JP4982796B2 - 球面加減速駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、球面加減速駆動機構に係り、特に、球面ステッピングモータを利用した球面加減速駆動機構に関する。

特許文献１には、本件発明者の発明に係る３軸駆動ユニットが記載されている。この３軸駆動ユニットは、球体に接触する摩擦車を介して１軸周りに回転するアクチュエータにより球体を駆動する。３台のアクチュエータにより３方向に球体を駆動することを特徴としている。この機構は、アクチュエータの回転速度を減じトルクを増幅する減速装置の特徴も有している。

特許文献２には、本件発明者の発明に係る球面ステッピングモータが記載されている。この球面ステッピングモータは、ロータを任意の方向にどこまでも回転させることができることを特徴としている。

特許第１６８５３７０号公報 特願２００６−２７３９３６号

しかし、特許文献１に記載の３軸駆動ユニットは、他のアクチュエータの摩擦車が別の方向の摩擦車の駆動の妨害をするため、それを避ける工夫が必要になるという問題がある。

また、特許文献２に記載の球面ステッピングモータは、ロータはステータ内において任意の方向に無限回転することができるが、通常、ロータから回転出力を得るために、ロータに出力軸を取り付ける。しかし、この出力軸が取り付けられたロータは、開口部を有するステータ内で球面軸受けされ、前記出力軸は前記開口部の範囲内でしか回動できないため、前記出力軸の動く範囲が狭い範囲に限定されるという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、ステータ内において任意の方向に無限回転するロータからなる球面モータを用いて、任意の方向に無限回転可能な出力が得られる球面加減速駆動機構を提供することにある。
本発明の他の目的は、減速機構として使用した場合、特許文献1に記載されたものと同様に、アクチュエータの回転速度を減じ、トルクを増幅する減速装置としての特徴を有する球面加減速駆動機構を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第２の手段は、第１の手段において、前記球体は、複数の軸受によって支持されていることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第３の手段は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第４の手段は、第３の手段において、前記球体は、前記複数の球面モータと球面軸受けによって支持されていることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第５の手段は、第３の手段において、前記複数の球面モータが、第１の複数の球面モータ群と該第１の複数の球面モータ群に対向して配置された第２の複数の球面モータ群とからなり、前記球体が前記第１の複数の球面モータ群と前記第２の複数の球面モータ群とによって支持されていることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記球体に出力軸が設けられていることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第７の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなる球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第８の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータに内接する多面体の頂点に対応する永久磁石表面の極性と各面の中心部に対応する永久磁石表面の極性とを反対に構成し、前記ステータの電磁石に電流を流して前記永久磁石を吸引して前記ロータを回転させる時、前記電磁石表面に形成される極性が前記永久磁石表面の極性と反対になるように構成した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第９の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなる球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第１０の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータに内接する多面体の頂点に対応する永久磁石表面の極性と各面の中心部に対応する永久磁石表面の極性とを反対に構成し、前記ステータの電磁石に電流を流して前記永久磁石を吸引して前記ロータを回転させる時、前記電磁石表面に形成される極性が前記永久磁石表面の極性と反対になるように構成した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第１１の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータの前記電磁石の組み合わせが、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成、またはロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。
第１２の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータの前記電磁石の組み合わせが、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成、またはロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構である。

本発明の球面加減速駆動機構によれば、特許文献1に記載に記載されたものに比べて、球体がどのような方向に駆動されていても他の球面モータが球体の運動を妨げることがなくなる。また、球体に取り付けた出力軸の可動範囲を広範囲にすることができる。
また、特許文献2に記載された球面ステッピングモータを用いることにより、強力な駆動力が得られるとともに、回転制御が容易となる。さらに、特許文献2に記載された球面ステッピングモータを用いることにより、ロータの永久磁石とステータの電磁石間の磁路に流出入する磁力線が大きくなるようにして、大きな駆動力を得ることが可能となる。

はじめに、本発明の第１の実施形態を図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態の本発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図である。
同図において、１は軸受、２は軸受１に向かい合うようにして設けられた軸受、３は球面モータ４によって駆動される球体、４は球面モータ、４１は球面モータ４のロータ、５は球体３に取り付けられる出力軸である。
同図に示すように、この球面加減速駆動機構は、球体３が軸受１および軸受２によって回転可能に支持され、さらに、球体３は、球面モータ４のロータ４１に接触しており、ロータ４１の回転に伴って回転し、出力軸５から回転出力が得られる。

次に、この球面加減速駆動機構の動作について説明する。
球面モータ４のロータ４１をＸｍ軸の周りに時計回りに回転させると、球体３は球体３のＸｂ軸の周りに反時計回りに回転する。球面モータ４のロータ４１をＹｍ軸の周りに時計回りに回転させると、球体３は球体３のＹｂ軸周りに反時計回りに回転する。
ここで、球面モータ４のロータ４１のロータ直径をｄ、球体３の直径をDとすると、球体３の回転数はｄ／Ｄ倍、球体３の回転トルクはＤ／ｄ倍に変換される。すなわち球体３の直径Dを球面モータ４のロータ４１の直径より大きくすると低回転数で高トルク、小さくすると高回転数で低トルクの出力が得られる。

本実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構によれば、ロボットの関節駆動など高トルクを必要とする用途では球体３の直径Dを大きくし、また、球体３の出力軸５にＤＶＤなどを載せて高速回転させる用途では球体３の直径Dを小さくして対応できる。

次に、本発明の第２の実施形態を図２を用いて説明する。
図２は、本実施形態の本発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図である。
同図において、６は球面軸受、７は球面モータ、７１は球面モータ７のロータ、８は球面モータ、８１は球面モータ８のロータ、９は球面モータ７のロータ７１および球面モータ８のロータ８１によって駆動される球体、１０は球体９に取り付けられる出力軸である。
同図に示すように、この球面加減速駆動機構は、球体９が、球面軸受６、ロータ７１およびロータ８１によって回転可能に支持され、さらに、球体９は、各ロータ７１、８１に接触しているので、ロータ７１、８１の回転に伴って回転し、出力軸１０から回転出力が得られる。

次に、この球面加減速駆動機構の動作について説明する。
球面モータ７のロータ７１をＸｍ１軸の周りに時計回りに回転させると、球体９はＸｂ１軸の周りに反時計回りに回転する。球面モータ７をＹｍ１軸の周りに時計回りに回転すると、球体９はＹｂ１軸の周りに反時計回りに回転する。また、球面モータ８をＸｍ２軸の周りに時計回りに回転すると球体９はＸｂ２軸の周りに反時計回りに回転する。球面モータ８をＹｍ２軸の周りに時計回りに回転すると球体９はＹｂ２軸の周りに反時計回りに回転する。また、球面モータ７および球面モータ８をそれぞれのＸｍ１軸の周りおよびＸｍ２軸の周りに同時に時計回りに回転すると球体９はＸｂ１軸の周りとＸｂ２軸の周りの反時計回りの回転を合成した方向に回転する。
ここで、球面モータ７、８の各ロータ７１、８１の直径をｄ、球体９の直径をＤとすると、球体９の回転数はロータ７１、８１の回転数のｄ／Ｄ倍、球体９の回転トルクはロータ７１，８１の回転トルクのＤ／ｄ倍に変換される。すなわち球体９の直径Dを球面モータ７、８のロータ７１、８１より大きくすると低回転数で高トルク、小さくすると高回転数で低トルクが得られる。

次に、本発明の第３の実施形態を図３および図4を用いて説明する。
図３は、本実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図、図４は図３に示した球面加減速駆動機構から球体を除いた球面モータ１３〜２１の配置を示す図である。
これらの図において、１１は球面モータ１３〜２１によって駆動される球体、１２は球体１１に取り付けられる出力軸、１３〜２１は球面モータである。なお、図示されていないが、球面モータ１３〜２１も図１および図２に示した球面モータと同様に、球体１１と接触する箇所にそれぞれのロータが設けられている。

次に、この球面加減速駆動機構の動作について説明する。
これらの図において、球面モータ１３〜２１を駆動することにより、球体１１をＸ軸の周り、Ｙ軸の周り、Ｚ軸の周り、およびそれらを合成した方向に回転させることができる。
ここで、球面モータ１３〜２１のロータの直径をｄ、球体１１の直径をＤとすると、球体１１の回転数は球面モータ１３〜２１のロータの回転数のｄ／Ｄ倍、球体１１の回転トルクはそれぞれの球面モータ１３〜２１のロータの回転トルクのＤ／ｄ倍の和に変換される。すなわち球体１１の直径Dを球面モータ１３〜２１のロータより大きくする、または球面モータ１３〜２１の数を増やすと低回転数で高トルク、小さくすると高回転数で低トルクが得られる。
本実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構によれば、図３から明らかなごとく、出力軸１２の可動範囲を非常に広くとることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す正面図である。
同図において、２２は球面モータ２４〜３３によって駆動される球体、２３は球面モータ２４〜３３を支持する球面モータ支持体、２４〜３３は球面モータである。なお、図示されていないが、球面モータ２７〜２８は球面モータ２４〜２６の向こう側に配置されており、同じく球面モータ３２〜３３も球面モータ２９〜３１の向こう側に配置されている。さらに、球面モータ２４〜３３も図１および図２に示した球面モータと同様に、球体２２と接触する箇所にそれぞれのロータが設けられている。

次に、この球面加減速駆動機構の動作について説明する。
球面モータ支持体２３によって支持された球面モータ２４〜２８および球面モータ２９〜３３によって、球体２２を挟み込み、それぞれの球面モータ２４〜３３のロータを駆動することにより球体２２を任意の方向に回転させることができる。
ここで、球面モータ２４〜３３のロータの直径をｄ、球体２２の直径をＤとすると、球体２２の回転数は球面モータ２４〜３３のロータの回転数のｄ／Ｄ倍、球体２２の回転トルクはそれぞれの球面モータ２４〜３３のロータの回転トルクのＤ／ｄ倍の和に変換される。すなわち球体２２の直径Dを球面モータ２４〜３３のロータの直径ｄより大きくする、または球面モータ２４〜３３の数を増やすと低回転数で高トルク、小さくすると高回転数で低トルクが得られる。
本実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構によれば、球体２２をステアリングを切ることが可能な車輪としての用途に適している。

次に、上記の第１から第４の各実施形態の発明に係る面加減速駆動機構における球面モータとして用いられる球面ステッピングモータについて説明する。
この球面ステッピングモータは、基本的には、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素である(お互いを割った値が整数にならない)時、ロータに内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとから構成される。

この球面ステッピングモータは、ロータに内接する多面体およびステータに内接する多面体の組み合わせ例として以下の構成が考えられる。なお、（）内は、多面体の面を構成する多角形の形状を表す。
ロータに内接する多面体が正１２面体（５角形）でステータに内接する多面体が正１４面体（ケルビン１４面体）（正方形、６角形）、ロータに内接する多面体が正４面体（３角形）でステータに内接する多面体が正６面体（正方形）、ロータに内接する多面体が正８面体（３角形）でステータに内接する多面体が正6面体（正方形）、ロータに内接する多面体が正２０面体（３角形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）、ロータに内接する多面体が立方８面体（３角形、４角形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）、ロータに内接する多面体が菱形１２面体（菱形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）、ロータに内接する多面体が菱形３０面体（菱形）でステータに内接する多面体が切隅２０面体（サッカーボール）（５角形、６角形）、ロータに内接する多面体が切隅６面体（３角形、８角形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）。

図６は、球面ステッピングモータのロータとステータとの関係を示す図である。
同図に示すように、この球面ステッピングモータは、球面軸受１０１で支えられた球面形状のロータ１０２および上部に開口部を有するステータ１０３で構成される。
図７は、球面ステッピングモータのロータの構成を示す図である。
同図に示すように、ロータ１０２には、内接する正１２面体（面の形が正５角形で構成される多面体）の頂点１０４および各面の中心部１０５に対応する位置に表面がロータ１０２と同じ形状になるようにした永久磁石が埋め込まれている。
図８（ａ）は、球面ステッピングモータのステータ１０３の構成を示す図である。
同図に示すように、ステータ１０３は、図８（ｂ）に示すケルビンの１４面体（面の形が正６角形および正方形で構成される多面体）で構成され、内接するケルビンの１４面体の頂点１０６および各面の中心１０７に対応する位置に電磁石が配置されている。

次に、この球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作について説明する。
図９は、球面ステッピングモータの、ロータ１０２の底面の正５角形の中心にある永久磁石１０９がステータ１０３の底面の正６角形の中心にある電磁石１０８と重なっている状態を真上から見た図である。
同図において、まず、ステータ１０３の電磁石１０８に電流を流してロータ１０２の永久磁石１０９を吸引している状態でステータ１０３の電磁石１１０に電流を流す。すると一番近いロータ１０２の永久磁石１１１が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１１がステータ１０３の電磁石１１０と一番近い距離になるところまで時計回りに回転する。この状態でステータ１０３の電磁石１１０の電流を切り、ステータ１０３の電磁石１１２に電流を流す。すると一番近いロータ１０２の永久磁石１１３が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１３がステータ１０３の電磁石１１２と一番近い距離になるところまで回転する。以下、同様に底面の正６角形の頂点に位置するステータ１０３の電磁石１１４，１１６，１１８，１２０の順に電流を切り替えると、ロータ１０２の永久磁石１１５，１１７，１１９，１１１が順番に吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を回転中心として同じ方向に回転し続ける。この手順を繰り返すことにより、ロータ１０２を垂直軸の周りに時計回りに無限に回転させることができる。

次に、この球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作について説明する。
図１０はステータ１０３に対してロータ１０２の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを示す図、図１１はロータ１０２の斜め方向にある回転軸側から見たロータ１０２とステータ１０３の状態を示す図である。
以下において、ロータ１０２とステータ１０３が図１０に示す位置関係にあるとき、斜め軸の周りにロータ１０２を回転させる場合について説明する。
図１１において、ステータ３の正方形の中心にある電磁石１０４Ａに電流を流し、ロータ１０２の対面する正５角形の中心にある永久磁石１０５Ａを吸引する。この状態でステータ１０３の正方形の頂点にある電磁石１０６Ａ，１０７Ａ，１０８Ａ、１０９Ａ，１０６Ａに順番に通電し、近くにあるロータ１０2の正５角形の頂点にある永久磁石１１０Ａ，１１１Ａ，１１２Ａ、１１３Ａ、１１４Ａを順番に吸引する。これによりロータ１０２を電磁石１０4Ａの周りに時計回りに回転させることができる。

次に、本発明の球面ステッピングモータにおいて、より上段にあるロータ１０２の永久磁石とステータ１０３の電磁石との吸引力も利用して駆動力を増加させる場合について説明する。
図１２（ａ）は、ロータ１０２の１段目から３段目にある永久磁石の位置関係を示す図、図１２（ｂ）はステータ１０３の１段目から３段目にある電磁石の位置関係を示す図、図１３は、ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目にある電磁石との関係を示す図である。
図１３に示すように、ロータ１０２の２段目の永久磁石は５個（１０４Ｂ，１０５Ｂ，１０６Ｂ，１０７Ｂ、１０８Ｂ）であり、ステータ１０３の２段目の電磁石は頂点の６個（１０９Ｂ，１１０Ｂ，１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ、１１４Ｂ）と正６角形の面の中央の電磁石３個（１１５Ｂ，１１６Ｂ、１１７Ｂ）を含めて9個である。さらにロータ１０２の３段目の永久磁石およびステータ１０３の３段目の電磁石も図１３と同様に、ロータ１０２の永久磁石は５個、ステータ１０３の永久磁石は9個である。
従って、ロータ１０２の各段の永久磁石に対応するステータ１０３の各段の電磁石に電流を流すことによって、ロータ１０２から強力な駆動力が得られる。

さらに、ロータ１０２の回転軸がステータ１０３の正方形の中心にある場合の上段の吸引力を利用してロータ１０２の駆動力を増加させる場合について説明する。
図１４（ａ）は、ロータ１０２の１段目と２段目にある永久磁石の位置関係を示す図、図１４（ｂ）は１段目と２段目のステータ１０３にある電磁石の位置関係を示す図、図１５は、ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目と１段目にある電磁石との関係を示す図である。
図１５に示すように、ロータ１０２の回転軸がステータ１０３の正方形の中心にある場合には、ロータ１０２の２段目の永久磁石５個（１０４Ｂ，１０５Ｂ，１０６Ｂ，１０７Ｂ，１０８Ｂ）とステータ１０３の２段目と１段目の電磁石８個（１０９Ｂ，１１０Ｂ，１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ，１１５Ｂ，１６Ｂ）の組み合わせになる。
従って、ロータ１０２の２段目にある永久磁石は、ステータ１０３の２段目と１段目にある電磁石の吸引力を利用して駆動力を増加させることができる。

さらに、同時に他の電磁石も利用してロータの駆動力を増加させる場合について説明する。
図９においては、ロータ１０２の永久磁石に一番近いステータ１０３の電磁石のみに電流を流す場合について説明したが、同図において、電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０に同時に電流を流して、各々の電磁石の近くの永久磁石に時計回りの回転力が働くように電流の向きを考えて電流を流すことにより駆動力を増加させることができる。すなわち、一番近い永久磁石が反時計回りの位置にある電磁石１１０，１１２，１２０には吸引力を発生する電流を流し、一番近い永久磁石が時計回りの位置にある電磁石１１６，１１８には反発力を発生する電流を流し、等距離にある２個の永久磁石がある電磁石１１４には電流を流さないようにする。このようにほとんどの電磁石に同時に電流を流すことにより駆動力を増加させることができる。また、斜め軸周りの回転においても、同様にして殆どの電磁石の吸引・反発力を同時に利用することにより駆動力を増加させることができる。

なお、この球面ステッピングモータにおいては、ロータ側に永久磁石、ステータ側に電磁石を配置する場合について説明したが、これ以外に以下の組み合わせも可能である。すなわち、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する。ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する。ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する。ロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する。

また、この球面ステッピングモータにおいては、ステータが固定され、ロータが回転する場合について説明したが、ロータ側を固定し、ステータ側（外側）を可動にする、またはロータ、ステータともに可動にし、ユニバーサルジョイント部分などに使用する（能動すべり軸受）ことも可能である。

次に、この球面ステッピングモータにおいて、大きな駆動力を得るためには、ロータの永久磁石とステータの電磁石間に形成される磁路に大きな磁力線を流出入させる必要がある。以下に、ロータの永久磁石とステータの電磁石間に形成される磁路に大きな磁力線を流出入させるための構成について説明する。

ロータ１０２は、図７に示すように、内接する正１２面体の頂点１４および各面の中心部１０５に対応する位置の表面にロータ１０２と同じ形状になるように永久磁石が埋め込まれている。そして、ロータ１０２の球殻構造は、図１６に示すように、外側の球殻１０６Ｃをプラスチック等の透磁率の低い材質とし、内側の球殻１０７Ｃを鉄等の透磁率の高い材質で構成する。さらに、ロータ１０２に内接する正１２面体の頂点１０４に対応する永久磁石１０４Ｃ表面の極性と、各面の中心部１０５に対応する永久磁石１０５Ｃ表面の極性とを反対にする（例えば、頂点１０４の永久磁石１０４ＣがＮ極の場合は中心部１０５の永久磁石１０５ＣはＳ極）。これにより、図１６の矢印に示すような磁路が形成される。

ステータ１０３は、図８に示すように、内接するケルビンの１４面体の頂点１０６および各面の中心１０７に対応する位置に電磁石が配置されている。以下において、ステータ１０３の電磁石の極性について説明する。
いま、図９に示すように、ロータ１０２の底面の正５角形の中心の永久磁石１０９がステータ１０３の底面の正６角形の中心の電磁石１０８と重なっている状態を真上から見た場合、ステータ１０３の電磁石１０８に電流を流して永久磁石１０９を吸引している状態で電磁石１１０に電流を流す。すると一番近い永久磁石１１１が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１１が電磁石１１０と一番近い距離になるところまで時計回りに回転する。この状態で電磁石１１０の電流を切り電磁石１１２に電流を流す。すると一番近い永久磁石１１３が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１３が電磁石１１２と一番近い距離になるところまで回転する。以下、同様に底面の正６角形の頂点に位置する電磁石１１４，１１６，１１８，１２０の順に電流を切り替えると永久磁石１１５，１１７，１１９，１１１が順番に吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を回転中心として同じ方向に回転し続ける。この手順を繰り返すことにより、ロータ１０２を垂直軸周りに無限回転させることができる。

この時、図９において、永久磁石１０９に対向する電磁石１０８には、永久磁石１０９を吸引する方向に電流を流し、周辺の電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０はそれぞれ対向する永久磁石を吸引する方向に電流を流す。永久磁石１０９と永久磁石１１１，１１３，１１５，１１７，１１９は磁石の磁化方向が反転しているから、電磁石１０８と電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０は磁化方向が反転する。これにより、ロータ１０２の永久磁石とステータ１０３の電磁石間に、図１７の白矢印に示すような磁路が形成され、大きな磁力線を流出入させることができるので、大きな駆動力が得られる。

第１の実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図である。 第２の実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図である。 第３の実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す斜視図である。 図３に示す球面加減速駆動機構から球体を除いた球面モータ１３〜２１の配置を示す図である。 第４の実施形態の発明に係る球面加減速駆動機構の構成を示す正面図である。 球面ステッピングモータのロータ１０２とステータ１０３との関係を示す図である。 球面ステッピングモータのロータ１０２の構成を示す図である。 球面ステッピングモータのステータ１０３の構成を示す図、およびケルビンの１４面体（面の形が正６角形および正方形で構成される多面体）を示す図である。 球面ステッピングモータのロータ１０２の底面の正５形の中心にある永久磁石８がステータ１０３の底面の正６角形の中心にある電磁石９と重なっている状態を真上から見た図である。 ステータ１０３に対してロータ１０２の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを示す図である。 ロータ１０２の斜め方向にある回転軸側から見たロータ１０２とステータ１０３の状態を示す図である。 ロータ１０２の１段目から３段目にある永久磁石の位置関係を示す図、およびステータ１０３の１段目から３段目にある電磁石の位置関係を示す図である。 ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目にある電磁石との関係を示す図である。 ロータ１０２の１段目と２段目にある永久磁石の位置関係を示す図、および１段目と２段目のステータ１０３にある電磁石の位置関係を示す図である。 ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目と１段目にある電磁石との関係を示す図である。 ロータ１０２の球殻構造を示す一部断面図である。 ロータ１０２とステータ１０３の球殻構造を示す一部断面図である。

符号の説明

１ 軸受
２ 軸受
３ 球体
４ 球面モータ
４１ ロータ
５ 出力軸
６ 球面軸受
７ 球面モータ
７１ ロータ
８ 球面モータ
８１ ロータ
９ 球体
１０ 出力軸
１１ 球体
１２ 出力軸
１３〜２１ 球面モータ
２２ 球体
２３ 球面モータ支持体
２４〜３３ 球面モータ
１０１ 球面軸受
１０２ ロータ
１０３ ステータ
１０４，１０６ 頂点
１０５，１０７ 中心部
１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０ 電磁石
１０９，１１１，１１３，１１５，１１７，１１９ 永久磁石
１０４Ａ，１０６Ａ，１０７Ａ，１０８Ａ，１０９Ａ 電磁石
１０５Ａ，１１０Ａ，１１１Ａ，１１２Ａ，１１３Ａ，１１４Ａ 永久磁石
１０４Ｂ，１０５Ｂ，１０６Ｂ，１０７Ｂ、１０８Ｂ 永久磁石
１０９Ｂ，１１０Ｂ，１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ，１１５Ｂ，１１６Ｂ，１１７Ｂ 電磁石
１１８Ｂ，１１９Ｂ，１２０Ｂ，１２１Ｂ、１２２Ｂ 永久磁石
１２３Ｂ，１２４Ｂ，１２５Ｂ，１２６Ｂ，１２７Ｂ，１２８Ｂ，１２９Ｂ，１３０Ｂ 電磁石
１０４Ｃ，１０５Ｃ 永久磁石
１０６Ｃ ロータの外側の球殻
１０７Ｃ ロータの内側の球殻

Claims (7)

1. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなる球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
2. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータに内接する多面体の頂点に対応する永久磁石表面の極性と各面の中心部に対応する永久磁石表面の極性とを反対に構成し、前記ステータの電磁石に電流を流して前記永久磁石を吸引して前記ロータを回転させる時、前記電磁石表面に形成される極性が前記永久磁石表面の極性と反対になるように構成した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
3. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなる球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
4. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータに内接する多面体の頂点に対応する永久磁石表面の極性と各面の中心部に対応する永久磁石表面の極性とを反対に構成し、前記ステータの電磁石に電流を流して前記永久磁石を吸引して前記ロータを回転させる時、前記電磁石表面に形成される極性が前記永久磁石表面の極性と反対になるように構成した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
5. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータの前記電磁石の組み合わせが、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成、またはロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
6. 球面モータと、該球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記球面モータを駆動することにより前記球体を回転させるか、又は、複数の球面モータと、該複数の球面モータのロータに接するように配置された球体とからなり、前記複数の球面モータを駆動することにより前記球体を回転させる球面加減速駆動機構であって、
   前記球面モータが、正１２面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、ケルビンの１４面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなり、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータの前記電磁石の組み合わせが、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成、またはロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置した球面ステッピングモータであることを特徴とする球面加減速駆動機構。
7. 前記球体に出力軸が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つの請求項に記載の球面加減速駆動機構。