JP2021143721A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便な構造により、偏心型減速機の噛み合い部からの潤滑剤の流出を抑制し、潤滑剤の枯渇を防止する。【解決手段】 駆動力を供給可能な電動モータ４と、回転軸Ｘを中心として回転可能な入力回転体２と、自転可能でかつ回転軸を中心として公転可能な遊星回転体２２と、回転軸Ｘを中心として回転可能な出力回転体３とを有し、遊星回転体２２が入力回転体２および出力回転体３のそれぞれと噛み合い、入力回転体２に対する出力回転体３の回転位相差を変更する減速機５を備え、減速機５は回転軸Ｘに対して偏心して回転可能な偏心部材２１を有し、その偏心部材２１と出力回転体３との間にシール付き転がり軸受１６を配設し、そのシール付き転がり軸受１６により出力回転体３を偏心部材２１に対して回転可能に支持する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

外部から駆動力が入力される入力側と、入力された駆動力を出力する出力側とで、回転位相差を変化させることが可能な電動アクチュエータがある。

この電動アクチュエータとして、例えば、自動車のエンジンの吸気バルブと排気バルブの一方または両方の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置に用いられるものが知られている。

一般的に、この種の電動アクチュエータは、電動モータと、電動モータによる駆動力を得て回転力を減速して伝達する減速機とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

電動モータによって減速機が駆動されない時は、入力側部材（例えば、スプロケット）と出力側部材（例えば、カムシャフト）とが同期回転する。

電動モータによって減速機が駆動される時は、減速機によって入力側部材に対する出力側部材の回転位相差が変更され、これによってバルブの開閉タイミングが調整される。

特開２０１８−１９４１５１号公報

ところで、特許文献１に記載の電動アクチュエータでは、入力回転体と出力回転体との間に配設された内歯車が偏心回転運動を行うことにより、入力回転体に対する出力回転体の回転位相差を変更する偏心型減速機を採用している。

この偏心型減速機は、入力回転体および出力回転体の外周に設けられた外歯部と、内歯車の内周に設けられた内歯部との噛み合い構造となっている。

この外歯部と内歯部との噛み合いによる内歯車の偏心回転運動を円滑に行うため、電動アクチュエータのハウジング内にグリース等の潤滑剤を封入している。この潤滑剤により減速機の効率および耐久性の向上を図っている。

しかしながら、外歯部と内歯部との噛み合いによる内歯車の偏心回転運動では、ポンプ作用により外歯部と内歯部との噛み合い部（歯面）で潤滑剤が流動し易くなっている。そのため、噛み合い部から潤滑剤が流出して枯渇するおそれがある。

このように、外歯部と内歯部との噛み合い部で潤滑剤が枯渇すると、潤滑性能を維持することが困難となり、噛み合い部での摺動抵抗が大きくなる。その結果、減速機の効率および耐久性の低下を招来する。

そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、簡便な構造により、偏心型減速機の噛み合い部からの潤滑剤の流出を抑制し、潤滑剤の枯渇を防止し得る電動アクチュエータを提供することにある。

本発明に係る電動アクチュエータは、駆動力を供給可能な電動モータと、回転軸を中心として回転可能な入力回転体と、自転可能でかつ回転軸を中心として公転可能な遊星回転体と、回転軸を中心として回転可能な出力回転体とを有し、遊星回転体が入力回転体および出力回転体のそれぞれと噛み合い、入力回転体に対する出力回転体の回転位相差を変更する減速機を備えている。

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、回転軸に対して偏心して回転可能な偏心部材と出力回転体との間に密封型軸受を配設し、その密封型軸受により出力回転体を偏心部材に対して回転可能に支持したことを特徴とする。

本発明では、偏心部材と出力回転体との間の空間を密封型軸受で閉塞する。これにより、減速機における遊星回転体の偏心回転運動が行われても、減速機の噛み合い部からの潤滑剤の流出を密封型軸受で阻止することができ、減速機の噛み合い部で潤滑剤を保持し易くなる。

このように、減速機の噛み合い部で潤滑剤を保持し易くなることから、潤滑性能を維持することが容易となり、噛み合い部での摺動抵抗を小さくすることができる。

本発明は、偏心部材と遊星回転体との間に密封型軸受を介設し、その密封型軸受により遊星回転体を偏心部材に対して回転可能に支持した構造が望ましい。

このような構造を採用すれば、偏心部材と遊星回転体との間の空間を密封型軸受で閉塞する。これにより、減速機の噛み合い部からの潤滑剤の流出を密封型軸受で阻止することができ、減速機の噛み合い部で潤滑剤を保持することが容易となる。

本発明の密封型軸受は、シール付き転がり軸受およびシールド付き転がり軸受から選択されたいずれか一つであることが望ましい。

このように、密封型軸受として、シール付き転がり軸受およびシールド付き転がり軸受を適用すれば、偏心部材と出力回転体との間の空間や、偏心部材と遊星回転体との間の空間を閉塞することが容易となる。

本発明によれば、減速機における遊星回転体の偏心回転運動が行われても、密封型軸受により、偏心部材と出力回転体との間の空間を閉塞することで、減速機の噛み合い部からの潤滑剤の流出を阻止することができ、減速機の噛み合い部で潤滑剤を保持し易くなる。

これにより、潤滑性能を維持することが容易となり、噛み合い部での摺動抵抗を小さくすることができる。その結果、減速機の効率および耐久性の向上が図れる。

本発明の実施形態で、電動アクチュエータの全体構成を示す断面図である。 図１のＰ−Ｐ線に沿う断面図である。 図１のＱ−Ｑ線に沿う断面図である。 図１のシール付き転がり軸受を示すＡ部拡大断面図である。 電動アクチュエータの全体構成を示す組立分解斜視図である。 本発明の他の実施形態で、シールド付き転がり軸受を示す要部拡大断面図である。 電動アクチュエータの全体構成を示す組立分解斜視図である。

本発明に係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。以下の実施形態では、可変バルブタイミング装置に適用される電動アクチュエータを例示するが、可変バルブタイミング装置以外にも適用可能である。

図１は電動アクチュエータの全体構成を示す断面図、図２は図１のＰ−Ｐ線に沿う断面図、図３は図１のＱ−Ｑ線に沿う断面図である。この実施形態の特徴的な構成を説明する前に電動アクチュエータの全体構成を説明する。

この実施形態の電動アクチュエータ１は、図１〜図３に示すように、入力回転体２と、出力回転体３と、電動モータ４と、減速機５と、これらを収容するケーシング６とを主要な構成要素として備えている。

入力回転体２は、外部の駆動源（図示せず）から駆動力が入力されて回転駆動する部材である。入力回転体２は、小径部１１と、小径部１１よりも大径の大径部１２とを一体に有する。

入力回転体２は、ケーシング６に対してシール付き転がり軸受７によって回転可能に支持されている。シール付き転がり軸受７で、ケーシング６と入力回転体２との間の空間が密封されている。

出力回転体３は、入力回転体２に入力された駆動力を外部へ出力する部材である。出力回転体３は、ボルト８により出力軸としてのシャフト９が一体に回転するように締結される。出力回転体３は、入力回転体２に対して回転軸Ｘを中心として同軸上に配置されると共に相対回転可能に構成されている。

入力回転体２の大径部１２の内周には、シール付き転がり軸受１０が配置されている。シャフト９は、入力回転体２に対してシール付き転がり軸受１０によって回転可能に支持されている。シール付き転がり軸受１０で、入力回転体２とシャフト９との間の空間が密封されている。

ケーシング６は、組み立て性の向上を図るため、有底円筒状の本体部１３と、本体部１３を閉塞する蓋部１４とに分割されている。本体部１３と蓋部１４とは、ボルト等の締結手段（図示せず）を用いて一体化されている。

蓋部１４には、電動モータ４へ給電するための給電線や、電動モータ４の回転数を検知する回転数検知センサ（図示せず）に接続される信号線を外部へ引き出すための筒状突起１５（図５参照）が設けられている。

電動モータ４は、ケーシング６の本体部１３に固定されたステータ１７と、ステータ１７の径方向内側に隙間をもって対向配置されたロータ１８とを有するラジアルギャップ型モータである。ステータ１７とロータ１８との間に作用する励磁力により、ステータ１７に対してロータ１８が回転軸Ｘを中心として回転する。

減速機５の主要部は、入力回転体２の外周に形成された第一外歯部１９と、出力回転体３の外周に形成された第二外歯部２０と、ロータ１８と一体に回転する偏心部材２１と、偏心部材２１の内周に配置された遊星回転体２２と、偏心部材２１と遊星回転体２２との間に配置された針状ころ軸受２３とで構成されたサイクロイド減速機である。

偏心部材２１は、ロータ１８の内周に固定された小径筒部２４と、小径筒部２４よりも大径に形成されてロータ１８から軸方向に突出する大径筒部２５とを一体に有する。小径筒部２４および大径筒部２５は、ケーシング６に対して転がり軸受２６，２７によって回転自在に支持されている。

偏心部材２１の外周面は、回転軸Ｘと同軸に形成されている。小径筒部２４の内周面は、入力回転体２および出力回転体３の各中心軸（回転軸Ｘ）に対して偏心するように配置されている。これに対して、大径筒部２５の内周面は、入力回転体２および出力回転体３の各中心軸（回転軸Ｘ）と同軸上に配置されている。

遊星回転体２２は、小径筒部２８と、小径筒部２８よりも大径の大径筒部２９とを一体に有する。大径筒部２９の内周に第一内歯部３０が形成され、小径筒部２８の内周に第二内歯部３１が形成されている。

第一内歯部３０と第二内歯部３１は、何れも径方向の断面が曲線（例えばトロコイド系曲線）を描く複数の歯で構成されている。第二内歯部３１のピッチ円径は、第一内歯部３０のピッチ円径よりも小さい。また、第二内歯部３１の歯数は、第一内歯部３０の歯数よりも少ない。

入力回転体２の外周には、遊星回転体２２の第一内歯部３０と噛み合うように第一外歯部１９が対向して形成されている。また、出力回転体３の外周には、遊星回転体２２の第二内歯部３１と噛み合うように第二外歯部２０が対向して形成されている。

第一外歯部１９と第二外歯部２０は、何れも径方向の断面が曲線（例えばトロコイド系曲線）を描く複数の歯で構成されている。第二外歯部２０のピッチ円径は、第一外歯部１９のピッチ円径よりも小さい。また、第二外歯部２０の歯数は、第一外歯部１９の歯数よりも少ない。

第一外歯部１９の歯数は、互いに噛み合う第一内歯部３０の歯数よりも少なく、好ましくは一つ少ない。同様に、第二外歯部２０の歯数も、互いに噛み合う第二内歯部３１の歯数よりも少なく、好ましくは一つ少ない。

この実施形態では、第一内歯部３０の歯数を２４個、第二内歯部３１の歯数を２０個、第一外歯部１９の歯数を２３個、第二外歯部２０の歯数を１９個としている。

遊星回転体２２は、大径筒部２９と偏心部材２１の大径筒部２５との間に配置された転がり軸受３２と、小径筒部２８と偏心部材２１の小径筒部２４との間に配置された針状ころ軸受２３とによって、偏心部材２１に対して回転可能に支持されている。

このように、転がり軸受３２と針状ころ軸受２３とによって、遊星回転体２２を偏心部材２１に対して支持することにより、遊星回転体２２の径方向の振れを低減し、遊星回転体２２の径方向の振れに伴う動力伝達効率の低下を抑制している。

また、遊星回転体２２は、針状ころ軸受２３および転がり軸受３２を介して偏心部材２１の内周に配置されていることで、入力回転体２および出力回転体３の各中心軸（回転軸Ｘ）に対して偏心して配置されている。

遊星回転体２２が回転軸Ｘに対して偏心して配置されているため、図２に示すように、第一内歯部３０の中心軸Ｙは、回転軸Ｘに対して径方向に距離Ｅだけ偏心している。これにより、第一内歯部３０と第一外歯部１９とは、周方向一部の領域（図２の左側）で噛み合った状態となり、径方向反対側の領域（図２の右側）で噛み合わない状態となる。

また、図３に示すように、第二内歯部３１の中心軸Ｙも、回転軸Ｘに対して径方向に距離Ｅだけ偏心している。これにより、第二内歯部３１と第二外歯部２０とは、周方向一部の領域（図３の右側）で噛み合った状態となり、径方向反対側の領域（図３の左側）で噛み合わない状態となる。

なお、図２および図３では、互いの矢視方向が異なっているため、第一内歯部３０と第二内歯部３１とのそれぞれの偏心方向が各図において互いに左右逆方向に示されているが、第一内歯部３０と第二内歯部３１は同じ方向に同じ距離Ｅだけ偏心している。

以上のような構造を具備する電動アクチュエータ１の動作例を以下に説明する。

電動モータ４に通電されず、電動モータ４から減速機５へ駆動力が供給されない状態では、外部からの駆動力によって入力回転体２が回転駆動すると、入力回転体２の回転が遊星回転体２２を介して出力回転体３に伝達される。これにより、出力回転体３は入力回転体２と同期して回転する。

つまり、入力回転体２と遊星回転体２２は、第一外歯部１９と第一内歯部３０との噛み合い部３３でのトルク伝達により、この噛み合い状態を保持したまま一体に回転する。同様に、遊星回転体２２と出力回転体３も、第二内歯部３１と第二外歯部２０の噛み合い位置を保持したまま一体に回転する。そのため、入力回転体２と出力回転体３とは同じ回転位相を保持しながら回転する。

これに対して、電動モータ４に通電されて、電動モータ４から減速機５へ駆動力が供給された場合は、ロータ１８と偏心部材２１とが一体に回転することで、遊星回転体２２が入力回転体２および出力回転体３に対して偏心回転運動を行う。

すなわち、電動モータ４の作動によりロータ１８に結合された偏心部材２１が回転軸Ｘを中心として一体に回転する。偏心部材２１の回転に伴う押圧力が針状ころ軸受２３および転がり軸受３２を介して遊星回転体２２に作用する。この押圧力により、第一内歯部３０と第一外歯部１９との噛み合い部３３で周方向の分力が生じるため、遊星回転体２２が入力回転体２に対して相対的に偏心回転運動を行う。

つまり、遊星回転体２２が回転軸Ｘを中心として公転しながら、第一内歯部３０および第二内歯部３１の中心Ｙを中心として自転する。この際、遊星回転体２２が一回公転するごとに、第一内歯部３０と第一外歯部１９との噛み合い位置が一歯分ずつ周方向にずれるため、遊星回転体２２は減速されつつ回転（自転）する。

また、この遊星回転体２２の偏心回転運動により、遊星回転体２２が一回公転するごとに、第二内歯部３１と第二外歯部２０との噛み合い位置が一歯分ずつ周方向にずれる。これにより、出力回転体３が遊星回転体２２に対して減速されつつ回転する。

このように、遊星回転体２２を電動モータ４で駆動することにより、入力回転体２から入力される駆動力に電動モータ４からの駆動力が重畳され、出力回転体３の回転が電動モータ４からの駆動力の影響を受ける状態となる。そのため、入力回転体２に対する出力回転体３の相対的な回転位相差を正逆方向で変更することが可能となる。

ここで、減速機５による減速比をＩ、電動モータ４の回転速度をＮｍ、入力回転体２の回転速度をＮｓとすると、出力回転体３の位相角度差は（Ｎｍ−Ｎｓ）／Ｉとなる。また、第一外歯部１９の減速比をｉ１、第二外歯部２０の減速比をｉ２とすると、減速機５による減速比Ｉは、Ｉ＝ｉ１×ｉ２／｜ｉ１−ｉ２｜によって求められる。

例えば、第一外歯部１９の減速比（ｉ１）が２４、第二外歯部２０の減速比（ｉ２）が２０の場合、上式から減速比は１２０となる。このように、この実施形態における減速機５では、大きな減速比によって高トルクを得ることが可能となる。

この実施形態における電動アクチュエータ１の全体構成は、前述のとおりであるが、その特徴的な構成である潤滑構造について、以下に詳述する。

この実施形態の電動アクチュエータ１では、入力回転体２と出力回転体３との間に配設された遊星回転体２２が偏心回転運動を行うことにより、入力回転体２に対する出力回転体３の回転位相差を変更する偏心型減速機５を採用している。

この偏心型減速機５は、入力回転体２の第一外歯部１９と遊星回転体２２の第一内歯部３０との噛み合い構造、および出力回転体３の第二外歯部２０と遊星回転体２２の第二内歯部３１との噛み合い構造を有する。

この噛み合い構造による遊星回転体２２の偏心回転運動を円滑に行うため、電動アクチュエータ１のハウジング６内にグリース等の潤滑剤（図示せず）をシール付き転がり軸受７，１０，１６（図１参照）によって封入している。

この遊星回転体２２の偏心回転運動では、ポンプ作用により、第一外歯部１９と第一内歯部３０との噛み合い部３３、および第二外歯部２０と第二内歯部３１との噛み合い部３４で潤滑剤が流動し易くなっている。

そこで、この実施形態の電動アクチュエータ１では、簡便な構造により、偏心型減速機５の噛み合い部３３，３４からの潤滑剤の流出を抑制し、潤滑剤の枯渇を防止する手段を講じている。

つまり、図１および図４に示すように、回転軸Ｘに対して偏心して回転可能な偏心部材２１の小径筒部２４と出力回転体３との間に、密封型軸受としてシール付き転がり軸受１６（図５参照）を配設し、シール付き転がり軸受１６により出力回転体３を偏心部材２１に対して回転可能に支持する。

このように、偏心部材２１と出力回転体３との間の空間（図４の網掛け部分）をシール付き転がり軸受１６のシール部３５で閉塞する。偏心部材２１と出力回転体３との間の空間には、遊星回転体２２の小径筒部２８の端面とシール付き転がり軸受１６のシール部３５間の隙間と、針状ころ軸受２３の内部隙間とが存在する。

これにより、減速機５における遊星回転体２２の偏心回転運動（ポンプ作用）が行われても、減速機５の噛み合い部３３，３４から減速機５の外部へ潤滑剤が流出することをシール付き転がり軸受１６のシール部３５で阻止でき、減速機５の噛み合い部３３，３４で潤滑剤を保持し易くなる。

このように、減速機５の噛み合い部３３，３４で潤滑剤を保持し易くなることから、潤滑性能を維持することが容易となり、噛み合い部３３，３４での摺動抵抗を小さくすることができる。その結果、減速機５の効率および耐久性の向上が図れる。

ここで、偏心部材２１の小径筒部２４は、転がり軸受２６によってハウジング６の蓋部１４に対して支持されると共に、偏心部材２１の大径筒部２５は、転がり軸受２７によってハウジング６の本体部１３に対して支持されている。このように、偏心部材２１は、転がり軸受２６，２７によってハウジング６に対して両端支持されていることで、モータ軸としての精度を確保している。

この偏心部材２１に対して出力回転体３をシール付き転がり軸受１６によって支持している。これにより、偏心部材２１に対する精度を確保することができる。このように、シール付き転がり軸受１６によって出力回転体３を偏心部材２１に対して支持する構造は、減速機５の効率向上に寄与する。

図４に示すシール付き転がり軸受１６は、軸方向両側にシール部３５を有する構造としているが、軸方向外側（図４の左側）に位置するシール部３５のみとし、軸方向内側（図４の右側）に位置するシール部３５を省略してもよい。

この場合、軸方向外側のシール部３５により、偏心部材２１と出力回転体３との間の空間（図４の網掛け部分）と連通するシール付き転がり軸受１６の内部隙間を閉塞することになる。

この実施形態では、偏心部材２１と出力回転体３との間の空間を閉塞する密封型軸受としてシール付き転がり軸受１６を例示しているが、他の密封型軸受として、シールド付き転がり軸受を適用してもよい。

図４および図５に示す実施形態では、偏心部材２１と出力回転体３との間の空間をシール付き転がり軸受１６で閉塞した場合を例示したが、図６および図７に示すような構造であってもよい。

図６および図７において、図４および図５と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。図６に示す実施形態では、図４に示す実施形態の転がり軸受３２の代わりに、密封型軸受としてシールド付き転がり軸受３６を採用する。

つまり、図６に示すように、偏心部材２１と出力回転体３との間にシール付き転がり軸受１６を配設するのに加えて、偏心部材２１と遊星回転体２２との間にシールド付き転がり軸受３６（図７参照）を配設し、シールド付き転がり軸受３６により遊星回転体２２を偏心部材２１に対して回転可能に支持する。

このように、偏心部材２１と遊星回転体２２との間の空間（図６の網掛け部分）をシールド付き転がり軸受３６のシールド部３７で閉塞する。偏心部材２１と遊星回転体２２との間の空間には、遊星回転体２２の小径筒部２８の端面とシール付き転がり軸受１６のシール部３５間の隙間と、針状ころ軸受２３の内部隙間と、シールド付き転がり軸受３６の内部隙間とが存在する。

これにより、減速機５における遊星回転体２２の偏心回転運動（ポンプ作用）が行われても、減速機５の噛み合い部３３，３４から減速機５の外部へ潤滑剤が流出することをシールド付き転がり軸受３６のシールド部３７で阻止でき、減速機５の噛み合い部３３，３４で潤滑剤を保持し易くなる。

このように、減速機５の噛み合い部３３，３４で潤滑剤を保持し易くなることから、潤滑性能を維持することが容易となり、噛み合い部３３，３４での摺動抵抗を小さくすることができる。その結果、減速機５の効率および耐久性の向上が図れる。

ここで、この実施形態では、軸方向外側（図６の右側）に位置するシールド部３７のみを有する片側シールド付き転がり軸受３６を例示している。この場合、針状ころ軸受２３の内部隙間と隣接する片側シールド付き転がり軸受３６の内部隙間をシールド部３７により閉塞している。

なお、軸方向内側（図６の左側）にもシールド部を設けて軸方向両側にシールド部を有するシールド付き転がり軸受としてもよい。この場合、軸方向内側に位置するシールド部により、偏心部材２１と遊星回転体２２との間の空間を閉塞することになる。

また、この実施形態では、偏心部材２１と遊星回転体２２との間の空間を閉塞する密封型軸受としてシールド付き転がり軸受３６を例示しているが、他の密封型軸受として、シール付き転がり軸受を適用してもよい。

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 電動アクチュエータ
２ 入力回転体
３ 出力回転体
４ 電動モータ
５ 減速機
１６ 密封型軸受（シール付き転がり軸受）
２１ 偏心部材
２２ 遊星回転体
３６ 密封型軸受（シールド付き転がり軸受）
Ｘ 回転軸

Claims (3)

1. 駆動力を供給可能な電動モータと、回転軸を中心として回転可能な入力回転体と、自転可能でかつ前記回転軸を中心として公転可能な遊星回転体と、前記回転軸を中心として回転可能な出力回転体とを有し、前記遊星回転体が入力回転体および出力回転体のそれぞれと噛み合い、入力回転体に対する出力回転体の回転位相差を変更する減速機を備え、
   前記減速機は前記回転軸に対して偏心して回転可能な偏心部材を有し、前記偏心部材と前記出力回転体との間に密封型軸受を配設し、前記密封型軸受により出力回転体を偏心部材に対して回転可能に支持したことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記偏心部材と前記遊星回転体との間に密封型軸受を配設し、前記密封型軸受により遊星回転体を偏心部材に対して回転可能に支持した請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記密封型軸受は、シール付き転がり軸受およびシールド付き転がり軸受から選択されたいずれか一つである請求項１又は２に記載の電動アクチュエータ。

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