JP6479166B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、シャフトに接合部材が接合されたアクチュエータに関するものである。

回転出力タイプのアクチュエータは、シャフトの出力トルクを、当該シャフトに接合されたレバーなどで直線推力に変換した後、各種機器を作動させる（例えば、特許文献１参照）。従来は、出力トルクに耐える十分な接合力を確保するために、シャフトとレバーを溶接により接合していた。一方、出力トルクが小さいアクチュエータの場合、溶接ではなくかしめにより接合することも可能であった。

特開２００３−２８９６４８号公報

しかしながら、シャフトとレバーを溶接により接合する場合、溶接不具合の少ない材料を選定する必要がある。また、設備が大掛かりでインライン化するには費用とスペースの確保が課題となるため、シャフトとレバーの溶接のみを別工程でバッチ処理するのが一般的である。別工程で溶接する場合、レバーの角度を予め決定して溶接する必要があり、部品の汎用性がなく生産性が低い。
また、アクチュエータを組み立てた後にレバーを溶接する場合は、溶接時の熱がベアリングなどのアクチュエータ内部部品を損傷させるため、耐熱性が高いグレードの内部部品を選定する必要があり、部品コストが上昇してしまう。高いグレードの内部部品がない場合には、溶接部から十分な距離を空けて内部部品を設置する必要があり、設計自由度が低くなってしまう。

一方、シャフトとレバーをかしめにより接合する場合、シャフトからレバーへトルクを十分に伝達するためには、かしめと併用してキー溝加工が必要になる。この場合は、シャフトとレバーにキー溝を形成し、キー溝同士を合わせてシャフトとレバーを組み付けキー溝にキーを圧入し、シャフトをかしめることになる。かしめによる接合も、かしめとキー溝を併用した接合も、レバー角の角度を予め決定しておく必要があるため、レバー角度の設計自由度がなくなり、生産性も低下する。

このように、シャフトとレバーを溶接により接合する場合、大きな設備が必要となり、製品組立をインライン化できないという課題があった。また、材料選定の自由度が低いという課題があった。別工程で溶接する場合には生産性が低いという課題があった。さらに、耐熱性が高い部品を使用する場合にはコストが上昇し、熱の影響が及ばないようレイアウトを工夫する場合には設計自由度が低下するという課題もあった。
かしめとキー溝により接合する場合も、生産性の低下および設計自由度の低下が問題となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、製品組立のインライン化が可能な接合構造を提供することを目的とする。また、材料選定の自由度の向上、生産性の向上、コスト低減および設計自由度の向上を図ることを目的とする。

この発明に係る、回転するシャフトの先端部に接合され、当該シャフトと一体に動く接合部材を備えるアクチュエータは、シャフトの外周面または接合部材の穴の内周面のいずれか一方に形成された凹凸部と、シャフトの外周面または接合部材の穴の内周面のいずれかもう一方が、シャフトを接合部材の穴に圧入したときに凹凸部の形状に合わせて変形した塑性変形部とを備えるものである。

この発明によれば、シャフトと接合部材を圧入時の塑性変形によって接合するようにしたので、製品組立のインライン化が可能になる。また、従来の接合方法である溶接のように、炭素量などの制約が無く、材料選定の自由度が向上する。また、シャフトと接合部材の角度を予め決定しておく必要がなく、生産性が向上する。さらに、溶接のような熱による弊害も無いため、アクチュエータの内部部品に耐熱性が低い安価な材料を使用することが可能となる上、レイアウトなどの設計自由度も向上する。

この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成例を示す断面図である。 実施の形態１に係るアクチュエータにおけるシャフトとレバーの接合構造を示す図である。 実施の形態１に係るアクチュエータのシャフトの構成例を示す図である。 実施の形態１に係るアクチュエータのレバーの構成例を示す図である。 実施の形態１に係るアクチュエータにおけるシャフトとレバーの接合方法を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係るアクチュエータにおけるシャフトの構成例を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１の構成例を示す断面図である。このアクチュエータ１は、駆動源である電制モータ２の回転出力を、ギア減速機構３を介してシャフト４に伝達して取り出す構成である。

電制モータ２は、コネクタ２１と、固定子２２と、コイル２３と、マグネット２４と、回転子２５と、ベアリング２６，２７とを備えている。ハウジングに形成されたコネクタ２１に電圧が印加されることで、固定子２２に巻回されたコイル２３に電流が流れ、複数の極に分極された固定子２２がＮ極とＳ極に磁化する。固定子２２のＮ極とＳ極が、マグネット２４に着磁されたＮ極とＳ極と反発および吸引しあうことにより、当該マグネット２４を有する回転子２５が回転する。この回転子２５は、上下２箇所を、２つのベアリング２６，２７により回転自在に保持されている。

ギア減速機構３は、ピニオンギア３１と、平ギア３２，３３と、ベアリング３４，３５，３６，３７とを備えている。回転子２５の先端部に形成されたピニオンギア３１と平ギア３２が噛み合い、この平ギア３２とシャフト４に締結された平ギア３３とが噛み合っている。平ギア３２は、上下２箇所を、２つのベアリング３４，３５により回転自在に保持されている。平ギア３３も同様に、上下２箇所を、２つのベアリング３６，３７により回転自在に保持されている。ピニオンギア３１と２つの平ギア３２，３３を介してシャフト４へ伝達する間に、回転子２５の回転速度は減速され、トルクは増幅される。一例として、ギア減速機構３で増幅された出力トルクは２０Ｎｍにもなる。

なお、電制モータ２とギア減速機構３は、図１の構成に限定されるものではなく、シャフト４を回転させるものであればよい。また、ギア減速機構３を用いず、電制モータ２により直接シャフト４を回転させる構成でもよい。

図２は、実施の形態１に係るアクチュエータ１におけるシャフト４とレバー５の接合構造を示す図であり、図２（ａ）はシャフト４とレバー５の側面図、図２（ｂ）はレバー５とロッド６の平面図である。接合部材であるレバー５は、シャフト４の先端部に接合され、シャフト４と一体に動く。このレバー５にはロッド６が屈曲自在に連結され、レバー５とロッド６とでクランク機構をなす。クランク機構は、シャフト４の出力トルクＡを直線推力Ｂに変換し、ロッド６に連結される各種機器（不図示）を作動させる。ロッド６に連結される各種機器としては、例えば、自動車用内燃機関の可変容量ターボチャージャの可動翼または排気ガス再循環バルブなどがある。

シャフト４とレバー５の接合は、シャフト４の出力トルクに耐える十分な接合力が必要なため、溶接による接合が一般的であった。しかし、先立って説明したように、シャフト４とレバー５を溶接により接合する場合、設備が大掛かりでインライン化が困難である。また、炭素量の制約など、材料選定の自由度が低い。また、シャフト４とレバー５の溶接を別工程で行う場合、レバー５の角度を予め決定して溶接する必要があり、レバー５の汎用性がなく、アクチュエータ１の生産性が低い。また、アクチュエータ１を組み立てた後にレバー５を溶接する場合は、溶接時の熱が溶接部に近接配置されたベアリング３７などの内部部品を損傷させるため、耐熱性が高い高価な内部部品を選定したり、熱の影響が及ばないようレイアウトを工夫したりする必要がある。かしめとキー溝により接合する場合も、生産性の低下および設計自由度の低下が問題となる。

そこで、本発明では、金属材料の塑性変形を利用した接合により、シャフト４とレバー５を接合し、シャフト４の出力トルクに耐える十分な接合力を得る。
図３（ａ）はシャフト４の側面図、図３（ｂ）はシャフト４の平面図である。図示するように、シャフト４の先端の外周面には、凹凸部としてスプライン４１が形成されている。スプライン４１の形状は、角形スプライン、インボリュートスプラインまたはセレーションなど自由である。

図４（ａ）はレバー５の断面図、図４（ｂ）はレバー５の平面図である。レバー５には、シャフト４のスプライン４１を圧入するための接合穴５１が形成されている。この接合穴５１の内周面にはスプラインは形成されていない。なお、後述する圧入時に、スプライン４１の山と谷の形状が偏りなく接合穴５１の内周面に転写されるように、接合穴５１の直径Ｄとスプライン４１のピッチ円直径Ｄとを同等にすることが望ましい。山と谷の形状が偏りなく転写されることにより接合力が向上する。

図５は、シャフト４とレバー５の接合方法を説明する図である。
図５（ａ）に示すように、シャフト４のスプライン４１がレバー５の接合穴５１に圧入される。圧入時、スプライン４１が接合穴５１の内周面に押し付けられて当該内周面を塑性変形させ、スプライン４１に対応した形状の塑性変形部５２が転写される。スプライン４１が塑性変形部５２に押し付けられた状態で嵌り合うことにより、シャフト４とレバー５が接合される。金属材料の塑性変形を利用して接合することにより、かしめのようながたつきがなく、外力に対する耐振性が向上する。
なお、シャフト４のスプライン４１をレバー５の接合穴５１に転写させるためには、スプライン４１とレバー５の材料硬度差が必要である。スプライン４１を形成するシャフト４には、レバー５に比べて高硬度な材料を用いるため、強度の高いシャフト４を構成することができる。一方、レバー５は低硬度な材料であり、安価な材料を選択することができる。

シャフト４とレバー５の接合力をより高め、かつ、レバー５の軸方向の抜けを防止するために、抜け止め部４２を形成してもよい。図５（ｂ）に示すように、シャフト４のスプライン４１がレバー５の接合穴５１に圧入された後、接合穴５１から突き出たシャフト４の先端部がハイスピンかしめにより潰され、抜け止め部４２が形成される。
なお、シャフト４とレバー５に、線膨張係数の近い材料を選択することにより、温度変化による圧入箇所の緩み、および抜け止め部４２の緩みを抑制することができる。例えば、シャフト４に高硬度な鉄系の材料を選択し、レバー５に低硬度な鉄系の材料を選択することにより、線膨張係数を同等にでき、かつ安価な材料を選択可能である。

以上より、実施の形態１によれば、アクチュエータ１のシャフト４とレバー５の接合構造として、シャフト４の外周部に形成されたスプライン４１と、レバー５の接合穴５１の内周面が、シャフト４をレバー５の接合穴５１に圧入したときにスプライン４１の形状に合わせて変形した塑性変形部５２とを備える構成にしたので、圧入により接合することで大きな設備を必要とせず、製品組立のインライン化が可能になる。
また、従来の接合方法である溶接のように、炭素量などの制約が無く、材料選定の自由度が向上する。また、溶接の場合、強度を高めるためにシャフト４に高価な材料を用いると、レバー５にも同じ材料を用いる必要があり、部品コストが上昇してしまう。一方、塑性変形の場合、レバー５に低硬度で安価な材料を用いることができる。
また、シャフト４とレバー５の角度を予め決定しておく必要がないため、部品の汎用性が向上し、製品の生産性が向上する。
さらに、溶接のような熱による弊害も無いため、アクチュエータ１の内部部品に耐熱性が低い安価な材料を使用することが可能となる上、レイアウトなどの設計自由度も向上する。

また、実施の形態１によれば、アクチュエータ１のシャフト４とレバー５の接合構造として、シャフト４のレバー５から突き出た先端部に、ハイスピンかしめにより形成された抜け止め部４２を備える構成にしたので、接合力の向上および抜け止めの防止が可能である。また、ハイスピンかしめにより接合することで、大きな設備を必要とせず、製品組立のインライン化が可能になる。

なお、上記説明では、シャフト４の外周面にスプライン４１を形成したが、反対に、レバー５の接合穴５１の内周面にスプライン４１を形成し、圧入時に接合穴５１のスプライン４１の形状をシャフト４の外周面に転写する構成にしてもよい。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係るアクチュエータ１におけるシャフト４の構成例を示す図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は平面図である。シャフト４を除くアクチュエータ１の構成は、上記実施の形態１の図１〜図５に示した構成と同じであるため、以下では図１〜図５を援用する。

実施の形態２では、シャフト４の先端の外周面に、スプライン４１の代わりに多角形４３を形成する。この多角形４３の外側に凸になった部分を、レバー５の接合穴５１の内周面に転写して塑性変形部５２を形成し、接合力を得る。さらに、シャフト４の先端部をハイスピンかしめして抜け止め部４２を形成してもよい。

例えば、シャフト４がスプライン４１を形成できない形状である場合に、多角形４３とすることで、安価にシャフト４を形成することができ、かつ上記実施の形態１の接合構造と同等の効果が期待できる。
また、この多角形４３の形成を、シャフト４の加工と同時に行うことができるので、生産性がさらに向上する。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るアクチュエータは、金属材料の塑性変形を利用してシャフトとレバーを接合するようにしたので、車両に搭載された各種機器を作動させるアクチュエータなどに用いるのに適している。

１ アクチュエータ、２ 電制モータ、３ ギア減速機構、４ シャフト、５ レバー（接合部材）、６ ロッド、２１ コネクタ、２２ 固定子、２３ コイル、２４ マグネット、２５ 回転子、２６，２７ ベアリング、３１ ピニオンギア、３２，３３ 平ギア、３４〜３７ ベアリング、４１ スプライン（凹凸部）、４２ 抜け止め部、４３ 多角形（凹凸部）、５１ 接合穴、５２ 塑性変形部。

Claims (3)

1. 回転するシャフトの先端部に接合され、当該シャフトと一体に動く接合部材を備えるアクチュエータにおいて、
   前記シャフトの外周面、または前記接合部材の穴の内周面のいずれか一方に形成された凹凸部と、
   前記シャフトの外周面または前記接合部材の穴の内周面のいずれかもう一方が、前記シャフトを前記接合部材の穴に圧入したときに前記凹凸部の形状に合わせて変形した塑性変形部とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記接合部材の穴から突き出た前記シャフトの先端部に、ハイスピンかしめにより形成された抜け止め部を備えることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記凹凸部は、スプラインまたは多角形であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。

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