(57)【要約】【課題】  軽量であり、高い精度で駆動力を制御することができるアクチュエータを提供する。【解決手段】  コイル保持体２２０は、軸方向に貫通した中空領域を有し、平面部を有するコイル２２５、２２６を保持する。外側ヨーク２１１、２１２は、コイル２２５、２２６の平面部と対向する平面部を有する。内側ヨーク２１５は、コイル２２５、２２６の中空領域を貫通する。永久磁石２３１〜２３４は、内側ヨーク２１５に磁極を対向させて外側ヨーク２１１、２１２に固定され、コイル２２５または２２６、内側ヨーク２１５、外側ヨーク２１１または２１２を含む磁路を通過する磁束を発生する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル配線が平面部をなし、軸方向に貫通する中空領域を有するコイルと、
前記コイルの平面部と対向する外側ヨークと、
前記コイルの中空領域を貫通し、前記コイルの平面部と対向する内側ヨークと、
前記内側ヨークに磁極を対向させて前記外側ヨークに固定され、前記コイル、前記内側ヨークおよび前記外側ヨークを含む磁路を通過する磁束を発生する平板状の永久磁石と
を具備することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記外側ヨークとして、各々の間に前記コイルを挟む２個の外側ヨークを具備し、
前記永久磁石として、前記内側ヨークを挟んで同一極性の磁極を互いに対向させ、前記２個の外側ヨークに各々固定された２個の永久磁石からなる永久磁石対を具備することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記軸方向に沿って離間した複数のコイルを有し、
前記２個の外側ヨークに前記複数のコイルに対応した間隔で前記永久磁石対が複数対固定されてなることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記永久磁石の軸方向の長さと前記コイルの軸方向の長さが異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボット技術に係り、特にロボットの可動部を駆動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットやパワーアシスト装置等に関連した各種の分野において、可動部を駆動するための手段として、高精度な位置制御が可能な各種のアクチュエータが利用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−６３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、楽器演奏をロボットに行わせるのに適したアクチュエータは未だ提供されていない。その理由は次の通りである。
【０００５】
まず、楽器演奏は音を出すのが目的であるので、それに使用するアクチュエータは、それ自身の動作音が極めて小さい必要がある。この条件があるため、楽器演奏に使用可能なアクチュエータの範囲がかなり絞られる。
【０００６】
また、人間らしい楽器演奏を行わせるためには、感度よく駆動力の制御を行うことが可能であり、かつ、脱力の制御も可能なアクチュエータが必要になる。例えば「太鼓をたたく」という動作の場合、実際に人間が太鼓をたたいている映像からバチの先端の軌跡を分析し、その動作をロボットアームで再現することはかなりの精度で可能であると考えられる。
【０００７】
しかし、そのようなバチの先端の位置制御を行うだけでは、人間が太鼓を叩いたような音には響かない。何故ならば、バチの軌跡は、すべてが人間の意思で動いているのではなく多くの部分が太鼓側のリアクションによって作られているためである。バチの軌跡の最初の部分は、人間の意思で太鼓の皮に向かって力を込めてバチに速度エネルギーを与えることにより形成される。このとき筋肉は硬直した固いばねのような状態となる。このままの状態をバチが皮にあたるまでバチを振り続けると、音は出るものの、バチを皮に押し付けた状態になるので、皮の自由振動を妨げられる。このため、バチによる打撃音がミュートされ、太鼓特有の音の余韻が得られない。ロボットアームによる打撃もこれに近い状態になると考えられる。
【０００８】
実際の演奏では、バチに力を与えて加速したあと、皮にあたる直前に筋肉の力を抜く（脱力する）ことで、バチに運動エネルギーを与え、バチの先端を皮にぶつける。そうすることでバチの質量と皮のバネ性との間で連成共振を起こさせ、バチの運動エネルギーを効率よく皮の振動エネルギーに変えて音を発生させる。その後、演奏者は、バチが皮の反発力で跳ね返されたタイミングに合わせて筋肉に力を入れてバチを受け止める。この一連の動作の中で、人間の筋肉の力が関与しているのは最初の加速時と最後の静止時となる。音が出るタイミングの前後は、基本的に完全に脱力しているため、バチの動きはバチと太鼓の皮で決定されており、良い音を出すには筋肉がこの動きを妨げないようにすることが重要である。
【０００９】
このような脱力の制御をアクチュエータに行わせるためには、アクチュエータは、駆動（通電）していないときに無負荷（無抵抗）な状態とならなければならない。ここで、磁界中に置かれた導体のローレンツ力を利用する動電タイプのアクチュエータは、常時掛かる引力がなく、制動状態をコントロールすることができる。従って、この種のアクチュエータは、楽器演奏用のアクチュエータとして検討する余地がある。
【００１０】
この動電タイプのアクチュエータは、スピーカに使用されている。ここで、スピーカは、最終的に空気を振動させるものである。従って、スピーカにおいては、振動系（ムービング・コイル）の軽量化が最重要ファクタである。従って、スピーカでは、巨大な磁気回路と軽量なムービング・コイルとを組み合わせて大きな駆動力を得ることが多い。
【００１１】
しかしながら、ロボットには多数の筋肉を内蔵させる必要があり、それぞれの筋肉にスピーカのような巨大な磁気回路を持たせることはできない。また、スピーカのボイスコイルは円筒形である。このような円筒形のボイスコイルは、大きな変換効率が得られる点において有利である。しかし、ボイスコイルが円筒形であると、磁気ギャップもそれに合わせて円筒形にする必要があり、それには磁路形成のために鉄などの磁性体を多く使うことになる。このため、スピーカの磁気回路は非常に重いものになる。このため、スピーカに用いられている動電タイプのアクチュエータは、楽器演奏を行うロボット用のアクチュエータとして適切なものではなかった。
【００１２】
この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、軽量であり、高い精度で駆動力を制御することができるアクチュエータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、コイル配線が平面部をなし、軸方向に貫通する中空領域を有するコイルと、前記コイルの平面部と対向する外側ヨークと、前記コイルの中空領域を貫通し、前記コイルの平面部と対向する内側ヨークと、前記内側ヨークに磁極を対向させて前記外側ヨークに固定され、前記コイル、前記内側ヨークおよび前記外側ヨークを含む磁路を通過する磁束を発生する平板状の永久磁石とを具備することを特徴とするアクチュエータを提供する。
【００１４】
この発明によれば、永久磁石の磁極と対向している平面部のコイル配線の電流がコイルに対する駆動力の発生に寄与する。従って、少ない磁性材料により構成される外側ヨーク、内側ヨークを用いて、軽量であり、高い精度で駆動力を制御することができるアクチュエータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の第１実施形態によるアクチュエータを適用したロボットアームの構成を示す図である。
【図２】同アクチュエータの組み立て図である。
【図３】同アクチュエータの側面図である。
【図４】同アクチュエータの平面図である。
【図５】この発明の第２実施形態によるアクチュエータの組み立て図である。
【図６】同アクチュエータの側面図である。
【図７】同アクチュエータの平面図である。
【図８】同アクチュエータのコイル保持部の側面図である。
【図９】同コイル保持部の平面図である。
【図１０】この発明の他の実施形態によるアクチュエータの側面図である。
【図１１】同アクチュエータの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態によるアクチュエータ２００の適用例であるロボットアーム３００を示す図である。このロボットアーム３００は、ドラム演奏に用いられる。図１に示すように、ロボットアーム３００は、上腕部３０１と、下腕部３０２とを有する。ここで、下腕部３０２の先端にはドラムスティック３０４が固定されている。上腕部３０１の先端には、関節３０３が設けられている。この関節３０３は、下腕部３０２のドラムスティック３０４と反対側の端部の近傍部分を貫通する軸（図示略）を備えている。下腕部３０２は、この関節３０３を支点として回動可能である。
【００１８】
本実施形態によるアクチュエータ２００は、上腕部３０１の下面に固定されている。下腕部３０２のドラムスティック３０４と反対側の端部は、連結棒２９９を介して、このアクチュエータ２００のコイル保持体（図１では図示略）に連結されている。
【００１９】
図２は本実施形態によるアクチュエータ２００の組み立て図、図３は同アクチュエータ２００を図１の紙面垂直方向から見た側面図、図４は同アクチュエータ２００を図１の左斜め下方から見た平面図である。なお、以下では、説明の便宜のため、「軸方向」という言葉を用いるが、この「軸方向」は図３および図４における左右方向を意味する。
【００２０】
図２〜図４に示すように、アクチュエータ２００は、筐体部２１０と、コイル保持体２２０とを有する。筐体部２１０は、上下の壁をなす外側ヨーク２１１および２１２と、前後の壁をなす外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂとにより囲まれ、側方が吹き抜け状態の略直方体の筐体である。ここで、外側ヨーク２１１、２１２、２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂは、各々矩形平板状の磁性体により構成されている。なお、図２では、図面が煩雑になるのを防ぐため、外側ヨーク２１４ａ、２１４ｂの図示が省略されている。
【００２１】
外側ヨーク２１１および２１２は、互いに平行であり、所定間隔を空けて対向した平面部を各々有している。この外側ヨーク２１１および２１２の平面部間の空間の中央に矩形平板状の磁性体からなる内側ヨーク２１５が位置している。この内側ヨーク２１５は、外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂの外側から外側ヨーク２１３ａおよび２１３ｂ間の隙間を貫通し、外側ヨーク２１４ａおよび２１４ｂ間の隙間に至っており、この内側ヨーク２１５は、その表裏２面の各平面部を外側ヨーク２１１および２１２の各平面部に対向させている。外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂから突出した内側ヨーク２１５の端部は、図示しないボルト等の固定手段により図１の上腕部３０１に固定される。
【００２２】
コイル保持体２２０は、２本の平行な棒部２２２ａおよび２２２ｂと、コイル２２５および２２６と、橋絡部２２３とを有する。ここで、コイル２２５および２２６は、各々直方体形状の空芯のコイルであり、軸方向に貫通する直方体形状の中空領域を内包している。このコイル２２５および２２６は、軸方向に所定間隔を空けて棒部２２２ａおよび２２２ｂ間に固定されている。そして、内側ヨーク２１５は、このコイル保持体２２０のコイル２２５および２２６内の中空領域を貫通している。コイル保持体２２０は、この内側ヨーク２１５に沿って軸方向に移動可能である。また、橋絡部２２３は、棒部２２２ａおよび２２２ｂの先端間に固定されており、図１の連結棒２９９の端部に連結される。
【００２３】
コイル２２５および２２６において、外側ヨーク２１１に面した側には、外側ヨーク２１１に平行なコイル配線の束からなる平面部がある。また、コイル２２５および２２６において、外側ヨーク２１２に面した側にも、外側ヨーク２１２に平行なコイル配線の束からなる平面部がある。
【００２４】
図２〜図４に示すように、アクチュエータ２００は、８個の平板状の永久磁石２３１〜２３８を有する。ここで、永久磁石２３１および２３３は、軸方向に間隔を空け、磁極面を内側ヨーク２１５に対向させて外側ヨーク２１１に固定されている。また、永久磁石２３２および２３４は、軸方向に間隔を空け、磁極面を内側ヨーク２１５に対向させて外側ヨーク２１２に固定されている。また、永久磁石２３５および２３７は、軸方向に間隔を空け、外側ヨーク２１１に磁極面を対向させて内側ヨーク２１５に固定されている。また、永久磁石２３６および２３８は、軸方向に間隔を空け、磁極面を外側ヨーク２１２に対向させて内側ヨーク２１５に固定されている。
【００２５】
図３および図４に示すように、永久磁石２３１および２３３の中心間の間隔、永久磁石２３２および２３４の中心間の間隔、永久磁石２３５および２３７の中心間の間隔、永久磁石２３６および２３８の中心間の間隔は、コイル２２５および２２６の中心間の間隔と等しい。また、永久磁石２３１〜２３８の軸方向の長さＬ１および磁極表面積は互いに等しく、コイル２２５および２２６の軸方向の長さＬ２および巻回数も互いに等しい。そして、本実施形態では、永久磁石２３１〜２３８の軸方向の長さＬ１は、コイル２２５および２２６の軸方向の長さＬ２よりも長い。
【００２６】
また、永久磁石２３１〜２３４の各磁極の関係は次のようになっている。図３において、永久磁石２３１は上がＳ極、下がＮ極、永久磁石２３５は、上がＳ極、下がＮ極、永久磁石２３６は上がＮ極、下がＳ極、永久磁石２３２は、上がＮ極、下がＳ極である。また、永久磁石２３３は上がＮ極、下がＳ極、永久磁石２３７は、上がＮ極、下がＳ極、永久磁石２３８は上がＳ極、下がＮ極、永久磁石２３４は、上がＳ極、下がＮ極である。このように本実施形態では、軸方向の位置が同じである永久磁石に着目した場合、内側ヨーク２１５の外側ヨーク２１１側と外側ヨーク２１２側とで永久磁石の磁極の向きが逆向きになっており、内側ヨーク２１５の一方の側（例えば外側ヨーク２１１側）に着目した場合、軸方向に隣り合う永久磁石の磁極の向きが逆向きになっている。このため、アクチュエータ２００では、次の６つの異なった磁路Ｍ１〜Ｍ６を各々通過する磁束流が発生する。
第１の磁路Ｍ１：永久磁石２３１→永久磁石２３５→内側ヨーク２１５→外側ヨーク２１３ａ→外側ヨーク２１１→永久磁石２３１という磁路
第２の磁路Ｍ２：永久磁石２３２→永久磁石２３６→内側ヨーク２１５→外側ヨーク２１３ｂ→外側ヨーク２１２→永久磁石２３２という磁路
第３の磁路Ｍ３：永久磁石２３１→永久磁石２３５→内側ヨーク２１５→永久磁石２３７→永久磁石２３３→外側ヨーク２１１→永久磁石２３１という磁路
第４の磁路Ｍ４：永久磁石２３２→永久磁石２３６→内側ヨーク２１５→永久磁石２３８→永久磁石２３４→外側ヨーク２１１→永久磁石２３２という磁路
第５の磁路Ｍ５：永久磁石２３３→外側ヨーク２１１→外側ヨーク２１４ａ→内側ヨーク２１５→永久磁石２３７→永久磁石２３３という磁路
第６の磁路Ｍ６：永久磁石２３４→外側ヨーク２１２→外側ヨーク２１４ｂ→内側ヨーク２１５→永久磁石２３８→永久磁石２３４という磁路
以上が本実施形態の構成である。
【００２７】
本実施形態では、互いに逆向きの電流をコイル２２５および２２６に流すことにより、コイル保持体２２０に軸方向の力を発生させ、コイル保持体２２０を内側ヨーク２１５に沿って並進運動させることが可能である。コイル２２５および２２６に電流を流さない状態では、コイル２２５および２２６に駆動力は発生せず、脱力状態となる。
【００２８】
そして、本実施形態によれば、平板状の永久磁石２３１〜２３８により、平板状の外側ヨーク２１１および２１２の各々と、平板状の内側ヨーク２１５との各間に平等磁界を発生させ、この磁界中に直方体形状のコイル２２５および２２６を配置したので、軽量で高い駆動力の得られるアクチュエータ２００を実現することができる。
【００２９】
仮に既存のスピーカ用のアクチュエータのようにコイル２２５および２２６を円筒形にしたとすると、それに合わせて、外側ヨーク、内側ヨークおよび永久磁石からなる磁気回路を円筒形状にする必要があり、そのためには重量の大きな磁性材料が必要になる。
【００３０】
しかしながら、本実施形態では、上述のように直方体形状のコイル２２５および２２６を採用したため、磁気回路を構成する永久磁石２３１〜２３８、外側ヨーク２１１および２１２、内側ヨーク２１５を全て平板状とすることができ、少ない磁性材料により軽量のアクチュエータ２００を実現することができる。
【００３１】
また、本実施形態におけるコイル２２５および２２６は、図２〜図４に示すように外側ヨーク２１１および２１２と対向する上下の平面部を有する扁平な直方体形状をなしている。このため、磁路Ｍ１〜Ｍ６を通過する磁束と直交し、駆動力の発生に寄与する平面部のコイル巻線の総巻線長が、平面部に垂直な側面部のコイル巻線の総巻線長よりも長く、高い駆動力を発生することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、永久磁石２３１〜２３８の軸方向の長さＬ１が、コイル２２５および２２６の軸方向の長さＬ２よりも長い。従って、コイル２２５（２２６）を軸方向に移動させた場合において、コイル２２５（２２６）と永久磁石２３１、２３５、２３２、２３６（２３３、２３７、２３８、２３４）との重複領域の面積が同一となる範囲において、コイル保持体２２０のコイルに流す電流とコイル保持体２２０に働く力との関係をリニアに保つことができる。
【００３３】
また、本実施形態では、図３に示すように、アクチュエータ２００の筐体部２１０を軸方向に３分割した各区間のうち図中左側の区間に磁路Ｍ１およびＭ２を、真中の区間に磁路Ｍ３およびＭ４を、右側の区間に磁路Ｍ５およびＭ６を生じさせるため、磁路Ｍ１〜Ｍ６の各磁路長を短くすることができる。従って、各磁路Ｍ１〜Ｍ６の磁気抵抗を下げるために各磁路Ｍ１〜Ｍ６の断面積を大きくする必要がない。従って、本実施形態では、この意味においても、磁性材料を少なくしてアクチュエータ２００を軽量化することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、軸方向に並んだ２個のコイル２２５および２２６によりコイル保持体２２０に対する駆動力を発生するので、高い駆動力を得ることができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、軽量であり、かつ、高い駆動力が得られ、脱力の制御が可能なアクチュエータ２００を実現することができる。従って、このアクチュエータ２００により楽器演奏が可能なロボットを実現することができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
図５はこの発明の第２実施形態によるアクチュエータ２００Ａの組み立て図、図６は同アクチュエータ２００Ａの側面図、図７は同アクチュエータ２００Ａの平面図である。
【００３７】
本実施形態は、次の点において上記第１実施形態（図２〜図４）と異なる。まず、本実施形態では、内側ヨーク２１５に永久磁石２３５〜２３８が固定されていない。また、本実施形態では、上記第１実施形態のコイル保持体２２０がコイル保持体２２０Ａに置き換えられている。
【００３８】
コイル保持体２２０Ａは、長手方向に貫通する中空領域を内包した直方体形状の本体２２１と、この本体２２１の長手方向一端の幅方向両端の２箇所から長手方向に突き出した２本の棒部２２２ａ’および２２２ｂ’と、この棒部２２２ａ’および２２２ｂ’の端部間に挟まれた橋絡部２２３とを有する。上記第１実施形態と同様、橋絡部２２３は、図１の連結棒２９９の端部に連結される。また、本体２２１の長手方向両端付近の各領域にはコイル２２５’および２２６’が巻回されている。内側ヨーク２１５は、この本体２２１内の中空領域を貫通している。本体２２１は、この内側ヨーク２１５に沿って長手方向に移動可能である。
【００３９】
図８はコイルが巻回されていない状態のコイル保持体２２０Ａを示す側面図、図９は同コイル保持体２２０Ａの平面図である。図示のようにコイル保持体２２０Ａの本体２２１の長手方向両端には、本体２２１の中心軸廻りに１周する凹部２２７および２２８が形成されている。この凹部２２７および２２８に図５〜図７のコイル２２５’および２２６’が巻回される。他の点は上記第１実施形態と同様である。
以上が本実施形態の構成である。
【００４０】
本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態によれば、永久磁石２３５〜２３８がないため、コイル２２５’および２２６’の平面部間の厚みを減らし、駆動力の発生に寄与しないコイル２２５’および２２６’の側面の面積を減らすことができる。また、本実施形態によれば、永久磁石２３５〜２３８がないため、外側ヨーク２１１および２１２と内側ヨーク２１５との間の距離を短くすることができる。従って、上記第１実施形態よりも薄型軽量であり、かつ、高い駆動力の得られるアクチュエータを実現することができる。
【００４１】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の第１および第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００４２】
（１）図１０はこの発明の他の実施形態であるアクチュエータ２００Ｂの側面図、図１１は同アクチュエータ２００Ｂの平面図である。上記第１および第２実施形態では、永久磁石の軸方向の長さＬ１をコイルの軸方向の長さＬ２よりも長くした。これに対し、本実施形態は、上記第２実施形態を変形したものであり、コイルの軸方向の長さＬ２を永久磁石の軸方向の長さＬ１をよりも長くしている。本実施形態においても、上記第１および第２実施形態と同様、永久磁石とコイルとの重複領域の面積が同一となる軸方向の範囲において、良好なリニアリティを得ることができる。
【００４３】
（２）上記各実施形態では、永久磁石およびコイルの組を軸方向に沿って２組配置したが、永久磁石およびコイルの組を１組あるいは３組以上配置してもよい。
【００４４】
（３）上記各実施形態では、内側ヨーク２１５を挟んで永久磁石の対、外側ヨークの対を配置したが、内側ヨーク２１５の片側に永久磁石および外側ヨークを配置してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
２００，２００Ａ，２００Ｂ……アクチュエータ、２１０……筐体、２１１，２１２，２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ……外側ヨーク、２１５……内側ヨーク、２３１〜２３８……永久磁石、２２２ａ，２２２ｂ，２２２ａ’、２２２ｂ……棒部、２２５，２２６，２２５’，２２６’……コイル、２２３……橋絡部、Ｍ１〜Ｍ６……磁路、２２１……本体、２２７，２２８……凹部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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