(57)【要約】【課題】高いモーター出力（トルク）を得ながらも、トルクリップルが発生しないモーターを提供する。【解決手段】円柱形状の回転体と、回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体に対向配置された円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、巻線領域幅Ｗを有し、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、第２配線と、回転方向に延伸される第３配線、第４配線と、を備え、前記第１配線、第２配線、第３配線と前記第４配線とで矩形状を構成し、前記第１配線と前記第２配線との前記巻線領域幅の中心間距離が、磁極の幅に相当する幅ａと等しく、相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間距離がａ／ｍで配置され、前記巻線領域幅Ｗが、Ｗ≧２ａ／ｍであるモーター。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状の回転体と、
前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する基体と、
前記回転体の外周に対向配置された円筒形状のステーターと、を備え、
前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、
前記ステーターは、前記円筒形状部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、
前記空芯巻線は、
巻線領域幅Ｗを有し、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、
前記回転体の回転方向に延伸される第３配線、および第４配線と、を備え、
前記第１配線、前記第２配線、前記第３配線と前記第４配線とで矩形状を構成し、
前記第１配線と前記第２配線との前記巻線領域幅の中心間距離が、前記空芯巻線の前記回転体の回転方向の磁極の幅に相当する幅ａと等しく、
前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間距離がａ／ｍで配置され、
前記第１配線および前記第２配線の前記巻線領域幅Ｗが、
Ｗ≧２ａ／ｍ
であることを特徴とするモーター。
【請求項２】
請求項１に記載のモーターの前記巻線領域幅Ｗが、
Ｗ＝２ａ／ｍ
である、
ことを特徴とするモーター。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモーターを備える、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項４】
請求項３に記載のロボットハンドを備える、
ことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の直流モーターとして空芯巻線を用いたコアレスモーターが広く用いられている。この空芯巻線を矩形状に形成し、永久磁石を備える回転子の周囲に配置するモーターが提案されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に開示されている空芯巻線を備えるコアレスモーターでは、モーター出力の発生トルクを大きくすることができるが、空芯巻線が回転子に備える磁石の磁極境界近傍においては出力が大きく低下する、トルクリップルが発生してしまい、安定したトルクを得ることが困難であった。
【０００３】
この課題を解決するため、空芯巻線の形状をひし形として、対向する磁石面を斜めに横切る巻線部を備えることで、トルクリップルを解消したモーターが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３６１２３号公報
【特許文献２】特開２００７−１２４８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の特許文献２では、トルクリップルの解消を得ることができるが、モーター出力（トルク）を大きくすることが困難という課題が有った。
【０００６】
そこで、高いモーター出力（トルク）を得ながらも、トルクリップルが発生しないモーターを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例によるモーターは、円柱形状の回転体と、前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体の外周に対向配置された円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは、前記円筒形状部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、巻線領域幅Ｗを有し、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、前記回転体の回転方向に延伸される第３配線、および第４配線と、を備え、前記第１配線、前記第２配線、前記第３配線と前記第４配線とで矩形状を構成し、前記第１配線と前記第２配線との前記巻線領域幅の中心間距離が、前記空芯巻線の前記回転体の回転方向の磁極の幅に相当する幅ａと等しく、前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間距離がａ／ｍで配置され、前記第１配線および前記第２配線の前記巻線領域幅Ｗが、
Ｗ≧２ａ／ｍ
であることを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、空芯巻線が矩形状の単純な形状であっても、第１、第２配線に幅を持たせるだけでトルクリップルを発生させないコアレスモーターを得ることができる。また、回転体に備える磁石の磁束密度分布による影響が少なく、磁石の製造を容易にすることができ、低コストのコアレスモーターを実現することができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例のモーターにおいて、前記巻線領域幅Ｗが、
Ｗ＝２ａ／ｍ
であることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例のモーターによれば、トルクリップルなく、巻き線効率が高い低コストのコアレスモーターを得ることができる。
【００１２】
〔適用例３〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例に記載のモーターを備える。
【００１３】
本適用例によるロボットハンドは、小型のコアレスモーターを用いることで、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットに適用することができる。
【００１４】
〔適用例４〕本適用例のロボットは、上述の適用例に記載のロボットハンドを備える。
【００１５】
本適用例によるロボットよれば、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るモーターを示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）Ａ−Ａ´部の断面図。
【図２】第１実施形態に係る空芯巻線を模式図的に示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は動作説明図。
【図３】第１実施形態に係る空芯巻線と磁石の関係を説明する、（ａ）は外観模式図、（ｂ）は（ａ）Ｂ−Ｂ´部の断面図。
【図４】第１実施形態に係る空芯巻線の寸法関係を示す概略図。
【図５】第１実施形態に係るモーターの回転力の変動を説明する図。
【図６】第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係るモーター１００を示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、モーター１００は円柱状の回転体１０が、回転体１０の回転軸方向に延伸させた回転軸２０に固定された回転子３０を有している。この回転子３０は、回転軸２０をボールベアリングなどの軸受６０ａを介して回転可能に基体６１，６２に支持されている。
【００１９】
回転体１０の外周部を囲うように、空芯巻線４０を巻線固定枠５１に固定したステーター５０が配置されている。回転体１０は、円柱状の回転基体１１の周囲に永久磁石１２（以後、磁石１２という）を複数固着させた形態となっている。なお、回転基体１１を用いず磁石１２を直接回転軸２０に固着させ、回転子３０を構成しても良い。
【００２０】
ステーター５０は図１（ｃ）に示すように、複数の空芯巻線４０が一部を重なるように巻線固定枠５１の外周に固定されている。また、図１（ｂ）に示すように基体６１，６２のどちらか一方、もしくは両方には回転子３０の回転位置を検出する回転位置センサー６０ｂと、回転位置センサー６０ｂからの回転子３０の回転位置検出信号を受け、空芯巻線４０へ流す電流を制御する制御回路６０ｃと、を備えている。
【００２１】
このように構成されたモーター１００では、制御回路６０ｃによって各々の空芯巻線４０に対して所定の方向、量の電流を流すことにより、フレミング左手の法則により空芯巻線４０に生じるローレンツ力（以下、「回転力」という）の反力として回転体１０の磁石１２に力が生じて回転子３０が回転する。図２は空芯巻線４０と回転体１０に備える磁石１２との関係を示し、説明の便宜上、磁石１２の磁極面を平面に展開し、空芯巻線４０を配置した模式図である。図２（ａ）は空芯巻線４０の１個を取り出して説明する模式図であり、図２（ｂ）は、空芯巻線４０の１個を取り出して、動作説明をする模式図である。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るモーター１００に備える空芯巻線４０は、図示する回転体１０の回転方向に対して直交する方向に延伸される第１配線４０ａ、第２配線４０ｂと、回転体１０の回転方向に延伸される第３配線４０ｃ、第４配線４０ｄと、を矩形状に渦巻形成されている。なお、本例では巻線数は６で例示しているが、これに限定されず、空芯巻線４０は自己融着エナメル線を均一且つ緻密に巻いて形成されることが好ましく、その巻き数は所望のモーター性能によって決定されれば良い。
【００２３】
空芯巻線４０の第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂは、各々、巻線領域幅Ｗ内に成形され、幅Ｗの中心間距離は磁石１２の磁極幅ａと略等しくなるように空芯巻線４０は形成され、図２（ａ）の状態は、空芯巻線４０が磁石１２の磁極境界の中央に位置する状態を示している。このように形成される空芯巻線４０による回転体１０の動作について図２（ｂ）を用いて説明する。
【００２４】
図２（ｂ）は、空芯巻線４０の一方の端部４０ｅにプラス（＋）、他方の端部４０ｆにマイナス（−）の電圧で制御回路６０ｃより電流を流す例を示している。これにより、第１配線４０ａ、第２配線４０ｂには図示矢印方向に電流Ｉが流れる。図２（ｂ）に示す状態は、空芯巻線４０と磁石１２との相対位置が、図２（ａ）で示す空芯巻線４０が磁石１２の磁極境界の中央に位置する状態から、磁石１２が図示左方向、空芯巻線４０が図示右方向にｘ移動した状態である。
【００２５】
このとき、第１配線４０ａの図示する磁石１２のＮ極面に対向している領域ではフレミング左手の法則によって図示右方向のＦRAの力が発生する。一方、第１配線４０ａがＳ極面に対向している領域では、ＦRAとは逆方向のＦLAの力が発生する。巻線部に発生する力Ｆは、一般式として、
Ｆ＝２×Ｂ×Γ×ｂ×Ｉ              （式１）
で表わされる。ここで、Ｂは磁石１２の磁束密度、ｂは磁石１２の回転方向に直交する方向の幅、Ｉは電流値、Γは巻線本数である。
【００２６】
上述のように第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂは均一にエナメル線が巻かれているとすると、巻線本数Γは各配線の単位幅あたりの巻線数γと配線幅ｗによって、
Γ＝γ×ｗ                        （式２）
となり、式１は、
Ｆ＝２×Ｂ×γ×ｗ×ｂ×Ｉ        （式３）
となる。
【００２７】
式３から、
ＦRA＝２×Ｂ×γ×（Ｗ／２＋ｘ）×ｂ×Ｉ        （式４）
ＦLA＝２×Ｂ×γ×（Ｗ／２−ｘ）×ｂ×Ｉ        （式５）
となり、第１配線４０ａに発生する力Ｆ１は、
Ｆ１＝ＦRA−ＦLA＝２×Ｂ×γ×２ｘ×ｂ×Ｉ    （式６）
で図示矢印方向に発生する。
【００２８】
同様に、第２配線４０ｂでは、Ｓ極面に対向する領域にはＦRBの力が、Ｎ極面に対向する領域ではＦLBの力が発生し、式４、式５同様に、
ＦRB＝２×Ｂ×γ×（Ｗ／２＋ｘ）×ｂ×Ｉ        （式７）
ＦLB＝２×Ｂ×γ×（Ｗ／２−ｘ）×ｂ×Ｉ        （式９）
となり、第１配線４０ａに発生する力Ｆ２は、
Ｆ２＝ＦRB−ＦLB＝２×Ｂ×γ×２ｘ×ｂ×Ｉ    （式１０）
で図示矢印方向に発生する。
【００２９】
従って、空芯巻線４０の回転力Ｆは、
Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝８×Ｂ×γ×ｘ×ｂ×Ｉ                （式１１）
で、図示矢印Ｆ方向の力が発生する。この空芯巻線４０に発生する力Ｆに対して、回転体１０の磁石１２には反力としての図示左方向に力Ｑが発生し、矢印Ｑ方向に回転体１０を回転させることができる。また、式１１に対して図２（ａ）の状態、すなわち空芯巻線４０が磁石１２の磁極境界の中央に位置する状態では、ｘ＝０であるので、Ｆ＝０となる。
【００３０】
上述の式１１に示すように、０≦ｘ≦Ｗ／２の範囲で空芯巻線４０と磁石１２が相対移動をする間は、回転力Ｆはｘに比例して変化する。更にＷ／２≦ｘで、第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂが磁極境界の間に対向している間はｘ＝Ｗ／２の場合の回転力Ｆである、
Ｆ＝４×Ｂ×γ×Ｗ×ｂ×Ｉ          （式１２）
を維持することができる。
【００３１】
次に、空芯巻線４０と駆動相数との関係について説明する。図３は、３相駆動の空芯巻線４０と駆動相数との関係を説明する模式図である。図３（ａ）に示すように、３相駆動として第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３が、重なるように磁石１２に対向して図示しない配線固定枠を介して配置されている。
【００３２】
図３（ａ）に示すＢ−Ｂ´部の断面模式図を図３（ｂ）に示す。駆動相数ｍとした場合、隣り合う空芯巻線４０の間隔はａ／ｍによって配置される。従って、図３（ｂ）に示すように、本例の３相駆動の場合には磁極幅ａに対して、３個の空芯巻線４１，４２，４３が中心間の距離ｌがａ／３で配置される。このように配置されることにより、隣り合う、例えば第１相空芯巻線４１の第１配線４１ａの外側端部ｐと、第２相空芯巻線４２の第１配線４２ａの外側端部ｑとの距離は第１相空芯巻線４１と第２相空芯巻線４２の配置距離、すなわちａ／ｍであるａ／３に設定される。同様に、第２相空芯巻線４２の第１配線４２ａの外側端部ｑと、第３相空芯巻線４３の第１配線４３ａの外側端部ｒとの距離は第２相空芯巻線４２と第３相空芯巻線４３の配置距離、すなわちａ／ｍであるａ／３に設定される。
【００３３】
従って、図４に示すように、空芯巻線４０における第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂの配線幅Ｗは、
Ｗ＝２×ａ／３          （式１３）
となる。これは、上述の通り駆動相数ｍを用いて、
Ｗ＝２×ａ／ｍ          （式１４）
と表わされ、Ｗが求められる。従って、空芯巻線４０の回転方向の形状を磁極幅ａで表すと、図４に示すように第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂの回転方向の幅は式１３によりＷ＝ａ×２／３と決定され、空芯巻線４０の空隙部４０ｇの回転方向の幅Ｗｇは、
Ｗｇ＝ａ−２×ａ／ｍ＝ａ×（１−２／ｍ）      （式１５）
と求められる。従って、本例の３相駆動の場合、
Ｗ＝ａ×２／３
Ｗｇ＝ａ×（１−２／３）＝ａ×１／３
となる。
【００３４】
以上、説明したように空芯巻線４０と磁石１２の磁極との位置によって、第１配線４０ａおよび第２配線４０ｂに発生する回転力が変動するが、この空芯巻線４０と隣り合う空芯巻線４０の間隔をａ／ｍに設定し、ｍ相駆動とすることで、回転力の変動を抑制することができる。この回転力変動の抑制について図５を用いて説明する。図５（ａ）に示す、磁石１２と第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の配置において、矢印Ｐ方向が回転力Ｆの方向であり、その反力として矢印Ｒ方向に磁石１２を備える回転体１０が回転することを示している。
【００３５】
図５（ａ）の図示上図に示す第１相空芯巻線４１を取り上げて、その回転力変動を図５（ａ）の下図（グラフ）に示す。本図において、第１相空芯巻線４１は、磁極の中心に第１相空芯巻線４１の中心が対向している状態を基準として説明する。
【００３６】
基準位置では、第１相空芯巻線４１の第１、第２配線の中心は磁極境界と対向している、すなわち式１１においてｘ＝０であるので、回転力は発生せずＦ＝０（ｐ１）となる。ここから、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が移動すると、式１１に基づいて移動量に比例して回転力Ｆは増加する。そして、第１、第２配線が磁極境界を越える、すなわちｘ＝ａ／ｍ＝ａ／３（ｐ２）から、回転力は第１、第２配線が次の磁極境界に到達するまで（ｐ３）まで一定値となる。そして、第１相空芯巻線４１の第１、第２配線の中心が磁極境界と対向するまで（ｐ４）回転力は移動量に反比例して減少する。
【００３７】
このように、本実施形態における空芯巻線４０による回転力Ｆは台形状の変動を持って発生する。第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３も同様の回転力変動が、ａ／ｍずれて発生する。図５（ｂ）に示す第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の回転力変動は、３相駆動であるのでａ／３ずつずれて発生する。これにより、第１相空芯巻線４１のｐ１からｐ２の領域Ｍ１に対して、第２相空芯巻線４２では、ｐ３からｐ４の領域Ｍ２が発生し、Ｍ２の回転力減少分をＭ１が補う関係になる。すなわち、式１２で求められる回転力Ｆが維持されることとなる。
【００３８】
一方、第３相空芯巻線４３ではｐ２からｐ３の回転力が一定な領域Ｍ３となっており、第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の回転力を合成すると図５（ｃ）に示すように領域Ｍ１、領域Ｍ２、領域Ｍ３の回転力が合成されて、モーター１００の回転力Ｆとして
Ｆ＝２×（４×Ｂ×γ×Ｗ×ｂ×Ｉ）        （式１６）
が出力される。
【００３９】
このように、互いに回転力を補完する領域と、一定の回転力の領域とを第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３は交互に発生し、その結果、図５（ｃ）に示すように、一定の回転力を発生し回転力リップル、すなわちトルクリップルの無いモーター１００を得ることができる。
【００４０】
なお、巻線領域Ｗを２ａ／ｍ超の幅とすると、図５（ａ）に示す第１相空芯巻線４１の回転力Ｆの変動が、ｐ２ではａ／３より小さい移動位置で生じ、ｐ３は２ａ／３より大きい移動位置で生じる。従って、各空芯巻線４１，４２，４３の回転力を合成すると、回転力が一定となるｐ２とｐ３の間の領域Ｍ３が、各空芯巻線４１，４２，４３の何れか２巻線以上が相対移動位置において加算される。従って、Ｗ＝２ａ／ｍにおける図５（ｃ）に示す均一な回転力が得られる場合に対して、相対移動位置によって変動するが、更に回転力が加わり、大きなトルクを備えるモーターを得ることができる。
【００４１】
上述したように、本実施形態に係るモーター１００において、式１２でも明らかなように空芯巻線４０の第１配線４０ａ、第２配線４０ｂの幅Ｗを大きくすることで、回転力、すなわちトルクの大きいモーター１００を得ることができ、更に、駆動相数ｍの場合に、幅Ｗを磁極の幅ａの２／ｍ倍とすることで、トルクリップルを発生させず、高い出力のコアレスモーターを得ることができる。
【００４２】
更に、同時に回転力が増加する空芯巻線と、回転力が低下する空芯巻線と、が配置されることにより、回転体に備える磁石の磁束密度分布の形態に関わらずトルクリップルを発生させないモーターを得ることができる。
【００４３】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態のモーター１００を備えるロボットハンド１０００の構成を示す図である。ロボットハンド１０００は、基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部と、指部１２００の間接部とには、モーター１００が設けられている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００４４】
（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００４５】
アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００４６】
アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド１０００が取り付けられており、対象物を把持することができる。
ロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
また、本例に限定されず双腕ロボットのロボットハンドにも適用することができる。
【００４７】
以上のように実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、モーター、ロボットハンドおよびロボットの構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…回転体、２０…回転軸、３０…回転子、４０…空芯巻線、５０…ステーター、６１，６２…基体、１００…モーター。
【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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