JP2009100636A - 球面モータ - Google Patents

Abstract

【課題】他軸回転時の自軸のトルク減少問題を解消し、球面動作量を大きくすることができるとともに、容易な制御で脱調させることなく、球状ロータを高角加速度で球面動作させる球面モータを提供する。
【解決手段】表面に複数の永久磁石１１１を有する球状ロータ１００と、前記球状ロータ１００と一定の空隙を介して配置された複数の巻線を有するステータ２００とで構成される球面モータにおいて、前記球状ロータ１００とＸ軸の交点を中心Ｘとし、前記球状ロータ１００とＹ軸の交点を中心Ｙとしたとき、前記中心Ｘと前記中心Ｙを各々中心として、磁極ピッチ角λごとにＮ極とＳ極の磁束密度の波が形成されるように前記永久磁石１１１を波紋状に配置するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットやヒューマノイドロボットの首、肩、肘、膝などの関節部の駆動に使われる球面モータに関する。

駆動軸の先端が、垂直Ｚ軸からの倒れ角度θと水平Ｘ−Ｙ平面上の回転角度φとで表される球座標（θ、φ）の動作をする従来の球面モータとして、例えば、駆動軸が取り付いた球状ロータに永久磁石をＸ軸周りとＹ軸周りの外周に一定の磁極ピッチ角で配置させたもの（特許文献１、２参照）、永久磁石を碁盤目状に配置させたもの（特許文献３参照）、磁性材の突起を球状ロータの表面に内接する複数の三角形の各頂点に配置させたもの（特許文献４参照）がある。また、球座標（θ、φ）の回転動作をリンク機構で実現し、リンク機構の回転軸の一端に回転角検出手段を配置させたもの（特許文献５参照）がある。

図１５は特許文献１の従来技術を示す球面モータである。図において、１が球状ロータ、２が永久磁石、３がステータ、４が電磁石である。球面モータは、永久磁石２が表面に配置された球状ロータ１、電磁石４が配置されたステータ３から構成されている。永久磁石２は、球状ロータ１の外周４箇所に配置され、それぞれの位置において、上半球がＮ極、下半球がＳ極と２極になるように配置されている。電磁石４は、４箇所の永久磁石と対向した位置に配置され、それぞれの位置において、永久磁石２の磁極方向と同じ向きに５個並んで配置されている。また、図示していないが、球状ロータ１の内部には、球面軸受が配置され、球状ロータ１の球面動作が自在になっている。

このように構成された球面モータにおいて、電磁石４を順次励磁することで、球状ロータを球面動作させることができる。
特開２００３−３２４９３６号公報 特開昭６２−０８１９７０号公報 特開平４−２１２９８６号公報 特開平９−１６８２７５号公報 特開平４−０２９５５２号公報（第３〜４頁、図１）

従来の球面モータでは、例えば、球状ロータがＸ軸周りの回転を行うと、Ｙ軸周りのトルクを発生させる永久磁石が電磁石に対し傾くことなり、磁極ピッチが短くなるとともに、電磁石の横側に永久磁石がはみ出してしまった。その結果、次にＹ軸周りに回転させようとした場合、トルク減少にともなうトルク不足が生じ、回転動作させることができなくなった。回転動作量を大きくしようとすると、永久磁石と電磁石の傾きはますます大きくなり、上記した問題が顕著となり回転動作量を大きくすることができなかった。
この問題を解決するために、永久磁石や磁性材の突起といった磁極を碁盤目状に配置させたり、球状ロータの表面に内接する複数の三角形の各頂点に配置させたりするものがある。しかし、Ｘ軸周りの回転動作を行った場合、Ｙ軸周りのトルクを発生させる磁極位置がＸ軸周りの回転動作につられ変化した。つまり、球面動作を実現するには、他軸の動作に合わせ自軸の磁極位置を変化させる励磁制御が必要となり、球面動作制御が極めて複雑なものになった。
一方、回転角度を検出する手段を持ち合わせていないため、励磁制御はステッピングモータの定電流制御、もしくは、オープンループによる電流制御を行わなければならなかった。その結果、球状ロータが脱調するおそれがあった。磁極を突起で構成しリラクタンストルクによって回転トルクを得る構造のものは、磁極を磁石で構成し磁石トルクによって回転トルクを得るものに比べ、本質的に力率が悪く駆動アンプの容量が大きくなった。
これらの問題を解決するために、球座標（θ、φ）の回転動作を実現するリンク機構を持たせ、リンク機構の回転軸の一端に回転角検出手段を配置させるものがある。しかし、回転動作する部分に電磁石を配置させたり、リンク部分で負荷および自重を支える構造となっているため、球状ロータのイナーシャが極めて大きくなり、高角加速度の球面動作を実現することができなかった。
また、球面モータの組立を行う場合、固定子と可動子とのギャップを均一にして組み立てることが難しいといった問題が生じていた。すなわち、ステータに構成される巻線ユニットを取付けたあとにロータを挿入することが出来ない、また、ステータにロータを挿入したあとに、永久磁石をロータに取付けようとすると、一部の永久磁石が取付け出来ない個所がでるという問題も生じていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、他軸回転時の自軸のトルク減少問題を解消し、球面動作量を大きくすることができるとともに、容易な制御で脱調させることなく、球状ロータを高角加速度で球面動作させる球面モータと精度良い製造方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、表面に複数の永久磁石を有する球状ロータと、前記球状ロータと一定の空隙を介して配置された複数の巻線を有するステータとで構成される球面モータにおいて、前記球状ロータとＸ軸の交点を中心Ｘとし、前記球状ロータとＹ軸の交点を中心Ｙとしたとき、前記中心Ｘと前記中心Ｙを中心として、磁極ピッチ角λごとにＮ極とＳ極の磁束密度の波が形成されるように前記永久磁石を波紋状に配置したものである。
請求項２記載の発明は、前記中心Ｘと対向する位置にＹ軸周りの回転磁界を発生させる前記巻線ユニット、前記中心Ｙと対向する位置にＸ軸周りの回転磁界を発生させる前記巻線ユニットを配置して構成したものである。
また、請求項３記載の発明は、前記永久磁石の磁極ピッチ角λを
λ＝３６０／２ｎ （ｎは整数）
として構成したものである。
また、請求項４記載の発明は、前記永久磁石の形状を円柱として構成したものである。
また、請求項５記載の発明は、前記球状ロータが、前記永久磁石をはめ込む穴形状が波紋状に形成されたものである。
また、請求項６記載の発明は、前記巻線ユニットが、３相のコイルから構成されたものである。
また、請求項７記載の発明は、前記ステータに対し前記球状ロータを水平Ｘ−Ｙ平面のＸ軸周りとＹ軸周りの回転運動を自在にするリンク機構を設け、前記リンク機構にＸ軸周りとＹ軸周りの回転角度をそれぞれ検出する回転エンコーダを配置して構成したものである。
また、請求項８記載の発明は、前記球状ロータの内部に球面軸受を設けて構成したものである。
また、請求項９記載の発明は、前記球面軸受が、遊星球を備えた少なくとも３つの転動ユニットから構成され、かつ太陽球と磁気ヨークの間隙に配設され、前記太陽球と前記磁気ヨークのいずれか一方に固定されているものである。
また、請求項１０記載の発明は、前記太陽球が、前記球面軸受に支持されるように球面形状を形成するとともに、軸受脚に固定されるように平面部が形成されたものである。

請求項１、２および６記載の発明によると、永久磁石が波紋状に配置されているので、他軸の回転によって自軸の永久磁石の磁極ピッチや磁極位置が変化することがない。その結果、トルク減少の問題を解消することができ、ひいては、回転動作量の大きい球面動作を実現することができる。
請求項３記載の発明によると、永久磁石の磁極ピッチ角λを回転モータと同じように３６０／２ｎ、ｎは整数としているので、従来の回転モータ同様の電流制御で球面動作を容易に実現することができる。
請求項４および５記載の発明によると、永久磁石の形状を円柱としているので、波紋状に穴加工した磁石ヨークに、円柱の永久磁石をはめ込むことで永久磁石を精度良く波紋状に配置させることができるので、球状ロータを容易に組み立てることができる。
請求項７記載の発明によると、リンク機構にＸ軸周りとＹ軸周りの回転角度をそれぞれ検出する回転エンコーダを配置しているため、上記した請求項２記載の電流制御をフィードバック制御で実現することができ、球状ロータを脱調なしで球面動作させることができる。
請求項８から１０記載の発明によると、球状ロータの内部に球面軸受を設け、負荷と自重を球面軸受で支持する構成としているため、リンク機構を軽量化することができる。よって、イナーシャが大幅に低減され、球状ロータを高角加速度で球面動作させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１を示す球面モータの斜視図、図２は図１における水平Ｘ−Ｙ平面の断面図、図３は図１における垂直Ｚ−Ｘ平面の断面図である。なお、これら図において、座標軸は水平にＸ軸とＹ軸、これらと直交する垂直軸をＺ軸とし、Ｘ軸周りの回転をＴｘ、Ｙ軸周りの回転をＴｙ、球状ロータのＺ軸からの倒れ角をθ、水平Ｘ−Ｙ平面上の回転角をφと表記している。

図１〜３において、１００が球状ロータ、１０１が軸、１０２が軸１０１の軌跡、１０３がＴｘリンク、１０４がＴｙリンク、１１０が磁石ヨーク、１１１が永久磁石、２００がステータ、２０１がベース、２０２が脚、２０３がフランジ、２０４が巻線フレーム、２１１が巻線、３００が回転軸受、４００が回転エンコーダ、４１０が回転スケール、４１１が検出ヘッド、４１２がエンコーダカバーである。

球状ロータ１００は、球状の磁石ヨーク１１０、磁性材の磁石ヨーク１１０の表面に配置された永久磁石１１１、球状ヨークに串刺しにされた軸１０１から構成されている。軸１０１の上部と下部ではリング状のＴｘリンク１０３が取り付けられ、Ｔｘリンク１０３とＸ軸の交点で、回転軸受３００によりＸ軸周りの回転が自在になるようにＴｙリンク１０４に取り付けられている。Ｔｙリンク１０４は、同じくリング状に形成されており、Ｙ軸との交点で、回転軸受３００によりＹ軸周りの回転が自在になるように脚２０２に取り付けられている。脚２０２はベース２０１に取り付けられている。また、Ｔｘリンク１０３のＸ軸交点では、回転エンコーダ４００が配置されている。Ｔｘリンク１０３と直結した軸に回転スケール４１０が取り付けられ、Ｔｙリンク１０４に回転スケール４１０と空隙を介して検出ヘッド４１１とエンコーダカバー４１２が取り付けられている。同様に、Ｔｙリンク１０４のＹ軸交点箇所には、Ｔｙリンク１０４と直結した軸に回転スケール４１０が取り付けられ、フランジ２０３に検出ヘッド４１１とエンコーダカバー４１２が取り付けられている。フランジ２０３は脚２０２に取り付けられている。このように構成された球面モータの球状ロータ１００は、ステータ２００に対し、Ｘ軸周りとＹ軸周りの回転動作（Ｔｘ、Ｔｙ）をすることによって、軸が球面座標（θ、φ）の動作するようになっている。また、回転角度（Ｔｘ、Ｔｙ）は、それぞれの軸に取り付けられた回転スケール４０１の目盛を光学式の検出ヘッド４０２により読み取ることにより検出される。

次に、永久磁石と巻線の配置関係について図２と３、新たに図４〜６を用いて説明する。図４は球状ロータの永久磁石配置図、図５は回転角度（Ｔｘ、Ｔｙ）＝（０、０）時の永久磁石と巻線の配置関係図、図６は回転角度（Ｔｘ、Ｔｙ）＝（０、３０）時の永久磁石と巻線の配置関係図である。球状ロータ１００とＸ軸との交点を中心Ｘ、Ｙ軸との交点を中心Ｙとすると、永久磁石１１１は中心Ｘを囲む領域１２１（以下、中心Ｘ領域と呼ぶ）、中心Ｙを囲む領域１２２（以下、中心Ｙ領域と呼ぶ）の４領域に分かれて配置されている。図４はＹ軸方向から見た中心Ｙ領域１２２の永久磁石１１１の配置を示したものである。永久磁石１１１は、中心Ｙを中心として、磁極ピッチ角λごとにＮ極とＳ極の磁束密度の波が現れるように波紋状に配置されている。なお、１個の永久磁石１１１は円柱状に形成されており、円柱の上面と下面にＮ極とＳ極、もしくは、Ｓ極とＮ極となるように磁化されている。そして、磁石ヨーク１１０に予め波紋状の穴加工がされており、その穴に永久磁石１１１をはめ込むことで精度良く波紋状に配置するようにしている。また、磁束密度の波の山（Ｎ極）と谷（Ｎ極）の間隔である磁極ピッチ角λは１１．２５°（＝３６０／２ｎ、ｎ＝１６）となっている。全周に永久磁石１１１が配置されていれば、３２極で構成された回転モータとして考えることができる。このように波紋状に配置された永久磁石１１１は、中心Ｘ領域１２１と中心Ｙ領域１２２の４領域で同じように配置されている。一方、巻線２１１は、中心Ｘ領域１２１と中心Ｙ領域１２２に対向する４箇所において巻線フレーム２０４の内周側に配置されている。１箇所の巻線２１１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３個のコイルで構成され、３個のコイルは１５°間隔に配置されている。このように構成された巻線２１１は、永久磁石の磁極に合わせた位相に３相交流電流を通電することで、回転磁界を発生させることができる。この回転磁界の方向は、中心Ｘ領域に対向する巻線２１１がＹ軸周りの回転Ｔｙ方向、中心Ｙ領域に対向する巻線２１１がＸ軸周りの回転Ｔｘ方向となっている。そして、永久磁石１１１の磁界との作用により球状ロータ１００を回転動作させることができる。また、球状ロータ１００がＹ軸周りにＴｙ＝３０°傾いた位置にあるとき、中心Ｙ領域１２２の永久磁石１１１とそれと対向する巻線２１１の関係は図６のようになっている。図５と比較してわかるように、巻線２１１に対向する永久磁石１１１の磁極ピッチや磁極位置は変化しておらず、他軸の回転によって自軸の磁極ピッチや磁極位置が変化しないことを表している。よって、図６において、中心Ｙ領域１２２に対向する巻線２１１に同様に３相交流通電することで、球状ロータ１００をトルク不足なしにＸ軸周りの回転Ｔｘを実現することができる。なお、これら巻線２１１に３相交流通電するとき、回転エンコーダ４００で検出された回転角度（Ｔｘ、Ｔｙ）をもとに永久磁石１１１の磁極位置を計算し、その磁極に合った電流位相にて通電する。さらには、各回転方向の駆動制御は、３２極の回転モータと同様の電流制御によってなされる。

このような構成により、球状ロータの他軸回転時における自軸の永久磁石の磁極ピッチや磁極位置が変わることがない。その結果、トルクをまったく減少させることなく、大きな回転動作量を得ることができる。また、従来の回転モータ同様の電流制御により球面動作を容易に実現することができる。さらには、回転エンコーダを使用したフィードバック制御を実現することができ、球状ロータを脱調なしで球面動作させることができる。

次に、本実施例の球面モータの製造方法について図７から図１０を用いて説明する。図７において、ベース２０１の両端に脚２０２をねじ止め等により組み立てておく。また、巻線ユニット５は図８に示すように、複数個の巻線２１１、プレート６、絶縁シート７から構成される。複数個の巻線２１１は球状ロータ１の外表面に一定かつ均一の空隙を持つ同芯の球状に成形されている。プレート６は複数個の巻線２１１に接する面を、絶縁シート７を挟んだ状態で、複数個の巻線２１１と同芯の球状に、また、巻線フレーム２０４に当接する部分は巻線フレーム２０４の溝８に勘合する形状に加工されている。巻線ユニット５はプレート６に絶縁シート７を挟んで、複数個の巻線２１１に沿って接着したあと、球状ロータ１の外表面に一定かつ均一の空隙を持った球状に、樹脂モールドで覆うように成形されている。プレート６には複数個のタップが加工され、巻線フレーム２０４には、プレート６に加工された複数個のタップに対応した位置に穴が加工されている。
次に図９に示すように永久磁石３が取り付けられた球状ロータ１に巻線ユニット５を永久磁石３とプレート６間にはたらく磁気吸引力により固定された状態で、巻線フレーム２０４に挿入し、さらにＴｘリンク１０３に軸１０１を挿入して組み立てる。
組み立てられたＴｘリンク１０３は、図１０に示すように予め組み立てられた脚２０２と巻線フレーム２０４がねじ止め等により組み立てられる。
次に、図１１に示すように不図示の軸受を介してシャフトを巻線フレーム２０４およびＴｘリンク１０３に挿入する。最後にＴｙリンク１０４に不図示の軸受を介してシャフトを挿入し、図１２のように球面アクチュエータが組み立てられる。
尚、図１２に示したように巻線ユニット５が球状ロータ１と一体となって巻線フレーム２０４に挿入される際、巻線フレーム２０４には、巻線ユニット５と当接する溝８が形成されている。このようにすることで、巻線ユニット５は球状ロータ１に対して正確な位置に配置される。

次に第２の実施例について説明する。図１３は実施例２を示す球面モータの斜視図、図１４は図１における垂直Ｚ−Ｘ平面の断面図である。図１３、１４において、１５０は磁石ヨーク、１５１は軸、１５２は軸１５１の軌跡、１５３はＴｘリンク、１５４はＴｙリンク、２５１はベース、５００は球面軸受、５０１は太陽球、５０２は軸受脚、５０３が遊星球である。実施例２が実施例１と異なる点は、磁石ヨーク１５０の内部に球面軸受５００を設け、Ｔｘリンク１５３とＴｙリンク１５４を骨細とした点である。磁性ヨーク１５０の内部は球状にくり貫かれ、そのくり貫かれた部分に球面軸受５００が配置されている。磁石ヨークの上部には軸１５１が取り付けられ、下部は球面軸受５００の軸受脚５０２が通るように開口されている。軸受脚５０２は一端に太陽球５０１、もう一端にベース２５１が取り付けられている。球面軸受５００は、遊星球５０３と遊星球５０３を保持するリテーナ５０４からなる転動ユニット５０５を、太陽球５０１の外周面と磁性ヨーク１５０の内周面との間に、少なくとも全周３等分の位置（図８では全周４等分の位置）に配置され、遊星球５０３が転動することで、球状ロータ１００が球面動作できるように構成されている。このように、太陽球５０１は球面軸受５００に接する部分は球面形状が形成されており、軸受脚に取り付けられる部分は平面形状に形成されている。なお、実施例１と異なり、球面軸受５００が球状ロータ１００の自重や軸１５１に取り付く負荷を支持するようになっている。回転軸受３００は回転エンコーダの取り付けのみに使用される。そのため、Ｔｘリンク１５３とＴｙリンク１５４は実施例１に比べ骨細に形成され、大幅に軽量化されている。なお、永久磁石１１１や巻線２１１の配置については実施例１と同じである。

このような構成により、リンク機構のイナーシャが大幅に低減され、球状ロータを高角加速度で球面動作させることができる。

なお、実施例１および２では、巻線をコイルのみで構成するもので示したが、鉄心に巻線を巻回した構造であっても良い。また、永久磁石の形状は円柱状としたが、断面形状が楕円形や長方形であったり、また、磁極表面が円弧や弓状であったりしても良い。

本発明の実施例１を示す球面モータの斜視図 本発明の実施例１を示す球面モータの水平Ｘ―Ｙ平面断面図 本発明の実施例１を示す球面モータの垂直Ｚ−Ｘ平面断面図 本発明の実施例１を示す球状ロータの永久磁石配置図 本発明の実施例１を示す回転角度（０、０）時の永久磁石と巻線の配置関係図 本発明の実施例１を示す回転角度（Ｔｘ、Ｔｙ）＝（３０、０）時の永久磁石と巻線の配置関係図 本発明の実施例1の球面モータの脚部の組立図 本発明の実施例1の球面モータの巻線ユニットの組立図 本発明の実施例1の球面モータのＴｘリンクの組立図 本発明の実施例1の球面モータの巻線ユニットと脚部の組立図 本発明の実施例1の球面モータの巻線ユニットと脚部の組立図 本発明の実施例1の球面モータの上面図 本発明の実施例２を示す球面モータの斜視図 本発明の実施例２を示す球面モータの垂直Ｚ−Ｘ平面断面図 従来技術を示す球面モータの斜視図

符号の説明

１、１００ 球状ロータ
２、２００ ステータ
３、１１１ 永久磁石
４ 電磁石
５ 巻線ユニット
６ プレート
７ 絶縁シート
８ 溝
１０１、１５１ 軸
１０２、１５２ 軸の軌跡
１０３、１５３ Ｔｘリンク
１０４、１５４ Ｔｙリンク
１２１ 中心Ｘ領域
１２２ 中心Ｙ領域
２０１、２５１ ベース
２０２ 脚
２０３ フランジ
２０４ 巻線フレーム
２１１ 巻線
３００ 回転軸受
４００ 回転エンコーダ
４０１ 回転スケール
４０２ 検出ヘッド
４０３ エンコーダカバー
５００ 球面軸受
５０１ 太陽球
５０２ 軸受脚
５０３ 遊星球
５０４ リテーナ

Claims (10)

1. 表面に複数の永久磁石を有する球状ロータと、前記球状ロータと一定の空隙を介して配置された複数の巻線を有するステータとで構成される球面モータにおいて、
   前記球状ロータとＸ軸の交点を中心Ｘとし、前記球状ロータとＹ軸の交点を中心Ｙとしたとき、前記中心Ｘと前記中心Ｙを各々中心として、磁極ピッチ角λごとにＮ極とＳ極の磁束密度の波が形成されるように前記永久磁石を波紋状に配置することを特徴とする球面モータ。
2. 前記中心Ｘと対向する位置にＹ軸周りの回転磁界を発生させる前記巻線ユニット、前記中心Ｙと対向する位置にＸ軸周りの回転磁界を発生させる前記巻線ユニットを配置したことを特徴とする請求項１記載の球面モータ。
3. 前記永久磁石の磁極ピッチ角λを
   λ＝３６０／２ｎ （ｎは整数）
   としたことを特徴とする請求項１記載の球面モータ
4. 前記永久磁石の形状を円柱としたこと特徴とする請求項１記載の球面モータ。
5. 前記球状ロータは、前記永久磁石をはめ込む穴形状が波紋状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の球面モータ。
6. 前記巻線ユニットは、３相のコイルから構成されたことを特徴とする請求項２記載の球面モータ。
7. 前記ステータに対し前記球状ロータを水平Ｘ−Ｙ平面のＸ軸周りとＹ軸周りの回転運動を自在にするリンク機構を設け、
   前記リンク機構にＸ軸周りとＹ軸周りの回転角度をそれぞれ検出する回転エンコーダを配置したことを特徴とする請求項１記載の球面モータ。
8. 前記球状ロータの内部に球面軸受を設けたことを特徴とする請求項１記載の球面モータ。
9. 前記球面軸受は、遊星球を備えた少なくとも３つの転動ユニットが、太陽球と磁気ヨークの間隙に配設され、前記太陽球と前記磁気ヨークのいずれか一方に固定されていることを特徴とする請求項８記載の球面モータ。
10. 前記太陽球は、前記球面軸受に支持されるように球面形状を形成するとともに、軸受脚に固定されるように平面部が形成されたことを特徴とする請求項９記載の球面モータ。
    
    

Images