JP2014011857A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキを有する小型のアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１は、モータ２と、モータ２の回転を減速して出力する減速機３と、モータ２の回転を制動可能なブレーキ４と、これらモータ２、減速機３及びブレーキ４を一体的に収容するハウジング５とを備えた。そして、ハウジング５内に、モータ２、ブレーキ、減速機３をこの順で軸方向に並置し、ハウジング５内をモータ室９１とギア室９２とに仕切るようにブレーキ４のボディ７１を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

従来、例えば産業用ロボット等に用いられるアクチュエータには、多くの場合、ブレーキ付きのものが用いられている。こうしたアクチュエータとして、例えば特許文献１には、モータ、減速機及びブレーキをハウジング内に一体的に収容することで小型化を図ったものが開示されている。

この特許文献１のアクチュエータでは、減速機、モータ、ブレーキがこの順でモータの回転軸の軸方向に並置されている。そして、モータと減速機との間には、ハウジング内をモータが収容されるモータ室と減速機が収容されるギア室とに仕切るエンドブラケットが設けられており、このエンドブラケットによってギア室から潤滑油や摩耗粉等の異物がモータ室に侵入することを抑制している。

特開２００８−１１５８９６号公報

ところで、近年、上記のようなアクチュエータにおいては、より一層の小型化が求められるようになっている。そのため、アクチュエータのさらなる小型化を実現できる新たな技術の創出が求められていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ブレーキを有する小型のアクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、モータと、前記モータの回転を減速して出力する減速機と、前記モータの回転を制動可能なブレーキとがハウジング内に一体的に収容されたアクチュエータにおいて、前記ハウジング内には、前記モータ、前記ブレーキ、前記減速機がこの順で前記モータの回転軸の軸方向に並置され、前記ブレーキは、前記ハウジング内を前記モータが収容されるモータ室と前記減速機が収容されるギア室とに仕切るように形成されたことを要旨とする。

上記構成によれば、ブレーキがハウジング内をモータ室とギア室とに仕切るように形成されるため、ブレーキによってギア室からモータ室側への異物の侵入が抑制されるようになる。したがって、モータ室とギア室との間を仕切る隔壁となる部材を別途モータ等とともに軸方向に並置せずともよく、アクチュエータを軸方向に小型化できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記ブレーキの前記回転軸と一体回転しない非回転部位には、軸方向の前記減速機側に突出する取付部が形成され、前記取付部と前記回転軸との間には、シール部材が設けられたことを要旨とする。

上記構成によれば、シール部材によって、ブレーキの固定部位と回転軸との間の隙間を介してギア室からモータ室側へ異物が侵入することを抑制できるようになる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアクチュエータにおいて、前記減速機には、前記取付部と対向する位置に凹部が形成され、前記ブレーキは、前記取付部が前記凹部内に収容されるように配置されたことを要旨とする。

上記構成によれば、ブレーキの一部と減速機の一部とが軸方向にオーバーラップして配置されるため、アクチュエータの軸方向の大型化を抑制しつつ、ブレーキの固定部位と回転軸との間の隙間を介してギア室からモータ室側へ異物が侵入することを抑制できるようになる。

本発明によれば、ブレーキを有する小型のアクチュエータを提供できる。

アクチュエータの断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。

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に示すアクチュエータ１は、例えば産業用ロボットのアームを回動させるための駆動源として用いられるものである。同図に示すように、アクチュエータ１は、モータ２と、モータ２の回転を減速して出力する減速機３と、モータ２の回転を制動可能なブレーキ４と、これらモータ２、減速機３及びブレーキ４を一体的に収容する略円筒状のハウジング５とを備えている。そして、ハウジング５内には、モータ２、ブレーキ４、減速機３がこの順で軸方向に並置されている。

詳述すると、ハウジング５は、略円筒状のモータケース１１と、モータケース１１の軸方向一端側（反ブレーキ４側）の開口端を閉塞するように設けられる略円環状のカバー１２と、モータケース１１の軸方向他端側に設けられる略円筒状のギアケース１３とを備えている。また、モータケース１１の軸方向他端部には、径方向外側に延出される円環状のフランジ部１１ａが形成されるとともに、ギアケース１３の軸方向一端部（ブレーキ４側端部）には、径方向外側に延出される円環状のフランジ部１３ａが形成されており、これらモータケース１１とギアケース１３とはボルト１４によって互いに締結されている。そして、モータケース１１内にはモータ２が配置され、ギアケース１３内には、減速機３が配置されている。

モータ２は、モータケース１１の内周に固定されるステータ２１と、ステータ２１の内側に回転可能に設けられるロータ２２とを備えたブラシレスモータとして構成されている。詳しくは、ステータ２１は、円環状に形成されたステータコア２３、及びステータコア２３のティース２３ａに巻装されたステータコイル２４を有している。一方、ロータ２２は、中空円筒状に形成された回転軸２５、回転軸２５の外周に固定される円環状のロータコア２６、及びロータコア２６の外周に固定される永久磁石２７を有している。ロータコア２６の軸方向長さは、ステータコア２３の軸方向長さと略等しくなるように形成されている。これにより、ステータコイル２４は、ロータコア２６よりも軸方向両側にそれぞれ突出している。なお、本実施形態の回転軸２５は、ハウジング５と略等しい軸方向長さに設定されており、モータケース１１及びギアケース１３の双方に跨って配置されている。また、回転軸２５の軸方向一端部（モータケース１１側端部）は、カバー１２に設けられたボール軸受２８により回転可能に支持されている。

カバー１２の中央には、モータケース１１側に凹んだ収容部３１が形成されており、収容部３１内には、ロータ２２の回転角を検出する回転角センサとしてのレゾルバ３２が収容されている。レゾルバ３２は、収容部３１の内周に固定される円環状のセンサステータ３３と、回転軸２５に固定されるセンサロータ３４とを備えた所謂バリアブルリラクタンス型のレゾルバとして構成されている。

減速機３は、回転軸２５の軸心に対して偏心して設けられる一対の外歯歯車４１と、各外歯歯車４１と噛合する内歯歯車４２と、各外歯歯車４１の偏心回転に応じた回転を出力するキャリア４３とを備えた偏心揺動型の遊星歯車機構として構成されている。詳しくは、図１及び図２に示すように、回転軸２５におけるギアケース１３内に配置された部分には、その軸方向一端側よりも大径の略円筒状に形成された一対のカム部４５が並んで設けられている。一対のカム部４５は、その軸心Ｌ１，Ｌ２が回転軸２５の軸心Ｌ０に対して所定量偏心するとともに、該軸心Ｌ０を挟んで対向するように配置されている。つまり、カム部４５は、回転軸２５の軸心Ｌ０まわりにおいて１８０°ずれた位置にそれぞれの軸心Ｌ１，Ｌ２を有している。なお、一対の外歯歯車４１を通る減速機３の断面形状は、回転軸２５の軸心Ｌ０に対して互いに対称な形状となるため、説明の便宜上、図２に軸方向一端側に配置された外歯歯車４１を通る断面形状のみを示している。

図２に示すように、各外歯歯車４１は、回転軸２５のカム部４５にニードル軸受４６を介して回転可能に支持されている。各外歯歯車４１は、円板状に形成されるとともに、それぞれの軸心がカム部４５の軸心Ｌ１，Ｌ２に一致するように該カム部４５に固定されている。そして、外歯歯車４１は、回転軸２５の回転により回転軸２５の軸心Ｌ０に対して偏心した状態で回転するようになっている。すなわち、本実施形態の回転軸２５は、減速機３の入力軸としても機能する。また、各外歯歯車４１の外周面には、複数の外歯４７が形成されている。さらに、各外歯歯車４１には、その厚み方向（軸方向）に貫通した複数のピン孔４８、及び複数の支柱孔４９が形成されている。各ピン孔４８は断面略円形状に形成され、各支柱孔４９は断面略扇形状に形成されている。なお、ピン孔４８と支柱孔４９とは、周方向に交互に形成されるとともに、外歯歯車４１の軸心（軸心Ｌ１，Ｌ２）まわりに等角度間隔で形成されている。

ギアケース１３の内周面には、複数の内歯５１が形成されている。つまり、本実施形態では、ギアケース１３が内歯歯車４２としても構成されている。なお、内歯５１の数は、各外歯歯車４１の外歯４７の数よりも多く設定されている。また、ギアケース１３と回転軸２５とは同軸上に配置されている。すなわち、内歯歯車４２は、回転軸２５（軸心Ｌ０）と同軸上に配置されている。これにより、外歯歯車４１は、その一部のみが内歯歯車４２に噛合している（図２参照）。

図１に示すように、キャリア４３は、ギアケース１３の軸方向他端側に配置される出力プレート５２と、ギアケース１３の軸方向一端側に配置される対向プレート５３と、ピン孔４８に遊挿される複数のピン５４とを備えている。出力プレート５２は、略円環状に形成されており、図示しないロボットのアームに連結されている。そして、出力プレート５２は、ギアケース１３の軸方向他端側の開口に設けられたボール軸受５５により回転軸２５と同軸上で回転可能に支持されるとともに、ボール軸受５６を介して回転軸２５の軸方向他端部を回転可能に支持している。また、出力プレート５２には、複数のピン固定孔５７が等角度間隔で形成されている。さらに、出力プレート５２には、軸方向一端側に延出された複数の支柱部５８が一体に形成されており、支柱部５８は、外歯歯車４１の支柱孔４９内に遊挿されている。

対向プレート５３は、略円環状に形成されており、ギアケース１３の軸方向一端側の開口に設けられたボール軸受５９により、回転軸２５と同軸上で回転可能に支持されている。また、対向プレート５３は、ボルト６０によって出力プレート５２の支柱部５８に締結されている。そして、対向プレート５３の内周縁には、軸方向一端側（ブレーキ４側）に開口する円環状の凹部６１が形成されている。

各ピン５４は、略円柱状に形成されている。そして、各ピン５４は、ピン固定孔５７に圧入されることにより出力プレート５２に固定されるとともに、ボルト６２によって対向プレート５３と一体回転可能に固定されている。また、各ピン５４は、その軸心が外歯歯車４１のピン孔４８の中心に対して偏心して配置されている。そして、各ピン５４の外周には、ニードル軸受６３を介して偏心ブッシュ６４が設けられるとともに、偏心ブッシュ６４の外周には、ニードル軸受６５が設けられている。これにより、各ピン５４及び偏心ブッシュ６４がピン孔４８内でそれぞれ回転可能となっている。なお、偏心ブッシュ６４は、その外周面の中心とその内周面の中心とがずれた筒状に形成されており、ニードル軸受６３，６５間の隙間を埋めるようになっている。また、ギアケース１３内には、図示しないグリース（潤滑油）が充填されている。

ブレーキ４は、ハウジング５に固定されるボディ７１と、ボディ７１との間に複数のカラー７２を介して配置される固定プレート７３と、ボディ７１と固定プレート７３との間で軸方向に移動可能なアーマチャ７４を備えている。なお、これらボディ７１、固定プレート７３、カラー７２及びアーマチャ７４は、回転軸２５と一体回転しないブレーキ４の非回転部位に含まれる。ボディ７１、固定プレート７３及びアーマチャ７４は、それぞれ円環状に形成されるとともに、回転軸２５の外径よりも大きな内径を有している。カラー７２は、円筒状に形成されており、ボディ７１と固定プレート７３とは、カラー７２内に挿通されるボルト７５によって締結されている。また、アーマチャ７４は、その外周縁にカラー７２が嵌挿されることにより、ボディ７１と固定プレート７３との間で軸方向移動可能に配置されている。なお、ボディ７１及びアーマチャ７４は磁性材料により構成されている。

また、ブレーキ４は、回転軸２５の周方向に沿って導線が巻回されてなるブレーキコイル７７と、アーマチャ７４を固定プレート７３側に付勢するコイルバネ等の付勢部材７８を備えている。ブレーキコイル７７は、ボディ７１に形成された軸方向一端側（モータ２側）に開口する円環状の環状溝７１ａ内に設けられ、付勢部材７８は、ボディ７１に形成された軸方向一端側に開口する丸穴状の収容穴７１ｂ内に設けられている。

図１及び図３に示すように、ブレーキ４は、回転軸２５と一体回転する略円筒状のボス８１と、ボス８１に対してスプライン嵌合することにより軸方向移動可能かつ一体回転可能に設けられる円環状の摩擦板８２とを備えている。これらボス８１及び摩擦板８２は、回転軸２５と一体回転するブレーキ４の回転部位に含まれる。ボス８１は、モータ２のステータコイル２４と径方向において対向するようにロータコア２６に隣接して配置されており、ボルト８３によって回転軸２５と一体回転可能に連結されている。また、摩擦板８２は、固定プレート７３とアーマチャ７４との間に配置されている。つまり、ブレーキ４は、その一部がモータ２のステータ２１と軸方向にオーバーラップするように配置されている。

そして、本実施形態のブレーキ４のボディ７１は、ハウジング５内をモータ２が収容されるモータ室９１と減速機３が収容されるギア室９２とに仕切るように形成されている。換言すると、モータ室９１は、ボディ７１によってギア室９２から隔てられている。具体的には、ボディ７１には、径方向外側に延出される円環状の隔壁部９３が形成されている。隔壁部９３は、モータケース１１及びギアケース１３のフランジ部１１ａ，１３ａと略等しい外径を有しており、フランジ部１１ａ，１３ａ間に挟まれている。そして、ボディ７１は、ボルト１４によってモータケース１１及びギアケース１３と一体的に締結されている。つまり、本実施形態では、ボディ７１は、その一部が外部に露出する態様でハウジング５内に収容されている。そして、このボディ７１よってギア室９２側からグリースや摩耗粉等の異物がモータ室９１側に侵入することが抑制されている。

また、ボディ７１には、軸方向他端側（減速機３側）に突出する円筒状の取付部９５が、上記減速機３を構成する対向プレート５３の凹部６１と軸方向において対向する位置に形成されている。この取付部９５の内周には、回転軸２５に摺接するシール部材９６が固定されている。そして、取付部９５は、凹部６１内に配置されている。すなわち、ブレーキ４は、その取付部９５が減速機３と軸方向にオーバーラップするように配置されている。これにより、ボディ７１と回転軸２５との間の隙間を介してギア室９２からモータ室９１側へ異物が侵入することが抑制されている。

次に、本実施形態のアクチュエータの動作（作用）について説明する。
上記のように構成されたアクチュエータ１のブレーキ４において、ブレーキコイル７７に電流が供給されていない非通電時には、付勢部材７８の付勢力によってアーマチャ７４が固定プレート７３側に移動し、摩擦板８２を固定プレート７３との間に挟み込んで摩擦係合する。そして、固定プレート７３及びアーマチャ７４と摩擦板８２との間の摩擦力が、回転軸２５の回転が制動する制動力として該回転軸２５に作用することで、回転軸２５の回転が規制される。一方、ブレーキコイル７７に電流が供給される通電時には、ブレーキコイル７７で発生する電磁力によってアーマチャ７４が付勢部材７８の付勢力に抗してボディ７１側に移動することで、アーマチャ７４及び固定プレート７３と摩擦板８２との摩擦係合が解除される。これにより、回転軸２５の回転が許容される。

したがって、ブレーキコイル７７への非通電時には、回転軸２５が回転せず、ロボットのアームの姿勢が保持される。一方、ブレーキコイル７７への通電時に、レゾルバ３２により検出されたロータ２２の回転角に応じて三相の励磁電流がステータコイル２４に対して供給されると、ステータ２１で発生する回転磁界に基づいてロータ２２が回転する。これにより、回転軸２５と一体で外歯歯車４１が回転軸２５の軸心Ｌ０に対して偏心回転する。ここで、内歯５１が形成された内歯歯車４２としてのギアケース１３は回転しないため、外歯歯車４１は、内歯５１と外歯４７との歯数差に応じて僅かに自転しつつ、ピン５４及び偏心ブッシュ６４がピン孔４８内でその中心周りに回転する態様で揺動する。そして、この外歯歯車４１の自転成分がキャリア４３を介して出力され、ロボットのアームが回動するようになっている。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）ブレーキ４のボディ７１によってハウジング５内をモータ室９１とギア室９２とに仕切ることで、ギア室９２からモータ室９１側への異物の侵入を抑制したため、モータ室９１とギア室９２との間を仕切る隔壁となる部材を別途モータ２等とともに軸方向に並置せずともよく、アクチュエータ１を軸方向に小型化できる。

（２）ボディ７１に減速機３側に突出する取付部９５を形成し、取付部９５と回転軸２５との間にシール部材９６を設けるとともに、取付部９５を減速機３の対向プレート５３の凹部６１内に配置したため、アクチュエータ１の軸方向の大型化を抑制しつつ、ギア室９２からモータ室９１側へ異物が侵入することを抑制できる。

（３）固定プレート７３、アーマチャ７４、ボス８１及び摩擦板８２等のブレーキ４の一部がステータコイル２４と径方向において対向するように配置した。一般に、上記のようにステータコア２３の軸方向長さとロータコア２６の軸方向長さとは互いに略等しくなるように形成されており、ステータコイル２４はロータコア２６よりも軸方向に突出する。したがって、本実施形態のようにブレーキ４の一部がステータコイル２４と径方向において対向する、すなわちステータ２１と軸方向にオーバーラップするように配置するように配置することで、モータ２内に無駄な空きスペースが生じることを防止してその効果的にアクチュエータ１を軸方向に小型化できる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態において、減速機３の対向プレート５３にブレーキ４のボディ７１に形成された取付部９５が挿入される凹部６１を形成しなくてもよい。また、ボディ７１に取付部９５を形成せず、シール部材９６を設けなくてもよい。

・上記実施形態において、ブレーキ４の一部がステータコイル２４と径方向において対向しないように配置してもよい。
・上記実施形態では、ボディ７１の隔壁部９３の外径をフランジ部１１ａ，１３ａと略同一とし、その一部がハウジング５の外部に露出する態様でブレーキ４をハウジング５内に収容した。しかし、これに限らず、例えば隔壁部９３の外径をモータケース１１又はギアケース１３の内径と等しく形成し、ブレーキ４（ボディ７１）全体がハウジング５内に収容されるようにしてもよい。また、ボディ７１によってハウジング５内をモータ室９１とギア室９２とに仕切らず、例えば固定プレート７３等、ブレーキ４の他の部位によって仕切るようにしてもよい。

・上記実施形態では、モータ２をブラシレスモータとして構成したが、これに限らず、例えばブラシ付きモータ等として構成してもよい。
・上記実施形態では、減速機３を偏心揺動型の遊星歯車機構として構成したが、これに限らず、サンギア、アウタギア及びプラネタリギアを有する一般の遊星歯車機構として構成してもよい。また、遊星歯車機構に限らず、減速機３を波動歯車機構等の他の減速機構として構成してもよい。

・上記実施形態において、ブレーキ４をブレーキコイル７７への通電時に回転軸２５の回転を規制し、非通電時に回転軸２５の回転を許容するように構成してもよい。
・上記実施形態では、ブレーキ４をブレーキコイル７７への通電によりアーマチャ７４と摩擦板８２と摩擦係合させることで制動力を発生させる電磁式のブレーキとして構成したが、これに限らず、例えば円筒状のドラムの内周にブレーキシューを押し付けることで制動力を発生させるドラム式のブレーキ等、他の形式のブレーキを用いてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータにおいて、前記モータのステータを構成するステータコアに巻回されたステータコイルは、該ステータコイルが前記ロータコアよりも軸方向に突出するようにステータコアのティースに巻装されるものであって、前記ブレーキの一部が前記ステータコイルと径方向において対向するように配置されたことを特徴とするアクチュエータ。ここで、一般にステータコアの軸方向長さとロータコアの軸方向長さとは互いに略等しくなるように形成されており、ステータコイルはロータコアよりも軸方向に突出する。したがって、上記構成のようにブレーキの一部がステータコイルと径方向において対向する、すなわちブレーキの一部がステータと軸方向にオーバーラップするように配置することで、モータ内に無駄な空きスペースが生じることを防止してその効果的にアクチュエータを軸方向に小型化できる。

１…アクチュエータ、２…モータ、３…減速機、４…ブレーキ、５…ハウジング、１１…モータケース、１３…ギアケース、２１…ステータ、２２…ロータ、２５…回転軸、４１…外歯歯車、４２…内歯歯車、４３…キャリア、５２…出力プレート、５３…対向プレート、５４…ピン、６１…凹部、７１…ボディ、７３…固定プレート、７４…アーマチャ、７７…ブレーキコイル、７８…付勢部材、８１…ボス、８２…摩擦板、９１…モータ室、９２…ギア室、９３…隔壁部、９５…取付部、９６…シール部材。

Claims (3)

1. モータと、前記モータの回転を減速して出力する減速機と、前記モータの回転を制動可能なブレーキとがハウジング内に一体的に収容されたアクチュエータにおいて、
   前記ハウジング内には、前記モータ、前記ブレーキ、前記減速機がこの順で前記モータの回転軸の軸方向に並置され、
   前記ブレーキは、前記ハウジング内を前記モータが収容されるモータ室と前記減速機が収容されるギア室とに仕切るように形成されたことを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記ブレーキの前記回転軸と一体回転しない非回転部位には、軸方向の前記減速機側に突出する取付部が形成され、
   前記取付部と前記回転軸との間には、シール部材が設けられたことを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項２に記載のアクチュエータにおいて、
   前記減速機には、前記取付部と対向する位置に凹部が形成され、
   前記ブレーキは、前記取付部が前記凹部内に収容されるように配置されたことを特徴とするアクチュエータ。