JP7453473B2 - 軸方向駆動アクチュエータ - Google Patents

Description

以下の開示は、デファレンシャル等の回転機械の内部のクラッチを外部から軸方向に駆動するアクチュエータに関し、特に寸法の増大なしにセンサ等を内蔵することができるアクチュエータに関する。

車両に使用される回転機械は、その機能を選択的に稼動および休止するために、しばしばクラッチを利用する。例えば所謂ロックアップデファレンシャルはドッグクラッチを内蔵し、通常時にはドッグクラッチは脱連結しており出力軸間の差動を許容し、外部のアクチュエータによりドッグクラッチを連結させると差動をロックする。アクチュエータには、油圧シリンダ、モータを利用したカム機構、あるいはソレノイドアクチュエータ等が利用されている。

アクチュエータを作動させても、たまたまクラッチ歯同士が噛み合いに適当でない位置関係にある等の稀な条件において、クラッチが連結し損なうことがありうる。また潤滑油の粘性や磁化などによりクラッチ歯同士が一時的に固着することにより、脱連結が滞ることがありうる。すなわちアクチュエータのスイッチを入り切りすることとクラッチの連結／脱連結とは、対応するとは限らない。回転機械が不測の動作を起こすことを防止するべく、クラッチが連結しているか否かを検出する装置がしばしば追加的に必要である。

特許文献１から３は、関連する技術を開示する。

日本国特許出願公開２０１５－２１９９４４号 国際特許出願公開ＷＯ２０１８／１０９８７４Ａ１ 日本国特許出願公開２００４－２０８４６０号

上述の何れの技術によっても、アクチュエータの外部に一定の自由空間がなければ、検出装置を付加することはできない。また検出装置を回転機械のキャリアに固定する場合には、回転機械に対して検出装置をどのようにして精密に位置決めするかという問題が生じる。

以下に開示するアクチュエータは、上述の問題に鑑みて創作されたものである。

一局面によれば、軸の周りに回転可能な装置の内部のクラッチを外部から操作するアクチュエータは、前記軸の周りに並べられてそれぞれ前記軸に平行な向きに磁束を発生するべく向けられた複数の電磁コイルを備えた駆動ユニットと、前記軸と同軸に配置され、軸方向に可動であって前記駆動ユニットに軸方向に対向するアーマチャと、前記アーマチャに結合して軸方向の運動を前記クラッチへ伝えるプランジャと、を備える。

図１は、アクチュエータを備えたデファレンシャルの斜視図である。 図２は、アクチュエータを備えたデファレンシャルの断面立面図である。 図３は、クラッチ部材を含むアクチュエータの分解斜視図である。 図４は、クラッチ部材が組み込まれたデファレンシャルの斜視図である。 図５は、アクチュエータとその周囲の部材の断面立面図である。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。以下の説明および添付の請求の範囲において、特段の説明がなければ軸はクラッチの中心軸を意味し、通常には回転機械の回転軸とも一致する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。

主に図１，２を参照するに、本実施形態によるアクチュエータ１は、例えばデファレンシャル３のごとき、軸Ｘの回りに回転する装置と組み合わせ、その内部のクラッチ５を外部から操作する目的に利用される。デファレンシャルに限らず、車両の動力伝達を担う何れの回転機械と組み合わせることもでき、その例は、トランスミッション、パワートランスファユニット（ＰＴＵ）、あるいはカップリング装置であるが、必ずしもこれらに限られない。またクラッチ５は例えばドッグ歯を備えた所謂ドッグクラッチだが、クロークラッチ等の互いに噛合する構造によりトルクを伝達する形式のクラッチは好適に利用でき、あるいは摩擦クラッチを利用することもできるだろう。

アクチュエータ１は、概して、駆動ユニット７と、軸方向に可動であって駆動ユニット７により吸引されるアーマチャ９と、アーマチャ９の軸方向の運動を伝えるプランジャ１１と、プランジャ１１により駆動されるクラッチ部材１３と、を備える。クラッチ部材１３は、この例ではサイドギア１５と噛合するように構成されており、クラッチ部材１３とサイドギア１５との組み合わせがクラッチ５を構成する。もちろんサイドギア１５に代えて、他の要素との組み合わせがクラッチ５を構成してもよい。

デファレンシャル３は、例えばその外周にフランジ１７Ｆを有するケーシング１７を備え、フランジ１７Ｆに固定されたリングギアを介してトルクを受容し、軸Ｘの周りに回転する。デファレンシャル３は、また、ケーシング１７の内部にデファレンシャルギア組を備え、かかるギア組は受容したトルクを一対のサイドギアに差動的に出力する。クラッチ５が脱連結したときにはサイドギア間の差動が許容され、連結したときには差動がロックされる。図示の例においては、常時クラッチ５は脱連結しており、アクチュエータ１に電力を投入したときにクラッチ５が連結する。これとは逆に、アクチュエータ１に電力を投入したときにクラッチ５が脱連結する構成であってもよい。そのような構成は、例えば駆動ユニット７とアーマチャ９とを逆向きにすることにより、容易に実現できる。また駆動ユニット７とアーマチャ９とが逆向きであって、アクチュエータ１に電力を投入したときにクラッチ５が連結する構成も可能である。

図１，２に組み合わせて図３を参照するに、クラッチ部材１３およびこれに結合したプランジャ１１は、デファレンシャル３と共に軸Ｘの周りに回転可能だが、これらを除くアクチュエータ１、特に駆動ユニット７およびアーマチャ９は、軸Ｘの周りに回り止めされる。回り止めには任意の手段が利用できるが、図示された例では駆動ユニット７を収容するハウジング２７がタブ３３を備え、タブ３３がキャリアの何れかに係合することにより、これらが回り止めされている。

駆動ユニット７は、軸Ｘの周りに並べられた複数の電磁コイル２１を備える。それぞれの電磁コイル２１は、軸Ｘに並行な向きに磁束Ｆを発生するべく向けられている。図３において電磁コイル２１は周方向に隣接して描かれているが、相互に離れていてもよい。またその数は１を超えて任意である。その配置は非対称であってもよいが、好ましくは、複数の電磁コイル２１が軸Ｘの周りに対称的に配置される。これは駆動力が偏るのを防ぐのに役立つ。

磁束Ｆを効率よく引き出して導くべく、駆動ユニット７は、各電磁コイル２１に対応して複数のコア２３をさらに備える。図３においては電磁コイル２１とコア２３とは別体のように見えるが、あるいはコア２３に直接に電磁コイル２１が巻かれて一体化していてもよい。複数のコア２３を保持してハウジング２７に対して固定するべく、円環状のプレート２５を利用することができる。プレート２５はコア２３がそれぞれ嵌合する孔ないし窪みを備えて互いに結合し、あるいはコア２３とプレート２５は一体であってもよい。

アクチュエータ１は、キャリアに対して回り止めされたハウジング２７を好ましくは備える。少なくとも電磁コイル２１およびコア２３は好ましくはハウジング２７に収容され、プレート２５がハウジング２７に被せられて係合することにより、その全体が回り止めされる。ハウジング２７は、また、例えばケーシング１７のボス部１７Ｂに対して軸方向に抜け止めされており、電磁コイル２１およびコア２３も軸方向にも不動にされる。抜け止めのために、例えばボス部１７Ｂに圧入されたリング３５を利用できるが、必ずしもこれに限られない。複数の電磁コイル２１の導線は集約されてケーブル２９としてハウジング２７外に引き出される。

アーマチャ９は、軸Ｘ周りの円盤状の部材であって、全体的にあるいは部分的に磁性材よりなる。アーマチャ９は、軸Ｘと同軸に配置され、また駆動ユニット７に、特に例えばそのコア２３に、軸方向に対向して、また近接して、配置される。好ましくはアーマチャ９もハウジング２７に収容され、軸Ｘの周りに回り止めされるが、軸方向には可動にされる。ただしアーマチャ９は回転可能であってもよく、その場合にアーマチャ９は軸方向運動に加えて回転運動もしてもよい。アーマチャ９は、また、磁束Ｆを効率よく受容する構造を備えてもよく、それは例えば各コア２３に対応してコア２３に向けてそれぞれ突出したブロック部である。ブロック部のみが磁性材よりなり、他の部分は非磁性材よりなっていてもよい。

容易に理解される通り、ケーブル２９を通じて電力が投入されて電磁コイル２１が励磁されると、磁束Ｆによりアーマチャ９が駆動ユニット７に引き寄せられ、以って軸方向に移動する。電力を切断したときにアーマチャ９を当初位置に戻すべく、例えばプレート２５とアーマチャ９との間にスプリング１９が介在してもよい。スプリング１９は、アーマチャ９を駆動ユニット７から引き離す向きに付勢する。

プランジャ１１は、アーマチャ９とクラッチ部材１３との間に介在してアーマチャ９の軸方向の運動をクラッチ部材１３に伝える。図１乃至３に組み合わせて図５を参照するに、プランジャ１１はその内周に、軸Ｘに対して対称的な、短い円筒部分１１Ｃを備える。かかる円筒部分１１Ｃはケーシング１７のボス部１７Ｂに摺動可能に嵌合し、以ってプランジャ１１はケーシング１７に対して位置決めされ、また軸方向に可動である。

アーマチャ９とプランジャ１１との間には、ベアリング３１が介在してもよい。ベアリング３１は、例えばプランジャ１１の円筒部分１１Ｃに嵌合し、例えばスナップリングによりこれに固定される。対応してアーマチャ９もその内周に短い円筒部分を備えることができ、ベアリング３１はかかる円筒部分に嵌入し、例えばスナップリングによりこれに固定される。以ってアーマチャ９の軸方向の運動は双方向にプランジャ１１に伝達されると共に、プランジャ１１はアーマチャ９に対して相対的に回転可能である。

ベアリング３１にはスラストベアリングを適用できるが、印加されるスラスト力はそれほど大きくないので、一般的なボールベアリングを適用することができる。もちろんローラベアリングなど、他の形式のベアリングを利用してもよい。

図３に組み合わせて図４を参照するに、デファレンシャル３のケーシング１７に対し、プランジャ１１は外部だがクラッチ部材１３は内部にある。クラッチ部材１３は、例えばその内方の面にクラッチ５を構成するためのドッグ歯１３Ｔを備える。その反対の面からは、一以上の脚１３Ｌがそれぞれ軸方向に外方に延びる。脚１３Ｌに対応してケーシング１７は貫通孔３７を備え、脚１３Ｌはそれぞれ貫通孔３７を通って外方に露出している。かかる脚１３Ｌを利用して、プランジャ１１とクラッチ部材１３とが結合し、以って共に軸方向に移動し、また共に軸Ｘの周りに回転する。結合にはボルトが利用できるが、もちろん他の適宜の手段も利用できる。

図２，３に組み合わせて主に図５を参照するに、ケーブル２９を通じて電力が投入されて電磁コイル２１が励磁されると、磁束Ｆによりアーマチャ９が駆動ユニット７に引き寄せられ、これに駆動されてプランジャ１１がクラッチ部材１３を軸方向に移動して、クラッチ５を連結させる。電力を切断して磁束Ｆが消失すれば、主にスプリング１９の作用によりプランジャ１１が反対方向に駆動されて、クラッチ５は脱連結する。脱連結を促すべく、例えばサイドギア１５とクラッチ部材１３との間にスプリング４１が追加的に介在してもよく、あるいはスプリング４１がスプリング１９に代替してもよい。

これまでに説明した実施形態においては、電磁コイル２１は軸方向に不動であってアーマチャ９が可動であり、アーマチャ９がプランジャ１１を駆動するが、これに代えて電磁コイル２１が可動であってプランジャ１１を駆動してもよい。その場合には電磁コイル２１に結合した適宜の部材、上述の実施形態で言えばコア２３またはプレート２５がプランジャ１１に結合してもよいし、あるいはこれらとは独立した仲介部材が電磁コイル２１とプランジャ１１とを結合してもよい。これらの部材をコアと称するかアーマチャと称するかは便宜的である。

本実施形態によれば、従来のソレノイド式アクチュエータと異なり、軸の周りを連続的に多数回周回する導線のごとき構造がない。複数の電磁コイル２１は互いに独立しており、周方向に接する必要もないので、電磁コイル２１間にそれぞれ他の要素を配置することができる。その一例は近接センサである。近接センサによりアーマチャ９が離れているか近接しているかを検出することにより、クラッチ５が連結しているか脱連結しているかを判断することができる。

あるいは複数の電磁コイル２１のうちの一以上の電磁コイル２１Ａを、アーマチャ９の位置を検出するのに利用してもよい。例えばアーマチャ９が接近するとき、また離脱するときには、電磁コイル２１Ａに起電力が生ずるので、それを検出してクラッチ５の連結／脱連結を判断することができる。このような検出の目的のために、かかる電磁コイル２１Ａからは、他の電磁コイル２１から独立してケーブルが引き出されていてもよい。

さらにあるいは、アーマチャ９の位置により電磁コイル２１Ａのインピーダンスが変化することを検出してもよい。また電磁コイル２１Ａに代えて、近接センサのごときセンサを設置してもよく、あるいは接触センサないしメカニカルスイッチを設置してもよい。

いずれにせよ、クラッチ部材１３と連動する部材、例えばアーマチャ９は、アクチュエータ１の内部にあり、またその位置を検出する装置もアクチュエータ１の内部に収容できる。結果として、クラッチ５が連結したか脱連結したかを検出する装置はアクチュエータ１の内部に収容することができ、その外部に検出装置を付加する必要がない。本実施形態は、アクチュエータ１の外部に一定の自由空間を必要とせず、コンパクトである。キャリアに検出装置を付加する必要がなく、またキャリアとアクチュエータ１との位置関係に、特段の精度を必要としない。アクチュエータ１の外形は従来のものと互換性があるので、本実施形態による装置は従来の装置と互換的に使用することができる。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

Claims (7)

1. 軸の周りに回転可能な装置の内部のクラッチを外部から操作するアクチュエータであって、
   前記軸の周りに並べられてそれぞれ前記軸に平行な向きに磁束を発生するべく向けられた複数の電磁コイルを備えた駆動ユニットと、
   前記軸と同軸に配置され、軸方向に可動であって前記駆動ユニットに軸方向に対向するアーマチャと、
   前記アーマチャに結合して軸方向の運動を前記クラッチへ伝えるプランジャと、
   を備えたアクチュエータ。
2. 前記プランジャは前記軸に対して対称な円筒部を備え、前記円筒部は前記装置に摺動可能に嵌合する、請求項１のアクチュエータ。
3. 前記複数の電磁コイルのうちの少なくとも一は、他から独立してケーブルが引き出されている、請求項１のアクチュエータ。
4. 前記アーマチャを前記駆動ユニットから引き離す向きに付勢するスプリング、
   をさらに備えた、請求項１のアクチュエータ。
5. 前記駆動ユニットは前記軸の周りに回り止めされている、請求項１のアクチュエータ。
6. 前記プランジャは前記アーマチャに対して回転可能に結合して前記クラッチと共に前記軸の周りを回転する、請求項１のアクチュエータ。
7. 前記複数の電磁コイルの間に、または前記複数の電磁コイルの一に代えて配置され、前記アーマチャが離れているか近接しているかを検出するセンサ、
   をさらに備えた請求項１のアクチュエータ。

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