JP6398440B2 - 回転式アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、回転式アクチュエータに関する。

従来、例えばシフトバイワイヤシステムの駆動部などに用いられる回転式アクチュエータが公知である。特許文献１に開示された回転式アクチュエータは、モータと、モータの回転を減速して出力する減速機と、モータおよび減速機を収容しているハウジングとを備えている。

特開２０１２−２１９８７１号公報

ところで、回転式アクチュエータの温度が上昇すると、モータのコイル抵抗が増加してコイルの通電時の電流が小さくなり、ステータおよびロータが形成する磁気回路の磁束密度が小さくなる結果、回転式アクチュエータの出力トルクは低下する。そのため、想定される使用温度範囲のうち最も高温であるときに要求出力トルクを発生可能なようにモータは設計される。

これによると、比較的に低温であるとき、回転式アクチュエータの出力トルクは必要以上に上昇することになる。そのため、回転式アクチュエータおよび回転出力先の部品は、低温時の高トルクに耐えうる強度をもつように設計する必要がある。したがって、回転式アクチュエータのさらなる小型化が困難であった。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化を図ることができる回転式アクチュエータを提供することである。

本発明では、モータはインナーロータ型である。モータのステータは、環状のヨークと、ヨークから径方向内側に突き出している複数のティースと、ティースに巻回されている複数のコイルとを有している。ティースの数をｐとし、ティースの基端が中央に位置するｐ個の辺からなる仮想的な正多角形を仮想多角形とすると、ヨークは、周方向で隣接する２つのティース間で仮想多角形の角よりも径方向外側に凹む凹部を有している。ヨークのうち凹部に対応する箇所を凹部箇所とすると、凹部箇所は磁気回路を構成している。凹部箇所の最小の径方向幅は、ティースの周方向幅の半分よりも小さい。

このように構成することで、凹部に対応する箇所でステータの磁路断面積が小さくなり、低温時に上記凹部に対応する箇所で磁束密度を飽和させることができる。そのため、本発明によれば、凹部を有していない場合と比べて、高温時の出力トルクはそのままに、低温時の出力トルクの上昇を抑えることができる。したがって、想定される使用温度範囲の全域における最大出力トルクが低減することになり、回転式アクチュエータの例えば減速機などの必要強度が低下するので、回転式アクチュエータの小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態による回転式アクチュエータの断面図である。 図１のモータおよび金属プレートのＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２のＩＩＩ部分の拡大図である。 図２においてコイル通電時の磁気回路を概念的に示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。
＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による回転式アクチュエータを図１に示す。回転式アクチュエータ１０は、例えば車両のシフトバイワイヤシステムの駆動部として用いられる。

［全体構成］
先ず、回転式アクチュエータ１０の全体構成について図１、図２を参照して説明する。
回転式アクチュエータ１０は、ハウジング２０と、モータ３０と、減速機５０とを備えている。

ハウジング２０は、カップ状のフロントハウジング２１およびリヤハウジング２２から構成されている。フロントハウジング２１およびリヤハウジング２２は、互いに開口部同士が組み合わされてボルト２３により締結されている。リヤハウジング２２には、筒部２４および底部２５を有するカップ状の金属プレート２６が埋め込まれている。

モータ３０は、スイッチトリラクタンスモータであり、ロータ３１およびステータ４１を備えている。
ロータ３１は、軸受３２、３３により回転可能に支持されているモータ軸３４と、モータ軸３４に嵌合して固定されているロータコア３５とを有している。ロータコア３５は、複数の金属板が軸方向へ積層されることによって作られており、筒状の嵌合部３６と、嵌合部３６から放射状に突き出している複数の突極３７とを有している。突極３７は、周方向で等間隔に例えば８個設けられている。以降、各突極３７を区別する場合、所定位置のものから反時計まわりに順番に「突極３７Ａ」〜「突極３７Ｈ」と記載する。
なお、図２は、ロータコア３５を構成する２つの金属板の境界の断面図である。

ステータ４１は、ロータ３１に対して外側に設けられているステータコア４２と、ステータコア４２に設けられている複数のコイル４３とを有している。ステータコア４２は、複数の金属板が軸方向へ積層されることによって作られており、金属プレート２６の筒部２４の内側に圧入されている環状のヨーク４４と、ヨーク４４から径方向内側に突き出している複数のティース４５とを有している。ティース４５は、周方向で等間隔に例えば１２個設けられている。以降、各ティース４５を区別する場合、所定位置のものから反時計まわりに順番に「ティース４５Ａ」〜「ティース４５Ｌ」と記載する。コイル４３は、ティース４５Ａ、４５Ｄ、４５Ｇ、４５Ｊに巻回されているＵ相コイル４３Ａ、４３Ｄ、４３Ｇ、４３Ｊと、ティース４５Ｂ、４５Ｅ、４５Ｈ、４５Ｋに巻回されているＶ相コイル４３Ｂ、４３Ｅ、４３Ｈ、４３Ｋと、ティース４５Ｃ、４５Ｆ、４５Ｉ、４５Ｌに巻回されているＵ相コイル４３Ｃ、４３Ｆ、４３Ｉ、４３Ｌとを含む。
なお、図２は、ステータコア４２を構成する２つの金属板の境界の断面図である。

減速機５０は、遊星歯車装置の一種であり、偏心軸５１、リングギヤ５２、プラネタリギヤ５３、および出力部材５６を備えている。
偏心軸５１は、回転軸心ＡＸ１に対して偏心する偏心軸心ＡＸ２を有し、モータ軸３４と一体に形成されている。
リングギヤ５２は、モータ軸３４と同軸上に設けられ、ハウジング２０に固定されている。

プラネタリギヤ５３は、偏心軸５１と同軸上に設けられ、リングギヤ５２に噛み合っており、軸受５４を介して偏心軸５１により遊星運動可能に支持されている。遊星運動とは、偏心軸心ＡＸ２まわりに自転しつつ回転軸心ＡＸ１まわりに公転する運動のことである。遊星運動時のプラネタリギヤ５３の自転速度は、モータ軸３４の回転速度に対して変速させられる。また、プラネタリギヤ５３は、軸方向へ突き出す回転伝達用の突起５５を有している。

出力部材５６は、モータ軸３４と同軸上に設けられ、軸受５７を介してハウジング２０により回転可能に支持されており、突起５５に遊嵌された通孔５８を有している。出力部材５６には、突起５５および通孔５８を介してプラネタリギヤ５３の自転が伝達される。出力部材５６は、例えばシフトバイワイヤシステムの図示しないコントロールロッドに接続される。

以上のように構成された回転式アクチュエータ１０では、コイル４３が各相ごとに順番に通電されると回転磁界が発生し、この回転磁界により生じる磁気的吸引力または反発力を受けてロータ３１が回転する。ロータ３１と共に偏心軸５１が回転軸心ＡＸ１まわりに回転するとプラネタリギヤ５３が遊星運動し、ロータ３１の回転に対して減速させられたプラネタリギヤ５３の自転が出力部材５６から外部に出力される。

［特徴構成］
次に、回転式アクチュエータ１０の特徴構成について図２〜図４を参照して説明する。
図２、図３に示すように、ティース４５の数をｐとし、ティース４５の基端６１が中央に位置するｐ個の辺からなる仮想的な正多角形を仮想多角形６３とすると、ヨーク４４は、周方向で隣接する２つのティース４５間で仮想多角形６３の角６４よりも径方向外側に凹む凹部６５を有している。凹部６５の内壁面は曲面である。本実施形態では、図３に示すように、ヨーク４４のうち凹部６５に対応する箇所６６の最小の径方向幅Ｗ１は、ティース４５の周方向幅Ｗ２の半分よりも小さく設定されている。以下、ヨーク４４のうち凹部６５に対応する箇所６６を「凹部箇所６６」と記載する。

図４に示すように、Ｕ相コイル４３が通電されると、以下（１）〜（４）に示す４つの磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ４が形成される。
（１）ティース４５Ａ、突極３７Ａ、嵌合部３６、突極３７Ｃ、ティース４５Ｄ、およびヨーク４４によって形成される第１の磁気回路ＭＣ１。
（２）ティース４５Ａ、突極３７Ａ、嵌合部３６、突極３７Ｇ、ティース４５Ｊ、およびヨーク４４によって形成される第２の磁気回路ＭＣ２。
（３）ティース４５Ｇ、突極３７Ｅ、嵌合部３６、突極３７Ｃ、ティース４５Ｄ、およびヨーク４４によって形成される第３の磁気回路ＭＣ３。
（４）ティース４５Ｇ、突極３７Ｅ、嵌合部３６、突極３７Ｇ、ティース４５Ｊ、およびヨーク４４によって形成される第４の磁気回路ＭＣ４。

凹部箇所６６は、磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ４の少なくとも一箇所に設けられている。そして、磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ４の断面積（磁路断面積）は、凹部箇所６６で最も小さくなっている。凹部箇所６６の径方向幅Ｗ１は、回転式アクチュエータ１０の想定される使用温度範囲のうち比較的低温である所定の低温範囲において凹部箇所６６で磁束密度が飽和するように、実験的または理論的に予め求められる。これらのことは、図示しないがＶ相コイル４３の通電時およびＷ相コイル４３の通電時も同様である。

図２、図３に示すように、金属プレート２６の筒部２４は、周方向において凹部６５と重なる位置で径方向外側に凹む複数の溝６７を有している。つまり、金属プレート２６の筒部２４の内壁は、周方向で等間隔に設けられた複数の溝６７と、各溝６７間に位置しヨーク４４が圧入されている複数の圧入面６８とを有している。溝６７の周方向幅Ｗ３は凹部６５の周方向幅Ｗ４以上である。本実施形態では、周方向幅Ｗ３は周方向幅Ｗ４と同じ値に設定されている。

［効果］
以上説明したように、本実施形態では、ティース４５の数をｐとし、ティース４５の基端６１が中央に位置するｐ個の辺からなる仮想的な正多角形を仮想多角形６３とすると、ヨーク４４は、周方向で隣接する２つのティース４５間で仮想多角形６３の角６４よりも径方向外側に凹む凹部６５を有している。

このように構成することで、凹部箇所６６でステータ４１の磁路断面積が小さくなり、低温時に凹部箇所６６で磁束密度を飽和させることができる。そのため、本実施形態によれば、凹部６５を有していない場合と比べて、高温時の出力トルクはそのままに、低温時の出力トルクの上昇を抑えることができる。したがって、想定される使用温度範囲の全域における最大出力トルクが低減することとなり、回転式アクチュエータ１０の例えば減速機５０などの必要強度が低下するので、回転式アクチュエータ１０の小型化を図ることができる。
また、凹部６５によりヨーク４４を軽量化することができる。

また、本実施形態では、ヨーク４４の凹部箇所６６の最小の径方向幅Ｗ１は、ティース４５の周方向幅Ｗ２の半分よりも小さい。
このように構成することで、コイル４３の通電時に形成される磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ４の断面積（磁路断面積）を凹部箇所６６で最も小さくすることができる。

また、本実施形態では、凹部６５の内壁面は曲面である。
このように構成することで、ヨーク４４を金属プレート２６に圧入するときの凹部への応力集中を抑制することができる。

ここで、凹部６５を設けることによってヨーク４４の剛性が低下し、金属プレート２６への圧入時にヨーク４４が変形することが懸念される。
これに対して、本実施形態では、金属プレート２６は、周方向において凹部６５と重なる位置で径方向外側に凹む溝６７を有している。

このように構成することで、ヨーク４４を金属プレート２６に圧入するときの圧入荷重が下がる。また、金属プレート２６の圧入範囲を限定することにより、金属プレート２６の寸法精度が向上し、圧入代レンジを小さくすることができる。したがって、ヨーク４４の変形を抑制することができる。
また、仮にヨーク４４の圧入によって凹部箇所６６が径方向外側に変形しても、凹部箇所６６と金属プレート２６との接触を防止することができ、凹部箇所６６から金属プレート２６への磁束漏れを回避可能である。

また、本実施形態では、溝６７の周方向幅Ｗ３は凹部６５の周方向幅Ｗ４以上である。
このように構成することで、仮にヨーク４４が変形しても、ヨーク４４の凹部箇所６６と金属プレート２６との接触を確実に防止することができる。

＜他の実施形態＞
本発明の他の実施形態では、凹部箇所の最小の径方向幅は、ティースの周方向幅の半分以上であってもよい。要するに、ヨークの凹部は、周方向で隣接する２つのティース間で仮想多角形の角よりも径方向外側に凹んでいればよい。
本発明の他の実施形態では、金属プレートは溝を有していなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、金属プレートの溝の周方向幅は、ヨークの凹部の周方向幅より小さくてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータは、スイッチトリラクタンスモータに限らず、他の種類のシンクロナスモータであってもよいし、例えばインダクションモータなどの他の形式のモータであってもよい。

本発明の他の実施形態では、減速機は、他の種類の遊星歯車装置であってもよいし、例えば平歯車減速機などの他の形式の減速機であってもよい。
本発明の他の実施形態では、回転式アクチュエータは、車両のシフトバイワイヤシステム以外の装置に用いられてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・回転式アクチュエータ
２０・・・ハウジング
３０・・・モータ
４１・・・ステータ
４３・・・コイル
４４・・・ヨーク
４５・・・ティース
５０・・・減速機
６１・・・基端
６３・・・仮想多角形
６４・・・角
６５・・・凹部

Claims (4)

1. モータ（３０）と、前記モータの回転を減速して出力する減速機（５０）と、前記モータおよび前記減速機を収容しているハウジング（２０）と、を備える回転式アクチュエータ（１０）であって、
   前記モータはインナーロータ型であり、
   前記モータのステータ（４１）は、環状のヨーク（４４）と、前記ヨークから径方向内側に突き出している複数のティース（４５）と、前記ティースに巻回されている複数のコイル（４３）と、を有し、
   前記ティースの数をｐとし、前記ティースの基端（６１）が中央に位置するｐ個の辺からなる仮想的な正多角形を仮想多角形（６３）とすると、前記ヨークは、周方向で隣接する２つの前記ティース間で前記仮想多角形の角（６４）よりも径方向外側に凹む凹部（６５）を有し、
   前記ヨークのうち前記凹部に対応する箇所（６６）を凹部箇所とすると、前記凹部箇所は磁気回路を構成し、
   前記凹部箇所の最小の径方向幅（Ｗ１）は、前記ティースの周方向幅（Ｗ２）の半分よりも小さいことを特徴とする回転式アクチュエータ。
2. 前記凹部の内壁面は曲面であることを特徴とする請求項１に記載の回転式アクチュエータ。
3. 前記ハウジングは、筒状であって内側に前記ステータが圧入されている金属プレート（２６）を有し、
   前記金属プレートは、周方向において前記凹部と重なる位置で径方向外側に凹む溝（６７）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の回転式アクチュエータ。
4. 前記溝の周方向幅（Ｗ３）は前記凹部の周方向幅（Ｗ４）以上であることを特徴とする請求項３に記載の回転式アクチュエータ。

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