JP2016077096A - 転動直進変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転動する転動ロータ２から自転動力を取り出し、かつ直進運動に変換する小型化及び簡素化の容易な転動直進変換装置１００を提供する。【解決手段】転動直進変換装置１００は、外部から回転力を受けて円周上を自転しながら公転し、円周に対して所定の偏心量αを維持しながら転動し、複数の穴７ａ〜７ｃが中央部に形成された転動ロータ２を備える。また、この転動ロータ２の一部である摺動部２１が内周部１ｂに摺動し、転動ロータ２とは偏心量αだけ中心が偏心したハウジング１を備える。更に、転動直進変換装置は、穴７ａ〜７ｃに夫々挿入され転動ロータ２が回転するときの転動ロータ２の自転運動を取り出す複数の突起部８ａ〜８ｃを備える。また、この複数の突起部８ａ〜８ｃに連結され、ハウジング１に形成されたねじ部１ａと噛みあい、直進運動するセンターシャフト３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、偏心して転動する高トルクの回転力を直進運動に変換する転動直進変換装置に関し、例えば、エアコンサイクル用制御弁に用いる電磁アクチュエータに用いられる。

この種の電磁式アクチュエータは、モータを駆動源として用い、減速機で低回転かつ高トルク化するのが一般的である。これに対し、構成の簡素化を狙いとし、転動モータ又はギヤードモータを用いたものが提案されている。

図１７にエアコンサイクル用膨張弁に転動モータを用いた特許文献１に開示の構成を示す。この図１７の構成は、転動モータ１６０を用いている。転動モータ１６０は、図１７の内部構成を示す図１８のように、円周面に内歯が形成された円筒状ケース１６１を囲むように配置された複数のコイル１６５を有している。そして、このコイル１６５を順番に磁化して円筒状ケース１６１内部の偏心した遊星歯車１６３を転動させている。遊星歯車１６３は、円筒状ケース１６１の内周面に沿って転動する。遊星歯車１６３の内歯は、内部の外歯車１６４の外歯と噛みあい、減速されて外歯車１６４が回転する。外歯車１６４の回転により弁軸１６７が回転し、この弁軸１６７の回転運動が、図１７の推進軸受１６６のねじにより直進運動に変換される。

このようにして特許文献１では、偏心して公転と自転を行う遊星歯車１６３の中心側に弁軸１６７と共に回転する外歯車１６４を配置して、自転運動を取り出している。偏心して公転と自転を行う遊星歯車１６３と弁軸１６７との間に柔軟材料より構成された図１７の偏心調整部材１６８を有し、弁軸１６７の偏心を防止している。

この特許文献１の構成では、ロータを成す遊星歯車１６３に対して外側からコイル１６５の吸引力だけが働くので、ロータ全体が磁力による回転に有効に利用していないという問題がある。

これに対して、図１９に示す特許文献２では、減速されて回転するロータ側等に磁極がＮＳでしめされた永久磁石を用いて吸引力と反発力を利用している。この場合、ステータ部を構成する図２０に示した６か所の各電磁石１９１に正逆方向の電流を流す必要がある。

そのため、電磁石１９１の個数×２の配線が必要である。図１９の場合は１２本の配線を必要とし配線が複雑になるという問題がある。更に、図１９と図２０にかかわる特許文献２では回転運動が直進運動に変換される機構が記載されていないため、別途、特許文献１のような、回転運動を直進運動に変換する機構が必要である。

特開２００１−２９５９５７号公報 特開平５−４９２３１号公報

上記特許文献１及び特許文献２から見えてくる問題は、まとめると次のようである。図１７のように直進運動に変換した場合に、リニア方向の動きによってロータを成す外歯車１６４が軸方向に動くため、外歯車１６４及び遊星歯車１６３にある程度の重なり代を確保する厚みが必要であり小型化しにくい。

また、偏心歯車である遊星歯車１６３を順次位置を変えて吸引することで回転させるため、電磁力の利用効率が悪い。特許文献２にかかわる図１９の構成では、永久磁石の吸引力と反発力の両方を利用しているため、電磁力の利用効率は向上するが、直進運動に変換する機構が開示されていない。また、電磁石１９１のコイルに通電する配線が多く複雑である。

上記問題に鑑み、本発明は、転動する回転体から自転動力を取り出し、かつ直進運動に変換する小型化及び簡素化の容易な転動直進変換装置を提供することを目的とする。

従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、本発明では、転動直進変換装置は内部に円形の内周部１ｂを有するハウジング１と、転動ロータ２とを備える。転動ロータ２は、ハウジング１の側である外部から回転力を受けて内周部１ｂの周りを自転しながら公転し、内周部１ｂに対して所定の偏心量αを維持しながら転動する。転動ロータ２は、複数の穴７ａ〜７ｃが中央部に形成され、一部に摺動部２１を持つ。

また、転動直進変換装置は、転動ロータ２に連結されハウジング１から突出したセンターシャフト３を備える。更に転動直進変換装置は、センターシャフト３に結合されて穴７ａ〜７ｃに夫々挿入され、転動ロータ２が回転するときの転動ロータ２の自転運動を取り出す複数の突起部８ａ〜８ｃを備える。

センターシャフト３は、複数の突起部８ａ〜８ｃに連結され、ハウジング１に形成されたねじ部１ａと噛みあい、複数の突起部８ａ〜８ｃの回転運動により直進運動する。

この発明によれば、転動ロータが転動するとき転動ロータに形成された穴が共に回動し、この穴に挿入された複数の突起部によって転動ロータの自転を取り出すことができる。そしてこの突起部の回転をねじ部によって直進運動に変換できる。また、この穴と突起部から成る自転を取り出す機構は、小型化に適する。

なお、特許請求の範囲及び上記各手段に記載の括弧内の符号ないし説明は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を分かり易く示す一例であり、発明の内容を限定するものではない。

本発明の第１実施形態における転動直進変換装置の全体構成図である。 図１の矢印Ｙ２方向から見た転動直進変換装置の平面図である。 図１の矢印Ｙ３−Ｙ３線に沿って転動ロータを見た一部断面図である。 上記実施形態における磁気回路の構成を示す説明図である。 上記実施形態における磁気回路の別の構成を示す説明図である。 上記実施形態における転動直進変換装置の制御装置を示す電気回路図である。 上記実施形態における転動直進変換装置の磁気回路を構成するコイルの配置を示す説明図である。 上記実施形態における制御装置の作動とコイルの極性のパターンを示す表である。 上記実施形態における転動直進変換装置を弁を駆動する電磁アクチュエータとした場合の構成図である。 本発明の第２実施形態における転動直進変換装置の構成図である。 本発明の第３実施形態における転動直進変換装置の構成図である。 本発明における第４実施形態における転動直進変換装置の構成図である。 本発明の第５実施形態における転動直進変換装置の制御装置を示す電気回路図である。 上記第５実施形態における転動直進変換装置の磁気回路を構成するコイルの配置を示す説明図である。 上記第５実施形態における制御装置の作動とコイルの極性のパターンを示す表である。 本発明の第６実施形態における転動直進変換装置のコイルの駆動波形を示す説明図である。 本発明の比較例１を構成する従来の制御弁の構成図である。 図１７のロータとステータ部の内部構成を示す説明図である。 本発明の比較例２を構成する従来の転動モータの構成図である。 図１９のロータとステータ部の構成を示す説明図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部を説明している場合は、構成の他の部については先行して説明した他の形態を適用することができる。

各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図８を用いて詳細に説明する。図１において、転動直進変換装置１００は、ハウジング１と、ハウジング１内に収納されて回転する転動ロータ２と、ハウジング１の外に突出したセンターシャフト３と、ステータ４と、キャン５と、制御装置６とを含んで構成されている。この転動直進変換装置１００は、電磁式アクチュエータを構成している。

転動ロータ２は、外部から回転力を受けて円周に沿って自転しながら公転する。この円周の周りにハウジング１内部の内周部１ｂが位置している。転動ロータ２はハウジング１に対して所定の偏心量αを維持しながら転動する。

転動ロータ２の中央部には、図３のように、複数の穴７ａ、７ｂ、７ｃが形成されている。この実施形態では穴７ａ、７ｂ、７ｃは、三つの貫通穴から構成されているが有底穴でも良い。転動ロータ２を転動させる外部からの力は径方向に作用する電磁力である。つまりコイルからの磁束によって転動ロータが転動する。ハウジング１は、転動ロータ２の摺動部２１が内周部１ｂに接触し、中心が転動ロータ２とは偏心している。

図３のように、転動ロータ２の３つの貫通穴７ａ、７ｂ、７ｃに夫々挿入され、転動ロータ２が回転するときの転動ロータ２の自転運動を取り出す３つのピン状の突起部８ａ、８ｂ、８ｃを有する。円形の穴７ａ、７ｂ、７ｃの各直径は、突起部８ａ、８ｂ、８ｃの夫々の断面円の直径より上記偏心量αに相当する分だけ大きくされている。

この複数の突起部８ａ、８ｂ、８ｃを束ねるように突起部８ａ、８ｂ、８ｃに連結され、ハウジング１に形成されたねじ部１ａと噛みあうセンターシャフト３が設けられている。このセンターシャフト３は、複数の突起部８ａ、８ｂ、８ｃの回転運動により直進運動する軸部を構成する。

図２から判明するように、ステータ４は、互いに９０度離れた第１ステータ部４ａ、第２ステータ部４ｂ、第３ステータ部４ｃ、第４ステータ部４ｄを有している。第１ステータ部４ａと、第３ステータ部４ｃとは円筒形のキャン５を間に配置して互いに対向している。第２ステータ部４ｂと、第４ステータ部４ｄも同様に対向している。

図１において、転動ロータ２の下端に位置するフランジ部２ａは、ハウジング１の内側に配置される。フランジ部２ａを収容する内周部１ｂの内径は、フランジ部２ａの外径に対して、わずかに大きい。つまり、フランジ部２ａの外径と内周部１ｂの内径は同じではなく差があり、この差が転動のための偏心量αを構成している。

このように、転動ロータ２は、ハウジング１に対して偏心して位置しており、フランジ部２ａの外周部は、内周部１ｂに一部接触している。この接触部となる摺動部２１が移動しながら転動ロータ２が転動する。それにより、転動ロータ２は、ハウジング１の中を公転しながら自転する動きである転動を行う。

このとき、自転を公転とは分離して取り出すと、大きな減速比の減速機とすることができる。これが転動モータである。図１では摺動部２１に歯を設けていないが、摺動部２１に歯車を設けても良い。この場合は、歯車として一般にサイクロイド曲線の歯形を用いるため、歯車を設ける場合は、サイクロイド曲線の歯形を持つギヤードモータを構成することになる。

転動ロータ２は、中央に、磁性体で形成されコイルから転動力を受ける円柱部２３がフランジ部２ａと一体に設けられている。この円柱部２３は、リング状の永久磁石２４を挟んで図１において上側（一方側）の一方側円柱部２３ａと下側（他方側）の他方側円柱部２３ｂとに分かれる。

このように、転動ロータ２は、ハウジング１の内周に接して転動するフランジ部２ａと、フランジ部２ａから軸方向に延在しコイルから転動力を受ける円柱部２３とを備えている。転動ロータ２の穴７ａ〜７ｃは、円柱部２３の軸方向に沿って円柱部２３の中に形成されている。

リング状の永久磁石２４は、図４のように永久磁石２４の下面側がＳ極、永久磁石２４の上面側がＮ極に着磁されている。永久磁石２４の上面のＮ極に接触する一方側円柱部２３ａの接触面は、Ｓ極に着磁されている。永久磁石２４の下面のＳ極に接触する他方側円柱部２３ｂの接触面は、Ｎ極に着磁されている。磁束はＮ極から出てＳ極に帰る。

円柱部２３の内側には図３のように穴７ａ〜７ｃが設けられている。この円形の穴７ａ〜７ｃには、センターシャフト３に一体に連結された３つの断面円形のピン状の突起部８ａ、８ｂ、８ｃが挿入されている。よってセンターシャフト３は、先端が３つに枝別れした突起部８ａ〜８ｃを持つフォーク状の形状をしている。

突起部８ａ〜８ｃの各外径は、穴７ａ〜７ｃの各内径より転動のための偏心量α分だけ小さい。かつ、仮に、図１において、センターシャフト３の中心軸と転動ロータ２の中心軸とを同軸に配置した場合に、穴７ｂの中心軸７ｂｃと突起部８ｂの中心軸８ｂｃとが一致するように設けられている。

この突起部８ａ〜８ｃと穴７ａ〜７ｃとが、転動ロータ２が偏心して転動する際の公転と自転がまざった動きから、自転を取り出す働きをする。図１のセンターシャフト３には、外周に送りねじ３ａが設けてあり、ハウジング１に設けたねじ部１ａに噛み合っている。

転動ロータ２の円柱部２３の外側には、円柱部２３を包囲する非磁性体から構成された筒状体であるキャン５が設けられている。この実施形態ではステンレスからキャン５が構成されている。

キャン５は、センターシャフト３と同軸に設けられ、キャン５の内側には、円柱部２３を含む転動ロータ２が偏心して動くことができるだけの隙間が設定されている。キャン５の外側には、ステータ４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が図２のように４か所取り巻いて設けられている。

ステータ４は、夫々鉄心４１（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ）と、この鉄心の上下延在部（図２の紙面垂直方向部）の周囲に巻回されたコイル４２とを含んでいる。コイル４２は、コイル部分４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの総称である。鉄心４１は、第１鉄心部４１ａ、第２鉄心部４１ｂ、第３鉄心部４１ｃ、第４鉄心部４１ｄを有している。第１鉄心部４１ａと第３鉄心部４１ｃとが対向し、第２鉄心部４１ｂと、第４鉄心部４１ｄとが対向している。

コイル４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）は、第１鉄心部４１ａの周囲に巻回された第１コイル部分４２ａと、第２鉄心部４１ｂの周囲に巻回された第２コイル部分４２ｂとを有している。また、コイル４２は、第３鉄心部４１ｃの周囲に巻回された第３コイル部分４２ｃと、第４鉄心部４１ｄの周囲に巻回された第４コイル部分４２ｄとを有している。

鉄心４１はキャン５の側面に当接する両端の磁極が、転動ロータ２の一方側円柱部２３ａと、他方側円柱部２３ｂの磁極とに対峙して配置されている。ステータ４の第１コイル部分４２ａと、第２コイル部分４２ｂと、第３コイル部分４３ｃと、第４コイル部分４３ｄとに通電することによる転動ロータ２の磁気回路の例を図４及び図５に示す。

図４において、転動ロータ２の一方側円柱部２３ａの上部外表面はＮ極に着磁されている。また他方側円柱部２３ｂの下部外表面はＳ極に着磁されている。磁束はＮ極から出てＳ極に帰る。よって、一方側円柱部２３ａに対向する第１鉄心部４１ａは、図４では上側がＳ極、下側がＮ極に励磁される方向にステータ４の第１鉄心部４１ａの第１コイル部分４２ａに電流が流される。

同時に、図４において、対向する第３ステータ部４ｃの第３鉄心部４１ｃにおいて、他方側円柱部２３ｂに対向する側がＳ極、一方側円柱部２３ａに対向する側がＮ極となるように第３コイル部分４２ｃに電流が流される。

これにより、図４に示すように、ステータ４の第１鉄心部４１ａでは矢印Ｙ４３ａで示す磁束が第１鉄心部４１ａに流れる。故に、鉄製（磁性体）の転動ロータ２を第１鉄心部４１ａの方向に吸引する吸引力が発生する。同時に図４に示すように、第３鉄心部４１ｃでは同じ極性同士が対峙するため、矢印Ｙ４３ｃで示す様に磁束が相対向し、転動ロータ２にはステータ４の第３鉄心部４１ｃから反発力が働く。上記吸引力と反発力との二つの力によって、図４のおける転動ロータ２は、ステータ４の第１鉄心部４１ａ方向（図４右方向）に押し付けられる。

次に、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃとの電流の向きを逆にすると、図５に示すように、転動ロータ２にはステータ４の第３鉄心部４１ｃに吸引される吸引力が働き、転動ロータ２は、第３鉄心部４１ｃ方向（図５左方向）に押し付けられる。

図２の第２鉄心部４１ｂ方向（図２上方向）及び第４鉄心部４１ｄ方向（図２下方向）にも同様にして転動ロータ２は動かされる。この様に、ステータ４の各コイル４２に流す電流の向きを順次制御することで、転動ロータ２を偏心駆動し、転動モータとして作動させることができる。

これを実現する回路構成を図６に示す。制御装置６の中の回路は、Ｈ型のスイッチ回路で構成された第１正逆転スイッチ回路６１ａと第２正逆転スイッチ回路６１ｂ、及び、それらの中のスイッチ手段を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）６２を含んで、電源６３に接続されている。

第１正逆転スイッチ回路６１ａは、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃに通電する。その際、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃとは、発生する磁極の向きが逆になるように接続されている。同様に、第２正逆転スイッチ回路６１ｂは、第２コイル部分４２ｂと第４コイル部分４２ｄとに接続されている。

ここで図１９及び図２０の従来例からなる比較例２の場合は、各コイル４２に２本の配線が必要となるため、制御装置との接続は１２本となるが、本実施形態では図６のように、制御装置６と第１コイル部分４２ａ等との接続は４本の配線６４で済む。

更に、図１７及び図１８の比較例１のように、転動ロータ側に磁石が無い場合でも、各コイル４２に１本（計８本）と共通の１本の合計９本の配線が必要となるので、この場合と比較しても上記実施形態では配線数を減らすことができる。

図１の転動ロータ２の上方から矢印Ｙ７（矢印Ｙ２と同じ）のように見たコイル４２（４２ａ〜４２ｄ）の配置を図７で説明する。図７において、図２の第１ステータ部４ａと第３ステータ部４ｃとを結ぶ線Ｙ２１から反時計まわりに、角度を、０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度のように夫々規定している。

制御のパターンを図８に示す。ステータ４は、上記したように、夫々鉄心４１（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ）と、この鉄心４１の上下延在部の周囲に巻回されたコイル４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）より構成されている。

図８のＮ、Ｓは、図４等の鉄心４１の下側、つまり、転動ロータ２の他方側円柱部２３ｂに対向する部の磁極の向きを表している。ステータ４の鉄心４１の上側、つまり、転動ロータ２の一方側円柱部２３ａに対向する部は、逆の磁極に励磁される。

図６のブリッジを構成するスイッチ回路６１ａのスイッチ手段６１ａ１とスイッチ手段６１ａ４とをＯＮとすると、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃとが、図４のように磁化される。この結果、転動ロータ２は図８の第１パターンとなり、転動ロータ２は、０度方向に偏心する。

この第１パターンでは、実際には図３及び図７の０度の位置のように、転動ロータ２に接線方向の回転力が働かないため、センターシャフト３に負荷トルクがかかっている状態では０度から少しずれた位置で止ってしまう。しかし、その位置は負荷トルクによって異なるため、図３の停止位置を０度方向と表現する。以下の角度である９０度、１８０度、２７０度においても同様である。

次に、図６のスイッチ回路６１ｂのスイッチ手段６１ｂ５とスイッチ手段６１ｂ８とをＯＮにすると、第２コイル部分４２ｂと第３コイル部分４２ｄとが励磁される。この結果、転動ロータ２は、９０度の方向に偏心する。このとき、スイッチ手段６１ａ１とスイッチ手段６１ａ４とがまだＯＮされているため、ステータ部４ａ、４ｃの第１コイル部分４２ａ及び第３コイル部分４２ｃも励磁されている。すると、０度方向へも力が働いているので、０度方向への電磁力と９０度方向への電磁力とが合成され、その中間の４５度方向に転動ロータ２が偏心し、図８の第２パターンが構成される。

次に、図６におけるスイッチ回路６１ａのスイッチ手段６１ａ１、６１ａ４をＯＦＦにすると、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃに通電されなくなり、ステータ部４ａ方向への力、つまり０度方向への力が無くなる。そのため、転動ロータ２は９０度方向に偏心し、第３パターンが構成される。

次に、スイッチ手段６１ａ２、６１ａ３をＯＮにすると、第１コイル部分４２ａと第３コイル部分４２ｃとに逆方向の電流が流れる。この結果、図５のように、転動ロータ２にはステータ部４ｃ方向への力が働き、転動ロータ２は合成電磁力で１３５度の方向に偏心し、第４パターンを構成する。

続いて、スイッチ手段６１ｂ５、６１ｂ８をＯＦＦにすると、ステータ部４ｂ方向への力が無くなり、転動ロータ２は１８０度方向に偏心して第５パターンを構成する。図５は第５パターンでの磁極配置を示す。更に、スイッチ手段６１ｂ６、６１ｂ７をＯＮにすると、ステータ部４ｄ方向への力が働き２２５度の方向に転動ロータ２が合成電磁力で偏心し第６パターンを構成する。

続いて、スイッチ手段６１ａ２、６１ａ３をＯＦＦにするとステータ部４ｃ方向への力が無くなり転動ロータ２は２７０度の方向へ偏心し、第７パターンを構成する。

更に、スイッチ手段６１ａ１、６１ａ４をＯＮとすればステータ部４ａ方向への力が働き、転動ロータ２は３１５度の方向へ偏心して第８パターンを構成する。

次に、スイッチ手段６１ｂ６、６１ｂ７をＯＦＦにすれば、最初の状態である第１パターンに戻る。この動作を繰り返すことで、転動ロータ２に公転しながら自転する動作を行わせることができ、転動ロータ２は転動モータのロータとして作用する。

センターシャフト３と一体に設けられた突起部８ａ〜８ｃと転動ロータ２に設けられた穴７ａ〜７ｃの働きによって自転の動きだけが取り出され、センターシャフト３は自転に相当する分だけ回転する。

それに伴って、送りねじ３ａと雌ねじからなるねじ部１ａの働きによって、センターシャフト３はスラスト方向（図１上下方向）に移動する。突起部８ａ〜８ｃと穴７ａ〜７ｃをスラスト方向に摺動自在とし、この摺動ストローク分よりスラスト方向の突起部８ａ〜８ｃと穴７ａ〜７ｃとの重なりを長く設定することによって、別に摺動機構を設けることなくスラスト方向への移動を可能としている。

（応用例）
図９に上記第１実施形態の転動直進変換装置１００を冷凍サイクル用制御弁に用いた場合の応用例を示す。制御弁ハウジング１０１の穴内に設けられた雌ねじ部１０２に転動直進変換装置１００のハウジング１の外周に設けられた取付けねじ１３をねじ込むことで制御弁ハウジング１０１に転動直進変換装置１００が結合されている。

センターシャフト３の先端には弁１０３が設けられている。この弁１０３に接触する部分にシート１０４が設けられ、センターシャフト３の移動に伴って弁１０３とシート１０４の隙間が変り、流量の制御又は流量の遮断をすることができる。

（第１実施形態の作用効果）
まとめると上記第１実施形態においては、以下の構成に基づく作用効果を発揮する。穴７ａ〜７ｃは、突起部８ａ〜８ｃの断面円より偏心量αに相当する分だけ直径が大きい。

これによれば、穴７ａ〜７ｃが公転しながら自転するとき、穴７ａ〜７ｃの中を突起部８ａ〜８ｃが摺動して自転運動をとりだせると共に突起部８ａ〜８ｃが穴７ａ〜７ｃの中で直進運動することが可能である。

転動ロータ２は、内周部１ｂに接して転動するフランジ部２ａと、フランジ部２ａから軸方向に延在し外部から回転力を受ける円柱部２３とを備えている。また、穴７ａ〜７ｃは、円柱部２３中において軸方向に延伸して形成されている。

これによれば、内周部１ｂに接して転動運動する部位であるフランジ部２ａと、外部からの回転力を受ける部位である円柱部２３とを分けている。よって、円柱部２３を内周部１ｂに接して転動運動させる部位とする構造に比べると、円柱部２３が転動により変形することを防止できる。

更に、転動直進変換装置１００は、転動ロータ２の円柱部２３の周囲に配置された複数のコイル４２を備えている。また、転動ロータ２は、外部からの回転力となるコイル４２からの電磁力を受けて転動する。これによれば、転動ロータ２をコイル４２の電磁力で回転させ、転動モータを構成することができる。

更に、円柱部２３に永久磁石２４が設けられている。この転動ロータ２の永久磁石２４が、コイル４２からの吸引及び反発の電磁力を受けて転動ロータ２が転動する。これによれば、転動ロータ２の持つ永久磁石２４と、コイル４２とを吸引又は反発させることができるから、転動ロータ２を電磁力により効率よく回転させることができる。

つまり、コイル４２が発生する磁束により、永久磁石２４に吸引力と反発力との両方を生じさせて転動ロータ２を回転させる。これによれば、コイル４２の電磁力を有効に活用して転動ロータ２をより強い力で回転させることができる。

具体的には、円柱部２３に設けられ円柱部２３の径方向に延在する対角線上に位置する一対のコイル４２が発生する磁束により、永久磁石２４に吸引力と反発力を生じさせて転動ロータ２を回転させる。

これによれば、一対のコイル４２が発生する磁束により永久磁石２４に吸引力と反発力を生じさせているため、転動ロータ２をより強い電磁力により回転させることができる。

更に、転動直進変換装置１００は、コイル４２に通電して励磁するスイッチ回路６１ａ、６１ｂを持つ制御装置６を備えている。かつ、コイル４２は、鉄心４１に巻回されて環状のステータ４を構成し、転動ロータ２は、環状のステータ４の内周側を転動する。

永久磁石２４は、ステータ４に対向する面にＮ極又はＳ極を有し、スイッチ回路６１ａ、６１ｂによって通電された複数のコイル４２が順次通電されＮ極又はＳ極を吸引又は反発させることにより転動ロータ２を回転させる。

これによれば、スイッチ回路によって通電された複数のコイル４２が順次通電されＮ極又はＳ極を吸引又は反発させることにより転動ロータ２を回転させる。よって、転動ロータ２を環状のステータからの電磁力により連続して回転させることができる。

更に、コイル４２は図２のように、互いに１８０度離れた一対のコイル部分４２ａ、４２ｃと、これらのコイル部分４２ａ、４２ｃと９０度離れたコイル部分４２ｂ、４２ｄとを有する。制御装置６は、一対のコイル部分４２ａ、４２ｃに通電すると共に、９０度離れたコイル部分４２ｂ、４２ｄへも通電し、コイル４２の電磁力を合成するように制御を行う。これによれば、コイル４２の磁界の合成方向である４５度の方向にも電磁力を発生させることができるから、滑らかに転動ロータ２を回転させることができる。

更に、転動直進変換装置１００は、コイル４２と転動ロータ２との間の円周上に位置し、非磁性体よりなるキャン５を備える。このキャン５により、コイル４２と転動ロータ２とを空間的に隔離しながら磁気的につながった構成としている。これによれば、キャン５によって、転動ロータ２側に流体が存在しても、コイル４２側に流体が漏洩するのを防止できる。

複数のコイル４２は、転動ロータ２の周囲に夫々９０度離れて配置され、転動ロータ２を挟んで相対向したコイル４２は、直列に接続されてコイル４２の直列体を構成している。

そして、コイル４２の直列体に対して、制御装置６の第１正逆転スイッチ回路６１ａ、及び第２正逆転スイッチ回路６１ｂは電流を反転して流す。これによれば、スイッチ回路６１ａ、６１ｂによりコイル４２の直列体の電流を反転させているため、コイル４２への配線数を少なくすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以降の各実施形態においては、上記した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。なお、第２実施形態以下については、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明が援用される。

第１実施例では転動ロータ２とステータ４との間にキャン５を用いた構成としたがキャン５を用いず転動ロータ２とステータ４とが直接対向する形状としても良い。その場合の形状を第２実施形態として図１０に示す。この場合、転動ロータ２と、ステータ４と間にキャンは無い。その代り、ステータ４と転動ロータ２との全体を覆うカバー５１が設けられている。カバー５１はステンレス等の非磁性体よりなる金属が好ましい。

冷凍サイクル用に図１０の構成を用いる場合は、ステータ４までが冷凍サイクル内の構成品になるためカバー５１の配線取り出し部に流体である冷媒をシールするシール構造が必要となる場合がある。特に密閉する用途でなければ、このカバー５１も省略できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１実施例では転動ロータ２の円柱部２３の中間にリング状の永久磁石２４を設ける構成としたが、この永久磁石２４は、他の場所に設けても良い。円柱部２３の上端外周に、円筒形の永久磁石２４を設けた場合を、第３実施形態として図１１に示す。

この場合の永久磁石２４は、たとえば外周側がＮ極、内周側がＳ極となっており、Ｓ極に接する円柱部２３の表面がＮ極として働くことになる。要は、図４と同じように第１パターンにおいて、ステータ４の第１鉄心部４１ａの磁極Ｓに対向する円筒形の永久磁石２４の外周側がＮ極に着磁されていれば良い。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施例では、転動ロータ２を構成するフランジ部２ａと円柱部２３を一つの連続した金属部品としたが、第４実施形態を示す図１２のように、部品を分け、円柱部２３は磁性体から構成し、フランジ部２ａは非磁性体から構成しても良い。この場合、フランジ部２ａを通過する余分な磁束の回り込みを防ぐ効果がある。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。第１実施例ではステータ４のコイル４２をモノポーラ巻きという、ひとつのステータ４にひとつのコイル部分４２ａ〜４２ｄのいずれかを巻く構成としたが、バイポーラ巻きというひとつのステータ４に磁束の方向が反転する二つコイル部分を巻く構成としても良い。このバイポーラ巻きとした場合の制御装置６を図１３に示す。また、これによって実現される制御のパターンを図１５に示す。

図１４において、複数のコイル（４２）は、転動ロータ（２）の周囲に夫々９０度離れて、０度の位置に配置された０度コイル部分４２１ａ、４２１ａａを有している。また、複数のコイル４２は、９０度の位置に配置された９０度コイル部分４２１ｂ、４２１ｂｂと、１８０度の位置に配置された１８０度コイル部分４２１ｃ、４２１ｃｃとを有している。更に、複数のコイル４２は、２７０度の位置に配置された２７０度コイル部分４２１ｄ、４２１ｄｄを有している。

夫々の箇所のコイル４２は、一方向に磁束を流す一方向コイル部分４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄと、一方向とは反対方向の他方向に磁束を流す他方向コイル部分４２１ａａ、４２１ｂｂ、４２１ｃｃ、４２１ｄｄとを有している。

一方向コイル部分４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄのいずれかと夫々対向する他方向コイル部分４２１ｃｃ、４２１ｄｄ、４２１ａａ、４２１ｂｂのいずれかとは互いに直列に接続されている。その結果、図１３のように４個の一方向多方向コイルの直列体を構成している。この直列体は、コイル部分（４２１ａ、４２１ｃｃ）、（４２１ｂ、４２１ｄｄ）、（４２１ａａ、４２１ｃ）、（４２１ｂｂ、４２１ｄ）の組み合わせから構成されている。

夫々の一方向多方向コイルの直列体のいずれかに対して制御装置６は、選択的に電流を流す。このようにすれば、図１３及び図１４のように、コイル部分の数は増えるが、制御装置６の中のスイッチ手段は簡素化される。

図１４は、ステータ４のコイルの配置を表す。図１５のステータのＮ、Ｓは、ステータ４の下側である転動ロータ２の円柱部２３ｂに対向する部分の磁極の向きを表しておりステータ鉄心の上側は、逆の磁極に励磁される。

バイポーラ巻きでは、たとえばステータ部４ａに対し、図１５のように、コイル部分４２１ａ及び逆方向のコイル部分４２１ａａの二つを巻く。同様にステータ部４ｂにはコイル部分４２１ｂと４２１ｂｂ、ステータ部４ｃにはコイル部分４２１ｃと４２１ｃｃ、ステータ部４ｄにはコイル部分４２１ｄと４２１ｄｄを巻く。

スイッチ手段は、図１３のように４つ用いる。スイッチ回路６１ａａのスイッチ手段７１１にはコイル部分４２１ａと４２１ｃｃ、スイッチ回路６１ｂｂのスイッチ手段７１２にはコイル部分４２１ａａと４２１ｃを夫々接続している。また、スイッチ手段７１３にはコイル部分４２１ｂと４２１ｄｄ、スイッチ手段７１４にはコイル部分４２１ｂｂと４２１ｄとを夫々接続している。

スイッチ手段７１１をＯＮにすると、ステータ部４ａがコイル部分４２１ａによって励磁されると共に、ステータ部４ｃがコイル部分４２１ｃｃによって逆方向に励磁され、０度方向に転動ロータ２２は偏心し、第１パターンが構成される。

次に、スイッチ手段７１３もＯＮにすると、ステータ部４ｂがコイル部分４２１ｂによって励磁される共に、ステータ部４ｄがコイル部分４２１ｄｄによって逆方向に励磁され９０度方向に力が働く。よって、ステータ部４ａ、４ｃによる０度方向の力と合成され４５度方向にロータが偏心し第２パターンが構成される。続いて、スイッチ手段７１１をＯＦＦにすると、０度方向の力が無くなり、転動ロータは９０度方向に偏心し、第３パターンが構成される。

次に、スイッチ手段７１２をＯＮにすれば、スイッチ手段７１１をＯＮにした場合とは逆に励磁されるため、１８０度方向に力が働き転動ロータ２は１３５度の方向に偏心し第４パターンを構成する。続いてスイッチ手段７１３をＯＦＦにすれば９０度の方向の力が無くなり、転動ロータ２は１８０度の方向に偏心して第５パターンが構成される。

以下、図１５の第６パターン〜第８パターンのように作動するので、本実施例によれば４つのスイッチのＯＮ、ＯＦＦで通電するコイルの直列体を選択でき、８つのポジションに転動ロータ２２を偏心させる制御を行うことができる。

（第５実施形態の作用効果）
上記第５実施形態においては、複数のコイル４２は、転動ロータ２の周囲に夫々９０度離れて０度の位置と、９０度の位置と、１８０度の位置と、２７０度の位置との４か所に配置されている。夫々の箇所のコイル４２は、転動ロータ２に対して一方向に磁束を流す第１コイル部分４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄと、一方向とは反対方向の他方向に磁束を流す第２コイル部分４２１ｃｃ、４２１ｄｄ、４２１ａａ、４２１ｂｂとを有する。

第１コイル部分４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄのいずれかと夫々対向する第２コイル部分４２１ｃｃ、４２１ｄｄ、４２１ａａ、４２１ｂｂは、互いに直列に接続されて４個のコイルの直列体を構成している。

そして、夫々のコイルの直列体のいずれかに対して制御装置６は、選択的に電流を流す。

これによれば、４か所のコイルの直列体のいずれかに対して制御装置が通電することにより、転動ロータ２に対して、４か所から電磁力を作用させることができ、転動ロータ２を任意の方向に回転させることができる。

（第５実施形態の変形例）
上記第５実施形態での制御パターン（図１３から図１５）では第１パターンから第８パターンまでを順次行っているが、途中のパターンを飛ばす制御を行っても良い。たとえば第２第４第６第８パターンの４ポジションとすれば、常に二組のステータが励磁されるため、より高トルクを発生する転動直進変換装置１００とすることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。上記実施形態では図８、図１５のいずれの場合でも、スイッチ手段は回転角度に合わせてＯＮ、ＯＦＦを行っているが、必要に応じてＯＮ、ＯＦＦを短周期で切り返すパルス幅（ＰＷＭ）制御を行っても良い。

このようにすることで、一組のコイルに通電する場合（０度、９０度、１８０度、２７０度）と二組のコイルに通電する場合（４５度、１３５度、２２５度、３１５度）の磁力の強さをそろえ、トルク変動を少なくすることができる。以下これについて更に説明する。

図１６の４５度、１３５度、２２５度、３１５度方向の第２、第４、第６、第８の各パターンにおいて、電磁力は、ベクトル合成されるため、合成された電磁力が強くなり、トルク変動やコギングの発生原因となる。よって、４５度、１３５度、２２５度、３１５度方向の第２、第４、第６、第８の各パターンにおいて、スイッチ手段を断続制御し、ＰＷＭ制御により電磁力を調整することが望ましい。

図１６に図６の４５度、１３５度、２２５度、３１５度方向の第２、第４、第６、第８の各パターンにおいて、図６〜図８に示すスイッチ手段６１ａ１〜６１ａ４、６１ｂ５〜６１ｂ８を断続制御した波形図を示す。

図８及び図１６において、第１パターンではスイッチ手段６１ａ１、６１ａ４がＯＮしデューティ比１００％でコイルに通電される。第２パターンではスイッチ手段６１ａ１、６１ａ４、６１ｂ５、６１ｂ８が断続制御されデューティ比が８８％程度に低下するようコイル部分の合成電磁力が調整されている。第４、第６、第８の各パターンにおいても同様である。

この断続制御は、スイッチ手段のＰＷＭ制御によってコイルの電磁力を所定量弱くするものである。たとえば４５度方向の場合、第１鉄心部４１ａ、第３鉄心部４１ｃよりなる組と４１ｂ、４１ｄからなる組の双方に通電し、両方を合成した電磁力が働くので、そのままでは、どちらか一方に通電した場合よりもルート２倍磁力が強くなる。

これに対し、図１６に示すようにロータ回転角度が、４５度の場合、図６のスイッチ手段６１ａ１、６１ａ４、６１ｂ５、６１ｂ８をＰＷＭ制御で断続することによって磁力を調整し磁力が過大となる事を防ぐとことができる。その結果、転動ロータ２に作用する磁力の強さが、回転角度が変わっても均一化され、回転するときのコギング又はトルク変動を少なくすることができる。

なお、図１３〜図１５に示した回路構成では、制御装置６は、転動ロータ２が４５度の位置と１３５度の位置と２２５度の位置と３１５度の位置にあるときに、通電電流を断続する。具体的には、一方向多方向コイルの直列体を構成するコイル部分（４２１ａ、４２１ｃｃ）、（４２１ｂ、４２１ｄｄ）、（４２１ａａ、４２１ｃ）、（４２１ｂｂ、４２１ｄ）のいずれか一対に同時に通電し、かつ通電電流を断続する。

（他の実施形態）
上記の実施形態では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に、特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

上記実施例では、ステータの個数が４つ（２組）の場合について記載したが、対向するステータが偶数個であればよく、たとえばステータの個数が６つ（３組）などでも良い。また、上記実施例では、左回りの制御の場合を記載したが、制御の順番を逆にすれば右回りも勿論可能であるし、作動の途中で反転の必要性が生じればパターンを戻る制御を行って反転させても良い。

また、転動ロータを回転させるために電磁力を使用したが、超音波モータのように超音波の進行波を転動ロータと固定子側のハウジングに取り付けた超音波振動部材との接触部に作用させて、転動ロータを回転させることもできる。

α 偏心量
７ａ〜７ｃ 穴
２ 転動ロータ
２１ 摺動部
１ｂ 内周部
１ ハウジング
８ａ〜８ｃ 突起部
１ａ ねじ部
３ センターシャフト

Claims (13)

1. 内部に円形の内周部（１ｂ）を有するハウジング（１）と、
   前記ハウジング（１）の側である外部から回転力を受けて前記内周部（１ｂ）の周りを自転しながら公転し、前記内周部（１ｂ）に対して所定の偏心量（α）を維持しながら転動し、複数の穴（７ａ〜７ｃ）が中央部に形成された転動ロータ（２）と、
   前記転動ロータ（２）に連結され前記ハウジング（１）から突出したセンターシャフト（３）と、
   前記センターシャフト（３）に結合されて前記穴（７ａ〜７ｃ）に夫々挿入され、前記転動ロータ（２）が回転するときの前記転動ロータ（２）の自転運動を取り出す複数の突起部（８ａ〜８ｃ）と、を備え、
   前記センターシャフト（３）は、前記複数の突起部（８ａ〜８ｃ）に連結され、前記ハウジング（１）に形成されたねじ部（１ａ）と噛みあい、前記複数の突起部（８ａ〜８ｃ）の回転運動により直進運動することを特徴とする転動直進変換装置。
2. 前記穴（７ａ〜７ｃ）の直径は、前記突起部（８ａ〜８ｃ）の断面円の直径よりも前記偏心量（α）に相当する分だけ大きいことを特徴とする請求項１に記載の転動直進変換装置。
3. 前記転動ロータ（２）は、前記内周部（１ｂ）に接して転動するフランジ部（２ａ）と、前記フランジ部（２ａ）から軸方向に延在し前記外部から回転力を受ける円柱部（２３）と、を備え、
   前記穴（７ａ〜７ｃ）は、前記円柱部（２３）の軸方向に沿って前記円柱部（２３）の中に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の転動直進変換装置。
4. 更に、前記転動ロータ（２）の周囲に配置された複数のコイル（４２）を備え、
   前記転動ロータ（２）は、前記外部からの回転力となる前記コイル（４２）からの電磁力を受けて転動することを特徴とする請求項３に記載の転動直進変換装置。
5. 更に、前記転動ロータ（２）には永久磁石（２４）が設けられ、
   前記永久磁石（２４）が、前記コイル（４２）からの吸引力及び反発力の少なくともいずれか一方の電磁力を受けて前記転動ロータ（２）が転動することを特徴とする請求項４に記載の転動直進変換装置。
6. 前記コイル（４２）が発生する磁束により、前記永久磁石（２４）に吸引力と反発力との両方の電磁力を生じさせて前記転動ロータ（２）を回転させることを特徴とする請求項５に記載の転動直進変換装置。
7. 前記円柱部（２３）に設けられ前記円柱部（２３）の径方向に対向する一対の前記コイル（４２）が発生する磁束により前記永久磁石（２４）に吸引力と反発力との両方の電磁力を生じさせて前記転動ロータ（２）を回転させることを特徴とする請求項６に記載の転動直進変換装置。
8. 更に、前記コイル（４２）に通電して励磁するスイッチ回路（６１ａ、６１ｂ、６１ａａ、６１ｂｂ）を持つ制御装置（６）を備え、
   前記コイル（４２）は、複数の鉄心（４１）に巻回されて環状のステータ（４）を構成し、
   前記転動ロータ（２）の前記円柱部（２３）は、前記ステータ（４）の内周側を転動し、
   前記永久磁石（２４）は、前記ステータ（４）に対向する面にＮ極又はＳ極を有し、前記スイッチ回路（６１ａ、６１ｂ、６１ａａ、６１ｂｂ）によって複数の前記コイル（４２）が順次通電され前記Ｎ極又は前記Ｓ極を吸引及び反発させることにより前記転動ロータ（２）を回転させることを特徴とする請求項７に記載の転動直進変換装置。
9. 更に前記コイル（４２）は、互いに１８０度離れた一対の第１コイル部分（４２ａ、４２ｃ）と、これらの第１コイル部分（４２ａ、４２ｃ）と夫々９０度離れた第２コイル部分（４２ｂ、４２ｄ）とを有し、
   前記制御装置（６）は、一対の前記第１コイル部分（４２ａ、４２ｃ）に通電すると共に、９０度離れた前記第２コイル部分（４２ｂ、４２ｄ）のいずれかへも通電し、前記コイル（４２）の電磁力の合成方向に電磁力が発生するように制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の転動直進変換装置。
10. 更に、前記コイル（４２）と前記転動ロータ（２）との間に位置し、非磁性体よりなるキャン（５）を備え、前記キャン（５）により、前記コイル（４２）と前記転動ロータ（２）とを空間的に隔離しながら磁気的につながった構成とすることを特徴とする請求項９に記載の転動直進変換装置。
11. 前記第１コイル部分（４２ａ、４２ｃ）の夫々と、前記第２コイル部分（４２ｂ、４２ｄ）の夫々とは直列に接続されて一対の前記コイル（４２）の直列体を構成しており、
    前記コイル（４２）の直列体の夫々に対して、前記制御装置（６）の第１正逆転スイッチ回路（６１ａ）、及び第２正逆転スイッチ回路（６１ｂ）は電流を反転させて流すことを特徴とする請求項１０に記載の転動直進変換装置。
12. 前記制御装置（６）は、前記転動ロータ（２）が４５度の位置と１３５度の位置と２２５度の位置と３１５度の位置にあるときに、前記制御装置（６）は、前記第１コイル部分（４２ａ、４２ｃ）と、前記第２コイル部分（４２ｂ、４２ｄ）に同時に通電し、かつ通電電流を断続することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の転動直進変換装置。
13. 複数の前記コイル（４２）は、前記転動ロータ（２）の周囲に夫々９０度離れて、０度の位置に配置された０度コイル部分（４２１ａ、４２１ａａ）と、９０度の位置に配置された９０度コイル部分（４２１ｂ、４２１ｂｂ）と、１８０度の位置に配置された１８０度コイル部分（４２１ｃ、４２１ｃｃ）と、２７０度の位置に配置された２７０度コイル部分（４２１ｄ、４２１ｄｄ）とを有し、
    夫々の箇所の前記コイル（４２）は、前記転動ロータ（２）に対して一方向に磁束を流す一方向コイル部分（４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ）と、前記一方向とは反対方向の他方向に磁束を流す他方向コイル部分（４２１ａａ、４２１ｂｂ、４２１ｃｃ、４２１ｄｄ）とを有し、
    前記一方向コイル部分（４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ）のいずれかと夫々対向する前記他方向コイル部分（４２１ｃｃ、４２１ｄｄ、４２１ａａ、４２１ｂｂ）のいずれかとは互いに直列に接続されて４個の一方向多方向コイルの直列体（４２１ａ、４２１ｃｃ）、（４２１ｂ、４２１ｄｄ）、（４２１ａａ、４２１ｃ）、（４２１ｂｂ、４２１ｄ）を構成しており、
    夫々の前記一方向多方向コイルの直列体（４２１ａ、４２１ｃｃ）、（４２１ｂ、４２１ｄｄ）、（４２１ａａ、４２１ｃ）、（４２１ｂｂ、４２１ｄ）のいずれかに対して前記制御装置（６）は、選択的に電流を流すことを特徴とする請求項８に記載の転動直進変換装置。

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