(57)【要約】【課題】任意の方向に揺動可能で小型に製作可能なアクチュエータを提供することにある。【解決手段】可動部５は、中央脚部５０ａ及び各外側脚部５０ｂを、固定部４の中央脚部４０ａ及び各外側脚部５０ｂの端面で対向するようにして揺動自在にケース２に支持され、固定部４の中央脚部４０ａは永久磁石からなり、固定部４の４つの外側脚部５０ａはコイル部６１〜６４を巻回している。そしてコイル部６１〜６４に励磁電流を流すことにより生成される磁束が固定部４の両側の外側脚部４０ｂにおいて互いに逆方向に磁束の流れるように励磁されることで、可動部５を所定の方向に揺動させるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の断面Ｅ字状の磁性部材を、中央脚部を軸として所定の角度で交差させた形状に構成される固定部と、該固定部と同数の断面Ｅ字状の磁性部材を、中央脚部を軸として前記所定の角度で交差させた形状に構成される可動部と、前記固定部の中央脚部とは別の外側脚部に巻回されるコイル部とを備え、前記可動部は、前記固定部に前記磁性部材の各脚部の端面で対向するようにして揺動自在に支持され、前記固定部若しくは可動部の少なくとも一方は、前記中央脚部に永久磁石を有し、前記コイル部は、励磁電流により発生される磁束が断面Ｅ字内において前記固定部の両側に位置する２つの外側脚部に互いに逆方向に流れるように励磁することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部を、安定時に互いに同軸の円柱形状となるように形成したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記固定部の中央脚部と前記可動部の中央脚部との対向端面を、安定時に対向方向に投影した面の一方が他方を包含するように形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記固定部と前記可動部とは、対向する前記各端面の形状を、揺動中心を中心とする球面としたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかの１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部の対向端面側の部位を強磁性体により形成したことを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記固定部及び前記可動部の各中央脚部の対向端面側部位を永久磁石により形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１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】
本発明は、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータは、例えば特許文献１に開示されているような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していた。
【特許文献１】特開２００３−８８０８９号公報（段落０００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように多次元の方向に駆動可能なアクチュエータを構成する場合、特許文献１に開示されてような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していたため、アクチュエータの形状が大型となるという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、一つの可動部を任意の方向に揺動可能で、小型に製作可能なアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、請求項１のアクチュエータに係る発明では、複数の断面Ｅ字状の磁性部材を、中央脚部を軸として所定の角度で交差させた形状に構成される固定部と、該固定部と同数の断面Ｅ字状の磁性部材を、中央脚部を軸として前記所定の角度で交差させた形状に構成される可動部と、前記固定部の中央脚部とは別の外側脚部に巻回されるコイル部とを備え、前記可動部は、前記固定部に前記磁性部材の各脚部の端面で対向するようにして揺動自在に支持され、前記固定部若しくは可動部の少なくとも一方は、前記中央脚部に永久磁石を有し、前記コイル部は、励磁電流により発生される磁束が断面Ｅ字内において前記固定部の両側に位置する２つの外側脚部に互いに逆方向に流れるように励磁することを特徴とする。
【０００６】
請求項１のアクチュエータに係る発明によれば、励磁電流をコイル部に流したときに発生する磁束の流れる磁路に、発生する力に寄与するものの磁気抵抗の高い永久磁石が存在しないため、任意の方向に効率良く揺動可能で、しかも複数のアクチュエータの組み合わせによらないため、小型に製作できるアクチュエータを提供することができる。
【０００７】
請求項２のアクチュエータに係る発明では、請求項１の発明において、前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部を安定時に、互いに同軸の円柱形状となるように形成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２のアクチュエータに係る発明によれば、中央脚部の対向面が円形となっているため、どの方向に動作しても角度−トルク特性を同じにすることができ、全方向にスムーズな動作をすることができる。
【０００９】
請求項３のアクチュエータに係る発明では、請求項１又は２の発明において、前記固定部の中央脚部と前記可動部の中央脚部との対向面を、安定時に対向方向に投影した面の一方が他方を包含するように形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３のアクチュエータに係る発明によれば、可動部の中央脚部と固定部の中央脚部の対向端面における磁束量をほぼ一定にすることができ、安定時位置の近傍における角度−トルク特性でのトルクの変化を小さくすることができる。
【００１１】
請求項４のアクチュエータに係る発明では、請求項１乃至３の何れかの発明において、前記固定部と前記可動部とは、対向する前記端面の形状を、揺動中心を中心とする球面としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４のアクチュエータに係る発明によれば、揺動による対向端面間のギャップ変化を少なくして可動範囲を広げることができる。
【００１３】
請求項５のアクチュエータに係る発明では、請求項４の発明において、前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部の対向端面側の部位を強磁性体により形成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項５のアクチュエータに係る発明によれば、各中央脚部の端面を球面に容易に加工することできる。
【００１５】
請求項６のアクチュエータに係る発明では、請求項１乃至３の何れかの発明において、前記固定部及び前記可動部の各中央脚部の対向端面側の部位を永久磁石により形成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項６のアクチュエータに係る発明によれば、生じるトルクを加工不要で大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、励磁電流をコイル部に流したときに発生する磁束の流れる磁路に、発生する力に寄与するものの磁気抵抗の高い永久磁石が存在しないため、任意の方向に効率良く揺動可能で、しかも複数のアクチュエータの組み合わせによらないため、小型に製作できるアクチュエータを提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明を実施形態により説明する。
【００１９】
（実施形態１）
本実施形態のアクチュエータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すようにケース２内に収容され、出力軸であるシャフト３をケース２の一面から外部に突出させているもので、シャフト３と、固定部４と、可動部５と、コイル部６（６１〜６４）等で構成される。
【００２０】
固定部４は、図１（ｃ）に示すように例えば中央脚部４０ａを共通とする２つの断面Ｅ字状の磁性部材を、該中央脚部４０ａを軸として所定の角度（実施形態では９０°）で交差させた形状に構成され、ケース２の底部上に固定配置される。
【００２１】
具体的には固定部４は、十字状の基部４０ｃの各端部に外側脚部４０ｂを一体に立設した強磁性体と、基部４０ｃの中心部にｚ軸方向に着磁した永久磁石からなる中央脚部４０ａを固着立設して形成され、各外側脚部４０ｂには夫々独立して励磁電流を流せるコイル部６１〜６４を巻回している。
【００２２】
可動部５は、固定部４と同数で、中央脚部５０ａを共通とする断面Ｅ字状の強磁性体からなる磁性部材を、中央脚部５０ａを軸として固定部４と同様な角度（９０°）で交差させた形状に構成されるものである。
【００２３】
具体的には、可動部５は、十字状の基部５０ｃの各端部に外側脚部５０ｂを一体突出させ、基部５０ｃの中央部に中央脚部５０ａを一体突出させた強磁性体からなるもので、中央脚部５０ａの突出方向とは反対方向の面（図では上面）の中心にシャフト３の一端を固定してある。
【００２４】
このシャフト３をケース２の蓋部の中心部に設けた孔部２ａを介してケース２外に突出させるとともにシャフト３の中間部に被挿してある支持部材７をケース２の孔部２ａ内に上面視において全周方向に回動自在に取り付けることで、可動部４はケース２内に揺動自在に支持される。
【００２５】
以上のように構成される本実施形態のアクチュエータ１の動作を図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面図からなる図２（ａ）〜（ｃ）により説明する。
【００２６】
まずコイル部６１，６２（及び６３，６４）に励磁電流を流さない無励磁状態では、図２（ａ）に示すように固定部４の中央脚部４０ａを構成する永久磁石の磁束が、中央脚部４０ａの上端（Ｎ極とする）→可動部５の中央脚部５０ａ→基部５０ｃ→両側の外側脚部５０ｂ、５０ｂ→固定部４の両側の外側脚部４０ｂ、４０ｂ→基部４０ｃ→中央部４０ａの下端（Ｓ極）の磁路（実線で示すループ）に流れて、両側でバランスが取れることになる。これにより可動部５は中心で推力０となり、可動部５の中央脚部５０ａの端面（図では下端面）が固定部４の中央脚部４０ａの端面（図では上端面）に、また各外側脚部５０ｂの端面（図では下端面）が固定部４の各外側脚部４０ｂの端面（図では上端面）に夫々対向した状態で安定する。
【００２７】
次に図２（ｂ）に示すように例えば左の外側脚部４０ｂの端面（磁極）がＮ極、右の外側脚部５０ｂの端面（磁極）がＳ極となる方向に、外側脚部４０ｂ、４０ｂに夫々巻回したコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、コイル部６の励磁によって発生する磁束が、固定部４の左の外側脚部４０ｂ→可動部５の左の外側脚部５０ｂ→基部５０ｃ→右の外側脚部５０ｂ→固定部４の右の外側脚部４０ｂ→基部４０ｃ→左の外側脚部４０ｂの磁路（破線で示すループ）に流れて上述のバランスが崩れ、可動部５に矢印ａで示すように右方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動部５が揺動する。
【００２８】
また図２（ｂ）の向きとは逆向きに両側のコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、図２（ｃ）に示すように右の外側脚部４０ｂの端面（磁極）がＮ極、左の外側脚部５０ｂの端面（磁極）がＳ極となり、コイル部６１，６２の励磁による磁束が、固定部４の右の外側脚部４０ｂ→可動部５の右の外側脚部５０ｂ→基部５０ｃ→左の外側脚部５０ｂ→固定部４の左の外側脚部４０ｂ→基部４０ｃ→右の外側脚部４０ｂの磁路（破線で示すループ）に流れて上述のバランスが崩れ、可動部５に矢印ｂで示すように左方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動部５が揺動する。
【００２９】
本実施形態のアクチュエータ１は、Ｅ字断面において中央脚部４０ａの両側に位置するコイル部６１，６２に励磁電流を流すことにより発生する磁束は透磁率の低く、磁気抵抗が高い永久磁石からなる中央脚部４０ａに通らないため、可動部５を効率良く左右の方向に揺動運動を行わせることができる。
【００３０】
尚、図３に示すように上面視において可動部５に発生させる推力の方向を、右方向の場合には（１）、右方向に対して４５°の方向の場合には（２）、右方向に対して９０°の方向の場合には（３）、右方向に対して１３５°の方向の場合には（４）とし、また夫々の反対方向の場合を（−１）、（−２）、（−３）、（−４）とすると、可動部５に発生させる推力の方向と各コイル部６１〜６４の励磁電流の方向（夫々を巻回した外側脚部４０ｂの上端部の磁極）とは表１のような関係を持ち、励磁するコイル部の組み合わせと、励磁電流の向きとを設定することで、可動部５を（１）〜（４）或いは（−１）〜（−４）の方向に任意に揺動させることができる。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
（実施形態２）
上述の実施形態１では固定部４の中央脚部４０ａ及び可動部５の中央脚部５０ａを共に、軸方向に対して垂直な断面形状が四角形の角柱形状に形成していたが、本実施形態は、図４に示すように各中央脚部４０ａ、５０ａを断面形状が円形の円柱形状とし、安定時（無励磁）において、固定部４の中央脚部４０ａ及び可動部５の中央脚部５０ｂが互いに同軸の円柱形状となるようにしてある点に特徴がある。尚永久磁石からなる中央脚部４０ａの着磁方向（ｚ軸方向）等、その他の構成及び動作は実施形態１と同じであるので説明は省略し、同じ構成要素には同じ符号を付す。
【００３３】
また図４は本実施形態のアクチュエータ１の固定部４及び可動部５をケースから取り出した状態を示しているが、実施形態１と同様にこれら固定部４及び可動部５はケース内に収納される。
【００３４】
而して本実施形態のアクチュエータ１では、中央脚部４０ａ，５０ａの対向端面が円形であるため、どの方向に可動部５が揺動しても角度−トルク特性を同じにすることができ、全方向にスムーズに可動部５を揺動させることができる。
【００３５】
（実施形態３）
実施形態１や２においては、中央脚部４０ａ、５０ａの対向する端面の面積を同面積としているが、本実施形態では、一方の面積を他方の面積より小さくし、固定部４の中央脚部４０ａの端面と可動部５の中央脚部５０ａの端面が安定時に対向したときに一方の投影した面が他方の投影面を包含するように形成している点で相違しており、図５（ａ）の場合には固定部４の中央脚部４０ａの端面の面積を可動部５の中央脚部５０ａの端面の面積より小さくした例を、図５（ｂ）の場合は逆に固定部４の中央脚部４０ａの端面の面積を可動部５の中央脚部５０ａの端面の面積より大きくした例を示す。尚図示例は円柱状の中央脚部４０ａ，５０ａに対応するものであるが、実施形態１のような角柱状の場合でも本実施形態の構成を適用できる。
【００３６】
尚その他の構成は実施形態２（或いは実施形態１）と同様であるので、図示と説明は省略する。
【００３７】
而して本実施形態のアクチュエータ１は、可動部５の中央脚部５０ａと固定部４の中央脚部４０ａの対向端面における磁束量をほぼ一定にすることができ、安定時位置の近傍における角度−トルク特性でのトルクの変化を小さくすることができる。
【００３８】
（実施形態４）
本実施形態は、図６に示すように固定部４の外側脚部４０ｂの上端面の形状を揺動中心を中心とする凸状球面とするとともに、この外側キャブ４０ｂに対向する可動部５の各外側脚部５０ｂの下端面の形状を上述の揺動中心を中心とした凹状球面として対向面間のギャップを微小とした点に特徴がある。
【００３９】
尚固定部４の中央脚部４０ａは、基部４０ｃの中央から一体に立設した下部位４００ａと、この下部位４００ａの上面に固着配置した永久磁石部Ｍと、この永久磁石Ｍの上端面に重ね固定した矩形状の端面部４０１ａとで角柱状に形成され、可動部５の中央脚部５０ａの下端面に対向する磁極を端面部４０１ａで形成している。
【００４０】
一方可動部５は基部５０ｃの各端部下面から突出させる外側脚部５０ｂを、下面を凸状球面に加工し、基部５０ｃの各端部下面に固着した強磁性体により形成している。また中央脚部５０ａも基部５０ｃとは別体の強磁性体により形成している。
【００４１】
そしてその他の構成は、実施形態１と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。
【００４２】
而して、本実施形態のアクチュエータ１では，固定部４と可動部５との対向端面が揺動中心を中心とする球面であるため、揺動時に対向端面間のギャップの変化が少なく、可動範囲を広くすることができる。また夫々の球面を形成する部位が強磁性体であるため、球面の加工が容易に行える。
【００４３】
（実施形態５）
本実施形態は、外側脚部４０ｂ、５０ｂの対向端面を球面に形成した構成は実施形態４と同じであるが、実施形態４では、固定部４の中央脚部４０ａを、強磁性体の下部部位４００ａに永久磁石Ｍを重ね、更にこの永久磁石Ｍの上に強磁性体からなる端面部４０１ａを重ねた構成としているのに対して、本実施形態では図７に示すように強磁性体からなる端面部を設けず、永久磁石Ｍの端面（磁極）を可動部５の中央脚部５０ｂの端面側に直接対向させるようにした点と、各中央脚部４０ａ，５０ａを円柱状に形成した点で実施形態４と相違する。
【００４４】
尚その他の構成は、実施形態２（或いは実施形態１）と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。
【００４５】
而して、本実施形態のアクチュエータ１では、実施形態４と同様に固定部４と可動部５の対向端面が揺動中心を中心とする球面であるため、揺動時に対向端面間のギャップの変化が少なく、可動範囲を広くすることができ、しかも生じるトルクを大きくすることができる。
【００４６】
尚各実施形態における固定部４の各磁極を構成する外側脚部４０ｂは十字状の基部４０ｃにより一体連結されて磁路を構成できるようになっているため、対向する外側脚部４０ｂ、４０ｂを同極となるように励磁し、これら外側脚部４０ｂ、４０ｂに対して９０°位置にある外側脚部４０ｂ、４０ｂの一方を上述の励磁極性とは異なる極性に励磁することで上述の表１以外の多次元駆動も行え、表１の内容に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態１を示し，（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はケースを取り除いた状態の固定部と可動部の斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は実施形態１の動作説明図である。
【図３】実施形態２の可動部を上面方向からみた揺動方向説明図である。
【図４】実施形態３を示し、ケースを取り除いた状態の固定部と可動部の斜視図である。
【図５】実施形態４を示し，（ａ）は可動部の中央脚部と固定部の中央脚部の一例の斜視図、（ｂ）は可動部の中央脚部と固定部の中央脚部の一例の斜視図である。
【図６】実施形態５を示し、ケースを取り除いた状態の固定部と可動部の斜視図である。
【図７】実施形態６を示し、ケースを取り除いた状態の固定部と可動部の斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  アクチュエータ
２  ケース
３  シャフト
４  固定部
４０ａ  中央脚部
４０ｂ  外側脚部
４０ｃ  基部
５  可動部
５０ａ  中央脚部
５０ｂ  外側脚部
５０ｃ  基部
６１〜６４  コイル部
７  支持部材
【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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