JP4072186B2 - 動力伝達機構 - Google Patents

Description

本発明は回転動力を伝達する部分に永久磁石の磁気的な噛み合いを用い非接触で動力伝達する動力伝達機構に関するものである。

従来から、２本の回転軸の一方を駆動軸としもう一方を従動軸として、駆動軸から従動軸へ動力を伝達する方法の一つとして、永久磁石の磁力を用いて非接触で動力を伝達する非接触動力伝達機構は一般に知られている。

例えば、図１４に示すように円盤の外周上にＮ極、Ｓ極を交互に配置した２本の磁気歯車軸を直交する形で動力を伝達した構造のものが知られている。図に従って説明する。図１４の第２の磁気歯車１０２が取り付けられた回転軸１０３を駆動軸として駆動した場合、第２の磁気歯車１０２の外周上のＮ極１０４と、もう一方の回転軸１０６に取り付けられた第１の磁気歯車１０１の外周上に千鳥状に配置された２つのＳ極１０８ａ、１０８ｂのうち、はじめのＳ極１０８ａとが吸引しあい、第２の磁気歯車１０２の回転によるＮ極１０４の移動に従って、第１の磁気歯車１０１に千鳥状配置された２つのＳ極より形成される角度によって次のＳ極１０８ｂとが吸引しあうことで第１の磁気歯車１０１が取り付けられた回転軸１０６が従動軸となって回転し、さらに駆動軸側に配置された次のＳ極１０５が、従動軸側の千鳥状配置された２つのＮ極１０７ａ、１０７ｂと吸引し合うことで連続的に回転する。しかし、上記の方式は、磁力の吸引及び、反発作用による磁気的な噛み合い部分は点による噛み合いとなっているため、駆動トルクが弱く又、伝達トルクの脈動も避けがたくスム−ズな動力伝達が出来ないなどの欠点を有している。又、略軸形に構成した駆動磁気車と、略円錐形または略正多角錐に構成された従動磁気車の軸心を直角もしくは斜めに交差した駆動装置が知られている（特許文献３参照。）。上記方式においても、駆動トルク不足や伝達トルクの脈動の問題は解決できていない。

特開平１１−５５９３２号公報 特開２００５−１１４１６２号公報 特許第２６４８５６５号公報

しかし、上記の方式は、磁力の吸引及び、反発作用による磁気的な噛み合い部分は点による噛み合いとなっているため、駆動トルクが弱く又、伝達トルクの脈動も避けがたくスム−ズな動力伝達が出来ないなどの欠点を有している。このような現状に鑑み、駆動トルクが強く、伝達トルクの脈動を抑えた非接触の動力伝達機構および動力伝達装置を提供することを課題とする。又、特許文献３では磁気的な噛み合い部分が線で構成された実施例も提案されているが、その構造から回転時の回転ムラ（脈動）は避けられず、又、駆動側と従動側が限定された使い方しかでない等の多大の課題を持っている。

上記課題の解決のため本発明では、動力を伝達する磁気歯車の一方を、円盤状の平面の一面に放射曲線状の永久磁石を配置した磁気円盤と、他方の磁気歯車を円筒状の外周面に螺旋状にスキュ−を持たせて着磁させた永久磁石円筒として構成した磁気円筒とを備え、該円筒の軸心が前記平面に略平行するように配置し、且つ非接触状態として、この動力伝達の伝達源となる磁気的噛み合い部分を線で且つ連続する噛み合いとしたことにより解決せんとするものである。
なお磁気円盤あるいは磁気円筒において、表面に表れる磁極を区画する曲線は幅を有してもよい。この場合、当該幅を有する曲線は面を形成することとなるが、この面は、磁極の切り替わり領域や、異なる極の磁石を配置する場合のギャップ領域等となる。また、磁気円盤においては、前記の幅は磁気円盤の径方向に一定の幅（磁気円盤中心から径方向に引いた直線が前記の幅を有する曲線に含まれる長さ、が角度によらず一定の長さとなる）であることが好ましい。磁気円盤と磁気円筒とが磁気的に噛合う部分における磁極の切り替わり領域の長さを回転角によらず一定にすることができるため、さらに安定した動力の伝達が可能となるためである。
磁気円盤において、磁極を区画する曲線を本発明の構成として、表面に表れる磁極形状を作製するためには、着磁により作製してもよいし、磁極を区画する曲線により囲まれる形状の磁石を作製してこれらを組み合わせて本発明の磁気円盤を作製してもよい。

本発明は、放射状の曲線形状に着磁した永久磁石を片面に有する磁気円盤と、外周面に螺旋状にスキュ−着磁して永久磁石を有する磁気円筒との非接触の磁気的な噛み合いによる動力の伝達としたことで、脈動のない極めてスム−スな動力伝達が可能となり、しかも、大きな伝達トルクも実現でき、振動や發塵を嫌う動力伝達装置に広く応用できる非接触の直交型動力伝達機構となった。又、磁気円筒を駆動して磁気円盤を従動にすることもできるし、逆に磁気円盤を駆動して磁気円筒を従動にすることもできるので、より応用分野の広い動力伝達機構となった。

図１は本発明による非接触式直交型動力伝達機構の第一の実施例で、（１）はその正面図、（２）は右側面図、（３）は斜視図を示す。
磁気円盤１の永久磁石盤１２の磁石面側に、所定の間隔ｇをあけて磁気円筒２が配置されている。磁気円筒２の軸線方向長さは、永久磁石盤１２の半径方向の幅とほぼ同長になっている。磁気円筒２はその軸線が永久磁石盤１２の磁石面（第１磁気面）にほぼ平行に配置されており、前記間隔ｇは軸線方向に同じ間隔を保っている。
磁気円盤１は磁性材からなるヨ−ク円盤１１と、その片面に固着させた前記永久磁石盤１２、及びその中央部の穴に圧入等で固定した回転軸１３から構成されている。尚、該永久磁石盤１２には例えば後述する方法にて放射曲線状の形状の磁気歯（磁性帯）を回転方向に対して極性が交互になるように適宜手段にて着磁してある。

一方、磁気伝達の片方を形成する磁気円筒２は、その中心部は例えば磁性材からなるヨ−ク筒２１と、該ヨ−ク筒２１の外周部に固着した永久磁石筒２２、及び該磁気円筒２の中心部の穴に例えば圧入等で固定した回転軸２３で構成されている。永久磁石筒２２は螺旋状の帯状にＮ極とＳ極を交互に着磁させた磁性帯を有し、これを第２磁気面としてある。

次に、前述した磁気円盤１、及び磁気円筒２を用いて構成した直交型磁気伝達機構について説明する。図１に示すように磁気円盤１の回転軸１３と、磁気円筒２の回転軸２３は、直交関係に配置して且つ、お互いの永久磁石の表面が特定の空隙を設けて構成した非接触式の直交型動力伝達機構を構成している。（尚、該磁気円盤１と磁気円筒２を固定する構造については特に図示せず）

次に、この回転の原理を図面に従って説明する。図２は、図１（１）を磁気円盤１の永久磁石盤１２と磁気円筒２の永久磁石筒２２が対向する面の磁気の極性を示したスケルトン図である。図において、永久磁石盤１２は中心から放射状の曲線形状をした磁気歯１２Ｎ、１２Ｓが交互に着磁してある。一方、斜線を施した磁気円筒２の磁気歯については、磁気歯２２ｎ、２２ｓ・・・が直線０−０′の交点と交点とにおける磁気歯長をａ、その間隔がｂとなるように螺旋角度（スキュ−角度）とピッチを設定して着磁している。次に該磁気円筒２の磁気歯と対向する磁気円盤１についても同様に中心ＯとＯ′とを結ぶ直線が該磁気円盤１の磁気歯１２Ｎ、１２Ｓ・・・と交わる点での磁気歯の線長は全て略ａ、その磁気歯間の隙間が略ｂと前記磁気円筒２のそれと合致するように磁気歯形状を設定している。但し、最内周及び、最外周の寸法はそれぞれａ、及びｂ、と同等以下の長さとなっている。

次いで該磁気円盤１を駆動側とし、磁気円筒２を従動側とした磁気円盤１の磁気歯形状作成方法の一例を図３に基づき説明する。尚、図３は前述した図２に準じて磁気歯を形成した磁気円盤１′である。図において、磁気円盤１′の中心Ｏを基準に水平線Ｌ１を、一例として１０°ずつ時計方向に回転して参考線を引いたものである。図において、中心ＯとＯ′の水平線Ｌ１上に前述の図２と同様に磁気円盤１′の内周より順次点ｍ１、外周側にａずらして点ｍ２、更に外周側にｂずらし点ｍ３、同様にａずらして点ｍ４、同じくｂずらして点ｍ５、更にａずらして点ｍ６、同じくｂずらして点ｍ７とこれら各点を記す。次に１０°時計方向に回転した参考線Ｌ２上に、上記Ｌ１上に記した点ｍ１、ｍ２・・・に対し、中心Ｏからの距離を外周側に所定の距離ｃだけ一様にずらし、前記点ｍ１、ｍ２、ｍ３・・・に対応する点をｎ１、ｎ２、ｎ３・・・と記す。更に上記参考線Ｌ２を磁気円盤１′の中心Ｏを中心に１０°時計方向に回転させ記した参考線Ｌ３の線上に前記点ｎ１、ｎ２、ｎ３・・・を記したと同様に、中心Ｏからの距離を点ｎ１、ｎ２、ｎ３・・・より所定の距離ｃだけ外周側にずらして記した点をｐ１、ｐ２、ｐ３・・・とする。これを繰り返して記した参考線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・上の点ｍ１、ｎ１、ｐ１・・・、点ｍ２、ｎ２、ｐ２・・・、及び点ｍ３、ｎ３、ｐ３・・・の各点間をそれぞれ曲線近似の手法を用いて繋いた曲線ｍ１−ｎ１−ｐ１−・、曲線ｍ２−ｎ２−ｐ２−・、及び曲線ｍ３−ｎ３−ｐ３−・が、前述した磁気円盤１の磁気歯１２ｎ、１２ｓの磁気歯外形曲線の基となる曲線である。
上記所定の距離ｃ（シフト量）は、極数と参考線Ｌの回転角度により決定される。例えば、磁気円筒が１８極、磁気円盤が１８極の場合、変速比は１：１となり、２０゜（３６０／１８）毎にシフト量ｃ（＝ａ＋ｂ）ずらした曲線となる。

尚、上述した参考線Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４・・・上の各点のシフト量ｃについてさらに説明を加える。図４（１）及び（２）は磁気円盤１′の中心付近を拡大した正面図である。図４（１）において、前述した参考線Ｌ１上の点ｍ１、ｍ２（ｍ１とｍ２との距離はａ）、又、中心Ｏを中心にして点ｍ１、点ｍ２を通る円の半径をそれぞれｒ１、ｒ２とする。該半径ｒ１とｒ２と中心Ｏを基準に前記参考線Ｌ１を１０°時計方向に回転した参考線Ｌ２との交点をｍ１′、ｍ２′とする。前述のシフト量ｃはｍ１′、ｍ２′を参考線Ｌ２上を外周に向かってｃだけ移動させたものでこれが前述した点ｎ１、ｎ２となる。これを示したものが図４（２）である。尚、本説明ではこの２点についてのみ説明を追加したが、ｎ３、ｎ４、ｎ５・・・も同様に作成し、更にｐ１、ｐ２、ｐ３・・・についても該手順にて作成したものである。

なお、図２では磁気円筒２と磁気円盤１の中心線（軸心）ＯとＯ′が垂直に交わる場合を説明したが、この配置関係が最も効率的に動力を伝達できる。しかし、これに限定されるものではなく、磁気円筒２の軸心Ｏ′が磁気円盤１の磁気面に平行であれば、他の位置であってもよい。
磁気円筒２を図２に示す位置以外の他の位置に設定する場合も、軸心Ｏ′に沿って磁気円筒２と磁気円盤１の磁気歯長ａと間隔ｂを合わせるように構成する。特に、外周側の磁気歯のトルクは大きいため、外周側においては磁気歯長ａと間隔ｂを合わせるように構成することが望ましい。

以上の説明したように上記方法にて形成した磁気歯からなる磁気円盤１（又は磁気円盤１′）と前記磁気円筒２にて構成した直交型磁気伝達機構は、例えば前記磁気円盤１を時計方向に回転させた時、磁気円盤１の回転角度と磁気円筒２の回転角度は常に一定の比率で回転するため、回転の脈動もなく滑らかな回転が可能となる。尚、磁気伝達機構における回転比は、磁気円盤１の磁気歯の数（極数）と磁気円筒２の外周一週分に有する極数の比で決定される。即ち、この極数を随時設定することで、直交型非接触伝達機構において、駆動側の回転数に対する従動側の回転比を１：１や、１：２のように適宜に設定も可能である。又、磁気円筒を駆動側にし、磁気円盤側を従動側にしても、同様に円滑に動力伝達することができる。さらに回転方向についても本説明では時計方向としたが、反時計方向でも同様の回転特性がえられることはいうまでも無い。尚、本説明で参考線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・の角度を１０°としたが、必要に応じてより適宜角度を用いてもよく、例えば１０°より小さい角度を用いて作成した場合はより精密な磁気歯曲線が得られる。以上述べたように、磁気円筒と磁気円盤が非接触で磁気的な噛み合いをすることを利用した駆動装置であるが、回転のどの部分においても同一の磁気的な噛み合いとなるように工夫していること及び磁気的噛み合いがより大きな面積で得られるように工夫した点に大きな特徴を有している。前者の特徴がスム−ズな駆動を生み、後者の特徴がより大きな駆動力を生んでいる。

図５と図６に磁気円盤１と磁気円筒２の極数を変えて、変速比を変えた場合の磁気歯長ａと間隔ｂの関係を示す。
図示のように極数を変えても、磁気円筒２と磁気円盤１の磁気歯長ａと間隔ｂを合わせるように構成することが可能である。

本案は、磁気円盤を放射曲線状に磁化することで、磁気円盤を駆動して磁気円筒を従動にもできるし、磁気円筒を駆動して磁気円盤を従動にもできるため、色々な伝達機構に応用ができる。
その応用例を図７に示した。（１）は、磁気円盤１に磁気円筒３と磁気円筒４を同軸上に２つ設けて、伝達トルクを大幅に強くした例を示した。（２）は、磁気円盤１を駆動して、２個の磁気円筒３を２つの軸で各々独立して従動する例を示した。更に（３）は、磁気円筒３を３個従動に配置した例を示した。（４）は磁気円筒３を駆動して磁気円盤１と、該磁気円盤１と磁気歯が面対象形を有する磁気円盤３１の２つの軸を従動にした他の応用例を示したもので（イ）はその側面図、（ロ）は斜視図を示す。又（５）は、軸で連結した２つの磁気円筒３を駆動して、２つの磁気円盤１を従動にした応用例である。このように、磁気円盤を放射曲線状に磁化することで、色々な伝達機構が可能になることが理解できる。

次に具体的な実施例を示す。
＜実施例１＞
円筒表面に極数p2本の磁極（磁性帯）を有する永久磁石円筒であって、円筒表面に現れる磁極が、θ2回った際に円筒軸心に沿って長さh進む螺旋曲線を３６０°／p2の間隔でp2本配置した曲線群により区画される永久磁石円筒と噛み合い、動力伝達機構を構成するための磁気円盤（極数p1）を作製するには、少なくとも内周半径r11から外周半径r12の範囲において、表面の磁極を区画する曲線を、（式１） r1＝（r12−r11）・（θ1／θ2）・（p1／p2）＋r11 （ただし、h＝r12−r11）を満たすr1およびθ1を満たす点をつなげていき、この曲線を３６０°／p1の間隔でp1本配置し、磁極を区画する領域がこれらの曲線群を含むように着磁あるいはそのような形状に加工した磁石を配置する等により得ることが可能である。この一例を図８と図１１に示す。この例の場合の伝達機構の回転比は１：１である。

＜実施例２＞
極数の比を変えることにより伝達機構の回転比を変える事が可能である。磁気円盤の極数と磁極を区画する曲線とを変えて、回転比を変える具体例を以下に示す。
極数が８本であり、円筒表面に現れる磁極を区画する曲線が、９０°回った際に円筒軸心に沿って長さh（r12−r11＝３０−８＝２２mm）進む螺旋形状である図１１に示す永久磁石円筒と噛み合い、動力伝達機構を構成するための磁気円盤（極数p1）の例を図８，図９、図１０に示す。
図８は、磁気円盤の極数を８極とした場合の例であり、この場合は、回転比は１：１である。なお、磁気円盤の磁極を区画する曲線は、式1において、r11＝８mm、r12＝３０mm、θ2＝９０°、p1＝p2＝８であり、磁極を区画する曲線は、
r1＝（３０−８）・（θ1／９０）・（８／８）＋８＝θ1・（２２／９０）＋８
で規定されている。
図９は、磁気円盤の極数を４極とした場合の例であり、この場合は、回転比が２：１の動力伝達機構を実現することが可能である。なお、磁気円盤の磁極を区画する曲線は、式1において、r11＝８mm、r12＝３０mm、θ2＝９０°、p1＝４、p2＝８であり、磁極を区画する曲線は、
r1＝（３０−８）・（θ1／９０）・（４／８）＋８＝θ1・（１１／９０）＋８
で規定されている。
図１０は、磁気円盤の極数を１６極とした場合の例であり、この場合は、回転比が１：２の動力伝達機構を実現することが可能である。なお、磁気円盤の磁極を区画する曲線は、式1において、r11＝８mm、r12＝３０mm、θ2＝９０°、p1＝１６、p2＝８であり、磁極を区画する曲線は、
r1＝（３０−８）・（θ1／９０）・（１６／８）＋８＝θ1・（４４／９０）＋８
で規定されている。

＜実施例３＞
次に永久磁石円盤の極数と磁極を区画する螺旋曲線とを変えて、回転比を変える具体例を以下に示す。
図８は、前出の例と同様であり、磁気円盤の極数がp1＝８極、内周半径r11＝８mm、外周半径r12＝３０mm、θ2＝９０°、p1＝p2＝８とした場合の例であり、磁極を区画する曲線は、
r1＝（３０−８）・（θ1／９０）・（８／８）＋８＝θ1・（２２／９０）＋８
で規定されている。
永久磁石円筒は、図１１に示すように極数が８であり、円筒表面に現れる磁極を区画する曲線が、９０°回った際に円筒軸心に沿って長さh（＝r12−r11＝３０−８＝２２mm）進む螺旋形状である永久磁石円筒である。この場合は、回転比は１：１の動力伝達機構を実現することが可能である。
上記と同じ磁気円盤を使用し、図１２に示す永久磁石円筒の極数を４極とし円筒表面に現れる磁極を区画する曲線が、１８０°回った際に円筒軸心に沿って長さh（２２mm）進む螺旋形状である永久磁石円筒である場合の例であり、この場合は、回転比が１：２の動力伝達機構を実現することが可能である。
上記と同じ磁気円盤を使用し、図１３に示す永久磁石円筒の極数を１６極とし円筒表面に現れる磁極を区画する曲線が、４５°回った際に円筒軸心に沿って長さh（２２mm）進む螺旋形状である永久磁石円筒である場合の例であり、この場合は、回転比が２：１の動力伝達機構を実現することが可能である。

本発明の第一の実施例による非接触式直交型動力伝達機構の（１）は正面図、（２）は側面図、（３）は斜視図である。 磁気的噛み合いを示すスケルトン図である。 本実施例に基づく磁気円盤の磁気歯作成方法を説明するためのスケルトン図である。 （１）、（２）は本実施例に基づく磁気円盤の中心部を拡大した正面図である。 磁気円筒が８極、磁気円盤が４極、８極、１６極の場合の、該磁気円筒と磁気円盤の磁気歯長ａと間隔ｂの関係を示す説明図である。 磁気円筒が８極、磁気円盤が４極、８極、１６極の場合の、該磁気円筒と磁気円盤の磁気歯長ａと間隔ｂの関係を示す説明図である。 （１）〜（５）は本発明の種々の応用例を示した正面図、側面図、及び斜視図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 従来の非接触式動力伝達機構の構成図である。

符号の説明

１、１′ 磁気円盤
１１ ヨ−ク円盤
１２、１２′ 永久磁石筒
１２ｓ、１２ｓ′ 磁気歯
１２ｎ、１２ｎ′ 磁気歯
１３ 回転軸
２ 磁気円筒
２１ ヨ−ク筒
２２ 永久磁石筒
２２ｓ 磁気歯
２２ｎ 磁気歯
２３ 回転軸
３、４ 磁気円筒
３１ 磁気円盤
１０１ 第１の磁気歯車
１０２ 第２磁気式歯車
１０３、１０６ 回転軸
１０４、１０４ 第２の磁気歯車の磁石
１０７ａ、１０７ｂ、１０８ａ、１０８ｂ 第２の磁気歯車の磁石

Claims (9)

1. 自身の円筒軸心回りに回転し、かつ円筒表面に極数 p2 本の磁性帯を有した磁気円筒であって、円筒表面に現れる磁性帯が、θ 2 回転した際に円筒軸心に沿って長さ h 進む螺旋曲線を３６０°／ p2 の間隔で配置した曲線群により区画される磁気円筒と、
   自身の円盤軸心回りに回転し、かつ円盤軸心に直交する円盤表面に極数 p1 本の磁性帯を有した磁気円盤であって、内周半径 r11 から外周半径 r12 の範囲において円盤表面に現れる磁性帯が、（式１）で表される r1 およびθ 1 を満たす放射状曲線を３６０°／ p1 の間隔で配置した曲線群により区画される磁気円盤と
   を備え、円筒軸心と円盤軸心とが互いに略直交状態となり、かつ円筒表面と円盤表面とが所定の間隔を確保して対向するように磁気円筒と磁気円盤とを配置したことを特徴とする動力伝達機構。
   （式１）
   r1 ＝（ r12 − r11 ）・（θ 1 ／θ 2 ）・（ p1 ／ p2 ）＋ r11 （ただし、 h ＝ r12 − r11 ）
2. 前記磁気円筒の円筒表面に現れる磁性帯と前記磁気円盤の円盤表面に現れる磁性帯とは、前記円筒軸心に沿った位置と幅がほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
3. 前記円筒軸心と前記円盤軸心とが垂直に交わるように、前記磁気円盤と前記磁気円筒とを配置したことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
4. 前記磁気円筒と前記磁気円盤とは、磁性帯の数が同一であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
5. 前記磁気円筒と前記磁気円盤とは、磁性帯の数が整数比であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
6. 単一の磁気円筒に対して複数の磁気円盤を配置したことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
7. 単一の磁気円盤に対して複数の磁気円筒を配置したことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
8. 複数の磁気円盤に対して複数の磁気円筒を配置したことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
9. 複数の磁気円筒が同一の軸上に装着されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の動力伝達機構。

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