JP2012070524A - 球面モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マグネットの破損や磨耗が回避され、且つ、生産を行い易い構造を備えた球面モータを提供することを目的とする。
【解決手段】球面モータのロータ１１０を構成する内球部１１１に陥没形状部１１４が形成され、そこに感圧接着剤によりロータマグネット１１２が取り付けられている。内球部１１１に取り付けられたロータマグネットの外側を覆って、カバー部を構成する外殻部１１３が取り付けられている。この外殻部１１３の外面にステータ側に配置された接触部のベアリングボールが接触し、ロータ１１０が回転可能な構造とされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータとロータの対向面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軸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では、外側のステータの内面でロータが回転可能な状態で保持される構造が必要とされる。他方で、ロータ表面には、マグネットを配する必要があるが、ロータの回転時にマグネットがステータ内面側と接触する構造は、マグネットの破損や磨耗を招くので好ましくない。特許文献１には、マグネットがロータの表面近くに埋め込まれた構造が開示されているが、具体的にどのような構造により、そのような構成を実現しているかは明確にされていない。このような背景において、本発明は、マグネットの破損や磨耗が回避され、且つ、生産を行い易い構造を備えた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、前記外側部分の内側または前記内側部分の外側の少なくとも一部を覆う平滑面を有する略球状の殻構造を有するカバー部と、前記外側部分の内面または前記内側部分の外面に設けられ、前記カバー部の前記平滑面に相対的に移動な可能な状態で接触する複数の接触部とを備え、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、複数のマグネットが配置され、前記対向する面の他方は、マグネットワイヤが巻かれた磁極部材が配置されていることを特徴とする球面モータである。

請求項１に記載の発明によれば、カバー部が接触部と接触することで、外側部分と内側部分とが相対的に回転する状態が確保される。このため、接触部（例えばセラミック製ベアリングボール）に対する接触によりマグネットの破損や磨耗が生じることがない構造とできる。また、カバー部を配置することで、回転に必要な平滑面が確保され、研磨等によって改めて平滑面を形成する工程を必要としない。このため、高い生産性を有した球面モータを得ることができる。

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、前記内側部分は、軟磁性材料により構成されると共に前記複数のマグネットを配置するための陥没した形状を有する複数の陥没形状部を備え、前記複数の陥没形状部のそれぞれには、前記複数のマグネットのそれぞれが嵌め込まれた状態で固定され、前記カバー部は、前記複数のマグネットに接触した状態でその外側を覆い、前記複数の接触部は、前記外側部分の内面に配置され、前記カバー部の外面に接触することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、略球状を有する内側部分の外面にマグネットを嵌め込む陥没形状部を設け、そこにマグネットを嵌め込む構造とするので、マグネットの位置決めが容易で、また取り付けが行い易い構造とできる。また、外側のカバー部によって内側部分に配置されたマグネットが保持され、且つ、保護されるので、マグネットが遠心力によって内側部分から脱落し難い構造とできる。特にカバー部の外面が接触部に接触する走行面となるので、マグネットに無理な力が加わることがない構造とでき、例えばセラミック製ベアリングボールとの接触によるマグネットの破損、割れ、磨耗といった不都合が生じない構造とできる。

請求項３に記載は、請求項２に記載の発明において、前記複数の陥没形状部のそれぞれにおいて、前記複数のマグネットのそれぞれが感圧接着剤によって接着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、球状の外面を有する内側部分へのマグネットの固定において、マグネットと軟磁性材料により構成される内側部分との間に作用する磁気吸引力によって感圧接着剤の接着力を発現させ、陥没形状部へのマグネットの固定が行われる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記外側部分に対して前記内側部分が相対的に回転した際に、前記外側部分と前記内側部分との間に発生する動圧により、前記外側部分と前記内側部分とが非接触な状態となることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、内側部分に対する外側部分の相対的な回転において、両者の間に動圧が発生し、両者が接触しない状態での回転が行われる。

請求項１に記載の発明によれば、マグネットの破損や磨耗が回避され、且つ、生産を行い易い構造を備えた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、マグネットの取り付けが行い易く、またその位置決めが正確に行われる構造とできる。

請求項３に記載の発明によれば、マグネットの取り付け作業を容易にできる。

請求項４に記載の発明によれば、ロータとステータとが接触した状態で回転する場合に比較して、動作音の発生を抑えることができる。

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ステータの外観図（Ａ）と球面モータの断面図（Ｂ）、軸受機構の詳細図（Ｃ）である。 実施形態の球面モータのロータの分解斜視図（Ａ）と外観図（Ｂ）である。 実施形態の球面モータのロータの外観図（Ａ）、ステータの分解斜視図（Ｂ）および軸受機構の詳細図（Ｃ）である。 実施形態の分解斜視図（Ａ）とステータの分解斜視図（Ｂ）である。 実施形態の分解斜視図（Ａ）とロータの分解斜視図（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により構成されている。また、ロータ１１０の外面は、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中空形状の外殻部１１３により覆われている。

内球部１１１は、ロータコア（バックヨーク）として機能するもので、軟磁性材料により構成された球状構造を有している。内球部１１１は、重量の軽減を図るために、バックヨークとして機能する程度の厚みを有する中空球構造とされている。勿論、中空でない構造とすることも可能である。内球部１１１の外面には、ロータマグネット１１２を取り付けるための陥没した窪んだ形状を有する陥没形状部１１４が設けられている。この陥没形状部１１４の窪んだ部分にロータマグネット１１２が嵌め込まれ、感圧接着剤によって固定されている。ロータマグネット１１２は、マグネットであり、上述したステータ側の磁極と対となるロータ側の磁極を構成する。

以下、陥没形状部１１４にロータマグネット１１２を取り付ける工程の一例を説明する。まずロータマグネット１１２の陥没形状部１１４に接触する部分に感圧接着剤を配置する。感圧接着剤は、圧力を加えると接着力を発現する接着剤であり、例えば両面テープに添付されている感圧接着剤「３Ｍ社スコッチライト（登録商標）８８５０」を用いることができる。なお、感圧接着剤は、陥没形状部１１４の陥没した内側に配置、あるいはロータマグネット１１２と陥没形状部１１４の両方に配置してもよい。

ロータマグネット１１２に感圧接着剤を配置したら、ロータマグネット１１２を陥没形状部１１４に取り付ける。この際、軟磁性材料である内球部１１１とロータマグネット１１２との間で磁気吸引力が生じ、この磁気吸引力によって接着部分が加圧される。加圧により、感圧接着剤の接着力が発現し、陥没形状部１１４にロータマグネット１１２が固定される。こうして図２（Ｂ）に示すロータコアとマグネットの固着状態となる。

外殻部１１３は、カバー部を構成するもので、その表面は、後述するステータ側のベアリングボールと接触し、外側のステータに対するロータ１１０の回転に際する走行面として機能する。この機能を得るために、外殻部１１３の表面は、上記ベアリングボールとの接触が滑らかになるように、平滑化されている。この外殻部１１３の外側表面を平滑化する方法としては、成形や鍛金による方法が挙げられる。また、外殻部１１３の表面には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が成膜されており、ステータ側のベアリングボールとの接触に対する耐摩耗性および潤滑性が確保されている。なお、外殻部１１３を構成する材料としては、セラミックスの他に樹脂や非磁性の金属材料を用いることも可能である。

図２（Ｃ）に示すように、外殻部１１３は、取り付け前の状態において、２分割されている。図２（Ｃ）→図２（Ｄ）に示す段階を経て、ロータ１１０への外殻部１１３の取り付けが行われるが、この際、外殻部１１３の内面がロータマグネット１１２に接触する構造とされる。つまり、外殻部１１３によって外側が覆われた構造において、外殻部１１３の内面によってロータマグネット１１２が外側から押さえつけられた構造とされている。なお、この例では、ロータ１１０への外殻部１１３の固定は、接着剤によって行われている。

（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１１０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。

（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。

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、接着剤を配置し、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。

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。

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。

（球面モータに搭載した軸受機構に係る構成の一例）
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（球面軸受）を加えた構成である。また、図８には、ステータ３０１が半割され、半割ステータ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に示すものが利用されている。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。また、図１５には、軸受機構の部分の構造を把握し易くするために、図８に示すステータ３０１において、軸受機構の部分のみを記載し、他の部分の記載を省略した状態が示されている。

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および図１５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３０１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、球中心の方向にコイルバネ３３６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、開口部３３７が現れ、その内部に押圧部材３３８を介してベアリングボール３３２を押すコイルバネ３３６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ベアリングボール３３２とロータ１１０の外殻部１１３との点接触により、ステータ３０１の内側で球体状のロータ１１０（図２参照）を３自由度以上の回転自在な状態で保持する構造が得られている。

以下、ステータの磁極の部分を軸受機構部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材料が挙げられる。

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。

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。

（実施形態の優位性）
図８に示す構造において、ステータ３０１の内側に図２に示すロータ１００が保持される。この構造では、ベアリングボール３３２と図２の外殻部１１３の外面が点接触し、ロータ１１０がステータ３０１に対して自在に回転できる。この際、ロータマグネット１１２（図２参照）は外殻部１１３の内側に位置し、ベアリングボール３３２と接触しないので、ベアリングボール３３２との接触によるロータマグネット１１２の破損が防止される。また、ベアリングボール３３２が接触するロータ１１０側の外面すなわち外殻部１１３の外面は、段差等のない滑らかな面（平滑面）とすることが容易であるので、ロータ１１０のスムーズな回転が確保される構造とできる。

また、外殻部１１３によって、ロータマグネット１１２が外側から押さえ込まれる構造となるので、遠心力によるロータマグネット１１２の内球部１１１からの脱落や緩みが防止され、安定性の高い構造が得られる。

また、図２に示すように、陥没形状部１１４に嵌め込む形でロータマグネット１１２の内球部１１１への取り付けが行われるので、取り付け作業時におけるロータマグネット１１２の位置決めが容易となる。このため、ロータマグネット１１２の内球部１１１への取り付け作業時の作業性が高くなり、また製造後におけるロータマグネット１１２の位置決め精度を高くできる。また、通常は、軟磁性材料である内球部１１１へのロータマグネットの取り付けには、位置決め作業に専用の治具を用いる等の手間がかかるが、図２の構造によれば、この手間が軽減される。

また、陥没形状部１１４へのロータマグネット１１２の固定を行う際に、感圧接着剤を用い、内球部１１１とロータマグネット１１２との間で作用する磁気吸引力を利用して、接着効果を発揮させるので、内球部１１１へのロータマグネット１１２の取り付け作業が通常の接着剤を用いた場合に比較して容易となる。

（その他の態様）
図１６には、図２に示すロータ１１０とは構成が異なるロータの例が示されている。図１６には、ロータ６１０が示されている。ロータ６１０の外側は、カバー部として機能する外殻部６１１により覆われている。外殻部６１１は、半割り構造の外殻部構成部材６１１ａと６１１ｂとにより構成されている。外殻部６１１の内側には、ロータ６１０が納められている。ロータ６１０は、軟磁性材料により構成され、半割り構造とされたロータ構成部材６１２ａおよび６１２ｂにより構成されている。

ロータ構成部材６１２ａには、円環部６１３および陥没形状部６１４が設けられている。円環部６１３は、外殻部構成部材６１１ａの内周に接触し、外殻部６１１に対するロータ６１０の位置決めを行うと共に、両者の密着性を確保し、その一体性を確保する役割を果たす。陥没形状部６１４は、ロータマグネット６１５が取り付けられる窪みである。また、ロータ構成部材６１２ａは、突起部６１６を備えている。突起部６１６は、外殻構成部材６１１ａに設けられた位置決め用開口部６１７に嵌り、外殻部６１１に対するロータ６１０の位置を決める機能を有する。ここで、ロータ構成部材６１２ａについて説明したが、同様な構造は、ロータ構成部材６１２ｂにおいても同じである。また、図示されていないが、外殻部構成部材６１１ｂにもロータ６１０が備える突起部が嵌る位置決め用開口部が設けられている。

図１６に示すロータの構造によれば、組立時において、カバー部となる外殻部６１１とその内側のロータ６１０との位置関係の精度を確保することが容易であり、またガタのない構造とすることができる。このため、回転時の重量バランスの崩れや、それに起因する振動の発生が抑えられた球面モータを得ることができる。

図１７には、図１及び図２に示す基本構造を有する球面モータにおいて、内側のロータ側に軸受機構を構成するベアリングボールを配置した構造の一例が示されている。図１７（Ａ）には、ロータ６２０が示されている。ロータ６２０は、軟磁性材料により構成されるロータコアとなる内球部６２１を備えている。内球部６２１には、図２に示す陥没形状部が設けられ、それを利用して感圧接着剤を用いた方法によりロータマグネット６２２が取り付けられている。また、内球部６２１は、その外面に複数の軸受機構部６２３を備えている。

図１７（Ｃ）には、軸受機構部６２３を内球部６２１から取り外した状態の詳細が示されている。軸受機構部６２３は、円筒形状の外筒部６２４、その内側に納められ、押圧部材６２６を介してベアリングボール６２７を外方向（後述する半球殻部６３０により構成される球殻構造を有したカバー部の内面の方向）に押すコイルバネ６２５を備えている。なお、内球部６２１は、内部が中空の殻構造を有し、半分に分割することが可能な構造とされている。そして、殻構造の内球部６２１に螺子６２８によって軸受機構部６２３が取り付けられている。

図１７（Ｂ）には、外側のステータの下半分を構成する半割ステータ６２９が図示されている。半割ステータ６２９は、図８に示す半割ステータ３０１ｂにおいて、軸受機構部３３０および軸受機構部の外側の構造部分３３３を供えていない構造を有している。半割ステータ６２９の内側には、カバー部を構成する半球殻部６３０が配置される。半球殻部６３０は、非磁性材料（セラミックス・樹脂・非磁性金属等）によって構成され、その内側にロータ６２０が納められる。図示されていないが、カバー部は、２つの半球殻部（その一つが符号６３０により示されている）により構成され、内面がベアリングボール６２７の走行面となる球殻構造を有している。

半球殻部６３０の内側にロータ６２０が納められた状態において、ロータ６２０側に配置されたベアリングボール６２７が半球殻部６３０の内面に接触する。これにより、ステータ側に取り付けられた半球殻部６３０内におけるロータ６２０の３自由度以上回転が可能な構造が得られる。なお、図１７では図示省略されているが、半割ステータ６２９と組となる上側の半割ステータが、半割ステータ６２９と組み合わされてステータが構成される。この上側の半割ステータは、図８に示す半割ステータ３０１ａにおいて、軸受機構部３３０および軸受機構部３３０の外側の構造部分３３３を供えていない構造を有している。

図１８には、球面モータ６４０が示されている。球面モータ６４０は、図１７に示す構成において、ステータ側に配置されたカバー部にステータ側の突極面が露出する開口部を設け、突極面によりカバー部の内面の一部を構成した構造を有している。球面モータ６４０は、外側のステータを構成する半割ステータ６４１と６４２、その内側に収められる図１７のロータ６２０を備えている。半割ステータ６４１は、図８に示す半割ステータ３０１ａにおいて、軸受機構部３３０および軸受機構部の外側の構造部分３３３を供えていない構造を有している。また、半割ステータ６４２は、図８に示す半割ステータ３０１ｂにおいて、軸受機構部３３０および軸受機構部の外側の構造部分３３３を供えていない構造を有している。

図１８（Ｂ）には、半割ステータ６４２に磁極部６４４が取り付けられた状態が示されている。磁極部６４４は、図１０に示す構造において、ベアリングボール５０５およびそれに関連する構成を備えていない構造を有している。半割ステータ６４２の内側には、カバー部として機能する半球殻部６４３が配置されている。半球殻部６４３は、磁極部５００の突極面６４５がその内面の一部を構成するように、開口が設けられ、そこに突極面６４５が嵌る構造を有している。なお、図示省略されているが、半割ステータ６４１も半割ステータ６４２と同様にカバー部として機能する半球殻部を備えている。

図１８の示す構造によれば、ロータ６２０のロータマグネット６２２に突極面６４５をより近付けることができる。

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。

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１９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７１０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７１０は、半割ステータ７１０ａおよび７１０ｂ、その内側に配置されるカバー部として機能する半球殻部７２０により構成されている。なお、図示されていないが、半割ステータ７１０ａの内側にも半球殻部７２０と組となる半球殻部が配置されている。半割ステータ７１０ａおよび７１０ｂは、図８に示す半割ステータ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。半球殻部７２０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が半球殻部７２０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、電磁石が生成する磁力の出力に応じて、モータ出力を調整できる。このため、永久磁石搭載では困難とされていた低出力条件から高出力条件まで、高効率動作を実現できる。

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。

２．第２の実施形態
図１７に示す構成において、半球殻部６３０およびこの半球殻部６３０と対となる図示しないもう一つの半球殻部とで構成される球殻状のカバー部の内側にオイル、空気、磁性流体等の流体を満たした構造とする。また、ベアリングボール６２７の位置を調整し、ロータ６２０の中心とカバー部（その半分の部分が半球殻部６３０により示されている）の中心とを一致させた際に、ベアリングボール６２７がカバー部の内面から離れる位置関係となるようにされている。また、カバー部の内面に、動圧の発生を促す動圧溝の形成や粗面化を行う加工が施されている。

この構成によれば、ロータ６２０が回転していない状態では、ロータ６２０の下面側のベアリングボールがカバー部（この場合は、主に半球殻部６３０）の内面に接触する。そして、ロータ６２０が回転すると、カバー部との間で動圧が発生し、ロータ６２０がカバー部から離れ、カバー部の内側で浮いた状態となり、カバー部に対して非接触な状態で回転する。この構成によれば、ロータ６２０の回転時にベアリングボール６２７とカバー部とが接触しないので、摩擦音が発生せず動作音が静かになる。

この動圧を用いて、動作時にロータとステータとを非接触状態とする構成は、図８に示す構成、図１５に示す構成、図１８に示す構成、図１９に示す構成に適用することもできる。

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、１１４…陥没形状部、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…半割ステータ、３０１ｂ…半割ステータ、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、３３６…コイルバネ、３３７…開口部、３３８…押圧部材、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、６１０…ロータ、６１１…外殻部、６１１ａ、６１１ｂ…外殻部構成部材、６１２ａ、６１２ｂ…ロータ構成部材、６１３…円環部、６１４…陥没形状部、６１５…ロータマグネット、６１６…突起部、６１７…位置決め用開口部、６２０…ロータ、６２１…内球部、６２２…ロータマグネット、６２３…軸受機構部、６２４…外筒部、６２５…コイルバネ、６２６…押圧部材、６２７…ベアリングボール、６２８…螺子、６２９…半割ステータ、６３０…半球殻部、６４０…球面モータ、６４１…半割ステータ、６４２…半割ステータ、６４３…半球殻部、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、７４０…球面モータ、７１０…ステータ、７１０ａ、７１０ｂ…半割ステータ、７２０…半球殻部、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 (4)

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、
   前記外側部分の内側または前記内側部分の外側の少なくとも一部を覆う平滑面を有する略球状の殻構造を有するカバー部と、
   前記外側部分の内面または前記内側部分の外面に設けられ、前記カバー部の前記平滑面に相対的に移動な可能な状態で接触する複数の接触部と
   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、複数のマグネットが配置され、
   前記対向する面の他方は、マグネットワイヤが巻かれた磁極部材が配置されていることを特徴とする球面モータ。
2. 前記内側部分は、軟磁性材料により構成されると共に前記複数のマグネットを配置するための陥没した形状を有する複数の陥没形状部を備え、
   前記複数の陥没形状部のそれぞれには、前記複数のマグネットのそれぞれが嵌め込まれた状態で固定され、
   前記カバー部は、前記複数のマグネットに接触した状態でその外側を覆い、
   前記複数の接触部は、前記外側部分の内面に配置され、前記カバー部の外面に接触することを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
3. 前記複数の陥没形状部のそれぞれにおいて、前記複数のマグネットのそれぞれが感圧接着剤によって接着されていることを特徴とする請求項２に記載の球面モータ。
4. 前記外側部分に対して前記内側部分が相対的に回転した際に、前記外側部分と前記内側部分との間に発生する動圧により、前記外側部分と前記内側部分とが非接触な状態となることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の球面モータ。

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