JP6313565B2 - 機械的に同期されるアクチュエータおよび同期方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械的に同期されるアクチュエータおよび同期方法に関する。

作業の中には、フィードバックデバイスを使用しない２つの同期される出力部を含む２つのモータを有するアクチュエータを必要とするものがある。言い換えれば、フィードバックデバイスは、そうした目的を達成できるほど正確ではないのである。しかし、２つのモータの動きは全く同じではないので、２つの異なる駆動体からの２つの出力部を機械的に同期させることが課題となる。

一実施形態では、本発明は、アクチュエータであって、第１の太陽歯車および第１のリング歯車を含む第１の遊星歯車システムならびに第１の太陽歯車を駆動する第１のモータを有する第１の作動路と、第２の太陽歯車および第２のリング歯車を含む第２の遊星歯車システムならびに第２の太陽歯車を駆動する第２のモータを有する第２の作動路と、第１のモータを第２のリング歯車に結合して第１の太陽歯車に加えて第２のリング歯車も駆動する第１の歯車列と、第２のモータを第１のリング歯車に結合して第２の太陽歯車に加えて第１のリング歯車も駆動する第２の歯車列とを備え、第１のモータが第１の太陽歯車だけでなく第２のリング歯車も駆動するのと組み合わさって第２のモータが第２の太陽歯車だけでなく第１のリング歯車も駆動することによって、第１の作動路と第２の作動路が機械的に同期される、アクチュエータに関する。

他の実施形態では、本発明は、第１の駆動体を含む第１の作動路および第２の駆動体を含む第２の作動路を有する、作動路が２つあるアクチュエータの２つの出力部を機械的に同期させる方法であって、リンク機構によって第１のモータの出力部と第２の作動路のリング歯車を結合すること、リンク機構によって第２のモータの出力部と第１の作動路のリング歯車を結合すること、および駆動体を同じ方向に回転させて２つの出力部を同期させることを含む方法に関する。

図面は以下のとおりである。

アクチュエータの２つの出力部が同期されることが有益である一例を示した概略図である。 アクチュエータの２つの出力部が同期されることが有益である一例を示した概略図である。 本発明の一実施形態による、２つの同期される出力部を有するアクチュエータの概略図である。 図２に示されるアクチュエータに使用され得る例示的な遊星歯車システムの図である。 図３の歯車列の速度の関係を示す概略図である。 図３の歯車列の速度の関係を示す概略図である。 図３の歯車列の速度の関係を示す概略図である。

図１Ａには、２つの同期される出力部１６、１８がある第１の駆動体１２および第２の駆動体１４を有するアクチュエータ１０が有用であることを示す一例が示されている。図示の例では、例えば可搬型レーダアンテナなどの部材２０が第１の端部２２に枢動的に固定され得る。出力部１６、１８は、直線的に延長可能な部材１７、１９に結合され得る。直線的に延長可能な部材１７、１９は、その側部２３、２４の両方で部材２０の第２の端部に動作可能に結合され得る。図１Ｂにより明確に示されるように、出力部１６、１８すなわち直線的に延長可能な部材１７、１９は、側部２３、２４で部材２０の第２の端部に互いに間隔を置いて配置され得る。アクチュエータ１０は、部材２０の持ち上げに使用することができる。上記の例では、２つの出力部１６、１８が互いに０．０２インチ内にある必要があり、それによって部材２０が持ち上げられてもねじれまたは破損することがなくなる。上記の例は、本発明の諸実施形態に関するほんの一環境にすぎないと理解されよう。本発明の実施形態はヒンジ式構造で実施する必要がない。さらなる非限定的な例として、本発明の実施形態は、面を上下させるのに使用することもできる。

図２には、本発明の一実施形態による例示的なアクチュエータ１０が概略的に示されている。アクチュエータ１０は、第１の駆動体１２および第１の遊星歯車システム３２を含む第１の作動路３０を有する。第１の駆動体１２は、電動機を含む任意の適当な駆動体であってよい。第１の遊星歯車システム３２は、第１の太陽歯車３４および第１のリング歯車３６を有することができる。第１の遊星歯車システム３２は、さらに、任意の適当な数の遊星歯車３７を有することができる。第１の遊星歯車システム３２は、さらに、出力部１６に結合される遊星歯車キャリヤ３８を有することができる。図示の例では、第１の駆動体１２は、第１の太陽歯車３４に動作可能に結合される。

アクチュエータ１０は、さらに、第２の駆動体１４および第２の遊星歯車システム４２を含む第２の作動路４０を有する。第２の駆動体１４は、電動機を含む任意の適当な駆動体であってよい。第２の遊星歯車システム４２は、第２の太陽歯車４４および第２のリング歯車４６を有することができる。第２の遊星歯車システム４２は、さらに、任意の適当な数の遊星歯車４７を有することができる。第２の遊星歯車システム４２は、さらに、出力部１８に結合される遊星歯車キャリヤ４８を有することができる。図示の例では、第２の駆動体１４は、第２の太陽歯車４４に動作可能に結合される。第１の遊星歯車システム３２および第２の遊星歯車システム４２は、寸法および歯車比が全く同じである。第１の遊星歯車システム３２および第２の遊星歯車システム４２は、図３に関して説明するように同じものまたは類似のものであってよい。

第１の歯車列５０によって、第１の駆動体１２は第２のリング歯車４６に結合され得る。この方法により、第１の駆動体１２は、第２のリング歯車４６ならびに第１の太陽歯車３４を駆動することができるようになる。同様に、第２の歯車列５２によって、第２の駆動体１４が第１のリング歯車３６に結合され、それによって第２の駆動体１４が第２の太陽歯車４４に加えて第１のリング歯車３６も駆動できるようになる。第１の歯車列５０および第２の歯車列５２は、一方の作動路の対応するリング歯車と他方の作動路の太陽歯車によって捕捉（ｅｎｍｅｓｈ）される１つまたは複数の伝動段階（ｇｅａｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ）を含むことができる。第１の歯車列５０および第２の歯車列５２の噛み合い数は、偶数または奇数であってよい。それらの噛み合い数は、同じまたは異なってよい。第１の歯車列５０および第２の歯車列５２の歯車比は全く同じとする。歯車比は、太陽歯車の歯数をリング歯車の歯数で割ったものに等しいものとする。

アクチュエータ１０は２つのブレーキ機構を含むことができる。２つのブレーキ機構は、第１の駆動体１２および第２の駆動体１４の少なくとも１つが故障したとき、それらのうちの少なくとも１つにブレーキをかけるように構成され得る。例えば、図には、第１の駆動体１２に動作可能に結合されるフェイルセーフ機構５４、および第２の駆動体１４に動作可能に結合される第２のフェイルセーフ機構５６が示されている。このようにして、故障のとき、フェイルセーフ機構５４が第１の駆動体１２にブレーキをかけて第１の太陽歯車３４をロックすることができ、またフェイルセーフ機構５６が第２の駆動体１４にブレーキをかけて第２の太陽歯車４４をロックすることができる。あらゆる適当な１つまたは複数の機械ブレーキ機構または電子機械機構を使用することができる。

動作について、第１の歯車列５０および第２の歯車列５２の噛み合い構成が偶数の場合、第１の駆動体１２と第２の駆動体１４は同じ方向に動作する。第１の駆動体１２が第１の太陽歯車３４と第２のリング歯車４６の両方を駆動するのと組み合わさって、第２の駆動体１４が第２の太陽歯車４４と第１のリング歯車３６の両方を駆動する。その結果、第１の作動路３０と第２の作動路４０が機械的に同期され、出力部１６、１８が同じ方向に動くようになる。第１の作動路３０および第２の作動路４０は、第１の駆動体１２の速度と第２の駆動体１４の速度が異なる場合でも同期される。さらに、第１の作動路３０および第２の作動路４０は、第１の駆動体１２の反射負荷（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｏａｄ）と第２の駆動体１４の反射負荷が異なる場合でも同期される。

動作について、第１の歯車列５０および第２の歯車列５２の噛み合い構成が奇数の場合、第１の駆動体１２と第２の駆動体１４は互いに反対方向に動作する。第１の駆動体１２が第１の太陽歯車３４と第２のリング歯車４６の両方を駆動するのと組み合わさって、第２の駆動体１４が第２の太陽歯車４４と第１のリング歯車３６の両方を駆動する。その結果、第１の作動路３０と第２の作動路４０が機械的に同期され、出力部１６、１８が互いに反対方向に動くようになる。第１の作動路３０および第２の作動路４０は、第１の駆動体１２の速度と第２の駆動体１４の速度が異なる場合でも同期される。さらに、第１の作動路３０および第２の作動路４０は、第１の駆動体１２の反射負荷と第２の駆動体１４の反射負荷が異なる場合でも同期される。

第１の駆動体１２および第２の駆動体１４のうちの１つが運転停止している故障モードのとき、フェイルセーフ機構５４、５６が故障したモータの回転を止めるのに使用され得る。このように、依然として動作しているモータが出力部１６、１８の両方を駆動するのに使用され得る。第１の駆動体１２および第２の駆動体１４が能動−能動形式で動作するので、一方の駆動体または作動路間にある一方の歯車列が動作しなくても、アクチュエータ１０の出力は同期される。

この方法で第１の作動路３０および第２の作動路４０を機械的に同期させることが可能であることを理解するのに、遊星歯車システムならびに結合している歯車列の基本動作を説明することが有用であることが分かる。図３には、例示的な遊星歯車システム１００が詳細に示されており、上述のアクチュエータ１０に使用可能な例示的な遊星歯車システムが示されている。遊星歯車システム１００は、（図２の１２または１４のような）モータの出力部１０４によって駆動され得る（図２の３４または４４のような）太陽歯車１０２、（図２の３７または４７のような）いくつかの遊星歯車１０６、（図２の３６または４６のような）リング歯車１０８、および（図２の１６または１８のような）出力部１１２に結合され得る（図２の３８または４８のような）遊星キャリヤ１１０を有する。太陽歯車１０２は、リング歯車１０８および３つの遊星歯車１０６に取り囲まれている。３つの遊星歯車１０６は、太陽歯車１０２とリング歯車１０８の間に捕捉され、遊星キャリヤ１１０上で回転可能に支持される。図示の例では、モータの出力部１０４によって太陽歯車１０２が駆動され、遊星キャリヤ１１０によって出力部１１２が駆動される。太陽歯車１０２、リング歯車１０８および遊星キャリヤ１１０はすべて自由に回転できる。回転を示す矢印は、遊星歯車システム１００が回転することができる１つの可能な方向を示している。

図示の例では、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８は伝動要素である。太陽歯車１０２およびリング歯車１０８は、同じ方向または互いに反対方向に駆動され得る。太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が同じ方向に駆動される場合、遊星キャリヤ１１０は、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８と同じ方向に回転する。太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が互いに反対方向に駆動される場合は、次の２つのうちのどちらかになり得る。第１には、遊星キャリヤ１１０は、太陽歯車１０２と同じ方向に回転することができる。第２には、遊星キャリヤ１１０は、リング歯車１０８の回転と同じ方向にあたる太陽歯車１０２に対して反対方向に回転することができる。これは、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８の出力に応じて決まる。上記のような各構成にある回転要素は、異なる速度およびトルクの関係を有する。遊星歯車システム１００における遊星キャリヤの角速度を定めるためには、太陽歯車およびリング歯車の角度速度を指定しなければならない。

太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が同じ方向に駆動される場合、遊星歯車１０６は、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８の出力に応じてどちらかの方向に回転することができる。しかし、遊星キャリヤ１１０は、常に、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８と同じ方向に回転する。例えば、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が時計回り方向に回転し、太陽歯車１０２の出力がリング歯車１０８よりも大きいと仮定する。そうした場合、遊星歯車１０６は反時計回り方向に動く。遊星歯車システム１００の速度の関係は以下の方法で導き出すことができる。図４に概略的に示されるように、太陽歯車１０２のピッチ円直径のポイントＡにおける接線速度はω_sＲ_sである。太陽歯車１０２のポイントＡは、遊星歯車１０６のピッチ円直径のポイントＢと噛み合う。ポイントＢにおける接線速度は、２つの成分からなり、ω_pＲ_p＋ω_cＲ_Sである。太陽歯車１０２のポイントＡが遊星歯車１０６のポイントＢと噛み合うので、それらの接線速度は同じでなければならない。したがって以下のようになる。

遊星歯車１０６のポイントＣとリング歯車１０８については、以下のような式になる。

式（１）と（２）を組み合わせると、以下のように遊星キャリヤ１１０の速度の解を出すことができる。

式（３）は、リング歯車１０８の出力が太陽歯車よりも大きく、かつ太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が反時計回り方向に動く場合にも適用される。

太陽歯車１０２およびリング歯車１０８が互いに反対方向に動作する場合、遊星キャリヤ１１０は、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８の出力に応じてどちらかの方向に回転することができる。しかし、遊星歯車１０６は、常に、リング歯車の方向に回転する。例えば、太陽歯車１０２が時計回り方向に回転し、かつリング歯車１０８が反時計回り方向に回転する場合、遊星歯車１０６は反時計回り方向に動くことになる。太陽歯車１０２の出力がリング歯車１０８よりも大きく、遊星キャリヤ１１０が時計回り方向に動くと仮定する。図５に概略的に示されるように、歯車列の速度の関係は、太陽歯車１０２のピッチ円直径のポイントＡでの接線速度がω_sＲ_sであることから導き出すことができる。太陽歯車１０２のピッチ円直径のポイントＡは、遊星歯車１０６のピッチ円直径のポイントＢと噛み合う。ポイントＢの接線速度は、２つの成分からなり、ω_pＲ_p＋ω_cＲ_Sである。太陽歯車１０２のポイントＡが遊星歯車１０６のポイントＢと噛み合うので、それらの接線速度は同じでなければならない、したがって以下のようになる。

遊星歯車１０６のポイントＣとリング歯車１０８については、以下のような式になる。

式（４）と（５）を組み合わせると、全体的な速度比の式は以下のようになる。

他の例では、太陽歯車１０２が時計回り方向に回転し、かつリング歯車１０８が反時計回り方向に回転する場合、遊星歯車１０６と遊星キャリヤ１１０の両方が反時計回り方向に回転する。そうした例では、リング歯車１０８の出力が太陽歯車１０２よりも大きい。図６に概略的に示されるように、太陽歯車１０２のピッチ円直径のポイントＡにおける接線速度はω_sＲ_sである。太陽歯車１０２のピッチ円直径のポイントＡは、遊星歯車１０６のピッチ円直径のポイントＢと噛み合う。ポイントＢの接線速度は、２つの成分からなり、ω_pＲ_p−ω_cＲ_Sである。太陽歯車１０２のポイントＡが遊星歯車１０６のポイントＢと噛み合うので、それらの接線速度は同じでなければならない。したがって以下のようになる。

遊星歯車１０６のポイントＣとリング歯車１０８については、以下のように同様の式を立てることができる。

式（７）と（８）を組み合わせると、遊星キャリヤ１１０の速度は以下のようになる。

歯車の歯数Ｎはそのピッチ円半径に比例するので、半径Ｒの比は歯数Ｎの比に等しいことになる。すなわち以下のようになる。

式（３）、（６）および（９）は、下表１に示されるように、より分かりやすい形に書き換えることができる。

アクチュエータ１０では、歯車比および噛み合い数によって出力部が同期するかどうかが決まることが明らかである。そのような場合では、太陽歯車およびリング歯車は同じ方向に回転することができ、両方の駆動体とも同じ方向に動き、結合している歯車列の噛み合い数は偶数である。第１の作動路３０の出力ω_CAは以下のようになる。

第２の作動路４０の出力ω_CBは以下のようになる。

両方の作動路からの出力を同期させるためには、ω_CA＝ω_CBとして、以下のようになる。

上式を簡約すると、以下のようになる。

ＧＲ_A＝ＧＲ_B＝ＧＲとすると、以下のようになる。

確実に上式がゼロになるようにするには、（Ｎ_S−Ｎ_RＧＲ）がゼロでなければならない。したがって以下のようになる。

つまり、

（１１）と（１２）のＧＲ_AおよびＧＲ_Bを（１３）と置き換えると、以下の２つの式となる。

および

式（１４）と（１５）を簡約すると以下のようになる。

および

このように、両方の作動路の出力は全く同じである。したがって、第１の作動路３０および第２の作動路４０が２つの全く同じ遊星歯車システムを有しかつその間に結合している２つの全く同じ歯列の噛み合いが偶数であれば、駆動体は、モータ速度および反射負荷に関わらず同じ方向に動き、したがって出力は全く同じになる。

モータ１２、１４が互いに反対方向に動き、２つの作動路間の噛み合わせが偶数の場合、太陽歯車１０２およびリング歯車１０８はやはりまた互いに反対方向に動く。２つのモータの性能が全く同じすなわちパラメータが全く同じで第１のモータにおいて反射される負荷がより大きいなら、第１のモータが出力するトルクはより大きく速度はより低くなり、一方第２のモータが出力するトルクはより小さく速度はより速くなる。どちらのモータがより大きな出力を出すかを判断するのは難しい。実際には、任意の２つの全く同じ設計のモータでも、性能は１０％ほど変化することがある。したがって、どちらのモータがより大きな出力を出すかを判断するのはさらに難しく、よって遊星キャリヤの出力方向は予知できない。

上記と同じ方法は、アクチュエータにおいて、歯車列の噛み合い数が奇数であり、かつモータがそこで反射される負荷に関係なく互いに反対方向に回転する場合、２つの作動路の出力部は互いに反対方向であるが同期されることを証明するのに用いることができる。

上記と同じ方法は、アクチュエータにおいて、歯車列の噛み合い数が奇数であり、かつモータが同じ方向に回転する場合、２つの作動路の出力方向が予測できないことを証明するのに用いることができる。

上記の実施形態によって、単一のアクチュエータが機械的に同期された出力をもたらすことを含む、様々な利得がもたらされる。出力部の同期に加えて、上記の実施形態によって部分冗長性がもたらされ、それによって駆動体が故障してもアクチュエータの出力が同期されることが可能になる。

記載の説明は、例を用いて最良の形態を含めて本発明を開示しており、さらに、任意の装置またはシステムを作成し使用し、組み込まれた任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにする。特許性のある本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例も含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な差異を伴わない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。

１０ アクチュエータ
１２ 第１の駆動体
１４ 第２の駆動体
１６ 同期出力部
１７ 延長可能部材
１８ 同期出力部
１９ 延長可能部材
２０ 部材
２２ 第１の端部
２３ 側部
２４ 側部
３０ 第１の作動路
３２ 第１の遊星歯車システム
３４ 第１の太陽歯車
３６ 第１のリング歯車
３７ 遊星歯車
３８ 遊星歯車キャリヤ
４０ 第２の作動路
４２ 第２の遊星歯車システム
４４ 第２の太陽歯車
４６ 第２のリング歯車
４７ 遊星歯車
４８ 遊星歯車キャリヤ
５０ 第１の歯車列
５２ 第２の歯車列
５４ フェイルセーフ機構
５６ フェイルセーフ機構
１００ 遊星歯車システム
１０２ 太陽歯車
１０４ モータ出力部
１０６ 遊星歯車
１０８ リング歯車
１１０ 遊星キャリヤ
１１２ 出力部

Claims (9)

1. 第１の太陽歯車および第１のリング歯車を含む第１の遊星歯車システム、ならびに前記第１の太陽歯車を駆動する第１のモータを有する、第１の作動路と、
   第２の太陽歯車および第２のリング歯車を含む第２の遊星歯車システム、ならびに前記第２の太陽歯車を駆動する第２のモータを有する、第２の作動路と、
   前記第１のモータを前記第２のリング歯車に結合して、前記第１の太陽歯車に加えて前記第２のリング歯車も駆動する、第１の歯車列と、
   前記第２のモータを前記第１のリング歯車に結合して、前記第２の太陽歯車に加えて前記第１のリング歯車も駆動する、第２の歯車列と
   を備え、
   前記第１のモータが前記第１の太陽歯車だけでなく前記第２のリング歯車も駆動するのと組み合わさって、前記第２のモータが前記第２の太陽歯車だけでなく前記第１のリング歯車も駆動することによって、前記第１の作動路と前記第２の作動路が機械的に同期される、
   アクチュエータ。
2. 前記第１の遊星歯車システムおよび前記第２の遊星歯車システムの寸法および歯車比が全く同じであり、
   前記第１の歯車列および前記第２の歯車列の噛み合い数が偶数であり、
   前記第１のモータおよび前記第２のモータが同じ方向に動作する、請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記第１のモータの速度と前記第２のモータの速度が異なる、請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記第１のモータおよび前記第２のモータのうちの少なくとも１つが故障したとき、前記第１のモータおよび前記第２のモータのうちの少なくとも１つにブレーキをかけるように構成されるブレーキ機構をさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の遊星歯車システムおよび前記第２の遊星歯車システムの寸法および歯車比が全く同じであり、
   前記第１の歯車列と前記第２の歯車列の噛み合い数が奇数であり、
   前記第１のモータと前記第２のモータが互いに反対方向に動作する、請求項１記載のアクチュエータ。
6. 前記第１のモータの速度と前記第２のモータの速度が異なる、請求項５記載のアクチュエータ。
7. 第１の駆動体を含む第１の作動路および第２の駆動体を含む第２の作動路を有する、作動路が２つあるアクチュエータの２つの出力部を機械的に同期させる方法であって、 噛み合い数が偶数の歯車列によって第１のモータの出力部と前記第２の作動路のリング歯車を結合するステップと、
   噛み合い数が偶数の歯車列によって第２のモータの出力部と前記第１の作動路のリング歯車を結合するステップと、
   前記駆動体を同じ方向に回転させて、前記２つの出力部を同じ方向に同期させるステップと
   を含む方法。
8. 第１の駆動体を含む第１の作動路および第２の駆動体を含む第２の作動路を有する、作動路が２つあるアクチュエータの２つの出力部を機械的に同期させる方法であって、
   噛み合い数が奇数の歯車列によって第１のモータの出力部と前記第２の作動路のリング歯車を結合するステップと、
   噛み合い数が奇数の歯車列によって第２のモータの出力部と前記第１の作動路のリング歯車を結合するステップと、
   前記駆動体を互いに反対方向に回転させて、前記２つの出力部を互いに反対方向に同期させるステップと
   を含む方法。
9. 前記第１の作動路および前記第２の作動路が、２つの同一の遊星歯車システムから構成され、
   前記第１の駆動体および前記第２の駆動体のうちの１つが故障したとき、前記第１の駆動体および前記第２の駆動体のうちの１つにブレーキをかけるステップをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。