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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Stellglied, das mit einem Kugelumlaufspindelmechanismus versehen ist und in allgemeinen Industriemotoren und Antriebssektionen von Automobilen, Booten usw. verwendet wird, und betrifft insbesondere ein elektrisches Stellglied mit einer Positionsdetektionsfunktion, das zum Umwandeln einer Drehbewegung von einem Elektromotor in eine Linearbewegung einer Antriebswelle über einen Kugelumlaufspindelmechanismus verwendet wird.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Bisher sind allgemein Getriebemechanismen wie zum Beispiel ein Trapezgewinde-Schneckengetriebemechanismus oder ein Zahnstangengetriebemechanismus als ein Mechanismus zum Umwandeln einer Drehbewegung eines Elektromotors in eine axiale Linearbewegung in einem elektrischen Stellglied, das in verschiedenen Arten von Antriebssektionen verwendet wird, eingesetzt worden. Diese Bewegungsumwandlungsmechanismen beinhalten Gleitkontaktabschnitte und somit Leistungsverluste und führen somit zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Elektromotoren und einer Erhöhung des Stromverbrauchs. Dementsprechend haben sich die Kugelumlaufspindelmechanismen auf breiter Front als die effizienteren Stellglieder durchgesetzt.
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Zum Beispiel wird in einem relativ kleinen Boot mit einer Schraube, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, die Funktion des Richtungswechsels der Schraubendrehung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung durch Schalten einer Klauenkupplung über einen Draht, der mit einem durch einen Bediener betätigten Hebel verbunden ist, ausgeführt, um einen Vorwärts- oder einen Rückwärtsgang einzulegen. Um diesen Vorgang zu erleichtern, ist in den vergangenen Jahren ein elektrisches Stellglied zum Schalten der Klauenkupplung entwickelt worden.
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In diesem Fall ist es notwendig, dass das elektrische Stellglied exakt die Position der Klauenkupplung beim Schalten der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung eines Bootes detektiert und den Schaltvorgang ausführt. Zum Beispiel ist ein Verfahren denkbar, bei dem der Drehwinkel über ein Sensorzahnrad entsprechend dem Verfahrweg der beweglichen Welle zu einem Potentiometer übertragen wird, um den Verfahrweg der beweglichen Welle durch Detektieren ihrer absoluten Position zu ermitteln. Das erfordert jedoch die Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses des Sensorzahnrades, wenn der Verfahrweg der beweglichen Welle erhöht wird, und somit eine Erhöhung der Zahnradgröße oder der Getriebsstufe des Sensorzahnrades, wodurch das elektrische Stellglied größer wird. Darüber hinaus ist zu befürchten, dass die Genauigkeit der Drehwinkeldetektion durch das Potentiometer aufgrund von Spiel oder einem Teilungsfehler des Sensorzahnrades beeinträchtigt wird. Des Weiteren ist zu befürchten, dass keine hohe Detektionsgenauigkeit erreicht werden kann, wenn sich der Nullpunkt verschiebt, fall sich das Potentiometer an einem Ort wie zum Beispiel im Inneren des elektrischen. Stellgliedes befindet, wo aufgrund der Wärmeentwicklung eines Motors eine hohe Umgebungstemperatur herrscht. Andererseits ist es möglich, das Potentiometer bei normaler Temperatur zu verwenden, wenn das Potentiometer außerhalb eines Gehäuses des elektrischen Stellgliedes montiert wird. Weil aber das Potentiometer in einem solchen Fall durch Meerwasser, Treibstoff usw. verschmutzen würde, ist es notwendig, eine wasserdichte oder öldichte Struktur zu montieren oder eine Struktur zum Schutz vor elektromagnetischen Wellen anzubringen, wodurch die Herstellungskosten für das elektrische Stellglied steigen würden.
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Es ist ein elektrisches Stellglied 100 bekannt, das diese Probleme löst (wie in 5 gezeigt). Das elektrische Stellglied 100 umfasst ein Gehäuse 101 und einen Elektromotor 102, der innerhalb des Gehäuses 101 montiert ist.
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Das Gehäuse 101 umfasst einen Gehäusekorpus 101A, ein Abdeckelement 101B, das an einer Endfläche des Gehäusekorpus 101A montiert ist, und eine plattenförmige Motorhalterung 101C. Eine Motorkammer 101a und eine Schraubgewindewellenkammer 101b sind innerhalb des Gehäusekorpus 101A ausgebildet, und der Elektromotor 102 ist innerhalb der Motorkammer 101a angeordnet. Der Elektromotor 102 wird an der Motorhalterung 101C gehalten. Die Motorhalterung 101C ist so montiert, dass sie einen äußeren Laufring eines Kugellagers 114 zwischen sich und dem Gehäusekorpus 101A festklemmt und sowohl die Motorkammer 101a als auch die Schraubgewindewellenkammer 101b des Gehäusekorpus 101A hält.
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Eine Drehwelle 102a des Elektromotors 102 steht von der Motorhalterung 101C hervor, und ein erstes Zahnrad 103 ist fest auf das Ende der Drehwelle 102a gepresst, so dass es sich nicht relativ zu der Drehwelle 102a drehen kann. Ein zweites Zahnrad 105 aus einem Harzmaterial ist frei drehbar an einer Langwelle 104, die an der Motorhalterung 101C befestigt ist, montiert und ist mit dem ersten Zahnrad 103 und einem dritten Zahnrad 106 verzahnt. Das dritte Zahnrad 106 aus dem Harzmaterial ist mittels einer Kerbverzahnung so an dem Ende der Schraubgewindewelle 107 montiert, dass es sich nicht relativ zu ihr drehen kann. Der linke Abschnitt der Schraubgewindewelle 107 ist mit einer Außengewindenut 107a ausgebildet, und der rechte Abschnitt davon wird durch ein Kugellager 114 drehbar relativ zu dem Gehäusekorpus 101A gestützt.
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Die Schraubgewindewelle 107 führt durch eine Zylindermutter 115 hindurch. Der Innenumfang der Mutter 115 ist mit einer Innengewindenut 115a ausgebildet, die der Außengewindenut 107a gegenüberliegt. Eine große Anzahl von Kugeln 116 ist rollfähig in einem Schraubengang, der durch die Außengewinde- und die Innengewindenut 107a, 115a gebildet wird, aufgenommen, um den Kugelumlaufspindelmechanismus zu bilden. Die Mutter 115 wird innerhalb der Schraubgewindewellenkammer 101b so gehalten, dass sie sich relativ zu dem Gehäusekorpus 101A axial bewegen, aber nicht drehen kann. Der Kugelumlaufspindelmechanismus und eine zylindrische, bewegliche Welle 117 bilden einen Antriebsmechanismus.
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Das linke Ende der Schraubgewindewelle 107 ist in eine Blindbohrung 117a eingesetzt, die in der beweglichen Welle 117 ausgebildet ist. Das rechte Ende der beweglichen Welle 117 ist koaxial in die Mutter eingeführt und mit Zapfen an ihr befestigt, so dass sie sich integral mit ihr bewegt. Die bewegliche Welle 117 wird durch eine Buchse 118 gestützt, die relativ zu dem Gehäusekorpus 101A axial beweglich ist. Eine Öffnung 117b zum Verbinden mit einem (nicht gezeigten) Gestängeelement ist in einem Ende der beweglichen Welle 117, das aus dem Gehäusekorpus 101A herausragt, ausgebildet.
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6 ist eine schematische Ansicht, welche die innere Struktur des Elektromotors 102 zeigt, und 7 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, ist ein Ringmagnet MG auf einer Drehwelle 102a befestigt, auf der ein Rotor 102d montiert ist. Der Ringmagnet MG ist in Halbringabschnitte MGs, MGn getrennt, die auf beiden Seiten der Drehwelle 102a angeordnet sind. Der Halbringabschnitt MGs hat den S-Pol auf seinem Außenumfang, und der Halbringabschnitt MGn hat den N-Pol auf seinem Außenumfang. Ein erster und ein zweiter Sensor SA, SB sind an der Innenwand eines Motorgehäuses 102c montiert und dabei um die Achse der Drehwelle 102a herum um 90° zueinander versetzt.
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Der Verfahrweg der beweglichen Welle 117 wird anhand des Drehbetrages der Drehwelle 102a des Elektromotors 102, des Übersetzungsverhältnisses der Zahnräder 103, 105, 106 und des Vorlaufs des Kugelumlaufspindelmechanismus bestimmt. Da die Übersetzungsverhältnisse und der Vorlauf bekannte Werte sind, ist es möglich, die Position einer (nicht gezeigten) Klauenkupplung zu detektieren, wenn der Drehbetrag exakt gemessen werden kann. Das heißt, es kann festgestellt werden, dass der Ringmagnet MG im Uhrzeigersinn (CW) gedreht wird, wenn die Wellenphase des Sensors SB der Wellenphase des Sensors SA vorauseilt. Andererseits kann festgestellt werden, dass der Ringmagnet MG entgegen dem Uhrzeigersinn (CCW) gedreht wird, wenn die Wellenphase des Sensors SB der Wellenphase des Sensors SA nacheilt. Dementsprechend ist es möglich, dass die Steuereinheit ECU den Verfahrweg und die Bewegungsrichtung der beweglichen Welle 117 exakt anhand der Ausgangssignale der Sensoren SA, SB erhalten kann (siehe z. B. Patentdokument 1 unten).
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Dokumente des Standes der Technik
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2008-274971
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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Da bei dem elektrischen Stellglied 100 des Standes der Technik die Sensoren SA, SB, die Impulssignale entsprechend der Drehung des Elektromotors 102 ausgeben, innerhalb des Gehäuses 102c des Elektromotors 102 angeordnet sind und die Steuereinheit ECU zum Ermitteln des Verfahrweges und der Richtung der beweglichen Welle 117 anhand der Ausgangssignale der Sensoren SA, SB vorhanden ist, ist es möglich, die Sensoren SA, SB vor der äußeren Umgebung zu schützen und die Zuverlässigkeit des elektrischen Stellgliedes als System zu verbessern.
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Da jedoch die Struktur und die Technologie zum Anordnen der Sensoren SA, SB innerhalb des Gehäuses 102c des Elektromotors 102 spezielles Wissen und eine besondere Bauweise erfordern, ist es notwendig, einen Elektromotor zu verwenden, der selbst auch von einer speziellen Bauweise ist, so dass die universelle Einsetzbarkeit des Elektromotors verloren geht. Außerdem besteht das Problem, dass die Herstellungskosten des Stellgliedes steigen, da es nicht möglich ist, einen universell einsetzbaren Elektromotor in verschiedenen Anwendungen, die verschiedene Leistungsparameter erfordern, zu verwenden.
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Es ist darum eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Stellglied bereitzustellen, das mit einem Positionsdetektionsmechanismus ausgestattet ist, das die Drehsensoren vor der äußeren Umgebung schützen kann und das zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Zum Erfüllen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Stellglied bereitgestellt, das Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen Elektromotor, der auf dem Gehäuse montiert ist; einen Untersetzungsmechanismus zum Übertragen der Drehkraft des Elektromotors zu einem Kugelumlaufspindelmechanismus, wobei der Kugelumlaufspindelmechanismus dafür ausgelegt ist, die durch den Untersetzungsmechanismus übertragene Drehbewegung des Elektromotors in eine axiale Linearbewegung einer Antriebswelle umzuwandeln, und einen Drehsensor zum Detektieren der Position der Antriebswelle; dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelumlaufspindelmechanismus eine Schraubgewindewelle umfasst, die integral mit der Antriebswelle ausgebildet ist, die mit dem Elektromotor verbunden ist, und so an dem Gehäuse gestützt wird, dass sie relativ zu dem Gehäuse axial bewegt, aber nicht gedreht werden kann, sowie eine Mutter umfasst, die über eine große Anzahl von Kugeln auf die Schraubgewindewelle geschraubt ist und so gestützt wird, dass sie über ein an dem Gehäuse montiertes Wälzlager relativ zu dem Gehäuse gedreht, aber nicht axial bewegt werden kann; dass ein Schwenkgestänge, das an einem Zapfen angelenkt ist, der von der Antriebswelle hervorsteht, so angeordnet ist, dass es eine Pendelbewegung zwangsweise mit der Linearbewegung der Antriebswelle vollführt; und dass ein Magnet am Ende einer Schwenkwelle, die den Bezugspunkt der Pendelbewegung bildet, montiert ist und die Position der Antriebswelle durch den Drehsensor, der gegenüber dem Magneten mit einem zuvor festgelegten Luftspalt dazwischen angeordnet ist, detektiert wird.
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Da die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 einen Untersetzungsmechanismus zum Übertragen der Drehkraft des Elektromotors zu einem Kugelumlaufspindelmechanismus umfasst, wobei der Kugelumlaufspindelmechanismus dafür ausgelegt ist, die durch den Untersetzungsmechanismus übertragene Drehbewegung des Elektromotors in eine axiale Linearbewegung einer Antriebswelle umzuwandeln, und einen Drehsensor zum Detektieren der Position der Antriebswelle umfasst, und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kugelumlaufspindelmechanismus eine Schraubgewindewelle umfasst, die integral mit der Antriebswelle ausgebildet ist, die mit dem Elektromotor verbunden ist, und so an dem Gehäuse gestützt wird, dass sie relativ zu dem Gehäuse axial bewegt, aber nicht gedreht werden kann, sowie eine Mutter umfasst, die über eine große Anzahl von Kugeln auf die Schraubgewindewelle geschraubt ist und so gestützt wird, dass sie nicht relativ zu dem Gehäuse über ein an dem Gehäuse montiertes Wälzlager gedreht, aber axial bewegt werden kann; dass ein Schwenkgestänge, das an einem Zapfen angelenkt ist, der von der Antriebswelle hervorsteht, so angeordnet ist, dass es eine Pendelbewegung zwangsweise mit der Linearbewegung der Antriebswelle vollführt; und dass ein Magnet am Ende einer Schwenkwelle, die den Bezugspunkt der Pendelbewegung bildet, montiert ist und die Position der Antriebswelle durch den Drehsensor, der gegenüber dem Magneten mit einem zuvor festgelegten Luftspalt dazwischen angeordnet ist, detektiert wird, ist es möglich, ein elektrisches Stellglied von universeller Einsetzbarkeit bereitzustellen, das mit einem Positionsdetektionsmechanismus versehen ist, der die Drehsensoren vor der äußeren Umgebung schützen kann und zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 2 definiert, ein Sensorgehäuse aus nicht-magnetischem Material an dem Gehäuse montiert ist und der Drehsensor an dem Sensorgehäuse angeordnet ist und dass der Detektionswinkel (Schwenkwinkel) des Schwenkgestänges über das Sensorgehäuse gemessen wird. Dadurch ist es möglich, den Drehsensor und seine zugehörigen Teile vor der inneren Umgebung zu schützen, ohne dass Einflüsse wie spritzendes Schmierfett einwirken oder Verunreinigungen eindringen.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 3 definiert, eine Durchgangsöffnung in dem Sensorgehäuse an einem Abschnitt gegenüber dem Magneten ausgebildet ist und das Sensorgehäuse durch eine plattenförmige Wand aus nicht-magnetischem Material blockiert wird und dass der Detektionswinkel des Schwenkgestänges durch den Drehsensor über die plattenförmige Wand gemessen wird. Dadurch ist es möglich, die Luftspaltjustierung zwischen dem Drehsensor und dem Magneten auf einfache Weise auszuführen.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass, wie in Anspruch 4 definiert, eine Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet ist und das Sensorgehäuse so an dem Gehäuse montiert ist, dass es die Öffnung blockiert. Dies erleichtert die Montage des Schwenkgestänges und gestaltet den Montagevorgang einfach.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 5 definiert, ein Ende der Schwenkwelle durch ein an dem Gehäuse montiertes Lager gestützt wird und das andere Ende der Schwenkwelle in einer zylindrischen Bohrung aufgenommen und gestützt wird, die auf der Innenseite des Sensorgehäuses ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, die Schwenkwelle sowohl durch die Bohrung als auch durch das Lager an ihren beiden Enden stabil zu stützen und das Anziehen von Eisenpulver in Verunreinigungen zu dem Magneten durch die Bohrung zu verhindern und somit die Zuverlässigkeit des Stellgliedes zu verbessern.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 6 definiert, eine Aussparung in dem Sensorgehäuse ausgebildet ist und der Drehsensor in der Aussparung angeordnet und durch Harzformung darin eingebettet ist. Dadurch ist es möglich, den Drehsensor und seine zugehörigen Teile vor der äußeren Umgebung abzuschirmen und somit zu schützen.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass, wie in Anspruch 7 definiert, der Drehsensor durch einen Halbleitersensor gebildet wird, in den ein Magnetsensor und ein Signalverarbeitungsschaltkreis integriert sind und eine Funktion zum Detektieren des absoluten Winkels integriert ist. Dadurch ist es möglich, langfristig eine stabile Detektionsgenauigkeit aufrecht zu erhalten und die Zuverlässigkeit zu verbessern, auch wenn es bei anspruchsvollen Fahrzuständen eines Fahrzeugs zu Vibrationen oder Stößen kommt.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 8 definiert, die Spannungsausgabe aus dem Drehsensor sowohl als ein analoges Signal als auch als ein digitales Signal erhalten wird. Dadurch ist es möglich, entweder das digitale Signal oder das analoge Signal nach Bedarf entsprechend dem System zu wählen und somit die Konstruktionsfreiheit des Systems zu erhöhen.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass, wie in Anspruch 9 definiert, das Sensorgehäuse durch Spritzgießen von thermoplastischem Harz gebildet wird. Dies ermöglicht die Herstellung einer komplizierten Konfiguration des Sensorgehäuses zu geringen Herstellungskosten ohne Einfluss auf die Empfindlichkeit des Drehsensors.
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Es ist bevorzugt, dass, wie in Anspruch 10 definiert, das Schwenkgestänge ein erstes Gestängeelement umfasst, das an dem Zapfen an der Antriebswelle angelenkt ist, und ein zweites Gestängeelement umfasst, das über einen Schwenkzapfen mit dem ersten Gestängeelement verbunden ist. In dieser Struktur kann das Schwenkgestänge verhindern, dass sich die Antriebswelle dreht, und kann somit die Schwenkbewegung ohne Behinderung der axialen Bewegung der Antriebswelle ausführen, und somit ist es möglich, ein noch kompakteres elektrisches Stellglied bereitzustellen.
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Auswirkungen der Erfindung
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Da das elektrische Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen Elektromotor, der auf dem Gehäuse montiert ist; einen Untersetzungsmechanismus zum Übertragen der Drehkraft des Elektromotors zu einem Kugelumlaufspindelmechanismus, wobei der Kugelumlaufspindelmechanismus dafür ausgelegt ist, die durch den Untersetzungsmechanismus übertragene Drehbewegung des Elektromotors in eine axiale Linearbewegung einer Antriebswelle umzuwandeln, und einen Drehsensor zum Detektieren der Position der Antriebswelle; und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kugelumlaufspindelmechanismus eine Schraubgewindewelle umfasst, die integral mit der Antriebswelle ausgebildet ist, die mit dem Elektromotor verbunden ist, und so an dem Gehäuse gestützt wird, dass sie relativ zu dem Gehäuse axial bewegt, aber nicht gedreht werden kann, sowie eine Mutter umfasst, die über eine große Anzahl von Kugeln auf die Schraubgewindewelle geschraubt ist und so gestützt wird, dass sie über ein an dem Gehäuse montiertes Wälzlager relativ zu dem Gehäuse gedreht, aber nicht axial bewegt werden kann; dass ein Schwenkgestänge, das an einem Zapfen angelenkt ist, der von der Antriebswelle hervorsteht, so angeordnet ist, dass es eine Pendelbewegung zwangsweise mit der Linearbewegung der Antriebswelle vollführt; und dass ein Magnet am Ende einer Schwenkwelle, die den Bezugspunkt der Pendelbewegung bildet, montiert ist und die Position der Antriebswelle durch den Drehsensor, der gegenüber dem Magneten mit einem zuvor festgelegten Luftspalt dazwischen angeordnet ist, detektiert wird, es ist möglich, ein elektrisches Stellglied bereitzustellen, das mit einem Positionsdetektionsmechanismus versehen ist, der die Drehsensoren vor der äußeren Umgebung schützen kann, und zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Längsschnittansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform des elektrischen Stellglieds der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Längsschnittansicht, die den Kugelumlaufspindelmechanismus des elektrischen Stellglieds von 1 zeigt;
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3 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III in 1;
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4 ist ein Frontaufriss, der das Sensorgehäuse des elektrischen Stellglieds von 1 zeigt;
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5 ist eine Längsschnittansicht, die ein elektrisches Stellglied des Standes der Technik zeigt;
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6 ist eine schematischen Ansicht, die das elektrische Stellglied von 5 zeigt; und
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7 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII in 6.
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Praktische Umsetzung der Erfindung
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Eine Form der Umsetzung der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Stellglied, das Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen Elektromotor, der auf dem Gehäuse montiert ist; einen Untersetzungsmechanismus zum Übertragen der Drehkraft des Elektromotors zu einem Kugelumlaufspindelmechanismus, wobei der Kugelumlaufspindelmechanismus dafür ausgelegt ist, die durch den Untersetzungsmechanismus übertragene Drehbewegung des Elektromotors in eine axiale Linearbewegung einer Antriebswelle umzuwandeln, und einen Drehsensor zum Detektieren der Position der Antriebswelle; dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelumlaufspindelmechanismus eine Schraubgewindewelle umfasst, die integral mit der Antriebswelle ausgebildet ist, die mit dem Elektromotor verbunden ist, und so an dem Gehäuse gestützt wird, dass sie relativ zu dem Gehäuse axial bewegt, aber nicht gedreht werden kann, sowie eine Mutter umfasst, die über eine große Anzahl von Kugeln auf die Schraubgewindewelle geschraubt ist und so gestützt wird, dass sie über ein an dem Gehäuse montiertes Wälzlager relativ zu dem Gehäuse gedreht, aber nicht axial bewegt werden kann; dass eine Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet ist und das Sensorgehäuse so an dem Gehäuse montiert ist, dass es die Öffnung blockiert; dass der Drehsensor in der Aussparung angeordnet und durch Harzformung darin eingebettet ist; dass ein Schwenkgestänge, das an einem Zapfen angelenkt ist, der von der Antriebswelle hervorsteht, so angeordnet ist, dass es eine Pendelbewegung zwangsweise mit der Linearbewegung der Antriebswelle vollführt; und dass ein Magnet am Ende einer Schwenkwelle, die den Bezugspunkt der Pendelbewegung bildet, montiert ist und die Position der Antriebswelle durch den Drehsensor, der gegenüber dem Magneten mit einem zuvor festgelegten Luftspalt dazwischen angeordnet ist, detektiert wird.
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Ausführungsform
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Längsschnittansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform des elektrischen Stellglieds der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 ist eine Längsschnittansicht, die den Kugelumlaufspindelmechanismus des elektrischen Stellglieds von 1 zeigt; 3 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III in 1; und 4 ist ein Frontaufriss, der das Sensorgehäuse des elektrischen Stellglieds von 1 zeigt.
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Das elektrische Stellglied 1 umfasst: ein Gehäuse 2, einen Elektromotor 3, der an dem Gehäuse 2 montiert ist, einen Untersetzungsmechanismus 6, der ein Paar Stirnräder 4, 5 zum Übertragen der Drehkraft des Elektromotors 3 zu einem Kugelumlaufspindelmechanismus 8 umfasst, wobei der Kugelumlaufspindelmechanismus 8 dafür ausgelegt ist, die durch den Untersetzungsmechanismus 6 übertragene Drehbewegung des Elektromotors 3 in eine axiale Linearbewegung einer Antriebswelle umzuwandeln, und einen Drehsensor 9 (3) zum Detektieren der Position der Antriebswelle 7.
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Das Gehäuse 2 umfasst ein erstes Gehäuse 2a und ein zweites Gehäuse 2b, das an dem Ende des ersten Gehäuses 2a angebracht ist. Der Elektromotor 3 ist innerhalb des ersten Gehäuses 2a angeordnet und an einer scheibenförmigen Motorhalterung 10 befestigt. Die Motorhalterung 10 ist so an dem Gehäuse 2 montiert, dass es das erste und das zweite Gehäuse 2a, 2b blockiert; und ein äußerer Laufring eines Kugellagers 11 ist in die Motorhalterung 10 eingesetzt. Das Kugellager 11 stützt drehbar eine Mutter 24 eines Kugelumlaufspindelmechanismus 8, der unten beschrieben wird.
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Eine Motorwelle 3a des Elektromotors 3 steht von der Halterung 10 hervor, und das kleinere Stirnrad 4 ist so am Ende der Motorwelle 3a montiert, dass sie sich relativ zueinander nicht drehen können. Das größere Stirnrad 5 ist an der Mutter 24 befestigt, die den Kugelumlaufspindelmechanismus 8 bildet, und greift in das kleinere Stirnrad 4 ein.
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Die Antriebswelle 7 ist in dem zweiten Gehäuse 2b enthalten. Ein Schwenkgestänge 14 ist an einem Zapfen 12 angelenkt, der an der Antriebswelle 7 befestigt ist. Das Schwenkgestänge 13 umfasst ein erstes Gestängeelement 14 und ein Ende eines zweiten Gestängeelements 16, das mit dem ersten Gestängeelement 14 über einen Schwenkzapfen 15 verbunden ist, um einen Pendelmechanismus zu bilden. Das Schwenkgestänge 13 verhindert eine Drehung der Antriebswelle 7 und ermöglicht die Pendelbewegung des Schwenkgestänges 13 ohne Behinderung der axialen Bewegung der Antriebswelle 7. Somit es ist möglich, ein kompaktes elektrisches Stellglied 1 bereitzustellen.
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Das andere Ende des zweiten Gestängegliedes 16 ist mit einer Schwenkwelle 17 verbunden, die den Bezugspunkt bildet, und ein Magnet 18 ist am Ende einer Schwenkwelle 17 montiert. Eine Gleitbuchse 19 und eine Öldichtung 20 sind an dem zweiten Gehäuse 2b montiert, um die Antriebswelle 7 relativ zu dem zweiten Gehäuse 2b gleitend zu stützen und um zu verhindern, dass Verunreinigungen wie zum Beispiel Regenwasser und Staub in das Innere des zweiten Gehäuses 2b eindringen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Öffnung 21 in dem zweiten Gehäuse 2b ausgebildet, und das Sensorgehäuse 22 ist so an dem zweiten Gehäuse 2b montiert, dass es die Öffnung 21 blockiert. Dies erleichtert die Montage des Schwenkgestänges 13 und vereinfacht den Zusammenbau. Das Sensorgehäuse besteht aus Materialien, die sich nicht auf die Detektionsgenauigkeit des Drehsensors 9 auswirken, z. B. thermoplastische Kunstharze wie PA (Polyamid) 66 usw. oder nicht-magnetische Materialien wie Aluminiumlegierung, austenitischer Edelstahl (JIS SUS 304-Gruppe) usw. Das Sensorgehäuse wird vorzugsweise durch Spritzgießen von thermoplastischem Harz hergestellt. Dies ermöglicht die Herstellung einer komplizierten Konfiguration des Sensorgehäuses zu geringen Herstellungskosten.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst der Kugelumlaufspindelmechanismus 8 eine Schraubgewindewelle 23, die auf ihrem Außenumfang mit einer Schraubgewindenut 23a versehen ist, eine Mutter 24, die an ihrem Innenumfang mit einer Schraubgewindenut 24a gegenüber der Schraubgewindenut 23a versehen ist, und eine große Anzahl von Kugeln 25, die rollfähig in einem Schraubengang aufgenommen sind, der durch die Außengewinde- und die Innengewindenut 23a, 24a gebildet wird. Das größere Stirnrad 5 ist auf den Außenumfang der Mutter 24 gepresst, und das Kugellager 11 ist an dem ersten Gehäuse 2a montiert, und die Motorhalterung 10 ist ebenfalls auf dem Außenumfang der Mutter 24 montiert und wird durch einen Stopperring 26 positioniert, so dass eine axiale Bewegung unterbunden wird.
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Wenden wir uns wieder 1 zu. Wenn der Elektromotor 3 betätigt wird, so wird die Antriebsleistung über den Reduktionsmechanismus 6 zu der Mutter 24 des Kugelumlaufspindelmechanismus 8 übertragen, und somit wird die Schraubgewindewelle 23 linear in ihrer axialen Richtung zusammen mit der Antriebswelle 7 bewegt. Jedes der Gestängeelemente 14, 16 schwenkt entsprechend der Linearbewegung der Antriebswelle 7 und begrenzt den Bereich der Linearbewegung. Während dessen wird die Schwenkwelle 17 innerhalb eines zuvor festgelegten Bereichs des Detektionswinkels (d. h. Schwenkwinkels) gedreht. Das heißt, es ist möglich, die Position der Antriebswelle 7 direkt zu detektieren, indem man den Detektionswinkel mit dem später noch ausführlicher beschriebenen Drehsensor 9 an einer beliebigen Position innerhalb des Bereichs der Linearbewegung der Antriebswelle 7 misst.
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Wie in 3 und 4 gezeigt, ist der Drehsensor 9 in dem Sensorgehäuse 22 angeordnet. Das heißt, der Drehsensor 9 ist in einer schlüssellochartigen Aussparung 27 angeordnet, die in dem Sensorgehäuse 22 ausgebildet ist, das mittels Befestigungsschrauben 29 an dem zweiten Gehäuse 2b montiert ist. Die Schwenkwelle 17, auf der das zweite Gestängeelement 16 sitzt, wird drehbar an dem zweiten Gehäuse 2b über ein Nadellager 28 gestützt, und der Magnet 18 ist am Spitzenende der Schwenkwelle 17 befestigt. Der Drehsensor 9 ist so angeordnet, dass er dem Magneten 18 über einen zuvor festgelegten Luftspalt gegenüberliegt.
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Die schlüssellochartige Aussparung 27 umfasst einen kreisförmigen Abschnitt 27a und einen halbkreisförmigen Abschnitt 27b. Jeder Mittelpunkt des Magneten 18 und des Drehsensors 9 ist so angeordnet, dass er dem Mittelpunkt des kreisförmigen Abschnitts 27a der schlüssellochartigen Aussparung 27 entspricht. Kabelbäume 30 von einem Sensorsubstrat 9a für eine Stromquelle und einen Ausgang des Drehsensors 9 erstrecken sich aus dem kreisförmigen Abschnitt 27a zu einer. (nicht gezeigten) Steuereinheit über den halbkreisförmigen Abschnitt 27b hinaus. Es ist bevorzugt, dass die Spannungsausgabe aus dem Drehsensor 9 sowohl als ein analoges Signal als auch als ein digitales Signal erhalten wird, da entweder das digitale Signal oder das analoge Signal nach Bedarf entsprechend dem System ausgewählt werden können. Obgleich die schlüssellochartige Aussparung 27 gezeigt ist, können auch andere Konfigurationen, wie zum Beispiel eine ovale oder rechteckige Konfiguration, verwendet werden, wenn dies die Einstellung der mittigen Position des Drehsensors 9 erleichtert.
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Wie zuvor beschrieben, ist der Drehsensor 9 in der Aussparung 27 angeordnet und durch Harzformung darin eingebettet. Dadurch ist es möglich, den Drehsensor 9 und seine zugehörigen Teile vor der äußeren Umgebung abzuschirmen und sie somit zu schützen, und außerdem ist es möglich, ein elektrisches Stellglied 1, das mit dem Positionsdetektionsmechanismus ausgestattet ist, zu geringen Herstellungskosten und mit universeller Anwendbarkeit bereitzustellen. Da die Aussparung 27 ausgebildet ist, ohne die Innenwand des Sensorgehäuses 22 zu durchdringen, ist es möglich, den Drehsensor 9 und seine zugehörigen Teile vor der inneren Umgebung zu schützen, ohne dass sich Schmierfettspritzer auswirken können oder Verunreinigungen eindringen können. Obgleich nicht veranschaulicht, kann es möglich sein, eine Durchgangsöffnung in dem Sensorgehäuse 22 auszubilden und anschließend durch eine beliebige plattenförmige Wand aus nicht-magnetischem Material, wie zum Beispiel Kunstharz, zu blockieren. Dadurch ist es einfach, die Luftspaltjustierung zwischen dem Drehsensor 9 und dem Magneten 18 vorzunehmen.
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Wie zuvor beschrieben, wird ein Ende der Schwenkwelle 17 durch das Lager 28 gestützt, das an dem zweiten Gehäuse 2b montiert ist, und das andere Ende der Schwenkwelle 17 wird in einer zylindrischen Bohrung 22a aufgenommen und gestützt, die auf der Innenseite des Sensorgehäuses 22 ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, die Schwenkwelle 17 zu führen und somit die Montagefähigkeit zu verbessern sowie die Schwenkwelle 17 sowohl durch die Bohrung 22a als auch durch das Lager 28 an ihren beiden Enden stabil zu stützen.
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Außerdem ist es möglich, das Anziehen von Eisenpulver in Verunreinigungen zu dem Magneten 18 durch die Bohrung 22a zu verhindern und somit die Zuverlässigkeit des Stellgliedes zu verbessern.
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Obgleich es möglich sein kann, einen kontaktlosen Hall-IC als den Drehsensor 9 gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden, wird der Drehsensor 9 durch einen Halbleitersensor gebildet, in den ein Magnetsensor und ein Signalverarbeitungsschaltkreis integriert sind und eine Funktion zum Detektieren des absoluten Winkels integriert ist. Dadurch ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit langfristig stabil zu halten und die Zuverlässigkeit zu verbessern, auch wenn es bei anspruchsvollen Fahrzuständen eines Fahrzeugs zu Vibrationen oder Stößen kommt.
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Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Natürlich fallen dem Durchschnittsfachmann beim Lesen und Verstehen der obigen detaillierten Beschreibung Modifizierungen und Änderungen ein. Ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung so ausgelegt wird, dass sie alle derartigen Änderungen und Modifizierungen enthält, sofern sie in den Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche oder deren Äquivalente fallen.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Das elektrische Stellglied der vorliegenden Erfindung kann auf jedes elektrische Stellglied angewendet werden, das mit einer Positionsdetektionsfunktion und mit einem Kugelumlaufspindelmechanismus versehen ist, der eine Drehung eines Elektromotors über den Kugelumlaufspindelmechanismus, der für eine Antriebssektion von Elektromotoren in der allgemeinen Industrie, in Automobilen, Booten usw. eingesetzt wird, in eine Linearbewegung einer Antriebswelle umwandelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisches Stellglied
- 2
- Gehäuse
- 2a
- erstes Gehäuse
- 2b
- zweites Gehäuse
- 3
- Elektromotor
- 3a
- Motorwelle
- 4
- kleineres Stirnrad
- 5
- größeres Stirnrad
- 6
- Untersetzungsmechanismus
- 7
- Antriebswelle
- 8
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 9
- Drehsensor
- 9a
- Sensorsubstrat
- 10
- Motorhalterung
- 11
- Kugellager
- 12
- Zapfen
- 13
- Schwenkgestänge
- 14
- erstes Gestängeelement
- 15
- Schwenkzapfen
- 16
- zweites Gestängeelement
- 17
- Schwenkwelle
- 18
- Magnet
- 19
- Gleitbuchse
- 20
- Öldichtung
- 21
- Öffnung
- 22
- Sensorgehäuse
- 22a
- zylindrische Bohrung
- 23
- Schraubgewindewelle
- 23a, 24a
- Gewindenut
- 24
- Mutter
- 25
- Kugel
- 26
- Stoppring
- 27
- Aussparung
- 27a
- kreisförmiger Abschnitt
- 27b
- halbkreisförmiger Abschnitt
- 28
- Nadellager
- 29
- Befestigungsschraube
- 30
- Kabelbaum
- 100
- elektrisches Stellglied
- 101
- Gehäuse
- 101A
- Gehäusekorpus
- 101B
- Abdeckelement
- 101C
- Elektromotorhalterung
- 101a
- Motorkammer
- 101b
- Schraubgewindekammer
- 102
- Elektromotor
- 102a
- Drehwelle
- 102c
- Motorgehäuse
- 102d
- Rotor
- 103
- erstes Zahnrad
- 104
- Langwelle
- 105
- zweites Zahnrad
- 106
- drittes Zahnrad
- 107
- Schraubgewindewelle
- 107a
- Außengewindenut
- 114
- Kugellager
- 115
- Mutter
- 115a
- Innengewindenut
- 116
- Kugel
- 117
- bewegliche Welle
- 117a
- Blindbohrung
- 117b
- Öffnung
- 118
- Buchse
- MG
- Ringmagnet
- MGs, MGn
- Halbringabschnitt
- SA
- erster Sensor
- SB
- zweiter Sensor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- JIS SUS 304-Gruppe [0043]
