JPH0714269B2 - 球面モ−タ - Google Patents
球面モ−タInfo
- Publication number
- JPH0714269B2 JPH0714269B2 JP61064387A JP6438786A JPH0714269B2 JP H0714269 B2 JPH0714269 B2 JP H0714269B2 JP 61064387 A JP61064387 A JP 61064387A JP 6438786 A JP6438786 A JP 6438786A JP H0714269 B2 JPH0714269 B2 JP H0714269B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spherical
- rotor
- permanent magnet
- windings
- stator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマニピュレータなどの多自由度運動機構に用い
られる多自由度アクチュエータに係り、特に小形にして
簡素な構造により３自由度の運動を実現する球面モータ
の構成に関する。
られる多自由度アクチュエータに係り、特に小形にして
簡素な構造により３自由度の運動を実現する球面モータ
の構成に関する。
多自由度機構を構成する場合、一般には、一つの自由度
に対して一つのアクチュエータを配置し、複雑な伝達機
構を用いて多自由度の運動を実現している。このため、
伝達機構の弾性変形やガタの影響で機械的な位置決め精
度が劣化したり、機構全体が大型で重くなるという問題
が生じている。また、先端のアクチュエータの重量が根
元のアクチュエータの負荷となり、実際の負荷に対して
必要以上に大型のアクチュエータを用いなければならな
いことも多い。これに対し、アクチュエータ自体が多自
由度できれば、これらの問題点は解決し、機構の簡素
化、小形・軽量化が可能となる。
に対して一つのアクチュエータを配置し、複雑な伝達機
構を用いて多自由度の運動を実現している。このため、
伝達機構の弾性変形やガタの影響で機械的な位置決め精
度が劣化したり、機構全体が大型で重くなるという問題
が生じている。また、先端のアクチュエータの重量が根
元のアクチュエータの負荷となり、実際の負荷に対して
必要以上に大型のアクチュエータを用いなければならな
いことも多い。これに対し、アクチュエータ自体が多自
由度できれば、これらの問題点は解決し、機構の簡素
化、小形・軽量化が可能となる。
現在、一般に市販されているモータの大多数は回転また
は直進の１自由度形のものである。従来の多自由度アク
チュエータの代表的な例としては、Sawyerの原理に基づ
くXY形の平面ステップモータがあり、これはXYNETICS社
が開発した自動製図機に実際に用いられている。また、
２方向搬送用リニアモータ誘導モータや直進と回転の２
方向に駆動する円筒形ステップモータ等の研究も進めら
れているが、これらに関しては、また、実用化されてい
ない。一方、３自由度形のものについては、これまでに
も、回転様界を利用した３次元モータや形状記憶合金や
電歪素子などの機能材料を用いた球面アクチュエータな
どが提案されているが、いずれもアイデア階段で、まだ
具体化されていない現状である。
は直進の１自由度形のものである。従来の多自由度アク
チュエータの代表的な例としては、Sawyerの原理に基づ
くXY形の平面ステップモータがあり、これはXYNETICS社
が開発した自動製図機に実際に用いられている。また、
２方向搬送用リニアモータ誘導モータや直進と回転の２
方向に駆動する円筒形ステップモータ等の研究も進めら
れているが、これらに関しては、また、実用化されてい
ない。一方、３自由度形のものについては、これまでに
も、回転様界を利用した３次元モータや形状記憶合金や
電歪素子などの機能材料を用いた球面アクチュエータな
どが提案されているが、いずれもアイデア階段で、まだ
具体化されていない現状である。
本発明の目的は、多自由度機構の簡素化、小形・軽量化
に必要な多自由度アクチュエータを実現すべく、小形か
つ簡素な構造で、直交する３軸まわりに回転可能な３自
由度の球面モータを提供することにある。
に必要な多自由度アクチュエータを実現すべく、小形か
つ簡素な構造で、直交する３軸まわりに回転可能な３自
由度の球面モータを提供することにある。
本発明による球面モータは、球面上に該球面の少なくと
も一方の半球面を４等分に分割する形状に配置された４
つの巻線を１組とし、これを位置をずらして複数組配置
させて持つステータと、永久磁石もしくは永久磁石と継
鉄からなる球面状の磁極を有するロータと、該ロータを
上記ステータと微小空隙を介して回転自在に支持する球
面軸受と、ロータの３次元的な位置信号を検出する手段
とを有し、ロータの位置に応じて励磁する巻線の組を切
り換えるとともに、該ロータの永久磁石から生じる磁界
中でステータの各巻線に流れる電流を制御することによ
り、ロータに任意の方向の駆動トルクを生じさせるよう
にしたことである。
も一方の半球面を４等分に分割する形状に配置された４
つの巻線を１組とし、これを位置をずらして複数組配置
させて持つステータと、永久磁石もしくは永久磁石と継
鉄からなる球面状の磁極を有するロータと、該ロータを
上記ステータと微小空隙を介して回転自在に支持する球
面軸受と、ロータの３次元的な位置信号を検出する手段
とを有し、ロータの位置に応じて励磁する巻線の組を切
り換えるとともに、該ロータの永久磁石から生じる磁界
中でステータの各巻線に流れる電流を制御することによ
り、ロータに任意の方向の駆動トルクを生じさせるよう
にしたことである。
以下、本発明の一実施例について図面により説明する。
第１図は本発明の球面モータの原理構成を示す構造断面
図であり、第２図は第１図のA-A′断面図である。図
中、１は永久磁石、２は継鉄であり、永久磁石１および
継鉄２によって外周に球面状の磁極を有するロータ３を
構成する。４〜７は巻線群であり、これらの巻線群は複
数組の巻線から成っている。１組の巻線は、半球面を４
分割する形状の４個の巻線から成っており、第２図にお
いては、ａ〜ｄの４組の巻線を示している。８は巻線４
〜７を設けたスロットを有するステータであり、ロータ
３とゝもに図中の点線９のような磁路を形成する。10は
ロータ３と一体になった出力軸であり、その一端は球面
軸受11を介して回転自在に支持されている。第３図は第
２図の巻線４〜７の構造を示す図であり、４〜７の巻線
群を構成する４組の巻線ａ〜ｄが少しづつずれて配置さ
れている。
図であり、第２図は第１図のA-A′断面図である。図
中、１は永久磁石、２は継鉄であり、永久磁石１および
継鉄２によって外周に球面状の磁極を有するロータ３を
構成する。４〜７は巻線群であり、これらの巻線群は複
数組の巻線から成っている。１組の巻線は、半球面を４
分割する形状の４個の巻線から成っており、第２図にお
いては、ａ〜ｄの４組の巻線を示している。８は巻線４
〜７を設けたスロットを有するステータであり、ロータ
３とゝもに図中の点線９のような磁路を形成する。10は
ロータ３と一体になった出力軸であり、その一端は球面
軸受11を介して回転自在に支持されている。第３図は第
２図の巻線４〜７の構造を示す図であり、４〜７の巻線
群を構成する４組の巻線ａ〜ｄが少しづつずれて配置さ
れている。
第４図は本発明の球面モータの動作を説明するための図
であり、第５図はロータとステータとの位置関係を示す
ものである。
であり、第５図はロータとステータとの位置関係を示す
ものである。
次に、第４図にしたがって本球面モータの動作を説明す
る。同図において、4a〜7aは第３図に示す１組の巻線で
ある。また、点線12はロータ３の外周部分を示してお
り、磁界が作用する位置を示している。このとき、点線
12と巻線4a〜7aの交点13a〜13dが力の作用点となる。そ
こで、巻線が形成する球面の中心Ｏを原点として、ステ
ータに固定した直角座標系XYZをとり、その座標系での
力の作用点13a〜13dの位置ベクトルをr1〜r4、また、各
作用点に作用する力ベクトルをf1〜f4とすると、XYZ3軸
まわりのトルクＴは、第１式で与えられる。
る。同図において、4a〜7aは第３図に示す１組の巻線で
ある。また、点線12はロータ３の外周部分を示してお
り、磁界が作用する位置を示している。このとき、点線
12と巻線4a〜7aの交点13a〜13dが力の作用点となる。そ
こで、巻線が形成する球面の中心Ｏを原点として、ステ
ータに固定した直角座標系XYZをとり、その座標系での
力の作用点13a〜13dの位置ベクトルをr1〜r4、また、各
作用点に作用する力ベクトルをf1〜f4とすると、XYZ3軸
まわりのトルクＴは、第１式で与えられる。
たゞし、τx，τy，τzはそれぞれトルクＴのＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸まわりのトルク成分を示す。
軸、Ｚ軸まわりのトルク成分を示す。
このとき各作用点に生じる力f1〜f4の大きさは、各点の
磁束密度Ｂと、その点で磁界を横切る電流i1〜i4の大き
さによって決まることは公知の事実であり、例えば第２
式で与えられる。
磁束密度Ｂと、その点で磁界を横切る電流i1〜i4の大き
さによって決まることは公知の事実であり、例えば第２
式で与えられる。
｜f1｜＝NlB（i1−i2） （２） たゞし、Ｎは巻線の本数、ｌは巻線が磁界を横切る長さ
である。したがって、４つの巻線電流i1〜i4の値によっ
て、f1〜f4の値を任意に調整することができる。
である。したがって、４つの巻線電流i1〜i4の値によっ
て、f1〜f4の値を任意に調整することができる。
また、r1〜r4は出力軸の傾き角（例えばオイラー角等）
を用いて幾何学的に求めることができる。例えば、第５
図に示すＺ″軸を出力軸10とし、このＺ″軸の傾き角を
Ｘ軸まわりの回転角θと、この回転をしたあとのＸ′
Ｙ′Ｚ′座標系のＹ′軸まわりの回転角φで表すと、r1
〜r4は、第３式のようにθとφの関数h1で表される。
を用いて幾何学的に求めることができる。例えば、第５
図に示すＺ″軸を出力軸10とし、このＺ″軸の傾き角を
Ｘ軸まわりの回転角θと、この回転をしたあとのＸ′
Ｙ′Ｚ′座標系のＹ′軸まわりの回転角φで表すと、r1
〜r4は、第３式のようにθとφの関数h1で表される。
たゞし、xj,yj,zjは、位置ベクトルrjのXYZ成分を示
す。
す。
上記第１式から第３式を用いると、τxは、第４式のよ
うになる。
うになる。
τx＝z2f2−z4f4 ＝NlB｛z2・（i2−i3）−z4・（i4−i1）｝ （４） 同様に、τy，τzについては第５式および第６式のよう
になる。
になる。
τy＝NlB｛z3・（i4−i3）−z1・（i2−i1）｝ （５） τz＝NlB｛x4・（i4−i1）−x2・（i2−i3）｝＋NlB｛y
1・（i2−i1）−y3・（i4−i3）｝ （６） 先に説明したように、xj,yj,zjはθとφの関数として与
えられる。したがって出力軸の傾き角θ，φに応じて４
つの巻線電流i1〜i4を調節すれば、XYZ3軸まわりのトル
クＴを自在に制御することが可能となる。
1・（i2−i1）−y3・（i4−i3）｝ （６） 先に説明したように、xj,yj,zjはθとφの関数として与
えられる。したがって出力軸の傾き角θ，φに応じて４
つの巻線電流i1〜i4を調節すれば、XYZ3軸まわりのトル
クＴを自在に制御することが可能となる。
第４図には１組の巻線4a〜7aしか示されていないが、第
３図に示したように、このような巻線を複数組（4a〜7
a,4b〜7b,4c〜7c,4d〜7d）設け、Ｚ軸まわりの変位に基
づいて励磁する巻線を切り替えることにより、Ｚ軸まわ
りに滑らかにかつ無限に回転させることが可能である。
３図に示したように、このような巻線を複数組（4a〜7
a,4b〜7b,4c〜7c,4d〜7d）設け、Ｚ軸まわりの変位に基
づいて励磁する巻線を切り替えることにより、Ｚ軸まわ
りに滑らかにかつ無限に回転させることが可能である。
以上の第１図の実施例においては、半球面を４等分する
４つの巻線を１組としているが、このうち、冗長な入力
を省略することも可能である。例えば、式（４）〜
（６）において、 i4＝i1＋i2＋i3 とすれば、３つの巻線電流i1〜i3でXYZ3軸回りのトルク
Ｔを自在に制御可能である。
４つの巻線を１組としているが、このうち、冗長な入力
を省略することも可能である。例えば、式（４）〜
（６）において、 i4＝i1＋i2＋i3 とすれば、３つの巻線電流i1〜i3でXYZ3軸回りのトルク
Ｔを自在に制御可能である。
また、ロータ側に巻線を設け、ステータ側に永久磁石も
しくは永久磁石と継鉄からなる球面状の磁極を設けた構
成としても、動作は全く同様であることはもちろんであ
る。
しくは永久磁石と継鉄からなる球面状の磁極を設けた構
成としても、動作は全く同様であることはもちろんであ
る。
第６図はロータとステータの相対位置検出手段を設けた
本発明の球面モータの一実施例を示す。図中、14は球面
滑り軸受、15は回転軸受、16は支持部材、17は回転検出
用の光学式エンコーダ、18は出力軸10の傾きを検出する
ための表面に歪みゲージを貼った板バネである。この板
バネ18はステータ８と支持材16の間に球面滑り軸受14を
介して設けられており、また、光学式エンコーダ17は支
持材16と出力軸10との間に回転軸受15を介して設けられ
ている。このような２重構造とすることによって、出力
軸の傾き角θ，φと出力軸の回転とを分離して検出する
ことができ、さらには、出力軸の傾き角θ，φに応じて
各巻線の電流を制御することにより、出力軸の傾きによ
る駆動トルクの変動を補償することが可能となる。
本発明の球面モータの一実施例を示す。図中、14は球面
滑り軸受、15は回転軸受、16は支持部材、17は回転検出
用の光学式エンコーダ、18は出力軸10の傾きを検出する
ための表面に歪みゲージを貼った板バネである。この板
バネ18はステータ８と支持材16の間に球面滑り軸受14を
介して設けられており、また、光学式エンコーダ17は支
持材16と出力軸10との間に回転軸受15を介して設けられ
ている。このような２重構造とすることによって、出力
軸の傾き角θ，φと出力軸の回転とを分離して検出する
ことができ、さらには、出力軸の傾き角θ，φに応じて
各巻線の電流を制御することにより、出力軸の傾きによ
る駆動トルクの変動を補償することが可能となる。
以上、詳細に説明したように、本発明に係る構造の球面
モータによれば、制御性に優れ、比較的簡素な構造で容
易に３自由度の球面モータを実現することができ、例え
ば、マニピュレータの関節などに応用できる。
モータによれば、制御性に優れ、比較的簡素な構造で容
易に３自由度の球面モータを実現することができ、例え
ば、マニピュレータの関節などに応用できる。
第１図は本発明の球面モータの実施例を示す図、第２図
は第１図のA-A′断面図、第３図は第１図の球面モータ
における巻線の構造図、第４図は本発明の球面モータの
動作を説明するための動作原理図、第５図は出力軸の傾
きを定義する説明図、第６図は本発明の球面モータの他
の実施例の一部断面図である。 １……永久磁石、２……継鉄、３……ロータ、4a〜7d…
…球面状巻線、８……ステータ、９……磁路、10……出
力軸、11……球面軸受、13a〜13d……力の作用点、14…
…球面滑り軸受、15……回転軸受、16……支持部材、17
……ロータリエンコーダ、18……板バネ。
は第１図のA-A′断面図、第３図は第１図の球面モータ
における巻線の構造図、第４図は本発明の球面モータの
動作を説明するための動作原理図、第５図は出力軸の傾
きを定義する説明図、第６図は本発明の球面モータの他
の実施例の一部断面図である。 １……永久磁石、２……継鉄、３……ロータ、4a〜7d…
…球面状巻線、８……ステータ、９……磁路、10……出
力軸、11……球面軸受、13a〜13d……力の作用点、14…
…球面滑り軸受、15……回転軸受、16……支持部材、17
……ロータリエンコーダ、18……板バネ。
Claims (2)
- 【請求項１】球面上に該球面の少なくとも一方の半球面
を４等分に分割する形状に配置された４つの巻線を１組
とし、これを位置をずらして複数組配置させて持つステ
ータと、永久磁石もしくは永久磁石と継鉄からなる球面
状の磁極を有するロータと、該ロータを上記ステータと
微小空隙を介して回転自在に支持する球面軸受と、ロー
タの３次元的な位置信号を検出する手段とを有し、上記
ロータの位置に応じて励磁する巻線の組を切り換えると
ともに、該ロータの永久磁石から生じる磁界中で上記ス
テータの各巻線に流れる電流を制御することにより、ロ
ータに任意の方向の駆動トルクを生じさせることを特徴
とする球面モータ。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の球面モータに
おいて、ロータ側に巻線を設け、ステータ側に永久磁石
もしくは永久磁石と継鉄からなる球面状の磁極を設けた
ことを特徴とする球面モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61064387A JPH0714269B2 (ja) | 1986-03-22 | 1986-03-22 | 球面モ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61064387A JPH0714269B2 (ja) | 1986-03-22 | 1986-03-22 | 球面モ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62221856A JPS62221856A (ja) | 1987-09-29 |
| JPH0714269B2 true JPH0714269B2 (ja) | 1995-02-15 |
Family
ID=13256856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61064387A Expired - Fee Related JPH0714269B2 (ja) | 1986-03-22 | 1986-03-22 | 球面モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0714269B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100953385B1 (ko) * | 2008-02-14 | 2010-04-20 | 한국과학기술연구원 | 영구자석과 전자석의 복합 적용 방식을 이용한 강성 발생장치 및 이를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트 |
| JP2018140483A (ja) * | 2017-02-24 | 2018-09-13 | 岡部 豊 | 磁力バランサー |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0526774B1 (en) * | 1991-07-31 | 1996-03-20 | Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha | Electric motor having a spherical rotor and its application apparatus |
| FR2786311B1 (fr) * | 1998-11-20 | 2001-01-19 | Moving Magnet Tech | Actionneurs bidirectionnels |
| US6664666B2 (en) * | 1998-12-23 | 2003-12-16 | Engineering Matters, Inc. | Motor assembly allowing output in multiple degrees of freedom |
| TW200404130A (en) | 2002-07-25 | 2004-03-16 | Ecchandes Inc | Rotation system with three degree of freedom and application of the same |
| JP4641237B2 (ja) * | 2005-09-27 | 2011-03-02 | 住友重機械工業株式会社 | 多自由度アクチュエータ |
| JP5224209B2 (ja) * | 2007-03-02 | 2013-07-03 | 孝仁 今川 | 二次元共鳴振動モーター |
| JP5164062B2 (ja) * | 2007-11-20 | 2013-03-13 | 国立大学法人大阪大学 | 多自由度電磁アクチュエータ |
| JP5399664B2 (ja) * | 2008-08-26 | 2014-01-29 | パナソニック株式会社 | アクチュエータ |
| JP5370960B2 (ja) * | 2009-03-06 | 2013-12-18 | シンフォニアテクノロジー株式会社 | 電磁アクチュエータ装置、電磁アクチュエータの駆動装置、その駆動方法及び電磁アクチュエータを搭載した装置 |
| WO2011057168A2 (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-12 | Electric Gorilla Llc | Dynamoelectric devices |
| JP2015189273A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 株式会社ミツバ | ワイパシステム |
| JP2015189272A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 株式会社ミツバ | ワイパシステム制御方法及びワイパシステム |
| JP6955914B2 (ja) * | 2017-06-26 | 2021-10-27 | 日本信号株式会社 | ロボット機構及びコミュニケーションロボット |
| CN107911060B (zh) * | 2017-12-19 | 2020-04-21 | 天津大学 | 一种永磁球形电机定子线圈激励方法 |
| CN109802513B (zh) * | 2019-01-31 | 2021-06-08 | 河北科技大学 | 永磁转子驱动式多自由度运动电机 |
| WO2021243515A1 (zh) * | 2020-06-01 | 2021-12-09 | 大连理工大学 | 一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0685630B2 (ja) * | 1984-03-28 | 1994-10-26 | 工業技術院長 | ３次元モ−タ |
-
1986
- 1986-03-22 JP JP61064387A patent/JPH0714269B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100953385B1 (ko) * | 2008-02-14 | 2010-04-20 | 한국과학기술연구원 | 영구자석과 전자석의 복합 적용 방식을 이용한 강성 발생장치 및 이를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트 |
| JP2018140483A (ja) * | 2017-02-24 | 2018-09-13 | 岡部 豊 | 磁力バランサー |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62221856A (ja) | 1987-09-29 |
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