(57)【要約】【課題】コイル端部ロスを生じない巻線構造によって、コアレスでありながら高トルクのモーターを提供する。【解決手段】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、前記回転体を覆う円柱缶状のステーターと、を備え、前記回転体は、円柱底面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第１磁石と、円柱側面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第２磁石と、を有し、前記ステーターは、前記回転体の前記円柱底面部に対向する部位と、前記回転体の前記円柱側面部に対向する部位と、中央に空隙部と、を備える複数の空芯巻線を有するモーター。【選択図】図１
2012143111.tif 000002
【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、
前記回転体を覆う円柱缶状のステーターと、を備え、
前記回転体は、円柱底面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第１磁石と、円柱側面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第２磁石と、を有し、
前記ステーターは、
前記回転体の前記円柱底面部に対向する部位と、前記回転体の前記円柱側面部に対向する部位と、中央に空隙部と、を備える複数の空芯巻線を有する、
ことを特徴とするモーター。
【請求項２】
前記回転体の回転軸中心を含む平面による断面で表される図形おいて、前記第１磁石および前記第２磁石の極性面に対応する部位の極性が同じである、
ことを特徴とする請求項１に記載のモーター。
【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】
従来、小型モーターとしては、コア付のブラシレスモーターが良く知られている。コア付モーターはトルク性能は高いものの、コギング等の課題もあり、用途が制限されるモーターであった。
【０００３】
このコギングという課題を解決するために、コアレスのブラシレスモーターが提案された（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３６１２３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１のコアレスモーターであっても、ローターを構成する磁石の磁束漏れ、空芯コイルの端部のロス、そしてローターの磁極境界におけるコイル位相差ロスが原因となって、従来からのコア付モーターと比較して出力（トルク）を大きくできないという課題が有った。
【０００６】
そこで、コイル端部ロスを生じない巻線構造によって、コアレスでありながら高トルクの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、前記回転体を覆う円柱缶状のステーターと、を備え、前記回転体は、円柱底面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第１磁石と、円柱側面部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される第２磁石と、を有し、前記ステーターは、前記回転体の前記円柱底面部に対向する部位と、前記回転体の前記円柱側面部に対向する部位と、中央に空隙部と、を備える複数の空芯巻線を有することを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、回転体の円柱底面部に第１磁石を配置し、第１磁石に対向する配線を含む空芯巻線を備えることにより、コイル端部ロスを発生させない、高い効率と、高出力（トルク）を発生する、コアレスのモーターを得ることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記回転体の回転軸中心を含む平面による断面で表される図形おいて、前記第１磁石および前記第２磁石の極性面に対応する部位の極性が同じであることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例によれば、同極性の磁界中に、電流が同方向に流れる空芯巻線の回転体の円柱底面部に対応する配線と、円柱側面部に対応する配線と、が配置されるため、コイル端部ロスの無い高い効率と、高出力（トルク）を発生する、コアレスの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、上述の適用例のモーターを備える。
【００１３】
本適用例のロボットハンドは、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、上述のロボットハンドを備える。
【００１５】
本適用例のロボットによれば、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の、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は概略組立断面図。
【図２】第１実施形態に係る回転体の、（ａ）は側面図、（ｂ）は上平面図、（ｃ）は下平面図、（ｄ）は概略断面図、（ｅ）は極性面の展開平面図。
【図３】第１実施形態に係る空芯巻線の配置を説明する、（ａ）はステーター断面を模式的に示す断面図、（ｂ）は空芯巻線の展開配置図、（ｃ）は空芯巻線のその他の配置の例を示す展開配置図。
【図４】第１実施形態に係る動作を説明する模式図。
【図５】従来技術のモーターにかかる空芯巻線の配置を示す模式図。
【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の、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は模式的な組立断面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、モーター１００は、表面にＮ極とＳ極とを交互に配置した円柱状の回転体１０と、回転体１０の回転中心軸方向に延設された回転軸２０と、を備える回転子３０を有している。回転子３０は、基板６１，６２に回転軸２０を、例えばボールベアリング２０ａなどによって回転可能に支持させることにより、基板６１，６２の間において回転させることができる。
【００１９】
また回転体１０を覆うように、ステーター４１，４２が接合され、一体化されたステーター４０が形成されている。ステーター４１，４２は、巻線枠４１ａ，４２ａに空芯巻線５０を複数備えている。またステーター４１，４２の接合方法は限定されないが、例えば接着、あるいは樹脂製の巻線枠４１ａ，４２ａであれば溶着、などの方法により接合することができる。
【００２０】
空芯巻線５０は、絶縁性材料によって被覆された導線であり、例えば自己融着エナメル線を用いることで、容易に巻線を形成することができる。更に、巻線枠４１ａ，４２ａに空芯巻線５０を巻き付けることにより、空芯巻線５０の形状を安定して維持することができる。
【００２１】
基板６１，６２のどちらか、もしくは両方には、回転子３０の回転角度位置を検出するセンサー７１と、センサー７１からの検出結果データを受けて、空芯巻線５０へ流す電流の向きを切り替えるスイッチを含む制御回路７２と、が備えられている。
【００２２】
次に、各構成について説明する。図２は磁石を備える回転体１０を示す、（ａ）正面図、（ｂ）は上平面図、（ｃ）は下平面図、（ｄ）は（ｂ）におけるＡ−Ｃ−Ａ´部の断面図、（ｅ）は回転体１０の展開平面図である。
【００２３】
図２（ａ）および（ｂ）（ｃ）に示すように、回転体１０は円柱形状の基部１２の円柱側面部に第２磁石としての磁石１１ａと、円柱底面部に第１磁石としての磁石１１ｂ，１１ｃを固着し、回転体１０の外表面にＮ極、Ｓ極の磁極が交互に配置されるように形成されている。図２（ｅ）に示すように、磁石１１ａは回転体１０の円柱側面側に、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されるように固着され、磁石１１ｂおよび磁石１１ｃは円柱底面部に円周状に、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されるように固着されている。本実施形態ではＮ極とＳ極が２極の４極の磁極を備える回転子を例示する。
【００２４】
この磁石１１ａに対応するように、基部１２の円柱底面部には円形の磁石１１ｂ，１１ｃが固着され、その磁極は磁石１１ａの磁極と、磁石１１ａと接するように配置される部位の磁極が同じになるように配置される。すなわち図２（ｂ）に示すように、図２（ｂ）の図示左側のＡ−Ｃ断面部においては、断面形状に表わされる磁石１１ｂの表面Ｍ１と、磁石１１ａの表面Ｍ２と、磁石１１ｃの表面Ｍ３と、は同じ磁極性のＮ極が配置される。同様に、図２（ｂ）の図示右側のＣ−Ａ´断面部においては、断面形状に表わされる磁石１１ｂの表面Ｍ４と、磁石１１ａの表面Ｍ５と、磁石１１ｃの表面Ｍ６と、は同じ磁極性のＳ極が配置される。
【００２５】
図３は、ステーター４１または４２に備える空芯巻線５０の配置について説明する図であり、図３（ａ）はステーター４１または４２の断面を模式図的に示す断面図、（ｂ）は（ａ）における空芯巻線５０の円柱底面部に対応する部位をＰ方向に展開させ模式図的に示した展開平面図である。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、ステーター４１，４２は、巻線枠４１ａ，４２ａの外周に複数の被覆線をコイル状に形成した空芯巻線５０が断面方向で覆うように備えられている。この空芯巻線５０は、図３（ｂ）に示すようにほぼ６角形の外形状で形成され、巻線枠４１ａ，４２ａの円周方向に所定の間隔で複数、配置されている。
【００２７】
本例では、４極の回転体１０の磁極に対して２相の空芯巻線５０を配置する例であり、巻線枠４１ａまたは巻線枠４２ａの外周長さＬに対して、空芯巻線５０の６角形の幅Ｗは、
W≒Ｌ／（n／２）＝L／２      （ｎ：磁極数）
と、設定される。すなわち、回転体１０における一つの磁極領域の幅に合致するようにＷは決定される。そして、隣り合う空芯巻線５０とは、空芯巻線５０の空隙部５１の中央に隣の空芯巻線５０の巻線が配置される。
【００２８】
図３（ｃ）に示す展開図は、４極３相の場合の空芯巻線５０の配置を例示するものであり、図３（ｂ）と異なるのは、隣り合う空芯巻線５０とは、空芯巻線５０の幅Ｗの略１／３の位置に配置される点にある。空芯巻線５０の配置は、上述の配置に限定されず、磁極数および空芯巻線相数によって適宜、決定される。
【００２９】
図４は、ステーター４０に備える空芯巻線５０を、図２（ｅ）において示した回転体１０の磁極の展開図に対応させて説明する。また、図４では説明の便宜上、空芯巻線５０の巻き数は２重巻として記載しているが、これに限定されず、巻線数は多くなるほどモーター１００の出力を高めることは周知であり、要求される性能に応じて適宜、巻線数を決定すれば良い。
【００３０】
図４に示すように、空芯巻線５０は、回転体１０の円柱底面の一方の面に配置された磁石１１ｂに対向し、回転軸２０の近傍より放射状に延伸される放射配線５０ａと、円柱側面部に配置された磁石１１ａに対向し、円柱側面に沿って回転軸方向に延伸される側面配線５０ｂと、円柱底面の他の一方の面に配置された磁石１１ｃに対向し、回転軸２０の近傍に向けて放射状に延伸される放射配線５０ｃと、を備え、各配線によって空隙部５１が形成される。
【００３１】
更に、接続線５０ｈにより放射配線５０ｃに繋がり、磁石１１ｃに対向して回転軸２０の近傍より放射配線５０ｄと、放射配線５０ｄに繋がり磁石１１ａに対向する側面配線５０ｅと、磁石１１ｂの対向する回転軸２０の近傍に向かう放射配線５０ｆへと繋がり、１巻分の空芯巻線５０となる。放射配線５０ｆから接続線５０ｇを介して、２巻目の放射配線５０ａへつなぎ、上述の配線を繰り返し２巻目の空芯巻線５０が形成される。
【００３２】
また、空芯巻線５０において、放射配線５０ａ、側面配線５０ｂ、および放射配線５０ｃが対向する磁極に対して、放射配線５０ｄ、側面配線５０ｅ、および放射配線５０ｆは異なる磁極に対向するように配置されている。このように配置することにより、後述するが、空芯巻線５０に電流を流すことで、放射配線５０ａ、側面配線５０ｂ、および放射配線５０ｃによって発生する回転体１０への作用力と、放射配線５０ｄ、側面配線５０ｅ、および放射配線５０ｆによって発生する回転体１０への作用力と、を同じ方向とすることができる。
【００３３】
上述の空芯巻線５０の各配線を繰り返して所望の巻線数を備える空芯巻線５０が形成されるが、本例では２重巻の空芯巻線５０を例に動作を説明する。放射配線５０ａの回転軸２０側の端部からは、基板６１に備える制御回路７２（図１参照）に有するスイッチＳＷ１に繋がり、巻線の終端である放射配線５０ｆの回転軸側の端部はスイッチＳＷ２へ繋がっている。
【００３４】
ここで、空芯巻線５０に対して、スイッチＳＷ１にはプラス（＋）電位、スイッチＳＷ２にはマイナス（−）電位が付加されると、空芯巻線５０には、図示矢印方向に電流ＩLが流れる。この電流ＩLによって、フレミングの左手の法則に基づき、磁石１１ａ，１１ｂ，１１ｃのＮ極に対応する放射配線５０ａ、側面配線５０ｂ、および放射配線５０ｃには力ｆが発生し、磁石１１ａ，１１ｂ，１１ｃのＳ極に対応する放射配線５０ｄ、側面配線５０ｅ、および放射配線５０ｆにも力ｆが発生する。この力ｆの反力として回転体１０の表面にはＦの力が生じ、回転体１０はＦの矢印方向に回転する。
【００３５】
回転体１０の回転によって、空芯巻線５０の各配線が磁極境界に対向した位置に到達した時にスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の電位を逆転させ、空芯巻線５０が相対的に移動した位置の空芯巻線５０´では、スイッチＳＷ１にはマイナス（−）電位、スイッチＳＷ２にはプラス（＋）電位が付加される。従って、空芯巻線５０´には矢印方向に電流ＩRが流れ、空芯巻線５０´には力ｆが生じ、回転体１０には力Ｆが生じ、回転体１０はＦの矢印方向に回転を続けることができる。
【００３６】
上述のように、本実施形態において、回転体１０の円柱底面部に磁石１１ｂ，１１ｃを備え、空芯巻線５０に放射配線５０ａ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｆを備えることによって、従来の空芯巻線によるコイル端部におけるコイル位相差ロス（コイル端部ロス）の発生を減らし、効率の良い、出力（トルク）の大きいモーター１００を得ることができる。
【００３７】
本実施形態に係るモーター１００と、図５に示す従来のモーターの空芯巻線９０と磁石の関係を模式図的に表わした例と、の性能を比較するために、以後、有効コイル率、有効電流率、有効トルク率という用語を用いるが、はじめにこれらの用語の定義をしておく。
【００３８】
有効コイル率とは、次のように定義する。すなわち、空芯巻線を形成するコイルには回転方向のトルクを発生する部分（有効コイル）と回転方向に関係しない無駄なトルクを発生する部分（無効コイル）があり、コイルの全長に対する有効コイルの割合を有効コイル率と定義する。またこの無効コイルによるロスをコイル端部ロスと呼ぶ。
【００３９】
有効電流率とは、次のように定義する。図３及び図５に示した空芯巻線では、ほとんど幅を持たないように記述されているが、実際のコアレスモーターの巻線は幅を持っている。この巻線幅の間に磁極の境界がくると磁極境界の左右で逆向きのトルクが発生する。このため、回転に寄与するトルクは小さくなる。即ち、実際に流す電流に対して、有効な電流値は小さくなる。実際に流れる全電流値に対する有効な電流値の割合を有効電流率と定義する。また、この磁極境界をクロスする際に発生するロスをコイル位相差ロスと呼ぶ。また、有効コイル率と有効電流率の積を有効トルク率と定義する。
【００４０】
本実施形態に係るモーター１００の有効コイル率と図５の従来のモーターの有効コイル率の比較を表１に示す。図５では側面部配線９０ａがモーターの出力に寄与する部分であり、磁石と対向しない図示横方向の接続配線９０ｂがモーターの出力に寄与しない部分である。回転体８０の高さＨと直径Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が２の場合の有効コイル率を表１に示す。
【００４１】
表１に示すように、本実施形態に係るモーター１００の有効コイル率が、従来モーターの有効コイル率に比べ大きく改善されているのは、磁石１１ｂ，１１ｃを円柱底面部に配置し、空芯巻線５０の一部に放射配線５０ａ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｆを設けたことによる。
【００４２】
【表１】
2012143111.tif 000003
【００４３】
また、本実施形態に係るモーター１００と、図５に示す従来のモーターの有効電流率を表２に示す。有効電流率は磁石の磁極数とコイルの相数で決まり、本実施形態に係るモーターと従来のモーターとで共通の値をとる。この有効電流率と有効コイル率とがモーターのトルク性能に大きく関与する。
【００４４】
有効電流率とは、上述したように空芯巻線に流れる全電流に対して、モーターの出力に寄与した有効な電流の割合を示すもので、その定義式は、
有効電流率（％）＝｛（有効トルク電流×磁束密度−逆トルク電流×磁束密度）
／（全電流×磁束密度）｝×１００
と表わされる。磁束密度分布が台形である場合、有効電流率はおおよそ次のようになる。
有効電流率（％）＝｛（有効トルク電流−逆トルク電流）／全電流｝×１００
【００４５】
【表２】
2012143111.tif 000004
【００４６】
モーターが発生する出力であるトルクは、おおよそ、上述の有効コイル率と有効電流率の積で決まる。すなわち、下記の定義式で表わされる有効トルク率によって、性能比較をすることができる。
有効トルク率＝有効コイル率×有効電流率
【００４７】
すなわち、有効トルク率は上述の表１および表２の結果より求められる。本実施形態に係るモーター１００と従来のモーター（図５参照）の有効トルク率の比較を表３に示す。
【００４８】
【表３】
2012143111.tif 000005
【００４９】
表３に示すように、例えば、２極４相のモーターの場合、表中の２重枠線で囲んだように、従来モーターでは有効トルク率５８％に対して、本実施形態のモーター１００の場合、有効トルク率７７％と、従来モーターに比べ１．３３倍のトルクモーターを得ることができる。
【００５０】
（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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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】
【００５５】
１０…回転体、２０…回転軸、３０…回転子、４１，４２…ステーター、５０…空芯巻線、６１，６２…基板、７１…センサー、７２…制御回路、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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