JP2008274971A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】汎用で低コストを図りつつ、精度良くストロークを検出できるアクチュエータを提供する。
【解決手段】センサＳＡ、ＳＢは、環状マグネットＭＧが回転することに応じて、Ｎ極が対面したときは立ち上がり、Ｓ極が対面したときは立ち下がるような周期的な信号を出力する。回転軸１０２ａの１回転で１周期の信号が出力される。従って、信号のパルスをカウントすることで、回転軸の回転数が求められる。一方、９０度ずれて取り付けられたセンサは、互いに位相がずれた波形の信号を出力するので、回転方向により、一方のセンサの波形に対して、他方のセンサの波形が進んだり遅れたりする。センサＳＡの波形に対して、センサＳＢの波形の位相が進んだときは、環状マグネットが時計回り方向に回転していることがわかる。一方、センサＳＡの波形に対して、センサＳＢの波形の位相が遅れたときは、環状マグネットが反時計回り方向に回転していることがわかる。
【選択図】図４

Description

本発明は、特に船舶などに使用されると好適な電動式のアクチュエータに関する。

内燃機関でスクリューを駆動する比較的小型の船舶においては、前進方向へのスクリューの回転と、後進方向へのスクリューの回転との切換は、操作者により操作されたレバーに接続されたワイヤを介して前後進切り換え機構のドグクラッチを切り換えて、前進用ギヤ或いは後進用ギヤに係合させることで行っている。しかるに、近年においては、省力化のため電動にてドグクラッチの切換を行えないかという要請がある。ここで、例えば車両用のアクチュエータとしては種々のものが開発されており（特許文献１参照）、これを流用することも考えられる。
米国特許公開第６１０１８８９号明細書

ところで、このようなアクチュエータにおいては、船舶の前後進切り換え機構におけるドグクラッチの位置を精度良く検出して動作を行う必要がある。特許文献１のアクチュエータにおいては、移動軸のストロークに応じて、センサ用ギヤを介してポテンショメータに回転角度を伝達し、それにより移動軸の絶対位置を検出してストロークを求めている。

ところが、かかる従来の構成では、移動軸のストロークが長くなればなるほど、センサ用ギヤのギヤ比を大きくしなければならず、結果的にギヤサイズが大きくなったり、センサ用ギヤを多段にする必要が生じ、アクチュエータの大型化を招くこととなっている。又、センサ用ギヤのガタやピッチ誤差により、ポテンショメータで検出される回転角度の精度が低下する恐れがある。更に、ギヤの寸法精度や組み付け精度を向上させたとしても、アクチュエータ内などモータの発熱により環境温度が高くなる場所でポテンショメータを使用すると、ゼロ点シフト等が生じて高い検出精度を得られない恐れもある。これに対し、ポテンショメータをハウジング外に取り付ければ、常温の環境でポテンシオメータを使用できるが、その結果、海水や燃料等を被りやすくなるため防水・耐油構造にしたりする必要が生じ、さらには電磁波遮蔽構造を別に設ける必要があり、コスト高を招く恐れがある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、汎用で低コストを図りつつ、精度良くストロークを検出できるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、船舶の前後進切り換え機構を動作させるために被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられ、回転軸を有する電動モータと、
前記回転軸から回転力を伝達されることにより、前記被駆動部材を駆動する駆動機構と、
前記ハウジング内に配置され、前記電動モータの回転軸の回転に応じたパルス状の信号を出力するセンサと、
前記センサからの出力に基づいて、前記被駆動部材のストロークと方向とを求める制御装置とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記センサから出力される前記電動モータの回転軸の回転に応じた信号のパルスをカウントすることにより、前記被駆動部材のストロークを検出できるので、従来のようにポテンショメータを使用する場合に必要であったセンサ用ギヤを省略できるため、コンパクト化が可能となる。又、ストローク検出を信号のパルスのカウントのみで行えるため、安価でありながら温度の影響が受け難く高精度な検出を行える。加えて、前記センサを前記ハウジング内に収容できるので、海水や燃料を被る恐れもないことから簡素な構造と出来、電磁波の影響も受けにくくなるため、システムとしての信頼性を向上させることも可能である。

前記センサは、前記電動モータに内蔵されていると、電動モータがハウジング外に取り付けられていても、前記センサを保護することができるので好ましい。

前記制御装置は、前記被駆動部材が前後進切り換え機構のニュートラル位置にあることを検出して学習制御を行うと、より高精度な切り換え動作が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかるアクチュエータを用いる船外機の概略図である。図２は、本実施の形態のアクチュエータの断面図である。

図１において、船外機２は、船体１に固定されるケーシング２ａと、その上部に取り付けられたカウリング２ｂとを有している。カウリング２ｂの内部には、出力軸３をケーシング２ａに延在させてなるエンジン（不図示）が搭載されている。出力軸３の下端には、傘歯車３ａが取り付けられている。

ケーシング２ａの下部には、プロペラ軸４が水平に配置され、回転可能に支持されている。プロペラ軸４の図で右端側は、ケーシング２ａから外部へ突出しており、その端部にプロペラ５が取り付けられている。

プロペラ軸４は、傘歯車３ａに噛合する前進用傘歯車６と後進用傘歯車７とを貫通しており、また傘歯車６，７の間にドグクラッチ８を配置している。プロペラ軸４に対して、ドグクラッチ８は軸線方向に相対移動可能であるが一体的に回転するようになっており、また傘歯車６，７は相対回転可能となっている。図示していないが、ドグクラッチ８は、軸線方向両方向に向いた突起を有しており、図で左方に移動することで突起が傘歯車６の凹部と係合し、ドグクラッチ８と傘歯車６とが一体で回転する。一方、図で右方に移動することで突起が傘歯車７の凹部と係合し、ドグクラッチ８と傘歯車７とが一体で回転する。

ドグクラッチ８は、カム軸９により軸線方向に駆動されるようになっている。カム軸９は、操作軸１０の回転に応じて軸線方向に変位するように連結されている。操作軸１０は、リンク部材１１を介して、カウリング２ｂの下部に配置されたアクチュエータ１００の移動軸１１７に連結されている。ドグクラッチ８、カム軸９、操作軸１０が前後進切り換え機構を構成する。

図２において、円筒状のハウジング１０１は、アルミ製のハウジング本体１０１Ａと、その端面に対してボルトＢにより組み付けられたアルミ又は樹脂製のカバー部材１０１Ｂと、モータブラケット１０１Ｃとからなる。ハウジング本体１０１Ａの突き当て面に設けられた周溝には、シール部材１２０（Ｏ−リング等）が収容されており、カバー部材１０１Ｂの突き当て面を対向させてボルト固定したとき、両突き当て面間をシールするようになっている。ハウジング本体１０１Ａの内部には、モータ室１０１ａとねじ軸室１０１ｂとが形成されている。モータ室１０１ａ内には、モータ１０２が配置されている。モータ１０２は、板状のモータブラケット１０１Ｃに固定されており、モータブラケット１０１Ｃは、後述する玉軸受１１４の外輪をハウジング本体１０１Ａとの間に挟み込み、且つハウジング本体１０１Ａのモータ室１０１ａとねじ軸室１０１ｂをふさぐようにして取り付けられている。

電動のモータ１０２の回転軸１０２ａは、モータブラケット１０１Ｃから突出しており、その端部には金属製の第１ギヤ１０３が圧入により相対回転不能に取り付けられている。モータブラケット１０１Ｃに植設された長軸１０４の周囲には、樹脂製の第２ギヤ１０５が回転自在に配置され、これは第１ギヤ１０３及び第３ギヤ１０６に噛合している。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。

ねじ軸１０７は、ハウジング本体１０１Ａに対して、図で右端側を玉軸受１１４により回転自在に支持されている。ねじ軸１０７は、左端側に雄ねじ溝１０７ａを形成している。

ねじ軸１０７は、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、両ねじ溝１０７ａ、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、ハウジング本体１０１Ａに対して回り止め（不図示）が設けられ、ねじ軸室１０１ｂ内において、軸線方向に相対移動可能だが、相対回転不能となっている。尚、軸線方向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し、このボールねじ機構と、以下の移動軸１１７とで駆動機構を構成する。

ねじ軸１０７の左端は、丸軸状の移動軸１１７に形成された袋孔１１７ａ内に侵入している。移動軸１１７の図で右端は、ナット１１５に対して同軸に嵌合しピン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、移動軸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おり、且つブッシュ１１８の左方（外部側）にはシール１１９が配置され、ハウジング本体１０１Ａと移動軸１１７との間から海水や塵埃等の異物が侵入することを防止している。尚、ハウジング本体１０１Ａから突出した移動軸１１７の端部には、リンク部材１１に連結するための孔１１７ｂが形成されている。

図１において、モータ１０２の配線１０２ｂと、後述するセンサＳＡ、ＳＢの配線１１３ｂは、モータ１０２からハウジング本体１０１Ａのシールされた開口１０１ｃを通してアクチュエータ１００の外部へと延在し、更に制御装置ＥＣＵに接続されている。尚、アクチュエータ１００の内部に連通するブリーザホース１２が別に設けられている。

図３は、モータ１０２の内部構造の概略図である。図４は、図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。図３、４において、ロータ１０２ｄを取り付けた回転軸１０２ａには、環状マグネットＭＧが一体的に回転するように取り付けられている。環状マグネットＭＧは、回転軸１０２ａを挟んで半環状部ＭＧｓと半環状部ＭＧｎとに着磁されている。半環状部ＭＧｓは外周側にＳ極を有し、半環状部ＭＧｎは外周側にＮ極を有する。環状マグネットＭＧに近接して、第１のセンサＳＡと第２のセンサＳＢとが、回転軸１０２ａの軸線回りに９０度位相をずらせて、モータハウジング１０２ｃの内壁に取り付けられている。センサＳＡ、ＳＢは、磁気を検出するホールＩＣであると好ましい。

移動軸１１７のストロークは、モータ１０２の回転軸１０２ａの回転量と、減速ギヤ１０３，１０５，１０６のギヤ比と、ボールねじ機構のリードにより決定されるが、このうちギヤ比とリードは既知であるので、回転軸１０２ａの回転量が正確に測定出来れば、ドグクラッチ８の位置検出が可能となる。

より具体的に、移動軸１１７のストロークと移動方向とを検出する態様を説明する。図５は、センサＳＡ、ＳＢの出力信号の波形を示す図である。図５に示すように、センサＳＡ、ＳＢは、環状マグネットＭＧが回転することに応じて、Ｎ極が対面したときは立ち上がり、Ｓ極が対面したときは立ち下がるような周期的なパルス状の信号を出力する。回転軸１０２ａの１回転で１周期の信号が出力される。従って、信号のパルス（立ち上がり等）をカウントすることで、回転軸１０２ａの回転数が求められる。

一方、９０度ずれて取り付けられたセンサＳＡ、ＳＢは、互いに位相がずれた波形の信号を出力するので、回転方向により、一方のセンサの波形に対して、他方のセンサの波形が進んだり遅れたりすることとなる。これを利用して、たとえば、図５（ａ）に示すように、センサＳＡの波形に対して、センサＳＢの波形の位相が進んだときは、図４において、環状マグネットＭＧが時計回り（ＣＷ）方向に回転していることがわかる。一方、図５（ｂ）に示すように、センサＳＡの波形に対して、センサＳＢの波形の位相が遅れたときは、図４において、環状マグネットＭＧが反時計回り（ＣＣＷ）方向に回転していることがわかる。従って、センサＳＡ、ＳＢの出力信号に基づいて、制御装置ＥＣＵは、移動軸１１７のストロークと移動方向とを精度良く求めることができる。

従来のセンサにおいては、バッテリーを取り外すことでメモリに記憶していた位置が消去されたり、アクチェータ内部のガタにより必要な位置がずれたりすることで、ホームポジションを見失う恐れがある。そこで、例えば船外機に付いているドグクラッチ８のニュートラル位置を検出するニュートラルスイッチＮＳ（図１）を利用して、それからのニュートラル位置における信号を制御装置ＥＣＵに入力すれば、その時点を基準としてセンサＳＡ、ＳＢからの出力信号をイニシャライズすることにより、移動させるべき移動軸１１７のストロークと移動方向とを決定し、高精度な位置決めを行うことができる。

例えば、図６に示すように、アクチュエータ１００に対して移動軸１１７が伸びたときは後進位置Ｒであり、縮んだ位置が前進位置Ｆであり、その中間の位置がニュートラル位置Ｎであるとする。ここで、図７に示すように、ニュートラルスイッチＮＳの信号立ち下がりエッジから、Ｔパルス目でドグクラッチ８が前進位置Ｆになるということを制御装置ＥＣＵが記憶する（学習制御する）ことで、そこを基点にしてより高精度な位置制御が可能となる。

尚、変形例として移動軸１１７の突き当て端においては、モータ１０２が静止することで、モータ１０２に供給される電流値が変化するため、図８に示すように、突き当て端を基点に位置制御を行なうことにより、その手前で移動軸１１７を静止させるなど、より高精度な位置制御を行っても良い。

次に、アクチュエータ１００の動作について説明する。ここで、傘歯車３ａが前進用傘歯車６と後進用傘歯車７のいずれにも常時噛合しているから、内燃機関が動作している限り、傘歯車３ａから動力を伝達された傘歯車６，７は互いに逆方向に回転している。しかしながら、ニュートラルの状態においては、図１に示すように、ドグクラッチ８がいずれの傘歯車６，７と係合していないので、出力軸３の動力は、プロペラ軸４に伝達されずプロペラ５は回転しないこととなる。

ここで、ニュートラルの状態から、操作者が不図示のレバーを前進方向に操作したものとする。すると、図２において、モータ１０２に所定の極性の電力が供給され、回転軸１０２ａが所定の方向に回転する。回転軸１０２ａの回転力は、第１ギヤ１０３，第２ギヤ１０５，第３ギヤ１０６を介してねじ軸１０７に伝達されるので、ねじ軸１０７の回転に応じてナット１１５が図４で左方へと変位する。ナット１１５が左方に変位すると、移動軸１１７が突出する方向に移動するので、図１においてリンク部材１１が枢動する。従って操作軸１０が所定の方向に回転し、不図示のカム機構を介してカム軸９が左方に移動し、ドグクラッチ８を前進用傘歯車６と係合させる。これにより出力軸３の動力を、傘歯車３ａ、６及びドグクラッチ８を介してプロペラ軸４に伝達し、プロペラ５を正回転させることができる。

一方、制御装置ＥＣＵは、センサＳＡ，ＳＢの信号を入力することにより、上述したようにして、ストロークと方向がわかるので、ねじ軸１０７が必要な回転量だけ回転したと判断すれば、モータ１０２への電力供給を停止させる。

これに対し、操作者が不図示のレバーを後進方向に操作したときは、図２において、モータ１０２に逆極性の電力が供給され、回転軸１０２ａが逆方向に回転するので、上述とは逆の動作で、アクチュエータ１００の移動軸１１７が引き込む方向に移動する。従って、図１においてリンク部材１１を介して操作軸１０が逆方向に回転し、不図示のカム機構を介してカム軸９が右方に移動し、ドグクラッチ８を後進用傘歯車７と係合させる。これにより出力軸３の動力を、傘歯車３ａ、７及びドグクラッチ８を介してプロペラ軸４に伝達し、プロペラ５を逆回転させることができる。

本実施の形態によれば、ホールＩＣであるセンサＳＡ，ＳＢから出力される、モータ１０２の回転軸１０２ａの回転に応じた信号のパルスをカウントすることにより、移動部材１１７のストロークを検出できるので、従来のようにポテンショメータを使用する場合に必要であったセンサ用ギヤを省略できるため、コンパクト化が可能となる。又、ストローク検出を信号のパルスのカウントのみで行えるため、安価でありながら温度の影響が受け難く高精度な検出を行える。加えて、センサＳＡ，ＳＢをモータハウジング１０２ｃ内に収容できるので、海水や燃料を被る恐れもないことから簡素な構造と出来、電磁波の影響も受けにくくなるため、システムとしての信頼性を向上させることも可能である。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明にかかるアクチュエータは、船舶用に限らず、車両用、一般産業機械用にも用いることができる。

本実施の形態にかかるアクチュエータを用いる船外機の概略図である。 本実施の形態にかかるアクチュエータの断面図である。 モータ１０２の内部構造の概略図である。 図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。 センサＳＡ、ＳＢの出力信号の波形を示す図であり、横軸は時間軸である。 移動軸の位置とドグクラッチの位置との関係を示す図である。 ニュートラルスッチの立ち下がりとセンサの出力波形とを比較して示す図である。 モータに供給される電流とセンサの出力波形とを比較して示す図である。

符号の説明

１ 船体
２ 船外機
２ａ ケーシング
２ｂ カウリング
３ 出力軸
３ａ 傘歯車
４ プロペラ軸
５ プロペラ
６ 前進用傘歯車
７ 後進用傘歯車
８ ドグクラッチ
９ カム軸
１０ 操作軸
１１ リンク部材
１２ ブリーザホース
１００ アクチュエータ
１０１ ハウジング
１０１Ａ ハウジング本体
１０１Ｂ カバー部材
１０１Ｃ モータブラケット
１０１ａ モータ室
１０１ｂ ねじ軸室
１０２ モータ
１０２ａ 回転軸
１０２ｂ モータの配線
１０２ｃ モータハウジング
１０２ｄ ロータ
１０３ 第１のギヤ
１０４ 長軸
１０５ 第２のギヤ
１０６ 第３のギヤ
１０７ ねじ軸
１０７ａ 雄ねじ溝
１１３ｂ センサの配線
１１４ 玉軸受
１１５ ナット
１１５ａ 雌ねじ溝
１１６ ボール
１１７ 移動軸
１１７ａ 袋孔
１１７ｂ 孔
１１８ ブッシュ
１１９ シール
１２０ シール部材
Ｂ ボルト
ＥＣＵ 制御装置
ＭＧ 環状マグネット
ＭＧｎ 半環状部
ＭＧｓ 半環状部
ＮＳ ニュートラルスイッチ

Claims (3)

1. 船舶の前後進切り換え機構を動作させるために被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、
   ハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられ、回転軸を有する電動モータと、
   前記回転軸から回転力を伝達されることにより、前記被駆動部材を駆動する駆動機構と、
   前記ハウジング内に配置され、前記電動モータの回転軸の回転に応じたパルス状の信号を出力するセンサと、
   前記センサからの出力に基づいて、前記被駆動部材のストロークと方向とを求める制御装置とを有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記センサは、前記電動モータに内蔵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。
3. 前記制御装置は、前記被駆動部材が前後進切り換え機構のニュートラル位置にあることを検出して学習制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。

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