JP2014015991A - 磁気歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環状パッキンを用いずに入力側と出力側の２つの領域を確実に遮断することができる磁気歯車装置を提供する。
【解決手段】磁気歯車装置１は、外歯車５と、内歯車６と、第１の回転軸３と、第２の回転軸４と、ケース２とを備える。外歯車５は、外側筒３１と、外側筒３１の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片３２とを有する。内歯車６は、外歯車５の筒孔に配置された内側筒４１と、内側筒４１の外周部に取り付けられた複数の内側磁石片４２とを有する。第１の回転軸３は、内側筒４１に接続されており、第２の回転軸４は、外側筒３１に接続されている。ケース２は、内歯車６が配置される第１収納室１８と、外歯車５が配置される第２収納室１９とを遮断して区画する。そして、ケース２は、内側磁石片４２と外側磁石片３２との間に配置されるステータ部１３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気引力または斥力を利用して動力を伝達する磁気歯車装置に関するものである。

歯車は、トルクなどの動力を伝達する機械要素である。一般的な歯車は、原動側の歯と従動側の歯が接触することで動力を伝達するため、原動側の歯と従動側の歯との間に摩擦が生じる。したがって、原動側の歯と従動側の歯との間には、潤滑剤が必要になる。また、原動側の歯と従動側の歯との接触による騒音も発生する。そこで、近年、歯の接触の無い磁気歯車が開発されている。磁気歯車は、非接触でトルクを伝達するため、潤滑剤を必要とせず、且つ、無騒音で駆動させることができる。

一方、ロボットや複写機等に用いられる減速機構には、過大なトルクが作用したときにそのトルクを遮断（動力伝達を遮断）するトルクリミッタ機能を有するものが要求されている。磁気歯車は、トルクリミッタ機能を有するため、簡単な構造でトルクリミッタ機能を備えた減速機構を構成することができる。

磁気歯車装置としては、例えば、非特許文献１に記載されているものがある。この非特許文献１に記載された磁気歯車装置は、円筒状のハイスピードロータ及びロースピードロータを有しており、ハイスピードロータの外周面が、ロースピードロータの内周面に対向している。そして、ハイスピードロータの外周面に取り付けた磁石片とロースピードロータの内周面に取り付けた磁石片との間に生じる磁気引力を利用して、ハイスピードロータの動力をロースピードロータに伝達する。

また、ハイスピードロータの外周面に取り付けた磁石片とロースピードロータの内周面に取り付けた磁石片との間には、磁石片の磁束を通す複数の鉄片（磁性歯部）が配置されている。

Ｋ.Ａｔａｌｌａｈ ａｎｄ Ｄ．Ｈｏｗｅ,「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｅａｒ」,ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ,ＪＵＬＹ ２００１,Ｖｏｌ．３７． Ｎｏ．４，ｐ．２８４４−２８４６

しかしながら、非特許文献１に記載された磁気歯車装置では、ハイスピードロータが配置される入力側と、ロースピードロータが配置される出力側の２つの領域を遮断するものではなかった。つまり、入力側と出力側の２つの領域が各ロータの軸と軸受との間を介して連通しており、一方の領域から他方の領域へ気体や液体が侵入してしまう。

一方の領域から他方の領域へ気体や液体が侵入することを防ぐには、例えば、ロータの軸と軸受との間に環状パッキンを介在させて、入力側と出力側の２つの領域を遮断することが考えられる。しかし、この場合は、環状パッキンとロータの軸との間に潤滑剤を介在させるため、潤滑剤が入力側又は出力側の領域に漏れてしまうことがある。

また、環状パッキンによる気密性及び液密性は、環状パッキンに加える圧力により変化する。しかし、環状パッキンの耐圧には限界があるため、入力側の領域と出力側の領域との間で気体や液体が出入りする可能性がある。

さらに、長期間の使用によって環状パッキンが劣化するため、メンテナンスが必要になる。また、ロータの軸と軸受で環状パッキンを押圧するため、ロータの軸と軸受との間に摩擦抵抗が生じて、ロータの回転損失が大きくなる。

本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、環状パッキンを用いずに入力側と出力側の２つの領域を確実に遮断することができる磁気歯車装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の磁気歯車装置は、外歯車と、内歯車と、第１の回転軸と、第２の回転軸と、ケースとを備えている。
外歯車は、円形の筒孔を有する外側筒と、外側筒の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片とを有している。
内歯車は、外歯車の筒孔に配置され、円形の外周部を有する内側筒と、内側筒の外周部に取り付けられた複数の内側磁石片とを有している。
第１の回転軸は、内側筒に接続されており、内側筒と同軸である。
第２の回転軸は、外側筒に接続されており、外側筒と同軸である。
ケースは、内歯車が配置される第１収納室と、外歯車が配置される第２収納室とを遮断して区画する。そして、内側磁石片と外側磁石片との間に配置されるステータ部を有する。

上記構成の磁気歯車装置におけるケースは、内歯車が配置される第１収納室と、外歯車が配置される第２収納室とを遮断して区画する。そして、第１の回転軸の回転は、ケースのステータ部を介して対向する内歯車と外歯車を介して第２の回転軸に伝達される。
これにより、内歯車及び第１の回転軸が配置される側（例えば、入力側）と、外歯車及び第２の回転軸が配置される側（例えば、出力側）との間で気体や液体が出入りすることを防止することができる。

本発明の磁気歯車装置によれば、環状パッキンを用いずに入力側と出力側の２つの領域を確実に遮断することができる。

本発明の磁気歯車装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の磁気歯車装置の一実施形態に係る内歯車の分解斜視図である。 本発明の磁気歯車装置の一実施形態に係るステータ部の斜視図である。 図４に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図４に示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図７Ａは本発明の磁気歯車装置の一実施形態に係るステータ部を製造する際に用いる磁性部材の平面図、図７Ｂは図７Ａに示す磁性部材を積層して形成された磁性歯部品を示す側面図、図７Ｃは図７Ｂに示す磁性歯部品と合成樹脂を一体成形して補強部及び被覆部を形成した状態を示す側面図である。 本発明の磁気歯車装置の一実施形態に係る内歯車における所定の内側磁石片の中央部がステータ部における所定の磁性歯部の中央部に内歯車の径方向で一致した状態の説明図である。 図８に示す状態から第１の回転軸を回転させた状態を示す説明図である。 図９に示す状態から第１の回転軸を回転させた状態を示す説明図である。 図１０に示す状態から第１の回転軸を回転させた状態を示す説明図である。 図１１に示す状態から第１の回転軸を回転させた状態を示す説明図である。

以下、本発明の磁気歯車装置を実施するための形態について、図１〜図１２を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

１．磁気歯車装置の構成
まず、本発明の磁気歯車装置の一実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の磁気歯車装置の一実施形態の断面図である。

図１に示すように、磁気歯車装置１は、ケース２と、第１の回転軸３と、第２の回転軸４と、外歯車５と、内歯車６とを備えている。外歯車５は、第２の回転軸４に固定され、内歯車６は、第１の回転軸３に固定されている。

ケース２は、中空部を有する箱状のケース本体１１と、ケース本体１１の内部に配置された軸支持部１２及びステータ部１３とを有している。ケース本体１１は、両端が開口された円筒状の筒部１４と、筒部１４の一方の開口を塞ぐ第１蓋部１５と、筒部１４の他方の開口を塞ぐ第２蓋部１６から構成されている。

ケース本体１１の第１蓋部１５は、適当な厚みを有する板状に形成されており、筒部１４の軸方向に略直交する平面を有している。この第１蓋部１５は、筒部１４の内側に嵌合され、筒部１４と接合されている。また、第１蓋部１５は、筒部１４の外周面よりも突出する鍔片１５ａを有している。この鍔片１５ａは、磁気歯車装置１の設置部（不図示）に、ねじなどの固定部材を用いて固定される。

さらに、第１蓋部１５には、第１の回転軸３が貫通する貫通孔が設けられている。第１蓋部１５の貫通孔には、軸受２１が配置されている。この軸受２１は、第１蓋部１５に固定されており、第１の回転軸３を回転可能に支持する。

ケース本体１１の第２蓋部１６は、適当な厚みを有する板状に形成されており、筒部１４の軸方向に略直交する平面を有している。この第２蓋部１６は、筒部１４の内側に嵌合され、筒部１４と接合されている。

また、第２蓋部１６には、第２の回転軸４が貫通する貫通孔が設けられている。第２蓋部１６の貫通孔には、軸受２２が配置されている。この軸受２２は、第２蓋部１６に固定されており、第２の回転軸４を回転可能に支持する。

軸支持部１２は、筒部１４の内部において第１蓋部１５と第２蓋部１６の中間部よりも第２蓋部１６側に配置されている。この軸支持部１２は、適当な厚みを有する円板状に形成されており、第１蓋部１５に対向する第１平面１２ａと、第２蓋部１６に対向する第２平面１２ｂとを有している。

軸支持部１２の第１平面１２ａ及び第２平面１２ｂには、それぞれ凹部が設けられている。第１平面１２ａの凹部には、軸受２３が配置されている。この軸受２３は、軸支持部１２に固定されており、第１の回転軸３を回転可能に支持する。また、第２平面１２ｂの凹部には、軸受２４が配置されている。この軸受２４は、軸支持部１２に固定されており、第２の回転軸４を回転可能に支持する。

ステータ部１３は、略円筒状に形成されている。このステータ部１３の一端部は、第１蓋部１５の一方の平面（内面）に液密又は気密に接合されている。また、ステータ部１３の他端部は、軸支持部１２に嵌合され、軸支持部１２と液密又は気密に接合されている。

軸支持部１２とステータ部１３は、ケース本体１１の内部空間を第１収納室１８と、第２収納室１９に区画する。これら第１収納室１８と第２収納室１９は、互いに液密又は気密に遮断されている。

第１収納室１８は、軸支持部１２、ステータ部１３及び第１蓋部１５に囲まれた空間であり、第２収納室１９は、軸支持部１２、ステータ部１３、筒部１４及び第２蓋部１６に囲まれた空間である。第１収納室１８には内歯車６が配置され、第２収納室１９には外歯車５が配置されている。そして、第１収納室１８に配置された内歯車６と、第２収納室１９に配置された外歯車５との間には、ステータ部１３が介在されている。

ケース本体１１（筒部１４、第１蓋部１５及び第２蓋部１６）と、軸支持部１２は、防錆および磁束漏れを防止のため、腐食に強い非磁性材料によって形成することが望ましい。これらケース本体１１及び軸支持部１２の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、アルミニウム、銅等の金属、又は合成樹脂を挙げることができる。
なお、ステータ部１３の材料及び構成については、後で図４〜図６を参照して説明する。

第１の回転軸３及び第２の回転軸４は、防錆および磁束漏れを防止のため、ケース本体１１及び軸支持部１２と同様に、腐食に強い非磁性材料から形成することが望ましい。第１の回転軸３の軸心及び第２の回転軸４の軸心は、第１蓋部１５と第２蓋部１６が対向する方向と平行であって、互いに一致している。

第１の回転軸３は、ケース２の第１蓋部１５を貫通しており、内歯車６に連結されている。この第１の回転軸３は、内歯車６と同軸に配置されている。そして、第１の回転軸３は、軸受２１，２３によって第１蓋部１５と軸支持部１２に回転可能に取り付けられている。

第２の回転軸４は、第１軸部４ａと、第１軸部４ａの先端に設けられた円板部４ｂと、円板部４ｂの第１軸部４ａと反対側に設けられた第２軸部４ｃから構成されている。第１軸部４ａは、第２蓋部１６を貫通しており、軸受２２によって第２蓋部１６に回転可能に取り付けられている。この第１軸部４ａには、第２の回転軸４に連結する部材が嵌合する嵌合穴４ｄが形成されている。

第２の回転軸４の円板部４ｂには、外歯車５が連結されており、第２の回転軸４は、外歯車５と同軸に配設されている。また、第２軸部４ｃの軸心は、第１軸部４ａの軸心と一致している。この第２軸部４ｃは、軸受２４によって軸支持部１２に回転可能に取り付けられている。

軸受２１，２２，２３及び２４は、それぞれ転動体２１ａ，２２ａ，２３ａ及び２４ａを有する転がり軸受（ボールベアリング）である。第１の回転軸３を回転可能に支持する軸受２１，２３は、潤滑剤を用いた金属製の軸受を適用することが好ましい。この金属製の軸受は、第１の回転軸３の高速回転に耐える強度を有する。

一方、第２の回転軸４を回転可能に支持する軸受２２，２４は、潤滑剤を使用しない樹脂製やセラミック製の軸受を適用することが好ましい。これにより、オイルミストの発生を防止して、第２の回転軸４及び外歯車５が配置される側の領域を清潔な空間にすることができる。

また、樹脂製やセラミック製の軸受は、金属製の軸受よりも強度が低くて高速回転に適していない。しかし、第２の回転軸４は、第１の回転軸３よりも回転速度が遅いため、第２の回転軸４を支持する軸受２２，２４を樹脂製やセラミック製にすることが可能である。第１の回転軸３の回転速度としては、例えば、１５００〜３０００ｒｐｍとすることができ、第２の回転軸４の回転速度としては、例えば、３００〜６００ｒｐｍとすることができる。

なお、本発明に係る軸受は、転がり軸受に限定されるものではなく、例えば、すべり軸受、流体軸受等を適用することもできる。

［外歯車］
次に、外歯車５の構成について、図１及び図２を参照して説明する。
図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図２では、ケース２の筒部１４を省略している。

外歯車５は、第２の回転軸４の円板部４ｂに固定された外側筒３１と、外側筒３１の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片３２から構成されている。

外側筒３１は、円形の筒孔３１ａを有している。この外側筒３１は、例えば、電磁鋼板、電磁軟鉄などの磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成されている。なお、磁性材料からなる複数の板状部材は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体に形成されている。

このように、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して外側筒３１を形成すると、重なり合う板状部材間の微細な間隙が抵抗になり、外側筒３１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。そのため、外側筒３１は、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して形成することが好ましい。なお、渦電流の遮断をより確実にするために、重なり合う板状部材間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させてもよい。

複数の外側磁石片３２は、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂから構成されている。複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ筒孔３１ａの軸方向に細長い略棒状に形成された永久磁石である。これら複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、筒孔３１ａの径方向に磁化されている。

外側磁石片３２Ａと外側磁石片３２Ｂは、筒孔３１ａの周方向に交互に並べられている。外側磁石片３２Ａは、外側筒３１側がＳ極であり、ステータ部１３の後述する磁性歯部５５側がＮ極である。一方、外側磁石片３２Ｂは、外側筒３１側がＮ極であり、ステータ部１３の後述する磁性歯部５５側がＳ極である。したがって、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、異なる磁極が筒孔３１ａの周方向に隣り合うように並べられている。

本実施の形態では、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂを磁性材料からなる外側筒３１に貼り付けることにより、外側筒３１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。また、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、磁気吸引力によって外側筒３１の内周部に吸着させることができるため、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂを外側筒３１の内周部に簡単に取りつけることができる。

［内歯車］
次に、内歯車６について図２及び図３を参照して説明する。
図３は、内歯車６の分解斜視図である。

図２に示すように、内歯車６は、外歯車５の筒孔３１ａ内であって、第１収納室１８内に配置されている。この内歯車６は、円形の外周部を有する内側筒４１と、内側筒４１の外周部に取り付けられた複数の内側磁石片４２から構成されている。

図３に示すように、内側筒４１は、第１の回転軸３が嵌合される円形の筒孔４１ａを有する円筒状に形成されている。この内側筒４１は、例えば、電磁鋼板、電磁軟鉄などの磁性材料からなる複数の板状のリング部材４１Ａを積層することにより形成されている。複数のリング部材４１は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体成形されている。このように、磁性材料からなる複数のリング部材４１Ａを積層して内側筒４１を形成することにより、内側筒４１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。そのため、内側筒４１は、磁性材料からなる複数のリング部材４１Ａを積層して形成することが好ましい。

複数の内側磁石片４２は、それぞれ内側筒４１（筒孔４１ａ）の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の内側磁石片４２は、内側筒４１（筒孔４１ａ）の径方向に磁化されている。そして、複数の内側磁石片４２は、磁化された方向が互いに反対である複数の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂから構成されている。

図２に示すように、内側磁石片４２Ａと内側磁石片４２Ｂは、内側筒４１の周方向に交互に並べられている。内側磁石片４２Ａは、内側筒４１側がＮ極であり、ステータ部１３の後述する磁性歯部５５側ががＳ極である。一方、内側磁石片４２Ｂは、内側筒４１側がＳ極であり、ステータ部１３の後述する磁性歯部５５側がＮ極である。したがって、複数の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂは、異なる磁極が内側筒４１（筒孔４１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。

［ステータ部］
次に、ステータ部１３について図４〜図６を参照して説明する。
図４は、ステータ部１３の斜視図である。図５は、図４に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図６は、図５に示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

図４及び図５に示すように、ステータ部１３は、円筒状に形成されている。このステータ部１３は、円筒体であるステータ本体５１と、このステータ本体５１の軸方向の一端部に連続する蓋部側接合部５２と、ステータ本体５１の軸方向の他端部に連続する支持部側接合部５３とを備えている。

ステータ本体５１は、外歯車５の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、内歯車６の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂとの間に配置される（図１参照）。このステータ本体５１は、第１の回転軸３の周方向に沿って所定の間隔をあけて配置された複数の磁性歯部５５と、複数の磁性歯部５５の間を埋めた補強部５６と、磁性歯部５５の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂに対向する面を覆う被覆部５７とを有している。

複数の磁性歯部５５は、ステータ本体５１の軸方向に延びる略棒状に形成されている。つまり、複数の磁性歯部５５は、第１の回転軸３及び第２の回転軸４と平行な方向に延びる棒状に形成されている。そして、各磁性歯部５５は、ステータ本体５１の軸方向（第１の回転軸３及び第２の回転軸４と平行な方向）に複数の磁性片６３を積層することにより形成されている。この磁性片６３の材料としては、例えば、電磁鋼板を挙げることができる。

後述するように、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５と内歯車６が互いに反対方向に回転する。したがって、ステータ本体５１の磁性歯部を連続した１本の棒状に形成すると、磁性歯部の中で渦電流が発生する。そして、磁性歯部に渦電流が発生すると、レンツの法則により外歯車５及び内歯車６の回転に抗する電磁ブレーキが生じてトルク損失となる。
そこで、本実施の形態では、磁性歯部５５を複数の磁性片６３を積層して形成し、渦電流を遮断している。

図６に示すように、各磁性歯部５５は、隣り合う磁性歯部５５に対向する面に凹部５９を有している。この凹部５９は、磁性歯部５５の長手方向（ステータ本体５１の軸方向）に延びる溝状に形成されている。

補強部５６及び被覆部５７は、非磁性材料によって一体に形成されている。本実施の形態では、複数の磁性片６３を積層することで磁性歯部５５を形成しているため、複数の磁性片６３間には、僅かな間隙が形成されている。そこで、磁性歯部５５の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂ（図１参照）に対向する面を被覆部５７で覆うことにより、ステータ本体５１の内側の空間と外側の空間を遮断する。その結果、第１収納室１８と第２収納室１９（図１参照）は、互いに液密又は気密に区画される。

なお、磁性歯部５５の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂに対向する面は、非磁性材料によって覆われずに露出されている。しかし、本発明に係るステータ部としては、磁性歯部の内側磁石片に対向する面を非磁性材料によって覆ってもよい。

本実施の形態では、磁性歯部５５に凹部５９を形成している。そのため、磁性歯部５５がステータ部１２の径方向にずれて補強部５６から外れないようにすることができる。

図５に示すように、蓋部側接合部５２は、ステータ本体５１と同軸の円筒状に形成されている。蓋部側接合部５２の外径は、ステータ本体５１の外径と略等しく設定されており、内径は、ステータ本体５１の内径よりも小さく設定されている。この蓋部側接合部５２は、ケース２の第１蓋部１５と液密又は気密に接合されている（図１参照）。

支持部側接合部５３は、蓋部側接合部５２と同様に、ステータ本体５１と同軸の円筒状に形成されている。支持部側接合部５３の外径及び内径は、ステータ本体５１の外径及び内径と略等しく設定されている。この支持部側接合部５３は、ケース２の軸支持部１２と液密又は気密に接合されている（図１参照）。

本実施の形態では、蓋部側接合部５２を第１蓋部１５に接着剤を用いて接合し、支持部側接合部５３を軸支持部１２と一体成形している。なお、支持部側接合部５３は、接着剤を用いて軸支持部１２に接合してもよい。また、蓋部側接合部５２を第１蓋部１５と一体成形してもよい。

また、蓋部側接合部５２と第１蓋部１５の接合及び支持部側接合部５３と軸支持部１２の接合は、接着剤を用いることに限定されず、両者を液密又は気密に接合するその他の方法を用いてもよい。その他の方法としては、例えば、一方に雄ねじ部を設け、他方に雌ねじ部を設けて両者をねじ結合する方法や、両者をテーパ嵌合させる方法を挙げることができる。

蓋部側接合部５２及び支持部側接合部５３は、ステータ本体の補強部５６及び被覆部５７と同様に非磁性材料によって形成されており、補強部５６及び被覆部５７と共に磁性歯部５５を固定する。これら蓋部側接合部５２、支持部側接合部５３、補強部５６及び被覆部５７の材料としては、合成樹脂が好ましい。これにより、ステータ部１３を樹脂と金属の一体成形で簡単に製造することができる。

［ステータ部の製造方法］
次に、ステータ部１３の製造方法について、図７を参照して説明する。
図７Ａは、ステータ部１３を製造する際に用いる磁性部材の平面図である。図７Ｂは、磁性部材を積層して形成された磁性歯部品を示す側面図である。図７Ｃは、磁性歯部品と合成樹脂を一体成形して補強部及び被覆部を形成した状態を示す側面図である。

まず、磁性歯部５５を形成する磁性部材６１について説明する。
図７Ａに示すように、磁性部材６１は、例えば、電磁鋼板、電磁軟鉄などの磁性材料からなり、中央部に円形の貫通孔を有する円環状に形成されている。

磁性部材６１は、円環状の連結片６２と、連結片６２の外周部に連続する複数の磁性片６３とを有している。複数の磁性片６３は、それぞれ連結片６２の径方向の外側に突出しており、連結片６２の周方向に所定の間隔をあけて配置されている。各磁性片６３は、略長方形の板状に形成されており、一方の短辺が連結片６２に連続している。各磁性片６３の２つの長辺には、それぞれ切欠き６３ａが形成されている。切欠き６３ａは、略半円状に形成されている。なお、本発明に係る磁性片の切欠きは、略半円状に限定されず、三角形や四角形など任意の形状にすることができる。

次に、ステータ部１３の製造工程について説明する。
ステータ部１３を製造するには、まず、上述した磁性部材６１を軸方向に積層し、数点をカシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着して一体に仮形成する。これにより、図７Ｂに示す磁性歯部品６５が組み立てられる。磁性歯部品６５では、複数の磁性片６３が磁性部材６１の軸方向に積み重なって磁性歯部５５を形成し、複数の切欠き６３ａが磁性部材６１の軸方向に積み重なって凹部５９を形成する。

続いて、金属製の磁性歯部品６５と非磁性材料である合成樹脂とを不図示の型を用いて一体成形する。その結果、図７Ｃに示すように、蓋部側接合部５２、支持部側接合部５３、補強部５６（図６参照）及び被覆部５７が形成される。このとき、非磁性材料である合成樹脂が磁性歯部５５の凹部５９に入り込んで補強部５６の一部を形成する。そのため、磁性歯部５５と補強部５６との結合を強固にすることができ、磁性歯部５５が補強部５６から外れないようにすることができる。
なお、本実施の形態では、蓋部側接合部５２、支持部側接合部５３、補強部５６（図６参照）及び被覆部５７と一緒に、軸支持部１２を一体成形する。

その後、連結片６２を切削する。これにより、複数の磁性歯部５５がそれぞれ独立して設けられた状態になり、円筒状のステータ部１３が完成する。

本実施の形態では、渦電流を遮断するために、複数の磁性片６３を積層して磁性歯部５５を形成する。本実施の形態では、複数の磁性片６３と連結片６２からなる磁性部材６１を積層して複数の磁性歯部５５を形成した。これにより、円状に並ぶ複数の磁性歯部５５を効率良く形成することができる。

一方、磁性歯部５５が連結片６２によって一体に繋がっていると、磁性歯部全体に磁束が通ることになる。また、磁極の固有振動数を歯車の回転数の数倍にするためには、ステータ部１３の磁性歯部５５に剛性が必要となる。そのため、ステータ部１３の磁性歯部５５は、剛性があり、且つ、独立して形成されていることが好ましい。

そこで、本実施の形態では、隣り合う磁性歯部５５間を補強部５６で埋めて磁性歯部５５の剛性を高めた。これにより、磁性歯部５５の変形を防止することができる。
また、連結片６２を切削して複数の磁性歯部５５を独立して形成した。これにより、磁性歯部５５の長手方向に流れる渦電流が遮断され、トルク損失を軽減することができる。

なお、本実施の形態では、磁性歯部５５の材料として、電磁鋼板を採用したが、本発明に係る磁性歯部は、これに限定されない。本発明に係る磁性歯部としては、例えば圧粉磁心を用いてもよい。圧粉磁心は、鉄粉同士が絶縁されているため、電気抵抗が高い。

圧粉磁心によって磁性歯部を形成した場合は、磁性歯部の電気抵抗が高くなるため、磁性歯部に渦電流が流れにくくなる。その結果、磁気歯車装置１におけるトルク損失を軽減することができる。また、圧粉磁心は安価であるため、圧粉磁心により磁性歯部を形成すると材料費のコストを低減することができる。さらに、圧粉磁心は成形性がよいため、連結片と磁性片から構成される磁性部材を容易に製造することができる。

２．磁気歯車装置の動作
次に、磁気歯車装置１の動作について図８〜図１２を参照して説明する。
図８は、内歯車６における内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂの中央部が、ステータ部１３における磁性歯部５５Ａ，５５Ｂの中央部に内歯車６の径方向で一致した状態の説明図である。

図８に示す状態におけるステータ部１３の磁性歯部５５Ａ，５５Ｂに注目すると、内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂの中央部に対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となっている。そして、磁性歯部５５Ａ，５５ＢのＳ極は、外歯車５の外側磁石片３２Ａａ，３２Ａｂに対向している。

したがって、内側磁石片４２Ａａと磁性歯部５５Ａとの間、及び内側磁石片４２Ａｂと磁性歯部５５Ｂとの間に生じる磁気吸引力は、半径方向のみならず周方向にも釣り合っている。また、磁性歯部５５Ａと外側磁石片３２Ａａとの間、及び磁性歯部５５Ｂと外側磁石片３２Ａｂとの間に生じる磁気吸引力は、半径方向のみならず周方向にも釣り合っている。

図８に示す状態から第１の回転軸３を矢印Ｒ１方向に回転させると、第１の回転軸３と共に内歯車６が矢印Ｒ１方向に回転する。そして、内歯車６における内側磁石片４２Ｂａ，４２Ｂｂの中央部が、ステータ部１３における磁性歯部５５Ｃ，５５Ｄの中央部に内歯車６の径方向で一致する。
なお、矢印Ｒ１方向は、第１の回転軸３の軸心を中心とした回転方向である。

図９は、内歯車６における内側磁石片４２Ｂａ，４２Ｂｂの中央部が、磁性歯部５５Ｃ，５５Ｄの中央部に内歯車６の径方向で一致した状態の説明図である。

内側磁石片４２Ｂａ，４２Ｂｂの中央部が、磁性歯部５５Ｃ，５５Ｄの中央部に内歯車６の径方向で一致すると、磁性歯部５５Ｃ，５５Ｄにおける内側磁石片４２Ｂａ，４２Ｂｂに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５５Ｃと外歯車５の外側磁石片３２Ｂａとの間、及び磁性歯部５５Ｄと外側磁石片３２Ｂｂとの間に周方向の磁気吸引力が生じる。

これにより、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、外歯車５の外側磁石片３２Ｂａ，３２Ｂｂの中央部と、磁性歯部５５Ｃ，５５Ｄの中央部が外歯車５の径方向で一致する。その結果、磁気歯車装置１は、図９に示すような釣り合い状態になる。
なお、矢印Ｒ２方向は、第１の回転軸３の軸心を中心とした回転方向であり、矢印Ｒ１方向と反対の方向である。

図９に示す状態から第１の回転軸３及び内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の内側磁石片４２Ａｃ，４２Ａｄの中央部が、ステータ部１３における磁性歯部５５Ｅ，５５Ｆの中央部に内歯車６の径方向で一致する。

図１０は、内歯車６における内側磁石片４２Ａｃ，４２Ａｄの中央部が、磁性歯部５５Ｅ，５５Ｆの中央部に内歯車６の径方向で一致した状態の説明図である。

内側磁石片４２Ａｃ，４２Ａｄの中央部が、磁性歯部５５Ｅ，５５Ｆの中央部に内歯車６の径方向で一致すると、磁性歯部５５Ｅ，５５Ｆにおける内側磁石片４２Ａｃ，４２Ａｄに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５５Ｅと外歯車５の外側磁石片３２Ａｃとの間、及び磁性歯部５５Ｆと外側磁石片３２Ａｄとの間に周方向の磁気吸引力が生じる。

これにより、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、外歯車５の外側磁石片３２Ａｃ，３２Ａｄの中央部と、磁性歯部５５Ｅ，５５Ｆの中央部が外歯車５の径方向で一致する。その結果、磁気歯車装置１は、図１０に示すような釣り合い状態になる。

図１０に示す状態から第１の回転軸３及び内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の内側磁石片４２Ｂｃ，４２Ｂｄの中央部が、ステータ部１３における磁性歯部５５Ｇ，５５Ｈの中央部に内歯車６の径方向で一致する。

図１１は、内歯車６における内側磁石片４２Ｂｃ，４２Ｂｄの中央部が、磁性歯部５５Ｇ，５５Ｈの中央部に内歯車６の径方向で一致した状態の説明図である。

内側磁石片４２Ｂｃ，４２Ｂｄの中央部が、磁性歯部５５Ｇ，５５Ｈの中央部に内歯車６の径方向で一致すると、磁性歯部５５Ｇ，５５Ｈにおける内側磁石片４２Ｂｃ，４２Ｂｄに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５５Ｇと外歯車５の外側磁石片３２Ｂｃとの間、及び磁性歯部５５Ｈと外側磁石片３２Ｂｄとの間に周方向の磁気吸引力が生じる。

これにより、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、外歯車５の外側磁石片３２Ｂｃ，３２Ｂｄの中央部と、磁性歯部５５Ｇ，５５Ｈの中央部が外歯車５の径方向で一致する。その結果、磁気歯車装置１は、図１１に示すような釣り合い状態になる。

図１１に示す状態から第１の回転軸３及び内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂの中央部が、ステータ部１３における磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊの中央部に内歯車６の径方向で一致する。

図１２は、内歯車６における内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂの中央部が、磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊの中央部に内歯車６の径方向で一致した状態の説明図である。

内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂの中央部が、磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊの中央部に内歯車６の径方向で一致すると、磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊにおける内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５５Ｉと外歯車５の外側磁石片３２Ａｅとの間、及び磁性歯部５５Ｊと外側磁石片３２Ａｆとの間に周方向の磁気吸引力が生じる。

これにより、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、外歯車５の外側磁石片３２Ａｅ，３２Ａｆの中央部と、磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊの中央部が外歯車５の径方向で一致する。その結果、磁気歯車装置１は、図１２に示すような釣り合い状態になる。

磁性歯部５５Ｉ，５５Ｊは、矢印Ｒ１方向で磁性歯部５５Ａ，５５Ｂに隣り合う。つまり、図８に示す状態から図１２に示す状態になるまでに、内側磁石片４２Ａａ，４２Ａｂ（内歯車６）は、矢印Ｒ１方向へ磁性歯部５５のピッチ角度だけ回転する。そして、外歯車５は、矢印Ｒ２方向へ磁性歯部５５のピッチ角度よりも小さい角度（本例では、磁性歯部５５のピッチ角度の１／５程度）だけ回転する。

本実施の形態の磁気歯車装置１では、内歯車６が配置される第１収納室１８と、外歯車５が配置される第２収納室１９とを遮断して区画するケース２を備えている。第１の回転軸３は、内歯車６の内側筒４１に接続され、第２の回転軸４は、外歯車５の外側筒３１に接続されている。そして、内歯車６の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂと外歯車５の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、ケース２のステータ部１３を介して対向している。

第１の回転軸３及び内歯車６の回転は、ステータ部１３を介して外歯車５及び第２の回転軸４に伝達される。したがって、内歯車６及び第１の回転軸３が配置される側（例えば、入力側）と、外歯車５及び第２の回転軸４が配置される側（例えば、出力側）との間で気体や液体が出入りすることを防止することができる。

また、本実施の形態の磁気歯車装置１は、第１収納室１８と第２収納室１９とを遮断して区画するケース２を備えているため、環状パッキンを用いる必要が無く、長時間使用しても、第１収納室１８と第２収納室１９との間で気体や液体が出入りすることが無い。また、外歯車５と内歯車６は非接触で回転を伝達するため、外歯車５及び内歯車６が磨耗することが無い。したがって、磁気歯車装置１は、半永久的にメンテナンスを必要としない。

また、環状パッキンを用いないため、潤滑剤を使用する必要が無く、内歯車６及び第１の回転軸３が配置される側（例えば、入力側）と、外歯車５及び第２の回転軸４が配置される側（例えば、出力側）のうちの少なくとも一方を清潔で衛生的な環境にすることができる。さらに、環状パッキンを用いる場合よりも、第１及び第２の回転軸３，４の回転損失を小さくすることができる。

また、第１収納室１８と第２収納室１９とを遮断するケース２が固定される部材である（回転する部分では無い）ため、第１収納室１８と第２収納室１９との間の気密性或いは液密性を容易に高めることができる。

また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５の外側筒３１及び内歯車６の内側筒４１を磁性材料によって形成した。これにより、複数の外側磁石片３２Ａ，３２Ｂ及び複数の内側磁石片４２Ａ，４２Ｂで外側筒３１及び内側筒４１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。

しかし、磁気歯車装置１では、内歯車６から外歯車５に、又は外歯車５から内歯車６にステータ部１３の磁性歯部５５を介して磁場が作用する。そこで、磁気歯車装置１では、外側筒３１及び内側筒４１を磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成した。これにより、外側筒３１及び内側筒４１の軸方向に流れる渦電流を遮断して、トルク損失（渦電流損）を軽減することができる。

３．変形例
以上、本発明の磁気歯車装置の実施の形態について、その作用効果も含めて説明した。しかしながら、本発明の磁気歯車装置は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述の一実施形態では、第１の回転軸３を挟んで対向する２つの内側磁石片を１組として、各組の内側磁石片における中央部を所定の磁性歯部５５の中央部に内歯車６の径方向で順番に一致させる構成とした。しかしながら、本発明の磁気歯車装置としては、内側磁石片の中央部を１つずつ順番に磁性歯部５５の中央部に一致させる構成であってもよい。

また、上述の一実施形態では、磁性歯部５５に凹部５９を設けて、磁性歯部５５がステータ部１２の径方向にずれて補強部５６から外れないようにした。しかし、本発明に係る磁性歯部としては、隣り合う磁性歯部に向かって突出する突部が形成されていてもよい。これにより、磁性歯部の突部が補強部に入り込むため、磁性歯部がステータ部の径方向にずれて補強部から外れないようにすることができる。

また、磁性歯部に形成する突部の形状としては、例えば、磁性歯部の長手方向に延びる突条にしてもよい。しかし、磁性歯部に形成する突部としては、突条に限定されるものではなく、形状を適宜設定できる。例えば、突起を有する磁性部材６１と、突起を有していない磁性部材を交互に積層することにより磁性歯部を形成してもよい。

また、上述の一実施形態では、磁性片６３を第１及び第２の回転軸３，４の軸方向に積層してステータ部１３の磁性歯部５５を形成した。しかしながら、本発明に係るステータ部の磁性歯部は、磁性片を積層して形成することに限定されるものではなく、１つの棒状部材から形成してもよい。

また、上述の一実施形態では、円環状の複数の磁性部材６１をその軸方に積層して磁性歯部５５を形成した。しかし、本発明に係る磁性歯部としては、複数の磁性部材６１を周方向に徐々にずらしながらその軸方に積層して形成してもよい。この場合は、磁性歯部がステータ部の軸方向に対してスキューされる。すなわち、磁性歯部は、ステータ部の中心軸回りに回転するように捻れた形状になる。

これにより、磁気回路がステータ部の周方向にずれて配置され、磁性歯部を通る磁束の急激な変化を抑制することができる。また、ステータ部と、外歯車の外側磁石片及び内歯車の内側磁石片との引力及び斥力を小さく抑えることができる。その結果、磁気歯車装置のコギングトルクを小さくすることができる。

また、上述の一実施形態では、外側筒３１及び内側筒４１を円筒状に形成した。しかしながら、本発明に係る外側筒は、円形の筒孔を有していればよく、外径は三角形や四角形などの多角形にしてもよい。また、本発明に係る内側筒は、円形の外周部を有していればよく、筒孔は三角形や四角形などの多角形であってもよい。

また、上述の一実施形態では、複数の板状部材を積層することにより、外側筒３１及び内側筒４１を形成した。しかしながら、本発明に係る外側筒及び内側筒は、板状部材を積層して形成することに限定されず、例えば、一様な円筒部材であってもよく、また、２つ以上の筒状部材を軸方向に接合して形成してもよい。

また、上述の一実施形態では、外歯車５に外側磁石片３２Ａ，３２Ｂを設け、内歯車６に内側磁石片４２Ａ，４２Ｂを設ける構成とした。しかし、本発明に係る外側磁石片及び内側磁石片としては、磁束が集中する磁束収束部を有するものであってもよい。このような構成にすることにより、内歯車６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。

本発明は、入力側と出力側との環境を遮断することが要求される機器、例えば、薬品用機器、医用機器、食品用機器、船のスクリュー、半導体製造装置、フラットパネル製造装置等に適用できるものである。

１…磁気歯車装置、 ２…ケース、 ３…第１の回転軸、 ４…第２の回転軸、 ５…外歯車、 ６…内歯車、 １１…ケース本体、 １２…軸支持部、 １３…ステータ部、 １４…筒部、 １５…第１蓋部、 １６…第２蓋部、 １８…第１収納室、 １９…第２収納室、 ２１，２２，２３，２４…軸受、 ３１…外側筒、 ３１ａ…筒孔、 ３２Ａ，３２Ｂ…外側磁石片、 ４１…内側筒、 ４１ａ…筒孔、 ４２Ａ，４２Ｂ…内側磁石片、 ５１…ステータ本体、 ５２…蓋部側接合部、 ５３…支持部側接合部、 ５５…磁性歯部、 ５６…補強部、 ５７…被覆部、 ５９…凹部、 ６１…磁性部材、 ６２…連結片、 ６３…磁性片、 ６３ａ…切欠き、 ６５…磁性歯部品

Claims (6)

1. 円形の筒孔を有する外側筒と、前記外側筒の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片とを有する外歯車と、
   前記外歯車の前記筒孔に配置され、円形の外周部を有する内側筒と、前記内側筒の外周部に取り付けられた複数の内側磁石片とを有する内歯車と、
   前記内側筒に接続され、前記内側筒と同軸の第１の回転軸と、
   前記外側筒に接続され、前記外側筒と同軸の第２の回転軸と、
   前記内歯車が配置される第１収納室と、前記外歯車が配置される第２収納室とを遮断して区画するケースと、を備え、
   前記ケースは、前記内側磁石片と前記外側磁石片との間に配置されるステータ部を有する磁気歯車装置。
2. 前記ステータ部は、
   前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸と平行な方向に複数の磁性片を積層することにより形成され、所定の間隔をあけて前記外歯車の前記外側筒と同心円状に並ぶ複数の磁性歯部と、
   前記複数の磁性歯部の間を埋めた非磁性材料からなる複数の補強部と、
   前記複数の補強部に連続して形成され、前記複数の磁性歯部の前記外側磁石片に対向する面又は前記内側磁石片に対向する面を覆った非磁性材料からなる被覆部と、
   を有する請求項１に記載の磁気歯車装置。
3. 前記複数の磁性歯部には、隣り合う磁性歯部に対向する面に凹部が形成されている請求項１又は２に記載の磁気歯車装置。
4. 前記複数の磁性歯部には、隣り合う磁性歯部に向かって突出する突部が形成されている請求項１又は２に記載の磁気歯車装置。
5. 前記ケースは、
   箱状のケース本体と、
   前記ケース本体の内部に配置され、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸を回転可能に支持する軸支持部と、
   前記軸支持部と共に前記ケース本体の内部を前記第１収納室と前記第２収納室に区画する前記ステータ部と、
   を有する請求項１〜４のいずれかに記載の磁気歯車装置。
6. ケース本体は、
   両端が開口された筒部と、
   前記筒部の一方の開口を塞ぎ、前記第１の回転軸が貫通する第１蓋部と、
   前記筒部の他方の開口を塞ぎ、前記第２の回転軸が貫通する第２蓋部と、
   を有する請求項５に記載の磁気歯車装置。

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