JP4560743B2 - 回転式アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動機と減速機とを組み合わせた回転式アクチュエータに関する。

従来、回転式アクチュエータとして、電動機と減速機とを軸方向に隣接して配置することにより薄型化を図ったものが知られている（例えば特許文献１参照）。
このような回転式アクチュエータにおいて、体格を大型化することなく出力トルクを向上させるには、（１）電動機のステータの外周壁部の肉厚を減らし、肉厚を減らした分コイルの巻数を増加する、（２）電動機のロータおよびステータの材質をグレードアップする、などの方法が考えられる。

しかしながら、これらの方法の場合、（１）コイルの巻数を増加させても、ステータ外周壁部の肉厚を減らすことによりステータの磁束容量が不足して磁気飽和が生じ、出力トルクを向上させることができない、（２）材質をグレードアップするとコストが増加する、といった問題が生じる。
特開２００５−２８２６０１号公報

そこで、本発明の目的は、体格の大型化およびコスト増加を招くことなく、出力トルクを向上することができる回転式アクチュエータを提供することにある。

請求項１記載の発明では、回転式アクチュエータは電動機および減速機を備えている。電動機は、ロータ軸およびロータコアからなるロータと、ロータコアの径方向外側に設けられロータコア側へ突出する複数のコイル部を有する円環状のステータとを有し、コイル部に生じる磁力によってロータを回転させロータ軸に回転力を出力する。一方、減速機は、ロータ軸の偏心部に取り付けられ外歯が形成されたサンギアと、サンギアの外歯に噛み合う内歯が形成されたリングギアとを有し、サンギアとリングギアとの噛み合いによってロータ軸の回転を減速して出力する。電動機のステータは、軸方向の端部が減速機のリングギアの軸方向の端部に当接している。そのため、電動機のロータを回転させるとき、コイル部に生じた磁力の磁束は、ステータおよびロータコアを流れるとともに、リングギアにも流れる。これにより、発生した磁力に対する磁気抵抗が低下し、コイル部に発生する磁束の数が増加する。その結果、コイル部がロータコアを吸引する力が増大する。したがって、コイルの巻数を増やすことによる体格の大型化、ならびにステータおよびロータコアの材質をグレードアップすることによるコスト増加を招くことなく、回転式アクチュエータの出力トルクを向上することができる。

請求項２記載の発明では、リヤハウジングと、リヤハウジングに当接してリヤハウジングとの間に空間を形成するフロントハウジングとをさらに備えている。電動機は前記空間のリヤハウジング側に、減速機は前記空間のフロントハウジング側に収容されている。リヤハウジングおよびフロントハウジングのうち、少なくともフロントハウジングは樹脂により形成されている。そのため、フロントハウジングを金属等で形成する場合に比べて、加工が容易である。したがって、回転式アクチュエータの製造コストを低減することができる。

請求項３記載の発明では、リングギアは、径方向外側へ突出する複数の耳部をさらに備えている。フロントハウジングには、リングギアの耳部に対応する複数の溝部を内壁に有する円環状のプレートがインサートモールドされている。リングギアの耳部は、プレートの溝部に圧入されている。これにより、リングギアは、フロントハウジングに対して相対回転不能に支持されている。本発明の場合、ステータとリングギアとは当接している。そのため、溝部への耳部の圧入が軽圧入であったとしても、リングギアは、フロントハウジングに対する相対的なステータ側への移動がステータによって規制される。したがって、フロントハウジングからのリングギアの脱落を防止するとともに、フロントハウジングに対するリングギアのがたつきを低減することができる。

請求項４記載の発明では、電動機はスイッチトリラクタンスモータである。本発明の場合、電動機のステータは、減速機のリングギアに当接している。そのため、電動機としてスイッチトリラクタンスモータを用いる場合でも、回転式アクチュエータの出力トルクを向上することができる。

以下、本発明の一実施形態による回転式アクチュエータを図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図１に示す回転式アクチュエータ１は、例えば電子制御による自動変速機のシフトレンジを切り換えるシフトバイワイヤシステムの駆動部として適用される。図２に示すように、シフトバイワイヤシステム１００は、回転式アクチュエータ１により自動変速機のマニュアルバルブ１０１を駆動する。シフトバイワイヤシステム１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２を備えている。ＥＣＵ２は、回転式アクチュエータ１へ駆動信号を出力する。これにより、回転式アクチュエータ１は、ＥＣＵ２から入力された駆動信号にしたがって回転する。回転式アクチュエータ１の回転運動は、駆動力伝達部１０２に伝達される。駆動力伝達部１０２は、回転式アクチュエータ１から出力された回転駆動力をマニュアルバルブ１０１に伝達する。

駆動力伝達部１０２は、駆動軸部材１０３、ディテントプレート１０４およびストッパ１０５などを有している。駆動軸部材１０３は、回転式アクチュエータ１に接続し、回転式アクチュエータ１によって回転駆動される。ディテントプレート１０４は、駆動軸部材１０３から径方向外側に伸びて駆動軸部材１０３と一体に回転可能に構成されている。これにより、ディテントプレート１０４は、駆動軸部材１０３と一体に回転式アクチュエータ１によって回転駆動される。ディテントプレート１０４は、駆動軸部材１０３と平行に突出するピン１０６が設けられている。ピン１０６は、マニュアルバルブ１０１と接続している。その結果、ディテントプレート１０４が駆動軸部材１０３とともに回転することにより、マニュアルバルブ１０１は軸方向へ往復移動する。すなわち、駆動力伝達部１０２は、回転式アクチュエータ１の回転駆動力を直線運動に変換してマニュアルバルブ１０１に伝達する。

ディテントプレート１０４は、径方向において駆動軸部材１０３と反対側に複数の凹部１０７を有している。凹部１０７は、それぞれ図示しない自動変速機のシフトレンジである「Ｐレンジ」、「Ｒレンジ」、「Ｎレンジ」および「Ｄレンジ」に対応している。ストッパ１０５は、板ばね１０８の先端に支持されている。ストッパ１０５がディテントプレート１０４の凹部１０７のいずれかと噛み合うことによって、マニュアルバルブ１０１の軸方向の位置は決定される。駆動軸部材１０３を経由してディテントプレート１０４に回転力が加わると、ストッパ１０５は隣接する他の凹部１０７へ移動する。その結果、回転式アクチュエータ１によって駆動軸部材１０３を回転させることにより、マニュアルバルブ１０１の軸方向の位置が変化し、自動変速機のシフトレンジが変更される。

次に、回転式アクチュエータ１について説明する。
回転式アクチュエータ１は、図１に示すようにハウジング２０、スイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ３および減速機５を備えている。ハウジング２０は、リヤハウジング２１とフロントハウジング２２とから構成されている。リヤハウジング２１およびフロントハウジング２２は、樹脂により形成されている。フロントハウジング２２は、ボルト２３によりリヤハウジング２１に固定されている。フロントハウジング２２は、リヤハウジング２１と当接してリヤハウジング２１との間に空間２４を形成している。フロントハウジング２２とリヤハウジング２１とが当接する箇所には、弾性を有する円環状の弾性部材２５が挟み込まれている。

電動機としてのＳＲモータ３は、永久磁石を用いることなく駆動力を発生するブラシレスモータである。ＳＲモータ３は、ステータ３０およびロータ４０を備えている。ステータ３０は、略円環状に形成され、リヤハウジング２１にインサートモールドされた金属製のプレート２６に圧入されることにより、リヤハウジング２１に回転不能に固定されている。

図５（Ｂ）は、ステータ３０およびロータ４０を図１のＸ方向から見た図である。ステータ３０は、ステータコア３１およびコイル３２（３２Ａ〜３２Ｌ）から構成されている。ステータコア３１は、薄板を板厚方向に複数積層することによって形成されている。ステータコア３１には、径方向内側へ向けて３０度毎に突設された複数のステータティースが設けられており、各ステータティースのそれぞれにコイル３２Ａ〜３２Ｌが巻回されている。ここで、各ステータティースおよびコイル３２Ａ〜３２Ｌは、特許請求の範囲におけるコイル部を構成している。また、コイル３２Ａ、３２Ｄ、３２Ｇ、３２ＪはＵ相であり、コイル３２Ｃ、３２Ｆ、３２Ｉ、３２ＬはＶ相であり、コイル３２Ｂ、３２Ｅ、３２Ｈ、３２ＫはＷ相である。

コイル３２Ａ〜３２Ｌは、バスバー部８０に電気的に接続されている。バスバー部８０は、図１に示すようにステータ３０のリヤハウジング２１側に設けられている。バスバー部８０は、例えば金属の薄板によって形成され、コイル３２Ａ〜３２Ｌへ供給される電力が流れる。バスバー部８０は、ステータ３０に設けられているコイル３２Ａ〜３２Ｌの径方向内側に、コイル３２Ａ〜３２Ｌと接続されるターミナル８１を有している。コイル３２Ａ〜３２Ｌは、ターミナル８１と例えば溶接などにより電気的に接続されている。ターミナル８１には、ＥＣＵ２から出力された駆動信号に基づいて電力が供給される。

ロータ４０は、図１、図５および図６に示すようにステータ３０の内周側に設けられている。ロータ４０は、ロータ軸４１およびロータコア４２からなる。ロータ軸４１は、一方の端部をフロントベアリング９１に、他方の端部をリヤベアリング９２によって回転可能に支持されている。これにより、ロータ４０は、ハウジング２０およびステータ３０に対し、相対的に回転可能である。なお、フロントベアリング９１は、後述する減速機５の出力軸５０の内周に設けられている。出力軸５０は、フロントハウジング２２の内周に設けられたメタルベアリング９３によって回転可能に支持されている。すなわち、ロータ軸４１の一方の端部は、フロントハウジング２２に設けられたメタルベアリング９３、出力軸５０およびフロントベアリング９１を介して回転可能に支持されている。一方、ロータ軸４１の他方の端部は、リヤハウジング２１に設けられたリヤベアリング９２を介して回転可能に支持されている。

ロータコア４２は、薄板を板厚方向に複数積層することによって形成されている。ロータコア４２は、ロータ軸４１に圧入固定されている。ロータコア４２には、外周のステータコア３１に向けて４５度毎に突設された複数の突極４２１が設けられている。図５（Ｂ）の状態において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順番に通電を切り替えるとロータ４０は反時計回り方向に回転し、逆にＷ相、Ｖ相、Ｕ相の順番に通電を切り替えるとロータ４０は時計回り方向に回転する。ロータ４０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の通電が一巡する毎に４５度回転する。このように、各コイルへの通電を切り替えてコイル部に生じる磁力を制御することによって、ロータ４０を任意の方向へ回転させることができる。

図１および図６に示すように、減速機５は、サンギア６０、リングギア７０および出力軸５０を備えている。減速機５は、いわゆる遊星歯車装置の一種である。サンギア６０は、減速機５において入力軸に相当するロータ軸４１に形成された偏心部４１１を介して、ロータ軸４１に対して偏心回転可能な状態で取り付けられている。サンギア６０は、略円盤状に形成され、外周に外歯６１を有している。リングギア７０は、サンギア６０の外歯６１に噛み合う内歯７１を有している。偏心部４１１は、ロータ軸４１の回転中心に対して偏心回転してサンギア６０を揺動回転させる軸であり、偏心部４１１の外周に設けられたミドルベアリング９４を介してサンギア６０を回転可能に支持している。

サンギア６０は、上述のようにミドルベアリング９４を介してロータ軸４１の偏心部４１１に対して回転可能に支持され、偏心部４１１の回転によってリングギア７０に噛み合った状態で回転するように構成されている。リングギア７０は、フロントハウジング２２に固定されるものであり、その詳細は後述する。
出力軸５０は、サンギア６０側端部にフランジ５１を有している。フランジ５１には、同一円周上に複数のピン穴５２が形成されている。サンギア６０には、フランジ５１側へ突出しピン穴５２に遊嵌する複数のピン６２が形成されている。そして、ピン６２とピン穴５２との嵌まり合いによって、サンギア６０の自転運動が出力軸５０に伝達される。

このような構成により、ロータ軸４１が回転してサンギア６０が偏心回転することによって、サンギア６０がロータ軸４１に対して減速回転し、その減速回転が出力軸５０に伝達される。なお、出力軸５０は、上述したシフトバイワイヤシステム１００の駆動軸部材１０３に連結されている。

次に、リングギア７０について詳細に説明する。
図３に示すように、リングギア７０は、内歯７１、本体７２および筒部７３からなる。リングギア７０は、金属で形成されている。本体７２は、略円環状に形成されている。内歯７１は、本体７２の内周に形成され、サンギア６０の外歯６１に噛み合っている。筒部７３は、本体７２から軸方向へ延出し、略円筒状に形成されている。また、リングギア７０は、本体７２および筒部７３から径方向外側へ突出する複数の耳部７４を有している。

図１、図４および図６に示すように、フロントハウジング２２には、プレート２７がインサートモールドされている。プレート２７は、金属で略円環状に形成され、内壁にリングギア７０の耳部７４に対応する複数の溝部２７１を有している。リングギア７０は、耳部７４が溝部２７１に圧入されることにより、フロントハウジング２２に対して相対回転不能に支持されている。

図１に示すように、ＳＲモータ３は、リヤハウジング２１とフロントハウジング２２との間に形成された空間２４のリヤハウジング２１側に収容されている。減速機５は、空間２４のフロントハウジング２２側に収容されている。そして、ＳＲモータ３と減速機５とは、ステータ３０の外周部とリングギア７０の筒部７３とで当接している。なお、筒部７３は、ステータ３０のステータティースに円環状に配置されたコイル３２Ａ〜３２Ｌがステータ３０よりもリングギア７０側へ突出する部分を取り囲んでいる。

次に、ステータ３０のコイル３２Ａ〜３２Ｌに通電してロータ４０を回転させるときにコイル部に生じる磁力の磁束の流れを、図５を用いて説明する。
図５（Ａ）は、ステータ３０、ロータ４０およびリングギア７０を示す断面図であり、図５（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。図５（Ｂ）は、ステータ３０およびロータ４０を図５（Ａ）のＢ方向から見た図である。図５（Ａ）、（Ｂ）では、コイル部に生じた磁力の磁束の流れを実線による矢印および破線による矢印によって示している。実線による矢印はステータ３０およびロータコア４２を流れる磁束の流れ方向を表し、破線による矢印はリングギア７０を流れる磁束の流れ方向を表している。図５（Ｂ）において、図面に対して垂直に流れる磁束の流れ方向を表すために、記号Ｚ₁および記号Ｚ₂を用いる。記号Ｚ₁は、図面の表から裏、すなわちステータ３０からリングギア７０へ向かう方向を表す。記号Ｚ₂は、図面の裏から表、すなわちリングギア７０からステータ３０へ向かう方向を表す。

図５（Ｂ）に示す状態のとき、コイル３２Ａに生じた磁力の磁束は、コイル３２Ｄおよびコイル３２Ｊへ向かってステータ３０の外周壁内部を流れるとともに、ステータ３０のコイル３２Ａ近傍からリングギア７０の筒部７３へ流れる。ステータ３０のコイル３２Ａ近傍から筒部７３へ流れた磁束は、コイル３２Ｄおよびコイル３２Ｊの方向へ筒部７３の内部を流れ、ステータ３０のコイル３２Ｄ近傍およびコイル３２Ｊ近傍へ流れる。

一方、コイル３２Ｇに生じた磁力の磁束は、コイル３２Ｄおよびコイル３２Ｊへ向かってステータ３０の外周壁内部を流れるとともに、ステータ３０のコイル３２Ｇ近傍からリングギア７０の筒部７３へ流れる。ステータ３０のコイル３２Ｇ近傍から筒部７３へ流れた磁束は、コイル３２Ｄおよびコイル３２Ｊの方向へ筒部７３の内部を流れ、ステータ３０のコイル３２Ｄ近傍およびコイル３２Ｊ近傍へ流れる。

コイル３２Ａおよびコイル３２Ｇから、ステータ３０の外周壁内部またはリングギア７０の筒部７３の内部を流れてステータ３０のコイル３２Ｄ近傍へ流れた磁束は、コイル３２Ｄが巻回されたステータティース内部を通過し、ロータコア４２内部を流れてコイル３２Ａが巻回されたステータティース内部へ流れる。

一方、コイル３２Ａおよびコイル３２Ｇから、ステータ３０の外周壁内部またはリングギア７０の筒部７３の内部を流れてステータ３０のコイル３２Ｊ近傍へ流れた磁束は、コイル３２Ｊが巻回されたステータティース内部を通過し、ロータコア４２内部を流れてコイル３２Ｇが巻回されたステータティース内部へ流れる。
本実施形態では、ステータ３０の外周部は、リングギア７０の筒部７３に当接している。そのため、コイル部に生じた磁力の磁束は、上述したようにステータ３０およびロータコア４２を流れるとともに、リングギア７０の筒部７３にも流れる。

以上説明したように、本発明の一実施形態による回転式アクチュエータ１の場合、ＳＲモータ３のステータ３０は、減速機５のリングギア７０に当接している。そのため、ＳＲモータ３のロータ４０を回転させるとき、コイル部に生じた磁力の磁束は、ステータ３０およびロータコア４２を流れるとともに、リングギア７０にも流れる。これにより、発生した磁力に対する磁気抵抗が低下し、コイル部に発生する磁束の数が増加する。その結果、コイル部がロータコア４２を吸引する力が増大する。したがって、コイルの巻数を増やすことによる体格の大型化、ならびにステータコアおよびロータコアの材質をグレードアップすることによるコスト増加を招くことなく、回転式アクチュエータ１の出力トルクを向上することができる。

また、本発明の一実施形態による回転式アクチュエータ１の場合、リヤハウジング２１と、リヤハウジング２１に当接してリヤハウジング２１との間に空間２４を形成するフロントハウジング２２とを備えている。ＳＲモータ３は空間２４のリヤハウジング２１側に、減速機５は空間２４のフロントハウジング２２側に収容されている。フロントハウジング２２は、樹脂により形成されている。そのため、フロントハウジングを金属等で形成する場合に比べて、加工が容易である。したがって、回転式アクチュエータ１の製造コストを低減することができる。

さらに、本発明の一実施形態による回転式アクチュエータ１の場合、リングギア７０は、径方向外側へ突出する複数の耳部７４を有している。フロントハウジング２２には、リングギア７０の耳部７４に対応する複数の溝部２７１を内壁に有する円環状のプレート２７がインサートモールドされている。リングギア７０の耳部７４は、プレート２７の溝部２７１に圧入されている。これにより、リングギア７０は、フロントハウジング２２に対して相対回転不能に支持されている。本発明の一実施形態による回転式アクチュエータ１の場合、ステータ３０とリングギア７０とは当接している。そのため、溝部２７１への耳部７４の圧入が軽圧入であったとしても、リングギア７０は、フロントハウジング２２に対する相対的なステータ３０側への移動がステータ３０によって規制される。したがって、フロントハウジング２２からのリングギア７０の脱落を防止するとともに、フロントハウジング２２に対するリングギア７０のがたつきを低減することができる。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態による回転式アクチュエータでは、リングギアを構成する部材は一体ではなく別体に構成されていてもよい。例えば、リングギアの本体と筒部とを別体で構成してもよい。
また、減速機のサンギアと出力軸とが接続する箇所において、複数のピンはサンギアにではなく出力軸のフランジに、複数のピン穴はフランジにではなくサンギアに形成してもよい。

さらに、本発明の他の実施形態においては、ステータのステータティース、コイル、およびロータコアの突極の数は、任意の数に設定してもよい。
また、本発明の他の実施形態においては、ステータの外周壁部の厚みを減らし、その分コイルの巻数を増加させてもよい。ステータ外周壁部の厚みを減らした場合、ステータの磁気抵抗は上昇する。しかし、本発明ではステータとリングギアとは当接しているため、リングギアにも磁束を流すことができる。そのため、電動機全体において磁力に対する磁気抵抗は低下し、コイル部に発生する磁束数を増加させることができる。したがって、体格を大型化することなく、回転式アクチュエータの出力トルクを向上することができる。

上述した本発明の一実施形態では、電動機としてＳＲモータを例に説明した。しかし、本発明は、ＳＲモータに限らず、他の電動機を適用することもできる。
また、本発明の他の実施形態としては、回転式アクチュエータをシフトバイワイヤシステムに限らず、種々の機能部分に適用することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の一実施形態による回転式アクチュエータを示す断面図。 本発明の一実施形態による回転式アクチュエータを適用したシフトバイワイヤシステムを示す概略図。 本発明の一実施形態による回転式アクチュエータのリングギアを示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は図３（Ａ）をＢ方向から見た図。 本発明の一実施形態による回転式アクチュエータのフロントハウジングおよびリングギアを示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は図４（Ａ）をＢ方向から見た図。 本発明の一実施形態による回転式アクチュエータの電動機および減速機の一部を示す図であって、（Ａ）は図５（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図５（Ａ）をＢ方向から見た図。 本発明の一実施形態による回転式アクチュエータを示す分解図。

符号の説明

１：回転式アクチュエータ、３：ＳＲモータ（電動機）、５：減速機、３０：ステータ、３２（３２Ａ〜３２Ｌ）：コイル（コイル部）、４０：ロータ、４１：ロータ軸、４２：ロータコア、６０：サンギア、６１：外歯（サンギア）、７０：リングギア、７１：内歯（リングギア）、７２：本体（リングギア）、７３：筒部（リングギア）、４１１：偏心部

Claims (4)

1. ロータ軸、および前記ロータ軸に圧入されたロータコアからなるロータと、
   前記ロータコアの径方向外側に設けられ、前記ロータコア側へ突出する複数のコイル部を有する円環状のステータと、
   前記コイル部に生じる磁力によって前記ロータを回転させ前記ロータ軸に回転力を出力する電動機と、
   前記ロータ軸に形成された偏心部に取り付けられ、外周に外歯が形成された円盤状のサンギアと、
   前記外歯に噛み合う内歯が内周に形成された円環状のリングギアと、
   前記サンギアと前記リングギアとの噛み合いによって前記ロータ軸の回転を減速して出力する減速機とを備え、
   前記ステータは、軸方向の端部が前記リングギアの軸方向の端部に当接していることを特徴とする回転式アクチュエータ。
2. リヤハウジングと、
   前記リヤハウジングに当接して前記リヤハウジングとの間に空間を形成するフロントハウジングとをさらに備え、
   前記電動機は前記空間の前記リヤハウジング側に、前記減速機は前記空間の前記フロントハウジング側に収容され、
   前記リヤハウジングおよび前記フロントハウジングのうち、少なくとも前記フロントハウジングは樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転式アクチュエータ。
3. 前記リングギアは、径方向外側へ突出する複数の耳部をさらに有し、
   前記フロントハウジングには、前記耳部に対応する複数の溝部を内壁に有する円環状のプレートがインサートモールドされ、
   前記耳部は、前記溝部に圧入されていることを特徴とする請求項２記載の回転式アクチュエータ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の回転式アクチュエータにおいて、
   前記電動機は、スイッチトリラクタンスモータであることを特徴とする回転式アクチュエータ。

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