JP2017106533A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】大トルク化と外部干渉の回避とバックラッシュの低減を両立する。【解決手段】２つのモータ１２ａ，１２ｂと、ハイポイド減速機１１とを有し、ハイポイド減速機１１は、２つのモータ１２ａ，１２ｂの出力軸１６ａ，１６ｂにそれぞれ連結された２つのドライブギア１３ａ，１３ｂと、２つのドライブギア１３ａ，１３ｂで駆動される１つのドリブンギア１４とを有する。２つのモータ１２ａ，１２ｂは、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂが平行となり、且つ、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂの軸間距離Ｄがドリブンギア１４の外径より小さくなるように配置されている。【選択図】図２

Description

開示の実施形態は、アクチュエータに関する。

特許文献１には、モータを装着者の胴部に固定し、モータが出力する回転駆動力をフレキシブルシャフトを介して関節近傍に設けた減速機に伝達し、駆動する動力装具の構成が記載されている。

特開２００９−２１３６７１号公報

しかしながら、フレキシブルシャフトを長い範囲で身体の外部に配設した場合には、外部の障害物と干渉しやすいため動作性能の点で改善の余地がある。また、モータを関節近傍に設ける場合でも、要求されるトルクを出力可能な大型のモータを設置した場合には、その外径が大きいためにやはり装着者の身体から外部の側方に大きく突出して他の障害物と干渉しやすくなる。また、動作精度を向上させるためには、減速機においてできるだけバックラッシュを除去することが望ましい。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、大トルク化と外部干渉の回避とバックラッシュの低減を両立可能な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、本発明の一の観点によれば、２つのモータと、ハイポイド減速機と、を有し、前記ハイポイド減速機は、前記２つのモータの出力軸にそれぞれ連結された２つのドライブギアと、前記２つのドライブギアで駆動される１つのドリブンギアと、を有するアクチュエータが適用される。

本発明によれば、大トルク化と外部干渉の回避とバックラッシュの低減を両立できる。

第１実施形態に係るアクチュエータを備えた動作補助装置を左膝に装着した装着者の一例を表す説明図である。 アクチュエータの構成の一例を表す上面図、軸方向断面図、図２（ｂ）中の矢視ＩＩｃ−ＩＩｃによる断面図である。 図２（ｂ）中の矢視ＩＩＩ−ＩＩＩによる軸直交断面図である。 パラレル異方性配向リングマグネットと、第１実施形態に係る極異方性配向リングマグネットの磁束の一例を表す説明図である。 膝関節用アクチュエータを制御する制御システムのブロック構成の一例を表す図である。 第２実施形態に係るアクチュエータの構成の一例を表す上面図、軸方向断面図、図６（ｂ）中の矢視ＶＩｃ−ＶＩｃによる断面図である。 図６（ｂ）中の矢視ＶＩＩａ−ＶＩＩａによる断面図と、矢視ＶＩＩｂ−ＶＩＩｂによる断面図である。 ドリブンギアの構成の一例を表す側面図、図８（ａ）中の矢視ＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂによる断面図、矢視ＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃによる断面図である。

＜１：第１実施形態＞
以下、第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下において、アクチュエータ等の構成の説明の便宜上、上下左右前後等の方向を適宜使用する。これらの方向は、それぞれ図１等に示す「前」、「後」、「上」、「下」、「左」、「右」で注記された方向を指す。これらの方向は、図１に示すように、例えばアクチュエータを備えた動作補助装置を左足膝関節の外側に装着した装着者が起立姿勢である場合に対応している。なお、これらの方向の記載は、アクチュエータ等の各構成の位置関係を限定するものではない。例えば、動作補助装置を装着する部位が変更された場合や、装着者の姿勢が変更された場合等には適宜変更される。

（１−１：動作補助装置の全体構成）
本実施形態のアクチュエータは、一例として装着者Ｍの膝関節の回動動作を補助する動作補助装置（いわゆるアシストロボット）に利用される。図１は、動作補助装置を左膝の外側に装着した装着者Ｍの全身を表している。この図１において、動作補助装置１は、胴部用装具２と、股関節用ヒンジ３と、大腿部用アーム４と、大腿部用装具５と、脛部用装具６と、脛部用アーム７と、足首関節用ヒンジ８と、靴部９と、膝関節用アクチュエータ１０を有している。

胴部用装具２は、装着者Ｍの胴部の周囲に巻かれるように装着される装具であり、当該装着者Ｍの腰部の位置に装着される。

股関節用ヒンジ３は、上記胴部用装具２と後述の大腿部用アーム４の間に設けられるヒンジであり、装着者Ｍ自身による股関節の回動動作に合わせて回動する。なお、図示する例では、この股関節用ヒンジ３には能動的に回動動作を補助する駆動機構は備えていないが、駆動機構を設けてもよい。

大腿部用アーム４は、梁状の構造物であり、その上端は上記股関節用ヒンジ３に固定され、下端は後述の大腿部用装具５に固定されている。

大腿部用装具５は、装着者Ｍの大腿部の周囲に巻かれるように装着される装具であり、図示する例では膝関節のすぐ上の位置に装着される。

脛部用装具６は、装着者Ｍの脛部の周囲に巻かれるように装着される装具であり、図示する例では膝関節のすぐ下の位置に装着される。

脛部用アーム７は、梁状の構造物であり、その上端は上記脛部用装具６に固定され、下端は足首関節用ヒンジ８に固定されている。

足首関節用ヒンジ８は、上記脛部用アーム７と靴部９の間に設けられるヒンジであり、装着者Ｍ自身による足首関節の回動動作に合わせて回動する。なお、図示する例では、この足首関節用ヒンジ８には能動的に回動動作を補助する駆動機構は備えていないが、駆動機構を設けてもよい。

靴部９は、装着者Ｍの足を内部に収容する靴状の装具であり、足の姿勢を拘束する。また、この靴部９のくるぶし付近は、上記足首関節用ヒンジ８に固定されている。

膝関節用アクチュエータ１０（アクチュエータの一例）は、詳細は後述するが、ハイポイドギアを利用したハイポイド減速機１１と２つのモータ１２を有している。この例では、２つのモータ１２とハイポイド減速機１１の駆動側部分（後述のドライブギア）が膝関節の外側で上記大腿部用装具５に固定され、ハイポイド減速機１１の従動側部分（後述のドリブンギア）がその駆動軸を介して上記脛部用装具６に固定されている。２つのモータ１２は、前後方向に並設されており、いずれの回転軸も上記大腿部用アーム４の延設方向（図中の略上下方向）となるように設置されている。言い換えると、２つのモータ１２は、この例の補助対象である膝関節を介して相互に回動する大腿部と脛部のうちの大腿部と略平行となるように配置されている。

これら２つのモータ１２の回転駆動力が、ハイポイド減速機１１で減速されトルクを増加して駆動軸に出力される。これにより脛部用装具６及び脛部用アーム７は、大腿部用装具５及び大腿部用アーム４に対して駆動軸を中心とした相対的な回動動作を行う。この駆動軸の位置が装着者Ｍの膝関節と略一致するよう配置されることで、膝関節用アクチュエータ１０は装着者Ｍの膝関節に対して同軸的に回動動作を補助できる。なお、特に図示しないが、ハイポイド減速機１１の駆動側部分が上記脛部用装具６に固定され、ハイポイド減速機１１の従動側部分が上記大腿部用装具５に固定されてもよい。

（１−２：アクチュエータの主要構成）
次に、図２を参照しつつ膝関節用アクチュエータ１０の主要構成の一例を説明する。図２（ａ）は、膝関節用アクチュエータ１０の外観を上方から見た上面図であり、図２（ｂ）は、膝関節用アクチュエータ１０の軸方向断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）中の矢視ＩＩｃ−ＩＩｃによる断面図である。

図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、膝関節用アクチュエータ１０は主に、筐体２１と、２つのモータ１２ａ，１２ｂと、ハイポイド減速機１１を有している。ハイポイド減速機１１は、２つのドライブギア１３ａ，１３ｂと、１つのドリブンギア１４を有している。

筐体２１（ケースの一例）は、後述するモータ１２ａ，１２ｂの発熱に対する冷却性等を考慮した材料（アルミ、もしくは熱伝導性樹脂など）により構成されるケースであり、膝関節用アクチュエータ１０のほぼ全体を収容している。２つのドライブギア１３ａ，１３ｂと１つのドリブンギア１４は筐体２１の内部に回転可能に収納され、ドリブンギア１４の駆動軸１５は筐体２１の左方側面から突出している。ドリブンギア１４は、駆動軸１５の回転軸心ＡＸがこの例の補助対象である膝関節の回動軸と略同軸となるように配置される。

２つのドライブギア１３ａ，１３ｂは、ハイポイド減速機１１の駆動側のギア（いわゆるピニオン）であり、筐体２１の内部で上記ドリブンギア１４のギア歯にそれぞれ噛み合っている。これら２つのドライブギア１３ａ，１３ｂと上記ドリブンギア１４が、いわゆるハイポイドギアを利用した減速機であるハイポイド減速機１１を構成する。なお、ドリブンギア１４と２つのドライブギア１３ａ，１３ｂの間の噛み合い構成については、後に詳述する。

２つのモータ１２ａ，１２ｂは、交流サーボモータで構成されており、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂは筐体２１の内部で上記２つのドライブギア１３ａ，１３ｂに連結されている。これら２つのモータ１２ａ，１２ｂは、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂが相互に平行で、かつ、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂの軸間距離Ｄ（図２（ｂ）参照）がドリブンギア１４の外径より小さくなる配置で筐体２１の内部に固定されている。

（１−３：ハイポイド減速機における噛み合い構成）
次に、ハイポイド減速機１１における２つのドライブギア１３ａ，１３ｂとドリブンギア１４との噛み合い構成の一例について説明する。ここで、一般的にハイポイドギアについては、食い違い軸の間に運動を伝達するのに用いる円錐又は円錐に近い形状を持つ歯車対と定義される。つまり、駆動側のドライブギア１３ａ，１３ｂと従動側のドリブンギア１４がそれぞれ全体的に略円錐形状に形成されており、それぞれの回転軸がねじれの配置関係となって互いに外周側面上で噛み合う。このような噛み合いを可能にする各ギアの歯面形状は、歯数比（減速比）や食い違い軸間のオフセットＥ（図２（ｂ）参照）などのパラメータによって決定される複雑な形状となる。このため、一つのドリブンギア１４に対して適切に噛み合うためには、適合する同じ歯面形状のドライブギア１３ａ，１３ｂを同じ軸間配置関係（オフセットＥ、円錐頂点間の相対方向）でかみ合わせる必要がある。

そこで本実施形態では、まず２つのモータ１２ａ，１２ｂの各出力軸１６ａ，１６ｂが平行であり、且つ、各出力軸１６ａ，１６ｂの回転軸心とドリブンギア１４の駆動軸１５の回転軸心ＡＸの間のオフセットＥがそれぞれ同じとなるよう、２つのモータ１２ａ，１２ｂが配置されている。そして、各出力軸１６ａ，１６ｂに連結される２つのドライブギア１３ａ，１３ｂは、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸを間に挟むように配置されている。より具体的には、２つのドライブギア１３ａ，１３ｂは、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸに関して点対称となる配置関係（位置、姿勢）、言い換えると回転軸心ＡＸを中心に互いに略１８０°回転させた配置関係で設けられている。

図２（ｂ）に図示する例では、後方に位置するモータ１２ａの出力軸１６ａには、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸよりモータ側の位置で、ドライブギア１３ａがその円錐頂点を下方に向ける姿勢で同軸に連結されている。また、前方に位置するモータ１２ｂの出力軸１６ｂには、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸのモータとは反対側の位置で、ドライブギア１３ｂがその円錐頂点を上方に向ける姿勢で連結シャフト１７ｂ（連結部材の一例）を介して同軸に連結されている。

（１−４：アクチュエータのその他の構成について）
次に、膝関節用アクチュエータ１０における上記以外の構成の一例について順次説明する。

図２（ｂ）に示すように、筐体２１の上方端部には、外部から２つのモータ１２ａ，１２ｂを挿入するための２つのモータ開口部２２が形成されている。筐体２１の内部に各モータ１２ａ，１２ｂが収容された状態では、各モータ開口部２２がキャップ２３で塞がれる。図２（ａ）に示すように、各キャップ２３は上方から見て略四角形状に形成されており、四隅がそれぞれ図示しないボルトにより筐体２１に固定されている。各キャップ２３の内部には、各モータ１２ａ，１２ｂの回転位置を検出する入力回転位置検出部２４が設けられている。各入力回転位置検出器２４は特に限定されるものではないが、例えばポールセンサ等である。また、各モータ１２ａ，１２ｂに給電するリード線２５が、キャップ２３を貫通して配線されている。

モータ１２ａの出力軸１６ａはドライブギア１３ａに連結され、２つのアンギュラベアリング２７により回転可能に支持されている。モータ１２ｂの出力軸１６ｂは、連結シャフト１７ｂに連結され、２つのアンギュラベアリング２７により回転可能に支持されている。連結シャフト１７ｂは、ドライブギア１３ｂに連結されている。２つのアンギュラベアリング２７は、それぞれ軸荷重を受ける方向が互いに逆方向（いわゆる背面合わせ、又は正面合わせ）となっており、ドライブギア１３ａ，１３ｂに作用する軸方向荷重を受けることができる。モータ１２ａ側の２つのアンギュラベアリング２７は、出力軸１６ａの軸方向におけるモータ１２ａとドライブギア１３ａとの間に配置され、モータ１２ｂ側の２つのアンギュラベアリング２７は、出力軸１６ｂの軸方向におけるモータ１２ｂとドライブギア１３ｂとの間に配置されている。さらに、前方側のモータ１２ｂに連結されるドライブギア１３ｂは、その下方側がベアリング６２により支持されている。

いずれのドライブギア１３ａ，１３ｂも、対応するモータ１２ａ，１２ｂの出力軸１６ａ，１６ｂに対して同軸に配置されたボルト２８により連結されている。モータ１２ａ側のボルト２８は、ドライブギア１３ａを軸方向に貫通して出力軸１６ａに連結している。また、モータ１２ｂ側のボルト２８は、ドライブギア１３ｂ及び連結シャフト１７ｂを軸方向に貫通して出力軸１６ｂに連結している。

図２（ｃ）に示すように、筐体２１の左側面には、外部からドリブンギア１４等を入れるためのギア開口部２９が形成されている。筐体２１の内部にドリブンギア１４等が収納された状態では、ギア開口部２９は筐体２１の一部である蓋部３０で塞がれる。また、ドリブンギア１４において、略円錐形状に形成され各ドライブギア１３ａ，１３ｂと噛み合う歯部１８の内周側には、当該歯部１８よりも軸方向の厚み寸法が小さい凹部１９が形成されている。上記蓋部３０は、上記連結シャフト１７ｂを回転可能に保持するすべり軸受３１（保持部の一例）を有している。このすべり軸受３１は、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸ方向である左方向から見て上記凹部１９の内側となる位置で、左側から上記連結シャフト１７ｂに接触して支持している。このすべり軸受３１とベアリング６２による支持により、高負荷トルク時においてもドライブギア１３ｂとドリブンギア１４との距離が増大することを防止でき、高効率な噛み合いを維持できる。

また図２（ｃ）に示すように、筐体２１の右側面の内側におけるドリブンギア１４と対向する位置には、ドリブンギア１４（出力軸１５）の回転位置を検出する出力回転位置検出器６３が設けられている。出力回転位置検出器６３は、回転軸心ＡＸ方向から見て出力軸１５上に配置されているとも言うことができる。出力回転位置検出器６３は特に限定されるものではないが、例えばエンコーダ、レゾルバ、又はポールセンサ等である。

図３は、図２（ｂ）中の矢視ＩＩＩ−ＩＩＩによる断面図である。本実施形態では、図３に示すように、各モータ１２ａ，１２ｂが固定子３２にいわゆるギャップワインドコイル３４を備えることで、小型化及び軽量化を図っている。また回転子３３においては、一般的には図４（ａ）に示すようなパラレル異方性配向のリングマグネット３５が備えられていることに対し、本実施形態では図４（ｂ）に示すような極異方性配向のリングマグネット３６が備えられている。図４（ａ）に示すように、パラレル異方性配向のリングマグネット３５では、周方向に隣接する磁極部３７間で出力軸１６の内部に磁束が折り返すための経路（すなわちバックヨーク）が必要となることから、出力軸１６を磁性材料（例えば鉄）で構成する必要がある。これに対し、図４（ｂ）に示すように、極異方性配向のリングマグネット３６では、周方向に隣接する磁極部３７間でマグネットの内部で直接磁束が折り返すためバックヨークが不要となることから、出力軸１６を非磁性材料のアルミニウム等で構成できる。これにより、モータ１２全体の軽量化を図ることができる。

（１−５：制御システム）
上記構成の膝関節用アクチュエータ１０を制御する制御システムのブロック構成の一例を図５に示す。この図５において、制御システム１００は、駆動制御部７０と上記膝関節用アクチュエータ１０を有している。

駆動制御部７０は、特に図示しない外部の上位制御装置から入力される位置制御指令に基づいて、膝関節アクチュエータ１０の２つのモータ１２ａ、１２ｂにそれぞれ対応した駆動電力を給電する。この駆動制御部７０は、例えば上記動作補助装置１の胴部用装具２に設けられる。駆動制御部７０は、コントローラ７１と２つのサーボアンプ７２，７３を有している。コントローラ７１は、２つのモータ１２ａ，１２ｂの入力回転位置検出器２４からそれぞれ検出された入力回転位置と、ハイポイド減速機１１の出力回転位置検出器６３から検出された出力回転位置に基づいて、各モータ１２ａ，１２ｂにそれぞれ所望する駆動動作を行わせるための２つの電圧指令（ＰＷＭ制御等を適用）を出力する。２つのサーボアンプ７２，７３は、上記コントローラから出力された２つの電圧指令をそれぞれ駆動電力に変換し、対応する２つのモータ１２ａ，１２ｂにそれぞれ入力する。

以上の構成により、制御システム１００は、２つの入力回転位置と１つの出力回転位置に基づくフィードバック制御により、膝関節用アクチュエータ１０全体の統合的な駆動制御が可能となる。

（１−６：バックラッシュ低減のための協調制御）
本実施形態では、１つのドリブンギア１４に対して２つのドライブギア１３ａ，１３ｂを噛み合わせていることにより、２つのモータ１２ａ，１２ｂの間の協調制御でハイポイド減速機１１におけるバックラッシュを低減できる。すなわち、上記制御システム１００における駆動制御部７０が２つのモータ１２ａ，１２ｂの間の回転角の位相や負荷トルクを制御することで、ハイポイド減速機１１におけるバックラッシュを低減することが可能となり、２つのモータの駆動力を有効に使うことが可能となる。

（１−７：第１実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態の膝関節用アクチュエータ１０によれば、歯車減速機としてハイポイド減速機１１を用いているため、駆動軸１５の軸方向における扁平化、軸駆動力の伝達効率の向上、及び静音化が可能になる。また２つのモータ１２ａ，１２ｂで必要駆動トルクを分担できるためそれぞれの外径を小さくでき、膝関節用アクチュエータ１０全体の扁平化が可能になる。このような扁平化により膝関節用アクチュエータ１０全体の設置空間領域を小さくでき、上記図１に示したような動作補助装置や産業ロボット等に利用した場合でも外部の障害物との干渉を回避させて円滑な動作が可能となる。また、各モータ１２ａ，１２ｂは外径を大きくせずとも回転子３３及び固定子３２の軸方向の長さを延長することで駆動トルクを向上させることができることから、膝関節用アクチュエータ１０全体の扁平化を維持したまま駆動トルクを向上できる。また、同一のドリブンギア１４に対し２つのモータ１２ａ，１２ｂがそれぞれドライブギア１３ａ，１３ｂで噛み合っているため、それらの協調制御によりハイポイド減速機１１におけるバックラッシュを低減できる。以上の結果、大トルク化と外部干渉の回避とバックラッシュの低減の両立が可能となる。

また、本実施形態では特に、２つのモータ１２ａ，１２ｂは、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂが平行となり、且つ、それぞれの出力軸１６ａ，１６ｂの軸間距離Ｄがドリブンギア１４の外径より小さくなるように配置されている。これにより、２つのモータ１２ａ，１２ｂを近接して配置することができるので、膝関節用アクチュエータ１０全体における幅方向（出力軸１６ａ，１６ｂの軸間方向）の小型化が可能となる。

また、本実施形態では特に、２つのドライブギア１３ａ，１３ｂは、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸを間に挟むように配置されている。これにより、２つのドライブギア１３ａ，１３ｂで１つのドリブンギア１４を駆動するハイポイド減速機１１を実現できる。また、２つのモータ１２ａ，１２ｂによる駆動が可能となるので、１つのモータによる駆動に比べて膝関節用アクチュエータ１０の出力トルクを倍増できる。

また、本実施形態では特に、２つのモータ１２ａ，１２ｂとハイポイド減速機１１を収容する筐体２１をさらに有する。これにより、当該筐体２１が２つのモータ１２ａ，１２ｂとハイポイド減速機１１（特にドリブンギア１４）との間の相対的な配置関係を保持し、高負荷トルク時においてもドライブギア１３ａ，１３ｂとドリブンギア１４との間の高効率な噛み合いを維持できる。

また、本実施形態では特に、出力軸１６ｂ及びドライブギア１３ｂに同軸に連結された連結シャフト１７ｂをさらに有し、筐体２１の蓋部３０は、連結シャフト１７ｂを回転可能に保持するすべり軸受３１を有する。これにより、連結シャフト１７ｂの撓みを抑えることができるので、高負荷トルク時においてもドライブギア１３ｂとドリブンギア１４との距離が増大することを防止でき、高効率な噛み合いを維持できる。

また、本実施形態では特に、ドリブンギア１４は、歯部１８の内周側に凹部１９を有し、すべり軸受３１は、ドリブンギア１４の回転軸心ＡＸ方向から見て凹部１９の内側となる位置で連結シャフト１７ｂを保持する。これにより、連結シャフト１７ｂの保持スペースを確保することができるので、膝関節用アクチュエータ１０全体の扁平化を維持しつつ、連結シャフト１７ｂの撓みを抑えることができる。

また、本実施形態では特に、出力軸１６ａ，１６ｂの軸方向におけるモータ１２ａ，１２ｂとドライブギア１３ａ，１３ｂとの間に配置され、ドライブギア１３ａ，１３ｂに作用する軸方向の荷重を支持する複数のアンギュラベアリング２７をさらに有する。これにより、各ドライブギア１３ａ，１３ｂの軸方向の移動を抑えることができるので、ドライブギア１３ａ，１３ｂとドリブンギア１４との間の高効率な噛み合いを維持できる。

また、本実施形態では特に、ドライブギア１３ａ，１３ｂと出力軸１６ａ，１６ｂは、同軸に配置されたボルト２８によりそれぞれ連結されている。これにより、各ドライブギア１３ａ，１３ｂの軸方向の移動を抑えることができるので、ドライブギア１３ａ，１３ｂとドリブンギア１４との間の高効率な噛み合いを維持できる。

＜２：第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態では、主として膝関節用アクチュエータ１０Ａにおいて上記第１実施形態と異なる部分について説明する。また、上記第１実施形態と実質的に同一の機能を有する構成要素は、原則として同一の符号で表し、これらの構成要素についての重複説明は、適宜省略する。

まず、上記図２（ａ）〜図２（ｃ）に対応する図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照しつつ、本実施形態の膝関節用アクチュエータ１０Ａの構成の一例について説明する。図６（ｂ）に示すように、両方のドライブギア１３ａ，１３ｂが、連結シャフト１７ａ，１７ｂに同軸に連結している。連結シャフト１７ａ及びドライブギア１３ａは、同軸に配置されたボルト２８により出力軸１６ａに連結されている。また、ドライブギア１３ｂ及び連結シャフト１７ｂは、同軸に配置されたボルト２８により出力軸１６ｂに連結されている。

図６（ｂ）に図示する例では、後方に位置するモータ１２ａの出力軸１６ａにドライブギア１３ａが連結され、その下方側に連結シャフト１７ａが連結されている。ドライブギア１３ａの上端が１つのアンギュラベアリング２７で支持され、連結シャフト１７ａの下端が１つのアンギュラベアリング２７で支持されている。すなわち、２つのアンギュラベアリング２７は、ドライブギア１３ａの軸方向両側に配置されている。

また、前方に位置するモータ１２ｂの出力軸１６ｂに連結シャフト１７ｂが連結され、その下方側にドライブギア１３ｂが連結されている。連結シャフト１７ｂの上端１つのアンギュラベアリング２７で支持され、ドライブギア１３ｂの下端が１つのアンギュラベアリング２７で支持されている。すなわち、２つのアンギュラベアリング２７は、ドライブギア１３ｂの軸方向両側に配置されている。

各軸をそれぞれ支持する２つ１組のアンギュラベアリング２７は、互いに軸荷重を受ける方向が逆方向（背面合わせ、正面合わせ）となっており、ドライブギア１３ａ，１３ｂに作用する軸方向荷重を受けることができる。

筐体２１Ａは、その全体が左右方向に２分割された半割り構造となっている。図２（ｃ）に示すように、筐体２１Ａのうち左側に位置する半割り部分は、回転軸心ＡＸ方向から見てドリブンギア１４Ａの凹部１９の内側位置で各連結シャフト１７ａ，１７ｂをそれぞれ保持する保持部６４を有している。各保持部６４には、各連結シャフト１７ａ，１７ｂをそれぞれ回転可能に支持するボールベアリング３８（軸受の一例）が設置されている。

図７（ａ）は、図６（ｂ）中の矢視ＶＩＩａ−ＶＩＩａによる断面図である。図７（ｂ）は、図６（ｂ）中の矢視ＶＩＩｂ−ＶＩＩｂによる断面図である。

図６（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、各モータ１２ａ，１２ｂとハイポイド減速機１１との間、具体的には各モータ１２ａ，１２ｂの回転子鉄心３３ａと上方側のアンギュラベアリング２７の間の軸方向位置でラジアルファン３９が出力軸１６ａ，１６ｂにそれぞれ連結されている。これらラジアルファン３９は、各出力軸１６ａ，１６ｂとともに回転することで冷却風を回転子３３側から径方向外周側へ送風する機能を有している。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、筐体２１Ａの上方側の端面には、各モータ１２ａ，１２ｂの回転軸心の周囲に複数の外気吸入口４０が形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、各モータ１２ａ，１２ｂの回転子鉄心３３ａの内側には、軸方向全体に渡って通じる外気通路４１が形成されている。また、図７（ａ）に示すように、筐体２１Ａの内部でラジアルファン３９の外周側周囲には、筐体２１Ａの外部へ通じる複数の外気排出口４２が形成されている。以上により、ラジアルファン３９が回転することで、筐体２１Ａの外部から外気吸入口４０を介して冷却風が吸入され、各モータ１２ａ，１２ｂの回転子鉄心３３ａ内の外気通路４１を通過して回転子３３等が冷却される。そしてラジアルファン３９によって外気通路４１を通過した冷却風が筐体２１Ａの外気排出口４２を介して外部に排気される。

図８（ａ）は、図６（ｂ）中に示すドリブンギア１４Ａだけを抽出した拡大図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中の矢視ＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂによる断面図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）中の矢視ＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃによる断面図である。

図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、本実施形態のドリブンギア１４Ａは、歯部１８と駆動軸１５に連結される連結部１５ａを備えた左側に位置する第１薄円板部５０と、右側に位置する第２薄円板部５１とを有している。これら第１薄円板部５０と第２薄円板部５１は、例えばＰＰＳ樹脂（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｒｅｓｉｎ樹脂）をベースとしたＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等で構成されており、強度を維持しつつ軽量化が図られている。図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、第１薄円板部５０の外周縁部には、右側に向けて第１薄肉円筒５２が形成されており、第２薄円板部５１の外周縁部には、左側に向けて第２薄肉円筒５３が形成されている。第２薄肉円筒５３が第１薄肉円筒５２の内周面にはめ込まれることで、全体が中空構造のドリブンギア１４Ａが組み立てられる。

（２−１：第２実施形態の効果）
以上説明した第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を得る。さらに、本実施形態の膝関節用アクチュエータ１０Ａによれば、ドリブンギア１４Ａの凹部１９の内側位置に連結シャフト１７ａ，１７ｂを支持するボールベアリング３８が設けられる。これにより、連結シャフト１７ａ，１７ｂの滑らかな回転を維持しつつ、連結シャフト１７ａ，１７ｂの撓みを抑えることができる。したがって、高負荷トルク時においてもドライブギア１３ａ，１３ｂとドリブンギア１４Ａとの距離が増大することを防止でき、高効率な噛み合いを維持できる。特に、ドライブギア１３ａ，１３ｂのうちモータ側に配置されるドライブギア１３ａについても連結シャフト１７ａを設けてボールベアリング３８で保持するので、第１実施形態よりもギアの噛み合いの維持効果を高めることができる。

また、本実施形態では特に、モータ１２ａ，１２ｂの出力軸１６ａ，１６ｂにラジアルファン３９が設けられている。これにより、冷却風を流通させて筐体２１Ａ内部で発生した熱を効果的に排出でき、冷却性能が向上する分、モータ１２ａ，１２ｂの高出力化を実現できる。

また、本実施形態では特に、冷却風の通過経路となる外気吸入口４０及び外気排出口４２が、筐体２１Ａのモータ電磁部（固定子３２及び回転子３３）の軸方向両側位置に形成されている。これにより、各モータ１２ａ，１２ｂをいわゆる外気開放型モータとして構成することができ、モータ電磁部で発生した熱を効率的に排出できる。

また、本実施形態では特に、モータ１２ａ，１２ｂの回転子鉄心３３ａの内部に外気通路４１が形成されている。これにより、回転子３３で発生した熱を効果的に排出できるので、マグネット３６に熱減磁が生じるのを抑制できる。

また、本実施形態では特に、ドリブンギア１４Ａが中空構造となっている。これにより、膝関節用アクチュエータ１０Ａを大幅に軽量化できる。

なお、以上の説明では、実施形態に係るアクチュエータを人体の動作補助装置（アシスト装置）に適用した場合を一例として説明したが、アクチュエータの用途はこれに限定されるものではなく、例えばロボットの関節駆動等に適用してもよい。

また、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。

また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさが「同一」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記各実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用してもよい。その他、一々例示はしないが、上記各実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 動作補助装置
１０，１０Ａ 膝関節用アクチュエータ
１１ ハイポイド減速機
１２ａ，１２ｂ モータ
１３ａ，１３ｂ ドライブギア
１４，１４Ａ ドリブンギア
１５ 駆動軸
１６ａ，１６ｂ 出力軸
１７ａ，１７ｂ 連結シャフト（連結部材）
１８ 歯部
１９ 凹部
２１，２１Ａ 筐体（ケースの一例）
２２ モータ開口部
２３ キャップ
２４ 入力回転位置検出器
２５ リード線
２７ アンギュラベアリング
２８ ボルト
３０ 蓋部（ケースの一例）
３１ すべり軸受（保持部の一例）
３２ 固定子
３３ 回転子
３４ ギャップワインドコイル
３５ パラレル異方性配向リングマグネット
３６ 極異方性配向リングマグネット
３８ ボールベアリング（軸受の一例）
３９ ラジアルファン
４０ 外気吸入口
４１ 外気通路
４２ 外気排出口
５０ 第１薄円板部
５１ 第２薄円板部
６３ 出力回転位置検出器
７０ 駆動制御部
７１ コントローラ
７２，７３ サーボアンプ
１００ 制御システム
ＡＸ 回転軸心
Ｄ 軸間距離
Ｍ 装着者

Claims (9)

1. ２つのモータと、
   ハイポイド減速機と、を有し、
   前記ハイポイド減速機は、
   前記２つのモータの出力軸にそれぞれ連結された２つのドライブギアと、
   前記２つのドライブギアで駆動される１つのドリブンギアと、
   を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記２つのモータは、
   それぞれの前記出力軸が平行となり、且つ、それぞれの前記出力軸の軸間距離が前記ドリブンギアの外径より小さくなるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記２つのドライブギアは、
   前記ドリブンギアの回転軸心を間に挟むように配置されている
   ことを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記２つのモータと前記ハイポイド減速機を収容するケースをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
5. 前記出力軸及び前記ドライブギアに同軸に連結された連結シャフトをさらに有し、
   前記ケースは、
   前記連結シャフトを回転可能に保持する保持部を有する
   ことを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
6. 前記ドリブンギアは、
   歯部の内周側に凹部を有し、
   前記保持部は、
   前記ドリブンギアの回転軸心方向から見て前記凹部の内側となる位置で前記連結シャフトを保持する
   ことを特徴とする請求項５記載のアクチュエータ。
7. 前記保持部に設置され、前記連結シャフトを支持する軸受をさらに有する
   を特徴とする請求項５又は６記載のアクチュエータ。
8. 前記出力軸の軸方向における前記モータと前記ドライブギアとの間、又は、前記ドライブギアの前記軸方向両側、に配置され、前記ドライブギアに作用する前記軸方向の荷重を支持する複数のアンギュラベアリングをさらに有する
   ことを特徴とする１乃至７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. 前記複数のアンギュラベアリングにより支持された少なくとも１つの連結部材をさらに有し、
   前記ドライブギアと前記少なくとも１つの連結部材とは、前記出力軸及び前記ドライブギアと同軸に配置されたボルトにより前記出力軸に連結されている
   ことを特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。

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