JP7465624B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、減速機、モータ及びファンを備えるアクチュエータに関する。

従来からアクチュエータの小型化のため、減速機とモータを一体化することが試みられている（特許文献１参照）。アクチュエータの高出力化を実現しようとすると、モータの冷却が必要になる。モータを冷却するために、特許文献１のアクチュエータにおいては、モータの回転軸にファンを取り付け、モータのハウジングの外面にフィンを設け、ファンによってモータのハウジングの外面に沿って風を発生させるようにしている。

特開２０１５－１３０７６４号公報

しかしながら、従来のアクチュエータにおいては、モータの外側部分を冷却することができても、モータの中心部分を効率よく冷却できないという課題がある。このため、モータの中心部分の温度が上昇して、モータの効率が低下してしまう。また、モータの外面にフィンを設けるので、アクチュエータの重量の増加を招いてしまう。

そこで、本発明は、モータを効率よく冷却することができるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、モータと、前記モータの回転を減速する減速機と、前記モータを冷却するファンと、を備え、前記減速機、前記モータ、前記ファンを順番に配置し、前記減速機と前記モータとの間のハウジングに吸気口を設け、前記ファンが前記吸気口から空気を吸い込んで、前記モータに風を当て、前記ファンは前記モータのシャフトには接続されておらず、ファンモータによって回転し、前記モータが、コイルを有するステータと、マグネットを有するアウターロータと、を備えるアウターロータ型モータであり、前記吸気口から吸い込んだ空気が、前記コイル、前記ステータの内側に設けられる固定部材の開口、前記ハウジングと前記アウターロータとの間の隙間に分かれて流れ、その後、前記ファンを通過するアクチュエータである。

本発明の一態様によれば、モータの熱が減速機に伝わりにくくしながらモータを効率よく冷却することができる。

本発明の一実施形態のアクチュエータの外観斜視図である（図１（ａ）は減速機側から見た斜視図であり、図１（ｂ）はファン側から見た斜視図である）。 本実施形態のアクチュエータのシャフトに沿った断面図である。 本実施形態のアクチュエータのステータの斜視図である。 本実施形態のアクチュエータのステータの正面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明のアクチュエータを具体化した実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明のアクチュエータは種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。この実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本発明の一実施形態のアクチュエータ１の外観斜視図を示す。図２は、シャフト６に沿ったアクチュエータ１の断面図を示す。図２に示すように、ハウジング５には、減速機２、モータ３、ファン４が収容される。

減速機２、モータ３、ファン４は、シャフト６の軸方向に順番に（図２では左から順番に）配置される。減速機２とモータ３は、シャフト６を共有する。ファン４はシャフト６から離れていて、シャフト６には接続されていない。この実施形態では、減速機２、モータ３、ファン４が同軸上に配置、すなわち、シャフト６とファン４の回転中心である回転軸４ａとが同軸上に配置されるが、空気の流路が確保できれば、必ずしも同軸上に配置される必要はない。

図１（ａ）は減速機２側から見たアクチュエータ１の外観斜視図であり、図１（ｂ）はファン４側から見たアクチュエータ１の外観斜視図である。減速機２とモータ３との間のハウジング５には、吸気口７が設けられる。図２に示すように、ファン４を回転させると、吸気口７から空気が吸い込まれ、風８（風を符号８の矢印で模式的に示す）がモータ３に当たる。風８はモータ３、ファン４を通り、ハウジング５の排気口９から排気される。

図２に示すように、ハウジング５は、減速機２が収容される減速機ハウジング５ａと、モータ３とファン４が収容されるモータハウジング５ｂと、を備える。ハウジング５の材質は、特に限定されるものではない。例えば減速機ハウジング５ａは金属製で、モータハウジング５ｂは樹脂製である。減速機ハウジング５ａは、ブラケット１０を有して略有底筒状である。モータハウジング５ｂは、略筒状である。減速機ハウジング５ａの一端部にモータハウジング５ｂの一端部が連結される。モータハウジング５ｂの一端部には、円周方向に複数の吸気口７が設けられる。モータハウジング５ｂの他端部には、排気口９が設けられる。

減速機２は、モータ３の回転を減速して出力軸から出力する。減速機２の種類は、特に限定されるものではなく、例えば遊星歯車式、サイクロイド式、波動歯車式、平歯車式等を用いることができる。図２には、減速機２の一例として、遊星歯車式減速機を示す。

１１は太陽歯車、１３は内歯車、１２は遊星歯車、１４はキャリヤ、１５は出力軸である。太陽歯車１１は、減速機２の入力軸として機能するシャフト６に固定されてシャフト６と共に回転する。内歯車１３は、ボルト等の締結部材１６によって減速機ハウジング５ａに固定される。遊星歯車１２は、太陽歯車１１と内歯車１３に噛み合う。キャリヤ１４は、遊星歯車１２を自転可能に支持すると共に、ボルト等の締結部材１７によって出力軸１５に固定される。キャリヤ１４は、減速機ハウジング５ａに軸受１８ａ，１８ｂを介して回転可能に支持される。太陽歯車１１が回転すると、遊星歯車１２が太陽歯車１１の周囲を公転運動する。遊星歯車１２の公転運動は、キャリヤ１４を介して出力軸１５に取り出される。

モータ３は、アウターロータ型モータであり、コイル２１を有するステータ２０と、マグネット２４を有するアウターロータ２３と、を備える。

図３はステータ２０の斜視図を示し、図４はステータ２０の正面図を示す。ステータ２０は、軟質磁性材料製のコア２２と、コア２２の複数の突極２２ｂに巻かれる複数のコイル２１と、を備える。コア２２は、リング状の本体部２２ａと、本体部２２ａの外面から放射状に突出する複数の突極２２ｂと、を備える。各突極２２ｂに各コイル２１が巻かれる。ステータ２０の内側には、固定部材としてのリング状のステータハウジング２９が嵌められる。図２に示すように、ステータハウジング２９は、ステータ２０を減速機ハウジング５ａに固定する役割を持ち、ボルト等の締結部材によって減速機ハウジング５ａのブラケット１０に固定される。モータ３は、減速機ハウジング５ａに支持される。

図３に示すように、ステータハウジング２９の中央部には、リング状の凹部２９ｂが形成される。この凹部２９ｂには、モータ３の回転位置を検出するためのエンコーダ（この実施形態ではインクリメンタルエンコーダ３２、図２参照）が配置される。また、ステータハウジング２９には、軸方向に貫通する開口３０が形成される。図４に示すように、開口３０は、例えば互いに平行な複数のスリットから構成されるスリット群３０ａを放射状に配置してなる。

図２に示すように、アウターロータ２３は、ロータ２５と、複数のマグネット２４と、を備える。ロータ２５は、マグネット２４間の磁束を通り易くするために軟質磁性材料製である。ロータ２５は、ステータ２０の外側に配置される略筒状のバックヨーク２５ａと、シャフト６に固定されるボス２５ｂと、ボス２５ｂとバックヨーク２５ａとを連結するスポーク２５ｃと、を備える。バックヨーク２５ａの内面に、円周方向に複数のマグネット２４が並べられる。マグネット２４は、ステータ２０のコア２２の突極２２ｂに半径方向に隙間を介して対向する。アウターロータ２３には、モータ３の出力軸として機能するシャフト６がボルト等の締結部材２７によって締結される。

ステータ２０のコイル２１に電力を供給すると、アウターロータ２３が回転し、アウターロータ２３と共にシャフト６が回転する。シャフト６は、３箇所の軸受２８ａ，２８ｂ，２８ｃで支持される。減速機２の荷重を受けるために。２箇所の軸受２８ａ，２８ｂは、減速機２の前後に配置される。１箇所の軸受２８ｃは、モータ３に配置される。

従来の減速機とモータとを一体化したアクチュエータでは、減速機とモータのそれぞれにシャフトを設け、スプライン等で接続する構成が採られる。その場合、それぞれのシャフトを支持するために、それぞれのシャフトを２箇所の軸受で支持する。これに対して、本実施形態では、減速機２のシャフト６とモータ３のシャフト６とを一体化し、減速機２とモータ３で同一のシャフト６を共有することで、軸受２８ａ，２８ｂ，２８ｃを３個にしてアクチュエータ１を小型化する。あわせて、軸受２８ｃの前後にエンコーダ（アブソリュートエンコーダ３１とインクリメンタルエンコーダ３２）を設けることで、省スペース化を図る。

ファン４は、羽根４１を備える。ファン４には、羽根４１を回転させるファンモータ４２が内蔵される。ファンモータ４２は、複数のコイルと、複数のコイルに対向する複数のマグネットと、を備える。ファン４は、モータハウジング５ｂに支持される。この実施形態のファン４は軸流ファンであり、羽根４１の前方から風８を吸い込み、後方へ吐き出す。ファン４の種類は、特に限定されるものではなく、斜流ファン、遠心ファン等を用いることができる。例えば、流路抵抗が大きくて負圧が大きい場合、斜流ファン又は遠心ファンを用いる。また、ハウジングの端部に排気口を設けられない場合、遠心ファンを用いてハウジングの側面の排気口から排気する。

ファン４を回転させると、ハウジング５の吸気口７から空気が吸い込まれる。吸気口７から入った空気は、コイル２１、ステータハウジング２９、ロータ２５、マグネット２４等のモータ３の複数の部分に分かれて流れ、各部分を冷却する。ステータハウジング２９には、冷却フィンとして機能する開口３０（図４参照）が設けられており、コイル２１やコア２２の鉄損による発熱は、伝熱によってステータハウジング２９まで伝わる。

モータハウジング５ｂには、モータハウジング５ｂとアウターロータ２３との間の隙間ｇ１を通る風８の流量を制限するリブ３３ａ，３３ｂが設けられる。リブ３３ａ，３３ｂは、モータハウジング５ｂの内面から内側に突出する。リブ３３ａ，３３ｂは、モータ３の前後の少なくとも一方に設けられる。

コイル２１は、モータ３の性能向上のため、なるべくコイル２１間の空隙ｇ２（図４参照）が狭くなるように設計される。このため、空気が空隙ｇ２を流れるものの、空隙ｇ２の流路抵抗は大きくなる。流路抵抗に合わせて、ステータハウジング２９の開口３０を狭くしたり、モータハウジング５ｂとアウターロータ２３との間の隙間ｇ１を狭くしたり、リブ３３ａ，３３ｂを設けて流路を曲げたりすることで流路抵抗を上げて、コイル２１への流量が小さくならないようにし、モータ３全体での冷却性能を向上させる。

アクチュエータ１には、減速機２の出力軸の回転位置を検出するエンコーダとしてのアブソリュートエンコーダ３１が搭載される。アブソリュートエンコーダ３１は、減速機２とモータ３との間に配置される。アブソリュートエンコーダ３１は、磁気式又は光学式であり、キャリヤ１４に取り付けられるディスク状のスケール３１ｂと、減速機ハウジング５ａのブラケット１０に取り付けられ、スケール３１ｂの目盛を読み取るセンサ３１ａと、を備える。アブソリュートエンコーダ３１は、減速機２の出力軸（シャフト６）を位置制御するために用いられ、シャフト６の絶対位置を出力する。

モータ３の出力軸の回転位置は、エンコーダとしてのインクリメンタルエンコーダ３２によって検出される。インクリメンタルエンコーダ３２は、アウターロータ２３の内側、この実施形態では、ステータ２０の内側に配置される。インクリメンタルエンコーダ３２は、磁気式又は光学式であり、アウターロータ２３に取り付けられるディスク状のスケール３２ｂと、ステータハウジング２９に取り付けられ、スケール３２ｂの目盛を読み取るセンサ３２ａと、を備える。インクリメンタルエンコーダ３２は、モータ３を回転制御するために用いられ、モータ３の回転数や位相を出力する。

以上に本実施形態のアクチュエータ１の構成を説明した。本実施形態のアクチュエータ１によれば、以下の効果を奏する。

減速機２、モータ３、ファン４を順番に配置し、減速機２とモータ３との間のハウジング５に吸気口７を設け、ファン４が吸気口７から空気を吸い込んで、モータ３に風８を当てるので、モータ３の熱が減速機２に伝わりにくくしながらモータ３を効率よく冷却することができる。

モータ３がアウターロータ型モータであり、コイル２１をアウターロータ２３の内側に配置するので、ファン４による強制空冷を前提に発熱部をモータ３の内側に集中させ、そこに風８を当てることができ、モータ３をより効率よく冷却できる。

ステータ２０の内側にステータハウジング２９を設け、ステータハウジング２９に風８が通る開口３０を形成するので、コイル２１やコア２２からステータハウジング２９に伝わる熱を排出することができる。

ハウジング５とアウターロータ２３との間の隙間ｇ１を通る風８の流量を制限するリブ３３ａ，３３ｂを設けるので、コイル２１を通る風８の流量が小さくならないようにすることができ、モータ３全体での冷却性能を向上させることができる。

ファン４がファンモータ４２を内蔵するので、モータ３の回転数が非定常でモータ３が停止したとしても、モータ３を冷却することができる。

減速機２とモータ３が同一のシャフト６を共有し、シャフト６を３箇所の軸受２８ａ，２８ｂ，２８ｃで支持するので、アクチュエータ１の小型化が図れる。

減速機２の回転位置を検出するアブソリュートエンコーダ３１を減速機２とモータ３との間に設けるので、アクチュエータ１の小型化が図れる。

モータ３の回転位置を検出するインクリメンタルエンコーダ３２をアウターロータ２３の内側に設けるので、アクチュエータ１の小型化が図れる。仮にインクリメンタルエンコーダ３２をアウターロータ２３の外側に配置した場合、モータハウジング５ｂにインクリメンタルエンコーダ３２を固定するための剛性が必要となり、モータハウジング５ｂが大きく重くなる。本実施形態では、モータハウジング５ｂにはファン４を支持する強度があれば十分なので、例えば樹脂等でモータハウジング５ｂをより軽く作ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に具現化可能である。

例えば、上記実施形態では、ステータハウジングに風が通る開口を設けているが、開口を設ける代わりに放熱可能なフィンを設けることもできる。

本実施形態のアクチュエータの用途は、特に限定されるものではないが、ロボットの関節に適している。ロボットの関節は、第一部材と、第一部材に対してシャフトを中心にして回転可能な第二部材と、を備える。この場合、アクチュエータのハウジングが第一部材に連結され、アクチュエータの減速機の出力軸が第二部材に連結される。

１…アクチュエータ、２…減速機、３…モータ、４…ファン、５…ハウジング、６…シャフト、７…吸気口、８…風、２０…ステータ、２１…コイル、２３…アウターロータ、２４…マグネット、２８ａ～２８ｃ…軸受、２９…ステータハウジング（固定部材）、３０…開口、３１…アブソリュートエンコーダ（エンコーダ）、３２…インクリメンタルエンコーダ（エンコーダ）、３３ａ，３３ｂ…リブ、４２…ファンモータ

Claims (8)

1. モータと、
   前記モータの回転を減速する減速機と、
   前記モータを冷却するファンと、を備え、
   前記減速機、前記モータ、前記ファンを順番に配置し、
   前記減速機と前記モータとの間のハウジングに吸気口を設け、
   前記ファンが前記吸気口から空気を吸い込んで、前記モータに風を当て、
   前記ファンは前記モータのシャフトには接続されておらず、ファンモータによって回転し、
   前記モータが、コイルを有するステータと、マグネットを有するアウターロータと、を備えるアウターロータ型モータであり、
   前記吸気口から吸い込んだ空気が、前記コイル、前記ステータの内側に設けられる固定部材の開口、前記ハウジングと前記アウターロータとの間の隙間に分かれて流れ、その後、前記ファンを通過するアクチュエータ。
2. 前記モータが、前記ハウジングに前記ステータを固定するための前記固定部材を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ハウジングには、前記ハウジングと前記アウターロータとの間の隙間を通る風の流量を制限するリブが設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記ファンが前記ファンモータを内蔵することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記減速機と前記モータが同一の前記シャフトを共有し、
   前記シャフトが３箇所の軸受で支持されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 前記減速機の回転位置を検出するエンコーダが、前記減速機と前記モータとの間に設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 前記モータの回転位置を検出するエンコーダが、前記アウターロータの内側に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
8. 前記アクチュエータは、ロボットの関節を駆動させるのに用いられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。