(57)【要約】【課題】確実にロータの静定が行え、Ｔ−θ特性が良好な球面ステッピングモータを提供することを目的とする。【解決手段】所定の軸回りの回転を考えた場合に、ロータ磁極とステータ磁極とが対向するようにロータ磁極とステータ磁極との配置を行う。例えば、ロータ１５１に配置されるロータマグネットを仮想正六面体の各頂点の位置８箇所に交互に極性が反転するように配置し、他方で、ステータ１５２の側の磁極を仮想切頂六面体の各頂点の位置に配置した構造とする。こうすると、ある軸において４つのロータ磁極と正八角形の各頂点に配置されたステータ磁極とが上記の関係を満足し、その軸の回りにおいてステッピングモータとしての動作させることができる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状の殻構造を有した外側部分と、
前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分と
を備え、
前記外側部分の内面には、複数の磁極により構成される第１の磁極群が配置され、
前記内側部分の外面には、複数の磁極により構成される第２の磁極群が配置され、
第１の回転軸に垂直な平面と交わる円周上において、前記第１の磁極群または前記第２の磁極群の一方の全てが、他方の磁極群に含まれる磁極に対向する状態をとることが可能なことを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項２】
前記第１の回転軸と異なる向きの第２の回転軸に垂直な平面と交わる円周上において、前記第１の磁極群または前記第２の磁極群の一方の全てが、他方の磁極群に含まれる磁極に対向する状態をとることが可能なことを特徴とする請求項１に記載の球面ステッピングモータ。
【請求項３】
前記第１の磁極群は仮想斜方切頂立方八面体の頂点のそれぞれに配置された４８個の磁極であり、前記第２の磁極群は仮想正六面体の頂点のそれぞれに配置された８個の磁極であることを特徴とする請求項２に記載の球面ステッピングモータ。
【請求項４】
前記第１の磁極群は仮想切頂六面体の頂点のそれぞれに配置された２４個の磁極であり、前記第２の磁極群は仮想正六面体の頂点のそれぞれに配置された８個の磁極であることを特徴とする請求項２に記載の球面ステッピングモータ。
【請求項５】
前記第1の磁極群は、
前記外側部分の赤道、北緯４５度および南緯４５度に対応する円周上の等角な位置に配置された各８個の磁極と、
北極および南極に対応する位置に配置された２個の磁極と
により構成され、
前記第２の磁極群は、前記内側部分の外面に内接する仮想正六面体の頂点に配置された８個の磁極により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の球面ステッピングモータ。
【請求項６】
前記外側部分の外面の一部が平坦面とされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の球面ステッピングモータ。
【請求項７】
前記外側部分は、仮想斜方切頂立方八面体または仮想切頂六面体を内包する球体を基本構造とし、
前記仮想斜方切頂立方八面体または前記仮想切頂六面体を内包する前記球体の外面は、前記仮想斜方切頂立方八面体または前記仮想切頂六面体を構成する正八角形の面の少なくとも１つに対向する部分が平坦面とされていることを特徴とする請求項３または４に記載の球面ステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータとステータの磁極の配置に特徴のある球面ステッピングモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部が中空の球体状の構造（球殻構造）を有するステータと、その内側に配置された回転自在な球体状のロータを備えた球面モータが知られている。この球面モータは、その中心を通る切断面で考えた場合、ロータの回転位置に応じて複数のステータコイルに流す励磁電流の向きを適宜切り替えることで、ロータ側のマグネットとステータ側の磁極との間で生じる磁力の向きが切り替わり、ロータが上記切断面に垂直な方向を軸として回転する。
【０００３】
ここで、特許文献１には、球体に内接する仮想正六面体の頂点の八ヶ所に永久磁石をＮ極とＳ極とが互いに隣り合わせになるように交互に配置した球体状のロータと、このロータを包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点に電磁石を配置したステータとを備えた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７７４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１に記載の球面モータでは、回転動作中のある瞬間、あるいは静止させた際に、ロータの磁極全てが、ステータの磁極に対向する位置に存在する状態とはならない。例えば、一つのロータ磁極をステータ磁極に対向させると、他のロータ磁極は、ステータ磁極に対向せず、ステータ磁極とずれた位置となる。このため、（１）回転停止の制御を行った際に静定までの遅延が生じやすい、（２）回転を停止させた制御状態（静定)において、外部からの力により停止位置がずれたときに本来の停止位置に戻りにくい(ズレが生じやすい)（これをＴ−θ特性が悪いと称する）といった問題がある。またこれに関連して、常にロータ磁極の中にステータ磁極に対向しない磁極が存在するので、原理的にステッピングモータとして回転動作させることはできるが、ステッピングモータが有している停止位置を制御する機能は得られにくい。このような背景において、本発明は、確実に静定が行え、Ｔ−θ特性が良好な球面ステッピングモ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】
請求項１に記載の発明は、略球状の殻構造を有した外側部分と、前記外側部分の内側に配置され、前記外側部分に対して相対的に回転可能な略球状の外面構造を有した内側部分とを備え、前記外側部分の内面には、複数の磁極により構成される第１の磁極群が配置され、前記内側部分の外面には、複数の磁極により構成される第２の磁極群が配置され、第１の回転軸に垂直な平面と交わる円周上において、前記第１の磁極群または前記第２の磁極群の一方の全てが、他方の磁極群に含まれる磁極に対向する状態をとることが可能なことを特徴とする球面ステッピングモータである。
【０００７】
請求項１に記載の発明には、（１）外側部分をステータとし、内側部分をロータとする構成、（２）外側部分をロータとし、内側部分をステータとする構成が含まれる。また、（Ａ）ステータ側の磁極を電磁石とし、ロータ側の磁極を永久磁石とする構成、（Ｂ）ステータ側の磁極を永久磁石とし、ロータ側の磁極を電磁石とする構成、（Ｃ）ステータ側の磁極とロータ側の磁極の両方を電磁石とする構成が含まれる。また、外側部分および内側部分の略球状の構造は、完全な球を構成していなくてもよく、その一部が欠けた構造や半球構造であってもよい（つまり、球形状の一部を構成する形状であってもよい）。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、例えば、ロータ側の磁極全てがステータ側の磁極に対向する角度位置でロータを停止させることができる。このため、その軸回りの回転においては、ステッピングモータとしての機能が得られ、（１）回転停止の制御を行った際に静定までの遅延が抑えられ、（２）回転を停止させた制御状態において、外部からの力による停止位置のずれが生じ難い特性（良好なＴ−θ特性）が得られる。またこれに関連して、運動量が駆動パルスの数に比例するステップ制御により、ロータの回転角度位置を正確に制御する機能が得られる。なお、回転軸の向きによっては、上記の磁極が対向する要件が満たされず、ステッピングモータとしての機能が得られない回転軸の軸方向もあるが、回転動作は可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の回転軸と異なる向きの第２の回転軸に垂直な平面と交わる円周上において、前記第１の磁極群または前記第２の磁極群の一方の全てが、他方の磁極群に含まれる磁極に対向する状態をとることが可能なことを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、例えば直交する２軸のような、異なる向きの回転軸におけるステッピングモータとしての回転制御が可能となる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１の磁極群は仮想斜方切頂立方八面体の頂点のそれぞれに配置された４８個の磁極であり、前記第２の磁極群は仮想正六面体の頂点のそれぞれに配置された８個の磁極であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１の磁極群は仮想切頂六面体の頂点のそれぞれに配置された２４個の磁極であり、前記第２の磁極群は仮想正六面体の頂点のそれぞれに配置された８個の磁極であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、球面ステッピングモータを地球（または地球儀）と仮定した場合、前記第１の磁極群は、前記外側部分の赤道、北緯４５度および南緯４５度に対応する円周上の等角な位置に配置された各８個の磁極と、北極および南極に対応する位置に配置された２個の磁極とにより構成され、前記第２の磁極群は、前記内側部分の外面に内接する仮想正六面体の頂点に配置された８個の磁極により構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記外側部分の外面の一部が平坦面とされていることを特徴とする。ここで平坦面は、外側部分を構成する材質と異なる材質で構成されていてもよいし、平坦面の部分が部材で埋められておらず開口となっている構成であってもよい。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、前記外側部分は、仮想斜方切頂立方八面体または仮想切頂六面体を内包する球体を基本構造とし、前記仮想斜方切頂立方八面体または前記仮想切頂六面体を内包する前記球体の外面は、前記仮想斜方切頂立方八面体または前記仮想切頂六面体を構成する正八角形の面の少なくとも１つに対向する部分が平坦面とされていることを特徴とする。この場合も平坦面は、外側部分を構成する材質と異なる材質で構成されていてもよいし、平坦面の部分が部材で埋められておらず開口となっている構成であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、確実に静定が行え、Ｔ−θ特性が良好な球面ステッピングモータが提供される。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、異なる向きの軸回りの回転において、ステッピングモータとして機能させることが可能な球面ステッピングモータが提供される。
【００１７】
請求項３乃至５のいずれか一項に記載の発明によれば、ステッピングモータとして機能させることが可能な球面ステッピングモータの具体的な構成が提供される。
【００１８】
請求項６または７に記載の発明によれば、装置等への固定面として利用できる平坦面を外側に備えた球面ステッピングモータが提供される。特に、請求項７に記載の発明によれば、比較的広い面積の平坦面を外側に備えた球面ステッピングモータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態のステータの外観を概念的に示す斜視図（Ａ）、（Ｂ）、正面図（Ｃ）、断面図（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）である。
【図２】磁極部分の断面図である。
【図３】ステータ側の磁極部分の分解断面図（Ａ）、分解斜視図（Ｂ）である。
【図４】実施形態のロータの外観を概念的に示す正面図である。
【図５】実施形態のロータ側の磁極の配置を示す概念図である。
【図６】実施形態のロータ側の磁極の配置を概念的に示す斜視図（Ａ）、ステータ側の磁極の配置を概念的に示す斜視図（Ｂ）である。
【図７】実施形態の球面ステッピングモータの外観を示す上面図（Ａ）、斜視図（Ｂ）、正面図（Ｃ）、側面図（Ｄ）である。
【図８】実施形態のロータ側の磁極の配置を概念的に示す斜視図（Ａ）、ステータ側の磁極の配置を概念的に示す斜視図（Ｂ）である。
【図９】実施形態の球面ステッピングモータの外観を示す上面図（Ａ）、斜視図（Ｂ）、正面図（Ｃ）、側面図（Ｄ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（１）第１の実施形態
（構成）
図１には、球面ステッピングモータ１００が示されている。球面ステッピングモータ１００は、外側に配置され球殻構造を有するステータ１０１を備えている。ステータ１０１の内面には、第１の磁極群を構成する計２６個の電磁石が配置されている。図の符号１０２で示される計２６個の孔の部分に、ステータ側の磁極となる上記計２６個の電磁石が配置される。このステータ側の磁極は、地球（地球儀）に見立てて説明すると、ステータ１０１の赤道に相当する円周上の等角な８箇所の位置に配置され、また北緯４５度および南緯４５度に対応する円周上の等角な位置に各８個が配置され、更に北極点および南極点に対応する位置のそれぞれに１個が配置されている。
【００２１】
計２６個あるステータ側の磁極の構造について説明する。図２には、ステータ側の上記計２６個の磁極の一つの部分の断面構造が示されている。この例では、ステータ側の磁極を磁極兼軸受機構部として機能させ、磁極の部分で、ベアリングボール５０５により、ステータ１０１の内側に配置された後述のロータ１１０を３自由度以上に回転が自在な状態で保持する。図３（Ａ）には、ステータ側の磁極（磁極兼軸受機構部）１０２を分解した断面図が示され、図３（Ｂ）には、ステータ側の磁極１０２を分解した斜視図が示されている。
【００２２】
以下、ステータ側の磁極１０２について説明する。図３には、軟磁性材料により構成されたコイルコア部５０１が示されている。コイルコア部５０１は、後述するコイル５２１の鉄心として機能する。コイルコア部５０１は、ロータ側に傘型に開き、ロータ側の面がロータの球面に合った曲面とされている突極面５０２を備えている。また、コイルコア部５０１の突極面５０２と反対側には、円筒形状の差込部５０３が設けられている。突極面５０２の中央には、円形の開口５０６が設けられている。開口５０６は、ベアリングボール５０５よりも径が小さく、突極面５０２からロータ側にベアリングボール５０５が僅かに突出することが可能な構造とされている。
【００２３】
コイルコア部５０１の内側は、開口５０４とされている。開口５０４は、開口５０６に繋がっている。開口５０４の内側には、非磁性材料により構成された押圧部材５０７が収められる。押圧部材５０７は、円錐内面構造を有する窪み５０８を備え、この窪み５０８に円形の開口５０６から一部が外側に突出した形でベアリングボール５０５が収まる。ベアリングボール５０５は、磁極が生成する磁束に影響を与えないように非磁性で、且つ、硬度と強度を有する材料により構成されている。このような材質としては、非磁性のセラミックス材料が挙げられる。
【００２４】
押圧部材５０７は、後述する止めピン５４０のピン５４１が挿入される挿入部５０９が設けられている。押圧部材５０７のベアリングボール５０５を保持する部分以外の部分は、縮径されており、その部分の外周にコイルバネ５１１が装着されている。コイルバネ５１１の端部は、相対的に外径が拡径した部分の段差部５１０に接触している。コイルバネ５１１が装着された状態の押圧部材５０７は、開口５０４に収められる。
【００２５】
符号５２２は、コイルボビンである。コイルボビン５２２には、コイル５２１が巻かれている。コイルコア部５０１をコアとして、その回りにコイル５２１が巻かれた構成によりステータ側の磁極部分の電磁石が構成されている。また、コイルボビン５２２は、コイルコア部５０１を内側に納めるための開口５２３を有している。符号５４０は、押圧部材５０７を球中心の方向に向かって押さえるための押ピンである。押ピン５４０は、挿入部５０９に挿入されるピン５４１、コイルバネ５１１を押さえるフランジ部５４２を備えている。なお、フランジ部５４２は、開口５０４に収容される構造とされている。符号５３０は、コイルコア部５０１と結合され、磁路を形成するための重畳部として機能する結合部材である。結合部材５３０もコイルコア部５０１と同様に軟磁性材料により構成されている。結合部材５３０は、コイルコア部５０１の差込部５０３を収容する凹部５３１を備えている。符号５２４は、コイル５２１の巻線の端部が接続された引出し端子である。この引出し端子５２１に外部の駆動回路（球面ステッピングモータの駆動回路）からの配線が接続される。
【００２６】
図１に戻り、ステータ１０１の内側には、図２および図３に示す保持構造により、回転自在な状態でロータ１１０（図２参照）が保持されている。ロータ１１０は、外面が図２に示す球殻構造のカバー１１３によって覆われており、ベアリングボール５０５との滑らかな接触状態、および後述するロータマグネット１１２（ロータ側の磁極）にベアリングボール５０５が接触することによるロータマグネット１１２の破損防止が図られている。ここで、ステータ側の磁極１０２とロータマグネット１１２との間に作用する磁力に影響を与えないように、カバー１１３は、セラミックスやアルミ等の非磁性材料により構成されている。
【００２７】
ロータ１１０は、球殻構造を有するロータヨーク１１１を備えている。ロータヨーク１１１の外面には、永久磁石により構成されたロータマグネット１１２が埋め込まれた状態で取り付けられている。図４には、ロータヨーク１１１の外観が示されている。ロータマグネット１１２は、球状のロータヨーク１１１の外面に内接する正六面体の頂点の位置（８箇所）に交互に極性が反転する位置関係で配置されている。図４には、８個ある内の４つのロータマグネット１１２が示されている。
【００２８】
（球面ステッピングモータとしての機能）
図１に示す球面ステッピングモータ１００において、内側にロータ１１０を図１および図４に示す向きで配置した状態を考える。まずロータ磁極のひとつであるＮ極に着目をする。Ｓ極となる励磁電流をステータ磁極巻線の一つ（北緯４５度，東経，０度）（以降、（Ｎ４５，Ｅ０，Ｓ）と記す。）に与える。すると前記ステータ磁極の突極面５０２とロータＮ極が互いに引き合って正対する位置にロータが移動する。次にステータ磁極巻線（Ｎ４５，Ｅ４５，Ｓ）は最初のステータ磁極（Ｎ４５，Ｅ０，Ｓ）から、ロータ磁極間ピッチが１／２ずれた位置（ステータ磁極間ピッチは９０度×１／２の４５度ずれた位置である）に配置している。従って励磁するステータ磁極巻線を（Ｎ４５，Ｅ０，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ４５，Ｓ）に切り替えると、ロータはロータ磁極間ピッチの１／２の角度である４５度分回転する。以降、順に北緯４５度線上を、４５度ピッチ配置しているステータ磁極巻線に与える電流を順番に切り替えることによって４５度毎にロータが回転していく。
【００２９】
上記を最初からまとめると、ステータ磁極巻線への励磁は、（Ｎ４５，Ｅ０，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ４５，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ９０，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ１３５，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ１８０，Ｓ）、→（Ｎ４５，Ｗ１３５，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｗ９０，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｗ４５，Ｓ）→（Ｎ４５，Ｅ０，Ｓ）の順に切り替えていくことで、４５度毎にロータが回転していく。以上のように、電流を与える巻線を順番に切り替えることによって、一定の方向に回転（ステッピングモータの場合厳密には、移動・停止・移動の繰り返しであるがこれを便宜上回転と称している）する。
【００３０】
上記は、ロータ磁極のＮ極のひとつに着目しての回転原理解説であるが、ロータ１ピッチ（最初のＮ極に対し９０度ずらした位置）に配置しているＳ極に着目し、ステータ磁極の励磁電流設定をしてもよい。また、南緯４５度線上に配置したステータ磁極巻線に対して同様の励磁電流設定をしても良い。
【００３１】
この場合、ロータ１１０を図のＺ軸の回りにおいて、４５度（３６０度／８）毎のステップ回転をさせた場合に、常に８個のロータマグネット１１２の全てを、ステータ側の磁極１０２のいずれかに対向させることができる。このため、図のＺ軸回りの回転においては、ステッピングモータとして機能させることができ、ロータマグネットの全てがステータ側の磁極に対向することができない構造とした場合に比較して、確実に静定が行え、Ｔ−θ特性が良好な球面ステッピングモータとして動作する。
【００３２】
（２）第２の実施形態
図５に本実施形態におけるステータ側の磁極の位置が概念的に示されている。図５には、ステータ１２０を直交する３軸の正負の方向から見た様子が概念的に示されている。この場合、各軸の正負の方向から見て、当該軸に直交し、回転中心を通る平面と交わる円周上の等角な８箇所の位置に、ステータ側の磁極１２１が配置される。ステータ１２０の内側には、第１の実施形態の場合と同様な球体に内接する正六面体の頂点に永久磁石を交互に極性を反転させて配置した構造のロータ（図示省略）が配置される。なお、磁極の構造およびロータを３自由度以上に回転自在な状態でステータ１２０の内側に配置する構造は、第１の実施形態の場合と同じである。
【００３３】
この例においては、直交する３軸の回転軸毎に見た場合、ロータ磁極数の２倍のステータ磁極数が用意され、８個のステータ磁極で４個のロータ磁極に対して、吸引（反発）トルクを発生させることで、ロータの回転を行う。この際、４個のロータ磁極のそれぞれは、８個のステータ磁極に含まれる４個の磁極に正対して対向した位置取りが可能であるので、この軸回りの回転は、ステッピングモータとしての動作が可能となる。
【００３４】
（３）第３の実施形態
図６（Ａ）には、内側に配置されるロータ１４１の磁極配置の状態が概念的に示され、図６（Ｂ）には、ロータ１４１の外側に配置されるステータ１４２の磁極配置の状態が概念的に示されている。ここで、ロータ１４１は、仮想正六面体の８箇所の頂点にロータマグネット（永久磁石）が隣接する部分で極性が反転するように配置されている。ステータ１４２は、仮想斜方切頂立方八面体の各頂点（計４８箇所）に磁極が配置されている。ステータ側の磁極は、第１の実施形態の場合と同様な電磁石を用いた構造が採用されている。なお、図示省略されているが、ロータ１４１は略球状であり、ステータ１４２は、ロータ１４１を内包し、その内側で回転自在な状態で保持する略球殻構造を有している。
【００３５】
この構成では、以下に示すようにＸＹＺ軸の直交する３軸において、ステッピングモータとして機能する。まず、ステータ１４２の内側でロータ１４１が図６の位置関係で保持されているとする。この際、Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５→Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８の順に磁極を構成するコイルに電流を流すと、ロータ１４１の面１４１ａの４箇所の磁極とＦ１〜Ｆ８の磁極との間で吸引および反発力の切り替わりが行われ、ロータ１４１は、Ｘ軸回りを回転する。これは、１軸回転自由度のステッピングモータの動作と同じである。
【００３６】
この際、ロータ１４１の面１４１ａにおける４箇所の磁極は、ステータ１４２の８箇所の磁極Ｆ１〜Ｆ８の内の４つに対向させることができる。したがって、その位置で高い安定性でもって静止させることができる。また、４５度ずつ回転させた場合、その都度高い精度で静止させることができる。つまり、１回転を８ステップで回転させた際の停止位置制御を高い精度で実現できる。同様のことは、図のＦ１〜Ｆ８の磁極が配置されている正八角形の面の反対側（図の裏側）の正八角形の面においても同じである。
【００３７】
同様の理屈で、Ｒ１〜Ｒ８の各頂点に配置されたステータ磁極に流す励磁電流を制御することで、ロータ１４１のＹ軸回りのステッピングモータとしての回転を制御することができる。また、同様に、Ｔ１〜Ｔ８の各頂点に配置されたステータ磁極に流す励磁電流を制御することで、ロータ１４１のＺ軸回りのステッピングモータとしての回転を制御することができる。
【００３８】
次に、ステータ１４２の外観構造について説明する。図７には、ステータ１４２の外観の一例が示されている。図６（Ｂ）から判るように、Ｘ軸正の方向から見た際に、ステータ１４２のＦ１〜Ｆ８の８個の磁極は、正八角形の８箇所の頂点に配置されている。この八角形の面は、６面あり、合計で８×６＝４８個所の磁極配置とされている。本実施形態では、この多面体構造を利用し、上記正八角形の面に対応（対向）するステータ１４２の外面を平坦な形状とする。この構造において、ステータ１４２は、図６（Ｂ）に示す仮想斜方切頂立方八面体を内包する略球体の構造を基本として、この仮想斜方切頂立方八面体を構成する６面の正八角形の面に当る部分が平行に切り落とされ、計６面の平坦な面を有した構造（図７（Ｂ）参照）とされている。
【００３９】
すなわち、図７に示すように、ステータ１４２の外観形状において、図６（Ｂ）におけるＦ１〜Ｆ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ１４２の外面を平坦面Ｆとし、Ｒ１〜Ｒ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ１４２の外面を平坦面Ｒとし、Ｔ１〜Ｔ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ１４２の外面を平坦面Ｔとする。ここで、図７の平坦面Ｆは、図６（Ｂ）のＦ１〜Ｆ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在し、図７の平坦面Ｒは、図６（Ｂ）のＲ１〜Ｒ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在し、図７の平坦面Ｔは、図６（Ｂ）のＴ１〜Ｔ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在する。
【００４０】
図７には記載されていないが、平坦面Ｆの反対側には、平坦面Ｆ’が設けられ、平坦面Ｒの反対側には、平坦面Ｒ’が設けられ、平坦面Ｔの反対側には、平坦面Ｔ’が設けられ、合計で６面の平坦面が確保されている。図７の符号Ｆ、Ｔ、Ｒで示されるこれら平坦面は、図６（Ｂ）の対応する各正八角形より小さい円形とされ、その直径は、後述するように、円形の平坦面の外縁と周囲の８箇所の磁極との間に少し距離が確保された寸法とされている。平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔは、ステータ１４２の対応する部分を平坦にカットした部分であり、ステータ１４２を構成する軟磁性材料により構成されている。
【００４１】
ステータ１４２の外面に平坦面が設けられることで、当該球面ステッピングモータを装置等に取り付ける構造において、挟み込み、螺子等による固定が行ない易い構造とできる。また、球面モータを装置等に固定するために、球面モータの外側に螺子孔を形成する等の加工を行いたい場合があるが、本実施形態のように平坦面があることで、平坦面がない場合に比較して、螺子孔の形成等を行いやすいメリットも得られる。特に球面モータを面で固定することができるので、球面の一部をフランジ等に点接触させて固定する場合に比較して、より安定した構造とできる。
【００４２】
また、図７に示す平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔは、球面の外面を一部切り落とした形状とすることで得られるので、ステータ１４２の外観を完全な球面とする場合に比較して、球面モータの容積を削減することができる。これにより、球面モータの小型化および軽量化を図ることができる。また、この切り落とされる部分は、モータの出力に寄与しない部分であるので、小型軽量化しても出力に影響しない。
【００４３】
図７に示される平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔを開口としてもよい。この場合、防塵対策として、平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔに蓋をする構造とすることが好ましい。この蓋を構成する部材として、ガラスや透明なアクリル樹脂等を用いると、内部構造を外側から観察することが可能な構造とできる。また、平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔを開口や非磁性材料により構成する場合、平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔの外縁と、周囲の８箇所の磁極からの距離を、磁極から出る磁束の磁路に影響を与えない程度の寸法とする。こうすることで、平坦面Ｆ、Ｒ、Ｔを開口としたことや非磁性材料で構成することによる、モータ特性への影響を抑えることができる。なお、平坦面は、用途や要求性能によっては設けなくてもよいものである。また、平坦面を設ける場合であっても、６つの正八角形の面の全てに対応して設ける必要はなく、例えば、いずれか１つの面に対応して平坦面を設けるようにしてもよいものである。
【００４４】
（４）第４の実施形態
図８（Ａ）には、内側に配置されるロータ１５１の磁極配置の状態が概念的に示され、図８（Ｂ）には、ロータ１５１の外側に配置されるステータ１５２の磁極配置の状態が概念的に示されている。ここで、ロータ１５１は、仮想正六面体の８箇所の頂点にロータマグネット（永久磁石）が隣接する部分で極性が反転するように配置されている。ステータ１５２は、仮想切頂六面体の各頂点（計２４箇所）に磁極が配置されている。ステータ側の磁極は、第１の実施形態の場合と同様な電磁石を利用したものが採用されている。なお、図示省略されているが、ロータ１５１は略球状であり、ステータ１５２は、ロータ１５１を内包し、その内側で回転自在な状態で保持する略球殻構造を有している。
【００４５】
この構成では、以下に示すようにＸＹＺ軸の直交する３軸において、ステッピングモータとして機能する。まず、ステータ１５２の内側でロータ１５１が図８の位置関係で保持されているとする。この際、Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４→Ｌ５→Ｌ６→Ｌ７→Ｌ８の順に磁極を構成するコイルに電流を流すと、ロータ１５１の面１５１ａの４箇所の磁極とＬ１〜Ｌ８の磁極との間で吸引および反発力の切り替わりが行われ、ロータ１５１は、Ｘ軸回りを回転する。これは、１軸回転自由度のステッピングモータの動作と同じである。
【００４６】
この際、ロータ１５１の面１５１ａにおける４箇所の磁極は、ステータ１５２の８箇所の磁極Ｌ１〜Ｌ８の内の４つに対向させることができる。したがって、その位置で高い安定性でもって静止させることができる。また、４５度ずつ回転させた場合、その都度高い精度で静止させることができる。つまり、１回転を８ステップで回転させた際の位置制御を高い精度で実現できる。同様のことは、図のＬ１〜Ｌ８の磁極が配置されている正八角形の面の反対側（図の裏側）の正八角形の面においても同じである。
【００４７】
同様の理屈で、Ｆ１〜Ｆ８の各頂点に配置されたステータ磁極に流す励磁電流を制御することで、ロータ１５１のＹ軸回りのステッピングモータとしての回転を制御することができる。また、同様に、Ｔ１〜Ｔ８の各頂点に配置されたステータ磁極に流す励磁電流を制御することで、ロータ１５１のＺ軸回りのステッピングモータとしての回転を制御することができる。
【００４８】
次に、ステータ１５２の外観構造について説明する。図９には、ステータ１５２の外観の一例が示されている。図８（Ｂ）から判るように、X軸正の方向から見た際に、ステータ１５２のＬ１〜Ｌ８の８個の磁極は、正八角形の８箇所の頂点に配置されている。この八角形の面は、６面あるが、隣接する面で共有される磁極があるので、合計で（８×６）−２４＝２４個所の磁極配置とされている。本実施形態では、この多面体構造を利用し、上記正八角形に対応（対向）するステータ１５２の外面を平坦な形状とする。この構造において、ステータ１５２は、図８（Ｂ）に示す仮想切頂六面体を内包する略球体の構造を基本として、この仮想切頂六面体を構成する６面の正八角形に当たる部分が平行に切り落とされ、計６面の平坦な面を有した構造（図９（Ｂ）参照）とされている。
【００４９】
すなわち、図９に示すように、ステータ１５２に外観形状において、図８（Ｂ）におけるＬ１〜Ｌ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ1５２の外面部分を平坦面Ｌとし、Ｆ１〜Ｆ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ１５２の外面の部分を平坦面Ｆとし、Ｔ１〜Ｔ８の磁極が配置された正八角形の回転中心から離れる方向におけるステータ１５２の外面の部分を平坦面Ｔとする。ここで、図９の平坦面Ｌは、図８（Ｂ）のＬ１〜Ｌ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在し、図９の平坦面Ｆは、図８（Ｂ）のＦ１〜Ｆ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在し、図９の平坦面Ｔは、図８（Ｂ）のＴ１〜Ｔ８を頂点とする正八角形の面を含む平面に平行な平面上に存在する。
【００５０】
図９には記載されていないが、平坦面Ｌの反対側には、平坦面Ｌ’が設けられ、平坦面Ｆの反対側には、平坦面Ｆ’が設けられ、平坦面Ｔの反対側には、平坦面Ｔ’が設けられ、合計で６面の平坦面が確保されている。図９の符号Ｌ、Ｆ、Ｔで示されるこれら平坦面は、図８（Ｂ）の対応する各八角形よりも小さい円形とされ、その直径は、円形の平坦面の外縁と周囲の８箇所の磁極との間に少し距離が確保された寸法とされている。平坦面Ｌ、Ｆ、Ｔは、ステータ１５２の対応する部分を平坦にカットした部分であり、ステータ１５２を構成する軟磁性材料により構成されている。
【００５１】
図９に示すステータ１５２の外観構造においても、第３の実施形態の場合と同様の優位性が得られるが、図９と比較して明らかなように、ステータ１５２の外面に占める平坦面の面積の割合が大きくなり、平坦面を設けることによる効果がより一層有効に発揮されることが期待できる。また、平坦面を開口とする場合や非磁性材料により構成する等の変形構造も第３の実施形態の場合と同じである。
【００５２】
（その他）
ある平面に含まれるロータの磁極とステータの磁極との関係は、ロータ磁極数の２倍のステータ磁極数が配置される構成に限定されず、ロータ磁極数のＮ倍（Ｎは３以上の自然数）のステータ磁極数が配置される構成も可能である。ステータの外側に平坦面を設ける構成は、図７や図９に示すステータほど平坦面の面積を広くすることはできないが、図１や図４に示すステータの構造に適用することもできる。この場合も磁極の位置を避けた部分で平坦面を設ければよい。
【００５３】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、球面モータに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１００…球面ステッピングモータ、１０１…ステータ、１０２…ステータ側の磁極、１１０…ロータ、１１１…ロータヨーク、１１２…ロータマグネット、１１３…球殻構造のカバー、１２０…ステータ、１２１…ステータ側の磁極、１４１…ロータ、１４２…ステータ、１５１…ロータ、１５２…ステータ、５０１…コイルコア部、５０２…突極面、５０３…差込部、５０４…開口、５０５…ベアリングボール、５０６…開口、５０７…押圧部材、５０８…窪み、５０９…挿入部、５１０…段差部、５１１…コイルバネ、５２１…コイル、５２２…コイルボビン、５２３…開口、５２４…引出し端子、５３０…結合部材、５３１…凹部、５４０…押ピン、５４１…ピン、５４２…フランジ部。
【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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