JP2018074833A - 電動アクチュエータ用回転駆動源および電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電動アクチュエータ用回転駆動源、さらには電動アクチュエータの小型化を達成する。
【解決手段】 電動アクチュエータ用回転駆動源１は、ステータ５１およびロータ５２を有する中空のモータ部５と、モータ部５の内径側に配置され、ロータ５２の回転を出力する駆動源出力軸６と、モータ部５のロータ５２よりもトルク伝達経路の下流側に配置されたトルクリミッタ７とを有する。トルクリミッタ７は、ロータ５２の内周面と、これに対向する駆動源出力軸６の外周面との間の空間に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アクチュエータ用回転駆動源および電動アクチュエータに関する。

モータの出力を、トルクリミッタを介して減速機に伝達する回転運動型の電動アクチュエータとして、特開２００４−１１５００２号公報（特許文献１）に記載の電動モータが知られている。この電動モータは、モータ本体の出力軸とウォーム軸とを同軸に配置し、トルクリミッタを構成する一方のクラッチ板を出力軸に連結すると共に、他方のクラッチ板をウォーム軸に連結したものである。

特開２００４−１１５００２号公報

特許文献１に記載の駆動装置では、モータ部とトルクリミッタを軸方向隣接位置に配置しているため、装置全体の軸方向寸法が大きくなる問題点がある。

また、電動アクチュエータとしては、特許文献１に記載のように、回転運動を出力する回転運動タイプの他に、モータで出力された回転運動を、減速機を介してボールねじに伝達することにより直線運動に変換する直線運動型も存在する。特許文献１の駆動装置をベースとして直線運動型の電動アクチュエータを製作しようとすると、ボールねじ軸はモータ軸と偏心させて配置せざるを得ず、電動アクチュエータが大型化する問題がある。

本発明は、コンパクトな電動アクチュエータ用回転駆動源並びに電動アクチュエータを提供することを目的とする。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、ステータおよびロータを有するモータ部と、前記ロータの内径側に配置され、ロータの回転を出力する駆動源出力軸と、トルクリミッタとを有する電動アクチュエータ用回転駆動源において、前記トルクリミッタを、ロータの内周面と、これに対向する駆動源出力軸の外周面との間に配置したことを特徴とする。

本発明では、トルクリミッタをローラの内周面と、これに対向する駆動源出力軸の外周面との間に配置し、これによりトルクリミッタを、モータ部のロータおよび駆動源出力軸と半径方向で重畳させている。かかる構成から、トルクリミッタ付き電動アクチュエータの軸方向寸法を小型化することができる。

電動アクチュエータの軸方向寸法を小型化するため、ケーシングに固定した一対の軸受でロータの回転を支持し、一対の軸受の間にトルクリミッタを配置するのが好ましい。

トルクリミッタとしては、摩擦クラッチの一種で、ロータに固定された摩擦板と、駆動源出力軸に固定された摩擦板とを有する多板クラッチを使用するのが好ましい。

駆動源出力軸を中空にすれば、駆動源出力軸の内径側に、運動変換機構の直線運動する部材、例えばボールねじ軸を配置することができる。これにより、当該部材の直線運動に際して当該部材がトルクリミッタやモータ部と干渉することを防止でき、運動変換機構をモータ部やトルクリミッタと同軸に配置することが可能となる。従って、直線運動型電動アクチュエータを小型化することができる。また、回転運動型電動アクチュエータと直線運動型電動アクチュエータで回転駆動源を共用化できるため、回転運動型電動アクチュエータと直線運動型電動アクチュエータの低コスト化を図ることができる。

回転運動型電動アクチュエータは、以上に述べた回転駆動源の駆動源出力軸に減速機を接続し、減速機の出力側に最終出力軸を接続することで構成することができる。

また、直線運動型電動アクチュエータは、以上に述べた回転駆動源の駆動源出力軸に減速機を接続し、減速機の出力側に運動変換機構を接続することで構成することができる。

本発明によれば、電動アクチュエータ用回転駆動源、さらには電動アクチュエータの小型化を図ることができる。

第一実施形態にかかる電動アクチュエータの縦断面図である。 図１中のＢ−Ｂ線で矢視した電動アクチュエータの横断面図である。 図１中のＣ−Ｃ線で矢視した電動アクチュエータの横断面図である。 図１中の領域Ｘの拡大断面図である。 図１中の領域Ｙの拡大断面図である。 第二実施形態にかかる電動アクチュエータの縦断面図である。

本発明にかかる、電動アクチュエータ用回転駆動源および当該回転駆動源を備える電動アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳述する。

図１は、電動アクチュエータの第一実施形態として、回転運動型の電動アクチュエータを示す縦断面図である。図２は、図１中のＢ−Ｂ線断面図であり、図３は図１中のＣ−Ｃ線断面図である。この回転運動型の電動アクチュエータは、例えばロボットアームの駆動や、自動車等の車両におけるミッション、ステアリング、ブレーキ等の操作自動化や補助等に使用することができる。

図１に示すように、本発明にかかる電動アクチュエータは、回転駆動源１と、回転駆動源１の軸方向一方側に配置され、かつ回転駆動源１の出力側に接続された減速機２と、減速機２の出力側に接続された最終出力軸３とを主要な構成要素とする。以上の各構成要素のうち、先ず回転駆動源１の構造を説明する。

回転駆動源１は、モータ部５と、駆動源出力軸６と、トルクリミッタ７とを具備する。このうち、モータ部５は、図１および図２に示すように、ケーシング８に固定されたステータ５１と、ステータ５１の半径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ５２とを備える電動モータで構成される。本実施形態では、電動モータの一例として、ラジアルギャップ型を例示している。

ステータ５１は、軸方向に積層した複数の電磁鋼板で形成されたステータコア５１ａと、ステータコア５１ａに装着された絶縁材料からなるボビン５１ｂと、ボビン５１ｂに巻回されたステータコイル５１ｃとを有する。

ロータ５２は、環状のロータコア５２ａと、ロータコア５２ａの外周に取り付けられた複数のマグネット５２ｂと、ロータコア５２ａの内周に固定された環状のロータインナ５２ｃとで構成される。ロータコア５２ａは、例えば軸方向に積層した複数の電磁鋼板で形成される。ロータインナ５２ｃの軸方向長さはロータコア５２ａの軸方向長さよりも長く、ロータコア５２ａの軸方向両側にロータインナ５２ｃが突出している。ロータインナ５２ｃの軸方向両端部の外周面には、ロータコア５２ａの軸方向両側に配置した軸受５３，５４が固定されており、この軸受５３，５４によってロータインナ５２ｃがケーシング８に対して回転自在に支持されている。軸受５３，５４としては、ラジアル荷重とスラスト荷重の双方を支持できる転がり軸受、例えば深溝玉軸受を使用することができる。

ロータインナ５２ｃの内周面には、内径寸法を他所よりも大きくした環状凹部５２１が形成される。この環状凹部５２１は、図１に示すように、例えばロータインナ５２ｃの軸方向他方側（減速機２側とは反対側）の端部に形成される。環状凹部５２１の内周面には、軸方向に延びる雌セレーション５２２が形成されている。

図１に示すように、駆動源出力軸６は、両端を開口した中空の円筒状に形成される。このように駆動源出力軸６を中空にすることで、回転駆動源１は中空モータとしての構造を有することになる。駆動源出力軸６の外周面は、ロータインナ５２ｃの内周面（環状凹部５２１を除く）に対して隙間嵌めで嵌合されている。そのため、駆動源出力軸６は、ロータインナ５２ｃから独立して回転することができる。駆動源出力軸６の軸方向他方側の端部の外周面には、軸方向に延びる雄セレーション６ａが形成されている。

ロータインナ５２ｃの環状凹部５２１の内周面と、これに対向する駆動源出力軸６の外周面との間に、環状隙間が形成される。本実施形態では、この環状隙間にトルクリミッタ７が配置されている。

トルクリミッタ７は、モータ部５から出力された回転動力を駆動源出力軸６に伝達する一方で、過負荷が作用した時にトルク伝達を遮断し、モータ部５と駆動源出力軸６との相対回転を許容するものである。この機能を有する限り任意の構成のトルクリミッタ７を使用することができる。本実施形態では、トルクリミッタ７の一例として、摩擦式クラッチの一種である多板クラッチを使用した場合を例示している。

図４は、図１中の領域Ｘを拡大して示す断面図である。図４に示すように、多板クラッチ７は、軸方向に離間させた一対の受圧板７１と、一対の受圧板７１の間に軸方向に離間して配置された第一摩擦板７２および第二摩擦板７３と、第一摩擦板７２と第二摩擦板７３を圧接させる波形ばね等の弾性部材７４とを有する。第一摩擦板７２と第二摩擦板７の数は任意であり、それぞれ一枚もしくは複数枚とすることができる。第一摩擦板７２は、雌セレーション５２２とセレーション嵌合させることでロータインナ５２ｃに取り付けられ、第二摩擦板７３は、雄セレーション６ａとセレーション嵌合させることで駆動源出力軸６に取り付けられる。この多板式クラッチ７は、軸方向一方側の受圧板７１をロータインナ５２ｃの肩面に当接させると共に、軸方向他方側の受圧板７１を、ロータインナ５２ｃの内周面に係合させた止め輪７５等の係止部材で係止することにより、軸方向で位置決めされる。

モータ部５と駆動源出力軸６の間のトルクが摩擦板７２，７３間に作用する摩擦力以下である時は、両摩擦板７２，７３が一体に回転するため、モータ部５の駆動力が両摩擦板７２，７３を介して駆動源出力軸６に伝達される。モータ部５と駆動源出力軸６との間に作用するトルクが摩擦板７２，７３間に作用する摩擦力を上回ると、一方の摩擦板が他方の摩擦板に対して滑るため、モータ部５から駆動源出力軸６へのトルク伝達が遮断される。これにより、駆動源出力軸６とロータインナ５２ｃの相対回転を許容する事が可能となる。

ケーシング８は、組み立ての都合上、軸方向の一箇所もしくは複数箇所で分割される。本実施形態では、ケーシング８を、有底円筒状の底部８１と、両端を開口した筒部８２と、蓋部８３とに分割している。筒部８２の軸方向一方側に蓋部８３が配置され、筒部８２の軸方向他方側に底部８１が配置される。底部８１、筒部８２、および蓋部８３は、ボルト等の締結手段を用いて一体化される。ロータインナ５２ｃを支持する軸受５３，５４のうち、軸方向一方側の軸受５３は筒部８２の内周面に固定され、軸方向他方側の軸受５４は底部８１の内周面に固定される。

次に、電動アクチュエータの主要構成要素である減速機２の構成を説明する。本実施形態では、減速機２として、トラクションドライブ式の遊星減速機を使用している。この遊星減速機２は、太陽ローラ２１と、外側リング２２と、複数の遊星ローラ２３と、キャリア２４とを具備している。太陽ローラ２１として、本実施形態では、原動機出力軸６の軸方向一方側の端部を使用している。また、遊星ローラ２３として、転がり軸受２５（例えば深溝玉軸受）の外輪を使用している。各転がり軸受２５の内輪は中空軸２６に圧入固定され、各中空軸２５はキャリア２４によって自転可能に支持されている。キャリア２４は、その外周面に固定した転がり軸受２７（例えば深溝玉軸受）により、ケーシング８の蓋部８３に対して回転自在に支持されている。

図５は、図１中の領域Ｙを拡大して示す断面図である。図５に示すように、外側リング２２は、断面Ｕ字状の本体部２２ａと、本体部２２ａの軸方向両側に突出するフランジ部２２ｂとを一体に有する。ケーシング８の筒部８２と蓋部８３を結合する前の状態では、図中に実線で示すように、筒部８２の内周に収容された外側リング２２は、軸方向一方側のフランジ部２２ｂを筒部８２の端面よりも突出させている。その後、蓋部８３を筒部８２の端面に当接するまで押し込んでボルト等を用いて両者を結合すると、蓋部８３に押圧された外側リング２２が二点鎖線で示すように弾性変形し、本体部２２ａが内径側に膨らむ（図４は、弾性変形の程度を誇張して描いている）。この外側リング２２の弾性変形により、外側リング２２と遊星ローラ２３の接触部、さらには遊星ローラ２３と太陽ローラ２１の接触部にトラクション（予圧）が付与される。

外側リング２２のうち、軸方向他方側のフランジ部２２ｂと筒部８２の間には、リング状の調整部材２８が配置される。蓋部８３の組み付け前の状態で、筒部８２の端面からの外側リング２２のフランジ部２２ｂの突出量ｔが規定範囲内となる適正厚さの調整部材２８を選択して使用することで（マッチング）、外側リング２２の変形程度を均一化して、減速機２の内部に付与するトラクションを均一化することができる。

減速機２の出力側となるキャリア２４の内周面には、最終出力軸３が圧入等の手段で固定される。最終出力軸３の軸方向他方側の端部は、転がり軸受３１により駆動源出力軸６に対して回転自在に支持される。

以上に説明した第一実施形態の電動アクチュエータでは、モータ部５と駆動源出力軸６との間のトルク伝達経路中にトルクリミッタ７が配置されている。通常時は、モータ部５で生じたトルクがトルクリミッタ７、駆動源出力軸６、および減速機２を介して最終出力軸３に伝達される。これにより、最終出力軸３に接続された駆動対象が回転駆動される。これに対し、例えば駆動対象が障害物と衝突等して、最終出力軸３の回転がロックされた場合でも、ロータインナ５２ｃと駆動源出力軸６との間に滑りが生じてトルク伝達経路が遮断されるため、モータ部５が慣性によりそのまま回り続けようとしている状況下でも減速機２に過大な負荷が作用することを防止することができる。従って、減速機２の破損を防止することができる。これとは逆に、何らかの理由でモータ側の回転トルクが極端に大きくなった場合にも、減速機２等への過大負荷の作用を防止することができる。

また、本発明では、トルクリミッタ７がロータ５２の内周面（ロータインナ５２ｃの内周面）と、これに対向する駆動源出力軸６の外周面との間に配置されている。そのため、モータ部５の軸方向隣接位置にトルクリミッタ７を配置する場合に比べ、回転駆動源１、さらには電動アクチュエータの軸方向寸法を小さくすることができる。以上の効果を効果的に得るため、トルクリミッタ７（止め輪７５も含む）は、ロータインナ５２ｃを支持する二つの軸受５３，５４の間に配置するのが好ましい。より詳細には、両軸受５３，５４の各外端面Ｐ（相手側の軸受の端面と対向しない端面）の間にトルクリミッタ７を配置するのが好ましい。

図６に、本発明の第二実施形態として、直線運動型の電動アクチュエータの断面図を示す。この直線運動型の電動アクチュエータは、例えば自動車等の車両に装備される電動ブレーキ等に使用することができる。この第二実施形態の電動アクチュエータでは、モータ部５から減速機２に至るまでの構成は、第一実施形態と共通する。第二実施形態は、最終出力軸３に代えて運動変換機構９を使用した点が第一実施形態と異なる。

運動変換機構９は、例えばボールねじ９１で構成される。ボールねじ９１は、ボールねじナット９２、ボールねじ軸９３、多数のボール９４、および循環部材としてのこま（図示省略）を主な構成要素とする。ボールねじナット９２の内周面に螺旋状溝が形成され、ボールねじ軸９３の外周面に螺旋状溝が形成されている。両螺旋状溝の間にボール９４が装填される。ボールねじナット９２の外周面には、減速機２の出力側となるキャリア２４が圧入等の手段で固定されている。

中空をなす駆動源出力軸６の内径側には、ケーシング８の底部８１に固定された中空筒状のガイド部材９５が配置される。ガイド部材９５の内周には、軸方向に延びる図示しないガイド溝が形成されている。詳細な図示は省略するが、ボールねじ軸９３の軸方向他端部に設けた孔９３ａにピンを圧入する等してボールねじ軸９３に半径方向に突出する突起を設け、この突起をガイド部材９５のガイド溝に嵌合させることにより、ボールねじ軸９３の回り止めを行うことができる。

第二実施形態に於けるケーシング８は、底部８１，筒部８２，蓋部８３，および加圧部８４で構成される。底部８１および筒部８２の構成や機能は、第一実施形態で説明した底部８１および筒部８２と共通している。加圧部８４は、筒部８２と蓋部８３の間に挟まれている。第一実施形態と同様に、底部８１、筒部８２，蓋部８３，および加圧部８４をボルト部材８６で一体に結合することで、加圧部８４の端面が筒部８２の端面に圧接し、加圧部８４に押圧された外側リング２２が内径側に弾性変形する。そのため、トラクションドライブ式の遊星減速機２にトラクションが付与される。

ボールねじナット９２は、その外周面に固定した複列の転がり軸受９６（例えば複列深溝玉軸受）により、ケーシング８の蓋部８３に対して回転自在に支持される。この転がり軸受９６により、ボールねじ軸８１に作用するアキシャル荷重を支持することが可能となる。また、ボールねじナット９２を両持ち構造にして、ボールねじナット９２の傾きを防止することができる。

この第二実施形態では、モータ部４のトルクが、トルクリミッタ７、駆動源出力軸６、減速機２を介してボールねじナット９２に伝達される。従って、モータ部４を正逆方向に駆動することで、ボールねじナット９２を正逆方向に回転させて、ボールねじ軸９３を軸方向に進退移動（直線運動）させることができる。

この第二実施形態でも第一実施形態と同様に、モータ部５よりも下流側のトルク伝達経路にトルクリミッタ７を配置しているため、ボールねじ軸９３が障害物と当接する等してその伸長が規制されるような状況になっても、ロータインナ５２ｃと駆動源出力軸６の間で滑りを生じさせてトルク伝達経路を遮断することができる。従って、減速機２やボールねじ９１に過大な負荷が作用することを防止し、減速機２やボールねじ９１の破損を防止することができる。

また、トルクリミッタ７が、モータ部５のロータ５２（ロータインナ５２ｃ）の内周面と、これに対向する駆動源出力軸６の外周面との間の隙間に配置されているため、モータ部５の軸方向隣接位置にトルクリミッタ７を配置する場合に比べ、電動アクチュエータの軸方向寸法を小さくして電動アクチュエータの小型化を図ることができる。

特に第二実施形態のような直線運動型の電動アクチュエータでは、ボールねじ軸９３が進退移動するスペースが必要となるため、モータ部５とトルクリミッタ７とを軸方向隣接位置に配置した場合には、進退移動するボールねじ軸９３とトルクリミッタ７とが干渉するおそれがある。これを回避するには、ボールねじ軸９３をモータ部５およびトルクリミッタ７の軸心に対して偏芯させて配置せざるを得ず、電動アクチュエータが大型化する。

これに対し、第二実施形態では、トルクリミッタ７を、ロータインナ５２ｃと駆動源出力軸６に対して半径方向で重畳させる形で配置することに加えて、中空の駆動源出力軸６を用いて回転駆動源１を中空構造とし、駆動源出力軸６の内径側にボールねじ軸９３を収容するスペースを設けている。従って、ボールねじ軸９３をモータ部５、さらにはトルクリミッタ７と同軸に配置することができ、そのために直線運動型の電動アクチュエータを小型化することができる。

また、図１に示す第一実施形態（回転運動型）の電動アクチュエータと、図６に示す第二実施形態（直線運動型）の電動アクチュエータを対比すると、回転駆動源１および減速機２は実質的に共通した構成を有する。そのため、回転駆動源１および減速機２を両タイプの電動アクチュエータで共用化することができる。すなわち、第一実施形態の電動アクチュエータにおいて、最終出力軸３を使用せずに、ボールねじ９１を使用して、ボールねじ軸９３を駆動源出力軸６の内周に配置することにより、第二実施形態の電動アクチュエータを得ることができる。このように回転駆動源１および減速機２を共用化することで、電動アクチュエータの低コスト化を図ることができる。また、回転運動型と直線運動型の電動アクチュエータをシリーズ化し、商品展開力を強化することもできる。

以上の実施形態の説明では、減速機２としてトラクションドライブ式の遊星減速機を例示している。これはバックラッシが少なく、低騒音であることに鑑みて採用したものである。減速機２の構成は任意であり、上記の利点に対する必要性が乏しい場合には、減速機２として、ギヤを用いた遊星ギヤ減速機を使用することもできる。もちろん遊星減速機以外の構成を有する減速機も使用することができる。

また、トラクションドライブ式の遊星減速機２にトラクションを与える手法として、蓋部８３の取り付け時に外側リング２２を内径側に変形させる場合を説明したが、トラクションを付与する機構は任意に採用することができる。例えば外側リング２２をケーシング８２の内周面に所定の締め代で圧入することにより、外側リング２２を内径側に縮径させて減速機２にトラクションを付与することもできる。

また、以上の実施形態では、ロータインナ５２ｃの軸方向他方側の端部の内周面にトルクリミッタ７を配置する場合を説明したが、トルクリミッタ７の配設位置は特に限定されず、ロータインナ５２ｃの内周面と駆動源出力軸６の外周面との間の隙間内で任意の位置に配置することができる。例えばロータインナ５２ｃの軸方向一方側の端部の内周面にトルクリミッタ７を配置することもできる。

また、以上の説明では、モータ部５としてラジアルギャップ型の電動モータを例示したが、任意の構成のモータを採用することができる。例えば、ケーシングに固定されたステータと、ステータの軸方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータとを備えるアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１ 回転駆動源
２ 減速機
３ 最終出力軸
５ モータ部
６ 駆動源出力軸
６ａ 雄セレーション
７ トルクリミッタ
８ ケーシング
５１ ステータ
５２ ロータ
５２ｃ ロータインナ
５３ 軸受
５４ 軸受
５２１ 環状凹部
５２２ 雌セレーション

Claims (6)

1. ステータおよびロータを有するモータ部と、前記ロータの内径側に配置され、ロータの回転を出力する駆動源出力軸と、トルクリミッタとを有する電動アクチュエータ用回転駆動源において、
   前記トルクリミッタを、ロータの内周面と、これに対向する駆動源出力軸の外周面との間に配置したことを特徴とする電動アクチュエータ用回転駆動源。
2. ケーシングに固定した一対の軸受でロータの回転を支持し、一対の軸受の間にトルクリミッタを配置した請求項１に記載の電動アクチュエータ用回転駆動源。
3. トルクリミッタとして、ロータに固定された摩擦板と、駆動源出力軸に固定された摩擦板とを有する多板クラッチを使用した請求項１または２に記載の電動アクチュエータ用回転駆動源。
4. 駆動源出力軸を中空にした請求項１〜３何れか１項に記載の電動アクチュエータ用回転駆動源。
5. 請求項１〜４何れか１項に記載した回転駆動源の駆動源出力軸に減速機を接続し、減速機の出力側に最終出力軸を接続した電動アクチュエータ。
6. 請求項１〜４何れか１項に記載した回転駆動源の駆動源出力軸に減速機を接続し、減速機の出力側に運動変換機構を接続した電動アクチュエータ。

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