(57)【要約】【課題】複雑な動力伝達機構を介在させることなく、回転体を任意の方向に回転させることができる球形モータを提供する。【解決手段】内部に第１の空間Ｒ１を有する球状体２と、第１の空間Ｒ１内に球面状に並べられた複数の電磁石６と、複数の電磁石６と球状体２の内周面との間に形成される第２の空間Ｒ２の一部を占めるようにその第２の空間Ｒ２内に設けられると共に磁石に反応する物質７と、複数の電磁石６へ供給する電気を出力できる電源９と、電源９から複数の電磁石６への通電を制御する制御装置１１とを有する球形モータ１である。制御装置１１は、物質７が第２の空間Ｒ２内を移動するように、複数の電磁石６への通電のＯＮ／ＯＦＦを電磁石６の１つごと又は１群ごとに切り替える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に第１の空間を有する球状体と、
前記第１の空間内に球面状に並べられた複数の電磁石と、
前記複数の電磁石と前記球状体の内周面との間に形成される第２の空間の一部を占めるように前記第２の空間内に設けられ、前記第２の空間内を移動可能であり、さらに磁石に反応する物質と、
前記複数の電磁石へ供給する電気を出力できる電源と、
前記電源から前記複数の電磁石への通電を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記物質が前記第２の空間内を移動するように、前記複数の電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦを電磁石の１つごと又は１群ごとに切り替える
ことを特徴とする球形モータ。
【請求項２】
請求項１において、前記複数の電磁石は、上下方向及びそれに直角な左右方向で一定の間隔で並べられることを特徴とする球形モータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記球状体は、厚さが一定の材料によって球形状に形成された外殻部材であることを特徴とする球形モータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つにおいて、前記球状体によって形成される前記第１の空間内に前記第２の空間を形成するように設けられた内殻部材を有し、前記複数の電磁石は前記内殻部材に設けられることを特徴とする球形モータ。
【請求項５】
請求項４において、前記内殻部材は前記複数の電磁石への通電用配線が形成された配線基板を兼ねることを特徴とする球形モータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１つにおいて、前記制御手段及び前記電源は、前記複数の電磁石によって囲まれる空間内に配置されることを特徴とする球形モータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つにおいて、前記磁石に反応する物質は、磁石に吸引される物質であることを特徴とする球形モータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１つにおいて、前記磁石に反応する物質は、水銀又は鉄粉であることを特徴とする球形モータ。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１つにおいて、前記制御手段は、前記複数の電磁石のうち１つの円周方向に並ぶ電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦを順々に切り替えることを特徴とする球形モータ。
【請求項１０】
請求項９において、前記制御手段は、１つの円周方向に並ぶ電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦ切り替えが終了した後、他の円周方向に並ぶ電磁石に関して通電のＯＮ／ＯＦＦを行うことを特徴とする球形モータ。
【請求項１１】
回転を行う玩具において、請求項１から請求項１０記載の球形モータの前記球状体の外周表面を玩具表面として用いるか、又は請求項１から請求項１０記載の球形モータを玩具表面以外の部分に用いることを特徴とする玩具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転動作を生み出す球形モータ及びその球形モータを利用した玩具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転動作を利用した玩具が知られている。また、玩具ではない種々の機器において回転動作を利用するものがある。このような回転動作を発生する機器として、従来、電動モータが知られている。この電動モータでは、出力軸の周りに回転磁界を形成することにより、その出力軸を自らの軸線を中心として回転させ、その出力軸の回転を種々の動作のための動力源として使っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような電動モータを動力源とする場合には、回転の方向が出力軸の向きによって一定の方向に限定されてしまうという問題があった。また、回転方向を希望の方向に変換するためには複雑な動力伝達機構が必要であった。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、複雑な動力伝達機構を介在させることなく、回転体を任意の方向に回転させることができる球形モータ及び玩具を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る球形モータは、内部に第１の空間を有する球状体と、前記第１の空間内に球面状に並べられた複数の電磁石と、前記複数の電磁石と前記球状体の内周面との間に形成される第２の空間の一部を占めるように前記第２の空間内に設けられ、前記第２の空間内を移動可能であり、さらに磁石に反応する物質と、前記複数の電磁石へ供給する電気を出力できる電源と、前記電源から前記複数の電磁石への通電を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記物質が前記第２の空間内を移動するように、前記複数の電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦを電磁石の１つごと又は１群ごとに切り替えることを特徴とする。
【０００６】
この球形モータによれば、通電する電磁石を制御手段によって適宜に選択することにより、前記磁石に反応する物質を前記第２の空間内で移動させる。物質が第２の空間内で移動すれば、球形モータの全体に関する重心が移動し、この重心の移動により球形モータの球状体が回転する。通電をＯＮにする電磁石を次々と変化させれば、磁石に反応する物質を第２の空間内で連続的に移動させることができ、そうすれば、球形モータの球状体を連続的に回転させることができる。このように、本発明の球形モータによれば、複雑な動力伝達機構を介在させることなく、球状体を任意の方向に回転させることができる。
【０００７】
この場合、通電をＯＮにする電磁石を１つの円周方向に決めておけば、球状体の回転の方向はその１つの円周方向に対応した１つの方向に決められる。一方、通電をＯＮにする電磁石の順番を１つの円周方向以外の適宜の方向に設定すれば、球状体はその順番に対応した方向となる。この方向は、１つの決められた方向に限定されるものでなく、種々に変化する方向とすることができる。
【０００８】
球形モータの全体を床、その他の基準面上に置いておけば、上記のような球状体の回転により、球形モータの全体を基準面上で回転させながら移動させることができる。また、球形モータの球状体の適所に出力軸を固定した上で、その球状体を３６０度の方位に回転可能に、しかし左右上下への位置移動は不可能に支持しておけば、上記のような球状体の回転により、その出力軸を自らの軸線を中心として回転させたり、その出力軸を球状体の中心を中心として回転させたりすることができる。
【０００９】
なお、球状体の材質は、容易に変形しない剛性の高い材料であっても良いし、あるいは、容易に変形可能な弾性材料であっても良い。剛性の高い材料を使用すれば、球状体を安定して回転させることができる。また、弾性材料を使用すれば、球状体の回転に変化を持たせることができる。
【００１０】
本発明の球形モータにおいて、前記複数の電磁石は、上下方向及びそれに直角な左右方向で一定の間隔で並べられることが望ましい。こうすれば、電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦの切り替えにより、磁石に反応する物質の動きを希望通りに細かく正確に移動させることができる。
【００１１】
本発明の球形モータにおいて、前記球状体は、厚さが一定の材料によって球形状に形成された外殻部材であることが望ましい。こうすれば、球状体の内部に球状の第１の空間を形成できるので、球状体の内部を有効に活用できる。
【００１２】
本発明の球形モータにおいては、前記球状体によって形成される前記第１の空間内に前記第２の空間を形成するように内殻部材を設けることが望ましい。そしてその場合、前記複数の電磁石は前記内殻部材に設けられることが望ましい。こうすれば、複数の電磁石を前記第１の空間内に容易に配置できる。
【００１３】
本発明の球形モータにおいて、前記内殻部材は前記複数の電磁石への通電用配線が形成された配線基板を兼ねることが望ましい。この通電用配線は、エッチング処理等を用いて形成される配線パターンによって形成することができる。また、個々の電磁石を構成するためのコイルも当該配線基板上に配線パターンによって形成できる。
【００１４】
本発明の球形モータにおいて、前記制御手段及び前記電源は、前記複数の電磁石によって囲まれる空間内、すなわち第１の空間内又は第２の空間内に配置されることが望ましい。なお、第２の空間は磁石に反応する物質が設けられる空間であり、この空間内に制御手段等を配設すると当該物質の動きがこの制御手段等によって邪魔される可能性があるので、制御手段等は第１の空間内に設けることが望ましい。
【００１５】
本発明の球形モータにおいて、前記磁石に反応する物質は、磁石に吸引される物質や磁石に反発するする物質等を用いることができる。例えば、磁石に吸引される物質として、水銀又は鉄粉を用いることができる。鉄粉としては、例えば砂鉄が考えられる。水銀を用いる場合には、前記球状体、前記外郭部材及び前記内郭部材は、水銀に対して化学反応しない物質、例えば強化ガラス等を用いることが望ましい。
【００１６】
本発明の球形モータにおいて、前記制御手段は、前記複数の電磁石のうち１つの円周方向に並ぶ電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦを順々に切り替えることが望ましい。こうすれば、前記球状体をその１つの円周方向に対応する一定方向へ回転させることができる。
【００１７】
本発明の球形モータにおいて、前記制御手段は、１つの円周方向に並ぶ電磁石への通電のＯＮ／ＯＦＦ切り替えが終了した後、慣性を考慮しつつ、他の円周方向に並ぶ電磁石に関して通電のＯＮ／ＯＦＦを行うことが望ましい。慣性を考慮しつつというのは、例えば、高速度でカーブを曲がるときには切り替えを速く行う等のことである。こうすれば、電磁石への通電を１つの円周方向から他の円周方向へ変更することにより、球状体の回転方向を変更することができる。
【００１８】
次に、本発明に係る玩具は、回転を行う玩具において、以上に記載した構成の球形モータの前記球状体の外周表面を玩具表面として用いるか、又は以上に記載した構成の球形モータを玩具表面以外の部分に用いることを特徴とする。この玩具によれば、複雑な動力伝達機構を介在させることなく、球状体、すなわち回転部分を任意の方向に回転させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る球形モータを床面に置いて転がして移動させる場合の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る球形モータの一実施形態を示している。ここに示す球形モータ１は、球状体としての外郭部材２と、内郭部材３と、制御ボックス４とを有する。外郭部材２は、床その他の平面８に載っている。
【００２０】
外郭部材２は、例えばプラスチック、木材、強化ガラス、非磁性金属等から成る一定の厚さの板材によって、球形状に形成されている。この外郭部材２の内部には第１の空間Ｒ１が形成される。この空間Ｒ１も球形状の空間である。外郭部材２の内周面の適所には棒状、板状、その他適宜の形状の支持部材５が接着剤、ネジ、その他適宜の固定用部材によって固着されている。そして、それらの支持部材５によって内郭部材３が支持されている。
【００２１】
内郭部材３も、例えばプラスチック、木材、強化ガラス、非磁性金属等から成る一定の厚さの板材によって、球形状に形成されている。好ましくは、内郭部材３の中心と外郭部材２の中心は同じ位置に設定される。内郭部材３と外郭部材２との間には第２の空間Ｒ２が形成される。この第２の空間Ｒ２は、第１の空間Ｒ１から内郭部材３の内部空間を除いた領域の空間に相当する。外郭部材２及び内郭部材３は、いずれも、磁化しない性質の材料によって形成されることが望ましい。
【００２２】
内郭部材３の内側表面には複数の電磁石６が内郭部材３の球面全域内に均等に、すなわち等間隔で設けられている。例えば、図１の矢印Ｘ方向から内郭部材３を見た場合、図３に示すように、複数の電磁石６は、上下方向の間隔Ｄ１が均等であり、それと直角な左右方向の間隔Ｄ２も均等となるように設けられる。また、好ましくは、上下間隔Ｄ１と左右間隔Ｄ２も互いに等しく、すなわち、Ｄ１＝Ｄ２に設定する。
【００２３】
図１において、第２の空間Ｒ２の一部に、磁石に反応する物質７が充填されている。この物質７は、例えば水銀、砂鉄によって形成されている。物質７として水銀を用いる場合には、水銀と化学反応しない材料によって外郭部材２及び内郭部材３を形成することが望ましい。
【００２４】
内郭部材３に収容された制御ボックス４の中には、電源９、制御装置１１及びスイッチング回路１２が収容されている。電源９は、例えば適宜の大きさの直流電圧を出力できる電源であり、その出力端子はスイッチング回路１２を介して各電磁石６につながっている。制御装置１１は、スイッチング回路１２の動作を制御して、通電する電磁石６を選択する。
【００２５】
制御装置１１は、コンピュータを用いた制御回路や、コンピュータを用いないシーケンス回路等を用いて構成できる。例えば、制御装置１１は、図３に矢印Ａで示す円周方向に乗っている複数の電磁石６を順々に１つずつ、通電ＯＮにすることができる。今、図１に示す複数の電磁石６が円周方向Ａに沿って一定な間隔で並べられているものとする。ここで、当初、最下位の電磁石６ａの通電がＯＮであり、その後、その電磁石６ａの通電がＯＦＦとなって、代わりに、隣りの電磁石６ｂが通電ＯＮとなると、物質７は通電ＯＮとなった電磁石６ｂに吸引されて、図２（ａ）に示すように、第２の空間Ｒ２内で重力に逆らって磁石６ｂに対応する位置へ移動する。
【００２６】
物質７がこのように移動すると、球形モータ１の全体の重心が物質７寄りに移動し、このため、球形モータ１は矢印Ｄで示すように、円周方向Ａと同じ方向であって、電磁石６が順々に通電ＯＮとされる順番の方向とは逆の方向に回転する。この回転により、球形モータ１の全体は、矢印Ｅで示すように図２（ｂ）の位置へ転がって移動する。この後、通電ＯＮにする電磁石６を円周方向Ａに沿って６ｂ→６ｃ→６ｄ……のように順々に変化させると、球形モータ１は矢印Ｄ方向へ継続して転がり移動する。
【００２７】
以上の説明では、図３において、円周方向Ａに並ぶ複数の電磁石６を順々に１つずつ通電ＯＮとなるように制御した。この通電制御を繰り返せば、球形モータ１の外郭部材２は、円周方向Ａに対応した図２（ａ）の矢印Ｄ方向への回転を継続する。このような通電制御に代えて、通電ＯＮとする電磁石６の並び方向を適宜の時点で円周方向Ａから円周方向Ｂへ変更すれば、それ以降、球形モータ１の外郭部材２の回転方向はその円周方向Ｂに対応した方向へと切り替わる。これにより、球形モータ１の回転方向を変化させることができる。また、通電ＯＮとする電磁石６の並び方向を矢印Ｃで示す方向に変更すれば、外郭部材２の回転方向をさらに別の方向に変化させることができる。
【００２８】
球形モータ１の外郭部材２を平面２上で上記のように回転させたり、上記のようにその回転方向を変化させたりすることにより、球形モータ１を平面２上で自由に転がり移動させることができる。これを見る者は、外部から何等の力も加えられないのに、球形モータ１が勝手に動き回る様子を見ることになり、不思議で面白い体験をする。このため、この場合の球形モータ１は、不思議で面白い動きを行う玩具として活用できる。この際、外郭部材２の外側表面に適宜のキャラクタ、絵、文字、数字等を書いたり、あるいは、立体的な像として配置しておけば、玩具としての面白さを増大できる。
【００２９】
また、球形モータ１を平面８の上に置くのではなく、適宜の支持機構によって球形モータ１を回転可能に支持し、さらに外郭部材２の適所に軸部材を固着しておけば、複数の電磁石６への通電ＯＮの制御による物質７の移動によって外郭部材２を回転させたときに、その回転を軸部材によって回転動力源として取り出すことができる。
【００３０】
また、球形モータ１を適宜の支持機構によって角度３６０度の全方位にわたって回転可能に支持し、さらに外郭部材２の適所に軸部材を固着しておけば、複数の電磁石６への通電ＯＮの制御による物質７の移動によって外郭部材２を任意の方向へ回転させることができ、回転動力源としての軸部材の位置を自由に変更でき、あらゆる方向の回転動力源として活用できる。
【００３１】
（変形例）
なお、図１の内郭部材３は、銅のような導電材料をエッチング処理することによって形成された配線を有する配線基板によって形成することができる。このようにすれば、スイッチング回路１２と複数の電磁石６との間の配線を簡単に行うことができる。また、個々の電磁石６を構成するためのコイルを配線基板上にエッチング処理によって形成することもできる。
【００３２】
また、以上の説明では、電磁石６への通電のＯＮ／ＯＦＦの制御を電磁石６の１つずつを単位として行うようにしたが、これに代えて、数個の電磁石６から成る１群の電磁石６を単位として通電のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことが可能である。
【００３３】
また、以上の説明では、磁石に反応する物質として水銀や砂鉄、すなわち磁石に吸引される物質を用いたが、これに代えて、磁石に反発する物質を用いることもできる。
【００３４】
また、図１の実施形態では、複数の電磁石６を内郭部材３によって支持したが、内郭部材３のような剛性の高い部材を用いなくても電磁石６を所定位置に支持できるのであれば、内郭部材３は不要である。
【００３５】
（第２実施形態）
以下、本発明に係る球形モータを飛行玩具に利用する場合を例に挙げて説明する。図４において、飛行玩具１６は、球形モータ１と、その球形モータ１の上部に固定された飛行用プロペラ１７と、球形モータ１の側部から延びる突出部１８の先端に設けられた補助プロペラ１９とを有する。球形モータ１は、例えば、図１に示した構造を有する。
【００３６】
飛行用プロペラ１７及び補助プロペラ１９はそれぞれ独自に駆動エンジン、駆動モータ等といった駆動源（図示せず）によって駆動されて回転する。飛行用プロペラ１７の回転により、球形モータ１が空中で飛行できる。また、補助プロペラ１９の回転により、飛行の安定が確保される。なお、補助プロペラ１９が無くても飛行の安定が確保できる場合には、補助プロペラ１９を回転させなくても良い。
【００３７】
飛行玩具１６が空中を飛行している間、球形モータ１内の電磁石６の通電のＯＮ／ＯＦＦを制御して物質７を第２の空間Ｒ２内で移動させれば、飛行玩具１の飛行方向を制御できる。この制御は、飛行用プロペラ１７の制御による飛行方向の制御に比べて簡単且つ高精度である。
【００３８】
（第３実施形態）
以下、本発明に係る球形モータを車椅子の前輪として適用する場合の実施形態を説明する。図５において、車椅子２１は、利用者が座る着座２２と、一対の主輪２３と、一対の前輪２４とを有する。前輪２４は、図６に示すように、カバー２６と、そのカバー２６の内面に設けられた複数の球形ローラ２７と、それらのローラ２７を介してカバー２６に保持された球形モータ１とを有する。また、肘掛２８の先端部には操作レバー２９が設けられている。
【００３９】
複数の球形ローラ２７は、それぞれ、カバー２６の表面上での位置が動かないように、しかし自由に転動できるように設けられている。このため、球形モータ１はカバー２６によって自由に転動できるように支持されている。
【００４０】
操作レバー２９は、図６の制御装置１１に接続されており、この操作レバー２９を前後、左右、斜めの全方位のうちのいずれかに傾斜移動させること、すなわち、角度３６０度の全方位のうちのいずれかに傾斜移動させることにより、図６における複数の電磁石６のうちの対応する１つ又は１群の通電をＯＮとすることができる。
【００４１】
本実施形態の車椅子２１は以上のように構成されているので、図５において、利用者が着座２２に座って主輪２３を手で回転させると、車椅子２１を前進させることができる。このとき、操作レバー２９を操作して図６における複数の電磁石６のうちの希望のものの通電をＯＮにして物質７を移動させれば、球形モータ１の外郭部材２を希望の方向へ回転させることができる。この回転により、車椅子２１を希望の方向へ簡単に向けることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の実施形態の説明から明らかなように、本発明によれば、複雑な動力伝達機構を介在させることなく、球状体を任意の方向に回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る球形モータの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の球形モータの動きを示す図である。
【図３】電磁石の配列例を示す図である。
【図４】本発明に係る玩具の一実施形態を示す正面図である。
【図５】本発明に係る球形モータの使用例を示す斜視図である。
【図６】図５の主要部である前輪部分を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１．球形モータ、  ２．外郭部材、  ３．内郭部材、  ４．制御ボックス、
５．支持部材、  ６，６ａ，６ｂ．電磁石、  ７．磁石に反応する物質、
８．床（平面）、  ９．電源、  １１．制御装置、  １２．スイッチング回路、
１６．飛行玩具、  ２１．車椅子、  ２４．前輪、Ａ，Ｂ，Ｃ．円周方向、  Ｄ１，Ｄ２．磁石間隔、  Ｒ１．第１の空間、
Ｒ２．第２の空間
【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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