JP7324964B1 - 減速機付きモータユニット - Google Patents

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Abstract

バッテリから供給される電力により駆動するモータの駆動力をウォームギヤとウォームホイールとを通じて開閉機構に伝達する減速機付きモータユニットは、ウォームギヤとウォームホイールとを潤滑するグリスを備える。グリスは、基油と、増ちょう剤と、添加量(N)が増加するほどウォームギヤとウォームホイールとの間の摩擦係数を上昇させる固体添加剤と、を含み、固体添加剤は、添加量(N)が第一閾値(NA)以上かつ第二閾値(NB)以下となるように添加される。第一閾値(NA)は、ウォームホイールからウォームギヤへの伝達効率が0[%]となる摩擦係数(μ)を実現する添加量(N)の値であり、第二閾値(NB)は、開閉機構が特定の環境で全閉に拘束されたあと、開閉機構を開方向に移動させるのに必要となるモータの起動電圧(V)がバッテリの最低保証電圧(Vx)となる摩擦係数(μ)を実現する添加量(N)の値である。

Description

本発明は、モータの駆動力をウォームギヤとウォームホイールとを通じて開閉機構に伝達する減速機付きモータユニットに関する。
従来、開閉機構に適用される減速機付きモータユニットには、耐逆転性(セルフロック機能)を持つものが知られている。耐逆転性とは、出力側すなわち開閉機構側から外力が加えられても、減速機付きモータユニットのモータが逆転しない能力を意味する。例えば、特許文献1には、転造のみを仕上げとした金属製ウォームとポリアセタール製のウォームホイールとを用いて、ウォーム及びウォームホイールの進み角を所定の範囲に設定することで、コスト上昇及びウォームの摩耗を抑制しながら耐逆転性を確保した減速機付きモータユニットが開示されている。
特開2006-177426号公報
ところで、減速機付きモータユニットの高い耐逆転性は、モータの起動電圧の上昇を招き得る。このため、減速機付きモータユニットには、起動電圧を過度に上昇させない程度の適度な耐逆転性が確保されることが求められる。
本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、耐逆転性を確保しつつ起動電圧の過度な上昇を抑えることが可能な減速機付きモータユニットを提供することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。
開示の減速機付きモータユニットは、以下に開示する態様または適用例として実現でき、上記の課題の少なくとも一部を解決する。なお、(2)~(5)は好ましい態様であり、必須ではない。
(1)ここで開示する減速機付きモータユニットは、バッテリから供給される電力により駆動するモータを備え、前記モータの駆動力をウォームギヤとウォームホイールとを通じて開閉機構に伝達する減速機付きモータユニットであって、前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとを潤滑するグリスを備える。前記グリスは、前記グリスの基材となる基油と、前記基油中に分散され、三次元構造を形成する増ちょう剤と、前記基油中に分散され、添加量が増加するほど前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとの間の摩擦係数を上昇させる固体添加剤と、を含み、前記固体添加剤は、前記添加量が第一閾値以上かつ第二閾値以下となるように添加される。前記第一閾値は、前記ウォームホイールから前記ウォームギヤへの伝達効率が0[%]となる前記摩擦係数を実現する前記添加量の値であり、前記第二閾値は、前記開閉機構が特定の環境で全閉に拘束されたあと、前記開閉機構を開方向に移動させるのに必要となる前記モータの起動電圧が前記バッテリの最低保証電圧となる前記摩擦係数を実現する前記添加量の値である。
(2)上記(1)の場合において、前記特定の環境は、前記バッテリの出力電圧が前記バッテリの定格電圧よりも高くなる環境である。
(3)上記(1)又は(2)の場合において、前記固体添加剤は、アクリル樹脂粉末である。
(4)上記(1)~(3)のいずれか一つの場合において、前記最低保証電圧は、前記バッテリの定格電圧の60[%]の電圧である。
(5)上記(1)~(4)のいずれか一つの場合において、前記開閉機構は、パワーウィンドウである。
開示の減速機付きモータユニットによれば、耐逆転性を確保しつつ起動電圧の過度な上昇を抑えることができる。
実施形態に係る減速機付きモータユニットの部分断面図である。 図1の減速機付きモータユニットの伝達効率と摩擦係数との関係を示すグラフである。 固体添加剤の添加量と摩擦係数との関係を示すグラフである。 固体添加剤の添加量と起動電圧との関係を示すグラフである。 図3及び図4のグラフの縦軸と横軸とを入れ替えて一つのグラフとしたものである。
図面を参照して、実施形態としての減速機付きモータユニットについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
実施形態の減速機付きモータユニットは、モータの駆動力をウォームギヤとウォームホイールとを通じて開閉機構に伝達するものであり、出力側である開閉機構側から外力が加えられてもモータが逆転しない耐逆転性が要求されるものである。当該減速機付きモータユニットには、ウォームギヤ及びウォームホイールを潤滑するグリスが設けられる。また、当該グリスには、添加量が増加するほどウォームギヤとウォームホイールとの間の摩擦係数を上昇させる固体添加剤が添加される。実施形態の減速機付きモータユニットは、このような固体添加剤の添加量を調整することで、ウォームギヤとウォームホイールとの間の適度な摩擦係数を実現して、耐逆転性を確保しつつモータの起動電圧の過度な上昇を抑えることを特徴としたものである。
[1.構成]
図1は、本実施形態に係る減速機付きモータユニット(以下「モータユニット1」という)の外観と部分的な内部構造とを示す部分断面図である。図1に示すように、モータユニット1は、駆動源としてのモータ2とウォームギヤ3とウォームホイール4とを備える。グリスは、ウォームギヤ3とウォームホイール4との摺動部分に塗布される。モータユニット1は、上述の通り、モータ2の駆動力をウォームギヤ3とウォームホイール4とを通じて図示しない開閉機構に伝達するものである。開閉機構としては、例えば、車両のパワーウィンドウ(ウィンドウレギュレータ)が挙げられる。
モータ2は、図示しないバッテリから供給される電力により駆動する駆動装置であり、例えばブラシ付きDCモータである。モータ2は、ハウジング2Dに内蔵されたロータ2B及びステータ2C、並びに、ロータ2Bと一体回転するシャフト2Aを有する。モータ2は、ウォームギヤ3及びウォームホイール4を収容するギヤボックス5にハウジング2Dが結合されることで、ギヤボックス5と一体化される。この状態で、シャフト2Aは、その一端がハウジング2Dに回転可能に支持され、その他端がハウジング2Dから延出してギヤボックス5の内部に配置される。また、ギヤボックス5には、バッテリに接続するためのコネクタ部7が設けられており、モータ2は、当該コネクタ部7にバッテリのコネクタが挿入されることで、バッテリと接続される。
ウォームギヤ3は、モータ2に駆動される歯車であり、例えば、転造した鋼材(例えば、低炭素鋼)により形成されるねじ歯車とされる。本実施形態において、ウォームギヤ3は、モータ2のシャフト2Aに嵌合され、連結される。このように、シャフト2Aとウォームギヤ3とを別体に構成することで、ウォームギヤ3の外径がシャフト2Aの外径に依存せず、小径のモータユニット1においても大径のウォームギヤ3を組み合わせる事が可能になる。
ウォームホイール4は、ウォームギヤ3に噛み合い、ウォームギヤ3から入力された駆動力を開閉機構(パワーウィンドウ)へ伝達する歯車であり、例えば、ポリアセタール樹脂(POM)の射出成型により形成された樹脂歯車とされる。ウォームホイール4には、開閉機構(パワーウィンドウ)に設けられた図示しないギヤに噛合する出力ギヤ6が連結される。このような構成により、ウォームギヤ3から入力された駆動力は、ウォームホイール4及び出力ギヤ6を介して開閉機構(パワーウィンドウ)に伝達される。これにより、車両の図示しない窓が開閉される。
グリスは、主として、基材となる基油と、基油の中に分散され、三次元構造を形成する増ちょう剤と、基油の中に分散され、添加量Nが増加するほどウォームギヤ3とウォームホイール4との間の摩擦係数μを上昇させる固体添加剤とを備える。本実施形態において、グリスの基油,増ちょう剤及び固体添加剤には、以下の材料が用いられるものとする。また、本実施形態において、グリスは、そのちょう度が1~3号に調整されるものとする。
基油 :ポリアルファオレフィン油(PAO)
増ちょう剤 :脂環族ウレア
固体添加剤 :アクリル樹脂粉末(ポリアクリル酸エステル)
なお、グリスの基油は、ポリアルファオレフィン油に限らず、エステル油、エーテル油、シリコーン油、アルキルベンゼン油、フッ素系油などの化学合成油が適用されてよい。また、化学合成油に限らず、鉱物油や植物油が適用されてよい。
グリスの増ちょう剤は、脂環族ウレアに限らず、脂肪族ウレア、芳香族ウレアなどのウレア系化合物が適用されてよい。また、ウレア系化合物に限らず、リチウム石けん、リチウムコンプレックス石けん、カルシウム石けん、カルシウムコンプレックス石けん、アルミニウム石けん、アルミニウムコンプレックス石けん、ナトリウム石けん、バリウム石けんなどの石けん類や、フッ素樹脂、ベントナイト、シリカ、Naテレフタラメートが適用されてよい。ただし、増ちょう剤は、固体添加剤であるアクリル樹脂粉末との相性がよく、ウォームギヤ3とウォームホイール4との間の摩擦係数μを高める方向に調節がしやすく、高温特性に優れるなどの理由から、ウレア系化合物であることが好ましい。
固体添加剤(固体潤滑剤)は、ウォームギヤ3とウォームホイール4との間の摩擦係数μを調整可能なものであれば、ポリアクリル酸エステルに限らない。固体添加剤は、例えば、ポリメタクリル酸エステル、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミドなどのアクリル樹脂粉末が適用されてよい。また、固体添加剤は、アクリル樹脂粉末に限らず、ナイロン樹脂,メラミンシアヌレート(MCA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、硫化アンチモン、窒化ホウ素、アルカリ(土類)金属ホウ酸塩などが適用されてよい。ただし、固体添加剤は、ウォームギヤ3とウォームホイール4との間の摩擦係数μを高める方向に調節がしやすく、入手が容易であり、人体への害が少ないなどの理由から、アクリル樹脂粉末であることが好ましい。
なお、グリスには、その性能(機能)を損なわない範囲で、極圧剤、酸化防止剤、防錆剤、腐食防止剤などが適宜添加されてよい。
本実施形態のモータユニット1は、上述の通り、固体添加剤の添加量Nを調整することで、ウォームギヤ3とウォームホイール4との間の適度な摩擦係数μを実現して、耐逆転性を確保しつつモータ2の起動電圧Vの過度な上昇を抑えるものである。具体的には、モータユニット1は、固体添加剤の添加量N(グリスの全質量に対する固体添加剤の質量比)が第一閾値NA以上かつ第二閾値NB以下の範囲内になるように固体添加剤がグリスに添加されることで、上記の性能を実現する。第一閾値NAは、耐逆転性の確保に係る閾値であり、第二閾値NBは、モータ2の起動電圧Vの過度な上昇の抑制に係る閾値である。
第一閾値NAは、ウォームホイール4からウォームギヤ3への伝達効率(以下、「逆転効率ηrev」という)が0[%]となる摩擦係数μを実現する固体添加剤の添加量Nの値である。逆転効率ηrevが0[%]以下となることで、ウォームホイール4からウォームギヤ3への駆動力伝達による逆転運動が防止されて、耐逆転性が保証される。
ここで、モータユニット1の効率計算式は、ウォームギヤ3からウォームホイール4への入力に係る伝達効率(正転効率)をηposと表し、ウォームギヤ3及びウォームホイール4の圧力角をα、進み角をγ、摩擦係数をμとすると、以下の式で表せる。
Figure 0007324964000001
Figure 0007324964000002
モータ仕様に基づきウォームギヤ3及びウォームホイール4の圧力角α及び進み角γが設定されると、正転効率ηpos及び逆転効率ηrevの値は、図2のグラフに示すように、摩擦係数μに応じて決定される。また、上記の式を整理すると、ウォームホイール4からウォームギヤ3への逆転効率ηrevが0[%]となる摩擦係数μ(以下、「境界摩擦係数μ0」とよぶ)は、以下の式で求められる。逆転効率ηrevは、図2に示すように、摩擦係数μが大きくなるほどに小さくなり、境界摩擦係数μ0を境に負の値となり、境界摩擦係数μ0よりも大きくなるほどに高い耐逆転性(セルフロック)が確保される。
Figure 0007324964000003
境界摩擦係数μ0を実現する第一閾値NAは、例えば、実験的に得られた固体添加剤の添加量Nと摩擦係数μとの関係を用いて設定される。図3は、固体添加剤の添加量Nが異なる複数のグリスのサンプルをモータユニット1に適用した場合に得られた摩擦係数μの実験値をプロットしたものである。図3のグラフでは、固体添加剤の添加量Nが1n,2n,3n,4n,5n及び6n[wt%](n>0[wt%])の6種類のグリスのサンプルから得られた摩擦係数μの実験値がプロットされている。図3に示すように、固体添加剤の添加量Nと摩擦係数μとの間には、添加量Nが増加するほど、摩擦係数μが大きくなる正の相関関係がある。第一閾値NAは、この相関関係を利用して設定される。
具体的には、各サンプルから得られた摩擦係数μの実験値から、図3に破線で示すように、近似式(例えば、摩擦係数μの二次関数)が導出される。そして、導出された近似式から境界摩擦係数μ0を実現する固体添加剤の添加量N〔N=A(μ0)+B(μ0)+C〕が算出され、この値が第一閾値NAとして設定される。この場合、第一閾値NAには、1n[wt%]が設定される。
第二閾値NBは、モータ2の起動電圧Vがバッテリの最低保証電圧Vxとなる摩擦係数μを実現する固体添加剤の添加量Nの値である。ここで、起動電圧Vとは、開閉機構が特定の環境で全閉に拘束されたあと、開閉機構を開方向に移動させるのに必要となる電圧を意味する。このような電圧は、逆転起動電圧ともよばれる。開閉機構がパワーウィンドウの場合では、特定の環境で窓ガラスが全閉され、窓ガラスの上端が拘束されたあと、窓ガラスを下降方向(窓を開放する方向)に移動させる際に要する電圧が起動電圧Vとして定義される。
本実施形態において、特定の環境とは、バッテリの出力電圧がバッテリの定格電圧よりも高くなる環境を意味し、例えば、図示しないオルタネーターが回ってバッテリがフル充電とされている環境が挙げられる。このような特定の環境でモータ2が駆動されると、通常〔バッテリの出力電圧がバッテリの定格電圧と一致するか、それと同視し得る状態(環境)〕よりも大きい駆動力が開閉機構(パワーウィンドウ)に伝達される。これにより、全閉時に窓ガラスが通常よりも強い拘束力を受ける。
また、最低保証電圧Vxは、バッテリの温度変化や劣化に起因するバッテリの電圧降下や、バッテリからモータ2までの配線抵抗によるバッテリの電圧降下によりバッテリの定格電圧がモータ2にかからない条件下であっても、開閉機構が駆動される最低の電圧を意味する。本実施形態において、最低保証電圧Vxは、バッテリの定格電圧の60[%]の電圧に設定される。
第二閾値NBは、第一閾値NAと同様に、例えば、実験的に得られた固体添加剤の添加量Nと起動電圧Vとの関係を用いて設定される。図4は、固体添加剤の添加量Nの異なる複数のグリスのサンプルをモータユニット1に適用した場合に得られた起動電圧Vの実験値をプロットしたものである。図4のグラフでは、固体添加剤の添加量Nが1n,2n,3n及び4n[wt%](n>0[wt%])の4種類のグリスのサンプルから得られた起動電圧Vの実験値がプロットされている。図4に示すように、固体添加剤の添加量Nと起動電圧Vとの間には、添加量Nが増加するほど、起動電圧Vが大きくなる正の相関関係がある。第二閾値NBは、この相関関係を利用して設定される。
具体的には、各サンプルから得られた起動電圧Vの実験値から、図4に一点鎖線で示すように、近似式(例えば、起動電圧Vの二次関数)が導出される。そして、導出された近似式から起動電圧Vが最低保証電圧Vxとなる摩擦係数μを実現する固体添加剤の添加量N〔N=D(Vx)+E(Vx)+F〕が算出され、この値が第二閾値NBとして設定される。この場合、第二閾値NBには、3n[wt%]が設定される。
図5は、図3及び図4のグラフの縦軸と横軸とを入れ替えて、一つのグラフとしたものである。上述の手順で第一閾値NA及び第二閾値NBが設定されると、図5の白抜き矢印に示すように、固体添加剤の添加量Nの最適範囲(1n~3n[wt%])が決定される。固体添加剤の添加量Nは、この範囲内となるように設定される。これにより、モータユニット1には、耐逆転性が確保されるとともに起動電圧Vの過度な上昇が抑制される。
詳述すると、固体添加剤の添加量Nが第一閾値NA以上の値に調節されることで、図5に破線で示すように、摩擦係数μは境界摩擦係数μ0以上の値となる。これにより、逆転効率ηrevが0[%]以下となるため、モータユニット1の耐逆転性が確保される。また、固体添加剤の添加量Nが第二閾値NB以下の値に調節されることで、図5の一点鎖線に示すように、起動電圧Vが最低保証電圧Vx以下の値に抑えられる。よって、起動電圧Vが最低保証電圧Vxを超えることがなく、起動電圧Vの過度な上昇が抑制され、多様な条件下でのモータ2の起動が保証される。なお、グリスに添加される固体添加剤の添加量Nは、最終的に、上記の範囲内でグリスの他の性能(例えば、ウォームギヤ3及びウォームホイール4を潤滑する性能)も高められる値が実験的に求められて設定されてよい。
[2.効果]
(1)上述したモータユニット1では、グリスに添加される固体添加剤の添加量Nが第一閾値NA以上かつ第二閾値NB以下の範囲内になるように設定される。また、第一閾値NAは、逆転効率ηrevが0[%]となる摩擦係数μを実現する値とされ、第二閾値NAは、モータ2の起動電圧Vが最低保証電圧Vxとなる摩擦係数μを実現する値とされる。これにより、耐逆転性を確保できかつ起動電圧Vの過度な上昇を抑制できる値に摩擦係数μを適切に調節できる。よって、モータユニット1は、耐逆転性を確保しつつモータ2の起動電圧Vの過度な上昇を抑制できる。
(2)上述したモータユニット1において、起動電圧Vの定義に係る特定の環境は、バッテリの出力電圧がバッテリの定格電圧よりも高くなる環境とされる。これにより、例えば、全閉時に窓ガラスが通常よりも強い拘束力を受けて拘束された場合であっても、その後のモータ2の起動を保証できる。特に、パワーウィンドウでは、上端が拘束された状態の窓ガラスの移動が保証されるため、窓が開放されなくなる不具合の発生を抑制できる。
(3)上述したモータユニット1では、固体添加剤としてアクリル樹脂粉末が用いられるため、摩擦係数μを高める方向へのグリス諸元の調節を容易に行うことができる。さらに、アクリル樹脂粉末は、変質しにくく扱いが容易であり、入手しやすいため、上述の性能を満たすグリスを容易に製造できる。
(4)上述したモータユニット1において、最低保証電圧Vxは、バッテリの定格電圧の60[%]の電圧に設定される。これにより、温度変化や劣化に起因するバッテリの電圧降下や、バッテリからモータ2までの配線抵抗によるバッテリの電圧降下によりバッテリの定格電圧がモータ2にかからない条件下であっても、モータ2の起動を保証できる。
[3.その他]
上述の実施形態で説明したモータユニット1の構成は一例であって、上述したものに限られない。ウォームギヤ3は、モータ2に駆動されるものであれば、モータ2のシャフト2Aに直接連結されていなくてもよい。また、ウォームホイール4は、ウォームギヤ3に噛み合うものであればよく、ウォームホイール4には、出力ギヤ6が直接連結されていなくてもよい。ウォームギヤ3及びウォームホイール4の材質も上述したものに限らない。
モータユニット1が適用される開閉機構は、パワーウィンドウに限らない。例えば、モータユニット1は、車両のバックドア及びスライドドアなどの開閉機構を駆動するものであってもよい。グリスのちょう度は、モータユニット1が適用される開閉機構の用途に応じて適宜設定されてよい。
第一閾値NA及び第二閾値NBの設定方法は、上述の方法に限らない。例えば、第一閾値NA及び第二閾値NBの設定に際し導出される近似式は、線形関数として導出されてもよく、二次よりも高次の多項式関数として導出されてもよい。第一閾値NA及び第二閾値NBは、近似式を用いずに設定されてもよい。
1 モータユニット(減速機付きモータユニット)
2 モータ
3 ウォームギヤ
4 ウォームホイール
N 添加量
NA 第一閾値
NB 第二閾値
V 起動電圧
Vx 最低保証電圧
ηrev 逆転効率(ウォームホイールからウォームギヤへの伝達効率)
μ 摩擦係数

Claims (6)

  1. バッテリから供給される電力により駆動するモータを備え、前記モータの駆動力をウォームギヤとウォームホイールとを通じて開閉機構に伝達する減速機付きモータユニットであって、
    前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとを潤滑するグリスを備え、
    前記グリスは、前記グリスの基材となる基油と、前記基油中に分散され、三次元構造を形成する増ちょう剤と、前記基油中に分散され、添加量が増加するほど前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとの間の摩擦係数を上昇させる固体添加剤と、を含み、
    前記固体添加剤は、前記添加量が第一閾値以上かつ第二閾値以下となるように添加され、
    前記第一閾値は、前記ウォームホイールから前記ウォームギヤへの伝達効率が0[%]となる前記摩擦係数を実現する前記添加量の値であり、
    前記第二閾値は、前記開閉機構が特定の環境で全閉に拘束されたあと、前記開閉機構を開方向に移動させるのに必要となる前記モータの起動電圧が前記バッテリの最低保証電圧となる前記摩擦係数を実現する前記添加量の値である
    ことを特徴とする減速機付きモータユニット。
  2. 前記特定の環境は、前記バッテリの出力電圧が前記バッテリの定格電圧よりも高くなる環境である
    ことを特徴とする、請求項1記載の減速機付きモータユニット。
  3. 前記固体添加剤は、アクリル樹脂粉末である
    ことを特徴とする、請求項1記載の減速機付きモータユニット。
  4. 前記固体添加剤は、アクリル樹脂粉末である
    ことを特徴とする、請求項2記載の減速機付きモータユニット。
  5. 前記最低保証電圧は、前記バッテリの定格電圧の60[%]の電圧である
    ことを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の減速機付きモータユニット。
  6. 前記開閉機構は、パワーウィンドウである
    ことを特徴とする、請求項1記載の減速機付きモータユニット。
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