JP2010136591A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減少でき、かつ組み立て工数を減少させることができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】ケーシングユニット２内に、少なくとも電動モータ３と、この電動モータ３の回転を変速して出力軸４７に伝達する変速機構４と、出力軸４７の回転位置を検出する回転位置検出装置８０とを設けると共に、ケーシングユニット２に出力軸４７を回転自在に設け、出力軸４７の一端に連結された被駆動体の駆動制御を行うアクチュエータ１であって、変速機構４を構成するセクタギア４６を出力軸４７の他端に設け、回転位置検出装置８０は、センサマグネット２８と、センサマグネット２８の磁界の変化を検出する磁気検抵抗素子２９とで構成され、セクタギア４６に、センサマグネット２８を固定する一方、磁気検抵抗素子２９をセンサマグネット２８に軸方向で対向するように配置した。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車等に搭載されるアクチュエータに関するものである。

従来から、ケース内にブラシレスモータ、変速機構、およびブラシレスモータを駆動制御するための制御基板を内装し、これらを一体化したアクチュエータが知られている。このアクチュエータは、ブラシレスモータの回転力を変速機構を介して出力軸に伝達し、被駆動体である各種デバイスを駆動制御する。出力軸には、変速機構を構成する複数の歯車のうちの１つが固定されている。
ここで、各種デバイスの駆動制御を高精度に行うために、ケース内に出力軸の回転位置を検出する回転位置装置を設ける場合がある。

回転位置検出装置としては、センサマグネットと、これに対向配置され、制御基板に実装されたＭＲ素子やホール素子などの磁気検出素子とで構成される場合が多い。センサマグネットは、出力軸と一体となって回転するように、出力軸にホルダ等を介して取り付けられている。そして、出力軸が回転すると、これと共回りするセンサマグネットの磁界が変化し、この磁界の変化を磁気検出素子が検出することによって出力軸の回転位置を検出することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２５１２０３号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、出力軸に歯車が固定されているほか、ホルダ等を介してセンサマグネットが取り付けられているので、部品点数が増加すると共に、組み立て工数が増加するという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、部品点数を減少でき、かつ組み立て工数を減少させることができるアクチュエータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、ケーシング内に、少なくとも電動モータと、この電動モータの回転を変速して出力軸に伝達する変速機構と、前記出力軸の回転位置を検出する回転位置検出装置とを設けると共に、前記ケーシングに前記出力軸を回転自在に設け、前記出力軸の一端に連結された被駆動体の駆動制御を行うアクチュエータであって、前記変速機構を複数の歯車で構成し、これら複数の歯車のうちの１つを前記出力軸の他端に設け、前記回転位置検出装置は、センサマグネットと、前記センサマグネットの磁界の変化を検出する磁気検出素子とで構成され、前記出力軸の他端に設けられた歯車に、前記センサマグネットを固定する一方、前記磁気検出素子を前記センサマグネットに軸方向で対向するように配置したことを特徴とする。
このように構成することで、歯車とセンサマグネットとを一体化することができ、従来のようにホルダ等を設けることなく、センサマグネットと出力軸とを共回りさせることが可能になる。
また、出力軸に歯車を取り付けるだけで出力軸、歯車、およびセンサマグネットの組み立てを完了させることができる。

請求項２に記載した発明は、前記出力軸の他端に設けられた歯車は、歯車本体と、前記歯車本体の径方向中央に設けられ、前記出力軸に外嵌固定可能な有底筒部とが一体成形されたものであって、前記有底筒部の底部に、前記センサマグネットを固定したことを特徴とする。
このように構成することで、簡単な構造で出力軸、歯車、およびセンサマグネットを一体化することができる。

請求項１に記載した発明によれば、歯車とセンサマグネットとを一体化することができ、従来のようにホルダ等を設けることなく、センサマグネットと出力軸とを共回りさせることが可能になる。このため、部品点数を減少させることができる。
また、出力軸に歯車を取り付けるだけで出力軸、歯車、およびセンサマグネットの組み立てを完了させることができるので、組み立て工数を減少させることができる。

請求項２に記載した発明によれば、簡単な構造で出力軸、歯車、およびセンサマグネットを一体化することができるので、製造コストを低減できるアクチュエータを提供することが可能になる。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、アクチュエータ１は、例えば、自動車に搭載され、被駆動体である可変ノズル式ターボチャージャのノズルベーンを開閉動作させるために用いられるものであって、ケーシングユニット２内に電動モータ３、変速機構４、および電動モータ３の駆動制御を行う制御基板５とを備えている。
ケーシングユニット２は、電動モータ３が内装されている第一ケース６と、変速機構４が内装されている第二ケース７とで構成されている。これらケース６，７は、両者６，７の間に平板状のベースプレート８を介装させた状態で複数のボルト５０によって互いに締結固定されている。

第一ケース６は、樹脂で第二ケース７側に開口部６ａを有する平面視長方形であって、かつ箱状に形成されたものである。第一ケース６のエンド部（底部）６ｂには、長手方向の一端側に、電動モータ３を固定するための有底筒状の固定部１６が突設されている。固定部１６は、エンド部（底部）１６ａを外側に向けた形で設けられている。
電動モータ３は、略円筒状のステータ１１と、ステータ１１の内側に回転自在に配置されたロータ１２とを有する、所謂インナーロータ型のブラシレスモータである。

ステータ１１は、磁性材料の板材を軸方向に積層したり、磁性金属粉体を加圧したり（圧粉磁心）することで形成されたものであって、周壁を形成するコア本体１３と、コア本体１３から径方向内側に向かって突設された複数のティース部１４とが一体成形されている。

コア本体１３は、環状の磁路を形成する部分である。一方、ティース部１４は、巻線１５を巻装する部分であって、周方向に等間隔で設けられている。ティース部１４は、軸方向平面視略Ｔ字状に形成されており、ティース部１４の先端部１４ａがステータ１１の内周部を形成している。各ティース部１４には、それぞれインシュレータ５６が装着され、このインシュレータ５６を介して各ティース部１４に巻線１５が巻装されている。

ここで、ステータ１１は、第一ケース６の固定部１６にインサートモールドされており、ティース部１４の先端部１４ａのみ露出した状態になっている。すなわち、固定部１６は、ステータ１１を固定するステータハウジング（モータハウジング）の役割を有している。そして、固定部１６は、ティース部１４の先端部１４ａのみが露出可能なように有底筒状に形成されている。

固定部１６の開口縁１６ｂには、軸方向に沿って突出するリング状の立ち上がり部１９が設けられている。一方、固定部１６のエンド部１６ａには、径方向略中央にボス部４２が形成され、ここに軸受け１８が設けられている。この軸受け１８は、後述するロータ１２の回転軸１７の一端を回転自在に軸支するためのものである。

図２、図４に示すように、ロータ１２は回転軸１７を有している。ロータ１２における、ステータ１１のティース部１４に対応する部位には、略円筒状のマグネット２０が外嵌固定されている。マグネット２０は、周方向に複数の磁極が着磁されている。また、回転軸１７には、マグネット２０の軸方向両端に対応する部位にフランジ部２１ａ，２１ｂが形成されており、これらフランジ部２１ａ，２１ｂによってマグネット２０の軸方向の位置決めが行われる。

さらに、回転軸１７の他端側には、固定部１６の立ち上がり部１９よりもやや外側に対応する部位に、フランジ部２３が形成されている。フランジ部２３には、円環状のセンサマグネット２２が固定されている。センサマグネット２２は、ロータ１２の回転位置を検出するための回転位置検出装置２４の一方を構成するものであって、周方向に沿って複数の磁極が着磁されている。
この他に、回転軸１７の他端には、第二ケース７に内装されている変速機構４に噛合うピニオンギア４１が設けられている。

図２、図３、および図５に示すように、第一ケース６の内周面６ｃには、開口縁からエンド部（底部）６ｂに向かうに従って徐々に開口面積が小さくなるように第一段差部９と第二段差部１０とが順に形成されている。
第一段差部９には、平面視略長方形状のベースプレート８が内周面６ｃに内嵌された状態で配置されている。また、第一段差部９の段差面９ａには、全周に亘って溝５９が形成され、ここに段差面９ａとベースプレート８との合わせ面をシールするためのパッキン６０が設けられている。

一方、第二段差部１０には、制御基板５が配置されている。制御基板５は、平面視略長方形状に形成されており、周縁に沿って位置決め孔３３が６箇所形成されている。第二段差部１０には、制御基板５の位置決め孔３３に対応する部位に、位置決めピン３４が突設されている。この位置決めピン３４に制御基板５の位置決め孔３３が嵌合することによって、制御基板５の第一段差部９上でのガタツキを抑えることができるようになっている。

また、制御基板５には、第一ケース６の立ち上がり部１９に対応する部位に、開口部５７が形成されている。立ち上がり部１９は、開口部５７を貫通した状態になっている。開口部５７の周囲には、第二ケース７側の面に３つのホール素子２５が周方向に沿って６０度間隔で配置されている。ホール素子２５は、回転位置検出装置２４の他方を構成するものであって、回転軸１７に設けられているセンサマグネット２２と軸方向で対向した状態になっている。そして、ホール素子２５は、センサマグネット２２から発生する磁界の変化を示す情報として検出し、回転位置検出信号としてそれぞれ６０度位相のずれた正弦波アナログ信号を出力する。

制御基板５には、制御回路を構成する複数の電子チップ２７が実装されており、ホール素子２５からの出力信号に基づいて電動モータ３のロータ１２の回転位置が検出できるようになっている。
また、制御基板５には、第二ケース７側の面に、変速機構４に設けられたセンサマグネット２８の磁界の変化を示す情報として検出する磁気抵抗素子（ＭＲ素子）２９が実装されている。

さらに、制御基板５には、ステータ１１のティース部１４に巻装されている巻線１５が接続されており、各巻線１５に電流を供給するようになっている。制御回路を構成する複数の電子チップ２７は、所定の巻線１５に順次電流を供給できるようにスイッチング素子などを含むドライブ回路も構成している。すなわち、制御基板５は、電動モータ３を駆動させるための駆動用（コントロール用）基板と、センサ基板とが一体化したものになっている。
この他に、制御基板５には、長手方向の電動モータ３とは反対側端の一側と、長手方向略中央の一側とに、それぞれ後述する雑防素子を実装するための端子接続部５ａ，５ｂが設けられている。

ここで、制御基板５の第一ケース６のエンド部６ｂ側の面には、電動モータ３を駆動する際に発生する電磁ノイズを低減するための雑防素子として、コンデンサ３０やインダクタ３１が実装されている。これらコンデンサ３０やインダクタ３１は、第一ケースのエンド部６ｂに一体成形されている収納部３２に収納されており、第一ケース６のエンド部６ｂに埋設されたターミナルユニット１２１を介して制御基板５に接続されている。

収納部３２は、第一ケース６のエンド部６ｂの長手方向略中央に配置され、それぞれコンデンサ３０、およびインダクタ３１の形状に対応するように、外側に向かって突設された断面略Ｕ字状の複数の凸部３２ａで構成されている。
ターミナルユニット１２１は、コンデンサ３０、およびインダクタ３１から制御基板５の接続端子５ａ，５ｂに至る間に延在する不図示のターミナルを有している。また、ターミナルユニット１２１は、後述するコネクタ３５の端子３７と一体化された不図示のコネクタ用ターミナルを有している。コネクタ用ターミナル（不図示）は、コネクタ３５の端子３７と制御基板５の接続端子５ａとの間を跨るように形成されている。

また、第一ケース６のエンド部６ｂには、制御基板５と不図示の外部電源、および外部制御機器とを電気的に接続するためのコネクタ３５が一体成形されている。コネクタ３５は、不図示の外部コネクタが嵌着可能な受入れ口３６を軸方向外側に向けた形で第一ケース６の長手方向他端側に配置されている。すなわち、コンデンサ３０やインダクタ３１を収納するための収納部３２（凸部３２ａ）は、ステータ１１がインサートモールドされている固定部１６とコネクタ３５との間に配置された状態になる。
収納部３２の凸部３２ａは、コンデンサ３０、およびインダクタ３１を収納可能な突出高さに設定されているので、固定部１６やコネクタ３５の突出高さと比較して低くなる。

コネクタ３５の受入れ口３６には、端子３７が設けられている。この端子３７の一端は、受入れ口３６内に突出している一方、他端はターミナルユニット１２１を介して制御基板５に接続されている。これによって、外部電源（不図示）の電力をコネクタ３５、ターミナルユニット１２１、および制御基板５を介して電動モータ３に供給することができる。また、制御基板５と外部制御機器（不図示）との間でコネクタ３５を介して信号の入出力を行うことができる。

図２、図６に示すように、第一ケース６の第一段差部９に設けられたベースプレート８には、電動モータ３の回転軸１７に対応する部位に、軸受けハウジング３９が設けられている。この軸受けハウジング３９には、回転軸１７の他端を回転自在に軸支するための軸受け３８が設けられている。また、軸受けハウジング３９には、第一ケース６とは反対側に挿通孔４０が形成されている。回転軸１７の他端に設けられたピニオンギア４１は、軸受けハウジング３９の挿通孔４０から第二ケース７側に向かって突出している。そして、第二ケース７に内装されている変速機構４に噛合い、変速機構４に回転軸１７の回転力を伝達する。

第二ケース７は、金属製で第一ケース６側に開口部７ａを有する平面視略長方形であって、かつ箱状に形成されたものであり、変速機構４を収納する変速機構収納凹部４３を有している。第二ケース７は、この外周縁が第一ケース６に内嵌された状態で固定されている。すなわち、ベースプレート８は、第二ケース７の周壁７ｂの端面７ｃと第一ケース６の第一段差部９の段差面９ａとで挟持された状態になっている。このため、第一ケース６の内部と第二ケース７の内部は、ベースプレート８によってそれぞれ区分けされた状態になる。また、ベースプレート８には、第二ケース７の周壁７ｂの端面７ｃに対応する部位に、全周に亘って溝８２が形成され、ここにベースプレート８と第二ケース７の端面７ｃとの合わせ面をシールするためのパッキン８３が設けられている。

変速機構４は、第一ギア４４、第二ギア４５、および出力軸４７を有するセクタギア４６を備え、電動モータ３の回転軸１７の回転速度を減速させると共に、トルクを増大させて出力軸４７に伝達させるものである。
変速機構４の第一ギア４４は、電動モータ３の回転軸１７に取り付けられているピニオンギア４１と噛合う大径歯車４４ａと、この大径歯車４４ａよりも小さい小径歯車４４ｂとが一体成形されたものである。第一ギア４４は、第一アイドラ軸４８に回転自在に軸支されている。第一アイドラ軸４８は、両端がそれぞれベースプレート８と第二ケース７のエンド部（底部）７ｃに支持されている。

ベースプレート８には、第一アイドラ軸４８に対応する部位に、この一端を嵌合固定可能なボス部５１が第一ギア４４側に向かって突出形成されている。一方、第二ケース７のエンド部７ｃには、第一アイドラ軸４８に対応する部位に、この他端を嵌合固定可能なボス部５２が外側に向かって突出形成されている。また、これらボス部５１，５２によって、第一ギア４４の軸方向への移動が規制されている。

第一ギア４４の小径歯車４４ｂには、第二ギア４５の大径歯車４５ａが噛合されている。第二ギア４５は、大径歯車４５ａと、この大径歯車４５ａよりも小さい小径歯車４５ｂとが一体成形されたものである。第二ギア４５は、第二アイドラ軸４９に回転自在に軸支されている。第二アイドラ軸４９は、両端がそれぞれベースプレート８と第二ケース７のエンド部（底部）７ｃに支持されている。

ベースプレート８には、第二アイドラ軸４９に対応する部位に、この一端を嵌合固定可能なボス部５３が第二ギア４５側に向かって突出形成されている。一方、第二ケース７のエンド部７ｃには、第二アイドラ軸４９に対応する部位に、この他端を嵌合固定可能なボス部５４が外側に向かって突出形成されている。また、これらボス部５３，５４によって、第二ギア４５の軸方向への移動が規制されている。第二ギア４５の小径歯車４５ｂには、セクタギア４６が噛合されている。

図２、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、セクタギア４６は、略円板状の歯車本体６１と、歯車本体６１の径方向略中央に設けられ、軸方向に延びる有底円筒部６２とが一体成形されたものである。
歯車本体６１には、第一ケース６側の面に平面視略環状の溝６３が形成されており、ここに平面視略Ｃ字状の凸部７９が形成されている。この凸部７９が形成された溝６３には、リターンスプリング（不図示）が設けられている。リターンスプリングは、セクタギア４６が回動した際、セクタギア４６に対して初期位置への復帰習性を付与するためのものである。なお、アクチュエータ１の仕様によっては、歯車本体６１の溝６３にリターンスプリングを設けずに、セクタギア４６に初期位置への復帰習性を付与しなくてもよい。

有底円筒部６２は、エンド部（底部）６２ａを第一ケース６側に向けた形で設けられている。有底円筒部６２のエンド部６２ａには、段差によって縮径された縮径部７６が設けられている。縮径部７６の端部には、第一ケース６側に向かって突出するマグネットホルダ６４が一体成形されている。マグネットホルダ６４には、平面視長方形状のセンサマグネット２８が設けられている。

また、有底円筒部６２には、出力軸４７が内嵌されている。出力軸４７の歯車本体６１に対応する箇所には、セレーション６５が形成されている。ここで、出力軸４７は、セレーション６５を形成することによって、セクタギア４６のインサートモールドを可能としている。有底円筒部６２のエンド部６２ａに形成されている貫通孔６６は、出力軸４７にセクタギア４６をインサートモールドする際の抑え孔として使用される。
また、出力軸４７の先端側には、先端に向かうに従って徐々に先細りとなるように形成された先細り部６７が設けられており、ここにセレーション６８が形成されている。

図２、図６に示すように、ベースプレート８には、セクタギア４６の有底円筒部６２に対応する部位に、軸受けハウジング７２が設けられ、ここに有底円筒部６２の縮径部７６を回転自在に支持する軸受け７３が設けられている。一方、第二ケース７のエンド部７ｃには、出力軸４７に対応する部位に、外部に向かって突出するボス部７４が形成され、ここに出力軸４７を回転自在に支持する軸受け７５が設けられている。
セクタギア４６は、有底円筒部６２に設けられている縮径部７６の段差面７６ａがベースプレート８の軸受け７３の内輪に当接すると共に、有底円筒部６２の先端が第二ケース７の軸受け７５の内輪に当接することによって軸方向への移動が規制されている。

出力軸４７の先細り部６７よりも先端側は、第二ケースのボス部７４から外側に突出した状態になっている。ボス部７４の軸受け７５よりも先端側には、オイルシール７７が設けられており、外部から第二ケース７内への塵埃の侵入を防止できるようになっている。
回転軸１７の先細り部６７に形成されているセレーション６８には、出力アーム６９が取り付けられる（図１参照）。この出力アーム６９は、例えば、可変ノズル式ターボチャージャのノズルベーンに連係されるものである。出力軸４７の先細り部６７よりも先端側には、雄ネジ部７０が設けられており、ここにナット７１を螺入することによって出力アーム６９が出力軸４７に締結固定されるようになっている。

このように、出力軸４７は、先端側に可変ノズル式ターボチャージャのノズルベーンに連係される出力アーム６９が取り付けられている一方、基端側にセクタギア４６が設けられた状態になっており、これら６９，４６が一体化した状態でベースプレート８、および第二ケース７に回転自在に支持されている。また、セクタギア４６の有底円筒部６２に設けられたセンサマグネット２８は、ベースプレート８よりも制御基板５側に突出した状態になっている。

そして、センサマグネット２８と制御基板５の磁気抵抗素子２９とが対向するようになっている。これらセンサマグネット２８と磁気抵抗素子２９は、セクタギア４６の回転位置を検出する回転位置検出装置８０を構成している。磁気抵抗素子２９は、センサマグネット２８から発生する磁界の変化を示す情報として検出し、出力軸４７の回転位置検出信号を出力する。この信号を制御基板５の電子チップ２７などによって処理し、セクタギア４６の回転位置が検出できる。

このような構成のもと、アクチュエータ１は、例えば、可変ノズル式ターボチャージャのタービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を調整する際、電動モータ３が駆動する。電動モータ３は、外部電源からの電力によって所定の巻線１５に順次電流が供給されると、ステータ１１に回転磁界が生じる。そして、この回転磁界とロータ１２のマグネット２０との間に吸引力、または反発力が生じ、ロータ１２が回転する。

ロータ１２の回転軸１７が回転すると、変速機構４を介して出力軸４７が回転する。すると、出力軸４７の先細り部６７に締結固定されている出力アーム６９が回動し、出力アーム６９に連係されているノズルベーンが開閉動作を行う。このとき、ノズルベーンの開閉制御は、電動モータ３側に設けられている回転位置検出装置２４、およびセクタギア４６側に設けられている回転位置検出装置８０の検出結果に基づいて行われる。そして、ノズルベーンが開けば開くほどタービンホイールが高速回転するようになる。

したがって、上述の実施形態によれば、セクタギア４６を略円板状の歯車本体６１と、歯車本体６１の径方向略中央に一体的に設けられ、軸方向に延びる有底円筒部６２とで構成し、有底円筒部６２のエンド部６２ａにセンサマグネット２８を設けているので、セクタギア４６とセンサマグネット２８とを一体化することができる。
また、セクタギア４６に有底円筒部６２を形成することによって、簡単な構造でセクタギア４６と出力軸４７とを一体化することができ、かつセンサマグネット２８が固定されたセクタギア４６を出力軸４７の基端側に配置することができる。このため、組み立て工数を減少させることができ、製造コストを低減させることができる。

本発明の実施形態におけるアクチュエータの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態における第一ケースの断面図である。 本発明の実施形態におけるロータの斜視図である。 本発明の実施形態における制御基板の平面図である。 本発明の実施形態におけるベースプレートの断面図である。 本発明の実施形態におけるセクタギアを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ ケーシングユニット（ケーシング）
３ 電動モータ
４ 変速機構
５ 制御基板
６ 第一ケース（ケーシング）
７ 第二ケース（ケーシング）
２８ センサマグネット
２９ 磁気抵抗素子（磁気検出素子）
４４ 第一ギア（歯車）
４４ａ，４５ａ 大径歯車（歯車）
４４ｂ，４５ｂ 小径歯車（歯車）
４５ 第二ギア（歯車）
４６ セクタギア（歯車）
４７ 出力軸
６１ 歯車本体
６２ 有底円筒部（有底筒部）
６２ａ エンド部（底部）
８０ 回転位置検出装置

Claims (2)

1. ケーシング内に、
   少なくとも電動モータと、
   この電動モータの回転を変速して出力軸に伝達する変速機構と、
   前記出力軸の回転位置を検出する回転位置検出装置とを設けると共に、前記ケーシングに前記出力軸を回転自在に設け、
   前記出力軸の一端に連結された被駆動体の駆動制御を行うアクチュエータであって、
   前記変速機構を複数の歯車で構成し、
   これら複数の歯車のうちの１つを前記出力軸の他端に設け、
   前記回転位置検出装置は、
   センサマグネットと、
   前記センサマグネットの磁界の変化を検出する磁気検出素子とで構成され、
   前記出力軸の他端に設けられた歯車に、前記センサマグネットを固定する一方、前記磁気検出素子を前記センサマグネットに軸方向で対向するように配置したことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記出力軸の他端に設けられた歯車は、
   歯車本体と、
   前記歯車本体の径方向中央に設けられ、前記出力軸に外嵌固定可能な有底筒部とが一体成形されたものであって、
   前記有底筒部の底部に、前記センサマグネットを固定したことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
   
   

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