JP2014188317A - ベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静粛性が高く、睡眠中でも安眠を妨げることなくベッドを動作可能なベッド用リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】リニアアクチュエータ１はモータ３４を動力源とし、コントローラ８１にて駆動制御される。リニアアクチュエータ１には、ウォーム３６及びウォームホイール４１を介してモータによって正逆回転されるシャフト２６と、シャフト２６に螺合装着されたスクリューナット２９と、スクリューナット２９に固定されシャフト２６の回転に伴って進退するピストンチューブ１０が配されている。コントローラ８１は、作動音による安眠妨害及びスパイクノイズによるノイズ障害を防止し、タイムディレーによる応答遅れを無くすべく、モータ３４に対する電源供給系としてＦＥＴ８３を使用したモータドライバ８２を有する。モータドライバ８２は、モータ３４が被動側から回動されると回生制動を行いピストンチューブ１０の動きにブレーキをかける。
【選択図】図７

Description

本発明は、電動式ベッドの駆動源として使用されるベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置及び制御方法に関する。

医療・介護の分野では、患者や要介護者の寝食等の負担を軽減するため、ベッドの背ボトムや膝ボトムを傾斜・昇降可能に構成した電動式ベッドが広く使用されている。このような電動式ベッドでは、小型で大きな駆動力が得られることから、電動送りねじ式のリニアアクチュエータが用いられている。例えば、特許文献１には、電動モータの回転をウオーム・ウオームホイールにて減速しつつ駆動シャフトに伝達し、その回転をボールねじ機構を用いて直線運動に変換してピストンを伸縮させるリニアアクチュエータが記載されている。

特許文献１のリニアアクチュエータは、ベッドの背ボトムのリクライニングに使用され、ベッドのリンク機構に接続される。そして、アクチュエータのピストンが伸びると、リンク機構が広がり、ベッドの背ボトムが起き上がって傾斜状態となる（図１（ｂ）参照）。一方、ピストンが縮むと、リンク機構が畳まれ、背ボトムが水平位置に倒されてベッドが平面状態となる（図１（ａ）参照）。

特開2007-187279号公報

一方、従来のベッド用リニアアクチュエータでは、モータの電源供給にリレーが使用されており、リレーのＯＮ／ＯＦＦによってモータの駆動制御が行われている。しかしながら、このようなリレーを用いた駆動制御装置では、モータ動作の際にリレー作動音が生じるため、使用者の就寝中にベッド操作を行うとその睡眠を妨げるおそれがあるという問題があった。この場合、覚醒中に使用者自らが背ボトム等を動作させる場合は、リレー作動音もさほど気にならないとも考えられるが、介護者等の第三者が背ボトムを動作させる場合、特に、使用者が就寝中にそれを行う場合は、リレー作動音が気になる可能性があり、その対策が求められていた。

また、リレーを用いたモータ駆動の場合、リレーのチャタリングにより、スパイクノイズが発生するという問題もあった。このようなスパイクノイズが発生すると、テレビやラジオなどに雑音が入るおそれがあり、背ボトムを作動させるたびに発生するこのようなノイズ障害は使用者にとってストレスとなる可能性がある。

さらに、リレー駆動のため、正転−制動−逆転のように駆動モードを移行する場合、接点バウンスやチャタリング等があり、接点溶着を考慮すると、それぞれの切り換え時にタイムディレーが必要となる。このため、ベッド角度（背ボトムと膝ボトムで挟まれる角度）を制御する場合、ベッド（モータ）動作中にディレー分の応答遅れを考慮しなければならない。このような応答遅れは、ベッドシステムにおける応答性を劣化させ、スイッチの応答性が良くないという印象を使用者に与え、使い勝手の点で問題があった。

加えて、ベッド用リニアアクチュエータでは、ピストンに対しベッドの自重や使用者の体重が掛かっている。そこで、これらの荷重によってナットが回動し、ベッドが水平方向に倒れてしまうことを防止するため、装置内にナットの回動を規制するブレーキ機構が設けられている。この場合、ボールねじ機構には、リード角が大きく伝達効率の高いものが使用され、モータトルクの有効活用が図られているが、その反面、ピストンに荷重が加わると、ナットが容易に回動するため、ベッドを所定位置にて維持したり、等速度でベッドを水平方向に倒したりするには、何らかのブレーキが必要となる。このため、アクチュエータの部品点数が増加し、その分、製品コストが増大してしまうという問題もあった。

また、電動式ベッドの場合、ベッドの自重や使用者の体重がアクチュエータに掛かるため、負荷の大小によって、モータ停止後の惰走特性が変わる。電動式ベッドでは、操作スイッチＯＦＦ後は、モータの回転数を徐々に低下させるソフトストップ制御が実行されるが、負荷条件によって、惰走が長くなる場合がある。前述のように、アクチュエータ自体は、内蔵ブレーキ機構により、ベッドや使用者の荷重では動かないような静止保持能力を有する設計が為されるが、惰走特性の変化や環境温度変化、耐久等を考慮し、ブレーキ性能を高めておく必要があった。

本発明の目的は、静粛性が高く、睡眠中でも安眠を妨げることなくベッドを動作可能なベッド用リニアアクチュエータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、ブレーキ構造をより簡素化し、製品コストの低減を図ることにある。

本発明のベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置は、電動式ベッドの駆動源として使用されるベッド用リニアアクチュエータの動作を制御する駆動制御装置であって、前記ベッド用リニアアクチュエータは、電動モータと、雄ねじ部を有し、前記電動モータによって駆動されるシャフトと、前記雄ねじ部に螺合し、前記シャフトの正逆回転によって軸方向に移動するスクリューナットと、前記スクリューナットに固定され、前記シャフトの回転に伴って、前記スクリューナットと共に進退するピストンチューブと、を備え、前記駆動制御装置は、電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを有することを特徴とする。この場合、前記モータドライバに、作動音による安眠妨害及びスパイクノイズによるノイズ障害を防止し、タイムディレーによる応答遅れを無くすべく、電界効果トランジスタを使用するようにしても良い。

前記駆動制御装置において、前記モータドライバにより、前記電動モータに対しＰＷＭ制御を行い、前記電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、予め設定された理論減衰電圧値Ｖｔに基づいてＰＷＭDuty値を徐々に落として行くソフトストップ制御を行うようにしても良い。また、前記モータドライバにより、前記電動モータの制御電圧Ｖｍが、予め設定されたブレーキ開始閾値電圧Ｖｓを下回ったとき、前記電動モータに対するＰＷＭ出力を停止し、ＰＷＭ出力停止時点における前記制御電圧Ｖｍが前記理論減衰電圧値Ｖｔよりも大きいとき、前記電動モータに対しブレーキ処理を行うようにしても良い。さらに、前記ブレーキ処理として、前記電動モータが被動側から回動されることにより生じる回生電力を受け、前記電動モータに対し回生制動を行うようにしても良く、その際、前記回生制動の出力電圧値と、前記回生制動の実行時間を設定して前記ブレーキ処理を実行するようにしても良い。

本発明のベッド用リニアアクチュエータの制御方法は、電動モータと、雄ねじ部を有し、前記電動モータによって駆動されるシャフトと、前記雄ねじ部に螺合し、前記シャフトの正逆回転によって軸方向に移動するスクリューナットと、前記スクリューナットに固定され、前記シャフトの回転に伴って、前記スクリューナットと共に進退するピストンチューブと、を備えてなる電動式ベッドの駆動源として使用されるベッド用リニアアクチュエータの制御方法であって、電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを使用して前記電動モータに対しＰＷＭ制御を行い、前記電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、予め設定された理論減衰電圧値Ｖｔに基づいてＰＷＭDuty値を徐々に落として行くソフトストップ制御を行うことを特徴とする。

前記リニアアクチュエータ制御方法において、前記電動モータの制御電圧Ｖｍが、予め設定されたブレーキ開始閾値電圧Ｖｓを下回ったとき、前記電動モータに対するＰＷＭ出力を停止し、ＰＷＭ出力停止時点における前記制御電圧Ｖｍが前記理論減衰電圧値Ｖｔよりも大きいとき、前記電動モータに対しブレーキ処理を行うようにしても良い。また、前記ブレーキ処理として、前記電動モータが被動側から回動されることにより生じる回生電力を受け、前記電動モータに対し回生制動を行うようにしても良く、その際、前記回生制動の出力電圧値と、前記回生制動の実行時間を設定して前記ブレーキ処理を実行するようにしても良い。

本発明のベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置によれば、電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを設けたので、リレーを用いた従来の駆動制御装置に比して、作動やノイズを低減し、応答遅れを低減させることが可能となる。また、電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、回生制動を行うことにより、リニアアクチュエータのブレーキ構造を簡素化し、装置の小型化や低コスト化を図ることが可能となる。

本発明のベッド用リニアアクチュエータの制御方法によれば、電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを使用するので、リレーを用いた従来の制御方法に比して、作動やノイズを低減し、応答遅れを低減させることが可能となる。また、電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、回生制動を行うことにより、リニアアクチュエータのブレーキ構造を簡素化し、装置の小型化や低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態であるリニアアクチュエータの使用状態を示す説明図である。 図１のリニアアクチュエータの全体構造を示す平面図である。 図１のリニアアクチュエータの正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 スクリューナットとピストンチューブを固定する構成を示す説明図である。 動力伝達機構の構成を示す分解斜視図である。 リニアアクチュエータのコントローラ（駆動制御装置）の回路構成を示す説明図である。 逆回転動作時の制御処理のフローチャートである。 逆回転動作時におけるモータ制御形態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるリニアアクチュエータ１の使用状態を示す説明図、図２はリニアアクチュエータ１の全体構造を示す平面図、図３は同正面図、図４は図２のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。本発明によるリニアアクチュエータ１は、電動モータを用いた送りねじ式のアクチュエータであり、医療・介護用ベッド２（以下、ベッド２と略記する）の背部の寝床（背ボトム３）を起立・倒伏させるための駆動源として使用される。リニアアクチュエータ１は、ベッド２のフレーム４に取り付けられ、ベッド下に配置される。

図２に示すように、リニアアクチュエータ１は、本体ハウジング５と、モータユニット６、及び、ピストンユニット７を備えた構成となっている。リニアアクチュエータ１は、図１に示すように、本体ハウジング５が固定側、ピストンユニット７が自由端側となった状態でベッド２に取り付けられる。本体ハウジング５は、クレビス８を介してフレーム４に取り付けられる。クレビス８は、アクチュエータ支持軸９（以下、支持軸９と略記する）を中心として、フレーム４に対し回転自在に取り付けられている。ピストンユニット７には、ピストンチューブ１０が出没自在に取り付けられている。ピストンチューブ１０は、背ボトム３を起立・倒伏させるためのリンク１１に接続されている。ピストンチューブ１０は、リンク接続軸１２を中心として、リンク１１に対し回転自在に取り付けられている。

図１（ａ）に示すように、ベッド２は、ピストンチューブ１０が縮んだ状態では、背ボトム３が水平に倒伏されている。一方、ピストンチューブ１０が伸びると、背ボトム３は、図１（ｂ）に示すように、背ボトム３は起立した状態となる。背ボトム３は、ピストンチューブ１０の伸長量に応じて起立傾斜角度が変化する。リニアアクチュエータ１を適宜制御することにより、背ボトム３は任意の角度にて停止・保持可能となっている。ベッドの使用者や介護者は、図示しないスイッチを操作することにより、背ボトム３を所望の角度に調整できる。

図２,３に示すように、本体ハウジング５の側面には、動力源であるモータユニット６が取り付けられている。また、本体ハウジング５の図中右端側には、ピストンユニット７が取り付けられている。さらに、本体ハウジング５の図中左端側には、クレビス８が取り付けられている。クレビス８には軸孔１３が設けられており、この軸孔１３には支持軸９が挿入される。これにより、本体ハウジング５は、フレーム４に回転自在に取り付けられる。また、ピストンチューブ１０の先端部には軸孔１４が設けられている。軸孔１４には、リンク接続軸１２が挿入される。リンク接続軸１２により、ピストンユニット７は、リンク１１に対し回転自在に取り付けられる。

本体ハウジング５は直方体状に形成されている。図３,４に示すように、本体ハウジング５は、ピストンチューブ１０の中心軸方向に沿って、図３において上下方向に二分割されており、本体ハウジング５の下側はモータ側フレーム１５、上側はカバー側フレーム１６となっている（以下、それぞれフレーム１６，フレーム１５と略記する）。本体ハウジング５は、フレーム１５,１６を組み合わせた構造となっている。フレーム１５,１６は共に合成樹脂にて形成されており、ねじ１８によって締結されている。両フレーム１５,１６の円筒部には、フレーム１５,１６が分離しないように、金属製のフレームリング３７が装着されている。

クレビス８は、両フレーム１５,１６に挟み込まれる形でクレビス取付部１７に取り付けられている。クレビス８は、正方形状に形成されたフランジ部８ａを有しており、クレビス取付部１７には、このフランジ部８ａが挿入・挟持される。リニアアクチュエータ１では、フランジ部８ａの取付方向を変えることにより、軸孔１３を垂直方向・水平方向の何れにも設定でき、取付自由度の向上が図られている。

図４に示すように、本体ハウジング５内には、ピストンユニット収容部１９と機構収容部２０が設けられている。ピストンユニット収容部１９内には、ピストンユニット７の左端側が収容・固定されている。ピストンユニット７は、金属製の補強パイプ２２と、合成樹脂製の支持パイプ２３、及び、ピストンチューブ１０を有している。機構収容部２０には、モータユニット６からの回転動力をピストンチューブ１０に伝達するための動力伝達機構２１が収容されている。動力伝達機構２１は、ウォームホイール４１と、カップリング４２、クラッチケース４３、ワンウエイクラッチ４４（以下、クラッチ４４と略記する）、及び、ブレーキユニット４５を備えている。

ピストンユニット７の補強パイプ２２は円筒状に形成されている。補強パイプ２２の一端側は、両フレーム１５,１６の間に挟み込まれる形で支持・固定されている。補強パイプ２２内には、円筒形の支持パイプ２３が挿入されている。支持パイプ２３の先端部には、合成樹脂製のプラグ２４が装着されている（一体に設けても良い）。プラグ２４の外側には、金属製のキャップ２５が取り付けられている。支持パイプ２３内には、円筒状に形成されたピストンチューブ１０とシャフト２６が収容されている。シャフト２６の左端部には、ベアリングアダプタ２７が取り付けられている。シャフト２６は、ベアリングアダプタ２７を介して、ベアリング２８に取り付けられる。ベアリング２８は、本体ハウジング５内に取り付けられている。シャフト２６は、ベアリング２８によって、本体ハウジング５内に回転自在に支持される。シャフト２６には、ベアリングアダプタ２７の抜け止めとして、ワッシャ７２及びナット７３が取り付けられている。これにより、ピストンチューブ１０が外力で引っ張られても抜け出ない構造となる。

シャフト２６には雄ねじ部２６ａが形成されている。この雄ねじ部２６ａにはスクリューナット２９が取り付けられている。雄ねじ部２６ａの長さは、従来のアクチュエータと同様の長さになっている。従って、リニアアクチュエータ１は、アクチュエータとしては、従来と同様の機能（背ボトム３の起立・倒伏）を発揮し得るようになっている。スクリューナット２９の内側には、雄ねじ部２６ａと螺合する雌ねじ部３３が形成されている。スクリューナット２９は、シャフト２６の雄ねじ部２６ａに、進退自在に螺合装着される。

図５に示すように、スクリューナット２９は、軸方向から装着されるスクリューナットアダプタ３０（以下、アダプタ３０と略記する）によって、ピストンチューブ１０に固定される。アダプタ３０は合成樹脂にて形成されており、同じく合成樹脂製のスクリューナット２９に回り止めされた状態で取り付けられる。アダプタ３０は、リング部３１と、リング部３１から軸方向に突出形成された爪部３２とから構成されている。リング部３１には、アダプタ３０−ピストンチューブ１０間、アダプタ３０−スクリューナット２９間、アダプタ３０−支持パイプ２３間の３つの回り止め部（アダプタ３０−ピストンチューブ１０間の抜け止め部も含む）が一体に形成されている。つまり、アダプタ３０は、アダプタ３０とピストンチューブ１０の間などの回り止めを図りつつ、抜け止めも同時に行えるようになっている。

スクリューナット２９は、フランジ部２９ａとボス部２９ｂを備えている。フランジ部２９ａの外周には凸部８１が形成されている。スクリューナット２９は、フランジ部２９ａがピストンチューブ１０の端部に当接した状態となるように、ピストンチューブ１０内に挿入される。アダプタ３０は、ピストンチューブ１０に取り付けられた状態のスクリューナット２９に軸方向から装着される。リング部３１内周には、凹部８２が形成されている。スクリューナット２９の凸部８１をこの凹部８２に嵌合させることにより、スクリューナット２９の図５中左端部にアダプタ３０が回り止め固定される。

爪部３２の先端には、突起３２ａが径方向内側に向けて突設されている。これに対し、ピストンチューブ１０の端部には貫通孔１０ａが形成されている。スクリューナット２９にアダプタ３０を装着する際には、貫通孔１０ａに突起３２ａを嵌合させる。これにより、アダプタ３０は、スクリューナット２９に回り止めされつつ、軸方向に抜け止めされる。従って、スクリューナット２９は、アダプタ３０によって、ピストンチューブ１０に回り止め・抜け止めされた状態で接続される。このように、リニアアクチュエータ１では、ピストンチューブ１０とアダプタ３０との間は突起３２ａと貫通孔１０ａによって、また、スクリューナット２９とアダプタ３０との間は凸部８１と凹部８２によって、それぞれ軸方向にずれた位置で別個に固定される。

爪部３２の基部には嵌合溝３８が形成されている。嵌合溝３８は、支持パイプ２３
の内周に形成され軸方向に延びる突条部８３と嵌合している。突条部８３は、嵌合溝３８及び爪部３２の外周面３２ｂと摺接する。これにより、アダプタ３０は、支持パイプ２３内に回り止めされた状態で、軸方向に移動自在に配置される。この場合、アダプタ３０は、スクリューナット２９に回り止め固定されている。従って、スクリューナット２９は、アダプタ３０を介して支持パイプ２３内に摺動自在に保持される。

シャフト２６の回転に伴って、スクリューナット２９とピストンチューブ１０は一体となって軸方向に移動する。ここでは、ピストンチューブ１０が伸びる（前進する）方向にシャフト２６が回転する場合を「正回転」と称する。また、ピストンチューブ１０が縮む（後退する）方向に回転する場合を「逆回転」と称する。従って、シャフト２６が正回転方向に回転するとピストンチューブ１０が伸長し、シャフト２６が逆回転方向に回転するとピストンチューブ１０が縮小する。

前述のように、本体ハウジング５の側面には、モータ３４が内蔵されたモータユニット６が取り付けられている。モータ３４のアーマチュアシャフト（回転軸）３５は、本体ハウジング５の内部に挿入されており、機構収容部２０内に延びている。アーマチュアシャフト３５の外周にはウォーム３６が形成されている。ウォーム３６は、動力伝達機構２１のウォームホイール４１に噛合している。

図６は、動力伝達機構２１の構成を示す分解斜視図である。前述のように、動力伝達機構２１は、ウォームホイール４１と、カップリング４２、クラッチケース４３、クラッチ４４、及び、ブレーキユニット４５とから構成されている。動力伝達機構２１では、ウォーム３６からの回転入力は、ウォームホイール４１からカップリング４２を介してシャフト２６に伝達される。そして、シャフト２６が正回転するとピストンチューブ１０が押し出され、背ボトム３が起立する。このとき、動力伝達機構２１内のクラッチ４４はフリー状態（ＯＦＦ状態）となっており、ピストンチューブ１０は、ブレーキユニット４５によるブレーキ作用を伴うことなく前進する。

一方、シャフト２６が逆回転するとピストンチューブ１０が引き込まれ、背ボトム３が倒伏する。この場合は、正回転時と異なり、クラッチ４４はロック状態（ＯＮ状態）となる。すなわち、シャフト２６の回転がブレーキユニット４５内の部材に伝達され、ブレーキ作用が生じる。このため、ピストンチューブ１０は、ブレーキ作用を伴いつつ後退する。このブレーキ作用により、背ボトム３を水平側に倒す際（ピストン短縮時）、背ボトム３の自重や使用者の体重（以下、使用者の体重等と略記する）によって動きが増速してしまうのを防止できる。また、モータ３４をＯＦＦし、背ボトム３を傾斜状態で停止させたとき、使用者の体重等によって、背ボトム３が倒れてしまうことも防止できる。

図６に示すように、ウォームホイール４１は有底円筒形状に形成されている。ウォームホイール４１の一端側はカップ状に開口し、他端側には小ギヤ４６が形成されている。小ギヤ４６は、図示しないリダクションギヤ等を介して、回転検出用のポテンショセンサ（図示せず）に接続されている。ウォームホイール４１の開口端側は、円筒孔状のカップリング嵌合部４７となっている。カップリング嵌合部４７の内周部には、嵌合凹部４８が周方向に沿って複数個等分に形成されている。カップリング嵌合部４７には、金属製（例えば、鉄系焼結合金）のカップリング４２が挿入状態で取り付けられる。カップリング４２内には、クラッチケース４３とクラッチ４４が収容されている。

このように、リニアアクチュエータ１では、ウォームホイール４１の形状をカップ状とし、その内部にクラッチ４４等を収容した構成を採用している。これにより、ウォームホイール４１とクラッチ４４を軸方向に直列配置した従来のアクチュエータに比して、装置全体の長さを短縮することが可能となる。従って、前述同様、装置の小型化を図りつつ、ピストンストロークを確保することが可能となる。

カップリング４２の内周側には、ボス部５１が突出形成されている。ボス部５１には、シャフト孔５２が軸方向に貫通形成されている。シャフト孔５２の内周面には、セレーション５３が形成されている。図４に示すように、シャフト２６の左端側外周にもセレーション５４が形成されている。カップリング４２は、両セレーション５３,５４が噛合した状態でシャフト２６に取り付けられる。これにより、カップリング４２は、シャフト２６に回り止めされた状態で取り付けられ、ウォームホイール４１は、カップリング４２を介してシャフト２６と一体化される。

本発明のリニアアクチュエータ１では、このようにウォームホイール４１とシャフト２６との間に金属製のカップリング４２を内蔵配置し、カップリング４２を介して、ウォームホイールの回転力をシャフト２６に伝達する。このため、カップリング４２によってウォームホイール４１の強度を確保することができ、ウォームホイール４１の厚さ（軸方向長）を薄くすることができる。従来のアクチュエータでは、合成樹脂製のウォームホイールとシャフトをセレーション結合しているため、結合強度を確保すべく、結合部を長く取る必要がある。これに対し、本発明のリニアアクチュエータ１では、金属製のカップリング４２とシャフト２６をセレーション結合するため、従来に比して結合部の長さを短くすることができ、装置全体の長さを短縮することが可能となる。従って、装置の小型化を図りつつ、ピストンストロークも確保できる。

また、ウォームホイール４１内にカップリング４２を配することにより、ウォームホイール４１の歯部４１ａの内側が金属部材によって補強される。このため、ウォームホイール４１の外径を大きくしなくとも歯部４１ａの強度を確保でき、ウォームホイール４１の小径化が可能となり、装置の厚みを小さくすることができる。ベッド用のリニアアクチュエータは、通常、ベッド下に配置されるため、ベッドの低床化に応じて装置の薄型化も求められており、本発明のリニアアクチュエータ１によれば、このような要求にも応えることが可能となる。

さらに、従来のアクチュエータでは、全体が合成樹脂にて形成されたウォームホイールを使用しているため、軸方向長を小さくすると、シャフトとの結合強度が落ちるのみならず、ギヤ歯の噛み合いによってウォームホイールが歪み、噛み合いが浅くなってしまうおそれがある。噛み合いが浅くなると、動作時に異音が生じたり、歯部の摩耗が大きくなったりするなどの問題が生じる。この点、リニアアクチュエータ１では、内側に金属部材が配されているため、ウォームホイールが歪みにくく、ウォーム３６とウォームホイール４１との間の噛み合いも安定する。従って、動作時の異音や異常摩耗が抑えられ、ベッドの使用感向上や、アクチュエータの耐久性向上を図ることが可能となる。

カップリング４２の内筒部５５には、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のクラッチケース４３が挿入されている。クラッチケース４３は、両端が開口した円筒形状となっている。クラッチケース４３の一端側には、フランジ状のリング部５６が拡径形成されている。リング部５６の外周には、突起部５７が径方向外側に向かって突出形成されている。突起部５７は、フレーム１５,１６に設けられた図示しない係止部（凹部）と係合しており、フレーム１５,１６に対して回り止めされた状態で配置される。クラッチケース４３の内側には、クラッチ４４の外周（外輪側）が圧入固定されている。クラッチ４４には、複数本のローラ（図示せず）を備えたワンウエイクラッチが使用され、内外輪間にて一方向の回転のみ他方に伝達する。クラッチ４４は、シャフト２６が正回転している場合はフリー状態、シャフト２６が逆回転している場合はロック状態となるよう設定されている。

クラッチ４４の内周側（内輪側）には、ブレーキユニット４５のブレーキプレートホルダ６１の円筒部６２が挿入されている。円筒部６２は、カップリング４２のボス部５１と共に、クラッチ内輪とシャフト２６との間に配された介在部材となっている。クラッチ４４は、ボス部５１と円筒部６２を介してシャフト２６上に配置される。リニアアクチュエータ１では、ボス部５１や円筒部６２の径を調整することにより、クラッチ４４のサイズを変更でき、所望のロック力に応じてクラッチ４４を選択可能となっている。

ブレーキユニット４５は、金属製のブレーキプレートホルダ６１と、合成樹脂製（例えば、ポリアミド）のブレーキプレート６３、金属製のブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂ（２枚）とから構成されている。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂの軸孔６５ａ,６５ｂには、セレーション６６が形成されている。セレーション６６は、シャフト２６のセレーション５４に噛合し、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂは、シャフト２６に回り止めされた状態で取り付けられる。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂは、ブレーキプレート６３の軸方向両側に、ブレーキプレート６３を挟むように配置される。

ブレーキプレートホルダ６１は、両端が開口した円筒形状となっている。ブレーキプレートホルダ６１の一端側には、フランジ部６７が形成されている。フランジ部６７には、軸方向沿って４個の凸部６８が等分に突設されている。凸部６８の間はホルダ凹部６９となっている。ホルダ凹部６９には、ブレーキプレート６３の外周に形成されたプレート凸部７０（４個）が嵌合する。この嵌合により、ブレーキプレート６３とブレーキプレートホルダ６１は一体となって回転する。ブレーキプレート６３の両端面には、凹凸形状の圧接部７１が形成されている。圧接部７１は、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂと摺接可能な状態で圧接される。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂと圧接部７１との間には、異種材摺接による異音防止も兼ね、グリスが塗布される。

このようなブレーキユニット４５では、シャフト２６が正回転するとき、クラッチ４４がフリー状態となるように設定されている。ブレーキユニット４５では、シャフト２６と共にブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが回転する。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが回転すると、圧接部７１に生じる摩擦力により、ブレーキプレート６３も連れ回りする。ブレーキプレート６３とブレーキプレートホルダ６１は、プレート凸部７０とホルダ凹部６９の嵌合により一体となって回転する。この際、ブレーキユニット４５は、シャフト正回転時にクラッチがフリーとなる設定のため、ブレーキプレートホルダ６１は、クラッチ４４内にて空転状態となる。すなわち、ブレーキプレートホルダ６１の回転はクラッチケース４３側には伝わらず、ブレーキユニット４５全体がクラッチケース４３内にて空転する。従って、シャフト２６が正回転するときは、ブレーキプレートホルダ６１とブレーキプレート６３が正回転し、それと共にブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂやベアリング内輪２８ａも正回転するため、ブレーキユニット４５にはブレーキ作用は生じない。

これに対し、シャフト２６が逆回転すると、クラッチ４４がロック状態となる。すなわち、ブレーキプレートホルダ６１の回転がクラッチケース４３側に伝わり、クラッチケース４３が回転しようとする。ところが、前述のように、クラッチケース４３は回り止めされた状態でフレーム１５,１６内に配置されているため、クラッチケース４３自体は回転しない。つまり、シャフト２６の回転に対し、クラッチ４４を介して回転力が伝わるクラッチケース４３が非回転状態となる。このため、摩擦力によって結合しているブレーキプレート６３とブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂの間にすべりが生じ、圧接部７１の摩擦力によって回転抵抗力が生じる。すなわち、シャフト２６が逆回転するときは、ブレーキプレートホルダ６１とブレーキプレート６３が非回転状態となる一方、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂやベアリング内輪２８ａは逆回転する。従って、逆回転時には、圧接部７１の摩擦力により、ブレーキユニット４５にブレーキ作用（制動力）が生じる。

なお、リニアアクチュエータ１では、シャフト２６とクラッチ４４は直接結合しておらず、クラッチ４４の内側には、ブレーキプレートホルダ６１が配されている。また、ブレーキプレートホルダ６１の内側には、カップリング４２のボス部５１が配されている。さらに、カップリング４２のボス部５１の内側には、シャフト２６が配されている。一般に、ワンウエイクラッチでは、クラッチ径が大きいほどロック力が大きく、従来のアクチュエータのように、クラッチをシャフトに直接取り付けると、クラッチ径が小さくなり、ロック力が不足するおそれがある。これに対し、本発明によるリニアアクチュエータ１では、シャフト２６とクラッチ４４の間に他の介在部材が存在しているため、シャフト径に関係なく、クラッチ４４のサイズを調整することができる。従って、所望のロック力に合わせてクラッチ４４を選択することができ、設計の自由度が増大すると共に、製品信頼性の向上も図られる。

次に、本発明によるリニアアクチュエータ１の動作について説明する。リニアアクチュエータ１では、操作者が背ボトム３を起立させるべく操作ボタンを押すと、モータ３４が正回転する。図７は、リニアアクチュエータ１のコントローラ（駆動制御装置）８１における回路構成を示す説明図である。コントローラ８１では、モータ３４の電源供給系であるモータドライバ８２として、従来のリレーに代えてＦＥＴ（電界効果トランジスタ）８３が使用されており、モータ３４は、コントローラ８１によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。モータドライバ８２は、４個のＦＥＴ８３を使用したブリッジ回路となっており、チャージポンプ８４を備えたプリドライバＩＣ８５によって制御される。プリドライバＩＣ８５は、ＣＰＵ８６からの制御信号を受け、ＦＥＴ８３を適宜ＯＮ／ＯＦＦさせることにより、モータ３４を所望の方向・速度に駆動させる。

ボタン操作によりモータ３４が正回転すると、この回転は、ウォーム３６から、ウォームホイール４１、カップリング４２と伝わり、シャフト２６が正方向に回転する。シャフト２６が正回転すると、スクリューナット２９が前進し、スクリューナット２９に連結されたピストンチューブ１０が押し出されて行く。そして、ピストンチューブ１０の前進に伴い、背ボトム３は、図１（ｂ）に示すように起立状態となる。なお、正回転時には、クラッチ４４がフリー状態となるため、シャフト２６のみが正回転し、ブレーキユニット４５によるブレーキ作用は生じない。

シャフト２６の正回転は、小ギヤ４６から回転検出用のポテンショセンサ８７（図６参照）に伝達される。ポテンショセンサ８７は、シャフト２６の回転角度に応じた電圧値を出力し、当該ベッド２の動作を制御するコントローラ８１に送信される。コントローラ８１のＣＰＵ８６は、所定の上限位置に対応するポテンショ電圧を検出すると、プリドライバＩＣ８５に対し指令を発し、モータ３４を自動的に停止させる。なお、モータ３４の駆動に際しては、従来のリレー制御による単純なＯＮ／ＯＦＦと異なり、モータ３４への供給電流量を任意に制御できるため、モータ３４を極低速にて駆動することも可能である。

このような一連の動作において、コントローラ８１には機械的な接点が無いため、リレーのような作動音は発生しない。このため、使用者が就寝中に背ボトム３を動作させても、リレー作動音によって睡眠を妨げてしまうことがなく、使用者の快適性が保たれると共に、介護者等の第三者も安心してベッド操作を行うことができる。特に、前述のような極低速にてモータ３４を駆動することにより、背ボトム３を見た目では分からない程にゆっくり動かせるようになり、使用者が睡眠中でも安眠を妨げることなくベッドを作動させることが可能となる。

また、コントローラ８１にスパイクノイズが発生することもないため、テレビやラジオなどに雑音が入るおそれがなく、背ボトムを作動させるたびに発生する不快なノイズ障害を防止することができ、この点においても使用者の快適性が確保される。さらに、コントローラ８１は無接点構成のため、接点溶着を考慮する必要がなく、動作切り換え時にタイムディレーを入れる必要がない。このため、ディレーによる応答遅れがなく、ボタン操作に応じてタイムラグなく背ボトム３が作動し、スイッチの応答性が改善され、使用感の向上が図られる。

モータ３４が停止すると、背ボトム３の荷重（使用者の体重等）がピストンチューブ１０に作用し、スクリューナット２９にもそれを後退させる方向の力が加わる。この後退方向の力は、シャフト２６を逆回転させる力であり、シャフト２６は、背ボトム３の荷重によって逆回転される。一方、シャフト２６が逆回転すると、クラッチ４４がロック状態となり、ブレーキユニット４５にブレーキ作用が生じる。すなわち、ブレーキプレート６３に対し、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが荷重を受けたまま回転し、圧接部７１の摩擦力によって制動力が生じる。これにより、シャフト２６の逆回転が阻止され、背ボトム３は、荷重を受けた状態にて静止・保持される。

操作者が背ボトム３を倒伏させるべく操作ボタンを押すと、モータ３４が逆回転する。モータ３４の回転は前述同様に伝わり、シャフト２６は逆回転する。シャフト２６が逆回転すると、スクリューナット２９が後退し、ピストンチューブ１０が引き込まれて行く。そして、ピストンチューブ１０の後退に伴い、背ボトム３は、図１（ａ）に示すように倒伏状態となる。シャフト２６の逆回転もまた、小ギヤ４６から回転検出用のポテンショセンサ８７に伝達され、ピストンチューブ１０の位置を検出する。そして、コントローラ８１が、所定の下限位置に対応するポテンショ電圧、又は、所定の上限位置に対応するポテンショ電圧を検出すると、モータ３４を自動的に停止させる。

このような逆回転動作の際は、クラッチ４４がロック状態となり、シャフト２６の回転はクラッチケース４３側に伝達される。前述のように、このときブレーキユニット４５では、圧接部７１に滑りが生じ、その摩擦力によって制動力が発生する。但し、この制動力は、モータ３４によるシャフト２６の駆動力よりも小さく設定されている。このため、シャフト２６は、ブレーキユニット４５による制動力を受けつつ逆回転する。そして、ピストンチューブ１０の縮小と共に、背ボトム３が倒されて行く。この際、シャフト２６には前述の制動力が働くため、使用者の体重等によって倒伏動作が増速してしまうのを防止でき、操作の安全性も確保される。

一方、背ボトム３を倒伏させる場合（逆回転動作）、コントローラ８１は、ＰＷＭDuty制御下にあるモータ３４のDutyを徐々に落として行きモータ停止させるが、モータ停止の前にブレーキ出力処理（回生制動出力）を行う。図８は、逆回転動作時の制御処理のフローチャート、図９は、逆回転動作時におけるモータ制御形態を示す説明図である。図８に示すように、ここでは、操作スイッチがＯＦＦされると（ステップＳ１）、ソフトストップ制御が開始され、ＰＷＭDuty値を徐々に低下させる減衰処理が実行される（ステップＳ２：図９の点Ｐ）。

前述のように、倒伏動作時は、ベッドの自重や使用者の体重がアクチュエータに掛かるため、負荷の大小によって、モータ停止後の惰走特性が変わる。このため、モータが理論値通りに減速せず、図９の破線のように惰走する場合がある。そこで、本発明による制御処理では、ステップＳ３にて、まず、モータ制御電圧Ｖｍ（以下、モータ電圧Ｖｍと略記する）とブレーキ開始閾値電圧Ｖｓとを比較する。そして、モータ電圧Ｖｍがブレーキ開始閾値電圧Ｖｓを下回ったところで（Ｖｓ＞Ｖｍ）、ステップＳ４に進み、モータ３４へのＰＷＭ出力を停止する。ブレーキ開始閾値電圧Ｖｓは、停止直前の低い値が設定されている。

ステップＳ４にてＰＷＭ出力を停止したところで、ステップＳ５に進み、モータ電圧Ｖｍと、予め設定されたモータ電圧の理論減衰値（理論減衰電圧）値Ｖｔとを比較する。このとき、理論減衰値Ｖｔよりモータ電圧Ｖｍが低い場合（Ｖｍ≦Ｖｔ）は、想定通りモータ３４が減速していると判断し、そのままルーチンを抜ける。これに対し、理論減衰値Ｖｔよりモータ電圧Ｖｍが高い場合（Ｖｍ＞Ｖｔ）は、想定よりも惰走状態にあると判断し、ステップＳ６に進んでブレーキ処理を行う（図９の点Ｑ）。ブレーキ処理に際しては、モータ３４の回転に伴う回生電力によるブレーキ出力（回生制動の出力電圧値）と、回生制動を行うブレーキ時間ｔBrakeが設定される。この場合、ブレーキ時間ｔBrakeは、理論減衰値Ｖｔと実際のモータ電圧Ｖｍとの差をパラメータとしたマップに基づいて設定される。

また、ベッド起立動作（正回転動作）の場合と同様に、かかるベッド倒伏動作（逆回転動作）においても、コントローラ８１には作動音は生ぜず、スパイクノイズも発生しない。また、タイムディレーによる応答遅れもなく、ボタン操作に応じてタイムラグなく背ボトム３が作動する。従って、正転動作の場合と同様に、作動音やノイズの問題が生ぜず、スイッチ応答性も良くなるため、使用者の快適性や操作性が向上する。

さらに、当該コントローラ８１では、前述のように、静止状態や逆回転動作の際に、使用者の体重等によってベッドを倒伏させる方向に力が加わり、モータ３４が回転されたり、増速したりすると、モータ３４にて回生電力が発生する。この回生電力は、モータ３４が被動側から回動されると、モータドライバ８２側に逆流する形で返され、これにより、モータ３４の動作に対して回生制動がかかる。すなわち、ピストンチューブ１０の動きにブレーキがかかる。このため、前述のような小型内蔵タイプのブレーキユニット４５にてブレーキ力を十分に確保でき、装置の小型化を図ることが可能となる。

本発明は前記実施例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変更可能であることは言うまでもない。
例えば、ベッド２は、リニアアクチュエータ１のピストンチューブ１０の伸長によって背ボトム３が起立するような、いわゆる押し勝手の構成には限られず、ピストンチューブ１０の短縮によって背ボトム３が起立するようないわゆる引き勝手の構成のものでも良い。また、前述の実施例では、リニアアクチュエータ１を背ボトム３の駆動に使用した場合について説明したが、リニアアクチュエータ１を膝ボトムの駆動に使用したり、ベッドボトムの高さを調整したりするために使用することも可能である。さらに、リニアアクチュエータ１における動力伝達機構２１の構成も前述のものには限定されない。

加えて、倒伏動作時の制御に際し、モータ３４に回転センサや位置センサを設け、これらのセンサからの入力値をフィードバックし、モータ逆転出力を瞬時あるいは一定時間行っても良い。このような制御形態は、ブレーキ時間ｔBrake終了後も依然としてモータ３４が惰走している場合に有効である。

１ リニアアクチュエータ
２ 医療・介護用ベッド
３ 背ボトム
４ フレーム
５ 本体ハウジング
６ モータユニット
７ ピストンユニット
８ クレビス
８ａ フランジ部
９ アクチュエータ支持軸
１０ ピストンチューブ
１０ａ 貫通孔
１１ リンク
１２ リンク接続軸
１３ 軸孔
１４ 軸孔
１５ モータ側フレーム
１６ カバー側フレーム
１７ クレビス取付部
１８ ねじ
１９ ピストンユニット収容部
２０ 機構収容部
２１ 動力伝達機構
２２ 補強パイプ
２３ 支持パイプ
２４ プラグ
２５ キャップ
２６ シャフト
２６ａ 雄ねじ部
２６ｂ 段部
２７ ベアリングアダプタ
２８ ベアリング
２８ａ 内輪
２８ｂ 外輪
２９ スクリューナット
２９ａ フランジ部
２９ｂ ボス部
３０ スクリューナットアダプタ
３１ リング部
３２ 爪部
３２ａ 突起
３２ｂ 外周面
３３ 雌ねじ部
３４ モータ
３５ アーマチュアシャフト（回転軸）
３６ ウォーム
３７ フレームリング
３８ 嵌合溝
４１ ウォームホイール
４１ａ 歯部
４２ カップリング
４３ クラッチケース
４４ ワンウエイクラッチ
４５ ブレーキユニット
４６ 小ギヤ
４７ カップリング嵌合部
４８ 嵌合凹部
４９ 嵌合凸部
５１ ボス部
５２ シャフト孔
５３ セレーション
５４ セレーション
５５ 内筒部
５６ リング部
５７ 突起部
６１ ブレーキプレートホルダ
６２ ボス部
６３ ブレーキプレート
６４ａ,６４ｂ ブレーキワッシャ
６５ａ,６５ｂ 軸孔
６６ セレーション
６７ フランジ部
６８ 凸部
６９ ホルダ凹部
７０ プレート凸部
７１ 圧接部
７２ ワッシャ
７３ ナット
７４ 凸部
７５ 凹部
７６ 突条部
８１ コントローラ（駆動制御装置）
８２ モータドライバ
８３ ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
８４ チャージポンプ
８５ プリドライバ
８６ ＣＰＵ
８７ ポテンショセンサ
Ｖｍ モータ制御電圧
Ｖｔ 理論減衰値
Ｖｓ ブレーキ開始閾値電圧

Claims (9)

1. 電動式ベッドの駆動源として使用されるベッド用リニアアクチュエータの動作を制御する駆動制御装置であって、
   前記ベッド用リニアアクチュエータは、
   電動モータと、
   雄ねじ部を有し、前記電動モータによって駆動されるシャフトと、
   前記雄ねじ部に螺合し、前記シャフトの正逆回転によって軸方向に移動するスクリューナットと、
   前記スクリューナットに固定され、前記シャフトの回転に伴って、前記スクリューナットと共に進退するピストンチューブと、を備え、
   前記駆動制御装置は、
   電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを有することを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置。
2. 請求項１記載の駆動制御装置において、
   前記モータドライバは、前記電動モータに対しＰＷＭ制御を行い、前記電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、予め設定された理論減衰電圧値Ｖｔに基づいてＰＷＭDuty値を徐々に落として行くソフトストップ制御を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置。
3. 請求項２記載の駆動制御装置において、
   前記モータドライバは、前記電動モータの制御電圧Ｖｍが、予め設定されたブレーキ開始閾値電圧Ｖｓを下回ったとき、前記電動モータに対するＰＷＭ出力を停止し、
   ＰＷＭ出力停止時点における前記制御電圧Ｖｍが前記理論減衰電圧値Ｖｔよりも大きいとき、前記電動モータに対しブレーキ処理を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置。
4. 請求項３記載の駆動制御装置において、
   前記モータドライバは、前記ブレーキ処理として、前記電動モータが被動側から回動されることにより生じる回生電力を受け、前記電動モータに対し回生制動を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置。
5. 請求項４記載の駆動制御装置において、
   前記モータドライバは、前記回生制動の出力電圧値と、前記回生制動の実行時間を設定して前記ブレーキ処理を実行することを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの駆動制御装置。
6. 電動モータと、
   雄ねじ部を有し、前記電動モータによって駆動されるシャフトと、
   前記雄ねじ部に螺合し、前記シャフトの正逆回転によって軸方向に移動するスクリューナットと、
   前記スクリューナットに固定され、前記シャフトの回転に伴って、前記スクリューナットと共に進退するピストンチューブと、を備えてなる電動式ベッドの駆動源として使用されるベッド用リニアアクチュエータの制御方法であって、
   電動モータに対する電源供給系として、電界効果トランジスタを使用したモータドライバを使用して前記電動モータに対しＰＷＭ制御を行い、
   前記電動式ベッドの背ボトムを倒伏させる際、予め設定された理論減衰電圧値Ｖｔに基づいてＰＷＭDuty値を徐々に落として行くソフトストップ制御を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの制御方法。
7. 請求項６記載のリニアアクチュエータ制御方法において、
   前記電動モータの制御電圧Ｖｍが、予め設定されたブレーキ開始閾値電圧Ｖｓを下回ったとき、前記電動モータに対するＰＷＭ出力を停止し、
   ＰＷＭ出力停止時点における前記制御電圧Ｖｍが前記理論減衰電圧値Ｖｔよりも大きいとき、前記電動モータに対しブレーキ処理を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの制御方法。
8. 請求項７記載のリニアアクチュエータ制御方法において、
   前記ブレーキ処理として、前記電動モータが被動側から回動されることにより生じる回生電力を受け、前記電動モータに対し回生制動を行うことを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの制御方法。
9. 請求項８記載のリニアアクチュエータ制御方法において、
   前記回生制動の出力電圧値と、前記回生制動の実行時間を設定して前記ブレーキ処理を実行することを特徴とするベッド用リニアアクチュエータの制御方法。

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