JP2005030545A - 減速機構付きモータのウォーム - Google Patents

Abstract

【課題】ウォームホイールとの干渉による噛み合いへの影響を低減しながら、ウォームの歯元の強度を確保することができる減速機構付きモータのウォームを提供すること。
【解決手段】ウォームホイールと噛合するウォーム３１において、歯元３５の曲線形状がそれぞれ異なる曲率Ｒ１，Ｒ２を有する２つの曲線３６，３７によって構成されている。歯面３４側の第２曲線３７の曲率Ｒ２は、歯底３３側の第１曲線３６の曲率Ｒ１よりも大きくなるように設定されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、モータのウォームに関するものである。

従来、特許文献１にて示すように、アーマチャの回転を、アーマチャの回転軸に形成されるウォームと該ウォームに噛合するウォームホイールとからなるウォーム減速機構によって減速し、出力軸に出力する減速機構付きモータが提案されている。このようなモータにおいては、モータの小型化や軽量化を図るために、ウォーム減速機構を高減速化して小モジュール化することが要求されている。

また、更なる軽量化を図るためにウォームホイールを合成樹脂製とする場合には、歯の強度を確保するために、歯厚を厚くでき、かつウォーム（回転軸）の撓みを抑制して減速効率が向上する圧力角１０°程度の低圧力角のウォームホイールを用いることが有効である。このようなウォームホイールを用いれば、合成樹脂製として軽量化を図りながら、歯の強度を確保し、しかもウォームホイールの小型化を図ることができる。
特開平１１−１４６６０３号公報

しかしながら、上記したようなウォームホイールを用いると、相反してウォームの歯厚が薄くなるため、ウォームが金属製であっても、ウォームの仕様や負荷条件によっては歯元に大きな曲げ応力を受けて著しく変形し、モータの騒音や振動が大きくなってしまうという問題があった。

この対策として、ウォームの歯元を凹状の曲線形状とし、その曲率を拡大して、該歯元を補強することが考えられている。しかしながら、例えばフロントワイパモータで多用されるような、ギヤ音を低減させるためにバックラッシを小さくした構造（ウォームホイールの歯を周方向から見て円弧状の切欠を有する形状とし、ウォームをウォームホイールの出力軸方向にずらして組み付けて遊びを小さくした構造）に適用することはできない。即ち、ウォームの歯元の補強部位とウォームホイールの歯の先端とが干渉してしまう。ゆえに、正しい噛み合いが得られず、所望のモータ特性が得られないという問題がある。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ウォームホイールとの干渉による噛み合いへの影響を低減しながら、ウォームの歯元の強度を確保することができる減速機構付きモータのウォームを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、モータ本体の回転を減速する減速機構を構成するためにウォームホイールと噛合する減速機構付きモータのウォームであって、歯面と歯底とを接続する歯元を凹状の曲線形状とし、その曲線形状がそれぞれ異なる曲率を有する複数の曲線によって構成され、前記各曲線の曲率が前記歯底から前記歯面に近付くに従って徐々に大きくなるように設定されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記歯元の曲線形状がそれぞれ異なる曲率を有する２つの曲線によって構成され、前記歯面側の曲線の曲率が前記歯底側の曲線の曲率よりも大きくなるように設定されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、圧力角が１４．５°以下であり、前記歯面側の曲線の曲率が前記歯底側の曲線の曲率に対して１．５〜６倍の範囲内に設定されることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記モータ本体に備えられる回転軸の先端に一体形成されており、軸受に挿通されて該軸受にて支持される該回転軸の軸本体の外径よりもその外径が小さくなるように形成されていることをその要旨とする。

（作用）
請求項１に記載の発明においては、歯元の曲線形状の曲率が歯底から歯面に近付くに従って徐々に大きくなるように設定される。つまり、歯面はウォームホイールと接触する部位であり、その歯面側の曲率が大きくなるので、歯元における歯面側の部位の突出量が小さくなる。そのため、ウォームホイールとの干渉による噛み合いへの影響を低減しながら、ウォームの歯元の強度を確保できる。

請求項２に記載の発明においては、歯元の曲線形状がそれぞれ異なる曲率を有する２つの曲線によって構成され、歯面側の曲線の曲率が歯底側の曲線の曲率よりも大きくなるように設定される。つまり、２つの曲線の曲率を適宜設定するだけですむので、歯元の曲線形状を容易に設定できる。

請求項３に記載の発明においては、圧力角が１４．５°以下であり、歯面側の曲線の曲率が歯底側の曲線の曲率に対して１．５〜６倍の範囲内に設定される。つまり、圧力角が１４．５°以下となる歯はその歯元部分の強度を十分に確保する必要があるため、歯元を曲線形状とすることは特に有効な手段である。このような場合において、歯面側の曲線の曲率が歯底側の曲線の曲率に対して１．５〜６倍の範囲内に設定すれば、ウォームホイールとの干渉による噛み合いへの影響を低減しながら、ウォームの歯元の強度を確保できる。

請求項４に記載の発明によれば、ウォームは、モータ本体に備えられる回転軸の先端に一体形成されており、軸受に挿通されて該軸受にて支持される回転軸の軸本体の外径よりもその外径が小さくなるように形成される。そのため、軸受に対してウォーム側から回転軸を挿通することが可能となるので、モータの組み付けが容易となる。又、ウォームの外径が軸本体の外径よりも小さいので、ウォームホイールをウォームに対して近接して配置でき、減速機構、ひいてはモータを小型化できる。

本発明によれば、ウォームホイールとの干渉による噛み合いへの影響を低減しながら、ウォームの歯元の強度を確保することができる減速機構付きモータのウォームを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。

図１に示すように、本実施形態のモータ１は、車両用ワイパ装置の駆動源として用いられるモータであって、モータ本体２とウォーム減速機構が収容される減速部３とが一体に組み付けられる減速機構付きモータである。

モータ本体２は、有底円筒状のヨークハウジング４を有しており、該ハウジング４の内側面には、一対のマグネット５が固着されている。マグネット５の内側にはアーマチャ（電機子）６が回転可能に収容されている。アーマチャ６は、回転軸７、コア８、巻線９及び整流子１０を備えている。

回転軸７は、金属製であって、基端部から先端部寄りの所定部分までが軸本体１１であり、該軸本体１１より先端部側が該軸本体１１よりも小径となる小径部分１２としている。小径部分１２には、ウォーム３１が形成されている。ウォーム３１は、その外径Ｘ１が軸本体１１の外径Ｘ２よりも小さくなるように形成されている。コア８及び整流子１０は軸本体１１の略中央部に固着され、該コア８には巻線９が巻装されている。このように構成されるアーマチャ６は、その回転軸７の各所定部位がヨークハウジング４の底部中央に固着される軸受１３、ギヤハウジング２１に固着される軸受２４及び該ギヤハウジング２１の挿入孔２１ｃにて回転可能に支持されている。また、回転軸７（軸本体１１）の基端端面に設けた凹部１１ａには、該回転軸７のスラスト荷重を受けるボール１４が収容されている。そして、このアーマチャ６を収容したヨークハウジング４（モータ本体２）は、ギヤハウジング２１（減速部３）に対して組み付けられる。

減速部３はギヤハウジング２１を有している。ギヤハウジング２１におけるモータ本体２と対向する部位には、ブラシ装置２２が固定されている。ブラシ装置２２には、整流子１０に摺接する給電ブラシ２３が保持されている。ブラシ装置２２は、外部から図示しない給電線を介して電源供給を受け、その電源を給電ブラシ２３及び整流子１０を介してアーマチャ６（巻線９）に供給するようになっている。

ギヤハウジング２１は、モータ本体２から延びる回転軸７の先端側を収容するシャフト収容部２１ａと後記するウォームホイール２５を収容するホイール収容部２１ｂとを備えた所定形状をなしている。シャフト収容部２１ａの基端部には、前記軸本体１１の先端部、即ち前記回転軸７の略中央部をラジアル方向に支持する軸受２４が固着されている。シャフト収容部２１ａの先端部には、回転軸７（小径部分１２）の先端部が挿入され該先端部をラジアル方向において支持する挿入孔２１ｃが形成されている。

前記ホイール収容部２１ｂには、前記ウォーム３１と噛合される合成樹脂製のウォームホイール２５が回転可能に収容される。ウォームホイール２５の外周面には、複数の歯２５ａが等間隔に形成されている。ウォームホイール２５には、出力軸２６が一体回転するように設けられている。これにより、アーマチャ６及び回転軸７が回転することにより、ウォーム３１及びウォームホイール２５を介して出力軸２６が回転し、該出力軸２６の回転に基づいて前記車両用ワイパ装置が作動する。

ここで、前記ウォーム３１について詳述すると、該ウォーム３１には、前記ウォームホイール２５の歯２５ａと噛み合う歯３２が軸方向に沿って螺旋状に設けられている。図２に示すように、合成樹脂よりなるウォームホイール２５の歯２５ａの強度を確保すべく、ウォーム３１の歯３２の基準線Ｌ１における歯厚を小さくし、ウォームホイール２５の歯２５ａの図示しない基準線における歯厚を大きくしている。また、ウォーム３１を高減速化を図るために、歯３２の圧力角θ１は、本実施形態では、１０°に設定されている。なお、歯３２の圧力角θ１は、１４．５°以下に設定されることが望ましい。

図３に示すように、歯３２の歯底３３と歯面３４とを凹状の曲線で接続する歯元３５は、歯３２を補強するために設けられている。歯元３５の曲線形状は、歯底３３側（図３中Ｂ−Ｃ区間）において中心Ｃ１からの曲率がＲ１の第１曲線３６と、歯面３４側（図３中Ｃ−Ｄ区間）において中心Ｃ２からの曲率がＲ２の第２曲線３７とを接続した２つの曲線で構成されている。第１曲線３６の曲率Ｒ１は「Ｒ０．２」に設定され、第２曲線３７の曲率Ｒ２は「Ｒ０．８」に設定されている。第２曲線３７の曲率Ｒ２は第１曲線３６の曲率Ｒ１より大きく設定されており、本実施形態では、第２曲線３７の曲率Ｒ２が第１曲線３６の曲率Ｒ１の４倍の大きさに設定されている。歯底３３から点Ｄ（第２曲線３７と歯面３４との接続部分）までの高さＨ１は、前記ウォームホイール２５の前記歯２５ａが接触しない範囲である。

図４（ａ）は、歯厚Ｗ１とした場合の歯元３５の曲線形状（第１，第２曲線３６，３７）と、その歯元３５への応力集中率αとの関係を示している。この場合、歯元３５の曲線形状は楕円形状の一部に近似しているので、歯厚Ｗ１に対する楕円形状（この場合、長半径ｒ１を歯厚Ｗ１の半分の厚さ（Ｗ１／２）で除した値（図４（ｂ）参照）））と、歯元３５への応力集中率αとの関係を示している。なお、歯厚Ｗ１は所定値（１．１５［ｍｍ］）に設定されている。

この条件下で、長半径ｒ１が０．４［ｍｍ］より大きくなり、短半径ｒ２が０．２［ｍｍ］より小さくなると、ウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えてしまい、歯元３５に前記ウォームホイール２５の前記歯２５ａが接触してしまう。そのため、長半径ｒ１は０．４［ｍｍ］以下、短半径ｒ２は０．２［ｍｍ］以上に設定する必要がある。即ち、ｒ１／（Ｗ１／２）の値は０．７以下、ｒ１／ｒ２の値は２．０以下に設定する必要がある。

これによると、歯元３５の曲線形状を単一の曲率を「Ｒ０．５」とした場合、ｒ１／ｒ２の値が１．０となるため、ｒ１／ｒ２の値は満足する。しかし、ｒ１＝ｒ２＝０．４５［ｍｍ］となり、ｒ１／（Ｗ１／２）の値が０．７より大きくなるため、ウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えてしまい、歯元３５に前記ウォームホイール２５の前記歯２５ａが接触してしまう。

また、歯元３５の曲線形状を従来より一般的に用いられている単一の曲率「Ｒ０．２」とした場合、ｒ１／ｒ２の値が１．０となるため、この値は満足し、ｒ１＝ｒ２＝０．１９［ｍｍ］となるため、ｒ１／（Ｗ１／２）の値が０．７より十分小さくなり、この値も満足する。つまり、ウォーム３１及びウォームホイール２５は組付可能である。しかしながら、歯元３５への応力集中率αが大きくなるため、良好とはいえない。

また、歯元３５の曲線形状をそれぞれ異なる曲率Ｒ１，Ｒ２を有する第１曲線３６及び第２曲線３７とし、第１曲線３６の曲率Ｒ１を「Ｒ０．２」、第２曲線３７の曲率Ｒ２を「Ｒ１．０」とすれば、応力集中率αが後記する本実施形態の場合よりも小さくなる。しかしながら、長半径ｒ１が約０．５０［ｍｍ］、短半径ｒ２が約０．２３［ｍｍ］となるため、ｒ１／ｒ２の値が２．０より大きくなるとともに、ｒ１／（Ｗ１／２）の値が０．７より大きくなり、ウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えてしまう。

これらに対し、本実施形態では、第１曲線３６の曲率Ｒ１が「Ｒ０．２」、第２曲線３７の曲率Ｒ２が「Ｒ０．８」に設定されている。つまり、第２曲線３７の曲率Ｒ２が第１曲線３６の曲率Ｒ１の４倍の大きさに設定されている。この場合、歯元３５の曲線形状は、長半径ｒ１＝約０．３９［ｍｍ］、短半径ｒ２＝約０．２０［ｍｍ］の楕円の弧（図４（ｂ）参照）に近似した形状となる。この場合、ｒ１／ｒ２の値は約１．９５となり、ｒ１／（Ｗ１／２）＝約０．６８となるため、これらの値がウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えない。しかも、組付限界を超えない範囲において、歯元３５への応力集中率αが極めて小さく抑えられる。ちなみに、上記したように、歯元３５の曲線形状を従来より一般的に用いられている単一の曲率「Ｒ０．２」とする場合と比較して、歯元３５への応力集中率αが約２２％低減される。なお、図４（ａ）の特性図より、第２曲線３７の曲率Ｒ２を第１曲線３６の曲率Ｒ１の４倍の大きさに設定すると、ウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えない範囲において歯元３５への応力集中率αが極めて小さく抑えられる最適な数値である。しかし、第２曲線３７の曲率Ｒ２を第１曲線３６の曲率Ｒ１の１．５倍〜６倍の間の範囲に設定しても良好な結果が得られる。

よって、本実施形態では、歯面３４側の第２曲線３７の曲率Ｒ２が歯底３３側の第１曲線３６の曲率Ｒ１の４倍の大きさに設定しているので、ウォーム３１の歯３２の圧力角θ１を１０°に設定しても歯元３５の強度を十分に確保することができる。そのため、歯元３５への応力集中によりウォーム３１の歯３２が変形するのが防止され、モータ１の騒音や振動を抑制できる。しかも、第２曲線３７の曲率Ｒ２が第１曲線３６の曲率Ｒ１よりも大きくなるように設定されるため、ウォーム３１の歯元３５の補強部位がウォームホイール２５の歯２５ａの先端に干渉してしまうのを防止できる。ゆえに、歯元３５を補強した場合でも正しい噛み合いを得ることができるため、作動時に常に噛み合い部分から騒音が発生したり、伝達効率が低くなったりという不具合が防止され、所望のモータ特性を得ることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）歯元３５の曲線形状がそれぞれ異なる曲率Ｒ１，Ｒ２を有する２つの曲線３６，３７によって構成され、歯面３４側の第２曲線３７の曲率Ｒ２が歯底３３側の第１曲線３６の曲率Ｒ１よりも大きくなるように設定されている。つまり、歯面３４はウォームホイール２５の歯２５ａと接触する部位であり、その歯面３４側の曲率Ｒ２が大きくなるので、歯元３５における歯面３４側の部位の突出量が小さくなる。これにより、ウォームホイール２５との干渉による噛み合いへの影響を低減しながら（噛み合いへの影響を与える組付限界内としながら）、ウォーム３１の歯元３５の強度を確保することができる。そのため、歯元３５への応力集中によりウォーム３１の歯３２が変形するのが防止され、モータ１の騒音や振動を抑制できる。しかも、ウォーム３１の歯元３５の補強部位がウォームホイール２５の歯２５ａの先端に干渉してしまうのを防止でき、歯元３５を補強した場合でも正しい噛み合いを得ることができる。その結果、作動時に常に噛み合い部分から騒音が発生したり、伝達効率が低くなったりという不具合が防止され、所望のモータ特性を得ることができる。

（２）ウォーム３１の歯元３５の補強により、歯３２の圧力角θ１及び歯厚を小さくすることができるため、該ウォーム３１に噛み合うウォームホイール２５の歯２５ａの数が増加し、ウォーム３１とウォームホイール２５との減速比が大きくなる。ゆえに、ウォームホイール２５の歯２５ａを従来と同じ数にして減速比の大きさを従来と同一にすれば、ウォームホイール２５を小型軽量化することができる。従って、モータ１を軽量化させることができる。

（３）歯元３５の曲線形状がそれぞれ異なる曲率Ｒ１，Ｒ２を有する２つの曲線３６，３７によって構成されるので、２つの曲線３６，３７の曲率Ｒ１，Ｒ２を適宜設定するだけですみ、歯元３５の曲線形状を容易に設定することができる。

（４）第２曲線３７の曲率Ｒ２を第１曲線３６の曲率Ｒ１の４倍の大きさに設定しているので、ウォーム３１及びウォームホイール２５の組付限界を超えない範囲において歯元３５への応力集中率αが極めて小さく抑えられる。なお、第２曲線３７の曲率Ｒ２を第１曲線３６の曲率Ｒ１の１．５倍〜６倍の間の範囲に設定しても良好な結果を得ることができる。

（５）ウォーム３１は、モータ本体２に備えられる回転軸７の先端に一体形成されており、軸受２４に挿通されて該軸受２４にて支持される回転軸７の軸本体１１の外径Ｘ２よりも該ウォーム３１の外径Ｘ１が小さくなるように形成される。そのため、軸受２４に対してウォーム３１側から回転軸７を挿通でき、例えば軸受２４をギヤハウジング２１に固着した状態で、軸本体１１にコア８、巻線９及び整流子１０を装着した状態の回転軸７をウォーム３１側から軸受２４に挿通させるというように、モータ１を容易に組み付けることができる。又、ウォーム３１の外径Ｘ１が軸本体１１の外径Ｘ２よりも小さいので、ウォームホイール２５をウォーム３１（回転軸７）に対して近接して配置でき、減速部３、ひいてはモータ１を小型化することができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。

・前記実施形態では、歯元３５の曲線形状をそれぞれ異なる曲率Ｒ１，Ｒ２を有する２つの第２曲線３７及び第１曲線３６によって構成したが、歯元３５の曲線形状をそれぞれ異なる曲率を有する３つ以上の曲線によって構成し、各曲線の曲率を歯底３３に近付くに従って徐々に小さくなるように設定してもよい。

・前記実施形態では、車両用ワイパ装置の駆動源として用いられるモータ１のアーマチャ６の回転軸７に形成したウォーム３１に実施したが、それ以外のモータのアーマチャの回転軸に形成されるウォームに実施してもよい。また、アーマチャとは別に設けられる回転軸に形成されるウォームに実施してもよい。

次に、上記実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。

（イ）モータ本体と、該モータ本体の駆動により回転される請求項１〜３及び上記（イ）のいずれか１項に記載のウォーム及び該ウォームと噛合するウォームホイールを有する減速機構と、を備えたことを特徴とする減速機構付きモータ。

本実施形態におけるモータの断面図。 ウォームの歯形を拡大して示した断面図。 図２の範囲Ａを拡大して示した断面図。 （ａ）は、歯元の曲線形状と、その歯元への応力集中率αとの関係を示すグラフ、（ｂ）は、ウォームの各部寸法を示す説明図。

符号の説明

１…モータ（減速機構付きモータ）、２…モータ本体、２５…減速機構を構成するウォームホイール、３１…減速機構を構成するウォーム、３３…歯底、３４…歯面、３５…歯元、３６…歯底側の曲線としての第１曲線、３７…歯面側の曲線としての第２曲線、Ｒ１，Ｒ２…曲率、θ１…圧力角。

Claims (4)

1. モータ本体の回転を減速する減速機構を構成するためにウォームホイールと噛合する減速機構付きモータのウォームであって、
   歯面と歯底とを接続する歯元を凹状の曲線形状とし、その曲線形状がそれぞれ異なる曲率を有する複数の曲線によって構成され、前記各曲線の曲率が前記歯底から前記歯面に近付くに従って徐々に大きくなるように設定されていることを特徴とする減速機構付きモータのウォーム。
2. 前記歯元の曲線形状がそれぞれ異なる曲率を有する２つの曲線によって構成され、
   前記歯面側の曲線の曲率が前記歯底側の曲線の曲率よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の減速機構付きモータのウォーム。
3. 圧力角が１４．５°以下であり、前記歯面側の曲線の曲率が前記歯底側の曲線の曲率に対して１．５〜６倍の範囲内に設定されることを特徴とする請求項２に記載の減速機構付きモータのウォーム。
4. 前記モータ本体に備えられる回転軸の先端に一体形成されており、軸受に挿通されて該軸受にて支持される該回転軸の軸本体の外径よりもその外径が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の減速機構付きモータのウォーム。

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