JP2018186658A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度検出装置の設置スペース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。【解決手段】減速機８を介して回転操作軸３を回転駆動させるモータ部７と、モータ部７の回転角度を検出する回転角度検出装置３０とを備えた電動アクチュエータであって、回転角度検出装置３０は、モータ部７の回転方向にＳ極とＮ極の異なる磁極に着磁され、モータ部７の出力軸１２と一体に回転する磁石３１，３２の磁束を検出するように構成され、回転操作軸３の可動範囲をθ°とすると、減速機８の減速比を３６０°／θ°未満とした。【選択図】図２

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２００６−４６３１８号公報）には、バタフライバルブを回転操作して開度を調整するアクチュエータが記載されている。また、特許文献２（特開２００９−２７０４４０号公報）には、モータの回転角度からバルブの開度を特定する手段として、モータにおけるロータのコイルから出力される電圧の位相変化を利用してロータの回転角を検出するレゾルバ等の回転角センサを用いた構成が記載されている。

特開２００６−４６３１８号公報 特開２００９−２７０４４０号公報

ところで、上記のような回転角センサを備える電動アクチュエータにおいては、小型化を図る上で、回転角センサの設置スペースを小さくすることが解決課題の１つであった。

そこで、本発明は、回転角度検出装置の設置スペース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、減速機を介して回転操作軸を回転駆動させるモータ部と、モータ部の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えた電動アクチュエータであって、回転角度検出装置は、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、モータ部の出力軸と一体的に回転する磁石の磁束を検出するように構成され、回転操作軸の可動範囲をθ°とすると、減速機の減速比を３６０°／θ°未満としたことを特徴とする。

回転操作軸の可動範囲（θ°）に対して、減速機の減速比を、３６０°／θ°未満に設定することで、回転操作軸の回転操作に必要なモータ部の回転範囲を、３６０°未満の範囲で制御することができるようになる。この場合、モータ部の絶対角度位置を検出することで回転操作軸の絶対値（回転角度）を推定することができるようになるので、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、モータ部の出力軸と一体的に回転する磁石の磁束を検出するものを用いて、モータ部の回転角度を検出し、回転操作軸の回転角度を制御できるようになる。そして、このような回転角度検出装置を用いることで、レゾルバ等の回転角センサに比べて設置スペースを小さくすることが可能となる。

また、上記のような設置スペースを小さくできる回転角度検出装置として、モータ部の出力軸と一体的に回転するように設けられ、異なる磁極に着磁された磁石と、磁石の磁束を検出することで正弦波の出力信号と余弦波の出力信号とが得られる磁気センサとを備えるものを用いることができる。

また、本発明は、例えば、回転操作軸を一体的に回転するように連結する連結部が、モータ部の出力軸と同軸上に配置された電動アクチュエータに適用することが可能である。

また、本発明に係る電動アクチュエータが、磁石を保持する磁石保持部材と、磁石保持部材が嵌め込まれた取付部材とを備える場合、取付部材をモータ部の出力軸の内周面に取り付けることで、磁石を出力軸の内周に配置することができる。これにより、出力軸内の空間を磁石の設置スペースとして有効活用することができ、小型化を図れる。

また、取付部材は、磁石保持部材が脱落しないように磁石保持部材に重なるように設けられた脱落防止部を有することが望ましい。

また、取付部材の外周縁の周方向に間隔をあけて複数の溝部を形成し、外周縁を径方向に弾性変形可能に構成することで、モータ部の出力軸内へ取付部材の取付作業を容易に行うことができるようになる。

また、本発明に係る電動アクチュエータは、流体通路の開度を調整するバタフライバルブの回転操作軸を回転操作する電動アクチュエータに適用することができる。

本発明によれば、回転角度検出装置の設置スペースが小さくなるので、電動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外観図である。 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Ｙ−Ｙ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。 図２中の領域Ｘの断面図である。 取付部材の斜視図である。 減速機を備えていない電動アクチュエータの縦断面図である。 シリーズ化に適した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にバタフライバルブを連結した状態の外観図である。
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、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た円筒状の出力軸１２とを備える電動モータで構成される。この出力軸１２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によって出力軸１２がケーシング９に対して回転可能に支持されている。軸受１３，１４としては、ラジアル荷重とスラスト荷重の双方を支持できる転がり軸受、例えば深溝玉軸受を使用することができる。

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、有底円筒状の底部９１と、両端を開口した筒部９２と、蓋部９３とに分割している。筒部９２の軸方向一方側に蓋部９３が配置され、筒部９２の軸方向他方側に底部９１が配置される。底部９１、筒部９２、および蓋部９３は、ボルト等の締結手段を用いて一体化される。モータ部７の出力軸１２を支持する軸受１３，１４のうち、軸方向一方側の軸受１３は筒部９２の内周面に固定され、軸方向他方側の軸受１４は底部９１の内周面に固定される。

続いて、図２、および図２のＹ−Ｙ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、太陽ローラ１５と、外側リング１６と、複数の遊星ローラ１７と、キャリア１８とを備える、トラクションドライブ式の遊星減速機である。本実施形態では、太陽ローラ１５をモータ部７の出力軸１２の軸方向一端部に一体に設けている。遊星ローラ１７は、中空軸１９の外周に装着された転がり軸受２０（例えば、深溝玉軸受）によってキャリア１８に対して回転可能に取り付けられている。中空軸１９は、その軸方向の一端部（図２における右側の端部）が加締められることで、他端部に設けられたフランジ部との間に転がり軸受２０の内輪とキャリア１８を挟んで固定されている。

遊星ローラ１７には、外側リング１６によって内径方向のトラクション（予圧）が付与されている。詳しくは、外側リング１６を所定の締め代でケーシング９（筒部９２）内に圧入又は焼嵌めすることにより外側リング１６を縮径させ、外側リング１６と遊星ローラ１７との接触部、および遊星ローラ１７と太陽ローラ１５との接触部にトラクションが付与される。

キャリア１８は、回転操作軸３が一体的に回転するように連結されると共に、モータ部７からの回転を回転操作軸３へ減速して出力する出力軸として機能する。キャリア１８は、半径方向に延び、上記中空軸１９を介して転がり軸受２０や遊星ローラ１７が取り付けられる円盤部１８１と、円盤部１８１の中央部からモータ部７の出力軸１２側に延び、出力軸１２の内周に配置された内方筒部１８２と、円盤部１８１の中央部からモータ部７の出力軸１２側とは反対側に延び、出力軸１２の軸方向外側に配置された外側筒部１８３とを有する。内方筒部１８２の外周面には転がり軸受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１８はモータ部７の出力軸１２に対して回転可能に支持されている。外側筒部１８３の外周面には環状のシール部材２１が装着され、シール部材２１によって外側筒部１８３とケーシング９（蓋部９３）との間が封止されている。

内方筒部１８２と外側筒部１８３とは、互いに同じ外径、同じ内径に形成され、モータ部７の出力軸１２と同軸上に配置されている。これらの内周には筒状の断熱材２４が挿入されており、この断熱材２４を介して回転操作軸３が内方筒部１８２および外側筒部１８３と連結される。従って、内方筒部１８２および外側筒部１８３の内周には、回転操作軸３が一体的に回転するように連結される連結部２３がモータ部７の出力軸１２と同軸上に配置されている。断熱材２４は、内方筒部１８２および外側筒部１８３のそれぞれの内周面に対してスプライン（又はセレーション）嵌合により連結され、回転操作軸３も、断熱材２４の内周面に対してスプライン（又はセレーション）嵌合により連結される（図３参照）。断熱材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）にＧＦ（ガラス繊維）を混合した耐熱性合成樹脂で構成されており、冷気や熱気が通ることで変化するバルブの温度が回転操作軸３を介して電動アクチュエータ６に与える影響を抑制するために設けられている。

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の出力軸１２が回転すると、出力軸１２と一体の太陽ローラ１５が回転することで、複数の遊星ローラ１７が自転しながら外側リング１６に沿って公転する。そして、この遊星ローラ１７の公転運動によりキャリア１８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に保持され、磁石保持部材３４は円盤状の取付部材３５を介してモータ部７の出力軸１２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（底部９１）に固定されている。

モータ部７が駆動して出力軸１２が回転すると、各磁石３１，３２が出力軸１２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、出力軸１２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の出力軸１２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。

ここで、本発明に係る電動アクチュエータにおいては、回転操作軸３の可動範囲（最大回転角度）をθ°とすると、減速機８の減速比は３６０°／θ°未満となるように設定されている。例えば、回転操作軸３の可動範囲が９０°であるとすると、減速機８の減速比は３６０°／９０°＝４未満に設定される。

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８の減速比を３６０°／θ°未満となるように設定することで、回転操作軸３の回転操作に必要なモータ部７の回転範囲を、３６０°未満の範囲で制御できるようになる。この場合、モータ部７の絶対角度位置を検出することで回転操作軸３の絶対値（回転角度）を推定することができるようになるので、回転角度検出装置として、上記のような異なる磁極に着磁された一対の磁石３１，３２と、これらの磁束を検出することで正弦波の出力信号と余弦波の出力信号とが得られる磁気センサ３３とを備える回転角度検出装置３０を用いることができるようになる。そして、このような回転角度検出装置３０を用いることで、レゾルバ等の回転角センサに比べて設置スペースを小さくすることができ、電動アクチュエータの小型化を図れるようになる。

また、図２に示すように、本実施形態では、各磁石３１，３２をモータ部７の出力軸１２の内周に配置し、出力軸１２内の空間を磁石３１，３２の設置スペースとして有効活用することで、より一層の小型化を図っている。すなわち、本実施形態の構成においては、磁石３１，３２の設置スペースをモータ部７の出力軸１２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。

図６に示すように、本実施形態において、各磁石３１，３２は、磁石保持部材３４の中央に設けられた凹部３４ａに嵌め込まれることで保持されている。また、磁石保持部材３４は、取付部材３５の中央に設けられた凹部３５ａに嵌め込まれている。このように、取付部材３５の凹部３５ａに磁石保持部材３４が嵌め込まれることで、基本的に磁石保持部材３４は取付部材３５から脱落しないように保持される。

しかし、取付部材３５による磁石保持部材３４の保持力に不安がある場合は、さらに、図７に示すように、取付部材３５に磁石保持部材３４の脱落を防止する複数の脱落防止部３５ｂを設けてもよい。これにより、磁石保持部材３４は、複数の脱落防止部３５ｂによって取付部材３５の凹部３５ａから脱落しないように規制される。脱落防止部３５ｂは、例えば、板金製の取付部材３５にＵ字型の切れ込みを入れて形成された切れ込み片を、磁石保持部材３４に重なるように加締め加工（曲げ加工）することで形成することができる。また、脱落防止部３５ｂは、各磁石３１，３２には重ならないように配置されており、脱落防止部３５ｂが各磁石３１，３２の磁束に影響を及ぼさないようにしている。

また、図６に示すように、本実施形態では、モータ部７の出力軸１２の内周面が段差状に形成されており、取付部材３５は、磁気センサ３３側の開口内周部１２ａよりも奥側に大きい内径で形成された大径内周部１２ｂに嵌合して取り付けられている。斯かる取付構造において、取付部材３５を磁気センサ３３側から大径内周部１２ｂに挿入するには、開口内周部１２ａおいて取付部材３５を内径方向に弾性変形させる必要がある。そのため、本実施形態では、図７に示すように、取付部材３５の外周縁３５ｃに周方向に間隔をあけて複数の溝部（切欠き）３５ｄを形成し、特に外周縁３５ｃの部分が内径方向に弾性変形しやすいように形成している。これにより、モータ部７の出力軸１２内への取付部材３５の取付作業が容易となる。

本実施形態では、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、本実施形態では、バックラッシに起因するガタが少なく、回転方向の位置決め精度と低騒音性に優れる減速機として、トラクションドライブ式の遊星減速機を採用しているが、これに限らずギヤを用いた遊星ギヤ減速機を使用することもできる。また、遊星減速機以外の構成を有する減速機を使用してもよい。

また、本実施形態では、トラクションドライブ式の遊星減速機にトラクションを与える手法として、外側リング１６をケーシング９の内周面に所定の締め代で圧入又は焼嵌めすることにより、外側リング１６を縮径させる手法を例に挙げたが、これに限らず任意の手法を採用することができる。例えば、外側リング１６に軸方向の圧力をかけて外側リング１６を内径側に撓むように弾性変形させることで、トラクションを付与することも可能である。なお、圧入又は焼嵌めにより外側リング１６を縮径させる手法は、外側リング１６を撓みやすく形成しなくてもよいため、断面がブロック状又は中実の外側リング１６（図２参照）を採用することができ、外側リング１６の強度を向上させることができる。

図８は、減速機を備えていない電動アクチュエータの例を示す図である。
図８に示す電動アクチュエータ６においては、上記のような減速機８が設けられていないため、回転操作軸３は、断熱材２４を介してモータ部７の出力軸１２に対して同軸上に連結される。また、減速機８のほか、減速機８を支持する上記転がり軸受２２、上記ケーシング９の蓋部９３、蓋部９３の内周に配置される上記シール部材２１も設けられていない。それ以外は上記図１〜図３に示す電動アクチュエータ６と同様の構成である。

このような電動アクチュエータ６においても、上述の実施形態に係る電動アクチュエータと同様に、モータ部７の回転角度を検出する回転角度検出装置として、一対の磁石３１，３２と磁気センサ３３とを備える回転角度検出装置３０を用いることで、設置スペースを小さくすることができ、電動アクチュエータの小型化を図れるようになる。

また、図９に示す例は、減速機８を備える電動アクチュエータ６であるが、ここでは、キャリア１８の外側筒部１８３を内方筒部１８２よりも径方向に大きく形成している。そして、外側筒部１８３の内径φＡ１および外径φＢ１を、モータ部７の出力軸１２の太陽ローラ１５側の部分（図９における右端部）の内径φＡ２および外径φＢ２と同じ大きさにしている（φＡ１＝φＡ２、φＢ１＝φＢ２）。また、この構成においては、内方筒部１８２内には断熱材２４が挿入されておらず、外側筒部１８３内に挿入された断熱材２４を介して回転操作軸３が連結される。それ以外は、図１〜３に示す上記実施形態と基本的に同様の構成である。

このような構成とすることで、外側筒部１８３の外周面又は内周面に嵌合させる部材を、モータ部７の出力軸１２の外周面又は内周面にも嵌合させることができるようになり、減速機８を備える場合と備えない場合とで共通の部材を使用することができる。例えば、図８に示す減速機８を備えないタイプと、図９に示す減速機８を備えるタイプとで、モータ部７の出力軸１２内に嵌合させる断熱材２４（図８）と、キャリア１８の外側筒部１８３内に嵌合させる断熱材２４（図９）に、同じ外径の断熱材２４を用いることができるようになる。特に、このような構成は、電動アクチュエータを種々の用途に応じて多品種展開する場合に、多くの共通部品を換えることなくシリーズ化することができるので好ましい。

なお、本発明は前述した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。上記施形態では、モータ部７の出力軸１２と回転操作軸３とが同軸上に配置されているが、本発明はこのような電動アクチュエータに適用される場合に限らない。例えば、モータ部の出力軸と回転操作軸とが平行に配置された電動アクチュエータにおいても、減速機の減速比を３６０°／θ°（θは回転操作軸の可動範囲）未満に設定することで、上記と同様の回転角度検出装置を用いることができ、電動アクチュエータの小型化が図れるようになる。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、回転操作軸がモータ部の３６０°未満の回転によって回転操作される装置や部材に対して適用可能である。

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
１２ 出力軸
２３ 連結部
３０ 回転角度検出装置
３１ 磁石
３２ 磁石
３３ 磁気センサ
３４ 磁石保持部材
３５ 取付部材
３５ｂ 脱落防止部
３５ｃ 外周縁
３５ｄ 溝部

Claims (7)

1. 減速機を介して回転操作軸を回転駆動させるモータ部と、
   前記モータ部の回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えた電動アクチュエータであって、
   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、前記モータ部の出力軸と一体的に回転する磁石の磁束を検出するように構成され、
   前記回転操作軸の可動範囲をθ°とすると、前記減速機の減速比を３６０°／θ°未満としたことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記回転角度検出装置は、モータ部の出力軸と一体的に回転するように設けられ、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する請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記回転操作軸を一体的に回転するように連結する連結部が、前記モータ部の出力軸と同軸上に配置された請求項１又は２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記磁石を保持する磁石保持部材と、前記磁石保持部材が嵌め込まれた取付部材とを備え、
   前記取付部材を前記モータ部の出力軸の内周面に取り付けた請求項１から３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。
5. 前記取付部材は、前記磁石保持部材が脱落しないように前記磁石保持部材に重なるように設けられた脱落防止部を有する請求項４に記載の電動アクチュエータ。
6. 前記取付部材の外周縁の周方向に間隔をあけて複数の溝部を形成し、前記外周縁を径方向に弾性変形可能に構成した請求項４又は５に記載の電動アクチュエータ。
7. 前記回転操作軸は、流体通路の開度を調整するバタフライバルブの回転操作軸である請求項１から６のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。

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