ロボットの駆動に一般的に使用される電動モータは、負荷が増大すれば低速で高出力になる特性を有する。しかし、効率の良い差動速度範囲はかなり限定されている。そのため、低速高出力状態から高速低出力状態までの広い作動範囲で駆動されるロボットを効率よく駆動するには、モータ自体は常時効率の良い速度領域で駆動し、それを負荷状態に応じた変速比で駆動することを可能とする変速機の導入が不可欠である。しかし従来、軽量小型でこのような変速動作を高速にかつ自動的に行える変速機は皆無であった。

X-Screwは、このようなロボット駆動系における重大な問題を解決するために開発されたものである。X-Screwの基本動作は、図２(a)の通常のねじとナットを改良した図(b)である。これはナットの有効直径をねじ軸より若干大きくし、ナットをベアリングで回転自在に支持し、このナットを偏心力(offset force) で横に押したものである。この状態でねじ軸を回転すると、ナットは片当たりした部分で接触しているため同時に回転する。このとき、ねじ軸よりもナットの有効径が若干大きいため、ナットはねじ軸より若干低速度で回転し、この回転数の差があるためナットは低速でねじ軸に沿って直動する。X-Screwはさらにこの偏心力をバネで生成しているところが特徴となっている。ナットはねじ軸にバネで押しつけられ、ねじとナットのねじ山には傾斜角（フランク角）があるため、ねじ軸に負荷がかかるとナットはねじ軸と同軸になる方向に微妙に滑り、ねじとナットの偏心量は減少する。その結果、ナットのねじ軸に沿った運動は低下し、発生する推力は増大する。逆にねじ軸への負荷が減ると、ナットはバネ力で再びより偏心した状態に戻り、より早く動き出す。

このようにX-Screwは、軽量小型で安価に構成できる負荷感応型無段変速機である。また、転がり接触を基本動作とするため伝達効率が高い、ナットの複数のねじ山で負荷を支持するため負荷荷重が高い、過大負荷荷重が働いたときには、ナットはねじ軸と同軸になってねじ山全体で負荷を支持し、モータもストールして加熱しない、など多くの望ましい特性を有している。そのため、X-Screwは今後広範な機械システムに利用可能となるであろう。

References:

1. 萩原哲夫, 広瀬茂男 : 広い速度・負荷適応機構を有する新しい負荷感応型直動機構DM X-screwの開発, 日本機械学会論文集(C編), 66, 644, pp.1258-1263 (2000)
2. 広瀬茂男, Craig Tibbetts, 萩原哲夫 : 負荷感応型無段変速機X-screwの開発, 日本機械学会論文集(C編), 66, 646, pp.1912-1918 (2000)
3. Tetsuo Hagiwara and Shigeo Hirose : Development of Dual Mode X-Screw: A Novel Load-Sensitive Linear Actuator with a Wide Transmission Range, J. of Robotics and Mechatronics, 10, 2, pp.66-71 (1998)
4. Shigeo Hirose, Craig Tibbetts, and Tetsuo Hagiwara : Development of X-Screw: A Novel Load-Sensitive Actuator Incorporating a Variable Transmission, Proc. ICRA, Detroit, pp.193-199 (1999)
5. Tetsuo Hagiwara and Shigeo Hirose : Development of Dual Mode X-Screw: A Novel Load-Sensitive Linear Actuator with a Wide Transmission Range, Proc. ICRA, Detroit, pp.537-542 (1999)