(57)【要約】【課題】球面体を全方位に高速かつ高精度に回転させることが可能な球面軸受装置を提供する。【解決手段】  球面軸受装置１０は、仮想球面体Ｒに配置される６個の玉軸受１１と、６個の玉軸受１１を一体に保持する保持基体２１と、から構成されている。各玉軸受１１は、仮想球面体Ｒに接触する主球体１２と、主球体１２を回転自在に保持する２つの環状保持体１３と、を備えている。各環状保持体１３は、円環状に配置され主球体１２に接触する６個の副球体１４と、６個の副球体１４を回転自在に保持する環状リテーナ１５と、を有している。２つの環状保持体１３は、仮想球面体Ｒの中心Ｃ１および主球体１２の中心Ｃ２を通る中心線Ｌに直交し主球体１２の中心Ｃ２を通る仮想平面Ｐを対称面として対称に配置されている。そして、６個の玉軸受１１は、保持基体２１の内周面２１ａに形成された６つの凹部２２にそれぞれ固定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の玉軸受を仮想球面上に配置してなる球面軸受装置であって、
前記複数の玉軸受の各々は、主球体と、前記主球体を全方位に回転自在に保持する環状保持体と、を備え、
前記環状保持体は、前記主球体の外表面に沿って円環状に配置される複数の副球体と、前記複数の副球体を回転自在に保持する環状リテーナと、を有する球面軸受装置。
【請求項２】
前記複数の玉軸受の少なくとも１つは、２つの前記環状保持体を有し、
前記２つの環状前記保持体は、前記主球体の中心を通り、かつ、前記仮想球面の中心および前記主球体の中心を通る中心線に直交する仮想平面を挟むように配置されている請求項１に記載の球面軸受装置。
【請求項３】
前記複数の玉軸受の少なくとも１つは、１つの前記環状保持体とさらに点状保持体とを有し、
前記１つの環状保持体は、前記主球体の中心を通り、かつ、前記仮想球面の中心および前記主球体の中心を通る中心線に直交する仮想平面よりも前記仮想球面側に配置され、
前記点状保持体は、前記中心線上で前記主球体の外表面に配置される１つの第２の副球体と、前記第２の副球体を全方位に回転自在に保持する点状リテーナと、を有している請求項１に記載の球面軸受装置。
【請求項４】
前記点状リテーナは、前記中心線方向に変位可能に配置された螺旋状のばねである請求項３に記載の球面軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が球面状の回転体を全方位に回転自在に保持するための球面軸受装置に関し、特に、球面モータのロータの保持に適した球面軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、全方位（３軸回り）に回転自在な球面モータが、ビデオ監視システムのカメラ駆動機構やロボットの関節駆動機構として、再び注目されてきている。
【０００３】
従来の球面モータの一例として、特許文献１が開示する球面モータ（３次元モータ）の概略構成を図８を参照して説明する。球面モータは、中空外殻を構成するステータ１０１と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りに回転磁界を発生させる巻線１０２ｘ，１０２ｙ，１０２ｚと、ステータ１０１内に配置され永久磁石（不図示）を内部に収容する球状のロータ１０３と、を備えている。そして、ロータ１０３は、ステータ１０１との間に複数の軸受（ベアリング）１０４を介在させることにより、全方位に回転自在に支持されている。
【０００４】
このように球面モータを構成することによって、巻線１０２ｘ，１０２ｙ，１０２ｚに流す電流を制御することにより、ロータ１０３に取り付けられた回転軸１０５を３軸回り（３自由度）で回転制御することができる。
【０００５】
ところで、特許文献１では、ロータ１０３を全方位に回転自在に支持するために、複数の軸受１０４をステータ１０１とロータ１０３との間に介在させることには言及されているが、軸受１０４の具体的な構成は明らかにされていない。球面モータにおけるロータのような球状の回転体を全方位に回転自在に支持する球面軸受装置として、例えば、図９に示す球面軸受２０１が知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
球面軸受２０１は、ロッド２０２の先端で外形が球状に形成された先端部２０２ａを、多数の鋼球２０３を介して、ともに円環形状の第１外周部材２０５ａおよび第２外周部材２０５ｂにより回転自在（転動自在）に保持させる構成としたものである。多数の鋼球２０３は、保持器２０４に形成された透孔２０４ａによって回転自在に保持され、先端部２０２ａの外表面に沿って複数列の同心円状に配列されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２０４２５２号公報
【特許文献２】特開２０００−３０４０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２が開示する球面軸受２０１は、多数の鋼球２０３を用いて転がり軸受を形成していることから、ロッド２０２（先端部２０２ａ）を比較的円滑に動かすことができる。
【０００９】
しかしながら、球面軸受２０１は、保持器２０４の外周面側から剛球２０３が抜け出ないようにするために、透孔２０４ａの内側に鋼球２０３が回転自在に当接する傾斜面２０４ａａが形成されている。このため、鋼球２０３は、傾斜面２０４ａａと面接触しながら回転することになる。また、一対の外周部材２０５ａ，２０５ｂの内面、すなわち各鋼球２０３が点接触する面が固定された（回転しない）状態にある。これらの結果、鋼球２０３が透孔２０４ａ内を回転する際の抵抗（すべり抵抗）が大きくなり、また、スティックスリップ現象が生じやすくなる。したがって、球面軸受２０１は、球面モータのように高速で高精度に回転させる用途には不向きである。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、球面モータのように表面（外表面または内表面）が球面状の回転体を高速で高精度に回転させる用途に適した球面軸受装置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】
【００１１】
そこで、上記課題を解決するために、本発明に係る球面軸受装置は、複数の玉軸受を仮想球面上に配置してなる球面軸受装置であって、前記複数の玉軸受の各々は、主球体と、前記主球体を全方位に回転自在に保持する環状保持体と、を備え、前記環状保持体は、前記主球体の外表面に沿って円環状に配置される複数の副球体と、前記複数の副球体を回転自在に保持する環状のリテーナと、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の好ましい実施態様では、前記複数の玉軸受の少なくとも１つは、２つの前記環状保持体を有し、
前記２つの環状前記保持体は、前記主球体の中心を通り、かつ、前記仮想球面の中心および前記主球体の中心を通る中心線に直交する仮想平面を挟むように配置されている。
【００１３】
また、本発明の好ましい他の実施態様では、前記複数の玉軸受の少なくとも１つは、１つの前記環状保持体とさらに点状保持体とを有し、
前記１つの環状保持体は、前記主球体の中心を通り、かつ、前記仮想球面の中心および前記主球体の中心を通る中心線に直交する仮想平面よりも前記仮想球面側に配置され、
前記点状保持体は、前記中心線上で前記主球体の外表面に配置される１つの第２の副球体と、前記第２の副球体を全方位に回転自在に保持する点状リテーナと、を有している。
【００１４】
この場合、前記点状リテーナは、前記中心線方向に変位可能に配置された螺旋状のばねであってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る球面軸受装置においては、表面が球状の仮想的な回転体を直接保持する複数の主球体の各々が、回転自在に保持された複数の副球体によって点接触状態で全方位に回転自在に保持されている。すなわち、回転体は、複数の副球体によって点接触状態で全方位に回転自在にそれぞれ保持される複数の主球体によって、全方位に回転自在に保持される。言うなれば、回転体は「２段の転がり（玉）軸受構造」によって回転自在に保持される。これにより、従来構成の球面軸受装置と比較して、回転体を全方位に回転させる際のすべり抵抗を大幅に（二乗の効果で）低減させることができる。この結果、本発明に係る球面軸受装置は、高速かつ高精度に回転させる必要がある用途、例えば球面モータにも適用することができる。また、複数の副球体は、全体として円環状に配置されていることから、各主球体を安定に（確実に）保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る球面軸受装置の構成例の要部を示す側面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】同球面軸受装置における玉軸受の構成例を示す斜視図である。
【図４】同玉軸受における環状保持体を主球体に組み付けた状態の構成例を示す断面図である。
【図５】同環状保持体の部分拡大断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る玉軸受の構成例を示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図７】同玉軸受における点状保持体の他の構成例をする断面図である。
【図８】従来の球面モータの構成例を示す概念図である。
【図９】従来の球面軸受の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る球面軸受装置１０を図面を参照して説明する。
【００１８】
球面軸受装置１０は、球状（外表面が球面状）の仮想的な回転体Ｒ（本実施形態では、球面モータを構成するロータ）を全方位に回転自在に保持する軸受（転がり軸受）である。球面軸受装置１０は、図１および図２に示すように、回転体Ｒの表面に沿って（仮想球面上に）配置される複数（本実施形態では、６つ）の玉軸受１１と、６つの玉軸受を一体に保持し回転体Ｒの外表面側を覆うように配置される保持基体２１と、を備えている。なお、図１は、図を見易くするため、玉軸受１１を構成する筐体１７（後述する）、および保持基体２１の図示を省略してある。
【００１９】
６つの玉軸受１１は、上方（回転体Ｒの中心Ｃ１よりも図示上側）に配置される３つの玉軸受１１Ａと、下方（回転体Ｒの中心Ｃ１よりも図示下側）に配置される３つの玉軸受１１Ｂと、から構成されている。３つの玉軸受１１Ａおよび３つの玉軸受１１Ｂは、回転体Ｒの中心Ｃ１からの距離が等しくかつ互いに平行な２つの仮想正三角形の各頂点にそれぞれ配置される。ただし、上方から下方を見た場合に、一方の仮想正三角形が他方の仮想正三角形に対して６０°（または１８０°）回転した位置関係となるように、３つの玉軸受１１Ａおよび３つの玉軸受１１Ｂが配置されている。このように各玉軸受１１を配置することにより、比較的少ない数の玉軸受１１で回転体Ｒを安定に保持することができる。なお、本実施形態では、２つの仮想正三角形は、後述する保持基体２１の円窓２３と平行である。
【００２０】
各玉軸受１１は、図３に示すように、回転体（大ボール）Ｒより径の小さい球状の主球体（第１の主球体、中ボール）１２と、主球体１２の外周側に配置され主球体１２を全方位に回転自在に保持する円環状の一対の環状保持体１３，１３と、一対の環状保持体１３，１３を一体に保持する略直方体状の筐体１７と、を備えている。一対の環状保持体１３は、図４に示すように、回転体Ｒの中心Ｃ１および主球体１２の中心Ｃ２を通る中心線Ｌに直交し主球体１２の中心Ｃ２を通る仮想平面Ｐを平行に挟んで互いに対称に配置されている。
【００２１】
主球体１２は、切り欠きのない真球体であり、主球体１２の外表面が回転体Ｒの外表面に点接触するように、各玉軸受１１が回転体Ｒに対して配置されている。
【００２２】
一対の環状保持体１３，１３の各々は、図５に示すように、円環状に配置され主球体１２よりも径が小さい球状の複数（本実施形態では、６つ）の副球体（小ボール）１４と、６つの副球体１４を全方位に回転自在に保持する円環状の環状リテーナ（環状保持器）１５と、環状リテーナ１５を保持する円環状の保持枠１６と、を備えている。
【００２３】
６つの副球体１４の各々は、切り欠きのない真球体であり、副球体１４の外表面が主球体１２の外表面に点接触するように配置されている。
【００２４】
環状リテーナ１５は、内周側を開口するように軸方向に対向配置される上下一対の湾曲部からなる６組の爪部１５ａと、６組の爪部１５ａを周方向に等間隔に配置させて上下の湾曲部ごとに連結する一対のリング部１５ｂと、から構成されている。そして、各爪部１５ａのポケット内に、それぞれ１つの副球体１４が配置される。これにより、６つの副球体１４が、周方向に沿って所定の間隔を置いて回転自在に配置される。
【００２５】
保持枠１６は、断面が略ロ字状（中空の略正方形状）に形成され、主球体１２を向く面に、副球体１４の一部を内側に突出させるための開口１６ａが周方向の全体にわたって形成されている。なお、開口１６ａは、６つの副球体１４のそれぞれに対応して形成された６つの円形状の孔からなるものであってもよい。
【００２６】
筐体１７は、再び図３を参照して、略直方体状に形成されている。筐体１７は、保持基体２１の後述する凹部２２（図２参照）に保持された状態で回転体Ｒを向く面である頂面１７ａ、および頂面１７ａに接続する１つの側面１７ｂに跨って切り欠くようにして、主球体１２を収納する収納部１８が形成されている。
【００２７】
また、収納部１８には、一対の環状保持体１３，１３を配置固定するための一対の溝１９，１９が形成されている。一対の溝１９，１９は、上面視Ｕ字形をしており、頂面１７ａに平行にそれぞれ形成されている。これにより、一対の環状保持体１３，１３を主球体１２と組み合わせた状態で側面１７ｂ側から嵌入または挿入することにより、主球体１２および一対の環状保持体１３，１３が筐体１７の所定位置に配置固定される。主球体１２および一対の環状保持体１３，１３を筐体１７に配置した状態で、主球体１２の一部が筐体１７の頂面１７ａから突出するように、一対の溝１９，１９の頂面１７ａからの位置が設定されている。
【００２８】
次に、保持基体２１は、本実施形態では、球面モータのステータに相当する部材であり、本実施形態では、球殻状に形成されている。保持基体２１は、その内周面２１ａに、各玉軸受１１（筐体１７）を収容する複数（玉軸受１１の数と同数）の凹部２２が形成されている。各玉軸受１１は、例えば接着剤を用いて各凹部２２に配置固定される。なお、保持基体２１は、組立を容易にするため、半割り状のものを２つ組み合わせることにより、全体として球殻状に形成されている。
【００２９】
また、保持基体２１の上方には、上面視円形の円窓２３が形成されている。円窓２３は、回転体Ｒが例えばビデオカメラ用球面モータのロータである場合には、採光用の窓として機能する。また、保持基体２１には、図示は省略するが、回転体Ｒの内部に埋め込まれている磁石（不図示）との間で電磁駆動力を発生する電磁石が適宜装着されている。さらに、保持基体２１には、外部に配置された駆動回路（不図示）からの電気信号を回転体Ｒに送信するための配線を通すための挿通穴が適宜形成されている。
【００３０】
以上のように構成された本発明の実施形態に係る球面軸受装置１０によって球状の回転体Ｒが保持されると、回転体Ｒは、複数の主球体１２によって点接触状態で全方位に回転自在に保持される。そして、複数の主球体１２の各々は、複数の副球体１４によって点接触状態で全方位に回転自在に保持される。すなわち、回転体Ｒを直接保持する複数の主球体１２の各々が、全方位に回転自在に保持された複数の副球体１４によって点接触状態で全方位に回転自在に保持される。これにより、従来構成の球面軸受と比較して、磁石と電磁石との間で発生される駆動力によって回転体Ｒを全方位に回転させる際のすべり抵抗を大幅に低減させることができる。
【００３１】
また、各主球体１２は、各主球体１２の中心Ｃ２を通る仮想平面Ｐを平行に挟んで互いに対称に配置された一対の環状保持体１３，１３により保持されている。このため、主球体１２が安定に保持される。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更および組み合わせが可能である。  
【００３３】
例えば、上記実施形態では、一対の環状保持体１３，１３を用いて玉軸受１１が構成されているが、これに限定されない。図６（ａ）（ｂ）に示すように、主球体１２の中心Ｃ２よりも回転体Ｒ側で中心線Ｌに直交して配置される一つの環状保持体１３、および中心線Ｌ（の延長線）上で主球体１２の回転体Ｒとは反対側に配置される１つの点状保持体３３から玉軸受３１を構成してもよい。
【００３４】
この場合、点状保持体３３は、１つの副球体１４Ａと、副球体１４Ａを回転自在に保持するお椀状の爪部からなる点状リテーナ３５と、一面に副球体１４Ａの一部を突出させる開口が形成され点状リテーナ３５を保持する中空立方体状の点状保持枠３６と、から構成してもよい。このように構成された玉軸受３１を用いて回転体Ｒを保持する場合には、幾分保持の安定性が低下する可能性があるが、少ない数の副球体１４，１４Ａですべり抵抗を同様に低減させることができる。なお、図６（ａ）（ｂ）では、環状保持体１３および点状保持体３３を保持する筐体の図示は省略してある。
【００３５】
また、この場合、お椀状の点状リテーナ３５に代えて、図７に示すように、螺旋状のばねからなる点状リテーナ４５を用いてもよい。点状リテーナ４５は、ばねの内径ｄが、副球体１４Ａの直径よりも幾分小さく形成されている。そして、点状リテーナ４５は、筒状の点状保持枠４６の内部において、リング状をなす先端部を副球体１４Ａに接触させるようにして副球体１４Ａの背後（主球体１２の反対側）に収納（中心線Ｌ方向に変位可能に配置）されている。このため、ばねの付勢力が、副球体１４Ａの中心Ｃ３が主球体１２の中心Ｃ２に向かかうように働き、副球体１４Ａを主球体１２に常に接触させることができる。これにより、少ない数の副球体１４，１４Ａであっても主球体１２を安定に保持することが期待できる。
【００３６】
また、上記実施形態では、球状の回転体Ｒを全方位に回転自在に保持するための球面軸受装置として説明したが、これに限定されない。例えば、内表面が球面状の回転体（例えば、球殻体）を回転自在に保持するための球面軸受装置として構成してもよい。この場合には、主球体１２の一部が回転体の内表面に点接触するように、回転体の内表面に沿って複数の玉軸受１１，３１を配置すればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  球面軸受装置
１１，３１  玉軸受
１２  主球体（中ボール）
１３  環状保持体
１４，１４Ａ  副球体（小ボール）
１５  環状リテーナ（環状保持器）
１５ａ  爪部
１５ｂ  リング部
１６  環状保持枠
１６ａ  開口
１７  筐体
１７ａ  頂面
１７ｂ  側面
１８  収納部
１９  Ｕ形溝
２１  保持基体（ステータ）
２１ａ  内周面
２２  凹部
２３  円窓
３３，４３  点状保持体
３５，４５  点状リテーナ（点状保持器）
３６，４６  点状保持枠
Ｌ    中心線
Ｐ    仮想平面
Ｒ    回転体（大ボール、ロータ）
【図１】
2011179624.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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