(57)【要約】  内側キャビティを備えた第１のハルバッハ型シリンダを含む機構体が提供され、第１のハルバッハ型シリンダは、内側キャビティの内部に円周方向に集中状態の第１の磁束を生じさせるよう磁化されている。第２のハルバッハ型シリンダが第１のハルバッハ型シリンダの内側キャビティ内に同心状に受け入れられ、それにより併用状態で回転軸線を備えた回転継手を形成している。ハルバッハ型シリンダのうちの一方は、ロータであって、ハルバッハ型シリンダのうちの他方は、ステータであり、第２のハルバッハ型シリンダは、円周方向外方に集中状態の第２の磁束を生じさせるよう磁化される。出力部がロータに連結されていてステータに対してロータと共に回転するようになっており、出力部は、重力をロータに加え、重力は、回転軸線からオフセットしており、それにより第１のハルバッハ型シリンダと第２のハルバッハ型シリンダの磁束は、出力部によって生じる重力に抗するトルクを協働して生じさせる。
2018523127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機構体であって、
内側キャビティを備えた第１のハルバッハ型シリンダを含み、前記第１のハルバッハ型シリンダは、前記内側キャビティの内部に円周方向に集中状態の第１の磁束を生じさせるよう磁化され、
回転軸線を有する回転継手を併用状態で形成するよう前記第１のハルバッハ型シリンダの内側キャビティ内に同心状に受け入れられた第２のハルバッハ型シリンダを含み、前記第１のハルバッハ型シリンダおよび前記第２のハルバッハ型シリンダのうちの一方は、ロータであり、前記第１のハルバッハ型シリンダおよび前記第２のハルバッハ型シリンダのうちの他方は、ステータであり、前記第２のハルバッハ型シリンダは、円周方向外方に集中状態の第２の磁束を生じさせるよう磁化され、
前記ステータに対して前記ロータと一緒に回転するよう前記ロータに連結された出力部を含み、前記出力部は、重力を前記ロータに加え、前記重力は、前記回転軸線からオフセットしており、前記第１のハルバッハ型シリンダと前記第２のハルバッハ型シリンダの前記磁束は、前記出力部によって生じた前記重力に抗するトルクを協働して生じさせる、機構体。
【請求項２】
前記第２のハルバッハ型シリンダは、前記ロータである、請求項１記載の機構体。
【請求項３】
前記出力部は、前記ロータから軸方向に突き出たシャフトを有する、請求項２記載の機構体。
【請求項４】
前記第２のハルバッハ型シリンダは、前記ロータと前記シャフトの併用状態における関係のために前記シャフトを受け入れる内側キャビティを有する、請求項３記載の機構体。
【請求項５】
前記シャフトは、前記第２のハルバッハ型シリンダの互いに反対側の端から軸方向に突き出ている、請求項２または３記載の機構体。
【請求項６】
前記第２のハルバッハ型シリンダを前記第１のハルバッハ型シリンダに対して回転可能に支持するよう前記第２のハルバッハ型シリンダの互いに反対側の端のところで前記シャフトに設けられた軸受を更に含む、請求項５記載の機構体。
【請求項７】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、前記軸受を受け入れる端板を有する、請求項６記載の機構体。
【請求項８】
前記出力部は、前記シャフトの端部のところに設けられた結合板を有する、請求項２〜７のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項９】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、中空円筒形本体を有し、第１の長手方向スロットが前記内部キャビティを円周方向に包囲し、第１の磁石が前記第１の長手方向スロットの各々内に受け入れられている、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項１０】
前記第１の長手方向スロット内に受け入れられた前記第１の磁石は各々、弓形断面を有する、請求項９記載の機構体。
【請求項１１】
前記第１の磁石を１２個含む、請求項９または１０記載の機構体。
【請求項１２】
前記中空円筒形本体は、チタン母材を有する、請求項９〜１１のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項１３】
前記第２のハルバッハ型シリンダは、円周方向に分布して配置された第２の長手方向スロットを備える中空円筒形本体を有し、第２の磁石が前記第２の長手方向スロットの各々内に受け入れられている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項１４】
前記第２の長手方向スロット内に受け入れられた前記第２の磁石は各々、弓形断面を有する、請求項１３記載の機構体。
【請求項１５】
前記第２の磁石を４個含む、請求項１３または１４記載の機構体。
【請求項１６】
前記中空円筒形本体は、アルミニウム母材を有する、請求項１３〜１５のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項１７】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、次式、すなわち、
Ｂr＝Ｂｃｏｓ（θ）、および
Ｂθ＝Ｂｓｉｎ（θ）
に従って単一の対をなす磁極を備えた磁化方向を有するよう磁化され、Ｂは、磁石の磁化の大きさであり、θは、重力と逆の向きにおけるベクトルに対する前記第１のハルバッハ型シリンダに沿う磁化方向の場所であり、Ｂrは、半径方向成分であり、Ｂθは、接線方向成分である、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項１８】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、複数の別々の磁石を有し、前記磁化方向は、θについて前記別々の磁石の各々の場所を用いたＢrおよびＢθの近似である、請求項１７記載の機構体。
【請求項１９】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、単一の環状磁石である、請求項１７記載の機構体。
【請求項２０】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、次式、すなわち、
Ｂr＝Ｂｃｏｓ（ｋθ）、および
Ｂθ＝Ｂｓｉｎ（ｋθ）
に従って少なくとも２つの対をなす磁極を備えた磁化方向を有するよう磁化され、Ｂは、磁石の磁化の大きさであり、θは、重力とは逆の方向におけるベクトルに対する前記第１のハルバッハ型シリンダに沿う磁化方向の場所であり、ｋは、磁極対の数であり、Ｂrは、半径方向成分であり、Ｂθは、接線方向成分である、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項２１】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、複数の別々の磁石を有し、前記磁化方向は、θについて前記別々の磁石の各々の場所を用いたＢrおよびＢθの近似である、請求項２０記載の機構体。
【請求項２２】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、単一の環状磁石である、請求項２０記載の機構体。
【請求項２３】
前記第１のハルバッハ型シリンダは、ｋ対の磁極を有し、ｋは、少なくとも２である、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の機構体。
【請求項２４】
前記出力部は、前記ロータと前記重力との間に位置する減速機構体を有し、前記減速機構体は、前記ロータに対する前記重力の回転をｋ：１の比に減速する、請求項２３記載の機構体。
【請求項２５】
組立体であって、
請求項１〜２４のうちいずれか一に記載の前記機構体を少なくとも２つ含み、前記少なくとも２つの機構体の前記ロータの前記出力部は、前記機構体のトルクを合わせるよう軸方向に互いに結合されている、組立体。
【請求項２６】
組立体であって、
請求項１〜２４のうちいずれか一に記載の前記機構体を少なくとも２つを含み、
前記機構体のうちの前記第１の機構体のステータが構造体に固定されるよう構成され、
前記第１の機構体の前記出力部は、前記第１の機構体のロータを前記機構体のうちの前記第２の機構体のステータに連結する第１のリンクである、組立体。
【請求項２７】
前記第２の機構体の前記出力部は、前記第２の機構体のロータを前記機構体のうちの第３の機構体のステータに連結する第２のリンクである、請求項２６記載の組立体。
【請求項２８】
前記リンクと前記ステータの各組相互間に回転継手が設けられている、請求項２６または２７記載の組立体。
【請求項２９】
前記ステータが重力と整列した状態のままであるようにするために前記リンクの１つによって連結された前記機構体の各対の前記ステータ相互間に位置する伝動装置を更に含む、請求項２６〜２８のうちいずれか一に記載の組立体。
【請求項３０】
前記伝動装置は、プーリ・ベルト、ピニオン・チェーン、および歯車・ベルトのうちの１つを含む、請求項２９記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容、すなわち本発明は、ロボット用途で用いられる形式の静的釣り合い式機構体に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１５年７月２９日に出願された米国特許仮出願第６２／１９８，３０６号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
機構体は、静的条件下において移動中のリンクの重量によってその継手のところに導入されるトルクがそのアクチュエータによって感知されない場合に静的に釣り合いが取られていると言われる。この条件は、この機構体の潜在的エネルギーがその形態のうちの任意の形態において一定である場合に達成される。静的釣り合いは、ロボット式マニプレータの性能を向上させるようロボット式マニプレータの重量を補償するために用いられる場合が極めて多い。かかる補償の利点としては、ペイロードが増強されること、安全性が高められること、動的応答が良好になることおよび／または動力が減少することが挙げられる。
【０００４】
典型的には、重力の補償を達成するために種々の設計方式が用いられている。かかる方式の１つは、リンクの重量を補償するために釣り合いおもり（カウンタウエイト）を用いる。釣り合いおもりは、マニプレータに直接取り付けられるのが良い。この方式の主要な利点は、機構体の質量中心が重力加速度ベクトルの向きが任意所与の場合であっても一定であるということにある。この特異性は、マニプレータの基部が恣意的な向きに取り付けられた状態でマニプレータが作動するのに必要な場合に興味をそそる。しかしながら、マニプレータへの釣り合いおもりの追加により、欠点も生じる。過剰の質量は、システムの慣性を増して性能を低下させる傾向がある。釣り合いおもりの有害な影響を減少させるため、釣り合いおもりをマニプレータのわきに移動させ、次にケーブルまたは油圧伝動装置に機械的に結合するのが良い。かかる構成では、マニプレータの構造体は、もはや、追加された釣り合いおもりの質量を支持する必要はない。しかしながら、関節運動は、追加の慣性を動かすのに依然として必要であろう。
【０００５】
別の方式では、潜在的エネルギーを弾性コンポーネント、例えばばね中に蓄える。この方式は、システムに追加される質量および慣性が僅かであるという利点を有する。他方、結果的に得られる機構体は、より複雑になる傾向があり、これは、機械的妨害を招くとともに制限された動作範囲を呈する場合がある。
【０００６】
かかる設計上の選択では、通常、良好な性能を達成するために、釣り合い式機構体がロボット内に本来的に組み込まれる必要があり、ただし、既存のマニプレータにレトロフィットすることができる機構体を設計することが可能である。この技術的思想は、人間のリハビリテーションで用いられる人工外骨格の技術的思想とほぼ同じである。これらの方法は、ロボット工学で用いられることはまれであり、と言うのは、追加される機構体が扱いにくいからである。さらに、追加の質量および継手の角度的移動に課される制約がロボットの全体的性能を損なう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ハルバッハ（Halbach）型シリンダを用いる釣り合い式機構体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明によれば機構体であって、この機構体が内側キャビティを備えた第１のハルバッハ型シリンダを含み、第１のハルバッハ型シリンダは、内側キャビティの内部に円周方向に集中状態の第１の磁束を生じさせるよう磁化され、機構体が回転軸線を有する回転継手を併用状態で形成するよう第１のハルバッハ型シリンダの内側キャビティ内に同心状に受け入れられた第２のハルバッハ型シリンダを更に含み、第１のハルバッハ型シリンダおよび第２のハルバッハ型シリンダのうちの一方は、ロータであり、第１のハルバッハ型シリンダおよび第２のハルバッハ型シリンダのうちの他方は、ステータであり、第２のハルバッハ型シリンダは、円周方向外方に集中状態の第２の磁束を生じさせるよう磁化され、機構体がステータに対してロータと一緒に回転するようロータに連結された出力部を更に含み、出力部は、重力をロータに加え、重力は、回転軸線からオフセットしており、第１のハルバッハ型シリンダと第２のハルバッハ型シリンダの磁束は、出力部によって生じた重力に抗するトルクを協働して生じさせることを特徴とする機構体が提供される。
【０００９】
さらにまた、本発明によれば、第２のハルバッハ型シリンダは、ロータである。
【００１０】
さらにまた、本発明によれば、出力部は、ロータから軸方向に突き出たシャフトを有する。
【００１１】
さらにまた、本発明によれば、第２のハルバッハ型シリンダは、ロータとシャフトの併用状態における関係のためにシャフトを受け入れる内側キャビティを有する。
【００１２】
さらにまた、本発明によれば、シャフトは、第２のハルバッハ型シリンダの互いに反対側の端から軸方向に突き出ている。
【００１３】
さらにまた、本発明によれば、第２のハルバッハ型シリンダを第１のハルバッハ型シリンダに対して回転可能に支持するよう第２のハルバッハ型シリンダの互いに反対側の端のところでシャフトに設けられた軸受を更に含む。
【００１４】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、軸受を受け入れる端板を有する。
【００１５】
さらにまた、本発明によれば、出力部は、シャフトの端部のところに設けられた結合板を有する。
【００１６】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、中空円筒形本体を有し、第１の長手方向スロットが内部キャビティを円周方向に包囲し、第１の磁石が第１の長手方向スロットの各々内に受け入れられている。
【００１７】
さらにまた、本発明によれば、第１の長手方向スロット内に受け入れられた第１の磁石は各々、弓形断面を有する。
【００１８】
さらにまた、本発明によれば、機構体は、第１の磁石を１２個含む。
【００１９】
さらにまた、本発明によれば、中空円筒形本体は、チタン母材を有する。
【００２０】
さらにまた、本発明によれば、第２のハルバッハ型シリンダは、円周方向に分布して配置された第２の長手方向スロットを備える中空円筒形本体を有し、第２の磁石が第２の長手方向スロットの各々内に受け入れられている。
【００２１】
さらにまた、本発明によれば、第２の長手方向スロット内に受け入れられた第２の磁石は各々、弓形断面を有する。
【００２２】
さらにまた、本発明によれば、機構体は、第２の磁石を４個含む。
【００２３】
さらにまた、本発明によれば、中空円筒形本体は、アルミニウム母材を有する。
【００２４】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、Ｂr＝Ｂｃｏｓ（θ）およびＢθ＝Ｂｓｉｎ（θ）に従って単一の対をなす磁極を備えた磁化方向を有するよう磁化され、Ｂは、磁石の磁化の大きさであり、θは、重力と逆の向きにおけるベクトルに対する第１のハルバッハ型シリンダに沿う磁化方向の場所であり、Ｂrは、半径方向成分であり、Ｂθは、接線方向成分である。
【００２５】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、複数の別々の磁石を有し、磁化方向は、θについて別々の磁石の各々の場所を用いたＢrおよびＢθの近似である。
【００２６】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、単一の環状磁石である。
【００２７】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、Ｂr＝Ｂｃｏｓ（ｋθ）およびＢθ＝Ｂｓｉｎ（ｋθ）に従って少なくとも２つの対をなす磁極を備えた磁化方向を有するよう磁化され、Ｂは、磁石の磁化の大きさであり、θは、重力とは逆の方向におけるベクトルに対する第１のハルバッハ型シリンダに沿う磁化方向の場所であり、ｋは、磁極対の数であり、Ｂrは、半径方向成分であり、Ｂθは、接線方向成分である。
【００２８】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、複数の別々の磁石を有し、磁化方向は、θについて別々の磁石の各々の場所を用いたＢrおよびＢθの近似である。
【００２９】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、単一の環状磁石である。
【００３０】
さらにまた、本発明によれば、第１のハルバッハ型シリンダは、ｋ対の磁極を有し、ｋは、少なくとも２である。
【００３１】
さらにまた、本発明によれば、出力部は、ロータと重力との間に位置する減速機構体を有し、減速機構体は、ロータに対する重力の回転をｋ：１の比に減速する。
【００３２】
さらにまた、本発明によれば、組立体が上述の機構体を少なくとも２つ含み、少なくとも２つの機構体のロータの出力部は、機構体のトルクを合わせるよう軸方向に互いに結合されている。
【００３３】
さらにまた、本発明によれば、組立体が上述の機構体を少なくとも２つを含み、機構体のうちの第１の機構体のステータが構造体に固定されるよう構成され、第１の機構体の出力部は、第１の機構体のロータを機構体のうちの第２の機構体のステータに連結する第１のリンクである。
【００３４】
さらにまた、本発明によれば、第２の機構体の出力部は、第２の機構体のロータを機構体のうちの第３の機構体のステータに連結する第２のリンクである。
【００３５】
さらにまた、本発明によれば、リンクとステータの各組相互間に回転継手が設けられている。
【００３６】
さらにまた、本発明によれば、ステータが重力と整列した状態のままであるようにするためにリンクの１つによって連結された機構体の各対のステータ相互間に伝動装置が設けられている。
【００３７】
さらにまた、本発明によれば、伝動装置は、プーリ・ベルト、ピニオン・チェーン、および歯車・ベルトのうちの１つを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】立方体磁石を備えたハルバッハアレイの略図である。
【図２Ａ】外部場ハルバッハ型シリンダの概略端面図であり、１つの磁極対の双極形態に関する磁束を示す図である。
【図２Ｂ】外部場ハルバッハ型シリンダの概略端面図であり、２つの磁極対の四極形態に関する磁束を示す図である。
【図２Ｃ】内部場ハルバッハ型シリンダの概略端面図であり、１つの磁極対の双極形態に関する磁束を示す図である。
【図２Ｄ】内部場ハルバッハ型シリンダの概略端面図であり、２つの磁極対の四極形態に関する磁束を示す図である。
【図３】本発明による釣り合い式機構体のコアの略図である。
【図４】図３の釣り合い式機構体のコアのアーキテクチャを説明するために用いられる幾何学的パラメータの略図である。
【図５】図３の釣り合い式機構体の一実施形態の斜視図である。
【図６】図５の釣り合い式機構体の組立図である。
【図７】図５の釣り合い式機構体の断面図である。
【図８】図５の釣り合い式機構体のための磁石分布状態の一実施形態の略図である。
【図９】本発明の結合型釣り合い式機構体の概略斜視図である。
【図１０】本発明の相互作用型釣り合い式機構体を備えた３リンクシリアルアームの概略側面図である。
【図１１】２つの磁極対形態のための減速機構体を備えた釣り合い式機構体の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明は、重力を補償することが必要とされるトルクを生じさせるよう永久磁石を用いる釣り合い方式を提供する。ハルバッハ（Halbach）型シリンダの同心動作に基づく提案の技術的思想により、継手アクチュエータへの軸方向一体化が可能になり、それにより、既存の設計例に対する干渉を減少させることができる。さらに、適正な形式の磁石および磁化離散化を用いることによって、３６０°の丸１回転にわたって重力に見合った正弦波トルクを得ることができる。
【００４０】
提案する釣り合い概念は、磁石により生じる磁場相互間の相互作用を利用している。任意の磁石の双極性により、その表面周りにテスラ（Ｔ）で測定された磁場Ｂが生じる。このベクトル場は、磁束密度または磁気誘導とも呼ばれており、空間中における方向および向きで特徴付けられる。１ｍ当たりのアンペア（Ａ／ｍ）で測定された磁場強度Ｈは、空間中の所与の点のところのＢ場の密度に一致している。これら２つの量相互間の関係は、次のとおりであり、
Ｂ＝μ0（Ｍ＋Ｈ）
【００４１】
上式において、μ0は、真空透磁率、Ｍは、材料の磁化の強さである。磁化の強さは、磁石がそれ自体内で生じさせることができる双極子の強度を表している。電磁石よりも永久磁石を選択するのが良く、その理由は、永久磁石は、磁場を生じさせるのに電力を必要とせず、かくして機構が関節運動に能動的に作用することができるからである。さらに、永久磁石は、典型的には、重量が所与の場合、電磁石よりも強力である。それにもかかわらず、電磁石は、本発明によれば釣り合い式機構体で使用できる。
【００４２】
磁場の強度は、相互作用に起因して生じる引き付け力および反発力の大きさを定める。しかしながら、永久磁石周りの磁場の強度は、磁石の表面までの距離が増大するにつれて急速に減少する。それゆえ、磁石は、互いに接近したままの状態であることが望ましいと言える。したがって、磁石相互間の直線変位を利用した技術的思想は、ポテンシャルが極めて制限されている。これとは異なり、当初整列した磁石の円形運動が磁石相互間にトルクを生じさせるよう選択される。
【００４３】
磁石中の磁化が一方向である場合、表面周りの結果として生じる磁場は、対称である。しかしながら、ハルバッハアレイ（Halbach array）と呼ばれている特定の磁化パターンを用いることによって磁場を他方の側で打ち消しながら磁石の特定の側に磁場を集中させることが可能である。アレイは、その直線離散形態で図１に示されており、正方形は、磁石を表し、矢印は、磁化方向を表し、線は、磁気ポテンシャルを表している。回転運動を得るため、アレイは、図２Ａ〜図２Ｄに示されているようにハルバッハ型シリンダを形成するよう円の状態に形作られるのが良い。すると、結果として生じる磁場は、ある特定の数の磁極対を用いてシリンダの外側または内側に、すなわち、それぞれ円周方向外側または円周方向内側に集中状態になる。１つおよび２つの磁極対アレイを備えた外部場ハルバッハ型シリンダＣ１がそれぞれ図２Ａおよび図２Ｂに示されており、１つまたは２つの磁極対アレイを備えた内部場ハルバッハ型シリンダＣ２がそれぞれ図２Ｃおよび図２Ｄに示されている。ハルバッハ型シリンダ磁石内の磁化の方向は、
Ｂr＝Ｂｃｏｓ（ｋθ）…（１）
Ｂθ＝Ｂｓｉｎ（ｋθ）…（２）
に従って連続的に変化し、
【００４４】
上式において、Ｂは、磁石の磁化の大きさ、θは、重力とは逆の方向におけるベクトルに対するハルバッハ型シリンダに沿う方向の場所、Ｂは、その半径方向成分、Ｂθは、その接線方向成分である。整数ｋは、磁極対の数を示し、正の値は、内部構成を意味している。
【００４５】
図３を参照すると、本発明の釣り合い式機構体１０が図２Ａおよび図２Ｂに示されているような外部ハルバッハ型シリンダＣ１を図２Ｃおよび図２Ｄに示されているような内部場ハルバッハ型Ｃ２内に、シリンダＣ１に対するシリンダＣ２の回転を可能にする回転自由度をもって、嵌め込むことによって構成される。トルクＴは、シリンダＣ１に加わる負荷の重量によって、同心シリンダＣ２に対するその向きθの関数として生じる。
【００４６】
ハルバッハ型シリンダの中央に生じた一様な磁場は、例えば核磁気共鳴（ＮＭＲ）、粒子加速装置および磁気冷却装置のような用途で有用である。ＮＭＲ、粒子加速装置および磁気冷却装置の上述の用途における課題のうちの１つは、磁場の均質性および強度を最適にする一方で、必要な磁石の体積を最小に抑えることである。この目的を達成するために用いられるパラメトリック最適化は、例えば、ビョーク・アール（Bjork, R），バール・シー・アール・エイチ（Bahl, C. R. H），スミス・エー（Smith, A）およびプリッズ・エヌ（Pryds, N），「オプティマイゼーション・アンド・インプルーブメント・オブ・ハルバッハ，シリンダ・デザイン（Optimization and improvement of Halbach, cylinder design）」，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics），２００８年，１０４（１），ｐ．０１３９１０で提供されている。二次元の場合に関し、分析的解明が例えば、ビョーク・アール（Bjork, R），スミス・エー（Smith, A），バール・シー（Bahl, C），「アナリシス・オブ・ザ・マグネチック・フィールド・フォース・アンド・トルク・フォー・トゥーディメンショナル・ハルバッハ・シリンダーズ（Analysis of the magnetic field, force, and toruque for twodimentional Halbach cylinders）」，ジャーナル・オブ・マグネチズム・アンド・マグネチック・マテリアルズ（Journal of Magnetism and Magnetic Materials），２０１０年，３２２（１），ｐｐ．１３３‐１４１においてハルバッハアレイ内の磁場に関して存在する。しかしながら、提案されている釣り合い式機構体は、トルク発生に焦点を当てているので、後者の結果を直接的には利用することができない。さらに、図３の機構体１０内に配置されたシリンダ相互間の三次元引き付けおよび反発相互作用は、複雑過ぎて分析的解明を生じさせることができない場合がある。これとは異なり、図３の釣り合い式機構体１０のための最適なハルバッハアレイに取り組むため、例えばＣＯＭＳＯＬ（商標）マルチフィジックス（Multiphysics）を用いて数値解をコンピュータ計算することによってパラメータの効果を個々に検討する。次に、シミュレーションの結果を必要なハルバッハアレイの設計の際の指針として使用することができる。
【００４７】
図４に示されているパラメータで始まって、以下の無次元比を導入して幾何学的形状を良好に特徴付ける。
2018523127.tif 000003
(3)
2018523127.tif 000004
(4)
【００４８】
上式において、αを厚さ比といい、βを形状比という。
【００４９】
第１に、磁極対の数の影響を調べる。図３および図４に示されているような嵌め込まれたシリンダにより生じるトルクは、単一の磁極対が存在している場合にのみ重力に見合うことができる。しかしながら、２つ以上の磁極対を用いた形態の運動を潜在的には、単一の磁極対形態で得られた挙動と同一の挙動を得るには潜在的にギヤダウンするのが良い。双極形態を用いることは、より単純な機械的設計を意味するが、多くの磁極対を備えた形態は、ギヤ減速後であっても高い出力トルクを有する。四極形態が二極形態よりも高いポテンシャルを有する場合であっても、この機構体に伝動装置が必要であることにより幾つかの欠点、例えば摩擦が生じること、質量が増加することおよび伝動装置に必要なスペースが必要になる。これらの理由で、この調査の残りは、単一磁極対形態に焦点を合わせている。それにもかかわらず、得られた結果を多磁極対形態に拡張することができる。特に、以下に詳細に説明する図３および図８の実施形態は、単一磁極対を示しているが、図３および図８の実施形態は、２つ以上の磁極対もまた特徴としている場合がある（例えば、図２Ｂおよび図２Ｄの磁場に基づいて）。
【００５０】
ハルバッハアレイは、所与の用途によって許容される空間に最適に合うよう半径および長さが形作られるのが良い。しかしながら、アレイ寸法相互間の特定の比は、磁石体積が所与の場合、生じるトルクを最大にする。一般的傾向として、この磁石体積の増加につれ、任意の形状比βについて最大トルクが線形的に増大する。幾つかの特定の実施形態では、大きな幾何学的形状は、トルクが高いので多数の小さな幾何学的形状よりも好ましいと言え、ただし、他の用途は、小さな幾何学的形状に良好に適している場合がある。また、一般的傾向として、形状比が高ければ、トルク能力が向上する。
【００５１】
他のパラメータ、例えば内径Ｒｉおよびシリンダ相互間の空隙（ｒｅ‐Ｒｉ）はまた、隙間（ｒｅ‐Ｒｉ）を機能的最小値まで減少させることにより最大トルクが増加することになるので最大トルクに対する影響を有する。しかしながら、これらパラメータは、機械的設計に関連付けられる。例えば、スペースは、結合機構体に合うよう内側シリンダＣ１内に必要な場合がある。
【００５２】
永久磁石の磁化プロセスでは、磁石を通って極めて高い磁場を加える。しかる後、磁石は、加えられた磁場のうちの何分の一かを維持する。一方向磁化向きが所望ならば、このプロセスは容易である。しかしながら、複雑な向き、例えば図２Ａ〜図２Ｄに示されている向きは、特定の磁化セットアップを必要とし、これらの例が、ヅー・ゼット（Zhu, Z），シア・ゼット（Xia, Z），アッタラー・ケー（Atallah, K），ジュエル・ジー（Jewell, G ）およびハウ・デー（Howe, D），「パウダー・アラインメント・システム・フォー・アニソトロピック・ボンデッド・ＮｄＦｅＢ・ハルバッハ・シリンダーズ（Powder alignment system for anisotropic bonded NdFeB Halbach sylinders）」，マグネチックス，アイトリプルイー・トランサクションズ（Magnetics, IEEE Transactions），２０００年，３６（５），ｐｐ．３３４９‐３３５２またはアッタラー・ケー（Atallah, K）およびハウ・デー（Howe, D），「ジ・アプリケーション・オブ・ハルバッハ・シリンダーズ・トゥー・ブラシレス・エーシー・サーボ・モーターズ（The application of Halbach cylinders to brushless ac servo motors）」，マグネチックス，アイトリプルイー・トランサクションズ（Magnetics, IEEE Transactions），１９９８年，３４（４），ｐｐ．２０６０‐２０６２に記載されている。ハルバッハ型シリンダ内の磁石の連続磁化は、最大出力トルクをもたらすが、かかるパターンを得るのに必要な方法は、コスト高である。
【００５３】
かくして、より一般的な磁石を用いて別の設計を検討するのが良い。別々の磁石を用いることによって、磁化プロセスを単純化することができ、と言うのは、標準的な方法を適用することができるからである。さらに、磁石および支持母材に施された向きを表すマーカと組み合わせて用いられる磁石の離散化は、磁石がハルバッハ効果を生じさせるよう適正に配置されることを保証することができる。他方、より多くの磁石を用いてハルバッハアレイを構成すると、結果として、より複雑で嵩の大きな設計が生じる場合がある。
【００５４】
標準的な形状、例えば筒体または立方体を用いると、方程式（１）および方程式（２）に基づいてハルバッハ型シリンダ内に連続磁化およびハルバッハ型シリンダに沿う別々の磁石の場所を近似することができる。この方式を用いると、アレイのコストが大幅に減少するが、磁石相互間の隙間により生じる低い磁気密度が発生させる出力トルクは、比較的小さい。さらに、円筒形の別々の磁石が用いられる場合、方程式（１）および方程式（２）に基づいて磁石の磁化方向を整列させるためにある程度の較正を行わなければならず、しかも使用中、円筒形の別々の磁石が回転することがないように注意を払わなければならない。
【００５５】
この方式の代替手段は、弓形の磁石を用いることである。結果的に得られる磁気密度は、高く、かくして最大トルクを増大させる。さらに、弓形幾何学的形状の発生トルクは、パターンを構成するために用いられたセグメントの数の関数である。弓形セグメントの個数が増大すると、機構体により生じる最大トルクが最適値に近づく。実用的設計では、セグメント化（例えば、弓形磁石または任意他の形状へのセグメント化）は、磁石の取り扱いおよび一体化を容易にする上で望ましいと言える。しかしながら、この設計が内側シリンダＣ１の磁石相互間に隙間を必要とする場合、トルク挙動は、重力によって引き起こされたトルクと合わない場合がある。
【００５６】
図５〜図８を参照すると、釣り合い式機構体１０の実施形態が詳細に示されており、この実施形態は、内側シリンダＣ１および外側シリンダＣ２を備えている。図示の実施形態では、外側シリンダＣ２は、釣り合い式機構体１０のステータ１２の一部であり、内側シリンダＣ１は、ロータ１４の一部であり、ただし、これとは逆の構成にすることが想定される。図示の実施形態では、内側シリンダＣ１は、アクチュエータ（例えば、モータ）によって駆動されるのが良く、外側シリンダＣ２は、内側シリンダのための支持構造体であり、ただし、逆の構成を得るには、この配置を逆にすれば良い。
【００５７】
ステータ１２は、ロータ１４を回転可能に受け入れる内側キャビティ２１を備えた円筒形本体２０を有し、円筒形本体２０を中空シリンダに構成する。フランジ２２が円筒形本体２０の端から半径方向外方に突き出ている。種々の材料（例えば、プラスチック、アルミニウム、黄銅、ステンレス鋼など）を円筒形本体２０に使用することができるが、チタン母材が以下に説明する機能を実行するのに好適である。円筒形本体２０は、長手方向に整列したスロット２３を図示の実施形態では１２個有し、各スロットは、弓形磁石２４または任意適当な形状の磁石を受け入れるよう形作られている。磁石２４は、ステータ１２、すなわちハルバッハ型シリンダＣ２のためのハルバッハ効果の円周方向内方の磁束を生じさせるためのセグメント化磁石配列体を形成している。端板２５が円筒形本体２０の互いに反対側の端でフランジ２２に取り付けられており、ロータ１４および磁石２４は、ステータ１２内で捕捉状態に保持されている。フランジ２２と端板２５の組み合わせは、円筒形本体２０内のコンポーネントを包囲する上で考えられる多くの配列体のうちの１つである。ステータ１２は、図示の実施形態では構造的コンポーネントであるので、取り付けボアが端板２５のうちの１つ、例えば端板２５のうちの１つから軸方向に遠ざかって突き出たシャフトの反対側に位置する端板２５上に分布して配置されるのが良い。
【００５８】
端板２５は、軸受３０の外レースを支持することができ、これら軸受３０は、ロータ１４を回転可能に支持するために用いられ、その結果、ステータ１２とロータ１４との間には共通の回転軸線Ｘ回りの回転自由度が得られている。
【００５９】
図６〜図８を参照すると、ロータ１４は、最小の隙間でステータ１２の内側キャビティ２１内に受け入れられるよう寸法決めされている外面を備えた円筒形本体４０を有する。円筒形本体４０は、内側キャビティ４１を備え、それにより円筒形本体４０が中空シリンダになっている。種々の材料（例えば、プラスチック、チタン、黄銅、ステンレス鋼など）を円筒形本体４０に使用することができるが、アルミニウム母材が以下に説明する機能を実行するのに好適である。円筒形本体４０は、長手方向に整列したスロット４３を図示の実施形態では４個有し、各スロットは、弓形磁石４４または任意適当な形状の磁石を受け入れるよう形作られている。磁石４４は、ロータ１４、すなわちハルバッハ型シリンダＣ１のためのハルバッハ効果の円周方向外方の磁束を生じさせるためのセグメント化磁石配列体を形成している。
【００６０】
シャフト４５が内側キャビティ４１内に受け入れられており、このシャフトは、円筒形本体４０と一緒に回転するよう円筒形本体４０に一体的に連結されている。シャフト４５は、端板２５のうちの一方から遠ざかるよう軸方向に突き出ており、このシャフトは、偏心的に位置決めされた、すなわち、回転軸線Ｘからオフセットした荷重に連結可能な任意適当な荷重支持体を有するのが良い。図示実施形態では、荷重支持体は、円周方向に分布して配置されたタップ付きねじ立てボアを備えた円形の結合板４６である。シャフト４５の反対側の端は、作動度に合わせて連結されるのが良く、またはこの逆の関係が成り立つ。
【００６１】
図８を参照すると、磁石２４，４４の両方の組のための磁化構成例が示されており、矢印は、単一の磁極対についての磁化方向を表し、ただし、多数の磁極対を上述した制限のもとで使用することができる。この磁化構成例は、ステータ１２とロータ１４が協働してロータ１４に偏心的に加わる重力に抗してトルクを生じさせるようなものであり、重力ベクトルは、ｇとして示されている。磁石２４，４４の方向の角度は、３６０°にわたって重力の効果を実質的に補償する磁化構成例を表している。磁化構成例は、図３の磁化構成例とほぼ同じであり、これについて次のように説明することができる。
【００６２】
ロータ１４の磁石４４は全て、外部場を生じさせるよう重力のベクトルとは全体として逆でありかつトルクを加える荷重と整列した磁化方向を有する（±１０°）。釣り合い式機構体１０を静的にバランス取りするため、ステータ１２の磁石２４は、ステータ１２の長手方向軸線に垂直なステータ１２の平面に対して詳細に説明したように以下に説明する磁化方向を有し、従来どおり用いることによって内部磁場を発生させ、重力ベクトルは、ステータ１２上で６ｈ００のところに位置し、０°は、ステータ１２上で３ｈ００に差し向けられたベクトルであり、９０°は、１２ｈ００に差し向けられたベクトルであり、１８０°は、９ｈ００に差し向けられたベクトルであり、２７０°は、６ｈ００に差し向けられたベクトルである。磁化方向は、上述の方程式（１）および（２）の近似値によって定められる。例えば、１２ｈ００のすぐ時計回りの方向に配置された磁石に関し、近似値は、別個の磁石によってカバーされる環状セグメントの任意の値のところで取られたθを有し、ただし、適当な近似値を得る上で中間値が好適であると言える。それゆえ、１２ｈ００のところで始まって、時計回りの方向に、１２個の磁石４４に関する磁化方向を順次６０°、０°、３００°、２４０°、１８０°、１２０°、６０°、０°、３００°、  ２４０°、１８０°、１２０°として近似させることができる。ステータ１２の磁石は、全て９０°のところに位置している。
【００６３】
図９を参照すると、釣り合い式機構体１０が組み合わせトルクを同時に生じさせるよう軸方向に結合された構成例が示されている。全部で２５０Ｎｍのトルクでアーム５０の釣り合いを取るため、例えば、釣り合い式機構体１０Ａは例えば１００Ｎｍモジュールであるのが良く、釣り合い式機構体１０Ｂは５０Ｎｍモジュールであるのが良い。これは、釣り合い式機構体１０Ａ，１０Ｂのロータの結合を必要とするが、所与の荷重の場合、釣り合い式機構体の組をカスタマイズするためにモジュール形態であっても良い。
【００６４】
図１０を参照すると、３リンクシリアルアームがそれぞれ６０Ａ，６０Ｂとして示されている。シリアルアーム６０Ａ，６０Ｂは、３つのリンク７０で構成されているものとして示されているが、ほぼ同じ構成で２本または３本以上のリンクを有しても良い。シリアルアーム６０Ａ内では、釣り合い式機構体１０のステータは、ベースステータが図示のように構造体に固定されていることに起因してステータが重力との整列関係を保つことができるように、伝動装置８０、例えばプーリ・ベルトで互いに結合されている。リンク７０のうちの２本は、ロータをステータに連結しているが、ステータがこれらの重力整列状態を保持することができるようリンク７０の端とステータとの間に回転継手を備えている。他の伝動装置としては、歯車電動装置、チェーンおよびピニオンなどが挙げられる。シリアルアーム６０Ｂ内では、ロータ相互間にかかる伝動装置が存在せず、その結果、重力の基準は、シリアルアーム６０Ｂの運動を介して維持されることがない。
【００６５】
磁気釣り合い式機構体１０のプロトタイプの構成について種々の要因を検討するのが良い。
【００６６】
磁石選択に関し、永久磁石は、特に電力が存在しないことによって、電磁石よりも実用的であると言える。永久磁石の場合、飽和残留磁束密度（remanent induction、なお、レマネンスとも呼ばれる）、キュリー温度（Curie temperature）および飽和保磁力（coercivity）が関係している場合がある。
【００６７】
Ｂｒで示された飽和残留磁束密度は、外部場が加えられていない場合における磁石内の磁化の値である。飽和残留磁束密度は、磁化プロセスの結果であり、製造業者によって与えられる。高い飽和残留磁束密度値は、磁石周りの磁場強度を増大させる。
【００６８】
Ｔｃで示されたキュリー温度は、磁石がその磁化を永久に失う温度である。しかしながら、磁化プロセスによって再び磁化された場合、磁石は、その当初の誘導を再び得ることができる。磁石の特性および性能は、一般に、温度が増大すると減少する。これらの動作点は、これらのキュリー温度から遠く離れていなければならない。
【００６９】
Ｈｃで示された飽和保磁力は、磁石内の磁化を打ち消すのに必要な磁化と逆の磁場である。永久磁石は、高い逆の磁場にさらされた場合これらの飽和残留磁束密度のうちの何分の一かを失う。飽和保磁力は、大まかに言えば、消磁に対する磁石の耐性を表している。
【００７０】
釣り合い式機構体１０で用いられるのに好適な磁石の例として、希土類磁石は、比較的高価であり、これらの製作もまた、複雑でありかくして可能性のある形状が制限される。第１の重要なサブクラスは、ネオジウム磁石であり、これは適当な飽和残留磁束密度および飽和保磁力を備え、それにより、ネオジウム磁石を永久磁石釣り合い式機構体１０では適当なものにする。他方、かかる磁石は、温度増加に対する抵抗が貧弱であり、これらは、腐食の影響を受けやすいので、コーティングが必要である。ネオジウム磁石と同様、コバルト磁石は、良好な磁気特性を有する。これらの飽和残留磁束密度および飽和保磁力は、ネオジウム磁石の飽和残留磁束密度および飽和保磁力よりも僅かに低いが、これらの耐温度性および耐腐食性は、優れている。コバルト磁石の主要な欠点は、これらのコストである。
【００７１】
希土類磁石、例えばフェライト磁石およびＡｌＮｉＣｏ磁石と同じほど適切なものとはしない特性を依然として備えた諸形式の磁石を用いることができるが、例えば上述したような磁石は、砕けやすく、しかも脆い場合がある。これら磁石は、良好な構造的特性を得るために磁気特性を犠牲にしてでもポリマーに結合されるのが良い。
【００７２】
パターン中の消磁は、機構体の設計および磁石選択の際に考慮すべき重要な作用効果である。磁石内の磁場が磁化と逆でありかつある特定のしきい値を超える場合、磁石は、永久飽和残留磁束密度損失を受ける場合がある。外部磁場が存在している場合における磁気材料の挙動は、固有のヒステリシス曲線、すなわち磁石の特性、例えば磁化に対する外部場Ｈの影響から得られ、通常のヒステリシス曲線は、磁石内の正味の磁束または磁気誘導に対する外部場の影響を特徴付けている。
【００７３】
低級磁石が用いられる場合、消磁を減少させるための遮蔽技術を用いることが計画される。鉄片は、これらの高い磁気透過性により、磁場を方向付けるために用いられる場合があり、隣り合う磁石内の消磁を減少させる。加うるに、鉄シールドを幾何学的形状全体の直径周りに追加して消磁を減少させるとともに外周部を介する磁束の漏れを制限するのが良い。消磁を制限しながら、鉄片の追加はまた、生じるトルクを減少させる。
【００７４】
提案された設計により、欠点を僅かにした状態で既存の関節運動の容易なレトロフィットが可能である。ハルバッハアレイの状態に配列された一連の磁石を用いることによって、重力に見合ったトルクを生じさせる。その結果得られる機構体は、大抵の設計に容易に組み込み可能であり、と言うのは、これは、関節運動に対して軸方向に追加することができるからである。提案した機構体の動作範囲は、制限されず、可能性のある干渉がなくなる。また、トルクを磁気相互作用により生じさせるので、システムに追加される摩擦が減少する。
【００７５】
図１１を参照すると、釣り合い式機構体１０は、例えば図２Ｂおよび図２Ｄに示された形式の２つの磁極対形態を有する形式のものである。２つの磁極対形態は、１８０°にわたって正弦波トルクを生じさせる。したがって、トルクを重力に合わせるためには、アーム８１がロータ１４の丸２回転について１回の回転を行うために（２：１）減速機構体８０を用いるのが良い。減速機構体８０は、例えば遊星型の任意適当な減速機構体である。同じ原理は、減速比を更に増大させるために当てはまる。例えば、釣り合い式機構体１０は、４：１の減速機構体を用いて４つの磁極対形態を有することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2018523127.tif 000007
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2018523127.tif 000009
【図３】
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【図４】
2018523127.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018523127.tif 000015
【図９】
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【図１０】
2018523127.tif 000017
【図１１】
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【国際調査報告】
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