JP6923339B2

JP6923339B2 - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP6923339B2
Application number: JP2017071462A
Authority: JP
Inventors: 直嗣北山; 卓志松任
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: WO2018181067A8; JP2018174656A; WO2018181067A1

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

回転操作軸を回転操作する駆動装置として、モータを備える電動アクチュエータが用いられている。

この種の電動アクチュエータとして、例えば、特許文献１（特開２０１３−７２７７３号公報）には、減速機を備える回転式アクチュエータが記載されている。

特開２０１３−７２７７３号公報

上記特許文献１に記載の回転式アクチュエータでは、減速機が、ロータやステータ等で構成されるモータ部に対して軸方向に隣り合うように配置されている。このため、減速機を含めた電動アクチュエータ全体の軸方向寸法が大きくなるといった課題がある。

そこで、本発明は、軸方向の寸法を小さくして小型化を図れる電動アクチュエータを提供することを目的とする。

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、モータ部と、モータ部の回転を減速して伝達する減速機とを備え、モータ部の回転軸と減速機の出力回転体とが同軸上に配置された電動アクチュエータであって、減速機は、モータ部と一体的に回転する入力回転体と、入力回転体の外周に配置された軌道リングと、入力回転体と軌道リングとの間に回転可能に配置された複数の遊星回転体と、遊星回転体を保持する出力回転体とを有し、減速機の軌道リング、複数の遊星回転体のそれぞれ全体と、減速機の入力回転体の全体または一部と、出力回転体の一部を、モータ部の内周に配置したことを特徴とする。

このように、本発明に係る電動アクチュエータにおいては、減速機の軌道リング、複数の遊星回転体のそれぞれ全体と、減速機の入力回転体の全体または一部と、出力回転体の一部とが、モータ部の内周に配置されていることで、モータ部の軸方向外側において減速機の配置スペースをあまり確保しなくてもよくなる。これにより、減速機を含めた電動アクチュエータ全体の軸方向寸法を小さくすることができる。

また、減速機の入力回転体を減速機の出力回転体内に挿入し、出力回転体を入力回転体の外周面によって回転可能に支持することで、出力回転体を支持する軸受等の部材を別途設けなくてもよいので、より一層の小型化を図れる。

さらに、減速機の出力回転体内に挿入された入力回転体の外周面に、出力回転体に対して非接触となる凹部を形成してもよい。これにより、入力回転体と出力回転体との接触面積が少なくなるので、摩擦抵抗が低減し、入力回転体と出力回転体との相対的回転がより円滑に行えるようになる。

また、モータ部の回転角度を検出する回転角度検出装置として、モータ部の回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された磁石と、磁石の磁束を検出して正弦波の出力信号と余弦波の出力信号が得られるように配置された磁気センサとを有するものを用いてもよい。この場合、磁石を、減速機の入力回転体の内周に配置することで、磁石の配置スペースを入力回転体の軸方向外側に確保しなくてもよいので、軸方向の小型化を図れるようになる。

また、減速機の出力回転体の一部を減速機の入力回転体の内周に配置し、この入力回転体の内周に配置された出力回転体の部分に磁石を設けてもよい。この場合、出力回転体の回転角度を直接検出することができるようになるので、出力回転体の回転方向の位置決め精度を向上させることができる。また、この場合も、磁石が入力回転体の内周に配置されるため、軸方向の小型化を図れる。

本発明によれば、電動アクチュエータの軸方向寸法を小さくして小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電動アクチュエータをバタフライバルブの回転操作軸に連結した状態を示す簡略図である。本実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。図２のＺ−Ｚ線矢視断面図である。磁気センサが出力する正弦波の出力信号および余弦波の出力信号の波形図である。正弦波の出力信号および余弦波の出力信号から算出される逆正接の波形図である。インナヨークと太陽ギヤとを固定する前の状態を示す図である。インナヨークと太陽ギヤとを固定した状態を示す図である。本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明に係る電動アクチュエータの実施の一形態として、バタフライバルブ用のアクチュエータに適用した場合を例に説明する。

図１は、本実施形態に係る電動アクチュエータをバタフライバルブの回転操作軸に連結した状態を示す簡略図である。
図１に示すように、バタフライバルブ１は、回転操作対象物としての円盤状の弁体２と、弁体２の直径部分に設けられた回転操作軸３とで構成されている。回転操作軸３は、流体通路４が形成されたハウジング５に回転可能に取り付けられ、弁体２は流体通路４内に配置されている。また、回転操作軸３の一端部は電動アクチュエータ６に連結されており、電動アクチュエータ６によって回転操作軸３が回転操作されることで、弁体２が回転し、流体通路４の開口面積が調整される。

図２は、本実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ６は、上記回転操作軸３を回転駆動させる駆動源としてのモータ部７と、モータ部７の回転を減速して回転操作軸３に伝達する減速機８とを主要な構成要素とする。

モータ部７は、ケーシング９に固定されたステータ１０と、ステータ１０の半径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ１１と、ロータ１１の内周面に固定されモータ部７の回転軸として機能する有底筒状のインナヨーク２６とを備える電動モータで構成される。このインナヨーク２６のロータ１１が固定された部分の軸方向両側における外周面には、それぞれ軸受１３，１４が固定されており、これらの軸受１３，１４によってインナヨーク２６がケーシング９に対して回転可能に支持されている。なお、軸受１３，１４については、玉軸受、すべり軸受のどちらの軸受でも適用できるが、好ましくはすべり軸受を適用するほうがよい。

ケーシング９は、組み立ての都合上、軸方向の一箇所もしくは複数箇所で分割される。本実施形態では、ケーシング９を、図２における左側の第１ケーシング９４と右側の第２ケーシング９５とに二分割している。第１ケーシング９４および第２ケーシング９５は、ボルト等の締結手段を用いて一体化される。インナヨーク２６を支持する軸受１３，１４のうち、軸方向一方側の軸受１３は第２ケーシング９５の内周面に固定され、軸方向他方側の軸受１４は第１ケーシング９４の内周面に固定されている。

続いて、図２、および図２のＺ−Ｚ線矢視断面図である図３に基づき、減速機８の構成について説明する。
減速機８は、入力回転体としての太陽ギヤ４０と、太陽ギヤ４０の外周に配置された軌道リングとしてのリングギヤ４１と、太陽ギヤ４０とリングギヤ４１との間に回転可能に配置された遊星回転体しての複数の遊星ギヤ４２と、各遊星ギヤ４２を保持する出力回転体としてのキャリア４３とを有する、遊星ギヤ減速機である。

太陽ギヤ４０は、インナヨーク２６に対して同軸上に固定され、インナヨーク２６と一体的に回転する。各遊星ギヤ４２は、太陽ギヤ４０とリングギヤ４１との間に配置され、これらと噛み合うように組み付けられている。また、各遊星ギヤ４２は、ピン４４を介してキャリア４３に対して回転可能に取り付けられている。キャリア４３は、半径方向に延び、ピン４４を介して遊星ギヤ４２が取り付けられた円盤部４３１と、円盤部４３１の中央部から太陽ギヤ４０とは反対側に同軸上[モータ部７の回転軸（インナヨーク２６）と同軸上]に延びる軸部４３２とを有する（図２参照）。軸部４３２の外周面にはシール材付きの転がり軸受２２（例えば、深溝玉軸受）が固定され、この転がり軸受２２によってキャリア４３はケーシング９（第２ケーシング９５）に対して回転可能に支持されている。また、軸部４３２の先端部は、ケーシング９から軸方向外側へ突出しており、この先端部に上記回転操作軸３が一体的に回転するように連結される。

上記の如く構成された減速機８を備える電動アクチュエータ６においては、モータ部７のロータ１１が回転すると、インナヨーク２６と一体の太陽ギヤ４０が回転することで、複数の遊星ギヤ４２が自転しながらリングギヤ４１に沿って公転する。そして、この遊星ギヤ４２の公転運動によりキャリア４３が回転することで、回転が減速されて回転操作軸３に伝達される。

また、図２に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ６においては、モータ部７の回転角度を検出する回転角度検出装置３０が設けられている。回転角度検出装置３０は、回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された一対の磁石３１，３２と、各磁石３１，３２の磁束を検出する磁気センサ３３とを有する。各磁石３１，３２は、磁石保持部材３４の凹部に嵌め込まれて保持され、太陽ギヤ４０の内周面に取り付けられている。これに対し、磁気センサ３３は、各磁石３１，３２に対して間隔をあけて対向するようにケーシング９（第１ケーシング９４）に固定されている。

モータ部７が駆動してロータ１１が回転すると、各磁石３１，３２が太陽ギヤ４０と一体的に回転し、各磁石３１，３２の磁束を磁気センサ３３が検出する。磁気センサ３３は、回転方向に所定の位相差（例えば、９０°）を設けて配置された２つの磁気検出素子を有しており、これらによって検出された磁束から図４に示すような正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号が得られる。そして、これらの出力信号の大小関係から場合分けをして、回転角度を算出する。詳しくは、図４に示す正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号から逆正接Arctanθ（＝tan^-1(sinθ／cosθ)）を算出する。この逆正接Arctanθは、図５に示すように、実角度に対する算出角度の波形γが直線性を有する特性を有することから、これを用いて角度演算を行うことで、モータ部７の回転角度を把握することができる。これにより、モータ部７を所定角度回転させて、バタフライバルブの開度を適切な度合いに調整することができる。

以上のように構成された本実施形態に係る電動アクチュエータ６においては、減速機８がモータ部７の内周に配置されている。すなわち、図２に示すように、減速機８を構成する部材のうち、太陽ギヤ４０、リングギヤ４１、複数の遊星ギヤ４２のそれぞれ全体がモータ部７のインナヨーク２６の内周に配置され、さらに、キャリア４３の一部がインナヨーク２６の内周に配置されている。

このように、本実施形態に係る電動アクチュエータ６においては、減速機８を構成するほとんどの部材がモータ部７の内周に配置されているので、モータ部７の軸方向外側において減速機８の配置スペースをあまり確保しなくてもよくなる。これにより、減速機８を含めた電動アクチュエータ全体の軸方向寸法を小さくすることができ、小型化を図れるようになる。

また、図２に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ６においては、回転角度の検出に用いる磁石３１，３２を太陽ギヤ４０の内周に配置している。これにより、磁石３１，３２を配置するスペースをモータ部７内に確保することができ、モータ部７の軸方向外側に配置スペースを確保しなくてもよいので、より一層の軸方向の小型化を図れるようになる。

図６および図７に、インナヨーク２６と太陽ギヤ４０との固定方法の一例を示す。
この例では、太陽ギヤ４０に、軸方向に突出する係合突起４０ａを周方向に渡って複数箇所に設け、インナヨーク２６に、太陽ギヤ４０の各係合突起４０ａが挿通される複数の挿通孔２６ａが設けられている。図６に示すように、まず、係合突起４０ａを挿通孔２６ａに挿通させ、次いで、挿通された係合突起４０ａの先端部を拡径するように加締めて塑性変形させることで、図７に示すように、塑性変形した係合突起４０ａによってインナヨーク２６と太陽ギヤ４０とが固定される。これにより、太陽ギヤ４０がインナヨーク２６に対して軸方向と回転方向とで位置規制されるようになる。

また、このような加締め固定のほか、インナヨーク２６と太陽ギヤ４０とを圧入によりスプライン嵌合して固定する方法を採用してもよい。

図８は、本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。
図８に示す電動アクチュエータ６においては、上記実施形態に比べて、太陽ギヤ４０が軸方向に長く形成され、この長く形成された部分の外周面によってキャリア４３が回転可能に支持されている。すなわち、太陽ギヤ４０は、外周にギヤが形成されたギヤ部４０１と、ギヤ部４０１からモータ部７の軸方向外側に延びる軸部４０２とを有する。ギヤ部４０１は、モータ部７内に配置されて遊星ギヤ４２と噛み合う部分であり、上記実施形態の太陽ギヤ４０と同様の機能を有する部分である。これに対し、軸部４０２は、キャリア４３の軸部４３２内に挿入されて、キャリア４３を回転可能に支持する支軸として機能する部分である。

このように、図８に示す電動アクチュエータ６においては、キャリア４３が太陽ギヤ４０の軸部４０２によって回転可能に支持されていることで、キャリア４３を支持する上記転がり軸受２２（図２参照）が不要となる。ここでは、転がり軸受２２の代わりに、環状のシール部材（オイルシール）４５を配置し、キャリア４３の軸部４３２とケーシング９との間の密封性を向上させている。また、転がり軸受２２が不要になることで、転がり軸受２２の配置スペースをシール部材４５の配置スペースに利用することができるため、シール部材４５を追加することに伴うサイズの増大を極力低減することが可能である。

また、図８に示す電動アクチュエータ６においては、太陽ギヤ４０の軸部４０２の外周面に凹部４０３を形成している。これにより、凹部４０３の箇所では、キャリア４３の軸部４３２に対して太陽ギヤ４０の軸部４０２が非接触となるので、接触面積が少なくなり摩擦抵抗が低減する。これにより、太陽ギヤ４０とキャリア４３との相対的回転がより円滑に行えるようになる。なお、その他の構成については、図１〜図３に示す電動アクチュエータ６と同様であるので説明を省略する。

図９は、本発明のさらに別の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。
図９に示す電動アクチュエータ６においては、キャリア４３の軸部４３２を、太陽ギヤ４０の内周にまで延ばし、この太陽ギヤ４０の内周に配置されたキャリア４３の軸部４３２に、回転角度の検出に用いる磁石３１，３２を一体的に設けている。また、図９に示す電動アクチュエータ６においては、モータ部７の回転数を検出するために、インナヨーク２６にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された磁石４６，４７が設けられ、ケーシング９（第１ケーシング９４）に磁石４６，４７の磁束を検出するホールＩＣ４８が設けられている。

このように、回転角度検出用の磁石３１，３２がキャリア４３の軸部４３２に一体的に設けられていることで、出力回転体として機能するキャリア４３の回転角度を直接検出することができるようになる。さらに、モータ部７の回転数を検出する回転数検出装置として、ホールＩＣ４８が設けられているため、キャリア４３に連結されるバタフライバルブの回転方向の位置決め精度を向上させることができる。また、本実施形態においても、回転角度検出用の磁石３１，３２がモータ部７や太陽ギヤ４０の内周に配置されていることで、軸方向の小型化を図れる。なお、その他の構成については、上記各実施形態に係る電動アクチュエータ６と同様である。

以上、本発明に係る電動アクチュエータの実施形態について説明したが、本発明は上記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る。

上記実施形態では、モータ部７として、ケーシング９に固定されたステータ１０と、ステータ１０の半径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ１１とを備えるラジアルギャップ型の電動モータを例示したが、任意の構成のモータを採用することができる。例えば、ケーシングに固定されたステータと、ステータの軸方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータとを備えるアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。

また、上記実施形態では、減速機８として遊星ギヤ減速機を使用しているが、減速機８はこれに限らない。例えば、モータ部７と一体的に回転する入力回転体としての太陽ローラと、太陽ローラの外周に配置された軌道リングと、太陽ローラと軌道リングとの間に回転可能に配置された遊星回転体しての複数の遊星ローラと、各遊星ローラを保持する出力回転体としてのキャリアとを有する、トラクションドライブ式の遊星減速機を採用してもよい。また、遊星減速機以外の構成を有する減速機を使用することも可能である。

また、本発明に係る電動アクチュエータは、内燃機関の排気再循環システムに用いられるＥＧＲバルブや、エンジン出力を制御するために燃焼機関への吸気量を調整するスロットルバルブ、あるいはロボットアーム等、回転操作される装置や部材に対しても適用可能である。

３回転操作軸
６電動アクチュエータ
７モータ部
８減速機
２６インナヨーク（モータ部の回転軸）
３０回転角度検出装置
３１磁石
３２磁石
３３磁気センサ
４０太陽ギヤ（入力回転体）
４１リングギヤ（軌道リング）
４２遊星ギヤ（遊星回転体）
４３キャリア（出力回転体）
４０３凹部

Claims

モータ部と、前記モータ部の回転を減速して伝達する減速機とを備え、前記モータ部の回転軸と前記減速機の出力回転体とが同軸上に配置された電動アクチュエータであって、
前記減速機は、前記モータ部と一体的に回転する入力回転体と、前記入力回転体の外周に配置された軌道リングと、前記入力回転体と前記軌道リングとの間に回転可能に配置された複数の遊星回転体と、前記遊星回転体を保持する出力回転体とを有し、
前記減速機の軌道リング、複数の遊星回転体のそれぞれ全体と、前記減速機の入力回転体の全体または一部と、出力回転体の一部を、前記モータ部の内周に配置し、
前記減速機の入力回転体を前記減速機の出力回転体内に挿入し、前記出力回転体を前記入力回転体の外周面によって回転可能に支持し、
前記減速機の出力回転体内に挿入された入力回転体の外周面に、前記出力回転体に対して非接触となる凹部を形成したことを特徴とする電動アクチュエータ。
前記モータ部の回転角度を検出する回転角度検出装置を備え、
前記回転角度検出装置は、前記モータ部の回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された磁石と、前記磁石の磁束を検出して正弦波の出力信号と余弦波の出力信号が得られるように配置された磁気センサとを有し、
前記磁石を、前記減速機の入力回転体の内周に配置した請求項１に記載の電動アクチュエータ。
モータ部と、前記モータ部の回転を減速して伝達する減速機と、前記モータ部の回転角度を検出する回転角度検出装置を備え、前記モータ部の回転軸と前記減速機の出力回転体とが同軸上に配置された電動アクチュエータであって、
前記減速機は、前記モータ部と一体的に回転する入力回転体と、前記入力回転体の外周に配置された軌道リングと、前記入力回転体と前記軌道リングとの間に回転可能に配置された複数の遊星回転体と、前記遊星回転体を保持する出力回転体とを有し、
前記減速機の軌道リング、複数の遊星回転体のそれぞれ全体と、前記減速機の入力回転体の全体または一部と、出力回転体の一部を、前記モータ部の内周に配置し、
前記回転角度検出装置は、前記モータ部の回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁された磁石と、前記磁石の磁束を検出して正弦波の出力信号と余弦波の出力信号が得られるように配置された磁気センサとを有し、
前記減速機の出力回転体の一部を前記減速機の入力回転体の内周に配置し、
前記入力回転体の内周に配置された前記出力回転体の部分に前記磁石を設けたことを特徴とする電動アクチュエータ。