JP2022158253A

JP2022158253A - 多自由度モータ

Info

Publication number: JP2022158253A
Application number: JP2021063016A
Authority: JP
Inventors: 佳朗竹本; Yoshiaki Takemoto; 裕之古屋; Hiroyuki Furuya
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-10-17
Also published as: WO2022210823A1

Abstract

【課題】十分なモータ出力を得ることのできる好適な構成の多自由度モータを提供する。【解決手段】ステータ１０は、コイルＣ２～Ｃ４（，Ｃ５～Ｃ７）が複数の回転軸の１つである軸Ｘ周りに並んで配置され、またこの軸Ｘ周りのコイルＣ２～Ｃ４（，Ｃ５～Ｃ７）の並ぶ方向と交差する方向にコイルＣ１及びコイルＣ５～Ｃ７（，Ｃ２～Ｃ４）が配置されて構成される。ステータ１０では、コイルＣ１～Ｃ７の励磁にて複数軸（例えば軸Ｘ，Ｙ，Ｚ）周りの駆動磁界を好適に生じさせることが可能である。ロータ２０の磁極部２１については、球体状をなすロータ２０の外周面２０ａに対応する曲面形状をなし、ロータ２０の外周面２０ａに割り当てられた領域に広く設けることが可能である。つまり、十分なモータ出力を得ることのできる好適な構成のモータＭとして提供可能である。【選択図】図６

Description

本発明は、多自由度モータに関する。

従来、コイルを有するステータと永久磁石等の磁極部を有するロータとが互いに球面上で対向するように構成され、２軸若しくは３軸周りの回転出力を可能とする多自由度モータの提案がなされている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９－７７４６３号公報

上記特許文献１に開示の多自由度モータでは、ロータの外周面においてその球面に内接する仮想正多角面体の頂点位置に永久磁石等の磁極部を局所的に設ける構成等であり、十分なモータ出力が得られるかが懸念されるものである。そのため、本発明者は、多自由度モータの好適な構成について検討していた。本開示の目的は、十分なモータ出力を得ることのできる好適な構成の多自由度モータを提供することにある。

上記課題を解決する多自由度モータは、球体状のロータ（２０）と、前記ロータの周囲に配置されるコイル（Ｃ１～Ｃ７等）を有するステータ（１０）とを備え、前記ステータの前記コイルに生じる駆動磁界に基づいて、複数の回転軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）周りの前記ロータの駆動を可能とした多自由度モータ（Ｍ）であって、前記ステータは、前記コイルを構成する複数のコイル（Ｃ２～Ｃ４等）が前記複数の回転軸の１つである第１軸（Ｘ）周りに並んで配置されるとともに、前記第１軸周りの前記コイルの並ぶ方向と交差する方向に少なくとも１つのコイル（Ｃ１，Ｃ５～Ｃ７等）が配置されて構成され、前記ロータは、自身の外周面（２０ａ）に割り当てられた領域に曲面形状の磁極部（２１等）が備えられて構成されている。

上記態様によれば、多自由度モータのステータは、複数のコイルが複数の回転軸の１つである第１軸周りに並んで配置され、またこの第１軸周りのコイルの並ぶ方向と交差する方向に少なくとも１つのコイルが配置されて構成される。ステータでは、各コイルの励磁にて複数軸周りの駆動磁界を好適に生じさせることが可能である。ロータの磁極部は、球体状をなすロータの外周面に対応する曲面形状をなし、ロータの外周面に割り当てられた領域に広く設けることが可能である。つまり、十分なモータ出力を得ることのできる好適な構成の多自由度モータとして提供することが可能である。

一実施形態におけるモータの組立状態を示す斜視図。モータをステータとロータとに分離した状態を示す斜視図。ステータにおいて第１ケースとコイルとに分離した状態を示す斜視図。ステータにおいて第２ケースとコイルとに分離した状態を示す斜視図。ロータを示す斜視図。ステータのコイルとロータとの関係を示す斜視図。ステータのコイルとロータとの関係を示す平面図。ステータのコイルとロータとの関係を示す底面図。センサの検出磁束を説明するための説明図。ステータのコイルと制御装置との接続態様を示すブロック図。ロータ磁石ありコイル通電ありの場合の各センサの検出による３軸周りのロータ回転位置と磁束密度との関係を示す波形図。ロータ磁石なしコイル通電ありの場合の各センサの検出による３軸周りのロータ回転位置と磁束密度との関係を示す波形図。３軸周りの無通電起電圧波形と通電波形とを示す波形図。ステータのコイルの一構成例を説明するための説明図。ステータのコイルの具体構成例を説明するための説明図。ステータのコイルの具体構成例を説明するための説明図。ステータのコイルの具体構成例を説明するための説明図。ステータのコイルの具体構成例を説明するための説明図。ステータのコイルの具体構成例を説明するための説明図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための斜視図。ロータの磁極部の具体構成例を説明するための説明図。モータの変更例を示す斜視図。モータの変更例を示す斜視図。

以下、多自由度モータの一実施形態について説明する。
［モータの構成］
図１及び図２に示す本実施形態のモータＭは、３軸周りの回転出力を可能とする多自由度モータとして構成されたものである。本実施形態のモータＭは、全体の外形が球体状をなしている。モータＭは、外側に設けられるステータ１０と、ステータ１０の内側に回転可能に収容されるロータ２０とを備えている。

［ステータの構成］
図２、図３及び図４に示すように、ステータ１０は、第１及び第２ケース１１，１２と第１～第７コイルＣ１～Ｃ７とを備えている。第１及び第２ケース１１，１２は、全体が中空球体状をなし、球体の中間部分で分割する構成をなしている。第１ケース１１は下側の半球部分、第２ケース１２は上側の半球部分であり、各ケース１１，１２の中央開口縁１１ａ，１２ａ同士を当接させて組み合わされる。なお、説明の便宜上、第１ケース１１を下側、第２ケース１２を上側としたがこれは一例であり、モータＭの使用状態による第１及び第２ケース１１，１２の位置関係はこれに限らない。各ケース１１，１２は、コイルＣ１の内側やコイルＣ２～Ｃ４，Ｃ５～Ｃ７間に設けられる後述の凸設部１１ｄ，１１ｆ，１２ｄを除いて、略全体が磁性金属材料で作製されている。各ケース１１，１２は、モータケースとしての機能と各コイルＣ１～Ｃ７のバックヨークとしての機能とを有している。また、各ケース１１，１２には、各コイルＣ１～Ｃ７の内側に位置する部位に一体若しくは別体装着の磁性金属製の凸状のティース部（図示略）が設けられていてもよい。

図２及び図３に示すように、第１ケース１１は、底面部を有する中空半球状をなしている。第１ケース１１は、半球面状の内周面１１ｂを有している。第１ケース１１の内周面１１ｂには、底面部に円環凹状の底面凹部１１ｃが設けられている。底面凹部１１ｃには、第１コイルＣ１が収容される。第１コイルＣ１は、円環凹状の底面凹部１１ｃに対応した円環状となるように巻回された形状をなしている。また、第１コイルＣ１は、第１ケース１１の内周面１１ｂに沿うような曲面形状をなしている。

第１ケース１１における底面凹部１１ｃより内側の底面中央部には、第１ケース１１の内周面１１ｂから凸状をなす凸設部１１ｄが設けられている。凸設部１１ｄの上面には、ボール１３が回転可能に脱落しないようにして保持されている。ボール１３は、自身の一部が凸設部１１ｄの上面から突出している。

第１ケース１１における底面凹部１１ｃと中央開口縁１１ａとの間の内周面１１ｂには、周方向等間隔に３つの側面凹部１１ｅが設けられている。各側面凹部１１ｅは、それぞれ四角凹状をなし、互いに同形状をなしている。各側面凹部１１ｅには、それぞれ対応する第２～第４コイルＣ２～Ｃ４が収容される。第２～第４コイルＣ２～Ｃ４は、四角凹状の各側面凹部１１ｅにそれぞれ対応した四角環状に巻回された形状で、互いに同形状をなしている。また、各コイルＣ２～Ｃ４は、第１ケース１１の内周面１１ｂに沿うような曲面形状をなしている。

各側面凹部１１ｅ間の３箇所（図２及び図３では２箇所図示）には、それぞれ第１ケース１１の内周面１１ｂから凸状をなす凸設部１１ｆが設けられている。各凸設部１１ｆの上面は、各コイルＣ２～Ｃ４とともに一様の球面上において面一となっている。各凸設部１１ｆの上面には、２個のボール１３が回転可能に脱落しないようにして保持されている。各ボール１３は、周方向と直交する上下方向に互いに所定間隔を有して配置されている。各ボール１３は、自身の一部が各凸設部１１ｆの上面からそれぞれ突出している。各凸設部１１ｆ及び各ボール１３は、互いに同一構成である。

図２及び図４に示すように、第２ケース１２は、第１ケース１１と組み合わされる中央開口縁１２ａを有するとともに、第１ケース１１の底面部と対向する天井部が円形状に開口する上部開口部１２ｘを有する中空半球状をなしている。第２ケース１２についても、第１ケース１１と同様、半球面状の内周面１２ｂを有している。

第２ケース１２における上部開口部１２ｘと中央開口縁１２ａとの間の内周面１２ｂには、周方向等間隔に３つ（図２及び図４では２つ図示）の側面凹部１２ｃが設けられている。各側面凹部１２ｃは、それぞれ四角凹状をなし、互いに同形状をなしている。各側面凹部１２ｃには、それぞれ対応する第５～第７コイルＣ５～Ｃ７が収容される。第５～第７コイルＣ５～Ｃ７は、四角凹状の各側面凹部１２ｃにそれぞれ対応した四角環状に巻回された形状で、互いに同形状をなしている。また、各コイルＣ５～Ｃ７は、第２ケース１２の内周面１２ｂに沿うような曲面形状をなしている。

各側面凹部１２ｃ間の３箇所（図２及び図４では１箇所図示）には、それぞれ第２ケース１２の内周面１２ｂから凸状をなす凸設部１２ｄが設けられている。各凸設部１２ｄの上面は、各コイルＣ５～Ｃ７とともに一様の球面上において面一となっている。各凸設部１２ｄの上面には、２個のボール１３が回転可能に脱落しないようにして保持されている。各ボール１３は、周方向と直交する上下方向に互いに所定間隔を有して配置されている。各ボール１３は、自身の一部が各凸設部１２ｄの上面からそれぞれ突出している。各凸設部１２ｄ及び各ボール１３は、互いに同一構成である。

そして、複数のボール１３は、第２ケース１２の周方向３箇所にそれぞれ一対、上記した第１ケース１１の周方向３箇所にそれぞれ一対、さらに底面中央部に１個設けられ、各突出部分がロータ２０の外周面にそれぞれ当接する。合計１３個（図２～図４では７個図示）のボール１３は、第１及び第２ケース１１，１２の内周面１１ｂ，１２ｂの適所に点在し、ロータ２０を回転可能に支持する。つまり、各ボール１３は、ロータ２０を回転可能に支持するいわゆるボール軸受として機能する。

図１に示すように、第１及び第２ケース１１，１２は、互いの中央開口縁１１ａ，１２ａ同士を当接させて組み合わされる。第１及び第２ケース１１，１２の各中央開口縁１１ａ，１２ａ部分の外周部には、それぞれ径方向外側に突出する取付部１１ｙ，１２ｙが設けられている。互いの取付部１１ｙ，１２ｙは取付ねじ（図示略）により互いに固定され、第１及び第２ケース１１，１２は中空球体状をなすように構成される。

第１及び第２ケース１１，１２の固定状態において、第１～第７コイルＣ１～Ｃ７は、図６、図７及び図８に示すように、ロータ２０の周囲を覆う態様にて配置される。第１ケース１１側に設置の第１～第４コイルＣ１～Ｃ４について、第１コイルＣ１は、第１ケース１１の底面部に位置している。第１コイルＣ１の周囲に位置する第２～第４コイルＣ２～Ｃ４は、自身のコイル中心が互いに周方向に１２０°間隔をなしている。第２ケース１２側に設置の第５～第７コイルＣ５～Ｃ７についても、自身のコイル中心が互いに周方向に１２０°間隔をなしている。また、第１ケース１１側の第２～第４コイルＣ２～Ｃ４と、第２ケース１２側の第５～第７コイルＣ５～Ｃ７とは、周方向に互いにコイル半分ずつずらした配置、すなわち構造的に６０°ずつずれた配置となっている。なお、上記した取付部１１ｙ，１２ｙによる各ケース１１，１２の固定については、各ケース１１，１２の周方向の相対位置関係を変更できるようになっている。つまり、第２～第４コイルＣ２～Ｃ４と第５～第７コイルＣ５～Ｃ７との周方向の相対位置関係が変更できるようにもなっている。

第２～第７コイルＣ２～Ｃ７の具体的な配置態様としては、第２及び第３コイルＣ２，Ｃ３の間に第７コイルＣ７が配置される。第３及び第４コイルＣ３，Ｃ４の間に第５コイルＣ５が配置される。第４及び第２コイルＣ４，Ｃ２の間に第６コイルＣ６が配置される。つまり、モータＭの中心Ｏを挟んで、第２コイルＣ２と第５コイルＣ５とが対向する位置関係で配置される。第３コイルＣ３と第６コイルＣ６とが対向する位置関係で配置される。第４コイルＣ４と第７コイルＣ７とが対向する位置関係で配置される。このような対向位置関係にある第２及び第５コイルＣ２，Ｃ５は、励磁時にロータ２０側の表面に現れる磁極が逆になるコイルの巻回態様となっている。第３及び第６コイルＣ３，Ｃ６、また第４及び第７コイルＣ４，Ｃ７も同様に、それぞれ励磁時にロータ２０側の表面に現れる磁極が逆になるコイルの巻回態様となっている。

また、ステータ１０は、第１～第６センサＳ１～Ｓ６を備えている（図８参照）。各センサＳ１～Ｓ６は、磁気センサにて構成される。各センサＳ１～Ｓ６は、モータＭの底面部に位置する第１コイルＣ１の外周部周りに集約して配置されている。各センサＳ１～Ｓ６は、例えば図３等に示す第１ケース１１の内周面１１ｂに設置されている。なお、第１ケース１１に設置される各センサＳ１～Ｓ６の図面は省略している。

各センサＳ１～Ｓ６の具体的な配置態様としては、第１センサＳ１は、第１コイルＣ１と第４コイルＣ４との間で、第４コイルＣ４の周方向中央位置に配置される。第２センサＳ２は、第１コイルＣ１の外周部に近接し、第４コイルＣ４と第２コイルＣ２との中間位置に配置される。第３センサＳ３は、第１コイルＣ１と第２コイルＣ２との間で、第２コイルＣ２の周方向中央位置に配置される。第４センサＳ４は、第１コイルＣ１の外周部に近接し、第２コイルＣ２と第３コイルＣ３との中間位置に配置される。第５センサＳ５は、第１コイルＣ１と第３コイルＣ３との間で、第３コイルＣ３の周方向中央位置に配置される。第６センサＳ６は、第１コイルＣ１の外周部に近接し、第３コイルＣ３と第４コイルＣ４との中間位置に配置される。各センサＳ１～Ｓ６は、各コイルＣ１～Ｃ７の通電に基づく界磁磁束の影響の小さい位置に配置される。

なお、第１センサＳ１、第３センサＳ３及び第５センサＳ５は、自身の検出面を第１ケース１１の内周面１１ｂの法線方向に向けた姿勢となる配置としている。また、第２センサＳ２、第４センサＳ４及び第６センサＳ６は、自身の検出面を第１ケース１１の内周面１１ｂの接線方向に向けた姿勢となる配置としている。

ちなみに、本実施形態のモータＭの３つの回転軸については次の通りである。図６に示す第１コイルＣ１を底面側としたモータＭの姿勢において、第１コイルＣ１の中心軸及びモータＭの中心Ｏを通る上下方向の軸をロール軸Ｘ、モータＭの中心Ｏを通りロール軸Ｘと直交する軸をピッチ軸Ｙ、モータＭの中心Ｏを通りロール軸Ｘ及びピッチ軸Ｙと直交する軸をヨー軸Ｚとする。ロール軸Ｘは、本実施形態では第１軸としている。ピッチ軸Ｙとヨー軸Ｚとは、第２～第４コイルＣ２～Ｃ４と第５～第７コイルＣ５～Ｃ７との間に位置し、ヨー軸Ｚは、第６コイルＣ６と第７コイルＣ７との中間位置でかつ第２コイルＣ２の周方向中央位置である。ピッチ軸Ｙは、ロール軸Ｘ周りにそのヨー軸Ｚから９０°回転した位置である。

［ロータの構成］
図５に示すように、ロータ２０は、球体をなしている。ロータ２０は、自身の外周面２０ａにＮ極又はＳ極が現れる計８つの磁極部２１を備えている。各磁極部２１は、永久磁石にて構成される。ロータ２０を第１半球部２０ｘと第２半球部２０ｙとした場合、各磁極部２１は、各半球部２０ｘ，２０ｙで周方向９０°毎の４つの同等の領域全体を曲面形状の磁極面として構成される。つまり、各磁極部２１は、８つ全てが同等の大きさで構成される。各磁極部２１は、図５においてＮ極とＳ極とを濃淡で区別して示すように、各半球部２０ｘ，２０ｙのそれぞれで周方向に交互に異なる磁極が現れる配置となっている。さらに、各半球部２０ｘ，２０ｙ同士においても隣接する各磁極部２１が異なる磁極となる配置となっている。このようなロータ２０は、磁極が現れる自身の外周面２０ａがステータ１０の各コイルＣ１～Ｃ７と対向する（図６参照）。ロータ２０は、各コイルＣ１～Ｃ７への通電により生じる回転磁界を受けて回転する。

なお、ロータ２０は、各磁極部２１の径方向内側に磁性金属製のロータコア（図示略）を備えていてもよい。また、ロータコアを備えていなくてもよい。また、ロータ２０は、内部が充実した中実体であってもよく、内部が空洞の中空体であってもよい。

そして、ロータ２０を例えばアンバランスに構成し、ロータ２０の３軸周りの回転によりモータＭが振動源として機能する振動モータに適用可能である。また、ロータ２０に出力軸（図示略）を設け、第２ケース１２の上部開口部１２ｘから出力軸を突出させて構成し、３軸周りの回転出力を出力軸から取り出すことも可能である。この場合、出力軸の可動範囲に応じて、第２ケース１２の上部開口部１２ｘの形状や第１～第７コイルＣ１～Ｃ７の形状及び配置等の検討が必要である。

［モータＭの制御］
図１０に示すように、モータＭの回転駆動を制御する制御装置５０は、第１～第４インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４を備えている。第１インバータＩＮＶ１は、第１コイルＣ１と接続される。第１インバータＩＮＶ１は、第１コイルＣ１に対して駆動電圧ＶＰ１を供給する。第２インバータＩＮＶ２は第２コイルＣ２と接続され、第２コイルＣ２と第５コイルＣ５とは直列に接続される。第２インバータＩＮＶ２は、第２及び第５コイルＣ２，５に対して駆動電圧ＶＰ２を供給する。第３インバータＩＮＶ３は第３コイルＣ３と接続され、第３コイルＣ３と第６コイルＣ６とは直列に接続される。第３インバータＩＮＶ３は、第３及び第６コイルＣ３，６に対して駆動電圧ＶＰ３を供給する。第４インバータＩＮＶ４は第４コイルＣ４と接続され、第４コイルＣ４と第７コイルＣ７とは直列に接続される。第４インバータＩＮＶ４は、第４及び第７コイルＣ４，７に対して駆動電圧ＶＰ４を供給する。上記した図６にて示したモータＭの中心Ｏを挟んで対向関係にある第２及び第５コイルＣ２，Ｃ５、第３及び第６コイルＣ３，Ｃ６、第４及び第７コイルＣ４，Ｃ７については、それぞれが対応する同一のインバータＩＮＶ２～ＩＮＶ４から駆動電圧ＶＰ２～ＶＰ４の供給を受け、それぞれの励磁タイミングが同期するものとなっている。

第１～第４インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４は、制御回路５１により制御される。制御回路５１は、モータＭの適所に設置の第１～第６センサＳ１～Ｓ６から得るロール軸Ｘ、ピッチ軸Ｙ、及びヨー軸Ｚの３軸周りのロータ２０の回転位置に基づいて第１～第４インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４を制御する。

ここで、第１～第６センサＳ１～Ｓ６は、それぞれの配置位置における図９に示すｘｎ成分、ｙｎ成分及びｚｎ成分の磁束を検出する（ｎは１～６）。ｘｎ成分は、第１ケース１１の内周面１１ｂ（図３参照）の曲面の法線方向である。ｙｎ成分は、その曲面の接線方向で第１ケース１１の内周面１１ｂの周方向に沿った方向である。ｚｎ成分は、その曲面の接線方向でｘｎ成分及びｙｎ成分と直交する方向である。第１～第６センサＳ１～Ｓ６は、自身の配置位置でのｘ１～ｘ６方向、ｙ１～ｙ６方向及びｚ１～ｚ６方向の検出磁束に基づくセンサ信号ＳＧ１～ＳＧ６をそれぞれ制御回路５１に出力する。なお、各センサＳ１～Ｓ６の上記配置においては、ｙｎ成分が他の成分よりも各コイルＣ１～Ｃ７の磁場の影響を受け難い。換言すると、ｙｎ成分にロータ２０の磁極部２１の漏れ磁束が多く含まれることから、各センサＳ１～Ｓ６の検出磁束のｙｎ成分のみ又はｙｎ成分を主に用いることでロータ２０の回転位置が好適に検出可能である。

図１１及び図１２に示す各種波形は、第１～第６センサＳ１～Ｓ６の検出磁束の一例である。ちなみに、図１２に示す波形は、ロータ２０の磁極部２１が仮に無いものとして、第１～第７コイルＣ１～Ｃ７に矩形波通電を行った際のロータ２０の回転位置（図中、ロータ回転角）に対する磁束密度の変化波形である。これに対して図１１に示す波形は、ロータ２０の磁極部２１が実際有り、各コイルＣ１～Ｃ７に矩形波通電を行った際のロータ２０の回転位置に対する磁束密度の変化波形である。また、図１３に示す各種波形は、無通電起電圧波形及び各コイルＣ１～Ｃ７に対する矩形波通電波形の一例である。矩形波通電波形は、第１～第４インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４から出力される駆動電圧ＶＰ１～ＶＰ４の一例である。磁束密度の変化波形及び電圧波形は、モータＭのロール軸Ｘ、ピッチ軸Ｙ、ヨー軸Ｚの３軸（図６参照）それぞれのものを示している。図１２に示すように、各センサＳ１～Ｓ６の検出磁束において、ロータ２０の３軸それぞれの回転方向による磁束密度の変化態様、例えば変化形状や周期等が異なっている。

そして、図１０に示すように、制御回路５１は、第１～第６センサＳ１～Ｓ６の検出磁束に対応する各センサ信号ＳＧ１～ＳＧ６の取得に基づいて、ロール軸Ｘ、ピッチ軸Ｙ、及びヨー軸Ｚの３軸周りのロータ２０の回転位置を認識する。制御回路５１は、都度のロータ２０の回転位置の検出に基づいて各インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４を制御し、都度好適な各駆動電圧ＶＰ１～ＶＰ４を生成する。すなわち、制御回路５１は、駆動電圧ＶＰ１～ＶＰ４を通じてモータＭの３軸周りの回転制御を行う。

［ステータのコイルの具体構成例］
図３及び図４等に示した第１及び第２ケース１１，１２の各内周面１１ｂ，１２ｂの各側面凹部１１ｅ，１２ｃに設置される第２～第７コイルＣ２～Ｃ７については、以下のような具体構成が検討されている。

図１４に示すように、コイルＣ２～Ｃ７は、断面円形状の丸線や断面矩形状の平角線等の導線１５が四角環状に巻回されて構成される。巻回態様は、例えばα巻である。コイルＣ２～Ｃ７は、ロール軸Ｘ周りの各ケース１１，１２の周方向に沿った辺が長辺部Ｃａ、長辺部Ｃａと直交する方向の辺が短辺部Ｃｂである。長辺部Ｃａにおいて隣接する導線１５間の隙間Ｌａの方が短辺部Ｃｂにおいて隣接する導線１５間の隙間Ｌｂよりも相対的に大きい設定である。つまり、コイルＣ２～Ｃ７の構成において、導線１５の高占積率を狙いつつ、渦電流損の低減効果等が期待できる。

図１５に示す態様では、コイルＣ２～Ｃ７は、断面矩形状の平角線よりなる導線１６が四角環状に巻回されて構成される。巻回態様は、例えばα巻である。平角線よりなる導線１６は、自身の幅方向Ｗがロール軸Ｘの直交方向に沿った配置である。導線１６は、各ケース１１，１２の内周面１１ｂ，１２ｂの曲面形状に合わせて幅方向Ｗにずらしながら配置される。この態様においても、導線１６の高占積率及び渦電流損の低減効果等が期待できる。

図１６に示す態様では、コイルＣ２～Ｃ７は、断面円形状の丸線や断面矩形状の平角線等の導線１７が四角環状に巻回されて構成される。コイルＣ２～Ｃ７の巻回軸方向から見て、導線１７の面積ＳａがコイルＣ２～Ｃ７の巻回形状の内側の面積Ｓｂよりも相対的に大きい設定である。換言すると、コイルＣ２～Ｃ７の巻回形状の内側の面積Ｓｂが導線１７の面積Ｓａよりも相対的に小さい設定である。つまり、導線１７の占積率の高いコイルＣ２～Ｃ７の構成を意味している。

図１７に示す態様では、コイルＣ２～Ｃ７は、断面矩形状の平角線よりなる導線１６が四角環状に巻回された単位ユニットＵを導線１６の幅方向Ｗに複数（図中、２つ）積み重ねられて構成される。巻数の多いコイルＣ２～Ｃ７であっても、必要数の単位ユニットＵを積み重ねることで容易に構成可能である。

図１８に示す態様では、コイルＣ２～Ｃ７は、断面矩形状の平角線よりなる導線１６が四角環状に巻回されて構成される。この態様での平角線よりなる導線１６は、自身の幅方向Ｗが各ケース１１，１２の内周面１１ｂ，１２ｂに沿った向きで、自身の厚さ方向Ｄが各ケース１１，１２の内周面１１ｂ，１２ｂと直交する方向に積み重ねられて構成される。

図１９に示す態様では、コイルＣ２～Ｃ７は、断面円形状の丸線よりなる導線１８が四角環状に巻回されて構成される。コイルＣ２～Ｃ７は、一般的な丸線よりなる導線１８を用い、各ケース１１，１２の内周面１１ｂ，１２ｂの曲面形状に沿わせることが容易である。

［ロータの磁極部の具体構成例］
図５等に示したロータ２０は、図２０に示すように、個々の磁極部２１毎に分割された永久磁石よりなる磁石部品２５を曲面形状とし、全体として中空球体状に構成、若しくは磁性金属で球体状をなすロータコア（図示略）の外周面に固定されて構成される。各磁極部２１を構成する磁石部品２５は、例えばゴム材料等を用いた可撓性を有する板状のものを曲面形状に変形させて用いられる。また、磁石部品２５は、例えば三次元造形装置（図示略）を用いた積層造形（ＡＭ造形）により予め曲面形状に作製したものを用いてもよい。積層造形により作製する磁石部品２５は、自身の磁化方向と積層境界とが略並行となる構造とすることが好ましい。

図２１に示す態様では、ロータ２０は、各磁極部２１を構成する磁石部品２６において、周縁部よりも中央部の厚みが段階的に厚く構成される。各磁極部２１の磁束密度変化が正弦波状に近づくようにしたものである。このような形状をなす磁石部品２６については、積層造形等により容易に作製可能である。

図２２に示す態様では、各磁極部２１を構成する磁石部品２７において、図２１の態様よりも中央部の厚みが厚くされ、ロータ２０は中実状に構成される。各磁極部２１の磁束密度変化がより正弦波状に近くなるようにしたものである。このような形状をなす磁石部品２７についても、積層造形等により容易に作製可能である。また、図２１及び図２２に示す磁石部品２６，２７は自身の厚みが増すため、自身の内部で磁路が完結する極異方性配向磁石やハルバッハ配向磁石として構成し易い。

図２３に示す態様では、１つの磁極部２１において、さらに細かく分割された磁石部品２８が用いられて各磁石部品２８を集合させて構成される。１つの磁極部２１を構成する複数の磁石部品２８は、同一方向に着磁されたものが用いられ、全体として１つの磁極をなす。

図２４に示す態様では、１つの磁石部品２９ａにおいて、細かく分割した領域Ａ１毎に異なる磁極に着磁してもよい。この態様で用いる磁石部品２９ａは、自身の表裏面に磁束が通るパラレル配向磁石、若しくはラジアル配向磁石である。なお、この磁石部品２９ａを用いるロータに対しては、ステータのコイルの大きさや配置等を対応させる必要がある。

図２５に示す態様では、１つの磁石部品２９ｂにおいて細かく分割した領域Ａ２毎に異なる磁極に着磁する態様であり、この態様で用いる磁石部品２９ｂは、自身の内部で磁路が完結する極異方性配向磁石である。極異方性配向磁石は、例えば図２１及び図２２の態様のように、自身の厚みを増すと適用し易い。

図２６に示す態様では、１つの磁石部品２９ｃにおいて細かく分割した領域Ａ３毎に異なる磁極に着磁する態様であり、この態様で用いる磁石部品２９ｃは、自身の内部で磁路が完結するハルバッハ配向磁石である。ハルバッハ配向磁石についても、例えば図２１及び図２２の態様のように、自身の厚みを増すと適用し易い。

図２７に示す態様では、例えばモータＭが振動モータとして機能させるために、ロータ２０をアンバランスに構成する例である。図２７の第１例では、例えば第１及び第２半球部２０ｘ，２０ｙの各磁極部２１において異なる磁石部品３０ａ，３０ｂが用いられる。例えばＮ極の磁石部品３０ａはフェライト系磁石、Ｓ極の磁石部品３０ｂはネオジ系磁石というように磁石材料が異なっている。また、磁石部品３０ａ，３０ｂの着磁率や厚みが異ならせてもよい。図２７の第２例では、例えば第１半球部２０ｘの一部の磁極部２１ａの角度範囲が他の磁極部２１よりも小さく構成される。図２７の第３例では、例えば第１半球部２０ｘは磁極部２１で構成され、第２半球部２０ｙは非磁性部３１で構成される。図２７の第４例では、例えば第１及び第２半球部２０ｘ，２０ｙの各磁極部２１において、Ｎ極は磁石部品３２、Ｓ極は磁性金属部品３３にて構成される。Ｓ極の磁性金属部品３３は、Ｎ極の磁石部品３２の磁束を受けてＳ極の擬似磁極として機能する。各例のように、ロータ２０が構造的又は磁気的にアンバランスとされ、振動用途のモータＭのロータ２０として容易に構成可能である。

本実施形態の効果について説明する。
（１）モータＭにおけるステータ１０は、複数のコイルＣ２～Ｃ４（，Ｃ５～Ｃ７）が例えば本実施形態では３つの回転軸の１つのロール軸Ｘ周りに並んで配置され、またこのロール軸Ｘ周りのコイルＣ２～Ｃ４（，Ｃ５～Ｃ７）の並ぶ方向と交差する方向にコイルＣ１及びコイルＣ５～Ｃ７（，Ｃ２～Ｃ４）が配置されて構成される。ステータ１０では、各コイルＣ１～Ｃ７の励磁にて３軸Ｘ，Ｙ，Ｚ周りの回転磁界を好適に生じさせることが可能である。ロータ２０の磁極部２１は、球体状をなすロータ２０の外周面２０ａに対応する曲面形状をなし、ロータ２０の外周面２０ａに割り当てられた領域に広く設けることが可能である。つまり、十分なモータ出力を得ることのできる好適な構成の多自由度モータとして本実施形態のモータＭを提供することができる。

（２）ロータ２０の磁極部２１を構成する磁石部品２５について、可撓性を有する板状の部品を曲面形状に変形させて用いる構成とすれば、ゴム材料等の可撓性を有する板材から容易に作製することができる。

（３）ロータ２０の磁極部２１を構成する磁石部品２５について、積層造形により予め曲面形状に作製されたものを用いる構成とすれば、積層造形にて容易に３次元形状のものを作製することができる。

（４）ロータ２０の磁極部２１を極異方性配向磁石又はハルバッハ配向磁石を用いる構成とすれば、ロータ２０側での磁路長さを短くでき、有効磁束の増加、モータ出力の増加等が期待できる。

（５）ロータ２０は、第１及び第２半球部２０ｘ，２０ｙのそれぞれの周方向に複数の磁極部２１が配置されて構成される。つまり、ロータ２０の３軸周りの回転をより好適に行うことが可能である。

（６）第１ケース１１の内周面１１ｂにコイルＣ１，Ｃ２～Ｃ４が配置、第２ケース１２の内周面１２ｂにコイルＣ５～Ｃ７が配置され、中空球体状をなすように各ケース１１，１２が互いに組み合わされてステータ１０が構成される。これにより、コイルＣ１，Ｃ２～Ｃ４，Ｃ５～Ｃ７を適切な位置に配置でき、しかも容易である。

（７）ステータ１０は、モータＭの中心Ｏを挟んで対向する位置関係にて配置されるコイルＣ２，Ｃ５、コイルＣ３，Ｃ６、コイルＣ４，Ｃ７を含んで構成される。つまり、ステータ１０において、ロータ２０の３軸周りの回転をより好適に行うための回転磁界を供給することが可能である。

（８）ステータ１０では、モータＭの中心Ｏを挟んで対向する位置関係をなすコイルＣ２，Ｃ５、コイルＣ３，Ｃ６、コイルＣ４，Ｃ７がそれぞれ同期した励磁が行われる接続態様をなす。つまり、同期励磁するもの同士でインバータＩＮＶ２～ＩＮＶ４を共通化でき、制御装置５０の構成の簡素化が期待できる。

（９）ステータ１０に備えるロータ２０の回転位置を検出するためのセンサＳ１～Ｓ６は、隣接する複数のコイルＣ１，Ｃ２～Ｃ４等の間に配置されて構成される。つまり、各センサＳ１～Ｓ６は、各コイルＣ１～Ｃ７の通電に基づく界磁磁束の影響の小さい位置に配置されるため、ロータ２０の回転位置の検出をより精度良く行うことが期待できる。

（１０）ステータ１０では、センサＳ１～Ｓ６が一方の第１ケース１１側に集約して配置されて構成される。つまり、センサＳ１～Ｓ６の配線の取り回しが容易になる等の効果が期待できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・ロール軸Ｘ周りに並んで配置されるコイルＣ２～Ｃ４を備える場合、コイルＣ２～Ｃ４の並びと交差する方向にあるコイルＣ１又はコイルＣ５～Ｃ７のいずれかを省略してもよい。また、コイルＣ５～Ｃ７を備える場合、コイルＣ１を残し、コイルＣ２～Ｃ４を省略してもよい。また、第２ケース１２の上部開口部１２ｘを閉塞し、コイルＣ１と対向する新たなコイルを設けてもよい。

・コイルＣ１～Ｃ７について、予め曲面形状に作製した基板や曲面形状に変形可能なフレキシブル基板に導体パターンを巻回形状に形成したコイルであってもよい。
・ケース１１，１２を２分割としたが、３分割以上、若しくは分割しない態様であってもよい。

・センサＳ１～Ｓ６の配置、数を適宜変更してもよい。
・制御装置５０の構成を適宜変更してもよい。上記では７つのコイルＣ１～Ｃ７に対して４つのインバータＩＮＶ１～ＩＮＶ４にて駆動したが、インバータの数の変更、コイルＣ１～Ｃ７との接続態様を変更してもよい。

・モータの磁極数を適宜変更してもよい。上記モータＭの構成としては、ステータ１０には７つのコイルＣ１～Ｃ７、この場合底面部のコイルＣ１を除いたロール軸Ｘ周りに６つのコイルＣ２～Ｃ７が備えられ、ロータ２０には８つの磁極部２１が備えられる。すなわち、上記モータＭは、ステータ１０側が６スロット、ロータ２０側が８極のモータとして構成されている。

図２８に示す態様では、ステータ１０は、例えば９つのコイルＣ１～Ｃ９、この場合底面部のコイルＣ１を除いたロール軸Ｘ周りに８つのコイルＣ２～Ｃ９を備える。コイルＣ２～Ｃ５はモータＭの下側半球部分に配置され、コイルＣ６～Ｃ９はモータＭの上側半球部分に配置される。コイルＣ２～Ｃ５とコイルＣ６～Ｃ９とは、上記と同様、周方向に互いにコイル半分ずつずれた配置となっている。ロータ２０は、４つの磁極部２１を備える。第１及び第２半球部２０ｘ，２０ｙは、それぞれが２つの磁極部２１として構成される。この態様のモータＭのように、ステータ１０側が８スロット、ロータ２０側が４極のモータとして構成してもよい。

図２９に示す態様では、ステータ１０は、例えば５つのコイルＣ１～Ｃ５、この場合底面部のコイルＣ１を除いたロール軸Ｘ周りに４つのコイルＣ２～Ｃ５を備える。コイルＣ２～Ｃ５は、コイルＣ１とともにモータＭの下側半球部分に配置される。ロータ２０は、２つの磁極部２１を備える。第１及び第２半球部２０ｘ，２０ｙは、それぞれが磁極部２１として構成される。この態様のモータＭのように、ステータ１０側が４スロット、ロータ２０側が２極のモータとして構成してもよい。

・モータＭは、互いに直交する３つの回転軸であるロール軸Ｘ、ピッチ軸Ｙ、及びヨー軸Ｚの３軸周りに回転駆動するものであったが、これに限らず、互いに交差する複数の回転軸周りに回転駆動するものであってもよい。また、モータＭは、回転軸周りの回転磁界で１回転以上回転駆動するもののみならず、１回転未満の駆動磁界で駆動するものであってもよい。

１０ステータ、１１，１２第１及び第２ケース、１１ｂ，１２ｂ内周面、２０ロータ、２０ａ外周面、２０ｘ，２０ｙ第１及び第２半球部、２１等磁極部、２５等磁石部品、Ｍモータ（多自由度モータ）、Ｃ１～Ｃ７等コイル、Ｓ１～Ｓ６センサ、Ｘロール軸（回転軸、第１軸）、Ｙピッチ軸（回転軸）、Ｚヨー軸（回転軸）、Ｏ中心

Claims

球体状のロータ（２０）と、前記ロータの周囲に配置されるコイル（Ｃ１～Ｃ７等）を有するステータ（１０）とを備え、前記ステータの前記コイルに生じる駆動磁界に基づいて、複数の回転軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）周りの前記ロータの駆動を可能とした多自由度モータ（Ｍ）であって、
前記ステータは、前記コイルを構成する複数のコイル（Ｃ２～Ｃ４等）が前記複数の回転軸の１つである第１軸（Ｘ）周りに並んで配置されるとともに、前記第１軸周りの前記コイルの並ぶ方向と交差する方向に少なくとも１つのコイル（Ｃ１，Ｃ５～Ｃ７等）が配置されて構成され、
前記ロータは、自身の外周面（２０ａ）に割り当てられた領域に曲面形状の磁極部（２１等）が備えられて構成されている、多自由度モータ。
前記ロータの前記磁極部は、可撓性を有する板状の磁石部品（２５等）を曲面形状に変形させたものを用いて構成されている、請求項１に記載の多自由度モータ。
前記ロータの前記磁極部は、積層造形により予め曲面形状に作製された磁石部品（２５等）を用いて構成されている、請求項１に記載の多自由度モータ。
前記ロータの前記磁極部は、極異方性配向磁石又はハルバッハ配向磁石を用いて構成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多自由度モータ。
前記ロータは、第１及び第２半球部（２０ｘ，２０ｙ）において各半球部の周方向に複数の前記磁極部が配置されて構成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多自由度モータ。
前記ステータは、互いに組み合わされて中空球体状をなすそれぞれ中空半球状の第１及び第２ケース（１１，１２）を有し、
前記第１及び第２ケースの各内周面（１１ｂ，１２ｂ）のそれぞれに前記複数のコイル（Ｃ２～Ｃ４，Ｃ５～Ｃ７等）が前記第１軸周りに並んで配置されるとともに、前記第１及び第２ケースの少なくとも一方の底面部に前記第１軸周りに巻回形状をなす前記コイル（Ｃ１）が配置されて構成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多自由度モータ。
前記ステータは、モータの中心（Ｏ）を挟んで対向する位置関係にて配置された少なくとも１組の前記コイル（Ｃ２，Ｃ５等）を含んで構成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の多自由度モータ。
前記ステータにおいて、前記モータの中心（Ｏ）を挟んで対向する位置関係をなす前記コイルは、同期した励磁が行われる接続態様をなしている、請求項７に記載の多自由度モータ。
前記ステータは、前記ロータの回転位置を検出するための前記ロータの前記磁極部の磁束を検出するセンサ（Ｓ１～Ｓ６）を備え、
前記センサは、隣接する前記複数のコイルの間に配置されて構成されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の多自由度モータ。
前記ステータは、互いに組み合わされて中空球体状をなすそれぞれ中空半球状の第１及び第２ケース（１１，１２）を有し、
前記センサは、前記第１及び第２ケースの一方側に集約して配置されて構成されている、請求項９に記載の多自由度モータ。