磁気歯車装置
【課題】大きな伝達トルクを得ることができる磁気歯車装置を提供する。
【解決手段】磁気歯車装置１は、外歯車５と、内歯車６と、ステータ歯車７とを備えている。外歯車５は、外側筒２１と、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂとを有している。内歯車６は、内側筒３１と、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂとを有している。ステータ歯車７は、外歯車５と内歯車６との間に配置される複数の磁性歯部５３を有している。内歯車６の複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、異なる磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並び、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、同じ磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並ぶ。これにより、複数の内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂは、磁束が集中する磁束収束部を形成する。
【解決手段】磁気歯車装置１は、外歯車５と、内歯車６と、ステータ歯車７とを備えている。外歯車５は、外側筒２１と、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂとを有している。内歯車６は、内側筒３１と、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂとを有している。ステータ歯車７は、外歯車５と内歯車６との間に配置される複数の磁性歯部５３を有している。内歯車６の複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、異なる磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並び、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、同じ磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並ぶ。これにより、複数の内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂは、磁束が集中する磁束収束部を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気引力または斥力を利用して動力を伝達する磁気歯車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車は、トルクなどの動力を伝達する機械要素である。一般的な歯車は、原動側の歯と従動側の歯が接触することで動力を伝達するため、原動側の歯と従動側の歯との間に摩擦が生じる。したがって、原動側の歯と従動側の歯との間には、潤滑剤が必要になる。また、原動側の歯と従動側の歯との接触による騒音も発生する。そこで、近年、歯の接触の無い磁気歯車が開発されている。磁気歯車は、非接触でトルクを伝達するため、潤滑剤を必要とせず、且つ、無騒音で駆動させることができる。
【０００３】
一方、ロボットや複写機等に用いられる減速機構には、過大なトルクが作用したときにそのトルクを遮断（動力伝達を遮断）するトルクリミッタ機能を有するものが要求されている。磁気歯車は、トルクリミッタ機能を有するため、簡単な構造でトルクリミッタ機能を備えた減速機構を構成することができる。
【０００４】
磁気歯車装置としては、例えば、非特許文献１に記載されているものがある。この非特許文献１に記載された磁気歯車装置は、円筒状のハイスピードロータ及びロースピードロータを有しており、ハイスピードロータの外周面が、ロースピードロータの内周面に対向している。そして、ハイスピードロータの外周面に取り付けた磁石片とロースピードロータの内周面に取り付けた磁石片との間に生じる磁気引力を利用して、ハイスピードロータの動力をロースピードロータに伝達する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋ.Ａｔａｌｌａｈ ａｎｄ Ｄ．Ｈｏｗｅ,「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｅａｒ」,ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ,ＪＵＬＹ ２００１,Ｖｏｌ．３７． Ｎｏ．４，ｐ．２８４４−２８４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載された磁気歯車装置では、ハイスピードロータ及びロースピードロータにそれぞれ取り付けられた磁石片が厚み方向（ロータの径方向）に磁化されている。そのため、ロータの径方向に対向した磁石片間に生じる磁気吸引力が伝達トルクの大きさを決定することになり、実用的な大きさの伝達トルクを得ることが難しかった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、大きな伝達トルクを得ることができる磁気歯車装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明の磁気歯車装置は、外歯車と、内歯車と、ステータ歯車とを備えている。
外歯車は、円形の筒孔を有する外側筒と、筒孔の径方向に磁化されて外側筒の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片とを有している。この複数の外側磁石片は、異なる磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並べられている。
内歯車は、外歯車の筒孔に配置されている。そして、円形の外周部を有する内側筒と、筒孔の径方向に磁化されて内側筒の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片と、筒孔の周方向に磁化されて複数の第１内側磁石片に取り付けられた複数の第２内側磁石片とを有している。
ステータ歯車は、外歯車と内歯車との間に配置され、筒孔の周方向に所定の間隔をあけて並ぶ複数の磁性歯部を有している。
内歯車の複数の第１内側磁石片は、異なる磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並び、複数の第２内側磁石片は、同じ磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並ぶ。これにより、複数の第１内側磁石片及び複数の第２内側磁石片は、磁束が集中する磁束収束部を形成している。
【０００９】
この磁気歯車装置は、内歯車における第１内側磁石片と複数の第２内側磁石片の同じ磁極が筒孔の周方向及び径方向に隣り合うことにより、磁束が集中する磁束収束部を形成する。この磁束収束部の磁束がステータ歯車の磁性歯部を通って外歯車の外側磁石片に作用するため、外歯車と内歯車との間に生じる磁気吸引力を大きくすることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁気歯車装置によれば、大きな伝達トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の分解斜視図である。
【図４】図４Ａは本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の断面図、図４Ｂは図４Ａに示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の斜視図である。
【図６】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の分解斜視図である。
【図７】図７Ａは本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の断面図、図７Ｂは図７Ａに示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第１の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図９】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第２の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１０】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第３の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１１】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第４の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１２】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第１の磁束収束部が図８に示す磁性歯部の隣の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１３】本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の磁気歯車装置を実施するための形態について、図１〜図１３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１３】
１．第１の実施の形態
［磁気歯車装置の構成］
まず、本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態の構成について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態の断面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１４】
図１に示すように、磁気歯車装置１は、ケース２と、第１の回転軸３と、第２の回転軸４と、外歯車５と、内歯車６と、ステータ歯車７を備えている。外歯車５は、第２の回転軸４に固定され、内歯車６は、第１の回転軸３に固定されている。また、ステータ歯車７は、ケース２に固定されている。
【００１５】
ケース２は、非磁性材料により形成された中空部を有する筐体である。このケース２の中空部には、外歯車５、内歯車６及びステータ歯車７が配置される。このケース２は、外歯車５及びステータ歯車７の一部を露出させる開口部２ａを有しており、開口部２ａに対向する底板１１と、底板１１に連続して略垂直に突出する第１の支持板１２及び第２の支持板１３とを備えている。第１の支持板１２は、第２の支持板１３に対向している。また、第２の支持板１３の外面には、補強片１４が固定されている。
【００１６】
第１の回転軸３及び第２の回転軸４は、非磁性材料から形成されている。
２つの回転軸３，４及びケース２の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、アルミニウム、銅等の金属、又は合成樹脂を挙げることができる。
【００１７】
第１の回転軸３は、ケース２の第１の支持板１２及びステータ歯車７の後述するベース部４７を貫通している。この第１の回転軸３は、軸受１６によってステータ歯車７のベース部４７に回転可能に取り付けられている。
【００１８】
第２の回転軸４は、軸部４ａと、軸部４ａの先端に設けられた円板部４ｂからなっている。軸部４ａは、第２の支持板１３及び補強片１４を貫通している。この軸部４ａは、軸受１７によって第２の支持板１３に回転可能に取り付けられると共に、軸受１８によって補強片１４に回転可能に取り付けられている。
【００１９】
第２の回転軸４の円板部４ｂには、第１の回転軸３の先端部が回転可能に嵌合される軸受１９が設けられている。つまり、第１の回転軸３は、軸受１９によって第２の回転軸４に回転可能に取り付けられている。
第１の回転軸３の軸心及び第２の回転軸４の軸心は、支持板１２，１３が対向する方向と平行であって、互いに一致している。
【００２０】
軸受１６，１７，１８及び１９は、それぞれ転動体１６ａ，１７ａ，１８ａ及び１９ａを有する転がり軸受（ボールベアリング）である。これら軸受１６〜１９の転動体１６ａ〜１９ａは、非磁性材料または炭素含有量が多い材料によって形成することが好ましい。通常使用される転がり軸受は、硬度を確保するための焼き入れを行うため、炭素含有量は多い。したがって、そのような通常の転がり軸受を用いてもよい。
【００２１】
なお、本発明に係る軸受は、転がり軸受に限定されるものではなく、例えば、すべり軸受、流体軸受等を適用することもできる。
【００２２】
外歯車５は、第２の回転軸４の円板部４ｂに固定された外側筒２１と、外側筒２１の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂから構成されている。
【００２３】
外側筒２１は、円形の筒孔２１ａを有している。この外側筒２１は、例えば、珪素鋼板などの磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成されている。なお、磁性材料からなる複数の板状部材は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体成形されている。
【００２４】
このように、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して外側筒２１を形成すると、重なり合う板状部材間の微細な間隙が抵抗になり、外側筒２１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。なお、渦電流の遮断をより確実にするために、重なり合う板状部材間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させてもよい。
【００２５】
複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ筒孔２１ａの軸方向に細長い略棒状に形成された永久磁石である。これら複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、筒孔２１ａの径方向に磁化されている。
【００２６】
図２に示すように、外側磁石片２２Ａと外側磁石片２２Ｂは、筒孔２１ａの周方向に交互に並べられている。外側磁石片２２Ａは、外側筒２１側がＮ極であり、ステータ歯車７の後述する磁性歯部５３側がＳ極である。一方、外側磁石片２２Ｂは、外側筒２１側がＳ極であり、ステータ歯車７の後述する磁性歯部５３側がＮ極である。したがって、複数の外側磁石片２２Ｂは、異なる磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並べられている。
【００２７】
本実施の形態では、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂを磁性材料からなる外側筒２１に貼り付けることにより、外側筒２１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。また、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、磁気吸引力によって外側筒２１の内周部に吸着させることができるため、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂを外側筒２１の内周部に簡単に取りつけることができる。
【００２８】
［内歯車］
次に、内歯車６について図３及び図４を参照して説明する。
図３は、内歯車６の分解斜視図である。図４Ａは内歯車６の断面図であり、図４Ｂは図４Ａに示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００２９】
図３及び図４Ａに示すように、内歯車６は、外歯車５の筒孔２１ａ内に配置されている。この内歯車６は、円形の外周部を有する内側筒３１と、内側筒３１の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂの上に取り付けられた複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂから構成されている。
【００３０】
内側筒３１は、第１の回転軸３が嵌合される円形の筒孔３１ａを有する円筒状に形成されている。この内側筒３１は、例えば、珪素鋼板などの磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成されている。磁性材料からなる複数の板状部材は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体成形されている。このように、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して内側筒３１を形成することにより、内側筒３１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。
【００３１】
複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ内側筒３１（筒孔２１ａ）の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向に磁化されている。
【００３２】
図４Ｂに示すように、第１内側磁石片３２Ａと第１内側磁石片３２Ｂは、内側筒３１の周方向に交互に並べられている。第１内側磁石片３２Ａは、内側筒３１側がＮ極であり、第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ側がＳ極である。一方、第１内側磁石片３２Ｂは、内側筒３１側がＳ極であり、第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ側がＮ極である。したがって、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、異なる磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００３３】
複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、それぞれ内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、内側筒３１の周方向に磁化されている。
【００３４】
第２内側磁石片３３Ａと第２内側磁石片３３Ｂは、内側筒３１の周方向に交互に並べられている。第２内側磁石片３３Ａは、内側筒３１の周方向における一方がＮ極であり、他方がＳ極である。一方、第２内側磁石片３３Ｂは、内側筒３１の周方向における一方がＳ極であり、他方がＮ極である。したがって、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００３５】
第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＮ極は、第１内側磁石片３２Ｂ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＢのＮ極に内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向で隣り合っている。そして、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＮ極が隣り合う境界は、第１内側磁石片３２Ｂの中間部に位置している。
【００３６】
また、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＳ極は、第１内側磁石片３２Ａ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＡのＳ極に内側筒３１の径方向で隣り合っている。そして、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＳ極が隣り合う境界は、第１内側磁石片３２Ａの中間部に位置している。
【００３７】
第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、内側筒３１の周方向における両端に切欠き部を有している。この切欠き部は、隣り合う第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ間にＶ字状の溝部である磁束収束部を形成している。磁束収束部では、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合うため、磁束が集中する。
【００３８】
本実施の形態の磁束収束部は、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂと、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄと、第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆと、第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈからなっている。第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄ、第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆ及び第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈは、それぞれ第１の回転軸３を挟んで対向している。
【００３９】
第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂと第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆは、Ｎ極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合う。また、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄと第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈは、Ｓ極が内側筒３１の径方向及び周方向に隣り合う。
【００４０】
［ステータ歯車］
次に、ステータ歯車７について図５〜図７を参照して説明する。
図５は、ステータ歯車７の斜視図である。図６は、ステータ歯車７の分解斜視図である。図７Ａはステータ歯車７の断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００４１】
図５及び図６に示すように、ステータ歯車７は、ケース２の第１の支持板１２に取り付けられるステータ歯車本体４１と、ステータ歯車本体４１に嵌合される内側環状部材４２及び外側環状部材４３から構成されている。
【００４２】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ステータ歯車本体４１は、磁性材料によって形成されており、略円筒状に形成された第１ステータ部材４５及び第２ステータ部材４６を嵌め合わせることにより一体化されている。
【００４３】
ステータ歯車本体４１の第１ステータ部材４５は、円板状に形成されたベース部４７と、このベース部４７の一方の平面から略垂直に突出する複数の突出片４８とを備えている。
【００４４】
ベース部４７は、ケース２の第１の支持板１２に固定される（図１参照）。このベース部４７は、第１の回転軸３を貫通させる貫通孔４７ａと、この貫通孔４７ａの周囲に設けられたリング状の凹部４７ｂを有している。リング状の凹部４７ｂには、上述した軸受１６が配設される。
【００４５】
複数の突出片４８は、ベース部４７の周縁部から突出しており、ベース部４７の周縁に沿って所定の間隔をあけて配置されている。このような複数の突出片４８は、一方の端部にベース部４７が設けられた有底の筒体を開口部側から軸方向に切欠くことにより形成することができる。
【００４６】
複数の突出片４８のピッチ角度αは、外歯車５における複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂのピッチ角度βと、内歯車６における磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈのピッチ角度γよりも小さくなっている（図２参照）。なお、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂのピッチ角度βは、内歯車６における磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈのピッチ角度γよりも小さくなっている（α＜β＜γ）。
【００４７】
各突出片４８の先端部には、外面側を切り欠いて形成された外側段部４８ａが設けられている。各突出片４８の外側段部４８ａは、全体でリング状の凹部を形成する（図６参照）。各突出片４８の外側段部４８ａによって形成されたリング状の凹部には、外側環状部材４３が嵌合される。
【００４８】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ステータ歯車本体４１の第２ステータ部材４６は、第１ステータ部材４５の内側に嵌合される。この第２ステータ部材４６は、環状部５０と、この環状部５０の軸方向の一端から略垂直に突出する複数の突出片５１とを備えている。
【００４９】
環状部５０の外径は、第１ステータ部材４５における複数の突出片４８によって形成される筒体の内径と略等しくなっている。複数の突出片５１は、環状部５０の周縁に沿って所定の間隔をあけて配置されている。このような第２ステータ部材４６は、筒体を軸方向に切欠くことにより形成することができる。
【００５０】
各突出片５１の先端部には、内面側を切り欠いて形成された内側段部５１ａが設けられている。各突出片５１の内側段部５１ａは、全体でリング状の凹部を形成する。各突出片５１の内側段部５１ａによって形成されたリング状の凹部には、内側環状部材４２が嵌合される。
【００５１】
複数の突出片５１は、第１ステータ部材４５の複数の突出片４８に対してベース部４７の径方向に重なり合う。つまり、第１ステータ部材４５の各突出片４８と第２ステータ部材４６の各突出片５１は、ベース部４７の径方向に重なり合って、複数の磁性歯部５３を形成する。複数の磁性歯部５３は、外歯車５における複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂと、内歯車６における複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂとの間に介在される。
【００５２】
従来の磁気歯車装置（上記非特許文献１を参照）では、ロースピードロータ（外歯車）とハイスピードロータ（内歯車）が反対方向に回転するため、ステータの磁性歯部の中で渦電流が発生する。渦電流が発生すると、レンツの法則によりロースピードロータ（外歯車）及びハイスピードロータ（内歯車）の回転に抗する電磁ブレーキが生じてトルク損失となる。
【００５３】
この解決方法としては、例えば、ステータ歯車本体４１を複数の板状部材を軸方向に積層して形成し、渦電流を遮断することが考えられる。しかし、ステータ歯車本体４１の磁性歯部５３は、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした構造になっている。そのため、複数の板状部材を軸方向に積層してステータ歯車本体４１形成すると、組立作業が煩雑になり、生産性が低下する。
【００５４】
そこで、本実施の形態では、複数の突出片４８と複数の突出片５１とをベース部４７の径方向に重ね合わせて、その重ね合わせる面と面の間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることで、渦電流を遮断する。
渦電流を遮断するには、突出片の積層数が多いほど良いが、積層数を多くすると、磁性歯部の強度が減少する。したがって、本発明に係る突出片の積層数は、形成する磁性歯部の強度を考慮して任意に決定することができる。
【００５５】
また、突出片の積層数を多くすれば、組み合わせ面に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させなくても、渦電流の遮断が期待できる。しかし、渦電流を確実に遮断するには、重ね合わせる突出片間の少なくともひとつに電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることが好ましい。
【００５６】
複数の磁性歯部５３は、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした片持ち形状であるため、曲げに弱い構造なっている。したがって、複数の磁性歯部５３は、外側磁石片２２Ａ，２２Ｂ又は第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ（図２参照）の磁気吸引力によって吸引されて、自由端が外側に開いたり、内側に閉じたりするように変形してしまう。そのため、内側環状部材４２及び外側環状部材４３によって複数の磁性歯部５３の剛性を増加させて、変形を防止する。
【００５７】
内側環状部材４２は、複数の磁性歯部５３における各突出片５１の内側段部５１ａによって形成されたリング状の凹部に嵌合し、複数の磁性歯部５３の自由端が内側に閉じるように変形することを防止する。一方、外側環状部材４３は、複数の磁性歯部５３における各突出片４８の外側段部４８ａによって形成されたリング状の凹部に嵌合し、複数の磁性歯部５３の自由端が外側に開くように変形することを防止する。
【００５８】
本実施の形態では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を複数の磁性歯部５３に別々に嵌合させるため、両環状部材４２，４３を複数の磁性歯部５３に簡単に嵌合させることができる。その結果、ステータ歯車７を組み立てるときの作業性を向上させることができる。
【００５９】
例えば、環状部材に環状の溝部（凹部）を設け、その溝部に複数の磁性歯部５３の先端部を嵌合させれば、１つの部材で磁性歯部５３の変形を防止することができる。しかしながら、環状の溝部に複数の磁性歯部５３の先端部を挿入する場合は、全ての磁性歯部５３の位置を調整しなければならない。そのため、ステータ歯車７の組立作業が煩雑になり、作業性が低下する。
【００６０】
これに対し、本実施の形態では、例えば、初めに内側環状部材４２を嵌合させる場合は、複数の磁性歯部５３の一部が外側に開いていても、それらの位置を調整せずに内側環状部材４２の嵌合作業を行うことができる。その後、外側環状部材４３を嵌合させるときに、外側に開いている磁性歯部５３の位置を調整するだけで、外側環状部材４３の嵌合作業を簡単に行うことができる。
【００６１】
内側環状部材４２及び外側環状部材４３を鉄などの磁性材料によって形成すると、磁束が両環状部材４２，４３を通ることになる。その結果、外歯車５と内歯車６との間に作用する磁束が減り、伝達トルクが減少してしまう。したがって、内側環状部材４２及び外側環状部材４３は、非磁性材料によって形成することが好ましい。
【００６２】
また、両環状部材４２，４３と磁性歯部５３との間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることが好ましい。これにより、磁性歯部５３に渦電流が流れることを遮断することができる。
【００６３】
さらに、内側環状部材４２及び外側環状部材４３は、炭素繊維強化炭素複合材料や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの粘弾性の高分子材料によって形成することが好ましい。これにより、内側環状部材４２及び外側環状部材４３が振動減衰特性を有することになり、磁性歯部５３の振動を抑制あるいは防止することができる。その結果、磁気歯車装置１は、低振動かつ低騒音を実現することができる。
【００６４】
［磁気歯車装置の動作］
次に、磁気歯車装置１の動作について図８〜図１２を参照して説明する。
図８は、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに対向した状態の説明図である。
【００６５】
図８に示す状態では、ステータ歯車７の磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに注目すると、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となっている。そして、外歯車５の外側磁石片２２Ａａが磁性歯部５３ＡのＮ極に対向し、外側磁石片２２Ｂｂが磁性歯部５３ＢのＮ極に対向している。この状態では、外側磁石片２２Ａａと磁性歯部５３Ａとの間及び、外側磁石片２２Ｂｂと磁性歯部５３Ａとの間に生じる磁気吸引力は、半径方向のみならず周方向にも釣り合っている。
【００６６】
図８に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向する。
【００６７】
図９は、内歯車６の第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向した状態の説明図である。
【００６８】
第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向すると、磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄの第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｃと外歯車５の外側磁石片２２Ｂａとの間及び磁性歯部５３Ｄと外側磁石片２２Ｂｂとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図９に示すような釣り合い状態になる。
【００６９】
図９に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向する。
【００７０】
図１０は、内歯車６の第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向した状態の説明図である。
【００７１】
第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向すると、磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆの第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｅと外歯車５の外側磁石片２２Ａｃとの間及び磁性歯部５３Ｆと外側磁石片２２Ａｄとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１０に示すような釣り合い状態になる。
【００７２】
図１０に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向する。
【００７３】
図１１は、内歯車６の第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向した状態の説明図である。
【００７４】
第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向すると、磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈの第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｇと外歯車５の外側磁石片２２Ｂｃとの間及び磁性歯部５３Ｈと外側磁石片２２Ｂｄとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１１に示すような釣り合い状態になる。
【００７５】
図１１に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向する。
【００７６】
図１２は、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向した状態の説明図である。
【００７７】
第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向すると、磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊの第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｉと外歯車５の外側磁石片２２Ａｅとの間及び磁性歯部５３Ｊと外側磁石片２２Ａｆとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１２に示すような釣り合い状態になる。
【００７８】
磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊは、矢印Ｒ１方向で磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに隣り合う。つまり、図９に示す状態から図１２に示す状態になるまでに、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ（内歯車６）は、矢印Ｒ１方向へ磁性歯部５３のピッチ角度α（図２参照）だけ回転する。そして、外歯車５は、矢印Ｒ２方向へピッチ角度αよりも小さい角度（本例では、ピッチ角度αの１／５程度）だけ回転する。
【００７９】
本実施の形態の磁気歯車装置１では、隣り合う第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ間にＶ字状の溝部である磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈを形成した。これら磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈには、磁束が集中する。そして、磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈの磁束がステータ歯車７の幅の狭い磁性歯部５３を通るため、内歯車６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【００８０】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５の外側筒２１及び内歯車６の内側筒３１を磁性材料によって形成した。これにより、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂ及び複数の内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３ｂで外側筒２１及び内側筒３１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。
【００８１】
しかし、磁気歯車装置１では、内歯車６から外歯車５に、又は外歯車５から内歯車６にステータ歯車７の磁性歯部５３を介して磁場が作用する。そこで、磁気歯車装置１では、外側筒２１及び内側筒３１を磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成した。これにより、外側筒２１及び内側筒３１の軸方向に流れる渦電流の発生を防止することができ、トルク損失（渦電流損）を軽減することができる。
【００８２】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５と内歯車６が反対方向に回転するため、ステータ歯車７の磁性歯部５３の中で渦電流が発生することが考えられる。そこで、磁気歯車装置１では、突出片４８と突出片５１とを重ね合わせて磁性歯部５３を形成し、突出片４８，５１間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させた。これにより、磁性歯部５３においてベース部４７（筒孔２１ａ）の径方向に流れる渦電流を遮断することができ、渦電流損を軽減することができる。
【００８３】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を複数の磁性歯部５３に嵌合させた。これにより、複数の磁性歯部５３の剛性を増加させて、変形を防止することができる。
【００８４】
しかも、磁気歯車装置１では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を別々に複数の磁性歯部５３に嵌合させるため、両環状部材４２，４３を簡単に磁性歯部５３に嵌合させることができる。その結果、ステータ歯車７の組立作業を簡単にすることができ、作業性・生産性を向上させることができる。
【００８５】
また、内側環状部材４２及び外側環状部材４３を粘弾性の高分子材料によって形成することにより、磁性歯部５３の振動を抑制あるいは防止することができる。その結果、磁気歯車装置１では、低振動かつ低騒音を実現することができる。
【００８６】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、磁束が内歯車６からステータ歯車７の磁性歯部５３を通って外歯車５に作用する磁気回路となることが望ましい。しかし、ステータ歯車７の磁性歯部５３は、強度を考慮すると、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした片持ち形状にする必要があるため、ベース部４７と一体に形成されている。したがって、磁束は、ベース部４７にも漏れる構造となっている。
【００８７】
そこで、磁気歯車装置１では、ケース２、第１の回転軸３及び第２の回転軸４を非磁性材料によって形成した。これにより、内歯車６からステータ歯車７のベース部４７を通って閉じる磁気回路を遮断することができる。また、ケース２を導電性材料で形成する場合は、ステータ歯車７のベース部４７とケース２との間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させて、ベース部４７からケース２へ流れる渦電流を遮断することが好ましい。
【００８８】
２．第２の実施の形態
［磁気歯車装置の構成］
次に、本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態の構成について、図１３を参照して説明する。
図１３は、本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００８９】
図１３に示すように、第２の実施の形態の磁気歯車装置６１は、第１の実施の形態の磁気歯車装置１と同様の構成を有している。この磁気歯車装置６１が磁気歯車装置１と異なる点は、内歯車６６である。そのため、ここでは、内歯車６６について説明し、磁気歯車装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００９０】
［内歯車］
磁気歯車装置６１の内歯車６６は、外歯車５の筒孔２１ａ内に配置されている。この内歯車６６は、内側筒３１と、内側筒３１の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂの上に取り付けられた複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ及び複数の磁性片７４から構成されている。
【００９１】
複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、それぞれ内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、内側筒３１の周方向に磁化されている。
【００９２】
第２内側磁石片７３Ａと第２内側磁石片７３Ｂは、内側筒３１の周方向に所定の間隔をあけて交互に並べられている。第２内側磁石片７３Ａは、内側筒３１の周方向における一方がＮ極であり、他方がＳ極である。一方、第２内側磁石片７３Ｂは、内側筒３１の周方向における一方がＳ極であり、他方がＮ極である。したがって、複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００９３】
第２内側磁石片７３Ａ，７３ＢのＮ極は、第１内側磁石片３２Ｂ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＢのＮ極に内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向で隣り合っている。また、第２内側磁石片７３Ａ，７３ＢのＳ極は、第１内側磁石片３２Ａ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＡのＳ極に内側筒３１の径方向で隣り合っている。
【００９４】
複数の磁性片７４は、第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ間に配置されている。これら複数の磁性片７４は、鉄などの磁性材料からなり、内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成されている。各磁性片７４における内側筒３１の周方向の長さは、筒孔２１ａの周方向に隣り合う２つの磁性歯部５３に対向する大きさになっている。複数の磁性片７４は、磁束収束部を形成している。この磁束収束部では、第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ及び第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂの同じ磁極に隣り合うため、磁束が集中する。
【００９５】
本実施の形態の磁束収束部は、第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂと、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄと、第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆと、第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈからなっている。第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂ、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄ、第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆ及び第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈは、それぞれ第１の回転軸３を挟んで対向している。
【００９６】
第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂと第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆは、Ｎ極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合う。また、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄと第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈは、Ｓ極が内側筒３１の径方向及び周方向に隣り合う。
【００９７】
本実施の形態の磁気歯車装置６１では、隣り合う第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ間に磁性片７４を介在させて、磁束が集中する複数の磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈを形成した。そして、磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈの磁束がステータ歯車７の幅の狭い磁性歯部５３を通るため、内歯車６６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【００９８】
また、磁気歯車装置６１では、磁性片７４（磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈ）が筒孔２１ａの周方向に隣り合う２つの磁性歯部５３に対向する大きさになっている。そのため、磁束が集中する領域を広くすることができ、隣り合う２つの磁性歯部５３に磁束を通すことができる。その結果、内歯車６６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができ、大きな伝達トルクを得ることができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、磁性片７４を２つの磁性歯部５３に対向する大きさにしたが、本発明に係る磁性片としては、３つ以上の磁性歯部に対向する大きさにしてもよい。
【０１００】
以上、本発明の磁気歯車装置の実施の形態について、その作用効果も含めて説明した。しかしながら、本発明の磁気歯車装置は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述の第１及び第２の実施の形態では、８つの磁束収束部を設ける構成とした。しかしながら、本発明に係る磁束収束部の数は、１つ以上あればよく、任意に設定することができる。
【０１０１】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、第１の回転軸３を挟んで対向する２つの磁束収束部を１組として、各組の磁束収束部を磁性歯部５３に順番に対向させる構成とした。しかしながら、本発明の磁気歯車装置としては、磁束収束部を１つずつ順番に磁性歯部５３に対向させる構成であってもよい。
【０１０２】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、突出片４８，５１を筒孔２１ａの径方向に積層してステータ歯車７の磁性歯部５３を形成した。しかしながら、本発明に係るステータ歯車の磁性歯部は、突出片を積層して形成することに限定されるものではなく、１つの突出片から形成してもよい。
【０１０３】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、外側筒２１及び内側筒３１を円筒状に形成した。しかしながら、本発明に係る外側筒は、円形の筒孔を有していればよく、外径は三角形や四角形などの多角形にしてもよい。また、本発明に係る内側筒は、円形の外周部を有していればよく、筒孔は三角形や四角形などの多角形であってもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１，６１…磁気歯車装置、２…ケース、３…第１の回転軸、４…第２の回転軸、５…外歯車、６，６６…内歯車、７…ステータ歯車、１１…底板、１２…第１の支持板、１３…第２の支持板、１４…補強片、１６，１７，１８，１９…軸受、２１…外側筒、２１ａ…筒孔、２２Ａ，２２Ｂ…外側磁石片、３１…内側筒、３１ａ…筒孔、３２Ａ，３２Ｂ…第１内側磁石片、３３Ａ，３３Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ…第２内側磁石片、３５Ａ，３５Ｂ，７５Ａ，７５Ｂ…第１の磁束収束部、３５Ｃ，３５Ｄ，７５Ｃ，７５Ｄ…第２の磁束収束部、３５Ｅ，３５Ｆ，７５Ｅ，７５Ｆ…第３の磁束収束部、３５Ｇ，３５Ｈ，７５Ｇ，７５Ｈ…第４の磁束収束部、４１…ステータ歯車本体、４２…内側環状部材、４３…外側環状部材、４５…第１ステータ部材、４６…第２ステータ部材、４７…ベース部、４７ａ…貫通孔、４７ｂ…凹部、４８，５１…突出片、４８ａ…外側段部、５１ａ…内側段部、５０…環状部、５３…磁性歯部、７４…磁性片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気引力または斥力を利用して動力を伝達する磁気歯車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車は、トルクなどの動力を伝達する機械要素である。一般的な歯車は、原動側の歯と従動側の歯が接触することで動力を伝達するため、原動側の歯と従動側の歯との間に摩擦が生じる。したがって、原動側の歯と従動側の歯との間には、潤滑剤が必要になる。また、原動側の歯と従動側の歯との接触による騒音も発生する。そこで、近年、歯の接触の無い磁気歯車が開発されている。磁気歯車は、非接触でトルクを伝達するため、潤滑剤を必要とせず、且つ、無騒音で駆動させることができる。
【０００３】
一方、ロボットや複写機等に用いられる減速機構には、過大なトルクが作用したときにそのトルクを遮断（動力伝達を遮断）するトルクリミッタ機能を有するものが要求されている。磁気歯車は、トルクリミッタ機能を有するため、簡単な構造でトルクリミッタ機能を備えた減速機構を構成することができる。
【０００４】
磁気歯車装置としては、例えば、非特許文献１に記載されているものがある。この非特許文献１に記載された磁気歯車装置は、円筒状のハイスピードロータ及びロースピードロータを有しており、ハイスピードロータの外周面が、ロースピードロータの内周面に対向している。そして、ハイスピードロータの外周面に取り付けた磁石片とロースピードロータの内周面に取り付けた磁石片との間に生じる磁気引力を利用して、ハイスピードロータの動力をロースピードロータに伝達する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋ.Ａｔａｌｌａｈ ａｎｄ Ｄ．Ｈｏｗｅ,「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｅａｒ」,ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ,ＪＵＬＹ ２００１,Ｖｏｌ．３７． Ｎｏ．４，ｐ．２８４４−２８４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載された磁気歯車装置では、ハイスピードロータ及びロースピードロータにそれぞれ取り付けられた磁石片が厚み方向（ロータの径方向）に磁化されている。そのため、ロータの径方向に対向した磁石片間に生じる磁気吸引力が伝達トルクの大きさを決定することになり、実用的な大きさの伝達トルクを得ることが難しかった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、大きな伝達トルクを得ることができる磁気歯車装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明の磁気歯車装置は、外歯車と、内歯車と、ステータ歯車とを備えている。
外歯車は、円形の筒孔を有する外側筒と、筒孔の径方向に磁化されて外側筒の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片とを有している。この複数の外側磁石片は、異なる磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並べられている。
内歯車は、外歯車の筒孔に配置されている。そして、円形の外周部を有する内側筒と、筒孔の径方向に磁化されて内側筒の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片と、筒孔の周方向に磁化されて複数の第１内側磁石片に取り付けられた複数の第２内側磁石片とを有している。
ステータ歯車は、外歯車と内歯車との間に配置され、筒孔の周方向に所定の間隔をあけて並ぶ複数の磁性歯部を有している。
内歯車の複数の第１内側磁石片は、異なる磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並び、複数の第２内側磁石片は、同じ磁極が筒孔の周方向に隣り合うように並ぶ。これにより、複数の第１内側磁石片及び複数の第２内側磁石片は、磁束が集中する磁束収束部を形成している。
【０００９】
この磁気歯車装置は、内歯車における第１内側磁石片と複数の第２内側磁石片の同じ磁極が筒孔の周方向及び径方向に隣り合うことにより、磁束が集中する磁束収束部を形成する。この磁束収束部の磁束がステータ歯車の磁性歯部を通って外歯車の外側磁石片に作用するため、外歯車と内歯車との間に生じる磁気吸引力を大きくすることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁気歯車装置によれば、大きな伝達トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の分解斜視図である。
【図４】図４Ａは本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の断面図、図４Ｂは図４Ａに示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の斜視図である。
【図６】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の分解斜視図である。
【図７】図７Ａは本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係るステータ歯車の断面図、図７Ｂは図７Ａに示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第１の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図９】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第２の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１０】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第３の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１１】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第４の磁束収束部がステータ歯車の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１２】本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態に係る内歯車の第１の磁束収束部が図８に示す磁性歯部の隣の磁性歯部に対向した状態の説明図である。
【図１３】本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の磁気歯車装置を実施するための形態について、図１〜図１３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１３】
１．第１の実施の形態
［磁気歯車装置の構成］
まず、本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態の構成について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明の磁気歯車装置の第１の実施の形態の断面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１４】
図１に示すように、磁気歯車装置１は、ケース２と、第１の回転軸３と、第２の回転軸４と、外歯車５と、内歯車６と、ステータ歯車７を備えている。外歯車５は、第２の回転軸４に固定され、内歯車６は、第１の回転軸３に固定されている。また、ステータ歯車７は、ケース２に固定されている。
【００１５】
ケース２は、非磁性材料により形成された中空部を有する筐体である。このケース２の中空部には、外歯車５、内歯車６及びステータ歯車７が配置される。このケース２は、外歯車５及びステータ歯車７の一部を露出させる開口部２ａを有しており、開口部２ａに対向する底板１１と、底板１１に連続して略垂直に突出する第１の支持板１２及び第２の支持板１３とを備えている。第１の支持板１２は、第２の支持板１３に対向している。また、第２の支持板１３の外面には、補強片１４が固定されている。
【００１６】
第１の回転軸３及び第２の回転軸４は、非磁性材料から形成されている。
２つの回転軸３，４及びケース２の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、アルミニウム、銅等の金属、又は合成樹脂を挙げることができる。
【００１７】
第１の回転軸３は、ケース２の第１の支持板１２及びステータ歯車７の後述するベース部４７を貫通している。この第１の回転軸３は、軸受１６によってステータ歯車７のベース部４７に回転可能に取り付けられている。
【００１８】
第２の回転軸４は、軸部４ａと、軸部４ａの先端に設けられた円板部４ｂからなっている。軸部４ａは、第２の支持板１３及び補強片１４を貫通している。この軸部４ａは、軸受１７によって第２の支持板１３に回転可能に取り付けられると共に、軸受１８によって補強片１４に回転可能に取り付けられている。
【００１９】
第２の回転軸４の円板部４ｂには、第１の回転軸３の先端部が回転可能に嵌合される軸受１９が設けられている。つまり、第１の回転軸３は、軸受１９によって第２の回転軸４に回転可能に取り付けられている。
第１の回転軸３の軸心及び第２の回転軸４の軸心は、支持板１２，１３が対向する方向と平行であって、互いに一致している。
【００２０】
軸受１６，１７，１８及び１９は、それぞれ転動体１６ａ，１７ａ，１８ａ及び１９ａを有する転がり軸受（ボールベアリング）である。これら軸受１６〜１９の転動体１６ａ〜１９ａは、非磁性材料または炭素含有量が多い材料によって形成することが好ましい。通常使用される転がり軸受は、硬度を確保するための焼き入れを行うため、炭素含有量は多い。したがって、そのような通常の転がり軸受を用いてもよい。
【００２１】
なお、本発明に係る軸受は、転がり軸受に限定されるものではなく、例えば、すべり軸受、流体軸受等を適用することもできる。
【００２２】
外歯車５は、第２の回転軸４の円板部４ｂに固定された外側筒２１と、外側筒２１の内周部に取り付けられた複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂから構成されている。
【００２３】
外側筒２１は、円形の筒孔２１ａを有している。この外側筒２１は、例えば、珪素鋼板などの磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成されている。なお、磁性材料からなる複数の板状部材は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体成形されている。
【００２４】
このように、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して外側筒２１を形成すると、重なり合う板状部材間の微細な間隙が抵抗になり、外側筒２１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。なお、渦電流の遮断をより確実にするために、重なり合う板状部材間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させてもよい。
【００２５】
複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ筒孔２１ａの軸方向に細長い略棒状に形成された永久磁石である。これら複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、筒孔２１ａの径方向に磁化されている。
【００２６】
図２に示すように、外側磁石片２２Ａと外側磁石片２２Ｂは、筒孔２１ａの周方向に交互に並べられている。外側磁石片２２Ａは、外側筒２１側がＮ極であり、ステータ歯車７の後述する磁性歯部５３側がＳ極である。一方、外側磁石片２２Ｂは、外側筒２１側がＳ極であり、ステータ歯車７の後述する磁性歯部５３側がＮ極である。したがって、複数の外側磁石片２２Ｂは、異なる磁極が筒孔２１ａの周方向に隣り合うように並べられている。
【００２７】
本実施の形態では、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂを磁性材料からなる外側筒２１に貼り付けることにより、外側筒２１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。また、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂは、磁気吸引力によって外側筒２１の内周部に吸着させることができるため、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂを外側筒２１の内周部に簡単に取りつけることができる。
【００２８】
［内歯車］
次に、内歯車６について図３及び図４を参照して説明する。
図３は、内歯車６の分解斜視図である。図４Ａは内歯車６の断面図であり、図４Ｂは図４Ａに示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００２９】
図３及び図４Ａに示すように、内歯車６は、外歯車５の筒孔２１ａ内に配置されている。この内歯車６は、円形の外周部を有する内側筒３１と、内側筒３１の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂの上に取り付けられた複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂから構成されている。
【００３０】
内側筒３１は、第１の回転軸３が嵌合される円形の筒孔３１ａを有する円筒状に形成されている。この内側筒３１は、例えば、珪素鋼板などの磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成されている。磁性材料からなる複数の板状部材は、カシメ、溶接、接着剤などの固着方法により固着されて一体成形されている。このように、磁性材料からなる複数の板状部材を積層して内側筒３１を形成することにより、内側筒３１の軸方向に流れる渦電流を遮断することができる。
【００３１】
複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ内側筒３１（筒孔２１ａ）の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向に磁化されている。
【００３２】
図４Ｂに示すように、第１内側磁石片３２Ａと第１内側磁石片３２Ｂは、内側筒３１の周方向に交互に並べられている。第１内側磁石片３２Ａは、内側筒３１側がＮ極であり、第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ側がＳ極である。一方、第１内側磁石片３２Ｂは、内側筒３１側がＳ極であり、第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ側がＮ極である。したがって、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂは、異なる磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００３３】
複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、それぞれ内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、内側筒３１の周方向に磁化されている。
【００３４】
第２内側磁石片３３Ａと第２内側磁石片３３Ｂは、内側筒３１の周方向に交互に並べられている。第２内側磁石片３３Ａは、内側筒３１の周方向における一方がＮ極であり、他方がＳ極である。一方、第２内側磁石片３３Ｂは、内側筒３１の周方向における一方がＳ極であり、他方がＮ極である。したがって、複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００３５】
第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＮ極は、第１内側磁石片３２Ｂ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＢのＮ極に内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向で隣り合っている。そして、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＮ極が隣り合う境界は、第１内側磁石片３２Ｂの中間部に位置している。
【００３６】
また、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＳ極は、第１内側磁石片３２Ａ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＡのＳ極に内側筒３１の径方向で隣り合っている。そして、第２内側磁石片３３Ａ，３３ＢのＳ極が隣り合う境界は、第１内側磁石片３２Ａの中間部に位置している。
【００３７】
第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂは、内側筒３１の周方向における両端に切欠き部を有している。この切欠き部は、隣り合う第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ間にＶ字状の溝部である磁束収束部を形成している。磁束収束部では、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合うため、磁束が集中する。
【００３８】
本実施の形態の磁束収束部は、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂと、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄと、第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆと、第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈからなっている。第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄ、第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆ及び第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈは、それぞれ第１の回転軸３を挟んで対向している。
【００３９】
第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂと第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆは、Ｎ極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合う。また、第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄと第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈは、Ｓ極が内側筒３１の径方向及び周方向に隣り合う。
【００４０】
［ステータ歯車］
次に、ステータ歯車７について図５〜図７を参照して説明する。
図５は、ステータ歯車７の斜視図である。図６は、ステータ歯車７の分解斜視図である。図７Ａはステータ歯車７の断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００４１】
図５及び図６に示すように、ステータ歯車７は、ケース２の第１の支持板１２に取り付けられるステータ歯車本体４１と、ステータ歯車本体４１に嵌合される内側環状部材４２及び外側環状部材４３から構成されている。
【００４２】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ステータ歯車本体４１は、磁性材料によって形成されており、略円筒状に形成された第１ステータ部材４５及び第２ステータ部材４６を嵌め合わせることにより一体化されている。
【００４３】
ステータ歯車本体４１の第１ステータ部材４５は、円板状に形成されたベース部４７と、このベース部４７の一方の平面から略垂直に突出する複数の突出片４８とを備えている。
【００４４】
ベース部４７は、ケース２の第１の支持板１２に固定される（図１参照）。このベース部４７は、第１の回転軸３を貫通させる貫通孔４７ａと、この貫通孔４７ａの周囲に設けられたリング状の凹部４７ｂを有している。リング状の凹部４７ｂには、上述した軸受１６が配設される。
【００４５】
複数の突出片４８は、ベース部４７の周縁部から突出しており、ベース部４７の周縁に沿って所定の間隔をあけて配置されている。このような複数の突出片４８は、一方の端部にベース部４７が設けられた有底の筒体を開口部側から軸方向に切欠くことにより形成することができる。
【００４６】
複数の突出片４８のピッチ角度αは、外歯車５における複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂのピッチ角度βと、内歯車６における磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈのピッチ角度γよりも小さくなっている（図２参照）。なお、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂのピッチ角度βは、内歯車６における磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈのピッチ角度γよりも小さくなっている（α＜β＜γ）。
【００４７】
各突出片４８の先端部には、外面側を切り欠いて形成された外側段部４８ａが設けられている。各突出片４８の外側段部４８ａは、全体でリング状の凹部を形成する（図６参照）。各突出片４８の外側段部４８ａによって形成されたリング状の凹部には、外側環状部材４３が嵌合される。
【００４８】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ステータ歯車本体４１の第２ステータ部材４６は、第１ステータ部材４５の内側に嵌合される。この第２ステータ部材４６は、環状部５０と、この環状部５０の軸方向の一端から略垂直に突出する複数の突出片５１とを備えている。
【００４９】
環状部５０の外径は、第１ステータ部材４５における複数の突出片４８によって形成される筒体の内径と略等しくなっている。複数の突出片５１は、環状部５０の周縁に沿って所定の間隔をあけて配置されている。このような第２ステータ部材４６は、筒体を軸方向に切欠くことにより形成することができる。
【００５０】
各突出片５１の先端部には、内面側を切り欠いて形成された内側段部５１ａが設けられている。各突出片５１の内側段部５１ａは、全体でリング状の凹部を形成する。各突出片５１の内側段部５１ａによって形成されたリング状の凹部には、内側環状部材４２が嵌合される。
【００５１】
複数の突出片５１は、第１ステータ部材４５の複数の突出片４８に対してベース部４７の径方向に重なり合う。つまり、第１ステータ部材４５の各突出片４８と第２ステータ部材４６の各突出片５１は、ベース部４７の径方向に重なり合って、複数の磁性歯部５３を形成する。複数の磁性歯部５３は、外歯車５における複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂと、内歯車６における複数の第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂとの間に介在される。
【００５２】
従来の磁気歯車装置（上記非特許文献１を参照）では、ロースピードロータ（外歯車）とハイスピードロータ（内歯車）が反対方向に回転するため、ステータの磁性歯部の中で渦電流が発生する。渦電流が発生すると、レンツの法則によりロースピードロータ（外歯車）及びハイスピードロータ（内歯車）の回転に抗する電磁ブレーキが生じてトルク損失となる。
【００５３】
この解決方法としては、例えば、ステータ歯車本体４１を複数の板状部材を軸方向に積層して形成し、渦電流を遮断することが考えられる。しかし、ステータ歯車本体４１の磁性歯部５３は、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした構造になっている。そのため、複数の板状部材を軸方向に積層してステータ歯車本体４１形成すると、組立作業が煩雑になり、生産性が低下する。
【００５４】
そこで、本実施の形態では、複数の突出片４８と複数の突出片５１とをベース部４７の径方向に重ね合わせて、その重ね合わせる面と面の間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることで、渦電流を遮断する。
渦電流を遮断するには、突出片の積層数が多いほど良いが、積層数を多くすると、磁性歯部の強度が減少する。したがって、本発明に係る突出片の積層数は、形成する磁性歯部の強度を考慮して任意に決定することができる。
【００５５】
また、突出片の積層数を多くすれば、組み合わせ面に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させなくても、渦電流の遮断が期待できる。しかし、渦電流を確実に遮断するには、重ね合わせる突出片間の少なくともひとつに電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることが好ましい。
【００５６】
複数の磁性歯部５３は、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした片持ち形状であるため、曲げに弱い構造なっている。したがって、複数の磁性歯部５３は、外側磁石片２２Ａ，２２Ｂ又は第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ（図２参照）の磁気吸引力によって吸引されて、自由端が外側に開いたり、内側に閉じたりするように変形してしまう。そのため、内側環状部材４２及び外側環状部材４３によって複数の磁性歯部５３の剛性を増加させて、変形を防止する。
【００５７】
内側環状部材４２は、複数の磁性歯部５３における各突出片５１の内側段部５１ａによって形成されたリング状の凹部に嵌合し、複数の磁性歯部５３の自由端が内側に閉じるように変形することを防止する。一方、外側環状部材４３は、複数の磁性歯部５３における各突出片４８の外側段部４８ａによって形成されたリング状の凹部に嵌合し、複数の磁性歯部５３の自由端が外側に開くように変形することを防止する。
【００５８】
本実施の形態では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を複数の磁性歯部５３に別々に嵌合させるため、両環状部材４２，４３を複数の磁性歯部５３に簡単に嵌合させることができる。その結果、ステータ歯車７を組み立てるときの作業性を向上させることができる。
【００５９】
例えば、環状部材に環状の溝部（凹部）を設け、その溝部に複数の磁性歯部５３の先端部を嵌合させれば、１つの部材で磁性歯部５３の変形を防止することができる。しかしながら、環状の溝部に複数の磁性歯部５３の先端部を挿入する場合は、全ての磁性歯部５３の位置を調整しなければならない。そのため、ステータ歯車７の組立作業が煩雑になり、作業性が低下する。
【００６０】
これに対し、本実施の形態では、例えば、初めに内側環状部材４２を嵌合させる場合は、複数の磁性歯部５３の一部が外側に開いていても、それらの位置を調整せずに内側環状部材４２の嵌合作業を行うことができる。その後、外側環状部材４３を嵌合させるときに、外側に開いている磁性歯部５３の位置を調整するだけで、外側環状部材４３の嵌合作業を簡単に行うことができる。
【００６１】
内側環状部材４２及び外側環状部材４３を鉄などの磁性材料によって形成すると、磁束が両環状部材４２，４３を通ることになる。その結果、外歯車５と内歯車６との間に作用する磁束が減り、伝達トルクが減少してしまう。したがって、内側環状部材４２及び外側環状部材４３は、非磁性材料によって形成することが好ましい。
【００６２】
また、両環状部材４２，４３と磁性歯部５３との間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させることが好ましい。これにより、磁性歯部５３に渦電流が流れることを遮断することができる。
【００６３】
さらに、内側環状部材４２及び外側環状部材４３は、炭素繊維強化炭素複合材料や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの粘弾性の高分子材料によって形成することが好ましい。これにより、内側環状部材４２及び外側環状部材４３が振動減衰特性を有することになり、磁性歯部５３の振動を抑制あるいは防止することができる。その結果、磁気歯車装置１は、低振動かつ低騒音を実現することができる。
【００６４】
［磁気歯車装置の動作］
次に、磁気歯車装置１の動作について図８〜図１２を参照して説明する。
図８は、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに対向した状態の説明図である。
【００６５】
図８に示す状態では、ステータ歯車７の磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに注目すると、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となっている。そして、外歯車５の外側磁石片２２Ａａが磁性歯部５３ＡのＮ極に対向し、外側磁石片２２Ｂｂが磁性歯部５３ＢのＮ極に対向している。この状態では、外側磁石片２２Ａａと磁性歯部５３Ａとの間及び、外側磁石片２２Ｂｂと磁性歯部５３Ａとの間に生じる磁気吸引力は、半径方向のみならず周方向にも釣り合っている。
【００６６】
図８に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向する。
【００６７】
図９は、内歯車６の第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向した状態の説明図である。
【００６８】
第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄに対向すると、磁性歯部５３Ｃ，５３Ｄの第２の磁束収束部３５Ｃ，３５Ｄに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｃと外歯車５の外側磁石片２２Ｂａとの間及び磁性歯部５３Ｄと外側磁石片２２Ｂｂとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図９に示すような釣り合い状態になる。
【００６９】
図９に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向する。
【００７０】
図１０は、内歯車６の第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向した状態の説明図である。
【００７１】
第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆに対向すると、磁性歯部５３Ｅ，５３Ｆの第３の磁束収束部３５Ｅ，３５Ｆに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｅと外歯車５の外側磁石片２２Ａｃとの間及び磁性歯部５３Ｆと外側磁石片２２Ａｄとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１０に示すような釣り合い状態になる。
【００７２】
図１０に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向する。
【００７３】
図１１は、内歯車６の第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向した状態の説明図である。
【００７４】
第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈに対向すると、磁性歯部５３Ｇ，５３Ｈの第４の磁束収束部３５Ｇ，３５Ｈに対向する側がＮ極となり、反対側がＳ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｇと外歯車５の外側磁石片２２Ｂｃとの間及び磁性歯部５３Ｈと外側磁石片２２Ｂｄとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１１に示すような釣り合い状態になる。
【００７５】
図１１に示す状態から第１の回転軸３によって内歯車６を矢印Ｒ１方向に回転させると、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向する。
【００７６】
図１２は、内歯車６の第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向した状態の説明図である。
【００７７】
第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂがステータ歯車７の磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊに対向すると、磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊの第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂに対向する側がＳ極となり、反対側がＮ極となる。このとき、磁気吸引力の釣り合いが崩れ、磁性歯部５３Ｉと外歯車５の外側磁石片２２Ａｅとの間及び磁性歯部５３Ｊと外側磁石片２２Ａｆとの間に周方向の吸引力が生じる。その結果、外歯車５が矢印Ｒ２方向に回転し、図１２に示すような釣り合い状態になる。
【００７８】
磁性歯部５３Ｉ，５３Ｊは、矢印Ｒ１方向で磁性歯部５３Ａ，５３Ｂに隣り合う。つまり、図９に示す状態から図１２に示す状態になるまでに、第１の磁束収束部３５Ａ，３５Ｂ（内歯車６）は、矢印Ｒ１方向へ磁性歯部５３のピッチ角度α（図２参照）だけ回転する。そして、外歯車５は、矢印Ｒ２方向へピッチ角度αよりも小さい角度（本例では、ピッチ角度αの１／５程度）だけ回転する。
【００７９】
本実施の形態の磁気歯車装置１では、隣り合う第２内側磁石片３３Ａ，３３Ｂ間にＶ字状の溝部である磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈを形成した。これら磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈには、磁束が集中する。そして、磁束収束部３５Ａ〜３５Ｈの磁束がステータ歯車７の幅の狭い磁性歯部５３を通るため、内歯車６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【００８０】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５の外側筒２１及び内歯車６の内側筒３１を磁性材料によって形成した。これにより、複数の外側磁石片２２Ａ，２２Ｂ及び複数の内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３ｂで外側筒２１及び内側筒３１の磁気モーメントを揃えて、大きな表面磁束密度を得ることができる。
【００８１】
しかし、磁気歯車装置１では、内歯車６から外歯車５に、又は外歯車５から内歯車６にステータ歯車７の磁性歯部５３を介して磁場が作用する。そこで、磁気歯車装置１では、外側筒２１及び内側筒３１を磁性材料からなる複数の板状部材を積層することにより形成した。これにより、外側筒２１及び内側筒３１の軸方向に流れる渦電流の発生を防止することができ、トルク損失（渦電流損）を軽減することができる。
【００８２】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、外歯車５と内歯車６が反対方向に回転するため、ステータ歯車７の磁性歯部５３の中で渦電流が発生することが考えられる。そこで、磁気歯車装置１では、突出片４８と突出片５１とを重ね合わせて磁性歯部５３を形成し、突出片４８，５１間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させた。これにより、磁性歯部５３においてベース部４７（筒孔２１ａ）の径方向に流れる渦電流を遮断することができ、渦電流損を軽減することができる。
【００８３】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を複数の磁性歯部５３に嵌合させた。これにより、複数の磁性歯部５３の剛性を増加させて、変形を防止することができる。
【００８４】
しかも、磁気歯車装置１では、内側環状部材４２と外側環状部材４３を別々に複数の磁性歯部５３に嵌合させるため、両環状部材４２，４３を簡単に磁性歯部５３に嵌合させることができる。その結果、ステータ歯車７の組立作業を簡単にすることができ、作業性・生産性を向上させることができる。
【００８５】
また、内側環状部材４２及び外側環状部材４３を粘弾性の高分子材料によって形成することにより、磁性歯部５３の振動を抑制あるいは防止することができる。その結果、磁気歯車装置１では、低振動かつ低騒音を実現することができる。
【００８６】
また、本実施の形態の磁気歯車装置１では、磁束が内歯車６からステータ歯車７の磁性歯部５３を通って外歯車５に作用する磁気回路となることが望ましい。しかし、ステータ歯車７の磁性歯部５３は、強度を考慮すると、一端（基端）を固定支持して他端（先端）を自由にした片持ち形状にする必要があるため、ベース部４７と一体に形成されている。したがって、磁束は、ベース部４７にも漏れる構造となっている。
【００８７】
そこで、磁気歯車装置１では、ケース２、第１の回転軸３及び第２の回転軸４を非磁性材料によって形成した。これにより、内歯車６からステータ歯車７のベース部４７を通って閉じる磁気回路を遮断することができる。また、ケース２を導電性材料で形成する場合は、ステータ歯車７のベース部４７とケース２との間に電流絶縁材あるいは電流絶縁塗膜を介在させて、ベース部４７からケース２へ流れる渦電流を遮断することが好ましい。
【００８８】
２．第２の実施の形態
［磁気歯車装置の構成］
次に、本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態の構成について、図１３を参照して説明する。
図１３は、本発明の磁気歯車装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００８９】
図１３に示すように、第２の実施の形態の磁気歯車装置６１は、第１の実施の形態の磁気歯車装置１と同様の構成を有している。この磁気歯車装置６１が磁気歯車装置１と異なる点は、内歯車６６である。そのため、ここでは、内歯車６６について説明し、磁気歯車装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００９０】
［内歯車］
磁気歯車装置６１の内歯車６６は、外歯車５の筒孔２１ａ内に配置されている。この内歯車６６は、内側筒３１と、内側筒３１の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂと、複数の第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂの上に取り付けられた複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ及び複数の磁性片７４から構成されている。
【００９１】
複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、それぞれ内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成された永久磁石である。これら複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、内側筒３１の周方向に磁化されている。
【００９２】
第２内側磁石片７３Ａと第２内側磁石片７３Ｂは、内側筒３１の周方向に所定の間隔をあけて交互に並べられている。第２内側磁石片７３Ａは、内側筒３１の周方向における一方がＮ極であり、他方がＳ極である。一方、第２内側磁石片７３Ｂは、内側筒３１の周方向における一方がＳ極であり、他方がＮ極である。したがって、複数の第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂは、同じ磁極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の周方向に隣り合うように並べられている。
【００９３】
第２内側磁石片７３Ａ，７３ＢのＮ極は、第１内側磁石片３２Ｂ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＢのＮ極に内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向で隣り合っている。また、第２内側磁石片７３Ａ，７３ＢのＳ極は、第１内側磁石片３２Ａ上に配置されており、第１内側磁石片３２ＡのＳ極に内側筒３１の径方向で隣り合っている。
【００９４】
複数の磁性片７４は、第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ間に配置されている。これら複数の磁性片７４は、鉄などの磁性材料からなり、内側筒３１の軸方向に長い略長方形の板状に形成されている。各磁性片７４における内側筒３１の周方向の長さは、筒孔２１ａの周方向に隣り合う２つの磁性歯部５３に対向する大きさになっている。複数の磁性片７４は、磁束収束部を形成している。この磁束収束部では、第１内側磁石片３２Ａ，３２Ｂ及び第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂの同じ磁極に隣り合うため、磁束が集中する。
【００９５】
本実施の形態の磁束収束部は、第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂと、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄと、第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆと、第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈからなっている。第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂ、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄ、第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆ及び第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈは、それぞれ第１の回転軸３を挟んで対向している。
【００９６】
第１の磁束収束部７５Ａ，７５Ｂと第３の磁束収束部７５Ｅ，７５Ｆは、Ｎ極が内側筒３１（筒孔２１ａ）の径方向及び周方向に隣り合う。また、第２の磁束収束部７５Ｃ，７５Ｄと第４の磁束収束部７５Ｇ，７５Ｈは、Ｓ極が内側筒３１の径方向及び周方向に隣り合う。
【００９７】
本実施の形態の磁気歯車装置６１では、隣り合う第２内側磁石片７３Ａ，７３Ｂ間に磁性片７４を介在させて、磁束が集中する複数の磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈを形成した。そして、磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈの磁束がステータ歯車７の幅の狭い磁性歯部５３を通るため、内歯車６６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができる。その結果、大きな伝達トルクを得ることができ、かつ、伝達効率を向上させることができる。
【００９８】
また、磁気歯車装置６１では、磁性片７４（磁束収束部７５Ａ〜７５Ｈ）が筒孔２１ａの周方向に隣り合う２つの磁性歯部５３に対向する大きさになっている。そのため、磁束が集中する領域を広くすることができ、隣り合う２つの磁性歯部５３に磁束を通すことができる。その結果、内歯車６６と外歯車５との間に生じる磁気吸引力を増大させることができ、大きな伝達トルクを得ることができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、磁性片７４を２つの磁性歯部５３に対向する大きさにしたが、本発明に係る磁性片としては、３つ以上の磁性歯部に対向する大きさにしてもよい。
【０１００】
以上、本発明の磁気歯車装置の実施の形態について、その作用効果も含めて説明した。しかしながら、本発明の磁気歯車装置は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述の第１及び第２の実施の形態では、８つの磁束収束部を設ける構成とした。しかしながら、本発明に係る磁束収束部の数は、１つ以上あればよく、任意に設定することができる。
【０１０１】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、第１の回転軸３を挟んで対向する２つの磁束収束部を１組として、各組の磁束収束部を磁性歯部５３に順番に対向させる構成とした。しかしながら、本発明の磁気歯車装置としては、磁束収束部を１つずつ順番に磁性歯部５３に対向させる構成であってもよい。
【０１０２】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、突出片４８，５１を筒孔２１ａの径方向に積層してステータ歯車７の磁性歯部５３を形成した。しかしながら、本発明に係るステータ歯車の磁性歯部は、突出片を積層して形成することに限定されるものではなく、１つの突出片から形成してもよい。
【０１０３】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、外側筒２１及び内側筒３１を円筒状に形成した。しかしながら、本発明に係る外側筒は、円形の筒孔を有していればよく、外径は三角形や四角形などの多角形にしてもよい。また、本発明に係る内側筒は、円形の外周部を有していればよく、筒孔は三角形や四角形などの多角形であってもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１，６１…磁気歯車装置、２…ケース、３…第１の回転軸、４…第２の回転軸、５…外歯車、６，６６…内歯車、７…ステータ歯車、１１…底板、１２…第１の支持板、１３…第２の支持板、１４…補強片、１６，１７，１８，１９…軸受、２１…外側筒、２１ａ…筒孔、２２Ａ，２２Ｂ…外側磁石片、３１…内側筒、３１ａ…筒孔、３２Ａ，３２Ｂ…第１内側磁石片、３３Ａ，３３Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ…第２内側磁石片、３５Ａ，３５Ｂ，７５Ａ，７５Ｂ…第１の磁束収束部、３５Ｃ，３５Ｄ，７５Ｃ，７５Ｄ…第２の磁束収束部、３５Ｅ，３５Ｆ，７５Ｅ，７５Ｆ…第３の磁束収束部、３５Ｇ，３５Ｈ，７５Ｇ，７５Ｈ…第４の磁束収束部、４１…ステータ歯車本体、４２…内側環状部材、４３…外側環状部材、４５…第１ステータ部材、４６…第２ステータ部材、４７…ベース部、４７ａ…貫通孔、４７ｂ…凹部、４８，５１…突出片、４８ａ…外側段部、５１ａ…内側段部、５０…環状部、５３…磁性歯部、７４…磁性片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形の筒孔を有する外側筒と、前記筒孔の径方向に磁化されて前記外側筒の内周部に取り付けられ、異なる磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並べられた複数の外側磁石片とを有する外歯車と、
前記外歯車の前記筒孔に配置され、円形の外周部を有する内側筒と、前記筒孔の径方向に磁化されて前記内側筒の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片と、前記筒孔の周方向に磁化されて前記複数の第１内側磁石片に取り付けられた複数の第２内側磁石片とを有する内歯車と、
前記外歯車と前記内歯車との間に配置され、前記筒孔の周方向に所定の間隔をあけて並ぶ複数の磁性歯部を有するステータ歯車と、を備え、
前記複数の第１内側磁石片は、異なる磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並び、前記複数の第２内側磁石片は、同じ磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並ぶことにより、前記複数の第１内側磁石片及び前記複数の第２内側磁石片は、磁束が集中する磁束収束部を形成する磁気歯車装置。
【請求項２】
前記磁束収束部は、隣り合う第２内側磁石片間に介在された磁性片である請求項１に記載の磁気歯車装置。
【請求項３】
前記磁性片は、前記筒孔の周方向に隣り合う２以上の磁性歯部に対向する大きさである請求項２に記載の磁気歯車装置。
【請求項４】
前記磁束収束部は、各第２内側磁石片の前記筒孔の周方向の両端に切欠き部を設けることにより、隣り合う第２内側磁石片間に形成されたＶ字状の溝部である請求項１に記載の磁気歯車装置。
【請求項５】
前記Ｖ字状の溝部は、各磁性歯部における前記筒孔の周方向の大きさよりも小さい請求項４に記載の磁気歯車装置。
【請求項６】
前記複数の第２内側磁石片は、それぞれ前記筒孔の周方向に隣り合う第１内側磁石片に掛け渡される請求項１〜５のいずれかに記載の磁気歯車装置。
【請求項７】
前記磁束収束部は、前記筒孔の周方向に等間隔をあけて設けられる請求項１〜６のいずれかに記載の磁気歯車装置。
【請求項１】
円形の筒孔を有する外側筒と、前記筒孔の径方向に磁化されて前記外側筒の内周部に取り付けられ、異なる磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並べられた複数の外側磁石片とを有する外歯車と、
前記外歯車の前記筒孔に配置され、円形の外周部を有する内側筒と、前記筒孔の径方向に磁化されて前記内側筒の外周部に取り付けられた複数の第１内側磁石片と、前記筒孔の周方向に磁化されて前記複数の第１内側磁石片に取り付けられた複数の第２内側磁石片とを有する内歯車と、
前記外歯車と前記内歯車との間に配置され、前記筒孔の周方向に所定の間隔をあけて並ぶ複数の磁性歯部を有するステータ歯車と、を備え、
前記複数の第１内側磁石片は、異なる磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並び、前記複数の第２内側磁石片は、同じ磁極が前記筒孔の周方向に隣り合うように並ぶことにより、前記複数の第１内側磁石片及び前記複数の第２内側磁石片は、磁束が集中する磁束収束部を形成する磁気歯車装置。
【請求項２】
前記磁束収束部は、隣り合う第２内側磁石片間に介在された磁性片である請求項１に記載の磁気歯車装置。
【請求項３】
前記磁性片は、前記筒孔の周方向に隣り合う２以上の磁性歯部に対向する大きさである請求項２に記載の磁気歯車装置。
【請求項４】
前記磁束収束部は、各第２内側磁石片の前記筒孔の周方向の両端に切欠き部を設けることにより、隣り合う第２内側磁石片間に形成されたＶ字状の溝部である請求項１に記載の磁気歯車装置。
【請求項５】
前記Ｖ字状の溝部は、各磁性歯部における前記筒孔の周方向の大きさよりも小さい請求項４に記載の磁気歯車装置。
【請求項６】
前記複数の第２内側磁石片は、それぞれ前記筒孔の周方向に隣り合う第１内側磁石片に掛け渡される請求項１〜５のいずれかに記載の磁気歯車装置。
【請求項７】
前記磁束収束部は、前記筒孔の周方向に等間隔をあけて設けられる請求項１〜６のいずれかに記載の磁気歯車装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０７７１８（Ｐ２０１２−１０７７１８Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５７９３９（Ｐ２０１０−２５７９３９）
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５９１２１８３０７）株式会社ニッセイ (17)
【出願人】（５０８３２４４３３）財団法人大分県産業創造機構 (17)
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５９１２１８３０７）株式会社ニッセイ (17)
【出願人】（５０８３２４４３３）財団法人大分県産業創造機構 (17)
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