JP5120961B2

JP5120961B2 - 球面減速駆動機構

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Publication number: JP5120961B2
Application number: JP2009044254A
Authority: JP
Inventors: 智昭矢野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010200538A

Description

本発明は、球面減速駆動機構に係り、特に、球面モータを利用した球面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、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。

特許文献２には、本件発明者の発明に係る球面加減速機構が記載されている。この球面加減速機構は、上記特許文献１の球面モータのロータに外側から球体を押しつけることにより、球面モータのロータの回転速度を加減速すると同時に、出力トルクも加減することを特徴としている。

特開２００８−９２７５８号公報特開２００９−５５５０号公報

しかし、特許文献２に記載の球面加減速機構は、球面モータのロータの半径とロータに押しつける球体の半径の比で減速比が決定するため、減速比を大きくとれないという問題を有している。また、減速比を大きくとろうとすると押しつける球体の半径がロータの半径と比較して大きくなり、球面加減速機構を組み込んだシステムが非常に大きく重いものになってしまうという問題があった。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、球面モータの、任意の方向に無限回転するロータの回転を大幅に減じるとともに出力トルクを大幅に増加させることが可能な小型で部品点数も少ない球面減速駆動機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次のような手段を採用した。
本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに偶数個だけ少ない数の歯を有し、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に長軸方向の２箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と２箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。
また、本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに少ない数の歯を有し、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に１箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と１箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。
また、本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかにＫの整数倍個だけ少ない数の歯を有し、ただしＫは３以上の自然数、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝にＫ箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝とＫ箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。

本発明の球面減速駆動機構によれば、特許文献２に記載されたものに比べて、小型かつ部品点数の少ない機構で減速比が大きくとれ、球面モータの出力トルクを大幅に増加させることが可能となる。

第１の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図である。第１の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の構成を示す斜視図である。第１の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の動作原理を示す図である。第１の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構のベルトが斜めになっている状態を示す図である。第１の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構のベルトが斜めになっている状態の動作原理示す図である。第２の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図である。第２の実施形態の発明に係る球面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減速駆動機構の動作原理を示す図である。第３の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図である。第３の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の構成を示す図である。第３の実施形態の発明に係る球面減速駆動機構の動作原理を示す図である。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。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、および、ｂはケルビンの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。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、および、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。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、および、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。

球面モータのロータと、球面モータのロータの外表面に摺動可能に支持され、歯を刻んだベルトと、ベルトの歯とかみあい、ベルトの歯数よりわずかに多い溝を内面に有する外球殻と、ベルトの回転を取り出す出力軸とからなり、球面モータのロータの任意の方向の回転を大幅に減速して出力軸から出力することを実現した。

（実施例１）
はじめに、本発明の第１の実施形態を、図１および図２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減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図２はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図１において、１は出力軸、２は歯を１８刻んだベルト、３は球面モータの、任意の方向に回転可能な楕円体のロータ、４は、内面に、Ｘ軸周りに同心円となる形状の溝を２０刻んだ外球殻である。
図２において外球殻４と、楕円体のロータ３の内側にある球面モータのステータ（図示せず）とは固定されており、楕円体のロータ３は任意の方向に回転駆動される。ベルト２は楕円体のロータ表面の支持溝にはまっており、楕円体のロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。楕円体のロータ３がベルト２を外球殻４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸１はベルト２に固定されており、ベルト２の変形に応じて変形しながらベルト２の回転を外部に取り出す構造となっている。

次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図３はベルト２が図２のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルト２の歯は、外球殻４の内面の溝にロータ３の長軸方向の２箇所で押しつけられてかみ合っているので、球面モータの楕円体のロータ３をＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト２がロータ表面の支持溝中で滑って変形し、ベルト２の外球殻の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらに楕円体のロータを回転させると、ベルト２はロータ表面の支持溝中を滑りながら、ベルト２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、楕円体のロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２の歯は１８枚なので、ベルト２は外球殻の２枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。楕円体のロータが１０回転するとベルト２が１回転するので、減速比は１０になる。
図４はベルト２が図２のＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた面内にあるときの斜視図、図５はＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面における球面減速機構の断面図である。
図５は断面の角度が異なっている以外は図３と同様である。したがって、球面モータの楕円体のロータ３を、ＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面内で時計方向に回転させると、ベルト２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、楕円体のロータがＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面内で時計方向に一周するとベルト２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２の歯は１８枚なので、ベルト２は外球殻の２枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。楕円体のロータが１０回転するとベルト２が１回転するので、減速比は１０になる。
ベルト２がＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させた面内にあるときはいつも上記と同様の議論が成立する。したがって、本発明の球面減速機構は、楕円体のロータの任意方向の回転に対して減速比１０の減速を実現する。

外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より２枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２００枚、ベルトの歯を１９８枚とすると減速比は１００になる。
いま、図１から図３を一般化して外球殻の溝の数をＬ１、ベルトの歯の数をＭ１、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ１とすると、ベルトの長さは外球殻の内周より歯Ｎ１枚分短い。ロータの外周は２箇所で外球殻と内接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ１回転するとベルトはＮ１回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ１／Ｎ１となる。Ｌ１、Ｍ１、Ｎ１は２の倍数でなければならない。
図１ではロータの形状を楕円体としたが、ロータの形状は、ベルト２を外球殻に向かい合う２カ所で押しつけることができる形状ならどのような形状でもよい。

本実施形態の発明に係る球面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小型で高トルクの球面関節駆動システムを提供することができる。

（実施例２）
次に、本発明の第２の実施形態を図６および図７を用いて説明する。
図６は、本実施形態の本発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図７はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図６において、１１は出力軸、１２は歯を１９刻んだベルト、１３は球面モータの、任意の方向に回転可能な、球体のロータ、１４は内面に溝を２０刻んだ外球殻である。
図７において外球殻１４と、球体のロータ１３の内側にある球面モータのステータ（図示せず）とは固定されており、球体のロータ１３は任意の方向に回転駆動される。ベルト１２は球体のロータ表面の支持溝にはまっており、球体のロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。球体のロータ１３がベルト１２を外球殻１４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸１１はベルト１２に固定されており、ベルト１２の変形に応じて変形しながらベルト１２の回転を外部に取り出す構造となっている。

次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図８はベルト１２が図７のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルト１２の歯は、外球殻１４の溝にロータ１３により１箇所で押しつけられてかみ合っているので、球面モータの球体のロータ１５を外球殻の中心を中心として（球体の中心ではない）ＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト１２がロータ表面の支持溝中で滑って変形し、ベルト１２の、外球殻の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらに球体のロータを回転させると、ベルト１２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、球体のロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト１２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト１２の歯は１９枚なので、ベルト１２は外球殻の１枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。球体のロータが２０回転するとベルト１２が１回転するので、減速比は２０になる。
第１の実施形態同様に、第２の実施形態においても、ＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させたときにも図８と類似の関係が成立する。
したがって、本発明の球面減速機構は、球体のロータの任意方向の回転に対して減速比２０の減速を実現する。

外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より１枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２００枚、ベルトの歯を１９９枚とすると減速比は２００になる。
いま、図６から図８を一般化して外球殻の溝の数をＬ２、ベルトの歯の数をＭ２、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ２とすると、ベルトの長さは外殻球の内周より歯Ｎ２枚分短い。ロータの外周は１箇所で外球殻と内接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ２回転するとベルトはＮ２回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ２／Ｎ２となる。
図６ではロータの形状を球体としたが、ロータの形状は、ベルト１２を外球殻に１カ所で押しつけることができる形状ならどのような形状でもよい。

（実施例３）
次に、本発明の第３の実施形態を図９および図１０を用いて説明する。
図９は、本実施形態の本発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図１０はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図９において、２１は出力軸、２２は歯を１８刻んだベルト、２３は球面モータの、任意の方向に回転可能な、ベルトを３点で球殻の内面と接触させる形状のロータ、２４は内面に溝を２１刻んだ外球殻である。
図１０において外球殻２４と、ロータ２３の内側にある球面モータのステータは固定されており、ロータ２３は任意の方向に回転駆動される。ベルト２２はロータ表面の支持溝にはまっており、ロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。ロータ２３がベルト２２を外球殻２４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸２１はベルト２２に固定されており、ベルト２２の変形に応じて変形しながらベルト２２の回転を外部に取り出す構造となっている。

次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図１１はベルト２２が図１０のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルトを３箇所で外球殻の内面と接触させる形状のロータ２３を、ＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト２２がロータ表面の支持溝中を滑って変形し、ベルト２２の外球殻内面の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらにロータを回転させると、ベルト２２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、ロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト２２の１８の歯が、外球殻内面の２１の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２２の歯は１８枚なので、ベルト１２は外球殻の３枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。ロータが２１回転するとベルト２２が３回転するので、減速比は７になる。
第１の実施形態同様に、第３の実施形態においても、ＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させたときにも図１１と類似の関係が成立する。
したがって、本発明の球面減速機構は、ロータの任意方向の回転に対して減速比７の減速を実現する。

外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より３枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２０１枚、ベルトの歯を１９８枚とすると減速比は６７になる。
いま、図９から図１１を一般化して外球殻内面の溝の数をＬ３、ベルトの歯の数をＭ３、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ３、ロータに押しつけられてベルトの歯が外球殻の溝に同時にはまる数をＫとすると、ベルトの長さは外殻球の内周より歯Ｎ３枚分短い。ロータの外周はＫ箇所で外球殻と接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ３回転するとベルトはＮ３回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ３／Ｎ３となる。ただし、Ｌ３、Ｎ３、Ｍ３はＫの倍数である必要がある。

次に、上記の第１から第３の各実施形態の発明に係る球面減速駆動機構における球面モ
ータについて説明する。
第１から第３の各実施形態において、外球殻の内側にある球面モータは、ステータが内部にあって外部のロータを駆動する方式を採用している。外球殻と球面モータのステータとは固定であって、球面モータのステータは外球殻の内側にあり、外球殻の下部から支持棒などで支えられている構造とし、さまざまな形状のロータを外球殻の中心を回転中心として任意の方向に回転駆動することが可能である。
（球面モータの説明）
この球面モータは、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１
２面体（５角形）。

図１２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って、説明の都合上、ステータの内側にロータがある方式のもので説明するが、後述するようにロータの内側にステータがある方式であっても同様である。
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１３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１４（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１４（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１５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１６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１７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１４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１７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１８（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１８（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１９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１９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１９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２０（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２０（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２１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２１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（１１８Ｂ，１１９Ｂ，１２０Ｂ，１２１Ｂ，１２２Ｂ）とステータ１０３の２段目と１段目の電磁石８個（１２３Ｂ，１２４Ｂ，１２５Ｂ，１２６Ｂ，１２７Ｂ，１２８Ｂ，１２９Ｂ，１３０）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１５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、ロータ側を固定してステータとし、ステータ側（外側）を可動としてロータとする、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。本実施形態では、ロータ側を固定してステータとし、ステータ側(外側)を可動としてロータとして使用している。

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１３に示すように、内接する正１２面体の頂点１０４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２２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２２の矢印に示すような磁路が形成される。

ステータ１０３は、図１４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１５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１５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２３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。

球面モータと組み合わせた本機構は、コンパクトで省資源省エネルギーとなる球面減速駆動機構を実現したものであるから、球面の動きが必要でかつ高トルクを必要とする用途において適用可能であり、例えば、ロボットの肩関節など、要素を球面駆動させる際の駆動機構として用いることができる。

１出力軸
２ベルト
３球面モータの楕円体のロータ
４外球殻
１１出力軸
１２ベルト
１３球面モータの偏心した球体のロータ
１４外球殻
２１出力軸
２２ベルト
２３球面モータの偏心した球体のロータ
２４外球殻
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

軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに偶数個だけ少ない数の歯を有し、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に長軸方向の２箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と２箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。
軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに少ない数の歯を有し、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に１箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と１箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。
軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかにＫの整数倍個だけ少ない数の歯を有し、ただしＫは３以上の自然数、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝にＫ箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝とＫ箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。