JP5618085B2

JP5618085B2 - ３軸球面モータ

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Publication number: JP5618085B2
Application number: JP2011030216A
Authority: JP
Inventors: 上野　敏幸; 敏幸上野
Original assignee: 上野　敏幸; 敏幸上野
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: JP2012170270A

Description

本発明は、３自由度の回転を球ロータに発生させる３軸球面モータに関する。

１つで、３自由度の回転（いわゆる、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及び、ｚ軸方向への回転）を発生させる３軸球面モータは、例えば、工業用内視鏡カメラの角度制御、マイクロロボットの関節駆動など、幅広い産業的用途が想定される。

よって、従来、複数の方式による３軸球面モータが開発されている。

具体的には、圧電材料を球体に押しつけ、高周波数・超音波領域における変形を作用させることによる摩擦駆動で球を回転させる、圧電式球面モータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、他の方式として、電磁力で球ロータを回転させる、電磁式球面モータが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

これらとは別に、回転方向が２軸（ｘ軸及びｙ軸）方向に限定されるが、磁歪素子を利用した球面モータが提案されている（特許文献３を参照）。

特開２００３−７０２７２号公報特開２００９−１００６３６号公報特開２００９−１３０９８８号公報

しかしながら、圧電式球面モータでは、共振変形を利用するため、高電圧・高周波数を発生させるための電源が必要となり小型化が難しい。

また、電磁式球面モータでは、コイルや保持機構を含め、構成が複雑とならざるを得ず、モータの小型化が難しいという課題がある。

一方、特許文献３に示される方法では、モータの小型化は可能であるが、球面モータの回転軸が２軸しかなく、回転方向の自由度が限られるという課題がある。

そこで、本発明は、従来よりも小型化が容易な３軸球面モータを提供することを目的とする。

本発明のある局面に係る３軸球面モータは、磁性体により形成された固定部と、柱状に形成され、Ｎ極又はＳ極のいずれかの磁極を有する一端が前記固定部上の面である固定面に対して固定されている永久磁石と、Ｕ字形状に形成された磁歪材料である複数の駆動体と、球状に形成された磁性体である球ロータとを備え、前記複数の駆動体は、前記永久磁石の周囲を取り囲み、前記Ｕ字形状をした面である正面が前記永久磁石と対面するように、前記Ｕ字形状の２本の足の端が前記固定面に対して固定され、前記球ロータは、前記永久磁石の端のうち前記固定面に固定されていない他端の磁力により保持され、かつ、前記複数の駆動体の正面のうち、前記Ｕ字形状の２本の足を繋ぐ梁構造に相当する部分である駆動面の全てに対して接触するように保持され、前記複数の駆動体の各々が有する２本の足の各々には、コイルが巻かれている。

この構成によると、固定部、駆動体及び球ロータは全て磁性体であるため、永久磁石が発生させる磁場は、各駆動体の内部に磁束を発生させる。その結果、磁歪材料である各駆動体は常に伸びた状態となる。また、駆動体の２本の足に巻かれたコイルに電流を流すと、電流の向きに対応して、永久磁石により生じる磁束と（１）同じ向き、又は、（２）異なる向きのいずれかの磁束が駆動体の内部に生じる。ここで同じ向きの磁束が生じた足は、磁束が増加する結果さらに伸びる。一方、異なる向きの磁束が生じた足は、磁束が減少する結果、縮む。このように、各駆動体が有するＵ字形状の２本の足の長さが、各々独立に伸縮することにより、３軸球面モータが備える各駆動体は、球面ロータに対して、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸いずれの方向にも回転させることが可能なトルクをかけることができる。また、従来技術と比較し、高周波数の電源等が不要であり、また、構成もシンプルである。よって、従来よりも小型化が容易な３軸球面モータを提供できる。

具体的には、前記複数の駆動体の各々は、前記２つのコイルに各々逆方向の磁束を生じさせる向きの電流である第１駆動電流が前記２つのコイルの各々へ流されると、前記球ロータの中心を通り、当該駆動体の長手方向に平行な軸である第１軸を中心にして前記球ロータを回転させるとしてもよい。

このように、Ｕ字形状に形成された駆動体の一方の足を縮め、他方の足を伸ばすことで、駆動体は、固定面に対して水平方向のトルクを球面ロータに加えることができる。また、駆動体の双方の足を同時に縮め、又は伸ばすことで、固定面に対して垂直方向のトルクを球面ロータに加えることができる。その結果、３軸球面モータは、球面ロータを３軸いずれの方向にも回転させることができる。

また、前記複数の駆動体の長さは、前記駆動面が、前記球ロータの外周で前記球ロータと接触するよう定められるとしてもよい。

このように、加圧部を備えることで、３軸球面モータは、各駆動体を球ロータにより強く押しつけることができる。その結果、各駆動体と球ロータとの間の摩擦力が上がり、各駆動体は球ロータへより効率よく大きなトルクをかけることができる。

また、前記駆動面の各々が、前記球ロータへ押しつけられるように、前記複数の駆動体の各々に対して圧力を加える加圧部をさらに備えるとしてもよい。

この構成によると、３軸球面モータは、球ロータの回転をより安定して制御することができる。

また、前記永久磁石の端のうち前記固定面に固定されていない他端と、前記球ロータとの間に、スペーサをさらに備え、前記スペーサは、前記球ロータと接する側の面に凹部を有し、前記球ロータは、前記凹部の縁に接して保持されるとしてもよい。

スペーサにより、球ロータに働く吸引力及び垂直抗力が減少する。その結果、より効率よく球ロータを回転させることができる。さらに、球ロータに働く吸引力の向きを最適な方向へと調整することができるため、より安定して回転させることができる。

また、前記複数の駆動体の数は４つであり、前記永久磁石を中心に、前記固定面に対して９０度等配に固定されるとしてもよい。

具体的には、前記複数の駆動体のうち、対面する２つの駆動体は、一方の駆動体が有する前記２つのコイルへ前記２つのコイルに同方向の磁束を生じさせる向きの電流である前記第２駆動電流が流され、他方の駆動体が有する前記２つのコイルへ前記第２駆動電流とは位相が反転している第３駆動電流が流されると、前記球ロータの中心を通り、各駆動体が有する一方の足から他方の足へと向かう方向に平行な軸である第２軸を中心にして、前記球ロータを回転させ、前記第２駆動電流は、ノコギリ状の波形を有するとしてもよい。

さらにまた、前記複数の駆動体の各々が有する前記２つのコイルへ前記第１駆動電流が流されると、当該駆動体は、前記第１軸を中心にして前記球ロータを回転させ、前記第１駆動電流は、ノコギリ状の波形を有し、前記球ロータの回転方向は、前記駆動体が有する２本の足のうち、前記第１駆動電流により長さが伸びる側の足から、前記第１駆動電流により長さが縮む側の足へと向かう方向であってもよい。

ここで、駆動電流がノコギリ形状をしているため、屈曲動作は、元に戻る動作と比較し、緩慢となる。その結果、駆動体と球ロータとの接点におけるスリップの量は、屈曲動作時と比較し、元に戻る動作時の方が大きくなる。このスリップ量の差分が、第１駆動電流の１周期分に対応する、球ロータの回転量となる。このような第１駆動電流を連続的にコイルに流すことで、３軸球面モータは球ロータを同一方向へ連続して回転させることが可能となる。

より具体的には、前記加圧部は、中心に対して等配位置に固定された前記複数の駆動体を、当該複数の駆動体の外側から前記中心の方向へと締め付ける金具としてもよい。

この構成によると、駆動体と球ロータとの間の摩擦力が大きくなり、３軸球面モータは、効率よく大きなトルクで球ロータを回転させることができる。

以上より、本発明は、従来よりも小型化が容易な３軸球面モータを提供できる。

本発明の実施の形態及び変形例に係る３軸球面モータの構成例を示す第１の外観図である。本発明の実施の形態及び変形例に係る３軸球面モータの構成例を示す第２の外観図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例に係る駆動体が、球ロータを回転させる仕組みを説明する概念図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例における駆動電流の波形の一例を示す図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例に係る駆動体に作用する磁束の向きを説明する概念図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例において、ｘ軸を中心に球ロータを回転させる場合の、３軸球面モータの動きを説明する概念図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例において、ｙ軸を中心に球ロータを回転させる場合の、３軸球面モータの動きを説明する概念図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例において、ｚ軸を中心に球ロータを回転させる場合の、３軸球面モータの動きを説明する概念図である。本発明の実施の形態の変形例における加圧部の一例を示す外観図である。本発明の実施の形態１及び２並びに変形例における他のの駆動電流の波形の例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る３軸球面モータの構成例を示す図である。本発明の実施の形態２に係るスペーサの効果を説明する図である。本発明の実施の形態１及び２における駆動体間の距離の一例を示す図である。

以下、本発明に係る３軸球面モータの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る３軸球面モータ１００の構成を説明する。

図１は、本実施の形態に係る３軸球面モータ１００の構成例を示す第１の外観図である。３軸球面モータ１００の大きさは、例えば、縦、横、奥行きのいずれも数ｍｍ以内とすることができる。

図１に示されるように、３軸球面モータ１００は、球ロータ２０２と、永久磁石２０４と、固定部２０６と、駆動体Ａ１と、駆動体Ａ２と、駆動体Ｂ１と、駆動体Ｂ２とを備える。

球ロータ２０２は、球状に形成された磁性体である。

３軸球面モータ１００は、球ロータ２０２を、３軸（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の任意の方向に回転するよう制御することができる。例えば、球ロータ２０２の先端にカメラを取り付けると、ユーザはカメラの向きを３軸方向に自由に制御することができる。

球ロータ２０２は、後述する永久磁石２０４の端のうち固定面に固定されていない他端との間に働く磁力により保持され、かつ、複数の駆動体の正面のうち、Ｕ字形状の２本の足を繋ぐ梁構造に相当する部分である駆動面の全てに対して接触するように保持される。ここで、駆動体の正面とは、駆動体が有する側面のうちＵ字形状をした面である。

球ロータ２０２の材料は、いわゆる磁性体であればよく、例えば鉄、ニッケル等の合金等を使用することが考えられる。球ロータ２０２の大きさは、例えば直径が１ｍｍ〜数ｍｍ程度とすることが考えられる。

永久磁石２０４は、柱状に形成された永久磁石である。永久磁石２０４は、Ｎ極又はＳ極のいずれかの磁極を有する一端が、固定部２０６上の面である固定面に対して固定されている。

固定面に固定される磁極の向きは、Ｎ極及びＳ極のいずれでもよいが、本実施の形態においては、図１に示されるように、Ｓ極側が固定面に固定されている。

固定部２０６は、磁性体により形成される、固定用の治具である。固定部２０６の形状は任意の形状でよいが、図１に示されるように、球ロータ２０２を挟み込めるように複数の駆動体及び永久磁石２０４を固定可能な固定面を有する必要がある。

駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１、及び、駆動体Ｂ２は、各々、Ｕ字形状に形成された磁歪材料である。磁歪材料は、磁場を受けると、長さが伸び、磁場が消えると元の長さに戻るという性質を有する。各駆動体の材料には、駆動体は良好な加工性と，曲げ変形や，圧力に対する耐性を備える延性を持つ材料を使用することが望ましい。具体的には、Ｆｅ−Ｇａ合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）やＦｅ−Ｃｏ合金（パーメンジュール）等を使用することが考えられる。

複数の駆動体（本実施の形態においては、駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１、及び、駆動体Ｂ２）は、永久磁石２０４の周囲を取り囲み、Ｕ字形状をした面である正面が永久磁石２０４の方向を向くように、Ｕ字形状の２本の足の端が固定面に対して固定される。ここで、「Ｕ字形状をした正面」とは、駆動体が有するＵ字形状を視認できる方向から見た面を意味する。

なお、各駆動体は、永久磁石２０４を中心にして、等配位置に固定されることが好ましい。

また、複数の駆動体の長さは、駆動面が、球ロータ２０２の外周で球ロータ２０２と接触するよう定められることが好ましい。したがって、固定部２０６を下にして３軸球面モータ１００を正面からみたとき、固定部２０６に接合されていない駆動体の端部が、球ロータの外周位置よりも上側まであることが好ましい。

３軸球面モータ１００は、少なくとも３つの駆動体を備えることで、３軸方向に球ロータ２０２を回転させることが可能であるが、本実施の形態に係る３軸球面モータ１００は、４つの駆動体（すなわち、駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１、及び、駆動体Ｂ２）を備える。具体的には、図１に示されるように、４つの駆動体が、永久磁石２０４を中心に、固定部２０６の固定面に対して９０度等配に固定される。

また、各駆動体の２本の足の各々には、コイル３００が巻かれている。このコイルに後述する駆動電流を流すと、各駆動体の内部に磁束が生じる。この磁束の向きにより、各駆動体の２本の足は、各々独立に伸縮する。この伸縮運動により、各駆動体は球ロータ２０２へ特定方向のトルクをかけ、球ロータ２０２を回転させる。より詳細には、後述する。

なお、以後、駆動体の２本の足に巻かれるコイルを総称する符号としてコイル３００を使用する。

図２は、本実施の形態にかかる３軸球面モータ１００の構成例を示す第２の外観図である。なお、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図である。

図２（ａ）を参照して、各駆動体は、駆動体Ａ１と、駆動体Ａ２とが対面し、駆動体Ｂ１と駆動体Ｂ２とが対面するように、固定部２０６に固定されている。球ロータ２０２は、４つの駆動体で挟み込まれている。球ロータ２０２と各駆動体は、駆動面と、接点７４２で接している。

なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、３軸球面モータ１００は、駆動面の各々が、球ロータ２０２へ押しつけられるように、複数の駆動体の各々に対して圧力を加える加圧部２０８をさらに備えることが望ましい。

加圧部２０８により、駆動面と球ロータ２０２とがより強く接するように加圧することで、駆動面と球ロータ２０２との間に働く摩擦力が大きくなり、その結果、各駆動体はより大きなトルクで球ロータ２０２を回転させることができる。

なお、本実施の形態において、加圧部２０８は、図２に示されるように、中心に対して等配位置に固定された駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１及び駆動体Ｂ２を、これら複数の駆動体の外側から中心方向へと締め付ける金具として実現している。しかし、加圧部２０８の機構や形状については、特に制限はない。例えば、加圧部２０８の材質として、金属以外にも、弾性体であるビニール線、又は、ゴム等を使用してもよい。

なお、図２（ｂ）において、加圧部２０８は、各駆動体の端部のうち固定部２０６とは反対側の端部をまとめて締め付けることで、各駆動体を球ロータ２０２に密着させているが、他の場所を締め付けてもよい。例えば、各駆動体の端部のうち固定部２０６に固定されている他端部をまとめて締め付けてもよく、又は、各駆動体の中間部をまとめて締め付けてもよい。すなわち、加圧部２０８は、駆動面と球ロータ２０２との間に生じる摩擦力が大きくなるように、複数の駆動体の各々に対して圧力を加えれば、その方法は問わない。

図３は、各駆動体が、球ロータ２０２を回転させる仕組みを説明する概念図である。なお、説明のため、以下では駆動体Ａ１を例にとり説明するが、他の駆動体についても同様である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、Ｕ字形状を有する駆動体Ａ１の２本の足には、各々コイル３０２及びコイル３０４が巻かれている。また、図１を参照して、永久磁石２０４は、磁束が球ロータ２０２を吸着するＮ極側から、球ロータ２０２、駆動体Ａ１、及び、固定部２０６の各々を貫通し、永久磁石２０４のＳ極側に戻るような磁場を発生させている。その結果、駆動体Ａ１が有する２本の足の各々には、球ロータ２０２側から、固定部２０６側へ向かう、ｚ軸方向の磁束が生じている。

よって、磁歪材料である駆動体Ａ１は、永久磁石２０４によるこの磁束により、常時、伸張している。

ここで、図３（ａ）を参照して、各駆動体が、球ロータ２０２をｘ軸、又はｙ軸を中心に回転させる仕組みを説明する。

いま、これら駆動体Ａ１が有するコイル３０２及びコイル３０４に対して、同じ向きに電流が流されたとする。なお、これ以後、コイル３００に流される電流を総称して駆動電流といい、特に、各駆動体が有するコイル３００に含まれる２つのコイルに流される駆動電流であって、電流の向きが２つのコイル間で同じ駆動電流を第２駆動電流という。すなわち、第２駆動電流により、２つのコイルに同方向の磁束が生じる。

第２駆動電流により、駆動体Ａ１の２本の足には、各々同じ向きの磁束が生じる。ここで、第２駆動電流により駆動体Ａ１内部に生じる磁束と、永久磁石２０４により駆動体Ａ１内部に生じる磁束との向きが、同一となる向きに第２駆動電流が流されるとする。その結果、駆動体Ａ１の２本の足の内部に生じる磁束が増加し、駆動体Ａ１の２本の足（すなわち、足３２１及び足３２３）は、各々、長手方向へ、より伸張する。また、固定部２０６は動かないように固定されている。よって、駆動体Ａ１の伸びは、駆動面により接している球ロータ２０２を回転させる力として働く。

ここで、第２駆動電流の波形を、図４に示される期間ｔ_１における電流波形のようにノコギリ状の波形とすると、電流と磁歪は比例するため、電流の時間波形と、各駆動体における磁歪の時間波形の様子は同等と見なすことができる。そのため、電流の緩慢な立ち上がり時には、これに対応して駆動体Ａ１も穏やかに伸びる。よって、駆動体Ａ１の駆動面の変位とともに、球ロータ２０２は回転する。

その後、図４に示される期間ｔ_２における電流波形のように、第２駆動電流を急激に減少させると、これに対応して駆動体Ａ１も急激に縮む。このとき、球ロータ２０２は駆動体Ａ１の急な縮みに追従できず、球ロータ２０２と駆動体Ａ１の駆動面との間に「すべり」が生じる。その結果、期間ｔ_１及びｔ_２を含む１周期において、球ロータ２０２は、すべりの角度分だけ進むことになる。これを連続的に繰り返すことにより、駆動体Ａ１は、球ロータ２０２を同一方向に回転させることができる。

次に、図３（ｂ）を参照して、各駆動体が、球ロータ２０２を、ｚ軸を中心に回転させる仕組みを示す。

いま、これら駆動体Ａ１が有するコイル３０２及びコイル３０４に対して、図３（ｂ）に示されるように、互いに逆向きの駆動電流が流されたとする。なお、以後、各駆動体が有するコイル３００に含まれる２つのコイルに流される駆動電流であって、電流の向きがコイル間で逆向きとなる駆動電流を第１駆動電流という。すなわち、第１駆動電流により、コイル３０２及びコイル３０４に、各々反対方向の磁束が生じる。

第１駆動電流により、駆動体Ａ１が有する２本の足には、各々逆向きの磁束が生じる。よって、第１駆動電流により生じる一方の磁束は、永久磁石２０４により生じる磁束を減少させる向きに生じ、他方の磁束は、永久磁石２０４により生じる磁束を増加させる向きに生じる。具体的には、図３（ｂ）に示される例では、コイル３０２が、永久磁石２０４によって生じる磁束と同じ向きの磁束を足３２１内部に生じさせる結果、足３２１は、より伸張する。一方、コイル３０４が、永久磁石２０４によって生じる磁束を減少させる向きの磁束を足３２３内部に生じさせる結果、足３２３は、コイル３０４に第１駆動電流が流される前よりも縮む。

よって、固定部２０６は動かないように固定されているため、駆動体Ａ１は、足３２１から足３２３へ向かう向きに湾曲する。この駆動体Ａ１の湾曲は、駆動面により接している球ロータ２０２を、ｚ軸を中心に回転させる力として働く。

ここでも、第１駆動電流の波形を、図４に示される期間ｔ_１における電流波形のようにノコギリ状の波形とすると、電流の緩慢な立ち上がり時には、これに対応して駆動体Ａ１も穏やかに屈曲する。よって、駆動体Ａ１の駆動面の変位とともに、球ロータ２０２はｚ軸を中心に回転する。

その後、図４に示される期間ｔ_２における電流波形のように、第１駆動電流を急激に減少させると、これに対応して駆動体Ａ１の湾曲は急激に戻る。このとき、球ロータ２０２は駆動体Ａ１の急な戻りに追従できず、球ロータ２０２と駆動体Ａ１の駆動面との間にすべりが生じる。その結果、期間ｔ_１及びｔ_２を含む１周期において、球ロータ２０２は、すべりの角度分だけ進むことになる。これを連続的に繰り返すことにより、駆動体Ａ１は、球ロータ２０２を同一方向に回転させることができる。

すなわち、複数の駆動体の各々が有する２つのコイルの各々へ、ノコギリ状の波形を有し、２つのコイルに同方向の磁束を生じさせる向きの電流である第２駆動電流が流されると、各駆動体は、球ロータ２０２の中心を通り、各駆動体が有する一方の足から他方の足へと向かう方向に平行な軸である第２軸を中心にして球ロータ２０２を回転させる。

また、複数の駆動体の各々が有する２つのコイルの各々へ、ノコギリ状の波形を有し、２つのコイルに逆方向の磁束を生じさせる第１駆動電流が流されると、各駆動体は、球ロータ２０２の中心を通り、駆動体の長手方向に平行な軸である第１軸を中心にして球ロータ２０２を回転させる。

ここで、第１駆動電流がノコギリ形状をしているため、屈曲動作は、元に戻る動作と比較し、緩慢となる。その結果、駆動体と球ロータ２０２との接点におけるスリップの量は、屈曲動作時と比較し、元に戻る動作時の方が大きくなる。このスリップ量の差分が、第１駆動電流の１周期分に対応する、球ロータの回転量となる。

このような第１駆動電流を連続的にコイルに流すことで、３軸球面モータ１００は球ロータ２０２を同一方向へ連続して回転させることが可能となる。

図５は、本実施の形態に係る駆動体Ａ１に作用する磁束の向きを説明する概念図である。

図５（ａ）に示されるように、コイル３０２及びコイル３０４に駆動電流が流されていない場合には、駆動体Ａ１が有する足３２１及び足３２３には、永久磁石２０４が発生させる磁束のみが、同じ向きに作用する。その結果、足３２１及び足３２３は、まったく磁束が作用していない場合と比較し、定常的に伸びた状態となる。

図５（ｂ）は、コイル３０２及びコイル３０４に対して、第２駆動電流が流されている場合の磁束のイメージを示す。このとき、第２駆動電流は、永久磁石２０４が発生させる磁束と同じ向きの磁束をコイル３０２及びコイル３０４の内部に発生させる向きに流されているものとする。

コイル３０２及びコイル３０４が発生させる磁束が、永久磁石２０４が発生させる磁束を増加させた結果、足３２１及び足３２３は、図５（ａ）に示される場合よりもさらに伸びた状態となる。この状態で、第２駆動電流を急速に逆転させると、足３２１及び足３２３の長さは、図５（ａ）に示される定常状態における長さまで縮む。

なお、図示していないが、コイル３０２及びコイル３０４に、永久磁石２０４が発生させる磁束と逆向きの磁束を発生させる第３駆動電流が流された場合には、コイル３０２及びコイル３０４が発生させる磁束が、永久磁石２０４が発生させる磁束を減少させる向きに発生する。その結果、足３２１及び足３２３は、図５（ａ）に示される場合よりも縮んだ状態となる。この状態で、駆動電流を急速に逆転させると、足３２１及び足３２３の長さは、図５（ａ）に示される定常状態における長さに戻る。

図５（ｃ）は、コイル３０２には、永久磁石２０４が発生させる磁束と同じ向きの磁束を発生させる駆動電流が流され、コイル３０４には、永久磁石２０４が発生させる磁束とは逆向きの磁束を発させる駆動電流が流されている場合の磁束のイメージを示す。足３２１が発生させる磁束が、永久磁石２０４が発生させる磁束を増加させた結果、足３２１は、図５（ａ）に示される場合よりもさらに伸びた状態となる。一方、足３２３が発生させる磁束が、永久磁石２０４が発生させる磁束を減少させるため、足３２３は、図５（ａ）に示される場合よりも縮んだ状態となる。この状態で、駆動電流を急速に逆転させると、足３２１及び足３２３の長さは、図５（ａ）に示される定常状態における長さに戻る。

以上、駆動体Ａ１について説明した駆動電流の操作を、他の駆動体（駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１、及び、駆動体Ｂ２）についても行うことで、３軸球面モータ１００は、より大きな回転トルクを球ロータ２０２に対して発生させることができる。

次に、図６〜図８を参照して、各回転方向における３軸球面モータ１００の動きをより詳細に説明する。

図６は、ｘ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合の、３軸球面モータ１００の動きを説明する概念図である。ｘ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合、
・ステップ１：駆動体Ｂ１が伸び、駆動体Ｂ２が縮む（又は、駆動体Ｂ１が縮み、駆動体Ｂ２が伸びる）
・ステップ２：駆動体Ｂ１及びＢ２が元の長さに戻る
という動作を、ステップ１では駆動面がスリップしないように緩慢に、ステップ２では駆動面がスリップするよう急激に、繰り返せばよい。

そのためには、駆動体Ｂ１には、ノコギリ状の波形をもつ第２駆動電流を流し、駆動体Ｂ２には、第２駆動電流と位相が反転した駆動電流である第３駆動電流を流せばよい。

例えば、永久磁石２０４が駆動体Ｂ１の内部に発生させる磁束の向きと同じ向きに、駆動体Ｂ１に巻かれたコイル３００が駆動体Ａ１の内部に磁束を生じさせるよう、第２駆動電流の向きを決定した場合には、第２駆動電流が流されることにより駆動体Ｂ１が伸び、第３駆動電流が流れることにより駆動体Ｂ２が縮む。その結果、ステップ１における駆動体Ｂ１の駆動面と球ロータ２０２との接点は、ステップ２において、駆動体Ｂ１の伸び方向へ回転する。また、ステップ１における駆動体Ｂ２の駆動面と球ロータ２０２との接点は、ステップ２において、駆動体Ｂ２の縮み方向へ回転する。

なお、駆動体Ｂ１に巻かれたコイル３００が生じさせた磁束は、球ロータ２０２、駆動体Ｂ２、固定部２０６を通り、駆動体Ｂ１へ環流する。また、駆動体Ｂ２に巻かれたコイル３００が生じさせた磁束も、球ロータ２０２、駆動体Ｂ１、固定部２０６を通り、駆動体Ｂ２へ環流する。すなわち、対面する駆動体間で、閉磁気回路が構成されるため、低起磁力（すなわち、小さい駆動電流）で駆動体を駆動することができる。

図７は、ｙ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合の、３軸球面モータ１００の動きを説明する概念図である。ｙ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合、
・ステップ１：駆動体Ａ１が伸び、駆動体Ａ２が縮む（又は、駆動体Ａ１が縮み、駆動体Ａ２が伸びる）
・ステップ２：駆動体Ａ１及びＡ２が元の長さに戻る
という動作を、ステップ１では駆動面がスリップしないように緩慢に、ステップ２では駆動面がスリップするよう急激に、繰り返せばよい。

そのためには、駆動体Ａ１には、ノコギリ状の波形をもつ第２駆動電流を流し、駆動体Ａ２には、第２駆動電流と位相が反転した駆動電流である第３駆動電流を流せばよい。

例えば、永久磁石２０４が駆動体Ａ１の内部に発生させる磁束の向きと同じ向きに、駆動体Ａ１に巻かれたコイル３００が駆動体Ａ１の内部に磁束を生じさせるよう、第２駆動電流の向きを決定した場合には、第２駆動電流が流されることにより駆動体Ａ１が伸び、第３駆動電流が流れることにより駆動体Ａ２が縮む。その結果、ステップ１における駆動体Ａ１の駆動面と球ロータ２０２との接点は、ステップ２において、駆動体Ａ１の伸び方向へ回転する。また、ステップ１における駆動体Ａ２の駆動面と球ロータ２０２との接点は、ステップ２において、駆動体Ａ２の縮み方向へ回転する。

すなわち、複数の駆動体のうち、対面する２つの駆動体は、一方の駆動体が有する２つのコイルへ第２駆動電流が流され、他方の駆動体が有する２つのコイルへ第２駆動電流とは位相が反転している第３駆動電流が流されると、第２軸を中心にして、球ロータを回転させる。

なお、駆動体Ａ１に巻かれたコイル３００が生じさせた磁束は、球ロータ２０２、駆動体Ａ２、固定部２０６を通り、駆動体Ａ１へ環流する。また、駆動体Ａ２に巻かれたコイル３００が生じさせた磁束も、球ロータ２０２、駆動体Ａ１、固定部２０６を通り、駆動体Ａ２へ環流する。すなわち、対面する駆動体間で、閉磁気回路が構成されるため、低起磁力（すなわち、小さい駆動電流）で駆動体を駆動することができる。

なお、上記図６及び図７において、閉磁気回路を構成する複数の駆動体のすべてがコイル３００を備えずともよく、少なくとも１つの駆動体の２つの足に、各々コイルが巻かれていればよい。ただし、全ての駆動体にコイル３００が巻かれている方が、球ロータ２０２の回転トルクを大きくできるため好ましい。

次に、図８は、ｚ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合の、３軸球面モータ１００の動きを説明する概念図である。ｚ軸を中心に球ロータ２０２を回転させる場合、
・ステップ１：全ての駆動体の各々が有する２本の足のうち、一方の足が伸び、他方の足が縮む。その結果、全ての駆動体が特定方向に湾曲する。このとき、球の中心から見て全ての駆動体の湾曲方向は同一となる必要がある。
・ステップ２：全ての駆動体の各々が有する２本の足の長さが元に戻る。
という動作を、ステップ１では駆動面がスリップしないように緩慢に、ステップ２では駆動面がスリップするよう急激に、繰り返せばよい。

そのためには、全ての駆動体の各々が有する２つのコイルへ、ノコギリ状の波形をもつ第１駆動電流を流せばよい。

例えば、駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１、駆動体Ｂ２の各々が有する２本の足のうち、球ロータ２０２の中心から見て左側の足に巻かれたコイルに、永久磁石２０４が各駆動体の内部に生じさせる磁束の向きと逆の磁束を生じさせ、右側の足に巻かれたコイルに、永久磁石２０４と同方向の磁束を生じさせる第１駆動電流が流されるとする。

このとき、第１駆動電流の定義より、各駆動体が有する他方の（すなわち、球ロータ２０２の中心から見て右側の）足に巻かれたコイルには、永久磁石２０４が各駆動体の内部に生じさせる磁束の向きと同じ向きの磁束を生じさせる電流が第１駆動電流として流れる。

その結果、球ロータ２０２の中心から見て左側の足は縮み、右側の足は伸びる。これにより、ステップ１における各駆動体の駆動面と球ロータ２０２との接点は、ステップ２において、ｚ軸を中心に、球ロータ２０２の中心から見て右から左へ回転する。

なお、第１駆動電流の起磁力で生じた磁束はＵ字形状の一方の足から、他方の足、及び、固定部２０６を通り、環流する。このように閉磁気回路が構成されることにより、低起磁力で駆動体を駆動することができる。

なお、全ての駆動体が有するコイルについて、第１駆動電流の位相は一致していることが望ましい。例えば、各々の駆動体が有する２つのコイルのうち、球ロータ２０２の中心から見て右側のコイルの位相が、全ての駆動体について一致し、同様に、球ロータ２０２の中心から見て左側のコイルの位相も、全ての駆動体について一致していることが好ましい。これにより、全ての駆動体の屈曲するタイミングが一致し、球ロータ２０２により大きな回転トルクをかけることが可能となる。

すなわち、複数の駆動体の各々が有する２つのコイルへ第１駆動電流が流されると、各駆動体は、第１軸を中心にして球ロータ２０２を回転させる。ここで、第１駆動電流は、ノコギリ状の波形を有している。このとき、球ロータ２０２の回転方向は、駆動体が有する２本の足のうち、第１駆動電流により長さが伸びる側の足から、第１駆動電流により長さが縮む側の足へと向かう方向となる。

以上述べた本実施の形態に係る３軸球面モータ１００は、永久磁石、固定部、駆動体のみで球ロータを回転させることができ、従来技術と比較しシンプルな構成で３軸球面ロータを実現することができる。よって、小型化が容易という利点が生じる。また、構成がシンプルであり、高周波数の電源等を使用しないため、耐久性にも優れる。さらに、磁歪素子の発生応力は極めて大きく、従来技術と比較して大きな回転トルクを発生させることができる。

（変形例）
なお、前述のように３軸球面モータ１００は、加圧部２０８を備えることにより、駆動面と球ロータ２０２との間に働く摩擦力を高め、より大きなトルクで球ロータ２０２を回転させることができる。

しかし、加圧部２０８は、必ずしも複数の駆動体とは別の治具とする必要はない。本実施の形態に係る３軸球面モータ１００の変形例として、例えば、駆動体と加圧部を一体として実現してもよい。

図９は、本変形例における加圧部２０８の一例を示す外観図である。図９に示されるように、本変形例に係る３軸球面モータ１００は、上端部（すなわち、固定部２０６に固定されている端部とは反対側の端部）が環状に連結されるように一体として形成された駆動体を備える。

ここで、駆動体Ａ１、駆動体Ａ２、駆動体Ｂ１及び駆動体Ｂ２が連結される環の直径をより小さくし、また、下端部の固定部２０６への固定位置をより中心方向に絞るほど、各駆動面は、より強く球ロータ２０２に押しつけられる。よって、駆動体の環の直径及び固定部２０６への固定位置を調整することで、別途治具を付け加えることなく、加圧機構を有する３軸球面モータ１００を実現できる。このように、駆動体と加圧部とを一体として実現することにより、３軸球面モータ１００の大きさをより小型・軽量化することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、図１１を参照し、本発明の他の実施の形態に係る３軸球面モータ１００について説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２に係る３軸球面モータ１００の構成例を示す図である。なお、図１１（ａ）は平面図であり、図１１（ｂ）は駆動体Ａ２方向から見た正面図であり、図１１（ｃ）はＡ−Ａ’断面図である。

図１１に示されるように、本実施の形態に係る３軸球面モータ１００は、永久磁石２０４の端のうち固定面に固定されていない他端と、球ロータ２０２との間に、スペーサ２１２をさらに備えている。スペーサの材料は、磁性体又は非磁性体である。

ここでスペーサ２１２は、球ロータ２０２と接する側の面に凹部を有し、球ロータ２０２は、凹部の縁に接して保持される。このスペーサ２１２は、球ロータ２０２を回転させる際に生じる、球ロータ２０２と永久磁石２０４との間の摩擦力を減少させる効果を有する。詳細は、後述する。

また、本実施の形態に係る駆動体は、図１１に示されるように、駆動面に相当する部分の厚みを減らすような段加工が施されている。この段加工により、３軸球面モータ１００の外径をより小さくすることができる。

また、本実施の形態に係る加圧部２０８は、図１１（ａ）に示されるように、リング形状ではなく、途中で切れ目があるΩ字形状である。加圧調整用線として糸などを使用し、切れ目を締め付ける力を調整することにより、加圧部２０８が駆動面を球ロータ２０２へ押しつける加圧力を調整することができる。

次に、図１２を参照して、駆動面により球ロータ２０２へトルク８１０が加えられる場合の、本実施の形態に係るスペーサ２１２の効果を説明する。なお、他の方向へトルクが加えられる場合も同様である。

図１２（ａ）は、３軸球面モータ１００がスペーサ２１２を備えない場合の、球ロータ２０２と永久磁石２０４との間に生じる力の向き及び大きさを示す概念図である。

図１２（ａ）に示されるように、永久磁石２０４の磁力により、垂直方向に吸引力（吸着力）８１１が生じ、同時に、垂直抗力８２１が生じる。さらに、垂直抗力８２１の大きさに比例する摩擦力８１２が生じる。

一方、図１２（ｂ）は、３軸球面モータ１００がスペーサ２１２を備える場合の、球ロータ２０２と永久磁石２０４との間に生じる力の向き及び大きさを示す。

図１２（ｂ）に示されるように、球ロータ２０２は、スペーサ２１２と、スペーサ２１２が有する凹部の縁で線接触する。その結果、永久磁石２０４による吸引力８１３が生じ、同時に、垂直抗力８２２が生じる。さらに、垂直抗力の大きさに比例する摩擦力８１４が生じる。

このとき、吸引力８１３は吸引力８１１よりも小さくなる。これは、永久磁石２０４による吸引力が、垂直抗力と接線力に分散するためである。また、摩擦に寄与する垂直抗力も減少する（なお、垂直抗力の大きさは、球ロータ２０２がスペーサ２１２に対して接する位置によって変化する）。以上、吸引力及び垂直抗力が減少することにより、摩擦力８１４は、摩擦力８１２よりも小さくなる。

さらに、スペーサ２１２の材料が磁性体である場合には、磁束が球ロータ２０２を通らなくなるため、吸引力を減少させる効果を奏する。

その結果、同じ大きさのトルク８１０であっても、実施の形態１と比較して、より効率よく球ロータ２０２を回転させることができる。

さらにまた、スペーサ２１２の凹部の大きさ（例えば、凹部を円形状とした場合は、その直径）を調整することで、吸引力（の反力）８１３の向きを、最適な方向へと調整することができる。

その結果、実施の形態１と比較して、球ロータ２０２の回転の安定性をより高めることができる。

以上、本発明の実施の形態１及び２並びにその変形例に係る３軸球面モータについて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。

例えば、前述のとおり、３軸球面モータ１００は必ずしも４つの駆動体を備える必要はない。３軸球面モータ１００は、３つ以上の駆動体を備えることにより、同様の発明の効果を奏することができる。その際、各駆動体は、球ロータ２０２を中心に、これを取り囲むように、等配位置で固定部２０６に固定されることが好ましい。例えば、駆動体が３つであれば、各駆動体は、球ロータ２０２を中心に、かつ、球ロータ２０２と接するように、１２０度等配で固定部２０６の固定面に固定されることが好ましい。

なお、駆動体の数及び形状にかかわらず、各駆動体は、Ｕ字形状の正面が永久磁石２０４の方向（すなわち、球ロータ２０２の方向）を向くように、固定部２０６の固定面に固定される。いいかえると、各駆動体は、Ｕ字形状の２本の足の側面が、ともに球ロータ２０２に相対する向きで、固定部２０６の固定面に固定される。

なお、上記の実施の形態１及び２並びにその変形例において使用する駆動電流の波形は、図４に示される形状に限られない。例えば、図１０（ａ）又は図１０（ｂ）に示される形状であってもよい。すなわち、駆動電流が有するノコギリ状の波形とは、周期性を有する波形であって、１周期（例えば図１０（ｂ）における時間Ｔ_１）のうちに電流が増加する時間（例えば図１０（ｂ）における時間Ｔ_２）と減少する時間（例えば図１０（ｂ）における時間Ｔ_３）とを交互に含み、かつ、電流が増加する時間Ｔ_１が、電流が減少する時間Ｔ_２よりも長い電流であればよい。

なお、加圧部２０８を不要とするために、駆動体の配置を図１３（ａ）に示されるように工夫してもよい。すなわち、例えば駆動体Ａ１と駆動体Ａ２（又は、駆動体Ｂ１と駆動体Ｂ２）のように、対面する駆動体の側面であって、球ロータ２０２に接する側面間の距離が、球ロータ２０２の直径よりも短くなるように、各駆動体を固定部２０６へ固定してもよい。その結果、図１３（ｂ）に示されるように、各駆動体の弾性変形による弾性力で、各駆動体は球ロータ２０２を加圧し、加圧部２０８を備えた場合と同様の発明の効果を奏する。

なお、上記の実施の形態１及び２並びにその変形例において、駆動体の形状であるＵ字形状は、必ずしも厳密な意味でＵ字でなくともよい。例えば、Ｖ字であってもよい。すなわち、２本の柱状構造と、２本の柱状構造を連結する梁構造から構成されるＵ字類似の形状を含む形状を、ここではＵ字形状とよぶ。なお、２本の柱状構造及び梁構造の形状は、それぞれ柱状形状であればよく、角柱、円柱等、断面の形状を問わない。

なお、上記各図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載している箇所については、製造上の理由により、角部及び辺が丸みを帯びたものも本発明に含まれる。

また、上記実施の形態１及び２に係る３軸球面モータ、及びその変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。

本発明は、球面モータに適用でき、特に３自由度の回転を球ロータに発生させる３軸球面モータに適用できる。

１００３軸球面モータ
２０２球ロータ
２０４永久磁石
２０６固定部
２０８加圧部
３００、３０２、３０４コイル
３２１、３２３足
７０２、７０４、７０６軌道
７４２接点
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２駆動体

Claims

磁性体により形成された固定部と、
柱状に形成され、Ｎ極又はＳ極のいずれかの磁極を有する一端が前記固定部上の面である固定面に対して固定されている永久磁石と、
Ｕ字形状に形成された磁歪材料である複数の駆動体と、
球状に形成された磁性体である球ロータとを備え、
前記複数の駆動体は、前記永久磁石の周囲を取り囲み、前記Ｕ字形状をした面である正面が前記永久磁石と対面するように、前記Ｕ字形状の２本の足の端が前記固定面に対して固定され、
前記球ロータは、前記永久磁石の端のうち前記固定面に固定されていない他端の磁力により保持され、かつ、前記複数の駆動体の正面のうち、前記Ｕ字形状の２本の足を繋ぐ梁構造に相当する部分である駆動面の全てに対して接触するように保持され、
前記複数の駆動体の各々が有する２本の足の各々には、コイルが巻かれている
３軸球面モータ。
前記複数の駆動体の各々は、前記２つのコイルに各々逆方向の磁束を生じさせる向きの電流である第１駆動電流が前記２つのコイルの各々へ流されると、前記球ロータの中心を通り、当該駆動体の長手方向に平行な軸である第１軸を中心にして前記球ロータを回転させる
請求項１に記載の３軸球面モータ。
前記複数の駆動体の長さは、前記駆動面が、前記球ロータの外周で前記球ロータと接触するよう定められる
請求項２に記載の３軸球面モータ。
前記駆動面の各々が、前記球ロータへ押しつけられるように、前記複数の駆動体の各々に対して圧力を加える加圧部をさらに備える
請求項３に記載の３軸球面モータ。
前記永久磁石の端のうち前記固定面に固定されていない他端と、前記球ロータとの間に、スペーサをさらに備え、
前記スペーサは、前記球ロータと接する側の面に凹部を有し、
前記球ロータは、前記凹部の縁に接して保持される
請求項４に記載の３軸球面モータ。
前記複数の駆動体の数は４つであり、前記永久磁石を中心に、前記固定面に対して９０度等配に固定される
請求項１〜５のいずれか１項に記載の３軸球面モータ。
前記複数の駆動体のうち、対面する２つの駆動体は、一方の駆動体が有する前記２つのコイルへ前記２つのコイルに同方向の磁束を生じさせる向きの電流である前記第２駆動電流が流され、他方の駆動体が有する前記２つのコイルへ前記第２駆動電流とは位相が反転している第３駆動電流が流されると、前記球ロータの中心を通り、各駆動体が有する一方の足から他方の足へと向かう方向に平行な軸である第２軸を中心にして、前記球ロータを回転させ、
前記第２駆動電流は、ノコギリ状の波形を有する
請求項６に記載の３軸球面モータ。
前記複数の駆動体の各々が有する前記２つのコイルへ前記第１駆動電流が流されると、当該駆動体は、前記第１軸を中心にして前記球ロータを回転させ、
前記第１駆動電流は、ノコギリ状の波形を有し、
前記球ロータの回転方向は、前記駆動体が有する２本の足のうち、前記第１駆動電流により長さが伸びる側の足から、前記第１駆動電流により長さが縮む側の足へと向かう方向である
請求項６に記載の３軸球面モータ。
前記加圧部は、中心に対して等配位置に固定された前記複数の駆動体を、当該複数の駆動体の外側から前記中心の方向へと締め付ける金具である
請求項８に記載の３軸球面モータ。