JP4166499B2

JP4166499B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP4166499B2
Application number: JP2002126201A
Authority: JP
Inventors: 雅人中村
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003322233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータに関し、特に、電動送りねじ式アクチュエータに係り、例えば、医療用ベッドの寝床を起立させたり倒伏させたりするのに利用して有効なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用ベッドにおいては患者の寝食の負担を軽減するために、ベッドの寝床を電動送りねじ式アクチュエータによって起立させたり倒伏させたりすることが実施されている。
【０００３】
医療用ベットに使用される従来のアクチュエータとして、ハウジングに連結されたモータと、ハウジングに回転自在に支承された送りねじ軸と、モータの出力軸と送りねじ軸との間に介設されてモータの出力軸の回転を減速して送りねじ軸に伝達する減速装置と、送りねじ軸に進退自在に螺合されたナットと、このナットに一体移動するように連結された移動筒と、この移動筒のハウジング側端部の外側に摺動自在に嵌合されてハウジング側の端部がハウジングに支持された支持筒とを備えており、移動筒の前側端部が負荷である寝床に連結されるように構成されているものがある。
【０００４】
このような医療用ベッドに使用されるアクチュエータにおいては、移動筒を前進限界位置や後退限界位置において確実に停止させるために移動筒の現在の位置を検出する必要がある。移動筒の現在の位置を検出するように構成したアクチュエータとして、例えば、特開平９−１９０２２５号に示されているように、送りねじ軸の回転を減速歯車群を介して減速して伝達される回転軸と、この回転軸に螺設したねじ部に螺合され減速回転により回転軸の軸方向に沿って移動する移動体と、この移動体の移動に追従してその抵抗値を可変させる摺動抵抗器（ポテンショメータ）とから構成された駆動位置検出手段（ポテンショセンサ）を備えているもの、がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した駆動位置検出手段が搭載されたアクチュエータにおいては、送りねじ軸の回転が回転軸に減速歯車群を介して減速して伝達されるように構成されているため、ハウジングの径方向および軸方向の寸法が大きくなってしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、ハウジングが大きくなるのを防止しつつ移動筒の現在の位置を検出することができるアクチュエータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアクチュエータは、ハウジングに連結されたモータと、
前記ハウジングに回転自在に支承された送りねじ軸と、
前記モータの出力軸と前記送りねじ軸との間に介設されて前記モータの出力軸の回転を減速して前記送りねじ軸に伝達する減速装置と、
前記送りねじ軸に進退自在に螺合されたナットと、
このナットに一体移動するように連結された移動筒と、
前記送りねじ軸の回転数に基づいて前記移動筒の位置を検出するポテンショセンサとを備えているアクチュエータにおいて、
前記ポテンショセンサは、前記送りねじ軸と同期回転するキャリアと、
このキャリアの外周に突設された突起に係合して間欠回転されるセンサ歯車と、
このセンサ歯車が固定された回転軸と、
この回転軸の回転に追従して抵抗値を可変させるポテンショメータとを備えており、
前記ポテンショメータは、前記ハウジングの側面に被せ付けられたモータコードカバーに、前記回転軸が前記キャリアの中心軸と平行になるように設置されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
前記した手段においては、送りねじ軸の回転はキャリアの突起およびセンサ歯車を介してポテンショメータの回転軸に間欠的に伝達されるため、減速回転歯車群を省略することができ、ハウジングの径方向および軸方向の寸法の増加を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【００１０】
図１に示されているように、本実施の形態に係るアクチュエータは、医療用ベッド（以下、ベッドという。）の寝床を起伏させるためのものとして構成されている。すなわち、アクチュエータ１０の固定端側になるハウジング１１はベッド１のフレーム２に枢軸３によって回転自在に枢支されており、アクチュエータ１０の自由端側になる後記する移動筒６２の先端は寝床４を起伏させるためのリンク５に後記する連結ピン７２によって回転自在に連結されている。アクチュエータ１０が短縮した状態で、ベッド１の寝床４は図１（ａ）に示されているように水平に倒伏されており、アクチュエータ１０が伸長すると、寝床４は図１（ｂ）に示されているように起立されるようになっている。
【００１１】
図２に示されているように、アクチュエータ１０は大略円筒形状に形成されたハウジング１１を備えており、ハウジング１１の外周面における筒心に直交する位置には一対の支持穴１２、１２（図１参照）が開設されている。ハウジング１１の一端（以下、後端とする。）にはモータ２０が同心に配置されて連結されている。図３に示されているように、モータ２０のヨーク２１は外径がハウジング１１の外径と等しく（必ずしも等しくする要はない。）、かつ、一端が閉塞した円筒形状に形成されており、ハウジング１１の後端部に印籠結合されている。ヨーク２１の内周面には複数個のマグネット２２が環状に配置されて固定されており、ヨーク２１のハウジング１１側の開口部には一対のブラシホルダ２３、２３が設置されたブラシホルダステー２４が被せ付けられている。ヨーク２１の閉塞壁とブラシホルダステー２４との間の中心線上には出力軸２５が架設されており、出力軸２５にはアーマチュア２６とコミテータ２７とが固定されている。出力軸２５はヨーク２１の閉塞壁に嵌入された軸受メタル２８と、後記する内歯車３３のホルダ部３５に嵌入された転がり軸受２９およびオイルシール３０とによって回転自在に支承されており、コミテータ２７にはブラシホルダステー２４に保持されたブラシホルダ２３、２３のブラシが摺接されている。
【００１２】
ハウジング１１の後端部には遊星歯車装置３１を収納するための収納室１３が円柱形の穴形状に同心円に形成されており、収納室１３には遊星歯車装置３１が後端の開口部から挿入されて収納されている。図４に示されているように、遊星歯車装置３１は太陽歯車３２と内歯車３３と三個の遊星歯車３４とを備えており、太陽歯車３２は出力軸２５の先端部に一体的に形成されている。内歯車３３は収納室１３に嵌入されて回り止めされており、内歯車３３の後端部に突設されたホルダ部３５には転がり軸受２９およびオイルシール３０が嵌入されて保持されている。三個の遊星歯車３４は太陽歯車３２と内歯車３３との間に周方向に等間隔に配置されて噛合されており、太陽歯車３２、内歯車３３および各遊星歯車３４は軸方向の力が作用しないように平歯車にそれぞれ形成されている。
【００１３】
収納室１３の内歯車３３の奥には転がり軸受３６が嵌入されており、転がり軸受３６は二段円柱形状に形成されたキャリア３７を回転自在に支承している。キャリア３７の遊星歯車装置３１側の端面には三本の支持穴３８が同心円上で周方向に等間隔に配置されて軸方向に平行に没設されており、各支持穴３８には支持軸３９の一端部がそれぞれ圧入されている。各支持軸３９には各遊星歯車３４がそれぞれ回転自在に支承されており、キャリア３７は遊星歯車３４の太陽歯車３２に対する公転に伴って一緒に回転するようになっている。キャリア３７の中心線上には送りねじ軸５０の後端部が挿入されており、送りねじ軸５０の挿入端部はセレーション結合部４０によって軸方向への若干の移動を許容しつつ、キャリア３７と一体回転するように連結されている。キャリア３７の外周には突起４１が突設されている。
【００１４】
図３に示されているように、ハウジング１１における遊星歯車装置３１の外側の一部（以下、下部とする。）には、後記する移動筒６２の現在の位置を検出するポテンショセンサ４２が設置されている。図５に示されているように、ポテンショセンサ４２は回転軸４４の回転に追従して抵抗値を可変させて電気信号に変換するポテンショメータ（摺動抵抗器）４３を備えており、ポテンショメータ４３はハウジング１１の下部に被せ付けられたモータコードカバー４７に回転軸４４がキャリア３７の中心線と平行になるように設置されている。ポテンショメータ４３の回転軸４４の先端部にはセンサ歯車４５が直交して固定されており、図４に示されているように、センサ歯車４５にはキャリア３７の外周に突設された突起４１が、キャリア３７の一回転毎に係合するようになっている。さらに、センサ歯車４５にはモータコードカバー４７に突設された空回り防止爪４６の先端部が噛合されており、センサ歯車４５は空回り防止爪４６によって回り止めされるようになっている。ちなみに、モータコードカバー４７にはモータ２０に電力を供給するためのモータコード４８が挿通されている。
【００１５】
図２および図３に示されているように、送り用雄ねじ部５１が形成された送りねじ軸５０はハウジング１１の前端部に形成された支持穴１４の開口からキャリア３７に挿入されて、セレーション結合部４０によって結合されている。送りねじ軸５０における送り用雄ねじ部５１の後ろ側の後端部の外周には、鍔付きの円筒形状に形成されたホルダ５２が嵌合されて、ストッパ５３によって位置規制されており、ホルダ５２の外周にはハウジング１１の支持穴１４に嵌入された転がり軸受１５が嵌合されている。他方、送りねじ軸５０の前端部の外周にはスライダ５４が嵌合されており、スライダ５４の外周面は後記する移動筒６２の内周面に摺接されている。
【００１６】
ハウジング１１の前端部には雌ねじ部１７が形成されており、雌ねじ部１７には細長い円筒形状の支持筒６０の後端部の外周に形成された雄ねじ部６１がねじ込まれている。支持筒６０の後端面と転がり軸受１５との間にはシール部材１６が挟み込まれている。支持筒６０には支持筒６０よりも細長い円筒形状に形成された移動筒６２の後端部が摺動自在に嵌入されており、移動筒６２の中空部の後端部に刻設された雌ねじ部６３にはナット６４の外周に刻設された雄ねじ部６５が螺入され、ピン６６によって固定されている。ナット６４には送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１が相対的に進退自在に螺入されており、負荷側逆回転作用力を小さく抑制するために、送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１のリード角は通常のリード角よりも小さく設定されている。送りねじ軸５０の外周に嵌合されたスライダ５４が移動筒６２の内周面に摺接されることにより、送りねじ軸５０の前端部は移動筒６２に摺動自在かつ回転自在に支承されている。
【００１７】
図２に示されているように、移動筒６２の中空部の前端部には位置調節用雌ねじ部６７が刻設されており、移動筒６２の位置調節用雌ねじ部６７の中央位置には筒心方向に長い長孔６８が一対、互いに対向されて筒心方向に延在するようにそれぞれ開設されている。位置調節用雌ねじ部６７には連結具６９が筒心方向に進退自在に螺入されており、連結具６９の中央部には連結ピン７２を挿通するための連結孔７０が軸心と直交する方向に貫通されて開設されている。連結具６９の前端部にはスパナ等の工具を係合するための工具係合部７１が形成されている。連結具６９は工具係合部７１を反対方向に向けた状態で移動筒６２の位置調節用雌ねじ部６７に螺入されている。この状態において、連結具６９は移動筒６２の前端部に軸心方向の位置を調節可能に装着された状態になっているとともに、その回転位置を調節されることによって連結孔７０が両長孔６８、６８に位置合わせされる状態になっている。連結孔７０の外径と両方の長孔６８、６８の短手方向の幅とは等しく設定されているとともに、連結ピン７２の外径に略等しく設定されている。連結ピン７２は長孔６８、連結孔７０に挿通可能に設定されているとともに、ベッドの寝床側のブラケットに開設された連結孔（図示せず）にも挿通可能に設定されており、挿通された状態でブラケットの外側において抜け止めされるように構成されている。
【００１８】
なお、連結具６９がベッドの寝床側に連結されることによって、ナット６４および移動筒６２は支持筒６０に対して回り止めされた状態となるため、移動筒６２はナット６４の回転運動に対して回転を阻止する状態になり、ナット６４の進退運動に伴って支持筒６０に対して直線運動する状態になる。
【００１９】
以下、作用を説明する。
【００２０】
アクチュエータ１０はベッド１に図１に示されているように組み付けられる。アクチュエータ１０がベッド１に組み付けられた後に、図１（ａ）の状態から、モータ２０が正方向に回転運転されると、出力軸２５の回転が遊星歯車装置３１およびキャリア３７を介して送りねじ軸５０に減速されて伝達される。送りねじ軸５０が正方向に回転されると、ナット６４は支持筒６０に沿って前進される状態になるため、ナット６４に連結された移動筒６２は支持筒６０から押し出されて行く。移動筒６２の前進によって移動筒６２の連結具６９に連結されたベッド１の寝床４が起立されて行く。
【００２１】
出力軸２５の回転力を減速して伝達するキャリア３７の回転数は、ポテンショセンサ４２によって計数されてベッド１の作動を制御するコントローラに送信される。すなわち、キャリア３７が回転すると、キャリア３７に突設された突起４１はキャリア３７の一回転毎にポテンショセンサ４２のセンサ歯車４５を一個の歯ずつ送り回転させることにより、ポテンショセンサ４２の回転軸４４を間欠的に回転させるため、ポテンショセンサ４２はキャリア３７の回転数を減速した状態で計測することになる。このようにポテンショセンサ４２はキャリア３７の回転数を比例的に間引いて計測することにより、センサ歯車４５の歯の数を小さく設定することができるため、減速歯車群を廃止したこととあいまって、アクチュエータ１０の外径を小さく抑制することができる。しかも、移動筒６２の有効ストロークを長く設定することができる。
【００２２】
例えば、図６（ａ）に示されているように、ポテンショメータ４３の有効ストロークＬが１５ｍｍであり、移動筒６２の有効ストロークが１５０ｍｍである場合においては、移動筒６２の有効ストロークの１５０ｍｍをポテンショメータ４３の有効ストロークの１５ｍｍの範囲内にて計測するには、移動筒６２の移動量を「１０分の１」に縮小させる必要がある。送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１のリード角によって定まる「１ｍｍ当たりの回転数」が１０回転に設定されている場合においては、「１ｍｍ」を「１０分の１」に縮小するには１０回転を１回転に減速しなければならないため、送りねじ軸５０の１０回転をポテンショメータ４３の回転軸４４の１回転に減速する減速歯車群の減速比は「１０分の１」になる。今、説明を簡単にするために一段式の減速歯車群の減速比を検討する。歯車の歯の数は直径に略依存するから、送りねじ軸側の原動歯車の直径が２０ｍｍであると仮定すると、ポテンショメータ側の従動歯車の直径は２００ｍｍにもなってしまう。すなわち、ポテンショセンサを設置するためのハウジングの径方向の寸法はきわめて大きなものとなってしまう。そして、径方向の寸法を抑えるために、減速歯車群の段数を増やすと、軸方向の寸法が大きくなってしまう。
【００２３】
本実施の形態においては、送りねじ軸５０が１回転した時に、キャリア３７に突設された突起４１によってセンサ歯車４５の歯が１個だけ送られるように構成されている。すなわち、センサ歯車４５の歯の数が１０個に設定されている場合には、送りねじ軸５０が１０回転した時にセンサ歯車４５が１回転する。そして、センサ歯車４５すなわち回転軸４４が１回転したときにポテンショメータ４３が０．１ｍｍだけ移動するように設定することにより、移動筒６２の有効ストロークの１５０ｍｍはポテンショメータ４３の有効ストロークの１５ｍｍに縮小されたことになる。
【００２４】
図６（ｂ）はポテンショメータのポテンショ電圧と移動筒のストロークとの関係を示すグラフであり、縦軸にはポテンショ電圧が取られ、横軸には移動筒のストロークが取られている。ポテンショ電圧はポテンショメータ４３の摺動量に比例するため、ポテンショ電圧の最大値と最小値との間をポテンショメータの有効ストロークに対応させることにより、ポテンショ電圧値によって移動筒６２の現在の位置を表示させることができる。
【００２５】
移動筒６２の所定の位置に対応するポテンショ電圧を検出すると、コントローラはモータ２０を止める。モータ２０の運転が停止されると、ベッド１の寝床４の荷重（患者の体重等）がナット６４に後退させる方向の力として移動筒６２を介して作用する状態になる。このため、送りねじ軸５０には移動筒６２すなわち負荷側から逆回転させようとする負荷側逆回転作用力が、送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１の作用によって加わる状態になる。送りねじ軸５０に加わった負荷側逆回転作用力は遊星歯車装置３１を介してモータ２０の出力軸２５に伝達されようとするが、本実施の形態においては、送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１のリード角が小さく設定されていることにより、負荷側逆回転作用力自体が小さく抑制されるため、負荷側逆回転作用力によってはモータ２０の出力軸２５を確実に回転させることができない。したがって、アクチュエータ１０はベッド１の寝床４の荷重を常時確実に支持することができる。
【００２６】
次に、モータ２０が逆方向に回転運転されると、出力軸２５の逆回転駆動力は遊星歯車装置３１を介して送りねじ軸５０に伝達される。送りねじ軸５０が逆回転駆動されると、送りねじ軸５０の送り用雄ねじ部５１に進退自在に螺合されて支持筒６０に対して回り止めされたナット６４は支持筒６０に沿って後退される状態になるため、ナット６４に連結された移動筒６２は支持筒６０に引き込まれて行く。この移動筒６２の後退によって、移動筒６２の連結具６９に連結されたベッド１の寝床４が倒伏されて行く。このときも、移動筒６２の現在の位置がポテンショセンサ４２によって検出されている。
【００２７】
寝床４が図１（ｂ）に示されているように元の位置に倒伏されると、ポテンショセンサ４２の検出に基づいてモータ２０が自動的に停止される。そして、ナット６４が元の後退位置に戻った状態において、通常、寝床４はベッド１のフレーム２によって機械的に支持されるため、ベッド１の寝床４すなわち負荷側からの逆回転力が送りねじ軸５０に加わることは無い。但し、ベッド１の寝床４が倒伏した状態で、負荷側逆回転作用力が送りねじ軸５０に常に加わったとしても、前述した作用によって送りねじ軸５０の逆回転は確実に防止される。
【００２８】
本実施の形態によれば、次の効果が得られる。
【００２９】
1) ポテンショメータの回転軸に送りねじ軸と同期回転するキャリアの外周に突設された突起に係合して間欠回転されるセンサ歯車を固定することにより、送りねじ軸が回転した時にキャリアに突設された突起によってセンサ歯車の歯を１個だけ進めさせることができるため、移動筒の有効ストローク長をポテンショメータの有効ストローク長に縮小することができる。
【００３０】
2) 送りねじ軸の回転がキャリアの突起およびセンサ歯車を介してポテンショメータの回転軸に間欠的に伝達されるように構成することにより、減速歯車群を省略することができるため、送りねじ軸とポテンショメータの回転軸との間に減速歯車群を介設する場合に比べて、ハウジングの径方向および軸方向の寸法を大幅に低減することができる。
【００３１】
3) センサ歯車に空回り防止爪を係合させることにより、キャリアの突起がセンサ歯車の歯から離れた時のセンサ歯車の空回りを防止することができるため、ポテンショメータのポテンショ電圧による移動筒の現在位置の表示精度の低下を防止することができる。
【００３２】
4) 移動筒を進退させる送りねじ軸と、送りねじ軸を回転駆動するモータの出力軸とを一直線上に配置し、送りねじ軸と出力軸と間にはモータの出力軸の回転を減速して送りねじ軸に伝達する遊星歯車装置を介設することにより、アクチュエータを全体的に一直線形状に構成することができるため、アクチュエータのサイズや重量を小さく抑制することができる。
【００３３】
5) 送りねじ軸のリード角を小さく設定することにより、ブレーキ装置やワンウエイクラッチ等を介設しなくとも、負荷側逆回転作用力によって送りねじ軸が回転されてしまうのを防止することができる。
【００３４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【００３５】
例えば、キャリアの外周に突設する突起の数は１個に限らず、２個以上であってもよく、突起の数を調整することにより、キャリアとセンサ歯車との間の減速比に相当する間引き率を適宜に設定することができる。
【００３６】
前記実施の形態においては、アクチュエータが医療用ベッドに使用される場合について説明したが、本発明に係るアクチュエータはこれに限らず、自動車電装品等の用途にも適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ハウジングが大きくなるのを防止しつつ移動筒の現在の位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるアクチュエータが使用された医療用ベッドの要部を示す正面図であり、（ａ）は倒伏状態を、（ｂ）は起立状態を示している。
【図２】本発明の一実施の形態であるアクチュエータを示す一部切断側面図である。
【図３】主要部を示す一部切断側面図である。
【図４】遊星歯車装置を示しており、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図である。
【図５】ポテンショセンサを示す斜視図である。
【図６】（ａ）はポテンショメータを示す電気回路図であり、（ｂ）はポテンショメータのポテンショ電圧と移動筒のストロークとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ベッド（医療用ベッド）、２…フレーム、３…枢軸、４…寝床、５…リンク、１０…アクチュエータ、１１…ハウジング、１２…支持穴、１３…収納室、１４…支持穴、１５…転がり軸受、１６…シール部材、１７…雌ねじ部、２０…モータ、２１…ヨーク、２２…マグネット、２３…ブラシホルダ、２４…ブラシホルダステー、２５…出力軸、２６…アーマチュア、２７…コミテータ、２８…軸受メタル、２９…転がり軸受、３０…オイルシール、３１…遊星歯車装置、３２…太陽歯車、３３…内歯車、３４…遊星歯車、３５…ホルダ部、３６…転がり軸受、３７…キャリア、３８…支持穴、３９…支持軸、４０…セレーション結合部、４１…突起、４２…ポテンショセンサ、４３…ポテンショメータ、４４…回転軸、４５…センサ歯車、４６…空回り防止爪、４７…モータコードカバー、４８…モータコード、５０…送りねじ軸、５１…送り用雄ねじ部、５２…ホルダ、５３…ストッパ、５４…スライダ、６０…支持筒、６１…雄ねじ部、６２…移動筒、６３…雌ねじ部、６４…ナット、６５…雄ねじ部、６６…ピン、６７…位置調節用雌ねじ部、６８…長孔、６９…連結具、７０…連結孔、７１…工具係合部、７２…連結ピン。

Claims

ハウジングに連結されたモータと、
前記ハウジングに回転自在に支承された送りねじ軸と、
前記モータの出力軸と前記送りねじ軸との間に介設されて前記モータの出力軸の回転を減速して前記送りねじ軸に伝達する減速装置と、
前記送りねじ軸に進退自在に螺合されたナットと、
このナットに一体移動するように連結された移動筒と、
前記送りねじ軸の回転数に基づいて前記移動筒の位置を検出するポテンショセンサとを備えているアクチュエータにおいて、
前記ポテンショセンサは、前記送りねじ軸と同期回転するキャリアと、
このキャリアの外周に突設された突起に係合して間欠回転されるセンサ歯車と、
このセンサ歯車が固定された回転軸と、
この回転軸の回転に追従して抵抗値を可変させるポテンショメータとを備えており、
前記ポテンショメータは、前記ハウジングの側面に被せ付けられたモータコードカバーに、前記回転軸が前記キャリアの中心軸と平行になるように設置されている、
ことを特徴とするアクチュエータ。
前記センサ歯車には空回り防止爪が係合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。