JP2007060891A - 多自由度電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】球状ロータ２がステータ３に対して三次元方向に回動する多自由度電動機において、ロータ２の三次元方向の回動を円滑化させる。磁性突起４の配設数を、最大間隙比を小さくできながら多くする。
【解決手段】正２０面体の１２個の頂点Ａと、該各頂点の隣接するもの同志を結んだ円弧Ｅの中点Ｂ（３０個）とを頂点Ａ、Ｂとして頂点数４２となる８０面体を設定し、該各頂点Ａ、Ｂに磁性突起４を配することで、最大間隙比が１．１３０８となって小さいが、磁性突起数の多いロータ２を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、多自由度の回転が可能な球状ロータを有する多自由度電動機の技術分野に属するものである。

このような多自由度電動機としては、中空である球状ロータの外表面に、隣り合う極性が互いに異なるよう複数の磁性突起を格子状に配設する一方、球状ロータの外側に所定間隔を存するようにして配したステータの内周面に、複数の電磁石を配設し、位置センサにより磁性突起と電磁石との三次元（三軸直交座標）方向の相対位置を求め、これらの大きさに比例する時間配分で球状ロータを三次元方向に回転すべく制御器からの制御指令で磁性突起と電磁石との位置関係を求め、これら求めた結果から、球状ロータを任意の三次元方向に回転すべく電磁石を励磁するように制御するようにしたものが知られている。
このような多自由度電動機において、三次元方向に円滑な回転をさせるには、球状ロータとしては、磁性突起の数は多いほどよく、しかもその配置は正多面体構造の頂点に配することで隣接する磁性突起間の間隔が均等になって理想的な回転バランスを得られることが期待できるが、正多面体としては頂点数が１２個の正２０面体（例えば特許文献１参照）が最大の多面体であって、これ以上の正多面体は存在しないことが知られている。このため、これを採用したときには磁性突起が１２個しか設けられず、しかも磁性突起間の間隔が広すぎて、どうしても円滑な三次元方向の回転を得られないという問題がある。
そこで、球状ロータについて、一辺が０．４０Ｒ、残りの二辺が０．４１Ｒ（Ｒは球状ロータの半径）の二等辺三角形が１２０面と、一辺が０．４０Ｒ、残りの二辺が０．３５Ｒの二等辺三角形が６０面とが組み合わさった多面体形状（サッカーボールの模様を構成する正６角形と正５角形とが組み合わさった形状）の各頂点に磁性突起を９２個配した構造として円滑な三次元方向の回転を得るようにしたものが知られている（特許文献２参照）。
特開平５−６４４１７号公報 特開平９−１６８２７５号公報

ところが、前記球状ロータをサッカーボール形状にしたものは、隣接する磁性突起間の間隔が小さくなり、この結果、球状ロータと対向するステータ側の電磁石は、電動機ということを考えたとき、一般に磁性突起よりも多くすることが好ましく、そうすると、電磁石について必要な起磁力が得られる大きさのものを配するには、どうしてもステータを大きくしなければならないことになって多自由度電動機の小型化に限界があるだけでなく、隣接する磁性突起間の最大間隙比（＝最大間隙／最小間隙）が１．１７１４（＝０．４１Ｒ／０．３５Ｒ）と大きく、円滑な三次元回転が損なわれるという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、内球面に複数の電磁石を有するステータと、複数の磁性突起を有する球面がステータに所定の間隔を存して対向し、前記ステータに対して三次元方向に回動自在に支持される球状ロータとを備えて構成される多自由度電動機において、球状ロータの磁性突起は、
ｉ．正２０面体の各頂点Ａ、
ｉｉ．隣接する前記頂点Ａ同志を結ぶ各円弧の中点Ｂ、
とをそれぞれ頂点Ａ、Ｂとして形成される８０面体の該各頂点Ａ、Ｂ位置に設けられることを特徴とする多自由度電動機である。
請求項２の発明は、請求項１において、球状ロータの半径をＲとしたときに、８０面体は、頂点数が４２個で、一辺が０．６１８Ｒ、残りの二辺が０．５４７Ｒの二等辺三角形が６０面と、０．６１８Ｒの正三角形が２０面とからなるものであることを特徴とする多自由度電動機である。
請求項３の発明は、請求項１または２において、ステータの電磁石は、
ｉ．正２０面体の各頂点Ａａ、
ｉｉ．前記頂点Ａａから、隣接する頂点Ａａ間の中点Ｂａに至る円弧の２／３の距離となる点Ｃ、
ｉｉｉ．前記ｉｉ．の点Ｃにより形成される正六角形の中心点を通る半径端の点Ｄ、
とをそれぞれ頂点Ａａ、Ｃ、Ｄとして形成される１８０面体の内球面の該各頂点位置Ａａ、Ｃ、Ｄに設けられることを特徴とする多自由度電動機である。
請求項４の発明は、請求項３において、ステータの内球面は、ステータの半径をＲａとしたときに、内接する一辺が０．４２４Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．４２４Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．３６７Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面とで形成された１８０面体で、頂点が９２個あるものであることを特徴とする多自由度電動機である。

請求項１または２の発明とすることにより、磁性突起が設けられる頂点数が４２個で、１２個の正多面体より多いものにできながら、隣接する磁性突起間の最大間隙比が１．１３０８（＝０．６１８Ｒ／０．５４７Ｒ）と、従来の１８０面体にしたものに比して小さいものにでき、これによって、多自由度電動機のコンパクト化を、円滑な三次元回転を確保しながら達成できることになる。
請求項３または４の発明とすることにより、球状ロータの磁性突起よりも数が多い電磁石を備えながら、半球としても隣接する電磁石間の最大間隙比が１．１５６３（＝０．４２４Ｒａ／０．３６７Ｒａ）と小さいものにできることになって、多自由度電動機のコンパクト化を図りながら、円滑な三次元回転を確保することができる。

次ぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図中、１は多自由度電動機であって、該電動機１は、球状のロータ２と該ロータ２の表面の半球部分に所定の間隔を存して対向配設される部分内球面形状をしたステータ３とを用いて構成されている。そしてロータ２には、表面に後述するように複数の磁性突起４が配設されていると共に、内部にはロータの三次元方向の回転制御に必要な各種の検知器（図示せず）が配設されている。また、ステータ３のロータ２に対向する内球面には、後述する複数の電磁石５が配設されていると共に、該電磁石５の励磁制御をするための制御部６が接続されている。
尚、ロータ２は、ステータ３に対して三次元方向に回動自在に支持されるが、その軸受としては例えば前記特許文献１、２に示されるガス軸受のような軸受けを介して支持できるものであるので、その詳細については省略する。また、制御部６によるロータ２の三次元方向の回動制御についても、特許文献１、２に示される制御手法のような手法を用いて制御できるので、その詳細については省略し、以降は、本発明の特徴である磁性突起４、電磁石５の配設位置の設定について詳細に説明する。

前記ロータ２は、図３に示すように８０面体構造となっているが、これは、図２に示す球Ｓに形成される頂点数１２個の正２０面体を基本にして形成されている。つまり前記８０面体は、正２０面体の頂点Ａ（図では○で表示）と、隣接する頂点Ａ同志を結ぶ前記球Ｓの円弧Ｅの中点Ｂ（図では□で表示）とがそれぞれ頂点Ａ、Ｂとなるようにして形成される面からなるものであり、そしてこのようにして構成される８０面体は、球Ｓの半径をＲとしたとき、全頂点数が４２個で、一つの頂点Ａと二つの頂点Ｂとからなり、一辺が０．６１８Ｒ、残りの二辺が０．５４７Ｒの二等辺三角形からなる面Ｆが６０面と、０．６１８Ｒの正三角形で、三つの頂点Ｂからなる面Ｇが２０面とからなる８０面体となる。そして前記４２個の各頂点Ａ、Ｂに磁性突起４がそれぞれ設けられることになる。尚、前記隣接する前記頂点Ａ同志を結ぶ各円弧は、球Ｓの中心を通る面の円周の円弧である。

一方、前記ステータ３については、図４に示すように１８０面体となるが、これを、図４（Ｙ）により説明すると、ここには、図３を用いて説明した８０面体と同じ手法により形成した８０面体が一点鎖線で示されているが、ここに記載される８０面体は半径Ｒａ（Ｒａ＞Ｒ）で、正２０面体の頂点Ａａ、隣接する頂点Ａａ同志を結ぶ円弧の中点Ｂａについてはその説明を省略する。
ｉ．頂点（正２０面体の頂点）Ａａ、
ｉｉ．頂点Ａａから頂点（隣接する頂点Ａ同志を結ぶ円弧の中点）Ｂａに至る円弧の２／３の距離となる点Ｃ（図では△で表示）、
ｉｉｉ．前記点Ｃにより描かれる正六角形の中心点を通る半径端Ｄ（図では☆で表示、三つの頂点Ｂで形成される正三角形の中心点を通る半径端）、をそれぞれ頂点Ａａ、Ｃ、Ｄとしてで形成される頂点数が９２個の１８０面体であり、この各頂点Ａａ、Ｃ、Ｄに電磁石５を配設することになる。つまりこのものは、頂点Ａａが中心になる状態で、該頂点Ａａに隣接する五個の頂点Ｃを結んで形成される正五角形の各頂点Ａａ、Ｃ間を結んで形成される都合５個の二等辺三角形の面Ｐ群（Ａａを頂点とし、五つの頂点Ｃを結んだ正五角形を底辺をする五角錐形状となる）と、頂点Ｄが中心になる状態で、該頂点Ｄに隣接する六個の頂点Ｃを結んで形成される正六角形の各頂点Ｃ、Ｄ間を結んで形成される都合六個の二等辺三角形の面Ｑ群（Ｄを頂点とし、六つの頂点Ｃを結んだ正六角形を底辺をする六角錐形状となる）とを組み合わせたものとなり、このように設定することで、ステータ３の内球面は、内接する一辺が０．４２４Ｒａ（Ｒａはステータ３の半径）、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．４２４Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．３６７Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面とで形成された１８０面体となっている。
尚、本実施の形態では、ステータ３は半球形状となっているので、全頂点数の半分の頂点を有するものとなり、この半分の頂点部分に電磁石５が配設される。

叙述のごとく構成された本発明の実施の形態において、ロータ２は、正２０面体の１２個の頂点Ａと、該各隣接する頂点Ａ間の円弧Ｅの中点Ｂとを頂点Ａ、Ｂとする頂点数４２、最大間隙比１．１３０８となる８０面体の該各頂点Ａ、Ｂに磁性突起４が設けられているため、正２０面体の頂点にのみ磁性突起を設けたものに比して磁性突起４の数が多くなってより円滑なロータ２の三次元方向の回転が得られる。しかもこのものは、磁性突起４が４２個設けられるものでありながら、最大間隙比が１．１３０８となって、前記従来の９２個も設けるものの最大間隙比（＝１．１７１４）より小さい値となるため、より円滑な回転制御が実行できる。

一方、ステータ３については、正２０面体の頂点Ａａと、該頂点Ａａから隣接する頂点Ａａ同志を結ぶ円弧の中点Ｂａに至る円弧の２／３の距離となる点Ｃと、前記点Ｃにより描かれる正六角形の中心点を通る半径端Ｄとが頂点となる１８０面体の該各頂点ＡａＣ、Ｄに電磁石５を設けた構造となるため、電磁石５は、前記磁性突起４の２倍ほどの密度で配されることになって、ロータ２のより円滑な三次元方向の回転が実行できる。しかも、この電磁石５の数は、前記従来の９２個の磁性突起を設けたものと同じ頂点数になっていて、コンパクトなステータ３とすることができるが、このステータ３の最大間隙比が１．１５６３とこれもまた前記従来のロータのものよりも小さいものになっているため、さらに円滑な三次元方向の回動の実現ができる。

このように、本発明が実施されたロータ２、ステータ３は、正２０面体の頂点Ａ、Ａａを基準として８０面体、１８０面体を形成し、これらの頂点Ａ、Ｂ、そしてＡａ、Ｃ、Ｄに磁性突起４、電磁石５を配したもので有るため、従来の９２個も磁性突起があるロータよりは磁性突起数を少なくしながら、最大間隙比をより小さいものにできたことになり、このようにすることで、多自由度電動機をコンパクトにしながら、より円滑な多自由度回動ができることになる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものでないことは勿論であって、図５に示す第二の実施の形態のようにすることもできる。まず、前述した多自由度電動機においては、駆動トルクは、電磁石５と磁性突起４との対向面積変化に応じて発生する一方で、磁性突起４が電磁石５と位置ズレして対向面積がゼロになる位置に位置する場合には殆ど発生せず、無効エリアＭ１となる。そして前記第一の実施の形態においては、電磁石５を円柱形状としたため、電磁石５の磁性突起４に対する対向面積がゼロになる無効エリアが発生するが、これを図６に黒塗り部分として示した。そこで第二の実施の形態では、電磁石５の形状を多角形とし、これによって磁性突起４が各ステータ極中心間の二等分線上を動いたときに対向面積がゼロになるところが生じないようにし、これによってロータ２の極配置を変えずに無効エリアＭ１よりも縮小した無効エリアＭ２とすることができ、この結果、本第二の実施の形態においては、磁性突起４と電磁石５とのあいだにおいて対向面積がゼロにならずに駆動トルクが発生する位置関係を増大させて出力アップを図ることができることになる。

多自由度電動機の概略断面図である。 正２０面体の斜視図である。 （Ｘ）は８０面体の斜視図、（Ｙ）は８０面体に正２０面体を重ねた斜視図である。 （Ｘ）は１８０面体の斜視図、（Ｙ）は１８０面体に８０面体を重ねた斜視図である。 第二の実施の形態のステータの斜視図である。 電磁石を円柱形状にした場合のステータの無効エリアを示す斜視図である。

符号の説明

１ 多自由度モータ
２ 球状ロータ
３ ステータ
４ 磁性突起
５ 電磁石
Ａ、Ｂ ８０面体の頂点
Ａａ、Ｃ、Ｄ １８０面体の頂点

Claims (4)

1. 内球面に複数の電磁石を有するステータと、複数の磁性突起を有する球面がステータに所定の間隔を存して対向し、前記ステータに対して三次元方向に回動自在に支持される球状ロータとを備えて構成される多自由度電動機において、球状ロータの磁性突起は、
   ｉ．正２０面体の各頂点Ａ、
   ｉｉ．隣接する前記頂点Ａ同志を結ぶ各円弧の中点Ｂ、
   とをそれぞれ頂点Ａ、Ｂとして形成される８０面体の該各頂点Ａ、Ｂ位置に設けられることを特徴とする多自由度電動機。
2. 請求項１において、球状ロータの半径をＲとしたときに、８０面体は、頂点数が４２個で、一辺が０．６１８Ｒ、残りの二辺が０．５４７Ｒの二等辺三角形が６０面と、０．６１８Ｒの正三角形が２０面とからなるものであることを特徴とする多自由度電動機。
3. 請求項１または２において、ステータの電磁石は、
   ｉ．正２０面体の各頂点Ａａ、
   ｉｉ．前記頂点Ａａから、隣接する頂点Ａａ間の中点Ｂａに至る円弧の２／３の距離となる点Ｃ、
   ｉｉｉ．前記ｉｉ．の点Ｃにより形成される正六角形の中心点を通る半径端の点Ｄ、とをそれぞれ頂点Ａａ、Ｃ、Ｄとして形成される１８０面体の内球面の該各頂点位置Ａａ、Ｃ、Ｄに設けられることを特徴とする多自由度電動機。
4. 請求項３において、ステータの内球面は、ステータの半径をＲａとしたときに、内接する一辺が０．４２４Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．４２４Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面と、一辺が０．３６７Ｒａ、残りの二辺が０．４２０Ｒａの二等辺三角形が６０面とで形成された１８０面体で、頂点が９２個あるものであることを特徴とする多自由度電動機。

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