JP2011217540A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を達成しながら、インナー部材が可動子であるか固定子であるかに関わらずインナー部材を支持する構造を実現することができ、また、インナー部材が可動子である場合に、その可動子の動力を回転軸方向の両側から外部に出力する構造を実現することができる電磁アクチュエータを提供すること。
【解決手段】可動子１は、第１の可動子コア１３と、第２の可動子コア１４と、これら第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４を同軸で連結する出力軸１５とを有する。出力軸１５の中央位置であって、第１及び第２の可動子コア１３及び１４の間の空間Ｄには、出力軸１５を回転自在に支持する球面軸受４が設けられている。球面軸受４及び軸受ホルダ５は、固定子２のフレーム２１に接続された支持板６により支持されている。これにより、小型化を達成しながらインナー部材を支持し、例えばインナー部材となる可動子１の動力を軸の両側から出力することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、多自由度駆動を可能とする電磁アクチュエータに関する。

特許文献１には、球面全方位の駆動が可能であり、ロボットの肩関節や眼球の駆動に応用が期待される三自由度球面電磁アクチュエータが開示されている。

この電磁アクチュエータは、可動子と、この可動子を３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向のまわりに回転トルクを発生させる固定子を備えている。可動子は、ｘｙ平面に平行な周方向に沿って分割された４つの磁性体と、これら磁性体の間に９０°おきに挿入された４つの永久磁石とを含む。固定子は、可動子の外周側に所定のエアギャップを介して配置されており、ｚ軸方向に沿って上下二つに分割されている。個々の固定子はそれぞれ、６個の磁極をもつ同一材質の磁性体で形成されており、各磁極の極性を制御することで、可動子をｚ軸のまわりに３６０°、ｘ軸及びｙ軸のまわりに所定角度範囲にわたって回転させることが可能である（例えば、特許文献１の明細書段落[００１７]参照）。

特開２００９−１３０９５７号公報

特許文献１に記載された電磁アクチュエータでは、例えばインナー部材となる可動子の動力を外部に出力するための具体的な構造及びその可動子の出力軸を支持する構造は記載されていない。例えば、ｚ軸方向の出力軸が可動子に設けられる場合、その出力軸を支持する構造としては、その出力軸の一端に軸受が設けられる構造が考えられる。しかし、出力軸の一端に軸受が設けられる場合、その軸受を支持する構造または機構を、例えば固定子の外側に設ける必要がある。これでは、電磁アクチュエータ全体が大型化する。

このような問題は、特許文献１に記載の可動子が固定子とされ、固定子が可動子とされる場合にも同様に起こる。すなわち、そのインナー部材となる固定子を支持する構造に工夫が必要となる。

また、インナー部材が可動子とされる場合であって、その可動子の出力軸の一端に軸受が設けられる場合、出力軸の一端の反対側である他端側からしか動力を出力することができず、この電磁アクチュエータの応用範囲が限定されたものになる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、小型化を達成しながら、インナー部材が可動子であるか固定子であるかに関わらずインナー部材を支持する構造を実現することができ、また、インナー部材が可動子である場合に、その可動子の動力を回転軸方向の両側から外部に出力する構造を実現することができる電磁アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電磁アクチュエータは、インナー部材と、アウター部材と、球面軸受と、支持部材とを具備する。
前記インナー部材は、第１のコアと、第２のコアと、前記第１のコア及び前記第２のコアの間に空間を形成するように、前記第１及び前記第２のコアを同軸で連結する軸とを有する。
前記アウター部材は、前記インナー部材の外周側に配置され、前記軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、前記軸と異なる方向の軸を回転中心とする第２の電磁トルクとを発生することで、前記インナー部材に相対的に回転可能である。
前記球面軸受は、前記インナー部材の前記空間内に設けられ、前記軸を回転自在に支持する。
前記支持部材は、前記インナー部材の前記空間を介して前記アウター部材に接続され、前記軸に沿った方向とは異なる方向から前記球面軸受を支持する。

アウター部材が、第１の電磁トルクを発生させることで、軸を回転中心とするインナー部材またはアウター部材の回転による動力が得られる。またアウター部材が、第２の電磁トルクを発生させることで、軸と異なる方向の軸を回転中心とするインナー部材またはアウター部材の回転による動力が得られる。

本発明では、第１及び第２のコアの間に形成された空間内に軸を支持する球面軸受が設けられ、アウター部材に設けられた支持部材によりその空間を介してその球面軸受が支持される。すなわち、インナー部材の内部に軸を支持する球面軸受が設けられ、そして支持部材により軸方向とは異なる方向から球面軸受が支持される。したがって、軸の一端に軸受が設けられる場合に比べ小型化を達成しながらインナー部材を支持することができ、また軸方向で薄型化された電磁アクチュエータを実現することができる。

また、軸の両端以外の部分に球面軸受が設けられるため、インナー部材が可動子である場合には、その両端からその動力を出力することが可能となり、電磁アクチュエータの幅広い応用が可能となる。

前記支持部材は、前記出力軸に垂直な面内で配置された板状部分を有してもよい。これにより、出力軸の軸方向で電磁アクチュエータの薄型化を実現することができる。

以上、本発明によれば、電磁アクチュエータの小型化を達成しながらインナー部材を支持する構造を実現することができ、また、インナー部材が可動子である場合に、その可動子の動力を回転軸方向の両側から外部に出力する構造を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータを示す平面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ線での断面図である（Ｂ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線も同様）。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態に係る電磁アクチュエータの動作原理を説明するための図である。 図４は、例えば図３（Ａ）または（Ｂ）に示した動作により、可動子１が傾動した状態を示す図である。 図５は、参考例に係る電磁アクチュエータを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[電磁アクチュエータの構成]
図１は、本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータを示す平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での断面図である（Ｂ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線も同様）。図１では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を有するｘｙｚ空間において、電磁アクチュエータ１００を図示している。本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータ１００は、可動子をｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な球面アクチュエータの一種として構成されている。

電磁アクチュエータ１００は、インナー部材としての可動子１と、アウター部材としての固定子２とを備える。可動子１は、ｘｙ平面内の円周方向に沿って４つの分割された磁性体１１と、隣接する２つの磁性体１１の各間に等ピッチ(９０°間隔)で挿入された４つの永久磁石１２(例えば、Br=１．４T)とを有している。すなわち、可動子１は、円周方向に２つの磁極対を有する。永久磁石１２は、図１に示す矢印ｄの向きに着磁されている。

固定子２は、外周側の壁を形成する筒状のフレーム２１と、このフレーム２１に設けられ可動子１を駆動するための複数の電磁石３を有する。これら電磁石３は、コア３２及びこのコア３２に巻かれたコイル３１で構成されている。電磁石３は、上段及び下段にそれぞれ６個ずつ設けられている。上段の複数の電磁石３と、下段の複数の電磁石３とは、ｚ軸方向で対称位置となるように配置されている。

各コア３２は、それぞれ可動子１に向けて突出するように、フレーム２１の内周面側に等ピッチ（ｚ軸方向で見て６０°間隔）取り付けられている。コア３２の端部である磁極３２１の先端面は、可動子１の外周面と対向している。

可動子１は、第１の可動子コア１３と、第２の可動子コア１４と、これら第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４を同軸で連結する出力軸１５とを有する。出力軸１５は、第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４の間に空間Ｄを形成するように、それらを連結する。

第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４は、同一の構成を有しており、上述したように、４つの分割された磁性体１１と、これら磁性体１１の間に設けられた４つの永久磁石１２をそれぞれ有する。第１の可動子コア１３の磁性体１１と、第２の可動子コア１４の磁性体１１とは、ｚ軸方向で見て同じ角度位置にそれぞれ配置されている。また、第１の可動子コア１３の永久磁石１２と、第２の可動子コア１４の永久磁石１２とは、ｚ軸方向で見て同じ角度位置にそれぞれ配置されている。

第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４の側面は球面の一部となっており、また、それらの球面に対応するように、コア３２の、第１の可動子コア１３及び第２の可動子コア１４にそれぞれ対面する面もそれぞれ球面となっている。

出力軸１５のｚ軸方向での中心には球面体１６が設けられている。球面体１６は、球面軸受４により支持され、これにより可動子１が球面体１６を中心として回転自在に支持される。球面軸受４は軸受ホルダ５により保持され、軸受ホルダ５は球面軸受４の外周部に取り付けられている。

軸受ホルダ５には、支持板６が取り付けられている。支持板６は、出力軸１５に沿ったｚ軸方向とは異なる方向から球面軸受４を支持する支持部材として機能する。具体的には、支持板６は、側方から球面軸受４を支持する。支持板６は、板状であり、本実施形態では円板状となっている。支持板６の中央には穴６ａが形成され、この穴６ａ内に球面軸受４が配置されている。軸受ホルダ５は、ｚ軸方向でこの支持板６を挟むように設けられている。支持板６の外周側のエッジ部６ｂが、フレーム２１に取り付けられることにより、支持板６がフレーム２１に接続されて固定される。すなわち支持板６は、空間Ｄを介して固定子２のフレーム２１に接続されている。支持板６の材料は、非磁性材とされており、例えばステンレス、アルミニウム、樹脂等である。

なお、図２では、軸受ホルダ５は、ｚ軸方向に分割されて２つ設けられているが、１つの軸受ホルダ５の外周面の周方向に、この軸受ホルダ５を貫通しないスリットが設けられ、そのスリットに、支持板６の穴６ａを形成する端部（支持板６の内周側のエッジ部）が嵌め込まれることにより、軸受ホルダ５が支持板６により支持されていてもよい。

第１の可動子コア１３の、第２の可動子コア１４と対面する面には、ｚ軸の周りで環状の溝１３ａが形成されている。また同様に、第２の可動子コア１４の、第１の可動子コア１３と対面する面には、ｚ軸の周りで環状の溝１４ａが形成されている。後述するように、可動子１がｘまたはｙ軸周りに回転（傾動）した時に、軸受ホルダ５が、それらの溝１３ａ及び１４ａに嵌まり込む。これにより、可動子１が所定の傾動角度以上で傾動せず、その可動子１の傾動動作が規制される。

各コイル３１に供給される電流は独立して制御することが可能となっており、これにより１２個の磁極３２１のそれぞれにおける励磁量も独立に制御することが可能となっている。

[電磁アクチュエータの動作原理]
以下、電磁アクチュエータ１００の動作原理を説明する。

まず、ｘ軸周りの回転運動について動作原理を説明する。図３（Ａ）は、図１で示したｘ軸に垂直な断面、すなわちＡ−Ａ線断面を表している。ここで、Ａ−Ａ線断面内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｓ極の磁性を示している。

今、図３（Ａ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルク（つまり、電磁トルク）を得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図３（Ａ）とは反対方向にトルクを得ることになる。ｘ軸周りの回転におけるトルク量は、Ａ−Ａ線断面内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

次に、ｙ軸周りの回転運動について、図３（Ｂ）をもとに説明する。図３（Ｂ）はＡ−Ａ線断面をｚ軸周りに６０°回転させた断面、すなわちＢ−Ｂ線断面またはＣ−Ｃ線断面を示している。ここで、Ｂ−Ｂ線断面及びＣ−Ｃ線断面においても、その断面内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｎ極の磁性を示している。

なお、ｙ軸は、図１におけるＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線の間に位置する線であるが、Ｂ−Ｂ線断面内にある磁極３２１及びＣ−Ｃ線断面内にある磁極３２１は、それぞれ同じ極性になるように制御されるので、図３（Ｂ）で示した１つの図で動作原理を説明することができる。

今、図３（Ｂ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図３（Ｂ）とは反対方向にトルクを得ることになる。すなわち、Ｂ−Ｂ線断面及びＣ−Ｃ線断面の両方において、同様の作用によって同じ大きさのトルクを作用させれば、可動子に働く合力はｙ軸周りの回転トルクとなる。ｙ軸周りの回転におけるトルク量は、Ｂ−Ｂ線断面またはＣ−Ｃ線断面内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

最後に、ｚ軸周りの回転について、図３（Ｃ）をもとに動作原理を説明する。図３（Ｃ）はｚ軸に垂直な断面図を示している。今、図３（Ｃ）で示した磁極が現れるようコイル３１が励磁され、つまり、ｚ軸周りの方向で１８０°離れた各電磁石が同相となるように、コイル３１が励磁され、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。ｚ軸に沿って配置された２つの固定子についてそれぞれ同じ磁極を発生させれば、ｚ軸以外の軸にはトルクは発生しないことになる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は反対方向にトルクを得ることになる。ｚ軸周りの回転におけるトルク量は、コア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

図４は、例えば図３（Ａ）または（Ｂ）に示した動作により、可動子１が傾動した状態を示す図である。このように、可動子１が傾動すると、上記溝１３ａ及び１４ａに軸受ホルダ５が嵌まり込み、その可動子１の動きが規制される。

ここで、支持板６が非磁性材で形成されているので、可動子１は例えば下段に配置された電磁石３による磁束と、可動子１の、上段に配置された第１の可動子コア１３の磁束とが相互作用し、可動子１の傾動動作を実現している。

以上のように、本実施形態では、第１及び第２の可動子コア１３及び１４の間に形成された空間Ｄ内に出力軸１５を支持する球面軸受４が設けられ、固定子２に設けられた支持板６によりその空間Ｄを介してその球面軸受４（及び軸受ホルダ５）が支持される。すなわち、可動子１の内部に出力軸１５を支持する球面軸受４が設けられるので、出力軸１５の端部に軸受が設けられる場合に比べ、小型化を達成しながら可動子１を支持することができ、またｚ軸方向で薄型化された電磁アクチュエータ１００を実現することができる。

また、出力軸１５の例えば中央部分に球面軸受４が設けられるため、出力軸１５の両端から動力を出力することが可能となり、電磁アクチュエータ１００の幅広い応用が可能となる。例えば、電磁アクチュエータ１００を搬送ロボットのアームの関節装置として適用可能である。

ここで、図５は参考例に係る電磁アクチュエータを示す断面図である。この電磁アクチュエータ１５０の動作原理は、上記実施形態に係る電磁アクチュエータ１００と同様である。電磁アクチュエータ１５０は、可動子１０１及び固定子１０２を備える。固定子１０２は、電磁石１０３と、フレーム１０２１と、フレーム１０２１の下部に取り付けられたベース１０２２とを有する。可動子１０１は、本体１０１３と、上方に突出した出力軸１１５とを有する。

本体１０１３の中央位置には内部空間が設けられている。ベース１０２２上からは、支持軸１１９が突出して設けられ、支持軸１１９の端部は上記内部空間に配置され、支持軸１１９の端部には球面体１１６が設けられている。また、上記内部空間に、球面体１１６を支持する球面軸受１０４が設けられている。

なお、本体１０１３の下部の、支持軸１１９の周囲には、円錐状の穴１０１３ａが設けられている。これにより、支持軸１１９を中心として可動子１０１が傾動または揺動可能になる。

このような参考例に係る電磁アクチュエータ１５０では、出力軸１１５と同軸の支持軸１１９がベース１０２２上に設置されているので、ベース１０２２を必要とする分、電磁アクチュエータ１５０が大型化する。これに対し、上記実施形態に係る電磁アクチュエータ１００では、支持板６が固定子２のフレーム２１に接続され、ベース１０２２が不要であるため、電磁アクチュエータ１００の小型化及び薄型化を実現することができる。

支持板６は、出力軸１５に垂直な面内で設けられた板状体であるので、電磁アクチュエータのさらなる薄型化を実現することができる。

また、このような参考例に係る電磁アクチュエータ１５０では、出力軸１１５が本体１０１３の上方側にのみ設けられており、これでは、電磁アクチュエータ１５０の一端側のみしか動力を出力することができない。これに対し、上記実施形態に係る電磁アクチュエータ１００では、電磁アクチュエータ１００のｚ軸方向の両側から動力を出力することが可能となる。

電磁アクチュエータ１００の構成によれば、組み立てが容易になる。図５に示した電磁アクチュエータ１５０は、以下の手順で組み立てられる。例えば可動子１０１の本体１０１３が、水平方向（図５における左右方向）で２つに分割された部品でなる。この場合、まず、上段側の複数の電磁石１０３がなく、下段側の複数の電磁石１０３のみが取り付けられたフレーム２１と、ベース１０２２とが接続固定される。そして、そのベース１０２２上に、支持軸１１９が設置され、支持軸１１９に球面体１１６及び球面軸受１０４が取り付けられ、その支持軸１１９の球面体１１６に左右から、球面軸受１０４本体１０１３が取り付けられる。その後、上段側の複数の電磁石１０３がフレーム２１に取り付けられる。

これに対し、電磁アクチュエータ１００は、以下の手順で組み立てられる。出力軸１５に球面体１６、球面軸受４及び支持板６が取り付けられる。その後、出力軸１５に第１及び第２の可動子コア１３及び１４が取り付けられる。そして、下段側の複数の電磁石３が取り付けられたフレーム２１が、支持板６に接続され、上段側の複数の電磁石３がフレーム２１に取り付けられる。すなわち、電磁アクチュエータ１００は、ｚ軸での及びｘｙ軸での中心部分から外側に向けて各部品を組み立てていけばよいので、図５に示した電磁アクチュエータ１５０に比べ、それを組み立てる時の各部品の姿勢の安定性が問題にならず、また、中心位置出しの精度等も高くなる。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が実現される。

電磁石３、可動子１の磁性体１１、永久磁石１２等の個数や配置等は、上記実施形態に限られず、適宜変更可能である。

出力軸１５、フレーム２１、支持板６、可動子１の第１及び第２の可動子コア１３及び１４のそれぞれの形状、大きさ等は適宜変更可能である。例えば、支持板６は、板状でなくてもよく、例えば棒状、柱状、またはその他の形状であってもよい。あるいは、第１及び第２の可動子コア１３及び１４の溝１３ａ及び１４ａはなくてもよく、第１及び第２の可動子コア１３及び１４の互いに向かい合う面が平面であってもよい。

第１及び第２の可動子コア１３及び１４は、軸受ホルダ５に当接してその動きが規制されるのではなく、支持板６に当接してその動きが規制されてもよい。また、軸１５の一端にセンサを設けることにより、そのセンサにより可動子の角度や速度を検出し、より高精度に可動子の位置決めを行うアクチュエータを構成してもよい。

上記実施形態では、内側の部材であるインナー部材が可動子であり、その外周側の部材であるアウター部材が固定子とされた。しかし、インナー部材が固定子とされ、アウター部材が可動子とされてもよい。

１…可動子（インナー部材に相当）
２…固定子（アウター部材に相当）
３…電磁石
４…球面軸受
５…軸受ホルダ
６…支持板（支持部材に相当）
１１…磁性体
１２…永久磁石
１３…第１の可動子コア（第１のコアに相当）
１４…第２の可動子コア（第２のコアに相当）
１５…出力軸（軸に相当）
１６…球面体
２１…フレーム
１００…電磁アクチュエータ

Claims (2)

1. 第１のコアと、第２のコアと、前記第１のコア及び前記第２のコアの間に空間を形成するように、前記第１及び前記第２のコアを同軸で連結する軸とを有するインナー部材と、
   前記インナー部材の外周側に配置され、前記軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、前記軸と異なる方向の軸を回転中心とする第２の電磁トルクとを発生することで、前記インナー部材に相対的に回転可能なアウター部材と、
   前記インナー部材の前記空間内に設けられ、前記軸を回転自在に支持する球面軸受と、
   前記インナー部材の前記空間を介して前記アウター部材に接続され、前記軸に沿った方向とは異なる方向から前記球面軸受を支持する支持部材と
   を具備する電磁アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記支持部材は、前記軸に垂直な面内で配置された板状部分を有する電磁アクチュエータ。

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