(57)【要約】【課題】パワーモジュール部に設けられたパワースイッチング素子と、アクチュエータの放熱性能の向上を実現しながら、アクチュエータの軸方向の短縮化、配線の簡略化および誤配線防止を同時に達成することができるパワーモジュール一体型アクチュエータを提供する。【解決手段】パワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、ハウジング１の外周には、筒状の筐体４にパワースイッチング素子１１などを内蔵したパワーモジュールが設けられている。また、ハウジング１とパワーモジュールＰＭで軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、ハウジング１に接合により固定されると共にパワーモジュールＰＭに接触するように取り付けた複数の放熱フィン８が設けられている。さらに、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間に囲まれ、複数の放熱フィン８の間に冷媒が通るように冷却通路９が形成されている。【選択図】    図１
2004222428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングに保持されて電機子巻線を有する固定子と、
前記固定子と磁気的空隙を介して配置されると供に、回転軸に保持された回転子と、
前記回転軸を支持する軸受と、
前記軸受を保持するエンドブラケットと、
前記回転軸の反負荷側に設けたエンコーダと
を備えたアクチュエータにおいて、
前記ハウジングの外周側に設けられて筒状の筐体にパワースイッチング素子などを内蔵したパワーモジュールと、
前記ハウジングと前記パワーモジュールの間で軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、前記ハウジングまたは前記パワーモジュールの一方に固定され、他方に接触するように取り付けた複数の高熱伝導部材からなる放熱フィンと、前記ハウジングと前記パワーモジュールの間に囲まれて前記複数の放熱フィンの間に冷媒が通るように形成された冷却通路を備えたことを特徴とするパワーモジュール一体型アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転軸の負荷側または反負荷側の一方に冷却ファンを設けた請求項１記載のパワーモジュール一体型アクチュエータ。
【請求項３】
反負荷側の前記エンドブラケットに隣接するように前記エンコーダおよび前記パワーモジュール間の配線を内蔵したケースを取り付けたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール一体型アクチュエータ。
【請求項４】
前記冷却通路にヒートパイプを内蔵させ、前記アクチュエータの外部に前記ヒートパイプの放熱部となるヒートシンクを設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュール一体型アクチュエータ。
【請求項５】
前記回転軸の負荷側にギアボックスを取り付けたことを特徴とする請求項１〜４までの何れか１項に記載のパワーモジュール一体型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱が必要な回路素子を内蔵したパワーモジュールを一体に備えたパワーモジュール一体型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＡＣまたはＤＣモータにパワースイッチング素子などを搭載したパワーモジュールを一体化したアクチュエータは、例えば、特許文献１に記載されている。
特許文献１は、固定子と回転子よりなるモータ部と、回転子を保持する回転軸と、回転軸の反負荷側に設けた冷却ファンと、回転軸と直結した回転数検出用のエンコーダと、軸受を支持する負荷側および反負荷側のエンドブラケットと、ハウジングより構成される電動機において、中空円筒状の、インバータ回路を内蔵するケースと、制御回路を内蔵したケースと、コンバータ回路を内蔵するケースを、反負荷側のエンドブラケットと冷却ファンの間で軸方向に多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定したものとなっている。このような構造により、アクチュエータの小型化、および制御回路とモータ間の誤配線を防ぐようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７９０３号公報（明細書４頁〜５頁、図１〜図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のパワーモジュール一体型アクチュエータは、制御回路、インバータ回路およびコンバータ回路を内蔵したケースを、反負荷側のエンドブラケットと冷却ファンの間に取り付ける構造を有するため、アクチュエータが軸方向に長くなるという欠点があった。
また、上記パワーモジュール部には放熱が必要なパワースイッチング素子を備えた構成となっているため、特にアクチュエータのモータ部の出力が比較的大きい場合には、ヒートシンクを含んだ状態とされるのが一般である。この場合、アクチュエータのヒートシンクとパワーモジュールのヒートシンクがそれぞれ大型化し、アクチュエータの取付構造に制約があるロボットの関節などでは十分な冷却ができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、パワーモジュール部に設けられたパワースイッチング素子と、アクチュエータの放熱性能の向上を実現しながら、アクチュエータの軸方向の短縮化、配線の簡略化および誤配線防止を同時に達成することができるパワーモジュール一体型アクチュエータを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載のパワーモジュール一体型アクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジングに保持されて電機子巻線を有する固定子と、前記固定子と磁気的空隙を介して配置されると供に、回転軸に保持された回転子と、前記回転軸を支持する軸受と、前記軸受を保持するエンドブラケットと、前記回転軸の反負荷側に設けたエンコーダとを備えたアクチュエータにおいて、前記ハウジングの外周側に設けられて筒状の筐体にパワースイッチング素子などを内蔵したパワーモジュールと、前記ハウジングと前記パワーモジュールの間で軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、前記ハウジングまたは前記パワーモジュールの一方に固定され、他方に接触するように取り付けた複数の高熱伝導部材からなる放熱フィンと、前記ハウジングと前記パワーモジュールの間に囲まれて前記複数の放熱フィンの間に冷媒が通るように形成された冷却通路を備えたものである。
請求項２の発明は、請求項１記載のパワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、前記回転軸の負荷側または反負荷側の一方に冷却ファンを設けたものである。
請求項３の発明は、請求項１記載のパワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、反負荷側の前記エンドブラケットに隣接するように前記エンコーダおよび前記パワーモジュール間の配線を内蔵したケースを取り付けたものであある。請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、前記冷却通路にヒートパイプを内蔵させ、前記アクチュエータの外部に前記ヒートパイプの放熱部となるヒートシンクを設けたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４までの何れか１項に記載のパワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、前記回転軸の負荷側にギアボックスを取り付けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータであって、（ａ）はその横断面図、（ｂ）はパワーモジュール、放熱フィンおよびハウジングを組立てた状態の正断面図である。図２は第１実施例によるカバーを外した状態に於けるパワーモジュールの全体斜視図である。図３は第１実施例によるエンコーダおよびパワーモジュール間の配線を内蔵したケースの斜視図である。
図において、１はハウジング、２は固定子、２ａは鉄芯、２ｂは電機子巻線、３は回転子、３ａは鉄芯、３ｂは回転子導体、４は筐体、４ａは放熱板、４ｂは放熱フィン嵌合部、４ｃは壁部、４ｄはカバー、５は冷却ファン、６は回転軸、７は導風板、８は放熱フィン、９は冷却通路、９ａは冷媒導入口、９ｂは冷媒排出口、１０は絶縁回路基板、１１はパワースイッチング素子、１２はドライブＩＣ、１３は絶縁・放熱用ゲル、１４はケース、１５はエンコーダ、１６は入出力端子を構成するコネクタピン、１７はＰＷＭ信号および電力入出力線、１９は軸受、２０は負荷側のエンドブラケット、２１は反負荷側のエンドブラケットである。
【０００８】
本発明の特徴は以下のとおりである。
パワーモジュール一体型アクチュエータは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、基本的には、固定子２と回転子３よりなるモータ部と、回転子３を保持する回転軸６と、回転軸６の反負荷側に設けた冷却ファン５と、回転軸６と直結した回転数検出用のエンコーダ１５と、軸受１９を支持する負荷側および反負荷側のエンドブラケット２０、２１と、ハウジング１より構成されている。ここで、固定子２は鉄芯２ａに電機子巻線２ｂを備え、回転子３は鉄芯３ａに回転子導体３ｂを備えた誘導電動機の例を示している。
【０００９】
ハウジング１の外周側には、筒状の筐体４にパワースイッチング素子１１、ドライブＩＣ１２などを内蔵したパワーモジュールＰＭが設けられている。また、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間には、軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、ハウジング１に接合により固定されると共にパワーモジュールＰＭに接触するように取り付けた複数の放熱フィン８が設けられている。さらに、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間に囲まれ、複数の放熱フィン８の間に冷媒が通るように冷却通路９が形成されている。
【００１０】
次に、パワーモジュールＰＭについて詳述する。該パワーモジュールＰＭは、基本的には図１（ａ）、（ｂ）および図２に示すように、アルミニウムなど放熱性が良好な高熱伝導部材で製作された正六角形状の放熱板４ａと、該放熱板４ａの外周を覆い、かつ、金属または樹脂材料など放熱性の良好な材料で製作されたカバー４ｄとよりなる筐体４と、放熱板４ａ上に絶縁回路基板１０を介して実装されたパワースイッチング素子１１、ドライブＩＣ１２とで構成されている。また、筐体の放熱板４ａの内径側には放熱フィン嵌合部４ｂが形成されると共に、放熱板４ａ上に実装されたパワースイッチング素子１１、ドライブＩＣ１２を６個の放射状に形成された壁部４ｃによって仕切るようになっている。また、筐体４内の空間には絶縁・放熱用ゲル１３を充填している。
【００１１】
そして、回転軸６の負荷側には、図１（ａ）に示すように冷却ファン５が設けられており、冷却ファン５により外部の空気を負荷側の冷媒導入口９ａに導入し、ハウジング１、パワーモジュールＰＭおよび放熱フィン８の簡に形成された冷却通路９を通して冷媒排出口９ｂから排出するようになっている。そして、冷却のための空気を冷媒導入口９ａに効率よく導入するため冷媒導入口９ａに導風板７が固定されている。
【００１２】
それから、反負荷側のエンドブラケット２１は、図１（ａ）に示すように該ブラケット２１に隣接するようにエンコーダ１５およびパワーモジュール１１、１２間の配線を内蔵した円盤状のケース１４が取り付けられている。
該ケース１４は図３に示すように、中央に円形状のエンコーダ取付部２３と、その周囲に冷媒排出口９ｂが設けられている。また、ケース１４はパワーモジュールＰＭに設けた入出力用のコネクタピン１６を受けるコネクタホール２２が内蔵されており、コネクタホール２２がＰＷＭ信号および電力入出力線１７を通して外部周辺回路と接続するようになっている。
【００１３】
次に動作について説明する。
パワーモジュール一体型アクチュエータにおいて、冷却ファン５により外部の空気を負荷側の冷媒導入口９ａから導入すると、ハウジング１、パワーモジュールＰＭおよび放熱フィン８の簡に形成された冷却通路９に冷却風を流すことにより、一方のモータ部で生じた熱はハウジング１から放熱フィン８を伝わって冷却通路９の冷却風で熱交換され、他方のパワーモジュール１１、１２で生じた熱は放熱板４ａを介して放熱フィン８に伝わり冷却通路９の冷却風で熱交換される。
【００１４】
本発明の第１実施例に係るパワーモジュール一体型アクチュエータは、ハウジング１の外周側に設けられて筒状の筐体４にパワースイッチング素子１１などを内蔵したパワーモジュールＰＭと、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間で軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、ハウジング１またはパワーモジュールＰＭの一方に固定され、他方に接触するように取り付けた複数の高熱伝導部材からなる放熱フィン８と、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間に囲まれて複数の放熱フィン８の間に冷媒が通るように形成された冷却通路９を備える構成、また、回転軸６の負荷側または反負荷側の一方に冷却ファン５を設ける構成を採用したので、ハウジング１とパワーモジュールＰＭの間の放熱を放熱フィン８で共用させる構造により、放熱性を向上させるとともに、アクチュエータへの取付が簡単で、しかも回転軸方向を短縮化することができる。
さらに、ハウジング１の反負荷側のエンドブラケット２１に隣接するようにエンコーダ１５およびパワーモジュールＰＭ内部の素子間の配線を内蔵したケース１４を取り付ける構成にしたので、アクチュエータとパワーモジュール間の配線を簡略化するとともに誤配線を防止することができる。
【００１５】
図４は本発明の第２実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータのハウジングに放熱フィン付筐体を取り付けた状態を示す正面図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例のパワーモジュールと放熱フィンを別体とする構成に替えて、アルミニウムなど高熱伝導部材からなる放熱フィン２９とパワーモジュール２８を一体化した点である。
具体的には、放熱フィン取付部２７の外周を平面状に形成し、放熱フィン取付部２７の内径側をハウジング１と嵌合するように円形状に形成されている。該放熱フィン取付部２７の平面部には複数の放熱フィン２９が取り付けられ、放熱フィン２９上にパワーモジュール２８を取り付けた構造となっている。
本発明の第２実施例は、第１実施例のパワーモジュールと放熱フィンを別体とする構成に替えて、放熱フィン２９とパワーモジュール２８を一体化したので、放熱フィン２９によってパワーモジュール２８からハウジング側へ熱を効率よく放熱することができる。また、パワーモジュールの幅がアクチュエータの直径に近くアクチュエータの周囲に取り付けが困難な場合でも、アクチュェータへの取付を簡単に行うことができる。
【００１６】
図５は本発明の第３実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータの横断面図である。
第３実施例が第２実施例と異なる点は、回転軸の負荷側、すなわち負荷側のエンドブラケット２０に隣接してギアボックス２４を取り付け、回転軸６をアクチュエータからの軸出力とした点である。また、第１実施例に記載された冷却通路９の中にヒートパイプモジュール２５を挿入したものとなっている。ヒートパイプの吸熱部はギヤボックス２４近傍並びにモータ部の中央部に配置するとともに、吸熱した熱を反負荷側の冷媒排出口９ｂから放熱部となるヒートシンク２６へと導き放熱させるようになっている。
第３実施例は、アクチュエータの負荷側にギアユニット２４を取り付ける構成であって、負荷側から冷却ファンにより空気などの冷媒を冷媒通路、放熱フィン内に導入できないときに、ヒートパイプモジュール２５を放熱フィン間の冷却通路に挿入するようにしたので、冷却性と小型化を同時に達成することができる。さらにギアボックスは、パワーモジュールの筐体４と同程度の直径を持つため、従来のアクチュエータの同じ直径のギアボックスよりも幅広いギヤ比を選択することが可能となる。
【００１７】
なお、パワーモジュールの筐体４は、正多面体に限らず、素子の大きさにあわせて適当な平面で構成することができ、搭載する素子数は、アクチュエータの形状や容量に合わせて取り付けるようにしても構わない。
また、実施例では、冷却ファン５を負荷側に取り付ける例を示したが、冷却ファン５を反負荷側に取り付けることも可能である。
また、冷却ファン５の取付位置を負荷側に固定したままで吹出し側と吐出し側の取付方向を変え、ファンの回転方向により冷媒の向きを冷媒排出口９ｂから冷媒導入口９ａとするようにしても構わない。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果がある。
本発明の第１実施例に係るパワーモジュール一体型アクチュエータは、ハウジングの外周側に設けられて筒状の筐体にパワースイッチング素子などを内蔵したパワーモジュールと、ハウジングとパワーモジュールの間で軸方向に向かって延びるように形成され、かつ、ハウジングまたはパワーモジュールの一方に固定され、他方に接触するように取り付けた複数の高熱伝導部材からなる放熱フィンと、ハウジングとパワーモジュールの間に囲まれて複数の放熱フィンの間に冷媒が通るように形成された冷却通路を備える構成、また、回転軸の負荷側または反負荷側の一方に冷却ファンを設ける構成を採用したため、ハウジングとパワーモジュールの間の放熱を放熱フィンで共用させる構造により、放熱性を向上させるとともに、アクチュエータへの取付が簡単で、しかも回転軸方向を短縮化することができる。
さらに、本アクチュエータは、ハウジングの反負荷側のエンドブラケットに隣接するようにエンコーダおよびパワーモジュール内部の素子間の配線を内蔵したケースを取り付ける構成にしたため、アクチュエータとパワーモジュール間の配線を簡略化するとともに誤配線を防止することができる。
本発明の第２実施例は、第１実施例のパワーモジュールと放熱フィンを別体とする構成に替えて、放熱フィンとパワーモジュールを一体化する構成にしたため、放熱フィンによってパワーモジュールからハウジング側へ熱を効率よく放熱することができる。また、パワーモジュールの幅がアクチュエータの直径に近くアクチュエータの周囲に取り付けが困難な場合でも、アクチュェータへの取付を簡単に行うことができる。
本発明の第３実施例は、アクチュエータの負荷側にギアユニットを取り付ける構成であって、負荷側から冷却ファンにより空気などの冷媒を冷媒通路、放熱フィン内に導入できないときに、ヒートパイプモジュールを放熱フィン間の冷却通路に挿入するようにしたため、冷却性と小型化を同時に達成することができる。また、ギアボックスがパワーモジュールの筐体と同程度の直径を持つことで、従来のアクチュエータの同じ直径のギアボックスよりも幅広いギヤ比を選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータであって、（ａ）はその横断面図、（ｂ）はパワーモジュール、放熱フィンおよびハウジングを組立てた状態の正断面図である。
【図２】第１実施例によるカバーを外した状態に於けるパワーモジュールの全体斜視図である。
【図３】第１実施例によるエンコーダおよびパワーモジュール間の配線を内蔵したケースの斜視図である。
【図４】本発明の第２実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータのハウジングに放熱フィン付筐体を取り付けた状態を示す正面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示すパワーモジュール一体型アクチュエータの横断面図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２  固定子
２ａ  鉄芯
２ｂ  電機子巻線
３  回転子
３ａ  鉄芯
３ｂ  回転子導体
４  筐体
４ａ  放熱板
４ｂ  放熱フィン嵌合部
４ｃ  壁部
４ｄ  カバー
５  冷却ファン
６  回転軸
７  導風板
８  放熱フィン
９  冷却通路
９ａ  冷媒導入口
９ｂ  冷媒排出口
１０  絶縁回路基板
１１  パワースイッチング素子
１２  ドライブＩＣ
１３  絶縁・放熱用ゲル
１４  ケース
１５  エンコーダ
１６  コネクタピン（入出力端子）
１７  ＰＷＭ信号および電力入出力線
１９  軸受
２０  エンドブラケット（負荷側）
２１  エンドブラケット（反負荷側）
２２  コネクタホール（入出力端子受け）
２３  エンコーダ取付部
２４  ギアボックス
２５  ヒートパイプモジュール
２６  ヒートシンク
２７  放熱フィン取付部
２８  パワーモジュール
２９  放熱フィン
ＰＭ  パワーモジュール
【図１】
2004222428.tif 000003
【図２】
2004222428.tif 000004
【図３】
2004222428.tif 000005
【図４】
2004222428.tif 000006
【図５】
2004222428.tif 000007