(57)【要約】【課題】微細に駆動することができ、駆動以外の方向に柔軟性がある電磁式アクチュエータ及び電磁式アクチュエータ装置を提供する。【解決手段】磁力を発生し、発生する磁力の方向を変更できる空芯コイル２１、及び、磁性を有する芯部材２２により構成される電磁石２０と、電磁石２０と交互に配置され、磁力を有する複数の永久磁石３０と、電磁石２０及び永久磁石３０を駆動範囲に移動可能に保持し、弾性及び絶縁性を有した保持手段４０と、電磁石２０に電流を流す電源制御部５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁力を有し、前記磁力の方向を変更できる複数の第１の部材と、
前記第１の部材と交互に配置され、磁力を有する複数の第２の部材と、
前記第１の部材及び前記第２の部材を駆動範囲に移動可能に保持する保持手段と、
を備える電磁式アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記第２の部材は、前記磁力の方向を変更できること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記第１の部材及び前記第２の部材は電磁石であること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記第１の部材は電磁石であり、前記第２の部材は磁性を有した磁性部材であること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記第１の部材は電磁石であり、前記第２の部材は永久磁石であること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項６】
請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記電磁石は、導電性のある線材を巻いた空芯コイルと、
前記空芯コイルの空芯部に挿入され、磁性を有した芯部材とを備えること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項７】
請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記電磁石に電流を流す電源制御部を備えること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項８】
請求項７に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記電磁石は、それぞれが前記電源制御部に並列に接続されること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項９】
請求項７に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記電磁石は、それぞれが前記電源制御部に直列に接続されること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記保持手段は、弾性を有し、前記第１の部材及び前記第２の部材の間に設けられる弾性部材であること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記保持手段は、弾性を有し、前記第１の部材及び前記第２の部材の全周を覆う筒状部材であること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記弾性部材又は前記筒状部材は、絶縁性を有すること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
前記第１の部材及び前記第２の部材の数量は、一方が他方と同等又はそれよりも一つ少ないこと、
を特徴とする電磁式アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の複数の電磁式アクチュエータを並列及び／又は直列に接続すること、
を特徴とする電磁式アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力を用いた電磁式アクチュエータ及びそれを用いた電磁式アクチュエータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業ロボットや医療ロボットの技術の発展にともない、今まで存在する電磁式や油空圧式のアクチュエータを応用し、ロボットアームや人工筋肉に利用できるアクチュエータの開発が行なわれている（例えば、特許文献１）。特に、人型ロボットなどの技術分野では、人間の持つ筋肉に近い動作ができるように、柔軟で微細に駆動することができるアクチュエータなどが研究されている。
【０００３】
特許文献１は、ピストン及びシリンダにより構成される油圧式のアクチュエータであり、シリンダ内部に流量を調整できるオリフィスを備え、アクチュエータの応答速度を自由に変化させることができる機構を備えている。この種のアクチュエータは、油圧を駆動源としているため、大推力を出力するのには適しているが、油の粘性が抵抗となるため、応答速度が遅いうえ、また、ピストンとシリンダの摺動部の摩擦（スティックスリップ現象など）の影響によりアクチュエータを微細に制御することが難しいなどの問題がある。更に、ピストン構造であるので、ピストンの駆動方向以外に自由度（柔軟性）を持たせることができない。
【特許文献１】特開平０９−２２２１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、微細に駆動することができ、駆動以外の方向に柔軟性がある電磁式アクチュエータ及び電磁式アクチュエータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を括弧内に付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、磁力を有し、前記磁力の方向を変更できる複数の第１の部材（２０）と、前記第１の部材（２０）と交互に配置され、磁力を有する複数の第２の部材（３０）と、前記第１の部材（２０）及び前記第２の部材（３０）を駆動範囲に移動可能に保持する保持手段（４０）とを備える電磁式アクチュエータ（１０）である。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記第２の部材（３０）は、前記磁力の方向を変更できることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記第１の部材（２０）及び前記第２の部材（３０）は電磁石（２０）であることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記第１の部材（２０）は電磁石（２０）であり、前記第２の部材（３０）は磁性を有した磁性部材であることを特徴とする電磁式アクチュエータである。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記第１の部材（２０）は電磁石（２０）であり、前記第２の部材（３０）は永久磁石（３０）であることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記電磁石（２０）は、導電性のある線材を巻いた空芯コイル（２１）と、前記空芯コイル（２１）の空芯部に挿入され、磁性を有した芯部材（２２）とを備えることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記電磁石（２０）に電流を流す電源制御部（５０）を備えることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１２】
請求項８の発明は、請求項７に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記電磁石（２０）は、それぞれが前記電源制御部（５０）に並列に接続されることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１３】
請求項９の発明は、請求項７に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記電磁石（２０）は、それぞれが前記電源制御部（５０）に直列に接続されることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１４】
請求項１０の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記保持手段（４０）は、弾性を有し、前記第１の部材（２０）及び前記第２の部材（３０）の間に設けられる弾性部材であることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１５】
請求項１１の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記保持手段（４０）は、弾性を有し、前記第１の部材（２０）及び前記第２の部材（３０）の全周を覆う筒状部材（４０）であることを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１６】
請求項１２の発明は、請求項１０又は請求項１１に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記弾性部材又は前記筒状部材（４０）は、絶縁性を有することを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１７】
請求項１３の発明は、請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電磁式アクチュエータ（１０）において、前記第１の部材（２０）及び前記第２の部材（３０）の数量は、一方が他方と同等又はそれよりも一つ少ないことを特徴とする電磁式アクチュエータ（１０）である。
【００１８】
請求項１４の発明は、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の複数の電磁式アクチュエータ（１０）を並列及び／又は直列に接続することを特徴とする電磁式アクチュエータ装置である。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、以下のような効果がある。
（１）第１の部材は、磁力の方向を変更でき、磁力を有する第２の部材と交互に配置されているので、第１の部材の磁力の方向を変更することで、第１の部材及び第２の部材の間に引力及び斥力を発生させ、相対的に移動することができる。
（２）第１の部材及び第２の部材は電磁石であるので、各電磁石の磁力を個別に変化させることにより、電磁式アクチュエータを微細に制御することができる。
（３）第１の部材は電磁石であり、第２の部材は磁性部材であるので、応用範囲が広く、コストを抑えて電磁式アクチュエータを構成することができる。
【００２０】
（４）第１の部材は電磁石であり、第２の部材は永久磁石であるので、容易に強い磁力を得ることができ、電磁式アクチュエータを効率よく駆動させることができる。
（５）電磁石は、導電性のある線材を巻いた空芯コイル及び磁性を有した芯部材により構成しているので、強力な磁力を得ることができる。
（６）電磁石に電流を流す電源制御部を備えているので、電流を微細に制御することにより磁力を微細に制御することができ、また、電流の流す方向を変えることにより磁力の方向を変更することができる。
【００２１】
（７）前記電磁石は、それぞれが電源制御部に並列に接続されているので、電磁式アクチュエータの駆動推力を大きくすることができる。
（８）前記電磁石は、それぞれが電源制御部に直列に接続されているので、電磁式アクチュエータの消費電力を抑制することができる。
（９）保持手段は、第１の部材及び第２の部材の間に弾性を有する弾性部材を設けているので、弾性部材の復元力により、各部材の間隔を保持し、伸縮だけでなく捩れ方向にも自由度を持たせることができる。
【００２２】
（１０）保持手段は、第１の部材及び第２の部材の全周を覆う筒状部材であるので、単純な構成で第１の部材及び第２の部材を移動可能に保持することができ、また、伸縮だけでなく捩れ方向にも自由度を持たせることができる。
（１１）弾性部材又は筒状部材は、絶縁性を有しているので、電磁石に流れる電流を絶縁することができる。
（１２）電磁式アクチュエータ装置は、複数の電磁式アクチュエータを並列及び／又は直列に接続しているので、用途に応じてさまざまの形態をとることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、微細に駆動することができ、駆動以外の方向に柔軟性がある電磁式アクチュエータ及び電磁式アクチュエータ装置を提供するという目的を、磁力を有した第１の部材及び第２の部材を、交互に配置し、保持手段により移動可能に保持し、第１の部材の磁力の方向を変化させることにより実現する。
【実施例１】
【００２４】
以下、図面等を参照して、本発明の実施例をあげて、さらに詳しく説明する。
図１は、本発明による実施例１の電磁式アクチュエータの詳細を示す図である。また、図２は、本発明による実施例１の電磁式アクチュエータをロボットアームに用いた模式図である。なお、説明文中の上、下、左、右方向は、各図のそれぞれの方向に対応しているものとする。
ロボットアーム１００は、図２に示すように、第１の間接部１０１及び第２の間接部１０２の間に設けられた第１の腕部１０４、第２の関節部１０２及び第３の間接部１０３の間に設けられた第２の腕部１０５、及び、第３の間接部１０３に設けられたハンド部１０６により構成され、第１の腕部１０４及び第２の腕部１０５の間に電磁式アクチュエータ１０が固定された産業用ロボットのアーム部である。
第１の間接部１０１は、ロボットアーム１００をロボット本体（図示せず）と回転可能に接続するボールジョイントである。
第２の間接部１０２は、第１の腕部１０４及び第２の腕部１０５を回転可能に接続するボールジョイントである。
第３の間接部１０３は、第２の腕部１０５及びハンド部１０６を回転可能に接続するボールジョイントである。
ハンド部１０６は、２本の爪部から構成され、ワークなどを挟む作業部である。
電磁式アクチュエータ１０は、図２に示すように、ロボットアーム１００の第２の間接部１０２を回転させるための駆動源であり、図１に示すように、３個の電磁石２０及び２個の永久磁石３０を交互に配置し、全体を筒状部材４０で覆い、筒状部材４０の端部に第１の端部材６０及び第２の端部材６１を配置することにより構成され、図１中の左右方向に伸縮することができる。また、第１の端部材６０から電磁石２０の配線が出され、電源制御部５０に接続されている。
電磁石２０は、コイル２１及び鉄芯２２を備えており、各コイル２１は直列に接続されている。
コイル２１は、導電性のある銅線が巻かれた空芯型のコイルである。
鉄芯２２は、コイル２１の空芯部に挿入された磁性材料である。磁性材料は、例えば、鉄である。
永久磁石３０は、磁力の強いネオジウム（Ｎｅ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）であり、図１に示すように、左右方向に着磁され、右側をＮ極、左側をＳ極としている。
筒状部材４０は、弾性及び絶縁性のあるシリコンチューブであり、電磁石２０及び永久磁石３０に一定間隔を保てるように保持し、また、電磁式アクチュエータ１０の伸縮駆動に対応して伸縮することができる。また、駆動方向以外にも曲げ及び捩れの自由度（柔軟性）がある。
電源制御部５０は、電磁石２０に所定の電流を送る電流制御部であり、送る電流の方向を変更することで、電磁石２０から発生する磁力線の方向を変更し、永久磁石３０に対し図１中の左右方向に引力及び斥力を得るように制御することができる。
第１の端部材６０は、ロボットアーム１００の第１の腕部１０４に回転可能に接続するボールジョイントである。
第２の端部材６１は、ロボットアーム１００の第２の腕部１０５に回転可能に接続するボールジョイントである。
【００２５】
次に、電磁式アクチュエータ１０の動作原理について説明する。
電磁式アクチュエータ１０は、電源制御部５０が電流を流していないときは、図１（Ａ）に示すように、電磁石２０及び永久磁石３０の間が等間隔に保たれた状態で静止している。
電流制御部５０により、図１（Ｂ）に示す方向（矢印Ａ）に電流を流したときは、電磁石２０のコイル２１は、右端から左端へ磁力線が向かい、左端がＳ極となり、隣り合う永久磁石３０の右端（Ｎ極）との間に引力が発生し、両者が引き合う。この引力が、各電磁石２０及び永久磁石３０の間で発生するので、電磁式アクチュエータ１０は縮むことができる。
一方、図１（Ｃ）に示す方向（矢印Ｂ）に電流を流したときは、電磁石２０のコイル２１は、左端から右端へ磁力線が向かい、左端がＮ極となり、隣り合う永久磁石３０の右端（Ｎ極）との間に斥力が発生し、両者が反発し合う。この斥力が、各電磁石２０及び永久磁石３０の間で発生するので、電磁式アクチュエータ１０は伸びることができる。
【００２６】
電磁式アクチュエータ１０は、電磁石２０に流す電流の量に依存して駆動力を変化させることができるので、大電流を流すことで、大駆動力を発することができる。また、コイル２１の線材の径を太くしたり、永久磁石３０を磁力の大きなものへと変更したりすることにより推力を増大させることも可能である。例えば、永久磁石３０の残留磁束密度が約１［Ｔ］であり、電磁石２０の発生磁束密度が電流１［Ａ］を流したときに約０．０９［Ｔ］である場合には、発生する引力又は斥力は約１０［Ｎ］であった。
【００２７】
続いて、ロボットアーム１００の電磁式アクチュエータ１０が取り付けられている第２の間接部１０２の動作方法について説明する。
電磁式アクチュエータ１０は、図２に示すように、第２の間接部１０２を駆動するために設けられており、第１の端部材６０が第１の腕部１０４に、第２の端部材６１が第２の腕部１０５に接続されている。第１の端部材１０４から電磁式アクチュエータ１０の電磁石２０の配線が出され、ロボットアーム１００の先端部に配線を出さないようにしているので、ロボットアーム１００の先端（ハンド部１０６）側の配線を減らすことができ、制御特性を向上させることができる。
図２（Ａ）は、ロボットアーム１００が第２の間接部１０２の駆動範囲の中間にあるときであり、電磁式アクチュエータ１０は、図１（Ａ）に示す静止状態であり、第２の腕部１０５は、電磁式アクチュエータ１０の筒状部材４０の剛性により支えられている。必要に応じて、電源制御部５０から電流を流し、第２の腕部１０５の静止安定性を向上させることができる。
【００２８】
ロボットアーム１００は、図２（Ｂ）に示すように、電源制御部５０から所定の方向（矢印Ａ）に電流を流すことにより電磁式アクチュエータ１０を縮ませ、第２の関節部１０２により第１の腕部１０５を上方（矢印Ｃ）へ曲げることができる。また、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ｂ）に示す電流とは逆方向（矢印Ｂ）に電流を流すことにより電磁式アクチュエータ１０を伸ばし、第１の腕部１０５を下方（矢印Ｄ）へ曲げることができる。
【００２９】
ロボットアーム１００の第２の関節部１０２は、ボールジョイントで構成されているので、第２の腕部１０５が想定外の方向から外力を受けたときに、前述した電磁式アクチュエータ１０により回転する（上下）方向以外にも（微小に）回転することができ、外力を受け流すことができる。例えば、第２の腕部１０５に何らかの外力が図２の紙面の裏から表に対して加わったときは、第２の腕部１０５が第２の関節部１０２により、図２の紙面より表側に回転する。このときに、電磁式アクチュエータ１０は、第１の端部材６０と第２の端部材６１との間に捩れ応力が加わる。仮に、伸縮方向以外に自由度（柔軟性）がないアクチュエータを用いた場合は、アクチュエータは捩れ応力により破損する可能性があるが、本実施例では、第１の端部材６０及び第２の端部材６１は弾性のある筒状部材４０と接続されているので、筒状部材４０が弾性変形し、捩れ応力を受け流すことができる。
【００３０】
以上より、実施例１の電磁式アクチュエータ１０には以下のような効果がある。
（１）電磁式アクチュエータ１０は、電磁石２０と永久磁石３０とが交互に配置されているので、電磁石２０が発生する磁力の方向を変更することで、電磁石２０及び永久磁石３０の間に引力及び斥力を発生させ、相対的に伸縮することができる。
（２）電磁式アクチュエータ１０は、電磁石２０及び永久磁石３０を用いているので、容易に強い磁力を得ることができ、電磁式アクチュエータ１０を効率よく駆動させることができる。
【００３１】
（３）電磁石２０は、銅線を巻いたコイル２１及び鉄芯２２により構成しているので、容易に強力な磁力を得ることができる。
（４）電磁石２０に電流を流す電源制御部５０を備えているので、電流を微細に制御することにより磁力を微細に制御することができ、また、電流の流す方向を変えることにより磁力の方向を変更することができる。
【００３２】
（５）電磁石２０は、それぞれが電源制御部５０に直列に接続されているので、電磁式アクチュエータ１０の消費電力を抑制することができる。
（６）筒状部材４０は、弾性及び絶縁性を備え、電磁石２０及び永久磁石３０を覆っているので、電磁石２０に流れる電流を絶縁し、電磁式アクチュエータ１０の伸縮方向以外に柔軟性を得ることができる。
【００３３】
（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）実施例１では、電磁式アクチュエータ１０は、電磁石２０及び永久磁石３０により構成したが、電磁石２０のみ、又は、電磁石２０及び磁性部材（例えば、鉄）との組み合わせで構成してもよい。
電磁石２０のみで構成した場合は、各電磁石２０の発生磁力を個別に制御できるので、電磁式アクチュエータ１０の駆動を微細に制御することができる。また、電磁石２０及び磁性部材で構成した場合は、磁性部材に流通性の高い鉄などを使用することができるので、コストを抑えることができる。
【００３４】
（２）実施例１では、各電磁石２０は、直列に電源制御部５０と接続されたが、並列に接続してもよい。また、並列と直列を混在させることも可能である。並列に接続することにより、大駆動力で駆動させることができる。
（３）実施例１では、筒状部材４０を用いたが、電磁石２０及び永久磁石３０の間にゴムなどの弾性（及び絶縁性）部材を設けてもよい。
（４）実施例１では、筒状部材４０にシリコンチューブを用いたが、それ以外の材料及び構造を用いてもよい。例えば、本実施例のロボットアーム１００のように、図２（Ａ）の電磁式アクチュエータ１０の静止時に下方へ自重による応力がかかる場合は、網状に形成した人工繊維材を筒状にし、シリコンチューブと組み合わせることで、シリコンチューブへの応力集中を小さくすることも可能であり、可動部の耐久性を上げることもできる。また、機械のジョイント部分や自動車のシフトレバーなどに使用されるゴムブーツを使用することも可能である。
【００３５】
（５）実施例１では、ロボットアーム１００の第２の間接部１０２の駆動に電磁式アクチュエータ１０を１台使用したが、複数台使用してもよい。例えば、大駆動力を出力するために２台の電磁式アクチュエータ１０を並列に固定し電磁式アクチュエータ装置として使用することも可能である。
（６）実施例１では、電磁式アクチュエータ１０は、３個の電磁石２０及び２個の永久磁石３０で構成されたが、それ以外の個数でもよい。例えば、電磁式アクチュエータ１０の駆動ストロークを長く取りたい場合、又は、大駆動力を出力したい場合は、５個の電磁石２０及び４個の永久磁石３０とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による実施例１の電磁式アクチュエータの詳細を示す図である。
【図２】本発明による実施例１の電磁式アクチュエータをロボットアームに用いた模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  電磁式アクチュエータ
２０  電磁石
３０  永久磁石
４０  筒状部材
５０  電源制御部
１００  ロボットアーム
【図１】
2007296612.tif 000003
【図２】
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