(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置したロータと、該ロータの球体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からなることを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項２】
球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点および各面（正三角形）の中心に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項３】
球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点、各面（正三角形）の中心、および前記仮想正八面体の頂点の、各面（正三角形）の中心に対して対称の点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項４】
球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点、各面（正三角形）の中心、および前記仮想正八面体の各辺の中点をとおり、前記仮想正八面体の中心からの距離が頂点と等しくなる点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載のステータに内接する仮想正八面体を仮想正四面体に置き換えたことを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載のロータに内接する仮想正六面体を仮想ケルビンの十四面体に、ステータに内接する仮想正八面体を仮想正十二面体に置き換えたことを特徴とする球面ステッピングモータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１つの請求項に記載の球面ステッピングモータにおける、ロータの永久磁石をハルバッハ配列とし、電磁石に流す電流を正弦波電流としたことを特徴とする球面ＡＣサーボモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、本件発明者の発明に係る３次元モータが記載されている。この３次元モータは、互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線を設け、それによって任意の方向の合成回転磁界の発生を可能としたステータと、そのステータ内に任意の方向に回転可能に支持され、ステータの回転磁界により回転するロータとを備えた３次元モータである。この３次元モータは、ロータに永久磁石を用いれば３次元同期モータ、ロータに誘導電流が流れる素材を用いれば３次元誘導モータ、ロータに凸極の磁性体を用いれば３次元リラクタンスモータが構成できる。
【０００３】
特許文献２には、本件発明者の発明に係る球面ステッピングモータが記載されている。この球面ステッピングモータは、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素の関係にあって、内接する多面体の頂点および各面の中心に永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータである。ロータの永久磁石とステータの電磁石の組み合わとして、ロータ側に電磁石を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する構成、ロータ側に永久磁石を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成、またはロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置しステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する構成が採用可能となっている。
【０００４】
非特許文献１には、球面同期モータが記載されており、その構成は特許文献１に記載の３次元モータと同じである。
【０００５】
非特許文献２および非特許文献３には、球面誘導モータが記載されている。これらの文献に記載の球面誘導モータは、特許文献１に記載の３次元モータと同じ原理で回転する。非特許文献２に記載の球面誘導モータは、巻線が多極化しているところが特許文献１に記載の３次元モータと異なる。
【０００６】
非特許文献４には、球面リラクタンスモータが記載されている。この球面リラクタンスモータは、ステータの上下２段に円周上に配置した合計２０個の電磁石で回転磁界を作成し、ロータの上下２段に円周上に配置した凸極とのリラクタンスの変化を利用して回転力を発生するものである。
【０００７】
非特許文献５には、球面ステッピングモータが記載されている。この球面ステッピングモータは、ステータに１６個の電磁石を底面中心に１個、その周りに５個、さらに外側に１０個をそれぞれ底面中心を中心とする円周上に配置し、ロータに底面中心を中心とする円周上にそれぞれ４個、８個、１２個の合計２４個の永久磁石を配置し、ロータを動かしたい近傍の電磁石に電流を流すことによりロータの磁石を引きつけてロータを回転させるものである。
【０００８】
非特許文献６には、非特許文献５に記載の球面ステッピングモータと異なる構成を有する球面ステッピングモータが記載されている。この球面ステッピングモータは、球形のロータとステータを有し、ロータおよびステータを経度と緯度で分割し、ロータは各々の区画にＮ極とＳ極が表面を向いた永久磁石を交互に配置し、ステータは各々の区画に電磁石が配置されている。また、ロータは４段１２極の４８極の永久磁石を、ステータには１段あたり１６個で６段９６個の電磁石が配置されている。
【０００９】
【特許文献１】特許第１９４６３７７号
【特許文献２】特願２００６−２７３９３６号
【非特許文献１】J.Wang,;K.Mitchell,; G.W.Jewell; D.Howe,: Multi-Degree-of Freedom Spherical permanent Magnet Motors,Proc.ICRA2001 pp.1798-1805,2001
【非特許文献２】Bruno Dehez,; Damien Grenier,; Benoit Raucent,: Two-Degree-of Freedom Spherical Actuator for Omnimobile ROBOT. Proc. 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp2381-2386, 2002
【非特許文献３】田中,和多田,鳥居,海老原;球面球体アクチュエータの提案と設計.第１１回ＭＡＧＤＡコンファレンス講演論文集, pp.169-172, 2002
【非特許文献４】K.M.Lee, H.Son, J.Joni: Concept Development and Design of a Spherical Wheel Motor(SWM).IEEE Transactions on Proceedings of the 2005 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp3663-3668, 2005
【非特許文献５】David Stein,; Gregory S. Chirikjian,: Experiments in the Communication and Motion Planning of a Spherical Stepper Motor. ASME paper DET00/MECH-14115, pp.1-7, 2000
【非特許文献６】K.Kahlen,;R.W.De Doncker: Current regulators for multiple-phase permanent magnet spherical machines. Proc. 2000 IEEE Industrial Application, pp.2011-2015, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の３次元モータは、出力軸の可動範囲を大きくするために開口部を広くとろうとすると、互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線を設けることができなくなる問題がある。次善の策として、平面からそれぞれ１０度程度傾けた３次元空間内の３方向の軸周りに巻線を設けると、垂直軸周りの回転磁界が一番強力で、出力軸の回転軸が傾くほど回転磁界が弱くかつ大きさも不安定になるという問題がある。また、回転磁界にロータを追随させて回転させるため、ロータを３次元空間内で静止させることが困難である。さらに、この３次元モータは、巻線に電流を流したときの磁束を正弦波分布に近い状態に保つ必要があり、これを達成する工夫が必要になる。
【００１１】
また、非特許文献２に記載の球面同期モータは、出力軸を設けるために互いに直交する３方向の軸の周りにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線のうち出力軸方向の巻線が欠落している。このため、回転軸が開口部中心軸から傾くに従って急激に回転力が減少するとともに不安定になる。また、特許文献１に記載の３次元モータと同様に静止させるのが困難である。また、この球面誘導モータは、多極化しているため、発生トルクが特許文献１に記載の３次元モータより小さくなる問題がある。
【００１２】
また、非特許文献３に記載の球面誘導モータは、開口部を設けるために巻線の一部が大きく欠落しているため、均一な回転磁界を開口部中心軸から大きく傾いた方向に合成するのは難しい。また、非特許文献２および非特許文献３に記載の球面誘導モータは、どちらも誘導モータであるためすべりが生じて、ロータの位置決めが困難である。
【００１３】
また、非特許文献４に記載の球面リラクタンスモータは、その構造から回転するロータの回転軸を±５度の範囲でしか傾けることができないという問題がある。
【００１４】
また、非特許文献５に記載の球面ステッピングモータは、電磁石もロータの永久磁石も底面中心周りの円周上に配置されている。従って底面中心周りの回転は電流を流す電磁石を規則的に決めることにより行えるが、他の方向にロータを回転させるための電磁石を決定するのは大変難しい。ロータの底面中心がステータの底面中心からずれるほどロータを回転させるのが困難になる。上記の原因は、電磁石も永久磁石も底面中心を中心とする同心円状に配置している構造によるものである。
【００１５】
また、非特許文献６に記載の球面ステッピングモータは、ロータを垂直軸周りに回転させるときは平面のロータ１２極、ステータ１６極のステッピングモータと同様の制御で回転できる。しかし、軸が傾くと突然制御が難しくなる。これは９６個の電磁石に流す電流をＤＳＰボードによる並列計算処理で決定しようとするものであるが、これが非常に難しいという問題がある。
【００１６】
上記の特許文献１および非特許文献２ないし非特許文献６に記載のモータは、全てにおいて開口部中央軸周りの回転については従来のモータの制御の延長上で行えるものの、軸の方向が開口部中央軸から離れるに従って制御が困難もしくは不能になるという問題がある。この原因はモータ構造が球対象になっていないことに起因している。
【００１７】
上記の問題は、特許文献２に記載の球面ステッピングモータによって解決することができる。この球面ステッピングモータは、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れても強力な駆動力が得られるとともに、回転制御が容易であり、かつ、ロータの永久磁石とステータの電磁石間の磁路に流出入する磁力線が大きくなるようにして、大きな駆動力が得られることである。
【００１８】
しかし、特許文献２に記載の球面ステッピングモータは、ロータに永久磁石を配置する場合、多面体の各頂点に配置された永久磁石の極性はすべて同一であり、多面体の各面の中心に配置する永久磁石の極性を反対にして磁路を形成しても、多面体の各面の中心に位置する永久磁石に磁路が集中し、磁気飽和をまねいて出力が制限される可能性があった。
【００１９】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、ロータの多面体の各面の中心に位置する永久磁石に磁路が集中し、磁気飽和を招き、出力が制限されないようにした球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置したロータと、該ロータの球体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からなることを特徴とする球面ステッピングモータである。
第２の手段は、球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点および各面（正三角形）の中心に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータである。
第３の手段は、球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点、各面（正三角形）の中心、および前記仮想正八面体の頂点の、各面（正三角形）の中心に対して対称の点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータである。
第４の手段は、球体に内接する仮想正六面体の頂点に永久磁石をＮ極とＳ極が互いに隣り合わせるように交互に配置し、前記仮想正六面体の各面（正方形）の中心に電磁石に吸引される磁性体または永久磁石を配置したロータと、該ロータの球体を包含する球体に内接する仮想正八面体の頂点、各面（正三角形）の中心、および前記仮想正八面体の各辺の中点をとおり、前記仮想正八面体の中心からの距離が頂点と等しくなる点に電磁石を配置したステータとからなることを特徴とする球面ステッピングモータである。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段に記載のステータに内接する仮想正八面体を仮想正四面体に置き換えたことを特徴とする球面ステッピングモータである。
第６の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段に記載のロータに内接する仮想正六面体を仮想ケルビンの十四面体に、ステータに内接する仮想正八面体を仮想正十二面体に置き換えたことを特徴とする球面ステッピングモータである。
第７の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段に記載の球面ステッピングモータにおける、ロータの永久磁石をハルバッハ配列とし、電磁石に流す電流を正弦波電流としたことを特徴とする球面ＡＣサーボモータである。
【発明の効果】
【００２１】
特許文献２の球面ステッピングモータは、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れても、ロータ永久磁石とステータ電磁石の配置関係が、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央にある時と同等になる。したがって、ロータの回転軸の方向がステータの開口部中央から離れてもロータの回転軸の方向がステータの開口部中央にある時と同等の強力な駆動力が得られるとともに、回転制御が容易な球面ステッピングモータが得られる特徴を有する。
それに対して、本発明の球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータによれば、上記の特許文献２の球面ステッピングモータの特徴を保持したまま、磁路が従来の１軸周りのステッピングモータおよびＡＣサーボモータと同じように形成できる。したがって、特許文献２の球面ステッピングモータにおいて想定される磁気飽和が起こりにくい。また、従来の１軸周りのステッピングモータおよびＡＣサーボモータの駆動回路と基本的に同じ駆動回路を用いて球面モータの駆動を行うことができ、装置を安価に構成することができる。
また、本発明の球面ステッピングモータによれば、ロータの永久磁石とステータの電磁石間の磁路に流出入する磁力線が大きくなるようにして、大きな駆動力を得ることを可能となる。
また、本発明の球面ステッピングモータを採用することにより、ロボットマニピュレータ、ステアリングを含む車輪駆動、能動鉗子をはじめとする多自由度システムが使用するモータの個数が大幅に減少し、これらシステムの小型・軽量化、制御の簡単化さらには省エネルギー化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
はじめに、本発明の球面モータの基本構成について説明する。本発明の球面モータは、基本的には、ロータに内接する多面体を構成する多角形とステータに内接する多面体を構成する多角形の角数が互いに素であり(お互いを割った値が整数にならない)、かつロータに内接する多面体を構成するすべての多角形の頂点の数が偶数の時、ロータに内接する多面体の頂点に極性が交互に反転するように磁性体または永久磁石を配置し、各面の中心に回転軸を保持するための磁性体または永久磁石を配置したロータと、内接する多面体の頂点および各面の中心に電磁石を配置したステータとから構成される。
【００２３】
本発明の球面モータは、ロータに内接する多面体およびステータに内接する多面体の組み合わせ例として以下の構成が考えられる。なお、（）内は、多面体の面を構成する多角形の形状を表す。ロータに内接する多面体が正六面体（正方形）でステータに内接する多面体が正八面体（３角形）、ロータに内接する多面体が正六面体（正方形）でステータに内接する多面体が正四面体（３角形）、ロータに内接する多面体が正１４面体（ケルビン１４面体）（正方形、６角形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）、ロータに内接する多面体が正六面体（正方形）でステータに内接する多面体が正１２面体（５角形）、ロータに内接する多面体が正六面体（正方形）でステータに内接する多面体が正二十面体（３角形）。
【００２４】
次に、本発明の第１の実施形態を図１ないし図９を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図２は図１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１に示すように、ロータ１には、内接する仮想正六面体（面の形が正方形で構成される多面体）の８個の頂点３から頂点１０に対応する位置に表面がロータ１と同じ形状になるようにした永久磁石が埋め込まれている。永久磁石の極性は、隣り合う永久磁石の極性が互いに反転するようにする。すなわち、ロータ１の頂点３，５，７，９にはＮ極が外側、頂点４，６，８，１０にはＳ極が外側となるように永久磁石が埋め込まれている。一方、ステータ２は、内接する仮想正八面体（面の形が正三角形で構成される多面体）の頂点１１から頂点１６に対応する位置に電磁石が配置されている。
【００２５】
次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作を図３ないし図６を用いて説明する。
図３は、この球面ステッピングモータのロータ１の出力軸が真上を向いている状態を真上から見た図、図４は図３に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図３に対応する面である。
図３において、電磁石１１がＮ極、電磁石１２がＳ極、電磁石１３がＳ極になるように電流を流す。すると頂点３，６，１０，７にある各永久磁石３，６，１０，７がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石１０が電磁石１３と一番近い距離になるところまで（１５度）ロータ１が時計回りに回転する。この時に電磁石１３の電流を切り、永久磁石１０が電磁石１３と最も近い位置を超えたところで電磁石１３の電流の向きを反転し、Ｎ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ１は時計回りに回転を続ける。
【００２６】
以下、図３に示す位置を基準として、電磁石１３は１５度でＮ極、１０５度でＳ極、１９５度でＮ極となるように、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１１は４５度でＳ極、１３５度でＮ極となるように、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１２は７５度でＮ極、１６５度でＳ極となるように、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。
【００２７】
図５は、この球面ステッピングモータの、ロータ２の出力軸が真上を向いている状態で、ロータ１およびステータ２の下半分の永久磁石と電磁石の関係を表す図、図６は図５に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図５に対応する面である。
図５において、電磁石１５がＳ極、電磁石１６がＮ極、電磁石１４がＮ極になるように電流を流す。すると頂点９，８，４，５にある各永久磁石９，８，４，５がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石４が電磁石１４と一番近い距離になるところまで（１５度）ロータ１が時計回りに回転する。この時に電磁石１４の電流を切り、永久磁石４が電磁石１４と最も近い位置を超えたところで電磁石１４の電流の向きを反転し、Ｓ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ１は時計回りに回転を続ける。
【００２８】
以下、図５に示す位置を基準として、電磁石１４は１５度でＳ極、１０５度でＮ極、１９５度でＳ極、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１５は４５度でＮ極、１３５度でＳ極、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１６は７５度でＳ極、１６５度でＮ極、以下、ロータ１が９０度回転するごとに極性を切り替える。
【００２９】
上記のごとく、図３と図５の説明に従った電流をステータ２の電磁石に同時に流すことにより、ロータ１の時計回りの回転力は両方を足し合わせたものとなり、ロータ１の全ての永久磁石がロータ１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００３０】
次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作を図７ないし図９を用いて説明する。
図７はステータ２に対してロータ１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを示す図、図８は図７を右下側から見た時の手前側の４個の永久磁石３，７，８，４と３個の電磁石１１，１６，１４の関係を示す図、図９は球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図８に対応する面である。
図８の永久磁石と電磁石の関係は、対応する番号が違うものの、図３の永久磁石と電磁石の関係と類似している。すなわち、図８において電磁石１１，１６，１４にそれぞれＳ極，Ｎ極，Ｎ極となるように電流を流し、電磁石１１は４５度でＮ極となるように電流を切り替え、以下９０度ごとに電流を切り替える。電磁石１６は７５度でＳ極となるように電流を切り替え、以下９０度ごとに電流を切り替える。電磁石１４は１５度でＳ極となるように電流を切り替え、以下９０度ごとに電流を切り替える。すると、ロータ１は電磁石１１，１６，１４が作る正三角形の中心を回転軸として時計方向に回転する。出力軸がなければ、ロータ１を電磁石１１，１６，１４を頂点とする正三角形の中心を回転軸として時計回りに無限回転させることができる。
【００３１】
また、図７の奥側の４個の永久磁石５，６，９，１０と３個の電磁石１５，１３，１２の関係も図８とほぼ同様になり、電磁石１５，１３，１２に適切な電流を流すことにより、ロータ１を電磁石１１，１６，１４を頂点とする正三角形の中心を回転軸として時計回りに無限回転させることができる。電磁石１１，１６，１４と電磁石１５，１３，１２に同時に電流を流すことによりロータ１に加え合わせた回転力を与えることができる。
【００３２】
この球面ステッピングモータにおいては、６個の電磁石を３個ずつの組に分ける方法には４通りあり、ロータ１に出力軸がなければ、今までに述べたのと同様にして任意の４軸周りにロータ１を無限回転させることができる。この４軸周りの回転を組み合わせることにより、ロータ１を任意の方向に位置決めすることができる。以上の制御方法から、本実施形態の球面ステッピングモータは、制御方法および出力トルクがロータの向きに依存して変動することはない特徴を有していることがわかる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態を図１０および図１１を用いて説明する。
図１０は、本実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図１１は図１０に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１０に示すように、この球面ステッピングモータは、球面形状のロータ１および上部に開口部を有するステータ２を同図下部のように組み合わせて構成される。
この球面ステッピングモータは、第１の実施形態の球面ステッピングモータに、ロータ１に内接する仮想正六面体の各面の中心に磁性体１７から磁性体２１を、ステータ２に内接する仮想正八面体の各面の中心に電磁石２２から電磁石２８を、それぞれ追加配置した構造になっている。上部開口部に対応する面の中心も磁性体および電磁石を配置したいところであるが、開口部のため配置していない。
【００３４】
この球面ステッピングモータは、第１の実施形態の球面ステッピングモータにロータ１の回転軸を固定する構成を追加したことを特徴とする。
図１０において、ロータ１を垂直軸周りに回転する場合、電磁石２８に直流電流を流し、磁性体２１を吸引する。この状態で第１の実施形態の球面ステッピングモータと同様の駆動を行うことにより、回転軸がぶれることなくロータ１を垂直軸周りに回転させることができる。斜めの軸周りにロータ１を回転する場合は、回転軸に対応する磁性体と電磁石の組、例えば、磁性体１７を電磁石２２で吸引して回転軸を固定し、第１の実施形態の球面ステッピングモータにおける斜め軸周りの回転と同様の駆動を行うことにより、回転軸がぶれることなくロータ１を回転させることができる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態を図１２ないし図１５を用いて説明する。
図１２は、本実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２および球面ステッピングモータの構成を示す図、図１３は図１２に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１２に示すように、この球面ステッピングモータは、球面形状のロータ１および上部に開口部を有するステータ２を同図下部のように組み合わせて構成される。
この球面ステッピングモータは、第２の実施形態の球面ステッピングモータに、ステータ２に内接する仮想正八面体の頂点の、各面の中心に対して対称の点に電磁石２９から電磁石５２を配置する。
【００３６】
図１４は、この球面ステッピングモータのロータの回転軸が垂直方向を向いているときの、ロータ１の上面の４個の永久磁石７，３，６，１０とステータ２の対応する正三角形の面内に配置された６個の電磁石１１，１２，１３，２９，３０，３１の関係を示す図、図１５は図１４に示す球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図１４に対応する面である。
図１４において、電磁石１１に向かい合った電磁石２９に電磁石１１と反対向きの電流を、電磁石１２に向かい合った電磁石３０に電磁石１２と反対向きの電流を、電磁石１３に向かい合った電磁石３１に電磁石１３と反対向きの電流をそれぞれ流すことにより、電磁石が１１，１２，１３の３個の場合と比較して、電磁石の配置がより既存のステッピングモータに近づき、安定した回転力を得ることができる。
ロータ１下部の４個の永久磁石４，５，８，９とステータ２下部の６個の電磁石の関係も類似しており、適切な電流を電磁石に流すことにより垂直軸周りの回転力を得る。また、回転軸が斜めに傾いている場合も類似の電流を流すことによりロータ１を回転させることができる。
【００３７】
次に、本発明の第４の実施形態を図１６ないし図１９を用いて説明する。
図１６は、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図１７は図１６に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図１６に示すように、この球面ステッピングモータは、球面形状のロータ１および上部に開口部を有するステータ２を同図下部のように組み合わせて構成される。
この球面ステッピングモータは、第３の実施形態球面ステッピングモータに追加される２４個の電磁石の代わりステータ２に内接する正八面体の１２本の辺の中点に電磁石５３から電磁石６４を配置する。これにより、第３の実施形態の球面ステッピングモータが第２の実施形態の球面ステッピングモータに電磁石の数を２４個も追加する必要がなくなり、電磁石の使用効率の低下を回避することができる。
【００３８】
図１８は、ロータ１の回転軸が垂直方向を向いているときの、ロータ１上面の４個の永久磁石３，６，７，１０とステータ２の対応する正三角形の面内に配置された６個の電磁石１１，１２，１３，５３，５４，５５の関係を示す図、図１９はこの球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図１８に対応する面である。
図１８に示すように、この球面ステッピングモータの配置は、図９に示す第３の実施形態の球面ステッピングモータの配置と近似しており、この球面ステッピングモータとほぼ同じ電流を電磁石に流すことによりロータ１を任意の軸周りに安定して回転させることができる。なお、この球面ステッピングモータでは、電磁石５３，５４，５５に流す電流はそれぞれ電磁石１１，１２，１３に流す電流の反対向きだけでなく大きさをわずかに調整して電磁石１１，１２，１３と吸引力のバランスを取る必要が生じる可能性がある。
【００３９】
次に、本発明の第５の実施形態を図２０ないし図２９を用いて説明する。
図２０は、本実施形態の発明に係るロータ１０１、ステータ１０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図２１は図２０に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図２０に示すように、この球面ステッピングモータは、本実施形態の球面ステッピングモータうち、最もシンプルな構成を有し、第１の実施形態のステータに内接する正八面体を正四面体に置き換えたもののロータ１０１とステータ１０２の関係を示す図である。
同図に示すように、この球面ステッピングモータのステータ１０２は、内接する正四面体の頂点１１１から１１４に対応する位置に電磁石が配置されている。
【００４０】
次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作を図２２および図２３を用いて説明する。
図２２はロータ１０１の永久磁石のうち上の４個とステータ１０２の電磁石上の３個の関係を示す図、図２３は球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図２２に対応する面である。
図２２において、ステータ１０２の電磁石１１１がＮ極、電磁石１１２がＳ極、電磁石１１３がＳ極になるように電流を流すと、永久磁石１０３，１０６，１１０，１０７がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石１１０が電磁石１１３と一番近い距離になるところまで（１５度）ロータ１０１が時計回りに回転する。この時に電磁石１１３の電流を切り、永久磁石１１０が電磁石１１３と最も近い位置を超えたところで電磁石１１３の電流の向きを反転し、Ｎ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ１０１は時計回りに回転を続ける。
【００４１】
以下、図２２の位置を基準として、電磁石１１３は１５度でＮ極、１０５度でＳ極、１９５度でＮ極、以下、ロータ１０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１１１は４５度でＳ極、１３５度でＮ極、以下、ロータ１０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石１１２は７５度でＮ極、１６５度でＳ極、以下、ロータ１０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ１０１の全ての永久磁石がロータ1０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ１０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００４２】
次に、本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作を図２４および図２５を用いて説明する。
図２４はステータ１０２に対してロータ１０１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを示す図、図２５は図２４の球面ステッピングモータにおいてロータ１０１の斜め方向にある回転軸側から見たロータ１０１とステータ１０２の状態を示す図である。
図２５において、ロータ１０１の永久磁石１０３，１０４，１０７，１０８とステータ１０２の電磁石１１１，１１２，１１４の関係は図２２と類似している。したがって、図２２の時と同様の電流を電磁石１１１，１１２，１１４に流すことにより、ロータ１０１に出力軸がなければロータ１０１を電磁石１１１，１１２，１１４で作る正三角形の中心周りに時計方向に無限回転させることができる。
【００４３】
本実施形態の球面ステッピングモータも、第２、第３、第４の実施形態に対応した拡張を行える。
図２６は、第２の実施形態の球面ステッピングモータに対応する本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２とを示す図、図２７は図２６に示す球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図２６に示すように、この球面ステッピングモータは、ロータ１０１の各面の中心に磁性体１１７から磁性体１２１を追加したものであり、このように構成することにより、例えば、ロータ１０１を垂直軸周りに回転する場合は磁性体１２１を向かい合った電磁石１１４で吸引することにより回転軸を固定することができる。
【００４４】
図２８は、第３の実施形態の球面ステッピングモータに対応する本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２との関係を示す図である。
図２８に示すように、この球面ステッピングモータは、第２の実施形態の球面ステッピングモータに加えてステータ１０２に内接する仮想正四面体の頂点の、各面の中心に対して対称の点に電磁石１２９から電磁石１４０を配置したものである。
【００４５】
図２９は、第４の実施形態の球面ステッピングモータに対応する本実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２との関係を示す図である。
図２９に示すように、この球面ステッピングモータは、第２の実施形態の球面ステッピングモータに加えてステータ１０２に内接する正四面体の四本の辺の中点に電磁石１５３から１電磁石５８を配置したものである。
【００４６】
本実施形態の球面ステッピングモータも上記のように構成することにより、第２から第４の実施形態の球面ステッピングモータにおけると同様にロータ１０１の回転をより安定させることができる。
【００４７】
次に、本発明の第６の実施形態を図３０ないし図４９を用いて説明する。
図３０は、本実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図３１は図３０に示したロータ２０１の構成を示す図、図３２は図３０に示したステータ２０２の構成を示す図である。
図３１に示すように、ロータ２０１には、内接する仮想ケルビンの正十四面体（面の形が正方形と正六角形で構成される多面体）の頂点２０３から頂点２２６に対応する位置に表面がロータ２０１と同じ形状になるようにした永久磁石が仮想ケルビンの正十四面体の辺の両端の極性が反対になるように埋め込まれている。
また、図３２に示すように、ステータ２０２は、内接する仮想正十二面体（面の形が正五角形で構成される多面体）で構成され、内接する仮想正十二面体の頂点２２７から頂点２４６に対応する位置に電磁石が配置されている。
【００４８】
次に、本発明の第６の実施形態の球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作を図３３ないし図３７を用いて説明する。
ここで、図３３に示すように、球面ステッピングモータのロータ２０１に組み込まれた永久磁石を上から６個、６個、６個、６個と４段に分け、ステータ２０２の電磁石も上から５個、５個、５個、５個と分けて考える
【００４９】
図３４は、ロータ２０１の１段目の６個の永久磁石２０３から永久磁石２０８とステータ２０２の１段目の５個の電磁石２２７から電磁石２３１の位置関係を示す図である。
図３４において、電磁石２２７がＳ極、電磁石２２８がＮ極、電磁石２２９がＳ極、電磁石２３０がＮ極、電磁石２３１がＮ極になるように電流を流す。すると永久磁石２０３から永久磁石２０８がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石２０６が電磁石２３０と一番近い距離になるところまで（１２度）ロータ２０１が時計回りに回転する。この時に電磁石２３０の電流を切り、永久磁石２０６が電磁石２３０と最も近い位置を超えたところで電磁石２３０の電流の向きを反転し、Ｓ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ２０１は時計回りに回転を続ける。
【００５０】
以下、図３４の位置を基準として、電磁石２３０は１２度でＳ極、７２度でＮ極、１３２度でＳ極、１９２度でＮ極、２５２度でＳ極、３１２度でＮ極、以下、ロータ２０１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２２９は２４度でＮ極、１１４度でＳ極、以下、ロータ２０１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２２８は３６度でＳ極、１２６度でＮ極、以下、ロータ２０１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２２７は４８度でＮ極、１３８度でＳ極、以下、ロータ２０１が６０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３１は０度でＮ極、６０度でＳ極、以下、ロータ２０１が６０度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ２０１の全ての永久磁石がロータ２０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ２０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００５１】
図３５はロータ２０１の４段目の６個の永久磁石２２１から永久磁石２２６とステータ２０２の４段目の５個の電磁石２４２から電磁石２４６の位置関係を示す図である。
同図に示すように、ロータ２０１の４段目の６個の永久磁石とステータ２０２の４段目の５個の電磁石の位置関係は図３３と類似しており、図３４の位置を初期位置として電磁石２４４を０度でＮ極、以下６０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４３をＮ極、１２度でＳ極、以下６０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４２をＳ極、２４度でＮ極、以下６０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４６をＮ極、３６度でＳ極、以下６０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４５をＳ極、４８度でＮ極、以下６０度ごとに極性を切り替えることによりロータを時計回りに回転することができる。
【００５２】
図３６は、ロータ２０１の上から２段目の６個の永久磁石２０９から永久磁石２１４とステータ２０２の上から２段目の５個の電磁石２３２から電磁石２３６の位置関係を示す図である。
同図において、電磁石２３２がＮ極、電磁石２３３がＳ極、電磁石２３４がＮ極、電磁石２３５がＳ極、電磁石２３６がＳ極になるように電流を流す。すると永久磁石２０９から永久磁石２１４がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石２１１が電磁石２３４と一番近い距離になるところまで（１３度）ロータ２０１が時計回りに回転する。この時に電磁石２３４の電流を切り、永久磁石２１１が電磁石２３４と最も近い位置を超えたところで電磁石２３４の電流の向きを反転し、Ｓ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ２０１は時計回りに回転を続ける。
【００５３】
以下、図３６の位置を基準として、電磁石２３２は３７度でＮ、１１９度でＳ、１５７度でＮ、２３９度でＳ、２７７度でＮ、３５９度でＳ、以下、ロータ２０１が交互に３８度および８２度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３３は４７度でＮ、８５度でＳ、以下、ロータ２０１が交互に８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３４は１３度でＳ、９５度でＮ、以下、ロータ２０１が交互に３８度および８２度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３５は２３度でＮ極、６１度でＳ極、以下、ロータ２０１が交互に８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３６は７１度でＮ極、１０９度でＳ極、以下、ロータ２０１が交互に８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ２０１の全ての永久磁石がロータ２０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ２０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００５４】
図３７はロータ２０１の３段目の６個の永久磁石２１５から永久磁石２２０とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３７から電磁石２４１の位置関係を示す図である。
ロータ２０１の３段目の６個の永久磁石２１５から永久磁石２２０とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３７から電磁石２４１の位置関係は図３５と類似しており、図３７の位置を初期位置として電磁石２３７をＮ極、１３度でＳ極、９５度でＮ極、１３３度でＳ極、２１５度でＮ極、２５３度でＳ極、３３５度でＮ極、以下、ロータ２０１が交互に３８度および８２度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３８はＳ極、２３度でＮ極、６１度でＳ極、以下、ロータ２０１が交互に８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３９はＳ極、７１度でＮ極、１０９度でＳ極、以下、ロータ２０１が８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２４０はＮ極、３７度でＳ極、１１９度でＮ極、以下、ロータ２０１が交互に３８度および８２度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２４１はＳ極、４７度でＮ極、８５度でＳ極、以下、ロータ２０１が交互に８２度および３８度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ２０１の全ての永久磁石がロータ２０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ２０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００５５】
以上４段の電磁石と永久磁石のペアを同時に駆動することにより、ロータ２０１の回転力を足し合わせることができる。４段同時に駆動することにより全ての電磁石と永久磁石の吸引力および反発力をロータ２０１に直接伝えることができる。図３３から図３６の説明に従った電流を同時に流すことにより、ロータ２０１の時計回りの回転力は全て足し合わせたものになる。
【００５６】
次に、本発明の第６の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作を図３８ないし図５４を用いて説明する。
図３８はステータ２０２に対してロータ２０１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータの構成を示す図、図３９はロータ２０１を回転させる平面でステータ２０２をカットした球面ステッピングモータの構成を図である。
ここで、図４０に示すように、ロータ２０１に組み込まれた永久磁石を回転軸と垂直な平面で４個、４個、８個、４個、４個と５段に分け、ステータ２０２の電磁石を５個、５個、５個、５個に分けて考える。
【００５７】
図４１は、ロータ２０１の１段目の４個の永久磁石とステータ２０２の１段目の５個の電磁石の位置関係を示す図、図４２は、図４１に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
図４１で電磁石２２７がＮ極、電磁石２２８がＮ極、電磁石２３３がＳ極、電磁石２３８がＮ極、電磁石２３２がＳ極になるように電流を流す。すると永久磁石２０３、２０８，２０９，２１４がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石２０８が電磁石２２７と一番近い距離になるところまで（７度）ロータ２０１が時計回りに回転する。この時に電磁石２２７の電流を切り、永久磁石２０８が電磁石２２７と最も近い位置を超えたところで電磁石２２７の電流の向きを反転し、Ｓ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ２０１は時計回りに回転を続ける。
【００５８】
以下、図４１の位置を基準として、電磁石２２７は７度でＳ極、９７度でＮ極、１８７度でＳ極、２７７度でＮ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２２８は８１度でＳ極、１７１度でＮ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３３は６３度でＮ極、１５３度でＳ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３８は４５度でＳ極、１３５度でＮ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３２は２７度でＮ極、１１７度でＳ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ２０１の全ての永久磁石がロータ２０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ２０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００５９】
図４３は、ロータ２０１の５段目の４個の永久磁石２１８，２１９，２２４，２２５とステータ２０２の４段目の５個の電磁石２３５，２４０，２４１，２４５，２４６の位置関係を示す図、図４４は、図４３に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
ロータ２０１の５段目の４個の永久磁石とステータ２０２の４段目の５個の電磁石の位置関係は図４１と類似しており、図４３の位置を初期位置として、電磁石２３５をＳ極、４５度でＮ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４０をＮ極、３２度でＳ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４５をＳ極、９度でＮ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４６をＳ極、８１度でＳ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４１をＮ極、６３度でＳ極、以下９０度ごとに極性を切り替えることによりロータ２０１を時計回りに回転することができる。
【００６０】
図４５は、ロータ２０１の２段目の４個の永久磁石２０４，２０７，２１５，２１６とステータ２０２の２段目の５個の電磁石２２９，２３１，２３７，２３９，２４３の位置関係を示す図、図４６は、図４５に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
図４５で電磁石２２９がＳ極、電磁石２３９がＮ極、電磁石２４３がＳ極、電磁石２３７がＮ極、電磁石２３１がＳ極になるように電流を流す。すると永久磁石２０４，２０７，２１５，２１６がそれぞれ吸引力と反発力を受けて永久磁石２０７が電磁石２３１と一番近い距離になるところまで（９度）ロータ２０１が時計回りに回転する。この時に電磁石２３１の電流を切り、永久磁石２０７が電磁石２３１と最も近い位置を超えたところで電磁石２３１の電流の向きを反転し、Ｓ極となるように電流を流す。すると、引き続きロータ２０１は時計回りに回転を続ける。
【００６１】
以下、図４５の位置を基準として電磁石２２９は８１度でＮ極、１７１度でＳ極、２６１度でＮ極、３５１度でＳ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３９は６３度でＳ極、１５３度でＮ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２４３は４５度でＮ極、１３５度でＳ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３７は２７度でＳ極、１１７度でＮ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。電磁石２３１は９度でＮ極、９９度でＳ極、以下、ロータ２０１が９０度回転するごとに極性を切り替える。すると、ロータ２０１の全ての永久磁石がロータ２０１を時計回りに回転させる力を受け、ロータ２０１は時計回りに無限に回転を続けることができる。
【００６２】
図４７は、ロータ２０１の４段目の４個の永久磁石２１１，２１２，２２３，２２６とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３０，２３４，２３６，２４２，２４４の位置関係を示す図、図４８は、図４７に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
ロータ２０１の４段目の４個の永久磁石２１１，２１２，２２３，２２６とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３０，２３４，２３６，２４２，２４４の位置関係は図４５と類似しており、図４７の位置を初期位置として電磁石２３０をＳ極、４５度でＮ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２３４をＮ極、２７度でＳ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４４をＳ極、９度でＮ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２４２をＳ極、８１度でＮ極、以下９０度ごとに極性を切り替え、電磁石２３６をＮ極、６３度でＳ極、以下９０度ごとに極性を切り替えることによりロータ２０１を時計回りに回転することができる。
【００６３】
図４１から図４８の説明に従った電流を同時に流すことにより、ロータ２０１の時計回りの回転力はすべてを足し合わせたものになる。
【００６４】
本実施形態の球面ステッピングモータも、第２、第３、第４の実施形態に対応した拡張を行える。
図４９は、第２の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した本実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図５０は図４９に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
図４９ではロータ２０１に内接する仮想ケルビンの正十四面体の各面の中心に磁性体２４７から２５９を、ステータ２０２に内接する仮想正十二面体の中心に電磁石２６０から２７１を追加することにより回転軸を安定させることができる。
【００６５】
図５１は、第３の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した本実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図５２は図５１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
この球面ステッピングモータは、図４９に示した球面ステッピングモータに加え、ステータ２０２に内接する仮想正十二面体頂点の、各面の中心に対して対称の点に電磁石２７２から３３１を配置したものである。
【００６６】
図５３は、第４の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した本実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図、図５４は図５２に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
この球面ステッピングモータは、図４９に示した球面ステッピングモータに加え、ステータ２０２に内接する仮想正十二面体の辺の中点に電磁石３３２から電磁石３６１を配置したものである。
【００６７】
次に、本発明の第７の実施形態を図５５および図５６を用いて説明する。
図５５および図５６は、ＡＣサーボモータに用いられる、ステータの永久磁石により生成される磁場を正弦波分布に近づけるための永久磁石の配置を示す図である。この配置は、直線上に並べた場合は正弦波分布の磁場を作成するハルバッハ配列として知られている。
第１から第６の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータにおいて、ロータの永久磁石により生成される磁場が正弦波分布に近く、ステータの電磁石により生成される磁場が正弦波分布に近ければ、ロータの回転位置を細かく制御するＡＣサーボモータを構成できる。
【００６８】
図５５ではロータに内接する仮想正六面体の頂点に、Ｎ極およびＳ極が外側を向くように永久磁石４０１から永久磁石４０８を貼り付け、仮想正六面体の辺上ではＳ極からＮ極に向けて横向きに永久磁石４０９から永久磁石４２０を配置している。その中間地点はそれぞれ永久磁石のＮ極が仮想正六面体の辺から４５度上向きおよび下向きに向くようにそれぞれ永久磁石４２１から永久磁石４３２および永久磁石４３３から４４４永久磁石を配置してある。これにより、ロータの永久磁石により生成される磁場を正弦波分布に近づける。
【００６９】
図５６ではロータに内接する仮想ケルビンの十四面体の頂点に、Ｎ極およびＳ極が外側を向くように永久磁石５０１から永久磁石５２４を貼り付け、仮想ケルビンの十四面体の辺上ではＳ極からＮ極に向けて横向きに永久磁石５２５から永久磁石５６０を配置している。その中間地点はそれぞれ永久磁石のＮ極が仮想正六面体の辺から４５度上向きおよび下向きに向くようにそれぞれ永久磁石５６１から永久磁石５９６および永久磁石５９７から永久磁石６３２を配置してある。これにより、ロータの永久磁石により生成される磁場を正弦波分布に近づける。
【００７０】
図５７は、第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのステータの電磁石１３の電流の切り替えによる矩形波電流波形を示す図、図５８は、第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのステータの電磁石の矩形波電流を正弦波電流に置き換えた正弦波電流波形を示す図である。このように、電流の切り替え時にちょうど正弦波電流が０になるように正弦波電流を各電磁石に流すことにより、電磁石により生成される磁場を正弦波分布にすることができる。
同様に、第２の実施形態から第６の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータに対しても、ロータの永久磁石をハルバッハ配列とし、電磁石の電流をスイッチで切り替える矩形波電流から、矩形波の切り替え時に電流値が０になるように位相と周波数を設定した正弦波電流に置き換えることにより球面ＡＣサーボモータを構成できる。
【００７１】
なお、上記の各実施形態の発明に係る球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータにおいては、ロータ側に永久磁石、ステータ側に電磁石を配置する場合について説明したが、これ以外に以下の組み合わせも可能である。例えば、ロータ側に電磁石を配置し、ステータ側に電磁石を配置する。ロータ側に電磁石を配置し、ステータ側に永久磁石を配置する。ロータ側に永久磁石を配置し、ステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する。ロータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置し、ステータ側に永久磁石と電磁石のハイブリッド構成を配置する。
【００７２】
また、上記の各実施形態の発明に係る球面ステッピングモータおよび球面ＡＣサーボモータにおいては、ステータが固定され、ロータが回転する場合について説明したが、ロータ側を固定し、ステータ側（外側）を可動にする、またはロータ、ステータともに可動にし、ユニバーサルジョイント部分などに使用する（能動すべり軸受）ことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１の実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である
【図２】図１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図３】第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ２の出力軸が真上を向いている状態を真上から見た図である。
【図４】図３に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図３に対応する面である。
【図５】第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータの、ロータ２の出力軸が真上を向いている状態で、ロータ１およびステータ２の下半分の永久磁石と電磁石の関係を表す図である。
【図６】図５に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図５に対応する面である。
【図７】ステータ２に対してロータ１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータを示す図である。
【図８】図７を右下側から見た時の手前側の４個の永久磁石３，７，８，４と３個の電磁石１１，１６，１４の関係を示す図である。
【図９】図８に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図８に対応する面である。
【図１０】第２の実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図１１】図１０に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図１２】第３の実施形態の発明に係るロータ１、ステータ２および球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図１３】図１２に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図１４】第３の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータの回転軸が垂直方向を向いているときの、ロータ１上面の４個の永久磁石７，３，６，１０とステータ２の対応する正三角形の面内に配置された６個の電磁石１１，１２，１３，２９，３０，３１の関係を示す図である。
【図１５】図１４に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図１４に対応する面である。
【図１６】第４の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１、ステータ２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図１７】図１６に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図１８】ロータ１の回転軸が垂直方向を向いているときの、ロータ１上面の４個の永久磁石３，６，７，１０とステータ２の対応する正三角形の面内に配置された６個の電磁石１１，１２，１３，５３，５４，５５の関係を示す図である。
【図１９】図１８に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図１８に対応する面である。
【図２０】第５の実施形態の発明に係るロータ１０１、ステータ１０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図２１】図２０に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図２２】第５の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１の永久磁石のうち上の４個とステータ１０２の電磁石の上の３個の関係を示す図である。
【図２３】図２２に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図であり、「この面」が図２２に対応する面である。
【図２４】第５の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのステータ１０２に対してロータ１０１の回転軸が斜め状態を示す図である。
【図２５】図２４の球面ステッピングモータにおいてロータ１０２の斜め方向にある回転軸側から見たロータ１０１とステータ１０２の状態を示す図である。
【図２６】第２の実施形態の球面ステッピングモータに対応する第５の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２とを示す図である。
【図２７】図２６に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図２８】第３の実施形態の球面ステッピングモータに対応する第５の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２との関係を示す図である。
【図２９】第４の実施形態の球面ステッピングモータに対応する第５の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのロータ１０１とステータ１０２との関係を示す図である。
【図３０】第６の実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図３１】図３０に示したロータ２０１の詳細な構成を示す図である。
【図３２】図３０に示したステータ２０２の詳細な構成を示す図である。
【図３３】ロータ２０１に組み込まれた永久磁石を上から６個、６個、６個、６個の４段とステータ２０２の電磁石の上から５個、５個、５個、５個の４段に分けた図である。
【図３４】ロータ２０１の１段目の６個の永久磁石２０３から永久磁石２０８とステータ２０２の１段目の５個の電磁石２２７から電磁石２３１の位置関係を示す図である。
【図３５】ロータ２０１の４段目の６個の永久磁石２２１から永久磁石２２６とステータ２０２の４段目の５個の電磁石２４２から電磁石２４６の位置関係を示す図である。
【図３６】ロータ２０１の上から２段目の６個の永久磁石２０９から永久磁石２１４とステータ２０２の上から２段目の５個の電磁石２３２から電磁石２３６の位置関係を示す図である。
【図３７】ロータ２０１の３段目の６個の永久磁石２１５から永久磁石２２０とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３７から電磁石２４１の位置関係を示す図である。
【図３８】ステータ２０２に対してロータ２０１の回転軸が斜め状態にある球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図３９】ロータ２０１を回転させる平面でステータ２０２をカットした球面ステッピングモータの構成を図である。
【図４０】ロータ２０１に組み込まれた永久磁石を回転軸と垂直な平面で４個、４個、８個、４個、４個の５段とステータ２０２の電磁石を５個、５個、５個、５個の４段に分けた図である。
【図４１】ロータ２０１の１段目の４個の永久磁石とステータ２０２の１段目の５個の電磁石の位置関係を示す図である。
【図４２】図４１に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
【図４３】ロータ２０１の５段目の４個の永久磁石２１８，２１９，２２４，２２５とステータ２０２の４段目の５個の電磁石２３５，２４０，２４１，２４５，２４６の位置関係を示す図である。
【図４４】図４３に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
【図４５】ロータ２０１の２段目の４個の永久磁石２０４，２０７，２１５，２１６とステータ２０２の２段目の５個の電磁石２２９，２３１，２３７，２３９，２４３の位置関係を示す図である。
【図４６】図４５に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
【図４７】ロータ２０１の４段目の４個の永久磁石２１１，２１２，２２３，２２６とステータ２０２の３段目の５個の電磁石２３０，２３４，２３６，２４２，２４４の位置関係を示す図である。
【図４８】図４７に対応する球面ステッピングモータにおける位置を示す図である。
【図４９】第２の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した第６の実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図５０】図４９に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図５１】第３の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した第６の実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図５２】図５１に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図５３】第４の実施形態に対応したステッピングモータを拡張した第６の実施形態の発明に係るロータ２０１、ステータ２０２およびロータとステータとを組み合わせた球面ステッピングモータの構成を示す図である。
【図５４】図５２に示した球面ステッピングモータの鳥瞰図である。
【図５５】ＡＣサーボモータに用いられる、ステータの永久磁石により生成される磁場を正弦波分布に近づけるための永久磁石の配置図である。
【図５６】ＡＣサーボモータに用いられる、ステータの永久磁石により生成される磁場を正弦波分布に近づけるための永久磁石の配置図である。
【図５７】第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのステータの電磁石１３の電流の切り替えによる矩形波電流波形を示す図である。
【図５８】第１の実施形態の発明に係る球面ステッピングモータのステータの電磁石１３の電流の切り替えによる正弦波電流波形を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  第１の実施形態のロータ
２  第１の実施形態のステータ
３〜１０  ロータ１の永久磁石
１１〜１６  ステータ２の電磁石
１７〜２１  第２の実施形態の球面ステッピングモータに係り、ロータ１に追加した磁性体
２２〜２８  第２の実施形態の球面ステッピングモータに係り、ステータ１に追加した電磁石
２９〜５２  第３の実施形態の球面ステッピングモータに係り、第２の実施形態のステータに追加した電磁石
５３〜６４  第４の実施形態の球面ステッピングモータに係り、第２の実施形態のステータに追加した電磁石
１０１  第５の実施形態のロータ
１０２  第５の実施形態のステータ
１０３〜１１０  ロータ１０１の永久磁石
１１１〜１１４  ステータ１０２の電磁石
１１７〜１２１  第２の実施形態に対応して、第５の実施形態のロータ１０１に追加した磁性体
１２９〜１４０  第３の実施形態に対応して、第５の実施形態のステータ１０２に追加した電磁石
１５３〜１５８  第４の実施形態に対応して、第５の実施形態のステータ１０２に追加した電磁石
２０１  第６の実施形態のロータ
２０２  第６の実施形態のステータ
２０３〜２２６  ロータ２０１の永久磁石
２２７〜２４６  ステータ２０２の電磁石
２４７〜２５９  第２の実施形態に対応して、第６の実施形態のロータ２０１に追加した磁性体
２６０〜２７１  第２の実施形態に対応して、第６の実施形態のステータ２０２に追加した電磁石
２７２〜３３１  第３の実施形態に対応して、第６の実施形態のステータ１０２に追加した電磁石
３３２〜３６１  第４の実施形態に対応して、第６の実施形態のステータ１０２に追加した電磁石
４０１〜４０８  ハルバッハ配列の永久磁石
４０９〜４４４  ハルバッハ配列の永久磁石
５０１〜５２４  ハルバッハ配列の永久磁石
５２５〜６３２  ハルバッハ配列の永久磁石
【図５７】
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【図５８】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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