(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転拘束機構により自転が拘束された可動子部材を所定の公転軌道面上で公転運動させることにより駆動トルクを発生する公転式アクチュエータにおいて、
導電体を含んでなる可動子部材と、該可動子部材に対して回転磁界を発生する複数の固定子とを備え、
前記複数の固定子は、前記回転磁界の磁束が前記導電体を含む可動子部材の公転軌道面に対して垂直方向に貫通するように構成され、前記回転磁界の磁束密度が相対的に高い領域を前記公転軌道に沿って経時的に変化させることによって前記導電体中に発生する渦電流と前記回転磁界とから電磁力を生じさせて、前記可動子部材を所定の偏心軸を中心として偏心公転運動させ、
前記固定子の少なくとも１つは、前記可動子部材の公転軌道面と正対する断面の面積が、前記公転軌道の接線方向に単調増加又は単調減少するように形成されていることを特徴とする公転式アクチュエータ。
【請求項２】
前記固定子の少なくとも１つに隈取コイルを配設することを特徴とする請求項１記載の公転式アクチュエータ。
【請求項３】
前記可動子部材は、磁性体を含んで成ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の公転式アクチュエータ。
【請求項４】
前記可動子部材に渦巻き状の羽を有する可動スクロールを結合させ、前記可動スクロールと固定スクロールとを渦巻き部にて互いに組み合わせて、前記可動スクロールを前記偏心軸の周りに一定の半径で公転させることにより、前記両スクロールの組み合わせにより形成される密閉空間を渦巻き部の外側から中心側へと移動させて前記密閉空間の容積を逐次縮小させて圧縮するスクロール型ポンプを構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の公転式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏心公転運動を応用した産業機械、民生用機械等の駆動源として用いることができる公転式アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、公転運動を出力として得るためには、ステッピングモータやＤＣモータ等の自転運動を出力変換機構により公転運動へと変換するのが一般的であった。一方、特開平８−２０５５１５号、特開平１１−２７５８５１号各公報に開示されているように、可動部を直接、偏心公転運動させる可変ギャップ型モータ、または可変リラクタンス型モータ等が知られている。これらは、主磁束と同じ方向に発生する電磁力を利用しているために、低速高トルク回転が得られるという特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のステッピングモータやＤＣモータ等の自転運動を出力変換機構により公転運動へと変換する方法では出力変換機構部での摩擦の発生による効率の低下や、装置の小型化が難しいという問題を生じていた。一方、可変ギャップ型モータ、または可変リラクタンス型モータ等では、従来のＤＣモータ等と比較するとギャップ長が大きいために磁束の漏れが多く、ギャップ変動も大きいことから高速回転が困難であるという問題を有していた。
【０００４】
本発明は、かかる事由に鑑み、なされたもので、本発明の目的は、上記出力変換機構を用いずに偏心公転運動を直接出力として得ることにより、これをそのまま偏心公転運動を応用した産業機械、民生用機械等の駆動源として用いることができ、且つ可動部と固定部のギャップ変動が原理的に存在しないので高速回転にも対応できる公転式アクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の公転式アクチュエータの発明にあっては、自転拘束機構により自転が拘束された可動子部材を所定の公転軌道面上で公転運動させることにより駆動トルクを発生する公転式アクチュエータにおいて、導電体を含んでなる可動子部材と、該可動子部材に対して回転磁界を発生する複数の固定子とを備え、前記複数の固定子は、前記回転磁界の磁束が前記導電体を含む可動子部材の公転軌道面に対して垂直方向に貫通するように構成され、前記回転磁界の磁束密度が相対的に高い領域を前記公転軌道に沿って経時的に変化させることによって前記導電体中に発生する渦電流と前記回転磁界とから電磁力を生じさせて、前記可動子部材を所定の偏心軸を中心として偏心公転運動させ、前記固定子の少なくとも１つは、前記可動子部材の公転軌道面と正対する断面の面積が、前記公転軌道の接線方向に単調増加又は単調減少するように形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の公転式アクチュエータにおいて、前記固定子の少なくとも１つに隈取コイルを配設することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明にあっては、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の公転式アクチュエータにおいて、前記可動子部材は、磁性体を含んで成ることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の発明にあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の公転式アクチュエータにおいて、前記可動子部材に渦巻き状の羽を有する可動スクロールを結合させ、前記可動スクロールと固定スクロールとを渦巻き部にて互いに組み合わせて、前記可動スクロールを前記偏心軸の周りに一定の半径で公転させることにより、前記両スクロールの組み合わせにより形成される密閉空間を渦巻き部の外側から中心側へと移動させて前記密閉空間の容積を逐次縮小させて圧縮するスクロール型ポンプを構成することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
なお、本発明の公転式アクチュエータは、下記の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００１３】
[第１の実施形態]
図１は本発明の公転式アクチュエータの実施形態の要部の構成を示すもので、(a)は上面図、(b)は(a)における断面Ａ-Ａ’で切断した場合の概略断面図である。即ち、本発明の公転式アクチュエータは、可動子部材１の公転軌道面上の外周縁部分に沿って、これを非接触で挟み込むように配設されている複数のコの字形の固定子(鉄心)２を有し、該固定子２にコイル３を巻装して公転軸方向に磁界を発生できる電磁石４を形成し、前記可動子部材１の自転を防止する自転拘束機構を構成するとともに、該可動子部材１を一定の半径で公転させるための偏心軸５を備えた構造となっている。更に、前記可動子部材１はアルミニウム等の金属類よりなる導電体６を含んで構成され、導電体６に流れる誘導電流と公転軸方向の前記磁界により発生する電磁力をトルクとして利用して前記偏心軸５を中心として公転運動を行うというものである。
【００１４】
図２は、本発明の公転式アクチュエータの駆動原理の概略を示す模式図である。  即ち、コイル３により発生する電磁石４の磁界(Ｍ)は公転軸方向(可動子部材１の公転軌道面に対して垂直方向)となる。ここでコイル３の励磁状態を順次経時的に変化させ、電磁石４により生じる磁界の存在する領域(即ち、磁束密度の相対的に高い領域)を反時計周りに回転させる回転磁界を形成することにより、電磁石４による該回転磁界による磁束が通過する可動子部材１の導電体６中には図２に示す方向に誘導電流（渦電流）(Ｉ)が流れる。この場合、図２に示すように、誘導電流(Ｉ)は磁界中を周辺から中心の方向と流れるため、磁界(Ｍ)と誘導電流(Ｉ)の間に働く電磁力(Ｆ)は、磁界(Ｍ)と同様に反時計方向へと働くことがわかる。これにより導電体６を含んでなる可動子部材１を公転運動させることが可能となる。
【００１５】
かかる駆動原理を採用することにより、本発明に係る公転式アクチュエータにおいては、公転軸と電磁力の発生に係る磁束が平行であるため可動部と固定部のギャップ変動が原理的に存在せず、また、その為、ギャップ長を実用上最も有利な範囲内で充分小さく設計できるため、高速回転にも対応することができる。更に、変換機構を用いずに可動子部材１の公転運動をそのまま出力として得ることが可能であるため、構造を基本的にシンプルに構成でき、結果として、故障が少なく、長寿命化が可能となり、同時に、安価に製造しうるという経済的な利点も強調できる。尚、本実施形態においては、導電体６の構成素材としてアルミニウム等の金属類を用いたが、上記課題解決に充分な導電性を有するものであれば特にこれに限定されるものではないことはいうまでもない。
【００１６】
また、図１に示すように前記複数の固定子２の内、少なくとも１つの固定子２aにおいて、その中心から外れた部位に細溝８(図３参照)を設け、この部位に比較的抵抗の高い短絡コイル(所謂、隈取コイル)７を巻くことができる。図３は、本発明の公転式アクチュエータにおける隈取コイルの作用を模式的に示した断面図である。即ち、隈取コイル７により励磁コイル３から発生して固定子２中を通過した磁束の一部が、前記短絡コイルと鎖交することで誘起電圧を発生して励磁コイルによる磁束の増加を減少させ、結果として、隈取コイル７を設けた部位を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ１)が固定子２の他の部位を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ２)より小さくなるため、この固定子２を通過する磁束は左方向への移動磁界を形成することとなり、始動トルクを有利に得ることができ、可動子部材１を構成する導電体６の公転運動をより早く始動させることができる。
【００１７】
尤も、かかる移動磁界を有効に形成し、公転運動の始動を促進するための構成は、固定子を通過する磁束の変化を部分的に打ち消すための、上記したような隈取コイルの配設によるもののみに限定されるものではなく、後述するように、種々のバリエーションが可能であり、前記固定子２の少なくとも１つを通過する磁束密度分布を部分的に変化させることにより、移動磁界を形成して、前記導電体６の公転始動を促進し得るものであれば、上記課題解決に寄与する限りにおいて何ら制約のないことはいうまでもない。また、上記隈取コイルを配設する固定子２の個数、配置等についても、上記課題解決に寄与する限りにおいて何ら制約のないことは勿論である。
【００１８】
[第２の実施形態]
図４は、本発明の公転式アクチュエータの上記と異なる実施形態の要部の構成を示す上面図である。図５は、本発明の公転式アクチュエータにおける上記と異なる形状の固定子２bの要部の構成を示す斜視図である。即ち、本発明の公転式アクチュエータの固定子２の少なくとも１つにおいて、その固定子２bの導電体６と正対する断面９が、前記公転軌道の接線方向において、これと直交する法線方向の幅が単調増加する非対称な形状を有することを特徴とするものである。これにより、この固定子２b中の磁束密度は導電体６と正対する断面９において、公転軌道の接線方向の長さに対して、対応する断面積のより小さい側がより早く飽和するため、結果として、断面９において、公転軌道の接線方向の長さに対して、対応する断面積のより小さい側を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ３)が、断面積のより大きい側を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ４)より小さくなるため、上記隈取コイル７を設けた場合と同様の原理により、移動磁界が発生して、始動トルクを有利に得ることができ、公転運動の始動を促進できるというものである。尚、上記非対称断面形状を有する固定子２の個数、配置等についても、上記課題解決に寄与する限りにおいて何ら制約のないことはいうまでもない。
【００１９】
[第３の実施形態]
図６は、本発明の公転式アクチュエータにおける上記と異なる形状の導電体の要部の構成を示す上面図である。図７は、図６における断面Ｂ-Ｂ’で導電体６a及び固定子２を切断した場合の断面図である。即ち、本発明の公転式アクチュエータの導電体６aは、固定子２の少なくとも１つ、例えば、固定子２cにおいて、該固定子２cと正対する導電体６a上に、該固定子２cの投影面の対称性を破る欠損部として、導電体６上の該固定子２cの投影面の中心からずれた箇所に欠損部１０を設けたものである。これにより、導電体６a中に流れる誘導電流により励磁コイル３より発生した磁束は減少するが、固定子２cと正対する前記導電体６上の固定子２cの投影面上において、その中心線を基準として部分的な欠損部１０のない側は該欠損部１０を有する側と比較して渦電流の影響が大きく、磁束密度分布が不均一となる。これにより欠損部１０のない側を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ５)は該欠損部１０を有する側を通過する磁束の磁束密度(ＭＦ６)と比較して小さくなるため、上記隈取コイル７を設けた場合と同様の原理により、移動磁界が発生して、始動トルクを有利に得ることができ、公転運動の始動を促進できるというものである。また、上記導電体６上の対応する投影面上に上記欠損部１０を設ける固定子２の個数、配置等、或いは上記欠損部１０の形状等についても、上記課題解決に寄与する限りにおいて何ら制約のないことはいうまでもない。
【００２０】
[第４の実施形態]
図８は本発明に係る公転式アクチュエータにおいて、可動子部材１を導電体６に加えて磁性体１１を含んで構成した実施形態の要部を示す概略断面図である。即ち、可動子部材１を導電体６のみならず、磁性体１１をも含んで構成し、磁性体１１と回転磁界との間に作用する吸引力により、偏心公転運動を促進することができるので、アクチュエータとしてのエネルギー効率を向上し得るというものである。この場合、導電体６に流れる誘導電流と回転磁界の間に働く電磁力に加えて、固定子２と磁性体１１との間に働く吸引力をも利用して公転運動をさせることができる点に本実施形態の公転式アクチュエータの特徴があると言える。尚、磁性体１１の構成素材としては、電磁軟鉄や電磁鋼板等の磁性体が例示できるが、これらのみに限定されるものではなく、上記課題解決に寄与する限りにおいて何ら制約のないことはいうまでもない。
【００２１】
[第５の実施形態]
図９は、本発明の公転式アクチュエータをスクロールポンプの駆動源として使用した場合の実施形態の要部の構成を示す概略断面図である。即ち、可動子部材１に渦巻き状の羽を有する可動スクロール１２を結合させ、該可動スクロール１２と固定スクロール１３とを渦巻き部１４(図示せず)にて互いに組み合わせて、前記可動スクロール１２を偏心軸５の周りに一定の半径で公転させることにより、前記両スクロールの組み合わせにより形成される密閉空間を渦巻き部１４の外側から中心側へと移動させて前記密閉空間の容積を逐次縮小させて圧縮するスクロール型ポンプを構成するものである。この場合、公転運動が必要な可動スクロール１２の一部または全てを起磁力をもつ希土類系またはフェライト系の永久磁石、またはプラスチックマグネット、または電磁鋼板や電磁軟鉄のような磁性材料を用いて構成し、アクチュエータの可動子部材１としてダイレクトに駆動する構成とすることができる。これにより余分な伝達機構や駆動源であるモータをスクロールポンプの下に取付ける必要がないので、ポンプ全体の薄型化が実現できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の公転式アクチュエータの発明にあっては、公転軸と電磁力の発生に係る磁束が平行であるため可動部と固定部のギャップ変動が原理的に存在せず、また、その為、ギャップ長を実用上最も有利な範囲内で充分小さく設計できるため、高速回転にも対応できるという優れた効果を奏するものである。また、変換機構を用いずに可動子部材の公転運動をそのまま出力として得ることが可能であり、構造がシンプルであるために故障が少なく、長寿命化が可能となり、同時に、安価に製造しうるという優れた効果をも奏し得る。更に、前記固定子の少なくとも１つにおいて、該固定子の前記導電体と正対する断面が、前記公転軌道の接線方向において、これと直交する法線方向の幅が単調増加する非対称な形状を有することを特徴とするので、始動トルクを有利に得ることができ、公転運動の始動を早くできるという優れた効果を奏し得る。
【００２４】
請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の公転式アクチュエータにおいて、前記固定子の少なくとも１つに該固定子を通過する磁束の変化を部分的に打ち消すために隈取コイルを配設することを特徴とするので、始動トルクを有利に得ることができ、公転運動の始動を早くできるという優れた効果を奏し得る。
【００２７】
請求項３記載の発明にあっては、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の公転式アクチュエータにおいて、前記可動子部材は、磁性体を含んで成るので、前記磁性体と前記回転磁界との間の吸引力により、前記偏心公転運動が促進され、アクチュエータとしてのエネルギー効率を向上できるという優れた効果を奏し得る。
【００２８】
請求項４記載の発明にあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の公転式アクチュエータにおいて、前記可動子部材に渦巻き状の羽を有する可動スクロールを結合させ、前記可動スクロールと固定スクロールとを渦巻き部にて互いに組み合わせて、前記可動スクロールを前記偏心軸の周りに一定の半径で公転させることにより、前記両スクロールの組み合わせにより形成される密閉空間を渦巻き部の外側から中心側へと移動させて前記密閉空間の容積を逐次縮小させて圧縮するスクロール型ポンプを構成することを特徴とするので、伝達機構や駆動源であるモータをスクロールポンプの下に取付ける必要がなく、スクロールポンプ全体の薄型化に寄与し得るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の公転式アクチュエータの実施形態の要部の構成を示すもので、(a)は上面図、(b)は(a)における断面Ａ-Ａ’で切断した場合の概略断面図である。
【図２】本発明の公転式アクチュエータの駆動原理の概略を示す模式図である。
【図３】本発明の公転式アクチュエータにおける隈取コイルの作用を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の公転式アクチュエータの上記と異なる実施形態の要部の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の公転式アクチュエータにおける上記と異なる形状の固定子の要部の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の公転式アクチュエータにおける上記と異なる形状の導電体の要部の構成を示す上面図である。
【図７】図６における断面Ｂ-Ｂ’で導電体６a及び固定子２を切断した場合の断面図である。
【図８】本発明の公転式アクチュエータの更に異なる実施形態の要部の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の公転式アクチュエータをスクロールポンプの駆動源として使用した場合の実施形態の要部の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  可動子部材
２  固定子
３  コイル
４  電磁石
５  偏心軸
６  導電体
７  短絡コイル(隈取コイル)
８  細溝
９  断面
１０  欠損部
１１  磁性体
１２  可動スクロール
１３  固定スクロール
１４  空気吐出孔
１５  オルダムリング
１６  ケース
【図１】
0004258597.tif 000002
【図２】
0004258597.tif 000003
【図３】
0004258597.tif 000004
【図４】
0004258597.tif 000005
【図５】
0004258597.tif 000006
【図６】
0004258597.tif 000007
【図７】
0004258597.tif 000008
【図８】
0004258597.tif 000009
【図９】
0004258597.tif 000010