JP2010200538A - Spherical speed-reducing drive mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、球面減速駆動機構に係り、特に、球面モータを利用した球面減速駆動機構に関する。 The present invention relates to a spherical reduction driving mechanism, and more particularly to a spherical reduction driving mechanism using a spherical motor.
特許文献１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り、ロータを任意の方向にどこまでも回転させることができることを特徴としている。
Patent Document 1 describes a spherical stepping motor according to the invention of the present inventors.
In this spherical stepping motor, the polygons constituting the polyhedron inscribed in the rotor and the polygons constituting the polyhedron inscribed in the stator are in a prime relationship with each other at the vertex of the inscribed polyhedron and the center of each surface. The rotor is composed of a rotor having permanent magnets and an apex of the inscribed polyhedron and a stator having electromagnets arranged at the center of each surface, and the rotor can be rotated in any direction.
特許文献２には、本件発明者の発明に係る球面加減速機構が記載されている。この球面加減速機構は、上記特許文献１の球面モータのロータに外側から球体を押しつけることにより、球面モータのロータの回転速度を加減速すると同時に、出力トルクも加減することを特徴としている。 Patent Document 2 describes a spherical acceleration / deceleration mechanism according to the inventor's invention. This spherical acceleration / deceleration mechanism is characterized in that, by pressing a spherical body from the outside against the rotor of the spherical motor of Patent Document 1, the rotational speed of the rotor of the spherical motor is accelerated and decelerated, and the output torque is also increased or decreased.
しかし、特許文献２に記載の球面加減速機構は、球面モータのロータの半径とロータに押しつける球体の半径の比で減速比が決定するため、減速比を大きくとれないという問題を有している。また、減速比を大きくとろうとすると押しつける球体の半径がロータの半径と比較して大きくなり、球面加減速機構を組み込んだシステムが非常に大きく重いものになってしまうという問題があった。 However, the spherical acceleration / deceleration mechanism described in Patent Document 2 has a problem that the reduction ratio cannot be increased because the reduction ratio is determined by the ratio of the radius of the rotor of the spherical motor and the radius of the sphere pressed against the rotor. . Further, when trying to increase the reduction ratio, the radius of the sphere to be pressed becomes larger than the radius of the rotor, and the system incorporating the spherical acceleration / deceleration mechanism becomes very large and heavy.
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、球面モータの、任意の方向に無限回転するロータの回転を大幅に減じるとともに出力トルクを大幅に増加させることが可能な小型で部品点数も少ない球面減速駆動機構を提供することにある。 In view of the above-described problems, the object of the present invention is a small size and a small number of parts capable of greatly reducing the rotation of a rotor of a spherical motor that rotates infinitely in an arbitrary direction and greatly increasing the output torque. The object is to provide a spherical deceleration drive mechanism.
上記の課題を解決するために、本発明は次のような手段を採用した。
本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに偶数個だけ少ない数の歯を有し、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に長軸方向の２箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と２箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。
また、本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに少ない数の歯を有し、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に１箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と１箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。
また、本発明の球面減速駆動機構は、軸周りに同心円形状の溝を内面に刻んだ外球殻と、外球殻の内側に配置された球面モータのロータと、ロータの内側に配置された球面モータのステータと、ロータ表面に設けた支持溝にはまり支持溝内で摺動可能に支持されロータ形状に応じて変形可能なベルトと、ベルトの回転を取り出す出力軸とを備え、前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかにＫの整数倍個だけ少ない数の歯を有し、ただしＫは３以上の自然数、前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝にＫ箇所で押しつける形状を有し、ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝とＫ箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するするとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The spherical reduction drive mechanism of the present invention includes an outer spherical shell having a concentric groove formed on the inner surface around an axis, a rotor of a spherical motor disposed inside the outer spherical shell, and a spherical motor disposed inside the rotor. A stator, a belt that fits in a support groove provided on the rotor surface, is slidably supported in the support groove and is deformable according to the shape of the rotor, and an output shaft that extracts the rotation of the belt. The rotor meshes with the grooves of the spherical shell and has a number of teeth slightly less than the number of grooves of the outer spherical shell, and the rotor presses the teeth of the belt against the grooves of the outer spherical shell at two locations in the longitudinal direction. As the rotor rotates, the belt slides in the support groove while the belt is deformed, and the tooth adjacent to the belt that meshes with the groove of the outer spherical shell at the groove adjacent to the outer spherical shell To engage in order and slow down the rotor rotation significantly. And wherein the significant increase in the output torque.
Further, the spherical reduction drive mechanism of the present invention includes an outer spherical shell in which concentric grooves are engraved on the inner surface around an axis, a rotor of a spherical motor disposed on the inner side of the outer spherical shell, and an inner surface of the rotor. A stator of a spherical motor, a belt that fits in a support groove provided on the rotor surface, is slidably supported in the support groove and can be deformed according to the shape of the rotor, and an output shaft that extracts the rotation of the belt, Engaging with the outer spherical shell grooves and having a number of teeth slightly less than the number of outer spherical shell grooves, the rotor having a shape that presses the teeth of the belt against the grooves of the outer spherical shell at one location; As the rotor rotates, the belt slides in the support groove while deforming, and the tooth next to the belt that meshes with the groove on the outer spherical shell engages with the groove next to the outer spherical shell in turn. , Greatly reduce the rotation of the rotor and output torque And wherein the greatly increased.
Further, the spherical reduction drive mechanism of the present invention includes an outer spherical shell in which concentric grooves are engraved on the inner surface around an axis, a rotor of a spherical motor disposed on the inner side of the outer spherical shell, and an inner surface of the rotor. A stator of a spherical motor, a belt that fits in a support groove provided on the rotor surface, is slidably supported in the support groove and can be deformed according to the shape of the rotor, and an output shaft that extracts the rotation of the belt, Engaging with the outer spherical shell grooves and having a number of teeth slightly smaller by an integer multiple of K than the number of outer spherical shell grooves, where K is a natural number greater than or equal to 3, and the rotor is external to the belt teeth. It has a shape that presses against the groove of the spherical shell at the K position, and the belt is deformed as the rotor rotates, slips in the support groove, and the tooth adjacent to the belt tooth that meshes with the groove of the outer spherical shell at the K position Mesh with the groove next to the outer shell in turn, And wherein the significant increase in the output torque as well as greatly decelerate the rotation.
本発明の球面減速駆動機構によれば、特許文献２に記載されたものに比べて、小型かつ部品点数の少ない機構で減速比が大きくとれ、球面モータの出力トルクを大幅に増加させることが可能となる。 According to the spherical reduction drive mechanism of the present invention, the reduction ratio can be increased with a mechanism that is small and has a small number of parts compared to that described in Patent Document 2, and the output torque of the spherical motor can be greatly increased. It becomes.
球面モータのロータと、球面モータのロータの外表面に摺動可能に支持され、歯を刻んだベルトと、ベルトの歯とかみあい、ベルトの歯数よりわずかに多い溝を内面に有する外球殻と、ベルトの回転を取り出す出力軸とからなり、球面モータのロータの任意の方向の回転を大幅に減速して出力軸から出力することを実現した。 Spherical motor rotor and outer spherical shell which is slidably supported on the outer surface of the rotor of the spherical motor, has a toothed belt, meshes with the teeth of the belt, and has slightly more grooves on the inner surface than the number of teeth of the belt And an output shaft that takes out the rotation of the belt. The rotation of the spherical motor rotor in any direction was greatly reduced and output from the output shaft.
（実施例１）
はじめに、本発明の第１の実施形態を、図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の本発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図２はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図１において、１は出力軸、２は歯を１８刻んだベルト、３は球面モータの、任意の方向に回転可能な楕円体のロータ、４は、内面に、Ｘ軸周りに同心円となる形状の溝を２０刻んだ外球殻である。
図２において外球殻４と、楕円体のロータ３の内側にある球面モータのステータ（図示せず）とは固定されており、楕円体のロータ３は任意の方向に回転駆動される。ベルト２は楕円体のロータ表面の支持溝にはまっており、楕円体のロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。楕円体のロータ３がベルト２を外球殻４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸１はベルト２に固定されており、ベルト２の変形に応じて変形しながらベルト２の回転を外部に取り出す構造となっている。
Example 1
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 is a perspective view showing components of a spherical reduction drive mechanism according to the present invention of the present embodiment, and FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the spherical reduction mechanism assembled with these components.
In FIG. 1, 1 is an output shaft, 2 is a belt engraved with 18 teeth, 3 is a spherical motor, an ellipsoidal rotor that can rotate in any direction, 4 is a concentric circle around the X axis on the inner surface This is an outer spherical shell with 20 grooves.
In FIG. 2, the outer spherical shell 4 and the stator (not shown) of the spherical motor inside the ellipsoidal rotor 3 are fixed, and the ellipsoidal rotor 3 is rotationally driven in an arbitrary direction. The belt 2 is fitted in a support groove on the surface of the ellipsoidal rotor, and can freely slide and move in the support groove on the surface of the ellipsoidal rotor. The ellipsoidal rotor 3 rotates in an arbitrary direction while pressing the belt 2 against the inner surface of the outer spherical shell 4. The output shaft 1 is fixed to the belt 2 and has a structure in which the rotation of the belt 2 is taken out while being deformed in accordance with the deformation of the belt 2.
次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図３はベルト２が図２のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルト２の歯は、外球殻４の内面の溝にロータ３の長軸方向の２箇所で押しつけられてかみ合っているので、球面モータの楕円体のロータ３をＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト２がロータ表面の支持溝中で滑って変形し、ベルト２の外球殻の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらに楕円体のロータを回転させると、ベルト２はロータ表面の支持溝中を滑りながら、ベルト２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、楕円体のロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２の歯は１８枚なので、ベルト２は外球殻の２枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。楕円体のロータが１０回転するとベルト２が１回転するので、減速比は１０になる。
図４はベルト２が図２のＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた面内にあるときの斜視図、図５はＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面における球面減速機構の断面図である。
図５は断面の角度が異なっている以外は図３と同様である。したがって、球面モータの楕円体のロータ３を、ＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面内で時計方向に回転させると、ベルト２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、楕円体のロータがＸＹ平面をＸ軸周りに３０度回転させた平面内で時計方向に一周するとベルト２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２の歯は１８枚なので、ベルト２は外球殻の２枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。楕円体のロータが１０回転するとベルト２が１回転するので、減速比は１０になる。
ベルト２がＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させた面内にあるときはいつも上記と同様の議論が成立する。したがって、本発明の球面減速機構は、楕円体のロータの任意方向の回転に対して減速比１０の減速を実現する。
Next, the operation of this spherical deceleration drive mechanism will be described.
FIG. 3 is a sectional view in the XY plane when the belt 2 is in the XY plane of FIG.
Since the teeth of the belt 2 are pressed and engaged with the grooves on the inner surface of the outer spherical shell 4 at two locations in the longitudinal direction of the rotor 3, the ellipsoidal rotor 3 of the spherical motor rotates clockwise in the XY plane. As a result, the belt 2 slides and deforms in the support groove on the rotor surface, and the tooth adjacent to the tooth engaged with the groove of the outer spherical shell of the belt 2 engages with the groove adjacent to the outer spherical shell. When the ellipsoidal rotor is further rotated, the belt 2 slides in the support groove on the rotor surface, and the teeth of the belt 2 sequentially engage with the grooves of the outer spherical shell, so that the ellipsoidal rotor rotates in the XY plane. When the belt 2 makes a full turn, the 20 teeth of the belt 2 mesh with the 20 grooves of the outer spherical shell in turn, and the belt 2 has 18 teeth, so the belt 2 is only at the angle of the two grooves of the outer spherical shell. Rotate clockwise. Since the belt 2 rotates once when the ellipsoidal rotor rotates 10 times, the reduction ratio becomes 10.
4 is a perspective view when the belt 2 is in a plane obtained by rotating the XY plane of FIG. 2 by 30 degrees around the X axis, and FIG. 5 is a spherical reduction mechanism in a plane obtained by rotating the XY plane by 30 degrees around the X axis. FIG.
FIG. 5 is the same as FIG. 3 except that the cross-sectional angles are different. Therefore, if the ellipsoidal rotor 3 of the spherical motor is rotated clockwise in a plane obtained by rotating the XY plane about 30 degrees around the X axis, the teeth of the belt 2 sequentially engage with the grooves of the outer spherical shell. When the ellipsoidal rotor makes a round in the clockwise direction within the plane obtained by rotating the XY plane by 30 degrees around the X axis, the 20 teeth of the belt 2 mesh with the 20 grooves of the outer spherical shell in turn, and the belt 2 Since there are 18 teeth, the belt 2 rotates clockwise by the angle of the two grooves of the outer spherical shell. Since the belt 2 rotates once when the ellipsoidal rotor rotates 10 times, the reduction ratio becomes 10.
When the belt 2 is in the plane obtained by rotating the XY plane around the X axis by an arbitrary angle, the same argument as above is valid. Therefore, the spherical reduction mechanism of the present invention realizes reduction with a reduction ratio of 10 with respect to rotation in an arbitrary direction of the ellipsoidal rotor.
外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より２枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２００枚、ベルトの歯を１９８枚とすると減速比は１００になる。
いま、図１から図３を一般化して外球殻の溝の数をＬ１、ベルトの歯の数をＭ１、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ１とすると、ベルトの長さは外球殻の内周より歯Ｎ１枚分短い。ロータの外周は２箇所で外球殻と内接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ１回転するとベルトはＮ１回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ１／Ｎ１となる。Ｌ１、Ｍ１、Ｎ１は２の倍数でなければならない。
図１ではロータの形状を楕円体としたが、ロータの形状は、ベルト２を外球殻に向かい合う２カ所で押しつけることができる形状ならどのような形状でもよい。
If the number of outer spherical shell grooves is further increased and the number of belt teeth is two less than the number of outer spherical shell grooves, an even greater reduction ratio can be realized. For example, if the number of outer spherical shell grooves is 200 and the number of belt teeth is 198, the reduction ratio is 100.
1 to 3 are generalized, and the number of outer spherical shell grooves is L1, the number of belt teeth is M1, and the difference between the number of outer spherical shell grooves and belt teeth is N1, the length of the belt The length is shorter by N1 teeth than the inner circumference of the outer spherical shell. The outer circumference of the rotor is inscribed with the outer spherical shell at two locations, and the length of the circumference of the rotor is equal to the length of the belt.
Therefore, when the rotor rotates L1, the belt rotates N1, and the reduction ratio of the spherical reduction device according to the third embodiment is L1 / N1. L1, M1, and N1 must be multiples of 2.
In FIG. 1, the shape of the rotor is an ellipsoid, but the shape of the rotor may be any shape as long as the belt 2 can be pressed at two locations facing the outer spherical shell.
本実施形態の発明に係る球面減速駆動機構によれば、ロボットの関節駆動など高トルクを必要とする用途では小型で高トルクの球面関節駆動システムを提供することができる。 According to the spherical reduction driving mechanism according to the invention of the present embodiment, a small and high torque spherical joint drive system can be provided for applications requiring high torque such as joint drive of a robot.
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施形態を図６および図７を用いて説明する。
図６は、本実施形態の本発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図７はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図６において、１１は出力軸、１２は歯を１９刻んだベルト、１３は球面モータの、任意の方向に回転可能な、球体のロータ、１４は内面に溝を２０刻んだ外球殻である。
図７において外球殻１４と、球体のロータ１３の内側にある球面モータのステータ（図示せず）とは固定されており、球体のロータ１３は任意の方向に回転駆動される。ベルト１２は球体のロータ表面の支持溝にはまっており、球体のロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。球体のロータ１３がベルト１２を外球殻１４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸１１はベルト１２に固定されており、ベルト１２の変形に応じて変形しながらベルト１２の回転を外部に取り出す構造となっている。
(Example 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a perspective view showing components of the spherical reduction drive mechanism according to the present invention of this embodiment, and FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the spherical reduction mechanism assembled with these components.
In FIG. 6, 11 is an output shaft, 12 is a belt engraved with 19 teeth, 13 is a spherical motor, a spherical rotor that can rotate in any direction, and 14 is an outer spherical shell with 20 grooves engraved on the inner surface. .
In FIG. 7, the outer spherical shell 14 and the stator (not shown) of the spherical motor inside the spherical rotor 13 are fixed, and the spherical rotor 13 is rotationally driven in an arbitrary direction. The belt 12 is fitted in a support groove on the spherical rotor surface, and can freely slide and move in the support groove on the spherical rotor surface. The spherical rotor 13 rotates in an arbitrary direction while pressing the belt 12 against the inner surface of the outer spherical shell 14. The output shaft 11 is fixed to the belt 12 and is structured to take out the rotation of the belt 12 to the outside while being deformed in accordance with the deformation of the belt 12.
次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図８はベルト１２が図７のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルト１２の歯は、外球殻１４の溝にロータ１３により１箇所で押しつけられてかみ合っているので、球面モータの球体のロータ１５を外球殻の中心を中心として（球体の中心ではない）ＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト１２がロータ表面の支持溝中で滑って変形し、ベルト１２の、外球殻の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらに球体のロータを回転させると、ベルト１２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、球体のロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト１２の２０の歯が、外球殻の２０の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト１２の歯は１９枚なので、ベルト１２は外球殻の１枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。球体のロータが２０回転するとベルト１２が１回転するので、減速比は２０になる。
第１の実施形態同様に、第２の実施形態においても、ＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させたときにも図８と類似の関係が成立する。
したがって、本発明の球面減速機構は、球体のロータの任意方向の回転に対して減速比２０の減速を実現する。
Next, the operation of this spherical deceleration drive mechanism will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view in the XY plane when the belt 12 is in the XY plane of FIG.
Since the teeth of the belt 12 are pressed against and engaged with the groove of the outer spherical shell 14 by the rotor 13, the spherical rotor 15 of the spherical motor is centered on the center of the outer spherical shell (not the center of the spherical body). When the belt 12 is rotated clockwise in the XY plane, the belt 12 slips and deforms in the support groove on the rotor surface, and the tooth adjacent to the tooth of the belt 12 engaged with the groove of the outer spherical shell is adjacent to the outer spherical shell. Engage with the groove. When the spherical rotor is further rotated, the teeth of the belt 12 are sequentially engaged with the grooves of the outer spherical shell, and when the spherical rotor makes a round in the clockwise direction in the XY plane, the 20 teeth of the belt 12 become the outer sphere. The belt 12 meshes with the 20 grooves of the shell in order, and since the belt 12 has 19 teeth, the belt 12 rotates clockwise by the angle of one groove of the outer spherical shell. When the spherical rotor rotates 20 times, the belt 12 rotates once, so the reduction ratio becomes 20.
Similar to the first embodiment, also in the second embodiment, a similar relationship to FIG. 8 is established when the XY plane is rotated by an arbitrary angle around the X axis.
Therefore, the spherical reduction mechanism of the present invention realizes reduction with a reduction ratio of 20 with respect to the rotation of the spherical rotor in any direction.
外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より１枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２００枚、ベルトの歯を１９９枚とすると減速比は２００になる。
いま、図６から図８を一般化して外球殻の溝の数をＬ２、ベルトの歯の数をＭ２、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ２とすると、ベルトの長さは外殻球の内周より歯Ｎ２枚分短い。ロータの外周は１箇所で外球殻と内接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ２回転するとベルトはＮ２回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ２／Ｎ２となる。
図６ではロータの形状を球体としたが、ロータの形状は、ベルト１２を外球殻に１カ所で押しつけることができる形状ならどのような形状でもよい。
If the number of grooves in the outer spherical shell is further increased and the number of teeth of the belt is one less than the number of grooves in the outer spherical shell, a larger reduction ratio can be realized. For example, if the number of outer spherical shell grooves is 200 and the number of belt teeth is 199, the reduction ratio is 200.
6 to 8 are generalized, and the number of outer spherical shell grooves is L2, the number of belt teeth is M2, and the difference between the number of outer spherical shell grooves and belt teeth is N2, the length of the belt The length is N2 teeth shorter than the inner circumference of the outer sphere. The outer circumference of the rotor is inscribed with the outer spherical shell at one place, and the length of the circumference of the rotor is equal to the length of the belt.
Therefore, when the rotor rotates L2, the belt rotates N2, and the reduction gear ratio of the spherical reduction device of the third embodiment is L2 / N2.
In FIG. 6, the shape of the rotor is a sphere, but the shape of the rotor may be any shape as long as the belt 12 can be pressed against the outer spherical shell at one location.
（実施例３）
次に、本発明の第３の実施形態を図９および図１０を用いて説明する。
図９は、本実施形態の本発明に係る球面減速駆動機構の部品を示す斜視図であり、図１０はそれらの部品を組み立てた球面減速機構の構成を示す斜視図である。
図９において、２１は出力軸、２２は歯を１８刻んだベルト、２３は球面モータの、任意の方向に回転可能な、ベルトを３点で球殻の内面と接触させる形状のロータ、２４は内面に溝を２１刻んだ外球殻である。
図１０において外球殻２４と、ロータ２３の内側にある球面モータのステータは固定されており、ロータ２３は任意の方向に回転駆動される。ベルト２２はロータ表面の支持溝にはまっており、ロータ表面の支持溝の中で自由に滑って動くことができる。ロータ２３がベルト２２を外球殻２４の内面に押しつけながら任意方向に回転する。出力軸２１はベルト２２に固定されており、ベルト２２の変形に応じて変形しながらベルト２２の回転を外部に取り出す構造となっている。
(Example 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a perspective view showing components of the spherical reduction drive mechanism according to the present invention of the present embodiment, and FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the spherical reduction mechanism assembled with these components.
In FIG. 9, 21 is an output shaft, 22 is a belt engraved with 18 teeth, 23 is a spherical motor, which can rotate in any direction, and has a rotor that contacts the inner surface of the spherical shell at three points, 24 An outer spherical shell with 21 grooves on the inner surface.
In FIG. 10, the outer spherical shell 24 and the stator of the spherical motor inside the rotor 23 are fixed, and the rotor 23 is rotationally driven in an arbitrary direction. The belt 22 is fitted in a support groove on the rotor surface, and can freely slide and move in the support groove on the rotor surface. The rotor 23 rotates in an arbitrary direction while pressing the belt 22 against the inner surface of the outer spherical shell 24. The output shaft 21 is fixed to the belt 22 and has a structure in which the rotation of the belt 22 is taken out while being deformed in accordance with the deformation of the belt 22.
次に、この球面減速駆動機構の動作について説明する。
図１１はベルト２２が図１０のＸＹ平面内にあるときのＸＹ平面における断面図である。
ベルトを３箇所で外球殻の内面と接触させる形状のロータ２３を、ＸＹ平面内で時計方向に回転させると、ベルト２２がロータ表面の支持溝中を滑って変形し、ベルト２２の外球殻内面の溝とかみ合っていた歯のとなりの歯が外球殻の隣の溝とかみ合う。さらにロータを回転させると、ベルト２２の歯が順番に外球殻の溝とかみ合っていき、ロータがＸＹ平面内で時計方向に一周すると、ベルト２２の１８の歯が、外球殻内面の２１の溝と順番にかみ合うこととなり、ベルト２２の歯は１８枚なので、ベルト１２は外球殻の３枚の溝の角度だけ時計方向に回転する。ロータが２１回転するとベルト２２が３回転するので、減速比は７になる。
第１の実施形態同様に、第３の実施形態においても、ＸＹ平面をＸ軸周りに任意の角度回転させたときにも図１１と類似の関係が成立する。
したがって、本発明の球面減速機構は、ロータの任意方向の回転に対して減速比７の減速を実現する。
Next, the operation of this spherical deceleration drive mechanism will be described.
11 is a cross-sectional view in the XY plane when the belt 22 is in the XY plane of FIG.
When the rotor 23 having a shape in which the belt is brought into contact with the inner surface of the outer spherical shell at three positions is rotated clockwise in the XY plane, the belt 22 is deformed by sliding in the support groove on the rotor surface. The tooth next to the tooth engaged with the groove on the inner surface of the shell meshes with the groove adjacent to the outer spherical shell. When the rotor is further rotated, the teeth of the belt 22 are sequentially engaged with the grooves of the outer spherical shell, and when the rotor makes one round clockwise in the XY plane, the 18 teeth of the belt 22 become 21 on the inner surface of the outer spherical shell. Since the belt 22 has 18 teeth, the belt 12 rotates clockwise by the angle of the three grooves of the outer spherical shell. When the rotor rotates 21 times, the belt 22 rotates 3 times, so the reduction ratio becomes 7.
Similar to the first embodiment, also in the third embodiment, a similar relationship to FIG. 11 is established when the XY plane is rotated by an arbitrary angle around the X axis.
Therefore, the spherical reduction mechanism of the present invention realizes reduction with a reduction ratio of 7 with respect to rotation of the rotor in an arbitrary direction.
外球殻の溝の数をもっと増やし、ベルトの歯の数を外球殻の溝の数より３枚少なくすると、さらに大きな減速比を実現できる。たとえば外球殻の溝を２０１枚、ベルトの歯を１９８枚とすると減速比は６７になる。
いま、図９から図１１を一般化して外球殻内面の溝の数をＬ３、ベルトの歯の数をＭ３、外球殻の溝とベルトの歯の数の差をＮ３、ロータに押しつけられてベルトの歯が外球殻の溝に同時にはまる数をＫとすると、ベルトの長さは外殻球の内周より歯Ｎ３枚分短い。ロータの外周はＫ箇所で外球殻と接し、ロータの周囲の長さはベルトの長さと等しい。
したがって、ロータがＬ３回転するとベルトはＮ３回転し、第３の実施形態の球面減速装置の減速比はＬ３／Ｎ３となる。ただし、Ｌ３、Ｎ３、Ｍ３はＫの倍数である必要がある。
If the number of grooves in the outer shell is increased and the number of teeth on the belt is three less than the number of grooves in the outer shell, an even greater reduction ratio can be realized. For example, if the number of grooves in the outer spherical shell is 201 and the number of teeth of the belt is 198, the reduction ratio is 67.
Now, FIG. 9 to FIG. 11 are generalized, the number of grooves on the inner surface of the outer spherical shell is L3, the number of teeth of the belt is M3, the difference between the number of grooves of the outer spherical shell and the number of teeth of the belt is N3, Assuming that the number of teeth of the belt that simultaneously fit in the grooves of the outer shell is K, the length of the belt is N3 shorter than the inner circumference of the outer shell. The outer periphery of the rotor is in contact with the outer spherical shell at K locations, and the length of the circumference of the rotor is equal to the length of the belt.
Therefore, when the rotor rotates L3, the belt rotates N3, and the reduction ratio of the spherical reduction device of the third embodiment is L3 / N3. However, L3, N3, and M3 need to be multiples of K.
次に、上記の第１から第３の各実施形態の発明に係る球面減速駆動機構における球面モ
ータについて説明する。
第１から第３の各実施形態において、外球殻の内側にある球面モータは、ステータが内部にあって外部のロータを駆動する方式を採用している。外球殻と球面モータのステータとは固定であって、球面モータのステータは外球殻の内側にあり、外球殻の下部から支持棒などで支えられている構造とし、さまざまな形状のロータを外球殻の中心を回転中心として任意の方向に回転駆動することが可能である。
（球面モータの説明）
この球面モータは、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る(お互いを割った値が整数にならない)時、ロータに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構成される。
Next, a spherical motor in the spherical reduction driving mechanism according to the inventions of the first to third embodiments will be described.
In each of the first to third embodiments, the spherical motor inside the outer spherical shell employs a system in which the stator is inside and the external rotor is driven. The outer spherical shell and the stator of the spherical motor are fixed, and the stator of the spherical motor is inside the outer spherical shell, and is supported by a support rod from the lower part of the outer spherical shell. Can be rotated in any direction with the center of the outer spherical shell as the center of rotation.
(Description of spherical motor)
In this spherical motor, basically, the polygons constituting the polyhedron inscribed in the rotor and the polygons constituting the polyhedron inscribed in the stator are relatively prime (the value obtained by dividing each other is not an integer). In some cases, the rotor is configured by a rotor in which permanent magnets are arranged at the apexes of the polyhedron inscribed in the rotor and the centers of the respective surfaces, and a stator in which electromagnets are arranged at the apexes of the polyhedron inscribed and at the centers of the respective surfaces.
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１２面体（５角形）でステ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）、ロータに内接する多面体が正４面体（３
角形）でステータに内接する多面体が正６面体（正方形）、ロータに内接する多面体が正
８面体（３角形）でステータに内接する多面体が正6面体（正方形）、ロータに内接する
多面体が正２０面体（３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立方８面体（３角形、４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菱形１２面体（菱形）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菱形３０面体（菱形）で
ステータに内接する多面体が切隅２０面体（サッカーボール）（５角形、６角形）、ロー
タに内接する多面体が切隅６面体（３角形、８角形）でステータに内接する多面体が正１
２面体（５角形）。
The spherical stepping motor has the following configuration as an example of combination of a polyhedron inscribed in the rotor and a polyhedron inscribed in the stator. In addition, the inside of () represents the polygonal shape which comprises the surface of a polyhedron.
The polyhedron inscribed in the rotor is a regular dodecahedron (pentagon) and the polyhedron inscribed in the stator is regular 14
A polyhedron inscribed in a plane (Kelvin tetrahedron) (square, hexagon) and inscribed in the rotor is a regular tetrahedron (3
The polyhedron inscribed in the stator is a regular hexahedron (square), the polyhedron inscribed in the rotor is an octahedron (triangle), the polyhedron inscribed in the stator is a regular hexahedron (square), and the polyhedron inscribed in the rotor is regular. A polyhedron inscribed in the stator with a icosahedron (triangle) is a regular dodecahedron (pentagon), a polyhedron inscribed in the rotor is a cubic octahedron (triangle, tetragon), and a polyhedron inscribed in the stator is a regular dodecahedron (pentagon). ), The polyhedron inscribed in the rotor is a rhombus dodecahedron (rhombus), the polyhedron inscribed in the stator is a regular dodecahedron (pentagon), the polyhedron inscribed in the rotor is a rhombus 30 hedron (rhombus), and the polyhedron inscribed in the stator is a corner. A icosahedron (soccer ball) (pentagon, hexagon), a polyhedron inscribed in the rotor is a truncated hexahedron (triangle, octagon), and a polyhedron inscribed in the stator is regular 1.
Dihedron (pentagon).
図１２は、球面ステッピングモータのロータとステータとの関係を示す図であって、説明の都合上、ステータの内側にロータがある方式のもので説明するが、後述するようにロータの内側にステータがある方式であっても同様である。
同図に示すように、この球面ステッピングモータは、球面軸受１０１で支えられた球面
形状のロータ１０２および上部に開口部を有するステータ１０３で構成される。
図１３は、球面ステッピングモータのロータの構成を示す図である。
同図に示すように、ロータ１０２には、内接する正１２面体（面の形が正５角形で構成される多面体）の頂点１０４および各面の中心部１０５に対応する位置に表面がロータ１０２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。
図１４（ａ）は、球面ステッピングモータのステータ１０３の構成を示す図である。
同図に示すように、ステータ１０３は、図１４（ｂ）に示すケルビンの１４面体（面の形が正６角形および正方形で構成される多面体）で構成され、内接するケルビンの１４面体の頂点１０６および各面の中心１０７に対応する位置に電磁石が配置されている。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the rotor and the stator of the spherical stepping motor. For convenience of explanation, the description will be made with a system in which the rotor is inside the stator. As will be described later, the stator is placed inside the rotor. This is the same even if there is a certain method.
As shown in the figure, this spherical stepping motor is composed of a spherical rotor 102 supported by a spherical bearing 101 and a stator 103 having an opening at the top.
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the rotor of the spherical stepping motor.
As shown in the figure, the rotor 102 has a surface at a position corresponding to a vertex 104 of an inscribed regular dodecahedron (a polyhedron having a regular pentagonal shape) and a central portion 105 of each surface. A permanent magnet is embedded so as to have the same shape.
FIG. 14A is a diagram showing the configuration of the stator 103 of the spherical stepping motor.
As shown in the figure, the stator 103 is composed of a Kelvin 14-hedron (polyhedron whose surface is a regular hexagon and a square) shown in FIG. An electromagnet is disposed at a position corresponding to 106 and the center 107 of each surface.
次に、この球面ステッピングモータの垂直軸周りの回転動作について説明する。
図１５は、球面ステッピングモータの、ロータ１０２の底面の正５角形の中心にある永久磁石１０９がステータ１０３の底面の正６角形の中心にある電磁石１０８と重なっている状態を真上から見た図である。
同図において、まず、ステータ１０３の電磁石１０８に電流を流してロータ１０２の永久磁石１０９を吸引している状態でステータ１０３の電磁石１１０に電流を流す。すると一番近いロータ１０２の永久磁石１１１が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１１がステータ１０３の電磁石１１０と一番近い距離になるところまで時計回りに回転する。この状態でステータ１０３の電磁石１１０の電流を切り、ステータ１０３の電磁石１１２に電流を流す。すると一番近いロータ１０２の永久磁石１１３が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１３がステータ１０３の電磁石１１２と一番近い距離になるところまで回転する。以下、同様に底面の正６角形の頂点に位置するステータ１０３の電磁石１１４，１１６，１１８，１２０の順に電流を切り替えると、ロータ１０２の永久磁石１１５，１１７，１１９，１１１が順番に吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を回転中心として同じ方向に回転し続ける。この手順を繰り返すことにより、ロータ１０２を垂直軸の周りに時計回りに無限に回転させることができる。
Next, the rotation operation around the vertical axis of the spherical stepping motor will be described.
FIG. 15 shows a state in which the permanent magnet 109 at the center of the regular pentagon on the bottom surface of the rotor 102 of the spherical stepping motor overlaps with the electromagnet 108 at the center of the regular hexagon on the bottom surface of the stator 103. FIG.
In the figure, first, a current is supplied to the electromagnet 110 of the stator 103 while an electric current is supplied to the electromagnet 108 of the stator 103 to attract the permanent magnet 109 of the rotor 102. Then, the permanent magnet 111 of the nearest rotor 102 is attracted, and the rotor 102 rotates clockwise around the permanent magnet 109 until the permanent magnet 111 is closest to the electromagnet 110 of the stator 103. In this state, the current of the electromagnet 110 of the stator 103 is turned off, and the current is passed through the electromagnet 112 of the stator 103. Then, the permanent magnet 113 of the nearest rotor 102 is attracted, and the rotor 102 rotates around the permanent magnet 109 to a position where the permanent magnet 113 is closest to the electromagnet 112 of the stator 103. Similarly, when the current is switched in the order of the electromagnets 114, 116, 118, 120 of the stator 103 located at the apex of the regular hexagon on the bottom surface, the permanent magnets 115, 117, 119, 111 of the rotor 102 are attracted in order. The rotor 102 continues to rotate in the same direction with the permanent magnet 109 as the center of rotation. By repeating this procedure, the rotor 102 can be rotated indefinitely clockwise around the vertical axis.
次に、この球面ステッピングモータの斜め軸周りの回転動作について説明する。
図１６はステータ１０３に対してロータ１０２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１７はロータ１０２の斜め方向にある回転軸側から見たロータ１０２とステータ１０３の状態を示す図である。
以下において、ロータ１０２とステータ１０３が図１４に示す位置関係にあるとき、斜め軸の周りにロータ１０２を回転させる場合について説明する。
図１７において、ステータ３の正方形の中心にある電磁石１０４Ａに電流を流し、ロータ１０２の対面する正５角形の中心にある永久磁石１０５Ａを吸引する。この状態でステータ１０３の正方形の頂点にある電磁石１０６Ａ，１０７Ａ，１０８Ａ，１０９Ａ，１０６Ａに順番に通電し、近くにあるロータ１０２の正５角形の頂点にある永久磁石１１０Ａ，１１１Ａ，１１２Ａ，１１３Ａ，１１４Ａを順番に吸引する。これによりロータ１０２を電磁石１０４Ａの周りに時計回りに回転させることができる。
Next, the rotation operation around the oblique axis of the spherical stepping motor will be described.
16 shows a spherical stepping motor in which the rotation axis of the rotor 102 is oblique with respect to the stator 103, and FIG. 17 shows the state of the rotor 102 and the stator 103 as seen from the rotation axis side in the oblique direction of the rotor 102. FIG.
Hereinafter, a case where the rotor 102 is rotated around the oblique axis when the rotor 102 and the stator 103 are in the positional relationship shown in FIG. 14 will be described.
In FIG. 17, a current is passed through the electromagnet 104A at the center of the square of the stator 3 and the permanent magnet 105A at the center of the regular pentagon facing the rotor 102 is attracted. In this state, the electromagnets 106A, 107A, 108A, 109A, 106A at the apexes of the square of the stator 103 are energized in order, and the permanent magnets 110A, 111A, 112A, 113A, at the apexes of the regular pentagon of the rotor 102 nearby. Aspirate 114A in order. Thereby, the rotor 102 can be rotated clockwise around the electromagnet 104A.
次に、本発明の球面ステッピングモータにおいて、より上段にあるロータ１０２の永久磁石とステータ１０３の電磁石との吸引力も利用して駆動力を増加させる場合について説明する。
図１８（ａ）は、ロータ１０２の１段目から３段目にある永久磁石の位置関係を示す図、図１８（ｂ）はステータ１０３の１段目から３段目にある電磁石の位置関係を示す図、図１９は、ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目にある電磁石との関係を示す図である。
図１９に示すように、ロータ１０２の２段目の永久磁石は５個（１０４Ｂ，１０５Ｂ，１０６Ｂ，１０７Ｂ，１０８Ｂ）であり、ステータ１０３の２段目の電磁石は頂点の６個（１０９Ｂ，１１０Ｂ，１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ）と正６角形の面の中央の電磁石３個（１１５Ｂ，１１６Ｂ，１１７Ｂ）を含めて９個である。さらにロータ１０２の３段目の永久磁石およびステータ１０３の３段目の電磁石も図１９と同様に、ロータ１０２の永久磁石は５個、ステータ１０３の永久磁石は９個である。
従って、ロータ１０２の各段の永久磁石に対応するステータ１０３の各段の電磁石に電流を流すことによって、ロータ１０２から強力な駆動力が得られる。
Next, in the spherical stepping motor of the present invention, a case where the driving force is increased by using the attractive force between the permanent magnet of the rotor 102 and the electromagnet of the stator 103 in the upper stage will be described.
18A is a diagram showing the positional relationship of the permanent magnets in the first to third stages of the rotor 102, and FIG. 18B is the positional relationship of the electromagnets in the first to third stages of the stator 103. FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the permanent magnet at the second stage of the rotor 102 and the electromagnet at the second stage of the stator 103.
As shown in FIG. 19, the second stage permanent magnets of the rotor 102 are five (104B, 105B, 106B, 107B, 108B), and the second stage electromagnets of the stator 103 are the top six (109B, 110B). , 111B, 112B, 113B, 114B) and three electromagnets (115B, 116B, 117B) at the center of the regular hexagonal surface. Further, the third-stage permanent magnet of the rotor 102 and the third-stage electromagnet of the stator 103 also have five permanent magnets for the rotor 102 and nine permanent magnets for the stator 103, as in FIG.
Therefore, a strong driving force can be obtained from the rotor 102 by causing a current to flow through the electromagnet of each stage of the stator 103 corresponding to the permanent magnet of each stage of the rotor 102.
さらに、ロータ１０２の回転軸がステータ１０３の正方形の中心にある場合の上段の吸引力を利用してロータ１０２の駆動力を増加させる場合について説明する。
図２０（ａ）は、ロータ１０２の１段目と２段目にある永久磁石の位置関係を示す図、図２０（ｂ）は１段目と２段目のステータ１０３にある電磁石の位置関係を示す図、図２１は、ロータ１０２の２段目にある永久磁石とステータ１０３の２段目と１段目にある電磁石との関係を示す図である。
図２１に示すように、ロータ１０２の回転軸がステータ１０３の正方形の中心にある場合には、ロータ１０２の２段目の永久磁石５個（１１８Ｂ，１１９Ｂ，１２０Ｂ，１２１Ｂ，１２２Ｂ）とステータ１０３の２段目と１段目の電磁石８個（１２３Ｂ，１２４Ｂ，１２５Ｂ，１２６Ｂ，１２７Ｂ，１２８Ｂ，１２９Ｂ，１３０）の組み合わせになる。
従って、ロータ１０２の２段目にある永久磁石は、ステータ１０３の２段目と１段目にある電磁石の吸引力を利用して駆動力を増加させることができる。
Furthermore, the case where the driving force of the rotor 102 is increased by using the upper suction force when the rotating shaft of the rotor 102 is at the center of the square of the stator 103 will be described.
20A is a diagram showing the positional relationship between the first stage and the second stage of the rotor 102, and FIG. 20B is the positional relationship between the electromagnets in the first stage and the second stage stator 103. FIG. FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the permanent magnets at the second stage of the rotor 102 and the electromagnets at the second and first stages of the stator 103.
As shown in FIG. 21, when the rotation axis of the rotor 102 is at the center of the square of the stator 103, five permanent magnets (118B, 119B, 120B, 121B, 122B) of the second stage of the rotor 102 and the stator 103 The second and first stage electromagnets (123B, 124B, 125B, 126B, 127B, 128B, 129B, 130) are combined.
Therefore, the permanent magnet at the second stage of the rotor 102 can increase the driving force by using the attractive force of the electromagnets at the second and first stages of the stator 103.
さらに、同時に他の電磁石も利用してロータの駆動力を増加させる場合について説明する。
図１５においては、ロータ１０２の永久磁石に一番近いステータ１０３の電磁石のみに電流を流す場合について説明したが、同図において、電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０に同時に電流を流して、各々の電磁石の近くの永久磁石に時計回りの回転力が働くように電流の向きを考えて電流を流すことにより駆動力を増加させることができる。すなわち、一番近い永久磁石が反時計回りの位置にある電磁石１１０，１１２，１２０には吸引力を発生する電流を流し、一番近い永久磁石が時計回りの位置にある電磁石１１６，１１８には反発力を発生する電流を流し、等距離にある２個の永久磁石がある電磁石１１４には電流を流さないようにする。このようにほとんどの電磁石に同時に電流を流すことにより駆動力を増加させることができる。また、斜め軸周りの回転においても、同様にして殆どの電磁石の吸引・反発力を同時に利用することにより駆動力を増加させることができる。
Furthermore, the case where the driving force of the rotor is increased by simultaneously using another electromagnet will be described.
In FIG. 15, the case where the current is supplied only to the electromagnet of the stator 103 closest to the permanent magnet of the rotor 102 has been described. However, in FIG. 15, the current is simultaneously supplied to the electromagnets 110, 112, 114, 116, 118, 120. Thus, the driving force can be increased by flowing the current in consideration of the direction of the current so that a clockwise rotational force acts on the permanent magnet near each electromagnet. That is, the electromagnets 110, 112, and 120 in which the nearest permanent magnet is in the counterclockwise position pass a current that generates an attractive force, and the nearest permanent magnet is in the electromagnets 116 and 118 in the clockwise position. An electric current that generates a repulsive force is supplied, and no electric current is supplied to the electromagnet 114 having two permanent magnets that are equidistant. In this way, the driving force can be increased by passing current through most of the electromagnets simultaneously. Similarly, in the rotation around the oblique axis, it is possible to increase the driving force by simultaneously using the attractive / repulsive force of most electromagnets.
なお、この球面ステッピングモータにおいては、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。すなわち、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。ロータ側に磁性体を配置しステータ側に電磁石を配置する。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。 In this spherical stepping motor, the case where the permanent magnet is disposed on the rotor side and the electromagnet is disposed on the stator side has been described, but the following combinations are also possible. That is, an electromagnet is arranged on the rotor side and an electromagnet is arranged on the stator side. A magnetic body is arranged on the rotor side and an electromagnet is arranged on the stator side. A permanent magnet is disposed on the rotor side, and a hybrid configuration of a permanent magnet and an electromagnet is disposed on the stator side. A hybrid configuration of permanent magnets and electromagnets is arranged on the rotor side, and a hybrid configuration of permanent magnets and electromagnets is arranged on the stator side.
また、この球面ステッピングモータにおいては、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、ロータ側を固定してステータとし、ステータ側（外側）を可動としてロータとする、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。本実施形態では、ロータ側を固定してステータとし、ステータ側(外側)を可動としてロータとして使用している。 In this spherical stepping motor, the case where the stator is fixed and the rotor rotates has been described. However, the rotor side is fixed and used as the stator, and the stator side (outside) is used as the movable rotor. It is also possible to make it movable and use it as a universal joint part (active slide bearing). In the present embodiment, the rotor side is fixed and used as a stator, and the stator side (outside) is used as a movable rotor.
次に、この球面ステッピングモータにおいて、大きな駆動力を得るためには、ロータの永久磁石とステータの電磁石間に形成される磁路に大きな磁力線を流出入させる必要がある。以下に、ロータの永久磁石とステータの電磁石間に形成される磁路に大きな磁力線を流出入させるための構成について説明する。 Next, in this spherical stepping motor, in order to obtain a large driving force, it is necessary to cause a large line of magnetic force to flow into and out of a magnetic path formed between the permanent magnet of the rotor and the electromagnet of the stator. Below, the structure for making a big magnetic field line flow in and out of the magnetic path formed between the permanent magnet of a rotor and the electromagnet of a stator is demonstrated.
ロータ１０２は、図１３に示すように、内接する正１２面体の頂点１０４および各面の中心部１０５に対応する位置の表面にロータ１０２と同じ形状になるように永久磁石が埋め込まれている。そして、ロータ１０２の球殻構造は、図２２に示すように、外側の球殻１０６Ｃをプラスチック等の透磁率の低い材質とし、内側の球殻１０７Ｃを鉄等の透磁率の高い材質で構成する。さらに、ロータ１０２に内接する正１２面体の頂点１０４に対応する永久磁石１０４Ｃ表面の極性と、各面の中心部１０５に対応する永久磁石１０５Ｃ表面の極性とを反対にする（例えば、頂点１０４の永久磁石１０４ＣがＮ極の場合は中心部１０５の永久磁石１０５ＣはＳ極）。これにより、図２２の矢印に示すような磁路が形成される。 As shown in FIG. 13, the rotor 102 is embedded with permanent magnets so as to have the same shape as the rotor 102 on the surface corresponding to the vertex 104 of the regular dodecahedron and the center portion 105 of each surface. In the spherical shell structure of the rotor 102, as shown in FIG. 22, the outer spherical shell 106C is made of a material having a low magnetic permeability such as plastic, and the inner spherical shell 107C is made of a material having a high magnetic permeability such as iron. . Further, the polarity of the surface of the permanent magnet 104C corresponding to the vertex 104 of the regular dodecahedron inscribed in the rotor 102 is opposite to the polarity of the surface of the permanent magnet 105C corresponding to the center portion 105 of each surface (for example, When the permanent magnet 104C has an N pole, the permanent magnet 105C at the center 105 is an S pole). Thereby, a magnetic path as shown by the arrow in FIG. 22 is formed.
ステータ１０３は、図１４に示すように、内接するケルビンの１４面体の頂点１０６および各面の中心１０７に対応する位置に電磁石が配置されている。以下において、ステータ１０３の電磁石の極性について説明する。
いま、図１５に示すように、ロータ１０２の底面の正５角形の中心の永久磁石１０９がステータ１０３の底面の正６角形の中心の電磁石１０８と重なっている状態を真上から見た場合、ステータ１０３の電磁石１０８に電流を流して永久磁石１０９を吸引している状態で電磁石１１０に電流を流す。すると一番近い永久磁石１１１が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１１が電磁石１１０と一番近い距離になるところまで時計回りに回転する。この状態で電磁石１１０の電流を切り電磁石１１２に電流を流す。すると一番近い永久磁石１１３が吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を中心に永久磁石１１３が電磁石１１２と一番近い距離になるところまで回転する。以下、同様に底面の正６角形の頂点に位置する電磁石１１４，１１６，１１８，１２０の順に電流を切り替えると永久磁石１１５，１１７，１１９，１１１が順番に吸引されてロータ１０２は永久磁石１０９を回転中心として同じ方向に回転し続ける。この手順を繰り返すことにより、ロータ１０２を垂直軸周りに無限回転させることができる。
As shown in FIG. 14, the stator 103 has electromagnets arranged at positions corresponding to the apexes 106 of the inscribed Kelvin tetrahedron and the center 107 of each surface. Hereinafter, the polarity of the electromagnet of the stator 103 will be described.
Now, as shown in FIG. 15, when the state in which the regular pentagonal center permanent magnet 109 on the bottom surface of the rotor 102 overlaps with the regular hexagonal center electromagnet 108 on the bottom surface of the stator 103 is viewed from directly above, A current is passed through the electromagnet 110 while a current is passed through the electromagnet 108 of the stator 103 to attract the permanent magnet 109. Then, the nearest permanent magnet 111 is attracted, and the rotor 102 rotates clockwise around the permanent magnet 109 until the permanent magnet 111 is closest to the electromagnet 110. In this state, the current of the electromagnet 110 is turned off and the current is passed through the electromagnet 112. Then, the nearest permanent magnet 113 is attracted, and the rotor 102 rotates around the permanent magnet 109 until the permanent magnet 113 is closest to the electromagnet 112. Similarly, when the current is switched in the order of the electromagnets 114, 116, 118, and 120 located at the apex of the regular hexagon on the bottom surface, the permanent magnets 115, 117, 119, and 111 are sequentially attracted, and the rotor 102 causes the permanent magnet 109 to be attracted. Continue to rotate in the same direction as the center of rotation. By repeating this procedure, the rotor 102 can be rotated infinitely around the vertical axis.
この時、図１５において、永久磁石１０９に対向する電磁石１０８には、永久磁石１０９を吸引する方向に電流を流し、周辺の電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０はそれぞれ対向する永久磁石を吸引する方向に電流を流す。永久磁石１０９と永久磁石１１１，１１３，１１５，１１７，１１９は磁石の磁化方向が反転しているから、電磁石１０８と電磁石１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０は磁化方向が反転する。これにより、ロータ１０２の永久磁石とステータ１０３の電磁石間に、図２３の白矢印に示すような磁路が形成され、大きな磁力線を流出入させることができるので、大きな駆動力が得られる。 At this time, in FIG. 15, an electric current is passed through the electromagnet 108 facing the permanent magnet 109 in the direction in which the permanent magnet 109 is attracted, and the surrounding electromagnets 110, 112, 114, 116, 118, 120 are respectively opposed to the permanent magnet 109. Current in the direction of suction. Since the permanent magnet 109 and the permanent magnets 111, 113, 115, 117, and 119 have their magnetization directions reversed, the electromagnet 108 and the electromagnets 110, 112, 114, 116, 118, and 120 have their magnetization directions reversed. As a result, a magnetic path as shown by the white arrow in FIG. 23 is formed between the permanent magnet of the rotor 102 and the electromagnet of the stator 103, and a large line of magnetic force can flow in and out, so that a large driving force is obtained.
球面モータと組み合わせた本機構は、コンパクトで省資源省エネルギーとなる球面減速駆動機構を実現したものであるから、球面の動きが必要でかつ高トルクを必要とする用途において適用可能であり、例えば、ロボットの肩関節など、要素を球面駆動させる際の駆動機構として用いることができる。 This mechanism combined with a spherical motor is a compact, resource-saving and energy-saving spherical deceleration drive mechanism that can be applied to applications that require spherical movement and high torque. It can be used as a driving mechanism for spherically driving an element such as a shoulder joint of a robot.
１ 出力軸
２ ベルト
３ 球面モータの楕円体のロータ
４ 外球殻
１１ 出力軸
１２ ベルト
１３ 球面モータの偏心した球体のロータ
１４ 外球殻
２１ 出力軸
２２ ベルト
２３ 球面モータの偏心した球体のロータ
２４ 外球殻
１０１ 球面軸受
１０２ ロータ
１０３ ステータ
１０４，１０６ 頂点
１０５，１０７ 中心部
１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０ 電磁石
１０９，１１１，１１３，１１５，１１７，１１９ 永久磁石
１０４Ａ，１０６Ａ，１０７Ａ，１０８Ａ，１０９Ａ 電磁石
１０５Ａ，１１０Ａ，１１１Ａ，１１２Ａ，１１３Ａ，１１４Ａ 永久磁石
１０４Ｂ，１０５Ｂ，１０６Ｂ，１０７Ｂ，１０８Ｂ 永久磁石
１０９Ｂ，１１０Ｂ，１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ，１１５Ｂ，１１６Ｂ，１１７Ｂ 電磁石
１１８Ｂ，１１９Ｂ，１２０Ｂ，１２１Ｂ，１２２Ｂ 永久磁石
１２３Ｂ，１２４Ｂ，１２５Ｂ，１２６Ｂ，１２７Ｂ，１２８Ｂ，１２９Ｂ，１３０Ｂ 電磁石
１０４Ｃ，１０５Ｃ 永久磁石
１０６Ｃ ロータの外側の球殻
１０７Ｃ ロータの内側の球殻
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Output shaft 2 Belt 3 Spherical motor ellipsoidal rotor 4 Outer spherical shell 11 Output shaft 12 Belt 13 Spherical motor eccentric spherical rotor 14 Outer spherical shell 21 Output shaft 22 Belt 23 Spherical motor eccentric spherical rotor 24 Outer spherical shell 101 Spherical bearing 102 Rotor 103 Stator 104, 106 Apex 105, 107 Center part 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 Electromagnet 109, 111, 113, 115, 117, 119 Permanent magnet 104A, 106A, 107A, 108A, 109A Electromagnets 105A, 110A, 111A, 112A, 113A, 114A Permanent magnets 104B, 105B, 106B, 107B, 108B Permanent magnets 109B, 110B, 111B, 112B, 113B, 114B, 115B, 116B, 117B Electromagnets 11 B, 119B, 120B, 121B, 122B permanent magnets 123B, 124B, 125B, 126B, 127B, 128B, 129B, 130B electromagnet 104C, the inside of a spherical shell of the outer spherical shell 107C rotor 105C permanent magnet 106C rotor
Claims (3)
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに偶数個だけ少ない数の歯を有し、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に長軸方向の２箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と２箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。 An outer spherical shell with concentric grooves on its inner surface around its axis, a rotor of a spherical motor arranged inside the outer spherical shell, a stator of a spherical motor arranged inside the rotor, and a rotor surface A belt that fits in the support groove and is slidably supported in the support groove and can be deformed according to the rotor shape, and an output shaft that extracts the rotation of the belt,
The belt meshes with grooves in the outer spherical shell and has a number of teeth slightly less by an even number than the number of grooves in the outer spherical shell;
The rotor has a shape that presses the teeth of the belt against the groove of the outer spherical shell at two locations in the long axis direction,
As the rotor rotates, the belt slides in the support groove while deforming, and the teeth next to the belt teeth that meshed with the outer spherical shell grooves engage with the grooves next to the outer spherical shell in turn. A spherical reduction drive mechanism characterized in that the rotation of the rotor is greatly decelerated and the output torque is greatly increased.
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかに少ない数の歯を有し、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝に１箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝と１箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。 An outer spherical shell with concentric grooves on its inner surface around its axis, a rotor of a spherical motor arranged inside the outer spherical shell, a stator of a spherical motor arranged inside the rotor, and a rotor surface A belt that fits in the support groove and is slidably supported in the support groove and can be deformed according to the rotor shape, and an output shaft that extracts the rotation of the belt,
The belt meshes with grooves in the outer spherical shell and has a number of teeth slightly less than the number of grooves in the outer spherical shell;
The rotor has a shape that presses the teeth of the belt against the groove of the outer spherical shell at one place,
As the rotor rotates, the belt slides in the support groove while deforming, and the tooth next to the belt that meshes with the groove on the outer spherical shell engages with the groove next to the outer spherical shell in turn. A spherical reduction drive mechanism characterized in that the rotation of the rotor is greatly decelerated and the output torque is greatly increased.
前記ベルトは、外球殻の溝とかみ合い、外球殻の溝の数よりわずかにＫの整数倍個だけ少ない数の歯を有し、ただしＫは３以上の自然数、
前記ロータは、ベルトの歯を外球殻の溝にＫ箇所で押しつける形状を有し、
ロータの回転に伴い、ベルトが変形しつつ支持溝内をすべり、外球殻の溝とＫ箇所でかみ合っていたベルトの歯のとなりの歯が外球殻のとなりの溝に順番にかみ合っていき、ロータの回転を大幅に減速するとともに出力トルクを大幅に増加させることを特徴とする球面減速駆動機構。 An outer spherical shell with concentric grooves on its inner surface around its axis, a rotor of a spherical motor arranged inside the outer spherical shell, a stator of a spherical motor arranged inside the rotor, and a rotor surface A belt that fits in the support groove and is slidably supported in the support groove and can be deformed according to the rotor shape, and an output shaft that extracts the rotation of the belt,
The belt engages with the grooves of the outer spherical shell and has a number of teeth slightly smaller by an integer multiple of K than the number of grooves of the outer spherical shell, where K is a natural number of 3 or more,
The rotor has a shape that presses the teeth of the belt against the groove of the outer spherical shell at K locations,
As the rotor rotates, the belt deforms and slides inside the support groove, and the teeth next to the outer teeth of the belt that meshed with the grooves of the outer spherical shell mesh with the grooves next to the outer spherical shell in turn. A spherical reduction drive mechanism characterized in that the rotation of the rotor is greatly decelerated and the output torque is greatly increased.
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