(57)【要約】      （修正有）【課題】直径方向に着磁したマグネットの外周に巻線を施した構造のソレノイドアクチュエータを大口径のマグネット用いる事でトルクを制御出来る高トルクソレノイドアクチュエータを実現し、装着型パワーアシストや作業ロボット等に用いて好適なるソレノイドアクチュエータと制御回路を提供する。【解決手段】装着者の大腿部に固定する大腿固定座７、大腿固定座に固定された本発明のソレノイドアクチュエータの本体８、ソレノイドアクチュエータの回転軸９、ソレノイドアクチュエータの回転軸に固着され、装着者の下腿部に固定する下腿固定座１０で、ある。ソレノイドアクチュエータの回転トルクにより、大腿部と下腿部の屈伸をアシストする。【選択図】図２
2019212851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径方向に着磁された円形のローターを囲むように巻かれた駆動コイルの磁界により回転運動をするソレノイドアクチュエータであって、前記ローターの直径が、少なくとも30mm以上の直径を有し、且つ、前記ローターは2分割以上に分割されて、着磁されており、前記分割されたローターは、互いに吸着し、一つの円形ローターを形成し、直流又は脈流の制御電圧で回転運動させる事を特徴とした、ソレノイドアクチュエータ。
【請求項２】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータであって、互いに吸着し、円形を成すローターの中心部の軸穴を四角形とし、前記ローターの回転と軸との滑りを防止する事を特徴とした、ソレノイドアクチュエータ。
【請求項３】
請求項2に記載するソレノイドアクチュエータであって、互いに吸着し、円形を成すローターの中心部の軸穴を着磁方向に対し直角に長四角形にする事で前記ローターと軸との滑りを防止する事を特徴とした、ソレノイドアクチュエータ。            
【請求項４】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータであって、互いに吸着し、円形を成すローターの中心部の軸穴を丸穴とし、分割され直径方向に着磁され、吸着により円形を成すローターの双方の吸着面に溝を形成し、前記溝に対応した形状の棒を軸に貫通させる事で、丸穴であっても軸の滑りを防止する事を特徴とした、ソレノイドアクチュエータ。
【請求項５】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータであって、ローターを囲むように巻く巻線用筐体に巻線溝を設ける事で円形を成す外筐体の巻線を滑り無く容易に巻く事が出来る構造にしたソレノイドアクチュエータ。
【請求項６】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータであって、請求項5に記載する円形をなす巻線用筐体を直径方向に分割し、巻線を施した後にローターと組み合わせる構造にする事で、巻線用筐体のみで巻線を容易に行える事を特徴としたソレノイドアクチュエータ。
【請求項７】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータであって、巻線を複数に分割する事により、低電圧で大電流を流す事を特徴としたソレノイドアクチュエータ。
【請求項８】
請求項1に記載するソレノイドアクチュエータを駆動力として使用する装着型パワーアシスト、及びロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は  直径方向に着磁された円形のローターを囲むように巻かれた駆動コイルの磁界により回転運動をするソレノイドアクチュエータであって、前記ソレノイドアクチュエータのローターは180度以内の回転角で高トルクにて回転し、且つ、そのトルクは直流又は脈流で制御する事ができ、装着型パワーアシストや作業ロボット等の関節部に使用して好適なソレノイドアクチュエータとその駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学フィルター、絞り機構等では一般的に低トルクのガルバノ方式の小型モーターやパルスモーターが使用されている。一方、産業用としては比較的高トルクを必要とする為、ロボットや装着型パワーアシスト装置等の分野では電動方式として、パルスモーターやDCモーターを使用した、ギヤードモーターが使用されている。特に装着型パワーアシスト装置等では数Kgf・cm位のトルクを必要とする為、その動力伝達機構として比較的高い減速比を持つギヤー機構が使用されている。
【０００３】
ここで、従来の高トルクを必要とする膝、腕等のパワーアシスト装置の一例として、電動方式の装着型膝パワーアシスト装置の模式図を図１に示し、その基本動作を説明する。図１の1は装着者の大腿部に固定する大腿固定座、2は前記大腿固定座と一体となった動力伝達機構の固定ギヤーで、前記固定ギヤー2は前記大腿固定座に固定されており、3は前記大腿固定座1と下腿固定座4との回転軸となる軸で、装着者の下腿部に固定する前記下腿固定座4には駆動モーター5が固定されている。6は前記駆動モーターの回転軸に固着されているモーターギヤー。前記大腿固定座1と前記下腿固定座4とは前記軸3で回転機構を形成しており、前記下腿固定座4に固定されている前記駆動モーター5の回転により、前記モーターギヤー6から前記固定ギヤー2に動力伝達され、前記大腿固定座1と前記下腿固定座4とで屈伸動作が行われる事になる。この際、前記固定ギヤー2と前記モーターギヤー6との比が大きいほど、前記駆動モーター5の回転トルクを増す事が出来る。
【０００４】
しかし、図1は基本的な模式図であって、実際には大腿部と下腿部の屈伸をアシストするには、アシスト部分（動力伝達部）の機構及び制御システムには多くの工夫を必要とする。その理由はパワーアシスト装置がアシストするトルクに対し、大腿部と下腿部の屈伸力（トルク）が勝ることである。つまり、大腿部と下腿部の屈伸が始まり、それに応じてアシストが始まり、その途中で大腿部と下腿部の屈伸が停止した場合を想定すると、図1  
の基本構造では以下の問題が生じると考えられる。その1は動力伝達機構（モーターギヤーと固定ギヤー）で、前記動力伝達機構部には大腿部と下腿部からの停止負荷が掛かり、                  
駆動モーターには回転を妨げる停止トルクが外部から掛かる状態になる。しかし、駆動モーターは回転を継続しようとする為、前記動力伝達機構部はこの様な状態となっても破損しないような堅牢な設計が必要となる。その2は駆動モーターで大腿部と下腿部からの停止負荷で回転を強制的に止められる事に因る、発熱、破損である。その3は前記駆動モーターが強制的停止させられた時のモーター破損防止とアシストトルクの維持の為の検出及び動力伝達システムの構築である。以上の理由により、現状では大腿部と下腿部の動きをセンサーで検出し、その情報を元にクラッチ等により、駆動モーターと前記動力伝達機構部を切り離し、アシストトルクを維持する為に前記動力伝達機構に制動機構を設ける等の複雑なシステムが採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平7-163607号公報
【特許文献２】特開2013-70780号公報
【特許文献３】特開2013-70781号公報
【特許文献４】特開2013-208290号公報
【特許文献５】特開2014-68869号公報
【特許文献６】公告  WO2011/145643
【特許文献７】特願2016-127614
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上述べた如く、従来のパワーアシスト装置は180度程度の回転角しか必要としないアシストシステムに対し、多回転を目的としたDCモーターやパルスモーターを使用し、高トルクを得ようとするが為に、減速ギヤー機構を設け、堅牢で複雑な機構と制御システムを必要とする課題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記の課題に鑑み、回転角180度程度で、且つトルク制御が可能な高トルクソレノイドアクチュエータを提供すると共にその制御システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はこの課題を解決するため、ソレノイドアクチュエータに制御電圧に対応した直流又は脈流の電圧を印加し、前記ソレノイドアクチュエータの巻線に電流を流す事で、所
定の回転トルクを得ようとするもので、その回転角は180度に留まり、また、前記所定のトルク以上の負荷が発生した場合に於いても、流す電流を流し続ける事により、回転トルクを維持し続ける事を特徴とする高トルクのソレノイドアクチュエータを基本としたパワーアシストのシステムであって、前記ソレノイドアクチュエータが提供するアシストトルクを上回る負荷を許容しなければならない装着型パワーアシスト装置やロボットアーム等に於いて好適なるソレノイドアクチュエータと制御回路である。
【０００９】
図２に本発明のソレノイドアクチュエータを使用した場合の装着型パワーアシスト装置の模式図を図３に前記装着型パワーアシスト装置に使用する本発明のソレノイドアクチュエータの模式図を図４にその制御回路を示し、以下、図面に基づき、本発明のソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置と、それに使用する高トルクソレノイドアクチュエータ及び制御回路に関し説明をする。
【００１０】
図２に示すのは本発明のソレノイドアクチュエータを使用した場合の装着型パワーアシスト装置の模式図で、7は装着者の大腿部に固定する大腿固定座、8は前記大腿固定座に固定された本発明のソレノイドアクチュエータの本体、9は本発明のソレノイドアクチュエータの回転軸、10は本発明のソレノイドアクチュエータの回転軸に固着され、装着者の下腿部に固定する下腿固定座で、前記ソレノイドアクチュエータの回転トルクにより、大腿部と下腿部の屈伸をアシストする極めて簡単な構造となっている。
【００１１】
図３に示すのは本発明の２極構造のソレノイドアクチュエータで、11a,11bは円形のローターで、直径方向に各々N,Sの磁極を持つ複数の永久磁石で有り、且つ各々磁石が互いに吸着し、接着される事により円形を成している。12は前記ローターの中心に固着された回転軸で、13は前記ローターを囲む様に巻線を施す為の巻線用の筐体、14a,14bはローターを囲む様に巻かれた複数の巻線、15は磁気回路の短磁路を形成するためのヨークである。
【００１２】
ここで、本発明のソレノイドアクチュエータの高トルク化に関して、言及する事とする。２極構造のソレノイドアクチュエータのトルクはその巻線のAT（アンペアーターン）と磁石の大きさに比例する事は一般的に知られている。従って、高トルク化を考えた時、前記ATを増すか、前記磁石の大きさを増すか、又、その両方を実施するかの何れかを考える事である。しかし、前記ATのみを増す方策として、巻線の巻線数を増やすには線材の抵抗、巻線の占める体積、また、駆動電流を増やす事に因る駆動増幅器の大型化や、過負荷状態で継続的に電流を流し続ける事による前記巻線や磁石自身の発熱等により、消費電力に制限を加える必要がある等で前記ATのみを増やす事には限界が生じる。
【００１３】
従って高トルクを得ようとするならば必然的に磁石も大型化する必要が生じる。しかし、現状の磁石製造設備では直径方向の着磁磁石としてはφ30mmを製作するのが限界とされおり、本発明のソレノイドアクチュエータで必要とする磁石は直径方向に着磁されている
事が必須であり、ここで、大型磁石の対する課題が発生する。
【００１４】
本発明はこの課題を解決するため、目的とする磁石の直径がφ30mmを超える時は直径方向に数分割をし、直径方向の長さを30mm以下にする事で、各々の磁石を直径方向に着磁する事を可能とし、着磁後に、各々磁石を吸着、接着し円形を成すようにする事で、目的の直径を得る方法を提案するもので、つまり、図３に示す磁石11の11a,11bがそれに相当する。
【００１５】
図４に本発明の制御回路を示す。図４のEvは制御電圧で各種センサーの出力を直流又は脈流として印加する。16は制御電圧Evを次段17、18の駆動増幅器が欲する所定のレベルまで増幅する増幅器で、17、18はソレノイドアクチュエータの巻線14a,14bに所定の電流を流す駆動増幅器、21は本発明のソレノイドアクチュエータである。20はソレノイドアクチュエータの回転方向を切り替えるリレーで、回転方向を切り替える必要がある場合に使用され、19の方向切替器の出力により制御される方向切替器の出力は各種センサー等により出力される方向切り替え信号Edにより制御される。勿論、方向切り替え信号のタイミングによっては180度の往復運動や360度の回転運動も可能になる事は当然である。
【００１６】
本発明ではソレノイドアクチュエータの巻線を14a、14bと分割巻にしているが、勿論、前記ソレノイドアクチュエータの巻線は理論的にも分割で巻く必要はない。しかし、本発明の前記ソレノイドアクチュエータは以下の目的をもって巻線を14a、14bと分割巻にしており、各々の巻線方向に対し同方向の電流を流すことより、その合成磁界により、等価的に巻数で14a+14b（巻数＝14a=14bの場合）と巻線数を倍とするか、14a=14b=14とし、電流を2倍と考えるかのシステムを構築している。この利点としては巻線を分割する事により、駆動増幅器の低電圧化が実現し、小型化が期待出来るからである。
【発明の効果】
【００１７】
即ち、従来のDC又はパルスモーターとその制御回路を本発明の高トルクソレノイドアクチュエータとその制御回路に置き換える事で従来のDC及びパルスモーターを用いた装着型パワーアシスト装置の持つ、ギヤー、クラッチ、ブレーキ等の付属機構部の煩雑さや重さを軽減すると同時に電気制御部のフィードバック処理による応答速度やシステムの制御の煩雑さ等の課題を克服し、より性能の良い装着型パワーアシスト装置を提供出来る様になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術で使用されている、DC又はパルスモーターを使用した装着型パワーアシスト装置の模式図。
【図２】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置の模式図。
【図３】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの基本構造の模式図。
【図４】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの制御回路のブロック図。
【図５】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータに使用する大口径磁石の実施例の構造模式図。
【図６】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの巻線溝を設けた実施例
【図７】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの円形磁石の中心に設ける軸穴を正四角形にする事で円形磁石と軸との滑りを防止した、実施例。
【図８】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの円形磁石の中心に設ける軸穴を長四角形にする事で円形磁石と軸との滑りを防止した、実施例の模式図。
【図９】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの円形磁石の最大直径部に溝を設け、円形軸に溝に対応した棒を貫通する事で円形磁石と軸との滑りを防止した、実施例。
【図１０】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータの巻線用筐体を2分割し、巻線後に円形ローターを組み込む構造にした実施例
【図１１】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置の実施例。
【図１２】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置の制御回路の実施例。
【図１３】本発明の高トルクソレノイドアクチュエータを使用し、装着型パワーアシスト装置を実施した場合の圧力センサーとアクチュエータトルクの関係グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に関して図５〜図１２を参照に説明をする。
【００２０】
図５はソレノイドアクチュエータのローター磁石をφ100mm以上としたい場合の実施例で前記ローター磁石は20a,20b,20c,20dで直径方向に４分割されており、一片の直径方向の長さは25mmとなり、現磁石製造業者の設備での着磁が可能な長さとなっている、そして、着磁された前記の各ローター磁石片は吸着、接着により、φ100mmの円形ローター磁石が形成される。前記ローター磁石の中心には軸穴が設けられており、非磁性の軸（真鍮、
ステンレス等）21が圧入又は接着で挿入される。その軸は前記ローターを包み込む様に設計された巻線用筐体22の軸受けにより貫通し、又、前記巻線用筐体と前記ローターとの間は周囲1mm程の空隙が設けられており、前記ローターは軸受けを中心に自由回転が可  
能となっている。前記巻線用筐体22には巻線23a,23bが数百ターン程巻かれており、この巻線23a,23bに1A程度の電流を流すことにより、前記巻線23a,23bに発生する磁力に比例して、前記20の円形ローターが吸着され回転トルクを発生する。
【００２１】
図６は本発明のソレノイドアクチュエータ巻線用筐体の実施例を示している。25は本発明の巻線用筐体、27は本発明の円形ローターに固着された軸、26は巻線である。本発明のソレノイドアクチュエータは薄型を目指としており、その巻線は一部に集中させるのでは無く、円形のローターの全周を取り囲む様に平坦に巻かれている。しかし、円形の円周に沿い巻線を施す事は線材（26）と前記25の巻線用筐体との間で滑りを起こし、平坦に巻く事は大変困難である。そこで、本発明では図６に示す如く、巻線用筐体25に巻線用の溝を設ける事を提案している、図６では略巻線と同じ幅の溝を設けた例を示しているが、言うまでも無くこの溝の本数に関しては限定するものではない。
【００２２】
図７は本発明のソレノイドアクチュエータ用の円形ローターの実施例を示している。永久磁石は本発明のローター分割案で、3分割を実施した図であるが、本図で提案するのはローターと一体で回転をする軸の固定方法であって軸穴を正四角形にする事である。モーター等回転体の多くは軸受けにより回転を可能する為に、軸を円筒にし、円形の軸穴に圧入、接着する例が多い。本提案では図７の軸30とローター28との滑りを防止する為に、軸穴を正四角形すると同時に軸30の正四角形の部分の長さをローター28の厚みより１mm程度長くし、前記軸30の正四角形の部分と巻線用筐体の軸受けと突き当てる様に組み立てる事で前記ローター28と巻線用筐体の間隙を確保している。
【００２３】
図８は本発明のソレノイドアクチュエータ用円形ローターの実施例を示している。永久磁石は本発明の4分割を実施した図であるが、ここで提案するのはローター31と一体で回転をする軸を固定する軸穴32で、円形を成すローター31の軸穴32を着磁方向に対し直角に長四角形にする事で、軸と前記ローター31とのねじれが発生した際に起こり得る軸との滑りを更に改善したものである。
【００２４】
図９は本発明のソレノイドアクチュエータ用円形ローターの実施例を示している。永久磁石は本発明の4分割を実施した図であるが、ここで提案するのはローター33の直径方向に溝34を設け、円筒の軸36に対し直角に溝34に対応する横棒37を貫通させ、ローター
33の軸穴35に軸36を貫通、横棒37が溝34に収まった時点で接着固定し、ローター33
と一体で回転をする軸36の滑りを改善したものである。
【００２５】
図１０は本発明のソレノイドアクチュエータの巻線用筐体の実施例を示している。本発明のソレノイドアクチュエータはローターとして大口径の永久磁石を使用している、従って、巻線用筐体にローターを収めた後に巻線をする事は重量も増し、巻線機を使用するには困難を生じる。図１０の巻線用筐体はそんな課題を解決すべく考案されたもので、図１０に示す如く巻線用筐体を巻線用筐体38と39に2分割し、前記巻線用筐体各々に巻線を施した後にローター40及び軸41を巻線用筐体に収める様にしたもので、巻線の分割もこの点を考えると適している。
【００２６】
図１１は本発明の高トルクソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置の実施例を示している。以下図に基づき各機能に関して説明をする。43の大腿固定座は装着者の大腿部に大腿固定座サポーター50により、しっかりと装着され、前記大腿固定座43には本発明のソレノイドアクチュエータの本体の外筐体44が固定されている。47の下腿固定座は装着者の下腿部に下腿固定座サポーター49によりしっかりと装着され、前記下腿固定座47は本発明のソレノイドアクチュエータの回転軸45に固定されており、前記ソレノイドアクチュエータの回転軸45の回転により、前記大腿固定座43と前記下腿固定座と間で屈伸運動をする機構になっている。また、大腿固定座43には前記ソレノイドアクチュエータ44の駆動及び制御回路42が組み込まれており、足裏に取り付けた圧力センサー48の情報により、前記ソレノイドアクチュエータの回転軸45の回転トルクを制御している。46は前記駆動及び制御回路42に加える電源で、電池を使用している。
【００２７】
図１２は本発明のソレノイドアクチュエータを使用した装着型パワーアシスト装置の駆動及び制御回路のブロック図を示している。51は足裏に装着する圧力センサーで、被パワーシスト装着者が荷物等を抱えた場合に起こる自重の変化を負荷と捉え、前記負荷の変化の大きさにより、大きな制御電圧を増幅器52に加える事となっている。増幅器52は前記圧力センサー51から加える最大電圧が駆動増幅器53及び54が本発明ソレノイドアクチュエータの可能最大受付電流値となる値まで、前記圧力センサー電圧を増幅する。前記駆動増幅器53及び54は本発明のソレノイドアクチュエータの本体55の巻線14a,14bに対し圧力センサー51から要求される電流を流し、本発明のソレノイドアクチュエータ55の回転トルクを制御する。
【００２８】
図１３は本発明のソレノイドアクチュエータの圧力センサー出力に対するトルク特性をしました一例である。この例を見て解る通り、このシステムは大変シンプルであるが、大変高いトルクを発生する事が解る。
【符号の説明】
【００２９】
1、7、43・・大腿固定座、      4、10、47・・下腿固定座、    
3、12、21、27、30、36、41・・ローター軸      5・・DCモーター
9、44、21、55・・ソレノイドアクチュエータ    11、20、28、31、33、40・・ローター
13、22、25、38、39・・巻線用筐体        14、23、26、・・巻線
15、24・・ヨーク    29、32、35、・・軸穴      37、・・横棒    42、駆動及び制御回路
46、・・電池    50、・・大腿固定座サポーター      49、・・下腿固定座サポーター
48、・・圧力センサー    16、52、・・増幅器      17、18、53、54、・・駆動増幅器
20、・・リレー      19、・・方向切替器
【図１】
2019212851.tif 000003
【図２】
2019212851.tif 000004
【図３】
2019212851.tif 000005
【図４】
2019212851.tif 000006
【図５】
2019212851.tif 000007
【図６】
2019212851.tif 000008
【図７】
2019212851.tif 000009
【図８】
2019212851.tif 000010
【図９】
2019212851.tif 000011
【図１０】
2019212851.tif 000012
【図１１】
2019212851.tif 000013
【図１２】
2019212851.tif 000014
【図１３】
2019212851.tif 000015