モーター、ロボットハンドおよびロボット
【課題】モーターの用途に最適なモーター出力（トルク）とトルクリップルのバランスを容易に調整することができるモーターを提供する。
【解決手段】円柱形状の回転体と、回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、前記空芯巻線が、前記磁石の磁極の幅に相当する幅をａ、相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置されるモーター。
【解決手段】円柱形状の回転体と、回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、前記空芯巻線が、前記磁石の磁極の幅に相当する幅をａ、相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置されるモーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の直流モーターとして空芯巻線を用いたコアレスモーターが広く用いられている。この空芯巻線を矩形状に形成し、永久磁石を備える回転子の周囲に配置するモーターが提案されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に開示されている空芯巻線を備えるコアレスモーターでは、モーター出力の発生トルクを大きくすることができるが、空芯巻線が回転子に備える磁石の磁極境界近傍においては出力が大きく低下する、トルクリップルが発生してしまい、安定したトルクを得ることが困難であった。
【０００３】
この課題を解決するため、空芯巻線の形状をひし形として、対向する磁石面を斜めに横切る巻線部を備えることで、トルクリップルを解消したモーターが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかし、上述の特許文献２では、トルクリップルの解消を得ることができるが、モーター出力（トルク）を大きくすることが困難という課題が有った。
【０００６】
そこで、モーターの用途に最適なモーター出力（トルク）とトルクリップルのバランスを容易に調整することができるモーターを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例によるモーターは、円柱形状の回転体と、前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは、前記円筒部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、
前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、前記空芯巻線が、前記磁石の回転方向の磁極の幅に相当する幅をａ、前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置されることを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、回転体の回転方向に対して斜めに配置される第５配線が、回転体の回転に伴って緩やかに回転力を変動させ、第１配線および第２配線が磁極境界を通過する際に発生するリップル（急激な回転力低下）を小さくすることができる。更に、空芯巻線をａ／ｍの間隔で配置することにより、一つの空芯巻線の第５配線により回転力が低下する時に、他の空芯巻線の第５配線の回転力は回復するようになる。このため、モーターの回転トルクにおけるトルクリップルが小さく、またトルク変動の少ないコアレスモーターを得ることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記空芯巻線は点対称の８角形形状を備え、前記磁石の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、とした場合、前記空芯巻線を２ｎｍ個もしくはｎｍ個備え、前記第３配線および前記第４配線の延伸長さＬAを、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
とすることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例によれば、一つの空芯巻線の第１配線および第２配線が、リップルを発生させる磁極境界上を通過するときであっても、他の空芯巻線においては最大トルクを発生させる位置にあるため、回転体としてリップルによる回転力低下を抑制することができる。
【００１２】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ＬB＝ｂ／２
とすることを特徴とする。
【００１３】
上述の適用例によれば、回転トルクとトルクリップルとのバランスが取れた性能のモーターを得ることができる。
【００１４】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
０＜ＬB＜ｂ／２
とすること特徴とする。
【００１５】
上述の適用例によれば、トルクリップルを抑制したモーターを得ることができる。
【００１６】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ｂ／２＜ＬB＜ｂ
とすることを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、大きな回転トルクを備えたモーターを得ることができる。
【００１８】
〔適用例６〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例に記載のモーターを備える。
【００１９】
本適用例によるロボットハンドは、小型のコアレスモーターを用いることで、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットに適用することができる。
【００２０】
〔適用例７〕本適用例のロボットは、上述の適用例に記載のロボットハンドを備える。
【００２１】
本適用例によるロボットによれば、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係るモーターの、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図２】第１実施形態に係るモーターの動作を説明する概略図。
【図３】第１実施形態に係るモーターの動作を説明する模式図。
【図４】第１実施形態に係るモーターの回転力変動を説明する図。
【図５】第１実施形態に係るモーターの、空芯巻線相数におけるその他の例を示す概略図。
【図６】第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係るモーター１００を示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、モーター１００は円柱状の回転体１０が、回転体１０の回転軸方向に延伸させた回転軸２０に固定された回転子３０を有している。この回転子３０は、回転軸２０をボールベアリングなどの軸受６０ａを介して回転可能に基体６１，６２に支持されている。
【００２５】
回転体１０の外周部を囲うように、空芯巻線４０を巻線固定枠５１に固定したステーター５０が配置されている。回転体１０は、円柱状の回転基体１１の周囲に永久磁石１２（以後、磁石１２という）を複数固着させた形態となっている。なお、回転基体１１を用いず磁石１２を直接回転軸２０に固着させ、回転子３０を構成しても良い。
【００２６】
ステーター５０は図１（ｃ）に示すように、複数の空芯巻線４０は一部が重なるように巻線固定枠５１の外周に固定されている。また、図１（ｂ）に示すように基体６１，６２のどちらか一方、もしくは両方には回転子３０の回転位置を検出する回転位置センサー６０ｂと、回転位置センサー６０ｂからの回転子３０の回転位置検出信号を受け、空芯巻線４０へ流す電流を制御する制御回路６０ｃと、を備えている。
【００２７】
このように構成されたモーター１００では、制御回路６０ｃによって各々の空芯巻線４０に対して所定の方向、量の電流を流すことにより、フレミング左手の法則により空芯巻線４０に生じるローレンツ力（以下、「回転力」という）の反力として回転体１０の磁石１２に力が生じて回転子３０が回転する。図２は空芯巻線４０と回転体１０の磁石１２との関係を示す図であり、説明の便宜上、磁石１２の磁極面を平面に展開し、空芯巻線４０を配置した模式図である。
【００２８】
図２（ａ）は、１個の空芯巻線４０を取り出し、磁石１２の磁極との関係を説明する模式図である。図２（ａ）に示すように、空芯巻線４０は自己融着エナメル線を複数回巻いて形成され、磁石１２はＮ極、Ｓ極を回転方向に交互に配置されている。図２（ａ）では、空芯巻線４０は３回巻きの形態であるが、これに限定されず要求されるモーター１００の性能によって、適宜巻き数を決定すれば良い。
【００２９】
空芯巻線４０は、磁石１２の矢印で示す回転方向に対して直交する方向に延伸される第１配線Ｃ１および第２配線Ｃ２と、回転方向に延伸される第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４と、を有する。
【００３０】
各配線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を繋ぎ、空芯巻線４０を８角形に形成する４カ所の第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４と、を有している。図２（ｃ）に示すように、このような配線により形成される空芯巻線４０の回転方向の幅Ｗは、磁石１２の磁極の幅ａと略同じとなるように形成される。また、空芯巻線４０の一方の端部４０ａと他方の端部４０ｂとは制御回路６０ｃに接続され、制御回路６０ｃから直流電流が供給される。
【００３１】
例えば、制御回路６０ｃから、端部４０ａにプラス（＋）、端部４０ｂにマイナス（−）の直流電流が投入されると、空芯巻線４０には、図示矢印方向の電流Ｉが流れる。この電流Ｉの流れによって、図示する磁石１２の磁極に対応した回転力が発生する。図２（ａ）では、第１配線Ｃ１には磁石１２のＮ極が対向しているのでフレミング左手の法則によって図示右方向Ｆ５の力が発生する。第２配線Ｃ２にはＳ極が対向しているが、第１配線Ｃ１とは逆方向の電流の向きとなり、第１配線Ｃ１と同じ方向のＦ６の力が発生する。
【００３２】
磁石１２のＮ極に対向する第５配線Ｃ５１，Ｃ５２では磁石１２の回転方向に対して斜め方向のＦ１，Ｆ２の力が発生する。同様に、Ｓ極に対向する第５配線Ｃ５３，Ｃ５４でも、磁石１２の回転方向に対して斜め方向のＦ３，Ｆ４の力が発生する。この発生した力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４はそれぞれ、図２（ｂ）に示すように、Ｆ１，Ｆ３の回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ３ｘと回転方向の垂直方向の力成分Ｆ１ｙ，Ｆ３ｙに分解でき、Ｆ２，Ｆ４の回転方向の力成分Ｆ２ｘ，Ｆ４ｘと回転方向の垂直方向の力成分Ｆ２ｙ，Ｆ４ｙに分解できる。垂直方向の力成分Ｆ１ｙ，Ｆ２ｙ，Ｆ３ｙ，Ｆ４ｙは磁石１２を備える回転体１０の回転には寄与しない力成分であり、回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘが回転体１０の回転に寄与する力成分となり、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘのいずれもが図示右方向に向かっている。
【００３３】
空芯巻線４０は固定されていることから、空芯巻線４０の第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２に発生する回転力ｆLと、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転力ｆL´の磁石１２の回転方向成分ｆLh´´と、の反力が磁石１２に作用し、磁石１２を備える回転体１０は矢印Ｒ方向、すなわち図示における左方向に回転する。
【００３４】
このように回転体１０を回転させる力を、空芯巻線４０に対向する磁石１２の磁極に応じて、制御回路６０ｃが図１に示した回転位置センサー６０ｂの検出信号に基づく電流を投入し、回転体１０を所定の回転方向に回転させることができる。
【００３５】
図２（ｃ）は、複数の空芯巻線４０の磁石１２に対する配置を説明する概念図である。本例では、３相の駆動配線を例に説明する。図２（ｃ）に示すように、空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の幅Ｗは、磁極の幅ａと略同じに設定される。すなわち、第１配線Ｃ１が磁極の境界に位置する時、第２配線Ｃ２も磁極境界に位置するように空芯巻線４０は形成される。隣り合う空芯巻線４０の第１配線Ｃ１同士、もしくは第２配線Ｃ２同士との間隔Ｄが、磁石１２の磁極の幅ａの中に、
Ｄ≒ａ／３
となるように空芯巻線４０は配置されている。
【００３６】
このように配置されるモーター１００に備える空芯巻線４０の総数は、回転体１０に備える磁石１２の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、駆動相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合、空芯巻線４０の数は「２ｎ×ｍ」個または「ｎ×ｍ」個を備える。本実施形態に係るモーター１００においては磁極数が４、駆動相数が３であり、空芯巻線４０は１２個備える形態となる。なお、空芯巻線４０の数はこれに限定されず、上述の通りモーター１００に所定の要求性能を備えさせる磁極数、駆動相数により適宜、決定される。
【００３７】
また、空芯巻線４０における磁石１２の回転方向に延伸される第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の延伸長さをＬAとした場合、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
に設定される。本例における駆動相数ｍ＝３の場合には、ＬA＝ａ／３となる。このように第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の延伸長さＬAを設定することにより、磁石１２の回転方向に対向する第５配線Ｃ５１と第５配線Ｃ５４とに発生する回転力に相殺する力の発生を抑制し、第５配線Ｃ５２と第５配線Ｃ５３とに発生する回転力に相殺する力の発生を抑制することができる。
【００３８】
ここで、図２（ａ）でも説明した本実施形態に係るモーター１００が備える空芯巻線４０に発生する回転力について、更に詳細に説明する。図３は空芯巻線４０と磁石１２を模式化した図である。
【００３９】
図３（ａ）は、空芯巻線４０の第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の範囲に磁石１２の磁極境界がある場合に空芯巻線４０に働く回転力を表わした模式図である。図３（ａ）に示すように、矢印方向に電流Ｉが流れた場合の、各配線に発生する回転力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は次のように求められる。
【００４０】
次に示す式において、ａは磁石１２の回転方向の磁極の幅、ｂは磁石１２の回転方向に直交する方向の幅、ＬBは空芯巻線４０の第１配線Ｃ１および第２配線Ｃ２の延伸長さ、ｃは第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の延伸長さ、θは第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の図示垂線に対する角度、Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘはＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の磁石１２の回転方向の力成分、Ｆは空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の回転力の総和を示す。
【００４１】
回転力の総和Ｆは、
Ｆ＝Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ＋Ｆ３ｘ＋Ｆ４ｘ＋Ｆ５＋Ｆ６ （式１）
となるが、空芯巻線４０は中心線に対して対称であることが好ましく、従って、
Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４，Ｆ５＝Ｆ６ （式２）
の関係となり、よって、
Ｆ＝４×Ｆ１ｘ＋２×Ｆ５＝４×Ｆ１×ｃｏｓθ＋２×Ｆ５ （式３）
となる。ここで、
Ｆ１＝Ｂ×ｃ×Ｉ，Ｆ５＝Ｂ×ＬB×Ｉ （Ｂ：磁束密度） （式４）
により求められるので、
Ｆ＝４×Ｂ×ｃ×Ｉ×ｃｏｓθ＋２×Ｂ×ＬB×Ｉ
＝２×Ｂ×Ｉ×（２×ｃ×ｃｏｓθ＋ＬB） （式５）
となる。また、
ｃｏｓθ＝（ｂ−ＬB）／（２×ｃ） （式６）
と求められるので、式５に代入すると、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ （式７）
となる。これにより、空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の回転力の総和Ｆが求められる。
【００４２】
図３（ｂ）は、空芯巻線４０の第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の範囲に磁石１２の磁極境界がある場合に、空芯巻線４０に働く回転力を表わした模式図である。図３（ｂ）に示すように、空芯巻線４０の中心と磁極境界との距離をＸとし、矢印方向に電流Ｉが流れた場合の、各配線に発生する回転力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は次のように求められる。
【００４３】
第５配線Ｃ５１，Ｃ５２においては、磁極境界から異なる磁極に対向する延伸長さｃ´部においては逆方向に力が発生する。従って、Ｆ１，Ｆ２の回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘは、
Ｆ１ｘ＝Ｆ２ｘ＝Ｂ×Ｉ×（ｃ−ｃ´）×ｃｏｓθ−Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ
＝Ｂ×Ｉ×（ｃ−２×ｃ´）×ｃｏｓθ
＝Ｂ×Ｉ×ｃ×ｃｏｓθ−２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ （式８）
と求められる。すなわち、式７より、逆方向の力分である「２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ」を減ずればよい。すなわち、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ−２×｛２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ｝ （式９）
となる。ここで、図３（ｂ）より、
ｃ´ｃｏｓθ＝｛（ｂ−ＬB）／２｝×｛３×（Ｘ−ａ／６）／ａ｝ （式１０）
と表わされ、式９に代入すると、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ
−４×Ｂ×Ｉ×｛（ｂ−ＬB）／２｝×｛３×（Ｘ−ａ／６）／ａ｝ （式１１）
と求められる。すなわち空芯巻線４０の磁極境界からの距離Ｘに比例し回転力Ｆ、すなわち磁石１２の回転力が減少してゆく。
【００４４】
式１１から、Ｘ＝ａ／２の場合、すなわち磁極境界に第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２が重なる状態の回転力の総和Ｆは、
Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉ （式１２）
となる。しかし、Ｘ＝ａ／２においては第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２とが磁極境界と重なる位置であり、磁極境界における磁束密度ＢはＢ＝０となるので、式１１においてＢ＝０となるので、Ｆ＝０となる。よって、式１２はＸ≒ａ／２の状態における回転力Ｆであるといえる。
【００４５】
以上、説明したように空芯巻線４０と磁石１２の磁極との位置によって、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転力は変化する。図４は、空芯巻線４０が磁石１２の回転によって回転力Ｆの変動を表わした図である。図４（ａ）に示す、磁石１２と第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の配置において、矢印Ｐ方向が回転力Ｆの方向であり、その反力として矢印Ｑ方向に磁石１２を備える回転体１０が回転することを示している。
【００４６】
図４（ａ）は、３相の空芯巻線４１，４２，４３のうち第１相空芯巻線４１を例に、第１相空芯巻線４１の相対移動位置における回転力を示したものである。図４（ａ）の図示上図に示す磁石１２の磁極に対して、第１相空芯巻線４１は相対的に矢印Ｐへ移動する。図示では第１相空芯巻線４１の中心と磁極中心とが対向する位置を基準として説明する。
【００４７】
基準位置では、第１相空芯巻線４１の第１、第２配線は磁極境界に対向しているため、上述の通り回転力は発生しない（ｐ１）。ここから、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が移動し始めると式１２に示すＦ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉの回転力が発生する（ｐ２）。更に、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対してａ／３移動するまで、すなわち式１１におけるＸがａ／２＜Ｘ＜５ａ／６の範囲で変化し、回転力Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉから移動量に比例して増加する。そして、Ｘ＝５ａ／６において回転力Ｆは式７のＦ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉの値となり（ｐ３）、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対して２ａ／３移動するまで、その回転力Ｆがｐ３からｐ４まで維持される。
【００４８】
次に、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対して２ａ／３移動を超えて移動する、すなわち式１１においてＸがａ／６＜Ｘ＜ａ／２の範囲で変化し、回転力Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉから移動量に比例して減少する。そして、Ｘ≒ａ／２において回転力Ｆは式１２のＦ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉの値（ｐ５）となり、Ｘ＝ａ／２において回転力Ｆ＝０となる（ｐ６）。以上を繰り返す動作によって、磁石１２を回転させる。このように、最大回転力Ｆが維持されるｐ３からｐ４の回転力に対して、回転力が変動するｐ１〜ｐ３およびｐ４〜ｐ６が、いわゆるリップルと呼ばれ、モーター１００の回転トルクを変動させるものである。
【００４９】
本実施形態における３相駆動のモーター１００では、磁極の幅ａに対してａ／３ずつ配置をずらして、図４（ａ）に示すように第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３が配置される。それぞれの、回転力Ｆは上述の第１相空芯巻線４１で説明した変動と同じであるので、図４（ｂ）に示すように回転力は磁石１２の位置に対してａ／３ずれて発生する。モーター１００の回転力は、これら第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の回転力を合成して得られるものであり、図４（ｃ）のような回転力変動となる。
【００５０】
図４（ｃ）に示すように、１相の空芯巻線が最大回転力を発生している場合には、他の２相の空芯巻線は回転力が変動するｐ１〜ｐ３またはｐ４〜ｐ６に有って、互いの増減によって式１２の回転力Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉを得ることができる。また、１相の空芯巻線が回転力を発生しないｐ０（ｐ６）にあっても、他の２相の空芯巻線がｐ３もしくはｐ４の最大回転力を発生している位置にあり、Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉの回転力を得ることができる。また、ｐ０あるいはｐ６の回転力＝０となる時間は極めて短く、よって回転力の変動（リップル）のない回転力を得ることができ、なお且つ高出力のコアレスモーターを得ることができる。
【００５１】
上述した本実施形態に係るモーター１００の回転力Ｆは、３相駆動巻線を備える形態を例示したが、これに限定はされない。例えば、４相駆動巻線の場合について、説明する。図５（ａ）は４相駆動巻線の空芯巻線４０Ａを磁極の幅ａの中に配置した概略図である。駆動相数＝ｍとした場合、磁極の幅ａの中には隣り合う空芯巻線４０Ａとはａ／ｍの間隔、すなわち４相駆動の場合にはａ／４の間隔をおいて位置される。上述の３相駆動の場合の図４で説明したとおり、本発明は、個々の空芯巻線４０の回転力のリップルの発生ポイント、特に第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２が磁極境界と対向する位置で回転力を発生しないときに他の空芯巻線４０のいずれかが回転力の最大値を発生するように配置、すなわち、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４が磁極境界と対向している状態にあるように配置される。
【００５２】
このように配置させるために、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４上における基点位置を、図５（ａ）に示すように磁石の回転方向で、第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２からａ／ｍ＝ａ／４とする。従って、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４の延伸長さＬAは、
ＬA＝ａ−２×ａ／ｍ＝（ａｍ−２ａ）／ｍ＝ａ×（ｍ−２）／ｍ （式１３）
で求めることができ、４相駆動の場合にはＬA＝ａ×２／４となる。
【００５３】
同様に、５相駆動の場合には式１３においてｍ＝５であり、ＬA＝ａ×３／５となるので、空芯巻線４０Ｂの第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４上における基点位置は、図５（ｂ）に示すように磁石の回転方向で、第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２からａ／ｍ＝ａ／５となり、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４の延伸長さＬAは、ＬA＝ａ×３／５と設定される。このように、駆動相数によって空芯巻線の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４の延伸長さを式１３に基づいて設定することができる。
【００５４】
上述の本実施形態に係るモーター１００における、回転力リップルを抑制する作用を図４に基づいて説明したが、特に図４（ｃ）に示す各駆動巻線の回転力を合成したモーター１００の合成力は、最大の回転力が、
Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉ＋２×Ｂ×ＬB×Ｉ （式１４）
であり、最小の回転力であるリップル領域において、
Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉ （式１５）
である。
【００５５】
ここで、ＬBを０＜ＬB＜ｂの範囲でモーター１００の総回転力Ｆとリップルの関係を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１に示すように、ＬB≒０（表１においてはＬB＝０を参照）、すなわちＬBが限り無く０に近い値の場合、式１４においてＦ≒４×Ｂ×ｂ×Ｉとなり、式１５と同じ値を得ることができる。このことは、ＬBを小さくすることによって、リップルの発生をより小さくし、変動の少ない回転を得ることができるモーター１００にすることができる。
【００５８】
反対に、ＬB≒ｂ（表１においてはＬB＝ｂを参照）、すなわちＬBが限り無くｂに近い値の場合、式１４においてＦ≒６×Ｂ×ｂ×Ｉとなり、大きな回転力を備えるモーター１００を得ることができる。
【００５９】
また、ＬB＝２ｂ／４＝ｂ／２においては、回転力とリップルのバランスが取れたモーター１００を得ることができる。このようにＬBを変化させるだけで、リップルを許容しながらも大きな回転力を必要とするモーターも、リップルを略発生させないスムースな回転力を必要とするモーターも、得ることができる応用範囲の広いモーター設計を可能とするものである。
【００６０】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態のモーター１００を備えるロボットハンド１０００の構成を示す図である。ロボットハンド１０００は、基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部と、指部１２００の間接部とには、モーター１００が設けられている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００６１】
（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００６２】
アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００６３】
アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド１０００が取り付けられており、対象物を把持することができる。
ロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
また、本例に限定されず双腕ロボットのロボットハンドにも適用することができる。
【００６４】
以上のように実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、モーター、ロボットハンドおよびロボットの構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…回転体、２０…回転軸、３０…回転子、４０…空芯巻線、５０…ステーター、６１，６２…基体、１００…モーター。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の直流モーターとして空芯巻線を用いたコアレスモーターが広く用いられている。この空芯巻線を矩形状に形成し、永久磁石を備える回転子の周囲に配置するモーターが提案されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に開示されている空芯巻線を備えるコアレスモーターでは、モーター出力の発生トルクを大きくすることができるが、空芯巻線が回転子に備える磁石の磁極境界近傍においては出力が大きく低下する、トルクリップルが発生してしまい、安定したトルクを得ることが困難であった。
【０００３】
この課題を解決するため、空芯巻線の形状をひし形として、対向する磁石面を斜めに横切る巻線部を備えることで、トルクリップルを解消したモーターが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかし、上述の特許文献２では、トルクリップルの解消を得ることができるが、モーター出力（トルク）を大きくすることが困難という課題が有った。
【０００６】
そこで、モーターの用途に最適なモーター出力（トルク）とトルクリップルのバランスを容易に調整することができるモーターを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例によるモーターは、円柱形状の回転体と、前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する基体と、前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、前記ステーターは、前記円筒部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、前記空芯巻線は、前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、
前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、前記空芯巻線が、前記磁石の回転方向の磁極の幅に相当する幅をａ、前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置されることを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、回転体の回転方向に対して斜めに配置される第５配線が、回転体の回転に伴って緩やかに回転力を変動させ、第１配線および第２配線が磁極境界を通過する際に発生するリップル（急激な回転力低下）を小さくすることができる。更に、空芯巻線をａ／ｍの間隔で配置することにより、一つの空芯巻線の第５配線により回転力が低下する時に、他の空芯巻線の第５配線の回転力は回復するようになる。このため、モーターの回転トルクにおけるトルクリップルが小さく、またトルク変動の少ないコアレスモーターを得ることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記空芯巻線は点対称の８角形形状を備え、前記磁石の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、とした場合、前記空芯巻線を２ｎｍ個もしくはｎｍ個備え、前記第３配線および前記第４配線の延伸長さＬAを、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
とすることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例によれば、一つの空芯巻線の第１配線および第２配線が、リップルを発生させる磁極境界上を通過するときであっても、他の空芯巻線においては最大トルクを発生させる位置にあるため、回転体としてリップルによる回転力低下を抑制することができる。
【００１２】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ＬB＝ｂ／２
とすることを特徴とする。
【００１３】
上述の適用例によれば、回転トルクとトルクリップルとのバランスが取れた性能のモーターを得ることができる。
【００１４】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
０＜ＬB＜ｂ／２
とすること特徴とする。
【００１５】
上述の適用例によれば、トルクリップルを抑制したモーターを得ることができる。
【００１６】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ｂ／２＜ＬB＜ｂ
とすることを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、大きな回転トルクを備えたモーターを得ることができる。
【００１８】
〔適用例６〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例に記載のモーターを備える。
【００１９】
本適用例によるロボットハンドは、小型のコアレスモーターを用いることで、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットに適用することができる。
【００２０】
〔適用例７〕本適用例のロボットは、上述の適用例に記載のロボットハンドを備える。
【００２１】
本適用例によるロボットによれば、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係るモーターの、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図２】第１実施形態に係るモーターの動作を説明する概略図。
【図３】第１実施形態に係るモーターの動作を説明する模式図。
【図４】第１実施形態に係るモーターの回転力変動を説明する図。
【図５】第１実施形態に係るモーターの、空芯巻線相数におけるその他の例を示す概略図。
【図６】第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係るモーター１００を示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、モーター１００は円柱状の回転体１０が、回転体１０の回転軸方向に延伸させた回転軸２０に固定された回転子３０を有している。この回転子３０は、回転軸２０をボールベアリングなどの軸受６０ａを介して回転可能に基体６１，６２に支持されている。
【００２５】
回転体１０の外周部を囲うように、空芯巻線４０を巻線固定枠５１に固定したステーター５０が配置されている。回転体１０は、円柱状の回転基体１１の周囲に永久磁石１２（以後、磁石１２という）を複数固着させた形態となっている。なお、回転基体１１を用いず磁石１２を直接回転軸２０に固着させ、回転子３０を構成しても良い。
【００２６】
ステーター５０は図１（ｃ）に示すように、複数の空芯巻線４０は一部が重なるように巻線固定枠５１の外周に固定されている。また、図１（ｂ）に示すように基体６１，６２のどちらか一方、もしくは両方には回転子３０の回転位置を検出する回転位置センサー６０ｂと、回転位置センサー６０ｂからの回転子３０の回転位置検出信号を受け、空芯巻線４０へ流す電流を制御する制御回路６０ｃと、を備えている。
【００２７】
このように構成されたモーター１００では、制御回路６０ｃによって各々の空芯巻線４０に対して所定の方向、量の電流を流すことにより、フレミング左手の法則により空芯巻線４０に生じるローレンツ力（以下、「回転力」という）の反力として回転体１０の磁石１２に力が生じて回転子３０が回転する。図２は空芯巻線４０と回転体１０の磁石１２との関係を示す図であり、説明の便宜上、磁石１２の磁極面を平面に展開し、空芯巻線４０を配置した模式図である。
【００２８】
図２（ａ）は、１個の空芯巻線４０を取り出し、磁石１２の磁極との関係を説明する模式図である。図２（ａ）に示すように、空芯巻線４０は自己融着エナメル線を複数回巻いて形成され、磁石１２はＮ極、Ｓ極を回転方向に交互に配置されている。図２（ａ）では、空芯巻線４０は３回巻きの形態であるが、これに限定されず要求されるモーター１００の性能によって、適宜巻き数を決定すれば良い。
【００２９】
空芯巻線４０は、磁石１２の矢印で示す回転方向に対して直交する方向に延伸される第１配線Ｃ１および第２配線Ｃ２と、回転方向に延伸される第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４と、を有する。
【００３０】
各配線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を繋ぎ、空芯巻線４０を８角形に形成する４カ所の第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４と、を有している。図２（ｃ）に示すように、このような配線により形成される空芯巻線４０の回転方向の幅Ｗは、磁石１２の磁極の幅ａと略同じとなるように形成される。また、空芯巻線４０の一方の端部４０ａと他方の端部４０ｂとは制御回路６０ｃに接続され、制御回路６０ｃから直流電流が供給される。
【００３１】
例えば、制御回路６０ｃから、端部４０ａにプラス（＋）、端部４０ｂにマイナス（−）の直流電流が投入されると、空芯巻線４０には、図示矢印方向の電流Ｉが流れる。この電流Ｉの流れによって、図示する磁石１２の磁極に対応した回転力が発生する。図２（ａ）では、第１配線Ｃ１には磁石１２のＮ極が対向しているのでフレミング左手の法則によって図示右方向Ｆ５の力が発生する。第２配線Ｃ２にはＳ極が対向しているが、第１配線Ｃ１とは逆方向の電流の向きとなり、第１配線Ｃ１と同じ方向のＦ６の力が発生する。
【００３２】
磁石１２のＮ極に対向する第５配線Ｃ５１，Ｃ５２では磁石１２の回転方向に対して斜め方向のＦ１，Ｆ２の力が発生する。同様に、Ｓ極に対向する第５配線Ｃ５３，Ｃ５４でも、磁石１２の回転方向に対して斜め方向のＦ３，Ｆ４の力が発生する。この発生した力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４はそれぞれ、図２（ｂ）に示すように、Ｆ１，Ｆ３の回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ３ｘと回転方向の垂直方向の力成分Ｆ１ｙ，Ｆ３ｙに分解でき、Ｆ２，Ｆ４の回転方向の力成分Ｆ２ｘ，Ｆ４ｘと回転方向の垂直方向の力成分Ｆ２ｙ，Ｆ４ｙに分解できる。垂直方向の力成分Ｆ１ｙ，Ｆ２ｙ，Ｆ３ｙ，Ｆ４ｙは磁石１２を備える回転体１０の回転には寄与しない力成分であり、回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘが回転体１０の回転に寄与する力成分となり、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘのいずれもが図示右方向に向かっている。
【００３３】
空芯巻線４０は固定されていることから、空芯巻線４０の第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２に発生する回転力ｆLと、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転力ｆL´の磁石１２の回転方向成分ｆLh´´と、の反力が磁石１２に作用し、磁石１２を備える回転体１０は矢印Ｒ方向、すなわち図示における左方向に回転する。
【００３４】
このように回転体１０を回転させる力を、空芯巻線４０に対向する磁石１２の磁極に応じて、制御回路６０ｃが図１に示した回転位置センサー６０ｂの検出信号に基づく電流を投入し、回転体１０を所定の回転方向に回転させることができる。
【００３５】
図２（ｃ）は、複数の空芯巻線４０の磁石１２に対する配置を説明する概念図である。本例では、３相の駆動配線を例に説明する。図２（ｃ）に示すように、空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の幅Ｗは、磁極の幅ａと略同じに設定される。すなわち、第１配線Ｃ１が磁極の境界に位置する時、第２配線Ｃ２も磁極境界に位置するように空芯巻線４０は形成される。隣り合う空芯巻線４０の第１配線Ｃ１同士、もしくは第２配線Ｃ２同士との間隔Ｄが、磁石１２の磁極の幅ａの中に、
Ｄ≒ａ／３
となるように空芯巻線４０は配置されている。
【００３６】
このように配置されるモーター１００に備える空芯巻線４０の総数は、回転体１０に備える磁石１２の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、駆動相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合、空芯巻線４０の数は「２ｎ×ｍ」個または「ｎ×ｍ」個を備える。本実施形態に係るモーター１００においては磁極数が４、駆動相数が３であり、空芯巻線４０は１２個備える形態となる。なお、空芯巻線４０の数はこれに限定されず、上述の通りモーター１００に所定の要求性能を備えさせる磁極数、駆動相数により適宜、決定される。
【００３７】
また、空芯巻線４０における磁石１２の回転方向に延伸される第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の延伸長さをＬAとした場合、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
に設定される。本例における駆動相数ｍ＝３の場合には、ＬA＝ａ／３となる。このように第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の延伸長さＬAを設定することにより、磁石１２の回転方向に対向する第５配線Ｃ５１と第５配線Ｃ５４とに発生する回転力に相殺する力の発生を抑制し、第５配線Ｃ５２と第５配線Ｃ５３とに発生する回転力に相殺する力の発生を抑制することができる。
【００３８】
ここで、図２（ａ）でも説明した本実施形態に係るモーター１００が備える空芯巻線４０に発生する回転力について、更に詳細に説明する。図３は空芯巻線４０と磁石１２を模式化した図である。
【００３９】
図３（ａ）は、空芯巻線４０の第３配線Ｃ３および第４配線Ｃ４の範囲に磁石１２の磁極境界がある場合に空芯巻線４０に働く回転力を表わした模式図である。図３（ａ）に示すように、矢印方向に電流Ｉが流れた場合の、各配線に発生する回転力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は次のように求められる。
【００４０】
次に示す式において、ａは磁石１２の回転方向の磁極の幅、ｂは磁石１２の回転方向に直交する方向の幅、ＬBは空芯巻線４０の第１配線Ｃ１および第２配線Ｃ２の延伸長さ、ｃは第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の延伸長さ、θは第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の図示垂線に対する角度、Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ３ｘ，Ｆ４ｘはＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の磁石１２の回転方向の力成分、Ｆは空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の回転力の総和を示す。
【００４１】
回転力の総和Ｆは、
Ｆ＝Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ＋Ｆ３ｘ＋Ｆ４ｘ＋Ｆ５＋Ｆ６ （式１）
となるが、空芯巻線４０は中心線に対して対称であることが好ましく、従って、
Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４，Ｆ５＝Ｆ６ （式２）
の関係となり、よって、
Ｆ＝４×Ｆ１ｘ＋２×Ｆ５＝４×Ｆ１×ｃｏｓθ＋２×Ｆ５ （式３）
となる。ここで、
Ｆ１＝Ｂ×ｃ×Ｉ，Ｆ５＝Ｂ×ＬB×Ｉ （Ｂ：磁束密度） （式４）
により求められるので、
Ｆ＝４×Ｂ×ｃ×Ｉ×ｃｏｓθ＋２×Ｂ×ＬB×Ｉ
＝２×Ｂ×Ｉ×（２×ｃ×ｃｏｓθ＋ＬB） （式５）
となる。また、
ｃｏｓθ＝（ｂ−ＬB）／（２×ｃ） （式６）
と求められるので、式５に代入すると、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ （式７）
となる。これにより、空芯巻線４０の磁石１２の回転方向の回転力の総和Ｆが求められる。
【００４２】
図３（ｂ）は、空芯巻線４０の第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の範囲に磁石１２の磁極境界がある場合に、空芯巻線４０に働く回転力を表わした模式図である。図３（ｂ）に示すように、空芯巻線４０の中心と磁極境界との距離をＸとし、矢印方向に電流Ｉが流れた場合の、各配線に発生する回転力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は次のように求められる。
【００４３】
第５配線Ｃ５１，Ｃ５２においては、磁極境界から異なる磁極に対向する延伸長さｃ´部においては逆方向に力が発生する。従って、Ｆ１，Ｆ２の回転方向の力成分Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘは、
Ｆ１ｘ＝Ｆ２ｘ＝Ｂ×Ｉ×（ｃ−ｃ´）×ｃｏｓθ−Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ
＝Ｂ×Ｉ×（ｃ−２×ｃ´）×ｃｏｓθ
＝Ｂ×Ｉ×ｃ×ｃｏｓθ−２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ （式８）
と求められる。すなわち、式７より、逆方向の力分である「２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ」を減ずればよい。すなわち、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ−２×｛２×Ｂ×Ｉ×ｃ´×ｃｏｓθ｝ （式９）
となる。ここで、図３（ｂ）より、
ｃ´ｃｏｓθ＝｛（ｂ−ＬB）／２｝×｛３×（Ｘ−ａ／６）／ａ｝ （式１０）
と表わされ、式９に代入すると、
Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉ
−４×Ｂ×Ｉ×｛（ｂ−ＬB）／２｝×｛３×（Ｘ−ａ／６）／ａ｝ （式１１）
と求められる。すなわち空芯巻線４０の磁極境界からの距離Ｘに比例し回転力Ｆ、すなわち磁石１２の回転力が減少してゆく。
【００４４】
式１１から、Ｘ＝ａ／２の場合、すなわち磁極境界に第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２が重なる状態の回転力の総和Ｆは、
Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉ （式１２）
となる。しかし、Ｘ＝ａ／２においては第１配線Ｃ１と第２配線Ｃ２とが磁極境界と重なる位置であり、磁極境界における磁束密度ＢはＢ＝０となるので、式１１においてＢ＝０となるので、Ｆ＝０となる。よって、式１２はＸ≒ａ／２の状態における回転力Ｆであるといえる。
【００４５】
以上、説明したように空芯巻線４０と磁石１２の磁極との位置によって、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４に発生する回転力は変化する。図４は、空芯巻線４０が磁石１２の回転によって回転力Ｆの変動を表わした図である。図４（ａ）に示す、磁石１２と第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の配置において、矢印Ｐ方向が回転力Ｆの方向であり、その反力として矢印Ｑ方向に磁石１２を備える回転体１０が回転することを示している。
【００４６】
図４（ａ）は、３相の空芯巻線４１，４２，４３のうち第１相空芯巻線４１を例に、第１相空芯巻線４１の相対移動位置における回転力を示したものである。図４（ａ）の図示上図に示す磁石１２の磁極に対して、第１相空芯巻線４１は相対的に矢印Ｐへ移動する。図示では第１相空芯巻線４１の中心と磁極中心とが対向する位置を基準として説明する。
【００４７】
基準位置では、第１相空芯巻線４１の第１、第２配線は磁極境界に対向しているため、上述の通り回転力は発生しない（ｐ１）。ここから、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が移動し始めると式１２に示すＦ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉの回転力が発生する（ｐ２）。更に、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対してａ／３移動するまで、すなわち式１１におけるＸがａ／２＜Ｘ＜５ａ／６の範囲で変化し、回転力Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉから移動量に比例して増加する。そして、Ｘ＝５ａ／６において回転力Ｆは式７のＦ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉの値となり（ｐ３）、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対して２ａ／３移動するまで、その回転力Ｆがｐ３からｐ４まで維持される。
【００４８】
次に、相対的にＰ方向に第１相空芯巻線４１が磁極幅ａに対して２ａ／３移動を超えて移動する、すなわち式１１においてＸがａ／６＜Ｘ＜ａ／２の範囲で変化し、回転力Ｆ＝２×Ｂ×ｂ×Ｉから移動量に比例して減少する。そして、Ｘ≒ａ／２において回転力Ｆは式１２のＦ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉの値（ｐ５）となり、Ｘ＝ａ／２において回転力Ｆ＝０となる（ｐ６）。以上を繰り返す動作によって、磁石１２を回転させる。このように、最大回転力Ｆが維持されるｐ３からｐ４の回転力に対して、回転力が変動するｐ１〜ｐ３およびｐ４〜ｐ６が、いわゆるリップルと呼ばれ、モーター１００の回転トルクを変動させるものである。
【００４９】
本実施形態における３相駆動のモーター１００では、磁極の幅ａに対してａ／３ずつ配置をずらして、図４（ａ）に示すように第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３が配置される。それぞれの、回転力Ｆは上述の第１相空芯巻線４１で説明した変動と同じであるので、図４（ｂ）に示すように回転力は磁石１２の位置に対してａ／３ずれて発生する。モーター１００の回転力は、これら第１相空芯巻線４１、第２相空芯巻線４２、第３相空芯巻線４３の回転力を合成して得られるものであり、図４（ｃ）のような回転力変動となる。
【００５０】
図４（ｃ）に示すように、１相の空芯巻線が最大回転力を発生している場合には、他の２相の空芯巻線は回転力が変動するｐ１〜ｐ３またはｐ４〜ｐ６に有って、互いの増減によって式１２の回転力Ｆ＝２×Ｂ×ＬB×Ｉを得ることができる。また、１相の空芯巻線が回転力を発生しないｐ０（ｐ６）にあっても、他の２相の空芯巻線がｐ３もしくはｐ４の最大回転力を発生している位置にあり、Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉの回転力を得ることができる。また、ｐ０あるいはｐ６の回転力＝０となる時間は極めて短く、よって回転力の変動（リップル）のない回転力を得ることができ、なお且つ高出力のコアレスモーターを得ることができる。
【００５１】
上述した本実施形態に係るモーター１００の回転力Ｆは、３相駆動巻線を備える形態を例示したが、これに限定はされない。例えば、４相駆動巻線の場合について、説明する。図５（ａ）は４相駆動巻線の空芯巻線４０Ａを磁極の幅ａの中に配置した概略図である。駆動相数＝ｍとした場合、磁極の幅ａの中には隣り合う空芯巻線４０Ａとはａ／ｍの間隔、すなわち４相駆動の場合にはａ／４の間隔をおいて位置される。上述の３相駆動の場合の図４で説明したとおり、本発明は、個々の空芯巻線４０の回転力のリップルの発生ポイント、特に第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２が磁極境界と対向する位置で回転力を発生しないときに他の空芯巻線４０のいずれかが回転力の最大値を発生するように配置、すなわち、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４が磁極境界と対向している状態にあるように配置される。
【００５２】
このように配置させるために、第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４上における基点位置を、図５（ａ）に示すように磁石の回転方向で、第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２からａ／ｍ＝ａ／４とする。従って、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４の延伸長さＬAは、
ＬA＝ａ−２×ａ／ｍ＝（ａｍ−２ａ）／ｍ＝ａ×（ｍ−２）／ｍ （式１３）
で求めることができ、４相駆動の場合にはＬA＝ａ×２／４となる。
【００５３】
同様に、５相駆動の場合には式１３においてｍ＝５であり、ＬA＝ａ×３／５となるので、空芯巻線４０Ｂの第５配線Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４上における基点位置は、図５（ｂ）に示すように磁石の回転方向で、第１配線Ｃ１、第２配線Ｃ２からａ／ｍ＝ａ／５となり、第３配線Ｃ３、第４配線Ｃ４の延伸長さＬAは、ＬA＝ａ×３／５と設定される。このように、駆動相数によって空芯巻線の第３配線Ｃ３，第４配線Ｃ４の延伸長さを式１３に基づいて設定することができる。
【００５４】
上述の本実施形態に係るモーター１００における、回転力リップルを抑制する作用を図４に基づいて説明したが、特に図４（ｃ）に示す各駆動巻線の回転力を合成したモーター１００の合成力は、最大の回転力が、
Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉ＋２×Ｂ×ＬB×Ｉ （式１４）
であり、最小の回転力であるリップル領域において、
Ｆ＝４×Ｂ×ｂ×Ｉ （式１５）
である。
【００５５】
ここで、ＬBを０＜ＬB＜ｂの範囲でモーター１００の総回転力Ｆとリップルの関係を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１に示すように、ＬB≒０（表１においてはＬB＝０を参照）、すなわちＬBが限り無く０に近い値の場合、式１４においてＦ≒４×Ｂ×ｂ×Ｉとなり、式１５と同じ値を得ることができる。このことは、ＬBを小さくすることによって、リップルの発生をより小さくし、変動の少ない回転を得ることができるモーター１００にすることができる。
【００５８】
反対に、ＬB≒ｂ（表１においてはＬB＝ｂを参照）、すなわちＬBが限り無くｂに近い値の場合、式１４においてＦ≒６×Ｂ×ｂ×Ｉとなり、大きな回転力を備えるモーター１００を得ることができる。
【００５９】
また、ＬB＝２ｂ／４＝ｂ／２においては、回転力とリップルのバランスが取れたモーター１００を得ることができる。このようにＬBを変化させるだけで、リップルを許容しながらも大きな回転力を必要とするモーターも、リップルを略発生させないスムースな回転力を必要とするモーターも、得ることができる応用範囲の広いモーター設計を可能とするものである。
【００６０】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態のモーター１００を備えるロボットハンド１０００の構成を示す図である。ロボットハンド１０００は、基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部と、指部１２００の間接部とには、モーター１００が設けられている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００６１】
（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００６２】
アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００６３】
アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド１０００が取り付けられており、対象物を把持することができる。
ロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
また、本例に限定されず双腕ロボットのロボットハンドにも適用することができる。
【００６４】
以上のように実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、モーター、ロボットハンドおよびロボットの構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…回転体、２０…回転軸、３０…回転子、４０…空芯巻線、５０…ステーター、６１，６２…基体、１００…モーター。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状の回転体と、
前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する基体と、
前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、
前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、
前記ステーターは、前記円筒部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、
前記空芯巻線は、
前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、
前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、
前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、
前記空芯巻線が、前記磁石の回転方向の磁極の幅に相当する幅をａ、前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置される、
ことを特徴とするモーター。
【請求項２】
前記空芯巻線は点対称の８角形形状を備え、
前記磁石の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、とした場合、前記空芯巻線を２ｎｍ個もしくはｎｍ個備え、前記第３配線および前記第４配線の延伸長さＬAを、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
とする、
ことを特徴とする請求項１に記載のモーター。
【請求項３】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ＬB＝ｂ／２
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項４】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
０＜ＬB＜ｂ／２
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項５】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ｂ／２＜ＬB＜ｂ
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のモーターを備える、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドを備える、
ことを特徴とするロボット。
【請求項１】
円柱形状の回転体と、
前記回転体の中心軸方向に延設される回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する基体と、
前記回転体の外周に対向配置される円筒形状のステーターと、を備え、
前記回転体は、円柱外周部に円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される磁石を有し、
前記ステーターは、前記円筒部に内周領域が空芯の空芯巻線を複数有し、
前記空芯巻線は、
前記回転体の回転方向に直交する第１配線、および第２配線と、
前記回転体の回転方向に延伸する第３配線、および第４配線と、
前記第１、第２、第３および第４配線の各配線端部を繋ぎ、８角形形状の斜辺を形成する４つの第５配線と、を有し、
前記空芯巻線が、前記磁石の回転方向の磁極の幅に相当する幅をａ、前記回転体を駆動する前記空芯巻線に流す電流の相数をｍ（ｍ：３以上の整数）とした場合に、隣り合う前記空芯巻線の中心間の間隔がａ／ｍで配置される、
ことを特徴とするモーター。
【請求項２】
前記空芯巻線は点対称の８角形形状を備え、
前記磁石の磁極数を２ｎ（ｎ：１以上の整数）、とした場合、前記空芯巻線を２ｎｍ個もしくはｎｍ個備え、前記第３配線および前記第４配線の延伸長さＬAを、
ＬA＝ａ×（ｍ−２）／ｍ
とする、
ことを特徴とする請求項１に記載のモーター。
【請求項３】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ＬB＝ｂ／２
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項４】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
０＜ＬB＜ｂ／２
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項５】
前記空芯巻線の前記第１配線および前記第２配線の長さをＬBとした場合、前記磁石の軸方向の幅をｂとした場合、
ｂ／２＜ＬB＜ｂ
とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のモーター。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のモーターを備える、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドを備える、
ことを特徴とするロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６１１２８（Ｐ２０１２−１６１１２８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７６３６（Ｐ２０１１−１７６３６）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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