(57)【要約】【課題】高温環境下におかれても熱劣化することがなく、耐摩耗性及び耐振動性に優れたアクチュエータを提供することを目的とする。【解決手段】回転軸を回転するモータと、モータを固定する固定部と、モータにかかる回転軸方向のスラスト荷重を支持するワッシャと、を備え、回転軸の軸方向における一端側において、モータは固定部に固定され、回転軸の軸方向における他端側において、回転軸はモータから突出し、回転軸の末端が支持されておらず、ワッシャは、熱硬化性ポリイミドで形成される、アクチュエータを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を回転するモータと、
前記モータを固定する固定部と、
前記モータにかかる前記回転軸方向のスラスト荷重を支持するワッシャと、
を備え、
前記回転軸の軸方向における一端側において、前記モータは前記固定部に固定され、
前記回転軸の軸方向における他端側において、前記回転軸は前記モータから突出し、前記回転軸の末端が支持されておらず、
前記ワッシャは、熱硬化性ポリイミドで形成される、
アクチュエータ。
【請求項２】
回転軸を回転するモータと、
少なくとも前記モータを固定する固定部と、
前記モータにかかる前記回転軸方向のスラスト荷重を支持するワッシャと、
を備え、
前記回転軸の軸方向における一端側において、前記モータは前記固定部に固定され、
前記回転軸の軸方向における他端側において、前記回転軸は前記モータから突出し、前記回転軸の末端が支持されておらず、
前記ワッシャは、２２０℃４８時間放置後に、３ｋｇｆ／ｃｍ２のスラスト荷重条件下で−４０℃〜−１６０℃／２４時間の温度サイクルと、４秒ＯＮ−１秒ＯＦＦの正逆回転を含みＯＮ時の回転数が４５００ＲＰＭとなる１０秒の回転サイクルとを６２時間実行した際の厚み方向摩耗量が１μｍ〜１０μｍである、
アクチュエータ。
【請求項３】
前記ワッシャの厚さが１μｍから０．１ｍｍである、
請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記モータは、ウォームを前記回転軸として回転させる、
請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記ウォームと噛み合うギアユニットを更に備える請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
ケースを更に備え、
前記モータは、モータハウジングを有し、
前記モータは前記モータハウジングにより前記ケースに固定され、
前記回転軸は、前記モータハウジングの前記他端側から突出する、
請求項１から５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを利用したアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な装置や製品の動力源としてモータを利用したアクチュエータが用いられている。例えば、家電機器、車両、車載機器、産業機器、情報機器等にモータが用いられている。モータでウォームギアを駆動する場合、モータ回転軸にスラスト荷重がかかり、スラスト荷重を受持つためにワッシャ等のスラスト軸受が使用される。
【０００３】
例えば、耐摩耗性、耐熱性等に優れた材料を用いたワッシャ（例えば、特許文献１参照）が知られている。しかし、従来知られた方法によると、高温環境下に長時間曝される等、モータの使用条件が厳しい場合、ワッシャが劣化し、割れが生じたり急激に摩耗消失する問題が生じていた。
特許文献１  特開平５−２９６２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温環境下におかれても劣化することがなく、耐摩耗性及び耐振動性に優れたアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、回転軸を回転するモータと、少なくともモータを固定する固定部と、モータにかかる回転軸方向のスラスト荷重を支持するワッシャとを備え、回転軸の軸方向における一端側において、モータは固定部に固定され、回転軸の軸方向における他端側において、回転軸はモータから突出し、回転軸の末端が支持されておらず、ワッシャは、熱硬化性ポリイミドで形成される、アクチュエータを提供する。
【０００６】
本発明の第２の態様においては、回転軸を回転するモータと、少なくともモータを固定する固定部と、モータにかかる回転軸方向のスラスト荷重を支持するワッシャとを備え、回転軸の軸方向における一端側において、モータは固定部に固定され、回転軸の軸方向における他端側において、回転軸はモータから突出し、回転軸の末端が支持されておらず、ワッシャは、２２０℃４８時間放置後に、３ｋｇｆ／ｃｍ２のスラスト荷重条件下で−４０℃〜−１６０℃／２４時間の温度サイクルと、４秒ＯＮ−１秒ＯＦＦの正逆回転を含みＯＮ時の回転数が４５００ＲＰＭとなる１０秒の回転サイクルとを６２時間実行した際の厚み方向摩耗量が１μｍ〜１０μｍである、アクチュエータを提供する。
【０００７】
第１の態様及び第２の態様によると、高温環境下でのワッシャの信頼性を向上し、これにより特に高温環境下に長時間置かれる用途に供されるアクチュエータの性能を向上することができる。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るアクチュエータ１０の断面概略図を示す。
【図２】実施例及び比較例に係るワッシャの耐熱性試験の結果を示す。
【図３】実施例及び比較例に係るスラスト負荷耐久試験の概略を示す。
【図４】図３の破線部分Ａの拡大図を示す。
【図５】スラスト負荷耐久試験における温度プロファイルを示す。
【図６】実施例１〜３及び比較例１〜３のスラスト負荷耐久試験の結果を示す。
【図７】振動耐久試験における温度プロファイルを示す。
【図８】振動耐久試験における温度プロファイルを示す。
【図９】振動耐久試験におけるデューティサイクルを示す。
【図１０】振動耐久試験における正弦波振動を示す。
【図１１】振動耐久試験におけるランダム振動を示す。
【図１２】実施例２〜３及び比較例２〜３の振動耐久試験の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、一実施形態に係るアクチュエータ１０の断面概略図を示す。アクチュエータ１０は、少なくともケース２０、モータ３０、回転軸３２、ギアユニット３４、固定部４０、ラジアル軸受５０、ストッパ５２、及び、ワッシャ６０を備える。なお、図１は説明のための概略図であり、必要に応じてアクチュエータ１０はその他の部品等を備えてよい。
【００１２】
ケース２０は、アクチュエータ１０の部品を収容し、これらの部品を外部から保護する。
【００１３】
モータ３０は、電源等から電力を受け取り、これを動力に変換して回転軸３２を回転する。モータ３０は、ロータ、コイル、ベアリング、ステータ等の構成要素を有し、更に構成要素を収納するモータハウジングを有する。モータハウジングは、一端側（例えば、図１の＋Ｘ方向）でケース２０に固定され、他端側（例えば、図１の−Ｘ方向）から回転軸３２を突出させる。
【００１４】
モータ３０の種類は特に限定されない。例えば、モータ３０は永久磁石同期モータ、ブラシレスモータ、誘導モータ、又は、有ブラシモータ等であってよい。
【００１５】
回転軸３２は、モータ３０により回転駆動される。図１では、回転軸３２はＸ軸に平行に設けられる。回転軸３２の少なくとも一部に、ウォームが形成される。これにより、ウォームはモータ３０により回転駆動される。回転軸３２は、一端側でモータ３０に回転駆動される。回転軸３２の他端側の末端は、ケース２０又は他の部材に支持されておらず、自由に回転する。動作時にウォームにはスラスト負荷がかかり、このスラスト負荷がモータ３０に伝達される。この結果、モータ３０は、回転軸方向（例えば、−Ｘ方向）に引っ張られる。
【００１６】
なお、回転軸３２にウォームが直接形成されることに代えて、回転軸３２の他端側に歯車が取り付けられてよい。例えば、回転軸３２の他端側にねじ歯車が設けられてもよい。
【００１７】
ギアユニット３４は、複数のギアを有し、回転軸３２のウォームとの組み合わせによりウォームギアを構成する。ギアユニット３４の少なくとも１つのギアは、回転軸３２のウォームと噛み合ってウォームから駆動力を受け取り、他のギアに駆動力を伝達する。ギアユニット３４の他のギアが回転することにより、アクチュエータ１０は、所定の動作を行う。ギアユニット３４の各ギアは、平歯車、はすば歯車又はかさ歯車等であってよい。
【００１８】
固定部４０は、モータ３０をモータハウジングによりケース２０に固定する。例えば、固定部４０は、ねじ又は接着剤等の固定手段によりモータハウジングを固定してよい。固定部４０は、回転軸３２の軸方向における一端側（例えば、図１の＋Ｘ方向）において、モータ３０を固定する。
【００１９】
ラジアル軸受５０は、ケース２０に固定されて、回転軸３２の回転径方向の荷重を受持つ。ラジアル軸受５０は、焼結含油軸受等のすべり軸受、又は、ボールベアリング、ローラベアリング等の転がり軸受であってよい。
【００２０】
ストッパ５２は、回転軸３２に取り付けられて、回転軸３２と共に回転する。ストッパ５２は、ラジアル軸受５０と対向し、モータ３０がスラスト荷重により回転軸方向に移動することを防ぐ。
【００２１】
ワッシャ６０は、モータ３０にかかる回転軸方向のスラスト荷重を支持する。例えば、ワッシャ６０は、ラジアル軸受５０及びストッパ５２との間に設けられ、ストッパ５２を介して伝わるモータ３０からのスラスト荷重を受持つ。
【００２２】
アクチュエータ１０が高温環境下で長時間暴露されると、ワッシャ６０が劣化することがある。例えば、高温環境下では、樹脂製のワッシャ６０が空気中の酸素と反応し、急速に炭化劣化する場合がある。劣化したワッシャ６０は容易に摩耗やクラックを生じ、アクチュエータ１０の動作に不具合を生じさせる。
【００２３】
そこで、本発明の実施形態においては、高温環境下で長時間暴露した後でも、耐摩耗性が一定以上となるワッシャ６０を使用する。例えば、一実施形態において、２２０℃４８時間放置後に、３ｋｇｆ／ｃｍ２のスラスト負荷条件下で−４０℃〜−１６０℃／２４時間の温度サイクルと、４秒ＯＮ−１秒ＯＦＦの正逆回転を含みＯＮ時の回転数が４５００ＲＰＭとなる１０秒の回転サイクルとを６２時間実行した際の厚み方向摩耗量が１μｍ〜１０μｍであるワッシャを、ワッシャ６０として用いてよい。
【００２４】
このようなワッシャ６０は高温雰囲気下において、耐摩耗性だけでなく耐振動性を有する。従って、高温環境下でも不具合を生じない信頼性の高いアクチュエータ１０を提供できる。なお、上記摩耗量の範囲は耐摩耗性の評価方法の一例であり、ワッシャ６０として別の試験方法で十分な耐摩耗性が認められるものを用いてもよい。例えば、ワッシャ６０として熱硬化性樹脂を用いることができる。ワッシャ６０の一例として、熱硬化性ポリイミドで形成されたワッシャを用いてよい。
【００２５】
ワッシャ６０には、種々の公知の熱硬化性ポリイミドを用いてよい。例えば、全芳香族ポリイミド、アセチレン末端ポリイミド、ビスマレイミド、及び／又は、ナジック酸末端ポリイミド等を用いてよい。例えば、ワッシャ６０として、厚さ０．２２５ｍｍの熱硬化性ポリイミドを用いてよい。
【００２６】
また、一実施形態によると、ワッシャ６０は、１μｍから０．１ｍｍの厚みを有してよい。従来のワッシャは、高温環境下で長時間暴露すると摩耗や割れが生じやすくなるので、０．１ｍｍ以下とすることができなかった。一方で、本実施形態のワッシャ６０は、高温環境下で長時間暴露でも耐摩耗性及び耐振動性に優れているので、ワッシャ６０の厚みを０．１ｍｍ以下とすることができる。これにより、アクチュエータ１０においてワッシャ６０の占めるスペースを低減し、アクチュエータ１０の小型化や設計自由度の向上に寄与する。なお、ワッシャはより大きな厚み（例えば、０．１〜２ｍｍ）を有してもよい。また、取扱いし易さ及び強度を維持するために、ワッシャ６０は１μｍ以上の厚みを有することが好ましい。
【００２７】
このように、本実施形態によると、ワッシャ６０が高温環境下に長時間おかれた後も劣化しないので、モータ３０にスラスト荷重がかかるアクチュエータ１０の高温環境下での信頼性を改善することができる。これにより、本実施形態によれば、アクチュエータ１０の使用可能な環境条件を拡充することができる。
【００２８】
なお、図１の例では、ウォームギアを備えるアクチュエータ１０を説明した。これに代えて、アクチュエータ１０は、モータ３０にスラスト荷重がかかる他の構成を採用してもよい。例えば、回転軸３２の他端側には、ファンが形成されて、モータ３０はファンからのスラスト荷重を受けてもよい。
【００２９】
以下、図２〜図１２を用いて、本実施形態に係るワッシャ６０について行った耐熱性試験、スラスト負荷耐久試験、及び、振動耐久試験の結果を説明する。実施例では、熱硬化性ポリイミド（厚さ０．２２５ｍｍ）をワッシャ６０として用い、比較例では布入りベークライト（厚さ０．３ｍｍ）を用いた。
【００３０】
［耐熱性試験］
図２は、実施例及び比較例に係るワッシャの耐熱性試験の結果を示す。実施例及び比較例の各写真は、高温環境下に置く前の初期状態のワッシャ、２２０℃４８時間放置後のワッシャ、及び、２２０℃７２時間放置後のワッシャを示す。比較例のワッシャは炭化劣化が確認されたが、実施例のワッシャには全く変化が見られなかった。このため、実施例のワッシャの耐熱性が確認できた。
【００３１】
以下、実施例の初期状態のワッシャを実施例１とし、２２０℃４８時間放置後のワッシャを実施例２とし、２２０℃７２時間放置後のワッシャを実施例３とする。また、比較例の初期状態のワッシャを比較例１とし、２２０℃４８時間放置後のワッシャを比較例２とし、２２０℃７２時間放置後のワッシャを比較例３とする。
【００３２】
［スラスト負荷耐久試験］
次に実施例１〜３及び比較例１〜３のワッシャに対し、スラスト負荷耐久試験を行った。図３はスラスト負荷耐久試験の概略を示し、図４は、図３の破線部分Ａの拡大図を示す。
【００３３】
図３に示すように、モータ３１０は、電源３２０から電力供給を受けて回転軸３１２を回転する。モータ３１０の回転軸３１２には、重り３３０で荷重が与えられる。
【００３４】
図４に示すように、回転軸３１２にはブッシュ３６０が取り付けられ、焼結金属３５０は回転軸３１２に固定されて回転軸３１２とともに回転する。ワッシャ３４０には、ブッシュ３３２を介して重り３３０によるスラスト荷重がかけられる。この結果、焼結金属３５０は、ワッシャ３４０に押し付けられて、ワッシャ３４０との間に一定の摩擦力を生じつつ摺動する。
【００３５】
図４のワッシャ３４０として実施例１〜３及び比較例１〜３のワッシャ（直径０．５４ｃｍ、荷重面積０．１５ｃｍ２）を用い、以下の試験条件でスラスト負荷耐久試験を行った。
温度環境        ：−４０℃〜１６０℃の温度サイクル；
モータ動作モード：１サイクル１０秒＝順回転（４秒ＯＮ−１秒ＯＦＦ）−逆回転（４秒ＯＮ−１秒ＯＦＦ）、４５００ＲＰＭ（モータ印加電圧約１１Ｖ）；
スラスト荷重    ：３ｋｇｆ（重り重量３ｋｇ）；
試験時間        ：６２時間（２２３２０サイクル）。
【００３６】
図５にスラスト負荷耐久試験における温度プロファイル（−４０℃〜１６０℃）を示す。図示するように、スラスト負荷耐久試験では２４時間で−４０℃〜１６０℃の温度範囲を一サイクルとして温度環境を変化させた。
【００３７】
図６は、実施例１〜３及び比較例１〜３のスラスト負荷耐久試験の結果を示す。ここでは、実施例１（ｎ＝４）、実施例２（ｎ＝５）、実施例３（ｎ＝６）、比較例１（ｎ＝４）、比較例２（ｎ＝４）、及び、比較例３（ｎ＝４）のそれぞれのワッシャに対し、スラスト負荷耐久試験を行い、割れ及び摩耗滅失の発生数及びワッシャの摩耗量（すなわち厚みの減少量）を測定した。
【００３８】
図６に示すように、比較例１〜３では、ワッシャの損耗が大きいのに対し、実施例１〜３のワッシャでは損耗が殆ど生じなかった。２２０℃４８時間放置後の比較例２のワッシャは２０μｍ以上摩耗したのに対し、同温度環境を経た実施例２は６μｍ以下の摩耗しかしなかった。特に２２０℃７２時間放置後の比較例３では一部のワッシャ（２／６）が割れ、割れが生じなかったワッシャ（４／６）も３２μｍ以上摩耗したのに対し、同温度環境を経た実施例３のワッシャは４μｍ以下しか摩耗しなかった。
【００３９】
また、高温環境を経ていない実施例１のワッシャは１〜６μｍ摩耗したが、これは高温環境におかれた実施例２〜３と同程度の摩耗量である。これにより、実施例のワッシャでは、高温処理が耐摩耗性に全く悪影響を与えていないことが示された。従って、実施例のワッシャが、特に高温環境下において、非常に優れた耐摩耗性を有することが示された。
【００４０】
［振動耐久試験］
次に実施例２〜３及び比較例２〜３のワッシャに対し、振動耐久試験を行った。振動耐久試験は、図３〜４に示した装置構成において、重り３３０の代わりにＳＯＲ（サインオンランダム）の加速度振動をモータに負荷し、ワッシャ３４０と焼結金属３５０との衝突で生じた衝撃で割れや摩耗を計測することにより行った。
【００４１】
ワッシャ３４０として実施例２〜３及び比較例２〜３のワッシャ（直径０．５４ｃｍ、荷重面積０．１５ｃｍ２）を用い、以下の試験条件で振動耐久試験を行った。
温度環境    ：図７及び図８に示す−４０℃〜１６０℃の温度サイクル；
モータ動作モード：図９に示す１サイクル５３秒のデューティサイクル；
振動方向    ：回転軸方向；
振動条件    ：図１０に示す正弦波振動に図１１に示すランダム振動を加算；
試験時間    ：１回の試験時間を２２時間として不具合（エンドプレー大等）が生じなければ３回（計６６時間）まで実施。
【００４２】
図１２は、実施例２〜３及び比較例２〜３の振動耐久試験の結果を示す。ここでは、実施例２（ｎ＝５）、実施例３（ｎ＝５）、比較例２（ｎ＝６）、及び、比較例３（ｎ＝６）のそれぞれのワッシャに対し、振動耐久試験を行い、割れ及び摩耗滅失の発生数及びワッシャの摩耗量（すなわち厚みの減少量）を測定した。
【００４３】
図１２に示すように、比較例２〜３では、ワッシャの損耗が大きいのに対し、実施例２〜３のワッシャでは損耗が殆ど生じなかった。特に２２０℃４８時間放置後の比較例２のワッシャは８μｍ以上摩耗したのに対し、同温度環境を経た実施例２のワッシャは２μｍ以下しか摩耗しなかった。更に特に２２０℃７２時間放置後の比較例３のワッシャの殆ど（５／６）が摩耗滅失し、残存したワッシャも１６μｍ摩耗したのに対し、同温度環境を経た実施例３のワッシャは全く摩耗しなかった。
【００４４】
高温放置時間が異なる実施例２と実施例３の間で、ワッシャの摩耗量に大きな相違はなかった。これにより、高温処理が実施例のワッシャの耐振動性に悪影響を与えていないことが示唆される。
【００４５】
以上の結果から、従って、実施例２〜３のワッシャが、特に高温環境下において非常に優れた耐振動性を有することが示された。振動試験はワッシャにとって過酷な試験であるところ、３ｋｇｆ／ｃｍ２のスラスト荷重が与えられたスラスト負荷耐久試験において摩耗量が６μｍ以下であった実施例１〜３のワッシャは、振動に対しても摩耗や割れを生じることがなかった。すなわち、スラスト負荷耐久試験において摩耗量が６μｍ以下であるワッシャは、過酷な使用条件にも耐える良好な耐振動性をも有することが示された。
【００４６】
以上の通り、本実施形態のアクチュエータは、高温環境下に長時間置かれた後もワッシャが劣化せず、耐摩耗性及び耐振動性を保ち続ける。すなわち、本実施形態のワッシャは、単に耐熱性が高いということにとどまらず、高温処理後にも高い耐摩耗性及び耐振動性を有する。従って、本実施形態のアクチュエータは、従来のアクチュエータと比較して、厳しい環境で使用しても性能を維持することができる。
【００４７】
耐熱性のみ着目するのであれば一般的に耐熱摺動材として用いられるＰＥＥＫ（連続使用温度２６０℃、融点３３０℃）、ポリアミドイミド（連続使用温度２６０℃、融点３００℃）、又は、熱可塑性ポリイミド（連続使用温度３２０℃、融点３８８℃）を使用することも想定されるが、これらの材料を用いたワッシャは本実施形態のワッシャと比較して、高温処理後の耐摩耗性及び耐振動性が十分でなく、使用環境が厳しいアクチュエータのワッシャとして用いることができない。
【００４８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０  アクチュエータ
２０  ケース
３０  モータ
３２  回転軸
３４  ギアユニット
４０  固定部
５０  ラジアル軸受
５２  ストッパ
６０  ワッシャ
３１０  モータ
３１２  回転軸
３２０  電源
３３０  重り
３３２  ブッシュ
３４０  ワッシャ
３５０  焼結金属
３６０  ブッシュ
【図１】
2019103259.tif 000003
【図２】
2019103259.tif 000004
【図３】
2019103259.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019103259.tif 000009
【図８】
2019103259.tif 000010
【図９】
2019103259.tif 000011
【図１０】
2019103259.tif 000012
【図１１】
2019103259.tif 000013
【図１２】
2019103259.tif 000014