JP2019062637A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】センサに対するモータ部や減速機からの熱や異物の影響を低減できる電動アクチュエータを提供する。【解決手段】モータ部２と、モータ部２の回転運動を減速して伝達する減速機３と、モータ部２及び減速機３を収容するケーシング５と、ケーシング５に設けられモータ部２又は減速機３の回転角度を検出するセンサ１９と、を備える電動アクチュエータであって、ケーシング５における、モータ部２及び減速機３が収容されている領域Ｔとセンサ１９が設けられている領域Ｓとを隔離する隔壁部２０をケーシング５に設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

バルブや産業ロボット等を回転操作する電動アクチュエータとして、例えば、特許文献１では、ステータ及びロータ等から成るモータ部と、モータ部の回転運動を減速して伝達する減速機と、モータ部の回転角度を検出するセンサ（ロータリーエンコーダ）とを備える回転式のアクチュエータが提案されている。

特開２０１３−７２７７３号公報

ところで、特許文献１に記載のアクチュエータは、モータ部や減速機、センサがケーシングの同じ空間内に収容されているため、センサがモータ部や減速機からの熱の影響を受けたり、センサにグリースや摩耗粉等の異物が付着したりすることで、センサの性能が低下したり、故障したりする可能性がある。

そこで、本発明は、センサに対するモータ部や減速機からの熱や異物の影響を低減できる電動アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、モータ部と、モータ部の回転運動を減速して伝達する減速機と、モータ部及び減速機を収容するケーシングと、ケーシングに設けられモータ部又は減速機の回転角度を検出するセンサと、を備える電動アクチュエータであって、ケーシングにおける、モータ部及び減速機が収容されている領域とセンサが設けられている領域とを隔離する隔壁部をケーシングに設けたことを特徴とする。

このように、本発明に係る電動アクチュエータにおいては、隔壁部によって、モータ部及び減速機が収容されている領域とセンサが設けられている領域とが隔離されていることで、センサがモータ部や減速機からの熱の影響を受けたり、モータ部や減速機から飛散した異物がセンサに付着したりすることによるセンサ機能の低下や故障の虞を低減できるようになる。

また、隔壁部があることで、センサが設けられている領域内にポッティング材を充填しても、ポッティング材がモータ部や減速機に付着するのを防止できる。このため、センサが設けられている領域内にポッティング材を充填し、センサがポッティング材で覆われるようにすることで、外部からセンサが設けられている領域内への埃等の異物や水の侵入を防止できると共に、振動によるセンサへの影響も低減できるようになる。

また、センサとしては、減速機に設けられた磁石の磁束を検出して、正弦波の出力信号と余弦波の出力信号が得られるように構成された磁気センサを採用するのが望ましい。斯かるセンサを用いることで、レゾルバ等の回転角センサに比べて設置スペースを小さくすることができるので、電動アクチュエータの小型化を図れるようになる。磁石を設ける箇所は、減速機の入力回転体でもよいし、出力回転体であってもよい。

隔壁部を、断熱性を有する材料で構成することで、センサがモータ部や減速機から受ける熱の影響をより効果的に低減することが可能である。

モータ部は、３６０°未満の範囲で回転角度を制御されるものであってもよい。その場合、本発明に係る電動アクチュエータを、例えば、流体通路の開度を調整するバタフライバルブを回転駆動させる電動アクチュエータとして用いることができる。

本発明によれば、センサに対するモータ部や減速機からの熱や異物の影響を低減できるので、センサの性能を長期に亘って良好に維持することができるようになり、信頼性が向上する。

本発明の実施の一形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線で矢視した減速機の縦断面図である。 磁気センサが出力する正弦波の出力信号及び余弦波の出力信号の波形図である。 正弦波の出力信号及び余弦波の出力信号から算出される逆正接の波形図である。 本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明について説明する。なお、本発明を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ１は、駆動源としてのモータ部２と、モータ部２回転運動を減速して伝達する減速機３と、モータ部２又は減速機３の回転角度を検出する回転角度検出装置４と、ケーシング５とを主要な構成要素とする。

モータ部２は、ステータ６とロータ７とからなる電動モータで構成される。ステータ６は、ケーシング５の内周面に回転しないように固定されており、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６ａと、ステータコア６ａに装着された絶縁材料からなるボビン６ｂと、ボビン６ｂに巻回されたステータコイル６ｃとで構成されている。ロータ７は、ステータ６の径方向内側に隙間を介して対向するように配置されており、環状のロータコア７ａと、ロータコア７ａの外周面に取り付けられた複数のマグネット７ｂと、ロータコア７ａの内周面に固定された環状のインナヨーク（モータ部の出力軸）７ｃとで構成されている。インナヨーク７ｃは、ロータコア７ａの内周側に配置された円筒部７ｃ１と、円筒部７ｃ１の軸方向一端部から外径方向に延びるフランジ部７ｃ２と、円筒部７ｃ１の軸方向他端部から内径方向に延びる円盤部７ｃ３とで構成されている。ロータコア７ａ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。

ケーシング５は、組み立ての都合上、二分割されており、モータ部２や減速機３を収容する筒状のケース本体部８と、ケース本体部８の一端部（図１における左端部）の開口部を閉鎖するケース蓋部９とで構成されている。インナヨーク７ｃの円筒部７ｃ１の内周面と、ケース本体部８内に設けられた円筒部８ａの外周面との間には、軸受部材としてのすべり軸受１０が配置されている。このように、インナヨーク７ｃとケース本体部８との間に介在するすべり軸受１０によって、インナヨーク７ｃはケース本体部８に対して回転可能に支持されている。また、インナヨーク７ｃは、その円盤部７ｃ３がケース蓋部９から軸方向に突出する凸部９ａに対して接触することで、軸方向の位置決めがなされている。

ここで、図２は、図１のＡ−Ａ線で矢視した減速機３の横断面図である。
以下、図１及び図２を参照しつつ減速機３の構成について説明する。

減速機３は、入力回転体としての太陽ギヤ１１と、太陽ギヤ１１の外周に配置された軌道リングとしてのリングギヤ１２と、太陽ギヤ１１とリングギヤ１２との間に回転可能に配置された遊星回転体しての複数の遊星ギヤ１３と、各遊星ギヤ１３を保持するキャリア１４と、キャリア１４に対して一体的に設けられた出力回転体１５とを有する、遊星ギヤ減速機である。

太陽ギヤ１１は、インナヨーク７ｃに対して同軸上に固定され、インナヨーク７ｃと一体的に回転する。リングギヤ１２は、ケース本体部８の円筒部８ａの内周面に対して回転しないように固定されている。各遊星ギヤ１３は、太陽ギヤ１１とリングギヤ１２との間に配置され、これらと噛み合うように組み付けられている。また、各遊星ギヤ１３は、ピン１６を介してキャリア１４に対して回転可能に取り付けられている。キャリア１４は、半径方向に延び、ピン１６を介して遊星ギヤ１３が取り付けられた円盤部１４ａと、円盤部１４ａの中央部から太陽ギヤ１１と同軸上に延びる筒状の軸部１４ｂとを有する。軸部１４ｂの一端部は、ケーシング５から軸方向外側へ突出しており、この外側へ突出する端部に出力回転体１５が一体的に回転するように取り付けられている。出力回転体１５には、操作対象となる使用機器に設けられた操作軸等が連結される。

キャリア１４の軸部１４ｂ内には、太陽ギヤ１１の軸部１１ｂが挿入されている。この太陽ギヤ１１の軸部１１ｂは、外周面に遊星ギヤ１３と噛み合う歯が形成されたギヤ部１１ａとは別に設けられている部分である。このように、太陽ギヤ１１の軸部１１ｂがキャリア１４の軸部１４ｂ内に挿入されていることで、キャリア１４は、太陽ギヤ１１によって回転可能に支持されている。また、太陽ギヤ１１の軸部１１ｂの外周面には、凹部１１ｃが形成されている。この凹部１１ｃの箇所では、キャリア１４の軸部１４ｂに対して太陽ギヤ１１の軸部１１ｂが非接触となる。このように、凹部１１ｃを形成することで、太陽ギヤ１１とキャリア１４との接触面積が少なくなり摩擦抵抗が低減するので、太陽ギヤ１１とキャリア１４との相対的回転がより円滑に行えるようになる。また、キャリア１４の軸部１４ｂの外周面とケース本体部８の内周面との間には環状のシール部材２６が設けられ、外部からの異物が電動アクチュエータ１内に入らないように封止されている。

上記の如く構成された電動アクチュエータ１において、モータ部２が駆動を開始し、ロータ７（インナヨーク７ｃ）が回転すると、インナヨーク７ｃと一体的に太陽ギヤ１１が回転する。そして、太陽ギヤ１１が回転すると、複数の遊星ギヤ１３が自転しながらリングギヤ１２に沿って公転することで、キャリア１４及び出力回転体１５が減速されて回転する。

続いて、回転角度検出装置４の構成について説明する。

図１に示すように、回転角度検出装置４は、太陽ギヤ１１に設けられ回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された一対の磁石１７，１８と、センサ基板２２を介してケース蓋部９に設けられた磁気センサ１９とを有する。本実施形態では、ケース蓋部９に予め樹脂製の円柱部分（突起部）９ｂが設けられており、この円柱部分９ｂをセンサ基板２２に設けられた貫通孔に挿通した状態で、円柱部分９ｂの先端部に加熱された専用の工具を押し当てて、円柱部分９ｂの先端部を溶かして変形させることで、センサ基板２２をケース蓋部９に対して固定している。

一対の磁石１７，１８は、太陽ギヤ１１に設けられているので、モータ部２が駆動してインナヨーク７ｃと太陽ギヤ１１とが回転すると、各磁石１７，１８が太陽ギヤ１１と一体的に回転する。このとき、回転する各磁石１７，１８の磁束を磁気センサ１９が検出する。磁気センサ１９は、回転方向に所定の位相差（例えば、９０°）を設けて配置された２つの磁気検出素子を有しており、これらによって検出された磁束から図３に示すような正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号が得られる。そして、これらの出力信号の大小関係から場合分けをして、回転角度を算出する。詳しくは、図３に示す正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号から逆正接Arctanθ（＝tan⁻¹(sinθ／cosθ)）を算出する。この逆正接Arctanθは、図４に示すように、実角度に対する算出角度の波形γが直線性を有する特性を有することから、これを用いて角度演算を行うことで、太陽ギヤ１１又はインナヨーク７ｃの回転角度を把握することができる。

また、本実施形態に係る電動アクチュエータでは、その出力軸（減速機３の出力回転体１５）の可動範囲（最大回転角度）をθ°とすると、減速機の減速比は３６０°／θ°未満となるように設定されている。例えば、電動アクチュエータの出力軸の可動範囲が９０°であるとすると、減速機の減速比は３６０°／９０°＝４未満に設定される。

このように、本実施形態に係る電動アクチュエータでは、減速機の減速比を３６０°／θ°未満となるように設定することで、操作対象の回転操作に必要なモータ部の回転範囲を、３６０°未満の範囲で制御できるようになる。この場合、モータ部の絶対角度位置を検出することで操作対象の絶対値（回転角度）を推定することができるようになるので、回転角度検出装置として、上記のような正弦波の出力信号と余弦波の出力信号とが得られる磁気センサを用いることができるようになる。斯かるセンサは、レゾルバ等の回転角センサに比べて設置スペースを小さくすることができるので、電動アクチュエータの小型化に有利となる。また、本実施形態のように、モータ部の回転範囲を３６０°未満の範囲で制御する構成は、例えば、流体通路の開度を調整するバタフライバルブなどを駆動させる電動アクチュエータに適用が可能である。

ここで、図１に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ１においては、一対の磁石１７，１８と磁気センサ１９との間に隔壁部２０が設けられている。そして、この隔壁部２０によって、ケーシング５における、モータ部２及び減速機３が収容されている領域Ｔと磁気センサ１９が設けられている領域Ｓとが空間を共有しないように隔離されている。

このような隔壁部２０を設けることで、モータ部２から発熱があったり、操作対象である使用機器からの熱が減速機３を介して電動アクチュエータ１内に伝達されたりしても、これらの熱による磁気センサ１９への影響を低減することができる。また、モータ部２や減速機３からグリースや摩耗粉等の異物が飛散したとしても、磁気センサ１９への異物の付着も防止できる。特に、本実施形態のように、インナヨーク７ｃがケース蓋部９の凸部９ａに対して摺動する構成においては、磁気センサ１９の付近で摩耗粉が発生することが考えられるが、隔壁部２０があることで、磁気センサ１９への摩耗粉の付着を確実に防止できる。

このように、隔壁部を設けることで、モータ部や減速機からの熱や異物が磁気センサへ与える影響を低減することができるので、磁気センサの性能を長期に亘って良好に維持することができ、信頼性の高い電動アクチュエータを提供することができる。なお、隔壁部を設けても、回転角度検出用の磁石の磁束は隔壁部によって完全に遮断されることはないので、磁気センサによる磁束の検出は可能である。また、本実施形態では、ケース蓋部に隔壁部が一体に設けられているが、ケース蓋部と隔壁部とを別体で構成してもよい。また、磁気センサへの熱の影響をより効果的に低減するために、隔壁部は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）等の断熱性を有する材料で構成されることが好ましい。

また、隔壁部を設けることの別の利点として、図１に示すように、磁気センサ１９が設けられている領域Ｓにポッティング材２１を充填することができる。すなわち、隔壁部２０があることで、ポッティング材２１がモータ部２や減速機３に付着するのを防止できる。ポッティング材２１を充填することで、外部からの埃等の異物や水の侵入を防止できると共に、振動による磁気センサ１９への影響（故障等）も低減できる。

本実施形態では、図１に示すように、磁気センサ１９が隔壁部２０に対して隙間をあけて（非接触に）配置されており、ポッティング材２１が磁気センサ１９の周囲及び隔壁部２０との隙間に充填されることで磁気センサ１９を覆っている。また、ポッティング材２１は、センサ基板２２に設けられた図示しない充填口から磁気センサ１９が設けられている領域Ｓ内に充填される。ポッティング材２１としては、一液硬化性又は二液硬化性のエポキシ樹脂やウレタン樹脂等を用いることができ、ポッティング材２１は充填された後、常温で放置される、あるいは加熱されることで硬化する。

続いて、本発明の電動アクチュエータの他の実施形態について、上記実施形態とは異なる部分を中心に説明する。なお、以下に説明する実施形態において、上記実施形態と基本的に同様の機能あるいは形状の部材については、同一の符号を付すことによりその説明を省略する。

図５は、本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。

図５に示す電動アクチュエータ１は、出力回転体１５を、太陽ギヤ１１のギヤ部１１ａの内周にまで延ばし、その延ばした部分の先端部に、上記回転角度検出用の磁石１７，１８を設けている。このように、磁石１７，１８が出力回転体１５に設けられていることで、出力回転体１５の回転角度を直接検出することができるようになる。

また、図５に示す電動アクチュエータ１においては、モータ部２の回転角度を検出するために、Ｓ極とＮ極の異なる磁極に着磁された別の磁石２３，２４がインナヨーク７ｃに設けられ、ケース蓋部９に磁石２３，２４の磁束を検出するセンサとしてのホールＩＣ２５が設けられている。このように、本実施形態では、出力回転体１５の回転角度を検出する磁気センサ１９に加え、モータ部２の回転角度を検出するホールＩＣ２５が設けられていることで、出力回転体１５の回転角度の制御をより高精度に行うことができるようになる。

また、図５に示すように、本実施形態では、ホールＩＣ２５が磁気センサ１９と同じ空間Ｓ内に設けられており、これらセンサが設けられている領域Ｓと、モータ部２及び減速機３が収容されている領域Ｔとが隔壁部２０によって隔離されている。これにより、モータ部や減速機からの熱や異物などの各センサ（磁気センサ及びホールＩＣ）への影響を低減することができ、各センサの性能を長期に亘って良好に維持することができる。

また、磁気センサ１９及びホールＩＣ２５は、共にポッティング材２１によって覆われているので、外部から各センサが設けられている領域への異物や水の侵入を防止できると共に、振動による各センサへの影響も低減することができる。

以上のように、本発明の各実施形態に係る電動アクチュエータにおいては、隔壁部によって、モータ部及び減速機が収容されている領域とセンサが設けられている領域とが隔離されていることで、センサがモータ部や減速機からの熱の影響を受けたり、モータ部や減速機から飛散した異物がセンサに付着したりすることによるセンサ機能の低下や故障の虞を低減できるようになる。また、隔壁部があることで、センサが設けられている領域内にポッティング材を充填することができるので、外部からセンサが設けられている領域内への埃等の異物や水の侵入を防止できると共に、振動によるセンサへの影響も低減できるようになる。このように、上記各実施形態に係る電動アクチュエータにおいては、センサの性能を長期に亘って良好に維持することができるようになり、信頼性が向上する。

以上、本発明に係る電動アクチュエータの実施形態について説明したが、本発明は上記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る。

上記実施形態では、電動モータとして、ステータとロータとが径方向に隙間を介して対向するように配置された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、ステータとロータとが軸方向に隙間をもって対向するように配置されたアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。また、上記実施形態では、電動モータを中空モータで構成し、その内周側に減速機を配置することで、電動アクチュエータ全体の軸方向寸法を小型化しているが、中空モータ以外の電動モータを用いてもよい。

また、上記実施形態では、減速機として遊星ギヤ減速機を例示したが、減速機はこれに限らない。例えば、モータ部と一体的に回転する入力回転体としての太陽ローラと、太陽ローラの外周に配置された軌道リングと、太陽ローラと軌道リングとの間に回転可能に配置された遊星回転体しての複数の遊星ローラと、各遊星ローラを保持するキャリアとを有する、トラクションドライブ式の遊星減速機を採用してもよい。また、遊星減速機以外の構成を有する減速機を使用することも可能である。

１ 電動アクチュエータ
２ モータ部
３ 減速機
４ 回転角度検出装置
５ ケーシング
１７ 磁石
１８ 磁石
１９ 磁気センサ
２０ 隔壁部
２１ ポッティング材
２３ 磁石
２４ 磁石
２５ ホールＩＣ（センサ）

Claims (8)

1. モータ部と、前記モータ部の回転運動を減速して伝達する減速機と、前記モータ部及び前記減速機を収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられ前記モータ部又は前記減速機の回転角度を検出するセンサと、を備える電動アクチュエータであって、
   前記ケーシングにおける、前記モータ部及び前記減速機が収容されている領域と前記センサが設けられている領域とを隔離する隔壁部を前記ケーシングに設けたことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記センサが設けられている領域内にポッティング材が充填され、前記センサが前記ポッティング材で覆われている請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記センサを、前記減速機に設けられた磁石の磁束を検出して、正弦波の出力信号と余弦波の出力信号が得られるように構成された磁気センサとした請求項１又は２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記磁石を、前記減速機の入力回転体に設けた請求項３に記載の電動アクチュエータ。
5. 前記磁石を、前記減速機の出力回転体に設けた請求項３に記載の電動アクチュエータ。
6. 前記隔壁部を、断熱性を有する材料で構成した請求項１から５のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
7. 前記モータ部は、３６０°未満の範囲で回転角度を制御されるものである請求項１から６のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
8. 流体通路の開度を調整するバタフライバルブを回転駆動させる電動アクチュエータとして用いられる請求項１から７に記載の電動アクチュエータ。

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