JP4114876B2 - 減速機構付き電動モータ - Google Patents
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Description
このようなアクチュエータの減速機構は、モータの回転軸に取り付けられたウォームギヤから平歯車、ピニオンギヤにより減速され出力軸を駆動する構成が用いられる。出力軸にはワイパーアームを動作させるリンク機構や流路調節弁が取り付けられる。
このようなアクチュエータでは、ワイパアームや弁の揺動運動を行うにあたりより精度良く揺動運動を行うため、出力軸の回転位置を検出する必要がある。そのため、減速機構付き電動モータには、出力軸の回転角度を検出するためのセンサが設けられている。
また、出力軸の回転位置を検出する構成として非接触式のセンサも用いられる。このような減速機構付き電動モータとしては、特開2002−262515号公報に示すような、出力軸の絶対位置を示すためのセンサを設けたものが知られている。
これは、モータ回転軸に設けられた多極着磁磁石の磁気をホールセンサにより検出することで出力軸の相対位置を検出し、出力軸と一体に設けられた減速用歯車に磁石を取付け、その磁石の磁気をホールセンサで検出して出力軸の絶対位置を検出するものである。
ブラシを用いた構成では接触式であるために長寿命化、高信頼性化に限界があり、ブラシや印刷抵抗等のばらつきにより初期位置設定や位置検出の高精度化にも限界がある。
そのため、ホールセンサを用い非接触式で検出する構成が用いられる。この構成は非接触式であるため長寿命化や高信頼性といった面では有利だが、センサやマグネット、検出回路等が比較的高価になり低価格化について問題が残る。
また、空気調整装置等では一つの装置に対しいくつかのアクチュエータが用いられる。駆動する弁により回転角制御が異なるが、アクチュエータとしてはできるだけ汎用性を保つことが要求される。
本願発明の目的は、これら課題を解決し長寿命、高信頼を有しつつ高精度に出力軸の初期設定や回転位置検出ができ、また小型化、低価格化可能な減速機構付き電動モータを提供するものである。
この構成によれば、2つのセンサで検出される同一周期、異なる位相の検出出力が操作手段によりレベルが切り換えられ、例えばセンサ信号の出力ラインを接地する等で所定時間ゼロとなる。すなわち、2つの出力ラインの信号レベルがゼロになることを検出し、出力軸の位置を初期位置と設定することができるアクチュエータの構成である。出力軸の初期位置を設定することにより、2つの磁気センサからの出力を利用して出力軸の絶対位置を検出することが可能となる。
ここで、磁気センサとしては磁気に応じたアナログ信号を出力するホールセンサや、波形整形回路が組み込まれ矩形波のパルス信号を出力するホールIC等を用いることができる。また、信号レベルを切り換える手段としてはマイクロスイッチやバネ状接点のような機械的スイッチ、トランジスタ等の電気的スイッチを用いることができる。
さらに、操作部の構成は、切換手段を機械的スイッチとしたとき出力軸と一体に回転する凸状体としたり、電気的スイッチとしたとき出力軸と一体に回転する磁石片で構成する。凸状体でスイッチを操作したり、電気的スイッチをホールセンサとして磁石片により所定の信号を出力することで2つの出力ラインのレベルを切り換えるものである。
また、操作部としての凸部や磁石片を出力軸と一体に設け、環状磁石を減速段の中間に設けることで、出力軸の位置が精度良く検出できるものである。
本願発明では、2つの磁気センサの出力ラインで送られる同一周期、異なる位相の信号を、出力軸と一体に回転する操作手段で所定時間一定のレベルとし、その一定レベルになったことを検出して出力軸の初期位置を設定する。各請求項の構成はそのために用いられる減速機構付き電動モータの構成を示すものである。
特に、位置検出のための新たな信号が不要なため、例えば制御用IC等の信号入力端子が不要であり、出力軸の位置検出が簡単な構成で可能となる。
図1は減速機構付き電動モータとして、例えば車載用空調装置等に用いるアクチュエータの正面図を示し、ハウジングの一部の記載を省略して内部構成を示したものである。
図2は図1に示すアクチュエータの側面図で、要部断面をハッチングで示したものである。
図3は本願発明の特徴となる構成を抜き出し、(イ)にその正面図、(ロ)に側面図を示したものである。
図4は本願発明の構成による回路図を示し、(イ)に第一実施例、(ロ)に第二実施例を示す。
図5は図4に示す回路図の信号を示した図である。
アクチュエータ1は下ケース2と上ケース3により箱状に形成され、内部に駆動用モータ22、減速歯車列となるウオームギヤ11、第一中間ギヤ12、第二中間ギヤ13および出力軸14cを有する出力ギヤ14、そして印刷配線基板で形成された基板21が収容されている。基板21は減速ギヤの回転を検出するための回路を構成する。
下ケース2はケースの底面を構成する底板2aとその底板2aの外周に形成された外周壁2bにより浅いカップ状に形成され、外周壁2bにはこのアクチュエータ1を各種装置へ取り付けるための取付フランジ2dが設けられている。上ケース3は図を見やすくするため破線でその外形を示し、説明を省略する。
このアクチュエータ1の減速歯車列は、モータ22の回転軸22cに取り付けられたウオームギヤ11、第一中間ギヤ12、第二中間ギヤ13および出力ギヤ14で構成されている。第一中間ギヤ12、第二中間ギヤ13はそれぞれ底板2aに形成された支持ボス2i、2hに回転支持されている。
第一中間ギヤ12は大ギヤ12aと小ギヤ12bが一体に形成され、所定の減速比になるよう歯数が決定される。また、第二中間ギヤ13も同様に大ギヤ13aと小ギヤ13bで形成されている。
ウオームギヤ11は第一中間ギヤ12の大ギヤ12aと噛み合い、小ギヤ12bが第二中間ギヤ13の大ギヤ13aと噛み合う。さらに、第二中間ギヤ13は小ギヤ13bが出力ギヤ14の大ギヤ14aと噛み合う。第一中間ギヤ12から出力ギヤ14までは平歯車とピニオンギヤが用いられ、それらの回転軸は底板2aに対し垂直でそれぞれ平行している。
基板21は印刷配線板で、モータへ駆動電流を供給する回路パターンが形成され、また減速歯車や出力ギヤの回転を検出するホールIC31、32が搭載され、そのための回路も形成されている。基板21にはまた、このアクチュエータ1を制御する制御機器からの信号や電源等を接続するコネクタ21bが取り付けられ、下ハウジング2にはコネクタを固定する取付リブ2cが形成されている。
この基板21は、出力ギヤ14の大ギヤ14aと第二中間ギヤ13の大ギヤ13aの間に挟まれるよう配置され、基板取付軸2fにより底板2aに固定されている。磁気センサとしてのホールICが搭載される部分は第二中間ギヤ13が回転軸方向で重なる領域に配置される。
第二中間ギヤ13は出力ギヤ14の大ギヤ14aと噛み合うために円柱状に形成された小ギヤ13bと、小ギヤ13bの片端部に円盤鍔状に形成されたフランジ部13dおよびフランジ部13dの外周に形成され、第一中間ギヤ12と噛み合う大ギヤ13aで形成されている。
フランジ部13dの基板21側には、回転軸と同心に円周方向で複数のNS極が形成された環状磁石16とヨーク板17が取り付けられている。ヨーク板17は環状磁石16とフランジ部13dの間に配置され、環状磁石16の磁束を後述のホールICに作用
させるためのバックヨークとして機能している。本実施例では磁極は24極とし、約15度の着磁開角で環状に磁石を構成している。
フランジ部14dの第二中間ギヤ13側には、出力軸のDカットやIカットの位置に合わせた凸片18が形成されている。この凸片は樹脂製出力ギヤ14のフランジ部14dに矩形状に突出させて形成している。
基板21は軸方向に対して第二中間ギヤ13と出力ギヤ14の間に位置し、それぞれのフランジ部13d、14dと平行になるよう取り付けられる。軸方向から見て第二中間ギヤ13と出力ギヤ14が重畳する部分には第一開孔21cが設けられ、その近傍にさらに第二開孔21dが設けられている。
また、基板21には、この突片18の旋回円周上で第二中間ギヤ13の外側に、凸片18により押圧されるスイッチ金具23が取り付けられている。スイッチ金具23はバネ性と導通性のある金属板で、頂部23aを有するほぼ二等辺の山形に形成されている。その一端部23bは基板上の接地パターン21gに接続され、半田付け、リベット等で基板21に固定される。
出力ギヤ14が回転して凸片18がスイッチ金具23の位置にきたとき、凸片18はスイッチ金具23の二等辺傾斜部から頂部23aを押圧して他端部23cを接続パターン21e、21fに接続させる。
ホールIC31、32は電源31c、32cにより駆動され内部にホール素子と波形整形回路を有するICで、同一周期、異なる位相で環状磁石16の磁極による磁気を検出し矩形波311、322を検出出信号として出力端子31a、32aから出力する。出力端子31a、32aは基板上の印刷配線(図示せず)を介して制御用IC33の入力端子33a、33bに接続されている。接続パターン21e、21fはホールIC31、32の出力端子31a、32aと制御用IC33の入力端子33a、33bの間に設けられている。
制御用ICでは入力された矩形波331、332により第二中間ギヤ13の回転(すなわち出力軸14c)の回転およびその回転方向を検出する。
なお、この制御用IC33は基板21上に配置しても良いし、アクチュエータ1の外部回路へ設け基板21とコネクタ21bを介して接続しても良い。
ここで、凸片18がスイッチ金具23の位置にないとき(範囲t1)、ホールIC31、32の出力波形331、332は同一周期で異なる位相の矩形波となる。
凸片18がスイッチ金具23の位置にきてスイッチ金具23を押圧し他端部23cが接続パターン21e、21fに接触すると、ホールICの出力端子31aと32aは接地パターン21gと短絡することになる(範囲t2)。そうすると、短絡した時点tでホールIC31、32の両出力が接地され制御用ICへはL信号が入力される。
凸片18がスイッチ金具23から離れると、他端部23cが接続パターン21e、21fから離れ、ホールIC31、32の両出力は再び矩形波として入力端子33a、33bから制御用IC33へ送られることになる。制御用ICにおいて、所定時間出力波形331、332の入力がLであるとき、その期間は凸片18がスイッチ金具23の位置にあると判断し、その位置を初期位置とするよう設定する。
この構成ではスイッチ金具23の取り付け位置を治具等で正確に位置決めしたり、また出力波形331、332の周波数を高くすることで初期位置を高精度化できる。そのため環状磁石は出力軸ギヤではなく回転数の高い中間ギヤやモータ軸に取り付けると良い。
また、出力ラインが接地される時間(範囲t2)は凸片18の形状で調整できる。例えば凸片18を矩形状にせず先端のとがった山形にすると時間(範囲t2)を短くできる。
この構成では凸片18の代わりに磁石片を用い、スイッチ金具23のかわりにホールIC34を用いるものである。ホールIC34の取り付け位置はスイッチ金具23と同じ位置で、磁石片も凸片18と同じ位置に取り付ける。磁石片はギヤの回転軸方向にN、S一極ずつ着磁されている。
そして、このホールIC34では磁石片の磁気を検出したときL信号を出力するものとする。ホールICの出力端子34aはダイオードD1、D2を介してそれぞれ接続パターン21e、21fに接続される。
このような構成とすれば、磁石片がホールIC34の位置にきたとき(範囲t2)ホールIC34はL出力となり、制御用IC33へ入力される信号もその間L信号となる。
また、例えば第一の実施例のように構成すれば、部品として接点金具のみ追加すれば良く、安価で簡単な構成により出力軸の初期位置設定が可能となり、出力軸の位置を検出することが可能となる。
また、ホールICはアナログ出力のホール素子でも、そのアナログ出力を接地してレベルを変えることが可能である。さらに制御用ICはアクチュエータ内に収納しても良いしアクチュエータ外部に設けても良いことはもちろんである。
2 下ハウジング
13 第二中間ギヤ
14 出力ギヤ
14c 出力軸
16 環状磁石
18 凸片
21 基板
23 スイッチ金具
31 第一ホールIC
32 第二ホールIC
Claims (5)
- モータ回転軸から出力軸のあいだに複数段の減速歯車列を有する減速機構付き電動モータにおいて、一つの歯車と一体に回転しその回転円周上に等間隔で複数の磁極が着磁された環状磁石と、その環状磁石の磁気を同一周期の異なる位相で検出し検出に応じた信号を出力する2つの磁気センサを有し、前記2つの磁気センサの出力ラインで送られる同一周期、異なる位相の信号を、前記出力軸と一体に回転する操作手段で所定時間一定のレベルとし、前記一定レベルになったことを検出して前記出力軸の初期位置を設定することを特徴とする減速機構付き電動モータ。
- 前記操作手段が凸状体であり、該凸状体により前記出力ラインを接地させるスイッチが操作されることを特徴とする請求項1記載の減速機構付き電動モータ。
- 前記操作手段が磁石片であり、該磁石片の磁気を検出して所定レベルの信号を出力する他の磁気センサを有し、この磁気センサがダイオードを介して前記出力ラインに接続されていることを特徴とする請求項1記載の減速機構付き電動モータ。
- 前記複数段の減速歯車列間の一つの平歯車と、その一つの平歯車と回転軸が平行で前記出力軸と一体の他の平歯車との間に、これら平歯車と平行に印刷配線基板が配され、前記環状磁石は前記一つの平歯車に設けられ、前記2つの磁気センサは前記印刷配線板に配され、前記スイッチは前記印刷配線板に印刷形成された前記出力ライン各々に接続されていることを特徴とする請求項2記載の減速機構付き電動モータ。
- 前記複数段の減速歯車列間の一つの平歯車と、その一つの平歯車と回転軸が平行で前記出力軸と一体の他の平歯車との間に、これら平歯車と平行に印刷配線基板が配され、前記環状磁石は前記一つの平歯車に設けられ、前記2つの磁気センサは前記印刷配線板に配され、前記他の磁気センサは前記印刷配線板に印刷形成された前記2つの磁気センサの出力ライン各々に接続されていることを特徴とする請求項3記載の減速機構付き電動モータ。
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