(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材が装着される可動子と、可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた磁極歯と、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁するコイルとを備え、可動子，磁極歯，コイルによりリニアモータを構成し、前記コイルを所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮させ、関節駆動を行う関節駆動装置であって、該リニアモータは、磁性体で形成された電機子と、該電機子に巻回されたコイルと、該電機子が生ずる磁場に作用することにより、該電機子と相対的に移動可能な可動子とからなり、
該リニアモータは更に電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを用いて、該可動子の先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材が装着され、該可動子の往復移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮させ、関節駆動を行う関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、関節駆動装置に関し、特に、ロボット，介護補助装置，健康器具等の関節駆動部を有する関節駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の関節駆動装置においては、関節駆動を行う場合に関節部に回転モータを組込み、モータ回転子の回転運動により対応しており、前記モータは様々な構造のモータが考えられている。モータの一つである回転モータでは無いリニアモータを用いた場合でも、従来のリニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構造のものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の関節部にモータを組込んだ関節駆動装置においては、関節部分の重量が重くなり自重によるロスが増加する、また関節の駆動方向がモータの回転方向に限定されるため、１つの関節部において複数方向に駆動させる場合、関節部にモータを複数個搭載することになり、重量がさらに重くなるという課題がある。一方、従来のリニアモータを有する関節駆動装置においては、従来のリニアモータは、回転機を切り開いて直線駆動する構造のものであるため、電機子と可動子間の漏れ磁束が多くモータ効率が悪く、高出力を必要する用途には実用化が困難であるという課題がある。さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方向に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であるという課題がある。
【０００４】
本発明では、例えば関節駆動装置の高効率化を狙い、電機子と可動子間を通る磁束の漏れを少なくして、電機子と可動子間に生ずる磁気吸引力を小さくしている。本発明の一つの目的は、モータ効率を良くし高出力化を可能にしたリニアモータを用いて、従来の回転モータによる関節駆動装置に対して、関節部分の重量を軽減した関節駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの特徴は、関節駆動を行う装置において、前記駆動装置のモータとして、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材が装着される可動子と、可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた磁極歯と、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁するコイルとを備え、可動子，磁極歯，コイルによりリニアモータを構成し、前記コイルを所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮させ、関節駆動を行うリニアモータを用いることである。
【０００６】
また、該リニアモータは電機子と相対的に移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを構成することが望ましい。
【０００７】
また、１つの関節部位において複数方向に関節駆動を行う場合には、筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材を先端に取り付けたリニアモータ付関節駆動装置を複数個用意するか、または、筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材のみを関節の駆動方向に対応する数だけ用意し、リニアモータの先端に接続する素材を駆動方向に対応して切替えることが望ましい。
【０００８】
本発明の上記特徴及びその他の特徴は以下で説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号でしめす構成要素は、同一物又は相当物である。
【００１０】
図１は、リニアモータを有する関節駆動装置の基本構成ブロック図である。
１０１は後述する電機子と可動子からなるリニアモータであり、１０２はコントローラ、１０３はドライバー、１０４はバッテリ、１０５は電源コード、１０６は結合部、１０７は結合部１０６を介して可動子の先端に装着される筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材である。１０８は関節装置であり、１０９，１１０は関節装置１０８を介して結合されたアーム部材である。そして結合部１０６に接続された伸縮素材１０７の他方は、アーム部材１１０に接続されている。１１１は別の筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材であり、関節装置１０８を介して結合されたアーム部材１０９，１１０に接続される構造である。
【００１１】
また、前記リニアモータ付関節駆動装置の電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動可能にした切替え機能（図示せず）を備える。また、バッテリ１０４，電源コード１０５は必要に応じて脱着が可能で有る。
【００１２】
前記リニアモータの筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材が接続された先端部の他方の可動子先端にはバネ１２０を備えて、ダンパーの機能を用いる。
【００１３】
図１７は、図１の基本構成図に冷却装置１２１，防塵機構１２２を備えたことを示す本発明の他のブロック図である。
【００１４】
図１７において、冷却装置１２１は電動機による強制空冷式や、リニアモータ１０１の表面に冷却ピン（図示せず）等を備える。可動子６の往復移動範囲には防塵機構１２２を備えて、埃等が前記リニアモータに吸着するのを防止する。
【００１５】
図２，図３は本実施形態のリニアモータを用いた制御ブロック図を示す。
【００１６】
図２（ａ）はリニアモータ１０１の電機子と可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示せず）とその信号をフィードバックする制御部１０２とパワードライブ部１０３からなるクローズループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１７】
図２（ｂ）はリニアモータ１０１と制御部１０２とパワードライブ部１０３からなるオープンループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１８】
図３（ａ）は、リニアモータ１０１と、電圧センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用いてリニアモータが発生する誘起電圧Ｅ０を制御器１０２内に読み込んでいる。制御器１０２内では、誘起電圧の大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する信号をパワードライブ部１０３へ出力する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるようになる。
【００１９】
図３（ｂ）は、リニアモータ１０１と、電流センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施例においては、電流センサを用いてリニアモータに流れる電流Ｉを制御器１０２内に読み込んでいる。制御器１０２内では、リニアモータに印加している電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるようになる。
【００２０】
図４はリニアモータを２個用意した関節駆動装置の本発明の他の実施例である。これにより、図１の１個のリニアモータで駆動する場合より、折曲げ，伸ばし，逆側への折曲げ時のアーム角度，速度等を高精度に制御可能とすることができる効果がある。
【００２１】
図５はリニアモータを２個用意できない場合でも同等の効果が得られる関節駆動装置の本発明の他の実施例である。図５のように駆動方向を（ａ）の状態から（ｂ）の状態に変化させる場合、リニアモータ１０１の接続を結合部１０６ａから１０６ｂに切替えることで同様の制御を行うことが可能となる。従って、軽量化できる効果が得られる。
【００２２】
上記は、１つの関節部に対して複数方向に駆動する場合にも拡張できる。即ち、筋肉を模擬した素材が接合されたリニアモータを複数用意する、あるいは筋肉を模擬した素材を複数用意し、駆動方向に従いリニアモータとの接続を切替えることにより、関節部に回転モータを複数個組込む場合に対して、関節部の軽量化が可能とできる効果がある。
【００２３】
図６は本発明の関節駆動装置に用いるリニアモータの概略構成を示す。図６（ａ）は、本発明の一実施形態によるリニアモータの基本構成図であり、図６（ｂ）は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例を示す。
【００２４】
図６（ａ）において、５１は第一の対向部を有する鉄心であり、５２は第二の対向部を有する鉄心である。前記鉄心５１と前記鉄心５２には上部と下部の磁極が互い違いになるように構成されている。ここで、前記鉄心５１の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、前記鉄心５２の下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成する（但し、ｎ＝１，２，３，……）。また、図６（ａ）に示すように、前記鉄心５１と前記鉄心５２には一つの巻線４が巻回される。可動子６は前記鉄心５１の第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記鉄心５２の第二の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特徴とするリニアモータである。ここに、電機子は鉄心と巻線４からなり、可動子は永久磁石，磁性体，非磁性体からなる。また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記可動子を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。上記により、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【００２５】
図７に、本実施形態のリニアモータの磁束が流れる概念と積層鋼板により組立てられた概略図を示す。
【００２６】
上記のような構成にすれば、図７（ａ）に示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ，２２ａ）と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）の間のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子３を形成し、ギャップを通して可動子６が相対移動する構造になる。
【００２７】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯(１１ａ，22ａ)に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）に働く吸引力の大きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００２８】
図６（ｂ）において、電機子３は積層鋼板からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が配置される鉄心部と可動子６が挟持される対向部を有する磁極部を積層鋼板により分割製作して組立てることを示す。
【００２９】
図８は、図７（ｂ）で示した積層鋼板で構成された電機子をモールドしたイメージを示す。電機子３は積層鋼板，巻線，支持機構（図示せず）を含めてモールドしたものである。また、電機子３は図９に示すように電機子を直列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。図１０に示すように電機子を並列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。
【００３０】
電機子３の形状は関節駆動システムの形状に合わせて、角材状，円筒状等が可能であり、可動子６も同じく角材状、図１２に示すような円筒状等が可能である。
【００３１】
図９は本実施形態のリニアモータを用いた配置の実施形態を示す。
【００３２】
ここで、図９では、電機子３を２個直列に並べることを示す。Ａ相，Ｂ相間には電気角９０°の位相差を持たせて励磁を切替えることで進行磁界が発生し、可動子６が相対移動する。図１４に２相リニアモータの励磁シーケンスを示す。前進後進の移動量および移動速度は関節駆動システムに合った条件により設定される。
【００３３】
図１５，図１６に２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示す。
【００３４】
図１５に示すようにモータ電流を疑似正弦波にコントロールして、モータのステップ角をより細かなステップ角で駆動する方法で、騒音，振動が小さくなる効果がある。
【００３５】
図１６はインバータ部で周波数制御と出力電圧制御を同時に行うため、出力電圧波形はパルス幅変調（ＰＷＭ）され正弦波状とすることにより、低次高調波を除去できモータの推力リップルを低減させることができ、騒音，振動が小さくなる効果がある。
【００３６】
図１０はリニアモータ配置の他の実施形態例を示す。図１０では、電機子３，可動子６を２個並列に並べることを示す。電機子３を２個並列に並べ、２個の可動子６を一体化したり、電機子３を複数個並列に並べ、複数個の可動子６を一体化しても同様である。
【００３７】
なお、本発明の実施形態として、１相，２相リニアモータについて説明したが、３相，４相，５相等の多相リニアモータとして利用することができる。
【００３８】
リニアモータの電機子３を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う電機子３の磁極歯とのピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする。
【００３９】
図１１は、本発明の平板状の可動子についての他の実施形態を示したものである。
【００４０】
また、図１２は、前記平板状の可動子を円筒型可動子にした例を示したものである。
【００４１】
図１１において、平板状の強磁性体の両面に凸の磁極歯１３を設けると、電機子３の対向部の磁極との間で進行方向に対して磁気抵抗が変化する。すなわち、凸の磁極歯１３と電機子３の対向部の磁極との間の磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の対向部の磁極との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化を利用すると、移動自在な可動子６となる。ここで、凸の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を設けることにより、複合型可動子にすることも可能である。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６を非磁性体とする組合わせにしても良い。
【００４２】
図１２において、動作原理は図１１の説明と同じであり、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を交互に取り付けた組合わせとする。また、永久磁石を使用しても良い。この場合、図１２の右側に示すように、対向する磁極歯も軸３５の形状に沿って曲面形状を有している。
【００４３】
図１３は、本発明の実施形態によるリニアモータの断面図を示す。図１３において、支持機構１４は電機子３側に、支持機構１５は可動子６側に設けられ相対移動する可動子６を支持する機構である。よって、可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を通して相対移動する。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、リニアモータは有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることにより、モータ効率を良くし高出力化を可能にした。
【００４５】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００４６】
また、本実施形態の関節駆動装置では、関節部に駆動装置を必要としないため、駆動装置先端の重量の軽量化ができ、駆動パワーの節約ができる。
【００４７】
よって、本発明によればモータの効率が良く高出力可能でコンパクトな関節駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータ付関節駆動装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の制御ブロック図。
【図３】本発明の実施形態における他の制御ブロック図。
【図４】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付関節駆動装置のブロック図。
【図５】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付関節駆動装置のブロック図。
【図６】本発明の関節駆動装置に用いるリニアモータの概略。
【図７】リニアモータの磁束流れの概念図と積層鋼板により構成した組立て概略図。
【図８】電機子をモールドしたリニアモータの概略構成例を示す斜視図。
【図９】２個直列に並べたリニアモータを示す模式図。
【図１０】２個並列に並べたリニアモータ。
【図１１】可動子における他の実施形態のその１。
【図１２】可動子における他の実施形態のその２。
【図１３】本発明の実施形態によるリニアモータの断面図。
【図１４】２相リニアモータの励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１５】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１６】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１７】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付関節駆動装置のブロック図。
【符号の説明】
１，２…磁極、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５…鉄心、６…可動子、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、５１…リニアモータ、１０２…コントローラ、１０３…ドライバー、１０４…バッテリ、１０５…電源コード、106…結合部、１０７，１１１…伸縮素材、１０８…関節装置、１０９，１１０…アーム部材。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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