JP5821277B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

例えば、特許文献１には、電動モータの回転を直線運動にボールねじ機構を介して変換し、被駆動機構を動作させるアクチュエータが記載されている。

特開２０１０−１９３５７８号公報

ところで、被駆動機構が所望の指令荷重で駆動し、又は所望の位置で停止するには、電動モータ内のロータが回転している状態から所定の状態で停止する状態へ移行する必要がある。しかしながらロータの回転は、すぐに停止するのではなく慣性で回り続ける。結果的に慣性分のロータの回転が被駆動機構を指令荷重以上で駆動し、又は被駆動機構が惰走する。このため、電動モータの回転軸に例えば回転角センサを取り付けて、制御装置がフィードバック制御で慣性の影響を抑制するよう電動モータを制御している。また、ロータの回転数が高いほど、ロータへの慣性力が働くことになる。これにより制御装置は、ロータの回転数を抑えることになる。その結果、アクチュエータの被駆動機構の動作スピードが抑制されてしまうおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、慣性によるロータの回転による慣性荷重増加を抑制できるアクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明のアクチュエータは、アーマチュアコアに巻回された励磁コイルと、前記アーマチュアコアと相対的に位置が変化し、着磁された永久磁石部材と、前記励磁コイルの通電により回転する前記アーマチュアコア又は前記永久磁石部材のいずれか一方とともに回転する回転軸と、回転する前記アーマチュアコア又は前記永久磁石部材のいずれかに回転方向と逆回転方向の力を与え、かつ前記アーマチュアコアに巻回され環状に接続されたブレーキコイルと、を含むモータと、被駆動機構と、前記回転軸からの回転を直線運動として前記被駆動機構に伝達するボールねじ機構と、を含むことを特徴とする。

この構成により、被駆動機構が所望の指令荷重で駆動し、又は所望の位置で停止することができる。また、回転を直線運動にボールねじ機構を介して変換し、被駆動機構を動作させることができる。また、慣性による回転軸の回転は、早期に抑制される。その結果、慣性によるロータの回転による被駆動機構の慣性荷重増加を抑制することができる。また、モータは、励磁コイルの通電のオフに追随して、回転軸の回転が早期に停止する。また、モータが高回転で駆動されても、慣性で回転軸が回転し続けることが抑制される。その結果、モータが高速回転しても制御しやすくなる。また、モータの回転をフィードバックするための回転角センサを不要とし、センサレスとすることもできる。その結果、部品点数が低減され、モータは信頼性が向上する。

本発明の望ましい態様として、前記回転軸から前記ボールねじ機構へ伝達される回転を減速する減速ギヤ機構と、をさらに含むことが好ましい。この構成により、モータが小型モータであっても高出力を取り出すことができる。また、モータとボールねじ機構とが配置されるレイアウトの自由度を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記アーマチュアコアがロータであり、前記永久磁石部材がステータであることが好ましい。いわゆるブラシ付きモータである場合、慣性による回転軸の回転は、早期に抑制される。

本発明の望ましい態様として、前記永久磁石部材がロータであり、前記アーマチュアコアがステータであることが好ましい。いわゆるブラシレスモータである場合、慣性による回転軸の回転は、早期に抑制される。

本発明の望ましい態様として、前記モータを制御する制御装置を含み、前記制御装置が前記モータをオープンループ制御することが好ましい。これにより、また、モータの回転をフィードバックするための回転角センサを不要とすることもできる。その結果、部品点数が低減され、モータは信頼性が向上する。

本発明によれば、慣性によるロータの回転による慣性荷重増加を抑制できるアクチュエータを提供することができる。

図１は、本実施形態に係るアクチュエータの構成図である。 図２は、本実施形態に係るモータのロータを説明する説明図である。 図３は、本実施形態に係るモータのロータとステータとの関係を説明する説明図である。 図４は、本実施形態に係るモータの整流子とブラシとの関係を説明する説明図である。 図５は、本実施形態に係るモータの動作を説明する説明図である。 図６は、本実施形態に係るモータの動作を説明する説明図である。 図７は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの巻線を説明する説明図である。 図８は、本実施形態に係るモータのブレーキコイルの巻線を説明する説明図である。 図９は、本実施形態に係るモータの制御のブロック図である。 図１０は、本実施形態に係るアクチュエータの動作を説明する説明図である。 図１１は、本実施形態に係るモータのロータとステータとの関係を説明する説明図である。 図１２は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの通電状態を説明する説明図である。 図１３は、本実施形態に係るモータの制御のブロック図である。 図１４は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの励磁状態を説明する説明図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るアクチュエータの構成図である。アクチュエータ１００は、モータ１と、被駆動機構である駆動軸１１７と、駆動機構であるねじ軸１０７、円筒状のナット１１５、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６、伝達軸１０４と、を筒状のハウジング１０１内に含んでいる。

円筒状のハウジング１０１は、例えばアルミニウム製のハウジング本体１０１Ａと、その端面に対してボルト等により組み付けられた樹脂製のカバー部材１０１Ｂと、ハウジング本体１０１Ａには、アルミニウム等の金属で形成される位置決めプレート１０１Ｃとを含んでいる。ハウジング１０１は、ハウジング本体１０１Ａと、樹脂製のカバー部材１０１ＢとをＯリング１２０を介して固定することが好ましい。その結果、ハウジング１０１の防水性が高まる。また、ハウジング本体１０１Ａの内部には、袋穴状のモータ室１０１ａと貫通穴状のねじ軸室１０１ｂとが形成されている。モータ室１０１ａ内には、モータ１が配置され、モータ１が位置決めプレート１０１Ｃを介してハウジング本体１０１Ａに取り付けられている。これにより、モータ１の回転軸１０２は、カバー部材１０１Ｂ側に配置される。モータ１の回転軸１０２は、周囲に凹凸を形成した樹脂製の第１ギヤ１０３に挿入され固定されており、回転軸１０２が回転すると第１ギヤ１０３も回転する。

位置決めプレート１０１Ｃは、位置決め孔１０１ｊを含み、モータ１の回転軸１０２と平行な方向に延出する伝達軸１０４を回転可能なように位置決め孔１０１ｊに位置決めする。伝達軸１０４は、ブッシュ等を介して樹脂製の第２ギヤ１０５を周囲に固定している。周囲に凹凸を形成した第２ギヤ１０５は、樹脂製のカバー部材１０１Ｂ内に回転自在に配置される。また、第１ギヤ１０３と第３ギヤ１０６とは、第２ギヤ１０５を介して互いに噛み合うように配置される。

ねじ軸室１０１ｂ内には、ねじ軸１０７が配置され、ねじ軸１０７が位置決めプレート１０１Ｃに取り付けた玉軸受１１４により回転自在に支持されている。ねじ軸１０７は、外周面に雄ねじ溝１０７ａを形成している。また、ねじ軸１０７は、ねじ軸室１０１ｂ内の円筒状のナット１１５を貫通している。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が形成されている。雄ねじ溝１０７ａ及び雌ねじ溝１１５ａによって形成される螺旋状の空間（転走路）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、ねじ軸室１０１ｂ内において、ねじ軸１０７の延長方向と平行な軸線方向に相対移動可能であり、かつねじ軸１０７の回転と同期してねじ軸１０７の周囲を回転しない回り止めが施されている。なお、軸線方向の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する。

ねじ軸１０７の端部は、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は、ナット１１５に対して同軸に嵌合しピン又はコッター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。また、ブッシュ１１８の外部側にはシール１１９が配置されている。シール１１９は、ハウジング本体１０１Ａと駆動軸１１７との間から水分や塵埃等の異物が侵入することを防止している。なお、ハウジング本体１０１Ａから突出した駆動軸１１７の端部には、リンク部材に連結するための孔が形成されている。

樹脂製の第３ギヤ１０６は、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が位置決めプレート１０１Ｃに取り付けられている。また、第２ギヤ１０５と第３ギヤ１０６とは、互いに噛み合うように配置される。これにより、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６が動力伝達機構を構成する。この動力伝達機構は、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６の噛み合いにより、モータ１の回転が減速して、ねじ軸１０７の回転となる減速ギヤ機構となっている。

カバー部材１０１Ｂは、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６に異物が侵入しないように密閉するギヤカバーとして作用する。なお、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６は、噛合するギヤの樹脂素材を互いに異なるものにすると、摩滅を抑制できるので好ましい。

モータ１は、回転軸１０２を回転させる電動機である。上述した減速ギヤ機構は、モータ１の回転軸１０２の回転を減速させてボールねじ機構へ伝達し、上述したボールねじ機構は、回転軸１０２の回転を直線運動に変換し、被駆動機構である駆動軸１１７を移動させる。減速ギヤ機構及びボールねじ機構は、被駆動機構である駆動軸１１７の駆動機構となる。次に、図２及び図３を用いてモータ１の内部構造について説明する。図２は、本実施形態に係るモータのロータを説明する説明図である。図３は、本実施形態に係るモータのロータとステータとの関係を説明する説明図である。本実施形態に係るモータ１は、いわゆるブラシ付きモータであり、アーマチュア（電機子）コア２１が回転するロータ２０となり、永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓがステータ１０となる。

図２に示すロータ２０は、アーマチュアコア２１と、整流子２２と、回転軸１０２と、後述する励磁コイル及びブレーキコイルとを含んでいる。アーマチュアコア２１は、図３に示すように、ステータ１０の永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓ間に、回転軸１０２を中心に回転自在に配置されている。アーマチュアコア２１は、外周に突出するコアスロット（磁極）Ａ１〜Ａ１０が形成されている。アーマチュアコア２１は、軟磁性材料で形成され、例えば純鉄、ケイ素鋼鈑等で形成されている。整流子２２は、コアスロット（磁極）Ａ１〜Ａ１０と同数の整流子セグメントＣ１〜Ｃ１０が形成されている。整流子２２は、ブラシ２５Ａ、２５Ｂと接触し、モータ１外の直流電源より給電を受け、定期的に電流方向を変化させる導電部材である。

ステータ１０は、モータケース１２の内壁に、ロータ２０を介して対向するように配置した永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓを含んでいる。永久磁石部材１１Ｎは、ロータ２０側がＮ極に着磁されており、永久磁石部材１１Ｓは、ロータ２０側がＳ極に着磁されている。モータケース１２は軟磁性材料であることが好ましく、例えば純鉄で形成されている。これにより、モータ１は、永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓの漏洩磁界を低減できる。

図４は、本実施形態に係るモータの整流子とブラシとの関係を説明する説明図である。図５及び図６は、本実施形態に係るモータの動作を説明する説明図である。ここで、図２及び図３に示すアーマチュアコア２１は、コアスロット（磁極）Ａ１〜Ａ１０が形成されているが、動作原理を説明するためコアスロットが３つの場合について、図４から図６を用いて模式的に説明する。ロータ２０に相当するロータ２０Ａは、コアスロット２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３と、整流子２２ａと、励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３と、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３とを含んでいる。永久磁石部材１１ｎ、１１ｓは、永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓに相当する。ブラシ２５ａ、２５ｂは、ブラシ２５Ａ、２５Ｂに相当する。

図４に示すように、整流子２２ａは、電源Ｖにより給電されたブラシ２５ａ、２５ｂに接触する。図５に示す励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３は、銅等の導電体で形成され、コアスロット２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３のそれぞれを巻回する。励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３は、整流子２２ａに電気的に接続されている。また、コアスロット２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３のそれぞれには、銅等の導電体で形成され、環状に接続されたブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３が巻回されている。ここで、電源Ｖの通電を開閉するスイッチＳｗを具備する外部回路に上述したブラシ２５ａ、２５ｂを接続する。スイッチＳｗにより、電源Ｖからの電流ｉがブラシ２５ａ、２５ｂから通電される。ブラシ２５ａ、２５ｂから整流子２２ａを介して通電された励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２は、コアスロット２２ａ１、２２ａ２を磁化する。磁化されたコアスロット２２ａ１、２２ａ２は、永久磁石部材１１ｎ、１１ｓのそれぞれと反発、又は吸引し、回転力Ｆｒを生じさせる。

図６に示すスイッチＳｗにより、電源Ｖからの電流ｉを遮断する。励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２は、コアスロット２２ａ１、２２ａ２を磁化がなくなり、回転力Ｆｒは消滅するが、慣性力によりロータ２０Ａが回転し続ける。ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３は、永久磁石部材１１ｎ、１１ｓ間の磁界を順次通過する。永久磁石部材１１ｎ、１１ｓの磁界は、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３に電圧Ｅを生じさせる。ここで電圧Ｅは下記式（１）で示される誘起電圧の式で求めることができる。

ここで、ｐは磁極数、ａは並列導体数、Ｚはブレーキコイルの巻数、Ｎはモータの回転数、φは永久磁石部材１１ｎ、１１ｓの磁束である。これにより、慣性力によってロータ２０Ａが早く回転しているほど、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３に電圧Ｅが生じる。その結果、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３によって磁化されたコアスロット２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３のそれぞれには、慣性で回転している方向と逆回転方向の力Ｆｂが生じる。つまり、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３は、電磁ブレーキとなり、ロータ２０Ａの回転を抑制する。なお、モータ１の特性カーブはブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３が無い場合のモータの特性に対して、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３の電圧Ｅを電源電圧より差し引いた電圧が無負荷時の電圧になる。モータ拘束時は回転が無いのでブレーキコイル電圧はＥ＝０で電源電圧時の拘束トルクとなる。なお、無負荷電流も同様にトルクが発生するので上昇する。ここで、モータ１のトルクＴは、下記の式（２）で求めることができる。

モータ１のトルクは、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３があることで、回転数Ｎとの比は低減するが、ブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３の巻数が励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３の巻数よりも小さければ、ロータ２０Ａは回転できる。

コアスロットが３つの場合について、図４から図６を用いて模式的に説明してきたが、図２及び図３に示すアーマチュアコア２１のコアスロットＡ１〜Ａ１０に、上述した励磁コイル２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３、及びブレーキコイル２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３に相当する励磁コイルＢ１〜Ｂ１０及びブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０巻線について図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの巻線を説明する説明図である。図８は、本実施形態に係るモータのブレーキコイルの巻線を説明する説明図である。

図７に示すコアスロットＡ１〜Ａ１０には、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０が巻回されている。励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の巻線は、励磁コイルＢ１、Ｂ２を代表して説明する。励磁コイルＢ１は、励磁コイルＢ１の端部が整流子セグメントＣ１に電気的に接続されている。励磁コイルＢ１は、整流子セグメントＣ１からコアスロットＡ１０、Ａ１の間を通過し、また、コアスロットＡ４、Ａ５の間へ延びている。励磁コイルＢ１は、コアスロットＡ４、Ａ５の間から整流子セグメントＣ２へ電気的に接続する。励磁コイルＢ２は、励磁コイルＢ２の端部が整流子セグメントＣ２に電気的に接続されている。その結果、励磁コイルＢ２は、励磁コイルＢ１と接続する。励磁コイルＢ２は、整流子セグメントＣ２からコアスロットＡ１、Ａ２の間を通過し、また、コアスロットＡ５、Ａ６の間へ延びている。励磁コイルＢ２は、コアスロットＡ５、Ａ６の間から整流子セグメントＣ３へ電気的に接続する。励磁コイルＢ１、Ｂ２と同様に、励磁コイルＢ３〜Ｂ１０が隣り合うコアスロットＡ１〜Ａ１０のいずれかの間を巻回し、整流子セグメントＣ１〜Ｃ１０のいずれかと接続する。また、コアスロットＡ１〜Ａ１０には、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０のそれぞれが複数巻回されている。本実施形態の励磁コイルＢ１〜Ｂ１０は、いわゆる重ね巻と呼ばれる鼓状巻のコイル巻線である。本実施形態の励磁コイルＢ１〜Ｂ１０は、いわゆる波巻と呼ばれる鼓状巻のコイル巻線であってもよい。

図８に示すコアスロットＡ１〜Ａ１０には、ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０が巻回されている。ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０の巻線は、ブレーキコイルＬ１、Ｌ２を代表して説明する。ブレーキコイルＬ１は、ブレーキコイルＬ１の端部が整流子セグメントＣ１に電気的に接続されている。ブレーキコイルＬ１は、整流子セグメントＣ１からコアスロットＡ１０、Ａ１の間を通過し、また、コアスロットＡ４、Ａ５の間へ延びている。ブレーキコイルＬ１は、コアスロットＡ４、Ａ５の間から整流子セグメントＣ１へ電気的に接続する。その結果、ブレーキコイルＬ１はアーマチュアコア２１に巻回され環状に接続される。ブレーキコイルＬ２は、ブレーキコイルＬ２の端部が整流子セグメントＣ２に電気的に接続されている。ブレーキコイルＬ２は、整流子セグメントＣ２からコアスロットＡ１、Ａ２の間を通過し、また、コアスロットＡ５、Ａ６の間へ延びている。ブレーキコイルＬ２は、コアスロットＡ５、Ａ６の間から整流子セグメントＣ２へ電気的に接続する。その結果、ブレーキコイルＬ１はアーマチュアコア２１に巻回され環状に接続される。ブレーキコイルＬ１、Ｌ２と同様に、ブレーキコイルＬ３〜Ｌ１０が隣り合うコアスロットＡ１〜Ａ１０のいずれかの間を巻回し、整流子セグメントＣ３〜Ｃ１０のいずれかとそれぞれ接続する。上述したように、コアスロットＡ１〜Ａ１０には、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０のそれぞれが複数巻回されているので、ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０は、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０と重なり合いアーマチュアコア２１に巻き付けられる。ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０のそれぞれの巻数は、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０のそれぞれの巻数よりも少なくなっている。

図９は、本実施形態に係るモータの制御のブロック図である。図９に示すように、モータ制御装置９は、モータ１が制御装置４０と接続されている。制御装置４０は、モータ１をオープンループ制御することができる。また、制御装置４０は、モータ１をフィードバック制御する場合は、モータ１の回転角を検知するレゾルバ等の回転角センサ又は、駆動軸１１７が与える荷重を検出する荷重センサ等のセンサ４５が制御装置４０に接続されていてもよい。センサ４５が回転センサである場合、制御装置４０は、センサ４５の回転角の信号ＳＡを取得する。制御装置４０は、回転角信号ＳＡに基づきモータ１のモータ制御信号ＳＭを演算する。あるいは、センサ４５が荷重センサである場合、制御装置４０は、センサ４５の荷重の信号ＳＡを取得する。制御装置４０は、信号ＳＡに基づきモータ１のモータ制御信号ＳＭを演算する。次に、制御装置４０は、演算したモータ制御信号ＳＭに基づいて、モータ１をフィードバック制御することができる。

制御装置４０は、マイコン等のコンピュータシステムである。例えば、図９に示すように、入力インターフェース４０ａと、出力インターフェース４０ｂと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０ｃと、ＲＯＭ（Read Only Memory）４０ｄと、ＲＡＭ（Random Access Memory）４０ｅと、内部記憶装置４０ｆと、を含んでいる。入力インターフェース４０ａ、出力インターフェース４０ｂ、ＣＰＵ４０ｃ、ＲＯＭ４０ｄ、ＲＡＭ４０ｅ及び内部記憶装置４０ｆは、内部バスで接続されている。

入力インターフェース４０ａは、回転角センサ４５からの回転角信号ＳＡを受け取り、ＣＰＵ４０ｃに出力することができる。出力インターフェース４０ｂは、ＣＰＵ４０ｃから指示信号を受け取り、モータ１にモータ制御信号ＳＭを出力する。モータ制御信号ＳＭは、例えば直流電源の出力である。

ＲＯＭ４０ｄには、ＢＩＯＳ等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置４０ｆは、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）やフラッシュメモリ等であり、内部記憶装置４０ｆはオペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵ４０ｃは、ＲＡＭ４０ｅをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ４０ｄや内部記憶装置４０ｆに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。なお、内部記憶装置４０ｆ又はＲＡＭ４０ｅは、記憶手段４０Ｅとなる。

図１０は、本実施形態に係るアクチュエータの動作を説明する説明図である。図１０は、制御装置４０がアクチュエータ１００の駆動軸１１７に押圧させる指令荷重を横軸にとり、駆動軸１１７が実際に押圧する実荷重を縦軸にとり、指令荷重と実荷重との関係を示している。図１０に示すように、指令荷重と実荷重とが一致していれば、指令荷重と実荷重との関係は理想荷重曲線Ｇｔに沿う。

例えば、ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０を含まないモータ１の場合、指令荷重Ｐ１で止めようとモータ１を駆動後停止しても慣性力の作用でアーマチュアコア２１が回転し、矢印Ｆｉの方向に実荷重が増加する。つまり、慣性によるロータ２０の回転による駆動軸１１７の慣性荷重増加が生じている。同様に、指令荷重Ｐ２で止めようとモータ１を駆動後停止しても慣性力の作用でアーマチュアコア２１が回転し、矢印Ｆｉの方向に実荷重が増加する。指令荷重と実荷重との関係は実荷重曲線ＧＰに沿うようになり、比例関係とならない。

ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０を含む本実施形態のモータ１は、指令荷重Ｐ１で止めようとモータ１を駆動後停止すると、慣性力の作用でアーマチュアコア２１が回転する。これにより、ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０がアーマチュアコア２１に回転方向と逆回転方向の力を与え、矢印Ｆｉの方向に実荷重が増加することが抑制される。その結果、指令荷重と実荷重との乖離が抑制され、指令荷重と実荷重との関係は理想荷重曲線Ｇｔに沿う傾向となる。

このため、アクチュエータ１００は、モータ１の回転軸１０２の回転角を検出する回転角センサ又は駆動軸１１７が与える荷重を検出する荷重センサ等のセンサ４５を不要とすることもできる。センサ４５を不要とすると、アクチュエータ１００のコストが低減する。また、制御装置４０は、モータ１をオープンループ制御することができる。これにより、制御装置４０の指令荷重と比例する実荷重を駆動軸１１７が実際に押圧することができる。

また、制御装置４０は、モータ１をフィードバック制御する場合は、回転角信号ＳＡに基づきモータ１のモータ制御信号ＳＭを演算する。本実施形態のモータ１は、指令荷重と実荷重とのずれが少ないので、モータ１をフィードバック制御する偏差の演算が低減される。また、制御装置４０の指令荷重と比例する実荷重を駆動軸１１７が実際に押圧することができる。

以上説明したように本実施形態に係るアクチュエータ１００のモータ１は、アーマチュアコア２１に巻回された励磁コイルＢ１〜Ｂ１０及びブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０と、着磁された永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓと、アーマチュアコア２１とともに回転する回転軸１０２とを含んでいる。励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電により回転するアーマチュアコア２１は、ロータ２０となり、永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓと相対的に位置が変化する。そして、永久磁石部材１１Ｎ、１１Ｓの磁界を通過するブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０は、アーマチュアコア２１に巻回され環状に接続され、回転するアーマチュアコア２１に慣性によりロータ２０（回転軸１０２）が回転する回転方向と逆回転方向の力を与えることができる。

これにより、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電をオフにした場合、慣性による回転軸１０２の回転が早期に抑制される。つまり、モータ１は、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電のオフに追随して、回転軸１０２の回転が早期に停止する。また、いわゆるブラシ付きモータの慣性による回転軸の回転は、早期に抑制される。モータ１が高回転であっても、慣性で回転軸１０２が回転し続けることが抑制される。その結果、モータが高速回転で駆動されても制御しやすくなる。また、モータ１の回転の状態をフィードバックするためのセンサ４５を不要とし、アクチュエータ１００はセンサレスとすることもできる。その結果、部品点数が低減され、モータ１は信頼性が向上する。

アクチュエータ１００は、被駆動機構である駆動軸１１７と、回転軸１０２から回転力を駆動軸１１７に伝達する駆動機構と、上述したモータ１と、を含む。これにより、駆動軸１１７が所望の指令荷重で駆動し、又は所望の位置で停止することができる。

また、駆動機構には、軸線方向の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とを含むボールねじ機構を含むことが好ましい。これにより、回転軸１０２の回転を被駆動機構である駆動軸１１７の直線運動に変換することができる。アクチュエータ１００は、ボールねじ機構を備えているので、モータ１の小さな力（トルク）を大きな力である駆動軸１１７の推力へ変換することができる。アクチュエータ１００は、ボールねじ機構のボールの転がりによって起動トルクが極めて少なくできるので、精密な微動送りにより、所定の駆動軸１１７の推力を与えることができる推力発生装置となる。

また、ボールねじ機構は、回転を直線運動に変換するとともに、大きな変位（回転）を小さな変位（直線運動）に変換する減速作用を有する。これにより、慣性によるロータ２０の回転がねじ軸１０７の回転に伝達される比率を抑制できる。上述のように、モータ１は、ブレーキコイルＬ１〜Ｌ１０により、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電のオフに追随する回転軸１０２の回転が早期に停止する。また、停止するまでの慣性による回転軸１０２の回転がねじ軸１０７の回転に伝達されにくくなる。このため、アクチュエータ１００は、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電のオフの際に、駆動軸１１７を指令荷重以上で駆動するおそれがより低減される。あるいは、アクチュエータ１００は、励磁コイルＢ１〜Ｂ１０の通電のオフの際に、駆動軸１１７が惰走するおそれをより低減する。

駆動機構には、第１ギヤ１０３、第２ギヤ１０５、第３ギヤ１０６の噛み合いにより、モータ１の回転よりも減速させたねじ軸１０７の回転とする減速ギヤ機構を含むことが好ましい。これにより、モータ１が小型モータであっても高出力を取り出すことができる。また、モータ１とねじ軸１０７とが配置されるハウジング１０１内のレイアウトの自由度を高めることができる。

本実施形態のモータ制御装置９は、モータ１を制御する制御装置４０を含み、制御装置４０がモータ１をオープンループ制御することが好ましい。これにより、また、モータ１の回転をフィードバックするためのセンサ４５を不要とすることもできる。その結果、部品点数が低減され、モータ１は信頼性が向上する。

（実施形態２）
図１１は、本実施形態に係るモータのロータとステータとの関係を説明する説明図である。本実施形態では、上述したアクチュエータ１００のモータ１をいわゆるブラシレスモータとしている。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態では、図１に示す本実施形態のモータ１は、図１１に示すロータ２６と、ステータ１５とを含んでいる。ロータ２６は、モータ１の回転軸１０２とともに、ステータ１５であるアーマチュアコア１６内で回転自在に支持されている。ロータ２６は、例えば４極に着磁されている永久磁石部材であり、Ｎ極の永久磁石部材２６Ｎと、Ｓ極の永久磁石部材２６Ｓとが隣り合うように交互に配置されている。ステータ１５は、アーマチュアコア１６と、励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗと、ブレーキコイル１８ｕ１、１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ２とを含んでいる。アーマチュアコア１６は、純鉄、ケイ素鋼鈑等の軟磁性体で形成された円環状のコア部材である。例えば、アーマチュアコア１６は、ロータ２６側へ延びる磁極１６ｕ１、１６ｖ１、１６ｗ１、１６ｕ２、１６ｖ２、１６ｗ２が順に間隔をもってアーマチュアコア１６の環状内側に配置されている。

励磁コイル１７ｕは、磁極１６ｕ１と、１６ｕ２とに巻回されている。励磁コイル１７ｖは、磁極１６ｖ１と、１６ｖ２とに巻回されている。励磁コイル１７ｗは、磁極１６ｗ１と、１６ｗ２とに巻回されている。図１２は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの通電状態を説明する説明図である。図１２に示すように、本実施形態の励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗは、いわゆるＹ結線とされている。励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗは、デルタ結線されてもよい。励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗには、図１２に示す６つのステップを順に繰り返すように、電流ｉが流れるように制御されている。例えば、第１ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｕから１７ｗへ流れ、励磁コイル１７ｕ、１７ｗを励磁する。次に、第２ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｖから１７ｗへ流れ、励磁コイル１７ｖ、１７ｗを励磁する。次に、第３ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｖから１７ｕへ流れ、励磁コイル１７ｖ、１７ｕを励磁する。次に、第４ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｗから１７ｕへ流れ、励磁コイル１７ｗ、１７ｕを励磁する。次に、第５ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｗから１７ｖへ流れ、励磁コイル１７ｗ、１７ｖを励磁する。次に、第６ステップでは、電流ｉが励磁コイル１７ｕから１７ｖへ流れ、励磁コイル１７ｕ、１７ｖを励磁する。なお、ロータ２６を逆回転する場合には、第１ステップから第６ステップを逆の順序に通電する。以上説明した励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの通電は、１つのステップで励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗのうち２つが通電される２コイル通電であるが、１つのステップで励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗのうち３つが通電される３コイル通電としてもよい。

図１１に示すブレーキコイル１８ｕ１は、磁極１６ｕ１に巻回され、両端が接続され環状に接続されている。同様に、ブレーキコイル１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ２は、磁極１６ｕ１、１６ｖ１、１６ｗ１、１６ｕ２、１６ｖ２、１６ｗ２の各々に巻回され、両端が接続され環状に接続されている。

次に、本実施形態のモータ１の動作について説明する。図１３は、本実施形態に係るモータの制御のブロック図である。図１４は、本実施形態に係るモータの励磁コイルの励磁状態を説明する説明図である。本実施形態のモータ１は、磁極１６ｕ１、１６ｖ１間、磁極１６ｗ１、１６ｕ２間、磁極１６ｖ２、１６ｗ２間に、回転角センサ６１、６２、６３を配置する。例えば、回転角センサ６１、６２、６３は、ホールＩＣ等の磁気センサであり、永久磁石部材２６Ｎと永久磁石部材２６Ｓとから受ける磁界の変化を検出する。励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗと、回転角センサ６１、６２、６３とは、モータドライブユニット５１に接続されている。

モータドライブユニット５１は、ゲート信号制御回路５２と、３相インバータ５３とを含んでいる。ゲート信号制御回路５２は、回転角センサ６１、６２、６３と上述した制御装置４０と、に接続されている。図１４に示す回転角センサ６１の信号６１ｓと、回転角センサ６２の信号６２ｓと、回転角センサ６３の信号６３ｓとは、それぞれ位相がずれたパルス波形となっており、ゲート信号制御回路５２は、パルス波形の組み合わせによりロータ２６の回転角の位置を検出できる。ゲート信号制御回路５２は、モータ制御信号ＳＭの指令により、３相インバータ５３へゲート信号を送出する。また、ゲート信号制御回路５２は、回転角センサ６１、６２、６３によりロータ２６の回転角の位置を検出し、電流ｉと誘起電圧とが同位相となるようゲート信号を制御する。

制御装置４０は、指令荷重をモータ制御信号ＳＭに変換し、モータドライブユニット５１へ送出する。モータドライブユニット５１は、モータ制御信号ＳＭの指令に応じたパルス波形の幅で、ゲート信号制御回路５２がゲート信号を３相インバータ５３へ送出する。３相インバータ５３は、上述した第１ステップから第６ステップに沿った励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの励磁を行う。励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの励磁により、ロータ２６が回転し、回転軸１０２が回転する。ここで、ゲート信号制御回路５２は、回転角センサ６１、６２、６３によりロータ２６の回転角の位置を検出し、電流ｉと誘起電圧とが同位相となるようゲート信号を制御する。

ロータ２６は、例えば、図１１に示す回転力Ｆｒ２の矢印方向へ回転している。ここで、制御装置４０は、図１０に示す指令荷重Ｐ１で止めようとモータ１を停止しても慣性力の作用でロータ２６が回転する。ロータ２６の回転により、ブレーキコイル１８ｕ１、１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ２には、式（１）に示した電圧Ｅが生じる。この電圧Ｅにより、磁極１６ｕ１、１６ｖ１、１６ｗ１、１６ｕ２、１６ｖ２、１６ｗ２が磁化され、ロータ２６が慣性で回転する方向と逆回転方向の力Ｆｂ２を与える。その結果、ロータ２６の回転にブレーキがかかり、早期に停止する。

以上説明したように本実施形態のモータ１は、アーマチュアコア１６に巻回された励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ及びブレーキコイル１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ２と、着磁された永久磁石部材２６Ｎ、２６Ｓと、永久磁石部材２６Ｎ、２６Ｓと、ともに回転する回転軸１０２とを含んでいる。励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの通電により回転するロータ２６となる永久磁石部材２６Ｎ、２６Ｓは、ロータ２６となり、アーマチュアコア１６と相対的に位置が変化する。回転する永久磁石部材２６Ｎ、２６Ｓの磁界を通過するブレーキコイル１８ｕ１、１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ２は、アーマチュアコア１６に巻回され環状に接続され、慣性により回転するロータ２６（回転軸１０２）が回転する回転方向と逆回転方向の力Ｆｂ２を与えることができる。

これにより、励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの通電をオフにした場合、慣性による回転軸１０２の回転が早期に抑制される。つまり、モータ１は、励磁コイル１７ｕ、１７ｖ、１７ｗの通電のオフに追随して、回転軸１０２の回転が早期に停止する。また、いわゆるブラシレスモータの慣性による回転軸１０２の回転は、早期に抑制される。モータ１が高回転であっても、慣性で回転軸１０２が回転し続けることが抑制される。その結果、モータが高速回転で駆動されても制御しやすくなる。また、モータ１の回転の状態をフィードバックするための回転角センサ６１、６２、６３を不要とし、アクチュエータ１００は、モータ１をセンサレスとすることもできる。その結果、部品点数が低減され、モータ１は信頼性が向上する。

以上説明した本実施形態のアクチュエータは、一般産業用電動機、自動車及び船舶等に使用されている電動式のアクチュエータに適している。

１ モータ
９ モータ制御装置
１０、１５ ステータ
１１Ｎ、１１Ｓ、１１ｓ、１１ｎ、２６Ｎ、２６Ｓ 永久磁石部材
１６、２１ アーマチュアコア
１６ｕ１、１６ｖ１、１６ｗ１、１６ｕ２、１６ｖ２、１６ｗ２ 磁極
１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ、２３ｂ１、２３ｂ２、２３ｂ３、Ｂ１〜Ｂ１０ 励磁コイル １８ｕ１、１８ｖ１、１８ｗ１、１８ｕ２、１８ｖ２、１８ｗ１、２４Ｌ１、２４Ｌ２、２４Ｌ３、Ｌ１〜Ｌ１０ ブレーキコイル
２０、２６ ロータ
２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３、Ａ１〜Ａ１０ コアスロット
２２、２２ａ 整流子
２５Ａ、２５Ｂ、２５ａ、２５ｂ ブラシ
４０ 制御装置
４５ センサ
６１、６２、６３ 回転角センサ
５１ モータドライブユニット
１００ アクチュエータ
１０２ 回転軸
１０７ ねじ軸
１１５ ナット
１１７ 駆動軸
Ｃ１〜Ｃ１０ 整流子セグメント

Claims (6)

1. アーマチュアコアに巻回された励磁コイルと、
   前記アーマチュアコアと相対的に位置が変化し、着磁された永久磁石部材と、
   前記励磁コイルの通電により回転する前記アーマチュアコア又は前記永久磁石部材のいずれか一方とともに回転する回転軸と、
   回転する前記アーマチュアコア又は前記永久磁石部材のいずれかに回転方向と逆回転方向の力を与え、かつ前記アーマチュアコアに巻回され環状に接続されたブレーキコイルと、
   を含むモータと、
   被駆動機構である駆動軸と、
   前記回転軸からの回転を直線運動として前記被駆動機構に伝達するボールねじ機構と、
   前記回転軸から前記ボールねじ機構へ伝達される回転を減速する減速ギヤ機構と、
   前記駆動軸に押圧させる指令荷重に応じて前記モータを制御する制御装置と
   を含み、
   前記指令荷重を横軸にとり、前記駆動軸が実際に押圧する実荷重を縦軸にとり、前記指令荷重と前記実荷重との関係が比例関係となるように、前記ブレーキコイルが巻回されているアクチュエータ。
2. 前記アーマチュアコアがロータであり、前記永久磁石部材がステータである請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記永久磁石部材がロータであり、前記アーマチュアコアがステータである請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記モータを制御する制御装置を含み、
   前記制御装置が前記モータをオープンループ制御する請求項１から３のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載のアクチュエータを備えた自動車。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載のアクチュエータを備えた船舶。

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