アクチュエータ
【課題】電磁石のよう大きな駆動力を発生させることができる動力源を採用した場合においても、出力部材の出力特性に優れたアクチュエータを提供する
【解決手段】特定方向に運動する出力軸１０４と、出力軸１０４の運動方向と非平行に往復運動する２以上のキャリア１０６と、出力軸１０４に形成された所定の繰り返し数で振幅する段差部（ガイド溝）１０５と、キャリア１０６と共に往復運動しながら段差部１０５に沿って移動するローラ１０８と、キャリア１０６の各々を駆動する電磁石１１２を有するアクチュエータであって、出力軸１０４に発生する出力トルクがローラ１０８の位置によらず一定となるように、段差部（ガイド溝）の振幅形状を形成する。
【解決手段】特定方向に運動する出力軸１０４と、出力軸１０４の運動方向と非平行に往復運動する２以上のキャリア１０６と、出力軸１０４に形成された所定の繰り返し数で振幅する段差部（ガイド溝）１０５と、キャリア１０６と共に往復運動しながら段差部１０５に沿って移動するローラ１０８と、キャリア１０６の各々を駆動する電磁石１１２を有するアクチュエータであって、出力軸１０４に発生する出力トルクがローラ１０８の位置によらず一定となるように、段差部（ガイド溝）の振幅形状を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、より詳しくは入力部材の往復運動を特定の運動へと変換して出力可能な運動変換装置一体型のアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の運動変換装置が知られている。特許文献１に記載される運動変換装置を図１４乃至図１６に示す。図１４は公知の運動変換装置１の斜視図である。この運動変換装置１は、ケーシングである支持部材２と、該支持部材の長手方向に貫通する形で往復運動する溝カム板６と、該溝カム板６に設けられた溝５と、この溝カム板６が往復運動（直線運動）するに伴って回転運動する回転軸４とを有している。
【０００３】
図１５に、この運動変換装置１の回転軸４に沿う断面図を示す。
【０００４】
溝カム板６に設けられた溝５には、ボール８が嵌合しており、該ボール８を介して回転軸４の底面と接触している。このボール８は溝カム板６に設けられた溝５の本数と同じ数だけ存在している。
【０００５】
図１６に示すように、溝カム板６には、所定の曲線を描いた溝５が複数本設けられている。ここでは溝５は６本設けられている。このそれぞれの溝５に対応するようにボール８も６つ設けられている。このボール８は溝カム板６が往復運動することによって、溝５内を移動することが可能である。一方、このボール８は回転軸４との関係においてはその位置は固定されている。即ち、この運動変換装置１においては、溝カム板６が往復運動することによって、曲線を描いた溝５に沿って移動するボール８と共に、回転軸４が回転するように構成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２２４９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記で説明した運動変換装置１においては、確かに溝カム板６の往復運動を、回転軸４の回転運動に変換することはできても、その回転は、最大でも約３６０°までしか回転することができず、連続した回転を出力し続けることはできない。又、出力軸として機能する回転軸４の軸方向の一方には、溝カム板６が位置して往復運動していることから、この回転軸４を中空とした場合でも、その中空部分に配線等を貫通して通すことは不可能である。
【０００８】
本発明は、これらの問題点を解消したアクチュエータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特定方向に運動する出力部材と、前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、前記入力部材の各々を独立して駆動する動力源を有するアクチュエータであって、前記出力部材に発生する出力トルクが前記移動体の位置によらず一定となるように、前記ガイド溝の振幅形状を形成することで、上記課題を解決すると同時に、以下の問題点も解消したものである。
【００１０】
本件出願人は既に、以下の未公知のアクチュエータを発明している（以下、「基礎発明」という。）。この基礎発明は、回転運動する出力部材と、前記出力部材の回転軸と平行に往復運動する２以上の入力部材と、前記出力部材の周方向に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、前記入力部材の各々を独立して駆動する動力源を有してなる回転アクチュエータである。この基礎発明にかかるアクチュエータは、例えば、円筒形状の出力部材の外周面にサイン波（正弦波）形状のガイド溝が一周に渡って形成されており、当該ガイド溝内に嵌合する移動体（例えばボール）を入力部材を介して駆動（動力源による駆動）することで、出力部材を回転させて出力を得ている。
【００１１】
この基礎発明にかかるアクチュエータでは、例えば、動力源として制御特性（例えばトルクの管理のし易さ等）が良好なコアレスボイスコイルモータ（以下単に「コアレスＶＣＭ」という。）を利用し、当該動力源を制御することによって、広範なガイド溝の種類に対応して出力部材の出力を得ることが可能である。
【００１２】
しかしながらより大きな出力を得ようとすると、動力源としてコアレスＶＣＭでは十分でない場合もあり、例えば、大きな駆動力を発生させることが可能な電磁石等の利用が望まれる。一方で電磁石は、大きな駆動力を発生させることが可能というメリットはあるものの、コアレスＶＣＭのような良好な制御特性を有していない。即ち、単に動力源を電磁石に置き換えただけでは、出力部材の出力特性が満足できるものではなく（例えばトルクリップルの存在）、改良の余地があった。
【００１３】
本発明は、この問題点を更に解決したアクチュエータを提供するものであって、電磁石のように大きな駆動力を発生させることができる動力源を採用した場合においても、出力部材の出力特性に優れたアクチュエータを提供するものである。
【００１４】
本発明におけるアクチュエータは、「ガイド溝」の形状（振幅形状）自体に新たな着想を採り入れたものである。例えば電磁石においては、磁力により吸着（駆動）しようとする吸着（駆動）対象物（本発明においては入力部材）とコイルとの距離によって、そのトルク定数は変化する。即ち、吸着（駆動）対象物が遠くにあるときはトルク定数は小さく、吸着（駆動）対象物が近づくにつれてトルク定数が大きくなる。このような特性の電磁石を動力源として、例えば単なるサイン波形状で振幅するガイド溝と組み合わせて使用すれば、出力部材におけるトルクリップルが不可避的に発生してしまう。
【００１５】
そこで、本発明においては、ガイド溝の形状を工夫することによって、出力部材のトルクリップルの発生を防止している。具体的には、例えば、ガイド溝の形状を動力源のトルク定数と入力部材の運動位置との関係の積分である関数をもとに決定しようとするものである。
【００１６】
なお、ガイド溝における所定の「繰り返し数」とは、基準となるラインに対して周期的に振幅する溝が、出力部材の運動方向（出力部材が円柱体や円筒体のような場合には、一周、即ち３６０度の間）に、繰り返される回数（最大値又は最小値の回数）のことを意味している。
【００１７】
又、本発明におけるガイド溝には、文字通りの「溝」ではなく、所定の振幅形状に形成された段差部として構成したものも含まれる。換言すれば、片方のみ壁面を有する「片溝」として形成してもよい。このように構成することによって、出力部材の加工が容易となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、例えば、電磁石のように大きな駆動力を発生させることができる動力源を採用した場合においても、出力部材の出力特性が良好となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下添付図面を用いて、本発明に係る実施形態の一例を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態の一例である回転アクチュエータ１００の主要部分のみを模式的に示した全体斜視図、図２は、アクチュエータ１００を、出力軸１０４の径方向から見て展開した展開図、図３（Ａ）は、図２におけるIIIＡ−IIIＡ線に沿う断面図、図３（Ｂ）は、電磁石１１２の構成をより詳細に示した図である。
【００２１】
このアクチュエータ１００は、ベースとなるフレーム１０２と、回転運動する出力軸（出力部材）１０４と、この出力軸１０４の回転軸と平行な方向に往復運動する複数のキャリア１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）と、この複数のキャリア１０６を往復運動させるための電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有している。
【００２２】
図１、図２においては、キャリア１０６は、出力軸１０４の径方向外側に約１２０°の位相を異ならせて３つ設けられている。この３つのキャリア１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）はそれぞれが、独立した電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）によって駆動され、出力軸１０４の回転軸と平行（図１に示す矢印方向、出力軸の回転方向と非平行）に往復運動可能とされている。
【００２３】
なお、本実施形態においては、出力軸１０４は、回転軸方向に貫通する中空部分を有する円筒体で構成されている。又、出力軸１０４の回転軸方向を何らかの部材が遮るような構成とはされていないため、この中空部分に配線等のケーブル類を自由に貫通させて使用することができる。
【００２４】
出力軸１０４は、ガイド１１６を介して非磁性体からなるフレーム１０２に支持されており、この出力軸１０４はフレーム１０２に対して回転可能とされている。なお、本実施形態においては、出力軸１０４の外面側にのみガイド１１６が設けられて支持されているが、内面側からも支持するように構成してもよく、そのようにすれば出力軸１０４の支持剛性を更に向上させることができる。
【００２５】
フレーム１０２には、１つのキャリア１０６に対して、２本の固定ヨーク１１４Ｌが立設されており、それぞれの固定ヨーク１１４Ｌには、導電性を有する材料が巻かれ、コイル１１３が形成されている。又、２本の固定ヨーク１１４Ｌを架橋するように、永久磁石１１５が架設されている。又、各キャリア１０６の底部には、導電性を有する材料によって可動ヨーク１１４Ｈが一体的に付設されている。これらコイル１１３、固定ヨーク１１４Ｌ、可動ヨーク１１４Ｈ、永久磁石１１５によって、電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）が形成されている。
【００２６】
一方、出力軸１０４の回転方向に沿って、１２０°位相を異ならせて配置される各キャリア１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのそれぞれの間には、フレーム１０２と一体的に形成されたガイドバー１０３が配置されている。又、このガイドバー１０３と、各キャリア１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃとの間には、それぞれ、複数のころ１１０が備わっており、当該ころ１１０が、各キャリアが往復運動する際の、往復運動方向のガイドとして機能している。
【００２７】
各キャリア１０６には、移動体であるローラ１０８が備わっている。このローラ１０８は、キャリア１０６に対して回転自由とされている。このローラ１０８は、キャリア１０６と共に往復運動可能とされている。又、このローラ１０８は、出力軸１０４の側面に形成されている段差部１０５側に配置されており、当該ローラ１０８の転動面が段差部１０５に接触可能とされている。
【００２８】
なお、図示はしないが、アクチュエータ１００には、出力軸１０４の位置（回転位置・回転角度）を検出可能なエンコーダが備わっている。
【００２９】
出力部材である出力軸１０４の外周面（周方向）には、１周にわたって一定の幅且つ所定の繰り返し数で振幅する段差部（ガイド溝）１０５が形成されている。
【００３０】
本実施形態においては、この段差部１０５は、キャリア１０６の軸方向位置（出力軸１０４に対する軸方向位置：キャリア１０６の往復運動方向の位置）をｚ、回転角度（出力軸１０４の回転角度）をθとしたとき、出力軸１０４を固定とした場合にローラ１０８が転がる軌跡が次の関数に従うような形状としてある。これは、キャリア位置ｚによらず、角度θのみに依存して正弦波状に変化するトルクを出力軸１０４に伝達するためである。
【００３１】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・ｃｏｓ（ｎθ）・・・・・・（１）
【００３２】
ここでｋｇはトルクの増幅率である。この増幅率ｋｇを大きくするには電磁石１１２のストロークを大きくする必要があり、段差部１０５における振幅の勾配が大きくなり段差部１０５自体の強度が低下する傾向にあるため適正な値に設計する。
【００３３】
ｎは段差部１０５の山の数を表す整数であり、モータの軸数、トルク増幅と段差部１０５の強度の関係などから決定する設計値である。なお、（１）式の右辺は、電磁石１１２に加える電流Iとして、正弦波の電流を与えることから得られている（後述）。
【００３４】
ｆｍ（ｚ）は、キャリア軸方向位置ｚとトルクの定数Ｔの関係を表す関数である。本実施形態では電磁石１１２により構成されているため、おおよそ反比例の関係であるが、正確には磁場解析や実験から求めるのがよい。いずれにしても（１）式を解くことは困難である。そこで実際には、∫ｆｍ（ｚ）を実験や数値計算で求めるのが便宜である。
【００３５】
上記の条件に忠実に従って段差部１０５を構成すると一部先端が鋭利になり強度が低下することがある。この場合は適宜先端を滑らかに構成する。
【００３６】
本構成例において、段差部１０５の形状そのものを表すことは困難であるが、円筒状の加工器具の軌跡を下記（２）の関数に従い指定することで実現可能である。
【００３７】
θ＝１／ｎ ａｒｃｃｏｓ（∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ）・・・・・・（２）
【００３８】
前述したように、上記は電流を正弦波状に入力する場合の構成例であり、電流の印加方式により適切なガイド溝の形状は異なる。例えばステップ状の入力の場合は下記（３）の関数を利用した形状になり、いずれにしてもキャリア位置ｚとトルク位置Ｔの関係を表す関数の積分値を利用する。
【００３９】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・θ・・・・・・（３）
【００４０】
なお、当該段差部の形状等に関しては後の作用の項にても詳述する。
【００４１】
続いて、アクチュエータ１００の作用について説明する。
【００４２】
アクチュエータ１００の電源が入れられると、図示せぬドライバによって制御された電磁石１１２のコイル１１３に電流が流れる。これによりコイル１１３に磁界（磁力）が発生し、可動ヨーク１１４Ｈを吸着する。即ち、可動ヨーク１１４Ｈ、キャリア１０６を介してローラ１０８をコイル１１３側へと引き付ける力が発生する。各キャリア１０６に対応するそれぞれの電磁石１１２のコイル１１３に流れる電流の大きさ（交流電源の場合は電流の方向も変化する）は、出力軸１０４の位置を監視するエンコーダからの情報を基にドライバにより適宜切り替えられるため、その切り替えに応じてコイル１１３が発生する磁界の強さは変化する。このとき各ローラ１０８は、出力軸１０４の外周面に形成された段差部（ガイド溝）１０５に当接しているため、出力軸１０４に対してキャリアの動き（力）を伝達する。この伝達された力によって、出力軸１０４には以下のように回転力が発生する。なお、本実施形態におけるアクチュエータ１００の動力源である電磁石１１２は、その一部に永久磁石１１５を備えていることから、コイルに電流が流れない場合でも常に可動ヨーク１１４Ｈに対する吸着力が作用している。この吸着力の方向はコイル１１３に流れる電流が反転しても反転しない。このような構成とすることでローラ１０８が段差部１０５から浮くことを防止している。
【００４３】
次に、上記各電磁石１１２の発生する磁界が変化することによって、出力軸１０４が回転する作用について図４を用いて説明する。図４は、出力軸１０４、段差部１０５、ローラ１０８の位置関係（軌跡）を示した図である。
【００４４】
ここで、第１ローラ１０８Ａは第１キャリア１０６Ａと一体化しており、第２ローラ１０８Ｂは第２キャリア１０６Ｂと一体化しており、第３ローラ１０８Ｃは第３キャリア１０６Ｃと一体化している（図２参照）。各キャリア１０６がコイル１１３側へと引き寄せられることによって、各キャリア１０６に備わっている各ローラ１０８もそれに伴い引き寄せられる。このとき各ローラ１０８の転動面は、出力軸１０４に形成された段差部１０５に当接しているため、結果としてコイル１１３の磁界によってローラ１０８が段差部１０５に圧接される。各コイル１１３に流す電流の大きさと位相は、適宜コントロールされ、例えば図４のように、電流Ｉを正弦波状に変化させることによって駆動力の得られるＡ側の方が、Ｂ側よりも圧接力Ｆが大となるように制御すれば、結果として出力軸１０４は回転できる。即ち、ローラ１０８の軸方向位置ｚａが同一のときに、ローラ１０８がＡ側の段差部１０５を押し付ける圧接力Ｆ２が、Ｂ側の段差部１０５を押し付ける力Ｆ１よりも大きくなるように制御すれば、力Ｆ２によって出力軸１０４を矢示した回転方向に作用する分力Ｆｒ２が、力Ｆ１によって出力軸１０４を反回転方向に作用する分力Ｆｒ１に打ち勝って、結果として出力軸１０４を矢示した方向に動かすこととなる。
【００４５】
このようにして出力軸１０４の段差部１０５には複数（図示の例では３個）のローラ１０８Ａ〜１０Ｃが圧接しているため、死点が発生することなく出力軸１０４は必ず回転を開始でき、又、回転運動し続けることが可能である。
【００４６】
即ち、この実施形態におけるアクチュエータ１００においては、常に全てのローラ１０８が出力軸１０４の段差部１０５に圧接され、その圧接される力の大きさを変化させることによって、出力軸１０４を回転運動させている。このように作用させることによって、アクチュエータ１００の作動時において、ローラ１０８が段差部１０５から離反することはなく、ガタも生じない。又、離反後に再接触することもないため、衝撃音の発生もない。なお、アクチュエータの運転時において、ローラ１０８を段差部１０５に常時圧接させる目的で、アクチュエータ１００においては永久磁石１１５が利用されているが、この他にも、例えばコイルバネなどの機構的な作用によって、同様の効果を得ることも可能である。更に、永久磁石を使用せずに、バイアス電流を与えることで、電磁石の極性が反転しない範囲で磁力の強弱を変化させつつ、常に吸引力を発生させておくことも可能である。
【００４７】
又、当該アクチュエータ１００における段差部（ガイド溝）１０５の形状は、以下のような方法で決定された形状であって、出力軸１０４に伝達されるトルクがローラ１０８の段差部１０５での位置によらず正弦波状に変化するように形成してあるため、トルクリップルを生じることなく滑らかな（例えば一定の）出力を得ることが可能となっている。
【００４８】
次に段差部（ガイド溝）１０５の形状及び作用について図４に加えて、図５乃至図７を用いてより詳細に説明する。図５は、キャリア位置（軸方向位置）ｚとトルク定数Ｔの関係を示したグラフ、図６は、磁束密度Ｂと起磁力Ｎとの関係を示したグラフ、図７は、磁束密度Ｂと吸着力（圧接力）Ｆｅとの関係を示したグラフである。
【００４９】
本実施形態における電磁石１１２は、その構成要素として永久磁石１１５を備えており、図６で示すように、当該永久磁石１１５によって常に起磁力Ｎ１が発生しており、入力される電流Ｉの入力振幅の範囲で磁束が反転することがない。更に、鉄心の非線形性が小さい範囲（図６におけるβの範囲内）で動作が行われる。勿論当該関係は、図５で示したキャリアの位置ｚによって異なるが、傾向は同じである。かかる点を前提とすれば、本実施形態における電磁石１１２に入力される電流Ｉと吸着力Ｆｅとの関係は、略比例すると考えることができ（図７におけるγの範囲内）、当該比例定数をトルク定数と考えることができる。
【００５０】
そうすると、図５に示すようなキャリア位置ｚとトルク定数Ｔの関係を表す関数をｆｍ（ｚ）としたとき、この関数ｆｍ（ｚ）は、例えばボイスコイルモータのような動力源を用いた場合には一定となり、本実施形態のように電磁石を動力源として用いた場合にはほぼ反比例の関数ということになる。電磁石１１２に入力される電流Ｉと吸着力Ｆｅとが比例関係にあることから、これらの関係は、
Ｆｅ＝ｆｍ（ｚ）Ｉ・・・・・・（４）
となる。
【００５１】
又、出力軸１０４に伝達されるトルクＦｒは、キャリア１０６が受ける吸着力Ｆｅがローラ１０８の軌跡の傾斜（ｄｚ／ｄθ）に依存して増減されることになる。即ち、
Ｆｒ＝（ｄｚ／ｄθ）Ｆｅ・・・・・・（５）
という式が成り立つ。
【００５２】
又、（１）をｚで微分すると、
ｆｍ（ｚ）＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）・（ｄθ／ｄｚ）・・・・・・（６）
よって、（６）より（７）式が導かれる。
【００５３】
ｄｚ／ｄθ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）／ｆｍ（ｚ）・・・・・・（７）
【００５４】
そうすると、上記（４）〜（７）式から、
Ｆｒ＝（ｄｚ／ｄθ）Ｆｅ＝〔−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）／ｆｍ（ｚ）〕ｆｍ（ｚ） Ｉ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）Ｉ・・・・・・（８）
【００５５】
整理して（８）式の両端に着目すると
Ｆｒ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）Ｉ・・・・・・・（９）
となる。
【００５６】
（９）式の右辺はキャリア位置ｚを含んでいない。このことから、出力軸１０４に伝達されるトルクＦｒは、キャリア位置ｚに依存していないことが分かる。又、（９）式は、伝達トルクＦｒは、入力した電流Ｉが正弦波状に増幅される関係になっていることを示している。この関係は一般的なモータの電源と回転トルクの関係と同じであるので、結局前述した（１）式のような形状に段差部１０５を設計することにより、一般的な電流制御方式でドライブすることにより結果的に出力軸１０４への伝達トルクＦｒを一定（即ち、出力軸１０４の出力トルクが一定）に維持できることが確認できる。
【００５７】
なお、ここまでの説明においては、汎用の三相モータドライバを利用する前提として、入力される電流が正弦波であることを前提として説明しているが、本発明はこれに限定される趣旨のものではなく、あくまで動力源のトルク定数Ｔとキャリア（入力部材）の運動位置ｚとの関係の積分である関数ｆｍ（ｚ）をもとに決定されるという点に意味があるのであって、例えば段差部が（１０）式のような関係で示される三角波であるならば、出力軸に伝達されるトルクＦｒは単純な（１１）式のようになる。
【００５８】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝−ｋｇ・θ・・・・・・（１０）
【００５９】
Ｆｒ＝−ｋｇ・Ｉ・・・・・・（１１）
【００６０】
又、動力源として電磁石を例にしているが、かかる点においてもこれに限定される趣旨のものではなく、それぞれの動力源に応じたトルク定数とキャリア位置との関数ｆｍ（ｚ）を変更すれば適用可能である。例えばボイスコイルモータは、一般にｆｍ（ｚ）が一定値となるため、電流Ｉとして正弦波を入れる場合、段差部１０５の形状は正弦波状となる。
【００６１】
なお、前記説明した段差部１０５は、説明等の便宜上、出力軸１０４の側面にわたって繰り返し数の少ない振幅として説明している。しかし実際には、図８に示す例のような段差部１０５が形成される。もちろんこれよりずっと多い繰り返し数としてもよい。
【００６２】
又、図９に示す例のように、１つのキャリア１０６に対して、複数のローラ１０８を設けるような構成としても良い。このようにすれば、個々のローラ１０８に係る負荷が分散されることによって、ローラ１０８や段差部１０５の耐久性を向上させることが可能であると共に、伝達容量を増大することが可能となる。図９における実施例においては、各キャリア１０６に対して２つのローラ１０８を設けているが、これに限られる趣旨のものではなく、３つ以上であれば更に上述のメリットは大きくなる。
【００６３】
又、移動体としてローラ１０８を例にして説明しているが、装置の使用目的や規模によっては、例えば単に回転しない円柱状（円筒状）のものを一体的に設けてもよい。
【００６４】
又、アクチュエータ１００のように、キャリア１０６の数を３の整数倍の数設けるようにすれば、広く一般に利用される三相モータドライバにより動力源となる電磁石の電流制御を行なうことが可能となるため、別途ドライバを専用に用意する必要が無い。又、交流電源でなく、直流電源によって電磁石を駆動してもよい。
【００６５】
更に、アクチュエータ１００のような、完全な円筒の出力部材ではなく、図１０に示したように、円筒の一部が出力部材（出力板）６０４となるように構成してもよい。即ち、当該出力板６０４を、所定の半径を有する円弧に沿って湾曲した板状体として構成し、当該板状体の湾曲面に前記円弧と同一中心を有するように段差部を形成することによって、所定の半径を有する円弧に沿って出力（揺動）するアクチュエータ６００を構成することができる。この実施形態を更に発展させて、図１１に示すように、アクチュエータ６００を対向に組み合わせ、それぞれの出力軸６０４を連結部材６３０で連結すれば、連結部材６３０上に種々の物を配置して回転させることが可能となる。
【００６６】
なお、出力軸の形状は、上述した実施形態に限定されるものではなく、図１２や図１３に示したような板状体を出力板３０４、４０４として構成してもよい。このように構成することにより、直線運動や揺動運動（円弧に沿った運動）を出力することが可能となる。
【００６７】
なお、図示はしないが、上述の各実施形態の応用例として、電磁石の代わりに、電気的入力を機械的往復振動に直接変換可能な磁石可動形リニア振動運動変換装置（Moving-Magnet-Type Linear Oscillatory Actuator，ＬＯＡ）を動力源として用いれば、汎用ドライバを利用して制御性が良好となる。
【００６８】
又、各アクチュエータは、連続した運動（回転運動、スライド運動）を出力し続けるだけでなく、キャリアを制御することによって、例えばステッピングモータのように機能させることも可能である。このとき、出力部材に形成される段差部の繰り返し数を多くとることで、１繰り返し単位当りの運動方向（周方向）の距離を短くすることができ、より細かなステップで位置を制御することが可能となる。
【００６９】
なお、本明細書において今までに説明した各アクチュエータにおいては、キャリアは３つ設けられ、それに伴いローラ（移動体）も３つ設けられて構成されていたが、最低限２つずつ設けられていることによって、本発明の目的は達成し得る。即ち、常時最低限１つのローラ（移動体）が段差部を介して出力部材を運動（スライド運動、回転運動）させるための力（その他のローラが発生する反運動方向の分力に打ち勝つことができる分力）を発生している限りにおいて、出力部材の運動（回転運動）を維持しつつけることができるからである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、アクチュエータとして広く一般に利用でき、特に、ロボットの関節部等への利用が適している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係るアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図２】アクチュエータ１００の展開図
【図３】（Ａ）は、図２におけるIIIＡ−IIIＡ線に沿う断面図、図３（Ｂ）は、電磁石の構成をより詳細に示した図
【図４】出力軸、段差部、ローラの位置関係（軌跡）を示す図
【図５】キャリア位置とトルク定数の関係を示したグラフ
【図６】磁束密度と起磁力との関係を示したグラフ
【図７】磁束密度と吸着力との関係を示したグラフ
【図８】現実的な段差部の構成例
【図９】１つのキャリアに対して複数のローラを配置した場合の出力軸、段差部、ローラの関係図
【図１０】本発明の他の実施形態（出力部材が所定の半径を有する円弧に沿って湾曲している板状体の実施形態その１）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１１】図１０におけるアクチュエータの発展使用例
【図１２】本発明の更に他の実施形態（出力部材が所定の半径を有する円弧に沿って湾曲している板状体の実施形態その２）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１３】本発明の更に他の実施形態（出力部材が直線状の板状体の実施形態）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１４】特許文献１に記載される運動変換装置の全体斜視図
【図１５】図１４における回転軸に沿う断面図
【図１６】特許文献１記載の運動変換装置における溝カム板と回転軸との関係図
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、より詳しくは入力部材の往復運動を特定の運動へと変換して出力可能な運動変換装置一体型のアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の運動変換装置が知られている。特許文献１に記載される運動変換装置を図１４乃至図１６に示す。図１４は公知の運動変換装置１の斜視図である。この運動変換装置１は、ケーシングである支持部材２と、該支持部材の長手方向に貫通する形で往復運動する溝カム板６と、該溝カム板６に設けられた溝５と、この溝カム板６が往復運動（直線運動）するに伴って回転運動する回転軸４とを有している。
【０００３】
図１５に、この運動変換装置１の回転軸４に沿う断面図を示す。
【０００４】
溝カム板６に設けられた溝５には、ボール８が嵌合しており、該ボール８を介して回転軸４の底面と接触している。このボール８は溝カム板６に設けられた溝５の本数と同じ数だけ存在している。
【０００５】
図１６に示すように、溝カム板６には、所定の曲線を描いた溝５が複数本設けられている。ここでは溝５は６本設けられている。このそれぞれの溝５に対応するようにボール８も６つ設けられている。このボール８は溝カム板６が往復運動することによって、溝５内を移動することが可能である。一方、このボール８は回転軸４との関係においてはその位置は固定されている。即ち、この運動変換装置１においては、溝カム板６が往復運動することによって、曲線を描いた溝５に沿って移動するボール８と共に、回転軸４が回転するように構成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２２４９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記で説明した運動変換装置１においては、確かに溝カム板６の往復運動を、回転軸４の回転運動に変換することはできても、その回転は、最大でも約３６０°までしか回転することができず、連続した回転を出力し続けることはできない。又、出力軸として機能する回転軸４の軸方向の一方には、溝カム板６が位置して往復運動していることから、この回転軸４を中空とした場合でも、その中空部分に配線等を貫通して通すことは不可能である。
【０００８】
本発明は、これらの問題点を解消したアクチュエータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特定方向に運動する出力部材と、前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、前記入力部材の各々を独立して駆動する動力源を有するアクチュエータであって、前記出力部材に発生する出力トルクが前記移動体の位置によらず一定となるように、前記ガイド溝の振幅形状を形成することで、上記課題を解決すると同時に、以下の問題点も解消したものである。
【００１０】
本件出願人は既に、以下の未公知のアクチュエータを発明している（以下、「基礎発明」という。）。この基礎発明は、回転運動する出力部材と、前記出力部材の回転軸と平行に往復運動する２以上の入力部材と、前記出力部材の周方向に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、前記入力部材の各々を独立して駆動する動力源を有してなる回転アクチュエータである。この基礎発明にかかるアクチュエータは、例えば、円筒形状の出力部材の外周面にサイン波（正弦波）形状のガイド溝が一周に渡って形成されており、当該ガイド溝内に嵌合する移動体（例えばボール）を入力部材を介して駆動（動力源による駆動）することで、出力部材を回転させて出力を得ている。
【００１１】
この基礎発明にかかるアクチュエータでは、例えば、動力源として制御特性（例えばトルクの管理のし易さ等）が良好なコアレスボイスコイルモータ（以下単に「コアレスＶＣＭ」という。）を利用し、当該動力源を制御することによって、広範なガイド溝の種類に対応して出力部材の出力を得ることが可能である。
【００１２】
しかしながらより大きな出力を得ようとすると、動力源としてコアレスＶＣＭでは十分でない場合もあり、例えば、大きな駆動力を発生させることが可能な電磁石等の利用が望まれる。一方で電磁石は、大きな駆動力を発生させることが可能というメリットはあるものの、コアレスＶＣＭのような良好な制御特性を有していない。即ち、単に動力源を電磁石に置き換えただけでは、出力部材の出力特性が満足できるものではなく（例えばトルクリップルの存在）、改良の余地があった。
【００１３】
本発明は、この問題点を更に解決したアクチュエータを提供するものであって、電磁石のように大きな駆動力を発生させることができる動力源を採用した場合においても、出力部材の出力特性に優れたアクチュエータを提供するものである。
【００１４】
本発明におけるアクチュエータは、「ガイド溝」の形状（振幅形状）自体に新たな着想を採り入れたものである。例えば電磁石においては、磁力により吸着（駆動）しようとする吸着（駆動）対象物（本発明においては入力部材）とコイルとの距離によって、そのトルク定数は変化する。即ち、吸着（駆動）対象物が遠くにあるときはトルク定数は小さく、吸着（駆動）対象物が近づくにつれてトルク定数が大きくなる。このような特性の電磁石を動力源として、例えば単なるサイン波形状で振幅するガイド溝と組み合わせて使用すれば、出力部材におけるトルクリップルが不可避的に発生してしまう。
【００１５】
そこで、本発明においては、ガイド溝の形状を工夫することによって、出力部材のトルクリップルの発生を防止している。具体的には、例えば、ガイド溝の形状を動力源のトルク定数と入力部材の運動位置との関係の積分である関数をもとに決定しようとするものである。
【００１６】
なお、ガイド溝における所定の「繰り返し数」とは、基準となるラインに対して周期的に振幅する溝が、出力部材の運動方向（出力部材が円柱体や円筒体のような場合には、一周、即ち３６０度の間）に、繰り返される回数（最大値又は最小値の回数）のことを意味している。
【００１７】
又、本発明におけるガイド溝には、文字通りの「溝」ではなく、所定の振幅形状に形成された段差部として構成したものも含まれる。換言すれば、片方のみ壁面を有する「片溝」として形成してもよい。このように構成することによって、出力部材の加工が容易となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、例えば、電磁石のように大きな駆動力を発生させることができる動力源を採用した場合においても、出力部材の出力特性が良好となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下添付図面を用いて、本発明に係る実施形態の一例を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態の一例である回転アクチュエータ１００の主要部分のみを模式的に示した全体斜視図、図２は、アクチュエータ１００を、出力軸１０４の径方向から見て展開した展開図、図３（Ａ）は、図２におけるIIIＡ−IIIＡ線に沿う断面図、図３（Ｂ）は、電磁石１１２の構成をより詳細に示した図である。
【００２１】
このアクチュエータ１００は、ベースとなるフレーム１０２と、回転運動する出力軸（出力部材）１０４と、この出力軸１０４の回転軸と平行な方向に往復運動する複数のキャリア１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）と、この複数のキャリア１０６を往復運動させるための電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有している。
【００２２】
図１、図２においては、キャリア１０６は、出力軸１０４の径方向外側に約１２０°の位相を異ならせて３つ設けられている。この３つのキャリア１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）はそれぞれが、独立した電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）によって駆動され、出力軸１０４の回転軸と平行（図１に示す矢印方向、出力軸の回転方向と非平行）に往復運動可能とされている。
【００２３】
なお、本実施形態においては、出力軸１０４は、回転軸方向に貫通する中空部分を有する円筒体で構成されている。又、出力軸１０４の回転軸方向を何らかの部材が遮るような構成とはされていないため、この中空部分に配線等のケーブル類を自由に貫通させて使用することができる。
【００２４】
出力軸１０４は、ガイド１１６を介して非磁性体からなるフレーム１０２に支持されており、この出力軸１０４はフレーム１０２に対して回転可能とされている。なお、本実施形態においては、出力軸１０４の外面側にのみガイド１１６が設けられて支持されているが、内面側からも支持するように構成してもよく、そのようにすれば出力軸１０４の支持剛性を更に向上させることができる。
【００２５】
フレーム１０２には、１つのキャリア１０６に対して、２本の固定ヨーク１１４Ｌが立設されており、それぞれの固定ヨーク１１４Ｌには、導電性を有する材料が巻かれ、コイル１１３が形成されている。又、２本の固定ヨーク１１４Ｌを架橋するように、永久磁石１１５が架設されている。又、各キャリア１０６の底部には、導電性を有する材料によって可動ヨーク１１４Ｈが一体的に付設されている。これらコイル１１３、固定ヨーク１１４Ｌ、可動ヨーク１１４Ｈ、永久磁石１１５によって、電磁石１１２（１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ）が形成されている。
【００２６】
一方、出力軸１０４の回転方向に沿って、１２０°位相を異ならせて配置される各キャリア１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのそれぞれの間には、フレーム１０２と一体的に形成されたガイドバー１０３が配置されている。又、このガイドバー１０３と、各キャリア１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃとの間には、それぞれ、複数のころ１１０が備わっており、当該ころ１１０が、各キャリアが往復運動する際の、往復運動方向のガイドとして機能している。
【００２７】
各キャリア１０６には、移動体であるローラ１０８が備わっている。このローラ１０８は、キャリア１０６に対して回転自由とされている。このローラ１０８は、キャリア１０６と共に往復運動可能とされている。又、このローラ１０８は、出力軸１０４の側面に形成されている段差部１０５側に配置されており、当該ローラ１０８の転動面が段差部１０５に接触可能とされている。
【００２８】
なお、図示はしないが、アクチュエータ１００には、出力軸１０４の位置（回転位置・回転角度）を検出可能なエンコーダが備わっている。
【００２９】
出力部材である出力軸１０４の外周面（周方向）には、１周にわたって一定の幅且つ所定の繰り返し数で振幅する段差部（ガイド溝）１０５が形成されている。
【００３０】
本実施形態においては、この段差部１０５は、キャリア１０６の軸方向位置（出力軸１０４に対する軸方向位置：キャリア１０６の往復運動方向の位置）をｚ、回転角度（出力軸１０４の回転角度）をθとしたとき、出力軸１０４を固定とした場合にローラ１０８が転がる軌跡が次の関数に従うような形状としてある。これは、キャリア位置ｚによらず、角度θのみに依存して正弦波状に変化するトルクを出力軸１０４に伝達するためである。
【００３１】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・ｃｏｓ（ｎθ）・・・・・・（１）
【００３２】
ここでｋｇはトルクの増幅率である。この増幅率ｋｇを大きくするには電磁石１１２のストロークを大きくする必要があり、段差部１０５における振幅の勾配が大きくなり段差部１０５自体の強度が低下する傾向にあるため適正な値に設計する。
【００３３】
ｎは段差部１０５の山の数を表す整数であり、モータの軸数、トルク増幅と段差部１０５の強度の関係などから決定する設計値である。なお、（１）式の右辺は、電磁石１１２に加える電流Iとして、正弦波の電流を与えることから得られている（後述）。
【００３４】
ｆｍ（ｚ）は、キャリア軸方向位置ｚとトルクの定数Ｔの関係を表す関数である。本実施形態では電磁石１１２により構成されているため、おおよそ反比例の関係であるが、正確には磁場解析や実験から求めるのがよい。いずれにしても（１）式を解くことは困難である。そこで実際には、∫ｆｍ（ｚ）を実験や数値計算で求めるのが便宜である。
【００３５】
上記の条件に忠実に従って段差部１０５を構成すると一部先端が鋭利になり強度が低下することがある。この場合は適宜先端を滑らかに構成する。
【００３６】
本構成例において、段差部１０５の形状そのものを表すことは困難であるが、円筒状の加工器具の軌跡を下記（２）の関数に従い指定することで実現可能である。
【００３７】
θ＝１／ｎ ａｒｃｃｏｓ（∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ）・・・・・・（２）
【００３８】
前述したように、上記は電流を正弦波状に入力する場合の構成例であり、電流の印加方式により適切なガイド溝の形状は異なる。例えばステップ状の入力の場合は下記（３）の関数を利用した形状になり、いずれにしてもキャリア位置ｚとトルク位置Ｔの関係を表す関数の積分値を利用する。
【００３９】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・θ・・・・・・（３）
【００４０】
なお、当該段差部の形状等に関しては後の作用の項にても詳述する。
【００４１】
続いて、アクチュエータ１００の作用について説明する。
【００４２】
アクチュエータ１００の電源が入れられると、図示せぬドライバによって制御された電磁石１１２のコイル１１３に電流が流れる。これによりコイル１１３に磁界（磁力）が発生し、可動ヨーク１１４Ｈを吸着する。即ち、可動ヨーク１１４Ｈ、キャリア１０６を介してローラ１０８をコイル１１３側へと引き付ける力が発生する。各キャリア１０６に対応するそれぞれの電磁石１１２のコイル１１３に流れる電流の大きさ（交流電源の場合は電流の方向も変化する）は、出力軸１０４の位置を監視するエンコーダからの情報を基にドライバにより適宜切り替えられるため、その切り替えに応じてコイル１１３が発生する磁界の強さは変化する。このとき各ローラ１０８は、出力軸１０４の外周面に形成された段差部（ガイド溝）１０５に当接しているため、出力軸１０４に対してキャリアの動き（力）を伝達する。この伝達された力によって、出力軸１０４には以下のように回転力が発生する。なお、本実施形態におけるアクチュエータ１００の動力源である電磁石１１２は、その一部に永久磁石１１５を備えていることから、コイルに電流が流れない場合でも常に可動ヨーク１１４Ｈに対する吸着力が作用している。この吸着力の方向はコイル１１３に流れる電流が反転しても反転しない。このような構成とすることでローラ１０８が段差部１０５から浮くことを防止している。
【００４３】
次に、上記各電磁石１１２の発生する磁界が変化することによって、出力軸１０４が回転する作用について図４を用いて説明する。図４は、出力軸１０４、段差部１０５、ローラ１０８の位置関係（軌跡）を示した図である。
【００４４】
ここで、第１ローラ１０８Ａは第１キャリア１０６Ａと一体化しており、第２ローラ１０８Ｂは第２キャリア１０６Ｂと一体化しており、第３ローラ１０８Ｃは第３キャリア１０６Ｃと一体化している（図２参照）。各キャリア１０６がコイル１１３側へと引き寄せられることによって、各キャリア１０６に備わっている各ローラ１０８もそれに伴い引き寄せられる。このとき各ローラ１０８の転動面は、出力軸１０４に形成された段差部１０５に当接しているため、結果としてコイル１１３の磁界によってローラ１０８が段差部１０５に圧接される。各コイル１１３に流す電流の大きさと位相は、適宜コントロールされ、例えば図４のように、電流Ｉを正弦波状に変化させることによって駆動力の得られるＡ側の方が、Ｂ側よりも圧接力Ｆが大となるように制御すれば、結果として出力軸１０４は回転できる。即ち、ローラ１０８の軸方向位置ｚａが同一のときに、ローラ１０８がＡ側の段差部１０５を押し付ける圧接力Ｆ２が、Ｂ側の段差部１０５を押し付ける力Ｆ１よりも大きくなるように制御すれば、力Ｆ２によって出力軸１０４を矢示した回転方向に作用する分力Ｆｒ２が、力Ｆ１によって出力軸１０４を反回転方向に作用する分力Ｆｒ１に打ち勝って、結果として出力軸１０４を矢示した方向に動かすこととなる。
【００４５】
このようにして出力軸１０４の段差部１０５には複数（図示の例では３個）のローラ１０８Ａ〜１０Ｃが圧接しているため、死点が発生することなく出力軸１０４は必ず回転を開始でき、又、回転運動し続けることが可能である。
【００４６】
即ち、この実施形態におけるアクチュエータ１００においては、常に全てのローラ１０８が出力軸１０４の段差部１０５に圧接され、その圧接される力の大きさを変化させることによって、出力軸１０４を回転運動させている。このように作用させることによって、アクチュエータ１００の作動時において、ローラ１０８が段差部１０５から離反することはなく、ガタも生じない。又、離反後に再接触することもないため、衝撃音の発生もない。なお、アクチュエータの運転時において、ローラ１０８を段差部１０５に常時圧接させる目的で、アクチュエータ１００においては永久磁石１１５が利用されているが、この他にも、例えばコイルバネなどの機構的な作用によって、同様の効果を得ることも可能である。更に、永久磁石を使用せずに、バイアス電流を与えることで、電磁石の極性が反転しない範囲で磁力の強弱を変化させつつ、常に吸引力を発生させておくことも可能である。
【００４７】
又、当該アクチュエータ１００における段差部（ガイド溝）１０５の形状は、以下のような方法で決定された形状であって、出力軸１０４に伝達されるトルクがローラ１０８の段差部１０５での位置によらず正弦波状に変化するように形成してあるため、トルクリップルを生じることなく滑らかな（例えば一定の）出力を得ることが可能となっている。
【００４８】
次に段差部（ガイド溝）１０５の形状及び作用について図４に加えて、図５乃至図７を用いてより詳細に説明する。図５は、キャリア位置（軸方向位置）ｚとトルク定数Ｔの関係を示したグラフ、図６は、磁束密度Ｂと起磁力Ｎとの関係を示したグラフ、図７は、磁束密度Ｂと吸着力（圧接力）Ｆｅとの関係を示したグラフである。
【００４９】
本実施形態における電磁石１１２は、その構成要素として永久磁石１１５を備えており、図６で示すように、当該永久磁石１１５によって常に起磁力Ｎ１が発生しており、入力される電流Ｉの入力振幅の範囲で磁束が反転することがない。更に、鉄心の非線形性が小さい範囲（図６におけるβの範囲内）で動作が行われる。勿論当該関係は、図５で示したキャリアの位置ｚによって異なるが、傾向は同じである。かかる点を前提とすれば、本実施形態における電磁石１１２に入力される電流Ｉと吸着力Ｆｅとの関係は、略比例すると考えることができ（図７におけるγの範囲内）、当該比例定数をトルク定数と考えることができる。
【００５０】
そうすると、図５に示すようなキャリア位置ｚとトルク定数Ｔの関係を表す関数をｆｍ（ｚ）としたとき、この関数ｆｍ（ｚ）は、例えばボイスコイルモータのような動力源を用いた場合には一定となり、本実施形態のように電磁石を動力源として用いた場合にはほぼ反比例の関数ということになる。電磁石１１２に入力される電流Ｉと吸着力Ｆｅとが比例関係にあることから、これらの関係は、
Ｆｅ＝ｆｍ（ｚ）Ｉ・・・・・・（４）
となる。
【００５１】
又、出力軸１０４に伝達されるトルクＦｒは、キャリア１０６が受ける吸着力Ｆｅがローラ１０８の軌跡の傾斜（ｄｚ／ｄθ）に依存して増減されることになる。即ち、
Ｆｒ＝（ｄｚ／ｄθ）Ｆｅ・・・・・・（５）
という式が成り立つ。
【００５２】
又、（１）をｚで微分すると、
ｆｍ（ｚ）＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）・（ｄθ／ｄｚ）・・・・・・（６）
よって、（６）より（７）式が導かれる。
【００５３】
ｄｚ／ｄθ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）／ｆｍ（ｚ）・・・・・・（７）
【００５４】
そうすると、上記（４）〜（７）式から、
Ｆｒ＝（ｄｚ／ｄθ）Ｆｅ＝〔−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）／ｆｍ（ｚ）〕ｆｍ（ｚ） Ｉ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）Ｉ・・・・・・（８）
【００５５】
整理して（８）式の両端に着目すると
Ｆｒ＝−ｋｇ・ｎ・ｓｉｎ（ｎθ）Ｉ・・・・・・・（９）
となる。
【００５６】
（９）式の右辺はキャリア位置ｚを含んでいない。このことから、出力軸１０４に伝達されるトルクＦｒは、キャリア位置ｚに依存していないことが分かる。又、（９）式は、伝達トルクＦｒは、入力した電流Ｉが正弦波状に増幅される関係になっていることを示している。この関係は一般的なモータの電源と回転トルクの関係と同じであるので、結局前述した（１）式のような形状に段差部１０５を設計することにより、一般的な電流制御方式でドライブすることにより結果的に出力軸１０４への伝達トルクＦｒを一定（即ち、出力軸１０４の出力トルクが一定）に維持できることが確認できる。
【００５７】
なお、ここまでの説明においては、汎用の三相モータドライバを利用する前提として、入力される電流が正弦波であることを前提として説明しているが、本発明はこれに限定される趣旨のものではなく、あくまで動力源のトルク定数Ｔとキャリア（入力部材）の運動位置ｚとの関係の積分である関数ｆｍ（ｚ）をもとに決定されるという点に意味があるのであって、例えば段差部が（１０）式のような関係で示される三角波であるならば、出力軸に伝達されるトルクＦｒは単純な（１１）式のようになる。
【００５８】
∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝−ｋｇ・θ・・・・・・（１０）
【００５９】
Ｆｒ＝−ｋｇ・Ｉ・・・・・・（１１）
【００６０】
又、動力源として電磁石を例にしているが、かかる点においてもこれに限定される趣旨のものではなく、それぞれの動力源に応じたトルク定数とキャリア位置との関数ｆｍ（ｚ）を変更すれば適用可能である。例えばボイスコイルモータは、一般にｆｍ（ｚ）が一定値となるため、電流Ｉとして正弦波を入れる場合、段差部１０５の形状は正弦波状となる。
【００６１】
なお、前記説明した段差部１０５は、説明等の便宜上、出力軸１０４の側面にわたって繰り返し数の少ない振幅として説明している。しかし実際には、図８に示す例のような段差部１０５が形成される。もちろんこれよりずっと多い繰り返し数としてもよい。
【００６２】
又、図９に示す例のように、１つのキャリア１０６に対して、複数のローラ１０８を設けるような構成としても良い。このようにすれば、個々のローラ１０８に係る負荷が分散されることによって、ローラ１０８や段差部１０５の耐久性を向上させることが可能であると共に、伝達容量を増大することが可能となる。図９における実施例においては、各キャリア１０６に対して２つのローラ１０８を設けているが、これに限られる趣旨のものではなく、３つ以上であれば更に上述のメリットは大きくなる。
【００６３】
又、移動体としてローラ１０８を例にして説明しているが、装置の使用目的や規模によっては、例えば単に回転しない円柱状（円筒状）のものを一体的に設けてもよい。
【００６４】
又、アクチュエータ１００のように、キャリア１０６の数を３の整数倍の数設けるようにすれば、広く一般に利用される三相モータドライバにより動力源となる電磁石の電流制御を行なうことが可能となるため、別途ドライバを専用に用意する必要が無い。又、交流電源でなく、直流電源によって電磁石を駆動してもよい。
【００６５】
更に、アクチュエータ１００のような、完全な円筒の出力部材ではなく、図１０に示したように、円筒の一部が出力部材（出力板）６０４となるように構成してもよい。即ち、当該出力板６０４を、所定の半径を有する円弧に沿って湾曲した板状体として構成し、当該板状体の湾曲面に前記円弧と同一中心を有するように段差部を形成することによって、所定の半径を有する円弧に沿って出力（揺動）するアクチュエータ６００を構成することができる。この実施形態を更に発展させて、図１１に示すように、アクチュエータ６００を対向に組み合わせ、それぞれの出力軸６０４を連結部材６３０で連結すれば、連結部材６３０上に種々の物を配置して回転させることが可能となる。
【００６６】
なお、出力軸の形状は、上述した実施形態に限定されるものではなく、図１２や図１３に示したような板状体を出力板３０４、４０４として構成してもよい。このように構成することにより、直線運動や揺動運動（円弧に沿った運動）を出力することが可能となる。
【００６７】
なお、図示はしないが、上述の各実施形態の応用例として、電磁石の代わりに、電気的入力を機械的往復振動に直接変換可能な磁石可動形リニア振動運動変換装置（Moving-Magnet-Type Linear Oscillatory Actuator，ＬＯＡ）を動力源として用いれば、汎用ドライバを利用して制御性が良好となる。
【００６８】
又、各アクチュエータは、連続した運動（回転運動、スライド運動）を出力し続けるだけでなく、キャリアを制御することによって、例えばステッピングモータのように機能させることも可能である。このとき、出力部材に形成される段差部の繰り返し数を多くとることで、１繰り返し単位当りの運動方向（周方向）の距離を短くすることができ、より細かなステップで位置を制御することが可能となる。
【００６９】
なお、本明細書において今までに説明した各アクチュエータにおいては、キャリアは３つ設けられ、それに伴いローラ（移動体）も３つ設けられて構成されていたが、最低限２つずつ設けられていることによって、本発明の目的は達成し得る。即ち、常時最低限１つのローラ（移動体）が段差部を介して出力部材を運動（スライド運動、回転運動）させるための力（その他のローラが発生する反運動方向の分力に打ち勝つことができる分力）を発生している限りにおいて、出力部材の運動（回転運動）を維持しつつけることができるからである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、アクチュエータとして広く一般に利用でき、特に、ロボットの関節部等への利用が適している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係るアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図２】アクチュエータ１００の展開図
【図３】（Ａ）は、図２におけるIIIＡ−IIIＡ線に沿う断面図、図３（Ｂ）は、電磁石の構成をより詳細に示した図
【図４】出力軸、段差部、ローラの位置関係（軌跡）を示す図
【図５】キャリア位置とトルク定数の関係を示したグラフ
【図６】磁束密度と起磁力との関係を示したグラフ
【図７】磁束密度と吸着力との関係を示したグラフ
【図８】現実的な段差部の構成例
【図９】１つのキャリアに対して複数のローラを配置した場合の出力軸、段差部、ローラの関係図
【図１０】本発明の他の実施形態（出力部材が所定の半径を有する円弧に沿って湾曲している板状体の実施形態その１）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１１】図１０におけるアクチュエータの発展使用例
【図１２】本発明の更に他の実施形態（出力部材が所定の半径を有する円弧に沿って湾曲している板状体の実施形態その２）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１３】本発明の更に他の実施形態（出力部材が直線状の板状体の実施形態）にかかるアクチュエータの主要部品を示した全体斜視図
【図１４】特許文献１に記載される運動変換装置の全体斜視図
【図１５】図１４における回転軸に沿う断面図
【図１６】特許文献１記載の運動変換装置における溝カム板と回転軸との関係図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記出力部材に発生する出力トルクが前記移動体の位置によらず一定となるように、前記ガイド溝の振幅形状が形成された
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記出力部材に伝達されるトルクが前記移動体の位置に応じて所定の態様で変化するように、前記ガイド溝の振幅形状が形成された
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２において
前記所定の態様が、正弦波状である
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記キャリアの往復運動方向の位置をｚ、トルクの増幅率をｋｇ、前記ガイド溝の繰り返し数をｎ、前記出力部材の回転角度をθとした場合に、前記移動体の軌跡が、∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・ｃｏｓ（ｎθ）の関係であり、前記動力源に対してモータドライバにより電流を制御する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記ガイド溝の振幅形状が、前記動力源のトルク定数と前記入力部材の運動位置との関係の積分である関数をもとに決定される
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記動力源が、永久磁石と組合わされた電磁石である
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記出力部材に発生する出力トルクが前記移動体の位置によらず一定となるように、前記ガイド溝の振幅形状が形成された
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記出力部材に伝達されるトルクが前記移動体の位置に応じて所定の態様で変化するように、前記ガイド溝の振幅形状が形成された
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２において
前記所定の態様が、正弦波状である
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記キャリアの往復運動方向の位置をｚ、トルクの増幅率をｋｇ、前記ガイド溝の繰り返し数をｎ、前記出力部材の回転角度をθとした場合に、前記移動体の軌跡が、∫ｆｍ（ｚ）ｄｚ＝ｋｇ・ｃｏｓ（ｎθ）の関係であり、前記動力源に対してモータドライバにより電流を制御する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
特定方向に運動する出力部材と、
前記出力部材の運動方向と非平行に往復運動する２以上の入力部材と、
前記出力部材に形成された所定の繰り返し数で振幅するガイド溝と、
前記入力部材と共に往復運動しながら前記ガイド溝内を移動する移動体と、
前記入力部材の各々を駆動する動力源を有するアクチュエータであって、
前記ガイド溝の振幅形状が、前記動力源のトルク定数と前記入力部材の運動位置との関係の積分である関数をもとに決定される
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記動力源が、永久磁石と組合わされた電磁石である
ことを特徴とするアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−１２０７５１（Ｐ２００７−１２０７５１Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１５０２２（Ｐ２００６−２１５０２２）
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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