JP3897914B2

JP3897914B2 - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP3897914B2
Application number: JP25051798A
Authority: JP
Inventors: 学松下; 悟小野寺; 利仁宮下; 尚範中村; 浩久酒井
Original assignee: Toyota Motor Corp; Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JP2000083365A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク伝達機構または推力伝達機構に磁気カップリングを備えて負荷から大きなトルクまたは力が加わったときに磁気カップリングを脱調状態にする機能を備えた電動アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出願人は先に、特願平８−３２８６８５号によって、電気エネルギーを運動エネルギーに変換して動力を発生する動力発生装置と、動力を負荷に伝達する動力伝達機構と、動力伝達機構に組み込まれて動力（またはトルク）が負荷に伝達されるのを遮断する動力遮断機構（またはトルク遮断機構）とを備えた電動アクチュエータにおいて、その動力遮断機構として磁気カップリングを用いることを提案した。動力遮断機構として磁気カップリングを用いると、電動アクチュエータで駆動される負荷（運動機構部）が物体に衝突したような場合に、衝突の検出や電動アクチュエータのソフトウエア制御によらずに、ハードウエアのみによって、負荷への動力伝達の遮断を行うことができる利点が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、動力遮断機構として磁気カップリングを用いる場合には、磁気カップリングが脱調状態になるまでは、当然にして動力発生装置からトルクまたは動力が負荷側に伝達されていると考えられていた。そのため、従来は安全性の確保の点から脱出トルクまたは（脱出推力）を所望の値または範囲にすることを中心にして磁気カップリングの設計を行っていた。そのため実際上は、脱調状態に至る過程において、動力発生装置が回転電動機の場合には回転トルクが、また動力発生装置がリニアモータの場合には推力が、負荷に伝達されていたのが実情である。
【０００４】
具体的には、電動機により駆動されている負荷が，ある物体に衝突した場合，その物体は負荷の慣性による衝撃力と電動機のトルクによる力を受ける。従つて衝突された物体は，慣性力による力積と，電動機のトルクによる力積を受けることになる。そして慣性力による力積の大きさは、負荷の質量と衝突時のスピードにより決まり，電動機のトルクによる力積の大きさは電動機の発生し得るトルクの大きさとその持続時間の積により決まる。衝突により回転を拘束された電動機はトルクを増大させ，トルクはその電動機の出し得る最大のトルクにまで上昇し、その後は電動機駆動装置により定められたある時間の経過後停止する。その結果，通常であれば、電動機がトルクを発生している間は，衝突された物体に力積を与え続けるのである。
【０００５】
本発明の目的は、脱調状態に至る過程において、回転トルクまたは推力が負荷に実質的に伝達されることのない電動アクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
まず電動機が回転電動機の場合の電動アクチュエータは、回転軸を有する電動機と、回転軸の回転トルクを負荷に伝達するトルク伝達機構と、トルク伝達機構に組み込まれて回転トルクが負荷に伝達されるのを遮断するトルク遮断機構とを具備している。そしてトルク遮断機構は、回転トルクにより直接駆動されて回転する駆動側回転部材と、磁気吸引力を利用する磁気カップリングにより駆動側回転部材と連結されて負荷に回転トルクを伝達する被駆動側回転部材と、駆動側回転部材及び被駆動側回転部材の少なくとも一方に含まれて磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段とを備え、被駆動側回転部材に負荷から加わるトルクが磁気カップリングの脱出トルクよりも大きくなると磁気カップリングが脱調状態になって負荷への回転トルクの伝達を遮断するように構成されている。
【０００７】
本発明は、２×｛脱出トルク角×脱出トルク／（π×駆動側回転部材のイナーシャ）｝^1/2の式で決定される理論回転角速度が、駆動側回転部材が使用条件における最大回転角速度で回転している状態で被駆動側回転部材が実質的に停止状態になったときの駆動側回転部材と被駆動側回転部材との間に生じる相対回転角速度（最大相対回転角速度）以下になるように、脱出トルク角及び駆動側回転部材のイナーシャを定めることが特徴とする。
【０００８】
最大回転角速度は負荷を駆動するために必要とされる実用速度として定められるため、磁気カップリングの構造とは無関係に負荷との関係で定められる。使用条件における最大回転角速度とは、予定している実用速度における回転角速度の最大値を意味する。負荷に応じてまたは用途に応じて、この最大回転角速度は異なってくる。また脱出トルクは、被駆動側回転部材に負荷からトルクが加わっているときに、所定の時間内に磁気カップリングが脱調状態になるように定められる。このような前提において、発明者は、脱調状態に至る過程において、回転トルクが負荷に伝達されないようにするにはどのようにすればよいかを検討し、実験を繰り返したところ、被駆動側回転部材が実質的に停止状態になったときに、電動機の回転角速度がある回転角速度以上になっている場合、言い換えれば駆動側回転部材と被駆動側回転部材との間に生じる相対回転角速度がある回転角速度以上になっていれば、電動機側から負荷に回転トルクが実質的に伝達されずに脱調に至ることが分かった。理論的には、駆動側回転部材を含む動力発生部の持つ回転運動エネルギが磁気カップリングに蓄えられる磁気エネルギよりも大きくなれば脱調が発生する。そしてこの脱調が発生する条件が直ちに揃えば、脱調過程において負荷に回転トルクが伝達されない。この条件を駆動側回転部材と被駆動側回転部材との間に生じる相対回転角速度と磁気カップリングの脱出トルク角、脱出トルク及び駆動側回転部材のイナーシャとの関係で理論的に導き出してみると、２×｛脱出トルク角×脱出トルク／（π×駆動側回転部材のイナーシャ）｝^1/2により決定される回転角速度（理論回転角速度）が前述の相対回転角速度以下であれば、直ちに脱調が発生するということが解明された。そこで本発明のように、この条件を満たすように、磁気カップリングの脱出トルク角及び駆動側回転部材のイナーシャを定めると、直ちに脱調が発生し、脱調過程において負荷に回転トルクが加わらなくなって、安全性が高まるのである。
【０００９】
なお駆動側回転部材が理論回転角速度よりも低い回転角速度で回転している状態で、被駆動側回転部材が実質的に停止状態になったときには、被駆動側回転部材に負荷から加わるトルクが磁気カップリングの脱出トルクよりも大きくなった時点で、磁気カップリングは脱調状態になる。したがって理論回転角速度を最大相対回転角速度以下のどの程度の回転角速度にするかは、電動アクチュエータの用途、実用速度及び安全性を考慮して適宜に定めれることになる。例えば、定常時において、駆動側回転部材が最大回転角速度で回転しているのであれば、理論回転角速度を最大回転角速度に一致させてもよい。また定常時においては、駆動側回転部材が最大回転角速度よりも低い回転角速度で殆ど回転しているのであれば、理論回転角速度をその低い回転角速度に一致させてもよい。
【００１０】
電動機が直線運動をするリニアモータの場合、電動アクチュエータは、直線運動をするリニアモータと、リニアモータの可動子から負荷に推力を伝達する推力伝達機構と、推力伝達機構に組み込まれて推力が負荷に伝達されるのを遮断する推力遮断機構とを具備する。そして推力遮断機構は、推力により直接駆動されて変位する駆動側部材と、磁気吸引力を利用する磁気カップリングにより駆動側部材と連結されて負荷に推力を伝達する被駆動側部材と、駆動側部材及び被駆動側部材の少なくとも一方に含まれて磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段とを備えており、被駆動側部材に負荷から加わる力が磁気カップリングの脱出推力よりも大きくなると磁気カップリングが脱調状態になるように構成されている。
【００１１】
本発明においては、２×｛脱出推力変位×脱出推力／（π×駆動側部材の質量）｝^1/2の式で決定される理論速度が、駆動側部材が使用条件における最大速度で変位している状態で被駆動側部材が実質的に停止状態になったときの駆動側部材と被駆動側部材との間に生じる相対速度（最大相対速度）以下になるように、脱出推力変位及び駆動側部材の質量を定めることを特徴とする。このようにすると、前述の回転電動機と同様に、直ちに脱調が発生し、脱調過程において負荷に推力が加わらなくなって、安全性を高めることができる。従来は、本発明の技術的思想が分かっていなかったために、脱調までに時間がかかるだけでなく、その間に負荷に回転トルクまたは推力が加わる事態も発生していたのである。
【００１２】
なお磁気吸引力発生手段は、電磁コイルでもよいが、電磁コイルを用いると励磁電流の通電回路等が必要になって、構造が複雑になる。また脱調時に電磁コイル内に誘導電流が流れ、脱出トルクを増大させ、しかも力の持続時間を増加させる。そこで磁気吸引力発生手段を、駆動側部材と被駆動側部材の対向面にそれぞれ複数の磁極を形成するように駆動側部材及び被駆動側部材に設けられた永久磁石とから構成するのが好ましい。永久磁石を用いると励磁電流の供給が不要であるため、構造が簡単になる。また永久磁石の磁極面に複数のスリットまたは溝を形成しておくと、脱調時に永久磁石の表面に渦電流が発生するのを抑制して、脱出トルクの増加を低減できる。
【００１３】
磁気カップリングにおいて、複数の磁極を駆動側部材の移動方向に沿って並べる場合、各磁極の前記移動方向の磁極寸法を変えることにより、脱出トルク角及び脱出推力変位を調節することができる。駆動側回転部材のイナーシャ及び駆動側部材の質量は、それぞれの部材の材質及び形状を変えることにより調節することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。
【００１５】
まず、本発明の第１の実施の形態の例として、回転電機を用いた電動アクチュエータについて説明する。図１は、この電動アクチュエータ１の一部を断面にして示した構造図である。この電動アクチュエータ１は、動力発生装置としての電動機２と、センサ部３と、電動機の回転軸から出力される動力（または回転トルク）を負荷に伝達する動力伝達部４とを備えている。ここで使用する電動機としては、直流電動機，同期電動機，誘導電動機等の各種の電動機を用いることができる。センサ部３は、電動機２をサーボモータとして動作させるために使用する速度センサ及び位置センサを構成する検出機器（例えばエンコーダ等）を含んで構成されている。
【００１６】
動力伝達部４は、電動機２のハウジング２ａの端部に取付けられたケーシング５の内部に動力伝達機構（またはトルク伝達機構）の主要部分が収納された構造を有している。ケーシング５の電動機２側の端部５ａの内部には、電動機２の回転軸２ｂが挿入配置されている。またケーシング５の非電動機２側の端部５ｂの内周部には、出力軸６を回転自在に支持するベアリング７が嵌合されて固定されている。電動機２の回転軸２ｂと出力軸６とは、軸線が一致するように並んで配置されており、回転軸２ｂの端部と出力軸６の内端部６ａとは僅かなギャップＧを介して対向している。出力軸６の外端部６ｂには、負荷が取付けられる。
【００１７】
回転軸２ｂには、非磁性材料により一体構造とされた永久磁石支持体８が固定されている。この永久磁石支持体８は、回転軸２ｂの外周に嵌合されて固定される第１の筒状部８ａと、この第１の筒状部８ａの一端から径方向外側に延びる板状の環状部８ｂと、環状部８ｂの径方向外側端部から回転軸２ｂの軸線方向に延びる第２の筒状部８ｃとから構成されている。第２の筒状部８ｃの内周部には、磁性材料により一体構造とされた環状ヨーク９が嵌合されて固定されている。そしてこの環状ヨーク９の内周面上には、複数の永久磁石１０…が固定されている。また出力軸６の内端部６ａの外周には、導磁性材料からなる環状の永久磁石支持体１１が嵌合されており、この永久磁石支持体１１の外周面上には複数の永久磁石１２…が固定されている。
【００１８】
この例では永久磁石支持体８と環状ヨーク９とにより、回転軸２ｂから動力（またはトルク）が直接伝えられる駆動側回転部材が構成され、永久磁石支持体８と環状ヨーク９と永久磁石１０…とにより駆動側回転部材１３（図２）が構成されている。また永久磁石支持体１１により磁気吸引力を利用する磁気カップリングにより駆動側部材と連結されて負荷に動力（またはトルク）を伝達する被駆動側部材が構成され、永久磁石支持体１１と永久磁石１２…とにより被駆動側回転部材１４が構成されている。そして永久磁石１０…及び１２…によって、磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段が構成されている。またこれら駆動側回転部材１３及び被駆動側回転部材１４により、電動機２から動力（またはトルク）が負荷に伝達されるのを遮断する動力遮断機構（またはトルク遮断機構）を構成する磁気カップリング１５が構成されている。
【００１９】
この磁気カップリング１５は、被駆動側部材を構成する出力軸６に、図示しない負荷から加わる力（またはトルク）が磁気カップリングのカップリング力（脱出トルク）よりも大きくなると、磁気カップリング１５が脱調状態になって出力軸６を介して負荷へ動力（またはトルク）が伝達されるのを遮断する。このような機能を有効に発揮するように、この例では、永久磁石１０…及び永久磁石１２…の配置態様を図２に示す通りにしている。永久磁石１０…及び永久磁石１２…は、２つの永久磁石を隣接して配置して構成した複数の組磁石を周方向に一定の間隔を開けて配置するように取付けられている。この一定の間隔は、磁気カップリング１５が脱調状態になって、第１の磁気カップリング部材１３と第２の磁気カップリング部材１４との間に相対的な回転が発生したときに、容易に再カップリングしないように定められている。組磁石を構成する隣接して配置された２つの永久磁石は、Ｎ極とＳ極の組み合わせである。環状ヨーク９に固定された永久磁石１０…からなる複数の組磁石と永久磁石支持体１１に固定された永久磁石１２からなる複数の組磁石とは、カップリング状態において、互いに吸引し合うように配列されている。
【００２０】
この例では、永久磁石支持体８と環状ヨーク９と永久磁石１０により構成される駆動側回転部材１３のイナーシャＪと、永久磁石１０…及び永久磁石１２…の磁極幅寸法（周方向の寸法即ち回転軸２ｂの回転方向の寸法）によって定まる脱出トルク角θ_po（図３参照）を、２×｛脱出トルク角θ_po×脱出トルクＴ_po／（π×駆動側回転部材のイナーシャＪ）｝^1/2の式で決定される理論回転角速度が、駆動側回転部材１３が使用条件における最大回転角速度で回転している状態で被駆動側回転部材１４が実質的に停止状態になったときの駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に生じる相対回転角速度ω_po以下になるように、定めている。
【００２１】
図１に戻って、第２の磁気カップリング部材を構成する被駆動側回転部材１４の少なくとも１つの永久磁石１２には、その外側を囲むようにしてサーチコイル１８が取付けてある。サーチコイル１８は、駆動側回転部材１３の永久磁石１０…から発生する磁束と空間的に直交するように、１つ以上の永久磁石１２に巻かれている。出力軸６には、磁気カップリング１５に隣接して、サーチコイル１８に直列接続された一次巻線Ｗ１を有する回転変圧器１９の一次側巻線ユニット１９ａが固定されている。この一次側巻線ユニット１９ａは、出力軸６に嵌合された環状の絶縁樹脂製のボビンに一次巻線Ｗ１の巻線導体が巻回された構造を有している。また回転変圧器１９の二次側巻線ユニット１９ｂは、ケーシング５に取付けられている。二次側巻線ユニット１９ｂは、ケーシング５の内壁部にネジ止めされた取付具２０を介してケーシング５に対して固定されている。二次側巻線ユニット１９ｂは、一次側巻線ユニット１９ａを周方向から囲むように構成された環状の絶縁樹脂製のボビンに、一次巻線Ｗ１から発生する磁束が鎖交するように二次巻線Ｗ２が巻回された構造を有している。この例では、サーチコイル１８と回転変圧器１９とにより、磁気カップリング１５における動力（またはトルク）の遮断動作を検出して停止信号を出力する遮断動作検出手段が構成されている。なお回転変圧器１９の二次巻線Ｗ２の出力用リード線は、ケーシング５の外周部に設けた貫通孔２１を通してケーシング５の外部に引き出される。
【００２２】
二次巻線Ｗ２の出力用リード線から出力された信号は、電動機２の図示しない制御装置に停止信号として入力される。制御装置には、この停止信号を受信すると電動機２への電気エネルギーの供給を停止する電気エネルギー供給停止手段を設ける。なおこの電気エネルギー供給停止手段は、電動機２自体に制御装置が内蔵されている場合には、電動機２の内部に設けることになる。電気エネルギー供給停止手段は、例えば電動機２に電機子電流を流す回路の途中に制御可能なスイッチを設け、停止信号の入力に応じてこのスイッチを開くことにより、電機子電流の供給を停止するように構成することができる。
【００２３】
次に、図３に基づき磁気カップリング１５の動力伝達と遮断の作用を詳しく説明する。図３は、図２に示した磁気カップリングを構成する永久磁石１０…及び１２…の１つの組磁石即ち１極対分の径方向断面を円周方向に展開して示したものである。第１及び第２の磁気カップリング部材を構成する駆動側回転部材及び被駆動側回転部材１３及び１４を介して出力軸６に伝達されるトルクＴc は仮想変位の原理より下記式（１）のように表される。
【００２４】
【数１】

ただし、Ｗg は磁気カップリングの駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に形成される空隙１６（図３）に蓄えられる磁気エネルギーであり、θは円周方向の空間角である。
【００２５】
ここで磁気エネルギーＷg は、下記の式（２）のように表される。
【００２６】
【数２】

式（２）において、Ｖg は空隙１６の全容積であり、Ｂg は空隙１６の磁束密度であり、μo は真空の透磁率である。
【００２７】
ここで、空隙の磁束密度Ｂg の基本波成分によるトルクを考えると、出力軸６に伝達されるトルクＴc は、下記の式（３）のように表される。
【００２８】
【数３】

Ｔ_poは伝達トルクの最大値である。このトルクＴc の振幅Ｔ_poを磁気カップリング１５の脱出トルクと言う。
【００２９】
衝突時，電動アクチュエータの出力軸６の回転が拘束されることにより磁気カップリング１５を構成する駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に相対回転角速度が発生する。この相対回転角速度をω_poとする。
【００３０】
駆動側回転部材１３のイナーシャをＪとすると、被駆動側回転部材１４に対して、駆動側回転部材１３を含む動力発生部の持つ回転運動エネルギーＥj は、下記式（４）のように表される。
【００３１】
【数４】

一方，衝突時，磁気カップリングが脱調現象を開始し、脱調するまでの間に，磁気カップリング部に蓄えられる磁気エネルギーＥm は、下記式（５）のように表される。
【００３２】
【数５】

回転運動エネルギーＥj と磁気エネルギーＥm との間にはエネルギー保存則が成り立ち，Ｅj ＜Ｅm の場合は回転運動エネルギーＥj が磁気カップリング１５が脱調するまでの間に磁気カップリング部に蓄えられる磁気エネルギーＥm に達しないために磁気エネルギーが残り，電動機の回転トルクを負荷側に伝達する。一方，Ｅj ＞Ｅm の場合は，回転運動エネルギーＥj が磁気カップリングが脱調するまでの間に，磁気カップリング部に蓄えられる磁気エネルギーＥm を超えてしまうために，電動機の回転トルクは負荷側に伝達されずに脱調する。
【００３３】
Ｅj ＞Ｅm の関係は、式（４）と式（５）と下記の式（６）のように表すことができる。
【００３４】
【数６】

式（６）の右辺を解くと、下記式（７）と表される。
【００３５】
【数７】

その結果式（６）は下記式（８）のように表される。
【００３６】
【数８】

そして式（８）を相対回転角速度ω_poについて解くと、下記式（９）が得られる。
【００３７】
【数９】

式（９）において、Ｔ_poは図４に示す磁気カップリング１５の脱出トルクであり、θ_poは脱出トルク角であるが、これら脱出トルクＴ_po及び脱出トルク角θ_poは、磁気カップリング１５の永久磁石１０及び１２の形状寸法及び配置状態より決定できる。但し脱出トルクは予め安全性を考慮して定められることになるので、脱出トルク角θ_poが変数となる。またＪは，磁気カップリングの駆動側回転部材１３のイナーシャであり、これは各部を構成する部材の材質と形状によつて決定される。したがってこのイナーシャも変数となる。これにより式（９）の右辺のθ_po及びＪの値によって、直ちに脱調になる相対回転角速度ω_poを決定できるのである。
【００３８】
そこで負荷が何かに衝突して出力軸が実質的に停止状態になったときに、磁気カップリング１５の駆動側回転部材１３と、被駆動回転部材１４との間に生じる相対回転角速度ω_poの値が上記式（９）の右辺の値より大きければ、負荷側に電動機から回転トルクが伝達されずに磁気カップリング１５が脱調し、電動機の回転トルクによる力積を発生させずに脱調させることができ、負荷が衝突した物体に対して与えるダメージを最小限に抑えることができる。衝突時に負荷側即ち被駆動側回転部材１４が完全に回転を拘束された場合に、磁気カップリング１５の駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に生じる回転角速度ω_poは、電動機の回転角速度そのものとなる。そこで上記式（９）の右辺（理論回転角速度）が電動機の使用条件における最大回転角速度または実使用回転数（実用回転角速度）より小さくなるように、脱出トルク角θ_po及び駆動側回転部材１３のイナーシャＪを設定することにより、脱調時に電動機の回転トルクによる力積を完全に発生させないようにすることができる。
【００３９】
図５は、図１の構造の電動アクチュエータにおいて衝突実験を行い、電動機の回転トルクによる力積を測定した結果を示している。力積の大きさは，ロードセルにより力の大きさを測定しその力の持続時間との積により求めた。この例における上記式（９）の右辺の理論回転角速度（または相対回転角速度）に対応するする速度は約260min^-1である。260min^-1以上では電動機の回転トルクによる力積が発生していない。この測定結果からも、衝突時に負荷側即ち被駆動側回転部材１４が完全に回転を拘束されときの、磁気カップリング１５の駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に生じる相対回転角速度ω_po（電動機の回転角速度そのもの）が、この260min^-1以上となるように［理論回転角速度が相対回転角速度以下になるように］、脱出トルク角θ_po及び駆動側回転部材１３のイナーシャＪを設定すれば、脱調時に電動機の回転トルクによる力積を完全に発生させないようにすることができることが分かる。
【００４０】
このように脱調にいたるまでの時間ｔを非常に短くして、脱調時に電動機の回転トルクによる力積を完全に発生させないようにするためには、式（９）で表される脱出トルク角θ_poを小さくし、またイナーシャＪを大きくすればよいのである。そして脱出トルク角θ_poを小さくするためには、磁気カップリングの磁極幅寸法τを小さくすればよい。また磁極幅寸法τを小さくすることに限界があれば、駆動側回転部材の重量や形状を変えてイナーシャＪを大きくすればよい。
【００４１】
図６は、本発明の第２の実施の形態の例の概略構成を示している。第１の実施例の形態は、動力発生装置として回転形の電動機を用いた電動アクチュエータの例であるが、本発明は動力発生装置として並進運動を行うリニアモータを用いるリニア電動アクチュエータにも適用できる。図６において、１０１はリニアモータである。このリニアモータ１０１は、ステータ側に電機子鉄心１０１ａを備えており、この電機子鉄心１０１ａの磁極部には電機子巻線１０１ｂが巻回されて、固定側磁極が形成されている。１０２は可動体であり、この可動体１０２は、可動体本体１０３と、可動体本体１０３の一対の対向壁部１０４，１０４に固定された一対のガイドピン１０５，１０５と、このガイドピン１０５，１０５に両端が摺動自在に支持された可動子１０６とを備えている。そして可動体本体１０３と可動子１０６の対向面には、それぞれ複数の磁極を構成する複数の永久磁石１０７…と複数の永久磁石１０８…とが移動方向に所定の間隔を開けて配置されている。また可動子１０６のステータ側の面には、リニアモータ１０１の界磁極を構成する永久磁石１０１ｃが移動方向に所定の間隔を開けて固定されている。
【００４２】
この例では、可動子１０６と永久磁石１０８…とによりリニアモータ１０１から動力（またはトルク）が直接伝えられる駆動側部材１１０が構成されている。また可動体本体１０３と永久磁石１０７…とにより磁気カップリングにより駆動側部材と連結されて負荷に動力（またはトルク）を伝達する被駆動側部材１０９が構成されている。そして永久磁石１０７…及び１０８…によって、磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段が構成されている。またこれら駆動側部材１１０及び被駆動側部材１０９により、リニアモータ１０１から動力（またはトルク）が負荷に伝達されるのを遮断する推力遮断機構（またはトルク遮断機構）を構成する磁気カップリング１１１が構成されている。
【００４３】
この例では、磁気カップリング１１１が連結状態にあるときに、可動子１０６及び可動体本体１０３は同期して動き、磁気カップリング１１１が脱調状態になると可動子１０６がガイドピン１０５にガイドされて動くだけで、可動体本体１０３には動力（トルク）は伝達されない。
【００４４】
このようなリニアモータにおいても、本発明は当然適用可能であり、この場合には、２×｛脱出推力変位χ_po×脱出推力Ｆ_po／（π×駆動側部材の質量Ｍ）｝^1/2の式で決定される理論速度が、駆動側部材１１０が使用条件における最大速度で変位している状態で被駆動側部材１０９が実質的に停止状態になったときの駆動側部材１１０と被駆動側部材１０９との間に生じる相対速度（最大相対速度）ｖ_po以下になるように、脱出推力変位χ_po及び駆動側部材の質量Ｍを定めればよい。リニアモータにおいては、上記式（１）〜（９）の式におけるトルクＴc を推力Ｆc と置き換え、脱出トルクＴ_poを脱出推力Ｆ_poと置き換え、空間角θを変位χと置き換え、脱出トルク角θ_poを脱出推力変位χ_poと置き換え、駆動側回転部材のイナーシャＪを駆動側部材１１０の質量Ｍと置き換え、磁気カップリングの駆動側回転部材１３と被駆動側回転部材１４との間に生じる回転角速度ω_poを駆動側部材１１０と被駆動側部材１０９との間に生じる相対速度ｖ_poと置き換え、回転運動エネルギーＥj を直線運動エネルギ−Ｅv と置き換えればよい。このような置き換えをすると、相対速度ｖ_poに関しては、下記の式（１０）の関係が得られる。
【００４５】
【数１０】

上記式（１０）において、Ｆ_poは図４に示す磁気カップリング１５の脱出トルクＴ_poと同様に磁気カップリング１１１において脱調が発生するのに必要な力即ち脱出推力であり、χ_poは図３に示した脱出トルク角θ_poに対応する脱出推力変位である。これら脱出推力Ｆ_po及び脱出推力変位χ_poは、磁気カップリング１１１の永久磁石１０７及び１０８の形状寸法及び配置状態より決定できる。但し脱出推力Ｆ_poは予め安全性を考慮して定められることになるので、脱出推力変位χ_poが変数となる。またＭは、磁気カップリングの駆動側部材１１０の質量であり、これは駆動側部材１１０を構成する各部材の質量の合計によって決定される。したがってこの駆動側部材１１０の質量も変数となる。これにより式（１０）の右辺のχ_po及びＭの値によって、直ちに脱調になる相対速度ｖ_poまたは理論速度を決定できる。
【００４６】
リニアモータでも、負荷が何か物体に衝突した時に負荷側即ち被駆動側部材１０９の動きが完全に拘束された場合に、磁気カップリング１１１の駆動側部材１１０と被駆動側部材１０９との間に生じる相対速度ｖ_poは、リニアモータの可動子の速度そのものとなる。そこで上記式（１０）の右辺（理論速度）がリニアモータの使用条件における最大速度または実使用速度（実用速度）より小さくなるように、脱出推力変位χ_po及び駆動側部材１１０の質量Ｍを設定することにより、脱調時にリニアモータの推力による力積を完全に発生させないようにすることができる。脱調にいたるまでの時間ｔを非常に短くして、脱調時にリニアモータの推力による力積を完全に発生させないようにするためには、式（１０）で表される脱出推力変位χ_poを小さくし、また駆動側部材１１０の質量Ｍを大きくすればよい。脱出推力変位χ_poを小さくするためには、磁気カップリング１１１の磁極幅寸法（永久磁石１０７及１０８の幅寸法）を小さくすればよい。また磁極幅寸法を小さくすることに限界があれば、駆動側部材１１０の質量Ｍを大きくすればよい。
【００４７】
上記構成の各例によれば、電動アクチュエータに負荷された運動機構部が物体に接触したとき、例えば、運動部位と静止部位との間に人体などが挟まれた場合にも、異常の検出や電動アクチュエータのソフトウエア制御によらずに、電動アクチュエータから負荷への動力が瞬時に遮断される。このため、システムのフェールセーフな設計に適した、本質的に安全な電動アクチュエータを提供することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気カップリングの脱出トルク角及び駆動側回転部材のイナーシャ（または脱出推力変位及び駆動側部材の質量）を適当に設定することにより、駆動側回転部材（または駆動側部材）が理論回転角速度（または理論速度）以上で回転（変位またはは移動）しているときには、被駆動側回転部材（または被駆動側部材）が実質的に停止状態になったときに、脱調状態に至る過程において、回転トルクまたは推力が負荷に実質的に伝達されることなく、直ちに磁気カップリングを脱調状態にすることができる。そのため本発明によれば、負荷がある物体に衝突した場合でも、電動機のトルクによる力積を発生させることがないので、負荷が衝突した物体に対して与えるダメージを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電動アクチュエータの構造を示す一部断面図である。
【図２】図１の例で用いる磁気カップリングの構成を示す径方向断面図である。
【図３】本発明で用いる磁気カップリング部の作用を説明するために用いる説明図である。
【図４】磁気カップリングの角変位θとトルクＴc の関係を示す図である。
【図５】図１の電動アクチュエータにおける電動機の回転トルクによる力積と速度との関係を実測したものの一例を示した図である。
【図６】リニアモータに本発明を適用する場合の実施の形態の構造の概念を示す図である。
【符号の説明】
１電動アクチュエータ
２電動機（動力発生装置）
３センサ部
４動力伝達部
５ケーシング
６出力軸
８永久磁石支持体
１０，１２永久磁石
１３駆動側回転部材（第１の磁気カップリング部材）
１４被駆動側回転部材（第２の磁気カップリング部材）
１５磁気カップリング（トルク遮断機構）
１８サーチコイル

Claims

回転軸を有する電動機と、
前記回転軸の回転トルクを負荷に伝達するトルク伝達機構と、
前記トルク伝達機構に組み込まれて前記回転トルクが前記負荷に伝達されるのを遮断するトルク遮断機構とを具備し、
前記トルク遮断機構が、前記回転トルクにより直接駆動されて回転する駆動側回転部材と、磁気吸引力を利用する磁気カップリングにより前記駆動側回転部材と連結されて前記負荷に前記回転トルクを伝達する被駆動側回転部材と、前記駆動側回転部材及び前記被駆動側回転部材の少なくとも一方に含まれて前記磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段とを備え、前記被駆動側回転部材に前記負荷から加わるトルクが前記磁気カップリングの脱出トルクよりも大きくなると前記磁気カップリングが脱調状態になるように構成されている電動アクチュエータであって、
２×｛脱出トルク角×脱出トルク／（π×駆動側回転部材のイナーシャ）｝^1/2の式で決定される理論回転角速度が、前記駆動側回転部材が使用条件における最大回転角速度で回転している状態で前記被駆動側回転部材が実質的に停止状態になったときの前記駆動側回転部材と前記被駆動側回転部材との間に生じる相対回転角速度以下になるように、前記脱出トルク角及び前記駆動側回転部材のイナーシャが定められていること特徴とする電動アクチュエータ。
直線運動をするリニアモータと、
前記リニアモータの可動子から負荷に推力を伝達する推力伝達機構と、
前記推力伝達機構に組み込まれて前記推力が前記負荷に伝達されるのを遮断する推力遮断機構とを具備し、
前記推力遮断機構が、前記推力により直接駆動されて変位する駆動側部材と、磁気吸引力を利用する磁気カップリングにより前記駆動側部材と連結されて前記負荷に前記推力を伝達する被駆動側部材と、前記駆動側部材及び前記被駆動側部材の少なくとも一方に含まれて前記磁気吸引力を発生する磁気吸引力発生手段とを備え、前記被駆動側部材に前記負荷から加わる力が前記磁気カップリングの脱出推力よりも大きくなると前記磁気カップリングが脱調状態になるように構成されている電動アクチュエータであって、
２×｛脱出推力変位×脱出推力／（π×駆動側部材の質量）｝^1/2の式で決定される理論速度が、前記駆動側部材が使用条件における最大速度で変位している状態で前記被駆動側部材が実質的に停止状態になったときの前記駆動側部材と前記被駆動側部材との間に生じる相対速度以下になるように、前記脱出推力変位及び前記駆動側部材の質量が定められていることを特徴とする電動アクチュエータ。