(57)【要約】【課題】巻線効率が高く、且つ、高トルクなコアレスモーターを提供する。【解決手段】中空の空芯巻線の内側に、円筒形状の永久磁石を設けてコアレスモーターを構成する。また空芯巻線は、電線を菱形形状に巻回することによって形成する。そして、菱形形状の一方の対角線は永久磁石の中心軸と平行とし、他方の対角線は、永久磁石の中心軸に対して、永久磁石の磁極が切り換わる角度の１．２倍から１．６倍の角度範囲となる長さに設定する。こうすれば、菱形形状に巻回して空芯巻線を構成するコアレスモーターの回転トルクを向上させることができる。また、電線が菱形形状に巻回されているので、高い巻線効率を実現することが可能となる。【選択図】図２
2012147622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電線を巻回することによって中空の円筒形状に形成された空芯巻線と、該空芯巻線の内
周側に設けられて外周面が多極に着磁された円筒形状の永久磁石とを備え、該空芯巻線に
電流を流すことによって回転トルクを発生させるコアレスモーターであって、
前記永久磁石は、該永久磁石の中心軸から見て所定の単位磁極角度の間隔で、交互に極
性が切り換わるように着磁されており、
前記空芯巻線は、前記電線を折り曲げて菱形形状のループ状に形成された単位巻回要素
が、前記永久磁石の中心軸に対して所定角度ずつ位置をずらして複数設けられることによ
って形成された空芯巻線であり、
前記単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が前記永久磁石の中心軸と平行であり、
他方の対角線が、該永久磁石の中心軸に対して前記単位磁極角度の１．２倍から１．６倍
の角度範囲となる長さの菱形形状であるコアレスモーター。
【請求項２】
前記空芯巻線にＮ相（但しＮは２以上の整数）の電流を流すことによって回転トルクを
発生させる請求項１に記載のコアレスモーターであって、
前記空芯巻線は、前記複数の単位巻回要素が、前記永久磁石の中心軸に対して前記単位
磁極角度の前記Ｎ分の１に相当する角度ずつ位置をずらして設けられた空芯巻線であるコ
アレスモーター。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のコアレスモーターを搭載したロボットハンド。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のコアレスモーターを搭載したロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を用いて回転トルクを発生させるモーターに関し、特に円筒形状の空芯
巻線と、その内側に設けられて多極に着磁された永久磁石とを組み合わせて構成したコア
レスモーター、およびコアレスモーターを搭載したロボットハンドあるいはロボットに関
する。
【背景技術】
【０００２】
円筒形状に形成された空芯巻線の内側に、多極に着磁された永久磁石によるローターが
設けられ、空芯巻線に流す電流の向きを切り換えることによって、ローターを回転させる
コアレスモーター（インナーローター形式のコアレスモーター）が知られている。あるい
は、空芯巻線をローターとし、その内側に設けられた永久磁石をステーターとするアウタ
ーローター形式のコアレスモーターも知られている（たとえば特許文献１）。これらのコ
アレスモーターには、コアが無いためにローターの回転慣性が小さくなって応答性が向上
し、更に小型化が比較的容易であるという利点がある。また、これらのコアレスモーター
は、永久磁石が形成する磁界の中で巻線に電流を流したときに、巻線が受けるローレンツ
力を利用して回転トルクを発生させることを動作原理としている。
【０００３】
ここで、ローレンツ力は、磁界の方向から見て電流の向き（従って巻線の向き）に直角
な方向に作用する。従って、巻線の方向がローターの回転軸の方向に直交している部分で
は、ローレンツ力が発生しても回転軸の方向に向いてしまうので、ローレンツ力を回転ト
ルクに変換することができない。すなわち、ローターの回転軸に直交している部分の巻線
は、回転トルクの発生に寄与していないので、いわゆる巻線効率を低下させる。そして、
巻線効率が低下すると、電気抵抗による電力消費（いわゆる銅損）が増加したり、重量が
増加したりするなどの弊害を引き起こす。
【０００４】
そこで、菱形形状に巻線を巻く技術も提案されている。巻線を菱形形状に巻けば、ロー
ターの回転軸に直交する部分が発生しないようにすることができるので、巻線効率を向上
させることができる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかし、コアレスモーターにおいても、他の方式のモーターと同様に、高トルク化に対
する要請は常に存在している。従って、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させるこ
とが可能なコアレスモーターの開発が望まれている。特に、ロボットハンドやロボットの
アクチュエーターとして組み込むためには、小型で効率が良く、且つ高トルクを発生可能
なモーターが必要となるが、このようなモーターは存在しないという問題があった。
【０００７】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになさ
れたものであり、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させることが可能なコアレスモ
ーターの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明のコアレスモーターは次の構
成を採用した。すなわち、
電線を巻回することによって中空の円筒形状に形成された空芯巻線と、該空芯巻線の内
周側に設けられて外周面が多極に着磁された円筒形状の永久磁石とを備え、該空芯巻線に
電流を流すことによって回転トルクを発生させるコアレスモーターであって、
前記永久磁石は、該永久磁石の中心軸から見て所定の単位磁極角度の間隔で、交互に極
性が切り換わるように着磁されており、
前記空芯巻線は、前記電線を折り曲げて菱形形状のループ状に形成された単位巻回要素
が、前記永久磁石の中心軸に対して所定角度ずつ位置をずらして複数設けられることによ
って形成された空芯巻線であり、
前記単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が前記永久磁石の中心軸と平行であり、
他方の対角線が、該永久磁石の中心軸に対して前記単位磁極角度の１．２倍から１．６倍
の角度範囲となる長さの菱形形状であることを要旨とする。
【０００９】
こうした構成を有する本発明のコアレスモーターにおいては、中空の円筒形状に形成さ
れた空芯巻線の内側に、円筒形状の永久磁石が設けられている。また、空芯巻線は、菱形
形状に形成された複数の単位巻回要素が、所定角度ずつ位置をずらして設けられることに
よって形成されている。そして、単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が永久磁石の
中心軸と平行であり、他方の対角線が、永久磁石の中心軸に対して単位磁極角度の１．２
倍から１．６倍の角度範囲となる長さに設定されている。
【００１０】
一般に電線を菱形形状に巻回して空芯巻線を構成するコアレスモーターでは、菱形形状
の対角線の中、永久磁石の中心軸に直交する方の対角線（回転方向の対角線）の長さが、
永久磁石の中心軸に対して単位磁極角度となるように設定されている。しかし、回転方向
の対角線の長さを延長することで、菱形形状に巻回された空芯巻線を有するコアレスモー
ターの回転トルクを向上させられる可能性がある。詳細には後述するが、このような着想
に基づいて詳しく検討してみると、回転方向の対角線の長さを、永久磁石の中心軸に対し
て単位磁極角度の１．２倍から１．６倍の角度範囲となる長さに設定しておけば、回転ト
ルクを向上させることが可能であることが見いだされた。従って、このようにすることで
、巻線効率が高く、しかも、高い回転トルクを発生させることが可能なコアレスモーター
を実現することが可能となる。
【００１１】
また、上述した本発明のコアレスモーターにおいては、空芯巻線にＮ相（但しＮは２以
上の整数）の電流を流すものとしたときに、複数の単位巻回要素を、永久磁石の中心軸に
対して単位磁極角度のＮ分の１に相当する角度ずつ位置をずらして設けることによって、
空芯巻線を形成するようにしても良い。
【００１２】
こうすれば、単位磁極角度ずつ位置をずらして設けられた単位巻回要素をまとめること
で、複数の単位巻回要素をＮ相に分けることができる。そして、複数の単位巻回要素をＮ
相に分けて駆動してやれば、コアレスモーターの回転トルクの変動を小さくすることが可
能となる。
【００１３】
また、上述した本発明のコアレスモーターは、巻線効率が高く、高トルクを発生させる
ことができるので、ロボットハンドあるいはロボットに組み込んで使用されるモーターと
して特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例のコアレスモーターの外観形状を示した説明図である。
【図２】本実施例のコアレスモーターの空芯巻線の構造を示した説明図である。
【図３】一般的なコアレスモーターの動作原理を示す説明図である。
【図４】従来の菱形巻線のメリットおよびデメリットについて示した説明図である。
【図５】本実施例の単位巻回要素で得られる回転力を算出するための前提事項を示した説明図である。
【図６】本実施例の単位巻回要素が発生する回転力の導出過程を示す説明図である。
【図７】単位巻回要素を移動させたときに得られる回転力の変化を示した説明図である。
【図８】本実施例のコアレスモーターによって得られる回転力を示す説明図である。
【図９】単位巻回要素の回転方向の対角線の長さと、回転力の平均値との関係を示した説明図である。
【図１０】本実施例のコアレスモーターをロボットハンドの関節部分に組み込んだ様子を例示した説明図である。
【図１１】ロボットのアクチュエーターとして本実施例のコアレスモーターを組み込んだ様子を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施
例を説明する。
Ａ．本実施例のコアレスモーターの構造：
Ｂ．コアレスモーターの動作原理：
Ｃ．本実施例のコアレスモーターで得られる回転力：
Ｄ．適用例：
【００１６】
Ａ．本実施例のコアレスモーターの構造  ：
図１は、本実施例のコアレスモーター１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）
に示されるように、本実施例のコアレスモーター１００は、円筒形状の空芯巻線１１０の
内側に、円柱形の永久磁石１２０が収容されて、永久磁石１２０の中心軸と同軸に回転軸
１２２が設けられている。永久磁石１２０は、中心軸から等角度でＮ極とＳ極とが交互に
切り換わるように着磁されている。また、空芯巻線１１０は、電線を巻回することによっ
て中空の円筒形状に形成された後、樹脂によって固められて構成されている。
【００１７】
尚、回転軸１２２が永久磁石１２０に設けられていることから明らかなように、本実施
例のコアレスモーター１００は、永久磁石１２０がローターとなり、空芯巻線１１０がス
テーターとなったいわゆるインナーローター形式のコアレスモーター１００である。もち
ろん、このような構成に限られるものではなく、空芯巻線１１０に回転軸１２２を設ける
ことによって、いわゆるアウターローター形式のコアレスモーター１００を構成すること
も可能である。
【００１８】
図１（ｂ）は、回転軸１２２の方向から、本実施例のコアレスモーター１００の底面を
見た様子を示す説明図である。詳細には後述するが、本実施例のコアレスモーター１００
の空芯巻線１１０は、電線を菱形形状に何回も巻回することによって形成した単位コイル
１１２を、所定角度ずつ位置をずらして重ねることによって形成されている。また、単位
コイル１１２をずらす角度は、永久磁石１２０で等角度間隔で磁極が切り換わる角度（以
下では、単位磁極角度と呼ぶ）の半分の角度に設定されている。
【００１９】
図２は、本実施例の空芯巻線１１０の構造を示した説明図である。尚、前述したように
空芯巻線１１０は、永久磁石１２０の周囲を取り巻く中空の円筒形状に形成されているが
、理解の便宜を図るために、図２では、円筒形状の空芯巻線１１０および永久磁石１２０
が平面上に展開した状態で表示されている。図２（ａ）に示されるように、単位コイル１
１２は、ほぼ菱形形状に形成されており、この菱形形状の単位コイル１１２が等距離ずつ
位置をずらしながら重ねられることによって、空芯巻線１１０が形成されている。尚、図
２では円筒形状の空芯巻線１１０を平面に展開した状態で表示されているから、図２の図
面上で単位コイル１１２が等しい「距離」ずつ位置がずれていることは、実際の空芯巻線
１１０では等しい「角度」ずつ位置がずれていることに対応する。
【００２０】
また、本実施例のコアレスモーター１００では、これら複数の単位コイル１１２が２つ
のグループに分けられており、同じグループの単位コイル１１２は、一続きの電線を巻回
することによって形成されている。以下では、一方のグループを「ａ相」と呼び、他方の
グループを「ｂ相」と呼ぶことにする。これらａ相の単位コイル１１２ａとｂ相の単位コ
イル１１２ｂとは、交互に重ねられている。すなわち、ａ相の単位コイル１１２ａの上に
、所定距離（角度）だけ位置をずらしてｂ相の単位コイル１１２ｂが重ねられ、そのｂ相
の単位コイル１１２ｂの上に所定距離（角度）だけ位置をずらしてａ相の単位コイル１１
２ａが重ねられるといったように、ａ相の単位コイル１１２ａとｂ相の単位コイル１１２
ｂとが交互に重ねられている。図２（ｂ）あるいは図２（ｃ）には、空芯巻線１１０を構
成する複数の単位コイル１１２の中から、ａ相の単位コイル１１２ａのみあるいはｂ相の
単位コイル１１２ｂのみを抜き出した様子が示されている。上述したように、ａ相の単位
コイル１１２ａとｂ相の単位コイル１１２ｂとは、永久磁石１２０の単位磁極角度の半分
の角度ずつ位置をずらして設けられている。そして、ａ相の単位コイル１１２ａとｂ相の
単位コイル１１２ｂとは、互い違いに設けられているから、ａ相の単位コイル１１２ａ同
士、あるいはｂ相の単位コイル１１２ｂ同士は、単位磁極角度ずつ、位置をずらして設け
られていることになる。
【００２１】
ここで、ａ相あるいはｂ相の単位コイル１１２は、一本の電線が菱形形状に何度も巻回
されることによって形成されている。以下では、菱形形状に一回だけ巻回された電線を、
「単位巻回要素１１４」と呼ぶことにする。菱形形状の単位巻回要素１１４は、図２の紙
面上で左右方向（すなわち、永久磁石１２０の回転方向）および、これに直交する方向の
二つの対角線を有している。そして、本実施例のコアレスモーター１００では、図２（ｄ
）に示されるように、永久磁石１２０の回転方向に沿った対角線の長さ（実際には角度範
囲）が、永久磁石１２０の極性が切り換わる単位磁極角度（図中ではｐと表示）の１．２
倍〜１．６倍に設定されている。このようにすることで、本実施例のコアレスモーター１
００では、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させることが可能となる。以下、この
点について詳しく説明する。
【００２２】
Ｂ．コアレスモーターの動作原理  ：
先ず始めに、一般的なコアレスモーターの動作原理について簡単に説明しておく。図３
は、一般的なコアレスモーターの動作原理を示した説明図である。一般的なコアレスモー
ターでは、電線は菱形形状ではなく長方形に巻回されている。図３には、長方形に巻回さ
れた単位巻回要素１１６が示されている。単位巻回要素１１６の短辺の長さ（実際には角
度範囲）は、永久磁石１２０の単位磁極角度ｐと同じに設定されている。
【００２３】
単位巻回要素１１６が、永久磁石１２０の磁極に対して図３（ａ）に示すような位置関
係にあるときに、破線で示した方向の電流を単位巻回要素１１６に流してやる。すると、
フレミングの左手の法則によって、単位巻回要素１１６には図中に白抜きの矢印で示した
方向のローレンツ力が作用する。ここで、単位巻回要素１１６はステーター側であるから
動かない。このため、永久磁石１２０が反作用を受けて回転するようになる。図中に示し
た黒塗りの矢印は、永久磁石１２０の回転方向を表している。
【００２４】
また、永久磁石１２０が回転すると、図３（ｂ）に示したように、単位巻回要素１１６
に及ぼす磁界の向きが逆転する。従って、同じ方向に電流を流し続けていたのでは、ロー
レンツ力の方向が逆転して、永久磁石１２０を回転させ続けることができなくなる。そこ
でこのような場合には、単位巻回要素１１６に流す電流の向きを逆転させる。こうすれば
、単位巻回要素１１６に及ぼす磁界の向きが反転しても、ローレンツ力の方向は同じに保
つことができるので、永久磁石１２０の回転を継続することができる。このようにコアレ
スモーターでは、永久磁石１２０の回転に応じて電流の向きを切り換えることによって、
単位巻回要素１１６に作用するローレンツ力を回転トルクに変換している。
【００２５】
ここで、図３から了解できるように、回転トルクに変換できるのは、単位巻回要素１１
６の中で、回転軸に沿った方向を向いている部分（図３に示した例では、長方形の長辺に
対応する部分）である。長方形の短辺の部分は、永久磁石１２０の磁界が作用しないので
ローレンツ力が発生しないか、ローレンツ力が作用しても回転軸に沿った方向に作用する
ので回転トルクに変換することができない。従って、単位巻回要素１１６の中のこのよう
な部分は、電流を流しても単に抵抗となるだけであり、巻線効率を大きく低下させる。単
位巻回要素１１６を菱形形状としてやれば、こうした問題は生じない。その一方で、単位
巻回要素１１６を菱形形状とした場合には、別の問題が懸念される。
【００２６】
図４は、菱形形状の単位巻回要素１１４によるメリットおよびデメリットを説明するた
めの説明図である。尚、図中に示されるように、従来の菱形形状の単位巻回要素１１４で
は、菱形の二つの対角線の中で永久磁石１２０の回転方向（図上では左右方向）の対角線
の長さ（実際には角度範囲）は、永久磁石１２０の単位磁極角度ｐと同じに設定されてい
る。
【００２７】
先ず、菱形形状の単位巻回要素１１４によるメリットとしては、たとえば、図４（ａ）
を見れば明らかなように、菱形形状の単位巻回要素１１４では全ての部分で回転トルクを
発生させることが可能となり、巻線効率が大きく向上することが挙げられる。また、永久
磁石１２０の磁極の境界が、菱形形状の中央にある場合には、図３に示した長方形の単位
巻回要素１１６の場合と同等の回転トルクを得ることができる。
【００２８】
しかし、永久磁石１２０の磁極の境界が菱形形状の中央にない場合は、回転トルクが低
下する。このことが、菱形形状の単位巻回要素１１４のデメリットとなる。たとえば図４
（ｂ）に示した例では、図面上で菱形形状の左側の斜辺では、途中で磁界の向きが逆転し
ている。このため左側の斜辺では、途中でローレンツ力の方向が逆転し、回転トルクを打
ち消そうとする結果、回転トルクの低下を引き起こす。
【００２９】
そこで本願の発明者らは、図４（ｂ）中に細い破線で示したように単位巻回要素１１４
の左右方向（回転方向）の対角線の長さを延長することによって、回転トルクの低下を補
えるのではないかと着想した。そして、このような着想を得た上で、以下に説明するよう
な詳細な検討を加えた結果、新たな知見を見いだすことによって本願発明を完成させた。
【００３０】
Ｃ．本実施例のコアレスモーターで得られる回転力  ：
図５は、本実施例の単位巻回要素１１４で得られる回転力を算出するための前提事項を
示した説明図である。図５（ａ）に示されるように、単位巻回要素１１４の菱形形状の左
右方向（回転方向）の対角線の長さ（実際には角度範囲に対応）を「ｕ」、上下方向（回
転軸方向）の対角線の長さを「ｖ」、斜辺の長さを「ｄ」とする。また、永久磁石１２０
の磁極が切り換わる角度範囲（単位磁極角度）を「ｐ」とする。更に、永久磁石１２０の
磁極が切り換わる境界から、単位巻回要素１１４の菱形形状の中心までの距離を「ｔ」と
する。このようすると、単位巻回要素１１４の形状は、左右方向（回転方向）の対角線の
長さを示す変数ｕによって表され、単位巻回要素１１４の位置は、永久磁石１２０の磁極
の境界から単位巻回要素１１４の中心までの距離を示す変数ｔによって表されることにな
る。
【００３１】
また、永久磁石１２０の磁界が単位巻回要素１１４に及ぼす状態には、二つの状態が存
在する。すなわち、変数ｔの値が小さい間は、図５（ｂ）に示したように、単位巻回要素
１１４の左側の斜辺では途中で磁界の向きが切り換わるが、右側の斜辺では磁界の向きが
切り換わらない状態（以下、第１状態と呼ぶ）となる。また、変数ｔの値が大きくなると
、図５（ｃ）に示したように、単位巻回要素１１４の左側の斜辺および右側の斜辺の何れ
でも、途中で磁界の向きが切り換わる状態（以下、第２状態と呼ぶ）となる。尚、第１状
態では、磁界が逆転している部分の長さを「ｄ２」とし、逆転していない部分の長さを「
ｄ１」とする。また、第２状態では、磁界が逆転している部分の長さを「ｄ２」および「
ｄ４」とし、逆転していない部分の長さを「ｄ１」および「ｄ３」とする。
【００３２】
ちなみに、図５（ｂ）に示した状態に対して左右が逆転した状態、すなわち、単位巻回
要素１１４の右側の斜辺では途中で磁界の向きが切り換わり、左側の斜辺では磁界の向き
が切り換わらない状態は、第１状態で変数ｔが負の値を取る場合と考えることができる。
更に、磁極の境界が単位巻回要素１１４の中心を通る状態は、第１状態で変数ｔが「０」
の場合と考えることができる。
【００３３】
始めに、図５（ｂ）に示した第１状態について検討する。図５（ｂ）の第１状態では、
左側の斜辺の一部で磁界の向きが逆転しているので、この部分では逆方向にローレンツ力
が作用する。従って、単位巻回要素１１４の左上の斜辺（以下では、この斜辺を第１辺と
呼ぶ）では、磁界の向きが逆転していない部分には斜辺に対して直角に、正方向のローレ
ンツ力Ｆ１が作用し、磁界の向きが逆転している部分には斜辺に対して直角に、負方向の
ローレンツ力ｆ１が作用する。尚、小文字のｆのローレンツ力は、負方向（回転トルクを
打ち消す方向）のローレンツ力を表し、大文字のＦのローレンツ力は、正方向（回転トル
クを増やす方向）のローレンツ力を表すものとする。同様に、単位巻回要素１１４の左下
の斜辺（以下では、この斜辺を第２辺と呼ぶ）でも、正方向のローレンツ力Ｆ２、および
負方向のローレンツ力ｆ２が作用する。また、単位巻回要素１１４の右下の斜辺（以下で
は、この斜辺を第３辺と呼ぶ）、および右上の斜辺（以下では、この斜辺を第４辺と呼ぶ
）では、それぞれ正方向のローレンツ力Ｆ３、およびＦ４が作用する。従って、単位巻回
要素１１４の第１辺〜第４辺に作用するこれらローレンツ力の回転方向（図面上では左右
方向）の成分が、回転トルクに変換される回転力となる。特に、正方向のローレンツ力Ｆ
１〜Ｆ４の回転方向の成分は、回転トルクを増加させる回転力となり、負方向のローレン
ツ力ｆ１、ｆ２の回転方向の成分は、回転トルクを減少させる回転力となる。尚、以下で
は、ローレンツ力の回転方向の成分は、添字ｘを付けて表記するものとする。たとえば、
Ｆ１ｘは、ローレンツ力Ｆ１の回転方向の成分を表すものとする。
【００３４】
図５（ｃ）に示した第２状態についても、ほぼ同様なことが成立する。すなわち、単位
巻回要素１１４の第１辺〜第４辺には、正方向のローレンツ力Ｆ１〜Ｆ４、および負方向
のローレンツ力ｆ１〜ｆ４が作用し、それらローレンツ力の回転方向の成分が回転力とな
る。尚、図５（ｃ）では、図示が煩雑となることを避けるため、それぞれのローレンツ力
の回転方向の成分のみが表示されている。
【００３５】
以上の検討に基づいて、一つの単位巻回要素１１４で得られる回転力Ｆを、第１状態、
第２状態のそれぞれについて導出する。図６は、回転力Ｆの導出過程を示した説明図であ
る。図６（ａ）には、第１状態での回転力Ｆの導出過程が示されており、図６（ｂ）には
、第２状態での回転力Ｆの導出過程が示されている。図中の「Ｂ」は磁界の強さを表し、
「Ｉ」は単位巻回要素１１４に流れる電流を表している。
【００３６】
先ず始めに、図６（ａ）に示した第１状態での回転力Ｆの導出過程について簡単に説明
する。第１状態となるのは、ｔ＋ｕ／２＜ｐが成り立つときである。簡単のために、ｔが
０以上の場合についてだけ考えると、第１状態となるのは、変数ｔの値が、０≦ｔ＜（ｐ
−ｕ／２）の範囲を取る場合となる。
【００３７】
また、フレミングの左手の法則によれば、単位長さ当たりに作用するローレンツ力は、
磁界の強さＢと、電流Ｉとに比例する。従って、第１辺に作用する正方向のローレンツ力
Ｆ１は、電線の長さｄ１に、ＢおよびＩを乗算した値ｄ１・Ｂ・Ｉとなり、回転方向の成
分Ｆ１ｘは、その余弦成分（ｄ１・Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）となる。他の三辺に作用する正方
向のローレンツ力の回転方向の成分Ｆ２ｘ〜Ｆ４ｘについても同様に、それぞれ（ｄ１・
Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）、（ｄ・Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）、（ｄ・Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）となる。そ
して、これらを合計した値が、正方向の回転力となる。
【００３８】
また、第１辺に作用する負方向のローレンツ力の回転方向の成分ｆ１ｘは、電線の長さ
ｄ２に、ＢおよびＩを乗算した値の余弦成分であるから、（ｄ２・Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）と
なる。第２辺についても同様に、ｆ２ｘは（ｄ２・Ｂ・Ｉ・ｃｏｓθ）となる。尚、図５
（ｂ）に示したように、第１状態では、第３辺および第４辺には負方向のローレンツ力は
作用しない。従って、ｆ３ｘ、ｆ４ｘは「０」となる。そして、これらを合計した値が、
負方向の回転力となる。結局、第１状態で、単位巻回要素１１４に作用するローレンツ力
の回転方向の成分（すなわち、回転力）は、正方向の回転力から負方向の回転力を減算す
ることによって求められ、２・Ｂ・Ｉ・ｖ・（１−２ｔ／ｕ）となる。
【００３９】
第２状態での回転力Ｆも、同様にして導出できる。先ず、第２状態となるのは、変数ｔ
の値が、（ｐ−ｕ／２）よりも大きく、（ｕ／２）よりも小さいとき、すなわち、（ｐ−
ｕ／２）≦ｔ＜（ｕ／２）の範囲を取る場合である。また、第１辺〜第４辺に作用する正
方向のローレンツ力Ｆ１〜Ｆ４や、負方向のローレンツ力ｆ１〜ｆ４、およびそれらの回
転方向の成分も同様にして求めることができる。その結果、第２状態で、単位巻回要素１
１４に作用するローレンツ力の回転方向の成分（すなわち、回転力）は、正方向の回転力
から負方向の回転力を減算することによって求められ、２・Ｂ・Ｉ・ｖ・（２ｐ／ｕ−４
ｔ／ｕ）となる。
【００４０】
図７は、回転方向（図上では左右方向）の対角線の長さが「ｕ」の単位巻回要素１１４
を、永久磁石１２０に対して移動させたときに得られる回転力Ｆを示したグラフである。
グラフの横軸には、永久磁石１２０に対する単位巻回要素１１４の位置を示す変数ｔが取
られている。変数ｔが０〜（ｐ−ｕ／２）の範囲にあるときは、単位巻回要素１１４が第
１状態となるから、図６（ａ）を用いて前述したように、回転力Ｆは、２・Ｂ・Ｉ・ｖ・
（１−２ｔ／ｕ）によって求められる。また、変数ｔが（ｐ−ｕ／２）〜（ｕ／２）の範
囲にあるときは単位巻回要素１１４が第２状態となるから、図６（ａ）を用いて前述した
ように、回転力Ｆは、２・Ｂ・Ｉ・ｖ・（２ｐ／ｕ−４ｔ／ｕ）によって求められる。図
７中に示した実線は、このようにして求められた回転力Ｆを表している。
【００４１】
また、単位巻回要素１１４が永久磁石１２０に対して反対方向に移動する場合（すなわ
ち、変数ｔが負の値となる場合）の回転力Ｆは、実線で示した回転力Ｆを、ｔ＝０を中心
に反転させたものと考えて良い。図７中に示した太い破線は、このようにして求められた
回転力Ｆを表している。更に、単位巻回要素１１４が、永久磁石１２０の単位磁極角度ｐ
に相当する角度だけ移動すると、単位巻回要素１１４に作用する磁界の向きが逆転するが
、単位巻回要素１１４に流す電流の向きも逆転させるので、結局、単位巻回要素１１４が
単位磁極角度ｐだけ移動しても全く同様なことが成り立つ。従って、図７中に細い破線で
示した回転力Ｆが発生することになる。
【００４２】
そして、図２（ｂ）を用いて前述したように、ａ相の単位コイル１１２ａ同士は単位磁
極角度ｐずつ離して設けられているので、図７に示した回転力Ｆは、ａ相の複数の単位コ
イル１１２ａで得られる回転力Ｆを示していると考えることができる。更に、ｂ相の単位
コイル１１２ｂについては、ａ相の単位コイル１１２ａに対して単位磁極角度ｐの半分の
角度だけずれているだけで、その他については全く同様なことが成り立つと考えて良い。
そして、これらａ相の単位コイル１１２ａで得られる回転力Ｆと、ｂ相の単位コイル１１
２ｂで得られる回転力Ｆとを合計した値が、コアレスモーター１００の空芯巻線１１０が
発生する回転力Ｆとなり、この回転力Ｆに回転半径を乗算した値が、コアレスモーター１
００の回転トルクとなる。
【００４３】
図８は、本実施例のコアレスモーター１００によって得られる回転力Ｆを示した説明図
である。図８（ａ）にはａ相の単位コイル１１２ａで得られる回転力Ｆａが示されており
、図８（ｂ）にはｂ相の単位コイル１１２ｂで得られる回転力Ｆｂが示されている。尚、
単位コイル１１２は、何度も電線が巻回されており、複数の単位巻回要素１１４によって
構成されているから、実際の単位コイル１１２によって得られる回転力は、それぞれの回
転力Ｆａ，Ｆｂに、単位コイル１１２に電線が巻回される回数ｎを乗算した値となる。し
かし、説明が煩雑となることを避けるため、以下ではｎ＝１であるものとして説明する。
【００４４】
空芯巻線１１０が発生する回転力Ｆは、ａ相の単位コイル１１２ａによって得られる回
転力Ｆａと、ｂ相の単位コイル１１２ｂによって得られる回転力Ｆｂとを合計したもので
あるから、図８（ｃ）に示す波形となる。図示されているように、合計した回転力Ｆは、
２・Ｂ・Ｉ・ｖと、８・Ｂ・Ｉ・ｖ・（１−ｐ／ｕ）との間で、ｐ／２の周期で変動する
波形となる。
【００４５】
尚、図８（ａ）に示したａ相の回転力Ｆａが最小となるタイミングでは、図８（ｂ）に
示したｂ相の回転力Ｆｂが最大となり、逆に、図８（ｂ）に示したｂ相の回転力Ｆｂが最
小となるタイミングでは、図８（ａ）に示したａ相の回転力Ｆａが最大となる。このため
、ａ相の回転力Ｆａとｂ相の回転力Ｆｂとを合計して得られた回転力Ｆでは、それぞれの
回転力Ｆａ，Ｆｂよりも変動幅が小さくなっている。
【００４６】
このようにして得られた回転力Ｆの平均の回転力Ｆａｖｅを求めると、２・Ｂ・Ｉ・ｖ
・（４−ｕ／ｐ−２・ｐ／ｕ）が得られる。得られた算出式には、単位巻回要素１１４の
回転方向の対角線の長さを示す変数ｕが含まれている。従って、平均の回転力Ｆａｖｅは
、変数ｕの取り方によって増減する。
【００４７】
また、図４（ｂ）を用いて前述したように、巻線が菱形形状に巻回された従来のコアレ
スモーターでは、菱形形状の回転方向の対角線の長さが単位磁極角度ｐに相当する長さに
設定されており、本願発明では、この長さを延長することによって回転トルクの向上を意
図している。そこで、変数ｕが単位磁極角度ｐ以上となる範囲に着目して、平均の回転力
Ｆａｖｅの挙動を調べてみる。
【００４８】
図９は、単位巻回要素１１４の回転方向の対角線の長さｕを変更したときに、平均の回
転力Ｆａｖｅが変化する様子を示した説明図である。尚、参考として、変数ｕが単位磁極
角度ｐよりも小さな値を取る場合も、破線によって表示してある。図９中に実線で示され
るように、平均の回転力Ｆａｖｅは、変数ｕが、単位磁極角度ｐに対して、２の平方根倍
の値を取るときに最大値となる。すなわち、菱形形状をした単位巻回要素１１４の回転方
向の対角線の長さｕを、永久磁石１２０の単位磁極角度ｐに対応する長さに対して、２の
平方根倍に設定しておけば、コアレスモーター１００の回転トルクを最も高くすることが
可能となる。
【００４９】
もっとも、実際の単位巻回要素１１４は、図５（ａ）に示したように完全な菱形形状に
形成できるわけではない。また、永久磁石１２０が形成する磁界の強さも、極性が切り換
わる境界付近では弱くなる。これらの影響で、実際の単位巻回要素１１４で回転トルクが
最も高くなるのは、２の平方根倍から多少変動し得る。更に、回転トルクが最も高くなる
条件から多少外れたとしても、巻線が従来の菱形形状に巻回されたコアレスモーターに比
べれば、依然として回転トルクが大きく向上しているものと考えられる。これらの要素を
考慮すると、菱形形状の単位巻回要素１１４の回転方向の対角線の長さｕを、永久磁石１
２０の単位磁極角度ｐに対応する長さに対して、１．２〜１．６倍程度の範囲内になるよ
うに設定しておけば、コアレスモーター１００の回転トルクを大きく向上させることがで
きる。もちろん、この場合でも、単位巻回要素１１４は菱形形状をしているので、巻線効
率が低下することはない。その結果、本実施例のコアレスモーター１００は、巻線効率が
高く、高い回転トルクを発生させることが可能となる。
【００５０】
Ｄ．適用例  ：
上述した本実施例のコアレスモーター１００は、応答性も高いというコアレスモーター
の利点を保ったまま、巻線効率が高く、高い回転トルクも発生させることができるという
優れた特性を有している。このため、本実施例のコアレスモーター１００は、ロボットハ
ンドの関節に組み込む用途のコアレスモーターとして特に適している。
【００５１】
図１０は、本実施例のコアレスモーター１００をロボットハンド２００の関節部分に組
み込んだ様子を例示した説明図である。図示したロボットハンド２００には、２本の指２
０２が向かい合うようにして設けられており、それぞれの指２０２には、根本を含めて３
つの関節が設けられている。本実施例のコアレスモーター１００は、応答性が高く、高ト
ルクが発生可能であるため、関節を滑らかに動かすことが可能である。また、巻線効率が
高いので、コアレスモーター１００内での電力損失（いわゆる銅損）を抑制することがで
きるので、こうした用途に特に適している。
【００５２】
また、図１１は、ロボット５００のアクチュエーターとして本実施例のコアレスモータ
ー１００を組み込んだ様子を例示した説明図である。上述したように、本実施例のコアレ
スモーター１００は、応答性や電力効率が高い上に、高いトルクを出力可能という優れた
特性を有している。このため、本実施例のコアレスモーター１００をアクチュエーターと
して用いることで、高性能なロボット５００を構成することが可能となる。
【００５３】
以上、本実施例および変形例のコアレスモーターについて説明したが、本発明は上記す
べての実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において
種々の態様で実施することが可能である。
【００５４】
たとえば上述した実施例および変形例では、コアレスモーター１００がａ相およびｂ相
の二相のモーターであるものとして説明したが、三相以上の任意のコアレスモーター１０
０に対しても、本発明を好適に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１００…コアレスモーター、    １１０…空芯巻線、          １１２…単位コイル、
１１４…単位巻回要素、        １１６…単位巻回要素、      １２０…永久磁石、
１２２…回転軸、              ２００…ロボットハンド、    ２０２…指、
５００…ロボット、            ｐ…単位磁極角度
【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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