(57)【要約】【課題】球殻形状のステータと、ステータ内部に内蔵された球状のロータとからなる球面モータにおいて、ロータ回転時の摩擦損失を低減し、ロータの動作範囲を大きくできる球面モータを提供する。【解決手段】空気導入孔３を軸方向中心に設けたベアリングホルダ２とベアリングキャップ８との間にベアリングボール６を内蔵した球面軸受１でロータ１３を支持し、ベアリングホルダ２に導入された圧縮空気でベアリングボール６を浮上させることで、ロータ１３の回転時の摩擦損失を低減した。【選択図】図２
2010060011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が球面状に加工された浮上面を具備し、前記浮上面まで延びる空気導入孔を軸方向中心部に設け、かつ前記空気導入孔の入口に継手を接続できるようにしたベアリングホルダと、
前記ベアリングホルダの浮上面に当接配置されたベアリングボールと、
前記ベアリングホルダに嵌合されるベアリングキャップであって、前記ベアリングボールを内蔵する空間を設けかつ前記空間に内蔵された前記ベアリングボールの一部が突出する大きさの穴を先端に設け、前記空間内に前記ベアリングボールを内蔵して前記ベアリングホルダに嵌合された状態で前記ベアリングボールと前記ベアリングホルダとのあいだにすきまを保ってなるベアリングキャップと、
を備えて成ることを特徴とする球面軸受。
【請求項２】
中空の球殻からなるステータと、前記ステータの中空部分に内蔵された球状のロータと、前記ステータと前記ロータの一方に永久磁石を他方に電磁コイルを備えた球面モータであって、
前記中空の球殻にあけられた少なくとも３箇所の貫通孔にそれぞれ請求項１記載の球面軸受を前記ベアリングキャップの先端が前記中空内に露出するように取り付け、前記ベアリングボールで前記ロータを支持させたことを特徴とする球面モータ。
【請求項３】
前記ベアリングホルダに取り付けられた継手と、前記継手に接続された配管と、前記配管に接続されたレギュレータおよびコンプレッサと、を備えたことを特徴とする請求項２記載の球面モータ。
【請求項４】
前記ベアリングホルダと前記ステータとの間にスペーサを挿入したことを特徴とする請求項２記載の球面モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の自由度を有する球面モータなどに適用する球面軸受と球面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
〈特許文献１記載の発明〉
従来の球面軸受について特許文献１および特許文献２を例にして説明する。
図５は特許文献１記載の発明に係る実施例の構成図である。
中空球状のステータ１１に、互いに直交するコイル１５ｘ、１５ｙ、１５ｚを配設している。それぞれのコイルは電源２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに接続され、それらの電源から各コイル１５に制御された電流を供給することにより、任意の方向の合成回転磁界を発生させることができる。ステータ１１内には永久磁石１６を収容して構成されたロータ１３が内蔵され、ロータ１３はステータ１１との間にベアリングボール６を介在させることにより、任意の方向に回転可能に支持されている。
ここで、ステータ１１におけるコイル１５ｘ、１５ｙ、１５ｚへの電流を制御して、回転軸を３次元の任意の方向に向けた磁界を回転させると、ロータ１３がその回転磁界の回転軸の周りを回転し、３次元の回転制御を行うことができる。
【０００３】
〈特許文献２記載の発明〉
図６は特許文献２記載の発明に係る実施例の概観斜視図、図７はその側断面図である。
ベース１２に対してカップ状の球面軸受１が締結されている。ロータコア２３はこの球面軸受１を包むように配設され、磁性体により作成されている。ロータコア２３の表面には複数の永久磁石１６が配設され、この永久磁石１６と所定の空隙を持ってヨーク２２が配設されている。ヨーク２２にはコイル１５が巻かれており、ヨーク２２およびコイル１５はベース１２に締結されている。
ここで、コイル１５ａおよびコイル１５ｂに電流を流すと、コイル１５ａおよび１５ｂを流れる電流の方向と永久磁石１６による磁束の方向が直交しているため、コイル１５ａおよび１５ｂに流れる電流と永久磁石１６による磁束それぞれに直交する電磁力が発生し、その電磁力により可動部であるロータコア２３が回転することになる。
同様にコイル１５ｃおよび１５ｄに電流を流せば、コイル１５ａおよびコイル１５ｂに通電したときにロータコア２３が回転する方向とは直交する方向にロータコア２３が回転する。このように、それぞれのコイルを別々に制御することによって、可動部は多自由度に制御することができる。
【０００４】
【特許文献１】特公平６−８５６３０号公報（第１４頁、図５）
【特許文献２】特開２００５−３２８５９２号公報（第１５頁、図６、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
〈特許文献１記載の発明が持つ課題〉
特許文献１記載の発明では、例えば保持器など、ベアリングボール６の位置を拘束する部品が無いため、ロータ１３の回転にともないベアリングボール６が移動してしまう。ベアリングボール６がコイル１５に干渉する位置まで移動すると、それ以上ロータ１３は回転することができず、ロータ１３の動作範囲が制限されることになる。
また、すべてのベアリングボール６が片側に移動してしまうと、ロータ１３が回転不能になってしまうという問題がある。仮に、何らかの方法でベアリングボール６がステータ１１に対して移動しないよう拘束されていたとしても、その場合には、ベアリングボール６とステータ１１との間には転がり摩擦ではなく、すべり摩擦が発生することになり、一般的には転がり摩擦よりもすべり摩擦の摩擦力が大きいため、モータの摩擦損失が大きくなるという問題が発生する。
〈特許文献２記載の発明が持つ課題〉
特許文献２による発明では、球面軸受１とロータコア２３とが対向している範囲でしかロータコア２３が動作することができない。すなわち、球面軸受１とベース１２との連結部にロータコア２３が干渉する位置までしか動作することができず、動作範囲が制限されるという問題がある。本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、球面モータのロータ回転時の摩擦損失を低減し、ロータの動作範囲を大きくすることができる球面軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の球面軸受の発明は、先端が球面状に加工された浮上面を具備し、前記浮上面まで延びる空気導入孔を軸方向中心部に設け、かつ前記空気導入孔の入口に継手を接続できるようにしたベアリングホルダと、前記ベアリングホルダの浮上面に当接配置されたベアリングボールと、前記ベアリングホルダに嵌合されるベアリングキャップであって、前記ベアリングボールを内蔵する空間を設けかつ前記空間に内蔵された前記ベアリングボールの一部が突出する大きさの穴を先端に設け、前記空間内に前記ベアリングボールを内蔵して前記ベアリングホルダに嵌合された状態で前記ベアリングボールと前記ベアリングホルダとのあいだにすきまを保ってなるベアリングキャップと、を備えて成ることを特徴とする。
請求項２記載の球面モータの発明は、中空の球殻からなるステータと、前記ステータの中空部分に内蔵された球状のロータと、前記ステータと前記ロータに一方に永久磁石と他方に電磁コイルを備えた球面モータであって、前記中空の球殻にあけられた少なくとも３箇所の貫通孔にそれぞれ請求項１記載の球面軸受を前記ベアリングキャップが中空内に露出するように取り付け、前記ベアリングボールで前記ロータを支持させたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の球面モータにおいて、前記ベアリングホルダに取り付けられた継手と、前記継手に接続された配管と、前記配管に接続されたレギュレータおよびコンプレッサと、を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項２記載の球面モータにおいて、前記ベアリングホルダと前記ステータとの間にスペーサを挿入したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によると、ベアリングボールと記ベアリングホルダとのあいだにすきまを保ってベアリングボールを若干浮かせることができるので、摩擦損失が小さな球面軸受が得られる。
また、請求項２記載の発明によると、摩擦損失が小さな球面軸受を用いることによって、同じく摩擦損失が小さな球面モータが得られる。
また、請求項３記載の発明によると、コンプレッサから吐出された圧縮空気の圧力によりベアリングボールがロータを支持しながら浮上し、次にロータが回転すると、ロータとの転がり摩擦によりベアリングボールが回転し、その際ベアリングボールは、ベアリングホルダの浮上面との間ですべりを生じながら回転することになるが、ベアリングボールと浮上面との間には、圧縮空気の作用によりすきまが生じるため、ベアリングボールは極めて小さな摩擦力で回転することができ、この結果ロータは極めて小さな摩擦損失で回転自在に支持される。
また、ロータの回転により球面軸受の位置が変化しないため、ロータは任意の方向に無限に回転することが可能になる。
また、請求項４記載の発明によると、ベアリングホルダとステータとの間に入れるスペーサの厚みを調整して球面ベアリングの位置を調整することでロータと球面軸受とのすきまを適切に設定することができるので、ロータ回転時の摩擦損失を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
〈本発明に係る球面軸受の説明〉
図１は本発明に係る球面軸受の拡大断面図である。
本発明に係る球面軸受１は、ベアリングホルダ２とベアリングボール６とベアリングキャップ８とから構成されている。
〈ベアリングホルダ２の形状〉
ベアリングホルダ２は使用する対象物に取り付けられる取付部２ａと取付部２ａの中央部から立設する立設部２ｂの一体物として成り、立設部２ｂの中心部を長さ方向に貫通するように空気導入孔３が開けられている。取付部２ａの空気導入孔３には継手４が配設されるようにネジ切りが形成され、そのネジ切りに継手４がネジ込まれる。継手４の反対側には配管５が接続されている。そして、空気導入孔３の先端には、ベアリングボール６の表面と同様な球面形状である浮上面７が形成されている。
〈ベアリング６の形状〉
ベアリングボール６はその浮上面７に当接できるサイズのもので、浮上面７に当接している。
〈ベアリングキャップ８の形状〉
ベアリングキャップ８は有底筒状をしており、有底部８ｂの中心にベアリングボールの一部が突出できるように穴８ｈが開けられている。ベアリングキャップ８の筒状部８ａがベアリングホルダ２の立設部２ｂの先端周囲に嵌合されることで、内部にベアリングキャップ８を収納できるスペースが形成される。
〈球面軸受１の出来上がり〉
上記のように、ベアリングキャップ８の筒状部８ａをベアリングホルダ２の立設部２ｂの先端周囲に嵌合して形成されるスペースにベアリングボール６を収納すると本発明に係る球面軸受が出来上がる。
この場合、ベアリングボール６とベアリングホルダ２の間、およびベアリングボール６とベアリングキャップ８の間にはそれぞれすきま９ａ、９ｂがあり、このすきま９ａ、９ｂでベアリングボール６が自在に回転できるように構成されている。
【００１０】
〈本発明の球面軸受を適用した球面モータ〉
図２は本発明の球面軸受１を３個使用して成る球面モータの実施例で、その側断面図である。図２において、球面モータ２０は、中空の球殻からなるステータ１１と、このステータ１１の中空部分に内蔵された球状のロータ１３と、球状のロータ１３の支持部材として本発明に係る３個の球面軸受１と、で構成されている（図では球面軸受１は左右に２個しか見えないが、図のロータ１３の裏側にもう１個（１個でなくて複数個でももちろんよい）ある。）。
球面軸受１の取付け状態を説明する図１に戻って、ステータ１１には、ベアリングキャップ８の筒状部８ａおよびベアリングホルダ２の立設部２ｂが挿入される穴があけられており、この穴にベアリングキャップ８の筒状部８ａおよびベアリングホルダ２の立設部２ｂが挿入され、ベアリングホルダ２の取付部２ａがステータ１１にネジＮで固定される。その際、球面軸受１はスペーサ１０を介してステータ１１に固定される。
図２に戻って、球殻形状のステータ１１はベース１２に対して締結されている。ロータ１３は球形状であり、ステータ１１内部において球面軸受１先端のベアリングボール６に当接することによって支持されている。ロータ１３には回転出力を外部に取り出すためその一部にシャフト１４が取り付けられている。ステータ１１内部にはコイル１５が配設され、ロータ１３内部にはコイル１５に対向して永久磁石１６が配設されている。
コンプレッサ１７にはレギュレータ１８が接続され、レギュレータ１８から分岐した配管５は球面軸受１に配設された継手４に接続されている。
〈球面モータに必要な球面軸受の数〉
図３は本発明の球面軸受の上断面図である。
図３においては球面軸受１の配置を示すためロータ１３の図示を省略している。図３に示すように、本実施例において球面軸受１はステータ１１の円周上等間隔に最低３個配設すれば良いことが判る。
【００１１】
〈球面モータの動作〉
次に、本発明の球面軸受を適用した球面モータの動作について図２を用いて説明する。
コンプレッサ１７から吐出された圧縮空気は、レギュレータ１８と配管５を介し、ベアリングホルダ２の空気導入孔３を通ってベアリングボール６まで導入される。ベアリングボール６まで導入する圧縮空気の圧力をレギュレータ１８により調整することで、ベアリングボール６はロータ１３を支持しながら浮上する。
次に、ステータ１１に配設されたコイル１５に通電すると、一般のモータと同様にコイル１５に流れる電流と永久磁石１６からの磁界との相互作用によりロータ１３を回転させる電磁力が発生する。ロータ１３が回転すると、ロータ１３との転がり摩擦によりベアリングボール６が回転する。その際ベアリングボール６は、ベアリングホルダ２の浮上面７との間にすべりを生じながら回転することになるが、ベアリングボール６と浮上面７との間には、圧縮空気の作用によりすきま９が生じるため、ベアリングボール６は極めて小さな摩擦力で回転することができ、この結果ロータ１３が回転するときの摩擦損失は極めて小さなものになる。  また、すきま９を流れる圧縮空気の剛性によりベアリングボール６およびロータ１３はその中心位置を一定の位置に保つことができる。
以上のようにロータ１３は球面軸受１の作用により極めて小さな摩擦損失で回転自在に支持されることになる。ここで、シャフト１４を取り外しロータ１３を完全な球形状にするとロータ１３は任意の方向に無限に回転することが可能になる。
【００１２】
〈球面モータのロボットへの用途〉
図４は本発明の球面軸受を適用した球面モータを、ロボットアームの先端に取り付けるなど、球面モータ自体の姿勢が変化する場合の実施例を示す図である。
この場合、球面軸受１を上下それぞれに３個ずつロータ１３を挟むように配置することで、ロボットアーム１９の動作により球面モータ２０自体の姿勢が変わっても、ロータ１３の位置を一定にすることができる。
また、この場合ロータ１３と球面軸受１とのすきまが小さすぎるとロータ１３回転時の摩擦損失が増大し、逆にすきまが大きすぎると球面軸受１の剛性が確保できなくなるため、ロータ１３と球面軸受１のすきまは精密に調整する必要がある。そのためには、ベアリングホルダ２とステータ１１の間スペーサ１０を挿入し、スペーサ１０の厚みを変えて球面軸受１の位置を調整すれば、ロータ１３と球面軸受１のすきまを適切に調整することができる。
以上の実施例においては、球面軸受１を下側に３個または上下ともに３個配設したが、球面軸受１の個数を増やすことで軸受の剛性を高めることができる。
また、球面モータ２０の駆動原理として、本実施例では同期モータやステッピングモータのようにコイルの電流と永久磁石の磁界との相互作用による電磁力を利用した例を記載しているが、この他に、ステータ１１に超音波振動子を配設した超音波モータや、静電気を利用した静電モータなどの方式が適用できる。
以上のように、本発明の球面軸受によれば、球面モータのロータ回転時の摩擦損失を低減でき、かつロータの動作範囲を大きくすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る球面軸受の拡大断面図である。
【図２】図１の球面軸受を使用して成る球面モータの側断面図である。
【図３】図２の球面モータの上断面図である。
【図４】本発明の球面軸受を適用した球面モータをロボットアームに使用した実施例を示す球面軸受の図である。
【図５】従来例としての特許文献１の球面軸受を示す構成図である。
【図６】従来例としての特許文献２の球面軸受を示す概観斜視図である。
【図７】図６の球面軸受を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  球面軸受
２  ベアリングホルダ
２ａ  取付部
２ｂ  立設部
３  空気導入孔
４  継手
５  配管
６  ベアリングボール
７  浮上面
８  ベアリングキャップ
８ａ  筒状部
８ｂ  有底部
８ｈ  穴
９ａ、９ｂ  すきま
１０  スペーサ
１１  ステータ
１２  ベース
１３  ロータ
１４  シャフト
１５  コイル
１６  永久磁石
１７  コンプレッサ
１８  レギュレータ
１９  ロボットアーム
２０  球面モータ
２１  電源
２２  ヨーク
２３  ロータコア
Ｎ  ネジ
【図１】
2010060011.tif 000003
【図２】
2010060011.tif 000004
【図３】
2010060011.tif 000005
【図４】
2010060011.tif 000006
【図５】
2010060011.tif 000007
【図６】
2010060011.tif 000008
【図７】
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