直進運動と回転運動が可能な
高推力・高トルク２自由度モータ
横浜国立大学

大学院工学研究院
知的構造の創生部門
教授 藤本康孝
2021年6月10日

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従来技術とその問題点
スカラロボットのアクチュエータは、推力を発生させるために必要となるボールねじに加え、回転機構を取り付ける必要があることから装置全体が大きくなるという課題があった
メーカ

名称

最大
推力

最大
トルク

K社

複合機能Vzθア
クチュエータ（ダイレクトドライブ型）

5N(8mN.m) 164mm

30mm

50mm

5.1N

直動部(ストローク25mm)
164mm 21.8mm 14mm
8.0mN.m
回転部
81mm 25mm 14mm

25mm

T社

リニアモータシ
リーズCCR

サイズ（縦・横・幅）
37mm

ストロー
ク2

新技術の概要
本技術は、• 回転機構・直動機構を有する２自由度モータ• 回転と直動の両動作を行うスカラロボット手先のアクチュエータ等に利用可能• 直動機構及び回転機構を一体で構成し、モータ内の空間を効率的に利用することで、従来技術と比較して、体積当たり、約7倍の推力、約3.5倍のトルクを発生可能⇒ 小型化・軽量化が可能
3新技術の特徴・従来技術との比較
本技術

K社
VZθアクチュエータ
ダイレクトドライブ型

T社
CCR

構成

２組のステータ、ロータ、および１つの駆動軸から構成され、２つロータの回転方向を変えることにより、回転、直動運動を実現

ボールねじスプライン 直動と回転が独立制とステッピングモータ 御可能なマルチモーを組み合わせたアク ションアクチュエータ
チュエータ

得られる特性

最大推力：36N
最大トルク：28mN.m

最大推力：5N
最大トルク：(8mN.m)

最大推力：5.1N
最大トルク：8mN.m

ストローク：60mm
外形：140x30x30

ストローク：50mm
外形：164x37x30

ストローク：25mm
外形：

ストローク
外形 ＝
縦(軸方向)ｘ横ｘ幅(mm)(直動部）164x21.8x14(回転部）81x25x14
4新技術の内容基盤となる技術
磁気ギアモータ• 磁気ねじを用いて回転運動を直動運動に変換する直動モータ• 運動変換を磁気ねじの磁気結合により実現⇒ 非接触のため摩耗がない（保守性がよい）• 高推力を発生可能

StatorMoverRotor

𝜽𝜽
𝒛𝒛

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磁気ねじモータの駆動原理（展開図）
5

新技術の内容
右ねじの力
提案技術
右ねじと左ねじの磁気ねじモータを重畳左ねじの力合成することでトルクも発生可

固定子1（右ねじ用）
可動子

磁気ねじモータ（右ねじ）

磁気ねじモータ（左ねじ）

提案モデル

𝜽𝜽𝒛𝒛

𝒚𝒚

回転子1（右ねじ用）
回転子2（左ねじ用）
固定子2（左ねじ用）

𝒙𝒙

6新技術の内容

推力 [N]

トルク [N.m]

有限要素解析による検証

可動子と回転子の位相差 [deg]

可動子と回転子の位相差 [deg]

推力発生モード（右ねじ回転子と左ねじ回転子を逆方向に回転）トルク発生モード（右ねじ回転子と左ねじ回転子を同一方向に回転）• 推力・トルクを独立にシームレスに発生可能

7新技術の内容
設計モデル

Mover
Length in z direction

Stator1 (Right screw)
Stator2 (Left screw)

Mover

30mm

Rotor1 (Right screw)
Rotor2 (Left screw)
5mm

Period of PMs
in z direction

Inner diameter

4 mm

Outer diameter

6.8 mmRadial thickness of the shaft

1.4 mmRadial thickness of PMs

1 mm

Period of PMs in z direction

5 mm

Air gap between the mover and the rotor

0.8 mmRotors of the right screw and the left screw
Inner diameter

8.4 mmOuter diameter

12.4 mm

Air gap between the rotor and stator

0.8 mmStators of the right screw and the left screw
Inner diameter

14 mm

Outer diameter

30 mm

Turns of windings

Cセグメント磁石で代用可能
140mm

140 mm53

Stack length of the yoke

35 mm

Stroke60 mm

8新技術の内容
動作の様子（回転）9新技術の内容
動作の様子（直動）10新技術の内容

推力 [N]

トルク [N.m]

両回転子を正方向に回転させた場合

可動子と回転子の位相差 [deg]発生推力 0N

可動子と回転子の位相差 [deg]発生トルク 28mN.m（位相差25deg、固定子巻線に10A/mm2の電流）
11新技術の内容

推力 [N]

トルク [N.m]

両回転子を逆方向に回転させた場合

可動子と回転子の位相差 [deg]発生推力 36N（位相差25deg、固定子巻線に10A/mm2の電流）

可動子と回転子の位相差 [deg]発生トルク 0N.m

12新技術の内容
実験機
固定子2固定子1シャフト

13

新技術の内容
実験の様子

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新技術の優位性
競合技術を大幅に超える性能を実現（ほぼ同一サイズで推力が7倍、トルクが3.5倍）
メーカ

名称

最大
推力

最大
トルク

K社

複合機能Vzθア
クチュエータ（ダイレクトドライブ型）

5N(8mN.m) 164mm

T社

リニアモータシ
リーズCCR

5.1N

本技術

2自由度モータ

36N

サイズ（縦・横・幅）
37mm

30mm

直動部(ストローク25mm)
164mm 21.8mm 14mm
8.0mN.m
回転部
81mm 25mm 14mm
28mN.m 140mm 30mm 30mm

ストロー
ク50mm

25mm
60mm

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想定される用途• スカラロボットの手先アクチュエータに適用することで、ロボットの小型化・軽量化ができ、省エネ化、低コスト化に寄与できる• そのほか、チップマウンタ、工作機械（スピンドル）に展開できる可能性がある

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実用化に向けた課題
これまでに、• 電磁界解析（有限要素法）により、性能を評価• 実験機により、基本動作の確認までを行っている。
今後、• 実験機により、性能を詳細に評価すること• アプリケーションに応じた最適化設計が課題である。
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企業への期待• スカラロボット向けアクチュエータとして展開する場合の最適化設計における課題共有• 従来、推力やトルク不足のため多自由度モータの適用ができなかった分野への展開• モータやアクチュエータを開発中の企業、スカラロボットや工作機械分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：2自由度電動機• 出願番号 ：特願2020-008623• 出願人：横浜国立大学• 発明者：藤本康孝、八田禎之

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お問い合わせ先• 横浜国立大学 研究推進機構
産学官連携携推進部門 横尾 泰
• TEL： 045-339-4450• FAX： 045-339-3057• E-mail：sangaku-cd＠ynu.ａｃ.ｊｐ
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