WO2018180657A1 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

軸方向に延びるモータシャフトを有するモータ部と、モータシャフトの軸方向一方側に連結される減速機構と、減速機構を介してモータシャフトの回転が伝達される出力軸を有する出力部と、少なくともモータ部に電気的に接続される制御基板と、を備え、モータ部と出力部とは、モータ部の径方向に並んで配置され、制御基板は、モータシャフトと軸方向に重なる位置から出力軸と軸方向に重なる位置まで延び、制御基板は、モータシャフトの回転角を検出するモータ部センサと、出力軸に連結される被駆動シャフトの回転角を検出する出力部センサとを有する、電動アクチュエータ。

Description

電動アクチュエータ

　本発明は、電動アクチュエータに関する。

　従来、モータと減速機を備えた電動アクチュエータが知られている。この種の電動アクチュエータでは、減速機に連結された出力部材に、回転角度を検出する回転位置検出手段が設けられていた（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５－２３７６１号公報

　電動アクチュエータの出力軸にセンサを設ける場合、センサの取り付け位置がモータから離れている。そのため、外部接続用のコネクタとモータとを電気的に接続する配線や基板のほかに、出力軸用のセンサに電気的に接続する配線や基板を設置する必要があった。その結果、機器が大型化しやすくなり、製造工程も煩雑であった。

　本発明の態様は、組み立ての作業性に優れ、機器の小型化にも寄与しうる構成を備えたセンサ内蔵の電動アクチュエータを提供することを目的の一つとする。

　本発明の態様によれば、軸方向に延びるモータシャフトを有するモータ部と、前記モータシャフトの軸方向一方側に連結される減速機構と、前記減速機構を介して前記モータシャフトの回転が伝達される出力軸を有する出力部と、少なくとも前記モータ部に電気的に接続される制御基板と、を備え、前記モータ部と前記出力部とは、前記モータ部の径方向に並んで配置され、前記制御基板は、前記モータシャフトと軸方向に重なる位置から前記出力軸と軸方向に重なる位置まで延び、前記制御基板は、前記モータシャフトの回転角を検出するモータ部センサと、前記出力軸に連結される被駆動シャフトの回転角を検出する出力部センサとを有する、電動アクチュエータが提供される。

　本発明の態様によれば、組み立ての作業性に優れ、機器の小型化にも寄与しうる構成を備えたセンサ内蔵の電動アクチュエータが提供される。

図１は、実施形態の電動アクチュエータの断面図である。

　（電動アクチュエータ）
　以下、実施形態の電動アクチュエータについて、図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本実施形態の電動アクチュエータの断面図である。

　本実施形態の電動アクチュエータ１０は、被駆動シャフト９０に連結されて使用される。電動アクチュエータ１０は、被駆動シャフト９０を軸周りに回転させる。
　電動アクチュエータ１０は、ハウジング１１と、第１中心軸Ｊ１の軸方向に延びるモータシャフト２１を有するモータ部２０と、減速機構３０と、出力部４０と、制御基板６０と、第１ベアリング５１と、第２ベアリング５２と、第３ベアリング５３と、第４ベアリング５４と、外部コネクタ８０と、を備える。第１ベアリング５１～第４ベアリング５４は、例えば、ボールベアリングである。第１中心軸Ｊ１の軸方向は、図１の上下方向と平行である。

　以下の説明においては、第１中心軸Ｊ１の軸方向を単に「軸方向」と呼び、軸方向における図１の上側を単に「上側」と呼び、軸方向における図１の下側を単に「下側」と呼ぶ。また、第１中心軸Ｊ１を中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。なお、上側および下側とは、単に各部の相対位置関係を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。なお、上側は、軸方向他方側に相当し、下側は、軸方向一方側に相当する。

　ハウジング１１は、モータ部２０、減速機構３０、および出力部４０を収容するハウジング本体１２と、ハウジング本体１２の下側に配置される下側カバー部材１３と、ハウジング本体１２の上側に配置される上側カバー部材１４と、を有する。

　ハウジング本体１２は、上側に開口する有底の箱形容器である。ハウジング本体１２は、第１中心軸Ｊ１と直交する方向に拡がる底壁１２ａと、底壁１２ａの外周端から上側へ延びる周壁１２ｂとを有する。底壁１２ａは、底壁１２ａを軸方向に貫通する貫通孔１２ｃと、貫通孔１２ｃの端縁から軸方向の下側へ延びる筒状の突出壁部１２ｄと、を有する。すなわち、ハウジング１１は、貫通孔１２ｃおよび突出壁部１２ｄを有する。

　ハウジング本体１２は、モータ部２０を保持するモータ保持部１２２と、出力部４０を保持する出力部保持部１２３と、を有する。モータ保持部１２２と出力部保持部１２３は、貫通孔１２ｃの内側において径方向に並んで配置される。ハウジング本体１２は、周壁１２ｂを径方向に貫通する貫通部１２ｅを有する。貫通部１２ｅに外部コネクタ８０が挿入され、固定される。

　モータ保持部１２２は、軸方向に延びる円筒状の筒部１２２ａと、筒部１２２ａの上端から径方向内側へ拡がる円環状の蓋部１２２ｂとを有する。筒部１２２ａの下側の開口部は、貫通孔１２ｃの内側に位置する。筒部１２２ａはモータ部２０の径方向外側を囲む。蓋部１２２ｂはモータ部２０の上側を覆う。蓋部１２２ｂは、中央に第４ベアリング５４を保持する円筒状のベアリング保持部１２２ｃを有する。

　出力部保持部１２３は、貫通孔１２ｃの内側において、モータ保持部１２２と径方向に隣り合って配置される。出力部保持部１２３は、第２中心軸Ｊ２を中心として軸方向に延びる円筒状の筒部１２３ａと、筒部１２３ａの下端から径方向外側へ拡がり、貫通孔１２ｃの周縁と接続される支持壁部１２３ｂとを有する。

　貫通孔１２ｃを取り囲む突出壁部１２ｄは、減速機構３０および出力部４０の一部のギアを収容する。突出壁部１２ｄに囲まれる領域のうち、モータ保持部１２２と軸方向に重なる領域が減速機構３０のギアを収容する領域であり、出力部保持部１２３と軸方向に重なる領域が出力部４０のギアを収容する領域である。

　下側カバー部材１３は、ハウジング本体１２の突出壁部１２ｄに固定される。下側カバー部材１３は貫通孔１２ｃを下側から塞ぐ。下側カバー部材１３は、軸方向と直交する方向に拡がる蓋板部１３ａと、蓋板部１３ａの端縁から上側へ軸方向に延びる筒状の側壁部１３ｂとを有する。側壁部１３ｂは、ハウジング本体１２の突出壁部１２ｄの外周を取り囲み、軸方向と直交する方向に対向する。下側カバー部材１３の側壁部１３ｂは、複数箇所において突出壁部１２ｄにカシメ固定される。

　下側カバー部材１３は、減速機構３０を軸方向に覆う減速機構カバー１３１と、出力部４０を軸方向に覆う出力部カバー１３２とを有する。
　減速機構カバー１３１は、下側から見て、第１中心軸Ｊ１を中心とする円板状である。減速機構カバー１３１は、下側へ凹む複数の収容凹部１３１ａ、１３１ｂを有する。収容凹部１３１ａ、１３１ｂは、いずれも第１中心軸Ｊ１を中心とする有底の円筒状である。収容凹部１３１ａは、径方向の中央部に配置され、第１ベアリング５１を収容する。収容凹部１３１ｂは、収容凹部１３１ｂの上側に位置し、減速機構３０のギアを収容する。

　出力部カバー１３２は、下側から見て、第２中心軸Ｊ２を中心とする円板状である。出力部カバー１３２は、第２中心軸Ｊ２を中心として軸方向の下側に延びる円筒状の筒部１３２ａを有する。筒部１３２ａは、出力部カバー１３２を貫通する貫通孔１３２ｂを有する。筒部１３２ａの内側には円筒状のブッシュ４９が配置される。ブッシュ４９は、貫通孔１３２ｂに嵌め合わされる。ブッシュ４９は、上端部に径方向外側に突出するフランジ部を有する。ブッシュ４９のフランジ部は、出力部カバー１３２の上面に上側から接触する。

　上側カバー部材１４は、ハウジング本体１２の周壁１２ｂの上端部に固定される。上側カバー部材１４は、ハウジング本体１２の上側の開口を塞ぐ。モータ保持部１２２の上面と、上側カバー部材１４との間に、制御基板６０が配置される。制御基板６０は、軸方向と直交する方向に拡がる板状である。制御基板６０は、ハウジング本体１２内において、モータ保持部１２２と出力部保持部１２３を上側から覆う位置に固定される。制御基板６０は、モータ部２０から延びるコイル線、および外部コネクタ８０から延びる金属端子８０ａと電気的に接続される。

　モータ部２０は、モータシャフト２１と、ロータ２２と、ステータ２３と、を有する。モータシャフト２１は、第１ベアリング５１と第４ベアリング５４とによって、第１中心軸Ｊ１周りに回転可能に支持される。モータシャフト２１は、ロータ２２から下側へ延び、減速機構３０と連結される。

　ロータ２２は、モータシャフト２１の外周面に固定される円筒状のロータコアと、ロータコアの外周面に固定されるマグネットと、を有する。ステータ２３は、ロータ２２の径方向外側を囲む環状のステータコアと、ステータコアに装着される複数のコイルと、を有する。ステータ２３は、筒部１２２ａの内周面に固定される。

　モータシャフト２１の上端には、マグネットホルダ７３を介して、リング状のモータ部用センサマグネット７４が取り付けられる。マグネットホルダ７３およびモータ部用センサマグネット７４はモータ保持部１２２の蓋部１２２ｂと、制御基板６０との間に配置される。制御基板６０のモータ部用センサマグネット７４と対向する位置に、モータ部センサ７１が配置される。モータ部センサ７１は、例えばホール素子またはＭＲ素子（磁気抵抗素子）である。ホール素子からなるモータ部センサ７１は、第１中心軸Ｊ１の軸周りに例えば３つ配置される。

　減速機構３０は、モータ部２０の下側に配置される。モータシャフト２１は減速機構３０を軸方向に貫通する。減速機構３０は、モータシャフト２１の下側部分の径方向外側に配置される。減速機構３０は、モータ部２０と、減速機構カバー１３１との間に収容される。減速機構３０は、外歯ギア３１と、内歯ギア３３と、出力ギア３４と、を有する。

　外歯ギア３１は、モータシャフト２１の偏心部２１ａを中心として軸方向と直交する平面に拡がる略円環板状である。外歯ギア３１の径方向外側面には、歯車部が設けられる。外歯ギア３１は、偏心部２１ａに第２ベアリング５２を介して接続される。外歯ギア３１は、外歯ギア３１を軸方向に貫通する複数のピン孔３１ａを有する。複数のピン孔３１ａは、例えば８つ設けられる。複数のピン孔３１ａは、外歯ギア３１の中心軸周りに一周にわたって等間隔に配置される。

　内歯ギア３３は、外歯ギア３１の径方向外側を囲んで固定され、外歯ギア３１と噛み合う。内歯ギア３３は、第１中心軸Ｊ１を中心とする略円環状である。内歯ギア３３の外形は、多角形状（本実施形態では正十二角形状）であり、同一の多角形状とされた減速機構カバー１３１の収容凹部１３１ｂに嵌め合わされて固定される。内歯ギア３３の内周面には、歯車部が設けられる。内歯ギア３３の歯車部は、外歯ギア３１の歯車部と噛み合う。

　出力ギア３４は、外歯ギア３１の上側に配置される外歯ギアである。出力ギア３４は、円環部３４ａと、複数のキャリアピン３４ｂとを有する。円環部３４ａは、第１中心軸Ｊ１を中心として径方向に拡がる円環板状である。複数のキャリアピン３４ｂは、円環部３４ａの下面から下側に突出する円柱状である。キャリアピン３４ｂは、例えば、８本設けられる。複数のキャリアピン３４ｂは、第１中心軸Ｊ１を中心として一周に亘って等間隔に配置される。キャリアピン３４ｂは、それぞれピン孔３１ａに挿入される。出力ギア３４は後述する駆動ギア４２と噛み合う。

　出力部４０は、電動アクチュエータ１０の駆動力を出力する部分である。出力部４０は、出力軸４１と、駆動ギア４２と、出力部用センサマグネット４３と、マグネットホルダ４４と、を有する。出力部４０は、出力部保持部１２３と、出力部カバー１３２とに保持される。

　出力軸４１は、第２中心軸Ｊ２に沿って延びる円筒状である。出力軸４１は、内周面の下部にスプライン溝を有する。出力軸４１は、上端に軸方向に凹む凹部４１ａを有する。出力軸４１の外周面には駆動ギア４２が固定される。駆動ギア４２は第２中心軸Ｊ２を中心として径方向に拡がる円環板状である。出力軸４１の下部は出力部カバー１３２のブッシュ４９に上側から挿入される。出力軸４１の上部は、出力部保持部１２３の筒部１２３ａに下側から挿入される。

　マグネットホルダ４４は、第２中心軸Ｊ２に沿って延びる略円筒状の部材である。マグネットホルダ４４は、軸方向に延びる筒状部４４ａと、筒状部４４ａの上部から径方向に拡がる円環状のフランジ部４４ｂとを有する。フランジ部４４ｂの上面に円環状の出力部用センサマグネット４３が固定される。

　マグネットホルダ４４の筒状部４４ａは、出力部保持部１２３の筒部１２３ａに挿入される。マグネットホルダ４４は、筒状部４４ａの下端部の外周面から径方向外側へ突出する突起からなる移動抑制部４４ｃを有する。移動抑制部４４ｃは、筒部１２３ａの内周面に設けられ周方向に延びる凹溝１２３ｃに挿入される。移動抑制部４４ｃは、マグネットホルダ４４の軸方向の移動を抑制する。マグネットホルダ４４は、内周面の上部側に、断面六角形状の六角孔部４４ｄを有する。マグネットホルダ４４は、筒状部４４ａの下端に、軸方向の下側へ突出する突起部４４ｅを有する。突起部４４ｅは、出力軸４１の凹部４１ａに挿入される。

　出力部用センサマグネット４３は、出力部保持部１２３と制御基板６０との間に配置される。制御基板６０の出力部用センサマグネット４３と対向する位置に、出力部センサ７２が配置される。出力部センサ７２は、例えばＭＲ素子である。出力部センサ７２として、ＭＲ素子とホール素子を併用してもよい。

　出力部４０は、被駆動シャフト９０と連結可能である。被駆動シャフト９０は、電動アクチュエータ１０に挿入される先端部分に、断面正六角形の六角部９１と、六角部９１よりも下側（被駆動シャフト９０の基端側）に位置するスプライン部９２とを有する。六角部９１が、マグネットホルダ４４の六角孔部４４ｄに嵌め合わされることで、被駆動シャフト９０とマグネットホルダ４４とがつながる。また、スプライン部９２と出力軸４１のスプライン溝とが嵌め合わされることで、被駆動シャフト９０と出力軸４１とがつながる。

　電動アクチュエータ１０では、図１に示したように、モータ部２０と出力部４０とが径方向に並んで配置されており、制御基板６０は、モータシャフト２１と軸方向に重なる位置から出力軸４１と軸方向に重なる位置まで延び、軸方向に見てモータ部２０と出力部４０の両方と重なって配置される。そして、制御基板６０は、モータシャフト２１の回転角を検出するモータ部センサ７１と、出力軸４１に連結される被駆動シャフト９０の回転角を検出する出力部センサ７２とを有する。
　この構成によれば、モータ部センサ７１と出力部センサ７２とが共通の制御基板６０に実装されるので、制御基板とセンサが離れた位置に配置される場合のような配線の引き回しが不要になる。制御基板６０の設置作業のみでモータ部センサ７１および出力部センサ７２を配置できるので、組み立ての作業性が向上する。配線の設置スペースが不要になることで、アクチュエータの小型化も可能である。

　電動アクチュエータ１０では、出力部用センサマグネット４３の体積が、モータ部用センサマグネット７４の体積よりも大きい。出力部用センサマグネット４３を大きくすることにより出力部用センサマグネット４３の極数を増やせるため、分解能が高い出力部センサ７２を使用することができる。これにより、被駆動シャフト９０の回転角を高精度に制御可能である。

　出力部用センサマグネット４３は、モータ部２０のモータ保持部１２２の径方向外側に位置する。出力部用センサマグネット４３は、軸方向において、出力軸４１と制御基板６０との間に位置する。この構成により、ハウジング１１を大きくすることなく、体積の大きい出力部用センサマグネット４３を出力部４０に配置できる。

　出力部用センサマグネット４３は、モータ部用センサマグネット７４と径方向に重なる。すなわち、出力部用センサマグネット４３とモータ部用センサマグネット７４の軸方向位置が概ね一致する。この構成により、出力部用センサマグネット４３とモータ部用センサマグネット７４の両方を、制御基板６０に対して近づけて配置できる。これにより、モータ部センサ７１および出力部センサ７２として、分解能が高い高精度のセンサを使用することができる。また、軸方向において電動アクチュエータ１０を小型化可能である。さらに、出力部センサ７２として十分に精度が高いセンサを用いた場合、モータ部センサ７１を使用せずに出力部センサ７２のみを用いてモータ部２０の駆動を行うことも可能である。

　モータ部用センサマグネット７４は、モータシャフト２１のモータ保持部１２２から外側（上側）へ突出する部位に配置される。この構成により、モータシャフト２１を支持する第４ベアリング５４の外側（上側）にモータ部用センサマグネット７４が配置されるので、モータシャフト２１の先端部に、小さい径のモータ部用センサマグネット７４を設置できる。仮に、第４ベアリング５４と第３ベアリング５３との間にモータ部用センサマグネット７４を取り付けるとすると、モータ部用センサマグネット７４と制御基板６０とを対向させるためには、マグネットホルダ７３を大型化して第４ベアリング５４の径方向外側を回り込ませる必要がある。そうすると、マグネットホルダ７３とモータ部用センサマグネット７４の両方が大型化する。このような構成に対して、本実施形態のモータ部用センサマグネット７４は、大幅な小型化を実現でき、電動アクチュエータ１０の小型化も可能である。

　モータ保持部１２２の蓋部１２２ｂと、モータ部用センサマグネット７４と、出力部用センサマグネット４３とは、径方向に重なって配置される。この構成により、蓋部１２２ｂとモータ部用センサマグネット７４と出力部用センサマグネット４３の軸方向位置が概ね一致する。これにより、蓋部１２２ｂとモータ部用センサマグネット７４と出力部用センサマグネット４３を、制御基板６０に近づけて配置できる。電動アクチュエータ１０を軸方向に短くすることができる。

　モータ保持部１２２は、非磁性材料からなる。この構成により、周辺の磁気部品との磁気的干渉がなくなるので、モータ部センサ７１、出力部センサ７２、モータ部用センサマグネット７４、および出力部用センサマグネット４３を、モータ保持部１２２の近くに配置できる。電動アクチュエータ１０の小型化が可能である。

　制御基板６０はリジッド基板である。この構成により、モータ部センサ７１および出力部センサ７２を所定位置に安定して保持できる。また、制御基板６０の板面は軸方向に直交する。この構成により、モータ部センサ７１および出力部センサ７２の軸方向位置が揃うので、モータ部センサ７１とモータ部用センサマグネット７４の位置合わせ、および出力部センサ７２センサと出力部用センサマグネット４３の位置合わせが容易になる。これにより、センサの組み立てにおいて作業性が向上する。

　制御基板６０には、モータ部２０を駆動する駆動回路が実装される。モータ部センサ７１および出力部センサ７２の信号線は、制御基板６０上の配線を介して、外部コネクタ８０の金属端子８０ａに接続される。制御基板６０上に、駆動回路を制御する制御ＩＣが実装されている場合には、モータ部センサ７１の信号線は制御ＩＣに接続される。出力部センサ７２の信号線を制御ＩＣに接続してもよい。
　なお、制御基板６０は、駆動回路や制御ＩＣが実装されておらず、モータ部センサ７１および出力部センサ７２とそれらの周辺回路のみが実装された構成であってもよい。

　本出願は、２０１７年３月３１日に出願された日本出願である特願２０１７－０７２６０２号に基づく優先権を主張し、当該日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

　１０…電動アクチュエータ、１１…ハウジング、２０…モータ部、２１…モータシャフト、２２…ロータ、２３…ステータ、３０…減速機構、４０…出力部、４１…出力軸、４３…出力部用センサマグネット、６０…制御基板、７１…モータ部センサ、７２…出力部センサ、７４…モータ部用センサマグネット、９０…被駆動シャフト、１２２…モータ保持部、１２２ｂ…蓋部

 

Claims (11)

1. 　軸方向に延びるモータシャフトを有するモータ部と、
   　前記モータシャフトの軸方向一方側に連結される減速機構と、
   　前記減速機構を介して前記モータシャフトの回転が伝達される出力軸を有する出力部と、
   　少なくとも前記モータ部に電気的に接続される制御基板と、
   　を備え、
   　前記モータ部と前記出力部とは、前記モータ部の径方向に並んで配置され、
   　前記制御基板は、前記モータシャフトと軸方向に重なる位置から前記出力軸と軸方向に重なる位置まで延び、
   　前記制御基板は、前記モータシャフトの回転角を検出するモータ部センサと、前記出力軸に連結される被駆動シャフトの回転角を検出する出力部センサとを有する、電動アクチュエータ。
2. 　前記モータシャフトとともに回転するモータ部用センサマグネットと、前記被駆動シャフトとともに回転する出力部用センサマグネットとを有し、
   　前記出力部用センサマグネットの体積は、前記モータ部用センサマグネットの体積よりも大きい、請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 　前記モータ部用センサマグネットと、前記出力部用センサマグネットとは、径方向に重なって配置される、請求項２に記載の電動アクチュエータ。
4. 　前記モータ部は、前記モータシャフトに取り付けられるロータと、前記ロータの外周を囲むステータと、前記ロータおよびステータを収容するモータ保持部とを有し、
   　前記モータ部用センサマグネットは、前記モータシャフトの前記モータ保持部から外側へ突出する部位に配置される、請求項２または３に記載の電動アクチュエータ。
5. 　前記出力部用センサマグネットは、前記モータ保持部の外周面の側方に位置する、請求項４に記載の電動アクチュエータ。
6. 　前記モータ保持部は、前記制御基板に面する蓋部を有し、
   　前記蓋部と、前記モータ部用センサマグネットと、前記出力部用センサマグネットとは、径方向に重なって配置される、請求項４または５に記載の電動アクチュエータ。
7. 　前記モータ保持部は、非磁性材料からなる、請求項４から６のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
8. 　前記制御基板はリジッド基板であり、前記制御基板の板面は軸方向に直交する、請求項１から７のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
9. 　前記モータ部センサは、ホール素子を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
10. 　前記出力部センサは、ＭＲ素子を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
11. 　前記出力部センサは、ＭＲ素子とホール素子とを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
    
     

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