JP5464595B2

JP5464595B2 - 多極球面ステッピングモータおよび多極球面ａｃサーボモータ

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Publication number: JP5464595B2
Application number: JP2010175157A
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: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: JP2012039687A; US20130127285A1; US9178393B2; WO2012017781A1

Description

本発明は、多極球面ステッピングモータおよび多極球面ＡＣサーボモータに関する。

特許文献１には、本件発明者の発明に係る３次元モータが記載されている。この３次元モータは、互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線を設け、それによって任意の方向の合成回転磁界の発生を可能としたステータと、そのステータ内に任意の方向に回転可能に支持され、ステータの回転磁界により回転するロータとを備えた３次元モータである。この３次元モータは、ロータに永久磁石を用いれば３次元同期モータ、ロータに誘導電流が流れる素材を用いれば３次元誘導モータ、ロータに凸極の磁性体を用いれば３次元リラクタンスモータが構成できる。

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ことを特徴とする球面ステッピングモータである。ロータの永久磁石とステータの電磁石の組み合わせとして、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する構成が採用可能となっている。

特許文献３には、本件発明者の発明に係る球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボ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、辺の中心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ことを特徴とする球面ステッピングモータである。ロータの永久磁石をハルバッハ配列として電磁石に正弦波電流を流すことにより球面ＡＣサーボモータを構成できる。

非特許文献１には、球面同期モータが記載されており、その構成は特許文献１に記載の３次元モータと同じである。

非特許文献２および非特許文献３には、球面誘導モータが記載されている。これらの文献に記載の球面誘導モータは、特許文献１に記載の３次元モータと同じ原理で回転する。非特許文献２に記載の球面誘導モータは、巻線が多極化しているところが特許文献１に記載の３次元モータと異なる。

非特許文献４には、球面リラクタンスモータが記載されている。この球面リラクタンスモータは、ステータの上下２段に円周上に配置した合計２０個の電磁石で回転磁界を作成し、ロータの上下２段に円周上に配置した凸極とのリラクタンスの変化を利用して回転力を発生するものである。

非特許文献５には、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、ステータに１６個の電磁石を底面中心に１個、その周りに５個、さらに外側に１０個をそれぞれ底面中心を中心とする円周上に配置し、ロータに底面中心を中心とする円周上にそれぞれ４個、８個、１２個の合計２４個の永久磁石を配置し、ロータを動かしたい近傍の電磁石に電流を流すことによりロータの磁石を引きつけてロータを回転させるものである。

非特許文献６には、非特許文献５に記載の球面ステッピングモータと異なる構成を有す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、球形のロータとステータを有し、ロータおよびステータを経度と緯度で分割し、ロータは各々の区画にＮ極とＳ極が表面を向いた永久磁石を交互に配置し、ステータは各々の区画に電磁石が配置されている。また、ロータは４段１２極の４８極の永久磁石を、ステータには１段あたり１６個で６段９６個の電磁石が配置されている。

特公平６−８５６３０号公報特開２００８−９２７５８号公報特開２００９−７７４６３号公報

J.Wang,; K.Mitchell,; G.W.Jewell; D.Howe,: Multi-Degree-of Freedom Spherical permanent Magnet Motors,Proc.ICRA2001 pp.1798-1805,2001 Bruno Dehez,; Damien Grenier,; Benoit Raucent,: Two-Degree-of Freedom Spherical Actuator for Omnimobile ROBOT. Proc.2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation,pp2381-2386,2002 田中,和多田,鳥居,海老原;球面球体アクチュエータの提案と設計.第１１回ＭＡＧＤＡコンファレンス講演論文集,pp.169-172,2002 K.M.Lee, H.Son, J.Joni: Concept Development and Design of a Spherical Wheel Motor(SWM).IEEE Transactions on Proceedings of the 2005 IEEE Int.Conf.Robotics and Automation,pp3663-3668,2005 David Stein,; Gregory S.Chirikjian,: Experiments in the Communication and Motion Planning of a Spherical Stepper Motor.ASME paper DET00/MECH-14115,pp.1-7,2000 K.Kahlen,; R.W.De Doncker: Current regulators for multiple-phase permanent magnet spherical machines.Proc.2000 IEEE Industrial Application,pp.2011-2015,2000

特許文献１に記載の３次元モータは、出力軸の可動範囲を大きくするために開口部を広くとろうとすると、互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線を設けることができなくなる問題がある。次善の策として、平面からそれぞれ１０度程度傾けた３次元空間内の３方向の軸周りに巻線を設けると、垂直軸周りの回転磁界が一番強力で、出力軸の回転軸が傾くほど回転磁界が弱くかつ大きさも不安定になるという問題がある。また、回転磁界にロータを追随させて回転させるため、ロータを３次元空間内で静止させることが困難である。さらに、この３次元モータは、巻線に電流を流したときの磁束を正弦波分布に近い状態に保つ必要があり、これを達成する工夫が必要になる。

また、非特許文献２に記載の球面同期モータは、出力軸を設けるために互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線のうち出力軸方向の巻線が欠落している。このため、回転軸が開口部中心軸から傾くに従って急激に回転力が減少するとともに不安定になる。また、特許文献１に記載の３次元モータと同様に静止させるのが困難である。また、この球面誘導モータは、多極化しているため、発生トルクが特許文献１に記載の３次元モータより小さくなる問題がある。

また、非特許文献３に記載の球面誘導モータは、開口部を設けるために巻線の一部が大きく欠落しているため、均一な回転磁界を開口部中心軸から大きく傾いた方向に合成するのは難しい。また、非特許文献２および非特許文献３に記載の球面誘導モータは、どちらも誘導モータであるためすべりが生じて、ロータの位置決めが困難である。

また、非特許文献４に記載の球面リラクタンスモータは、その構造から回転するロータの回転軸を±５度の範囲でしか傾けることができないという問題がある。

また、非特許文献５に記載の球面ステッピングモータは、電磁石もロータの永久磁石も底面中心周りの円周上に配置されている。従って底面中心周りの回転は電流を流す電磁石を規則的に決めることにより行えるが、他の方向にロータを回転させるための電磁石を決定するのは大変難しい。ロータの底面中心がステータの底面中心からずれるほどロータを回転させるのが困難になる。上記の原因は、電磁石も永久磁石も底面中心を中心とする同心円状に配置している構造によるものである。

また、非特許文献６に記載の球面ステッピングモータは、ロータを垂直軸周りに回転させるときは平面のロータ１２極、ステータ１６極のステッピングモータと同様の制御で回転できる。しかし、軸が傾くと突然制御が難しくなる。これは９６個の電磁石に流す電流をＤＳＰボードによる並列計算処理で決定しようとするものであるが、これが非常に難しいという問題がある。

上記の特許文献１および非特許文献２ないし非特許文献６に記載のモータは、全てにおいて開口部中央軸周りの回転については従来のモータの制御の延長上で行えるものの、軸の方向が開口部中央軸から離れるに従って制御が困難もしくは不能になるという問題がある。この原因はモータ構造が球対称になっていないことに起因している。

上記の問題は、特許文献２に記載の球面ステッピングモータによって解決することができる。この球面ステッピングモータは、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れても強力な駆動力が得られるとともに、回転制御が容易であり、かつ、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、大きな駆動力が得られることである。

しかし、特許文献２に記載の球面ステッピングモータは、ロータに永久磁石を配置する場合、多面体の各頂点に配置された永久磁石の極性はすべて同一であり、多面体の各面の中心に配置する永久磁石の極性を反対にして磁路を形成しても、多面体の各面の中心に位置する永久磁石に磁路が集中し、磁気飽和をまねいて出力が制限される可能性がある。

上記の問題は特許文献３に記載の球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータによって解決することができる。ロータに内接する多面体に、すべての面の画数が偶数の多面体（正六面体または切頂八面体）とすることにより、ロータに配置する永久磁石をＮ極とＳ極がすべて隣り合わせになるように配置することができる。これにより磁気飽和を避けた球面ステッピングモータと球面ＡＣサーボモータを構成できる。

しかし、特許文献３に記載の球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータはロータに内接する多面体がすべての面の角数が偶数の多面体に限られるため、ロータの構造が厳しい制限を受ける。また、特許文献２および特許文献３においてロータに内接する多面体とステータに内接する多面体の画数が互いに素の関係になければならない。このためロータおよびステータの構造に厳しい制限を受ける。また、ロータを回転させる前にロータとステータの回転軸を一致させる必要があり、そのための構造と制御を追加する必要がある。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、ロータに内接する多面体とステータに内接する多面体の選定をもっと自由に行えるようにし、球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータの設計自由度を飛躍的に増やす手段を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、球体に内接する仮想正四面体の頂点にＮ極の永久磁石を、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の中点にＳ極の永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正四面体の頂点、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の三等分点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータである。
第２の手段は、球体に内接する仮想正四面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を偶数等分した点にＮ極とＳ極の永久磁石が交互に隣り合わせるように配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正四面体の頂点、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の奇数等分点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータである。
第３の手段は、球体に内接する仮想正六面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を奇数等分した点にＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正六面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を偶数等分した点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータである。
第４の手段は、第１の手段ないし第２の手段のいずれか１つの手段に記載のロータおよびステータに内接する仮想正四面体をそれぞれ仮想正六面体、仮想正八面体、仮想正十二面体、仮想正二十面体、仮想半正多面体（仮想切頂四面体、仮想切頂六面体、仮想切頂八面体、仮想切頂十二面体、仮想切頂二十面体、仮想立方八面体、仮想二十・十二面体、仮想斜方立方八面体、仮想斜方二十・十二面体、仮想斜方切頂立方八面体、仮想斜方切頂二十・十二面体、仮想変形立方体、仮想変形十二面体）のいずれかと置き換えたことを特徴とする多極球面ステッピングモータである。
第５の手段は、第３の手段に記載のロータおよびステータに内接する仮想正六面体を仮想切頂八面体、仮想斜方切頂立方八面体、仮想斜方切頂二十・十二面体のいずれかと置き換えたことを特徴とする多極球面ステッピングモータである。
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つの手段に記載の多極球面ステッピングモータにおける、ロータの永久磁石をハルバッハ配列とし、電磁石に流す電流を正弦波電流としたことを特徴とする多極球面ＡＣサーボモータである。

特許文献２および特許文献３の球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータは、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れても、ロータ永久磁石とステータ電磁石の配置関係が、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央にある時と同等になる。したがって、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れてもロータの回転軸の方向がステータの開口部中央にある時と同等の強力な駆動力が得られるとともに、回転制御が容易な球面ステッピングモータが得られる特徴を有する。
それに対して、本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極球面ＡＣサーボモータによれば、上記の特許文献２および特許文献３の球面ステッピングモータの特徴を保持したまま、ロータおよびステータの構造の選択範囲が飛躍的に広がり、設計自由度が大幅に増加する。
また、本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極球面ＡＣサーボモータによれば、ロータに内接する多面体とステータに内接する仮想多面体として同一の多面体を選ぶことができる。したがって、ロータの回転軸をステータの回転軸とそろえる機構と制御を追加する必要のないシンプルな構成を実現できる
また、本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極球面ＡＣサーボモータを採用することにより、ロボットマニピュレータ、ステアリングを含む車輪駆動、能動鉗子をはじめとする多自由度システムが使用するモータの個数が大幅に減少し、これらシステムの小型・軽量化、制御の簡単化さらには省エネルギー化を実現することができる。

第１の実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２、３およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。図１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１の回転軸が真上を向いている状態を真上から見た図である。図３に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図３に対応する面である。第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの、ロータ１の回転軸が斜め下を向いている状態で、ロータ１の永久磁石とステータ２、３の電磁石の関係を表す図である。図５に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図５に対応する面である。第２の実施形態の発明に係るロータ１０１、ステータ１０２および１０３を組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。図７に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。第２の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１の回転軸が真上を向いている状態を真上から見た図である。図９に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図９に対応する面である。第２の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの、ロータ１０１の回転軸が真横を向いている状態で、ロータ１０１の永久磁石とステータ１０２、１０３の電磁石の関係を表す図である。図１１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図１１に対応する面である。本発明で仮想多面体として用いる多面体を示す図である。本発明で仮想多面体として用いる多面体を、さらに、示す図である。

はじめに、本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極ＡＣサーボモータの基本構成について説明する。本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極ＡＣサーボモータは、基本的には、内接する仮想多面体を構成する多角形の頂点、頂点を結ぶ円弧の分割点に永久磁石をＮ極とＳ極が隣り合わせになるように配置したロータと、内接する多面体を構成する多角形の頂点、頂点を結ぶ円弧の分割点に電磁石を配置したステータとから構成される。

本発明の多極球面ステッピングモータおよび多極ＡＣサーボモータは、ロータに内接する多面体およびステータに内接する仮想多面体を、以下の多面体の中から任意に選定して構成することができる。正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体、切頂八面体、切頂四面体、切頂六面体、切頂八面体、切頂十二面体、切頂二十面体、立方八面体、二十・十二面体、斜方立方八面体、斜方二十・十二面体、斜方切頂立方八面体、斜方切頂二十・十二面体、変形立方体、変形十二面体。

（実施例１）
次に、本発明の第１の実施形態を図１ないし図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るロータ１、ステータ上半球２、ステータ下半球３およびその中心軸を示す図、図２は図１に示したロータとステータを組み合わせた球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１に示すように、ロータ１には、内接する仮想正四面体の４個の頂点４から頂点７、および頂点を結ぶ円弧の中点に対応する点８から１３に表面がロータ１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。永久磁石の極性は、隣り合う永久磁石の極性が互いに反転するようにする。すなわち、点４，５，６，７はＮ極が外側、頂点８，９，１０，１１，１２，１３はＳ極が外側となるように永久磁石が埋め込まれている。一方、ステータ２および３には、内接する仮想正四面体の頂点１４から頂点１７および頂点を結ぶ円弧の三分割点１８から２９に対応する位置に電磁石が配置されている。

次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作を図３ないし図６を用いて説明する。
図３は、この球面ステッピングモータのロータ１の出力軸が真上を向いている状態を真上から見た図、図４は図３に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図３に対応する面である。
図３において、電磁石１８，２０，２２がＮ極、電磁石１９，２１，２３がＳ極、電磁石１４，１５，１６は回転直後にＮ極になるように電流を流す。すると永久磁石４，５，６，８，９，１０がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石４が電磁石１９と一番近い距離になるところまで（２０度）ロータ１が時計回りに回転する。この時に電磁石１９，２１，２３を切り、ロータ１がさらに回転したところで電磁石１９，２１，２３がＮ極になるように電流を流す。すると、引き続きロータ１は時計回りに２０度回転する。

以下、図３に示す位置を基準として、電磁石１８，２０，２２は最初Ｎ極、４０度でＳ極、１００度でＮ極、１６０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１９，２１，２３は最初Ｓ極、２０度でＮ極、８０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１４、１５，１６は０度から回転開始直後にＮ極、６０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。これにより、ロータ１は時計回りに連続回転することができる。

次に、本実施形態の発明に係る多極球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作を図５ないし図６を用いて説明する。
図５はステータ２および３に対してロータ１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを矢印方向から見た図である。図５は対応する番号が違うものの、ロータの永久磁石とステータの電磁石の位置関係は同じである。したがって、図５に示す位置を基準として、電磁石２３，２５，２８は最初Ｎ極、４０度でＳ極、１００度でＮ極、１６０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２２，２４，２９は最初Ｓ極、２０度でＮ極、８０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１４、１５，１７は０度から回転開始直後にＮ極、６０度でＳ極、以下、ロータ１が６０度回転するごとに極性を切り替える。これにより、ロータ１は矢印を回転軸として時計回りに連続回転することができる。

この球面ステッピングモータにおいては、ロータを、ステータに内接する正四面体の面の中心線を軸として回転させることができる。軸は４本あり、任意の４軸周りにロータ１を連続回転させることができる。以上の制御方法から、本実施形態の多極球面ステッピングモータは、制御方法および出力トルクがロータの向きに依存して変動することはない特徴を有していることがわかる。

（実施例２）
次に、本発明の第２の実施形態を図７および図８を用いて説明する。
図７は、本実施形態の発明に係るロータ１０１、ステータ上半球１０２、ステータ下半球１０３およびその中心軸を示す図、図８は図７に示したロータ、ステータ上半球ロータ、およびステータ下半球を組み合わせた球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１に示すように、ロータ１には、内接する仮想正六面体の８個の頂点１０４から頂点１１１、および頂点を結ぶ円弧の三分割点に対応する２４の点１１２から１３５に表面がロータ１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。永久磁石の極性は、隣り合う永久磁石の極性が互いに反転するようにする。たとえば、辺の上に並んでいる点１０４、１１２，１１３，１０５は交互にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極となる。
一方、ステータ１０２および１０３は、内接する仮想正六面体の８個の頂点１３６から頂点１４３、および頂点を結ぶ円弧の中点１４４から１５５に対応する位置に電磁石が配置されている。

この球面ステッピングモータは、第１の実施形態の球面ステッピングモータのロータおよびステータに内接する多面体を正六面体にし、ロータに内接する多面体の頂点および辺の奇数分割点に永久磁石をＮ極とＳ極が隣り合わせになるように配置し、ステータに内接する多面体の頂点および辺の偶数分割点に電磁石を配置することを特徴とする。

次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作を図９ないし図１２を用いて説明する。
図９は、この球面ステッピングモータのロータ１０１の出力軸が真上を向いている状態を真上から見た図、図１０は図９に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図９に対応する面である。
図９において、電磁石１４１，１４３がＮ極、電磁石１４０，１４２がＳ極、電磁石１３６，１３８は回転直後にＮ極、電磁石１３７，１３９は回転直後にＳ極、になるように電流を流す。すると永久磁石１０４から１０７および１１２から１１９がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石１１３が電磁石１４０と一番近い距離になるところまで（１５度）ロータ１０１が時計回りに回転する。この時に電磁石１４０，１４１，１４２、１４３を切り、ロータ１がさらに回転したところで電磁石１４１，１４３がＮ極、電磁石１４０，１４２がＳ極になるように電流を流す。すると、引き続きロータ１は時計回りに１５度回転する。

以下、図９に示す位置を基準として、電磁石１４１，１４３は最初Ｎ極、１５度でＳ極、４５度でＮ極、７５度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１４０，１４２は最初Ｓ極、１５度でＮ極、４５度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１３７、１３９は０度から回転開始直後にＮ極、３０度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１３６、１３８は０度から回転開始直後にＳ極、３０度でＮ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。これにより、ロータ１０１は時計回りに連続回転することができる。

次に、本実施形態の発明に係る多極球面ステッピングモータの水平軸周りの回転動作を図１１ないし図１２を用いて説明する。
図１１はステータ１０２および１０３に対してロータ１０１の回転軸にある球面ステッピングモータを水平軸方向から見た図である。図１１は対応する番号およびロータの回転角度が違うものの、ロータの永久磁石とステータの電磁石の関係は同じである。したがって、図１１に示す位置を基準として、電磁石１４４，１５２は最初Ｎ極、１５度でＳ極、４５度でＮ極、７５度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１４８，１４９は最初Ｓ極、１５度でＮ極、４５度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１３６、１４１は０度から回転開始直後にＮ極、３０度でＳ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１３７、１４０は０度から回転開始直後にＳ極、３０度でＮ極、以下、ロータ１０１が３０度回転するごとに極性を切り替える。これにより、ロータ１０１は水平軸を回転軸として時計回りに連続回転することができる。

この球面ステッピングモータにおいては、ロータを、ステータに内接する仮想正六面体の面の中心線を軸として回転させることができる。軸は３本あり、任意の３軸周りにロータ１０１を連続回転させることができる。以上の制御方法から、本実施形態の多極球面ステッピングモータも、制御方法および出力トルクがロータの向きに依存して変動することはない特徴を有していることがわかる。

（多極球面ＡＣサーボモータ）
上記球面ステッピングモータにおいて、ロータに配置された永久磁石のＮ極とＳ極との中間に永久磁石をハルバッハ配列となるように追加配置し、電磁石に流す電流を正弦波電流とすれば、多極球面ＡＣサーボモータとして構成することができる。

なお、本発明で仮想多面体として用いる多面体を、図１３、図１４に示す。

ロボットマニピュレータ、ステアリングを含む車輪駆動、能動鉗子をはじめとする多自由度システムが使用するモータの個数が大幅に減少し、これらシステムの小型・軽量化、制御の簡単化さらには省エネルギー化を実現することができる。

１第１の実施形態のロータ
２第１の実施形態のステータ上半分
３第１の実施形態のステータ下半分
４〜１３ロータ１の永久磁石
１４〜２９ステータ２、３の電磁石
１０１第２の実施形態のロータ
１０２第２の実施形態のステータ上半分
１０３第２の実施形態のステータ下半分
１０４〜１３５ロータ１０１の永久磁石
１３６〜１５５ステータ１０２、１０３の電磁石

Claims

球体に内接する仮想正四面体の頂点にＮ極の永久磁石を、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の中点にＳ極の永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正四面体の頂点、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の三等分点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータ。
球体に内接する仮想正四面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を偶数等分した点にＮ極とＳ極の永久磁石が交互に隣り合わせるように配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正四面体の頂点、頂点を結ぶ辺に対応する円弧の奇数等分点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータ。
球体に内接する仮想正六面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を奇数等分した点にＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正六面体の頂点および頂点を結ぶ辺に対応する円弧を偶数等分した点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする多極球面ステッピングモータ。
請求項１ないし請求項２のいずれか１つの請求項に記載のロータおよびステータに内接する仮想正四面体をそれぞれ仮想正六面体、仮想正八面体、仮想正十二面体、仮想正二十面体、仮想切頂四面体、仮想切頂六面体、仮想切頂八面体、仮想切頂十二面体、仮想切頂二十面体、仮想立方八面体、仮想二十・十二面体、仮想斜方立方八面体、仮想斜方二十・十二面体、仮想斜方切頂立方八面体、仮想斜方切頂二十・十二面体、仮想変形立方体、仮想変形十二面体のいずれかと置き換えたことを特徴とする多極球面ステッピングモータ。
請求項３に記載のロータおよびステータに内接する仮想正六面体を仮想切頂八面体、仮想斜方切頂立方八面体、仮想斜方切頂二十・十二面体のいずれかと置き換えたことを特徴とする多極球面ステッピングモータ。
請求項１ないし請求項５のいずれか１つの請求項に記載の多極球面ステッピングモータにおける、ロータの永久磁石をハルバッハ配列とし、電磁石に流す電流を正弦波電流としたことを特徴とする多極球面ＡＣサーボモータ。