(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りで回転駆動可能な多自由度電磁アクチュエータであって、
前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の原点を中心とする球面に沿って複数のステータ側磁極が配設されるように、前記球面に向かって外向きに延び、磁心にコイルが巻回されてなる複数の磁極部材を有するステータと、
前記ステータの周囲で前記ステータに対し前記球面に沿って任意に回転可能に支持され、永久磁石を有して前記球面に対面する複数のロータ側磁極が配設されたロータと、を備え、
前記ステータ側磁極は、少なくともＺ＝０からずれたＺが正および負の両方のＸＹ平面上に、Ｚ軸周りに等角度ピッチで並び、かつ、Ｚ＝０のＸＹ平面に関し対称に配置され、
前記ロータ側磁極は、Ｎ極およびＳ極がＺ軸周りに等角度ピッチかつ交互に配置されたことを特徴とする多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項２】
前記ステータ側磁極は、Ｚ＝０のＸＹ平面内においてＺ軸周りに等角度ピッチで配置され、
略Ｚ方向に並ぶ前記ステータ側磁極の群は、原点周りに等角度ピッチで配置されたことを特徴とする請求項１に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項３】
前記ステータ側磁極は、Ｚ軸周りに６０°ピッチで配設され、
前記ロータ側磁極は、Ｚ軸周りに９０°ピッチで配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項４】
前記ロータ側磁極は、Ｚ軸方向にＮ極とＳ極が隣り合って配置されることで計８極設けられたことを特徴とする請求項３に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項５】
前記磁心は、先端が前記球面に沿って他の部分よりも広がっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項６】
前記ロータは、外側にヨークが被さっていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項７】
前記ステータは、樹脂部材に前記磁心が放射状に植えられて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【請求項８】
前記ロータをロータの外側で支持する回転支持部材を備え、
前記回転支持部材は、
ベースと、
前記ベースと前記ステータを接続するＺ軸シャフトと、
前記Ｚ軸シャフトに対しＺ軸周りに回転可能に支持された第１フレームと、
前記第１フレームに対しＸ軸周りで回動可能に支持され、前記ロータをＹ軸周りで回動可能に支持する第２フレームとを備えて構成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の多自由度電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多自由度電磁アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多自由度の駆動を行うためには、一自由度のアクチュエータを複数組み合わせて実現されている。ところが、アクチュエータを多数用いると、駆動関節の大型化と重量の増大を招くので、一台で多自由度の駆動が可能なアクチュエータが提案されている。例えば、特許文献１〜３では、永久磁石を球殻状のロータ表面に配設して、このロータの周囲を、電磁石を有したステータで取り囲んでなる球面モータ（多自由度電磁アクチュエータ）を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２４９３６号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８５９２号公報
【特許文献３】特開２００９−１３０９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記した多自由度電磁アクチュエータは、ロータの周囲をステータが取り囲んでいるため、ロータにアームなどの出力部を取り付けてロボットの関節として使用した場合に、ロータの動き（出力部の動き）がステータにより阻害され、アームを傾ける方向（特許文献３でいうＸ方向およびＹ方向）の可動範囲が狭いという問題がある。
【０００５】
このような背景に鑑み本発明がなされたもので、本発明は可動範囲を広くすることが可能な多自由度電磁アクチュエータ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】
前記した目的を達成するため、本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りで回転駆動可能な多自由度電磁アクチュエータであって、前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の原点を中心とする球面に沿って複数のステータ側磁極が配設されるように、前記球面に向かって外向きに延び、磁心にコイルが巻回されてなる複数の磁極部材を有するステータと、前記ステータの周囲で前記ステータに対し前記球面に沿って任意に回転可能に支持され、永久磁石を有して前記球面に対面する複数のロータ側磁極が配設されたロータと、を備え、前記ステータ側磁極は、少なくともＺ＝０からずれたＺが正および負の両方のＸＹ平面上に、Ｚ軸周りに等角度ピッチで並び、かつ、Ｚ＝０のＸＹ平面に関し対称に配置され、前記ロータ側磁極は、Ｎ極およびＳ極がＺ軸周りに等角度ピッチかつ交互に配置されたことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によると、磁心にコイルが巻回されてなる複数の磁極部材を有するステータの外側に、永久磁石を有するロータが配置されているので、従来のようにステータがロータを覆うことによるロータの回動角の制限が少なくなる。すなわち、従来であれば、ロータのＸ方向およびＹ方向の回動角を大きくしようとすると、周囲のステータがロータを覆う範囲を広げなければならず、一方で、ステータがロータを覆う範囲を広げるとロータの出力部の回動が阻害されるという２つの要素が相反する関係があった。しかし、本発明においては、Ｘ方向およびＹ方向の回動角を大きくするため、ステータの磁極を設ける範囲（Ｘ方向およびＹ方向の角度範囲）を広げたとき、ステータの周囲にあるロータのＸ方向およびＹ方向の角度範囲は大きくする必要がないので、ロータの可動範囲を広げることが可能となる。
【０００８】
前記した発明においては、前記ステータ側磁極は、Ｚ＝０のＸＹ平面内においてＺ軸周りに等角度ピッチで配置され、略Ｚ方向に並ぶ前記ステータ側磁極の群は、原点周りに等角度ピッチで配置された構成とすることができる。すなわち、Ｚ＝０のＸＹ平面内におけるステータ側磁極の有無は、本発明において任意であり、設けることもできるし、設けない構成とすることもできる。
【０００９】
前記した発明において、一例として、前記ステータ側磁極は、Ｚ軸周りに６０°ピッチで配設され、前記ロータ側磁極は、Ｚ軸周りに９０°ピッチで配置された構成とすることができる。
【００１０】
また、前記ロータ側磁極は、Ｚ軸方向にＮ極とＳ極が隣り合って配置されることで計８極設けられた構成とすることができる。
【００１１】
前記した各発明において、前記磁心は、先端が前記球面に沿って他の部分よりも広がった構成とすることが望ましい。
【００１２】
このような構成とすることで、ステータ側磁極が磁束を発生する表面の大きさが大きくなるので、コギングトルクを小さくすることができる。
【００１３】
前記した各発明において、前記ロータは、外側にヨークが被さっていることが望ましい。
【００１４】
これにより、ステータとの間で有効に働くロータの磁束密度を大きくすることができ、回転トルクを大きくすることができる。
【００１５】
前記した発明において、前記ステータは、樹脂部材に前記磁心が放射状に植えられた構成とすることができる。
【００１６】
このように、磁心を樹脂部材に植えるように構成することで、ステータの軽量化が可能となり、アクチュエータ全体の軽量化を図ることができる。
【００１７】
前記した多自由度電磁アクチュエータは、前記ロータをロータの外側で支持する回転支持部材を備え、前記回転支持部材は、ベースと、前記ベースと前記ステータを接続するＺ軸シャフトと、前記Ｚ軸シャフトに対しＺ軸周りに回転可能に支持された第１フレームと、前記第１フレームに対しＸ軸周りで回動可能に支持され、前記ロータをＹ軸周りで回動可能に支持する第２フレームとを備えて構成することができる。
【００１８】
このように回転支持部材を構成することで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸周りに安定して支持することができる。また、このような回転支持部材で支持することで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸の回転が明確になるため、各軸の回転量などの測定が容易である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の多自由度電磁アクチュエータによれば、ロータの可動範囲を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータの斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＺ＝０のＸＹ平面の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＹ＝０のＸＺ平面の断面図（ａ）と、Ｙ軸周りにロータを回動させた状態の図（ｂ）である。
【図４】第１実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＸ＝０のＹＺ平面の断面図（ａ）と、Ｘ軸周りにロータを回動させた状態の図（ｂ）である。
【図５】Ｚ軸周りにロータを回転させるときの各相の電流を示すグラフである。
【図６】第２実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータの斜視図である。
【図７】第２実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＸ＝０のＹＺ平面の断面図（ａ）と、Ｘ軸周りにロータを回動させた状態の図（ｂ）である。
【図８】回転支持部材の斜視図である。
【図９】第３実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＸ＝０のＹＺ平面の断面図である。
【図１０】第４実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータの斜視図である。
【図１１】第５実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータのＹ＝０のＸＺ平面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータ１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りでロータ２０を回転駆動可能なアクチュエータであり、ステータ１０とロータ２０とを備えて構成されている。第１実施形態において詳細は図示しないが、ロータ２０は、ステータ１０に対して、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りで任意に回転（回動）可能なように支持されている。この支持機構は、例えば後述する第２実施形態で示すフレーム状の回転支持部材１５０を用いてもよいし、ステータ１０とロータ２０が対面する球面Ｓの位置に、摺動性の良い樹脂などからなる球殻を設け、ロータ２０をこの球殻に対し摺動可能とすることで、ステータ１０に対しロータ２０を回転可能としてもよい。また、この球殻またはロータ２０の少なくとも一方に、他方に対して転動する回転可能な金属球を保持させ、いわゆるスチールボールキャスターと同様の支持点を複数箇所設けてもよい。
【００２２】
ステータ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の原点Ｏを中心とする球面Ｓに向かって外向きに延びる磁心１１にコイル１２が巻回されてなる複数の磁極部材１３を有して構成されている。これにより、球面Ｓに向かって（沿って）複数のステータ側磁極１１ａ（磁心１１の先端）が配設されている。
【００２３】
図２に示すように、Ｚ＝０のＸＹ断面において、磁極部材１３は、Ｚ軸周りに６０°毎に、計６個配設されている（この一群の磁極部材１３を中央磁極部材群１３Ａとする）。そして、図３（ａ）に示すように、Ｚ＝０からずれたＺ＝α、Ｚ＝−αの２つのＸＹ平面上に、ステータ側磁極１１ａが配設されるように、磁極部材１３が複数設けられている。Ｚ＝αのＸＹ平面にステータ側磁極１１ａが並ぶ一群の磁極部材１３（上部磁極部材群１３Ｂとする）は、中央磁極部材群１３Ａのそれぞれの磁極部材１３の上方（Ｚ軸周りの同じ位相）にあり、Ｚ軸の周りに６０°毎に計６個配設されている。Ｚ＝−αのＸＹ平面上にステータ側磁極１１ａが並ぶ磁極部材１３（下部磁極部材群１３Ｃ）は、Ｚ＝０のＸＹ平面に関し、上部磁極部材群１３Ｂの各磁極部材１３と対称に配置されている。
【００２４】
このような構成により３つの磁極部材１３は略Ｚ方向に並んでいる（この上下に並ぶ一群をＺ方向磁極部材群１３Ｚとする）。Ｚ方向磁極部材群１３Ｚは、各磁極部材１３が原点Ｏ周りにおいて等角度ピッチで配置されている。本実施形態では、原点Ｏ周りで約４５°ピッチで磁極部材１３が配置されている。
【００２５】
各磁極部材１３が有する磁心１１は、基端部において、磁心１１と同様の鉄などの軟磁性体からなる支持枠１４により結合されている。支持枠１４は、球面Ｓに沿う複数の板状の部材が互いに上下で接続された形状を有している。
【００２６】
各磁極部材１３のコイル１２は、それぞれ独立に電流を流すことができるように、図示しない電流制御装置に接続されている。
【００２７】
ロータ２０は、永久磁石２１を複数有し、この永久磁石２１により球面Ｓに対面して複数のロータ側磁極２１ａが配設されている。各図面において、ロータ２０に付したＮまたはＳの文字は、ロータ２０の内面に現れる極を意味する。本実施形態においては、各図面において、複数の永久磁石２１が直接結合されたように図示しているが、球面Ｓに対面する磁極が形成されるのであれば、永久磁石と軟磁性体を組み合わせてロータ２０を構成してもよく、このときの永久磁石自体の着磁方向は、原点Ｏに向かう方向に限らない。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態において、ロータ２０は、Ｚ軸周りに計４つのＮ極とＳ極のロータ側磁極２１ａが、交互に等角度ピッチで配置されている。すなわち、Ｚ軸周りで９０°ピッチでロータ側磁極２１ａが配置されている。また、ロータ２０は、Ｚ軸方向には単一の磁極が配置されるように構成されている。
【００２９】
以上のように構成された本実施形態の多自由度電磁アクチュエータ１の動作および効果を説明する。
多自由度電磁アクチュエータ１は、典型的な使用法として、まず、Ｚ軸周りにロータ２０を回転させ、ロータ２０のＺ軸周りの位相を確定させた上で、その後、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りにロータ２０を回動させる。Ｘ軸周りとＹ軸周りの回動は、この順で行ってもよいし、逆の順に行ってもよいし、同時に行ってもよい。
【００３０】
ロータ２０をＺ軸周りに回転させる場合、図２に示すように、中央磁極部材群１３Ａの各磁極部材１３に割り当てたＷ，Ｖ，Ｕの各相に、図５に示したような、互いに１２０°ずつずれた３相交流の電流を流せばよい。これにより、いわゆる３相交流モータと同様に、Ｗ，Ｖ，Ｕの各相が励磁され、この励磁された各相にロータ２０のロータ側磁極２１ａが順次引き付けられて、ロータ２０が回転する。ロータ２０の回転を止めるには、この交流の励磁を停止させればよい。
【００３１】
ロータ２０をＹ軸周りに回動させる場合、図３（ｂ）に示すように、Ｙ＝０のＸＺ平面上に位置する６つの磁極部材１３の一部に励磁を行えばよい。例えば、Ｙ＝０のＸＺ断面において、ロータ２０にＮ極が現れているならば、同図中の右下と左上の磁極部材１３を直流でＳ極に励磁し、左右の磁極部材１３を直流でＮ極に励磁すれば、ロータ２０が図３（ａ）に示す水平の状態から、図３（ｂ）のように時計回りに回動する。この図３（ｂ）の状態から、ロータ２０を元の水平状態に戻す場合には、図３（ｂ）とは、各磁極部材１３の励磁の仕方をＮ，Ｓ逆にすればよい。また、図示はしないが、ロータ２０を水平の状態から反時計回りに回動させるのであれば、右上と左下の磁極部材１３を直流でＳ極に励磁し、左右の水平な磁極部材１３を直流でＮ極に励磁すればよい。
【００３２】
ロータ２０をＸ軸周りに回動させる場合、Ｙ軸周りに回動させる場合と考え方は同じであるが、図２に示すように、Ｘ＝０のＺＹ断面において磁極部材１３は配置されておらず、Ｘ＝０から正側と負側に少しずれた位置にＺＹ平面に関し対称に磁極部材１３が配置されているので、この対称に配置された計１２個の磁極部材１３を適宜励磁することでロータ２０を動作させることができる。図４（ａ）に示した２つのＺ方向磁極部材群１３Ｚは、この１２個の磁極部材１３のうちの、Ｘが負側の領域に配置された６つを示している。
【００３３】
この６つの磁極部材１３に着目し、図４（ａ）に示すように、左右に水平に配置された２つの磁極部材１３に対面するロータ２０がＳ極であるならば、図４（ｂ）に示すように、この水平の２つの磁極部材１３を直流でＳ極に励磁し、左上および右下の磁極部材１３を直流でＮ極に励磁すれば、ロータ２０を時計回りに回動させることができる。なお、Ｘが正側の領域で、これら６つの磁極部材１３とＸ＝０のＺＹ平面に関し対称に配置された６つの磁極部材１３についても同様に励磁すればよい。また、ロータ２０を図４（ａ）の水平状態から反時計回りに回動させる場合には、右上と左下の磁極部材１３を直流でＮ極に励磁し、左右の水平な磁極部材１３を直流でＳ極に励磁すればよい。
【００３４】
ロータ２０を、Ｚ＝０のＸＹ平面内の軸であり、かつ、Ｙ軸とＸ軸の両方に対し傾く軸を中心に回動させる場合、Ｙ軸周りに回動させた後、各磁極部材１３に与えた電流をバイアス電流として維持しながらＸ軸周りに回動させてもよいし、最終的にその電流分配となるように、各磁極部材１３に電流を与えてもよい。また、例えば、図２のＬ軸周りにロータ２０を回動させる場合には、図２でＬ軸に直交する方向に延びる６つの磁極部材１３に、Ｙ軸周りの回動において説明したのと同様な方法で直流電流を与えればよい。
【００３５】
ロータ２０をＺ軸周りに回転させた後、Ｙ軸周りに回動させる場合には、図２でＺ＝０のＸＹ平面上に位置する６つの磁極部材１３について、Ｗ，Ｕ，Ｖの相を割り当てたが、Ｚが正および負の領域にある各６つ（計１２個）の磁極部材１３についても略Ｚ方向に並ぶ磁極部材１３同士で同じ相を割り当て、図５に示すような３相交流電流を流してＺ軸周りにロータ２０を回転させる。そして、仮に図５の０．４ｓの時刻で回転を止め、その後Ｙ軸周りに回動させるのであれば、０．４ｓ時のＷ，Ｕ，Ｖの各相の電流をバイアス電流として維持したまま、図３（ｂ）を参照して説明したような、Ｙ軸周りにロータ２０を回動させるための直流電流を重畳させることで、Ｚ軸周りのロータ２０の位相（向き）を固定させたまま、ロータ２０をＹ軸周りに回動させることができる。
【００３６】
また、ロータ２０をＹ軸周りに傾けた状態でＺ軸周りに回転させる場合、Ｙ軸周りに回動させた後、その時の各相の電流をバイアス電流として、図５のような３相交流電流を重畳させればよい。Ｚ軸周りの回転に寄与する磁極部材１３は、Ｚ＝０のＸＹ平面上に配置された６つの磁極部材１３であるから、これらの磁極部材１３の励磁によりロータ２０に与えるＺ軸周りの回転力が発揮できる傾斜の範囲では、ロータ２０をＹ軸周りに傾けた状態でＺ軸周りに回転させることができる。ロータ２０をＸ軸周りに傾けた状態でＺ軸周りに回転させる場合も同様である。
【００３７】
以上のように、本実施形態の多自由度電磁アクチュエータによれば、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りに自由に回転することが可能である。そして、ロータ２０は、従来のようにステータにより外側を覆われてはおらずステータ１０の外側に配置されているため、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示したように、Ｘ軸およびＹ軸周りに回動させたときに、ステータ１０が邪魔にならず、広い角度で回動することが可能である。ステータ１０は、実際には図３、図４と異なり、後述する第２実施形態で図示するように、シャフトなどのステータ固定部材により外部に固定されるので、ロータ２０はステータ固定部材によって回動角度範囲の制限を受けるが、この制限は従来と比較して非常に小さいといえる。そのため、多自由度電磁アクチュエータ１をロボットの関節などに用いた場合、アームの可動範囲を大きくすることができる。
【００３８】
なお、第１実施形態においては、図３（ａ）に示すように、Ｚ軸を含む断面において、上下（Ｚ方向）に３つの磁極部材１３が並ぶように構成したが、５つ以上の磁極部材１３が並ぶようにして、Ｘ軸およびＹ軸周りの回動角度範囲をさらに大きくしてもよい。このように、磁極部材１３のＸ軸およびＹ軸周りの回動の角度範囲を大きくしても、外側に配置されたロータ２０の大きさを変更する必要は無いので、本発明においては、従来と異なり、Ｘ軸およびＹ軸周りの回動角度範囲の拡大が可能である。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータについて説明する。本実施形態においては、前記した第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の部分については、図面に同じ符号を付して説明を省略する。
【００４０】
第２実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータ１０１は、ロータ１２０の内周面に現れるロータ側磁極１２１ａ（永久磁石１２１）を４極から８極に変更し、また、回転支持部材１５０を明示した形態である。具体的には、ロータ１２０は、図６に示したように水平状態にあるときに、内面に現れるロータ側磁極１２１ａがＺ＝０のＸＹ平面を境にＮ極とＳ極とで分かれている。Ｚ軸周りについては、第１実施形態のロータ２０と同様に、９０°毎にＮ極とＳ極が交互に現れるように配置されている。
【００４１】
回転支持部材１５０は、図６および図８に示すようにステータ１０を外部で支持しつつ、ロータ１２０をステータ１０に対し球面Ｓに沿って自由に回転移動させることができるようにロータ１２０を支持する部材である。具体的には、回転支持部材１５０は、ベース１５１と、Ｚ軸シャフト１５２と、第１フレーム１５３と、第２フレーム１５４と、ステータ支持リング１５８とを備えて構成されている。
【００４２】
ベース１５１は、多自由度電磁アクチュエータ１０１を支持するのに十分な重量を備えた円盤状の台である。ロボットの関節などに多自由度電磁アクチュエータ１０１を適用する場合には、関節の基端側のアームなどがベース１５１になる。
【００４３】
Ｚ軸シャフト１５２は、ベース１５１とステータ１０とを接続する棒状の部材であり、詳細には、Ｚ軸シャフト１５２は、ステータ１０の内側に嵌められるステータ支持リング１５９を介してステータ１０を支持している。
【００４４】
第１フレーム１５３は、Ｚ軸シャフト１５２に対しＺ軸周りに回転可能に軸支されたフレームであり、Ｘ方向に延びるロアフレーム１５３ａと、ロアフレーム１５３ａの両端からＸ軸上まで上方に延びるポスト１５３ｂと、ポスト１５３ｂの上端においてＸＹ平面上でポスト１５３ｂの上端を接続する補強リング１５３ｃとを備えて構成されている。
【００４５】
第２フレーム１５４は、リング形状に形成され、第１フレーム１５３に対してＸ軸周りで回動可能に軸支されるとともに、ロータ１２０をＹ軸周りで回動可能に軸支している。
【００４６】
このような回転支持部材１５０により支持されたロータ１２０は、Ｚ軸周りに回転するときは、Ｚ軸シャフト１５２と第１フレーム１５３の相対回転により回転が可能であり、Ｘ軸周りに回転するときは、第１フレーム１５３と第２フレーム１５４の相対回転により回転が可能であり、Ｙ軸周りに回転するときは、第２フレーム１５４とロータ１２０との相対回転により回転が可能である。すなわち、ロータ１２０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のすべての軸周りに自由に回転可能に支持されている。そして、回転支持部材１５０でロータ１２０の回転を支持することで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸の回転が明確になるため、各軸の回転量などの測定が容易である。
【００４７】
ロータ１２０をＺ軸周りに回転させようとする場合、図７（ａ）に示す上部磁極部材群１３Ｂと、下部磁極部材群１３Ｃの計１２個の磁極部材１３を、図５に示したような３相交流電流で励磁する。これにより、上半分のロータ側磁極１２１ａは、上部磁極部材群１３Ｂとの相互作用により回転トルクを生じ、下半分のロータ側磁極１２１ａは、下部磁極部材群１３Ｃとの相互作用により回転トルクを生じる。なお、Ｚ＝０のＸＹ平面上に配置された中央磁極部材群１３Ａは、Ｚ軸周りの回転に際しては励磁する必要がない。
【００４８】
ロータ１２０をＸ軸周りに回動させる場合、図７（ｂ）に示すように、ロータ１２０の内周面にあらわれているロータ側磁極１２１ａの極性に応じ、例えば、同図断面の左側の磁極部材１３を上から順にＳ極、Ｎ極、Ｓ極、右側の磁極部材１３を上から順にＮ極、Ｓ極、Ｎ極に直流で励磁すれば、ロータ１２０が水平の状態から時計回りに回動する。Ｙ軸周りの回動についても、励磁するステータ側磁極１１ａの極数が増えるだけで、考え方は同じであるので、説明は省略する。
【００４９】
このようにして、第２実施形態の多自由度電磁アクチュエータ１０１のように、ロータ１２０をＺ軸方向に複数極で構成することにより、回動させる際に作用する磁極の数が増えるので、回転トルクを増大させることができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、ステータ１０の磁極部材１３を、第１実施形態と同様に、Ｚ軸方向に３つ配置したが、Ｚ＝０のＸＹ平面上に配置された磁極部材１３を省略した構成としても構わない。
【００５１】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態の多自由度電磁アクチュエータについて説明する。本実施形態においては、前記した第２実施形態と異なる特徴的な点についてのみ説明し、同様の部分については、図面に同じ符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図９に示す第３実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータ２０１は、第２実施形態のロータ１２０の外側に、鉄板などの軟磁性体からなるヨーク１２５が被さっていることを特徴とするものである。このような構成によれば、永久磁石１２１の磁束が、ヨーク１２５内を通って外側へ漏れないので、磁束密度を向上して、ロータ１２０の回転トルクを上昇させることができる。
【００５３】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態の多自由度電磁アクチュエータについて説明する。本実施形態においては、前記した第１実施形態と異なる特徴的な点についてのみ説明し、同様の部分については、図面に同じ符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図１０に示す第４実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータ３０１は、第１実施形態の磁心１１の先端１１ｃが球面Ｓに沿って他の部分よりも広がっていることを特徴としている。このように、磁心１１の先端１１ｃが広がっていると、ステータ側磁極１１ａとして働く部分の面積が大きくなるので、コギングトルクを小さくし、回転ムラを小さくすることが可能である。
【００５５】
［第５実施形態］
次に、第５実施形態の多自由度電磁アクチュエータについて説明する。本実施形態においては、前記した第１実施形態と異なる特徴的な点についてのみ説明し、同様の部分については、図面に同じ符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図１１に示す第５実施形態に係る多自由度電磁アクチュエータ４０１は、第１実施形態の磁心１１が、鉄などの軟磁性体からなる支持枠１４により結合されているのではなく、磁心１１の基端部が、球状の樹脂部材１５に放射状に植えられて構成されている。このように、磁心１１の基端部が樹脂部材１５に植えられることで磁心１１同士が一体とされて、ステータ１０が構成されることで、多自由度電磁アクチュエータ４０１の軽量化を図ることができる。図１１の例においては、樹脂部材１５を中実の球体として示したが、必要な強度が保たれる限り、樹脂部材１５を適当な肉厚の球殻状としてもよい。このように球殻状の樹脂部材とすることで、さらに軽量化を図ることができる。
【００５７】
以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、適宜変形して実施することが可能である。
【００５８】
例えば、ステータ側磁極１１ａとロータ側磁極２１ａの磁極の数および配置は、前記した組合せに限られるものではない。前記した実施形態において、Ｚ軸周りの極数は、ステータ側磁極１１ａは６、ロータ側磁極２１ａは４であったが、既存のモータとして知られている極数の組合せであれば適用することができる。例えば、Ｚ軸周りにおけるステータ側磁極１１ａの数とロータ側磁極２１ａの数の組合せは、３相モータとして駆動するとき、３ｐ，２ｐ（ｐ：極対数）の組み合わせ、２相および４相モータとして駆動するとき、４ｐ，２ｐ（ｐ：極対数）の組み合わせなどとすることができる。
【００５９】
前記実施形態においては、磁心１１は、原点Ｏから放射状に延びるように配置されていたが、ステータ側磁極１１ａとなる磁心１１の先端が所定の配置となる限り、磁心１１が延びる方向は、必ずしも原点Ｏから放射状でなくてもよい。例えば、図３（ａ）の上部磁極部材群１３Ｂに対応する磁心１１を、より水平（ＸＹ平面と平行な面）に近づけた傾きとしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１      多自由度電磁アクチュエータ
１０    ステータ
１１    磁心
１１ａ  ステータ側磁極
１１ｃ  先端
１２    コイル
１３    磁極部材
１３Ａ  中央磁極部材群
１３Ｂ  上部磁極部材群
１３Ｃ  下部磁極部材群
１３Ｚ  Ｚ方向磁極部材群
１５    樹脂部材
２０    ロータ
２１    永久磁石
２１ａ  ロータ側磁極
１０１  多自由度電磁アクチュエータ
１２５  ヨーク
１５０  回転支持部材
１５１  ベース
１５２  Ｚ軸シャフト
１５３  第１フレーム
１５４  第２フレーム
Ｓ      球面
【要約】
【課題】可動範囲を広くすることが可能な多自由度電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】多自由度電磁アクチュエータ１は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の原点Ｏを中心とする球面Ｓに沿ってステータ側磁極１１ａが配設されるように、球面Ｓに向かって外向きに延び、磁心１１にコイル１２が巻回されてなる複数の磁極部材１３を有するステータ１０と、ステータ１０の周囲でステータ１０に対し球面Ｓに沿って任意に回転可能に支持され、永久磁石２１を有して球面Ｓに対面する複数のロータ側磁極２１ａが配設されたロータ２０と、を備える。ステータ側磁極１１ａは、少なくともＺ＝０からずれたＺが正および負の両方のＸＹ平面上に、Ｚ軸周りに等角度ピッチで並び、かつ、Ｚ＝０のＸＹ平面に関し対称に配置され、ロータ側磁極２１ａは、Ｎ極およびＳ極がＺ軸周りに等角度ピッチかつ交互に配置されている。
【選択図】図１【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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