(57)【要約】【課題】  部品点数を減らして製造コストの抑制と高精度の駆動制御を可能とする3軸球面モータを提供する。【解決手段】  本発明の3軸球面モータは、磁性体からなる固定部及び球ロータと、2本の足が固定部に固定され、これら2本の足を接続する梁部分において球ロータに接触するU字状磁歪部材と、一方の端部が固定部に固定され、他方の端部が球ロータに接触する柱状磁歪部材及び柱状金属部材と、U字状磁歪部材の2本の足及び柱状磁歪部材に巻き回されるコイルと、U字状磁歪部材及び柱状磁歪部材にバイアス磁界を印加すると共に球ロータを磁力で保持する磁石とを備える。球ロータは上記3つの部材との接触箇所で3点支持される。球ロータを3つの部材で支持するので製造コストを抑制できる。また、3点支持により3つの部材のいずれか1つの位置等が変化した場合でも、球ロータを安定的に支持し続けられ、高精度の駆動制御を実現できる。【選択図】図1
2016025754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなる固定部及び球ロータと、
2本の足が前記固定部に固定され、これら2本の足を接続する梁部分において前記球ロータに接触するU字状磁歪部材と、
一方の端部が前記固定部に固定され、他方の端部が前記球ロータに接触する柱状磁歪部材及び柱状金属部材と、
前記U字状磁歪部材の2本の足及び柱状磁歪部材に巻き回されるコイルと、
前記U字状磁歪部材及び柱状磁歪部材にバイアス磁界を印加すると共に前記球ロータを磁力で保持する磁石とを備えており、
前記球ロータが前記U字状磁歪部材、柱状磁歪部材及び柱状金属部材との接触箇所で3点支持されることを特徴とする3軸球面モータ。
【請求項２】
前記柱状金属部材が磁歪材料からなることを特徴とする請求項1に記載の3軸球面モータ。
【請求項３】
前記3点支持の接触箇所が、前記球ロータの周方向に120度間隔で等配されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の3軸球面モータ。
【請求項４】
前記3点支持の接触箇所を前記球ロータの中心方向に押さえつける加圧手段を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の3軸球面モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球ロータに3自由度の回転を発生させる3軸球面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
1つで3自由度の回転（例えばx軸，y軸及びz軸回りの回転）を発生させる3軸球面モータは、工業用内視鏡カメラの角度制御やマイクロロボットの関節駆動など、幅広い産業的用途が想定される。
従来、3軸球面モータとして複数の方式が開発されている。
具体的には、圧電材料を球体に押しつけ、高周波数・超音波領域における変形を作用させることによる摩擦駆動で球を回転させる圧電式球面モータが知られている（例えば特許文献1を参照）。
また、電磁力で球ロータを回転させる電磁式球面モータが知られている（例えば特許文献2を参照）。
また、本願発明者が開発した、磁歪素子を利用した球面モータであって回転方向が2軸（x軸及びy軸回り）のタイプ（特許文献3）及び3軸（x軸，y軸及びz軸回り）のタイプ（特許文献4）が知られている。
【０００３】
図13に示すように、特許文献4の3軸球面モータ100は、磁性体からなる固定部206と、磁歪材料からなるU字状の4本の駆動体（A1、A2、B1、B2）と、固定部206に固定されると共に各駆動体にバイアス磁界を印加する永久磁石204と、磁性体からなる球ロータ202とを備える。各駆動体はそのU字状の面が永久磁石204と対面するように、2本の足が固定部に固定されると共に各足にはコイルが巻き回されている。球ロータ202は各駆動体の2本の足を繋ぐ梁部分（駆動面）に磁着により支持されている。
各駆動体の足に巻いたコイルに電流を流すと、電流の向きに対応して、永久磁石から生じる磁力線と同じ向き又は異なる向きの磁力線が駆動体の内部に生じる。そして、同じ向きの磁力線が生じた足は磁力線が増加して更に伸び、異なる向きの磁力線が生じた足は磁力線が減少して縮む。
このように駆動体の一方の足を縮め、他方の足を伸ばすことで、駆動体はその梁部分（駆動面）を介して球面ロータに特定方向のトルクを加える。また、駆動体の両足を同時に縮め又は伸ばすことで球面ロータに当該特定方向に直交する方向のトルクを加える。
磁歪素子を利用する3軸球面モータは各駆動体が有するU字状の２本の足の伸縮を各々独立に制御することにより球面ロータに3自由度の回転を与える仕組みになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003−70272号公報
【特許文献２】特開2009−100636号公報
【特許文献３】特許第5055505号公報
【特許文献４】特開2009−100636号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献4の技術によれば、従来技術と比較して高周波数の電源等が不要であり、構成もシンプルなため、更に小型の3軸球面モータを提供できるという利点があるが次のような問題がある。
すなわち、比較的高価な磁歪材料からなる駆動体を4つ使用し、更に各駆動体の計8本の足にコイルを巻く必要があるため製造コストが嵩むという問題がある。
また、部品点数（駆動体及びコイルの数）が多いため、磁歪材料の性質のばらつきの影響を受けて精密な制御が難しいという問題や、各コイルを連動して制御することが難しいという問題がある。
また、球ロータの周囲を4つの駆動体で支持するいわゆる4点支持の構造になるため、いずれか1つの駆動体の位置や形状が変化した場合、その影響が他の3つの駆動体にも及び易くなり、球ロータをバランスよく安定的に支持し続けるのが難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を考慮して、部品点数を減らすことで製造コストの抑制と高精度の駆動制御を可能とする3軸球面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】
【０００７】
本発明の3軸球面モータは、磁性体からなる固定部及び球ロータと、2本の足が前記固定部に固定され、これら2本の足を接続する梁部分において前記球ロータに接触するU字状磁歪部材と、一方の端部が前記固定部に固定され、他方の端部が前記球ロータに接触する柱状磁歪部材及び柱状金属部材と、前記U字状磁歪部材の2本の足及び柱状磁歪部材に巻き回されるコイルと、前記U字状磁歪部材及び柱状磁歪部材にバイアス磁界を印加すると共に前記球ロータを磁力で保持する磁石とを備えており、前記球ロータが前記U字状磁歪部材、柱状磁歪部材及び柱状金属部材との接触箇所で3点支持されることを特徴とする。
また、前記柱状金属部材が磁歪材料からなることを特徴とする。
また、前記3点支持の接触箇所が、前記球ロータの周方向に120度間隔で等配されていることを特徴とする。
また、前記3点支持の接触箇所を前記球ロータの中心方向に押さえつける加圧手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、球ロータをU字状磁歪部材、柱状磁歪部材及び柱状金属部材の3つの部材で支持するので、従来のように4つのU字状磁歪部材を用いて球ロータを支持する場合と比較して部品点数を減らすことができ、製造コストを抑制できる。また、部品点数が少ないので磁歪材料の性質のばらつきの影響を受けにくく、また、各コイルを連動させ易くなるので精密な駆動制御を実現できる。また、3軸球面モータの更なる小型化にも寄与する。
特に磁歪部材は高価で加工が難しいため製造コストが非常に嵩むところ、本発明ではU字状磁歪部材を1つしか使用しないので製造コスト抑制の観点から非常に優れる。
また、柱状金属部材の材料は磁歪材料に限定されず、一般的な金属を用いることができるので、この点において製造コストの抑制に寄与する。
また、本発明では球ロータを3点で支持するので、従来の4点支持と比較して、U字状磁歪部材、柱状磁歪部材及び柱状金属部材の3つの部材のいずれか1つの位置や形状が変化した場合でも、その影響が他の2つの部材に及びにくく、球ロータをバランスよく安定的に支持し続けることができ、高精度の駆動制御を実現できる。
また、後述の通り、柱状金属部材を磁歪材料で形成する場合、柱状磁歪部材と柱状金属部材とが相反して伸縮することになるので、球ロータの回転量を増加させたり、スムーズに回転させることができる。
また、3点支持の接触箇所を球ロータの周方向に120度間隔で等配することにすれば、球ロータを最も効率よく安定的に保持できる。
また、加圧手段を用いることで3点支持箇所で球ロータとの間に働く摩擦力が大きくなり、球ロータをより大きなトルクで回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】3軸球面モータの正面図（a）及び平面図（b）
【図２】3軸球面モータのA-A線矢視図）
【図３】3軸球面モータの左側面図（a）及び平面図（b）
【図４】3軸球面モータの右側面図（a）及び平面図（b）
【図５】球ロータを第1軸回りに回転させた状態を示す左側面図（a）及び平面図（b）
【図６】駆動電流の波形の一例を示す図
【図７】球ロータを第1軸回りに逆回転させた状態を示す左側面図（a）及び平面図（b）
【図８】球ロータを第2軸回りに回転させた状態を示す正面図（a）及び平面図（b）
【図９】球ロータを第2軸回りに逆回転させた状態を示す正面図（a）及び平面図（b）
【図１０】磁力線の流れを示す正面図（a）及び平面図（b）
【図１１】球ロータを第3軸回りに回転させた状態を示す正面図（a）及び平面図（b）
【図１２】第2の実施の形態の3軸球面モータを示す正面図（a）及び平面図（b）
【図１３】従来の3軸球面モータの構造を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第1の実施の形態］
以下、本発明の3軸球面モータの第1の実施の形態について説明する。
図１〜図4に示すように、3軸球面モータ1は固定部10、球ロータ20、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40、柱状金属部材50、コイル60及び磁石70（永久磁石）から概略構成される。3軸球面モータ1の大きさは縦、横、奥行きのいずれも数mm以内に収めることができる。
【００１１】
固定部10は磁性体からなり、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40、柱状金属部材50及び永久磁石70を固定するための治具である。固定部10の形状は3軸球面モータ1の用途に応じて適宜変更可能である。
球ロータ20は磁性体からなる球状の部材であり、例えば鉄、ステンレス、ニッケル等の合金等を使用できる。また、摩擦係数を小さくするためのコーティングを球ロータ20の表面に施してもよい。球ロータ20の大きさは例えば直径が１mm〜数mm程度にすることができる。
詳しい説明は後述するが、球ロータ20は永久磁石70との間に働く磁力により保持されると共に、その周囲をU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50によって3点支持される。そして、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50との接触箇所30a,40a及び50aから所定方向にトルクを与えられることで3自由度で回転（第1軸AX1，第2軸AX2及び第3軸AX3回りの回転）を制御される。ユーザは、例えば球ロータ20の先端にカメラを取り付けることでカメラの向きを3方向に自由に制御することができる。
【００１２】
U字状磁歪部材30は磁歪材料からなるU字状の部材である。磁歪材料は磁場を受けると伸び、磁場が消えると元に戻るという性質を有する。磁歪材料の種類は特に限定されるものではないが、例えば鉄ガリウム合金であるGalfenolを用いることができ、他には例えば鉄コバルト合金であるパーメンジュールであってもよいし、その他の材料であってもよい。また、結晶状態の材料だけでなく、アモルファス状態の材料であってもよい。さらに、伸縮度合いを大きくするために、予め応力焼きなまし処理を施すことにより圧縮又は引張応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。
U字状磁歪部材30の2本の足31,32は固定部10に固定され、これら2本の足を接続する梁部分33は球ロータ20に接触する。本実施の形態においては梁部分33が長手方向に伸びており、この伸びた箇所において球ロータ20に接触している。
U字状磁歪部材30のU字形状は、必ずしも厳密な意味でU字でなくてもよく、例えばV字であってもよい。すなわち、2本の足31,32と、各足31，32を接続する梁部分33から構成されるU字類似の形状を含む形状を本明細書においてU字形状とよぶ。
【００１３】
柱状磁歪部材40（図3を参照）は磁歪材料からなる柱状の部材である。磁歪材料の種類としてはU字状磁歪材料と同じものを使用してもよく、あるいは異なる種類のものを使用してもよい。
柱状磁歪部材40の一方の端部は固定部10に固定され、他方の端部は球ロータ20に接触する。
【００１４】
柱状金属部材50（図4を参照）は金属からなる柱状の部材である。金属としては鉄、アルミニウム、ステンレス等の一般的なものを用いることができ、中でも磁性体を用いるのが好ましく、更に磁歪材料を用いるのが好ましい。本実施の形態では柱状金属部材50を磁歪材料で形成している。
柱状金属部材50の一方の端部は固定部10に固定され、他方の端部は球ロータ20に接触する。
このように、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50がそれぞれ球ロータ20に接触することで、当該接触箇所30a,40a及び50aにおいて球ロータ20は3点支持されることになる。球ロータ20を安定的に支持するには本実施の形態で示すように各接触箇所30a,40a及び50aが球ロータ20の周方向に120度間隔で等配されるようにU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50を固定部10に位置決め・固定するのが好ましい。
【００１５】
コイル60はU字状磁歪部材30の2本の足31，32及び柱状磁歪部材40に巻き回される。各コイル60に駆動電流を流すと2本の足31，32及び柱状磁歪部材40の内部に磁力線が生じ、磁力線の向き（電流の向き）を変えることにより２本の足31，32及び柱状磁歪部材40を各々独立に伸縮させることができる。
【００１６】
磁石70はU字状磁歪部材30及び柱状磁歪部材40にバイアス磁界を印加すると共に球ロータ20を磁力で保持するために用いられる。本実施の形態では磁石70として永久磁石70を使用するが、これに限らず例えば電磁石を用いてもよい。また、磁石70の形状は特に限定されるものではないが、本実施の形態においては円柱状に形成されている。
永久磁石70はその周囲をU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50に囲まれた状態で、その両端のうちN極又はS極のいずれかの磁極を有する側（本実施の形態ではS極）が固定部10に固定されており、他端側（本実施の形態ではN極）が球ロータ20に接触することで球ロータ20を磁力で保持している。また、次に述べるように永久磁石70の磁力線はU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50を通るので、球ロータ20はこれらU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50に対して接触箇所において磁着している。
なお、球ロータ20と永久磁石70の間に働く摩擦力を減らすべく、潤滑面を有するスペーサを介在させてもよい。
【００１７】
次に、球ロータ20を第1軸AX1回りに回転させる仕組みについて説明する。
図1〜図4に示すように永久磁石70は、その磁力線Aが球ロータ20を吸着しているN極側から球ロータ20に至り、分岐してU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50を通り、固定部10から永久磁石70のS極側に戻る磁場を発生させている。換言すると、永久磁石70はU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50にバイアス磁界を印加しており、その結果、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50は常時伸張した状態（以下、「定常状態」という。）にある。
図3に示すように、この定常状態から柱状磁歪部材40のコイル60に対して駆動電流を流すと上下いずれか一方向の磁力線Bが生じる。上方向に進む磁力線B1が生じる場合には、この磁力線B1は柱状磁歪部材40から球ロータ20に至り、U字状磁歪部材30と柱状金属部材50に分岐し、固定部10を通って柱状磁歪部材40に戻ることで一つの磁気回路が形成される。下方向に進む磁力線B2が生じる場合には、この磁力線B2は柱状磁歪部材40から固定部10に至り、U字状磁歪部材30と柱状金属部材50に分岐し、球ロータ20を通って柱状磁歪部材40に戻ることで一つの磁気回路が形成される。このような磁気回路を形成することで球ロータ20を低起磁力で回転させることが可能となる。
【００１８】
駆動電流により生じる磁力線と、永久磁石70により柱状磁歪部材40の内部に生じる磁力線の向きが一致している場合、すなわち磁力線B2と磁力線Aとが重畳する場合、柱状磁歪部材40の内部に生じる磁力線が増加し、柱状磁歪部材40は長手方向へ更に伸張する。柱状磁歪部材40の一方の端部は固定部10に固定されているので、柱状磁歪部材40が伸長することで、図5中に矢印でに示すように球ロータ20に接触している他方の端部が上方に移動し、球ロータ20に対して第1軸AX1回りの回転トルクを与える。
ここで、電流と磁歪は比例するため、電流の時間波形と磁歪の時間波形の様子は同等と見なすことができる。
したがって、駆動電流の波形を図6に示すノコギリ状にすると、電流の緩慢な立ち上がり時（期間t1）にはこれに対応して柱状磁歪部材40も穏やかに伸びて球ロータ20が回転する。次に、駆動電流を急激に減少させると（期間t2）これに対応して柱状磁歪部材40は急激に縮むが、球ロータ20は慣性力により柱状磁歪部材40の急激な縮みに追従できず、球ロータ20と梁部分33との間に「すべり」が生じる。
このように期間t1及びt2を含む1周期において球ロータ20はすべりの角度分だけ回転するので、これを繰り返すことで球ロータ20を第1軸AX1回りに所望の角度だけ回転させることができる。
【００１９】
一方、駆動電流により生じる磁力線と、永久磁石70により柱状磁歪部材40の内部に生じる磁力線の向きが反対の場合、すなわち磁力線B1と磁力線Aとが重畳する場合、柱状磁歪部材40の内部に生じる磁力線が減少し、柱状磁歪部材40は収縮する。柱状磁歪部材40の一方の端部は固定部10に固定されているので、柱状磁歪部材40が収縮することで、図7中に矢印で示すように球ロータ20に接触している他方の端部が下方に移動し、球ロータ20に対して第1軸AX1回りで逆方向の回転トルクを与える。
期間t1及びt2を含む1周期において球ロータ20はすべりの角度分だけ回転するので、これを繰り返すことで球ロータ20を第1軸AX1回りの逆方向に所望の角度だけ回転させることができる。
本明細書において駆動電流のノコギリ状の波形とは、周期性を有する波形であって、１周期のうちに電流が増加する時間t1と減少する時間t2とを交互に含み、且つ電流が増加する時間t1が、電流が減少する時間t2よりも長い電流波形を指すものとする。なお、球ロータ20を回転させることができる駆動電流であればその波形は特にノコギリ状に限定されるものではなく、例えば電流が一定値で一定時間流れ、次に電流が一定値まで急激に減少することで描かれる四角形（台形を含む）の波形であってもよい。
ノコギリ電流もしくは台形の電流を発生させる方法としては、例えばインバータ回路、具体的には直流電源と半導体スイッチを利用したHブリッジ回路にて、所望の電流波形をPWM制御で生成する方法がある。
【００２０】
球ロータ20が第1軸AX1回りに回転する間、柱状金属部材50は基本的には定常状態のまま伸縮しない。しかし、本実施の形態のように柱状金属部材50を磁歪材料で形成する場合には、上述の通り磁気回路が形成されていることから、柱状磁歪部材40が伸びる方向に磁力線が生じると、球ロータ20から柱状金属部材50を通る磁力線によって柱状金属部材50は縮むことになる。反対に、柱状磁歪部材40が縮む方向に磁力線が生じると、固定部10から柱状金属部材50を通る磁力線によって柱状金属部材50は伸びることになる。このように、柱状金属部材50を磁歪材料で形成する場合には、柱状磁歪部材40と柱状金属部材50は相反して伸縮することになり、これは球ロータ20の回転量を増加させたり、スムーズに回転させることに繋がるという利点がある。なお、U字状磁歪部材30も柱状金属部材50と同様の原理により柱状磁歪部材40と相反する方向に僅かに伸縮する。
【００２１】
次に、球ロータ20を第2軸AX2回りに回転させる仕組みについて説明する。
図1に示すように、バイアス磁界を印加することで常時伸長した状態のU字状磁歪部材30の右足側のコイル60Lと左足側のコイル60Rに対して同じ向きに駆動電流を流すと、これら２つのコイル60に上下いずれか同じ方向の磁力線Cが生じる。
上方向に進む磁力線C1が生じる場合には、この磁力線C1は各足31，32から球ロータ20に至り、柱状磁歪部材40と柱状金属部材50に分岐し、固定部10から各足31，32に戻ることで一つの磁気回路が形成される。下方向に進む磁力線C2が生じる場合には、この磁力線C2は各足31，32から固定部10に至り、柱状磁歪部材40と柱状金属部材50に分岐し、球ロータ20から各足31，32に戻ることで一つの磁気回路が形成される。
駆動電流により各足31，32に生じる磁力線と、永久磁石70により各足31，32の内部に生じる磁力線の向きが一致している場合、すなわち磁力線C2と磁力線Aとが重畳する場合、各足31，32の内部に生じる磁力線が増加し、各足31，32は同時に長手方向へ更に伸張する。各足31，32の端部は固定部10に固定されているので、各足31，32が同時に伸長することで、図8中に矢印で示すように球ロータ20に接触している梁部分33が上方に移動し、球ロータ20に対し第2軸AX2回りの回転トルクを与える。
そして、波形がノコギリ状の駆動電流を繰り返すことで、球ロータ20と梁部分33との間に慣性力に基づく「すべり」を断続的に生じさせて球ロータ20を第2軸AX2回りに所望の角度だけ回転させることができる。
一方、駆動電流により各足31，32に生じる磁力線と、永久磁石70により各足31，32の内部に生じる磁力線の向きが反対の場合、すなわち磁力線C1と磁力線Aとが重畳する場合、各足31，32の内部に生じる磁力線は減少し、各足31，32は同時に収縮する。各足31，32の端部は固定部10に固定されているので、各足31，32が同時に収縮することで、図9中に矢印に示すように球ロータ20に接触している梁部分33が下方に移動し、球ロータ20に対し第2軸AX2回りで逆方向の回転トルクを与える。
そして、波形がノコギリ状の駆動電流を繰り返すことで、球ロータ20と梁部分33との間に慣性力に基づく「すべり」を断続的に生じさせて球ロータ20を第2軸AX2回りの逆方向に所望の角度だけ回転させることができる。
【００２２】
ここで、本実施の形態のように球ロータ20を120度間隔で3点支持する場合には、上記第1軸AX1と第2軸AX2とは球ロータ20の中心で交差することになり、次に述べる第3軸AX3は、球ロータ20の中心を通り、且つ第1軸AX1及び第2軸AX2を含む平面に直交する方向に伸びることになる。
球ロータ20が第2軸AX2回りに回転する間、柱状金属部材50は基本的には定常状態のまま伸縮しない。しかし、本実施の形態のように柱状金属部材50を磁歪材料で形成する場合には、上述の通り磁気回路が形成されていることから、U字状磁歪部材30が伸びる方向に磁力線が生じると、球ロータ20から柱状金属部材50を通る磁力線によって柱状金属部材50は縮むことになる。反対に、U字状磁歪部材30が縮む方向に磁力線が生じると、固定部10から柱状金属部材50を通る磁力線によって柱状金属部材50は伸びることになる。このように、柱状金属部材50を磁歪材料で形成する場合には、U字状磁歪部材30と柱状金属部材50は相反して伸縮することになり、これは球ロータ20の回転量を増加させたり、スムーズに回転させることに繋がるという利点がある。なお、柱状磁歪部材40も柱状金属部材50と同様の原理によりU字状磁歪部材30と相反する方向に僅かに伸縮する。
【００２３】
次に、球ロータ20を第3軸AX3回りに回転させる仕組みについて説明する。
図10に示すように、バイアス磁界を印加することで常時伸長した状態のU字状磁歪部材30の右足側のコイル60と左足側のコイル60に対して逆向きに駆動電流を流すと、これら２つのコイル60に反対方向の磁力線が生じる。
これら磁力線のうち一方、例えば左足31側から生じる磁力線Dはその大半が梁部分33（又は固定部10）から右足32を通り固定部10（又は梁部分33）から左足31に戻ることで一つの磁気回路が形成されており、右足32側から生じる磁力線Eはその大半が梁部分33（又は固定部10）から左足31を通り固定部10（又は梁部分33）から右足32に戻ることで一つの磁気回路が形成されている。すなわち、球ロータ20を上記第1軸AX1回り及び第2軸AX2回りに回転させる場合とは異なり、第3軸AX3回りに回転させる際の磁気回路はほぼ柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50を含まずに構成されるといえる。
【００２４】
そして、駆動電流により左足31に生じる磁力線Dと、永久磁石70により左足31の内部に生じる磁力線Aの向きが一致している場合、すなわち例えば左足31から生じる下向きの磁力線D1と磁力線Aとが重畳する場合、左足31の内部に生じる磁力線が増加し、左足31は長手方向へ更に伸張する。この場合、磁力線D1は右足32内を上向きの状態で通るので、永久磁石70により右足32の内部に生じる磁力線Aとは向きが反対になり、駆動電流による磁力線が永久磁石70による磁力線を減少させる結果、右足32は駆動電流が流される前よりも縮む。
各足31，32の端部は固定部10に固定されているので、左足31が伸びて右足32が縮むことで、図11中に矢印で示すように球ロータ20に接触している梁部分33が右方向に移動し、球ロータ20に対して第3軸AX3回りの回転トルクを与える。
そして、波形がノコギリ状の駆動電流を繰り返すことで、球ロータ20と梁部分33との間に慣性力に基づく「すべり」を断続的に生じさせて球ロータ20を第3軸AX3回りに所望の角度だけ回転させることができる。
球ロータ20を第3軸AX3回りに逆方向に回転させる場合は右足32が伸びて左足31が縮むように各コイル60に駆動電流を流せばよい。
【００２５】
そして、上述した第1〜第3軸AX3回りの回転を適宜組み合わせながら球ロータ20を連続的に、あるいは極僅かな時間間隔を開けて断続的に回転させることで、球ロータ20を3自由度で任意の方向に回転・静止させることができる。
なお、球ロータ20が第3軸AX3回りに回転する間、柱状金属部材50は定常状態のままほとんど伸縮しない。これは、本実施の形態のようにたとえ柱状金属部材50を磁歪材料で形成した場合であっても、上述の通り磁気回路が柱状金属部材50を含まずに構成されており、駆動電流により各足31，32に生じる磁力線は柱状金属部材50をほとんど流れないためである。また、柱状磁歪部材40も柱状金属部材50と同様の原理により定常状態のままほとんど伸縮しない。
【００２６】
［第2の実施の形態］
次に、本発明の3軸球面モータ1の第2の実施の形態について説明するが、上記第1の実施の形態と同一の構成となる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図12に示すように、本実施の形態ではU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50による3点支持の接触箇所30a,40a及び50aを球ロータ20の中心方向に押さえつける加圧手段80を備える点が特徴である。
加圧手段80はU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50のそれぞれの上端同士を連結する環状の部材である。加圧手段80はゴム等の弾性材料や金属で形成すればよい。
加圧手段80を用いることで3点支持箇所において球ロータ20との間に働く摩擦力が大きくなり、その結果、球ロータ20をより大きなトルクで回転させることができる。
また、加圧手段80の他の構成として、例えばU字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50をその接触箇所30a,40a及び50a近傍において球ロータ20側に僅かに屈曲させる、或いは接触箇所30a,40a及び50aに突起物を設ける構造にしてもよい。この場合、接触箇所30a,40a及び50aは外方向に弾性変形した状態で球ロータ20を3点支持することになり、接触箇所30a,40a及び50aでの摩擦力を大きくすることができる。
【００２７】
なお、U字状磁歪部材30、柱状磁歪部材40及び柱状金属部材50それぞれの長手方向に直交する平面での断面形状は、四角形等の多角形や円形（楕円形を含む。）を含み、四角形には四隅を丸めてアールを持たせた形や対向する2つの長辺が円弧形のものも含む。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、球ロータに3自由度の回転を発生させる3軸球面モータに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００２９】
A 磁力線
AX1 第1軸
AX2 第2軸
AX3 第3軸
B1 磁力線
B2 磁力線
C1 磁力線
C2 磁力線
D 磁力線
D1 磁力線
E 磁力線
1 3軸球面モータ
10 固定部
20 球ロータ
30 U字状磁歪部材
30a 接触箇所
31 足
32 足
33 梁部分
40 柱状磁歪部材
40a 接触箇所
50 柱状金属部材
50a接触箇所
60 コイル
70 磁石（永久磁石）
80 加圧手段
【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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【図１２】
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【図１３】
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