JP6234592B2

JP6234592B2 - 回転アクチュエータ

Info

Publication number: JP6234592B2
Application number: JP2016542472A
Authority: JP
Inventors: 修平小林
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: TW201626696A; CN106575902B; JPWO2016024340A1; CN106575902A; WO2016024340A1; EP3197026A1; EP3197026A4; TWI679834B; EP3197026B1; KR101886160B1; US20170222517A1; KR20170031178A; US10122239B2

Description

本発明は、アウターローター型のモーターが中空型の波動歯車装置の中空部に組み込まれている構成の回転アクチュエータに関する。

モーターからの入力回転を波動歯車装置によって減速して出力する回転アクチュエータが知られている。この構成の回転アクチュエータは、特許文献１に記載されているように、軸線方向に波動歯車装置、モーターおよびエンコーダー（ブレーキ機構）が配列されるので、その軸線方向の寸法が大きくなる。

特許文献２には、波動歯車装置の中空部内にモーターが組み込まれた回転アクチュエータが記載されている。この回転アクチュエータでは、アウターローター型のモーターのローターが、波動歯車装置の波動発生器の剛性プラグと、この剛性プラグの内周面に貼り付けたローターマグネットから構成されている。これにより、軸線方向の寸法が小さい偏平な回転アクチュエータが得られる。

特許第５１９７１７４号公報特許第５３２７３１２号公報

本発明の課題は、波動歯車装置の中空部内にアウターローター型のモーターが組み込まれた回転アクチュエータの更なる小型化を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の回転アクチュエータは、
アウターローター型のモーターと、
前記モーターから入力される入力回転を減速して出力する波動歯車装置と、
前記波動歯車装置の波動発生器および出力軸を、それらの中心軸線の方向に、貫通して延びる装置中空部と、
前記出力軸に一体回転するように固定され、前記装置中空部における前記出力軸の端面に開口している出力側開口を封鎖しているエンドカバーと、
前記出力軸の回転を検出する検出部と、
を有しており、
前記モーターは、前記装置中空部における前記波動発生器を貫通して延びる波動発生器側中空部に組み込まれたステーターおよびローターを備え、
前記検出部は、前記装置中空部内における前記エンドカバーと前記モーターの間に配置されていることを特徴としている。

本発明の回転アクチュエータでは、装置中空部の一方の開口端が、出力軸に取り付けたエンドカバーによって封鎖されている。エンドカバーによって、外部から装置内に水分、塵等の異物が侵入することが防止される。また、装置中空部内において、エンドカバーとモーターとの間の空間が検出部（センサ基板等）の設置場所とされる。勿論、モーター回路基板（モーター結線基板等）の設置場所とすることも可能である。

装置中空部にモーターおよび検出部が組み込まれているので、偏平な回転アクチュエータを実現できる。

ここで、エンドカバーは、検出部によって出力軸の回転位置を検出するために用いる回転検出板を備えていることが望ましい。

水分、塵等の異物の侵入を防止するためのエンドカバーは、出力軸に取り付けられており、出力軸と一体となって回転する。エンドカバーに、ロータリーエンコーダーのスリット円盤等の回転検出板を取り付けておくことにより、あるいは、エンドカバーに回転検出板を一体形成しておくことにより、回転検出板の設置スペースを別途確保する必要がなくなる。よって、検出器の小型化、特に、軸線方向の寸法を小さくすることができる。

ステーターが、中心軸線の方向に貫通して延びるモーター中空部を備えたステーターコアを有し、モーター中空部の一端が、装置中空部における波動発生器の端面に開口している反出力側開口端から外部に露出している場合には、検出部の配線は、モーター中空部を通して外部に引き出されていることが望ましい。

検出部からの配線を半径方向の外側に引き出して、回転アクチュエータの外周側の部分に沿って引き出す場合には、配線が回転アクチュエータの外周面等に干渉するおそれがある。モーター中空部を配線スペースとして利用することにより、このような弊害を回避できる。

また、この場合には、モーター中空部は、配線が引き出された状態で、当該配線と共に封止部材によって封止されていることが望ましい。

次に、波動発生器が、磁性体からなる筒状の剛性プラグ、および、剛性プラグに形成した非円形外周面に嵌めた波動発生器軸受けを備えている場合には、モーターのローターは、剛性プラグ、および、当該剛性プラグの内周面に固定したローターマグネットを備えていることが望ましい。また、剛性プラグは、波動発生器軸受けを挟み、中心軸線の方向の両側の部位において、外周側から第１軸受けおよび第２軸受けによって支持されていることが望ましい。

波動発生器の剛性プラグがモーターのローターヨークに兼用されるので、回転アクチュエータの径方向の寸法増加を抑制できる。また、剛性プラグが第１、第２軸受けによって両持ち状態で支持されているので、ローターの支持剛性を高めることができる。

この場合、波動発生器軸受けに対して、中心軸線の方向における第１軸受の側には、出力軸が配置され、第２軸受けの側にはローターにブレーキ力を付与可能なブレーキ機構が配置されていることが望ましい。

回転アクチュエータにおいて、波動発生器軸受け、可撓性外歯歯車および剛性内歯歯車が半径方向に重ねて配置されている部分の外径寸法が大きい。この部分に対して軸線方向に隣接する回転アクチュエータの外周側の部分にはデッドスペースができる。この部分を利用してブレーキ機構を配置することで、軸線方向および半径方向の寸法を大きくすることなく、回転アクチュエータにブレーキ機構を組み付けることができる。

次に、装置中空部における出力側開口とは反対側の反出力側開口を、ステーターを用いて封鎖することができる。この場合には、例えば、次の構成を採用すればよい。すなわち、ステーターのステーターコアはコア円筒部およびコア端板部を備え、コア円筒部は装置中空部内に同軸に配置され、コア円筒部の一方の端部が装置中空部における波動発生器の端面に開口している反出力側開口から突出しており、コア端板部は、コア円筒部の端部から半径方向の外方に広がって、反出力側開口を封鎖している。

ここで、波動歯車装置としては、大きな内径の装置中空部を確保するために、フラット型と呼ばれる波動歯車装置、または、シルクハット型と呼ばれる波動歯車装置を用いることが望ましい。

波動歯車装置としてはフラット型の波動歯車装置を用いることができる。この場合には次の構成を採用することが望ましい。まず、波動歯車装置は、中心軸線の方向に並べて同軸に配置した第１の剛性内歯歯車および第２の剛性内歯歯車、第１、第２の剛性内歯歯車を相対回転自在の状態で支持している主軸受け、および、第１、第２の剛性内歯歯車の内側に配置された円筒状の可撓性外歯歯車を備えている。波動発生器は、磁性体からなる剛性プラグ、および、この剛性プラグに形成した非円形輪郭の外周面部分と可撓性外歯歯車の間に装着されている波動発生器軸受けを備えている。

また、第１の剛性内歯歯車における第２の剛性内歯歯車とは反対側の部位には、出力軸が一体形成あるいは固定される。第２の剛性内歯歯車における第１の剛性内歯歯車とは反対側の部位には、筒状ケースが一体形成あるいは固定される。波動発生器軸受けを挟み、中心軸線の方向の一方の側に位置する出力軸の内周面に取り付けた第１軸受け、および、中心軸線の方向の他方側に位置する筒状ケースの内周面に取り付けた第２軸受けによって、剛性プラグが回転自在の状態で支持される。

さらに、波動発生器側中空部は、剛性プラグを中心軸線の方向に貫通して延び、モーターのステーターは、波動発生器側中空部内に同軸に配置したステーターコア、および、ステーターコアの外周面に配置したステーターコイルを備えている。モーターのローターは、剛性プラグ、および、剛性プラグの内周面に固定したローターマグネットを備えている。ステーターコアはコア円筒部およびコア端板部を備え、コア円筒部は装置中空部内に同軸に配置され、コア円筒部の一方の端部が装置中空部における波動発生器の端面に開口している反出力側開口から突出しており、コア端板部は、コア円筒部の端部から半径方向の外方に広がって、前記反出力側開口を封鎖し、コア端板部の外周端部は円筒ケースに固定されている。

本発明を適用した回転アクチュエータの出力側の端面を示す端面図および側面図である。図１のII−II線で切断した部分を示す概略横断面図である。図１、図２の回転アクチュエータの変形例を示す概略横断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した回転アクチュエータの実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１および図２を参照して説明すると、本実施の形態に係る回転アクチュエータ１は、アウターローター型の中空モーター２と、この中空モーター２から入力される入力回転を減速して出力する波動歯車装置３とを備えている。

波動歯車装置３には、その中心部分を、中心軸線１ａの方向に貫通して延びる装置中空部４が形成されている。装置中空部４は、波動歯車装置３の入力要素である波動発生器５を貫通して延びる波動発生器側中空部４ａと、波動歯車装置３の出力要素である出力軸６を貫通して延びる出力軸側中空部４ｂとから構成されており、波動発生器側中空部４ａに比べて、出力軸側中空部４ｂの方が大径の中空部である。なお、以下の説明において、中心軸線１ａに沿った方向において、出力軸６の側を出力側、出力軸６とは反対側を反出力側と呼ぶ。

中空モーター２は、装置中空部４における波動発生器側中空部４ａ内に組み込まれたステーター７およびローター８を備えている。ステーター７は、波動発生器側中空部４ａ内に同軸に配置された円筒状の中空のステーターコア９と、ステーターコア９の外周面に取り付けたステーターコイル１０とを備えている。ローター８は、波動発生器５（正確には、後述する波動発生器５の剛性プラグ２５）と、当該波動発生器５の内周面（波動発生器側中空部４ａの内周面）に固定したローターマグネット１１とによって構成されている。ローターマグネット１１は一定のギャップでステーターコイル１０に対して外周側から対峙している。

装置中空部４における出力軸６に形成した出力軸側中空部４ｂの側の開口である出力側開口端は、出力軸６に対して一体回転するように固定した円盤状のエンドカバー１２によって封鎖されている。ステーターコア９は、波動発生器側中空部４ａ内に同軸に配置されているコア円筒部９ｄとコア端板部９ａを備えている。コア円筒部９ｄの一方の端部は、波動発生器側中空部４ａの側の開口である反出力側開口から突出している。コア端板部９ａは、この端部から半径方向の外方に直角に折れ曲がって延びる円形輪郭の板部である。装置中空部４の反出力側開口は、コア端板部９ａによって封鎖されている。

（検出部）
装置中空部４内において、エンドカバー１２と中空モーター２との間には、中心軸線１ａの方向に所定の幅の偏平な円形断面の隙間が形成されている。この隙間には、中空モーター２の側に、モーター回路基板１４が中心軸線１ａに直交する状態に配置され、ステーターコア９の円環状端面９ｂに固定されている。モーター回路基板１４におけるエンドカバー１２の側には、ローター８（入力軸）の回転を検出する入力軸センサー部および出力軸６の回転を検出する出力軸センサー部を備えた検出部１５が搭載されている。

本例では、検出部１５における不図示の出力軸センサー部に対して、中心軸線１ａに沿った方向から対峙しているエンドカバー１２の内側端面１２ａに、出力軸センサー部によって回転位置が検出される回転検出板１５ａが取り付けられている。例えば、光学式のロータリーエンコーダーの場合には、回転検出板１５ａは円周方向に一定の間隔で反射帯が形成された円盤であり、出力軸センサー部は反射型のフォトセンサーである。磁気式のセンサー機構を配置することも可能である。

ここで、ステーターコア９の中空部１６（モーター中空部）の中心軸線１ａの方向の一方の端は、モーター回路基板１４によって封鎖され、他方の端は開口端１６ａとなっている。この中空部１６には、モーター回路基板１４および検出部１５から延びる複数本の配線１７が通されて、開口端１６ａから外部に引き出されている。また、この中空部１６は、配線１７が引き出された状態で充填された封止部材１８によって封止されている。

（波動歯車装置）
本例の波動歯車装置３はフラット型波動歯車装置であり、中心軸線１ａの方向に並べて同軸に配置した第１の剛性内歯歯車２１および第２の剛性内歯歯車２２を備えている。これら第１、第２の剛性内歯歯車２１、２２は、主軸受けであるクロスローラー軸受け２３によって相対回転自在の状態で支持されている。クロスローラー軸受け２３の外輪２３ａは第２の剛性内歯歯車２２に固定され、その内輪２３ｂは、第１の剛性内歯歯車２１の外周部分に一体形成されている。これら第１、第２の剛性内歯歯車２１、２２の内側には、円筒状の可撓性外歯歯車２４が配置されている。可撓性外歯歯車２４の内側には波動発生器５が配置されている。

波動発生器５は、磁性体からなる円筒状の剛性プラグ２５と、この剛性プラグ２５の外周面に形成した非円形輪郭の外周面部分２５ａおよび可撓性外歯歯車２４の間に装着されている波動発生器軸受け２６とを備えている。波動発生器軸受け２６はボール軸受けであるが、コロ軸受けを用いて半径方向の寸法を小さくすることも可能である。剛性プラグ２５の内周面に、ローターマグネット１１が固定されており、剛性プラグ２５とローターマグネット１１によってローター８が構成されている。したがって、モーター２によって、波動歯車装置３の波動発生器５が直接、回転駆動される。

ローター８として機能する剛性プラグ２５は、中心軸線１ａの方向において、波動発生器軸受け２６の両側の部位で、第１軸受け２７ａおよび第２軸受け２７ｂによって支持されている。これら第１、第２軸受け２７ａ、２７ｂの取付け部分の構造を以下に説明する。

本例では、第１の剛性内歯歯車２１の出力側（第２の剛性内歯歯車２２とは反対側）の部位に、円筒状の出力軸６が一体形成されている。出力軸６を別部品として製造して、第１の剛性内歯歯車２１に同軸に締結固定してもよい。また、第２の剛性内歯歯車２２における第１の剛性内歯歯車２１とは反対側の部位には、円筒ケース２８（筒状ケース）が一体形成されている。円筒ケース２８を別部品として製造して、第２の剛性内歯歯車２２に同軸に締結固定してもよい。この円筒ケース２８にはモーター２のステーターコア９が同軸に締結固定されている。すなわち、円筒ケース２８の円環状端面に、ステーターコア９のコア端板部９ａの円環状の外周側端部９ｃが同軸に締結固定されている。

第１軸受け２７ａは、出力軸６の内周面と、剛性プラグ２５における出力側の軸端部に同軸に固定した円筒体２９の外周面との間に装着されている。すなわち、剛性プラグ２５における楕円状の外周面部分２５ａの隣には円形の外周面部分２５ｂが形成され、ここに、円筒体２９が同軸に固定されている。この円筒体２９を介して、剛性プラグ２５の一方の軸端部が第１軸受け２７ａによって支持されている。

第２の剛性内歯歯車２２の側の円筒ケース２８の内周面は、剛性プラグ２５における楕円状の外周面部分２５ａの隣の円形の外周面部分２５ｃに対峙している。これらの間に、第２軸受け２７ｂが装着されている。すなわち、剛性プラグ２５の反出力側の軸端部は、第２軸受け２７ｂによって支持されている。

このように、モーター２のローター８として機能する剛性プラグ２５は軸線方向に長い円筒であり、その両側の軸端部が第１、第２軸受け２７ａ、２７ｂによって支持されている。よって、剛性プラグ２５の支持剛性を高めることができる。

ここで、本例では、第１軸受け２７ａの出力側には第１オイルシール３１が配置され、波動歯車装置３の側から中空モーター２の内部に潤滑剤が混入することを防止している。第１オイルシール３１は、円筒体２９の外周面と出力軸６の内周面との間に装着されている。また、第２軸受け２７ｂの反出力側にも、同様に、第２オイルシール３２が配置されている。第２オイルシール３２は、剛性プラグ２５の軸端部の外周面部分と、第２の剛性内歯歯車２２に一体形成した円筒ケース２８の内周面との間に装着されている。

図２において一点鎖線で示すように、回転アクチュエータ１にはブレーキ機構４０を組み付けることも可能である。回転アクチュエータ１において、波動発生器軸受け２６が配置されている部分は、その外周側に、波動歯車装置３の可撓性外歯歯車２４および第１、第２の剛性内歯歯車２１、２２が配置されるので、外径寸法が大きい。この部分に対して反出力側の外周側の部分にはデッドスペースができる。この部分を利用してブレーキ機構４０を配置することで、中心軸線１ａの方向および半径方向の寸法を大きくすることなく、回転アクチュエータ１にブレーキ機構４０を組み付けることができる。

この構成の回転アクチュエータ１では、モーター２の回転が波動歯車装置３によって減速され、減速回転が第１の剛性内歯歯車２１および出力軸６を介して取り出される。出力軸６の回転は検出部１５によって検出される。すなわち、検出部１５は、出力軸６と一体回転するエンドカバー１２に取り付けた回転検出板１５ａの回転位置を検出する。

（回転アクチュエータの変形例）
図３は、上記の回転アクチュエータ１の変形例を示す概略横断面図である。本例の回転アクチュエータ１Ａは、回転アクチュエータ１と基本構成が同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。

回転アクチュエータ１Ａでは、第１、第２オイルシール３１、３２を省略してある点が相違している。回転アクチュエータ１Ａにおける出力側の端はエンドカバー１２で封鎖され、反出力側の端はステーターコア９のコア端板部９ａによって封鎖されている。したがって、第１、第２オイルシール３１、３２を省略しても、潤滑剤が外部に漏れ出ることはない。また、第１、第２オイルシール３１、３２を省略することで、ローター８に作用する摩擦が低減し、無負荷ランニングトルクの低減に役立ち、回転アクチュエータ１Ａの偏平化にも有利である。

ここで、中空モーター２の側に潤滑剤が侵入してもモーター機能には問題がない。本例では、出力側に配置されている検出部１５として、潤滑剤が侵入してもセンシング機能に影響のないものを使用している。よって、検出部１５に潤滑剤が侵入しても問題がない。

（その他の実施の形態）
上記の回転アクチュエータ１、１Ａは、フラット型波動歯車装置３を使用している。フラット型波動歯車装置３の代わりに、シルクハット型波動歯車装置を用いることができる。

この場合には、上記の回転アクチュエータ１、１Ａにおいて、円筒状の可撓性外歯歯車および第２の剛性内歯歯車の代わりに、シルクハット形状をした可撓性外歯歯車を配置する。そして、可撓性外歯歯車の円環状のボスを、主軸受けの外輪２３ａと円筒ケース２８の間に挟み、これら三部材を締結固定すればよい。

モーター２の回転が、可撓性外歯歯車と剛性内歯歯車の間の歯数差に応じて減速され、減速回転が剛性内歯歯車２１および出力軸６を介して取り出される。

Claims

アウターローター型のモーターと、
前記モーターから入力される入力回転を減速して出力する波動歯車装置と、
前記波動歯車装置の波動発生器および出力軸を、それらの中心軸線の方向に、貫通して延びる装置中空部と、
前記出力軸に一体回転するように固定され、前記装置中空部における前記出力軸の端面に開口している出力側開口を封鎖しているエンドカバーと、
前記出力軸の回転を検出する検出部と、
を有しており、
前記モーターは、前記装置中空部における前記波動発生器を貫通して延びる波動発生器側中空部に組み込まれたステーターおよびローターを備え、
前記検出部は、前記装置中空部内における前記エンドカバーと前記モーターの間に配置されている回転アクチュエータ。
前記エンドカバーは、前記検出部によって回転位置が検出される回転検出板を備えている請求項１に記載の回転アクチュエータ。
前記ステーターは、前記中心軸線の方向に貫通して延びるモーター中空部を備えたステーターコアを有し、
前記モーター中空部の一端は、前記装置中空部における前記波動発生器の端面に開口している反出力側開口端から外部に露出しており、
前記検出部の配線は、前記モーター中空部を通して外部に引き出されている請求項１に記載の回転アクチュエータ。
前記モーター中空部は、前記配線と共に、封止部材によって封止されている請求項３に記載の回転アクチュエータ。
前記波動発生器は、磁性体からなる筒状の剛性プラグ、および、前記剛性プラグに形成した非円形外周面に嵌めた波動発生器軸受けを備え、
前記モーターの前記ローターは、前記剛性プラグ、および、当該剛性プラグの内周面に固定したローターマグネットを備え、
前記剛性プラグは、前記波動発生器軸受けを挟み、前記中心軸線の方向の両側の部位において、外周側から第１軸受けおよび第２軸受けによって支持されている請求項１に記載の回転アクチュエータ。
前記波動発生器軸受けに対して、前記中心軸線の方向における前記第１軸受けの側には、前記出力軸が配置され、前記第２軸受けの側には前記ローターにブレーキ力を付与可能なブレーキ機構が配置されている請求項５に記載の回転アクチュエータ。
前記ステーターは、ステーターコアおよびステーターマグネットを備え、
前記ステーターコアはコア円筒部およびコア端板部を備え、
前記コア円筒部は前記装置中空部内に同軸に配置され、前記コア円筒部の一方の端部が前記装置中空部における前記波動発生器の端面に開口している反出力側開口から突出しており、
前記コア端板部は、前記コア円筒部の前記端部から半径方向の外方に広がって、前記反出力側開口を封鎖している請求項１に記載の回転アクチュエータ。
前記波動歯車装置は、前記中心軸線の方向に並べて同軸に配置した第１の剛性内歯歯車および第２の剛性内歯歯車、前記第１、第２の剛性内歯歯車を相対回転自在の状態で支持している主軸受け、および、前記第１、第２の剛性内歯歯車の内側に配置された円筒状の可撓性外歯歯車を備え、
前記波動発生器は、磁性材からなる剛性プラグ、および、この剛性プラグに形成した非円形輪郭の外周面部分と前記可撓性外歯歯車の間に装着されている波動発生器軸受けを備え、
前記第１の剛性内歯歯車における前記第２の剛性内歯歯車とは反対側の部位には、前記出力軸が一体形成あるいは固定されており、
前記第２の剛性内歯歯車における前記第１の剛性内歯歯車とは反対側の部位には、筒状ケースが一体形成あるいは固定されており、
前記波動発生器軸受けを挟み、前記中心軸線の方向の一方の側に位置する前記出力軸の内周面に取り付けた第１軸受け、および、前記中心軸線の方向の他方側に位置する前記筒状ケースの内周面に取り付けた第２軸受けによって、前記剛性プラグが回転自在の状態で支持されており、
前記波動発生器側中空部は、前記剛性プラグを前記中心軸線の方向に貫通して延びており、
前記モーターのステーターは、前記波動発生器側中空部内に同軸に配置したステーターコア、および、前記ステーターコアの外周面に配置したステーターコイルを備え、
前記モーターのローターは、前記剛性プラグ、および、前記剛性プラグの内周面に固定したローターマグネットを備え、
前記ステーターコアはコア円筒部およびコア端板部を備え、
前記コア円筒部は前記装置中空部内に同軸に配置され、前記コア円筒部の一方の端部が前記装置中空部における前記波動発生器の端面に開口している反出力側開口から突出しており、
前記コア端板部は、前記コア円筒部の前記端部から半径方向の外方に広がって、前記反出力側開口を封鎖しており、
前記コア端板部の外周端部は前記筒状ケースに固定されている請求項１に記載の回転アクチュエータ。
前記エンドカバーは、前記検出部によって回転位置が検出される回転検出板を備えている請求項８に記載の回転アクチュエータ。
前記検出部の配線は、前記ステーターコアの前記コア円筒部内を通して外部に引き出されている請求項８に記載の回転アクチュエータ。
前記コア円筒部の内部、前記配線と共に、封止部材によって封止されている請求項１０に記載の回転アクチュエータ。
前記ステーターコアの前記コア端板部と前記第２の剛性内歯歯車の間には、前記ローターにブレーキ力を付与可能なブレーキ機構が配置されている請求項８に記載の回転アクチュエータ。