(57)【要約】【課題】磁気ねじを用いたアクチュエータを構成する構成要素を低減し、小型化する。【解決手段】磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじを用いて直線移動又は回転移動を行う駆動装置であり、磁気ねじを構成する磁気ねじ軸と磁気ナットとにおいて、磁気ナットと磁気ナットを回転駆動させるための機構とを一体化した構成とすることによって、従来磁気ナットを回転駆動させるために必要としていた駆動モータ回転子、および駆動モータ回転子と磁気ナット側の磁極とを結合するブロック部の構成要素を削減し、これによって、構成要素を低減し、小型化する。【選択図】図１
2016025700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周面に異なる極性の螺旋状の磁極が互いに隣接して配置された磁気ねじ軸と、
前記磁気ねじ軸の周面に対して間隔を隔てて配置された磁気ナットとを備え、
前記磁気ナットは固定子と中間回転子とを備え、
前記中間回転子は、
異なる極性の２条の螺旋状の磁極が周方向に交互に隣接して配置された環状体を備え、当該環状体のラジアル方向の周面において、
前記磁極の周面の一部は、前記固定子の周面に対して間隔を隔てて配置され、
前記磁極周面の他部は、前記磁気ねじ軸の周面に対して間隔を隔てて配置され、
前記固定子は、前記中間回転子の少なくとも一部の周囲に対して、回転磁界を形成する電機子を備え、
前記回転磁界は、前記中間回転子の回転動作を介して前記磁気ねじ軸を駆動させ、前記磁気ナットと前記磁気ねじ軸とを磁気ねじ軸の軸方向に相対移動させることを特徴とする磁気ねじアクチュエータ。
【請求項２】
前記中間回転子は２条の螺旋状の磁極を備え、当該磁極は螺旋方向に沿って所定間隔に着磁部分と非着磁部分を備え、
前記所定間隔は、前記中間回転子のＮ極の磁極とＳ極の磁極を周方向に交互に等間隔で配置され、着磁部分と非着磁部分をそれぞれ市松模様状に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気ねじアクチュエータ。
【請求項３】
前記中間回転子の２条の螺旋状の磁極において、前記着磁部分は螺旋方向の中間に高透磁率材を備え、
前記高透磁率材は、各々の条の螺旋状の磁極に対して、磁極のピッチの１／４ピッチ分だけ位置ずれした位置に配置され、
前記高透磁率材は、前記固定子のｄ軸磁束を前記磁気ねじ軸のＮ極とＳ極の境界のｑ軸に導く磁路を形成されることを特徴とする、請求項２に記載の磁気ねじアクチュエータ。
【請求項４】
前記磁気ねじ軸は直線状の円筒体であり、周面に異なる極性の２条の螺旋状の磁極は互いに隣接して配置され、
前記磁気ナットと前記磁気ねじ軸とは、当該円筒体の直線状の軸方向に沿って相対的に直線運動することを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の磁気ねじアクチュエータ。
【請求項５】
前記磁気ねじ軸は断面が円形の環状体であり、中間回転子と対向する面において、異なる極性の２条の磁極は互いに隣接し、軸方向に対して角度を有して配置されて螺旋状磁極の一部が形成され、
前記磁気ナットと前記磁気ねじ軸とは、当該環状体の環状の軸方向に沿って相対的に円弧運動及び／又は回転運動で駆動することを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の磁気ねじアクチュエータ。
【請求項６】
複数の前記固定子を前記磁気ねじ軸の環状体の周方向に沿って配置されることを特徴とする、請求項５に記載の磁気ねじアクチュエータ。
【請求項７】
前記固定子は、当該固定子の周方向に沿って配置された複数のコイルユニットを備えることを特徴とする、請求項１から６の何れか一つの記載の磁気ねじアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高齢者支援ロボット、工場の支援ロボット、家事サービス支援ロボット等の人間支援型ロボット、各種工作機械、アクティブサスペンション等の駆動源に利用可能な駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人と協調してタスクを実行する協働ロボッ卜やアシストロボットにおいては、ギヤ等の機械要素を用いずにモータによって関節を直接駆動するダイレクトドライブシステムが安全性や、エネルギー効率、制御性能の観点から有効である。
【０００３】
しかし、ロボッ卜の関節駆動に必要な力をモータ単体で発生させることが難しいため減速機と組み合わせて用いられることが多い。
【０００４】
そのため、従来の小型で力の強いアクチュエータは、高回転型モータと高減速比の減速機から構成されている。この構成の出力軸の等価慣性は（出力リンク慣性＋モータ回転慣性×減速比２）で表され、モータ回転慣性は減速比の二乗で増加するため、出力リンクが人と衝突した際に非常に大きな力積が生じる。そのため、大きなトルクと引き替えに危険性が高まるという問題がある。
【０００５】
高齢者支援ロボット、工場の支援ロボット、家事サービス支援ロボット等の人間支援型ロボット等は、従来の産業用ロボットと異なって、人間とロボットとが接近した環境で使用されることが想定される。特に、人との接触動作に伴って発生する危険性を低減するためには、ロボットの関節や外装について柔軟性が求められるが、従来のようにモータと減速機を組み合わせたアクチュエータでは対応が困難であるという問題もある。
【０００６】
大きな慣性による問題点を解決するために、ドイツ航空宇宙センター（ＤＬＲ）やＫＵＫＡ社は、小型・軽量に設計することで慣性を軽減し、かつ、減速機にセンサを取り付けて力を検知・制御できるアクチュエータを開発している。
【０００７】
一方、出力リンクと減速機の間にバネを挿入することで、減速機によって増大したモータ慣性と出力リンク慣性を分離し、出力軸の等価慣性を低減する直列弾性アクチュエータがMIT、Stanford大学、NASAとGM、イタリアPisa大学、IIT、ベルギーVrije大学で研究・開発が行われている。これらのアクチュエータは制御帯域が狭いという問題がある。例えば、ＤＬＲのアクチュエータではセンサの帯域は６００Ｈｚである。
【０００８】
一方、モータ単体の力の制御帯域は数ｋＨｚであるため、モータ単体によって直接駆動（ダイレクトドライブ）できれば、慣性増大の要因である減速機を廃することができるが、小型ロボットに必要なトルクをモータ単体で発生させるには、モータ重量が増加し小型化が難しいという問題がある。
【０００９】
本願発明の出願人は、上記問題を解決するために、減速機を用いずにモータ単体で大きな推力が得られるアキシャルギャップ形のらせん形状のモータ(スパイラルモータ)を提案している（特許文献１）。このスパイラルモータはギャップ変位と螺旋運動を独立に制御するモータによって、螺旋運動を直線運動に変換してリニアモータとして使用している。一方で、古くから磁力を利用して回転運度を直線運動に変換する磁気ねじが提案されている。磁気ねじは機械的な接触がほとんどないため、低摩擦のギヤとして用いることができ、高いバックドライバビリティが期待できる。なお、バックドライバビリティとは、アクチュエータの入力軸と出力軸の力の双方向伝達能力であり、バックドライバビリティは動力の伝達に伴う摩擦を低減することによって高めることができる。
【００１０】
磁気ねじは、初期には永久磁石と鉄心間に働く吸引力を利用した構成が提案されている。近年の数値シミュレーションによれば、ナットとねじの両方に永久磁石を用いることによって１０ＭＮ／ｍ２の推力密度が実現できる可能性があることが示されている（非特許文献１）。また、外部に駆動源を付加して使用する磁気ねじの実機開発も報告されている(非特許文献２)。デンマークのAalborg大学による実機開発が報告されている（非特許文献３）。
【００１１】
これらの磁気ねじは電気−機械エネルギ一変換の機構を持たないため、外部に駆動源を付加して使用している。
【００１２】
磁気ねじに電気−機械エネルギ一変換機構を付加することによって外部駆動源を不要とした構成が提案されている。図２４は従来の磁気ねじ直動機構の構成を説明するための概略図である。
【００１３】
図２４において、磁気ねじ直動機構１０１は、磁気ねじ軸１０２とナットブロック１０３と駆動モータ１０５とから構成されている。磁気ねじ軸１０２は円筒状体の外周に螺旋状磁極１０２Ａを備え、ナットブロック１０３はナットブロック部１０３Ａに螺旋状磁極１０３Ｂを備え、螺旋状磁極１０２Ａと螺旋状磁極１０３Ｂは磁気ねじ軸１０２のラジアル方向に間隔を隔てて配置される。ナットブロック１０３を回転駆動して螺旋状磁極１０３Ｂを回転させると、螺旋状磁極１０２Ａと螺旋状磁極１０３Ｂとの間の磁気作用によって磁気ねじ１０２軸を直動する。
【００１４】
駆動モータ１０５はナットブロック１０３を回転駆動する駆動機構であり、駆動モータ回転子１０５Ａと駆動モータ磁界１０５Ｂとから構成される。駆動モータ回転子１０５Ａはナットブロック部１０３Ａに設けられ、駆動モータ磁界１０５Ｂは固定したコイル機構で構成され、駆動モータ磁界１０５Ｂが形成する回転磁界は駆動モータ回転子１０５Ａを回転駆動する（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３７１２０７３号
【特許文献２】特開２００３−１２０７８０号公報（図７参照）
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】J.Wang.K.Atallash, and W.Wang,“Analysis of a Magnetic Screw for High Force Density Linear Electromagnetic Actuators”IEEE Trans. on Magnetic,vol.47.No.10.pp.4477-4480,2011.
【非特許文献２】S.Pakdelian,N.W.Frank,H.A.Toliyat,“Principles of the Trans-Rotary Magnetic Gear”IEEE Trans, on Magnetics, vol.49.No.2.Feb.2013
【非特許文献３】D.Lassen,S.E.Mark and S.Christensen,“Application of a Magnetic Lead Screw and Permanent Magnet Synchronous Machine as an Active Suspension System for an Electric Vehicle”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
先に特許文献１で提案したアキシャルギャップ形のらせん形状のモータ(スパイラルモータ)は、運動の自由度が微小なギャップ変位の運動とらせん運動の２自由度であるため、各自由度を制御するための３相インバータを２セット用意する必要があるという課題がある。
【００１８】
特許文献２に示されている磁気ねじ搬送機構は、ナットブロックを回転駆動する電気−機械エネルギー変換機構として駆動モータ１０５を備える。この駆動モータ１０５は、回転磁界によって回転する駆動モータ回転子１０５Ａの構成要素、および螺旋状磁極１０３Ｂに回転駆動を伝えるためにナットブロック部１０３Ａの構成要素を別途必要としている。そのため、磁気ねじ搬送機構を構成する構成要素の個数が増加し、大型化するという課題がある。
【００１９】
そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、磁気ねじを用いたアクチュエータを構成する構成要素を低減し、小型化することを目的とする。
【００２０】
また、磁気ねじアクチュエータを駆動制御するインバータの個数を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願発明の磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじを用いて直線移動又は回転移動を行う駆動装置であり、磁気ねじを構成する磁気ねじ軸と磁気ナットとにおいて、磁気ナットと磁気ナットを回転駆動させるための機構とを一体化させることによって、従来磁気ナットを回転駆動させるために必要としていた駆動モータ回転子、および駆動モータ回転子と磁気ナット側の磁極とを結合するブロック部の構成要素を削減し、これによって、構成要素を低減し、小型化する。
【００２２】
磁気ナットと回転駆動のための機構との一体化は、磁気ナットの磁極を、磁気ねじ軸の磁極との間で磁気力を作用させる通常の磁極として用いると共に、磁気ナットの回転要素を回転させるための磁極として用いることで行う。これによって、本願発明の磁気ナットの磁極は、磁気ねじ軸に推力を与えるための磁極と、磁気ナットの回転要素を回転駆動させるための磁極とを兼用した構成とし、これによって構成要素を削減する。
【００２３】
本願発明の磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじ軸と磁気ナットとを備える。磁気ねじ軸には、周面に異なる極性の螺旋状の磁極が互いに隣接して配置される。磁気ナットは、磁気ねじ軸の周面に対して間隔を隔てて配置される。
【００２４】
磁気ねじ軸は直線状あるいは環状とすることができる。磁気ねじ軸が直線状である場合には、磁気ナットと磁気ねじ軸とは直線状の軸方向に対して相対的な直線移動を行い、磁気ねじ軸が環状である場合には、磁気ナットと磁気ねじ軸とは環状の軸方向に対して相対的に回転移動あるいは円弧移動を行う。
【００２５】
直線移動の相対移動において、磁気ねじ軸を直線移動させる場合には、磁気ねじ軸は可動シャフトを構成する。また、磁気ナットを直線移動させる場合には、磁気ナットはムービングコイルを構成する。
【００２６】
磁気ナットは固定子と中間回転子とを備える。中間回転子は、異なる極性の２条の螺旋状磁極が互いに隣接して配置された環状体を備える。中間回転子が備える螺旋状磁極は、環状体のラジアル方向の周面において、磁極の周面部分の一部は固定子の周面に対向して間隔を隔てて配置され、磁極の周面部分の他部は磁気ねじ軸の周面に対向して間隔を隔てて配置される。
【００２７】
中間回転子の螺旋状磁極は、固定子に対して回転駆動するための磁極を構成すると共に、磁気ねじ軸に対して軸方向に推力を発生させるための磁極を構成しており、一つの磁極で固定子に対して作用する磁極と磁気ねじ軸に対して作用する磁極の２つの磁極を兼用する。
【００２８】
固定子は、中間回転子の少なくとも一部の周囲に対して、回転磁界を形成する電機子を備える。固定子の回転磁界は中間回転子の磁極との磁気的作用によってマグネットトルクを発生し、中間回転子を回転駆動する。中間回転子は、中間回転子の螺旋状磁極と磁気ねじ軸の螺旋状磁極との磁気的作用によって磁気ねじ軸に対して軸方向の推力を発生する。これによって、磁気ナットと磁気ねじ軸とを磁気ねじ軸の軸方向に相対移動させる。
【００２９】
固定子が備える電機子は、中間回転子の螺旋状磁極の円弧方向に磁極が移動する回転磁界を形成し、この回転磁界によって中間回転子を駆動させる。回転磁界の形成は、一つのインバータで形成した多相電流を電機子に流すことで行うことができるため、並進運動と螺旋運動の各運動形態に要した二つのインバータは不要であり、一つのインバータで駆動することができる。
【００３０】
本願発明の中間回転子は、螺旋状磁極の構成として以下の二つの形態とすることができる。
中間回転子の第１の形態では、中間回転子は２条の異なる極性の螺旋状の磁極を備え、各磁極は螺旋方向に沿って所定間隔に着磁部分と非着磁部分を備える。着磁部分と非着磁部分を配置する所定間隔は、中間回転子のＮ極の磁極とＳ極の磁極を周方向（円弧方向）に交互に等間隔とする。この配置によって、着磁部分と非着磁部分はそれぞれ市松模様状（格子柄状）に配置される。
【００３１】
Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を周方向に交互に配置することによって、固定子の電機子が形成する磁束はＮ極又はＳ極の何れかの磁極と交差する構成とする。これによって、電機子が形成する磁束が、中間回転子の異なる極性の磁極に同時に交差して、中間回転子の回転駆動を妨げられる磁極配置を避けることができる。
【００３２】
中間回転子の第２の形態は、第１の形態の市松模様状（格子柄状）に配置された着磁部分と非着磁部分において、着磁部分の螺旋方向の中間に高透磁率材を備える。この高透磁率材は、各々の極性の螺旋状の磁極に対して、磁極のピッチの１／４ピッチ分だけ位置ずれした位置に配置される。高透磁率材は、螺旋状の磁極に対して磁極のピッチの１／４ピッチ分だけ位置ずれした位置に配置することによって、固定子の電機子で形成されたｄ軸磁束の位置は、磁気ねじ軸のＮ極とＳ極の境界のｑ軸の位置に対向する位置となる。ｄ軸磁束の位置とｑ軸の位置とを合わせることによって、固定子のｄ軸磁束が中間回転子の螺旋状磁極の高透磁率材を通して磁気ねじ軸のｑ軸に導かれる磁路が形成される。なお、高透磁率材の透磁率は、真空中の透磁率や永久磁石の透磁率よりも高く、エアギャップの透磁率よりも高い。
【００３３】
磁気ねじ軸のｑ軸に磁束が通る磁路が形成されることで、磁気ねじ軸のｑ軸には磁気的突極性の吸引力によってリラクタンストルクが発生し、磁気ねじ軸と中間回転子との間に軸方向に対して直に作用する駆動力が発生する。
【００３４】
したがって、中間回転子の第２の形態によれば、中間回転子に作用するマグネットトルクが磁気ねじ軸に作用して生じる駆動力と、固定子の電機子からのｄ軸磁束が磁気ねじ軸のｑ軸に作用して生じるリラクタンストルクによる駆動力との２つの駆動力を利用することができる。
【００３５】
磁気ねじ軸は、直線運動又は回転運動の駆動形態とすることができる。
直線運動の駆動形態では、磁気ねじ軸を直線状の円筒体とし、周面に異なる極性の２条の螺旋状の磁極を互いに隣接して配置する。磁気ナットと磁気ねじ軸とは、円筒体の直線状の軸方向に沿って相対的に直線運動する。
【００３６】
円弧運動を含む回転運動の駆動形態では、磁気ねじ軸を湾曲させた円形の環状体とし、中間回転子と対向する面に、異なる極性の２条の磁極を互いに隣接させ、軸方向に対して角度を有して配置することによって螺旋状磁極の一部を形成する。
【００３７】
磁気ナットは、磁気ねじ軸の環状の軸方向に沿って相対的に回転運動および又は円弧運動する。
【００３８】
回転運動の駆動形態において、複数の磁気ナットは磁気ねじ軸の環状体の周方向に沿って配置される構成とすることができる。
【００３９】
また、上記各形態において、固定子は、固定子の周方向に沿って配置された複数の電機子（コイルユニット）を備えることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本願発明の磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじを用いたアクチュエータの構成において、ブロック部側の螺旋状磁極を回転させるために駆動モータ回転子を不要とし、構成要素を低減し、小型化することができる。
【００４１】
また、本願発明の磁気ねじアクチュエータは、固定子を構成する電機子は一つのインバータで駆動制御することができ、インバータの個数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本願発明の磁気ねじアクチュエータの概要を示す図である。
【図２】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様の外観を示す斜視図である。
【図３】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様の各部を説明するための図である。
【図４】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの関係を説明するための図である。
【図５】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの関係を説明するための図である。
【図６】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの位置関係を説明するための図である。
【図７】固定子と中間回転子のモデルおよび磁気ねじのモデルを表すブロック線図である。
【図８】磁界解析による磁気ばねの特性の解析結果を示す図である。
【図９】固定子と中間回転子の問の出力トルク特性の解析結果を示す図である。
【図１０】出力推定特性を示す図である。
【図１１】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様の外観を示す図である。
【図１２】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様の各部を説明するための図である。
【図１３】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの関係を説明するための図である。
【図１４】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの関係を説明するための図である。
【図１５】本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様の固定子、中間回転子、および磁気ねじの位置関係を説明するための図である。
【図１６】第２の態様のモデルのブロック線図である。
【図１７】発生推力の変位依存性の結果を示す図である。
【図１８】Ｉｄ＝１［Ａ］を印加したときの中間回転子の発生する推力およびトルクを示す図である。
【図１９】Ｉｑ＝１［Ａ］を印加したときの磁気ねじ軸に発生する推力を示す図である。
【図２０】永久磁石からなる磁気ねじの解析結果を示す図である。
【図２１】本願発明の第３の態様の外観および断面を示す図である。
【図２２】本願発明の第３の態様を説明するための図である。
【図２３】本願発明の第３の態様を説明するための図である。
【図２４】従来の磁気ねじ直動機構の構成を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本願発明の磁気ねじアクチュエータの概要を説明し、図２〜図６を用いて本願発明の第１の態様を説明し、図７〜図１０を用いて第１の態様による実施例について説明し、図１１〜図１９を用いて本願発明の第２の態様について説明し、図２０を用いて発生推力の比較を説明し、図２１〜図２３を用いて本願発明の第３の態様について説明する。
【００４４】
図１は本願発明の磁気ねじアクチュエータの概要を示す図であり、図１（ａ）は磁気ねじ軸の外周に磁気ナットを設ける構成を示し、図１（ｂ）は磁気ねじ軸の内周に磁気ナットを設ける構成を示している。
【００４５】
本願発明の磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじ軸２と磁気ナット３とを備える。磁気ねじ軸２はバックヨーク、およびラジアル方向に着磁され、螺旋状に配置された永久磁石からなり、磁気ねじ軸２には、周面に異なる極性の２条の螺旋状の磁極が互いに隣接して配置される。磁気ナット３は、磁気ねじ軸の周面に対して間隔を隔てて配置される。
【００４６】
磁気ねじ軸２と磁気ナット３とは、磁気ねじ軸の軸方向に相対的に移動する。磁気ねじ軸２は直線状の形状に限らず環状の形状とすることができ、磁気ねじ軸２が直線状である場合には、磁気ナット３と磁気ねじ軸２とは直線状の軸方向に相対的に直線移動し、磁気ねじ軸が環状である場合には、磁気ナットと磁気ねじ軸とは環状の軸方向に相対的に回転移動あるいは円弧移動を行う。磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじ軸２の直線移動において、磁気ナット３の回転に伴う磁気ねじ軸２の回転を抑制する機構を備える。なお、この磁気ねじ軸２の回転を抑制する機構は図示していない。
【００４７】
磁気ねじ軸２の周囲には、２条の螺旋状の磁極２ａ，２ｂからなる螺旋状磁極２Ａが設けられている。磁極２ａ，２ｂはＮ極あるいはＳ極の異なる極性であり、互いに隣接して螺旋状に配置される。
【００４８】
磁気ナット３は中間回転子４と固定子５とを備える。中間回転子４は、磁気ねじ軸２と同様にラジアル方向に着磁され、螺旋状に配置された永久磁極からなり、極性が異なる２条の磁極４ａ，４ｂを周方向に交互に配置してなる環状体の螺旋状磁極４Ａを備える。螺旋状磁極４Ａは、環状体のラジアル方向の周面において、磁極４ａ，４ｂの周面部分の一部は固定子５の周面に対して間隔を隔てて配置され、磁極４ａ，４ｂの周面部分の他部は磁気ねじ軸２の周面に対して間隔を隔てて配置される。中間回転子４は鉄心のコアを備えていない。
【００４９】
中間回転子４の螺旋状磁極４Ａは、固定子５に対して回転駆動するための磁極を構成すると共に、磁気ねじ軸２に対して軸方向の推力を与えるための磁極を構成しており、一つの磁極で固定子に対する磁極と磁気ねじ軸に対する磁極の２つの磁極を兼用する。
【００５０】
固定子５は、中間回転子４の少なくとも一部の周囲に対して、回転磁界を形成するコイルおよび鉄心からなる電機子を備え、複数の電機子に順に位相をずらして電流を流すことによって、回転磁界を形成する。電機子は、中間回転子４の螺旋状磁極４Ａの円周方向に移動する回転磁界によって中間回転子を駆動することができるため、一つのインバータが形成する多相電流によって駆動することができる。
【００５１】
固定子５の回転磁界は中間回転子４の磁極４ａ，４ｂとの間の磁気的作用によるマグネットトルクによって中間回転子４を回転駆動する。中間回転子４は、中間回転子４の螺旋状磁極４Ａと磁気ねじ軸２の螺旋状磁極２Ａとの磁気的作用によって磁気ねじ軸との間で軸方向に推力を与える。これによって、磁気ナット３と磁気ねじ軸２とは磁気ねじ軸２の軸方向に相対移動する。
【００５２】
本願発明の磁気ねじアクチュエータ１は、磁気ねじを用いて直線移動又は回転移動を行う駆動装置であり、磁気ナット３と磁気ナット３を回転駆動させるための機構とを一体化した構成とすることによって、従来磁気ナットを回転駆動させるために必要としていた駆動モータ回転子や、駆動モータ回転子と磁気ナット側の磁極とを結合するブロック部の構成要素を削減する。
【００５３】
磁気ナット３と回転駆動のための機構との一体化は、磁気ナット３を中間回転子４と固定子５とで構成することによって行う。中間回転子４が備える螺旋状磁極４Ａを、磁気ねじ軸２の螺旋状磁極２Ａとの間で磁気力を作用させる磁極として構成すると共に、磁気ナット３を回転させるための磁極を構成する。中間回転子４の螺旋状磁極４Ａを、磁気ねじ軸２に推力を与えるための磁極と、磁気ナット３を回転駆動させるための磁極との二つの磁極を兼用させた構成によって構成要素を削減する。
【００５４】
図１（ａ）は磁気ねじ軸２の外周に磁気ナット３を設ける構成を示している。磁気ねじ軸２の外周には、磁気ナット３の中間回転子４に設けられた螺旋状磁極４Ａが設けられ、螺旋状磁極４Ａは螺旋状磁極２Ａとの間で所定間隔を隔てて配置される。中間回転子４の外周には電機子からなる固定子５が設けられる。
【００５５】
図１（ｂ）は磁気ねじ軸２の内周に磁気ナット３を設ける構成を示している。磁気ねじ軸２の内周には、螺旋状磁極２Ａとの間で所定間隔を隔てて、磁気ナット３の中間回転子４に設けられた螺旋状磁極４Ａが配置される。中間回転子４の内周には電機子からなる固定子５が設けられる。
【００５６】
中間回転子４と固定子５は磁気ナット３を構成し、固定子５の電機子が形成する回転磁界によって中間回転子４を回転させ、中間回転子４の回転によって磁気ねじ軸２に軸方向の推力を発生させる。
【００５７】
なお、磁気ねじ軸２と磁気ナット３とは図示しない機構によって非接触で支持され、磁気ナット３において中間回転子４と固定子５とは図示しない機構によって互いに回転自在に支持され、それぞれ相対移動を自在としている。
【００５８】
以下、本願発明の磁気ねじアクチュエータの態様について説明する。以下では、磁気ねじ軸２の外周に磁気ナット３を設ける構成について説明する。
【００５９】
（本願発明の磁気ねじアクチュエータの第１の態様）
図２は第１の態様の磁気ねじアクチュエータの外観を示す斜視図であり、図３は磁気ねじアクチュエータを構成する各部の外観を示す斜視図、軸方向と直交する方向の断面図、および軸方向の断面図である。
【００６０】
第１の態様において、磁気ねじアクチュエータ１Ａが備える中間回転子４は螺旋状磁極４Ａを備える。
【００６１】
図２，３において、磁気ねじ２が備える螺旋状磁極２ＡはＮ極およびＳ極の異なる極性の２条の磁極２ａ，２ｂを螺旋状に配置することで構成される。
【００６２】
中間回転子４の螺旋状磁極４ＡはＮ極およびＳ極の異なる極性の２条の磁極４ａ，４ｂを螺旋状に配置することで構成され、各磁極４ａ，４ｂは着磁部分と非着磁部分を備え、着磁部分と非着磁部分は螺旋方向に沿って所定間隔で交互に配置される。着磁部分と非着磁部分の配置間隔は、中間回転子４のＮ極の磁極とＳ極の磁極が、周方向に交互に等間隔で配置されるように設定される。
【００６３】
着磁部分と非着磁部分とを所定間隔で配置することによって、中間回転子４のＮ極の磁極とＳ極の磁極は周方向に交互に配置される。Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を周方向に交互に配置することによって、固定子の電機子が形成する磁束は、中間回転子４のＮ極又はＳ極の何れかの磁極との交差によって中間回転子の回転駆動を妨げる磁極配置を避けることができる。
【００６４】
図３は４極の構成例であり、各磁極について中間回転子４の周囲の一周分を８分割し、４つの着磁部分と４つの非着磁部分とを交互に配置した例を示し、Ｎ極の螺旋状磁極ではＮ極に着磁した着磁部分と非着磁部分とを交互に配置し、Ｓ極の螺旋状磁極ではＳ極に着磁した着磁部分と非着磁部分とを交互に配置している。
【００６５】
中間回転子４の磁極の着磁部分と非着磁部分の配置間隔は、固定子５の電機子の相数および極数と対応関係を有している。例えば、中間回転子４において一周にそれぞれ４５°間隔で各４つの着磁部分および非着磁部分が配置される構成に対しては、固定子５は１２個の電機子５ａ〜５ｌを等間隔で配置し、各電機子を３相励磁して４極を形成する構成を適用することができる。固定子５は、コア５Ａにコイル５Ｂを巻回した電機子を周方向に配置して構成される。
【００６６】
磁気ねじ２と磁気ナット３との間において、固定子５は電機子が形成する回転磁界によって中間回転子４を回転動作させ、中間回転子４の回転動作によって磁気ねじ２に対して軸方向の推力を与える。したがって、中間回転子４は、固定子５との間で回転動作を行い、磁気ねじ２との間で軸方向の直線動作を行う。
【００６７】
中間回転子４が行う２つの動作態様について、固定子５の電機子に三相電流を印加した例について図４〜６を用いて説明する。図４および図５は固定子５と中間回転子４と磁気ねじ２との関係を示し、図６は固定子５と中間回転子４と磁気ねじ２の位置関係を示している。
【００６８】
図４（ａ）は固定子５の隣接する電機子に三相の電流を印加したときに発生する磁束の一例を示し、図４（ｂ）は中間回転子４の螺旋状磁極について、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を１列分のみを示し、図４（ｃ）は磁気ねじ２の螺旋状磁極について、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を各２列分のみ示している。
【００６９】
中間回転子４は、中間回転子４の磁極４ａ，４ｂと固定子５の電機子が形成する磁束との間の磁気力によって、回転動作する。図５（ａ）は電機子に印加される三相電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流）を示し、図５（ｂ）〜（ｄ）は図５（ａ）中のＡ、Ｂ、およびＣで示される時点における電機子が形成する磁束と中間回転子の磁極位置との関係を示している。電機子に印加する電流の相変化によって形成される磁束の位置が変化し、磁束の位置変化に伴って中間回転子４は回転動作する。
【００７０】
図６（ａ）は固定子５の電機子を示し、図６（ｂ）は中間回転子４の螺旋状磁極を示し、図６（ｃ）は磁気ねじ２の螺旋状磁極と中間回転子４の螺旋状磁極との関係を示している。
【００７１】
中間回転子４の螺旋状磁極は、着磁部分および非着磁部分を所定間隔で配置することによって、磁極間の干渉を受けることなく、固定子５の電機子が形成する磁束と対応させることができる。
【００７２】
図６（ｂ）に示す例では、Ｕ相電流が形成する磁束は中間回転子４のＳ極に対応し、Ｖ相電流およびＷ相電流が形成する磁束は中間回転子４のＮ極に対応し、電機子で形成された磁束が中間回転子４のＮ極とＳ極の両極と同時に交差することを避けることができる。
【００７３】
図６（ｃ）において、磁気ねじ２の螺旋状磁極と中間回転子４の螺旋状磁極とは螺旋状に配置されているため、軸方向において互いに異なる磁極と対向する。これによって、磁極間の磁気力によって軸方向の推力が発生する。
【００７４】
第１の態様の実施例：
次に、図７〜１０を用いて第１の形態の実施例について説明する。
【００７５】
［固定子と中間回転子のモデル］：
中間回転子は固定子に対して回転運動のみを行うので、通常のＳＰＭモータ（Surface Permanent Magnet Motor:埋込磁石内蔵型同期モータ）と同様の電圧方程式と運動方程式に従う。ただし、中間回転子の螺旋状磁極と磁気ねじの螺旋状磁極の変位に応じてトルクτsが発生し、このトルクτsは負荷として作用する。
Ｌｄｉｄ＊＝−Ｒｉｄ＋Ｌｑｐθｑ＊＋ｖｄ            ・・・（１）
Ｌｑｉｑ＊＝−Ｒｉｑ−Ｌｄｐθｄ＊−ｐθ＊Ψ＋ｖｑ   ・・・（２）
Ｊθ＊＊＝ｐΨｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ＋τｓ    ・・・（３）
【００７６】
上記式（１）〜（３）において、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、ｖｄはｄ軸の端子電圧、ｖｑはｑ軸の端子電圧、θは中間回転子の回転角度（機械角）、τsは磁気ばねによるトルク、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｐは極対数、Ψは永久磁石の鎖交磁束数、Ｊは中間回転子の慣性モーメントであり、“＊”は一階微分を示し、“＊＊”は二階微分を示している。中間回転子は鉄心を含まず、突極性を持たないため、Ｌｄ＝Ｌｑが成り立つ。
【００７７】
［磁気ねじ軸のモデル］： 
一方、磁気ねじ軸の運動方程式は以下で与えられる。
Ｍｘ＊＊＝ｆs−ｆload        ・・・（４）
上記式（４）において、ｘは磁気ねじ軸の並進位置、Ｍは磁気ねじ軸の質量、ｆloadは負荷力である。負荷力ｆｓは磁気ねじ軸と中間回転子の磁極の並進方向の変位にほぼ正比例して発生する磁気ばねによる力であり、次式で近似できる。
ｆｓ＝−Ｋｓ・ｘｄ          ・・・（５）
ただし、Ｋｓは磁気ばねのばね定数である。
【００７８】
ｘｄは磁気ねじ軸の螺旋状磁極と中間回転子の螺旋状磁極の相対変位量であり、次式（６）で定義される。
ｘｄ＝ｘ＋ｈθ            ・・・（６）
ただし、ｌｐを螺旋状磁極のリード長として、ｈ＝ｌｐ/２πで与えられる。
【００７９】
エネルギー保存則θ＊τｓ＝ｘ・ｆｓ＝０より、中間回転子に働く磁気ばねによるトルクと磁気ねじ軸に働く磁気ばねによる力は以下の式（７）を満たす。
τｓ＝ｈ・ｆｓ            ・・・（７）
上記した固定子と中間回転子のモデルおよび磁気ねじのモデルをブロック線図で表現すると図７で表される。ただし、Ｌ＝Ｌｄ−Ｌｑとしている。
【００８０】
ブロック線図では、ｄ軸の端子電圧ｖｄの指令値とｑ軸の端子電圧ｖｑの指令値に基づいて、磁気ねじ軸の並進位置ｘと中間回転子の回転子の回転角度（機械角）θを出力する。
【００８１】
［有限要素（ＦＥＡ）シミュレーション］：
有限要素法により上記モデルの電磁界解析の結果を示す。解析に用いた磁気ねじアクチュエータの仕様を表１に示す。
【表１】
2016025700.tif 000003
【００８２】
なお、解析にはJSOL社のJMAG（登録商標）-Designerを用い、中間回転子の螺旋状磁極の層数を２層とし、磁気ねじの螺旋状磁極の層数を４層としている。
【００８３】
「発生推力の変位依存性」：
磁界解析による磁気ばねの特性の解析について説明する。中間回転子の磁極と磁気ねじ軸の磁極の軸方向の相対変位ｘｄを変化させ、中間回転子の磁極と磁気ねじ軸に働く軸方向の電磁力とトルクを求め、その結果を図８に示している。
【００８４】
図８（ａ）は発生カを示している。相対変位ｘｄが正のとき、すなわち、磁気ねじ軸が中間回転子に対して正方向に変位しているときは、磁気ねじ軸には負方向に力が働き、中間回転子にはその反カが発生していることを示している。相対変位ｘｄの変位量が０．３mm以下においては、ほぼ線形なばね特性であることを示し、そのばね定数Ｋｓは約２７７×１０３N/mとなっている。また、螺旋状磁極の軸方向の長さ２．５mmの半分の長さ１．２５mmにおいてはばね力が最大となり、約１５０Nの力が得られることを示している。この大きさ以上の力が負荷として加わると、歯飛び、すなわち、ラチェッティングが生じることになる。
【００８５】
図８（ｂ）は発生トルクを示している相対変位ｘｄが正のとき、すなわち、磁気ねじ軸が中間回転子に対して正方向に変位しているとき、磁気ねじ軸には正方向にトルクが働き、中間回転子にはその反トルクが発生している。以上の関係は、前記式（７）の関係が成り立っていることを示している。なお，螺旋は右ねじとしている。
【００８６】
「中間回転子の出力トルク特性」：
固定子と中間回転子の間の出力トルク特性の解析について説明する。
ｑ軸電流ｉｑ= (３／２）１／２[Ａ]を与え、中間回転子と磁気ねじ軸の相対変位ｘｄ＝０に保ったまま、中間回転子を１２０００rpm、可動子を１m/sで運動させた場合について解析について示す。このときの電流密度は、巻線占有率を４５％ とした場合、約３．４Arms/mm２である。図９は解析結果を示している。図９（ａ）は発生推力の結果であり、相対変位ｘｄがゼロであるので、推力は生じていないことを示している。
【００８７】
図９（ｂ）は発生トルクを示し、リプルが含まれるものの固定子と中間回転子の間でほぼ一定のトルクが発生していることを示している。図９（ｃ）は固定子の電機子の３相巻き線に生じる逆起電圧を示している。
【００８８】
「出力推定特性」
出力推定特性について用いて説明する。前記したシミュレーションにおいて、中間回転子と磁気ねじ軸の相対変位ｘｄを０．１７５mmとし、その他の条件を同一とした解析について示す。ここでは、約−５０Nの負荷力に拮抗しながら運動した場合を想定している。図１０は解析結果を示している。図１０（ａ）の発生推力と図１０（ｂ）の発生トルクの結果によれば、トルクの作用・反作用は主に磁気ねじ軸と固定子間に発生し、推力の作用・反作用は主に磁気ねじ軸と中間回転子間に発生していることを示している。推力の反作用の力は固定子と中間回転子からなる磁気ナットで受けることになる。
【００８９】
（本願発明の磁気ねじアクチュエータの第２の態様）
図１１は第２の態様の磁気ねじアクチュエータの外観を示す斜視図であり、図１２は磁気ねじアクチュエータ１Ｂを構成する各部の外観を示す斜視図、軸方向と直交する方向の断面図、および軸方向の断面図である。
【００９０】
第１の態様は磁気ばねで接続された２慣性系であるため、共振周波数を越える高周波帯域において良好に制御することは難しい。第２の態様は、ｄ軸電流によって直接出力が可能な推力を発生させることによって高周波帯域での制御性を向上させる。
【００９１】
第２の態様において、第１の態様と同様に磁気ねじアクチュエータ１Ｂが備える中間回転子４は螺旋状磁極４Ａを備え、中間回転子の着磁部分の構成において第１の態様と相違し、その他の構成については第１の態様と同様とすることができる。以下では、第１の態様と相違する中間回転子の着磁部分の構成について説明し、第１の態様と共通する構成については説明を省略する。
【００９２】
第２の態様において、中間回転子４は周方向に交互に配置されたＮ極とＳ極の磁極において、着磁部分について螺旋方向の中間部分に高透磁率材を備える。高透磁率材としては、例えば、パーマロイや珪素鋼板を用いることができるが、これに限られるものではない。
【００９３】
高透磁率材は、中間回転子の各螺旋状磁極の着磁部分の中間部分に設けると共に、磁極のピッチの１／４ピッチ分だけ軸方向に位置をずらして配置される。高透磁率材を、螺旋状の磁極に対して磁極のピッチの１／４ピッチ分だけ軸方向に位置をずらした配置によって、固定子の電機子で形成されたｄ軸磁束の位置を、磁気ねじ軸のＮ極とＳ極の境界のｑ軸の位置に対向した位置に位置合わせすることができる。
【００９４】
ｄ軸磁束の位置とｑ軸の位置とを合わせることによって、ｄ軸磁束は中間回転子の螺旋状磁極の高透磁率材を通して磁気ねじ軸のｑ軸に導く磁路が形成される。
【００９５】
磁気ねじ軸のｑ軸に磁束が通る磁路形成されることで、磁気ねじ軸のｑ軸には磁気的突極性の吸引力によってリラクタンストルクが発生し、磁気ねじ軸と中間回転子との間に軸方向に対して直に作用する駆動力が発生する。
【００９６】
第２の形態の中間回転子によれば、中間回転子に作用するマグネットトルクが磁気ねじ軸に作用して生じる駆動力と、固定子の電機子からのｄ軸磁束が磁気ねじ軸のｑ軸に作用して生じるリラクタンストルクによる駆動力との２つの駆動力を利用することができる。
【００９７】
図１２は、第１の態様と同様に、各磁極について中間回転子４の周囲の一周分を８分割し、４つの着磁部分と４つの非着磁部分とを交互に配置した例を示し、Ｎ極の螺旋状磁極ではＮ極に着磁した着磁部分と非着磁部分とを交互に配置し、Ｓ極の螺旋状磁極ではＳ極に着磁した着磁部分と非着磁部分とを交互に配置している。
【００９８】
中間回転子４の磁極の着磁部分と非着磁部分の配置間隔は第１の態様と同様の間隔とすることができる。
【００９９】
図１２に示す中間回転子４において、着磁部分４ａ，４ｂの周方向の中央部分において、軸方向に１／４ピッチ分だけ位置をずらせて高透磁率材４ｄを配置する。
【０１００】
中間回転子４が行う２つの動作態様について、固定子５の電機子に三相電流を印加した例について図１３〜１５を用いて説明する。図１３および図１４は固定子５と中間回転子４と磁気ねじ２との関係を示し、図１５は固定子５と中間回転子４と磁気ねじ２の間の位置関係を示し、それぞれ固定子の電機子が発生するｄ軸磁束と、磁気ねじ軸のｑ軸との関係を示している。
【０１０１】
図１３（ａ）は固定子５の隣接する電機子に三相の電流を印加したときに発生する磁束の一例を示し、図１３（ｂ）は中間回転子４の螺旋状磁極について、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を１列分のみを示し、図１３（ｃ）は磁気ねじ２の螺旋状磁極について、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極を各２列分のみを示している。
【０１０２】
中間回転子４は、第１の態様と同様に、中間回転子４の磁極４ａ，４ｂと固定子５の電機子が形成する磁束との間の磁気力によって回転動作する。図１４（ａ）は電機子に印加される三相電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流）を示し、図１４（ｂ）〜（ｄ）は図１４（ａ）中のＡ、Ｂ、およびＣで示される時点における電機子が形成する磁束と中間回転子の磁極位置との関係を示している。電機子に印加する電流の相変化によって形成される磁束の位置が変化し、磁束の位置変化に伴って中間回転子４は回転動作する。
【０１０３】
第２の態様の中間回転子は、固定子からのｄ軸磁束を、磁極４ａ，４ｂに設けた高透磁率材４ｄを通して磁気ねじ軸のｑ軸に導き、リラクタンストルクによって磁気ねじ軸の軸方向に推力を発生させる。
【０１０４】
図１５（ａ）は固定子５の電機子を示し、図１５（ｂ）は中間回転子４の螺旋状磁極を示し、図１５（ｃ）は磁気ねじ２の螺旋状磁極と中間回転子４の螺旋状磁極との関係を示している。
【０１０５】
中間回転子４の螺旋状磁極は、第１の態様と同様に、着磁部分および非着磁部分を所定間隔で配置することによって、磁極間の干渉を受けることなく、固定子５の電機子が形成する磁束と対応させることができる。
【０１０６】
また、磁極４ａ，４ｂに設けた高透磁率材４ｄを通して固定子からのｄ軸磁束を磁気ねじ軸のｑ軸に導く。
【０１０７】
図１５（ｂ）に示す例では、第１の態様と同様に、Ｕ相電流が形成する磁束は中間回転子４のＳ極に対応し、Ｖ相電流およびＷ相電流が形成する磁束は中間回転子４のＮ極に対応し、電機子で形成された磁束が中間回転子４のＮ極とＳ極の両極との交差を避ける。図１５（ｃ）において、磁気ねじ２の螺旋状磁極と中間回転子４の螺旋状磁極とは螺旋状に配置されているため、軸方向において互いに異なる磁極と対向する。これによって、磁極間の磁気力によって軸方向の推力が発生する。第２の態様では、固定子からのｄ軸磁束を高透磁率材４ｄを通して磁気ねじ軸のｑ軸に導く。
【０１０８】
第１の態様は、磁気ばねを介して推力を発生させる構成であり、中間回転子の回転モーメントＪと磁気ねじ軸の質量によるモーメントＭの２慣性系であるため、制御帯域が制限されるという特性がある。これに対して、第２の態様は、磁気ねじ軸にｑ軸磁束を作用させ、磁気ねじ軸に直接作用する推力を付加することによって、高い制御帯域を得ることができる。
【０１０９】
第２の態様は、磁気ねじ軸および固定子については第１の態様と同様で、中間回転子のみが異なり、ｄ軸方向に鉄心を備え、軸方向に位相を１／４ピッチずらして配置される。この配置によって、固定子の巻線のｄ軸電流が磁気ねじ軸の磁極に対して相互作用する。
【０１１０】
第２の態様の回路方程式と運動方程式は以下の式で表される。
Ｌｄｉｄ＊＝−Ｒｉｄ＋Ｌｑｐθｑ＊−ｘ＊Ψ′＋ｖｄ    ・・・（８）
Ｌｑｉｑ＊＝−Ｒｉｑ−Ｌｄｐθｄ＊−ｐθ＊Ψ＋ｖｑ    ・・・（９）
Ｊθ＊＊＝ｐΨｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ＋τｓ     ・・・（１０）
Ｍｘ＊＝Ψ′ｉｄ＋ｆs−ｆload                    ・・・（１１）
なお、Ψはｄ軸方向の永久磁石の鎖交磁束数（＝鎖交磁束×巻数）であり、Ψ′はｑ軸方向の永久磁石の鎖交磁束数である。“＊”は時間微分を表す。
【０１１１】
上記した固定子と中間回転子のモデルおよび磁気ねじのモデルをブロック線図で表現すると図１６で表される。第２の態様のブロック線図は、図７に示した第１の態様のブロック線図において、永久磁石のｑ軸の鎖交磁束数Ψ′とｄ軸電流ｉｄとの相互作用により発生する推力“Ψ′ｉｄ”が付加されている。
【０１１２】
［有限要素（ＦＥＡ）シミュレーション］：
有限要素法により第２の態様のモデルの電磁界解析の結果を示す。
図１７は発生推力の変位依存性の結果を示し、図１８はＩｄ＝１［Ａ］を印加したときの中間回転子の発生する推力およびトルクを示している。中間回転子に鉄心を付加してことによって突極性が生じ。トルクリップルが発生する。
【０１１３】
図１９はＩｑ＝１［Ａ］を印加したときの磁気ねじ軸に発生する推力を示している。ｄ軸電流による推力として０．６［Ｎ］が発生している。
【０１１４】
［推力の比較］
図２０は、表１の仕様と同様のリード長、内外径の永久磁石からなる磁気ねじの解析を示している。図２０（ａ）、（ｂ）に磁気ナットと磁気ねじ軸の相対変位ｘｄを変化させたときの発生推力およびトルクを示している。第１の態様では、永久磁石からなる磁気ねじと比較して、磁気ナット部分の磁石量が１／２であるため、推力は１／２である。
【０１１５】
第２の態様の推力は、第１の態様と比較して磁石量が２／３であるため２／３であり、永久磁石からなる磁気ねじと比較して、１／３となる。
【０１１６】
（本願発明の磁気ねじアクチュエータの第３の態様）
前記した第１の態様および第２の態様は磁気ねじ軸と磁気ナットとを相対的に直線運動させる態様である。本願発明の磁気ねじアクチュエータは、磁気ねじ軸と磁気ナットとを相対的に回転運動、円弧運動させる態様とすることができる。以下に、磁気ねじ軸と磁気ナットとを相対的に回転運動、円弧運動させる第３の態様について説明する。
【０１１７】
直線運動の駆動形態では、磁気ねじ軸を直線状の円筒体とし、周面に異なる極性の２条の螺旋状の磁極を互いに隣接して配置する。磁気ナットと磁気ねじ軸とは、円筒体の直線状の軸方向に沿って相対的に直線運動する。
【０１１８】
これに対して、円弧運動を含む回転運動を行う駆動形態では、磁気ねじ軸を環状に構成し、中間回転子と対向する面に、異なる極性の２条の磁極を互いに隣接させ、軸方向に対して角度を有して配置することによって螺旋状磁極の一部を構成する。磁気ナットは、磁気ねじ軸の環状の軸方向に沿って相対的に回転運動および又は円弧運動する。
【０１１９】
図２１は第３の態様の外観および断面を示している。第３の態様の磁気ねじアクチュエータ１Ｃは、環状に形成した磁気ねじ軸２と、磁気ねじ軸２の環状の軸方向に沿って配置された磁気ナット３とを備える。磁気ナットは磁気ねじ軸の環状体の周方向に沿って複数個が配置される。
【０１２０】
図２１では、磁気ねじ軸２の外周に複数の磁気ナット３ａ〜３ｌを配置して構成を示している。各磁気ナット３は、中間回転子４と固定子５とを備える。
【０１２１】
図２２（ａ）は一部を切り取った状態を示し、図２２（ｂ）は磁気ねじ軸２と中間回転子４とを示している。磁気ねじ軸２は、環状体の外周部分に、異なる極性の２条の磁極を互いに隣接させ、軸方向に対して角度を有して配置している。この磁極配置は螺旋状磁極の一部を構成する。
【０１２２】
中間回転子４は、第１、第２の態様と同様の構成であり、螺旋状磁極と磁気ねじ軸２に設けられた磁極とが対向するように配置される。
【０１２３】
図２３（ａ），（ｂ）は磁気ねじ軸２と磁気ナット３との関係を示す斜視図および断面図であり、図２３（ｃ）は磁気ねじ軸２と中間回転子４と固定子５との関係を示す斜視図である。磁気ナット３を磁気ねじ軸２の環状の外周部分に配置する際、磁気ナット３の固定子５の一部は磁気ねじ軸２と干渉する。この干渉を避けるために、磁気ナット３の固定子５には磁気ねじ軸２と干渉する部分に欠損部５Ｃが形成される。
【０１２４】
なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本願発明の磁気ねじアクチュエータは、高齢者支援ロボット、工場の支援ロボット、家事サービス支援ロボット等の人間支援型ロボット、各種工作機械、アクティブサスペンション等の駆動源として適用することができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ    磁気ねじアクチュエータ
２  磁気ねじ軸
２Ａ    螺旋状磁極
２ａ，２ｂ    磁極
３    磁気ナット
３ａ-３ｌ    磁気ナット
４    中間回転子
４Ａ    螺旋状磁極
４ａ，４ｂ    磁極
４ｄ    高透磁率材
５    固定子
５Ａ    コア
５Ｂ    コイル
５Ｃ  欠損部
５ａ-５ｌ    電機子
１０１    直動機構
１０２        磁気ねじ軸
１０２Ａ    螺旋状磁極
１０３    ナットブロック
１０３Ａ    ナットブロック部
１０３Ｂ    螺旋状磁極
１０５    駆動モータ
１０５Ａ    駆動モータ回転子
１０５Ｂ    駆動モータ磁界
【図７】
2016025700.tif 000004
【図１６】
2016025700.tif 000005
【図１】
2016025700.tif 000006
【図２】
2016025700.tif 000007
【図３】
2016025700.tif 000008
【図４】
2016025700.tif 000009
【図５】
2016025700.tif 000010
【図６】
2016025700.tif 000011
【図８】
2016025700.tif 000012
【図９】
2016025700.tif 000013
【図１０】
2016025700.tif 000014
【図１１】
2016025700.tif 000015
【図１２】
2016025700.tif 000016
【図１３】
2016025700.tif 000017
【図１４】
2016025700.tif 000018
【図１５】
2016025700.tif 000019
【図１７】
2016025700.tif 000020
【図１８】
2016025700.tif 000021
【図１９】
2016025700.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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