう。

Claims (9)

1. 第１ギアトレイン（１０６ａ）および第２ギアトレイン（１０６ｂ）を有するギアトレインからなる差動機構（１０５）と、
   上記差動機構（１０５）の上記第１ギアトレイン（１０６ａ）を介してボールねじ（１０４）を回転駆動するように構成されたモータ（１０１）と、
   上記差動機構（１０５）の上記第２ギアトレイン（１０６ｂ）に接続されるとともに、保持力を有し、上記差動機構（１０５）内のトルクがこの保持力を越えたときに、該差動機構（１０５）内のトルクを消散するように構成されたブレーキ（１０３）と、
   を備え、
   上記ブレーキ（１０３）は、上記差動機構（１０５）内のトルクが上記保持力を越えたときに回転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（１００）。
2. 上記モータ（１０１）が電気モータであり、上記アクチュエータ（１００）が電気機械的アクチュエータ（ＥＭＡ）であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 上記の回転するボールねじ（１０４）に螺合した並進ナット（１０７）を備え、この並進ナット（１０７）が直線運動するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. ポジションセンサ（１０２）をさらに備え、このポジションセンサは、上記並進ナット（１０７）の位置に関するデータをコントローラへ送信するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 上記ブレーキ（１０３）の上記保持力は、上記モータ（１０１）の最大出力トルクに等しいことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 上記差動機構（１０５）内の上記トルクは、過渡的な力のスパイクからなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
7. 上記差動機構（１０５）は、速度加算型差動機構からなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
8. 上記差動機構（１０５）は、２：１の減速ギア段からなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
9. 上記ブレーキ（１０３）は、摩擦材料からなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

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