球面モータ
【課題】外力や衝撃を受けた際に、ロータとステータが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ球面モータを提供する。
【解決手段】略球状の殻構造を有するステータ１０１と略球状の外面構造を有するロータ１１０を備えた球面モータにおいて、ステータ１０１は、コイル１２２が巻かれた磁極部材１０２を備える。磁極部材１０２の突極面１０４は、ロータ１１０を回転自在な状態で支持するベアリングボール１１５をロータ１１０側に突出させる開口と、このベアリングボール１１５の突出量を調整するコイルバネ１１７およびスペーサ１１８を備えている。ベアリングボール１１５がロータ１１０に押されても、スペーサ１１８とベアリングボール１１５を保持する押圧部材１１６とが接触することで、ロータ１１０とステータ１０１との接触が回避される。またコイルバネ１１７の付勢力によって、ロータ１１０とステータ１０１との間隔が一定に保たれる。
【解決手段】略球状の殻構造を有するステータ１０１と略球状の外面構造を有するロータ１１０を備えた球面モータにおいて、ステータ１０１は、コイル１２２が巻かれた磁極部材１０２を備える。磁極部材１０２の突極面１０４は、ロータ１１０を回転自在な状態で支持するベアリングボール１１５をロータ１１０側に突出させる開口と、このベアリングボール１１５の突出量を調整するコイルバネ１１７およびスペーサ１１８を備えている。ベアリングボール１１５がロータ１１０に押されても、スペーサ１１８とベアリングボール１１５を保持する押圧部材１１６とが接触することで、ロータ１１０とステータ１０１との接触が回避される。またコイルバネ１１７の付勢力によって、ロータ１１０とステータ１０１との間隔が一定に保たれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータとステータの間隔を保持する構造に特徴のある球面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部が中空の球体状の構造（球殻構造）を有するステータと、その内側に配置された回転自在な球体状のロータを備えた球面モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。球面モータは、球殻構造のステータの内側で球体状のロータが３自由度以上に回転可能な構造を有している。この構造の球面モータは、球殻構造のステータの内面に、球の中心方向に向かって延在する極歯が複数設けられ、この極歯にステータコイル（マグネットワイヤ）が巻かれている。他方で、ロータは、球体の表面に複数のマグネット（永久磁石）が埋め込まれている。
【０００３】
以下、球面モータの原理を簡単に説明する。まず、球面モータの中心を通る面で切断した切断面を考える。この場合、ロータの回転位置に応じて複数のステータコイルに流す励磁電流の向きを適宜切り替えることで、ロータ側のマグネットとステータ側の磁極との間で生じる磁力の向きが切り替わり、ロータが上記切断面に垂直な方向を軸として回転する。これは、１自由度のブラシレスモータと同じ原理である。磁極が球殻構造のステータの内面において均等な位置に配置されていれば、上記の切断断面は任意の位置で考えることができ、ロータは任意の方向を軸として回転可能となる。言い換えると、回転軸の方向を変更しての回転が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６００１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、球面モータは、ロータのステータと対向する面が球面であるので、ロータを回転自在な状態でステータに対して保持する軸受構造は、一軸（または１回転自由度）モータの軸受とは異なるものとなる。この球面モータの軸受構造として、例えばステータ側にベアリングボールを保持した球面軸受機構を配置したものが挙げられる。この構造では、ベアリングボールがロータに接触することで、球殻構造のステータの内側で球体状のロータを回転自在な状態で保持される。
【０００６】
このような球面軸受構造を採用した場合、ステータが外力や衝撃を受けたとき、または、ロータが急停止をするとき若しくは進行方向(回転方向)を変更するときなどに、ロータがステータに接触または極めて近接して回転の制御が不能になるおそれがある。そこで、ロータとステータとが直接接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ構造が必要とされる。このような背景において、本発明は、外力や衝撃を受けた際に、ロータとステータが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、略球状の殻構造を有した外側部分と、前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分とを備え、前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、前記対向する面の一方には、コイルが巻かれた磁極部材が配置され、前記磁極部材は、コイルが巻かれるコイルコア部と、前記コイルコア部の先端に設けられ、中央に開口が設けられた突極面と、前記開口から一部が突出し、前記一方の面に対向する他方の面に接触するベアリングボールと、前記ベアリングボールの前記開口からの突出量を調整する突出量調整手段とを備えていることを特徴とする球面モータである。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ステータまたはロータに配置された磁極部材の突極面から突出するベアリングボールの突出量が、突出量調整手段によって調整される。このため、外力や衝撃を受けた際に、ベアリングボールが存在することで、ロータとステータとが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータが提供される。
【０００９】
本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータには、（１）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面にマグネットが配置されている形態、（２）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面にマグネットが配置され、ロータの外面に外方向（球中心から外を向く方向、「球中心の方向」とは反対方向）に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置されている形態、（３）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面にマグネットが配置されている形態、（４）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ステータの外面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの内面にマグネットが配置されている形態、（５）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、（６）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、が含まれる。
【００１０】
また、本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータは、ロータの回転角度範囲が制限されている形態であってもよい（勿論、制限なく繰り返し回転する形態であってよい）。また、ロータの回転が外部に出力されない形態であってもよい。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突出量調整手段は、前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に弾性的に付勢する付勢手段と、前記ベアリングボールの前記開口からの前記突出量の小さくなる方向への変化量を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限する制限手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ベアリングボールが弾性的に付勢された状態で突出するので、ロータがステータに対して弾性的に保持される。このため、外力や衝撃がある程度吸収可能な状態で、ステータに対するロータの保持が行われる。また、突出したベアリングボールが後退する変化量が制限手段により定常状態における外側部分と内側部分との間隔（つまり、ロータとステータの隙間寸法）より小さな値になるように制限されているので、上記の弾性的な保持を行いつつ、ベアリングボールの変位が大き過ぎて、ロータとステータとが接触する事態が防止される。なお定常状態というのは、ロータとステータとの隙間が変化するような突発的な外力や衝撃が加わっていない状態のこという。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記付勢手段はコイルバネであり、前記制限手段は、前記コイルバネの縮み代を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限することを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、コイルバネが縮み、ベアリングボールが後退しても、コイルバネの縮み代が制限されているので、ベアリングボールの後退距離がある値より小さい値とされる。これにより、コイルバネの弾性を利用したベアリングボールの保持を行ないつつ、突極面からのベアリングボールの突出状態が失われない構造が得られる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記制限手段は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込んだ際に、前記ベアリングボールの一部が前記開口から突出する状態を維持させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記磁極部材が配置された前記一方の面に対向する面にマグネットが配置され、前記磁極部材が励磁されていない状態において、前記外側部分と前記内側部分の間隔が変化する範囲内における前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込む程非線形に大きくなる特性を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、外側部分と内側部分との間の隙間が狭くなり、両者の間で働く吸引力が加速度的に増大すると、それに合わせて前記吸引力に抗する付勢力が加速度的に増大する。このため、付勢手段として線形特性を有するものを採用した場合に比較して、内側部分と外側部分との位置関係を維持する機能が高い構造とできる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記磁極部材が前記マグネットに吸引される力と略一致する非線形な特性を有することを特徴とする。請求項６に記載の発明によれば、ステータまたはロータ側の磁極部材とロータまたはステータ側のマグネットとの間に作用する吸引力とに略一致する反発力が付勢手段において発生する。このため、ロータ／ステータ間の間隔が狭くなった場合に、この間隔が加速度的に増大する現象をより効果的に抑えることができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明おいて、前記突出量調整手段は、螺子により前記ベアリングボールの突出量を固定する突出量固定手段であることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、ベアリングボールの突出量が固定されるので、ロータとステータの間隔が一定に保たれる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外力や衝撃が受けた際に、ロータとステータとが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態の球面モータのステータ部分の外観図（Ａ）とその断面図（Ｂ）である。
【図２】実施形態の球面モータのロータの分解図（Ａ）、内部構造図（Ｂ）、分解図（Ｃ）、外観図（Ｄ）である。
【図３】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図４】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図５】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図６】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図７】ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する磁極を説明するための概念図である。
【図８】ステータ側の磁極とロータマグネットとの間の間隔と、ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する吸引力との関係を示すグラフ（Ａ）、およびステータ側の磁極とロータマグネットとの間の間隔と、ベアリングボールを押すコイルバネの反発力との関係を示すグラフ（Ｂ）である。
【図９】コイルバネによって押されたベアリングボールによりロータが支持される状態を示す概念図である。
【図１０】ベアリングボールの押し込み量と、ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する吸引力との関係を示すグラフ（Ａ）、およびベアリングボールの押し込み量と、ベアリングボールを押すコイルバネの反発力との関係を示すグラフ（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１． 第１の実施形態
（ステータ）
図１（Ａ）には、球面モータ１００のステータ１０１の外観が示され、図１（Ｂ）には、ステータ１０１を縦に半分に割った状態の断面構造が示されている。ステータ１０１は、外側部分の一例であり、略球殻構造を有したステータ部材１０１ａおよび磁極部材１０２により構成されている。ステータ部材１０１ａおよび磁極部材１０２は、軟磁性材料により構成されている。磁極部材１０２は、ステータ部材１０１ａに後述する構造により取り付けられている。
【００２２】
磁極部材１０２は、回転中心（球構造の中心）の方向に延在したコイルコア部１０３を備えている。コイルコア部１０３には、ステータコイルを構成するマグネットワイヤが巻かれる。コイルコア部１０３の先端の部分は、傘型に開き、後述する球体構造を有するロータの表面形状に沿った形状を有する突極面１０４とされている。突極面１０４は、ロータ側のロータマグネットに対応するステータ側の磁極面となる部分であり、その中央には、後述するベアリングボールをロータの方向に突出させるための開口１０５が設けられている。
【００２３】
図１（Ｂ）に示されるように、ステータ部材１０１ａの外面には、平坦部１０６が設けられ、その中央に磁極部材１０２を取り付けるための取付け孔１０７が設けられている。また、磁極部材１０２は、ベアリングボールを支える構造を備えているが、図１では図示省略されている。この部分については、後に詳述する。
【００２４】
（ロータ）
図２には、図１のステータ１０１の内側に回転自在な状態で納められるロータの一例が示されている。図２には、ロータ１１０が示されている。ロータ１１０は、内側部分の一例であり、略球状の形状を有している。ロータ１１０は、ステータ１０１の内側に納められた状態でステータ１０１から隙間を隔てた状態で回転自在な状態とされる。ロータ１１０は、軟磁性材料で構成された内球部１１１、内球部１１１の表面に埋め込まれた複数のロータマグネット１１２、セラミックス等の非磁性材料により構成された外側を覆う外殻部１１３により構成されている。
【００２５】
(磁極部材)
以下、図１では記載が省略されていた磁極部材１０２の詳細な構造について説明する。図３には、磁極部材１０２の断面構造が示されている。図３には、磁極部材１０２がステータ部材１０１ａに取り付けられている状態が示されている。図示するように、磁極部材１０２の突極面１０４は、ロータ１１０の外側を覆う外殻部１１３に隙間を隔てて対向している。この隙間は、（Ｒｏ−Ｒｉ）で示される。なお、符号Ｓは、ロータの回転中心であり、また略球殻構造のステータ１０１の中心でもある。
【００２６】
図３に示すように、突極面１０４の中央に設けられた開口(図１の符号１０５)からは、ベアリングボール１１５の一部がロータ１１０の側に突出し、その突出した部分の先端がロータ１１０の外殻部１１３に接触している。ベアリングボール１１５は、セラミックス等の非磁性な材料により構成され、略円筒形状の押圧部材１１６によって中心Ｓの方向（ロータ１１０の方向）に押されている。押圧部材１１６の先端は、すり鉢状に窪んでおり、そこでベアリングボール１１５が保持されている。押圧部材１１６の円筒形状の部分には、コイルバネ１１７が装着され、コイルバネ１１７の先端は、押圧部材１１６先端のすり鉢状部分外側の縁に接触している。コイルバネ１１７の後端は、スペーサ１１８に接触している。このコイルバネ１１７の弾性により、ベアリングボール１１５は、ロータ１１０の方向に付勢された状態で、突極面１０４から突出している。そして、このスペーサ１１８と押圧部材１１６の後端との間において、符号Ｗで示される隙間量（「縮み代」に相当）が設定されている。この隙間量Ｗは、スペーサ１１８の寸法で微調整が可能とされている。この構成によれば、隙間量Ｗの寸法範囲でベアリングボール１１５は、図の左方向に後退が可能となる。ここでは、Ｗ＜（Ｒo−Ｒi）となるようにスペーサ１１８の寸法が設定されている。ここで、（Ｒo−Ｒi）は、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との間の隙間寸法である。
【００２７】
スペーサ１１８の背後は、固定部材１１９で押さえられている。固定部材１１９は、螺子１２０により、磁極部材１０２に固定されている。また、固定部材１１９と磁極部材１０２の一部とが、ステータ部材１０１ａの平坦部１０６の一部を挟み込むことで、磁極部材１０２がステータ部材１０１ａに固定されている。
【００２８】
コイルコア部１０３の外側には、コイルボビン１２１が装着され、コイルボビン１２１にマグネットワイヤが巻かれることで、ステータコイル１２２が構成されている。コイルボビン１２１は、端子取付け部１２３を備え、端子取付け部１２３には、電極端子１２４が固定されている。この電極端子１２４は、図示されていないが２つあり、そこにステータコイル１２２の両端が接続され、ステータコイルの引き出し電極として機能する。
【００２９】
（優位性）
例えば、ロータ１１０が回転している状態において、ステータ１０１に外部から衝撃が加わる状況を考える。この際、この衝撃によりロータ１１０がステータ１０１の内部で相対的に動こうとする力が作用する。この力は、ベアリングボール１１５に加わる。この力がベアリングボール１１５を外側に押す方向（図の左方向）に加わると、コイルバネ１１７が縮み、ベアリングボール１１５が後退し、ベアリングボール１１５のロータ１１０方向への突出量が減少する。この際、コイルバネ１１７の弾性により、衝撃の一部が吸収される。ここで、Ｗ＜（Ｒo−Ｒi）、すなわちベアリングボール１１５の後退可能な距離Ｗは、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との隙間寸法（Ｒo−Ｒi）より小さくなるように設定されている。したがって、最大に後退した状態においてもベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が確保されている。このため、強い衝撃を受けてもロータ１１０の突極面１０４への接触が防止される。また、ロータ１１０は、周囲からコイルバネ１１７によって弾性的に押された状態となるので、ステータ１０１との間の間隔を一定に保つような力が作用した状態でステータ１０１の内側で保持される。
【００３０】
このように、ステータ１０１が外部から衝撃を受けたときや、ロータ１１０が急停止をするとき、ロータ１１０が進行方向(回転方向)を変更するときなどに、ロータ１１０がステータ１０１に一時的に近接する可能性があるが、ロータ１１０とステータ１０１とが接触せず、且つ、ロータ１１０とステータ１０１との間隔を一定に保つ機構が実現される。ところで、本実施形態のようにコイルバネの縮み代を規制することなしに、ロータとステータの間隔を維持して両者の接触を回避する方法として、コイルバネの反発力（付勢力）を大きくする方法が考えられる。しかしながら、コイルバネの反発力を大きくするほど、定常状態において、コイルバネからより大きな反発力がロータに加わることになり、ベアリングボールとロータ間の摩擦力が増大することになる。この点、本実施形態の球面モータは、コイルバネ１１７の反発力を比較的小さい値に設定することができるので、ベアリングボール１１５がロータ１１０を押す力が過剰にならず、ベアリングボール１１５がロータ１１０を強く押すことに起因する摩擦力の増大を抑えることができる。このため、回転時のロスが抑えられた球面モータが得られる。
【００３１】
２． 第２の実施形態
以下、第１の実施形態とは、異なる磁極部材の構造について説明する。図４には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ａが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３２】
図４に示す構成では、図３のコイルバネ１１７は用いられておらず、代わりにワッシャ１３１が、押圧部材１１６とスペーサ１１８との間に介在した構造とされている。ここでは、ワッシャ１３１の厚みにより、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が調整されている。例えば、ワッシャ１３１として複数のワッシャを重ねたものを採用した場合、重ねるワッシャの枚数を調整することで、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量の調整が行われる。
【００３３】
ここでワッシャ１３１として厚み方向への弾性的な圧縮が可能なものを採用すると、第１の実施形態と同様なベアリングボール１１５の弾性的な支持が可能となる。この際、ワッシャ１３１の変形可能な幅の値を、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との隙間寸法よりも小さくすることで、第１の実施形態と同様の機能を得ることができる。また、ワッシャ１３１として圧縮できない構造のものを採用することで、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が固定される構成を実現できる。
【００３４】
３． 第３の実施形態
図５には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ｂが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３５】
図５に示す構成では、スペーサ１１８の先端が押圧部材１１６に接触し、スペーサ１１８の後端が固定部材１１９に接触している。また、固定部材１１９とステータ部材１０１ａの平坦部１０６との間に皿バネ１３２が挿入されている。この構造では、螺子１２０の締め具合により、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量の調整が行われる。この例では、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量は固定される。なお、皿バネに代えて、ウェーブワッシャやコイルバネを用いることもできる。
【００３６】
４． 第４の実施形態
図６には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ｃが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３７】
この例では、スペーサ１１８の後端が螺子１３３によって押され、それによりベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が調整される構造とされている。コイルコア部１０３の後部分には、螺子１３３をねじ込むための開口部とされ、この開口部の内周には、螺子１３３が噛み合う螺子溝が形成されている。また、固定部材１１９には、螺子１３３をコイルコア部１０３後端にねじ込むための開口が設けられている。この構造も第３の実施形態の場合と同様に、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量は固定される。
【００３８】
なお、図５および図６に示す構成において、スペーサ１１８をゴム、ゲル材、発砲ウレタンのような弾性部材により構成することで、ベアリングボール１１５を弾性的に保持する構造が得られる。この際、スペーサ１１８が最大限に圧縮された状態で、ベアリングボール１１５が突極面１０４から突出するようにスペーサ１１８の材質や寸法を設定することで、ベアリングボール１１５が弾性的に保持され、且つ、外力や衝撃が加わった際に、ロータ１１０とステータ１１０とが接触しない構造が得られる。
【００３９】
５． 第５の実施形態
本実施形態では、第１の実施形態において、コイルバネ１１７として非線形バネを採用する。非線形バネとは、変位と弾性力が正比例せず、非線形な関係にあるバネである。コイル状の非線形バネは、軸方向におけるコイルピッチを変えた構造やコイルバネを構成する線材の径を軸方向で変えた構造によって実現される。以下、コイルバネ１１７としてどのような非線形性に設定するのかについて説明する。
【００４０】
図７には、ステータ側の磁極部材７０１の突極面７０２と、ロータ７０３側のロータマグネット７０４が空隙隙間（ＧＡＰ）を介して対向している状態が概念的に示されている。この状態において、ステータ側の磁極部材７０１の突極面７０２と、ロータ７０３側のロータマグネット７０４との間には、ロータマグネット７０４が発生する磁力に起因する吸引力が発生する。図８（Ａ）は、ステータの磁極への励磁を行なっていない状態におけるＧＡＰ（横軸）と、突極面７０２とロータマグネット７０４との間に作用する吸引力（縦軸）との関係の一例を示すグラフである。ここで、図８（Ａ）には、図７に示すように突極面７０２とロータマグネット７０４とが対向している状態における吸引力が示されている。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の特性に合わせた特性のコイルバネのＧＡＰ（横軸）と反発力の関係を示すグラフである。
【００４１】
図８（Ａ）に示されるように、ロータとステータ側のマグネットの間に作用する吸引力は、空隙距離（ＧＡＰ）が狭まると、急激に増加する。この増加の程度は、高次関数で表される非線形なものとなる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図８（Ａ）に示す非線形性特性と同様な変位―反発力の特性を有する非線形バネをコイルバネ１１７として採用する（図８（Ｂ）参照）。この場合、ＧＡＰ（空隙距離）が狭くなると、増大するロータマグネット７０４の吸引力に対応してコイルバネ１１７の反発力が大きくなる特性が得られる。
【００４３】
図９には、この非線形バネを評価するモデルが示されている。図１０（Ａ）は、ベアリングボール１１５の押し込み量（横軸）と、突極面７０２とロータマグネット７０４との間に作用する吸引力（縦軸）との関係の一例を示すグラフである。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の特性に合わせたコイルバネにおけるベアリングボール１１５の押し込み量と反発力の関係を示すグラフである。図１０（Ａ）に示すように、ベアリングボール１１５を押し込む程、ロータ／ステータ間に作用する吸引力が非線形的に増大する。本実施形態では、この特性に合わせた非線形的な反発力を生じるように、ベアリングボール１１５を押すコイルバネ１１７の特性を調整している。すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、ベアリングボール１１５が押し込まれる程、コイルバネ１１７の反発力（付勢力）が増大するように、その特性を図１０（Ａ）に略合わせたものとする。
【００４４】
このように、コイルバネ１１７として、圧縮変形に対して生じる反発力が非線形な特性を示すものを用い、その非線形な特性をロータとステータとの間で生じる磁力の吸引力と釣り合う特性に設定する。つまり、コイルバネ１１７として、マグネットの吸引力に一致した反発力を示す非線形特性を有するものを採用する。なお、コイルバネ１１７の特性の設定は、コイル１２２に対する励磁を行なっていない状態におけるベアリングボール１１５の可動範囲において行なわれる。具体的には、図９に示すようなモデルをコンピュータによりシミュレーションし、ステータ側の磁極の励磁を行なっていない状態でロータマグネット１１２に起因するロータとステータ間の吸引力を算出する。そしてこの吸引力とＧＡＰとの関係を示す特性に略合致した非線形特性のコイルバネ１１７を選定する。
【００４５】
仮に、コイルバネとして通常の線形な特性を有するものを採用した場合、衝撃等の何らかの理由により、ロータとステータ間の隙間が狭くなると、加速度的に吸引力が増大し、ステータの位置を定常状態に戻すことが困難になる可能性が高くなる。これに対して、本実施形態の構成を採用した場合、ＧＡＰが狭くなることで加速度的に増大する吸引力に対応して、コイルバネ１１７の反発力も加速度的に増大する。このため、衝撃等に起因してロータとステータの間の隙間が狭くなり、ロータがステータに加速度的に吸引される現象が抑制される。ロータがステータに加速度的に吸引される現象が抑制されることで、ステータコイルに流す電流を制御することによるステータの定常位置（ロータとステータの隙間が規定の値である状態）への復帰を行なう制御が容易となる。また、コイルバネ１１７の特性により、ロータ／ステータの間隔が常に予め決められた値となるようにする力が作用するので、定常位置における駆動制御も容易となる。
【００４６】
また上述した非線形特性のコイルバネ１１７を用いた場合、定常位置におけるコイルバネ１１７の反発力を弱く設定できる（図１０参照）。このため、定常状態においてベアリングボール１１５とロータ１１０の外殻部１１３との間に作用する摩擦力を小さくでき、定常状態におけるロータの回転に際しての損失を抑えることができる。つまり、ロータを定常位置に止める機能とロータの回転に際しての損失の低減を両立させた球面モータを得ることができる。
【００４７】
(その他)
以上の例示では、ベアリングボールをステータ側の磁極の部分（突極面）に設けた例を説明したが、磁極以外の部分においてベアリングボールによるロータの保持を行なう構成も可能である。この場合、磁極として機能しないだけで、ベアリングボールを支える構造は、例示した実施形態の構造が適用可能である。
【００４８】
以上の例示では、外側がステータで内側がロータの例を説明したが、外側をロータとし、内側をステータとしてもよい。この場合、外側のロータの回転範囲が限定されるが、部分的な範囲で外側の球体が回転する球面モータが得られる。また、内側がロータである構成において、この内側のロータに例示した磁極の構造を適用することもできる。この場合もロータの回転範囲が制限されるが、部分的な範囲で内側の球体が回転する球面モータが得られる。
【００４９】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、球面モータに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００…球面モータ、１０１…ステータ、１０１ａ…ステータ部材、１０２…磁極部材、１０３…コイルコア部、１０４…突極面、１０５…開口、１０６…平坦部、１０７…取付け孔、１１０…ロータ、１１１…内球部、１１２…ロータマグネット、１１３…外殻部、１１５…ベアリングボール、１１６…押圧部材、１１７…コイルバネ、１１８…スペーサ、１１９…固定部材、１２０…螺子、１２１…コイルボビン、１２２…コイル、１２３…端子取付け部、１２４…電極端子、１３１…ワッシャ、１３２…皿バネ、１３３…螺子、７０１…磁極部材、７０２…突極面、７０３…ロータ、７０４…ロータマグネット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータとステータの間隔を保持する構造に特徴のある球面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部が中空の球体状の構造（球殻構造）を有するステータと、その内側に配置された回転自在な球体状のロータを備えた球面モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。球面モータは、球殻構造のステータの内側で球体状のロータが３自由度以上に回転可能な構造を有している。この構造の球面モータは、球殻構造のステータの内面に、球の中心方向に向かって延在する極歯が複数設けられ、この極歯にステータコイル（マグネットワイヤ）が巻かれている。他方で、ロータは、球体の表面に複数のマグネット（永久磁石）が埋め込まれている。
【０００３】
以下、球面モータの原理を簡単に説明する。まず、球面モータの中心を通る面で切断した切断面を考える。この場合、ロータの回転位置に応じて複数のステータコイルに流す励磁電流の向きを適宜切り替えることで、ロータ側のマグネットとステータ側の磁極との間で生じる磁力の向きが切り替わり、ロータが上記切断面に垂直な方向を軸として回転する。これは、１自由度のブラシレスモータと同じ原理である。磁極が球殻構造のステータの内面において均等な位置に配置されていれば、上記の切断断面は任意の位置で考えることができ、ロータは任意の方向を軸として回転可能となる。言い換えると、回転軸の方向を変更しての回転が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６００１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、球面モータは、ロータのステータと対向する面が球面であるので、ロータを回転自在な状態でステータに対して保持する軸受構造は、一軸（または１回転自由度）モータの軸受とは異なるものとなる。この球面モータの軸受構造として、例えばステータ側にベアリングボールを保持した球面軸受機構を配置したものが挙げられる。この構造では、ベアリングボールがロータに接触することで、球殻構造のステータの内側で球体状のロータを回転自在な状態で保持される。
【０００６】
このような球面軸受構造を採用した場合、ステータが外力や衝撃を受けたとき、または、ロータが急停止をするとき若しくは進行方向(回転方向)を変更するときなどに、ロータがステータに接触または極めて近接して回転の制御が不能になるおそれがある。そこで、ロータとステータとが直接接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ構造が必要とされる。このような背景において、本発明は、外力や衝撃を受けた際に、ロータとステータが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、略球状の殻構造を有した外側部分と、前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分とを備え、前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、前記対向する面の一方には、コイルが巻かれた磁極部材が配置され、前記磁極部材は、コイルが巻かれるコイルコア部と、前記コイルコア部の先端に設けられ、中央に開口が設けられた突極面と、前記開口から一部が突出し、前記一方の面に対向する他方の面に接触するベアリングボールと、前記ベアリングボールの前記開口からの突出量を調整する突出量調整手段とを備えていることを特徴とする球面モータである。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ステータまたはロータに配置された磁極部材の突極面から突出するベアリングボールの突出量が、突出量調整手段によって調整される。このため、外力や衝撃を受けた際に、ベアリングボールが存在することで、ロータとステータとが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータが提供される。
【０００９】
本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータには、（１）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面にマグネットが配置されている形態、（２）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面にマグネットが配置され、ロータの外面に外方向（球中心から外を向く方向、「球中心の方向」とは反対方向）に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置されている形態、（３）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面にマグネットが配置されている形態、（４）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ステータの外面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの内面にマグネットが配置されている形態、（５）外側の球状の殻構造体がステータで、その内側に球状のロータが格納された構造であり、ステータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ロータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、（６）外側の球状の殻構造体がロータで、その内側に球状のステータが格納された構造であり、ロータの内面に球中心の方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置され、ステータの表面に外方向に突出しコイルが巻かれた磁極部材が配置された形態、が含まれる。
【００１０】
また、本明細書で開示する発明が適用可能な球面モータは、ロータの回転角度範囲が制限されている形態であってもよい（勿論、制限なく繰り返し回転する形態であってよい）。また、ロータの回転が外部に出力されない形態であってもよい。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突出量調整手段は、前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に弾性的に付勢する付勢手段と、前記ベアリングボールの前記開口からの前記突出量の小さくなる方向への変化量を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限する制限手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ベアリングボールが弾性的に付勢された状態で突出するので、ロータがステータに対して弾性的に保持される。このため、外力や衝撃がある程度吸収可能な状態で、ステータに対するロータの保持が行われる。また、突出したベアリングボールが後退する変化量が制限手段により定常状態における外側部分と内側部分との間隔（つまり、ロータとステータの隙間寸法）より小さな値になるように制限されているので、上記の弾性的な保持を行いつつ、ベアリングボールの変位が大き過ぎて、ロータとステータとが接触する事態が防止される。なお定常状態というのは、ロータとステータとの隙間が変化するような突発的な外力や衝撃が加わっていない状態のこという。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記付勢手段はコイルバネであり、前記制限手段は、前記コイルバネの縮み代を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限することを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、コイルバネが縮み、ベアリングボールが後退しても、コイルバネの縮み代が制限されているので、ベアリングボールの後退距離がある値より小さい値とされる。これにより、コイルバネの弾性を利用したベアリングボールの保持を行ないつつ、突極面からのベアリングボールの突出状態が失われない構造が得られる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記制限手段は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込んだ際に、前記ベアリングボールの一部が前記開口から突出する状態を維持させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記磁極部材が配置された前記一方の面に対向する面にマグネットが配置され、前記磁極部材が励磁されていない状態において、前記外側部分と前記内側部分の間隔が変化する範囲内における前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込む程非線形に大きくなる特性を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、外側部分と内側部分との間の隙間が狭くなり、両者の間で働く吸引力が加速度的に増大すると、それに合わせて前記吸引力に抗する付勢力が加速度的に増大する。このため、付勢手段として線形特性を有するものを採用した場合に比較して、内側部分と外側部分との位置関係を維持する機能が高い構造とできる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記磁極部材が前記マグネットに吸引される力と略一致する非線形な特性を有することを特徴とする。請求項６に記載の発明によれば、ステータまたはロータ側の磁極部材とロータまたはステータ側のマグネットとの間に作用する吸引力とに略一致する反発力が付勢手段において発生する。このため、ロータ／ステータ間の間隔が狭くなった場合に、この間隔が加速度的に増大する現象をより効果的に抑えることができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明おいて、前記突出量調整手段は、螺子により前記ベアリングボールの突出量を固定する突出量固定手段であることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、ベアリングボールの突出量が固定されるので、ロータとステータの間隔が一定に保たれる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外力や衝撃が受けた際に、ロータとステータとが接触せず、且つ、ロータとステータとの間隔を一定に保つ機構を有した球面モータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態の球面モータのステータ部分の外観図（Ａ）とその断面図（Ｂ）である。
【図２】実施形態の球面モータのロータの分解図（Ａ）、内部構造図（Ｂ）、分解図（Ｃ）、外観図（Ｄ）である。
【図３】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図４】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図５】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図６】実施形態の磁極部材の断面図である。
【図７】ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する磁極を説明するための概念図である。
【図８】ステータ側の磁極とロータマグネットとの間の間隔と、ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する吸引力との関係を示すグラフ（Ａ）、およびステータ側の磁極とロータマグネットとの間の間隔と、ベアリングボールを押すコイルバネの反発力との関係を示すグラフ（Ｂ）である。
【図９】コイルバネによって押されたベアリングボールによりロータが支持される状態を示す概念図である。
【図１０】ベアリングボールの押し込み量と、ステータ側の磁極とロータマグネットとの間で作用する吸引力との関係を示すグラフ（Ａ）、およびベアリングボールの押し込み量と、ベアリングボールを押すコイルバネの反発力との関係を示すグラフ（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１． 第１の実施形態
（ステータ）
図１（Ａ）には、球面モータ１００のステータ１０１の外観が示され、図１（Ｂ）には、ステータ１０１を縦に半分に割った状態の断面構造が示されている。ステータ１０１は、外側部分の一例であり、略球殻構造を有したステータ部材１０１ａおよび磁極部材１０２により構成されている。ステータ部材１０１ａおよび磁極部材１０２は、軟磁性材料により構成されている。磁極部材１０２は、ステータ部材１０１ａに後述する構造により取り付けられている。
【００２２】
磁極部材１０２は、回転中心（球構造の中心）の方向に延在したコイルコア部１０３を備えている。コイルコア部１０３には、ステータコイルを構成するマグネットワイヤが巻かれる。コイルコア部１０３の先端の部分は、傘型に開き、後述する球体構造を有するロータの表面形状に沿った形状を有する突極面１０４とされている。突極面１０４は、ロータ側のロータマグネットに対応するステータ側の磁極面となる部分であり、その中央には、後述するベアリングボールをロータの方向に突出させるための開口１０５が設けられている。
【００２３】
図１（Ｂ）に示されるように、ステータ部材１０１ａの外面には、平坦部１０６が設けられ、その中央に磁極部材１０２を取り付けるための取付け孔１０７が設けられている。また、磁極部材１０２は、ベアリングボールを支える構造を備えているが、図１では図示省略されている。この部分については、後に詳述する。
【００２４】
（ロータ）
図２には、図１のステータ１０１の内側に回転自在な状態で納められるロータの一例が示されている。図２には、ロータ１１０が示されている。ロータ１１０は、内側部分の一例であり、略球状の形状を有している。ロータ１１０は、ステータ１０１の内側に納められた状態でステータ１０１から隙間を隔てた状態で回転自在な状態とされる。ロータ１１０は、軟磁性材料で構成された内球部１１１、内球部１１１の表面に埋め込まれた複数のロータマグネット１１２、セラミックス等の非磁性材料により構成された外側を覆う外殻部１１３により構成されている。
【００２５】
(磁極部材)
以下、図１では記載が省略されていた磁極部材１０２の詳細な構造について説明する。図３には、磁極部材１０２の断面構造が示されている。図３には、磁極部材１０２がステータ部材１０１ａに取り付けられている状態が示されている。図示するように、磁極部材１０２の突極面１０４は、ロータ１１０の外側を覆う外殻部１１３に隙間を隔てて対向している。この隙間は、（Ｒｏ−Ｒｉ）で示される。なお、符号Ｓは、ロータの回転中心であり、また略球殻構造のステータ１０１の中心でもある。
【００２６】
図３に示すように、突極面１０４の中央に設けられた開口(図１の符号１０５)からは、ベアリングボール１１５の一部がロータ１１０の側に突出し、その突出した部分の先端がロータ１１０の外殻部１１３に接触している。ベアリングボール１１５は、セラミックス等の非磁性な材料により構成され、略円筒形状の押圧部材１１６によって中心Ｓの方向（ロータ１１０の方向）に押されている。押圧部材１１６の先端は、すり鉢状に窪んでおり、そこでベアリングボール１１５が保持されている。押圧部材１１６の円筒形状の部分には、コイルバネ１１７が装着され、コイルバネ１１７の先端は、押圧部材１１６先端のすり鉢状部分外側の縁に接触している。コイルバネ１１７の後端は、スペーサ１１８に接触している。このコイルバネ１１７の弾性により、ベアリングボール１１５は、ロータ１１０の方向に付勢された状態で、突極面１０４から突出している。そして、このスペーサ１１８と押圧部材１１６の後端との間において、符号Ｗで示される隙間量（「縮み代」に相当）が設定されている。この隙間量Ｗは、スペーサ１１８の寸法で微調整が可能とされている。この構成によれば、隙間量Ｗの寸法範囲でベアリングボール１１５は、図の左方向に後退が可能となる。ここでは、Ｗ＜（Ｒo−Ｒi）となるようにスペーサ１１８の寸法が設定されている。ここで、（Ｒo−Ｒi）は、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との間の隙間寸法である。
【００２７】
スペーサ１１８の背後は、固定部材１１９で押さえられている。固定部材１１９は、螺子１２０により、磁極部材１０２に固定されている。また、固定部材１１９と磁極部材１０２の一部とが、ステータ部材１０１ａの平坦部１０６の一部を挟み込むことで、磁極部材１０２がステータ部材１０１ａに固定されている。
【００２８】
コイルコア部１０３の外側には、コイルボビン１２１が装着され、コイルボビン１２１にマグネットワイヤが巻かれることで、ステータコイル１２２が構成されている。コイルボビン１２１は、端子取付け部１２３を備え、端子取付け部１２３には、電極端子１２４が固定されている。この電極端子１２４は、図示されていないが２つあり、そこにステータコイル１２２の両端が接続され、ステータコイルの引き出し電極として機能する。
【００２９】
（優位性）
例えば、ロータ１１０が回転している状態において、ステータ１０１に外部から衝撃が加わる状況を考える。この際、この衝撃によりロータ１１０がステータ１０１の内部で相対的に動こうとする力が作用する。この力は、ベアリングボール１１５に加わる。この力がベアリングボール１１５を外側に押す方向（図の左方向）に加わると、コイルバネ１１７が縮み、ベアリングボール１１５が後退し、ベアリングボール１１５のロータ１１０方向への突出量が減少する。この際、コイルバネ１１７の弾性により、衝撃の一部が吸収される。ここで、Ｗ＜（Ｒo−Ｒi）、すなわちベアリングボール１１５の後退可能な距離Ｗは、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との隙間寸法（Ｒo−Ｒi）より小さくなるように設定されている。したがって、最大に後退した状態においてもベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が確保されている。このため、強い衝撃を受けてもロータ１１０の突極面１０４への接触が防止される。また、ロータ１１０は、周囲からコイルバネ１１７によって弾性的に押された状態となるので、ステータ１０１との間の間隔を一定に保つような力が作用した状態でステータ１０１の内側で保持される。
【００３０】
このように、ステータ１０１が外部から衝撃を受けたときや、ロータ１１０が急停止をするとき、ロータ１１０が進行方向(回転方向)を変更するときなどに、ロータ１１０がステータ１０１に一時的に近接する可能性があるが、ロータ１１０とステータ１０１とが接触せず、且つ、ロータ１１０とステータ１０１との間隔を一定に保つ機構が実現される。ところで、本実施形態のようにコイルバネの縮み代を規制することなしに、ロータとステータの間隔を維持して両者の接触を回避する方法として、コイルバネの反発力（付勢力）を大きくする方法が考えられる。しかしながら、コイルバネの反発力を大きくするほど、定常状態において、コイルバネからより大きな反発力がロータに加わることになり、ベアリングボールとロータ間の摩擦力が増大することになる。この点、本実施形態の球面モータは、コイルバネ１１７の反発力を比較的小さい値に設定することができるので、ベアリングボール１１５がロータ１１０を押す力が過剰にならず、ベアリングボール１１５がロータ１１０を強く押すことに起因する摩擦力の増大を抑えることができる。このため、回転時のロスが抑えられた球面モータが得られる。
【００３１】
２． 第２の実施形態
以下、第１の実施形態とは、異なる磁極部材の構造について説明する。図４には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ａが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３２】
図４に示す構成では、図３のコイルバネ１１７は用いられておらず、代わりにワッシャ１３１が、押圧部材１１６とスペーサ１１８との間に介在した構造とされている。ここでは、ワッシャ１３１の厚みにより、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が調整されている。例えば、ワッシャ１３１として複数のワッシャを重ねたものを採用した場合、重ねるワッシャの枚数を調整することで、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量の調整が行われる。
【００３３】
ここでワッシャ１３１として厚み方向への弾性的な圧縮が可能なものを採用すると、第１の実施形態と同様なベアリングボール１１５の弾性的な支持が可能となる。この際、ワッシャ１３１の変形可能な幅の値を、定常状態におけるロータ１１０とステータ１０１との隙間寸法よりも小さくすることで、第１の実施形態と同様の機能を得ることができる。また、ワッシャ１３１として圧縮できない構造のものを採用することで、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が固定される構成を実現できる。
【００３４】
３． 第３の実施形態
図５には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ｂが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３５】
図５に示す構成では、スペーサ１１８の先端が押圧部材１１６に接触し、スペーサ１１８の後端が固定部材１１９に接触している。また、固定部材１１９とステータ部材１０１ａの平坦部１０６との間に皿バネ１３２が挿入されている。この構造では、螺子１２０の締め具合により、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量の調整が行われる。この例では、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量は固定される。なお、皿バネに代えて、ウェーブワッシャやコイルバネを用いることもできる。
【００３６】
４． 第４の実施形態
図６には、図３の磁極部材１０２とは異なる構造の磁極部材１０２ｃが示されている。なお、以下の説明において、図１〜３と同じ符号の部分は、図１〜３に関連して説明した内容と同じである。以下、主に図３と異なる部分について説明する。
【００３７】
この例では、スペーサ１１８の後端が螺子１３３によって押され、それによりベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量が調整される構造とされている。コイルコア部１０３の後部分には、螺子１３３をねじ込むための開口部とされ、この開口部の内周には、螺子１３３が噛み合う螺子溝が形成されている。また、固定部材１１９には、螺子１３３をコイルコア部１０３後端にねじ込むための開口が設けられている。この構造も第３の実施形態の場合と同様に、ベアリングボール１１５の突極面１０４からの突出量は固定される。
【００３８】
なお、図５および図６に示す構成において、スペーサ１１８をゴム、ゲル材、発砲ウレタンのような弾性部材により構成することで、ベアリングボール１１５を弾性的に保持する構造が得られる。この際、スペーサ１１８が最大限に圧縮された状態で、ベアリングボール１１５が突極面１０４から突出するようにスペーサ１１８の材質や寸法を設定することで、ベアリングボール１１５が弾性的に保持され、且つ、外力や衝撃が加わった際に、ロータ１１０とステータ１１０とが接触しない構造が得られる。
【００３９】
５． 第５の実施形態
本実施形態では、第１の実施形態において、コイルバネ１１７として非線形バネを採用する。非線形バネとは、変位と弾性力が正比例せず、非線形な関係にあるバネである。コイル状の非線形バネは、軸方向におけるコイルピッチを変えた構造やコイルバネを構成する線材の径を軸方向で変えた構造によって実現される。以下、コイルバネ１１７としてどのような非線形性に設定するのかについて説明する。
【００４０】
図７には、ステータ側の磁極部材７０１の突極面７０２と、ロータ７０３側のロータマグネット７０４が空隙隙間（ＧＡＰ）を介して対向している状態が概念的に示されている。この状態において、ステータ側の磁極部材７０１の突極面７０２と、ロータ７０３側のロータマグネット７０４との間には、ロータマグネット７０４が発生する磁力に起因する吸引力が発生する。図８（Ａ）は、ステータの磁極への励磁を行なっていない状態におけるＧＡＰ（横軸）と、突極面７０２とロータマグネット７０４との間に作用する吸引力（縦軸）との関係の一例を示すグラフである。ここで、図８（Ａ）には、図７に示すように突極面７０２とロータマグネット７０４とが対向している状態における吸引力が示されている。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の特性に合わせた特性のコイルバネのＧＡＰ（横軸）と反発力の関係を示すグラフである。
【００４１】
図８（Ａ）に示されるように、ロータとステータ側のマグネットの間に作用する吸引力は、空隙距離（ＧＡＰ）が狭まると、急激に増加する。この増加の程度は、高次関数で表される非線形なものとなる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図８（Ａ）に示す非線形性特性と同様な変位―反発力の特性を有する非線形バネをコイルバネ１１７として採用する（図８（Ｂ）参照）。この場合、ＧＡＰ（空隙距離）が狭くなると、増大するロータマグネット７０４の吸引力に対応してコイルバネ１１７の反発力が大きくなる特性が得られる。
【００４３】
図９には、この非線形バネを評価するモデルが示されている。図１０（Ａ）は、ベアリングボール１１５の押し込み量（横軸）と、突極面７０２とロータマグネット７０４との間に作用する吸引力（縦軸）との関係の一例を示すグラフである。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の特性に合わせたコイルバネにおけるベアリングボール１１５の押し込み量と反発力の関係を示すグラフである。図１０（Ａ）に示すように、ベアリングボール１１５を押し込む程、ロータ／ステータ間に作用する吸引力が非線形的に増大する。本実施形態では、この特性に合わせた非線形的な反発力を生じるように、ベアリングボール１１５を押すコイルバネ１１７の特性を調整している。すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、ベアリングボール１１５が押し込まれる程、コイルバネ１１７の反発力（付勢力）が増大するように、その特性を図１０（Ａ）に略合わせたものとする。
【００４４】
このように、コイルバネ１１７として、圧縮変形に対して生じる反発力が非線形な特性を示すものを用い、その非線形な特性をロータとステータとの間で生じる磁力の吸引力と釣り合う特性に設定する。つまり、コイルバネ１１７として、マグネットの吸引力に一致した反発力を示す非線形特性を有するものを採用する。なお、コイルバネ１１７の特性の設定は、コイル１２２に対する励磁を行なっていない状態におけるベアリングボール１１５の可動範囲において行なわれる。具体的には、図９に示すようなモデルをコンピュータによりシミュレーションし、ステータ側の磁極の励磁を行なっていない状態でロータマグネット１１２に起因するロータとステータ間の吸引力を算出する。そしてこの吸引力とＧＡＰとの関係を示す特性に略合致した非線形特性のコイルバネ１１７を選定する。
【００４５】
仮に、コイルバネとして通常の線形な特性を有するものを採用した場合、衝撃等の何らかの理由により、ロータとステータ間の隙間が狭くなると、加速度的に吸引力が増大し、ステータの位置を定常状態に戻すことが困難になる可能性が高くなる。これに対して、本実施形態の構成を採用した場合、ＧＡＰが狭くなることで加速度的に増大する吸引力に対応して、コイルバネ１１７の反発力も加速度的に増大する。このため、衝撃等に起因してロータとステータの間の隙間が狭くなり、ロータがステータに加速度的に吸引される現象が抑制される。ロータがステータに加速度的に吸引される現象が抑制されることで、ステータコイルに流す電流を制御することによるステータの定常位置（ロータとステータの隙間が規定の値である状態）への復帰を行なう制御が容易となる。また、コイルバネ１１７の特性により、ロータ／ステータの間隔が常に予め決められた値となるようにする力が作用するので、定常位置における駆動制御も容易となる。
【００４６】
また上述した非線形特性のコイルバネ１１７を用いた場合、定常位置におけるコイルバネ１１７の反発力を弱く設定できる（図１０参照）。このため、定常状態においてベアリングボール１１５とロータ１１０の外殻部１１３との間に作用する摩擦力を小さくでき、定常状態におけるロータの回転に際しての損失を抑えることができる。つまり、ロータを定常位置に止める機能とロータの回転に際しての損失の低減を両立させた球面モータを得ることができる。
【００４７】
(その他)
以上の例示では、ベアリングボールをステータ側の磁極の部分（突極面）に設けた例を説明したが、磁極以外の部分においてベアリングボールによるロータの保持を行なう構成も可能である。この場合、磁極として機能しないだけで、ベアリングボールを支える構造は、例示した実施形態の構造が適用可能である。
【００４８】
以上の例示では、外側がステータで内側がロータの例を説明したが、外側をロータとし、内側をステータとしてもよい。この場合、外側のロータの回転範囲が限定されるが、部分的な範囲で外側の球体が回転する球面モータが得られる。また、内側がロータである構成において、この内側のロータに例示した磁極の構造を適用することもできる。この場合もロータの回転範囲が制限されるが、部分的な範囲で内側の球体が回転する球面モータが得られる。
【００４９】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、球面モータに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００…球面モータ、１０１…ステータ、１０１ａ…ステータ部材、１０２…磁極部材、１０３…コイルコア部、１０４…突極面、１０５…開口、１０６…平坦部、１０７…取付け孔、１１０…ロータ、１１１…内球部、１１２…ロータマグネット、１１３…外殻部、１１５…ベアリングボール、１１６…押圧部材、１１７…コイルバネ、１１８…スペーサ、１１９…固定部材、１２０…螺子、１２１…コイルボビン、１２２…コイル、１２３…端子取付け部、１２４…電極端子、１３１…ワッシャ、１３２…皿バネ、１３３…螺子、７０１…磁極部材、７０２…突極面、７０３…ロータ、７０４…ロータマグネット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状の殻構造を有した外側部分と、
前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分と
を備え、
前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、
前記対向する面の一方には、コイルが巻かれた磁極部材が配置され、
前記磁極部材は、
コイルが巻かれるコイルコア部と、
前記コイルコア部の先端に設けられ、中央に開口が設けられた突極面と、
前記開口から一部が突出し、前記一方の面に対向する他方の面に接触するベアリングボールと、
前記ベアリングボールの前記開口からの突出量を調整する突出量調整手段と
を備えていることを特徴とする球面モータ。
【請求項２】
前記突出量調整手段は、
前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に弾性的に付勢する付勢手段と、
前記ベアリングボールの前記開口からの前記突出量の小さくなる方向への変化量を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限する制限手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
【請求項３】
前記付勢手段はコイルバネであり、
前記制限手段は、前記コイルバネの縮み代を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限することを特徴とする請求項２に記載の球面モータ。
【請求項４】
前記制限手段は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込んだ際に、前記ベアリングボールの一部が前記開口から突出する状態を維持させることを特徴とする請求項２または３に記載の球面モータ。
【請求項５】
前記磁極部材が配置された前記一方の面に対向する面にマグネットが配置され、
前記磁極部材が励磁されていない状態において、前記外側部分と前記内側部分の間隔が変化する範囲内における前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込む程非線形に大きくなる特性を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の球面モータ。
【請求項６】
前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記磁極部材が前記マグネットに吸引される力と略一致する非線形な特性を有することを特徴とする請求項５に記載の球面モータ。
【請求項７】
前記突出量調整手段は、螺子により前記ベアリングボールの突出量を固定する突出量固定手段であることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
【請求項１】
略球状の殻構造を有した外側部分と、
前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分と
を備え、
前記外側部分および前記内側部分は互いに対向する面を有し、
前記対向する面の一方には、コイルが巻かれた磁極部材が配置され、
前記磁極部材は、
コイルが巻かれるコイルコア部と、
前記コイルコア部の先端に設けられ、中央に開口が設けられた突極面と、
前記開口から一部が突出し、前記一方の面に対向する他方の面に接触するベアリングボールと、
前記ベアリングボールの前記開口からの突出量を調整する突出量調整手段と
を備えていることを特徴とする球面モータ。
【請求項２】
前記突出量調整手段は、
前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に弾性的に付勢する付勢手段と、
前記ベアリングボールの前記開口からの前記突出量の小さくなる方向への変化量を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限する制限手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
【請求項３】
前記付勢手段はコイルバネであり、
前記制限手段は、前記コイルバネの縮み代を定常状態における前記外側部分と前記内側部分との間隔よりも小さい値に制限することを特徴とする請求項２に記載の球面モータ。
【請求項４】
前記制限手段は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込んだ際に、前記ベアリングボールの一部が前記開口から突出する状態を維持させることを特徴とする請求項２または３に記載の球面モータ。
【請求項５】
前記磁極部材が配置された前記一方の面に対向する面にマグネットが配置され、
前記磁極部材が励磁されていない状態において、前記外側部分と前記内側部分の間隔が変化する範囲内における前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記ベアリングボールを前記開口に押し込む程非線形に大きくなる特性を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の球面モータ。
【請求項６】
前記付勢手段が前記ベアリングボールを前記開口から突出する方向に付勢する力は、前記磁極部材が前記マグネットに吸引される力と略一致する非線形な特性を有することを特徴とする請求項５に記載の球面モータ。
【請求項７】
前記突出量調整手段は、螺子により前記ベアリングボールの突出量を固定する突出量固定手段であることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１０５４３２（Ｐ２０１２−１０５４３２Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５０９７７（Ｐ２０１０−２５０９７７）
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]