【ニュースリリース】高伝達力で可動域を無限に延長可能なモジュール型磁気送りねじ機構を開発
2024年06月19日
本研究のポイント
- 少数部品構成で強い磁力を生む新しい磁束集中構造により、高伝達力を持つ「磁気ねじ」を開発。
- 磁気ねじの連結により、超長ストローク化が可能なモジュール型磁気「送りねじ」機構を開発。
- ねじ軸・ナット間の潤滑無しで高速・低振動な動作が可能。過負荷に対して柔軟に応答可能。
- 潤滑不要でクリーンなため、半導体や食品・医薬品分野での安全な搬送・位置決め装置として期待。
（参考動画）
参考動画（動画：１分12秒）
研究概要
仲田佳弘准教授（機械知能システム学専攻）が参加する、部矢明准教授（研究代表者）、鮎澤颯博士前期課程学生、井上剛志教授（名古屋大学大学院工学研究科）、鍋屋バイテック会社の研究グループは、少数部品構成で高伝達力となる「磁気ねじ」のための磁気回路構造を提案し、本「磁気ねじ」を用いた可動域を理論上無限に延長可能なモジュール型磁気「送りねじ」機構を新たに開発しました。
広い可動域を実現する場合、長いねじ軸ではたわみが生じるため、複数のねじ軸を連結する方法が考えられます。しかし、連結部をナットが円滑に通過するために、ねじ山が連続する精度の良い連結か、ガタを許容する設計が必要でした。
そこで部矢准教授らは、物理的接触ではなく磁力によって非接触で動力を伝達する「磁気ねじ」に着目しました。この方法では、ねじ軸とナットが物理的にかみ合う必要が無いため、精度の向上やガタの許容が必要なく、ねじ軸の連結部でもスムーズにナットが通過できます。また、従来の磁気ねじが多数の小片磁石をらせん配置するなど複雑な構造を持つのに対し、少数の部品で高い伝達力を持ちます。この新しい構造では、「磁束集中構造」と呼ばれる強い磁力を生み出す構造を採用することで高伝達力化が達成されています。
磁気ねじは、ねじ軸・ナット間が非接触のため摩擦による発熱がなく、高速な往復運動が可能です。また、潤滑油が不要でクリーンであり、メンテナンスが容易です。本提案機構は、半導体や食品・医薬品分野での安全な搬送・位置決め装置をはじめとした様々な機械の新しい設計解となり得ます。
本研究成果は、2024年６月19日（水）～21日（金）に開催される機械要素技術展[東京]で展示されます。
成果の意義
・少数部品で強い磁力を生む新構造によってコンパクトかつ高伝達力な磁気ねじを実現
永久磁石の配置と着磁方向（磁石内部を流れる磁束の向き）を工夫し、磁束集中構造と呼ばれる強磁力を生み出す構造を構成することで、少数部品かつコンパクトながらも高伝達力を発生可能な新しい磁気ねじを実現しました。また、永久磁石は円弧形状かつ軸方向に着磁されており、複雑な形状や着磁方向の永久磁石は必要ありません。
・送りねじ機構の超長ストローク化を達成
従来の送りねじでは困難であったモジュール連結による超長ストローク化が、本研究によって可能となりました。直線運動を生み出す他の機構としてはリニアモータが挙げられますが、リニアモータで長ストローク構造を実現するためには、可動域全域に電磁石もしくは永久磁石を配置する必要があり、製作は容易でなく高コストとなります。
・ねじ軸とナット間に潤滑油が必要ない
物理的接触によって動力を伝達する従来の送りねじでは、ねじ軸とナットの間に潤滑油を注入し、摩擦抵抗を減らす必要があります。潤滑によって滑りを良くしなければ、摩擦によって表面が摩耗し、振動が大きくなるとともに寿命が短くなるためです。大きな可動域を装置に持たせた場合、その全域に潤滑油が必要となりますが、潤滑状態・給脂タイミングの管理が課題となります。
・高速運動が可能に
従来の送りねじでは、潤滑油を用いたとしても物理的接触は避けられないため、高速運動時に摩擦による発熱が問題となります。本研究成果であるモジュール型磁気送りねじ機構では、ねじ軸・ナットの持つねじ山同士は接触しません。そのため、高速運動させた際にも摩擦による発熱が起こらず、連続的な高速往復運動に優れます。
・ねじ山の間隔を各モジュールで変えると、モータが定速でも移動速度を変更可能
従来の送りねじは、同じねじ山が連続的に続く構造でなければ動作することができません。しかし、本磁気送りねじ機構は非接触で動力を伝達するため、ねじ山の間隔が途中で変化したとしても、動作可能です。そのため、図5に示すように、ねじ軸1とねじ軸2のねじ山の間隔を変えることで、ねじ軸を等速で回転させているにも関わらず、ナットの移動速度を変えることができます。
モータ一定速度下での移動速度変化
以上から、本研究成果によって広い可動域において高速かつ低振動でクリーンな直動機構が実現され、今後様々な機械の新しい駆動源としての活用ができます。
展示会・学会情報
展示会名：機械要素技術展 [東京]
展示時間：2024年６月19（水）～21日（金）10時00分～18時00分（最終日のみ17:00終了）
ブース番号：東３ホール E22-18（総合ブース）
学会名：第36回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
講演日：2024年６月26日（水）
講演タイトル：磁束集中型磁気ねじの提案
発表者：鮎澤 颯1、部矢 明１、仲田 佳弘２、間宮 寿明３、井上 剛志１
１名古屋大学、２電気通信大学、３鍋屋バイテック会社
詳細はPDFでご確認ください。