JP2017116095A - 楕円状に係合する揺回動運動ギアシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ、揺回動板、及び出力板のみを用いて数百の単位のギア比が可能であり、且つ、小さな空間に収まる揺回動運動ギアシステムを提供する。【解決手段】揺回動板式駆動システム１０は、中心軸１８と、内側円筒面２０に配置された複数のステータ歯２２と、を有するステータ１２を含む。本システムは、さらに、中心軸に対してゼロ以外の角度をなす揺回動軸２４と、外側円筒面２６と、上側環状面２８と、を有する揺回動板１４を含む。外側円筒面には、複数の揺回動歯３０が配置されており、上側環状面には、複数の対面歯３２が配置されている。本システムは、さらに、中心軸と実質的に一致する出力軸３４と、下側環状面３６と、を有する出力ギア１６を含む。下側環状面には、複数の出力歯３８が配置されている。【選択図】図２

Description

本開示は、概して電動モータに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、揺回動運動を行うギア機構に関する。

電動モータは、電磁エネルギーから機械エネルギーを発生させる。一般的な交流（ＡＣ）モータは、ロータ及び固定ステータを含む。固定ステータは、通常、電線の巻線を有しており、この巻線に流れる交流電流が回転磁界を発生させる。ある種のロータは、ステータが発生させる回転磁界に反応する強磁性体の部品を含んでおり、ステータ磁界の回転につれて、ロータが物理的に回転する。ロータに出力シャフトを接続することにより、ＡＣ電流の電磁エネルギーが、回転シャフトを回転させる機械的なエネルギーに変換される。

ギアを２つ以上用いると、ギア比に基づく機械的利点（mechanical advantage）が得られる。様々なギア配置によって、第１のギアが１回転することにより、第２のギアが同じ時間内で１回転より多く回転したり、あるいは、少なく回転したりするように設定可能である。ギア比とは、これら２つの回転数の比である。第２のギアが第１のギアよりも少なく回転するギア組み合わせは、減速機として機能するものである。用途によっては、ギア比が極めて高く、ギアの減速量が極力小さいＡＣモータが望ましい場合がある。例えば、電流の多くの振動を回転シャフトの１回転に変換するアクチュエータによれば、極めて精細な制御が可能である。

従来、揺回動板式の駆動機構（wobble plate drive mechanism）は、小型で高ギア比のモータを実現するのに有効な技術であると考えられてきた。そのような揺回動板式の駆動機構の例は、米国特許出願ＵＳ２０１４／０２８５０７２号及び２０１５／００１５１７４号公報に開示されている。これよりさらに古いシステムは、米国特許２２７５８２７号及び３２４９７７６号公報に開示されている。

揺回動板式の機構では、ギアのうちの１つ、例えばロータギアが、別のギア、例えばステータギアに沿って揺回動（nutate）する。ロータギアの歯数とステータギアの歯数との差分が１つの場合、そのシステムのギア比はステータギアの歯数と同じになる。

揺回動板式の駆動機構におけるギア比は、原則的にかなり高い。理論上は、揺回動板式の駆動機構は、ギアを２つのみ備えていれば、極めて高いギア比の小型な機構を実現することが可能である。ただし、実際には、効率的且つ効果的な揺回動板式の駆動機構の達成は困難である。これは、係り合う力により、機構の係合外れ、許容できないレベルの振動、及び摩擦による非効率の少なくともいずれかが発生しやすいためである。

本開示は、これらの事項及び他の事項に関して提供される。

米国特許出願２０１４／０２８５０７２号公報 米国特許出願２０１５／００１５１７４号公報 米国特許２２７５８２７号公報 米国特許３２４９７７６号公報

各種の実施形態において、改良された揺回動板式駆動システムが開示されている。揺回動板式駆動システムは、中心軸と、内側円筒面に配置された複数のステータ歯と、を有するステータを含みうる。当該システムは、さらに、前記中心軸に対してゼロ以外の角度をなす揺回動軸と、外側円筒面と、上側環状面と、を有する揺回動板を含みうる。前記外側円筒面には複数の揺回動歯が配置されており、前記上側環状面には複数の対面歯が配置されている。当該システムは、さらに、前記中心軸と実質的に一致する出力軸と、下側環状面と、を有する出力ギアを含みうる。前記下側環状面には、複数の出力歯が配置されている。前記揺回動板が前記ステータに沿って揺回動するにつれて、前記揺回動板は回転し、前記複数の揺回動歯は前記複数のステータ歯に係合し、前記複数の対面歯は前記複数の出力歯に係合するように、それぞれ構成されうる。

揺回動板式駆動機構の操作方法は、支点を中心にロータを揺回動させることを含みうる。前記ロータは、外側円筒面に配置された複数の揺回動歯と、上側環状面に配置された複数の対面歯と、を有するものである。当該方法は、前記ロータの第１の側を推進して、ステータに第１位置にて当接させることを含みうる。前記ステータは、複数のステータ歯を有するものである。当該方法は、前記ロータの第２の側を推進して出力板に第２位置にて当接させることを含みうる。前記第２位置は、前記第１位置とは反対側にある。前記出力板は、複数の出力歯を有する。当該方法は、前記ロータが前記支点を中心に揺回動するにつれて、前記揺回動歯を前記ステータ歯に係合させ、前記対面歯を前記出力歯に係合させることを含みうる。

揺回動を行う揺回動板式駆動システムにおいて用いる揺回動板は、揺回動軸と、前記揺回動軸に平行な外側円筒面と、上側環状面と、を含みうる。当該揺回動板は、前記外側円筒面上に配置された一群の揺回動歯を含みうる。前記揺回動歯は、前記揺回動軸に対して離れる方向に前記外側円筒面から延出する。当該揺回動板は、さらに、前記上側環状面に配置された一群の対面歯を含みうる。前記一群の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記外側円筒面から遠い側に断面形状を有する。前記断面形状は、少なくとも部分的に円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定されている。

本開示は、種々の装置と、その使用方法とを開示している。いくつかの実施形態では、装置は、ステータと、揺回動板／ロータと、出力板／出力ギアと、を有する。いくつかの実施形態では、揺回動板／ロータは、出力板／出力ギアが回転するにつれて、ステータと出力板／出力ギアとに沿って揺回動する。いくつかの実施形態では、ステータと揺回動板／ロータとの各々は、偏心方向の力を制限するような形状の複数の歯を有する。いくつかの実施形態では、揺回動板／ロータの歯とステータの歯とは、摩擦による損失が制限されうる転がり接触により係合するように設計されている。特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。詳細については、以下の記載と図面からより明らかであろう。

揺回動板式の駆動システムの実施形態を示す等角図である。 図１の駆動システムを示す分解等角図である。 図１の駆動システムのステータギアの等角図であり、複数のステータ歯が表れている。 図３の詳細図であり、図３のステータギアのステータ歯がいくつか表れている。 図４のステータギアを示す上面図であり、一部のステータ歯が表れている。 １つのステータ歯について、図５の面６−６に沿った断面図を示す図である。 図１に示す駆動システムの揺回動板を示す等角図であり、複数の揺回動歯及び複数の対面歯が表れている。 図７の詳細図であり、図７に示す揺回動板のいくつかの揺回動歯及びいくつかの対面歯が表れている。 図７の揺回動板を示す底面図であり、一部の揺回動歯が表れている。 １つの揺回動歯について、図９の面１０−１０に沿った断面図を示す図である。 図７の揺回動板を示す上面図であり、一部の対面歯が表れている。 １つの対面歯について、図１１の面１２−１２に沿った断面図を示す図である。 図１の駆動システムの出力ギアを示す等角図であり、複数の出力歯が表れており、出力ギアは、図１とは上下を逆にして示されている。 図１３の詳細図であり、いくつかの出力歯が表れている。 図１４の揺回動板を示す底面図であり、一部の出力歯が表れている。 １つの出力歯について、図１５の面１６−１６に沿った断面図を示す図である。 図１の駆動システムを図１のＡから見た側面図であり、揺回動板における下降位置が表れている。 図１の駆動システムを図１のＢから見た側面図であり、下降位置から駆動システムを１／４周した９０度位置が表れている。 図１の駆動システムを図１のＣから見た側面図であり、下降位置から駆動システムを半周した１８０度位置が示されている。 図１の駆動システムを図１のＤから見た側面図であり、下降位置から駆動システムを３／４周した２７０度位置が示されている。 図１７の拡大図であり、下降位置の近傍にある一部の揺回動歯と一部のステータ歯との接触の様子が示されている。 図１８の拡大図であり、９０度位置の近傍にある一部の揺回動歯と一部のステータ歯とが示されている。 図１９の拡大図であり、１８０度位置の近傍にある一部の揺回動歯と一部のステータ歯とが示されている。 図２０の拡大図であり、２７０度位置の近傍にある一部の揺回動歯と一部のステータ歯とが示されている。 １つの揺回動歯及び一対のステータ歯の模式図であり、揺回動板が揺回動を１回完了する間に、当該１つの揺回動歯が経る５つの状態が示されている。 揺回動板式の駆動機構の操作方法を示すフローチャートである。

揺回動板ギアインターフェース（wobble plate gear interface）に関する装置及び方法についての種々の実施形態を、添付図面を参照にして以下に説明する。他に特に指定がない限り、装置又は方法、及び／又はそれらの様々な部品は、必須ではないが、本明細書に記載、図示、及び／又は援用した構造、部品、機能、及び／又は変形例の少なくとも１つを含んでいればよい。また、本開示に関連させて本明細書に記載、図示、及び／又は援用した構造、部品、機能、及び／又は変形例は、必須ではないが、他の同様の装置又は方法に含まれてもよい。以下の様々な実施形態の説明は、単に例示的な性質のものであり、本開示やその適用例又は用途をなんら限定することを意図するものではない。また、実施形態によってもたらされる利点を以下に説明しているが、これらは、例示的な性質のものであり、すべての実施形態が同じ利点や同じ程度の利点をもたらすとは限らない。

以下に、例示的な揺回動板式駆動システム及び方法の側面を選択的に説明する。これらの例は、説明を目的とするものであり、本開示の全体の範囲を限定するものであると解釈されるべきではない。説明には、１つ又は複数の別個の開示が含まれる場合や、背景的又は関連の情報、機能及び／又は構造が含まれうる。

図１は、揺回動板式駆動システムの例示的な実施形態を示す等角図であり、同システムを概括的に１０で示す。図２は、揺回動板式駆動システム１０を示す分解等角図である。揺回動板式駆動システム１０は、ステータあるいはステータギア１２と、揺回動板ともよべ、揺回動ギアともよべるロータ１４と、出力板ともよべる出力ギア１６とを、有する。図２を参照すると、ステータは、中心軸１８と、中心軸と実質的に平行な内側円筒面２０と、内側円筒面に配置された複数のステータ歯（stator teeth）２２と、を有する。

内側円筒面２０が中心軸に平行であるとの説明に関し補足すると、ある表面がある直線に対して平行であるという場合、その表面に含まれるすべての点について、その点を通る少なくとも１つの線がその直線に対して平行であればよい。例えば、ｘ−ｙ軸を有するデカルト平面（x-y Cartesian plane）は、（ｘ，ｙ，ｚ）座標が（０，０，１）である点と（１，０，１）である点との２つの点を通る直線に対して平行である。なぜなら、ｘ−ｙ平面上の全ての点の例としての任意の点（ａ，ｂ，０）と、この点とは別の任意の点、例えば（ａ＋１，ｂ，０）とを通る線は、（０，０，１）を通る直線と平行だからである。これら２つの直線は１つの面を共有し、互いに交わることはない。

別の例を挙げると、円筒の内周面は、その円筒の中心対称軸に対して平行であるという場合、円筒の内周面上のすべての点は、その点を通り中心対称軸と平行である線を有する。この線は、具体的には、円筒上において円筒の長手方向に沿って延びる線であって、円筒を周る方位角方向には延びていない。この線と中心対称軸とは、１つの面を共有し、互いに交わることはない。

揺回動板１４は、中心軸に対してゼロ以外の揺回動角Ａ１をなすように配置された揺回動軸２４を有する。揺回動板１４は、揺回動軸と実質的に平行な外側円筒面２６と、上側環状面２８と、を有する。外側円筒面には、複数又は一群の揺回動歯（wobble teeth）３０が配置されており、上側環状面には複数又は一群の対面歯（face teeth）３２が配置されている。

出力ギア１６は、中心軸１８と実質的に一致する出力軸３４と、下側環状面３６と、を有する。下側環状面３６には、複数の出力歯（output teeth）３８が配置されている。

揺回動板１４は、ステータ１２に沿って揺回動するように構成されている。つまり、揺回動軸２４は、ステータの中心軸１８との角度Ａ１を相対的に一定に保つように、中心軸の周りを歳差運動（precess）する。揺回動板において出力板１６から最も遠い点の第１位置は、揺回動板の揺回動につれて、ステータに沿って円を描くように移動する。また、揺回動中、揺回動板において出力板に最も近い点の第２位置は、出力ギア１６に沿って円を描くように移動する。揺回動板は、ステータに沿った揺回動に伴って回転するように構成されている。

揺回動板がステータに沿った揺回動に伴って回転するように構成されている場合、複数の揺回動歯３０は、複数のステータ歯２２に係合するように構成されており、複数の対面歯３２は、複数の出力歯３８に係合するように構成されている。

図３は、ステータ１２を示す等角図である。ステータ１２は、ベース４０を有し、ベース４０は、内側円筒面２０を有する。内側円筒面２０以外については、ベース４０は任意の適当な形状を有しうる。例えば、ベース４０は、揺回動板式駆動システム１０を利用する何らかの装置に対してステータ１２を機能的に接続するよう構成された取付点（attachment point）を有していてもよい。ステータ１２は、その装置に対しては、静止している。

内側円筒面２０は、内部空間４２を規定する。上記の図１及び下記の図１７〜図２０に示すように、内部空間４２は、揺回動板１４の一部あるいは全体が収まるように構成されている。

複数のステータ歯２２は、内側円筒面から中心軸１８に向かって内部空間４２に突出している。複数のステータ歯の数は、任意の適当な数であってもよい。図３に示す例示的な実施形態では、１８１個のステータ歯が含まれている。

図４は、ステータ１２の詳細図であり、内側円筒面２０に配置されたステータ歯２２のいくつかが示されている。各ステータ歯は、第１駆動面（first driving face）４４を有しており、これは図３に表れている。第１駆動面４４は、内側円筒面の近傍から内部空間４２に延出している。第１駆動面４４は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。

ステータ歯２２は、第１駆動面とは反対側に第２駆動面４６を有する。第２駆動面４６は、内側円筒面２０の近傍からステータの内部空間に延出している。第２駆動面４６は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。

図５は、ステータ１２の上面図であり、一部のステータ歯２２が示されている。各ステータ歯は、次に述べるように、くさび型の部分を有している。つまり、ステータ歯の第１駆動面４４は、中心軸１８に対して直交する面に含まれると共に、中心軸１８を通る線４８が含む。第２駆動面４６は、中心軸に直交する面に含まれると共に、中心軸を通る線５０を含む。線４８と５０とは、それぞれ径方向線（radial line）であると言える。よって、各ステータ歯の角度幅（angular width）Ａ２を有し、これは、ステータ歯の第１駆動面と第２駆動面との間隔を、中心軸１８周りの角度方向（angular direction）に沿って測定した場合の最大の角度距離（angular distance）に相当しうる。

各ステータ歯は、各ステータ歯の径方向に測定した角度幅Ａ２が、中心軸１８から径方向に離れる方向に沿って実質的に一定である部分を有しうる。この場合、各ステータ歯の直線的にみた厚みＴ１の値は、中心軸１８からの径方向距離が大きくなるにしたがって比例的に大きくなっている。この、直線的にみた厚みは、中心軸周りの方位角方向（azimuthal direction）に測定したものである。

隣接する一対のステータ歯は、角度間隔（angular separation or spacing）Ａ３を有し、これは、隣接する２つの歯の間を中心軸周りの方位角つまり角度方向に沿って測定した場合の最短の角度距離に相当しうる。１つのステータ歯の角度幅Ａ２は、隣接する任意の２つのステータ歯の間の角度間隔Ａ３の半分よりも小さくてもよい。

図６は、例示的な１つのステータ歯２２について、図５の面６−６に沿った断面図である。第１駆動面４４及び第２駆動面４６のいずれかあるいは両方は、円と楕円の複合インボリュート曲線（compound involute of a circle and an ellipse）によって規定されうる。つまり、図６に示す第２駆動面４６の曲線は、次式により定義することができる。

у = С(tan(φ)-φ)^D

式中、Ｃは、揺回動板１４の半径に比例する定数、φは、０からπ／２ラジアンまでの値をとる変数、Ｄは、１より小さい正の定数である。また、Ｄの値は約０．６５としてもよいが、他の値も可能である。図６に示した第２駆動面４６の曲線は、０とπ／２ラジアンとの値のすべてについて仮想的な楕円を歯の位置に投影したものであってもよい。

第１駆動面４４の曲線は第２駆動面４６の曲線の鏡像であり、図６の紙面に直交し、且つ、図６において垂直な面の反対側に形成される。よって、第１駆動面は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定されうる。第１駆動面４４及び第２駆動面４６は、各ステータ歯の頂点５２において滑らかに接続している。

連結面５４は、ステータ歯の第１駆動面及び第２駆動面を繋ぐ面であり、頂点５２とは反対側に位置する。ステータの中心軸周りの方向に沿って連結面５４で測定する厚みＴ１は、中心軸からの径方向距離が大きくなるにつれて比例的に大きくなっている。

図７は、揺回動板、即ちロータ１４を示す等角図である。揺回動板１４は、図７に示すように環状であってもよいし、中実の円盤（disk）状であってもよい。揺回動板１４は、複数の揺回動歯３０及び対面歯３２より内側の構造については、任意の適当な構造を有しうる。揺回動板１４は、揺回動軸２４の近傍にある支点（図示せず）に機能的に接続されうる。支点は、揺回動板式駆動システム１０を収容している装置に対しては、静止している。揺回動板１４は、ステータ１２に沿って揺回動するように構成されている。

揺回動板１４は、その一部又は全体がステータ１２の内部空間４２に収まるように構成されている。複数の揺回動歯３０は、外側円筒面２６から揺回動軸２４に対して離れる方向に突出している。複数の揺回動歯の数は、任意の適当な数であってもよい。揺回動歯の数は、ステータ歯の数より多くてもよいし、少なくてもよい。揺回動歯の数とステータ歯の数との差分は、いくつであってもよく、ゼロでもよく、１でもよく、１よりも大きいその他の数でもよい。

上側環状面２８は、円錐台形の表面であってもよい。つまり、上側環状面２８は、円錐形の表面の一部、即ち、円錐体の表面の一部であってもよい。円錐台形を呈する上側環状面は、揺回動板の重心５８が、円錐台形表面の頂点と一致するように構成されている。上側環状面２８は、凹形状であってもよい。上側環状面における各点は、図７に符号５６で示す錐線（conical line）を有しており、この錐線は、上側環状面に含まれており、延長すると揺回動板１４の重心５８を通る。複数の対面歯３２のそれぞれは、揺回動板の重心５８から距離Ｄ１離れた位置に近位端６０を有し、揺回動板の重心５８から距離Ｄ２離れた位置に遠位端６２を有する。なお、距離Ｄ２は、距離Ｄ１より大きい。

複数の対面歯の数は、任意の適当な数であってもよい。対面歯の数は、複数の出力歯の数より多くてもよいし、少なくてもよいし、同数であってもよい。対面歯の数は、揺回動歯の数よりも多くてもよいし、少なくてもよいし、同数であってもよい。図７に示す例示的な実施形態では、１３５個の対面歯が含まれている。

図８は、揺回動板１４の詳細図であり、外側円筒面２６に配置された揺回動歯３０のいくつかと、上側環状面２８に配置された対面歯３２のいくつかと、が示されている。各揺回動歯３０は、第１従動面（first driven face）、即ち係合面（engaging surface）６４を有しており、この面は、図７にも表れている。第１従動面は、外側円筒面２６の近傍から、揺回動軸に対して遠ざかる方向に延出している。第１従動面６４は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。第１従動面６４は、揺回動板１４がステータに沿って第１揺回動方向（first nutation direction）に揺回動するにつれて、ステータ歯の第１駆動面４４に係合するように構成されている。

各揺回動歯３０は、第１従動面６４とは反対側に第２従動面、即ち係合面６６を有している。第２従動面６６は外側円筒面２６の近傍から、揺回動軸に対して遠ざかる方向に延出している。第２従動面６６は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。第２従動面６６は、揺回動板が第２揺回動方向に揺回動するにつれて、ステータ歯の第２駆動面４６に係合するように構成されている。

各対面歯３２は、対面歯の近位端６０から遠位端６２に連なる第３駆動面６８を有する。第３駆動面６８は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。

各対面歯３２は、対面歯の近位端６０から遠位端６２に連なる第４駆動面７０を有する。第４駆動面は、図７にさらに明確に示されている。第４駆動面７０は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。

各対面歯３２は、第３駆動面６８から第４駆動面７０に連なる頂面７２を有する。頂面７２により、上側環状面２８から対面歯の頂面７２までの距離を、揺回動軸に対して平行な方向に沿って測定したものが対面歯高さＨ１であると規定できる。対面歯高さＨ１は、１つの対面歯において一定であってもよいし、一定でなくてもよい。対面歯高さＨ１は、対面歯の近位端６０で最小値をとりうる。

図９は、揺回動板１４を示す底面図であり、一部の揺回動歯３０が示されている。各揺回動歯は、くさび型の部分を有しうる。つまり、各揺回動歯は角度幅Ａ４を有し、これは、揺回動歯の第１従動面６４と第２従動面６６との間隔を、揺回動軸周りの角度方向に沿って測定した場合の最大の角度距離に相当しうる。この角度幅は、揺回動歯に沿って一定であってもよい。この場合、揺回動軸周りに測定した揺回動歯の直線的にみた厚みＴ２は、中心軸からの径方向距離が大きくなるにつれて比例的に大きくなっていてもよい。

角度幅Ａ４は、第１従動面及び第２従動面にそれぞれ含まれると共に、延長すると揺回動軸２４を通る経方向線と経方向線の間を測定したものである。第１従動面及び第２従動面に含まれる線には、延長すると揺回動板の重心を通る線がある。

隣接する一対の揺回動歯は、角度間隔Ａ５を有し、これは、隣接する２つの歯の間を中心軸周りの角度方向に沿って測定した場合の最短の角度距離に相当しうる。１つの揺回動歯の角度幅Ａ４は、隣接する任意の２つの揺回動歯の間の角度間隔Ａ５の半分よりも小さくてもよい。

図１０は、例示的な１つの揺回動歯３０について、図９の面１０−１０に沿った断面図である。図示した揺回動歯の断面形状に関し、第１従動面６４及び第２従動面６６のいずれかあるいは両方は、図５を参照して説明したような円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定される。一例では、各揺回動歯は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された２つの係合面６４及び６６を有する。

第１従動面６４及び第２従動面６６は、各揺回動歯の頂点７４において滑らかに接続している。第１従動面６４は、第２従動面の曲線の鏡像であり、図１０において垂直で、図１０の紙面に対して直交し、頂点７４を通過する面の反対側に形成される。

連結面７６は、揺回動歯の第１従動面及び第２従動面を繋ぐ面であり、頂点７４とは反対側に位置する。揺回動軸周りの方向に沿って連結面７６で測定する厚みＴ２は、揺回動軸からの径方向距離が大きくなるにつれて比例的に大きくなっている。

図１１は、揺回動板１４を示す上面図であり、一部の対面歯３２が示されている。上側環状面２８における各対面歯の基部の形状は、くさび型をしている。つまり、第３駆動面６８と上側環状面２８との境界の線７８は、延長すると揺回動軸を通る。また、第４駆動面７０と上側環状面２８との境界の線８０は、延長すると揺回動軸を通る。線７８及び８０は、延長すると揺回動板の重心を通過する。

図１２は、例示的な１つの対面歯３２について、図１１の面１２−１２に沿った断面図である。第３駆動面６８及び第４駆動面７０のいずれかあるいは両方は、実質的に平面状であってもよい。各対面歯の頂面７２は、幅Ｗ１を有する。例えば図１１に見られるように、頂面の幅は、その対面歯に沿って変化していてもよい。幅Ｗ１は、対面歯の近位端６０の近傍で最大値をとりうる。図１１を参照のこと。幅Ｗ１は、高さＨ１の変化につれて、その対面歯に沿って変化していてもよい。

揺回動歯及び対面歯をくさび型に構成し、上側環状面を円錐状に構成することにより、揺回動歯及び対面歯により与えられる接触力、並びに、対面歯及び揺回動歯に対して与えられる接触力は、揺回動板の重心から延びる径方向線に対して実質的に直角に作用する。具体的には、揺回動する揺回動板式駆動システムにおいて、揺回動歯に対して別のギア、例えばステータ、が与える接触力は、揺回動軸に平行な線に対して、また、接触点から揺回動軸に延びる径方向線に対して、実質的に直角な方向に作用する。これにより、揺回動板が偏心的に動作しないようにできる。つまり、揺回動板が揺回動しても、揺回動板式駆動システム１０を利用している装置が何であれ、その装置においては、揺回動板の重心が移動しないようにできる。

図１３は、出力ギア１６を示す等角図である。明瞭にするため、図１１の出力ギア１６は、図１及び図２の向きとは「上下を逆」にして示されてある。揺回動板式駆動システム１０を利用している装置が何であれ、その装置において、出力ギア１６は出力軸３４を中心に回転自在である。出力ギア１６は、出力シャフトや出力アームに接続可能である。出力ギア１６は、出力軸３４から複数の出力歯３８までの間の構造については、任意の適当な構造を有しうる。

下側環状面３６は、次に述べるように、円錐台形あるいは円錐形の表面である。下側環状面上において、出力軸３４を中心とした角度方向に沿って互いに離間した３つの任意の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を想定すると、これら３つの点を下側環状面に沿ってそれぞれ通過する錐線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が決まる。これら３つの錘線を延長すると、出力軸上に位置する第４の点Ｐ４を通過し、この点は、３つの点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３により規定される面から出力軸に沿って離れた位置にある。下側環状面３６は、凸状であってもよい。

各出力歯は、点Ｐ４から距離Ｄ３だけ離れた位置に近位端８２を有し、点Ｐ４から距離Ｄ４だけ離れた位置に遠位端８４を有する。なお、距離Ｄ４は、距離Ｄ３よりも大きい。

複数の出力歯の数は、任意の適当な数であってもよい。出力歯の数は、複数の対面歯の数より多くてもよいし、少なくてもよいし、同数であってもよい。図１３に示す例示的な実施形態では、１３５個の出力歯が含まれている。

図１４は、出力ギア１６の詳細図であり、下側環状面３６に配置された出力歯３８のいくつかが示されている。各出力歯は、第３従動面８６を有する。第３従動面は、図１３にさらに明確に表れている。第３従動面８６は、出力歯の近位端８２から遠位端８４まで延在する。第３従動面８６は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。第３従動面８６は、揺回動板１４（図８を参照）が出力ギア１６に沿って第１揺回動方向に揺回動するにつれて、対面歯３２の第３駆動面６８に係合するように構成されている。

出力歯３８は、第３従動面８６とは反対側に第４従動面８８を有する。第４従動面８８は、出力歯の近位端８２から遠位端８４まで延在する。第４従動面８８は、平面であってもよいし、複数の面で構成されていてもよいし、曲率を有する１つ又は複数の表面で構成されていてもよい。第４従動面８８は、揺回動板１４（図８を参照）が出力ギア１６に沿って第２揺回動方向に揺回動するにつれて、対面歯３２の第４駆動面７０に係合するように構成されている。

各出力歯３８は、第３従動面８６から第４従動面８８に連なる底面９０を有する。底面９０により、下側環状面３６から出力歯の底面９０までの距離を、出力軸と平行な方向に沿って測定したものが出力歯高さＨ２であると規定できる。出力歯高さＨ２は、１つの出力歯において一定であってもよいし、一定でなくてもよい。出力歯高さＨ２は、出力歯の近位端８２の近傍で最小値をとりうる。

図１５は、出力板１６を示す底面図であり、一部の出力歯３８が示されている。下側環状面３６における各出力歯の基部の形状はくさび型をしており、これは、上側環状面２８における対面歯３２の基部の形状がくさび形をしているのと同様である。これについては、図１１を参照のこと。つまり、第３従動面８６と下側環状面３６との境界の線９２は、延長すると出力軸を通る。また、第４従動面８８と下側環状面３６との境界の線９４は、延長すると出力軸を通る。

図１６は、例示的な１つの出力歯３８について、図１５の面１６−１６に沿った断面図である。第３従動面８６及び第４従動面８８のいずれかあるいは両方は、実質的に平面状であってもよい。各出力歯の底面９０は、幅Ｗ２を有する。例えば図１５に見られるように、底面の幅は、その出力歯に沿って変化していてもよい。幅Ｗ２は、出力歯の近位端８２の近傍で最大値をとりうる。図１５を参照のこと。幅Ｗ２は、高さＨ２の変化につれて、その出力歯に沿って変化していてもよい。

図１７は、揺回動板式駆動システム１０を、図１のＡから見た側面図である。揺回動板１４は、０度位置又は０度点とも称する下降位置（down position）１００を有する。この位置は、揺回動板において、中心軸１８に平行な方向に沿って出力板から最も遠い点又は位置である。揺回動板からステータ１２までは、中心軸に平行な方向に沿って測定した場合、０度点において最も近い。

揺回動板式駆動システム１０は、ステータ及び出力ギアに沿って矢印１０２で示す第１揺回動方向に、揺回動板が揺回動できるように構成されている。揺回動板１４が第１揺回動方向に揺回動するにつれて、下降位置１００は、図１７では右方向に相当する方向１０２に移動する。また、揺回動板式駆動システム１０は、ステータ及び出力ギアに沿って矢印１０４で示す第２揺回動方向に、揺回動板１４が揺回動できるように構成されている。揺回動板１４が第２揺回動方向に揺回動するにつれて、揺回動板１４の下降位置１００は方向１０４に移動する。

図１８は、揺回動板式駆動システム１０を図１のＢから見た側面図である。揺回動板１４は、９０度位置１０６を有しており、これは下降位置１００から第１揺回動方向１０２に９０度離れた位置である。つまり、９０度位置は、０度位置１００から矢印１０２で示す方向に揺回動板１４を１／４周した位置である。

揺回動板１４が第１揺回動方向に揺回動するにつれて、９０度位置１０６は、方向１０２に移動する。下降位置１００（図１７を参照）と９０度位置１０６との間では、複数の揺回動歯は、複数のステータ歯と実質的に接触しない。下降位置と９０度位置との間では、複数の対面歯は複数の出力歯と実質的に接触しない。

図１９は、揺回動板式駆動システム１０を図１のＣから見た側面図である。揺回動板１４は、１８０度位置１０８を有しており、これは下降位置１００から第１揺回動方向１０２に１８０度離れた位置である。つまり、１８０度位置は、揺回動板１４において下降位置の反対側にある。

揺回動板１４が第１揺回動方向に揺回動するにつれて、１８０度位置１０８は、方向１０２に移動する。９０度位置１０６（図１８を参照）と１８０度位置１０８との間では、複数の揺回動歯は複数のステータ歯と実質的に接触しない。また、９０度位置１０６（図１８を参照）と１８０度位置１０８との間では、複数の対面歯は複数の出力歯と実質的に接触しない。

図２０は、揺回動板式駆動システム１０を図１のＤから見た側面図である。揺回動板１４は、２７０度位置又は２７０度点１１０を有しており、これは、揺回動板の周縁に沿って、下降位置から第１揺回動方向１０２に２７０度離れた位置である。つまり、２７０度位置１１０は、０度位置１００から矢印１０２で示す方向に揺回動板１４を３／４周した位置にある。

揺回動板１４が第１揺回動方向に揺回動するにつれて、２７０度位置１１０は、方向１０２に移動する。１８０度位置１０８（図１９を参照）と２７０度位置１１０との間では、複数の揺回動歯は複数のステータ歯と実質的に接触しない。１８０度位置と２７０度位置との間では、複数の対面歯は複数の出力歯に係合あるいは接触する。

図１〜図２４に示す例では、揺回動歯の数は、ステータ歯の数より１つ少ない。図２１〜図２５を参照して詳細を後述するように、揺回動板１４は、第１揺回動方向１０２に揺回動する際に、それよりも遅い速度で第１回転方向１１２に回転する。この例では、第１回転方向１１２は、第１揺回動方向１０２と逆方向である。

また、この例では、対面歯の数と出力歯の数とは同じである。揺回動板が出力板に沿って第１揺回動方向に揺回動するにつれ、複数の対面歯の各々は、複数の出力歯との係合、非係合を交互に繰り返す。対面歯と出力歯は、揺回動板が出力板に対して滑ることを防止するような構成になっている。したがって、最初の揺回動において、特定の対面歯、例えば対面歯３２ａが、特定の出力歯、例えば出力歯３８ａに係合するのであれば、続く２回目の揺回動においても、同じ対面歯３２ａが同じ出力歯３８ａに係合する。この係合は、対面歯３２ａの第３駆動面６８ａが、出力歯３８ａの第３従動面８６ａに接触する態様である。揺回動板１４が第１回転方向１１２に回転し、第３駆動面６８ａが第３従動面８６ａに接触力を与えると、次いで出力板１６も第１回転方向１１２に回転する。このような相互作用は、係合する対面歯と出力歯のすべて対において発生するので、揺回動板１４の回転中、出力板１６は継続的に回転する。

揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動するにつれて、２７０度位置と０度位置との間では、複数の対面歯は複数の出力歯に実質的に接触しない。図１７を参照のこと。揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動するにつれて、複数の揺回動歯が複数のステータ歯に係合する。揺回動歯とステータ歯との間のこの係合については、図２１〜図２５を参照して詳細を後述する。

図２１は、図１７の拡大図であり、揺回動板の下降位置の近傍にある一部の揺回動歯３０と一部のステータ歯２２との相対的な配置が示されている。上述したように、揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動する場合、図２１では中央にある０度位置と、図２１では左側にある２７０度位置との間で、複数の揺回動歯が複数のステータ歯に係合する。例えば、特定の揺回動歯とステータ歯について言及すると、揺回動歯３０ａ及び３０ｂは、それぞれステータ歯２２ａ及び２２ｂに係合している状態であり、揺回動歯３０ｃは、ステータ歯２２ｃに係合し始めた状態であり、揺回動歯３０ｄ及び３０ｅは、それぞれステータ歯２２ｄ及び２２ｅにまだ係合していない状態である。

揺回動歯とステータ歯は、各歯の頂点近傍の点で最初に接触又は係合する。例えば、揺回動歯３０ｃとステータ歯２２ｃとの最初の接触点は、揺回動歯３０ｃの頂点７４ｃとステータ歯２２ｃの頂点５２ｃとの間になる。この代わりに、揺回動歯とステータ歯が最初に接触する時点では、各歯の頂点が直接に整列するのではなく、方向１０２又は方向１１２に間隔が空いていてもよい。

揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動するにつれて、例示的な揺回動歯３０ａと例示的なステータ歯２２ａとが接触するが、この接触は、実質的にステータ歯２２ａの第１駆動面４４ａと揺回動歯３０ａの第１従動面６４ａとの間で起こる。この接触は、揺回動歯３０ａが０度位置と２７０度位置との間に位置している時に生じる。

図２２は、図１８の拡大図であり、第１揺回動方向１０２に揺回動中の揺回動板において、９０度位置の近傍にある一部の揺回動歯３０と一部のステータ歯２２との相対的な配置が示されている。上述したように、０度位置と９０度位置との間では、複数の揺回動歯は複数のステータ歯と実質的に接触しない。

図２３は、図１９の拡大図であり、揺回動板の１８０度位置の近傍にある一部の揺回動歯３０と一部のステータ歯２２との相対的な配置が示されている。上述したように、９０度位置と１８０度位置との間では、揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動しても、複数の揺回動歯は複数のステータ歯に実質的に接触しない。

図２４は、図２０の拡大図であり、揺回動板の２７０度位置の近傍にある一部の揺回動歯３０と一部のステータ歯２２との相対的な配置が示されている。上述したように、１８０度位置と２７０度位置との間では、揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動しても、複数の揺回動歯は複数のステータ歯に実質的に接触しない。

揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動すると、０度位置と２７０度位置との間で、つまり、下降位置と２７０度位置との間におけるステータの１／４領域で、複数の揺回動歯は複数のステータ歯に係合する。ただし、０度位置と２７０度位置との間にあるすべて位置で、揺回動歯がステータ歯に係合する必要はない。揺回動歯における係合は、その揺回動歯が０度位置の近傍にある時に始まり、０度位置と２７０度位置との間のどこかの位置にある時に終わる。例えば、揺回動歯３０ｆは、揺回動歯３０ｆが下降位置の近傍にある時に、対応するステータ歯２２ｆと係合し始める。この際の接触では、最初に揺回動歯３０ｆの頂点７４ｆが、ステータ歯２２ｆの頂点５２ｆ付近においてステータ歯に接触する。図２４に示すように、揺回動歯３０ｆとステータ歯２２ｆとの間の係合は、揺回動歯３０ｆが２７０度位置の近傍に到達する前に解除される。

図２５は、１つの揺回動歯３０ｇと、一対のステータ歯２２ｇ及び２２ｈとを示す模式図であり、揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動を１回完了する間に、揺回動歯３０ｇが経る５つの状態１２０、１２２、１２４、１２６、１２８が順に示されている。揺回動板は第１揺回動方向１０２に揺回動し、これにつれて、揺回動板は、第１回転方向１１２に回転する。つまり、揺回動板の下降位置は、図２５における右方向に移動し、これにつれて揺回動板及び複数の揺回動歯は、図２５における左方向に移動する。

揺回動歯３０ｇは、当該揺回動歯３０ｇが揺回動板の下降位置の近傍にある第１時点において、第１状態１２０にある。図１７及び図２１を参照のこと。揺回動歯３０ｇは、当該揺回動歯３０ｇが揺回動板の２７０度位置の近傍にある第２時点において、第２状態１２２にある。図２０及び図２４を参照のこと。揺回動歯３０ｇは、当該揺回動歯３０ｇが揺回動板の１８０度位置の近傍にある第３時点において、第３状態１２４にある。図１９及び図２３を参照のこと。揺回動歯３０ｇは、当該揺回動歯３０ｇが揺回動板の９０度位置の近傍にある第４時点において、第４状態１２６にある。図１８及び図２２を参照のこと。揺回動歯３０ｇは、当該揺回動歯３０ｇが揺回動板の０度位置の近傍にある第５時点において、第５状態１２８にある。図１７及び図２１を参照のこと。第１時点と第５時点との間で、揺回動板は、揺回動を１回完了する。状態１２２及び状態１２６では、５つの状態の違いを表すため、揺回動歯３０ｇの角度は誇張されている。

ステータ１２及び複数のステータ歯２２は、図２５の断面図に１３０で示す面を規定する。面１３０は、中心軸１８に直交し、複数のステータ歯２２のすべてに共通の位置で交差する面である。図３を参照のこと。つまり、面１３０は、ステータ歯の頂点５２と連結面５４との間の任意の点で各ステータ歯に交差する。図６を参照のこと。明瞭にするため、図２５の面１３０は、各ステータ歯２２を概ね等分するものとして描かれている。

第１状態１２０及び第５状態１２８は、複数のステータ歯及び面１３０よりも下方に位置する状態である。第３状態１２４は、複数のステータ歯及び面１３０よりも上方に位置する状態である。揺回動板が揺回動を１回行う間に、揺回動歯３０ｇは、複数のステータ歯よりも下方に位置する第１状態１２０から、複数のステータ歯により規定される面１３０を通過して、複数のステータ歯より上方に位置する第３状態１２４に遷移して、複数のステータ歯により規定される面１３０を再び通過して、複数のステータ歯より下方に位置する第５状態に遷移する。この説明において、上方及び下方は、面１３０を基準にしており、中心軸１８に沿った位置関係である。図３を参照のこと。

揺回動歯３０ｇが第１状態１２０と第２状態１２２との間を遷移するにつれて、ステータ歯２２ｇの第１駆動面４４ｇが揺回動歯３０ｇの第１従動面６４ｇに係合する。この係合は、転がり接触であり、第１従動面が第１駆動面に沿って転がる態様である。この転がり接触は、ギア歯の対向する面と面とが滑り接触により係合する多くの標準的なギアインターフェース（gear interface）とは対照的である。一般的に、２つの表面における接触は、同じ２つの表面ついてであれば、転がり接触による摩擦は滑り接触による摩擦よりもずっと少ない。揺回動板がステータと接触するのは、第１揺回動方向への揺回動の際は０度位置と２７０度位置との間に限定されており、また、この接触は、複数の揺回動歯と複数のステータ歯それぞれの一部における転がり接触に限定されている。よって、揺回動板がステータに沿って揺回動する際の摩擦は極めて小さい。このような構成によれば、揺回動の動作を効率的に回転動作に変換することができる。

揺回動歯及びステータ歯のそれぞれが、くさび型をしているので、ステータ歯２２ｇと揺回動歯３０ｇとの間に生じる接触力は、両歯が接触する点に作用し、この接触力は、中心軸に平行な線に対して、また、接触点から中心軸に延びる経方向線に対して実質的に直角に作用する。ステータ歯２２ｇと揺回動歯３０ｇとの間の係合は、図２５の概略図の紙面に対して垂直で、揺回動板の重心を通って延びる接触線に沿って生じる。

揺回動板式駆動システム１０におけるギア比は、複数のステータ歯、揺回動歯、対面歯、出力歯の数が分かれば算出できる。図１〜図２５に示した例では、ステータ歯は１８１個、揺回動歯は１８０個、対面歯は１３５個、出力歯は１３５個ある。各１回の揺回動において、各揺回動歯は、特定のステータ歯に係合し、そのステータ歯から離脱し、次に、元のステータ歯の隣のステータ歯に係合する。よって、揺回動板が揺回動を１８１回行うと、どの揺回動歯も元の位置に戻る。換言すれば、揺回動板の１８１回の揺回動が、揺回動板の１回転に相当する。出力板の歯数は揺回動板の対面歯の歯数と同じであるので、出力板は、揺回動板と同じ速度で回転する。揺回動板式駆動システム１０のギア比は、ステータ歯の数と同じであってもよく、ステータ歯の数は数十から数百の範囲であってもよい。これは、可動部分が２つのみのシステムとしては、極めて大きなギア比である。

当業者には認識されるように、ステータ歯の数、揺回動歯の数、対面歯の数、及び出力歯の数、並びに、これらの歯数の差分については、多くの選択肢がある。それぞれの歯数は、揺回動板式駆動システム１０の使用目的、及び／又は、当該システムに使用する材料などに基づいて、適切に選択される。

図１７〜図２５に関する上述の説明では、主に、揺回動板が第１揺回動方向１０２に揺回動する場合を中心に説明した。図１７を参照のこと。ただし、揺回動板１４は、第２揺回動方向１０４への揺回動も可能である。第２揺回動方向に揺回動する場合は、下降位置１００は、図１７では左側に移動する。

揺回動板１４が第２揺回動方向１０４に揺回動するにつれ、複数の対面歯の各々は、複数の出力歯との係合、離脱を交互に繰り返す。例えば、第１の揺回動の間に、特定の対面歯３２ｂは、特定の出力歯３８ｂに係合する。図２０を参照のこと。続いて、２回目の揺回動の間に、対面歯と出力歯と歯数が同じである場合は、対面歯３２ｂは、同じ出力歯３８ｂに係合する。この係合は、対面歯３２ｂの第４駆動面７０ｂが、出力歯３８ｂの第４従動面８８ｂに接触する態様である。揺回動板が第２回転方向１３２に回転し、第４駆動面７０ｂが第４従動面８８ｂに接触力を与えると、続いて出力板１６も第２回転方向１３２に回転する。

揺回動板１４が第２揺回動方向１０４に揺回動すると、複数の揺回動歯の各々は、第２回転方向１３２に回転する。図２５に関し、１つの揺回動歯３０ｇは、状態１２８、１２６、１２４、１２２、１２０の順に遷移する。これは、揺回動板１４が第１方向に揺回動する場合とは逆の順序である。つまり、揺回動歯３０ｇは、第５状態１２８でステータ歯と最初に接触する。次に、第５状態１２８から第４状態１２６へ遷移する間に、揺回動歯３０ｇの第２従動面６６ｇが、ステータ歯２２ｈの第２駆動面４６ｈに沿って転がり接触することにより、揺回動歯３０ｇはステータ歯２２ｈに係合する。次いで、揺回動歯３０ｇは、第４状態１２６から順に第３状態１２４、第２状態１２２、第１状態１２０へと遷移し、この間、ステータ歯と実質的に接触しない。第１状態１２０に遷移し、次の揺回動が始まると、揺回動歯３０ｇは、ステータ歯２２ｇと接触する。

図２６は、本開示のいくつかの側面に基づく揺回動板式の駆動機構の操作方法を概括的に２００で示し、この方法に含まれる複数の工程を示す図である。揺回動板式の駆動機構は、図１〜図２５に図示し、これを参照して説明した実施形態のうちのいずれであってもよい。方法２００の様々な工程を下記に記載すると共に、図２６に示しているが、必ずしもこれらの工程のすべてを実行することを必要としない。また、これら工程を、記載の順序とは異なる順序で実行したり、同時に実行したりすることも可能である。

方法２００は、支点を中心にしてロータを揺回動させる工程２０２を含みうる。ロータは、複数の揺回動歯及び複数の対面歯を含むものである。図７を参照して説明したように、揺回動板、即ちロータ１４は、支点で支持されている。ロータ１４は、固定の中心軸１８を中心に歳差運動、即ち揺回動する揺回動軸２４を有する。揺回動する揺回動軸２４と、固定の中心軸１８については、図２に示し、この図を参照して説明した。複数の揺回動歯は、外側円筒面に配置されており、複数の対面歯は、上側環状面に配置されている。上側環状面は、円錐形の表面であってもよい。

ロータは、複数の揺回動歯及び複数の対面歯を有する。例えば、図２〜図５に示す複数の揺回動歯３０及び複数の対面歯３２を参照のこと。複数の揺回動歯の各々は、図６を参照して説明したように、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定される面を有する。複数の対面歯の各々は、上側環状面においてくさび型の基部を有する。

方法２００は、ロータの第１の側を推進して、固定ステータに第１位置にて当接させる工程２０４を含みうる。ステータは、複数のステータ歯を含むものである。例えば、第１位置は、図１７に示した下降位置１００である。図２１を参照して説明したように、複数の揺回動歯のうち下降位置の近傍にある揺回動歯は、複数のステータ歯のうちの対応するステータ歯と接触する。

ステータは、複数のステータ歯を含む。例えば、図２に示した複数のステータ歯２２を参照のこと。図６を参照して説明したように、複数のステータ歯の各々は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定される。

隣接する一対のステータ歯により、歯ピッチが規定される。これは、当該隣接する一対のステータ歯の各歯に対応する位置と位置との間の角度間隔である。例えば、図５を参照すると、歯ピッチは、１つのステータ歯の角度幅Ａ２と、隣接する任意の２つのステータ歯の間の角度間隔Ａ３と、の合計である。なお、いずれも、中心軸１８を中心とした角度方向に測定される。図３を参照のこと。各ステータ歯は、内側円筒面から遠い側に断面形状を有する。例えば、図４を参照のこと。ステータ歯の断面形状の角度幅は、歯ピッチの半分より小さくてもよい。図５における角度幅Ａ２が、ステータ歯の断面形状の角度幅でありうる。

ステータは、一群の電磁石を含みうる。一群の電磁石の各々は、可変の磁界を生成可能である。磁界の強度及び方向の両方が可変であってもよい。一群の電磁石は、各々を個別に制御可能である。一群の電磁石の各々は、その電磁石に電流が流れることにより磁界を発生させる。電流は、交流電流であっても、直流電力であってもよい。

ロータは、固定ステータが有する一群の電磁石が生成する磁界に反応する磁性体を含みうる。ロータに磁力を印加することによって、ロータの第１の側を推進して、ステータに当接させることができる。この磁力は、ステータの電磁石が生成した磁界に反応して、ロータが生成するものである。

方法２００は、ロータの第２の側を推進して、第１位置とは反対側の第２位置にて出力板に当接させる工程２０６を含みうる。出力板は、複数の出力歯を含むものである。ロータの第２の側は、図２に示す上側環状面２８であってもよい。第２位置は、図１９に示した１８０度位置１０８であってもよく、この位置は、ロータにおいて下降位置の反対側にある。

出力板及び複数の出力歯は、それぞれ図２に示す出力ギア１６及び複数の出力歯３８であってもよい。複数の出力歯の各々は、出力板の下側環状面においてくさび型の基部を有している。

ロータに磁力を印加することによって、ロータの第２の側を推進して、出力板に当接させることができる。磁力によって直接にロータの第２位置を推進して出力板に当接させてもよいし、間接的に推進してもよい。直接的に推進する例では、出力板に向かう力がロータの第２位置に加えられる。間接的に推進する例では、ロータは、揺回動軸の近傍で支点に支持されていてもよい。出力板から離れる方向の磁力がロータの第１位置に加えられると、シーソーのようなてこの作用により、ロータは逆側の第２位置で出力板に向かって押される。つまり、ロータの第１位置に加えた力の作用と、支点の支持による作用との複合効果によって、ロータの第２位置が出力板に向けて推進される。

工程２０４におけるステータはステータ面を規定する。図２５で説明した面１３０は、その例である。工程２０６における出力板は、ステータ面と平行になるように構成されていてもよい。例えば、出力板とステータとは、図２に示すように、実質的に互いに一致する対称軸３４及び１８をそれぞれ有する。工程２０２におけるロータは、ステータ面及び出力板に対して所与の角度で傾斜するように構成されており、ステータと出力板との間に配置される。例えば、図２を参照のこと。

方法２００は、ロータが支点を中心に揺回動するにつれて、揺回動歯をステータ歯に係合させ、対面歯を出力歯に係合させる工程２１０を含みうる。工程２１０は、工程２０２と同時に行ってもよい。つまり、ロータが支点を中心に揺回動する際に、複数の歯が係合するようにしてもよい。ロータが揺回動するにつれて、個々の揺回動歯は、１つ目のステータ歯に係合する期間、揺回動歯がいずれの歯とも係合しない期間、及び１つ目のステータ歯に隣接する２つ目のステータ歯に係合する期間を経る。図２４〜図２５に関連した説明を参照のこと。この係合の態様は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された面と面との間の転がり接触であってもよい。

ロータが揺回動するにつれて、個々の対面歯は、１つ目の出力歯に係合する期間、対面歯がいずれの歯とも係合しない期間、及び、同じ1つ目の出力歯に再び係合する期間を経る。

複数のステータ歯、揺回動歯、対面歯、及び出力歯の個数は、出力板が１回転するごとに所定数の揺回動が起こるように構成されうる。例えば、図１〜図２５に示す例では、ステータ歯は１８１個、揺回動歯は１８０個、対面歯は１３５個、出力歯は１３５個ある。図２５に関して説明したように、この構成のギア比では、出力板が１回転するごとに、ロータは１８１回の揺回動を行うようになっている。しかしながら、それぞれ歯数について、所望のギア比及び他の設計上の制約に基づいて、これ以外の選択も可能である。

方法２００は、任意の工程として、ステータに向かう方向の力をロータの第３位置に加える工程２０８を含みうる。第３位置は、図１８に示した９０度位置１０６であってもよい。つまり、第３位置は、ロータの周縁を第１位置から、図１７の１０２で示す第１揺回動方向に９０度離れた位置であってもよい。代わりに、第３位置は、図２０に示した２７０度位置１１０であってもよい。つまり、第３位置は、ロータ周縁を第１位置から図１７の１０４で示す第２揺回動方向に９０度離れた位置であってもよい。

ロータの第１位置がステータと接触し、第１位置からロータに沿って９０度の位置にある第３位置に力が加えられると、その力がロータを第３位置に向かう方向に揺回動させる。つまり、図１８に示す９０度位置１０６に引力が与えられ、その力を受けてロータ１４の当該位置がステータ１２に近づく方向に移動すると、１／４回分の揺回動の後、ロータ１４の当該位置が、揺回動板が第１揺回動方向に揺回動回転するにつれて図１７に示す下降位置１００になる。２７０度位置１１０に力を加えると、揺回動板は第２揺回動方向に揺回動する。

常に下降位置から９０度進んだ位置でロータに力を加えることにより、揺回動の方向がいずれの場合でも、ロータに支点を中心とした揺回動を行わせることができる。工程２０４に関して説明したように、ステータに含まれる電磁石群が発生させる磁界によってロータに磁力を印加してもよい。電磁石群が発生させる磁界の強度及び方向を制御することにより、ロータに加えられる力の強度、方向、ロータ上の位置を変化させることができる。電磁力を利用して、ロータの歯をステータ歯や出力板に係合させることができ、また、ロータ自体の揺回動を駆動することができる。

方法２００は、任意の工程として、出力板に出力アームを接続する工程２１２を含みうる。回転板やギアにアームやシャフトに接続して、その回転板の角回転を、アームの直線運動に変換する方法は多数ある。方法２００で用いる揺回動板式の駆動機構は、ロータが揺回動を多数回行うことによって、出力板が１回のみ回転するように構成されており、このような構成の機構を用いると、出力板や出力アームを極めて緻密に制御可能なアクチュエータを生成することができる。

方法２００の揺回動板式の駆動機構は、揺回動板が揺回動を１回行う間に、複数の揺回動歯のうちの少なくとも１つが、複数のステータ歯の下方に位置する第１状態から、複数のステータ歯により規定される面を通過して、複数のステータ歯より上方に位置する第２位置に遷移し、複数のステータ歯により規定される面を再び通過して、複数のステータ歯より下方に位置する第３位置に遷移するように構成されている。例えば、図２５に関する説明を参照のこと。

方法２００の工程は、必ずしも上述の順や図２６に示した順に行われなくてもよい。方法２００の工程のいくつか又は全てを同時に行ってもよい。方法２００の工程のいくつか又は全ては、揺回動板式の駆動機構を利用している期間の一部又は全体で行ってもよい。

方法２００は、揺回動板式の駆動機構を電動モータとして用いる場合について主に説明しており、電気エネルギーを、機械的エネルギーに変換して揺回動板を揺回動及び回転させ、出力板を回転させている。ただし、そのような揺回動板式の駆動機構には、他の用途もある。例えば、上述したようなエネルギー変換を、逆方向に行うことも可能である。その場合、回転シャフトを並進運動させたり、出力板を回転させる機械的エネルギーを、揺回動板を揺回動及び回転させる機械的エネルギーに変換し、次に、このエネルギーを、ステータの電磁コイルの電気エネルギーに変換することも可能である。つまり、揺回動板式の駆動機構は、発電機として、あるいは、出力板の回転エネルギーを制限するように構成された機械式調速機（mechanical governor）として利用することが可能である。

さらに、本開示は、以下の付記に基づく実施形態も包含する。

付記１
中心軸と、内側円筒面に配置された複数のステータ歯と、を有するステータ、
前記中心軸に対してゼロ以外の角度をなす揺回動軸と、外側円筒面と、上側環状面と、前記外側円筒面に配置された複数の揺回動歯と、前記上側環状面に配置された複数の対面歯と、を有する揺回動板、及び、
前記中心軸と実質的に一致する出力軸と、下側環状面と、前記下側環状面に配置された複数の出力歯と、を有する出力ギアを含み、
前記揺回動板が前記ステータに沿って揺回動するにつれて、前記揺回動板は回転し、前記複数の揺回動歯は前記複数のステータ歯に係合し、前記複数の対面歯は前記複数の出力歯に係合するように、それぞれ構成されている、揺回動板式駆動システム。

付記２
前記複数の揺回動歯の各々は、前記揺回動板が前記ステータに沿って揺回動するにつれて、前記複数のステータ歯のうちの１つに、転がり接触によって係合するように構成されている、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記３
前記揺回動板は、前記中心軸に沿った方向において前記出力ギアから最も遠い０度位置と、前記揺回動板の周縁に沿って前記０度位置から揺回動の方向に２７０度にある２７０度位置と、を有し、前記ステータの１／４領域に相当する、前記２７０度位置と前記０度位置との間で、前記複数の揺回動歯のうちの１つは、前記複数のステータ歯のうちの対応する１つに係合する、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記４
前記複数のステータ歯の各々は、前記内側円筒面から遠い側にステータ歯断面形状を有し、前記複数の揺回動歯の各々は、前記外側円筒面から遠い側に揺回動歯断面形状を有し、各ステータ歯断面形状及び各揺回動歯断面形状は、少なくとも部分的に円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された形状である、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記５
複数のステータ歯のうちの１つと前記複数の揺回動歯のうちの１つとの間の接触点に、両歯の接触力が加えられ、当該接触力は、前記中心軸に平行な線と、前記接触点から前記中心軸に延びる径方向線と、に対して実質的に直角に作用する、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記６
前記複数のステータ歯のうちの１つと前記複数の揺回動歯のうちの１つとの間の係合は、接触線に沿った係合であり、当該接触線は、前記揺回動板の重心を通って延びる、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記７
前記複数の揺回動歯の各々について、前記揺回動軸を中心とした角度方向に沿って測定した角度幅は、前記複数のステータ歯のうちの隣接するステータ歯について、前記中心軸を中心とした角度方向に測定した角度間隔の半分よりも小さい、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記８
前記複数の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記揺回動板が揺回動を１回行う間に、前記複数のステータ歯の下方に位置する第１状態から、前記複数のステータ歯により規定される面を通過して、前記複数のステータ歯より上方に位置する第２状態に遷移し、前記複数のステータ歯により規定される前記面を再び通過して、前記複数のステータ歯の下方に位置する第３状態に遷移するように構成されており、上方及び下方は、前記複数のステータ歯により規定される前記面を基準として規定される、付記１に記載の揺回動板式駆動システム。

付記９
揺回動板式駆動機構の操作方法であって、
支点を中心にロータを揺回動させ、前記ロータは、外側円筒面に配置された複数の揺回動歯と、上側環状面に配置された複数の対面歯とを、有するものであり、
前記ロータの第１の側を推進して、複数のステータ歯を有するステータに第１位置にて当接させ、
前記ロータの第２の側を推進して、複数の出力歯を有する出力板に前記第１位置とは反対側の第２位置にて当接させ、
前記ロータが前記支点を中心に揺回動するにつれて、前記揺回動歯を前記ステータ歯に係合させ、前記対面歯を前記出力歯に係合させる、方法。

付記１０
前記複数の揺回動歯及び前記複数のステータ歯の各々は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された端面を有する、付記９に記載の方法。

付記１１
隣接する一対のステータ歯は、当該隣接する一対のステータ歯の各々に対応する位置の間の角度間隔である歯ピッチを規定し、
各ステータ歯は、内側円筒面から遠い側に断面形状を有し、当該断面形状の角度幅は、前記歯ピッチの半分より小さい、付記９に記載の方法。

付記１２
前記ステータは、ステータ面を規定し、前記出力板は、前記ステータ面と平行になるように構成されており、前記ロータは、前記ステータ面及び前記出力板に対して所与の角度で傾斜して構成されていると共に、前記ステータと前記出力板との間に配置されている、付記９に記載の方法。

付記１３
前記ステータに向かう方向の力を前記ロータの第３位置に加え、当該位置は、前記第１位置から前記ロータに沿って揺回動の方向に９０度離れた位置である、付記９に記載の方法。

付記１４
前記複数の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記ロータが揺回動を１回行う間に、前記複数のステータ歯の下方にある第１状態から、前記複数のステータ歯により規定される面を通過して、前記複数のステータ歯より上方にある第２状態に遷移し、前記複数のステータ歯により規定される前記面を再び通過して、前記複数のステータ歯の下方にある第３状態に遷移するように構成されており、上方及び下方は、前記複数のステータ歯により規定される前記面を基準として規定される、付記９に記載の方法。

付記１５
揺回動を行う揺回動板式駆動システムにおいて用いる揺回動板であって、
揺回動軸と、前記揺回動軸に平行な外側円筒面と、上側環状面と、
前記揺回動軸に対して離れる方向に前記外側円筒面から延出するように、前記外側円筒面上に配置された一群の揺回動歯と、
前記上側環状面に配置された一群の対面歯と、を含み、
前記一群の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記外側円筒面から遠い側に断面形状を有し、当該断面形状は、少なくとも部分的に円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定されている、揺回動板。

付記１６
前記一群の揺回動歯の各々は少なくとも１つの駆動面を有しており、当該駆動面に沿った線が前記揺回動板の重心を通るように配向されている、付記１５に記載の揺回動板。

付記１７
前記揺回動軸を中心とした角度方向に沿って測定した場合、前記一群の揺回動歯の各々の角度幅は、前記一群の揺回動歯のうちの隣接する揺回動歯の間の角度間隔の半分よりも小さい、付記１５に記載の揺回動板。

付記１８
前記一群の揺回動歯の各々は２つの係合面を有し、当該２つの係合面は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定されており、当該２つの係合面は、揺回動歯の両側の面を規定する、付記１５に記載の揺回動板。

付記１９
前記一群の揺回動歯は、当該揺回動を行う揺回動板式駆動システムの別のギアから前記揺回動歯に与えられる接触力が、前記揺回動軸と、接触点から前記揺回動軸に延びる径方向線に平行な線と、に対して実質的に直角な方向に作用するように構成されている、付記１５に記載の揺回動板。

付記２０
前記上側環状面は、円錐台状の面であり、前記揺回動板の重心が当該円錐台形の表面の頂点と一致するように構成されている。付記１５に記載の揺回動板。

＜有益性、特徴、利点＞
本明細書に記載した揺回動板式駆動システムの異なる実施形態は、小型かつ高いギア比の電動モータを提供するための周知の方法に対して、いくつかの利点を有する。本開示によれば、ステータ、揺回動板、及び出力板のみを用いて数百の単位のギア比が可能であり、そのような機構が、小さな空間に収まる大きさで実現可能である。例えば、本明細書に記載した例示的な実施形態では、揺回動板に、高効率で非偏心の揺回動の動作を行わせることが可能になる。既知のシステムや装置には、このような機能を実現可能なものはなく、特に、かかる機能を小さな空間で達成可能なものはない。よって、本明細書に記載した例示的な実施形態は、高精細なモータ制御を行うアクチュエータを構成するのに特に有用である。なお、本明細書に記載したすべての実施形態が、同じ利点又は同じ程度の利点を有するとは限らない。

＜結語＞
上述の開示は、独自の有用性を持つ複数の別個の開示を包含しうる。これらの開示のそれぞれを、その好ましい形態で開示しているが、本明細書に開示及び図示されたそれらの具体的な実施形態は、限定的な意味でとらえられるべきではなく、多くの変形例が存在しうる。本開示におけるセクションに見出しがつけられている場合、そのような見出しは、単に、編成の用途に用いられているに過ぎず、請求項の開示を特徴づけるものではない。本開示の要旨は、本明細書に開示された様々な要素、特徴、機能、及び／又は特性の、すべての新規且つ非自明の組み合わせ及びサブコンビネーションを含む。添付の特許請求の範囲は、新規且つ非自明とみなされる、いくつかの組み合わせ及びサブコンビネーションを特に示している。要素、特徴、機能、要素、及び／又は特性の、その他の組み合わせ及びサブコンビネーションにおいて実施される開示は、本願又は関連出願に基づく優先権を主張する出願の特許請求の範囲に記載されうる。そのような特許請求の範囲は、異なる開示を対象としたもの、同じ開示を対象としたもの、元の特許請求の範囲よりも広いもの、狭いもの、均等のもの、又は異なるもの、のいずれであろうとも、本開示の要旨に含まれるものとみなされる。

Claims (14)

1. 中心軸と、内側円筒面に配置された複数のステータ歯と、を有するステータ、
   前記中心軸に対してゼロ以外の角度をなす揺回動軸と、外側円筒面と、上側環状面と、前記外側円筒面に配置された複数の揺回動歯と、前記上側環状面に配置された複数の対面歯と、を有する揺回動板、及び、
   前記中心軸と実質的に一致する出力軸と、下側環状面と、前記下側環状面に配置された複数の出力歯と、を有する出力ギアを含み、
   前記揺回動板が前記ステータに沿って揺回動するにつれて、前記揺回動板は回転し、前記複数の揺回動歯は前記複数のステータ歯に係合し、前記複数の対面歯は前記複数の出力歯に係合するように、それぞれ構成されている、揺回動板式駆動システム。
2. 前記複数の揺回動歯の各々は、前記揺回動板が前記ステータに沿って揺回動するにつれて、前記複数のステータ歯のうちの１つに、転がり接触によって係合するように構成されている、請求項１に記載の揺回動板式駆動システム。
3. 前記揺回動板は、前記中心軸に沿った方向において前記出力ギアから最も遠い０度位置と、前記揺回動板の周縁に沿って前記０度位置から揺回動の方向に２７０度にある２７０度位置と、を有し、前記ステータの１／４領域に相当する、前記２７０度位置と前記０度位置との間で、前記複数の揺回動歯のうちの１つは、前記複数のステータ歯のうちの対応する１つに係合する、請求項１又は２に記載の揺回動板式駆動システム。
4. 前記複数のステータ歯の各々は、前記内側円筒面から遠い側にステータ歯断面形状を有し、前記複数の揺回動歯の各々は、前記外側円筒面から遠い側に揺回動歯断面形状を有し、各ステータ歯断面形状及び各揺回動歯断面形状は、少なくとも部分的に円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された形状である、請求項１〜３のいずれかに記載の揺回動板式駆動システム。
5. 複数のステータ歯のうちの１つと前記複数の揺回動歯のうちの１つとの間の接触点に、両歯の接触力が加えられ、当該接触力は、前記中心軸に平行な線と、前記接触点から前記中心軸に延びる径方向線と、に対して実質的に直角に作用する、請求項１〜４のいずれかに記載の揺回動板式駆動システム。
6. 前記複数のステータ歯のうちの１つと前記複数の揺回動歯のうちの１つとの間の係合は、接触線に沿った係合であり、当該接触線は、前記揺回動板の重心を通って延びる、請求項１〜５のいずれかに記載の揺回動板式駆動システム。
7. 前記複数の揺回動歯の各々について、前記揺回動軸を中心とした角度方向に沿って測定した角度幅は、前記複数のステータ歯のうちの隣接するステータ歯について、前記中心軸を中心とした角度方向に測定した角度間隔の半分よりも小さい、請求項１〜６のいずれかに記載の揺回動板式駆動システム。
8. 前記複数の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記揺回動板が揺回動を１回行う間に、前記複数のステータ歯の下方に位置する第１状態から、前記複数のステータ歯により規定される面を通過して、前記複数のステータ歯より上方に位置する第２状態に遷移し、前記複数のステータ歯により規定される前記面を再び通過して、前記複数のステータ歯の下方に位置する第３状態に遷移するように構成されており、上方及び下方は、前記複数のステータ歯により規定される前記面を基準として規定される、請求項１〜７のいずれかに記載の揺回動板式駆動システム。
9. 揺回動板式駆動機構の操作方法であって、
   支点を中心にロータを揺回動させ、前記ロータは、外側円筒面に配置された複数の揺回動歯と、上側環状面に配置された複数の対面歯と、を有するものであり、
   前記ロータの第１の側を推進して、複数のステータ歯を有するステータに第１位置にて当接させ、
   前記ロータの第２の側を推進して、複数の出力歯を有する出力板に前記第１位置とは反対側の第２位置にて当接させ、
   前記ロータが前記支点を中心に揺回動するにつれて、前記揺回動歯を前記ステータ歯に係合させ、前記対面歯を前記出力歯に係合させる、方法。
10. 前記複数の揺回動歯及び前記複数のステータ歯の各々は、円と楕円の複合インボリュート曲線によって規定された端面を有する、請求項９に記載の方法。
11. 隣接する一対のステータ歯は、当該隣接する一対のステータ歯の各々に対応する位置の間の角度間隔である歯ピッチを規定し、
    各ステータ歯は、内側円筒面から遠い側に断面形状を有し、当該断面形状の角度幅は、前記歯ピッチの半分より小さい、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記ステータは、ステータ面を規定し、前記出力板は、前記ステータ面と平行になるように構成されており、前記ロータは、前記ステータ面及び前記出力板に対して所与の角度で傾斜して構成されていると共に、前記ステータと前記出力板との間に配置されている、請求項９〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記ステータに向かう方向の力を前記ロータの第３位置に加え、当該位置は、前記第１位置から前記ロータに沿って揺回動の方向に９０度離れた位置である、請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記複数の揺回動歯のうちの少なくとも１つは、前記ロータが揺回動を１回行う間に、前記複数のステータ歯の下方にある第１状態から、前記複数のステータ歯により規定される面を通過して、前記複数のステータ歯より上方にある第２状態に遷移し、前記複数のステータ歯により規定される前記面を再び通過して、前記複数のステータ歯の下方にある第３状態に遷移するように構成されており、上方及び下方は、前記複数のステータ歯により規定される前記面を基準として規定される、請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。

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