(57)【要約】【課題】コイル用線内を通過する磁束密度を向上させ、モーターのトルク性能を向上させることが可能なコイル用線、このようなコイル用線を用いたモーター、電子機器およびロボットを提供すること。【解決手段】コイル用線１０は、横断面の中心に配され、軟磁性材料で構成された芯１と、芯１の外周面を覆うように形成され、電気抵抗の低い低電気抵抗材料で構成された低電気抵抗層２と、低電気抵抗層２の外周面を覆うように形成された絶縁層３とを有している。軟磁性材料は、飽和磁化が１．２Ｔ以上２．０Ｔ以下であることが好ましい。また、低電気抵抗材料の２０℃での電気抵抗率は、１．５×１０−８Ωｍ以上３×１０−８Ωｍ以下であることが好ましい。また、低電気抵抗材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。【選択図】図２
2013153550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料で構成された芯と、
電気抵抗の低い低電気抵抗材料で構成され、前記芯を被覆する低電気抵抗層と、
絶縁材料で構成され、前記低電気抵抗層を被覆する絶縁層と、を有することを特徴とするコイル用線。
【請求項２】
前記軟磁性材料は、飽和磁化が１．２Ｔ以上２．０Ｔ以下である請求項１に記載のコイル用線。
【請求項３】
前記低電気抵抗材料の２０℃での電気抵抗率は、１．５×１０−８Ωｍ以上３×１０−８Ωｍ以下である請求項１または２に記載のコイル用線。
【請求項４】
前記低電気抵抗材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコイル用線。
【請求項５】
横断面形状は、円形である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイル用線。
【請求項６】
前記芯は、前記軟磁性材料で構成された線を複数束ねた集合体である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコイル用線。
【請求項７】
前記芯と、当該芯を被覆する前記低電気抵抗層とで構成された線を複数束ねた集合体を前記絶縁層で被覆したものである請求項１ないし６のいずれか１項に記載のコイル用線。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のコイル用線を用いたことを特徴とするモーター。
【請求項９】
請求項８に記載のモーターを用いたことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項８に記載のモーターを用いた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、コイル用線、モーター、電子機器およびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のモーターは、一般的に軟磁性材料で構成されたティースを有しており、磁束線はティース内を通過するため、コイル用線を通過する磁束が少ないという問題があった。しかも、コギングトルクが大きい課題があった。
軟磁性材料で構成されたティースを使わないコアレスモーターにおいては、コイル用線は、銅線のみで構成されているため、磁石とバックヨーク間は磁気的に空隙となり、コイルを通過する磁束が小さいため、モーターのパワーを大きくするのが困難であった。
【０００３】
また、従来のコアレスモーターの電機子巻線は、永久磁石とバックヨーク間の空間に配置されているため、永久磁石の外周表面からバックヨークの内周表面までの磁気ギャップは、ティース付モーターと比較して格段に大きくなる。磁気ギャップが大きくなると磁気抵抗が大きいためコアレスモーターの巻線インダクタンスは軟磁性材料で構成されたティース付モーターの巻線インダクタンスに比べてかなり小さくなる。この巻線インダクタンスの小さいことがモーターを駆動する際に障害となる。通常、永久磁石型同期電動機はＰＷＭ制御により駆動される。この際、巻線インダクタンスが小さいと電流リップルが大きくなり、その結果としてＰＷＭ制御で使用する高周波領域の鉄損が大きくなりモーターの出力が抑制されるといった問題があった。
このような問題を解決するために、軟磁性材料をコイル用線に用いる試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来のコイル用線では、コイル用線が軟磁性材料のみで、電気抵抗が高く、電流を流せない、または発熱が大きいといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−７５３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、コイル用線内を通過する磁束密度を向上させ、モーターのトルク性能を向上させることが可能なコイル用線、このようなコイル用線を用いたモーター、電子機器およびロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のコイル用線は、軟磁性材料で構成された芯と、
電気抵抗の低い低電気抵抗材料で構成され、前記芯を被覆する低電気抵抗層と、
絶縁材料で構成され、前記低電気抵抗層を被覆する絶縁層と、を有することを特徴とする。
このようなコイル用線を用いることにより、コイル用線内を通過する磁束密度を高くすることができ、モーターのトルク性能を向上させることができる。
【０００７】
本発明のコイル用線では、前記軟磁性材料は、飽和磁化が１．２Ｔ以上２．０Ｔ以下であることが好ましい。
これにより、コイル用線内を通過する磁束密度をより効果的に向上させることができる。
本発明のコイル用線では、前記低電気抵抗材料の２０℃での電気抵抗率は、１．５×１０−８Ωｍ以上３×１０−８Ωｍ以下であることが好ましい。
これにより、比較的大きな電流を良好に流すことができる。
本発明のコイル用線では、前記低電気抵抗材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
これにより、コイル用線内を通過する磁束密度を効果的に向上させつつ、大電流をより良好に流すことができる。
【０００８】
本発明のコイル用線では、横断面形状は、円形であることが好ましい。
これにより、コイル用線の巻きやすさを向上させることができる。また、コイル用線の性能をより安定的に発揮させることができる。
本発明のコイル用線では、前記芯は、前記軟磁性材料で構成された線を複数束ねた集合体であることが好ましい。
これにより、コイル用線の柔軟性を向上させることができるとともに、コイル用線の屈曲等による芯の断線をより効果的に防止することができる。また、コイル捲回数を減らすことができる。
【０００９】
本発明のコイル用線では、前記芯と、当該芯を被覆する前記低電気抵抗層とで構成された線を複数束ねた集合体を前記絶縁層で被覆したものであることが好ましい。
これにより、コイル用線の柔軟性を向上させることができるとともに、コイル用線の屈曲等による芯の断線をより効果的に防止することができる。また、コイル巻き数を減らすことができる。また、大電流をより好適に流すことができる。
【００１０】
本発明のモーターは、本発明のコイル用線を用いたことを特徴とする。
これにより、コイルの巻線インダクタンスを大きくすることができるため、ＰＷＭ駆動モーターの電流リップルを小さくすることができる。その結果、高周波損失を抑えることができるため、トルク性能に優れるモーターを提供することができる。
本発明の電子機器は、本発明のモーターを用いたことを特徴とする。
これにより、駆動性に優れた電子機器を提供することができる。
本発明のロボットは、本発明のモーターを用いたことを特徴とする。
これにより、駆動性に優れたロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のコイル用線を適用したモーターの一例を示す横断面図（ａ）、縦断面図（ｂ）である。
【図２】本発明のコイル用線の第１実施形態を示す横断面図である。
【図３】本発明のコイル用線の第２実施形態を示す横断面図である。
【図４】本発明のコイル用線の第３実施形態を示す横断面図である。
【図５】本発明のコイル用線の第４実施形態を示す横断面図である。
【図６】本発明のコイル用線を適用したモーターを備えたロボット（電子機器）の一例を示す図である。
【図７】本発明のコイル用線を適用したモーターを備えた双腕７軸ロボット（電子機器）の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のコイル用線、モーター、電子機器およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
《モーター》
まず、本発明のコイル用線の説明に先立ち、本発明のコイル用線を適用したモーターについて説明する。
【００１３】
図１は、本発明のコイル用線を適用したモーターの一例を示す横断面図（ａ）、縦断面図（ｂ）である。
モーター１００は、コアレスモーターであり、図１に示すように、略円筒形状のステーター２０と、その内部にローター３０とを有するインナーローター型モーターである。
ステーター２０は、ケーシング１０１と、ケーシング１０１の内周面に沿って配された複数の電磁コイル１０４とを備えている。
【００１４】
ケーシング１０１は、樹脂材料で構成されている。なお、ケーシング１０１は、後述するような軟磁性材料で構成されたバックヨークとして、軟磁性材料を含む樹脂で覆う構造を有していてもよいし、ケーシング１０１と電磁コイル１０４との間にバックヨークを設けてもよい。
電磁コイル１０４は、本発明のコイル用線を捲回して得られた捲回体で構成されている。本発明のコイル用線については後に詳述する。
ローター３０は、ケーシング１０１の中央に挿通されており、回転軸１０２と、回転軸１０２の外周に配された６つの永久磁石１０３とを有している。
永久磁石１０３は、上記電磁コイル１０４と対向するように配されている。
【００１５】
モーター１００は、永久磁石が形成する磁界の中で巻線の単位コイルに電流を流したときに、単位コイル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。
モーター１００は、上述したように本発明のコイル用線を用いた電磁コイル１０４を備えているので、トルク性能に優れたものとなっている。
【００１６】
《コイル用線》
次に、本発明のコイル用線の好適な実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明のコイル用線の第１実施形態について説明する。
図２は、本発明のコイル用線の第１実施形態を示す横断面図である。
【００１７】
図２に示すように、コイル用線１０は、横断面の中心に配され、軟磁性材料で構成された芯１と、芯１の外周面を覆うように形成され、電気抵抗の低い低電気抵抗材料で構成された低電気抵抗層２と、低電気抵抗層２の外周面を覆うように形成された絶縁層３とを有している。
ところで、従来のコイル用線は、低電気抵抗材料のみや、軟磁性材料のみで構成されており、前者の場合、磁石とバックヨーク間は磁気的に空隙となり、コイル用線を通過する磁束が小さいため、モーターのパワーを大きくするのが困難であった。また、後者の場合では、コイル用線の電気抵抗が高く、電流を流せない、または発熱が大きいといった問題があった。
【００１８】
これに対して、コイル用線１０では、中心に軟磁性材料で構成された芯１を有し、それを覆うように低電気抵抗層２が設けられていることから、磁束線が芯１を常に通過するようになり、コイル用線１０内の磁束密度を高くすることができる。さらに、芯１の周りには低電気抵抗層２が設けられていることから、大電流を流しても、発熱等の問題も生じない。その結果、モーター１００のトルク性能を高いものとすることができる。
【００１９】
また、このようなコイル用線１０においては、軟磁性材料（芯１）により引き寄せられた磁力線が低電気抵抗層２を突き抜ける位置関係に配置できるような構成が必要となるが、本発明では、芯１を覆うように低電気抵抗層２が設けられている。このため、コイル用線１０をどのように巻いても、コイル用線１０の外部から見た各層の位置関係は変わらず、軟磁性材料（芯１）により引き寄せられた磁力線は常に低電気抵抗層２を突き抜ける位置関係にあり、コイル用線１０は安定した性能を発揮する。特に、本実施形態のように、横断面形状が、円形である場合には、コイル用線１０の性能をより安定して発揮させることができるとともに、コイル用線の巻きやすさを向上させることができる。
【００２０】
芯１は、コイル用線１０の中心に配されており、軟磁性材料で構成されている。
軟磁性材料としては、特に限定されないが、飽和磁化が１．２Ｔ以上２．０Ｔ以下である材料を用いるのが好ましい。これにより、コイル用線１０内を通過する磁束密度をより効果的に高くすることができる。
軟磁性材料としては、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｂ、Ｎｂ、Ｐ等の材料を含む合金、微結晶材料、アモルファス材等が挙げられる。軟磁性材料の形態としては、線材や粉末等が挙げられる。なお、コイル用線１０を磁気センサー用コイルへ使用する場合、軟磁性材料は磁歪ゼロのＣｏ基アモルファス材料を用いるのが好ましい。
芯１の平均径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましく、２０μｍ以上５０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、コイル用線１０内を通過する磁束密度をより効果的に高くすることができる。
【００２１】
低電気抵抗層２は、芯１を覆うように形成されており、低電気抵抗の材料で構成されている。
低電気抵抗材料の２０℃における電気抵抗率は、１．５×１０−８Ωｍ以上３×１０−８Ωｍ以下であるのが好ましく、１．６×１０−８Ωｍ以上２．６×１０−８Ωｍ以下であるのがより好ましい。これにより、コイル用線１０に対して、比較的大きな電流を良好に流すことができる。その結果、モーター１００の駆動性能を向上させることができる。
【００２２】
低電気抵抗材料としては、特に限定されないが、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種を含むものを用いるのが好ましい。これにより、コイル用線１０内を通過する磁束密度を効果的に向上させつつ、大電流をより良好に流すことができる。
また、上記中でも、低電気抵抗材料としては、材料コストの観点から、Ｃｕ、Ａｌまたはこれらの合金を用いるのが好ましい。
【００２３】
絶縁層３は、電気絶縁性を有する層であり、低電気抵抗層２を覆うように形成され、コイル用線１０の外郭をなす層である。当該絶縁層３は、コイル用線１０同士の接触により短絡等が発生するのを防止するよう構成された層である。
絶縁層３を構成する絶縁性材料としては、特に限定されず、例えば、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等、または、これらの誘導体等を挙げることができる。
絶縁層３の平均膜厚は、５μｍ以上２０μｍ以下であるのが好ましい。これにより、絶縁層３としての機能をより効果的に発揮させることができる。
【００２４】
コイル用線１０の平均径は、０．１０ｍｍ以上１．２０ｍｍ以下であるのが好ましく、０．１２ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下であるのがより好ましい。
また、芯１の平均厚さをＡ［μｍ］、低電気抵抗層２の平均厚さをＢ［μｍ］としたとき、０．５０≦Ｂ／Ａ≦３．０の関係を満足するのが好ましく、０．８≦Ｂ／Ａ≦２．０の関係を満足するのがより好ましい。このような関係を満足することにより、コイル用線内を通過する磁束密度をより効率よく向上させることができるとともに、より大きな電流を流すことができる。その結果、モーターのトルク性能をさらに向上させることができる。
【００２５】
このようなコイル用線１０は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、芯１を用意し、芯１の外周に、低電気抵抗層２を形成する。
低電気抵抗層２の形成方法としては、低電気抵抗材料で構成された箔を巻き付け、蒸着、メッキ、スパッタ等が挙げられる。
その後、形成した低電気抵抗層２を覆うように絶縁層３を形成することにより、コイル用線１０が得られる。
絶縁層３は、例えば、絶縁性材料が溶剤に分散したワニスを、ディッピング等により、低電気抵抗層２上に塗布し、乾燥することにより形成することができる。
【００２６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明のコイル用線の第２実施形態について説明する。
図３は、本発明のコイル用線の第２実施形態を示す横断面図である。
以下、第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一の符号を付してある。
【００２７】
第２実施形態に係るコイル用線１０は、図３に示すように、横断面形状が四角形となっており、横断面形状が四角形の芯１と、芯１の外周を覆うように形成された低電気抵抗層２と、低電気抵抗層２の外周を覆うように形成された絶縁層３とを有している。
各層の構成については、前述した第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００２８】
本実施形態に係るコイル用線１０では、横断面形状が四角形となっている点に特徴を有している。このような形状とすることにより、捲回した際にコイル用線１０同士の間の空間を小さくすることができ、捲回密度を高くすることができる。その結果、電磁コイル１０４の大きさを小さくすることができ、モーター１００のさらなる小型化を図ることができる。また、同じ大きさの電磁コイル１０４でも捲回数を多くすることができ、モーター１００の駆動性能をさらに向上させることができる。
【００２９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明のコイル用線の第３実施形態について説明する。
図４は、本発明のコイル用線の第３実施形態を示す横断面図である。
以下、第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一の符号を付してある。
【００３０】
第３実施形態に係るコイル用線１０は、図４に示すように、芯１が軟磁性材料で構成された線１１を複数束ねた集合体である以外は、第１実施形態に係るコイル用線１０と同様である。
このように、芯１が軟磁性材料で構成された線１１を複数束ねた集合体であることにより、コイル用線１０の柔軟性を向上させることができるとともに、コイル用線１０の屈曲等による芯１の断線をより効果的に防止することができる。また、コイル捲回数を減らすことができる。
【００３１】
＜第４実施形態＞
次に、本発明のコイル用線の第４実施形態について説明する。
図５は、本発明のコイル用線の第４実施形態を示す横断面図である。
以下、第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一の符号を付してある。
【００３２】
第４実施形態に係るコイル用線１０は、図５に示すように、芯１と、当該芯１を被覆する低電気抵抗層２とで構成された線１２を複数束ねた集合体を絶縁層３で被覆した以外は、第１実施形態に係るコイル用線１０と同様である。
このように、線１２を複数束ねた集合体を絶縁層３で被覆することにより、コイル用線１０の柔軟性を向上させることができるとともに、コイル用線１０の屈曲等による芯１の断線をより効果的に防止することができる。また、コイル捲回数を減らすことができる。また、大電流をより好適に流すことができる。
【００３３】
次に、本発明のコイル用線をコアレスモーターに用いた場合について説明する。
永久磁石とバックヨークの空隙に、中心に軟磁性材料で構成された芯１を有し、それを覆うように低電気抵抗層２が設けられ、最外周を絶縁膜で構成した本発明のコイル用線で巻線されたコイルを配置したコアレスモーターを構成した。コイルの巻線インダクタンスが大きくなり、ＰＷＭ制御の電流リップルを小さくできるため、ＰＷＭ制御で使われる高周波領域の鉄損を大幅に低減でき、モーターの出力を向上できたとともに、モーターの発熱を大幅に低減できた。
本発明のコイル用線を使うことにより、従来のコアレスモーターでは起きないコギングトルクの発生が懸念されたが、巻線中心部の面積を極力小さくして磁気ギャップ部へ巻線を均一に配置することによりコギングトルクも気にならない程度に抑えることができた。
【００３４】
《電子機器》
次に、本発明のコイル用線を適用したモーターを備えた電子機器について説明する。
図６は、本発明のコイル用線を適用したモーターを備えたロボット（電子機器）の一例を示す図である。
図６に示すロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０、３４２０と、モーター３４３０（本発明のコイル用線を適用したモーター）とを有している。
モーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。
【００３５】
図７は、本発明のコイル用線を適用したモーターを備えた双腕７軸ロボット（電子機器）の一例を示す図である。
図７に示す双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０とを有している。
関節モーター３４６０は、肩関節、肘関節、手首関節に相当する位置に配置されている。
【００３６】
関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つ設置されている。
また、把持部モーター３４７０は、把持部３４９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませるように駆動する。
本実施形態の双腕７軸ロボット３４５０おいて、関節モーター３４６０、把持部モーター３４７０は、本発明のコイル用線を適用したモーターを用いることができる。
【００３７】
以上、本発明のコイル用線、モーター、電子機器およびロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１‥‥芯  ２‥‥低電気抵抗層  ３‥‥絶縁層  １０‥‥コイル用線  １１、１２‥‥線  １００‥‥モーター  ２０‥‥ステーター  ３０‥‥ローター  １０１‥‥ケーシング  １０２‥‥回転軸  １０３‥‥永久磁石  １０４‥‥電磁コイル  ３４００‥‥ロボット  ３４１０‥‥第１のアーム  ３４２０‥‥第２のアーム  ３４３０‥‥モーター  ３４５０‥‥双腕７軸ロボット  ３４６０‥‥関節モーター  ３４７０‥‥把持部モーター  ３４８０‥‥アーム  ３４９０‥‥把持部
【図１】
2013153550.tif 000003
【図２】
2013153550.tif 000004
【図３】
2013153550.tif 000005
【図４】
2013153550.tif 000006
【図５】
2013153550.tif 000007
【図６】
2013153550.tif 000008
【図７】
2013153550.tif 000009