アクチュエータ
【課題】 小型軽量化を可能にするとともに、簡易な機構により、高減速、高トルクを発生できるようにしたアクチュエータを提供する。
【解決手段】 駆動手段１４を構成する複数の励磁コイル１４１に駆動制御部１４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１６の磁気的吸引作用によりロータ１３をステータ１２の円筒内面１２ａに沿い転動させてロータ１３を遊星回転させ、このロータ１３の回転を動力変換手段１５により減速して出力するように構成した。
【解決手段】 駆動手段１４を構成する複数の励磁コイル１４１に駆動制御部１４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１６の磁気的吸引作用によりロータ１３をステータ１２の円筒内面１２ａに沿い転動させてロータ１３を遊星回転させ、このロータ１３の回転を動力変換手段１５により減速して出力するように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの操作部や工作機械の送り機構、家電機器の操作部や玩具の操作部などを駆動するアクチュエータに関し、特に、高トルク、低速タイプのアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットの操作部や工作機械の送り機構などを駆動する高トルク、低速タイプのアクチュエータは、ハウジングと、このハウジング内に収容された電動機と、ハウジング内に収容され電動機の回転を減速するギヤ列からなる減速機構と、ハウジング内に収容され減速機構の回転運動を直線運動に変換するボールねじ機構等から構成され、減速機構の回転運動を利用してロボットの操作部を回転または旋回駆動したり、あるいはボールねじ機構の直線運動を利用して工作機械の送り機構を駆動できるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００２−５４１３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような従来のアクチュエータは、電動機と、この電動機の回転を減速するギヤ列からなる減速機構とを組み合わせ、さらにボールねじ機構を組み込んだものから構成されるため、高トルクで低速のアクチュエータを得ようとすると、減速機構を構成するギヤ数が増大し、アクチュエータ自体の構造が複雑かつ大型化してしまい、小型軽量化が困難になり、コスト高となる問題がある。
また、減速機構はギヤ列から構成されるため、ギヤ列のバックラッシュがロボットの操作や工作機械の送り精度などに悪影響を及ぼすことになる。さらに、バックラッシュを除去するには、減速機構にバックラッシュ除去機構を組み込む必要があり、このようにするとアクチュエータが更に複雑化、大型化されてしまうという問題がある。また、従来のアクチュエータに使用される電動機においては、負荷トルク以上の保持トルクが発生し得るように電動機を定格の直流電圧で励磁しておく必要があり、このようにしないと、負荷トルクによって電動機の静止角度が変化してしまい、ロボットの操作精度や工作機械の送り精度が低下する問題がある。
【０００４】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、小型軽量化を可能にするとともに、簡易な機構により高減速、高トルクを発生できるようにしたアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために本発明のアクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジング内に装着され所定径の円筒内面を有するステータと、前記ステータの円筒内面と内接しながら遊星回転可能に設けられた、前記円筒内面の内径より小さい外径のロータと、前記ステータに設けられ前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させて該ロータを遊星回転させる駆動手段と、前記ロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力する動力変換手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記ステータは、一定の角度でリング状に配列した複数の磁極を有し、前記複数の磁極の前記ロータに対向する面は前記円筒内面を構成し、前記駆動手段は、前記複数の磁極にそれぞれ巻装した複数の励磁コイルと、前記複数の励磁コイルに所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイルを順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う前記磁極の磁気的吸引作用により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１また２記載のアクチュエータにおいて、前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項４の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列され、かつ前記ステータの円筒内面から内方へ突出可能に設けられた複数の押圧体を有し、前記複数の押圧体を所定のタイミングで順番に前記円筒内面の内方へ突出動作させて前記ロータの外周面を法線方向から押圧することにより前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記押圧体は、前記駆動制御部から供給される電圧により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる逆圧電効果型の圧電体もしくは前記駆動制御部から供給される電流により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる電磁プランジャの何れか一方からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項６の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記ロータは、該ロータの外周に相対回転可能に設けたれたリング部材を備え、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列された複数の形状記憶体と、前記複数の形状記憶体に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部とを備え、この形状記憶体の形状変化動作により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させるように構成したことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６記載のアクチュエータにおいて、前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータによれば、駆動手段によりロータをステータの円筒内面に沿い転動させてロータを遊星回転させ、このロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明にかかるアクチュエータの実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明にかかるアクチュエータは、以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１におけるアクチュエータの縦断側面図、図２は図１の２−２線に沿う断面図である。
図１及び図２において、アクチュエータ１０は、ハウジング１１を有し、このハウジング１１には、ステータ１２、ロータ１３、駆動手段１４および動力変換手段１５が収容されている。
【００１２】
ステータ１２は、図１及び図２に示すように、同一円周上に一定の角度（例えば４５°の角度）でリング状に配列された複数個、例えば８つの磁極１６を有し、この各磁極１６はロータ１３の法線方向に突出しているとともに、その突出端にはロータ１３の外周と対向する磁極片１６ａが形成され、これら磁極片１６ａのロータ１３の外周と対向する面はエンドレスの円筒内面１２ａを構成し、この円筒内面１２ａの内径はロータ１３の外径より大きい径に形成され、さらに、円筒内面１２ａには内歯車１７が所定のピッチで形成されている。なお、ステータ１２の外周形状は八角形を呈している。
【００１３】
ロータ１３は、少なくとも円筒内面１２ａと内接する外周部分が磁性体から形成されるもので、図１及び図２に示すように、ステータ１２の内側に、その円筒内面１２ａと内接しながら遊星回転できる状態に設けられている。すなわち、ロータ１３は円筒内面１２ａの内径より小さい外径に形成されているとともに、その外周には円筒内面１２ａの内歯車１７と噛合する外歯車１８が形成され、この外歯車１８を円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合させた状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動することにより遊星回転できるように構成されている。
【００１４】
駆動手段１４はロータ１３の外歯車１８が円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合する内接状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させることによりロータ１３を遊星回転させるためのものであり、この駆動手段１４は、図１及び図２に示すように、ステータ１２を構成する８個の磁極１６のそれぞれに巻装した８個の励磁コイル１４１と、この各励磁コイル１４１に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１５の磁気的吸引作用によりロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させる駆動制御部１４２とから構成されている。
【００１５】
前記駆動制御部１４２は、励磁コイル１４１に電流を供給する電源部１４２ａと、ロータ１３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ１に応じて、励磁する８個の励磁コイル１４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ１〜Ｓ８を順に送出する分配回路１４２ｂと、この分配回路１４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ１〜Ｓ８に基づき電源部１４２ａから８個の励磁コイル１４１に電流を順に流して８個の励磁コイル１４１を順番に励磁する電流増幅回路１４２ｃとから構成されている。
【００１６】
動力変換手段１５はロータ１３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段１５は、図１及び図２に示すように、ロータ１３の中心部に形成した中心穴１３ａを貫通してステータ１２の中心軸線１９に一致して配置され、かつハウジング１１の両側カバー部１１ａに回転可能に支持された出力軸１５１と、この出力軸１５１に軸線を一致して設けられた、所定ピッチの内歯１５２ａを有する太陽歯車１５２と、ロータ１３に同軸に設けられ、太陽歯車１５２の内歯１５２ａと内接状態に噛合する外歯１５３ａを有する遊星歯車１５３とから構成されている。
【００１７】
このような本実施の形態１に示すアクチュエータ１０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰが分配回路１４２ｂに入力されると、分配回路１４２ｂからは指令信号ＳＰ１に応じた切換信号Ｓ１〜Ｓ８が順に送出され、電流増幅回路１４２ｃに順次入力される。これにより、電流増幅回路１４２ｃでは、切換信号Ｓ１〜Ｓ８にしたがって電流増幅回路１４２ｃを動作することにより、電源部１４２ａから８個の励磁コイル１４１に、例えば図２に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の順に電流を所定の時間ずつ順番に供給して、各励磁コイル１４１を給電順番Ｎ１からＮ８の順に励磁する。例えば給電順番Ｎ２に位置する励磁コイル１４１が励磁されると、その磁極１６に磁気的吸引力が発生するため、この磁気的吸引力により給電順番Ｎ１に位置するロータ１３を給電順番Ｎ２の方向へ転動させると同時に、その外歯車１８を給電順番Ｎ２に対応する磁極１６の内歯車１７に対して、給電順番Ｎ１に示す場合と同様な噛合状態にする。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する励磁コイル１４１が励磁されると、これによる磁極１６の磁気的吸引力によってロータ１３が給電順番Ｎ３と対応する側へ転動され、その外歯車１８を給電順番Ｎ３に位置する磁極１６の内歯車１７に対して、給電順番Ｎ１に示す場合と同様な噛合状態にする。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ１３は、その外歯車１８と円筒内面１２ａの内歯車１７とが互いに噛み合いながらステータ１２の円筒内面１２ａに沿って図２の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図２の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ１３を遊星回転することができる。
【００１８】
なお、８個の励磁コイル１４１の励磁が図２に示すアルファベット符号ａ，ｂ，ｃ，〜ｇ，ｈの順序で一巡した時のロータ１３の回転角度θ１は次式で与えられる。
θ１＝３６０°×（Ｄ１−Ｄ２／Ｄ２）
ただし、Ｄ１は円筒内面１２ａの内径で、Ｄ２はロータ１３の外径であり、Ｄ１＞Ｄ１の関係にある。また、ロータ１３の回転角の分解能は、円周方向に一定の角度でリング状に配列される磁極１６の数により決定され、磁極１６の数が多いほど分解能が高くなる。また、Ｄ１とＤ２との差が小さい程、ロータ１３の回転角度θ１は小さくなる。これにより、高減速、高トルクのアクチュエータを実現できる。
【００１９】
一方、ロータ１３が遊星回転すると、その回転は、太陽歯車１５２に内接しながら噛合する遊星歯車１５３の遊星運動によって太陽歯車１５２に伝達され、さらに、この太陽歯車１５２を介して出力軸１５１に伝達される。この時の出力軸１５１の回転角度θ２は次式で与えられる。
θ２＝θ１×（Ｄ３−Ｄ４／Ｄ４）
ただし、Ｄ３は太陽歯車１５２の内径で、Ｄ４は遊星歯車１５３の外径であり、Ｄ３
＞Ｄ４の関係にある。
【００２０】
このような本実施の形態１に示すアクチュエータによれば、駆動手段１４を構成する複数の励磁コイル１４１に駆動制御部１４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１６の磁気的吸引作用によりロータ１３をステータ１２の円筒内面１２ａに沿い転動させてロータ１３を遊星回転させ、このロータ１３の回転を動力変換手段１５により減速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現でき、さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００２１】
また、本実施の形態１に示すアクチュエータによれば、ステータ１２の円筒内面１２ａに内歯車１７を形成し、ロータ１３の外周に円筒内面１２ａの内歯車１７と噛合する外歯車１８を形成し、この外歯車１８を円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合させた状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させるようにしたので、アクチュエータの高トルク化が確実にできるとともに、動力変換手段１５を太陽歯車１５２と、この太陽歯車１５２に内接しながら噛合する遊星歯車１５３で構成することにより、より高減速で高トルクのアクチュエータを実現できるという効果がある。
【００２２】
（実施の形態２）
次に、図３及び図４により本発明に係るアクチュエータの実施の形態２について説明する。
図３は本実施の形態２におけるアクチュエータの縦断側面図、図４は図３の４−４線に沿う断面図である。
図３及び図４において、アクチュエータ２０は、ハウジング２１を有し、このハウジング２１には、ステータ２２、ロータ２３、駆動手段２４および動力変換手段２５が収容されている。
【００２３】
ステータ２２は、図３及び図４に示すように、所定径の円筒内面２２ａを有するとともに外周形状が八角形を呈する樹脂材等の筒体から構成されている。
ロータ２３は合成樹脂材等から成形されるもので、図３及び図４に示すように、ステータ２２の軸方向の寸法より僅かに小さい長さ寸法を有する円柱状を呈するとともにステータ２２の円筒内面２２ａの内径より小さい外径に形成されている。このようなロータ２３はステータ２２の内側に、その円筒内面２２ａと内接しながら円筒内面２２ａに沿い転動することで遊星回転できるように設けられている。
【００２４】
駆動手段２４はロータ２３を円筒内面２２ａに内接しながら円筒内面２２ａに沿い転動させることにより遊星回転させるためのものであり、この駆動手段２４は、図３及び図４に示すように、ステータ２２にその周方向に一定の角度（例えば４５°の角度）で配列され、かつステータ２２の円筒内面２２ａから内方へ突出できるようにロータ２３の法線方向に延在して設けられた複数、例えば８個の逆圧電効果型圧電体（特許請求の範囲に記載した押圧体に相当する）２４１と、この複数の圧電体２４１を所定のタイミングで順番に円筒内面２２ａの内方へ伸張動作させてロータ２３の外周面を法線方向から押圧することによりロータ２３をステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させるための駆動制御部２４２とを備えている。
【００２５】
駆動制御部２４２は、圧電体２４１に電圧を供給する電源部２４２ａと、ロータ２３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ２に応じて、伸長動作する８個の圧電体２４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８を順に送出する分配回路２４２ｂと、この分配回路２４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８に基づき電源部２４２ａから８個の圧電体２４１に電圧を順に供給して８個の圧電体２４１を順番に伸長させる電圧供給回路２４２ｃとから構成されている。
【００２６】
動力変換手段２５は、ロータ２３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段２５は、図３及び図４に示すように、ロータ２３の中心部に同軸に形成した中心穴２３ａを貫通してステータ２２の中心軸線２４上に一致して配置され、かつハウジング２１の両側カバー部２１ａに回転可能に支持された出力軸２５１と、この出力軸２５１に軸線を一致して設けられ、ロータ２３の中心穴２３ａの内周面に内接しながら回転する回転体２５２とから構成されている。
【００２７】
このような本実施の形態２に示すアクチュエータ２０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰ２が分配回路２４２ｂに入力されると、分配回路２４２ｂからは指令信号ＳＰ２に応じた切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８が順に送出され、電圧供給回路２４２ｃに順次入力される。これにより、電圧供給回路２４２ｃでは、切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８にしたがって電圧供給回路２４２ｃを動作することにより、電源部２４２ａから８個の圧電体２４１に、例えば図４に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の昇冪順に電圧を所定の時間ずつ順番に供給し、各圧電体２４１を逆圧電効果により給電順番Ｎ１からＮ８の順に伸張動作させる。例えば給電順番Ｎ２に位置する圧電体２４１が伸張動作されると、この伸張動作によってロータ２３を法線方向に押圧すると同時に、このロータ２３を給電順番Ｎ１に示す位置から給電順番Ｎ２の方向へステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させる。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する圧電体２４１が伸張動作されると、ロータ２３は法線方向に押圧されると同時に、給電順番Ｎ３に示す位置から給電順番Ｎ４の方向へステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動される。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ２３はステータ２２の円筒内面２２ａに沿って図４の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図４の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ２３は遊星回転される。
【００２８】
一方、ロータ２３が遊星回転すると、回転体２５２はロータ２３の中心穴２３ａの内周面に内接しながら出力軸２５１を中心にして図４の矢印Ｃ方向に回転される。この回転体２５２の回転は出力軸２５１から負荷に伝達される。
【００２９】
このような本実施の形態２に示すアクチュエータによれば、駆動手段２４を構成する複数の逆圧電効果型圧電体２４１に駆動制御部２４２から所定のタイミングで順番に電圧を供給してこれら圧電体２４１を順番にかつサイクリックに伸張動作してロータ２３の外周面を法線方向から押圧し、この押圧操作でロータ２３をステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させながら遊星回転させ、このロータ２３の回転を動力変換手段２５により変速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現でき、さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００３０】
（実施の形態３）
次に、図５及び図６により本発明に係るアクチュエータの実施の形態３について説明する。
図５は本実施の形態３におけるアクチュエータの縦断側面図、図６は図５の６−６線に沿う断面図である。
図５及び図６において、アクチュエータ３０は、ハウジング３１を有し、このハウジング３１には、ステータ３２、ロータ３３、駆動手段３４および動力変換手段３５が収容されている。
【００３１】
ステータ３２は、図３及び図４に示すように、所定径の円筒内面３２１ａを有するとともに外周形状が八角形を呈する樹脂材等のドーナツ状の一対の円盤体３２１を有し、この円盤体３２１は軸線が一致するように所定の間隔を離して結合部材３２２により一体に結合されている。また、各円盤体３２１の円筒内面３２１ａの内径はロータ３３の外径より大きい径に形成され、さらに、各円筒内面３２１ａには内歯車３６が所定のピッチで形成されている。
【００３２】
ロータ３３は合成樹脂材等から成形されるもので、図５及び図６に示すように、ステータ３２の軸方向の寸法より僅かに小さい長さ寸法を有する円柱状を呈するとともにステータ３２の円筒内面３２１ａの内径より小さい外径に形成されている。
このようなロータ３３の前記ステータ３２の内歯車３６と対向する外周面には、図５及び図６に示すように、ステータ３２の内歯車３６と噛合する一対の外歯車３７が形成されており、この一対の外歯車３７を、対応するステータ３２の内歯車３６に噛合させた状態でロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動することにより遊星回転できるように構成されている。また、ロータ３３の一対の外歯車３７間に位置する外周にはリング部材３８が相対回転可能に設けられている。
【００３３】
駆動手段３４はロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに内接しながら円筒内面３２１ａに沿い転動させることにより遊星回転させるためのものであり、この駆動手段２４は、図５及び図６に示すように、一対の円盤体３２１の間に位置してステータ３２の周方向に一定の角度（例えば４５°の角度）で配列された複数、例えば８個のコイル状の形状記憶体３４１と、この複数の形状記憶体３４１に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体３４１の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部３４２とを備える。
前記複数の形状記憶体３４１の一端はピン３９により結合部材３２２に揺動可能に連結され、複数の形状記憶体３４１の他端はピン４０によりリング部材３８に揺動可能に連結されている。
【００３４】
駆動制御部３４２は、形状記憶体３４１に電流を供給する電源部３４２ａと、ロータ３３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ３に応じて、収縮動作する８個の形状記憶体３４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８を順に送出する分配回路３４２ｂと、この分配回路３４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８に基づき電源部３４２ａから８個の形状記憶体３４１に電流を順に供給して８個の形状記憶体３４１を順番に収縮させる電流供給回路３４２ｃとから構成されている。
【００３５】
動力変換手段３５はロータ３３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段３５は、図５及び図６に示すように、ロータ３３の中心部に形成した中心穴３３ａを貫通してステータ３２の中心軸線４１に一致して配置され、かつハウジング３１の両側カバー部３１ａに回転可能に支持された出力軸３５１と、この出力軸３５１に軸線を一致して設けられた、所定ピッチの内歯３５２ａを有する太陽歯車３５２と、ロータ３３に同軸に設けられ、太陽歯車３５２の内歯３５２ａと内接状態に噛合する外歯３５３ａを有する遊星歯車３５３とから構成されている。
【００３６】
このような本実施の形態３に示すアクチュエータ３０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰ３が分配回路３４２ｂに入力されると、分配回路３４２ｂからは指令信号ＳＰ３に応じた切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８が順に送出され、電流供給回路３４２ｃに順次入力される。これにより、電流供給回路３４２ｃでは、切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８にしたがって電流供給回路３４２ｃを動作することにより、電源部３４２ａから８個の形状記憶体３４１に、例えば図６に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の昇冪順に電流を所定の時間ずつ順番に供給し、各形状記憶体３４１を給電順番Ｎ１からＮ８の順に収縮動作させる。例えば給電順番Ｎ２に位置する形状記憶体３４１が収縮動作されると、この収縮動作によってロータ３３を法線方向に引っ張ると同時に、このロータ３３を、その外歯車３７がステータ３２の内歯車３６に噛合されたままの状態で給電順番Ｎ１に示す位置から給電順番Ｎ２の方向へステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動させる。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する形状記憶体３４１が収縮動作すると、ロータ３３は法線方向に引っ張られると同時に、外歯車３７が内歯車３６と噛み合いながら給電順番Ｎ３に示す位置から給電順番Ｎ４の方向へステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動される。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ３３は、その外歯車３７とステータ３２の内歯車３６とが互いに噛み合いながらステータ３２の円筒内面３２１ａに沿って図６の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図６の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ３３を遊星回転することができる。
【００３７】
一方、ロータ３３が遊星回転すると、その回転は、太陽歯車３５２に内接しながら噛合する遊星歯車３５３の遊星運動によって太陽歯車３５２に伝達され、さらに、この太陽歯車３５２を介して出力軸３５１に伝達される。この出力軸２５１の回転は負荷に伝達される。
【００３８】
このような本実施の形態３に示すアクチュエータによれば、駆動手段３４を構成する複数の形状記憶体３４１に駆動制御部３４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体３４１を順番にかつサイクリックに収縮動作してロータ３３を法線方向に引っ張り、この引っ張り操作でロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動させながら遊星回転させ、このロータ３３の回転を動力変換手段３５により減速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現できる。さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００３９】
また、本実施の形態３に示すアクチュエータによれば、ステータ３２の円筒内面３２１ａに内歯車３６を形成し、ロータ３３の外周に円筒内面３２１ａの内歯車３６と噛合する外歯車３７を形成し、この外歯車３７を円筒内面３２１ａの内歯車３６に噛合させた状態でロータ３３を円筒内面３２１ａに沿い転動させるようにしたので、アクチュエータの高トルク化が確実にできるとともに、動力変換手段３５を太陽歯車３５２と、この太陽歯車３５２に内接しながら噛合する遊星歯車３５３で構成することにより、より高減速で高トルクのアクチュエータを実現できるという効果がある。
【００４０】
（実施の形態４）
次に、図７及び図８により本発明に係るアクチュエータの実施の形態４について説明する。
図７は本実施の形態４におけるアクチュエータの縦断側面図、図８は図７の８−８線に沿う断面図である。
この図７及び図８において、アクチュエータ３０は、上記実施の形態３に示す場合と同様にハウジング３１を有し、このハウジング３１には、ステータ３２、ロータ３３、駆動手段３４および動力変換手段４５が収容されており、上記実施の形態３と異なる点は動力変換手段４５の構成にある。
【００４１】
動力変換手段４５はロータ３３の回転を直線運動に変化するもので、図７及び図８から明らかなように、ロータ３３の中心穴３３ａの内周面に所定ピッチで形成された雌ねじ４５１と、ロータ３３の中心穴３３ａを貫通してステータ３２の中心軸線４１に一致して配置され、かつハウジング３１の両側カバー部３１ａに回転可能に支持された、中心穴３３ａの内径より小さい外径の出力軸４５２と、ロータ３３の雌ねじ４５１と内接状態で噛合するように出力軸４５２に外周面に形成された雄ねじ部４５３とから構成されている。
【００４２】
このようなアクチュエータ３０の動力変換手段４５において、ロータ３３が遊星回転すると、ロータ３３の回転は、その雌ねじ４５１及びこれと内接しながら噛合する雄ねじ部４５３とによって直線運動に変換され、出力軸４５２を図７の矢印Ｄに示す方向に往復移動させることが可能になる。
このようなアクチュエータ３０においても、上記実施の形態３と同様な作用効果を発揮することができる。
【００４３】
上記実施の形態２では、ロータ２３の外周面を法線方向から押圧する駆動手段２４の押圧体に逆圧電効果型の圧電体２４１を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図９に示すように、ステータ２２の円筒内面２２ａから内方へ突出可能に設けられた押圧用の可動体５１と、この可動体５１を円筒内面２２ａの内方へ突出させてロータ２３の外周面を法線方向から押圧動作させる電磁コイル５２と、可動体５１をステータ２２の円筒内面２２ａから突出しない位置に復元させるコイルばね５３とから構成される電磁プランジャ５０を用いることができる。この場合、圧電体２４１に比較して大型化するが、圧電体２４１よりも大きな駆動力を得ることができる。
また、上記実施の形態１〜３に示す動力変換手段は、ロータの回転を減速または変速する方式の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ロータの回転を直線運動に変化する動力変換手段に変えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。
【図５】本実施の形態３におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図６】図５の６−６線に沿う断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図８】図７の８−８線に沿う断面図である。
【図９】本発明のアクチュエータにおける動力変換手段の他の例を示す要部の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０ アクチュエータ
１１，２１，３１ ハウジング
１２，２２，３２ ステータ
１３，２３，３３ ロータ
１４，２４，３４ 駆動手段
１５，２５，３５ 動力変換手段
１２ａ，２２ａ，３２１ａ 円筒内面
１６ 磁極
１７，３６ 内歯車
１８，３７ 外歯車
１４２，２４２，３４２ 駆動制御部
２４１ 圧電体
３４１ 形状記憶体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの操作部や工作機械の送り機構、家電機器の操作部や玩具の操作部などを駆動するアクチュエータに関し、特に、高トルク、低速タイプのアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットの操作部や工作機械の送り機構などを駆動する高トルク、低速タイプのアクチュエータは、ハウジングと、このハウジング内に収容された電動機と、ハウジング内に収容され電動機の回転を減速するギヤ列からなる減速機構と、ハウジング内に収容され減速機構の回転運動を直線運動に変換するボールねじ機構等から構成され、減速機構の回転運動を利用してロボットの操作部を回転または旋回駆動したり、あるいはボールねじ機構の直線運動を利用して工作機械の送り機構を駆動できるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００２−５４１３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような従来のアクチュエータは、電動機と、この電動機の回転を減速するギヤ列からなる減速機構とを組み合わせ、さらにボールねじ機構を組み込んだものから構成されるため、高トルクで低速のアクチュエータを得ようとすると、減速機構を構成するギヤ数が増大し、アクチュエータ自体の構造が複雑かつ大型化してしまい、小型軽量化が困難になり、コスト高となる問題がある。
また、減速機構はギヤ列から構成されるため、ギヤ列のバックラッシュがロボットの操作や工作機械の送り精度などに悪影響を及ぼすことになる。さらに、バックラッシュを除去するには、減速機構にバックラッシュ除去機構を組み込む必要があり、このようにするとアクチュエータが更に複雑化、大型化されてしまうという問題がある。また、従来のアクチュエータに使用される電動機においては、負荷トルク以上の保持トルクが発生し得るように電動機を定格の直流電圧で励磁しておく必要があり、このようにしないと、負荷トルクによって電動機の静止角度が変化してしまい、ロボットの操作精度や工作機械の送り精度が低下する問題がある。
【０００４】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、小型軽量化を可能にするとともに、簡易な機構により高減速、高トルクを発生できるようにしたアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために本発明のアクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジング内に装着され所定径の円筒内面を有するステータと、前記ステータの円筒内面と内接しながら遊星回転可能に設けられた、前記円筒内面の内径より小さい外径のロータと、前記ステータに設けられ前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させて該ロータを遊星回転させる駆動手段と、前記ロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力する動力変換手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記ステータは、一定の角度でリング状に配列した複数の磁極を有し、前記複数の磁極の前記ロータに対向する面は前記円筒内面を構成し、前記駆動手段は、前記複数の磁極にそれぞれ巻装した複数の励磁コイルと、前記複数の励磁コイルに所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイルを順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う前記磁極の磁気的吸引作用により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１また２記載のアクチュエータにおいて、前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項４の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列され、かつ前記ステータの円筒内面から内方へ突出可能に設けられた複数の押圧体を有し、前記複数の押圧体を所定のタイミングで順番に前記円筒内面の内方へ突出動作させて前記ロータの外周面を法線方向から押圧することにより前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記押圧体は、前記駆動制御部から供給される電圧により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる逆圧電効果型の圧電体もしくは前記駆動制御部から供給される電流により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる電磁プランジャの何れか一方からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項６の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記ロータは、該ロータの外周に相対回転可能に設けたれたリング部材を備え、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列された複数の形状記憶体と、前記複数の形状記憶体に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部とを備え、この形状記憶体の形状変化動作により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させるように構成したことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６記載のアクチュエータにおいて、前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータによれば、駆動手段によりロータをステータの円筒内面に沿い転動させてロータを遊星回転させ、このロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明にかかるアクチュエータの実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明にかかるアクチュエータは、以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１におけるアクチュエータの縦断側面図、図２は図１の２−２線に沿う断面図である。
図１及び図２において、アクチュエータ１０は、ハウジング１１を有し、このハウジング１１には、ステータ１２、ロータ１３、駆動手段１４および動力変換手段１５が収容されている。
【００１２】
ステータ１２は、図１及び図２に示すように、同一円周上に一定の角度（例えば４５°の角度）でリング状に配列された複数個、例えば８つの磁極１６を有し、この各磁極１６はロータ１３の法線方向に突出しているとともに、その突出端にはロータ１３の外周と対向する磁極片１６ａが形成され、これら磁極片１６ａのロータ１３の外周と対向する面はエンドレスの円筒内面１２ａを構成し、この円筒内面１２ａの内径はロータ１３の外径より大きい径に形成され、さらに、円筒内面１２ａには内歯車１７が所定のピッチで形成されている。なお、ステータ１２の外周形状は八角形を呈している。
【００１３】
ロータ１３は、少なくとも円筒内面１２ａと内接する外周部分が磁性体から形成されるもので、図１及び図２に示すように、ステータ１２の内側に、その円筒内面１２ａと内接しながら遊星回転できる状態に設けられている。すなわち、ロータ１３は円筒内面１２ａの内径より小さい外径に形成されているとともに、その外周には円筒内面１２ａの内歯車１７と噛合する外歯車１８が形成され、この外歯車１８を円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合させた状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動することにより遊星回転できるように構成されている。
【００１４】
駆動手段１４はロータ１３の外歯車１８が円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合する内接状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させることによりロータ１３を遊星回転させるためのものであり、この駆動手段１４は、図１及び図２に示すように、ステータ１２を構成する８個の磁極１６のそれぞれに巻装した８個の励磁コイル１４１と、この各励磁コイル１４１に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１５の磁気的吸引作用によりロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させる駆動制御部１４２とから構成されている。
【００１５】
前記駆動制御部１４２は、励磁コイル１４１に電流を供給する電源部１４２ａと、ロータ１３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ１に応じて、励磁する８個の励磁コイル１４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ１〜Ｓ８を順に送出する分配回路１４２ｂと、この分配回路１４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ１〜Ｓ８に基づき電源部１４２ａから８個の励磁コイル１４１に電流を順に流して８個の励磁コイル１４１を順番に励磁する電流増幅回路１４２ｃとから構成されている。
【００１６】
動力変換手段１５はロータ１３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段１５は、図１及び図２に示すように、ロータ１３の中心部に形成した中心穴１３ａを貫通してステータ１２の中心軸線１９に一致して配置され、かつハウジング１１の両側カバー部１１ａに回転可能に支持された出力軸１５１と、この出力軸１５１に軸線を一致して設けられた、所定ピッチの内歯１５２ａを有する太陽歯車１５２と、ロータ１３に同軸に設けられ、太陽歯車１５２の内歯１５２ａと内接状態に噛合する外歯１５３ａを有する遊星歯車１５３とから構成されている。
【００１７】
このような本実施の形態１に示すアクチュエータ１０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰが分配回路１４２ｂに入力されると、分配回路１４２ｂからは指令信号ＳＰ１に応じた切換信号Ｓ１〜Ｓ８が順に送出され、電流増幅回路１４２ｃに順次入力される。これにより、電流増幅回路１４２ｃでは、切換信号Ｓ１〜Ｓ８にしたがって電流増幅回路１４２ｃを動作することにより、電源部１４２ａから８個の励磁コイル１４１に、例えば図２に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の順に電流を所定の時間ずつ順番に供給して、各励磁コイル１４１を給電順番Ｎ１からＮ８の順に励磁する。例えば給電順番Ｎ２に位置する励磁コイル１４１が励磁されると、その磁極１６に磁気的吸引力が発生するため、この磁気的吸引力により給電順番Ｎ１に位置するロータ１３を給電順番Ｎ２の方向へ転動させると同時に、その外歯車１８を給電順番Ｎ２に対応する磁極１６の内歯車１７に対して、給電順番Ｎ１に示す場合と同様な噛合状態にする。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する励磁コイル１４１が励磁されると、これによる磁極１６の磁気的吸引力によってロータ１３が給電順番Ｎ３と対応する側へ転動され、その外歯車１８を給電順番Ｎ３に位置する磁極１６の内歯車１７に対して、給電順番Ｎ１に示す場合と同様な噛合状態にする。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ１３は、その外歯車１８と円筒内面１２ａの内歯車１７とが互いに噛み合いながらステータ１２の円筒内面１２ａに沿って図２の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図２の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ１３を遊星回転することができる。
【００１８】
なお、８個の励磁コイル１４１の励磁が図２に示すアルファベット符号ａ，ｂ，ｃ，〜ｇ，ｈの順序で一巡した時のロータ１３の回転角度θ１は次式で与えられる。
θ１＝３６０°×（Ｄ１−Ｄ２／Ｄ２）
ただし、Ｄ１は円筒内面１２ａの内径で、Ｄ２はロータ１３の外径であり、Ｄ１＞Ｄ１の関係にある。また、ロータ１３の回転角の分解能は、円周方向に一定の角度でリング状に配列される磁極１６の数により決定され、磁極１６の数が多いほど分解能が高くなる。また、Ｄ１とＤ２との差が小さい程、ロータ１３の回転角度θ１は小さくなる。これにより、高減速、高トルクのアクチュエータを実現できる。
【００１９】
一方、ロータ１３が遊星回転すると、その回転は、太陽歯車１５２に内接しながら噛合する遊星歯車１５３の遊星運動によって太陽歯車１５２に伝達され、さらに、この太陽歯車１５２を介して出力軸１５１に伝達される。この時の出力軸１５１の回転角度θ２は次式で与えられる。
θ２＝θ１×（Ｄ３−Ｄ４／Ｄ４）
ただし、Ｄ３は太陽歯車１５２の内径で、Ｄ４は遊星歯車１５３の外径であり、Ｄ３
＞Ｄ４の関係にある。
【００２０】
このような本実施の形態１に示すアクチュエータによれば、駆動手段１４を構成する複数の励磁コイル１４１に駆動制御部１４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイル１４１を順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う磁極１６の磁気的吸引作用によりロータ１３をステータ１２の円筒内面１２ａに沿い転動させてロータ１３を遊星回転させ、このロータ１３の回転を動力変換手段１５により減速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現でき、さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００２１】
また、本実施の形態１に示すアクチュエータによれば、ステータ１２の円筒内面１２ａに内歯車１７を形成し、ロータ１３の外周に円筒内面１２ａの内歯車１７と噛合する外歯車１８を形成し、この外歯車１８を円筒内面１２ａの内歯車１７に噛合させた状態でロータ１３を円筒内面１２ａに沿い転動させるようにしたので、アクチュエータの高トルク化が確実にできるとともに、動力変換手段１５を太陽歯車１５２と、この太陽歯車１５２に内接しながら噛合する遊星歯車１５３で構成することにより、より高減速で高トルクのアクチュエータを実現できるという効果がある。
【００２２】
（実施の形態２）
次に、図３及び図４により本発明に係るアクチュエータの実施の形態２について説明する。
図３は本実施の形態２におけるアクチュエータの縦断側面図、図４は図３の４−４線に沿う断面図である。
図３及び図４において、アクチュエータ２０は、ハウジング２１を有し、このハウジング２１には、ステータ２２、ロータ２３、駆動手段２４および動力変換手段２５が収容されている。
【００２３】
ステータ２２は、図３及び図４に示すように、所定径の円筒内面２２ａを有するとともに外周形状が八角形を呈する樹脂材等の筒体から構成されている。
ロータ２３は合成樹脂材等から成形されるもので、図３及び図４に示すように、ステータ２２の軸方向の寸法より僅かに小さい長さ寸法を有する円柱状を呈するとともにステータ２２の円筒内面２２ａの内径より小さい外径に形成されている。このようなロータ２３はステータ２２の内側に、その円筒内面２２ａと内接しながら円筒内面２２ａに沿い転動することで遊星回転できるように設けられている。
【００２４】
駆動手段２４はロータ２３を円筒内面２２ａに内接しながら円筒内面２２ａに沿い転動させることにより遊星回転させるためのものであり、この駆動手段２４は、図３及び図４に示すように、ステータ２２にその周方向に一定の角度（例えば４５°の角度）で配列され、かつステータ２２の円筒内面２２ａから内方へ突出できるようにロータ２３の法線方向に延在して設けられた複数、例えば８個の逆圧電効果型圧電体（特許請求の範囲に記載した押圧体に相当する）２４１と、この複数の圧電体２４１を所定のタイミングで順番に円筒内面２２ａの内方へ伸張動作させてロータ２３の外周面を法線方向から押圧することによりロータ２３をステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させるための駆動制御部２４２とを備えている。
【００２５】
駆動制御部２４２は、圧電体２４１に電圧を供給する電源部２４２ａと、ロータ２３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ２に応じて、伸長動作する８個の圧電体２４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８を順に送出する分配回路２４２ｂと、この分配回路２４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８に基づき電源部２４２ａから８個の圧電体２４１に電圧を順に供給して８個の圧電体２４１を順番に伸長させる電圧供給回路２４２ｃとから構成されている。
【００２６】
動力変換手段２５は、ロータ２３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段２５は、図３及び図４に示すように、ロータ２３の中心部に同軸に形成した中心穴２３ａを貫通してステータ２２の中心軸線２４上に一致して配置され、かつハウジング２１の両側カバー部２１ａに回転可能に支持された出力軸２５１と、この出力軸２５１に軸線を一致して設けられ、ロータ２３の中心穴２３ａの内周面に内接しながら回転する回転体２５２とから構成されている。
【００２７】
このような本実施の形態２に示すアクチュエータ２０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰ２が分配回路２４２ｂに入力されると、分配回路２４２ｂからは指令信号ＳＰ２に応じた切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８が順に送出され、電圧供給回路２４２ｃに順次入力される。これにより、電圧供給回路２４２ｃでは、切換信号Ｓ２１〜Ｓ２８にしたがって電圧供給回路２４２ｃを動作することにより、電源部２４２ａから８個の圧電体２４１に、例えば図４に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の昇冪順に電圧を所定の時間ずつ順番に供給し、各圧電体２４１を逆圧電効果により給電順番Ｎ１からＮ８の順に伸張動作させる。例えば給電順番Ｎ２に位置する圧電体２４１が伸張動作されると、この伸張動作によってロータ２３を法線方向に押圧すると同時に、このロータ２３を給電順番Ｎ１に示す位置から給電順番Ｎ２の方向へステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させる。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する圧電体２４１が伸張動作されると、ロータ２３は法線方向に押圧されると同時に、給電順番Ｎ３に示す位置から給電順番Ｎ４の方向へステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動される。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ２３はステータ２２の円筒内面２２ａに沿って図４の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図４の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ２３は遊星回転される。
【００２８】
一方、ロータ２３が遊星回転すると、回転体２５２はロータ２３の中心穴２３ａの内周面に内接しながら出力軸２５１を中心にして図４の矢印Ｃ方向に回転される。この回転体２５２の回転は出力軸２５１から負荷に伝達される。
【００２９】
このような本実施の形態２に示すアクチュエータによれば、駆動手段２４を構成する複数の逆圧電効果型圧電体２４１に駆動制御部２４２から所定のタイミングで順番に電圧を供給してこれら圧電体２４１を順番にかつサイクリックに伸張動作してロータ２３の外周面を法線方向から押圧し、この押圧操作でロータ２３をステータ２２の円筒内面２２ａに沿い転動させながら遊星回転させ、このロータ２３の回転を動力変換手段２５により変速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現でき、さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００３０】
（実施の形態３）
次に、図５及び図６により本発明に係るアクチュエータの実施の形態３について説明する。
図５は本実施の形態３におけるアクチュエータの縦断側面図、図６は図５の６−６線に沿う断面図である。
図５及び図６において、アクチュエータ３０は、ハウジング３１を有し、このハウジング３１には、ステータ３２、ロータ３３、駆動手段３４および動力変換手段３５が収容されている。
【００３１】
ステータ３２は、図３及び図４に示すように、所定径の円筒内面３２１ａを有するとともに外周形状が八角形を呈する樹脂材等のドーナツ状の一対の円盤体３２１を有し、この円盤体３２１は軸線が一致するように所定の間隔を離して結合部材３２２により一体に結合されている。また、各円盤体３２１の円筒内面３２１ａの内径はロータ３３の外径より大きい径に形成され、さらに、各円筒内面３２１ａには内歯車３６が所定のピッチで形成されている。
【００３２】
ロータ３３は合成樹脂材等から成形されるもので、図５及び図６に示すように、ステータ３２の軸方向の寸法より僅かに小さい長さ寸法を有する円柱状を呈するとともにステータ３２の円筒内面３２１ａの内径より小さい外径に形成されている。
このようなロータ３３の前記ステータ３２の内歯車３６と対向する外周面には、図５及び図６に示すように、ステータ３２の内歯車３６と噛合する一対の外歯車３７が形成されており、この一対の外歯車３７を、対応するステータ３２の内歯車３６に噛合させた状態でロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動することにより遊星回転できるように構成されている。また、ロータ３３の一対の外歯車３７間に位置する外周にはリング部材３８が相対回転可能に設けられている。
【００３３】
駆動手段３４はロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに内接しながら円筒内面３２１ａに沿い転動させることにより遊星回転させるためのものであり、この駆動手段２４は、図５及び図６に示すように、一対の円盤体３２１の間に位置してステータ３２の周方向に一定の角度（例えば４５°の角度）で配列された複数、例えば８個のコイル状の形状記憶体３４１と、この複数の形状記憶体３４１に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体３４１の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部３４２とを備える。
前記複数の形状記憶体３４１の一端はピン３９により結合部材３２２に揺動可能に連結され、複数の形状記憶体３４１の他端はピン４０によりリング部材３８に揺動可能に連結されている。
【００３４】
駆動制御部３４２は、形状記憶体３４１に電流を供給する電源部３４２ａと、ロータ３３の転動方向や転動速度などを指令する指令信号ＳＰ３に応じて、収縮動作する８個の形状記憶体３４１の切り換えを行うための切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８を順に送出する分配回路３４２ｂと、この分配回路３４２ｂから順に送出される切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８に基づき電源部３４２ａから８個の形状記憶体３４１に電流を順に供給して８個の形状記憶体３４１を順番に収縮させる電流供給回路３４２ｃとから構成されている。
【００３５】
動力変換手段３５はロータ３３の回転を希望する速度に減速して出力するもので、この動力変換手段３５は、図５及び図６に示すように、ロータ３３の中心部に形成した中心穴３３ａを貫通してステータ３２の中心軸線４１に一致して配置され、かつハウジング３１の両側カバー部３１ａに回転可能に支持された出力軸３５１と、この出力軸３５１に軸線を一致して設けられた、所定ピッチの内歯３５２ａを有する太陽歯車３５２と、ロータ３３に同軸に設けられ、太陽歯車３５２の内歯３５２ａと内接状態に噛合する外歯３５３ａを有する遊星歯車３５３とから構成されている。
【００３６】
このような本実施の形態３に示すアクチュエータ３０において、図示省略のマイクロコンピュータから指令信号ＳＰ３が分配回路３４２ｂに入力されると、分配回路３４２ｂからは指令信号ＳＰ３に応じた切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８が順に送出され、電流供給回路３４２ｃに順次入力される。これにより、電流供給回路３４２ｃでは、切換信号Ｓ３１〜Ｓ３８にしたがって電流供給回路３４２ｃを動作することにより、電源部３４２ａから８個の形状記憶体３４１に、例えば図６に示す給電順番Ｎ１〜Ｎ８の昇冪順に電流を所定の時間ずつ順番に供給し、各形状記憶体３４１を給電順番Ｎ１からＮ８の順に収縮動作させる。例えば給電順番Ｎ２に位置する形状記憶体３４１が収縮動作されると、この収縮動作によってロータ３３を法線方向に引っ張ると同時に、このロータ３３を、その外歯車３７がステータ３２の内歯車３６に噛合されたままの状態で給電順番Ｎ１に示す位置から給電順番Ｎ２の方向へステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動させる。さらに、この状態から給電順番Ｎ３に位置する形状記憶体３４１が収縮動作すると、ロータ３３は法線方向に引っ張られると同時に、外歯車３７が内歯車３６と噛み合いながら給電順番Ｎ３に示す位置から給電順番Ｎ４の方向へステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動される。
以下、同様な動作を順に繰り返すことにより、ロータ３３は、その外歯車３７とステータ３２の内歯車３６とが互いに噛み合いながらステータ３２の円筒内面３２１ａに沿って図６の矢印Ａ方向に転動されると同時に、図６の矢印Ｂ方向に回転される。すなわちロータ３３を遊星回転することができる。
【００３７】
一方、ロータ３３が遊星回転すると、その回転は、太陽歯車３５２に内接しながら噛合する遊星歯車３５３の遊星運動によって太陽歯車３５２に伝達され、さらに、この太陽歯車３５２を介して出力軸３５１に伝達される。この出力軸２５１の回転は負荷に伝達される。
【００３８】
このような本実施の形態３に示すアクチュエータによれば、駆動手段３４を構成する複数の形状記憶体３４１に駆動制御部３４２から所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体３４１を順番にかつサイクリックに収縮動作してロータ３３を法線方向に引っ張り、この引っ張り操作でロータ３３をステータ３２の円筒内面３２１ａに沿い転動させながら遊星回転させ、このロータ３３の回転を動力変換手段３５により減速して出力するように構成したので、アクチュエータを小型軽量化できるとともに、簡易な機構により高減速で高トルクのアクチュエータを容易に、かつ低コストで実現できる。さらに、従来のアクチュエータのように保持トルクを得るための手段が不要になるという効果がある。
【００３９】
また、本実施の形態３に示すアクチュエータによれば、ステータ３２の円筒内面３２１ａに内歯車３６を形成し、ロータ３３の外周に円筒内面３２１ａの内歯車３６と噛合する外歯車３７を形成し、この外歯車３７を円筒内面３２１ａの内歯車３６に噛合させた状態でロータ３３を円筒内面３２１ａに沿い転動させるようにしたので、アクチュエータの高トルク化が確実にできるとともに、動力変換手段３５を太陽歯車３５２と、この太陽歯車３５２に内接しながら噛合する遊星歯車３５３で構成することにより、より高減速で高トルクのアクチュエータを実現できるという効果がある。
【００４０】
（実施の形態４）
次に、図７及び図８により本発明に係るアクチュエータの実施の形態４について説明する。
図７は本実施の形態４におけるアクチュエータの縦断側面図、図８は図７の８−８線に沿う断面図である。
この図７及び図８において、アクチュエータ３０は、上記実施の形態３に示す場合と同様にハウジング３１を有し、このハウジング３１には、ステータ３２、ロータ３３、駆動手段３４および動力変換手段４５が収容されており、上記実施の形態３と異なる点は動力変換手段４５の構成にある。
【００４１】
動力変換手段４５はロータ３３の回転を直線運動に変化するもので、図７及び図８から明らかなように、ロータ３３の中心穴３３ａの内周面に所定ピッチで形成された雌ねじ４５１と、ロータ３３の中心穴３３ａを貫通してステータ３２の中心軸線４１に一致して配置され、かつハウジング３１の両側カバー部３１ａに回転可能に支持された、中心穴３３ａの内径より小さい外径の出力軸４５２と、ロータ３３の雌ねじ４５１と内接状態で噛合するように出力軸４５２に外周面に形成された雄ねじ部４５３とから構成されている。
【００４２】
このようなアクチュエータ３０の動力変換手段４５において、ロータ３３が遊星回転すると、ロータ３３の回転は、その雌ねじ４５１及びこれと内接しながら噛合する雄ねじ部４５３とによって直線運動に変換され、出力軸４５２を図７の矢印Ｄに示す方向に往復移動させることが可能になる。
このようなアクチュエータ３０においても、上記実施の形態３と同様な作用効果を発揮することができる。
【００４３】
上記実施の形態２では、ロータ２３の外周面を法線方向から押圧する駆動手段２４の押圧体に逆圧電効果型の圧電体２４１を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図９に示すように、ステータ２２の円筒内面２２ａから内方へ突出可能に設けられた押圧用の可動体５１と、この可動体５１を円筒内面２２ａの内方へ突出させてロータ２３の外周面を法線方向から押圧動作させる電磁コイル５２と、可動体５１をステータ２２の円筒内面２２ａから突出しない位置に復元させるコイルばね５３とから構成される電磁プランジャ５０を用いることができる。この場合、圧電体２４１に比較して大型化するが、圧電体２４１よりも大きな駆動力を得ることができる。
また、上記実施の形態１〜３に示す動力変換手段は、ロータの回転を減速または変速する方式の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ロータの回転を直線運動に変化する動力変換手段に変えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。
【図５】本実施の形態３におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図６】図５の６−６線に沿う断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４におけるアクチュエータの縦断側面図である。
【図８】図７の８−８線に沿う断面図である。
【図９】本発明のアクチュエータにおける動力変換手段の他の例を示す要部の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０ アクチュエータ
１１，２１，３１ ハウジング
１２，２２，３２ ステータ
１３，２３，３３ ロータ
１４，２４，３４ 駆動手段
１５，２５，３５ 動力変換手段
１２ａ，２２ａ，３２１ａ 円筒内面
１６ 磁極
１７，３６ 内歯車
１８，３７ 外歯車
１４２，２４２，３４２ 駆動制御部
２４１ 圧電体
３４１ 形状記憶体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内に装着され所定径の円筒内面を有するステータと、
前記ステータの円筒内面と内接しながら遊星回転可能に設けられた、前記円筒内面の内径より小さい外径のロータと、
前記ステータに設けられ前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させて該ロータを遊星回転させる駆動手段と、
前記ロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力する動力変換手段とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ステータは、一定の角度でリング状に配列した複数の磁極を有し、前記複数の磁極の前記ロータに対向する面は前記円筒内面を構成し、前記駆動手段は、前記複数の磁極にそれぞれ巻装した複数の励磁コイルと、前記複数の励磁コイルに所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイルを順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う前記磁極の磁気的吸引作用により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする請求項１また２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列され、かつ前記ステータの円筒内面から内方へ突出可能に設けられた複数の押圧体を有し、前記複数の押圧体を所定のタイミングで順番に前記円筒内面の内方へ突出動作させて前記ロータの外周面を法線方向から押圧することにより前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記押圧体は、前記駆動制御部から供給される電圧により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる逆圧電効果型の圧電体もしくは前記駆動制御部から供給される電流により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる電磁プランジャの何れか一方からなることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ロータは、該ロータの外周に相対回転可能に設けたれたリング部材を備え、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列された複数の形状記憶体と、前記複数の形状記憶体に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部とを備え、この形状記憶体の形状変化動作により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させるように構成したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内に装着され所定径の円筒内面を有するステータと、
前記ステータの円筒内面と内接しながら遊星回転可能に設けられた、前記円筒内面の内径より小さい外径のロータと、
前記ステータに設けられ前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させて該ロータを遊星回転させる駆動手段と、
前記ロータの回転を減速もしくは直線運動に変換して出力する動力変換手段とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ステータは、一定の角度でリング状に配列した複数の磁極を有し、前記複数の磁極の前記ロータに対向する面は前記円筒内面を構成し、前記駆動手段は、前記複数の磁極にそれぞれ巻装した複数の励磁コイルと、前記複数の励磁コイルに所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら励磁コイルを順番にかつサイクリックに励磁し、この励磁に伴う前記磁極の磁気的吸引作用により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする請求項１また２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列され、かつ前記ステータの円筒内面から内方へ突出可能に設けられた複数の押圧体を有し、前記複数の押圧体を所定のタイミングで順番に前記円筒内面の内方へ突出動作させて前記ロータの外周面を法線方向から押圧することにより前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させる駆動制御部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記押圧体は、前記駆動制御部から供給される電圧により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる逆圧電効果型の圧電体もしくは前記駆動制御部から供給される電流により伸張動作して前記ロータの外周面を法線方向から押圧することで前記ロータを転動させる電磁プランジャの何れか一方からなることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ロータは、該ロータの外周に相対回転可能に設けたれたリング部材を備え、前記駆動手段は、前記ステータに該ステータの周方向に一定の角度で配列された複数の形状記憶体と、前記複数の形状記憶体に所定のタイミングで順番に電流を供給してこれら形状記憶体の形状を順番にかつサイクリックに変化させる駆動制御部とを備え、この形状記憶体の形状変化動作により前記ロータを前記円筒内面に沿い転動させるように構成したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ステータの円筒内面に所定のピッチで内歯車が形成され、前記ロータの外周面に前記内歯車と噛合する外歯車が形成されていることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−３１５４９０（Ｐ２００７−３１５４９０Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４５７２６（Ｐ２００６−１４５７２６）
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（３９１００６０８３）三光合成株式会社 (67)
【出願人】（５０５０２６７３４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（３９１００６０８３）三光合成株式会社 (67)
【出願人】（５０５０２６７３４）
【Ｆターム（参考）】
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