JP2010057226A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石を用いながらも高効率を実現することができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】固定子３に設けた支軸１０は、先端部に球状の支点部１１を有しており、支軸１０の長さ寸法は、この支点部１１が支軸１０の軸方向において固定磁極面９の幅寸法内に収まるように設定されている。可動子は、下面中央部に、内周面が支軸１０の支点部１１と略同一径の凹球面形状に形成された軸受け凹部１６が設けられており、この軸受け凹部１６に支軸１０の支点部１１を嵌入することによって、支軸１０を介して固定子３と機械的に連結される。永久磁石１４は、可動磁極面１５の上部をＳ極、下部をＮ極とする磁界を発生し、このとき、全ての可動磁極面１５と固定磁極面９との間の吸引力が均衡するため、可動子４は直立姿勢に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多次元駆動が可能なアクチュエータに関するものである。

従来から、この種のアクチュエータとして、固定子（ステータ）と可動子（ロータ）とを備え、固定子に対して可動子を３６０度、任意の方向に傾けることができるものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のアクチュエータ（球面モータ）では、図１１に示すように、固定子３は中空の略半球状に形成されており、固定子３の内部空間に円盤状の可動子４が配置されている。ここで、可動子４と一体に形成されている出力軸１７のうち球状に形成された一端部（図１１では下端部）を、固定子３のうち前記半球の略中心となる位置に設けた軸受け凹部（球面軸受け）１６に嵌め込むことにより、可動子４を固定子３に対して揺動可能に連結している。つまり、可動子４は、軸受け凹部１６の内周面に出力軸１７の前記一端部の外周面を摺動させる形で、固定子３に対して揺動自在に支持される。

さらに、可動子４には永久磁石（図示せず）が設けられており、当該永久磁石の生じる磁束が通る磁路を可動子４および固定子３にて形成し、永久磁石の生じる磁界中で、固定子３に設けたコイル（巻線）２への通電を制御することにより、可動子４に任意の方向の駆動トルクを生じさせることができる。
特開昭６２−２２１８５６号公報

ところで、本出願人は、アクチュエータ１の最大トルクの向上を目的として、従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石を用いることを考えている。ただし、永久磁石を強力なものにすると、永久磁石の磁力によって可動子４が固定子３に吸引される力も大きくなり、図１１の構成では軸受け凹部１６から出力軸１７の前記一端部を引き抜く向き（図１１では上向き）の力が可動子４に作用する。その結果、可動子４を揺動させる際に軸受け凹部１６の内周面と出力軸１７の前記一端部の外周面との間に生じる摩擦力が大きくなって損失が発生し、効率が低下するという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石を用いながらも高効率を実現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。

請求項１の発明は、定位置に固定される固定子と、固定子に対して揺動することにより所定の基準面に対する傾きを基準面内で互いに交差する２本の仮想軸周りで変化させる可動子とを備えたアクチュエータであって、固定子と可動子との一方は、基準面に交差する方向に着磁された永久磁石と、磁性体材料からなり永久磁石の着磁方向において永久磁石の各磁極とそれぞれ重ね合わされた第１および第２の磁極板とを有し、固定子と可動子との他方は、前記一方を包囲する位置に配置された少なくとも３個の磁極片と、通電時に各磁極片を励磁するコイルと、磁極片間を一体に連結する基台部と、基台部における前記一方との対向面から突出する支軸とを有し、磁極片が、コイルへの非通電時には第１および第２の磁極板に跨って対向し、支軸が、先端部に形成された支点部を前記一方に設けた軸受け凹部に挿入することで可動子を固定子に対して揺動自在に支承しており、支点部が、基準面に直交する方向において磁極片の幅寸法内に位置することを特徴とする。

この構成によれば、可動子の揺動支点となる支点部が基準面に直交する方向において磁極片の幅寸法内に位置するから、コイルへの非通電時に永久磁石の発生する磁界により磁極板と磁極片との間に作用する吸引力は、基準面に沿う面内で作用するだけであって、基準面に直交する方向に作用することはない。したがって、従来構成のように永久磁石の磁力によって軸受け凹部と支点部との間の摩擦力が大きくなることはなく、従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石を用いながらも高効率を実現することができるという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記固定子と前記可動子とのうちで前記永久磁石が設けられている側が、前記コイルへの非通電時において外周縁が前記基準面に沿う面内で円弧状に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石の生じる磁界による漏れ磁束を減少させることができ、永久磁石の磁束を可動子の駆動に有効に利用することができるから、高効率化を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記永久磁石が円環状に形成されており、前記第１および第２の両磁極板が、永久磁石の開口を通して結合されることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石の開口を通して一対の磁極板を結合することにより、磁極板と永久磁石との位置合わせが容易になり、組立作業が容易になるという利点がある。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記固定子および前記可動子が、前記コイルの非通電時に前記永久磁石の磁束が通る磁路を、前記基準面に対して対称に形成することを特徴とする。

この構成によれば、コイルの非通電時において、第１の磁極板と磁極片との間に生じる吸引力と、第２の磁極板と磁極片との間に生じる吸引力とが均衡し、したがって、軸受け凹部と支点部との間の摩擦力がより低減されるという利点がある。

本発明は、支点部が基準面に直交する方向において磁極片の幅寸法内に位置するから、従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石を用いながらも高効率を実現することができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態のアクチュエータ１は、図２および図３に示すように、駆動用のコイル２を具備した固定子３と、固定子３に対して揺動自在に組み付けられる可動子４とを備えている。以下、図２の上下を上下とし、図３の左右を左右、下方を前方として説明するが、アクチュエータ１の取り付け方向を限定する趣旨ではない。

固定子３は、前後方向に長い直方体と左右方向に長い直方体との長手方向の中央部同士を一体に連結することで上下方向に直交する断面が十字状に形成された基台部５と、基台部５における前後左右の各端部（十字の各先端部）からそれぞれ上方に突出した脚部６とを具備する継鉄７を有している。継鉄７は磁性体材料からなり、各脚部６の長手方向（上下方向）の中央部にはそれぞれコイル２が巻装されている。各脚部６の先端部（上端部）には、基台部５の上面に沿う面内で内側に突出する形の磁極片８がそれぞれ一体に形成されており、各磁極片８の先端面がそれぞれ固定磁極面９を構成する。これら固定磁極面９と基台部５上面とで囲まれた領域を以下では収容凹所という。

本実施形態では、図４のように互いに対向する脚部６にそれぞれ巻装された２個のコイル２を対として直列に接続することにより、各一対のコイル２には同時に電流が流れるようにしてある。ここで、各一対の２個のコイル２は、発生する磁束の向きが上下方向において互いに逆向きとなるように接続されている。したがって、各一対の２個のコイル２に通電すれば、前記２個のコイル２がそれぞれ巻装された脚部６と基台部５とを通るループ状の磁束が発生し、継鉄７は、一方のコイル２が巻装された脚部６側の固定磁極面９をＮ極、他方のコイル２が巻装された脚部６側の固定磁極面９をＳ極とするように磁化される。

さらに、図５に示すように基台部５の上面の中央部には、円柱状の支軸１０が軸方向を基台部５の上面に直交させる形で立設されている。支軸１０は、先端部（上端部）に球状の支点部１１を有しており、支軸１０の長さ寸法は、この支点部１１が上下方向において磁極片８の高さ寸法内に収まるように設定されている。つまり、支点部１１は支軸１０の軸方向において固定磁極面９の幅寸法内に位置する。

可動子４は、それぞれ磁性体材料からなり前後方向に長い矩形板と左右方向に長い矩形板との長手方向の中央部同士を一体に連結することで上下方向に直交する断面が十字状に形成された第１および第２の磁極板１２，１３と、平面視が磁極板１２，１３と略同一形状に形成された板状の永久磁石１４とを具備し、両磁極板１２，１３で永久磁石１４を挟んだ状態で両磁極板１２，１３と永久磁石１４とが厚み方向に重なるように、永久磁石１４の厚み方向の両面に各磁極板１２，１３がそれぞれ固着されている。永久磁石１４は、上面に固着された第１の磁極板１２側をＳ極、下面に固着された第２の磁極板１３側をＮ極とするように厚み方向に着磁されている。ここに、可動子４の前後左右の各端面（十字の各先端面）は、それぞれ可動磁極面１５を構成する。

第２の磁極板１３の下面中央部には、内周面が支軸１０の支点部１１と略同一径の凹球面形状に形成された軸受け凹部１６が設けられており、この軸受け凹部１６に支軸１０の支点部１１を嵌入することによって、可動子４は支軸１０を介して固定子３と機械的に連結される。ここで、軸受け凹部１６は支点部１１と共に球面滑り軸受けを構成し、これにより、可動子４は、軸受け凹部１６の内周面を支点部１１の外周面に対して摺動させる形で、支点部１１の中心（以下、揺動中心という）周りにおいて所定の立体角の範囲で揺動自在に支承される。

ここにおいて、可動子４は、図５に示すように軸受け凹部１６に支点部１１が嵌入された状態で、各可動磁極面１５をそれぞれ固定磁極面９と対向させるとともに、可動磁極面１５と固定磁極面９との間に所定のギャップ（間隙）を有するように収容凹所内に収容される。可動磁極面１５と固定磁極面９とはいずれも前記揺動中心を中心とする球面形状に形成されており、これにより、揺動中心を中心に可動子４を揺動させたとしても、可動磁極面１５と固定磁極面９とが互いに接触することはなく、可動磁極面１５−固定磁極面９間の距離は一定に維持されることとなる。

また、可動子４の上面の中央部には、アクチュエータ１で発生する動力を取り出すための出力軸１７が立設されている。出力軸１７は、円柱状であって可動子４の上面に直交する向きに立設されており、可動子４が揺動中心周りで揺動するのに伴って傾斜し、その先端部を前後左右に移動させるものである。

次に、本実施形態のアクチュエータ１の動作について、図１を参照して説明する。なお、以下の説明では、左右の脚部６が並ぶ方向をＸ軸方向、前後の脚部６が並ぶ方向をＹ軸方向、支軸１０の軸方向をＺ軸方向とする。ここで、Ｘ軸およびＹ軸の各々が特許請求の範囲における仮想軸を構成する。

永久磁石１４は、図１（ａ）に破線で示すように、第２の磁極板１３−ギャップ−磁極片８−ギャップ−第１の磁極板１２からなる閉磁路を通るループ状の磁束を発生し、当該磁束によって可動磁極面１５と固定磁極面９との間に吸引力が作用する。そのため、いずれのコイル２にも通電しない状態では、可動子４は、図１（ａ）のように永久磁石１４の生じる磁束によって、出力軸１７が固定子３に対して直立し出力軸１７の軸方向が支軸１０の軸方向（Ｚ軸方向）に一致する姿勢（以下、直立姿勢という）に維持される。すなわち、永久磁石１４は、可動磁極面１５の上部（第１の磁極板１２側）をＳ極、下部（第２の磁極板１３側）をＮ極とする磁界を発生し、このとき、全ての可動磁極面１５と固定磁極面９との間の吸引力が均衡するため、可動子４は直立姿勢に維持される。

一方、図１（ｂ）に示すように左右の各脚部６に巻装された一対のコイル２に通電し、右側の脚部６に巻装されたコイル２には上方から見て反時計回り、左側の脚部６に巻装されたコイル２には上方から見て時計回りに電流を流すようにすれば、右側の脚部６の固定磁極面９をＮ極、左側の脚部６の固定磁極面９をＳ極とする磁界が発生する。このとき、可動子４の右端においては可動磁極面１５の上部（第１の磁極板１２側）と固定磁極面９との間に吸引力が作用するとともに可動磁極面１５の下部（第２の磁極板１３側）と固定磁極面９との間に反発力が作用し、可動子４の左端においては可動磁極面１５の上部と固定磁極面９との間に反発力が作用するとともに可動磁極面１５の下部と固定磁極面９との間に吸引力が作用する。したがって、可動子４は揺動中心を中心としてＹ軸周りで前方から見て時計回り（図１（ｂ）の矢印Ａの向き）に揺動し、これに伴い出力軸１７が右側に傾倒して出力軸１７の先端部が右方へ移動する。

さらに、図１（ｃ）に示すように左右の各脚部６に巻装された一対のコイル２に通電し、右側の脚部６に巻装されたコイル２には上方から見て時計回り、左側の脚部６に巻装されたコイル２には上方から見て反時計回りに電流を流すようにすれば、右側の脚部６の固定磁極面９がＳ極となり、左側の脚部６の固定磁極面９がＮ極となる。このとき、可動子４の右端においては可動磁極面１５の上部と固定磁極面９との間に反発力が作用するとともに可動磁極面１５の下部と固定磁極面９との間に吸引力が作用し、可動子４の左端においては可動磁極面１５の上部と固定磁極面９との間に吸引力が作用するとともに可動磁極面１５と固定磁極面９との間に反発力が作用する。したがって、可動子４は揺動中心を中心としてＹ軸周りで前方から見て反時計回り（図１（ｃ）の矢印Ｂの向き）に揺動し、これに伴い出力軸１７が左側に傾倒して出力軸１７の先端部が左方へ移動する。

このように、左右一対のコイル２に通電することによって、可動子４をＹ軸周りで揺動させるトルクが発生し、出力軸１７の先端部はＸ軸方向（左右方向）へ移動する。同様に、前後の各脚部６に巻装された一対のコイル２に通電したときには、可動子４はＸ軸周りで揺動し、これに伴って出力軸１７がＹ軸方向（前後方向）に傾倒し、出力軸１７の先端部がＹ軸方向（前後方向）へ移動することとなる。さらにまた、前後左右の全てのコイル２に対して一斉に通電すれば、Ｚ軸に直交するＸ−Ｙ平面（以下、基準面という）内でＸ軸とＹ軸とのいずれにも交差する軸周りで可動子４を揺動させ、出力軸１７を、斜め前方あるいは斜め後方に傾倒させてその先端部を斜め前方あるいは斜め後方に移動させることができる。

ここにおいて、左右一対のコイル２への供給電流の大きさと前後一対のコイル２への供給電流の大きさとの比、および各一対のコイル２への通電方向を制御することにより、可動子４の変位する方向を制御することができる。たとえば、各一対のコイル２にそれぞれ正弦波状の交流電流を供給する場合には、左右一対のコイル２への供給電流と前後一対のコイル２への供給電流との間における周波数の比および位相差に応じて、出力軸（の先端部）１７の軌道が変化することとなる。具体例としては、各一対のコイル２に電流を流すために印加する電源電圧の周波数比（前後一対のコイル：左右一対のコイル）を「１：１」、「１．５：１」、「２：１」、「２．５：１」、位相差を「０」、「π／４」、「π／２」の中からそれぞれ選択して組み合わせた場合の出力軸１７の先端部の軌道はそれぞれ図６の（ａ）〜（ｌ）に示すようになる。なお、図６の（ａ）〜（ｌ）では上下方向をＹ軸方向、左右方向をＸ軸方向とする。

以上説明した本実施形態のアクチュエータ１によれば、可動子４の揺動支点となる支軸１０の支点部１１が、支軸１０の軸方向（Ｚ軸方向）において磁極片８（固定電極面９）の高さ寸法内に位置するので、いずれのコイル２にも通電されていない状態では、永久磁石１４の生じる磁束によって各可動磁極面１５と各固定磁極面９との間に吸引力が作用するものの、当該吸引力は基準面（Ｘ−Ｙ平面）に沿う平面内で作用するだけであって、当該吸引力によって支点部１１と軸受け凹部１６との間に生じる摩擦力が増加することはない。つまり、各可動磁極面１５と各固定磁極面９との間で作用する吸引力同士が均衡することにより、可動子４は、軸受け凹部１６の中央部に支点部１１が位置するように固定子３に対して相対的に位置決めされるのであって、また、可動磁極面１５と固定磁極面９との間に作用する吸引力はＺ軸方向には殆ど作用することがないので、結果的に、永久磁石１４の磁力によって支点部１１の外周面と軸受け凹部１６の内周面との間の摩擦力が大きくなることはない。

したがって、可動子４を揺動させる際に支点部１１と軸受け凹部１６との間で発生する損失を小さく抑えることができ、効率の低下を抑制することができるので、アクチュエータ１の最大トルクの向上を目的として、従来よりも強力な磁力を持つ永久磁石１４を用いる場合でも、高効率なアクチュエータ１を実現することができるという利点がある。

さらにまた、コイル２への通電時においても、各可動磁極面１５と各固定磁極面９との間で作用する吸引力によって可動子４には支点部１１周りのトルクが発生するので、支点部１１の位置を軸受け凹部１６の中央部からずらすような力が作用することはなく、支点部１１の外周面と軸受け凹部１６の内周面との間の摩擦力を小さく抑えることが可能である。

ところで、本実施形態では、コイル２を設けた側の部材を固定子３、永久磁石１４を設けた側の部材を可動子４として説明したが、上記構成の固定子３と可動子４とを入れ替えてもよい。すなわち、上記構成の可動子４を定位置に固定される固定子として用い、上記構成の固定子３に出力軸１７を設けて当該固定子３を可動子として用いれば、固定子に対して可動子を揺動させることが可能である。

なお、可動子４と支軸１０の連結部分は、上述したような球面滑り軸受けではなく、球面ころ軸受けを用いた構造としてもよい。

（実施形態２）
本実施形態のアクチュエータ１は、図７および図８に示すように出力軸１７に直交する断面が円形状の可動子４を採用した点が実施形態１のアクチュエータ１と相違する。

すなわち、可動子４は、図９に示すように円盤状の第１および第２の磁極板１２，１３と、磁極板１２，１３と略同一の円盤状の永久磁石１４とを具備し、両磁極板１２，１３で永久磁石１４を挟んだ状態で両磁極板１２，１３と永久磁石１４とが厚み方向に重なるように、永久磁石１４の厚み方向の両面に各磁極板１２，１３がそれぞれ固着されている。ここに、可動子４の外周面（円盤の周面）が可動磁極面１５を構成する。

このように可動子４を円盤状としたことにより、可動子４を十字状とする実施形態１の構成に比べて固定磁極面９と可動磁極面１５との対向面積を拡大することができ、その結果、永久磁石１４の生じる磁界による漏れ磁束を抑制することができる。さらに、コイル２への通電時における漏れ磁束の発生を抑制することができる。つまり、永久磁石１４およびコイル２の生じる磁束が可動子４の駆動に効率的に作用することとなり、その結果、アクチュエータ１の更なる高効率化を図ることができるという利点がある。

また、本実施形態の他の構成例として、図１０に示すように永久磁石１４をリング状とし、永久磁石１４の開口を通して第１および第２の両磁極板１２，１３が結合されるようにしてもよい。この構成では、永久磁石１４と第１および第２の磁極板１２，１３との位置合わせが容易となり、組み立て作業が容易になる。さらに、磁性体材料の体積を大きくとることで磁気抵抗を低減することができるから、高トルクを実現できるという利点もある。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

ところで、上記各実施形態において、永久磁石１４の磁束を通す磁路は、可動子４の揺動中心を通り且つＺ軸に直交する基準面（Ｘ−Ｙ平面）に対して対称に形成されることが望ましい。すなわち、前記基準面に対して磁路が対称になっていれば、いずれのコイル２にも通電されていない状態で、永久磁石１４の磁束によって生じる可動磁極面１５−固定磁極面９間の吸引力は、揺動中心のＺ軸方向の両側において等しくなり、したがって、可動磁極面１５と固定磁極面９との間の吸引力が可動子４に対してＺ軸方向に作用することはなく、支点部１１と軸受け凹部１６との間の摩擦力をより低減できる。

本発明の実施形態１の動作を示す概略図である。 同上の構成を示す概略斜視図である。 同上の構成を示す概略平面図である。 同上のコイルの接続関係を示す概略平面図である。 同上の構成を示す一部破断した概略斜視図である。 同上の出力軸の軌道を示す説明図である。 本発明の実施形態２の構成を示す概略斜視図である。 同上の構成を示す概略平面図である。 同上の構成を示す一部破断した概略斜視図である。 同上の他の構成例の可動部を示す概略斜視図である。 従来例を示す概略図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ コイル
３ 固定子
４ 可動子
８ 磁極片
９ 固定磁極面
１０ 支軸
１１ 支点部
１２，１３ 磁極板
１４ 永久磁石
１５ 可動磁極面
１６ 軸受け凹部

Claims (4)

1. 定位置に固定される固定子と、固定子に対して揺動することにより所定の基準面に対する傾きを基準面内で互いに交差する２本の仮想軸周りで変化させる可動子とを備えたアクチュエータであって、固定子と可動子との一方は、基準面に交差する方向に着磁された永久磁石と、磁性体材料からなり永久磁石の着磁方向において永久磁石の各磁極とそれぞれ重ね合わされた第１および第２の磁極板とを有し、固定子と可動子との他方は、前記一方を包囲する位置に配置された少なくとも３個の磁極片と、通電時に各磁極片を励磁するコイルと、磁極片間を一体に連結する基台部と、基台部における前記一方との対向面から突出する支軸とを有し、磁極片は、コイルへの非通電時には第１および第２の磁極板に跨って対向し、支軸は、先端部に形成された支点部を前記一方に設けた軸受け凹部に挿入することで可動子を固定子に対して揺動自在に支承しており、支点部は、基準面に直交する方向において磁極片の幅寸法内に位置することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記固定子と前記可動子とのうちで前記永久磁石が設けられている側は、前記コイルへの非通電時において外周縁が前記基準面に沿う面内で円弧状に形成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. 前記永久磁石は円環状に形成されており、前記第１および第２の両磁極板は、永久磁石の開口を通して結合されることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記固定子および前記可動子は、前記コイルの非通電時に前記永久磁石の磁束が通る磁路を、前記基準面に対して対称に形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
   

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