JP6487911B2 - アクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータシステムに関する。当該アクチュエータシステムは、少なくとも１つのハウジング及び少なくとも１つの電動リニアアクチュエータを含み、当該電動リニアアクチュエータは、電気モータ、トランスミッション、及び、トランスミッションを介して電気モータに連結されたスピンドルを有し、スピンドルにはスピンドルナットが取り付けられている。アクチュエータシステムは、さらに、操作ユニットを備える電気コントローラと、第１のインダクタンス及び少なくとも１つのコンデンサを含んで構成される、電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための第１回路と、電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための第１回路と電気コントローラとの間に配置されており、第２のインダクタンスを含んで構成される、モータの第２の電気的ノイズ減衰のための第２回路と、を含む。

電動リニアアクチュエータを有するアクチュエータシステムは、調節式テーブル、調節式ベッド、及び、調節式椅子などの調節式家具の分野で広く用いられている。電動リニアアクチュエータは、他の多くの工業製品にも用いられており、これらの製品においては、可動型機械部品を調節するための電動リニアアクチュエータが、機械式構造体に適宜組み込まれている。

製造業者は、電動リニアアクチュエータ及びコントローラを備える完成済みのアクチュエータシステムを購入し、対象とする製品に組み込むことができる。この場合、アクチュエータに特有の課題についてはアクチュエータの製造業者がすでに考慮しているため、このような課題に注意を払うことなく製品自体に集中できるという利点がある。特に考慮されているのは、規制法的要件の対象である、電気的及び磁気的ノイズの低減である。ノイズの発生は、主として、直流モータの使用に関係している。直流モータでは、電機子のコイルに電気的に接続された整流子のブラシが、モータの作動中、トルクを発生させるために、電機子コイルへの電力供給を連続的に切り替える。整流中のコイルの誘電作用によって電気的ノイズが発生し、これが制御装置に戻り伝播する。

しかし、市場では、製造業者が、電動リニアアクチュエータを別個に購入し、これを自社の制御装置に接続して、当該制御装置から電動リニアアクチュエータを直接制御及び駆動することを望む傾向がある。これによれば、明らかに費用面で有利である上に、構造をより単純化することができる。

しかしながら、義務化されたノイズ減衰に関連して、新たな問題が発生している。この問題は、アクチュエータの製造業者が、アクチュエータにノイズ減衰手段を組み込んでも存在する。これは、顧客がどのようにアクチュエータを制御したいかに応じて、電動アクチュエータのノイズ減衰回路の設計を異なるものとしなければならことに起因する。

最も一般的なＤＣモータのノイズ減衰は、整流子とＤＣモータの端子との間にインダクタンスを直列に挿入接続することによって行われ、これによって、ノイズが制御装置に戻り伝播することが効果的に防止される。また、コンデンサを端子に対して並列に設けて制御装置に接続することによって、整流によって生成される高周波ノイズのエネルギーをコンデンサが効果的に吸収することができる。これらのコンデンサは、端子の１つを介して、モータのハウジングに接続される。

ＤＣモータのこのノイズ減衰方法は、ＤＣモータへの電力供給をオンオフするスイッチを直接操作することによって、例えばバッテリや電源などの制御されたＤＣ電源から、モータを直接駆動する場合には問題はない。

例えばスイッチモードのコントローラを用いて、エネルギー効率及び速度制御の面で有利である、作動電圧のパルス幅変調によってモータを制御することを希望する場合、ノイズ減衰は、ＤＣモータの制御を複雑化する。コンデンサが存在するため、スイッチング中には、コンデンサの充電及び放電のための大電流が流れることになる。通常、スイッチとして、典型的にはＦＥＴタイプのものなどのトランジスタが使用されるが、これらは、開状態の時には、オン抵抗が小さい。スイッチが閉状態の時は、オン抵抗は大きい。ただし、オン状態とオフ状態との切り替え速度は、スイッチ損失、すなわち、トランジスタのオンオフ切り替えの際にトランジスタ内でどれだけの電力が消散されるか、に重大な影響を及ぼし、電流が大きいほどスイッチ損失が大きい。パルス幅変調の周波数を大きくすると、言うまでもなく、スイッチ損失はこれに応じて大きくなる。換言すれば、ノイズ減衰コンデンサは、スイッチング中に大きなエネルギー損失を引き起こし、これは、モータ作動電圧のパルス幅変調を用いることによって顧客が得ようとした利点を相殺してしまう。また、スイッチモードのコントローラにおけるトランジスタが、損傷することなく高いピーク電流に対応できることが求められている。

これは、スイッチモードコントローラの出力段に、スイッチ電流を減衰するインダクタンスを挿入することによって、解決することができる。しかし、そのようなインダクタンスを挿入すると、その構造の価格が上昇する。また、製造業者は、その組み込み作業を自身で行わなければならなくなる。あるいは、アクチュエータの製造業者が、様々な構成のアクチュエータを提供することもできるが、この場合、顧客は、所望の制御形態に合う構成を能動的に選択しなければならない。

従って、顧客が希望する態様の、アクチュエータのＤＣモータに対する電力供給及び制御に合致するノイズ減衰手段を、アクチュエータが具備するようにすることは、物流の面で困難であるとともに、アクチュエータの製造業者及び顧客の双方に多大なコストがかかる。不十分又は不適切なノイズ減衰手段を備えるアクチュエータを顧客が選択してしまうことによって、エラー修正などに関して不利益が生じるおそれがある。

本発明の目的は、上述した問題に対する解決策を提供することであり、すなわち、モータのＤＣ作動ならびにパルス幅変調作動の両方に用いることができる、電動リニアアクチュエータにおけるＤＣモータのノイズ減衰回路を提供することである。また、よりコンパクトで、価格を大きく上昇させない解決策が望まれており、可能であれば、より安価あるいは妥当な価格の解決策が望まれている。

本発明によれば、これは、アクチュエータシステムを請求項１に述べたように設計することによって達成することができる。すなわち、コイルを備え、第１のインダクタンス及び第２のインダクタンスが、それぞれ、コイルの第１セクション及び第２セクションを構成する。

より具体的には、アクチュエータシステムは、少なくとも１つのハウジング及び少なくとも１つの電動リニアアクチュエータを含み、当該電動リニアアクチュエータは、電気モータ、トランスミッション、及び、トランスミッションを介して電気モータに連結されたスピンドルを有し、スピンドルにはスピンドルナットが取り付けられている。アクチュエータシステムは、さらに、操作ユニットを備える電気コントローラと、第１のインダクタンス及び２つのコンデンサを含んで構成される、電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための第１回路と、電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための第１回路と電気コントローラとの間に配置されており、第２のインダクタンス及びコンデンサを含んで構成される、第２の電気的ノイズ減衰のための第２回路と、を含む。第１のインダクタンス及び第２のインダクタンスは、それぞれ、コイルの第１セクション及び第２セクションを構成している。

本発明による構成は、このように、電気モータ及びアクチュエータの外部に位置していた（通常はコントローラ内に配置されていた）コンポーネントを移動させて、これを電気モータと共にモータのハウジング内に位置するコンポーネントと組み合わせることによって、コンパクトな構成を実現している。組み合わされたコンポーネントの価格は、モータのハウジング内にもともと位置していたコンポーネントよりわずかに高いだけなので、この構成は費用効率がよい。一体化された２つのコンポーネントは、同じ性質のものではあるが、互いに異なる目的で設けられ、構造体において大きく異なる効果をもたらすため、この組み合わせは自明ではない。

ワイヤの太さ及びコイル巻線の材料の選択次第では、巻線は、自己支持型の機械構造を構成することができ、従って、支持手段を必要としない。ただし、場合によっては、電気モータのハウジングが、取り付け及び作動の間コイルを保持するための手段を備えることにより、短絡が回避されるよう導電体を互いに離間配置する構成としてもよい。

巻線の導体が、コイルが自己支持型の機械構造を構成しないような材料で形成されている、あるいはそのような寸法である場合、巻線を１つの同じ巻型に巻回すればよい。

第１のノイズ減衰用と第２のノイズ減衰用のコイルが同じ巻型に巻回されているという点で、よりコンパクトなデザインを実現できる。多くの場合、場所を取るのは、コイル上の巻線というよりはむしろ巻型であるためである。この構成によれば、巻型にかかる費用を減らすこともできる。

巻回機は、コイルの２つのセクションを１回の工程サイクルで巻回することができ、このことによっても費用を削減することができる。この実施形態においては、２つの巻線を電気的に接続させずに、両巻線を独立させてもよい。

コイルの第１セクションと第２セクションとを、コイルを２つのセクションに分割する共有の中間点としてのタップを有する、一本の繋がった巻線として巻回することによって、さらに費用を削減することができる。

コイルは、ユニットとして、又は、２つのセクションのそれぞれに個別に、フェライトを含む材料を含んで構成された磁心を備えてもよい。これによって、コイルのインダクタンスが向上するため、物理的により小さなコイルによっても必要なノイズ減衰を実現することができ、このことは、デザインをよりコンパクトにするとともにコストが削減されるという利点をもたらす。

解決策の構造はコンパクトであるため、モータの電気的ノイズ減衰用のための第１及び第２回路のコイル及び追加コンポーネントは、適宜、モータのハウジング内に配置されるか、あるいはモータの端子に取り付けられる。

別の実施形態において、モータの電気的ノイズ減衰のための第１及び第２回路のコイル及び追加コンポーネントは、コントローラ内に配置される。この実施形態においても、電気アクチュエータ内のノイズ対策のされていないモータ(non-silenced)からの電気的ノイズは十分に減衰される。

さらなる実施形態において、モータの電気的ノイズ減衰のための第１及び第２回路のコイル及び追加コンポーネントは、アクチュエータのハウジング内に配置される。電動アクチュエータは、印刷回路基板を備えており、当該基板にディスクリート電気コンポーネントが実装されている。この印刷回路基板に、モータの電気的ノイズ減衰のためのコンポーネントを備える構成とすることもできる。さらに別の実施形態においては、コンポーネントを、電気モータに接続されたケーブル接続部に配置するか、あるいは、モータへのプラグ接続用ソケットに直接取り付ける。

一実施形態においては、電気的ノイズ減衰のための第１及び第２回路のコイル及び追加コンポーネントは、別体のハウジングに配置される。当該ハウジングは、適当なプラグ接続部を備え、これが電動アクチュエータのモータとコントローラとの間に挿入される構成とすることができる。当該ハウジングは、貫通するケーブル接続部を備え、これが、適当なプラグ接続部とともに電動アクチュエータのモータとコントローラとの間に挿入される構成とすることもできる。

本発明によるリニア電動アクチュエータシステムを、添付図面を参照して以下により詳細に説明する。
第１の実施形態におけるアクチュエータシステムを有する病院用又は介護用ベッドの概略図である。 別の実施形態におけるアクチュエータシステムを有する病院用又は介護用ベッドの概略図である。 図１に示したベッドにおけるアクチュエータシステムのブロック図である。 リニアアクチュエータを示す図である。 モータのハウジング及び外管のそれぞれの一部を取り除いた状態の、図４のリニアアクチュエータを示す図である。 コントローラの出力段用の、モータの電気的ノイズ減衰のための構成を示す図である。 図６に従った電気的ノイズ減衰のコンポーネントの写真である。 図６に従った電気的ノイズ減衰のためのコンポーネントが見えるよう分解されたモータを示す。 図８と同じ写真における、電気的ノイズ減衰のためのコンポーネントの位置が目立つようにスケッチした図である。

図１は、駆動輪２をそなえた下側フレーム３及び上側フレーム４を有する病院用ベッド１を示している。上側フレーム４は、マットレス（図示せず）用の調節可能な支持面５を備えている。支持面５は、背もたれ部６、関節動式足乗せ部７、及び、これらの間の固定中間部８を有する。背もたれ部及び足乗せ部６、７は、支持面９が様々な形状となるように、それぞれ、アクチュエータ９、１０によって調節することができる。上側フレーム４は、各端部にあるリンク機構１１、１２によって下側フレーム２に連結されている。上側フレーム４は、リンク機構１１、１２に連結された一対のアクチュエータ１３、１４によって、昇降可能となっている。すべてのアクチュエータ９、１０、１３、１４は、コントローラ１９（図３参照）を含む制御ボックス１５に連結されている。制御ボックス１５は、主電源に接続することができ、たとえば電源回路を含むこともできる。制御ボックス１５は、さらに充電式電池パックを含むこともできる。

制御ボックス１５には接続ボックス１６が連結されており、当該接続ボックスは、１つ又は複数の操作ユニット、例えば、手持ち式コントローラ１７、ベッドのヘッドボード部に組み込まれた操作パネル１８、ならびにその他の周辺機器など、を接続するためのものである。アクチュエータ９、１０、１３、１４、制御ボックス１５及び操作ユニット１７、１８を含んで組み付けられたシステムは、アクチュエータシステムとして知られている。なお、一実施形態において、操作ユニット１７、１８を制御ボックス１５に直接接続することもできる。アクチュエータシステムのこのような実施形態は、接続ボックスを含まない。

図２は、図１のベッドとは異なる実施形態の病院用及び介護用ベッド２０の概略図である。この実施形態では、下側フレーム３と上側フレーム４とは、リンク機構によって連結されておらず、代わりに、昇降支柱２１、２２として設計された２つのリニアアクチュエータを介して連結されている。

図３は、図１のベッドにおけるアクチュエータシステムのブロック図を示している。

図４は、前提的構成要件であるピストンロッドを含むタイプであり、従ってリニアアクチュエータ９、１０、１３、１４と同じタイプのリニアアクチュエータ２３を示している。ピストンロッドは、内管とも呼ばれている。リニアアクチュエータ２３は、外管２５及びモータハウジング２６を含んでいる。リニアアクチュエータ２３は、内管２４の外側端部に設けられた前方取り付け部２７、及び、モータハウジング３６に設けられた後方取り付け部２８をさらに含んでいる。

図５は、図４におけるリニアアクチュエータを示しており、モータハウジング２６及び外管２５のそれぞれの一部を取り除いた状態を示している。リニアアクチュエータ２３の主要構成要素は、スピンドルナット３０が設けられたスピンドル２９によって構成されるスピンドルユニットを含む。スピンドルナット３０は、回転しないように固定することができる。内管２４は、スピンドルナット３０に固定されており、スピンドル２９の回転方向に応じて、外管２５に対して出入動する。スピンドル２９は、トランスミッションを介して、可逆電気モータ３１によって駆動される。トランスミッションは、電気モータのドライブシャフトの延長線上に配置されたウォーム（worm）、ならびに、スピンドル２９に固定されたウォーム歯車３２を含む。さらに、ベアリング３３が、スピンドル２９に固定されている。ベアリング３３は、例えば、ボールベアリング又はローラーベアリングとすることができる。

図４及び図５には、リニアアクチュエータ２３の主要なコンポーネントのみを示している。従って、リニアアクチュエータ２３は、制動装置、追加のベアリング、クイックリリース機構などをさらに備える場合がある。

図６は、コントローラの出力段のための、電気モータの電気的ノイズ減衰回路を示す図面である。ＦＥＴトランジスタ３４、３５として示す、コントローラの出力段は、作動電圧のパルス幅変調に適したスイッチモードコントローラである。換言すれば、これらのトランジスタは、スイッチとして機能し、完全な開状態か完全な閉状態のいずれかとなる。スイッチモードコントローラを採用することで、エネルギー効率及び速度制御の面で利点が得られる。トランジスタ３５が閉の状態でトランジスタ３４を起動すると、電流がインダクタンス３６に流れ、さらにインダクタンス３７に流れて電気モータ３１を作動させ、さらに、インダクタンス３８及び３９に流れる。トランジスタ３５が閉の状態でトランジスタ３４を切ってもなお、インダクタンスによって電流が流れる。この電流は、短時間一定であると考えることができる。従って、トランジスタ３４、３５の開閉時間を変更することによって、エネルギー効率のよい電気モータの速度制御を行うことができる。整流、電磁的接続、及びスイッチモードコントローラが電気的ノイズを生成するため、電気モータに対しては必ず電気的ノイズ減衰を行わなければならない。ノイズは、インダクタンス３６、３９及びインダクタンス３７、３８の共有の中間点に挿入されたコンデンサ４０によって減衰することができる。インダクタンス３６、３９が挿入されているが、これは、コンデンサ４０がトランジスタ３４、３５に並列に接続されているために非常に高いピーク電流が流れるのを防止するためである。高いピーク電流が流れる場合、大電流を扱うトランジスタに多大な能力が求められる。また、トランジスタ３４、３５の抵抗がスイッチ損失となるため、大量の電力がトランジスタにおいて消散される。さらに、コンデンサ４１、４２が挿入されているが、これらは、モータのハウジングに対する電気モータのノイズを効率的に減衰する。インダクタンス３６、３９；３７、３８は単一のコイルであり、通常なら、これらのうち、コイル３７、３８は電気モータのハウジング内に配置され、コイル３６、３９は、電気モータの出力段に接続されて配置される。図からすぐにわかるように、コイル３６、３７及びコイル３８、３９は、共有の中間点４３、４４を有する。このように、本発明による２つのコイル３６、３７及び３８、３９は、タップを備える一本のコイルとして巻回することができ、タップにコンデンサ４０、４１、４２が接続される。これによってシンプルな構造を実現でき、組み付けられたコンポーネント３６、３７及び３８、３９の原価は、１つの単一のコイル３６、３７、３８、３９の価格よりわずかに高いだけである。また、この構成は、電気モータの効果的なノイズ減衰を実現し、ＤＣコントローラとスイッチモードコントローラの両方について用いることができるため、顧客及び製造業者は、異なるタイプの電気的ノイズ減衰のバリエーションの中から選択したり、ノイズ減衰手段を自身で設計したりする必要がなくなる。

図７は、図６の図面に従った電気的ノイズ減衰のコンポーネントの写真である。コイル３６、３７及びコイル３８、３９は、それぞれ、タップ４３、４４を有する一本の繋がったコイルとして巻回されている。このように、タップ４３は、コイルのセクション３６と３７との間に位置しており、タップ４４は、コイルのセクション３８と３９との間に位置している。ブラシ４５、４６は、コイル３６、３７及びコイル３８、３９の一端に接続されている。コンデンサ４０は、タップ４３及び４４に接続されている。コンデンサ４１、４２のそれぞれの供給ラインのうちの一方がタップ４３、４４に接続されている。コンデンサ４１、４２のそれぞれの供給ラインのうちの他方は、図７には何かに接続されているものとして図示していないが、図６に示すように、モータのハウジングに接続されるようになっている。

図８及び図９は、むき出しにした状態で、図６による電気的ノイズ減衰に焦点をあてたモータの写真である。ここでは、電気的ノイズ減衰手段は、モータのブラシホルダー４７に接続して配置されている。従って、モータのハウジングは示されていない。図９では、コイル３６、３７及びコイル３８、３９ならびにコンデンサ４０、４１、４２が、位置が目立つようにスケッチされている。背後には、電機子４８及びモータシャフト４９が見えている。コイル３６、３７及びコイル３８、３９は、一本の繋がったコイルとして巻回され、共通の中間点４３、４４としての中央タップをそれぞれ備えており、これにコンデンサ４０、４１、４２が接続されている。これによれば、コイルを１つの工程サイクルで形成することができるので、実用的であるとともに費用の面で有利である。

Claims (8)

1. 電気モータ、トランスミッション、前記トランスミッションを介して前記電気モータに連結されたスピンドル、当該スピンドルに設けられたスピンドルナット、を含む、少なくとも１つの電動リニアアクチュエータと、
   操作ユニットを備える電気コントローラと、
   第１のインダクタンス及び２つのコンデンサを含んで構成される、前記電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための第１回路と、
   前記電気モータの第１の電気的ノイズ減衰のための前記第１回路と前記電気コントローラとの間に配置されており、第２のインダクタンス及びコンデンサを含んで構成される、前記電気モータの第２の電気的ノイズ減衰のための第２回路と、を含むアクチュエータシステムであって、
   前記アクチュエータシステムはコイルを含んでおり、前記第１のインダクタンス及び前記第２のインダクタンスは、それぞれ、前記コイルの第１セクション及び第２セクションを構成しており、
   前記電気モータは、電気的に互いに反対側の第１端子および第２端子を含み、前記第１端子から前記第２端子には前記電気モータを作動する電流が流れ、前記第１端子から前記第２端子に向かう電流経路のうち、前記第１のインダクタンスを介さない電流経路は、前記電気モータを介する電流経路のみである、アクチュエータシステム。
2. 前記コイルはタップを備えており、前記タップは、前記コイルを前記第１セクションと前記第２セクションとに分割する共有の中間点である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
3. 前記コイルは、一本の繋がった巻き線によって構成されている、請求項２に記載のアクチュエータシステム。
4. ユニットとしての前記コイルは、１つの磁心を備えている、請求項２に記載のアクチュエータシステム。
5. 前記コイルは、前記２つのセクションのそれぞれに個別に磁心を備えている、請求項２に記載のアクチュエータシステム。
6. 前記磁心は、フェライトを含む材料によって形成されている、請求項４に記載のアクチュエータシステム。
7. 前記電気モータの電気的ノイズ減衰のための前記第１回路及び第２回路の前記コイルは、前記電気モータのハウジング内に配置されているか、あるいは、前記電気モータの端子に取り付けられている、請求項２に記載のアクチュエータシステム。
8. 前記電気モータの電気的ノイズ減衰のための前記第１回路及び第２回路の前記コイルは、前記アクチュエータのハウジング内に配置されている、請求項２に記載のアクチュエータシステム。