JP2651734B2

JP2651734B2 - 電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP2651734B2
Application number: JP2036349A
Authority: JP
Inventors: 哲二楢崎
Original assignee: UCHU KAIHATSU JIGYODAN
Current assignee: UCHU KAIHATSU JIGYODAN
Priority date: 1990-02-19
Filing date: 1990-02-19
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: US5081381A; FR2660125B1; JPH03243161A; FR2660125A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、高精度の制御可能な電磁アクチュエータ
に関する。

〔従来の技術〕

従来一般に使用されている電磁リニヤアクチュエータ
としては、例えば実公昭48−1290号公報に示されている
ように、ステップモーターを一次元に展開した構成のも
の、すなわち一定ピッチの歯を有する磁性材料のロッド
又は永久磁石を一定ピッチで配置したロッド上に、同様
に表面に歯を設けた複数個の電磁石を配置し、各々の電
磁石に系統的にパルス電流を与えて磁場を移動させ、対
面するロッドの表面の歯の位置及び電磁石表面の歯の位
置のずれにより駆動力を発生させるようにした方式があ
る。

また実開昭56−116887号公報に開示されているよう
に、磁性材料又は強磁性材料よりなるロッドを円筒状コ
イルの中心軸上に配置し、ロッドの形状及び位置によっ
て生じる磁場内の力学的平衡のずれによって駆動力を発
生させるようにした方式がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上記実公昭48−1290号公報開示の方式におい
ては、電磁石を励磁した場合、磁束密度の状態がロッド
軸に対して軸対称でなく、ロッド及び電磁石間の力のバ
ランスが大きく変動することにより、ロッド保持機構に
大きな力が作用し、アクチュエータ制御の精度及び応答
性能を高めることが困難であるという問題点がある。

一方、実開昭56−116887号公報開示のものは、ロッド
の位置によって駆動力が異なりストロークも小さい。ま
たデジタル的にロッドを移動させるには、ロッドの移動
を一時的に拘束するステータを用いてロッドのパルス制
御を行うことにより可能であるが、ステータの非拘束期
間中におけるロッドの移動量を定量的に設定することは
困難であり、アクチュエータ制御の精度を高めることは
できないという問題点がある。

本発明は、従来の電磁リニヤアクチュエータにおける
上記問題点を解決するためになされたもので、駆動制御
の精度及び応答性能を向上させると共に、軸方向の移動
を拘束した状態で軸まわりに回転させることができ、ま
た軸まわりに回転しながら軸方向に移動させることが可
能な電磁アクチュエータ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及び作用〕

上記問題点を解決するため、本願請求項１記載の発明
は、外表面上に一定のピッチで多数配列された環状歯を
有する磁性材料からなる円筒状ロッドに対して、円周に
沿った中間部を欠如し前記円筒状ロッドに遊嵌する内周
壁を有する中空環状体からなる電磁石コアと、該コアの
内周壁表面に前記円筒状ロッドの環状歯と同一ピッチで
設けた多数の環状歯と、前記コア内に巻回配置された励
磁コイルとからなる電磁石を複数個嵌合し、各電磁石の
環状歯の位置が円筒状ロッドの環状歯の位置と順次ずれ
るように各電磁石間の間隔を設定して配置し、各電磁石
をオン・オフ制御して前記円筒状ロッドを軸方向に駆動
するように構成した電磁アクチュエータにおいて、円筒
状ロッド及び電磁石の各環状歯に、該環状歯と交叉して
軸方向に伸び円周まわりに一定間隔で形成した複数の螺
旋溝をそれぞれ設けると共に、前記円筒状ロッドの螺旋
溝と電磁石の螺旋溝とはその傾斜角を異ならせ、且つ前
記電磁石と連結して前記円筒状ロッドの軸方向の移動を
拘束する拘束用電磁石を設け、該円筒状ロッドの軸方向
の移動を止めた状態で軸まわりに該円筒状ロッドを回転
させる機能及び該円筒状ロッドを軸まわりに回転しなが
ら軸方向に駆動する機能をもたせるように構成するもの
である。

このように構成した電磁アクチュエータにおいて、各
電磁石を順次励磁制御すると、電磁石で発生した磁束は
コアの内周壁表面とこれに対面するロッド表面を通り磁
気回路を閉じる。これにより位置がずれている電磁石の
環状歯とロッドの環状歯に対して相互の歯の位置が一致
するまで強力な軸方向の力が発生してロッドを軸方向に
移動させ、歯の位置が一致した状態で停止する。この場
合、ロッドの形状が円筒状であり、また電磁石のコアが
中空環状体であるため、精度の高い軸対称構成が得ら
れ、したがって完全な軸対称の磁束分布が得られ、それ
により電磁石及びロッド間に作用するラジアル方向の力
を小さくすることができ、ロッドの軸方向の移動の制御
を容易に行うことができる。そして、拘束用電磁石を作
動させることによって円筒状ロッドの軸方向の移動をを
拘束した状態で、前記円筒状ロッドの環状歯と前記電磁
石の環状歯のずれ、及び前記円筒状ロッドの螺旋溝と前
記電磁石の螺旋溝の傾斜角の差異による磁力のバランス
によって、円筒状ロッドを軸まわりに回転させることが
でき、また拘束用電磁石の作動を解除することによって
軸まわりに回転しながら、円筒状ロッドを軸方向に移動
させることができる。

〔実施例〕

次に実施例について説明する。第１図は、請求項１記
載の発明に係る電磁アクチュエータの前提となる電磁ア
クチュエータの原理を説明するための説明図である。図
において、１は透磁性の高い材料を使用した円筒状のロ
ッドで、2A及び2Bは前記円筒状ロッド１の外表面に形成
した歯と溝であり、該ロッド１の軸方向に対してピッチ
幅Ｐの間隔でほぼ全域に亘って形成されている。3,4,5
はロッド１に遊嵌するリング状の駆動用電磁石であり、
それぞれコイル6,7,8と電磁石用のコア9,10,11から構成
されており、コイル6,7,8は円周方向に巻かれている。

前記コア9,10,11は中空円環状で、内周面の一部が円
周方向に沿って欠落し開口部を形成している。開口部の
両側には内周面に沿ったリング状の端面部9a,9b,10a,10
b,11a,11bが形成されており、ロッド１の外周面に近接
するように配置されている。前記端面部上にはロッド１
の外周表面上の歯2Aと同様の形状及びピッチ幅の歯12a,
12b,13a,13b,14a,14bがそれぞれ形成されており、ロッ
ド１の外周表面の歯2Aと近似して対面するようになって
いる。

また第１図に示すように各電磁石3,4,5間の距離を調
整し、電磁石３の端面部9a,9b上の歯12a,12bの位置とロ
ッド１の歯2Aの位置を一致させた場合、電磁石４の歯13
a,13bがロッド１の歯2Aに対して該歯2Aの幅ｄの長さず
れるように構成されている。また同様に電磁石５の歯14
a,14bの位置とロッド１の歯2Aの位置とのずれは溝2Bの
幅2dになるように設定されている。15は非磁性体からな
るスペーサであり、各電磁石3,4,5の相互間の距離を調
整し、各電磁石の歯とロッド１の歯2Aとの相対位置を順
次ｄの長さずらすための電磁石間隔調整用スペーサであ
る。

そして電磁石３のコイル６に電流を流すと、電磁石３
のコア９及び該コア９の端面部9a上の歯12aが励磁さ
れ、更に歯12aに対面するロッド１の歯2A,コア９の開口
部に対面するロッド１の区間、コア９の端面部9b上の歯
12bに対するロッド１の歯2A,コア９の端面部9b上の歯12
bと順次励磁され、矢印A,Bで示す方向にコイルまわりを
回る磁気回路が形成される。

なおロッド１の歯2A間の溝2B及び各コア9,10,11の各
端面部上の歯間の同様の溝は、非磁性体の材料を埋め込
むことによって、ロッド１の外周表面と、電磁石3,4,5
の内周面上の端面部を凹凸のない滑らかな面にすること
ができる。

第２図は電磁石３部分の構造を一部断面で示す斜視図
である。電磁石３の中空円環状コア９の内周表面の中間
部は欠落し開口部を形成している。そして該開口部の両
側の端面部9a,9b上にロッド１の外周表面上の歯2Aと同
様の歯12a及び12bが形成されており、コア９の内側の内
周に沿ってコイル６が巻かれている。

次に第１図及び第２図に示した電磁アクチュエータの
動作を説明する。まず電磁石３のみに電流を流すと、電
磁石３の歯12a,12bの位置と該歯12a,12bに対面している
ロッド１の歯2Aの位置は一致した状態で静止する。次に
電磁石３の励磁を解いて電磁石４に電流を流し励磁する
と、電磁石４の歯13a,13bの位置からｄの長さずれた位
置にあるロッド１の歯2Aに軸方向の引力が作用し、ロッ
ド１は矢印Ｃ方向にｄだけ移動し、電磁石４のコア端面
部10a,10b上の歯13a及び13bの位置とロッド１の歯2Aの
位置がちょうど一致した位置で停止する。この動作と同
時に電磁石５の歯14a及び14bは、ロッド１の歯2Aに対し
て矢印Ｃ方向と反対方向にｄの長さだけを移動したこと
になり、ロッド１の歯2Aとのずれは2dからｄになる。

次に電磁石４の電流を断ち電磁石５に電流を流すと、
ロッド１は矢印Ｃ方向にｄだけ移動し、電磁石５のコア
端面部11a,11b上の歯14a及び14bの位置とロッド１の歯2
Aの位置が一致してロッド１は停止する。同時に最初に
駆動した電磁石３のコア端面部9a,9b上の歯12a及び12b
とロッド１の歯2Aの位置のずれはｄになる。したがって
電磁石５の電流を断ち同時に電磁石３に電流を流すと、
ロッド１は矢印Ｃ方向に更にｄだけ移動し、電磁石３の
当初の作動時よりロッド１はピッチ幅Ｐ（＝3d）だけ移
動する。

このように電磁石3,4,5の周期的な励磁操作を繰り返
して行うことにより、ロッド１は矢印Ｃ方向にｄずつ順
次移動し続ける。また上記電磁石の励磁操作の順序を逆
にして、電磁石5,4,3の順序に電流を流すと、ロッド１
は上記移動とは逆に、すなわち矢印Ｃ方向と反対方向に
ｄずつ移動する。また電磁石3,4,5の内の１個又は２個
の電磁石への電流供給を継続することにより、ロッド１
の軸方向の移動を拘束することができる。このように各
電磁石3,4,5へ電流を供給する順序、パルス数及びパル
スの周波数によって、ロッド１の軸方向の位置及び移動
速度を制御することができる。

次に上記第１図及び第２図に示した電磁アクチュエー
タの具体例を第３図（Ａ），（Ｂ）に示す。なお第３図
（Ｂ）は第３図（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図で、ま
た第３図（Ａ），（Ｂ）において第１図と同一又は同等
部材には同一符号を付して示している。第３図（Ａ），
（Ｂ）において、16は前記電磁石3,4,5をカバーして押
さえる外筒、17は電磁石3,4,5と外筒16をねじ等によっ
て固定する側板、18は電磁石3,4,5によって駆動される
ロッド１の外表面と電磁石3,4,5のコア端面部との間隔
を一定に保ちロッド１の移動を円滑にするための軸受、
19はパッキン、20はリード線引出口、21はリード線であ
り、ロッド１の軸方向の移動を制御するパルス電流はリ
ード線21により電磁石3,4,5に供給される。この実施例
による電磁アクチュエータの動作は、第１図の説明図で
示したものの動作と同一である。

第４図（Ａ），（Ｂ）は、第３図（Ａ），（Ｂ）に示
した電磁アクチュエータの変形例を示す一部断面で表す
平面図、及びそのII−II線に沿った断面図である。この
実施例は、ロッド１の外表面及び各電磁石3,4,5のコア
端面部上に、それぞれ歯列と直交し軸方向に平行な溝2C
及び12c,13c,14cを設けたものである。このようにロッ
ド１の外表面に溝2Cを、電磁石3,4,5のコア端面部上に
溝12c,13c,14cを形成することにより、アクチュエータ
の駆動動作中において、ロッド１の溝2Cとコア端面部上
の溝12c,13c,14cが一致するように磁気力が作用し、こ
れによりロッド１を回転せずに軸方向に移動することが
できる。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る電磁アクチュ
エータの原理を説明する図で、本発明は第１図〜第３図
（Ａ），（Ｂ）に示した電磁アクチュエータにおいて、
更にアクチュエータのロッドが任意の位置において軸ま
わりに回転でき、且つ軸まわりに回転しながら軸方向に
移動する機能、あるいはロッドを回転しないで軸方向に
移動する機能をもつようにしたものである。

４図（Ａ）は、第１図に示したロッド１の外表面上の歯
2Aに対する電磁石3,4,5の歯12a,12b,13a,13b,14a,14bの
配置関係を示す図である。第５図（Ｂ）は電磁石3,4,5
のコア9,10,11のそれぞれの端面部上の歯12a,12b,13a,1
3b,14a,14bを円周に沿って展開した展開図で、22,23,24
は電磁石3,4,5のコア内周面の各開口部であり、実線25
は各電磁石3,4,5の歯12a,12b,13a,13b,14a,14bと交叉し
て矢印Ｃ方向に伸びる螺旋状の溝であって、円周方向に
等間隔に形成されており、該螺旋溝25は交叉する歯12a,
12b,13a,13b,14a,14bの部分を欠如して構成されてい
る。

第５図（Ａ）において、26,27,28は電磁石3,4,5の代
表する歯の位置を表すそれぞれの基準点３−P,4−P,5−
Ｐの対応するロッド外表面上の歯2Aの軸方向の位置であ
り、29は電磁石3,4,5の歯部に形成された溝25と同様
に、ロッド外表面上に形成された矢印Ｃ方向の軸方向に
伸び円周方向に等間隔である螺旋状の溝である。なお30
は第５図（Ｂ）に示す螺旋溝25をロッド１の外表面上に
投影した投影線を表している。第５図（Ａ）に示す電磁
石の数は３個であり、電磁石３にパルス電流を与え、次
いで電磁石４にパルス電流を与える一回の電磁石の操作
で、ロッド１を矢印Ｃ方向に歯のピッチ幅Ｐの1/3の距
離dx＝P/3＝ｄだけ移動させることができるように構成
されている。

次にこのように構成された電磁アクチュエータにおけ
るロッド１の外表面上の螺旋溝29、及び第５図（Ｂ）に
示すコア端面部上を矢印Ｃ方向に伸びる螺旋溝25の機能
について説明する。第５図（Ａ）において、電磁石３の
基準点３−Ｐに対応するロッド１の歯2Aの位置26では、
ロッド１の溝29と電磁石の溝25の投影線30は同一点上に
あり一致しているが、電磁石４の基準点４−Ｐに対応す
るロッド１の歯2Aの位置27においては、前記溝29と溝25
の投影線30とは円周方向にδの差があり、電磁石５の基
準点５−Ｐに対応するロッド１の歯2Aの位置では28、２
δの差がある。

まず、ロッド１の矢印Ｃ方向の移動を図示しない拘束
用電磁石で拘束して電磁石４に電流を与えると、ロッド
１は軸まわりに回転して溝29は円周方向にδの長さ変位
し、電磁石４の溝25の投影線30と位置27において一致す
る。すなわち電磁石４の歯の溝25による欠如部の円周方
向の位置の平均値と、対面するロッド１の歯2Aの欠如部
の円周方向の位置の平均値が一致した回転角において、
ロッド１の回転は停止する。同時にロッド１の歯の位置
28における溝29と溝25の投影線30の円周方向の差は、２
δからδに接近する。

次に電磁石５に電流を与えると、ロッド１は軸まわり
に回転し、位置28における溝29は更にδの長さ変位して
溝25の投影線30に一致し、ロッド１はこの回転角で停止
する。この時位置26では溝29の隣の溝と電磁石コア端面
部上の溝25の投影線30がδの距離に近づいており、電磁
石３に電流を与えるとロッド１は円周方向のδの長さに
相当する軸まわりの角度だけ回転する。

このように電磁石3,4,5に順次パルス電流を与え、同
時に前段の電磁石へのパルス電流を切る操作によって、
ロッド１を軸まわりにδの間隔で回転させることがで
き、電磁石3,4,5に順次パルス電流を与える１サイクル
の操作で、ロッド１は螺旋溝29の円周方向のピッチ幅だ
け回転し、ロッド外表面の位置26において溝29と、電磁
石の溝25の投影線30から円周方向に３δだけ離れた隣の
溝25の投影線31が交叉し、更に上記と同様の電磁石3,4,
5の付勢操作によりロッド１は回転を続けるが、拘束用
電磁石を作動させない場合には、ロッド１は回転しなが
ら軸方向に移動する。

次に、上記電磁石及びロッドに形成する螺旋溝の勾配
を特定の値に設定して、ロッドが軸まわりに回転せず、
矢印Ｃの軸方向に駆動する場合について説明する。第５
図（Ｃ）は第５図（Ａ）の○印部分の一部を省略し、ロ
ッド１の外表面上の溝29と電磁石４の溝25の投影線30と
の関係を表す拡大図である。第５図（Ｃ）において、27
は電磁石の歯の軸方向の位置であり、点線で示す螺旋溝
（投影線）30との交点が歯の欠如部で、白丸印で示して
いる。そして、この構成の場合、位置27からdx離れた位
置にロッドの歯があり、ロッドの螺旋溝29との交点が歯
の欠如部で、黒丸印で示している。この第５図（Ｃ）に
示すように、ロッドの歯の欠如部（黒丸印）と電磁石の
歯の欠如部（白丸印）とが、円周方向（Ｙ軸）において
同じ位置になるように、ロッドの螺旋溝29及び電磁石の
螺旋溝（投影線）30の勾配を、それぞれ設定している。
次に、このように各螺旋溝の勾配を設定した場合の動作
について説明する。まず電磁石３の電流を切り電磁石４
に電流を与えることにより、ロッド１が矢印Ｃ方向にdx
だけ移動したとすると、ロッド外表面上の溝29もＣ方向
にdxだけ平行移動して29′で示す位置となり、溝29は位
置27において軸まわりに円周長さδだけ回転したのと同
じ状態になり、溝25の投影線30が位置27において螺旋溝
29から丁度円周方向にδだけ離れた位置にあると、電磁
石４の作動後は螺旋溝29は溝25の投影線30と交叉し、電
磁石４の歯の欠如部の位置と対面するロッド外表面上の
歯の欠如部の位置が一致し、磁力のバランスの取れた状
態になる。したがって、ロッド１は軸まわりに回転せず
軸方向にdx移動する。

この時同時に電磁石５の歯に対応するロッド１の歯の
位置28においては、電磁石４の作動によってロッド外表
面上の螺旋溝29が矢印Ｃ方向に平行移動して、螺旋溝29
と溝25の投影線30との円周方向の間隔は２δからδにな
る。同様に電磁石５に電流を与えて電磁石４の電流を切
ると、ロッド１は軸方向にdx移動し、溝29は位置28にお
いて円周方向にδの長さ変位し溝25の投影線30と交叉す
る。すなわち、電磁石３の螺旋溝25とロッド１の螺旋溝
29が交叉した状態の螺旋溝29から円周方向にδの位置に
電磁石４の螺旋溝25があると、電磁石４の作動によりロ
ッド１は軸方向にdx移動すると共にロッド外表面上の螺
旋溝29は、該螺旋溝29の勾配による円周方向の変位分δ
だけ円周方向に変位し、電磁石４の基準位置すなわち位
置27においてロッド１の溝29及び電磁石の溝25は交叉
し、環状歯の円周上の欠如部の位置も一致し、ロッド１
は回転せずに軸方向にdx移動する。次の電磁石５の作動
では、ロッド１は更にdx移動し、ロッド表面上の螺旋溝
29は更に円周方向にδ変位して電磁石５の溝25と交叉
し、環状歯の欠如部の位置も一致する。

電磁石の螺旋溝25の円周方向の間隔及びロッド１の螺
旋溝29の円周方向の間隔を共に３δと設定し、電磁石3,
4,5を順次作動させ再び電磁石３の最初の操作に戻る
と、ロッド１の軸方向にＰ（Ｐ＝3dx＝3d）の距離移動
すると共に、溝29は位置26で円周方向に３δ変位して溝
25の投影線30の隣の投影線31と交叉し、更に電磁石3,4,
5の作動により螺旋溝29は電磁石3,4,5の螺旋溝と順次交
叉する。このように電磁石3,4,5に対する操作を順次周
期的に行うことにより、ロッド１を軸まわりに回転させ
ずに軸方向に移動させることができる。

第５図（Ａ）及びその拡大図である第５図（Ｃ）で示
される溝29及び溝25の投影線30のそれぞれの勾配は次の
ようにして求められる。すなわち電磁石3,4の基準点３
−P,4−Ｐに対応するロッド１の位置26及び27間の距離
による溝29の円周方向の変位分をｌとするとｌ＝３δ・
n_p（n_p:位置26,27間の歯のピッチ数）と表され、位置2
6,27間の投影線30の円周方向の変位分をｌ′とすると、
ｌ′＝ｌ−δとなる。したがって、溝29の勾配α₂₉は、と表され、投影線30の勾配α₃₀は、で表される。

一方、螺旋溝の円周方向の間隔についてはある程度の
長さが必要であり、勾配は歯と螺旋溝の交叉により形成
される歯の形状による磁束の分布及び加工技術の面から
あまり大きくはできない。前記勾配α₂₉及びα₃₀では、
δをピッチ幅Ｐの1/3程度にしても、約１と大きくなり
適当な勾配ではない。

第５図（Ｄ）は、電磁石コア端面部上の螺旋溝25及び
円筒状ロッド１の外表面上の螺旋溝29の勾配を増大させ
ることなく、円周方向の各螺旋溝25,29の配列の間隔を
大きくする方法に関する説明図で、第５図（Ａ）に示す
電磁アクチュエータのロッド外表面上の位置26における
ロッド１の螺旋溝29と、電磁石３の螺旋溝25の円周方向
の位置関係を示しており、中央線Ａより右側は電磁石３
のコア端面部上の螺旋溝25の円周方向の配置を表す展開
図であり、螺旋溝25の位置は固定している。一方中央線
Ａより左側はロッド外表面上の螺旋溝29の円周方向の配
置を表す展開図であり、この螺旋溝29の配置は、ロッド
１の回転又は軸方向の移動に伴って円周方向Ｊの方向に
変位する。

前述の如く電磁石3,4,5及び図示しない拘束用電磁石
の１サイクルの操作によってロッド１は回転し、螺旋溝
29は円周方向に３δ移動して点線で示す位置29′の配置
になる。またロッド１が回転せずに軸方向に移動する場
合においても、電磁石3,4,5の１サイクルの操作により
位置26において螺旋溝29は、ロッドが回転する場合と同
様に円周方向に３δ変位し、点線で示す配置位置29′と
なる。

位置26における螺旋溝29の円周方向の変位３δを単位
の長さＫとすると、第５図（Ａ）で示す螺旋溝29は円周
方向の間隔がＫであり、また電磁石の螺旋溝25の円周方
向の間隔もＫである。螺旋溝29が円周方向にＫだけ変位
すると、電磁石の螺旋溝25の円周方向にＫだけ離れた位
置にある隣の螺旋溝と一致し、初めの状態に戻るが、螺
旋溝の間隔はＫであり小さい。螺旋溝の間隔を大きくす
る方法として、ロッド上の螺旋溝の間隔と電磁石の螺旋
溝の間隔との間に以下の如く差をつける。第５図（Ｄ）
では中央線Ａより左側の螺旋溝29の円周方向の間隔は、
単位の長さＫの整数（第５図（Ｄ）においては３）倍で
あり、Ａ線より右側の螺旋溝25の円周方向の間隔は、単
位の長さＫに前記整数に１をたした値（第５図（Ｄ）で
は４）を乗じた長さであり、両方の螺旋溝25及び29は、
第５図（Ｄ）の右側の螺旋溝の位置，，，，
，……において一致している。

螺旋溝29が電磁石3,4,5の１サイクルの作動により円
周方向Ｊに長さＫ変位し、点線で示す位置29′に移動す
ると、Ａ線より右側の螺旋溝25と一致する円周上の位置
は、螺旋溝25の３本目毎の，，，……の記号の位
置であり、左側の螺旋溝29では４本目毎の位置になる。
すなわち右側では３本目毎にまた左側では４本目毎に両
方の螺旋溝が互いに一致し、両方の螺旋溝が一致した位
置間の間隔は、３×４×Ｋ＝12K＝36δである。

次いで、電磁石3,4,5が更に１サイクル作動すると、
螺旋溝29はＪ方向に更に長さＫ変位して破線で示す29″
の位置に変わり、両方の螺旋溝が一致する位置は右側の
螺旋溝25の位置において，，，，……の位置で
ある。すなわち螺旋溝29が円周方向にＫ変位する毎に、
螺旋溝29及び25は互いに一致する位置の間隔を12Kにと
り、一致点の各々の位置は4KずつつＪ方向に移動してい
く、すなわち一致点は順々に隣の螺旋溝に移っていく。
この方法によって、螺旋溝の間隔をＫからロッド上では
3Kに、また電磁石上では4Kに大きくすることができる。

上記の説明では各螺旋溝の円周方向の間隔は、螺旋溝
29ではＫの３倍であり、螺旋溝25ではＫの４倍である
が、一般に倍数を螺旋溝29では整数ｎとし、螺旋溝25で
は（ｎ＋１）とすると、螺旋溝の円周方向の間隔はそれ
ぞれ、螺旋溝29ではnK＝3nδであり、螺旋溝25では（ｎ
＋１）Ｋ＝3nδ＋３δである。したがって、螺旋溝の円
周方向の間隔を一定の値ｃに設定すると、電磁石１回の
作動による円筒状ロッド外表面の螺旋溝29の円周方向の
変位δは、δ＝c/3nであり、ｎが大きい程δは小さくな
り、螺旋溝29の勾配α₂₉及び電磁石の螺旋溝25の勾配α
₃₀はそれぞれ、 α₂₉＝３δ/P＝c/nP α₃₀＝｛ｃ（3n_p−１）｝／｛3n・n_p・Ｐ｝で表される。

また電磁石コアの端面部上に形成される螺旋溝の長さ
については、コアの両端面部の軸方向の全区間に形成さ
れる長い螺旋溝よりも、電磁石の位置を代表とする点３
−P,4−P,5−Ｐを中心とする一部の短い区間に形成され
る短い螺旋溝による電磁石の駆動の方が、精度の高い回
転制御及び軸方向の移動制御が可能である。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）に示した原理図に基づく本発明
の第１実施例を第６図（Ａ），（Ｂ）に示す。第１図及
び第５図（Ａ）〜（Ｄ）と同一又は同等部材には同一符
号を付して示している。１は円筒状ロッドであり歯2Aが
軸方向に等間隔に形成され、これと交叉して軸方向に伸
びる螺旋状の溝29が円周方向に等間隔に形成されてい
る。電磁石3,4,5のコアの端面部9a,9b,10a,10b,11a,11b
には、ロッド１の歯2Aと同じ歯列及び第５図（Ｂ）に示
す螺旋溝25と同じ螺旋溝が形成されている。32は前記電
磁石3,4,5のコアの端面部上にロッド１の歯2Aと同様の
歯はあるが、螺旋溝25が形成されていない電磁石であ
り、他の電磁石3,4,5と連結してロッド１の軸方向の移
動を拘束する拘束用電磁石である。

拘束用電磁石32に電流を与えロッド１の軸方向の移動
を拘束した状態で、電磁石3,4,5を順次作動させると、
ロッド１は円周方向にδずつ回転し、更に電磁石3,4,5
の作動を前記の如く周期的に繰り返すと、ロッド１は回
転を続ける。また電磁石3,4,5の作動の順序を逆にする
と、ロッド１の回転は逆になる。次に拘束用電磁石32を
作動させず自由にした状態で、電磁石3,4,5を順次作動
させるとロッド１は回転しながら軸方向に移動し、更に
電磁石3,4,5の作動を前記の如く電磁石3,4,5,3,……と
周期的に繰り返すと、ロッド１は軸まわりに回転しなが
ら軸方向に移動する。電磁石3,4,5の作動の順序を逆に
するとロッド１は軸まわりに回転しながら逆方向に移動
する。

第６図（Ｂ）は電磁石コアの端面部に形成される螺旋
溝25が短い場合の実施例を示す電磁石コアの端面部の展
開図であり、第５図（Ｂ）に示した螺旋溝25と同一の螺
旋溝が、それぞれの電磁石3,4,5の片方の端面部9a,10a,
11aに形成されている。

第７図は、本発明の他の実施例を示す断面図である。
図において、33は円筒状ロッドであり、34は電磁石駆動
装置で、内部に６個の電磁石35〜40及び軸方向拘束用電
磁石41が納められている。ロッド33及び駆動装置34は第
１段のアクチュエータを構成し、その作動は第６図
（Ａ），（Ｂ）に示した実施例の作動と同一である。42
は前記第１段アクチュエータの円筒状ロッド33の内径よ
りも小さな外径の第２段のアクチュエータの円筒状ロッ
ドであり、前記第１段アクチュエータの円筒状ロッド33
の内径に収容されている。43は第２段アクチュエータの
電磁石駆動装置であり、６個の電磁石44〜49及び拘束用
電磁石50より構成され、第１段アクチュエータの円筒状
ロッド33の先端に固定されている。更に第２段アクチュ
エータの円筒状ロッド42の先端に、第３段のアクチュエ
ータを取り付けることができるようになっている。

すなわち、本実施例の電磁アクチュエータは、後段の
アクチュエータの円筒状ロッドを前段のアクチュエータ
の円筒状ロッドの内側に収容でき、また後段の電磁石駆
動装置は前段のアクチュエータの円筒状ロッドの先端に
取り付けられる構造になっており、そして軸方向の伸縮
及び軸まわりの回転がそれぞれ制御可能な複数個のアク
チュエータ要素によって構成される多段伸展型アクチュ
エータを構成している。

第８図は、本発明の更に他の実施例を示す概略平面図
である。この実施例は、第７図に示した多伸展型アクチ
ュエータを複数個連結して構成した電磁アクチュエータ
である。図において、51−ａは円筒状のロッドで、51−
ｂは電磁石駆動装置であり、第１段のアクチュエータ51
を構成している。第２段のアクチュエータ52は第１段の
アクチュエータ51のロッド51−ａの先端に取り付けた電
磁石駆動装置52−ｂ、及び円筒状ロッド52−ａより構成
され、第２段のアクチュエータ52の円筒状ロッド52−ａ
は、第１段のアクチュエータ51の円筒状ロッド51−ａの
内側に収容されるようになっており、第１段及び第２段
のアクチュエータ51,52により多伸展型アクチュエータ
Ｉを構成している。そして同様に構成した多伸展型アク
チュエータII,IIIを、円筒状ロッドの軸と直交する回転
軸を有する回転接手53,54で連結し、伸縮が可能で自由
度の大きな伸展型マニピュレータとして用いることがで
きる電磁アクチュエータを構成している。なお55は第１
の多段伸展型アクチュエータＩを装置本体56に設置する
回転接手であり、57は先端に設けた把持部である。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれ
ば、ロッドの形状を円筒状に、また電磁石のコアを円環
状にしているため、精度の高い軸対称構造により、完全
な軸対称の磁束分布が得られ、それにより電磁石及びロ
ッド間に作用するラジアル方向の力を小さくすることが
でき、ロッドの軸方向の移動の制御を容易に行うことが
できる。そして更に拘束用電磁石を設けてオン・オフ制
御することにより、円筒状ロッドの軸方向の移動を拘束
した状態で該ロッドを軸まわりに回転させたり、あるい
は軸まわりに回転しながら軸方向に移動させることがで
きる。

また、円筒状ロッドを多段ロッドで構成し、各ロッド
に対応させて電磁石及び拘束用電磁石を配置すると、軸
まわりに回転可能で実効ストロークの大きな多段伸展型
の電磁アクチュエータが得られる。

更にまた、上記多段伸展型の電磁アクチュエータを複
数個回転接手で連結すると、自由度の大きいマニピュレ
ータとして用いることの可能な電磁アクチュエータが得
られる。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明の前提となる電磁アクチュエータの原
理を説明するための説明図、第２図は、第１図の電磁石
部分を一部断面で示す斜視図、第３図（Ａ），（Ｂ）
は、第１図に示した電磁アクチュエータの具体例を一部
断面で示す平面図及びそのＩ−Ｉ線に沿った断面図、第
４図（Ａ），（Ｂ）は、同じく第１図に示した電磁アク
チュエータの他の具体例を一部断面で示す平面及びその
II−II線に沿った断面図、第５図（Ａ）は、本発明に係
る電磁アクチュエータの原理を説明するための説明図、
第５図（Ｂ）は、その電磁石のコア端面部の展開図、第
５図（Ｃ）は、第５図（Ａ）の○印部分の一部を省略し
拡大して示すもので、電磁石及びロッドに形成する螺旋
溝を特定の勾配に設定した場合を示す図、第５図（Ｄ）
は、螺旋溝の円周方向の間隔に関する説明図、第６図
（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例を一部断面で示す平
面図及びその電磁石のコア端面部の展開図、第７図は、
本発明の他の実施例を示す図、第８図は、同じく更に他
の実施例を示す図である。図において、１は円筒状ロッド、2Aは歯、2Bは溝、2Cは
ロッド軸に平行な溝、3,4,5は電磁石、6,7,8はコイル、
9,10,11はコア、9a,9b,10a,10b,11a,11bはコア端面部、
12a,12b,13a,13b,14a,14bはコア端面部上の歯、15はス
ペーサ、16は外筒、17は側板、18は軸受、19はパッキ
ン、22,23,24はコア内壁面の開口部、25は電磁石コア端
面部上の螺旋溝、26,27,28は電磁石3,4,5の基準歯位置
に対応するロッドの歯の位置、29はロッド外表面上の螺
旋溝、30,31は電磁石の螺旋溝25のロッド外表面上への
投影線、32は拘束用電磁石、33は第１段アクチュエータ
の円筒状ロッド、34は電磁石駆動装置、35〜40は電磁
石、41は拘束用電磁石、42は第２段アクチュエータの円
筒状ロッド、43は第２段アクチュエータの電磁石駆動装
置、44〜49は電磁石、50は拘束用電磁石、51−a,52−ａ
は円筒状ロッド、51−b,52−ｂは電磁石駆動装置、53,5
4,55は回転接手を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外表面上に一定のピッチで多数配列された
環状歯を有する磁性材料からなる円筒状ロッドに対し
て、円周に沿った中間部を欠如し前記円筒状ロッドに遊
嵌する内周壁を有する中空環状体からなる電磁石コア
と、該コアの内周壁表面に前記円筒状ロッドの環状歯と
同一ピッチで設けた多数の環状歯と、前記コア内に巻回
配置された励磁コイルとからなる電磁石を複数個嵌合
し、各電磁石の環状歯の位置が円筒状ロッドの環状歯の
位置と順次ずれるように各電磁石間の間隔を設定して配
置し、各電磁石をオン・オフ制御して前記円筒状ロッド
を軸方向に駆動するように構成した電磁アクチュエータ
において、前記円筒状ロッド及び電磁石の各環状歯に
は、該環状歯と交叉して軸方向に伸び円周まわりに一定
間隔で形成した複数の螺旋溝をそれぞれ設けると共に、
前記円筒状ロッドの螺旋溝と電磁石の螺旋溝とはその傾
斜角を異ならせ、且つ前記電磁石と連結して前記円筒状
ロッドの軸方向の移動を拘束する拘束用電磁石を設け、
該円筒状ロッドの軸方向の移動を止めた状態で軸まわり
に該円筒状ロッドを回転させる機能及び該円筒状ロッド
を軸まわりに回転しながら軸方向に駆動する機能をもた
せたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項２】前記電磁石の螺旋溝の傾斜は、前記円筒状
ロッドの隣接する電磁石の駆動による軸方向の移動によ
る該円筒状ロッド表面上の前記螺旋溝の円周方向の変位
分を、隣接する電磁石間の軸方向の距離に対応する該円
筒状ロッドの表面上の螺旋溝の円周方向の成分より除い
た成分を、隣接する電磁石間の軸方向の距離に対応する
円周方向の成分とするように設定されていることを特徴
とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
【請求項３】前記円筒状ロッド外表面上の螺旋溝の円周
方向の間隔と、前記電磁石の螺旋溝の円周方向の間隔の
比を、n:n＋１（n:整数）に設定することを特徴とする
請求項１又は２記載の電磁アクチュエータ。
【請求項４】前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の
電磁アクチュエータにおいて、円筒状ロッドを順次外径
を縮小し互いに嵌合可能に形成した多段ロッドで構成
し、第１段のロッドに対応させて該ロッドを駆動する前
記電磁石及び拘束用電磁石と同一構成の電磁石駆動部を
配置すると共に、その先端に第２段のロッド駆動用の同
一構成の電磁石駆動部を固設し、以下順次各段ロッドの
先端に次段ロッド駆動用の同一構成の電磁石駆動部を固
設し多段伸展型としたことを特徴とする電磁アクチュエ
ータ。
【請求項５】前記請求項４記載の多段伸展型とした電磁
アクチュエータを複数個回転接手で連結して構成したこ
とを特徴とする屈曲可能な多段伸展型の電磁アクチュエ
ータ。