JP6752687B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

近年、車両等の省力化、低燃費化のために電動化が進み、例えば、自動車の自動変速機やブレーキ、ステアリング等の操作を電動機の力で行うシステムが開発され、市場に投入されている。このような用途に使用されるアクチュエータとして、電動機の回転運動を直線方向の運動に変換するボールねじ機構を用いた電動リニアアクチュエータが知られている。

例えば、特許文献１には、電動モータからボールねじ機構へ複数のギヤを介して駆動力を伝達するように構成された電動リニアアクチュエータが提案されている。

特開２００７−４６６３７号公報

ところで、電動モータの駆動力をボールねじ機構へ効率良く伝達するには、駆動力を伝達するギヤ同士の噛み合い状態が精度良く維持されることが求められる。そのため、一般的に、ギヤは、軸の振れ回りが生じないように、２つの軸受によって両端部側で支持されている。

しかしながら、２つの軸受を用いてギヤを支持する構成は、部品点数が多くなり、軸方向サイズも大きくなるといった課題がある。

そこで、本発明は、部品点数を少なくし小型化を実現でき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、駆動用モータと、駆動用モータの回転運動を駆動用モータの出力軸と平行な軸方向の直線運動に変換する運動変換機構と、駆動用モータから運動変換機構へ駆動力を伝達する伝達ギヤ機構と、駆動用モータの回転運動を減速して伝達ギヤ機構へ出力する減速機構とを備える電動アクチュエータであって、伝達ギヤ機構が有する歯車の回転軸の一端部側を軸受で回転可能に支持し、歯車の回転軸の他端部側を駆動用モータの出力軸によって回転可能に支持することを特徴とする。

このように、回転軸の片方の端部側を駆動用モータの出力軸によって回転可能に支持することで、軸受の一方を省略することができる。これにより、部品点数が少なくなるので、低コスト化を図れると共に、電動アクチュエータの軸方向の小型化も可能となる。

上記減速機構として、駆動用モータの出力軸に一体的に取り付けられるサンギヤと、サンギヤの外周側に配置されたリングギヤと、サンギヤとリングギヤの間に配置され両ギヤに噛み合う複数の遊星ギヤと、複数の遊星ギヤを回転可能に保持すると共に伝達ギヤ機構の歯車の回転軸に一体的に取り付けられる遊星ギヤキャリアとを備える遊星歯車減速機構を採用することができる。この場合、駆動用モータの出力軸を遊星歯車減速機構のサンギヤに貫通させ、当該出力軸の先端部側を歯車の回転軸に設けられた軸孔に相対的に回転可能に挿入することで、駆動用モータの出力軸によって歯車の片方の端部側を回転可能に支持することができる。

また、軸受が取り付けられたアクチュエータケースに駆動用モータを取り付けることで、歯車の一端部側を支持する軸受と、歯車の他端部側を支持する駆動用モータとが、共に同じケース（アクチュエータケース）に取り付けられるため、駆動用モータの出力軸と軸受との相対的位置精度が向上する。すなわち、駆動用モータと軸受とが別個のケースに取り付けられていないので、駆動用モータと軸受との相対的位置がケース同士の組付け精度の影響を受けない。これにより、駆動用モータと軸受とによって支持される歯車の位置および姿勢の精度が向上する。

さらに、減速機構を駆動用モータと一緒にアクチュエータケースに取り付けることで、減速機と駆動用モータと軸受との相対的位置精度が向上し、歯車の位置および姿勢の精度向上が図れる。

本発明によれば、歯車を支持する２つの軸受の一方を省略することができるので、部品点数が少なくなり、電動アクチュエータの低コスト化及び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の縦断面図である。 電動アクチュエータの分解斜視図である。 遊星歯車減速機構を軸方向から見た図である。 電動アクチュエータの制御ブロック図である。 電動アクチュエータの制御ブロック図である。 駆動用モータとステーの取付方法を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線で矢視した横断面図である。 比較例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、本発明について説明する。なお、本発明を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図、図２は、前記電動アクチュエータの分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ１は、駆動用モータ２と減速機構３とを備えるモータ部４と、伝達ギヤ機構５と運動変換機構６とを備える駆動伝達変換部７を主な構成とする。なお、後述のように、モータ部４は減速機構３を備えないものであってもよい。

上記電動アクチュエータ１を構成する各部分は、それぞれ外装ケースを有し、各外装ケース内に構成部品が収容又は支持されている。具体的に、モータ部４は、駆動用モータ２と減速機構３とを収容するモータケース８を有し、駆動伝達変換部７は、伝達ギヤ機構５と運動変換機構６とを支持するアクチュエータケース９を有する。また、モータケース８は、駆動用モータ２を収容するモータケース本体６９と、モータケース本体６９とは別体に形成されたキャップ部材３２とを有する。モータケース本体６９は、アクチュエータケース９に対して駆動用モータ２の軸方向に連結分離可能に取り付けられており、駆動用モータ２と減速機構３もアクチュエータケース９に対して軸方向に連結分離可能に取り付けられている。さらに、アクチュエータケース９のモータケース８側とは反対側には、運動変換機構６の一部を収容する軸ケース１０が軸方向に連結分離可能に取り付けられている。なお、これらの外装ケース同士は互いにボルトで締結されて組み付けされている。以下、電動アクチュエータ１を構成する各部の詳細な構成について説明する。

図３は、減速機構を軸方向から見た図である。
減速機構３は、複数の歯車等から成る遊星歯車減速機構１１で構成される。図３に示すように、遊星歯車減速機構１１は、リングギヤ１２と、サンギヤ１３と、複数の遊星ギヤ１４と、遊星ギヤキャリア１５から構成される。

リングギヤ１２の中央には、サンギヤ１３が配置され、サンギヤ１３には駆動用モータ２の出力軸２ａが圧入嵌合されている。また、リングギヤ１２とサンギヤ１３との間には複数の遊星ギヤ１４がこれらと噛み合うように配置されている。各遊星ギヤ１４は、遊星ギヤキャリア１５によって回転可能に保持されている。

遊星歯車減速機構１１は、駆動用モータ２が回転駆動すると、駆動用モータ２の出力軸２ａに一体的に取り付けられたサンギヤ１３が回転し、これに伴って各遊星ギヤ１４が自転しながらリングギヤ１２に沿って公転する。そして、この遊星ギヤ１４の公転運動により遊星ギヤキャリア１５が回転する。これにより、駆動用モータ２の回転が減速されて伝達され、回転トルクが増加する。このように、遊星歯車減速機構１１を介して駆動力が伝達されることで、電動アクチュエータ１の出力が大きく得られるようになり、駆動用モータ２の小型化を図ることが可能である。本実施形態では、駆動用モータ２として、安価な（ブラシ付き）ＤＣモータを用いているが、ブラシレスモータ等の他のモータを用いてもよい。

次に、図１および図２に示すように、伝達ギヤ機構５は、回転軸が駆動用モータ２の出力軸２ａと同軸上に配置される第１歯車としての小径のドライブギヤ１６と、ドライブギヤ１６に噛み合う第２歯車としての大径のドリブンギヤ１７とで構成される。ドライブギヤ１６の回転中心部には回転軸であるギヤボス１８（図１参照）が圧入嵌合され、ギヤボス１８の軸方向の一端部（図１における右端部）は、アクチュエータケース９に取り付けられた転がり軸受１９によって回転可能に支持されている。なお、ドライブギヤ１６とギヤボス１８は、焼結により一体に成型されていてもよい。一方、ギヤボスの反対側の端部（図１における左端部）は、当該端部側に開口する軸孔１８ａ内にサンギヤ１３を貫通する駆動用モータ２の出力軸２ａが挿入されることで支持されている。すなわち、駆動用モータ２の出力軸２ａは、ギヤボス１８に対して相対的に回転可能な滑り軸受の関係で挿入されている。また、駆動用モータ２の出力軸２ａとギヤボス１８との間の相対的な回転を円滑に行えるように、ギヤボス１８の軸孔１８ａ内にグリース等の潤滑剤を充填してもよい。ギヤボス１８が焼結合金から成り、さらにドライブギヤ１６と一体に成型した場合は、焼結材が潤滑油を保持することで滑り軸受として好適である。

ギヤボス１８は、遊星ギヤキャリア１５と一体的に回転するように取り付けられている。詳しくは、遊星ギヤキャリア１５の中央部に円筒部１５ａ（図１参照）が設けられており、この円筒部１５ａがギヤボス１８の外周面に圧入嵌合されている。なお、遊星ギヤキャリア１５を樹脂とし、ギヤボス１８を遊星ギヤキャリア１５と一体にインサート成型してもよい。これにより、駆動用モータ２が回転駆動し、これに伴って遊星ギヤキャリア１５が回転すると、遊星ギヤキャリア１５と一体的にドライブギヤ１６が回転し、ドリブンギヤ１７が回転する。なお、本実施形態では、小径のドライブギヤ１６から大径のドリブンギヤ１７へ回転が減速されて（トルクを増大させて）伝達するように構成されているが、ドライブギヤ１６からドリブンギヤ１７へ等速で回転を伝達するようにしてもよい。

続いて、運動変換機構について説明する。
運動変換機構６は、駆動用モータ２の出力軸２ａと平行な軸上に配置されるボールねじ２０で構成される。なお、運動変換機構６は、ボールねじ２０に限らず、滑りねじ装置であってもよい。ただし、回転トルクを低減して、駆動用モータ２を小型化する観点からすれば、ボールねじ２０の方が好適である。

ボールねじ２０は、ボールねじナット２１と、ボールねじ軸２２と、多数のボール２３と、図示しない循環部材とを備える。ボールねじナット２１の内周面とボールねじ軸２２の外周面には、それぞれ螺旋状溝が形成されており、両螺旋状溝の間にボール２３が２列に収容されている。

ボールねじナット２１は、アクチュエータケース９に取り付けられた複列軸受２４によって回転可能に支持されている。複列軸受２４は、ボールねじナット２１の外周面上のドリブンギヤ１７が固定されている箇所よりもボールねじ軸２２の後端側（図１の右側）に圧入嵌合されて固定されている。一方、ボールねじ軸２２は、その後端部（図１の右端部）に設けられた回転規制部材としてのピン２５が軸ケース１０の内周面に形成された軸方向の案内溝１０ａに挿入されることで回転が規制されている。

ボールねじナット２１が回転すると、これに伴って複数のボール２３が螺旋状溝に沿って移動しながら循環部材を介して循環し、ボールねじ軸２２が軸ケース１０の案内溝１０ａに沿って軸方向に進退する。このように、ボールねじ軸２２が進退することで、駆動用モータ２からの回転運動が駆動用モータ２の出力軸２ａと平行な軸方向の直線運動に変換される。そして、ボールねじ軸２２の前進方向の先端部（図１の左端部）が、操作対象装置を操作する操作部（アクチュエータヘッド）として機能する。なお、図１は、ボールねじ軸２２が最も図の右側へ後退した初期位置に配置された状態を示している。

また、本実施形態に係る電動アクチュエータ１は、ボールねじ軸２２の意図しない進退を防止するためのロック機構２６（図２参照）を備えている。ロック機構２６は、軸ケース１０に装着されており、ドライブギヤ１６の周方向に渡って形成された複数の係合孔１６ａ（図２参照）に対して係脱可能に構成されている。ロック機構２６が係合孔１６ａの１つに係合してドライブギヤ１６の回転を規制することで、操作対象装置側からボールねじ軸２２側へ外力が入力されたとしても、ボールねじ軸２２の意図しない進退を防止し、その進退方向の位置を所定の位置に保持しておくことが可能である。斯かるロック機構２６を備える構成は、特に位置保持が必要なアプリケーションに電動アクチュエータを適用する場合に好適である。

ボールねじ軸２２の先端部側には、ボールねじナット２１内に異物が侵入するのを防止するブーツ２７が装着されている。ブーツ２７は、大径端部２７ａと小径端部２７ｂとこれらを繋いで軸方向に伸縮する蛇腹部２７ｃで構成され、小径端部２７ｂがボールねじ軸２２の外周面にブーツバンド２８によって締め付け固定されている。ブーツ２７の大径端部２７ａは、モータケース本体６９に取り付けられた円筒状のブーツ装着部材３０の外周面にブーツバンド２９によって締め付け固定されている。

また、ブーツ２７の外側には、ブーツ２７を保護するための円筒状のブーツカバー３１が設けられている。ブーツカバー３１の内側には、円筒状の取付部３１ａ（図１参照）が設けられており、この取付部３１ａに対してブーツ装着部材３０が取り付けられている。ブーツカバー３１および取付部３１ａは、いずれもモータケース本体６９に一体に設けられている。

また、モータケース本体６９のアクチュエータケース９側とは反対側には、キャップ部材３２が装着されている。キャップ部材３２には、図示しない動力電源から駆動用モータ２に電力を供給するためのバスバー３３を挿通させる挿通孔３２ａ（図２参照）が形成されている。さらに、モータケース本体６９の外周面には、ボールねじ軸２２のストロークを検出するためのストロークセンサが収容されるセンサケース３４（図２参照）が一体に設けられている。

続いて、図４に基づき、ストロークセンサを用いた電動アクチュエータのフィードバック制御について説明する。
図４に示すように、目標値が制御装置８０に送られると、制御装置８０のコントローラ８１から駆動用モータ２に制御信号が送られる。なお、この目標値は、例えば、車両上位のＥＣＵに操作量が入力された際に、その操作量に基づいてＥＣＵが演算したストローク値である。

制御信号を受け取った駆動用モータ２は回転駆動を開始し、この駆動力が上記遊星歯車減速機構１１、ドライブギヤ１６、ドリブンギヤ１７、ボールねじナット２１を介してボールねじ軸２２に伝達されて、ボールねじ軸２２が前進する。これにより、ボールねじ軸２２の先端部側（アクチュエータヘッド側）に配置される操作対象装置が操作される。

このとき、ストロークセンサ７０によってボールねじ軸２２のストローク値（軸方向位置）が検出される。ストロークセンサ７０によって検知された検出値は制御装置８０の比較部８２に送られ、検出値と上記目標値との差分が算出される。そして、検出値が目標値と一致するようになるまで、駆動用モータ２を駆動させる。このように、ストロークセンサ７０によって検出されたストローク値がフィードバックされてボールねじ軸２２の位置が制御されることで、本実施形態の電動アクチュエータ１を、例えば、シフトバイワイヤに適用した場合、シフト位置を確実にコントロールすることができる。

次に、図５に基づき、ストロークセンサ７０に代えて圧力センサ８３を用いた場合のフィードバック制御について説明する。
図５に示すように、この場合は、操作対象装置に圧力センサ８３が設けられている。車両上位のＥＣＵに操作量が入力されると、ＥＣＵは要求される目標値（圧力指令値）を演算する。この目標値が制御装置８０に送られ、コントローラ８１から駆動用モータ２に制御信号が送られると、駆動用モータ２は回転駆動を開始する。これにより、ボールねじ軸２２が前進し、ボールねじ軸２２の先端部側（アクチュエータヘッド側）に配置される操作対象装置が加圧操作される。

このときのボールねじ軸２２の操作圧力は、圧力センサ８３により検出され、この検出値と目標値に基づいて、上記ストロークセンサ７０を用いる場合と同様に、ボールねじ軸２２の位置がフィードバック制御される。このように、圧力センサ８３によって検出された圧力値がフィードバックされてボールねじ軸２２の位置が制御されることで、本実施形態の電動アクチュエータ１を、例えば、ブレーキバイワイヤに適用した場合、ブレーキの液圧を確実にコントロールすることができる。

ここで、本発明とは別の比較例に係る電動アクチュエータの構成について説明する。
図８に示す比較例に係る電動アクチュエータ１００は、上記本発明の実施形態と同様に、駆動用モータ１０２、減速機構としての遊星歯車減速機構１１１、伝達ギヤ機構としてのドライブギヤ１１６およびドリブンギヤ１１７、運動変換機構としてのボールねじ１２０を備えているが、本発明の実施形態に対して特にドライブギヤ１１６を支持する構成が異なっている。

具体的に、ドライブギヤ１１６は、その回転軸であるギヤボス１１８の両端部側に配置された２つの転がり軸受１９０，１９１によって回転可能に支持されている。比較例の構成について詳しく説明すると、電動アクチュエータ１００の外装部を構成するケースは、図８における左側から順に、駆動用モータ１０２を収容するモータケース１０８、遊星歯車減速機構１１１を収容する減速ギヤケース１６０、ドライブギヤ１１６およびドリブンギヤ１１７を収容する伝達ギヤケース１７０、ボールねじ１２０を支持する複列軸受１２４を収容する軸受ケース１８０、ボールねじ軸１２２の後端部側を収容する軸ケース１１０とで構成され、各ケースは隣り合うケースに対してボルトで締結されている。そして、伝達ギヤケース１７０に一方の転がり軸受１９０が取り付けられ、軸受ケース１８０に他方の転がり軸受１９１が取り付けられている。

上記のような比較例に対して、本発明の実施形態に係る電動アクチュエータ１では、ギヤボス１８を支持する転がり軸受が１つのみ（転がり軸受１９のみ）であり、片方の転がり軸受（比較例で言うところの図８の左側の転がり軸受１９０）が省略されている。そして、転がり軸受が省略された側のギヤボス１８の端部側は、駆動用モータ２の出力軸２ａによって回転可能に支持されている。このように、本実施形態では、ギヤボス１８の片方の端部側を駆動用モータ２の出力軸２ａによって回転可能に支持することで、ドライブギヤ１６を支持する軸受の一方を省略している。これにより、比較例に比べて部品点数が少なくなるので、低コスト化を図れると共に、電動アクチュエータの軸方向の小型化も可能となる。

さらに、本実施形態では、ドライブギヤ１６を支持する駆動用モータ２と、ドライブギヤ１６を支持する転がり軸受１９とが、共に同じケース（アクチュエータケース９）に取り付けられているため、駆動用モータ２の出力軸２ａと転がり軸受１９との相対的位置精度が向上する。すなわち、駆動用モータ２と転がり軸受１９とが別個のケースに取り付けられる場合は、これらのケースを組み付ける際の組付け精度が駆動用モータ２と転がり軸受１９との相対的位置関係に影響を与えるが、本実施形態の場合は、駆動用モータ２と転がり軸受１９との相対的位置がケース同士の組付け精度の影響を受けない。これにより、駆動用モータ２と転がり軸受１９とによって支持されるドライブギヤ１６の位置および姿勢の精度が向上する。

具体的に、アクチュエータケース９に対する駆動用モータ２の取付は、図６に示すように、まず、板状のステー３５の中央に形成された孔部３５ａに駆動用モータ２の出力軸２ａを挿通し、次いで、２本のボルト３７をステー３５のボルト挿通孔３５ｂに挿通して駆動用モータ２に設けられたねじ孔２ｃに螺合させる。これにより、ステー３５が駆動用モータ２に対して一体的に固定される。そして、別の２本のボルト３６を上記ボルト３７とは反対側からステー３５に設けられた別のボルト挿通孔３５ｃに挿通し、これらをアクチュエータケース９に設けられたねじ孔９ａ（図２参照）に螺合させ、ステー３５をアクチュエータケース９に対して締結する。これによって、アクチュエータケース９に対して駆動用モータ２がモータケース８を介さずに直接取り付けられる。また、ステー３５がアクチュエータケース９に対してボルト３６で締結された状態を、図１のＡ−Ａ線で矢視した横断面図である図７に示す。

また、本実施形態では、ドライブギヤ１６に組み付けられる遊星歯車減速機構１１も、アクチュエータケース９に対して駆動用モータ２と一緒に取り付けられている。具体的には、リングギヤ１２が駆動用モータ２を締結するボルト３６でアクチュエータケース９に対して共締めされることで取り付けられる（図７参照）。リングギヤ１２には、ボルト３７との干渉を回避するために孔部１２ａ（図１参照）が形成されており、リングギヤ１２がアクチュエータケース９に取り付けられた状態では、リングギヤ１２はステー３５に対して接触した状態で保持される。このように、遊星歯車減速機構１１も、駆動用モータ２および転がり軸受１９が取り付けられるアクチュエータケース９に取り付けられることで、これらの相対的位置精度が向上し、ドライブギヤ１６の位置および姿勢が精度良く決定される。

以上のように、本実施形態に係る電動アクチュエータによれば、ドライブギヤを支持する軸受を省略して部品点数の削減を図り、低コスト化や小型化を実現できると共に、ドライブギヤを精度良く位置保持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は、前述の実施形態に限らず、用途や仕様に応じて駆動用モータの大きさを変えたり、ボールねじのストローク長を変えたりするなど、必要な部分だけを変更、削除、又は追加することが可能である。よって、本発明に係る電動アクチュエータを、例えば、二輪車を含む自動車用の電動パーキングブレーキ機構や、電動油圧ブレーキ機構、電動シフト切替機構、電動パワーステアリングのほか、２ＷＤ／４ＷＤ電動切替機構、船外機用（船舶推進機用）の電動シフト切替機構などに多品種展開する場合においても、低コストでシリーズ化の実現が可能である。

１ 電動アクチュエータ
２ 駆動用モータ
２ａ 出力軸
３ 減速機構
５ 伝達ギヤ機構
６ 運動変換機構
９ アクチュエータケース
１１ 遊星歯車減速機構
１２ リングギヤ
１３ サンギヤ
１４ 遊星ギヤ
１５ 遊星ギヤキャリア
１６ ドライブギヤ
１７ ドリブンギヤ
１８ ギヤボス（回転軸）
１８ａ 軸孔
１９ 転がり軸受

Claims (3)

1. 駆動用モータと、前記駆動用モータの回転運動を前記駆動用モータの出力軸と平行な軸方向の直線運動に変換する運動変換機構と、前記駆動用モータから前記運動変換機構へ駆動力を伝達する伝達ギヤ機構と、前記駆動用モータの回転運動を減速して前記伝達ギヤ機構へ出力する減速機構とを備える電動アクチュエータであって、
   前記減速機構は、前記駆動用モータの出力軸に一体的に取り付けられるサンギヤと、前記サンギヤの外周側に配置されたリングギヤと、前記サンギヤと前記リングギヤの間に配置され両ギヤに噛み合う複数の遊星ギヤと、前記複数の遊星ギヤを回転可能に保持すると共に前記伝達ギヤ機構の前記歯車の回転軸の外周面に一体的に取り付けられる遊星ギヤキャリアとを備える遊星歯車減速機構であり、
   前記伝達ギヤ機構が有する歯車の回転軸の一端部側を軸受で回転可能に支持し、
   前記駆動用モータの出力軸が、前記遊星歯車減速機構の前記サンギヤを貫通し、前記歯車の回転軸に設けられた軸孔に相対的に回転可能に挿入され、前記歯車の回転軸の他端部側の内周面が前記駆動用モータの出力軸によって回転可能に支持されることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記軸受が取り付けられたアクチュエータケースに前記駆動用モータを取り付けた請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記減速機構を前記駆動用モータと一緒に前記アクチュエータケースに取り付けた請求項２に記載の電動アクチュエータ。

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