JP2012070522A - 球面モータ - Google Patents

Abstract

【課題】重量増加や寸法を犠牲にせずに磁気飽和が発生し難い構造の球面モータを提供する。
【解決手段】略球状の殻構造を有したステータ１０１と、その内側に配置され、ステータ１０１に対して相対的に回転可能な略球状のロータを備え、ステータ１０１の内面には、コイルが巻かれた磁極部材１０２が配置されている。磁極部材１０２は、この磁極１０２が配置された部分においてステータ１０１と重なる重畳部１０５を備え、その部分における磁気飽和を回避する構造とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルが巻かれる磁極の構造に特徴のある球面モータに関する。

内部が中空の球体状の構造（球殻構造）を有するステータと、その内側に配置された回転自在な球体状のロータを備えた球面モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。球面モータは、球殻構造のステータの内側で球状のロータが３自由度以上に回転可能な構造を有している。この構造の球面モータは、球殻構造のステータの内面に、球の中心方向に向かって延在する極歯が複数設けられ、この極歯にステータコイル（マグネットワイヤ）が巻かれている。他方で、ロータは、球体の表面に複数のマグネット（永久磁石）が埋め込まれている。

以下、球面モータの原理を簡単に説明する。まず、球面モータの中心を通る面で切断した切断面を考える。この場合、ロータの回転位置に応じて複数のステータコイルに流す励磁電流の向きを適宜切り替えることで、ロータ側のマグネットとステータ側の磁極との間で生じる磁力の向きが切り替わり、ロータが上記切断面に垂直な方向を軸として回転する。これは、１自由度のブラシレスモータと同じ原理である。磁極が球殻構造のステータの内面において均等な位置に配置されていれば、上記の切断断面は任意の位置で考えることができ、ロータは任意の方向を軸として回転可能となる。言い換えると、回転軸の方向を変更しての回転が可能となる。

特開２０１０−６００１１号公報

ところで、上述した球面モータのステータ側の磁極は、球の中心方向を向いた磁束を生成する。このため、球殻構造のステータは、その内面でラジアル方向に向かう磁束を受ける状態となる。ステータのこの部分は、磁束が磁極の中心から周囲に向かって放射状に広がる状態となる。このため、ステータにおける磁極に近い部分は磁束密度が高くなる。したがって、球殻構造のステータの厚みが薄いと、ステータの磁極付近の部分で磁気飽和が発生し易い。磁気飽和が発生すると、磁路の磁気抵抗が増大するので、モータの性能（駆動トルクや効率）が低下する。

この問題を解決する方法として、球殻構造のステータの厚みを厚くする方法が考えられる。しかしながら、球殻構造のステータの厚みを厚くすると、全体の重量が増加する問題が発生する。また、外形の寸法を大きくせずにステータの厚みを厚くした場合、ステータ内側の領域が減少する。この場合、ステータコイルを巻くスペースが犠牲となり、出力低下の要因となる。

このような背景において、本発明は、重量増加や寸法を犠牲にせずに磁気飽和が発生し難い構造の球面モータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、略球状の殻構造を有した外側部分と、前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分とを備え、前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、前記対向する面の一方には、複数の磁石が配置され、前記対向する面の他方は、コイルが巻かれた磁極部材が配置されると共に軟磁性材料により構成される磁極配置部を備え、前記磁極部材は、前記磁極配置部とラジアル方向で重なる重畳部を備えていることを特徴とする球面モータである。

本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータには、（１）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面にマグネットが配置されている形態、（２）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面にマグネットが配置され、ロータの外面に外方向（球中心から外を向く方向、「球中心の方向」とは反対方向）に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置されている形態、（３）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面にマグネットが配置されている形態、（４）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ステータの外面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの内面にマグネットが配置されている形態、（５）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、（６）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、が含まれる。

また、本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータは、ロータの回転角度範囲が制限されている形態であってもよい（勿論、制限なく繰り返し回転する形態であってよい）。また、ロータの回転が外部に出力されない形態であってもよい。また、対向する面の一方に配置された複数の磁石は、永久磁石であってもよいしコアにコイルを巻いた電磁石またはコアレスの（コイルのみからなる）電磁石であってもよい。

請求項１に記載の発明によれば、磁極部材の重畳部と磁極部材が取り付けられる部分（例えば、球殻構造を有するステータの殻構造の部分）とが重なるので、この部分において、軟磁性材料の厚みが厚くなる。このため、対向する磁石から磁極部材に流れ込む磁束および磁極部材に巻かれたコイルが生成する磁束のバックヨークとなる部分の磁路の断面積が確保され磁気抵抗が小さくなることにより、当該磁路における磁気飽和が生じ難い構造が得られる。この構造によれば、例えば、略球状の殻構造を有したステータ全体の厚みを厚くしなくても、対向する磁石から磁極部材に流れ込む磁束および磁極部材に巻かれたコイルが生成する磁束の磁気飽和が生じ難く、磁気飽和に起因する性能低下が少ない球面モータが得られる。また、磁気飽和対策のために略球状の殻構造を有したステータ全体の厚みを厚くしなくてもよいので、内側の寸法を犠牲にせずに磁気飽和のない軽量構造とできる。なお、ここでは、外側の球殻構造のステータ側に磁極部材が配置される場合を例に挙げ、発明を説明したが、磁極部材が内側の球体側に配置される形態も可能である。また、磁極部材がロータ側に配置される形態も可能である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁極配置部および前記重畳部は平坦な形状を有し、該平坦な形状の部分同士が重ねられていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、平坦な部分同士を重ねるので、球面状態同士を重ねるよりも寸法精度の確保が容易な部材作製ができ、隙間のないより確実な磁路を形成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記磁極部材は、コイルが巻かれるコイルコア部と、前記コイルコア部の先端に設けられ、傘状の形状に開いた面を有する突極面とを備え、前記突極面の中央には開口が設けられ、前記開口から非磁性材料により構成されるベアリングボールの一部が突出することで軸受機構が構成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、ステータに対するロータの回転自在な状態を維持する構造が、磁極部材を用いて構成される。このため、磁極の他にベアリングによる支持部を別に設けた軸受機構とする場合に比較して部品点数が削減され、また構造が簡素化される。このため、コスト削減や小型化に適した構造が得られる。また、磁界が発生する中心部、すなわち、磁気力が発生する中心部に軸受が設けられていることから、ロータが回転する際の安定性が向上する。また、ベアリングボールに非磁性な材料を用いることで、磁極が生成する磁束に磁極の中心に位置するベアリングボールが影響を与えない構造とできる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記コイルコア部は筒形状を有し、この筒形状の内側には、前記ベアリングボールを前記開口から突出させるための予圧を与えるバネ部材が収納されていることを特徴とする。このバネは、バネの力を磁石の吸引力と同一としたことを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、バネ部材の弾性により、ベアリングボールを突極面の中心から弾性的に突出させるので、ロータがステータに対して弾性的に、且つ、回転自在な状態で支持される構造が得られる。この構造によれば、ロータの円滑な回転が可能となる構造が提供される。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記磁極部材は、コイルコア部と、前記コイルが巻かれ、前記コイルからの配線が接続される端子を備える共に前記コイルコア部に装着されるコイルボビン部と、当該磁極部材を取り付ける対象部分を前記コイルコア部との間に挟んだ状態で前記コイルコア部と結合される結合部材とを備え、前記結合部材が前記重畳部として機能することを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、コイルを巻いたコイルボビン部をコイルコア部に通し、更にコイルコア部と結合部材とで、磁極部材を取り付ける対象部分（例えば、略球状の殻構造を有したステータの磁極が配置される部分）を挟んだ状態で、コイルボビンと結合部材とを結合させることで、コイルが巻回された磁極部材のステータまたはロータへの取り付けが行われる。この構成によれば、組立が簡単な構造が得られる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記コイルコア部には、螺子孔が設けられており、前記螺子孔を利用して前記コイルコア部と前記結合部材とが螺子により締結されていることを特徴とする。請求項６に記載の発明によれば、コイルコア部と結合部材を螺子で締結することで、コイルが巻回された磁極部材のステータまたはロータへの取り付けが行われる。この構成によれば、作業に特殊な治具を必要とせず、容易に組立が可能な構造が得られる。

請求項１に記載の発明によれば、重量増加や寸法を犠牲にせずに磁気飽和が発生し難い構造の球面モータが提供される。

請求項２に記載の発明によれば、より確実な重畳構造が得られ、また加工が容易で、製造し易い構造とできる。

請求項３に記載の発明によれば、簡素化された軸受機構が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、エアーの圧力を利用するような複雑で大掛かりな構造を利用せずにロータの弾性的な支持が行われる軸受機構が得られる。

請求項５および請求項６に記載の発明によれば、組立が用意な磁極部分の構造が提供される。

実施形態の球面モータの外観図（Ａ）とステータの内部構造図（Ｂ）である。 実施形態の球面モータのロータの分解図（Ａ）、内部構造図（Ｂ）、分解図（Ｃ）、外観図（Ｄ）である。 実施形態の球面モータのステータの内部構造図（Ａ）と外観図（Ｂ）である。 実施形態における磁極部材の分解図（Ａ）と外観図（Ｂ）である。 実施形態の球面モータのステータの外観図（Ａ）および（Ｂ）である。 実施形態における磁極部材の分解図である。 実施形態における磁極部材の分解図である。 実施形態の球面モータのステータの分解図である。 実施形態の球面モータの磁極部分の断面図である。 実施形態における磁極部材の分解断面図（Ａ）と分解斜視図（Ｂ）である。 実施形態における磁極部材の分解斜視図である。 実施形態における磁極部材の分解断面図（Ａ）と分解斜視図（Ｂ）である。 実施形態における磁極部材の分解斜視図である。 実施形態の球面モータの外観図である。 実施形態の球面モータの外観図（Ａ）、ステータの分解図（Ｂ）、ロータの分解図（Ｃ）、全体の分解図（Ｄ）である。 実施形態の球面モータの外観図（Ａ）、ステータの分解図（Ｂ）、ロータの分解図（Ｃ）、全体の分解図（Ｄ）である。 実施形態の球面モータの分解図（Ａ）、ロータの分解図（Ｂ）である。

（１）第１の実施形態
（構成）
まず、本発明を利用した球面モータの基本的な構造について説明する。ここでは、外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータ側の内面に磁極部材（突極（極歯ともいう））が球の中心の方向に突出している形態の球面モータの一例を説明する。図１（Ａ）には、球面モータ１００の外観が、図１（Ｂ）には、球面モータ１００の内部構造が示されている。球面モータ１００は、ステータ１０１を備えている。ステータ１０１は、軟磁性材料により構成される球状の殻構造（球殻構造）を有している。ステータ１０１には、複数の磁極部材１０２が配置されている。

磁極部材１０２は、軟磁性材料により構成されており、コイルコア部１０３、突極面１０４、重畳部１０５を備えている。コイルコア部１０３は、ステータ１０１の内面から球構造の中心に向かって延在する円柱状の構造を有し、外周にマグネットワイヤが巻かれることで、コイルのコアとして機能する。突極面１０４は、コイルコア部１０３の球中心の方向の先端の部分に設けられ、傘状に開いた構造を有している。突極面１０４は、後述する図２のロータに隙間を隔てて対向した位置に配置される。突極面１０４のロータに対向する面は、球状のロータの外面の形状に沿った球面の一部を構成する形状とされている。突極面１０４は、通常（円筒１軸型）のインナーロータ型ブラシレスモータにおけるロータ側突極の先端部分に相当する。

重畳部１０５は、コイルコア部１０３の根本の部分であり、球殻構造のステータ１０１と球面モータ１００におけるラジアル方向（球中心を基点とする放射方向）において重なる面状の構造を有している。この例では、ステータ１０１の重畳部１０５と重なる部分が磁極配置部となる。

図２には、図１のステータ１０１の内側に回転自在な状態で納められるロータの一例が示されている。図２には、ロータ１１０が示されている。ロータ１１０は、ステータ１０１の内側に納められ、ステータ１０１から隙間を隔てた状態で回転自在な状態とされる。ロータ１１０は、軟磁性材料で構成された内球部１１１、内球部１１１の表面に埋め込まれた複数のロータマグネット１１２、セラミックス等の非磁性材料により構成された外側を覆う外殻部１１３により構成されている。

（動作）
以下、球面モータ１００の基本的な動作の一例を簡単に説明する。例えば、図１のＸ軸方向を回転軸として、ロータ１１１を回転させる場合を説明する。まず、図１の符号１１５の線で切断した断面を考える。この場合、この切断面に含まれるステータ１０１側の磁極のコイルに通常のブラシレスモータと同様の励磁電流が流される。この際、該当するステータ１０１の磁極の切り替わりに応じて、これら磁極とロータ１１０側のロータマグネット１１２との間で磁気吸引力および磁気反発力が切り替わり、球状のロータ１１１がＸ軸を回転軸として回転する。そして、ステータ１０１で利用する磁極の組み合わせを変えることで、同様の原理により、Ｘ軸とは異なる任意の方向の軸を回転軸として、ロータ１１０を回転させることができる。また、利用するステータ１０１側の磁極の組み合わせを切り替えつつ、ロータ１１０を回転させることで、回転軸の方向を変えながら、ロータ１１０の回転を行うような制御も可能となる。

（優位性）
コイルコア部１０３に巻かれたコイルが作る磁束およびロータマグネット１１２から流れる磁束は、コイルコア部１０３の延在方向を軸とする磁場を生成する。この磁場は、ステータ１０１を構成する材料内部において、磁極の部分から周囲に放射状に広がるので、ステータ１０１の磁極付近（断面積が小さくなる部位）の磁束密度は高くなる。本実施形態では、ステータ１０１の磁極付近で重畳部１０５が重ねられ、上記磁極から放射状に周囲に広がる磁路の断面積（バックヨークして機能する部分の実質的な厚み）は重畳部１０５が存在しない場合に比較して大きくなっている。このため、ステータ１０１の磁極付近では磁気抵抗が小さくなり磁気飽和が生じ難い。またこの磁気飽和が生じ難い構造でありながら、重畳部１０５が配置されているのは、ステータ１０１全体の表面積に比較して限られた部分であるので、ステータ１０１全体の厚みを厚くする場合に比較して、重量の増加が抑えられる。また、ステータ１０１の磁気飽和を抑えるために、ステータ１０１の内側の空間を狭めなくてよい構造とできる。

（その他）
図１、図２に示す球面モータ１００では、ステータ１０１の内側でロータ１１０を回転自在な状態で保持する構造については図示省略されている。ステータ１０１の内側でロータ１１０を回転自在な状態で保持する構造は、後述する軸受機構（球面軸受）を利用することができる。

なお、球面モータ１００では、ロータ１１０の回転を外部に出力する構成が示されていない。ロータ１１０の回転を外部に出力する構成としては、例えば、ステータ１０１に開口を設け、この開口からロータ１１０に固定した出力軸を外部に突出させる構成が挙げられる。この場合、この開口の設けられた範囲において、出力軸が自在に動き、この出力軸が回転する構成が得られる。以下、この一例を説明する。

図１４には、球面モータ７００が示されている。球面モータ７００は、外側の球殻構造を有したステータ７０１、内側の円球状のロータ７０２、ロータ７０２の回転軸７０３を備えている。ステータ７０１には、円形状に切り取られた開口７０４が設けられ、そこから回転軸７０３が外部に出ている構造とされている。ロータ７０２が３自由度以上に回転することで、回転軸７０３は、この開口７０４が設けられた範囲（つまり円錐７０５の範囲）で動かすことができる。また、この範囲において、回転軸７０３を回転させることもできる。この球面モータは、例えば、ロボットの関節部分の駆動機構や３自由度以上に回転が必要とされる非接触センサの回転駆動に利用することができる。

また、球面モータ１００の用途としては、回転軸の向きを変えることが可能なスタビライザーのような形態を考えることもできる。この場合、出力軸をステータ１０１の外側に出す必要はない。ここで述べた球面モータに関する応用例は、以下に述べる全ての実施形態に適用が可能である。

（２）第２の実施形態
図３（Ａ）には、球面モータ２００の内部構造が示され、図３（Ｂ）には、球面モータ２００のステータ２０１の外観が示されている。球面モータ２００は、軟磁性材料により構成された略球状の殻構造を有するステータ２０１を有する。ステータ２０１は、その外周面に磁極配置部となる平坦部２０２が設けられている。そしてこの平坦部２０２の部分に開口２０３が設けられ、この開口２０３を利用してステータ側の磁極を構成する磁極部材２０４が取り付けられている。

図４（Ａ）には、磁極部材２０４が分解された状態が示され、図４（Ｂ）には、磁極部材２０４の外観が示されている。磁極部材２０４は、軟磁性材料により構成されており、突極面２０６と一体化された円筒形状のコイルコア部２０５を備えている。また、磁極部材２０４は、差込軸部２０８と一体化され、平たい円板形状を有する重畳部２０７を備えている。突極面２０６は、図１の突極面１０４と同じ構造を有している。コイルコア部２０５の中心には、孔部が設けられ、そこに差込軸部２０８を差し込むことで、コイルコア部２０５と重畳部２０７とが結合される。

この例では、図示省略されているが、図３（Ｂ）に示すステータ２０１は、半分に割ることができる構造（必ずしも２等分割でなくてもよい、また、２分割に限らず３分割以上であってもよい）とされている。そして、ステータ２０１を半分に割った状態で、図４（Ａ）の状態にあるコイルコア部２０５を、ステータ２０１の内側から開口２０３に差し込む。そして、ステータ２０１の外側から図４（Ａ）の状態にある重畳部２０７の差込軸部２０８を、開口２０３から露出したコイルコア部２０５の孔部に差し込み、重畳部２０７とコイルコア部２０５とを結合する。この際、接着剤を塗布し、重畳部２０７とコイルコア部２０５を互いに固定し、一体化する。こうして、図３（Ａ）に示すようにステータ２０１に磁極部材２０４を取り付けた状態を得る。

図３に示す構造では、ステータ２０１の平坦部２０２と重畳部２０７とがラジアル方向において重なる。この際、両者が重なって接触する部分が平面同士となる。このため、重畳部２０７の加工がより容易となるのに加えて、重畳部２０７とステータ２０１表面の平坦部２０２との接触状態を隙間のない良好な状態とできる。仮に、重畳部２０７とステータ２０１との間に隙間が生じると、その部分の磁気抵抗が増大するので、重畳部２０７を重ねることによる重畳構造としても、磁極部材２０４背後の磁路の磁気抵抗を下げる機能が低下する。図３に示す構造では、加工が容易であることに加えて、確実に磁極部材２０４背後の磁路の磁気抵抗を下げることができ、磁気飽和が生じ難い構造が得られる。

（３）第３の実施形態
図５（Ａ）には、球面モータ３００のステータ３０１の外観が示されている。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示す状態において、ステータ３０１に電極端子が付いた磁極部材３２０を取り付けた状態が示されている。なお、図示されていないが、ロータは図２に示すものが用いられる。

ステータ３０１は、図３のステータ２０１に電極端子部を通すための開口を設けた構造を有している。図５には、ステータ３０１が示されている。ステータ３０１は、円形の平坦部３０２を有し、その中心に磁極部材３２０を通すための開口３０３が設けられている。そして平坦部３０２の縁の部分に、磁極部材３２０と一体化された電極端子部３０４を内側から通すための矩形の開口３０５が設けられている。

図６には、磁極部材３２０を分解した状態が示されている。磁極部材３２０は、コイルコア部３０７、コイルボビン３１０、重畳部３１６を備えている。コイルコア部３０７は、軟磁性材料により構成され、同じく軟磁性材料により構成された突極面３０６と一体化されている。突極面３０６の反対側には、重畳部３１６と結合するための差込孔３０８が設けられている。

コイルボビン３１０は、樹脂等の非磁性な材料で構成され、コイル３０９が巻かれている。コイルボビン３１０の中央には、コイルコア部３０７が貫通する上下に貫通する開口３１１が設けられている。また、コイルボビン３１０には、コイル３０９の巻線の両端が接続された２本の電極端子３１３を支持する電極基部３１２が取り付けられている。なお、符号３１４が、後付される電極端子板である。重畳部３１６は、軟磁性材料により構成される平板形状の円板であり、差込孔３０８に差し込まれる差込軸部３１５と一体化されている。

以下、ステータ３０１に磁極部材３２０を取り付ける工程を説明する。なお、ステータ３０１は半分に割ることができる構造であるとする。まず、コイルボビン３１０にコイル３０９を巻き、巻線の両端を電極端子３１３に絡げ、半田付けにより固定する。次に、コイルコア部３０７にコイルボビン３１０を装着し、２分割した状態のステータ３０１の開口３０３の内側からコイルコア部３０７をステータ３０１に取り付ける。この際、コイルコア部３０７の差込孔３０８の部分が開口３０３から外側に露出し、更に電極端子３１３が開口３０５から外側に突出する。そして、ステータ３０１の外側から差込軸部３１５をコイルコア部３０７の差込孔３０８に差し込み、重畳部３１６をステータ３０１の平坦部３０２に押し付ける。そしてこの状態を接着剤によって固定する。

また、ステータコア３０１の外側に突出した電極端子部３０４に電極端子板３１４を取り付ける。これを全ての磁極部材において行い、さらに半割にされていたステータ３０１の内部に、図示しないロータを収める。そして、２分割されたステータ３０１を結合し、球体とする。こうして、図５（Ｂ）に示す状態を得る。

この態様によれば、磁極部材をステータに組み付けることで、コイルの取り付け、更にコイルへの配線を行うための端子も同時に取り付けられる。勿論、図３に示す態様と同様に重畳部の働きにより、磁気抵抗が下がり磁気飽和が生じ難い構造も得られる。

（変形例）
図７には、図６に示す磁極部材の結合構造の変形例が示されている。この例では、螺子により磁極部材の結合を行う。なお、ここで説明する構成は、螺子に接着剤を併用する方法や螺子を仮止め用とし、更に接着剤によって固定を行う方法に利用することもできる。

図７には、ステータの一部４０１が示されている。符号４０１によって示される部分は、図５に示すステータ３０１の一部である。ステータの一部４０１には、平坦部４０２が設けられている。平坦部４０２の中央には、開口４０３が設けられている。開口４０３の縁には、螺子を通すガイド４０４が設けられている。また、平坦部４０２の端の部分には、電極端子４２２が通る開口４０５が設けられている。

磁極部材４００は、突極面４１１と挿入部４１２を備えたコイルコア部４１０、コイル４２１が巻かれ、電極端子４２２を備えたコイルボビン４２０、重畳部として機能する結合部材４３０から構成されている。ここで、コイルコア部４１０と結合部材４３０は、軟磁性材料により構成されている。結合部材４３０には、挿入部４１２が挿入される開口４３１と螺子孔４３２が設けられている。

以下、組み立て手順の一例を説明する。まず、コイル４２１を巻いたコイルボビン４２０を用意し、それをコイルコア部４１２に装着する。次に、挿入部４１２を開口４０３に内側から通し、開口４０３の外側に挿入部４１２を突出させる。この状態で、コイルコア部４１０の縁（端部）の段差部分が平坦部４０２に接触する。

そして、開口４０３から外側に突出した挿入部４１２に、結合部材４３０の開口４３１を合わせ、開口４３１の内側に挿入部４１２を収容した状態とする。その後、螺子４４０を螺子孔４３２およびガイド４０４に通し、突極面４１１に設けられた雌螺子部４１３にねじ込み固定する。こうして、コイルコア部４１０端部の段差部分と結合部材４３０の端面との間にステータの一部である平坦部４０２が挟み込まれた状態で、螺子４４０によってコイルコア部４１０と結合部材４３０とが結合された状態が得られる。

（４）第４の実施形態
図８には、実施形態の球面モータのステータの一例が示されている。図８に示すステータは、図５に示すステータに軸受機構を加えた構成である。また、図８には、ステータ３０１が半割りされ、半割りステータ３０１ａと３０１ｂに分離された状態が示されている。なお、図８には、ロータは記載されていない。ロータは、図２に示すものを利用することができる。以下、図５と同じ部分については説明を省略し、図５と異なる部分について説明する。

この例で示す軸受機構は、球殻構造のステータがその内側において、球体状のロータを回転自在な状態で保持する機能を有する。図８には、軸受機構を構成する軸受機構部３３０が示されている。軸受機構部３３０は、球殻構造のステータの内周面に複数が配置されており、球中心の方向に突出した円筒部材３３１を備えている。円筒部材３３１の先端部分には、ベアリングボール３３２が保持されている。ベアリングボール３３２は、一部が僅かに突出し、回転自在な状態であり、且つ、球中心の方向にバネにより付勢された状態とされている。

符号３３３は、軸受機構部３３０の外側の構造部分であり、螺子３３４によって固定された蓋部３３５を備えている。蓋部３３５を外すと、図示しない開口部が現れ、その内部にベアリングボール３３２を押すバネが収められ、その先にベアリングボール３３２が収められている。軸受機構部３３０は、複数配置されており、複数の部分における点接触により、ステータ３０１の内側で図示しない球体状のロータ（例えば、図２に示すロータ１１０）を回転自在な状態で保持している。

（５）第５の実施形態
以下、ステータの磁極の部分を軸受機構として兼用する構造の一例を説明する。図９には、図５に示すステータ３０１に適用した磁極兼軸受機構部５００が示されている。図１０（Ａ）には、磁極兼軸受機構部５００を分解した断面図が示され、図１０（Ｂ）には、磁極兼軸受機構部５００を分解した斜視図が示されている。また、図１１には、磁極兼軸受機構部５００を分解した状態を別の角度から見た斜視図が示されている。

磁極兼軸受機構部５００は、ステータ側の磁極としての機能と軸受機構としての機能を備えている。以下、磁極兼軸受機構部５００について説明する。図１０、図１１には、コイルコア部５０１が示されている。コイルコア部５０１は、ロータ側に傘型に開き、ロータ側の面がロータの球面に合った曲面とされている突極面５０２を備えている。また、コイルコア部５０１の突極面５０２と反対側には、円筒形状の差込部５０３が設けられている。突極面５０２の中央には、円形の開口５０６が設けられている。開口５０６は、ベアリングボール５０５よりも径が小さく、突極面５０２からロータ側にベアリングボール５０５が僅かに突出することが可能な構造とされている。

コイルコア部５０１の内側は、開口５０４とされている。開口５０４は、開口５０６に繋がっている。開口５０４の内側には、非磁性材料により構成された押圧部材５０７が収められる。押圧部材５０７は、円錐内面構造を有する窪み５０８を備え、この窪み５０８に一部が外側に突出した形でベアリングボール５０５が収まる。ベアリングボール５０５は、磁極が生成する磁束に影響を与えないように非磁性で、且つ、硬度と強度を有する材料により構成されている。このような材質としては、セラミックス・樹脂・非磁性金属等の非磁性素材が挙げられる。

押圧部材５０７は、後述する止めピン５４０のピン５４１が挿入される挿入部５０９が設けられている。押圧部材５０７のベアリングボール５０５を保持する部分以外の部分は、縮径されており、その部分の外周にコイルバネ５１１が装着されている。コイルバネ５１１の端部は、相対的に外径が拡径した部分の段差部５１０に接触している。コイルバネ５１１が装着された状態の押圧部材５０７は、開口５０４に収められる。

符号５２２は、コイルボビンである。コイルボビン５２２には、コイル５２２が巻かれている。また、コイルボビン５２２は、コイルコア部５０１を内側に納めるための開口５２３を有している。

符号５４０は、押圧部材５０７を球中心の方向に向かって押さえるための押ピンである。押ピン５４０は、挿入部５０９に挿入されるピン５４１、コイルバネ５１１を押さえるフランジ部５４２を備えている。なお、フランジ部５４２は、開口５０４に収容される構造とされている。符号５３０は、コイルコア部５０１と結合され、磁路を形成するための重畳部として機能する結合部材である。結合部材５３０もコイルコア部５０１と同様に軟磁性材料により構成されている。結合部材５３０は、コイルコア部５０１の差込部５０３を収容する凹部５３１を備えている。

以下、磁極兼軸受機構部５００の部分を組み立てる手順の一例を説明する。まず、コイルバネ５１１を装着し、窪み５０８にベアリングボール５０５を保持した状態とした押圧部材５０７を、コイルコア部５０１の開口５０４に収める。次に、コイルコア部５０１の外側に、コイル５２１を巻いたコイルボビン５２２を装着する。この状態で差込部５０３をステータ３０１の内側から開口３０３（図５参照）に挿入し、開口３０３から外側に差込部５０３が突出した状態とする。この状態で、押しピン５４０のピン５４１を挿入部５０９に挿入し、更にフランジ部５４２によってコイルバネ５１１の端部を押さえる。そして、結合部材５３０の凹部５３１の内側に、コイルコア部５０１の差込部５０３が収容されるように、結合部材５３０をステータ３０１の外側から装着し、その状態を接着剤によって固定する。固定の方法としては、嵌入による方法も可能である。

こうして図９に示す状態を得る。図９に示す状態において、コイルコア部５０１の段差部５０１ａと結合部材５３０との間にステータ３０１の平坦部３０２が挟まれ、ステータ３０１に磁極兼軸受機構部５００が取り付けられた状態とされている。この構造では、結合部材５３０が重畳部として機能し、結合部材５３０と平坦部３０２が重なる部分で磁路の断面積が確保され、その部分での磁気飽和が生じ難い状態が得られる。また、磁極の中心から内側に突出したベアリングボール５０５は、コイルバネ５１１によって、ロータ１１０の方向（球の中心方向）に弾性力によって付勢されている。これにより、ステータ１０１内におけるロータ１１０の弾性的な保持が行われている。なお、図９に示す構成において、コイルコア部５０１の段差部５０１ａと結合部材５３０との結合を、図７に示すような螺子によって行う構成も可能である。

（変形例）
図１２および図１３に、図１０および図１１の変形例を示す。図１２（Ａ）には、磁極兼軸受機構部６００を分解した断面図が示され、図１２（Ｂ）には、磁極兼軸受機構部６００を分解した斜視図が示されている。また、図１３には、磁極兼軸受機構部６００を分解した状態を別の角度から見た斜視図が示されている。磁極兼軸受機構部６００における磁極兼軸受機構部５００と同じ符号の部分は、磁極兼軸受機構部５００に関連して説明した部分と同じである。以下、磁極兼軸受機構部６００における磁極兼軸受機構部５００と異なる部分について説明する。

図１２および図１３に示す磁極兼軸受機構部６００が、図１０および図１１に示す磁極兼軸受機構部５００と異なるのは、コイルコア部の構造である。図１２および図１３には、コイルコア部６０１が示されている。コイルコア部６０１は、ロータ側に傘型に開き、そのロータ側の面がロータの球面に合った曲面とされている突極面６０２を備えている。また、コイルコア部６０１の突極面６０２と反対側には、円筒形状の差込部６０３を備えている。また、差込部６０３から突極面６０２の中央に貫通する開口６０４が設けられている。この開口６０４には、円筒形状の筒部６０５が収納される。筒部６０５は、外側の端面が開放され、球中心側の端面に円形の開口６０６が設けられている。開口６０６は、ベアリングボール５０５よりも径が小さく、突極面６０２からロータ側にベアリングボール５０５が僅かに突出することが可能な構造とされている。この構造では、内側に押圧部材５０７を収納した筒部６０５が開口６０４内に収められ、コイルコア部６０１に筒部６０５が固定される。機能および他の構造は、磁極兼軸受機構部６００と同じである。

（６）その他の態様
（その他の態様１）
例えば、図１および図２に示す構造において、ロータとされているマグネットが配された内側の球体（内側部分）をステータとし、それに対して外側の球殻構造体（外側部分）が回転する形態も可能である。この場合、外側の球殻構造体への配線、および内側の球体を固定する構造が必要とされるため、回転する角度範囲が限定されるが、限定された角度範囲で３自由度以上の角度変位を行うモータとして機能させることができる。

（その他の態様２）
例えば、図１および図２に示す構造において、ロータとなる内側の球体にコイルが巻かれる磁極を複数配置し、ステータとなる外側の球殻構造体の内面にマグネットを配置した構造も可能である。ロータへの電力の供給は、配線による方法、電池による方法、電磁誘導による方法が可能である。例えば、配線により内側のロータへの給電を行う場合、配線の引き回しの関係でロータの回転する角度範囲が限定されるが、限定された角度範囲で３自由度以上の角度変位を行うモータとして機能させることができる。

（その他の態様３）
また、上記のその他の態様２において、ロータとステータの役割を入れ替えた構造も可能である。この場合、ステータとなる内側の球体にコイルが巻かれる磁極が複数配置され、ロータとなる外側の球殻構造体の内面にマグネットを配置した構造となる。この場合も内側のステータを固定して保持する構造が必要となるので、外側のロータの回転する角度範囲が限定されるが、限定された角度範囲で３自由度以上の角度変位を行うモータとして機能させることができる。この態様によれば、例えば、眼球を模したような動きを行う機構が可能となる。

以下、この態様の一例を説明する。図１５は、実施形態の球面モータの外観図（Ａ）、ステータの分解図（Ｂ）、ロータの分解図（Ｃ）、全体の分解図（Ｄ）である。図１５には、球面モータ７１０が示されている。

球面モータ７１０は、内側の球体状のステータ７１１と外側の球殻構造のロータ７１２を備えている。ステータ７１１は、球殻構造を有するステータカバー７１７を備えている。ステータカバー７１７は、半球状の殻構造を有するステータカバー構成部材７１７ａ、７１７ｂに２分割が可能とされている。ステータカバー７１７の内側には、球殻形状のステータ本体７１３が収められている。ステータ本体７１３の表面には、外方向（球中心から外を向く方向、「球中心の方向」とは反対方向）に延在し、先端が傘型に開いた構造の複数の磁極７１４が配置されている。各磁極７１４は、本発明の重畳構造を有し、ステータコイル７１５が巻かれている。ステータカバー７１７には、磁極７１４をロータ側に露出するための開口７１６が設けられている。

ロータ７１２は、半球状の殻構造を備えるロータヨーク７２１、７２２により構成されている。ロータヨーク７２１、７２２の内側には、永久磁石により構成される複数のロータマグネット７２３が配置されている。複数のステータコイル７１５に流す電流の向きの組み合わせを制御することで、ステータ側の複数の磁極７１４とロータ側のロータマグネット７２３との間で作用する磁気吸引力および磁気反発力が切り替わり、内側のステータ７１１に対して外側のロータ７１２が３自由度以上に回転する。この構造では、回転する範囲が制限される回転の向きも存在するが、ロータ７１２を例えば眼球のように動かすことができる。

なお、ロータ７１２を可動状態でステータ７１１に対して支持する軸受機構については、説明を省略したが、軸受機構は、本明細書中で開示した他の実施形態におけるものを採用することができる。

図１６には、図１５の構造の変形例が示されている。図１６には、球面モータ７３０が示されている。球面モータ７３０が、図１５の球面モータ７１０と異なるのは、ロータの構造である。以下、図１５の球面モータ７１０と同じ部分についての説明は省略し、図１５の球面モータ７１０と異なる部分について説明する。

球面モータ７３０は、半球状の殻構造を有するロータ７３１を備えている。ロータ７３１は、ロータ構成部材７３１ａと７３１ｂとに分離可能な構造とされている。ロータ構成部材７３１ａと７３１ｂの内側には、複数のロータマグネット７３２が配置されている。他は、図１５の球面モータ７１０と同じである。球面モータ７３０は、ロータ７３１が半球状に構成されていることから、ロータの移動範囲を容易に大きくすることができる。

（その他の態様４）
外側をステータ、内側をロータとした球面モータにおいて、両方に電磁石を配置した構造も可能である。例えば、図８に示すステータの構造は、内側に配置されるロータとして、その表面にマグネットを配置した構造（図２参照）のものを採用する場合の例として説明したが、図８に示すステータの構造で、内側に配置するロータとして、表面に電磁石を配置した構造のものを採用することも可能である。以下、この一例を説明する。

図１７には、球面モータ７４０が示されている。球面モータ７４０は、ステータ７０の内側にロータ７４１を３自由度以上に回転自在な状態で保持した構造を有している。ステータ７０は、半割ステータ７０ａおよび７０ｂ、その内側に配置される内側ステータカバー７１により構成されている。半割りステータ７０ａおよび７０ｂは、図８に示す半割りステータ３０１ａおよび３０１ｂにおいて、軸受機構部３３０を取り除いた構造を有している。内側ステータカバー７１は、非磁性材料により構成された殻構造を有する球体であり、その内側の面が、ロータ７４１側の軸受機構を構成するベアリングボール７４４に接触する。これにより、ロータ７４１が内側ステータカバー７１の内側で３自由度以上に回転可能な状態で保持される。

ロータ７４１は、ロータ本体７５０とロータカバー７４２により構成されている。ロータ本体７５０は、中心の球殻構造を有するロータヨーク７４６と、そこから外方向に延在し、先端が傘型に開いた構造の複数の磁極７４３を備えている。各磁極７４３は、本発明の重畳構造を有し、ロータコイル７４５が巻かれ、ロータコイル７４５からの引き出し線の端部が接続された給電用端子部７４７を備えている。また、各磁極７４３のステータへの対向面の中心には、図９〜図１１において説明した磁極兼軸受機構を利用した軸受機構が配置されている。図には、この軸受機構を構成するベアリングボール７４４が示されている。また、ステータカバー７４２には、磁極７４３のロータ側の対向面を露出するために開口７４８が設けられている。なお、説明は省略するが、ロータ７４１への電力の供給は、配線による方法、電池による方法、電磁誘導による方法が可能である。

この構成では、ステータおよびロータの両方の磁極が電磁石を用いているので、モータの出力に応じて、電磁石が生成する磁力を調整できる。このため、低出力条件から高出力条件まで、効率の良い動作を行わすことができる。

図１７に示す例では、外側（外側部分）をステータ、内側(内側部分)をロータとした球面モータの例を説明したが、同様な磁極の構造において、外側をロータ、内側をステータとした球面モータも可能である。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、球面モータに利用することができる。

１００…球面モータ、１０１…ステータ、１０２…磁極部材、１０３…コイルコア部、１０４…突極面、１０５…重畳部、１１０…ロータ、１１１…内球部、１１２…ロータマグネット、１１３…外殻部、２００…球面モータ、２０１…ステータ、２０２…平坦部、２０３…開口、２０４…磁極部材、２０５…コイルコア部、２０６…突極面、２０７…重畳部、２０８…差込軸部、３００…球面モータ、３０１…ステータ、３０１ａ…反割りステータ、３０１ｂ…反割りステータ、３０２…平坦部、３０３…開口、３０４…電極端子部、３０５…開口、３０６…突極面、３０７…コイルコア部、３０８…差込孔、３０９…コイル、３１０…コイルボビン、３１１…開口、３１２…電極基部、３１３…電極端子、３１４…電極端子板、３１５…差込軸部、３１６…重畳部、３２０…磁極部材、３３０…軸受機構部、３３１…円筒部材、３３２…ベアリングボール、３３３…軸受機構部の外側の構造部分、３３４…螺子、３３５…蓋部、３４０…内側ステータカバー部、４００…磁極部材、４０１…ステータの一部、４０２…平坦部、４０３…開口、４０４…ガイド、４０５…開口、４１０…コイルコア部、４１１…突極面、４１２…挿入部、４１３…雌螺子部、４２０…コイルボビン、４２１…コイル、４２２…電極端子、４３０…結合部材、４３１…開口、４３２…螺子孔、４４０…螺子、５００…磁極兼軸受機構部、５０１…コイルコア部、５０１ａ…段差部、５０２…突極面、５０３…差込部、５０４…開口、５０５…ベアリングボール、５０６…開口、５０７…押圧部材、５０８…窪み、５０９…挿入部、５１０…段差部、５１１…コイルバネ、５２１…コイル、５２２…コイルボビン、５２３…開口、５３０…結合部材、５３１…凹部、５４０…押ピン、５４１…ピン、５４２…フランジ部、６０１…コイルコア部、６０２…突極面、６０３…差込部、６０４…開口、６０５…筒部、６０６…開口、７００…球面モータ、７０１…ステータ、７０２…ロータ、７０３…回転軸、７０４…開口、７０５…回転軸７０３が動く範囲、７１０…球面モータ、７１１…ステータ、７１２…ロータ、７１３…ステータ本体、７１４…磁極、７１５…コイル、７１６…開口、７１７…ステータカバー、７１７ａ、７１７ｂ…ステータカバー構成部材、７２１、７２２…ロータヨーク、７２３…ロータマグネット、７３１…ロータ、７３１ａ、７３１ｂ…ロータ構成部材、７３２…ロータマグネット、７４０…球面モータ、７０…ステータ、７０ａ、７０ｂ…反割りステータ、７１…内側ステータカバー７１、７４１…ロータ、７４２…ロータカバー、７４３…磁極、７４４…ベアリングボール、７４５…ロータコイル、７４６…ロータヨーク、７４７…給電用端子部、７４８…開口、７５０…ロータ本体。

Claims (6)

1. 略球状の殻構造を有した外側部分と、
   前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分と
   を備え、
   前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、
   前記対向する面の一方には、複数の磁石が配置され、
   前記対向する面の他方は、コイルが巻かれた磁極部材が配置されると共に軟磁性材料により構成される磁極配置部を備え、
   前記磁極部材は、前記磁極配置部とラジアル方向で重なる重畳部を備えていることを特徴とする球面モータ。
2. 前記磁極配置部および前記重畳部は平坦な形状を有し、該平坦な形状の部分同士が重ねられていることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
3. 前記磁極部材は、
   コイルが巻かれるコイルコア部と、
   前記コイルコア部の先端に設けられ、傘状の形状に開いた面を有する突極面と
   を備え、
   前記突極面の中央には開口が設けられ、
   前記開口から非磁性材料により構成されるベアリングボールの一部が突出することで軸受機構が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の球面モータ。
4. 前記コイルコア部は筒形状を有し、
   この筒形状の内側には、前記ベアリングボールを前記開口から突出させるための予圧を与えるバネ部材が収納されていることを特徴とする請求項３に記載の球面モータ。
5. 前記磁極部材は、
   コイルコア部と、
   前記コイルが巻かれ、前記コイルからの配線が接続される端子を備える共に前記コイルコア部に装着されるコイルボビン部と、
   当該磁極部材を取り付ける対象部分を前記コイルコア部との間に挟んだ状態で前記コイルコア部と結合される結合部材と
   を備え、
   前記結合部材が前記重畳部として機能することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の球面モータ。
6. 前記コイルコア部には、螺子孔が設けられており、
   前記螺子孔を利用して前記コイルコア部と前記結合部材とが螺子により締結されていることを特徴とする請求項５に記載の球面モータ。

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