JP2003070272A - 球面超音波モータ、及び、それに適した磁化球 - Google Patents
球面超音波モータ、及び、それに適した磁化球Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来になく高い動作自由度を有し、ロボット
の関節部等の駆動装置として好適な球面超音波モータ、
及び、該球面超音波モータに使用する球状磁石として好
適なな磁化球を提供する。 【解決手段】 全体が磁化されている球状磁石をロータ
とし、該ロータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所
に配されたステータを、該ステータに発生させた進行波
によって前記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束一
体化させてなる超音波モータ。前記ステータを拘束する
箇所及び前記ロータとの接触部以外の、前記ステータの
何れかの箇所に、又は、該箇所から若しくはステータを
拘束する枠体から前記球状磁石の表面近傍に伸ばした２
以上のアームの先端に、該球状磁石の磁界状態を検出す
る磁界検出手段を配する。球状磁石としては、フェリ磁
性体及び／又は強磁性体と非磁性体の均一混合物からな
るものが特に良い。
の関節部等の駆動装置として好適な球面超音波モータ、
及び、該球面超音波モータに使用する球状磁石として好
適なな磁化球を提供する。 【解決手段】 全体が磁化されている球状磁石をロータ
とし、該ロータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所
に配されたステータを、該ステータに発生させた進行波
によって前記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束一
体化させてなる超音波モータ。前記ステータを拘束する
箇所及び前記ロータとの接触部以外の、前記ステータの
何れかの箇所に、又は、該箇所から若しくはステータを
拘束する枠体から前記球状磁石の表面近傍に伸ばした２
以上のアームの先端に、該球状磁石の磁界状態を検出す
る磁界検出手段を配する。球状磁石としては、フェリ磁
性体及び／又は強磁性体と非磁性体の均一混合物からな
るものが特に良い。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、従来になく高い動
作自由度を確保することのできる球面超音波モータ、及
び、該モータに好適な、磁性材料と非磁性材料とからな
る磁性を帯びた磁化球に関し、特に、ロボットの関節部
分の駆動源や視覚センサの向きを変える駆動源等として
好適な球面超音波モータ、並びに、該モータの性能をよ
り高めることの出来る、フェリ磁性体及び／又は強磁性
体と非磁性材料の均一混合物を略球状に形成してなる磁
化球に関する。
作自由度を確保することのできる球面超音波モータ、及
び、該モータに好適な、磁性材料と非磁性材料とからな
る磁性を帯びた磁化球に関し、特に、ロボットの関節部
分の駆動源や視覚センサの向きを変える駆動源等として
好適な球面超音波モータ、並びに、該モータの性能をよ
り高めることの出来る、フェリ磁性体及び／又は強磁性
体と非磁性材料の均一混合物を略球状に形成してなる磁
化球に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高度な制御部や各種センサを搭載
したロボット製品が開発され、家庭用ロボットの時代が
予感されるに至った。しかしながら、多くの関節に多自
由度を必要とする人型ロボットにおける、手、足、その
他の関節部、眼球部などに搭載するアクチュエータの出
力と自由度は未だ不十分である。特に、従来から使用さ
れている電磁モータは小型化すればする程、単位体積当
たりの出力換算が需要を満たさなくなる。
したロボット製品が開発され、家庭用ロボットの時代が
予感されるに至った。しかしながら、多くの関節に多自
由度を必要とする人型ロボットにおける、手、足、その
他の関節部、眼球部などに搭載するアクチュエータの出
力と自由度は未だ不十分である。特に、従来から使用さ
れている電磁モータは小型化すればする程、単位体積当
たりの出力換算が需要を満たさなくなる。
【０００３】そこで近年は、電磁モータの代りに超音波
アクチュエータを使用することが提案されている。特に
圧電現象を駆動源とした直接駆動型アクチュエータであ
る進行波型超音波モータは、磁界の影響を受けない上、
摩擦駆動である為に慣性負荷を直接駆動することができ
る。また、電力停止時にその摩擦によって、高い保持ト
ルクを発生することが出来る上、低速時のトルクが高く
簡単な構造でトルク密度が高いという特徴がある。従っ
て、進行波型超音波モータは、単位体積当たりの出力換
算では電磁モータを上回る上、理論的な位置分析能は無
限大であるという利点がある。そして、ロボットアーム
の高精度位置決めなどには、上記保持トルク、分解能、
出力密度は重要なパラメータである。
アクチュエータを使用することが提案されている。特に
圧電現象を駆動源とした直接駆動型アクチュエータであ
る進行波型超音波モータは、磁界の影響を受けない上、
摩擦駆動である為に慣性負荷を直接駆動することができ
る。また、電力停止時にその摩擦によって、高い保持ト
ルクを発生することが出来る上、低速時のトルクが高く
簡単な構造でトルク密度が高いという特徴がある。従っ
て、進行波型超音波モータは、単位体積当たりの出力換
算では電磁モータを上回る上、理論的な位置分析能は無
限大であるという利点がある。そして、ロボットアーム
の高精度位置決めなどには、上記保持トルク、分解能、
出力密度は重要なパラメータである。
【０００４】実際、本発明者等が開発した進行波型超音
波モータである多自由度球面超音波モータは、単体で３
自由度駆動が可能であり、超音波モータとしての動力特
性を維持したまま、直接駆動方式で球体駆動操作を行う
ことが出来るので、人型ロボットの関節部のアクチュエ
ータ等として好適である。そこで近年、球状ロータの球
面に磁石（又は電磁石）を埋め込み、ホール素子を用い
て磁力を検出することにより位置決めする、球面超音波
アクチュエータが積極的に開発されている（例えば、特
開平６−２１０５８５号、同７−８０７９３号、同７−
０８７７６４号、同７−０８７７６６号、同８−０８８
９８７号、同８−１３２３８２号、同９−２３８４８５
号各公報）。しかしながら、これらの場合には、何れか
の方法でホール素子を球中心に配する必要があるため、
支柱を立てるなどする必要があり、球の可動範囲を小さ
くするという欠点があった。このような欠点を解決する
為に、球の外表面近傍にホール素子を配した場合には、
必要とされるホール素子の数が多くなる為に位置決めの
計算が複雑となり、位置決め精度が落ちるという欠点が
あった。
波モータである多自由度球面超音波モータは、単体で３
自由度駆動が可能であり、超音波モータとしての動力特
性を維持したまま、直接駆動方式で球体駆動操作を行う
ことが出来るので、人型ロボットの関節部のアクチュエ
ータ等として好適である。そこで近年、球状ロータの球
面に磁石（又は電磁石）を埋め込み、ホール素子を用い
て磁力を検出することにより位置決めする、球面超音波
アクチュエータが積極的に開発されている（例えば、特
開平６−２１０５８５号、同７−８０７９３号、同７−
０８７７６４号、同７−０８７７６６号、同８−０８８
９８７号、同８−１３２３８２号、同９−２３８４８５
号各公報）。しかしながら、これらの場合には、何れか
の方法でホール素子を球中心に配する必要があるため、
支柱を立てるなどする必要があり、球の可動範囲を小さ
くするという欠点があった。このような欠点を解決する
為に、球の外表面近傍にホール素子を配した場合には、
必要とされるホール素子の数が多くなる為に位置決めの
計算が複雑となり、位置決め精度が落ちるという欠点が
あった。
【０００５】一方、球状磁石の磁界をホール素子を用い
て検出し、球の回転を測定することが出来ることは知ら
れている（例えば、川北和明等、「玉軸受けの玉の運動
検出に与える玉の磁化方法の影響」、トライボロジー会
議予稿集、（１９９８）、川北和明等、「玉軸受けにお
ける玉の自転角速度の三次元ベクトル成分の解析」、潤
滑第３１巻第５号、（１９８６）、今戸啓二等、「ホー
ル素子による玉軸受の玉の運動計測法に関する誤差の検
討」、日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻、６３４号、
１９９９−６、今戸啓二等、「ホール素子による玉軸受
の玉の運動測定法に関する一考察」。日本機械学会論文
集（Ｃ編）６５巻、６１２号、１９９７−８）。
て検出し、球の回転を測定することが出来ることは知ら
れている（例えば、川北和明等、「玉軸受けの玉の運動
検出に与える玉の磁化方法の影響」、トライボロジー会
議予稿集、（１９９８）、川北和明等、「玉軸受けにお
ける玉の自転角速度の三次元ベクトル成分の解析」、潤
滑第３１巻第５号、（１９８６）、今戸啓二等、「ホー
ル素子による玉軸受の玉の運動計測法に関する誤差の検
討」、日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻、６３４号、
１９９９−６、今戸啓二等、「ホール素子による玉軸受
の玉の運動測定法に関する一考察」。日本機械学会論文
集（Ｃ編）６５巻、６１２号、１９９７−８）。
【０００６】本発明者等は、球状磁石をロータとし、中
心部にホール素子を有するステータを３箇以上使用して
前記球状ロータを支持した場合には、球の可動範囲を限
定することがない上、少ない数のホール素子で十分に位
置検出を行うことのできる球面超音波モータとなるこ
と、及び、球状磁石の材質として、フェリ磁性体及び／
又は強磁性体と非磁性体との均一混合物を用いた場合に
は、外部から磁性体が接近した場合の影響が少なくなる
上球状磁石の磁束密度も高くすることができるので、更
に高性能な球面超音波モータとすることが出来ることを
見出し、本発明に到達した。
心部にホール素子を有するステータを３箇以上使用して
前記球状ロータを支持した場合には、球の可動範囲を限
定することがない上、少ない数のホール素子で十分に位
置検出を行うことのできる球面超音波モータとなるこ
と、及び、球状磁石の材質として、フェリ磁性体及び／
又は強磁性体と非磁性体との均一混合物を用いた場合に
は、外部から磁性体が接近した場合の影響が少なくなる
上球状磁石の磁束密度も高くすることができるので、更
に高性能な球面超音波モータとすることが出来ることを
見出し、本発明に到達した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の第１の
目的は、従来になく高い動作自由度を有し、ロボットの
関節部等の駆動装置として好適な球面超音波モータを提
供することにある。本発明の第２の目的は、球面超音波
モータに使用する球状磁石として好適な磁化球を提供す
ることにある。
目的は、従来になく高い動作自由度を有し、ロボットの
関節部等の駆動装置として好適な球面超音波モータを提
供することにある。本発明の第２の目的は、球面超音波
モータに使用する球状磁石として好適な磁化球を提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の諸目的
は、全体が磁化されている球状磁石をロータとし、該ロ
ータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所に配された
ステータを、該ステータに発生させた進行波によって前
記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束し一体化させ
てなる超音波モータであって、前記ステータを枠体に拘
束する箇所及び前記ロータとの接触部以外の、前記ステ
ータの何れかの箇所に、又は、該箇所から若しくはステ
ータを拘束する前記枠体から前記球状磁石の表面近傍に
伸ばした２以上のアームの先端に、該球状磁石の磁界状
態を検出する磁界検出手段を配してなることを特徴とす
る球面超音波モータ、及び、該球面超音波モータに特に
適した磁化球によって達成された。
は、全体が磁化されている球状磁石をロータとし、該ロ
ータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所に配された
ステータを、該ステータに発生させた進行波によって前
記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束し一体化させ
てなる超音波モータであって、前記ステータを枠体に拘
束する箇所及び前記ロータとの接触部以外の、前記ステ
ータの何れかの箇所に、又は、該箇所から若しくはステ
ータを拘束する前記枠体から前記球状磁石の表面近傍に
伸ばした２以上のアームの先端に、該球状磁石の磁界状
態を検出する磁界検出手段を配してなることを特徴とす
る球面超音波モータ、及び、該球面超音波モータに特に
適した磁化球によって達成された。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明で使用する球状磁石における磁界イ
メージ図である。本図の場合には球面と対応する一様な
磁界が示されているが、この球体に適宜穴を設けたり、
後述するような金属以外の素材を用いる場合には、その
素材の構成を場所によって変えることにより、一様でな
い磁界を発生させても良い。尚、本発明における球状磁
石は真球であることが好ましいが、極端でない限り楕円
形状であっても良い。
る。図１は、本発明で使用する球状磁石における磁界イ
メージ図である。本図の場合には球面と対応する一様な
磁界が示されているが、この球体に適宜穴を設けたり、
後述するような金属以外の素材を用いる場合には、その
素材の構成を場所によって変えることにより、一様でな
い磁界を発生させても良い。尚、本発明における球状磁
石は真球であることが好ましいが、極端でない限り楕円
形状であっても良い。
【００１０】本発明においては、球状磁石からなるロー
タを複数のステータで保持し、該ステータを枠体内に拘
束することによって一体化した超音波モータとする。球
状ロータをステータで保持する手段、及び、該ステータ
を枠体に拘束手段は公知の手段の中から適宜選択して用
いることが出来るが、本発明においては、特に、ステー
タを、バネその他の弾性体を介して枠体に拘束すること
がステータの首振り運動を簡単な機構で可能とし、ステ
ータとロータの密着を常に確保する上から好ましい。本
発明において、ステータを弾性体を介して枠体内に拘束
するに際しては、弾性体を枠体内にボルト等の固着手段
によって枠体に固定する方法の他に、弾性体同士の距離
が一定になるように結合し、ステータに球状ロータを保
持させた全体を形状が不変の枠体に収納したり、枠体に
設けた凹凸によって弾性体の位置を固定することによ
り、上記したボルト等による固定を不要とすることも可
能である。
タを複数のステータで保持し、該ステータを枠体内に拘
束することによって一体化した超音波モータとする。球
状ロータをステータで保持する手段、及び、該ステータ
を枠体に拘束手段は公知の手段の中から適宜選択して用
いることが出来るが、本発明においては、特に、ステー
タを、バネその他の弾性体を介して枠体に拘束すること
がステータの首振り運動を簡単な機構で可能とし、ステ
ータとロータの密着を常に確保する上から好ましい。本
発明において、ステータを弾性体を介して枠体内に拘束
するに際しては、弾性体を枠体内にボルト等の固着手段
によって枠体に固定する方法の他に、弾性体同士の距離
が一定になるように結合し、ステータに球状ロータを保
持させた全体を形状が不変の枠体に収納したり、枠体に
設けた凹凸によって弾性体の位置を固定することによ
り、上記したボルト等による固定を不要とすることも可
能である。
【００１１】また、磁界検出手段に関しては、枠体に、
先端が球体表面に近接するアームを設け、該アームの先
端に公知の磁界検出手段を配することも出来るが、前記
した如く、ステータと枠体の間には弾性体等が介在する
ので、枠体と球体の距離は一定とはならない。従って、
球体との距離が常に一定となるステータ自身に前記磁界
検出手段を配することが好ましい。これによって、磁界
の強さのみならず、その状態を正確に検出することがで
きるので、球状磁石の位置決めの為の情報を得ることが
出来る。
先端が球体表面に近接するアームを設け、該アームの先
端に公知の磁界検出手段を配することも出来るが、前記
した如く、ステータと枠体の間には弾性体等が介在する
ので、枠体と球体の距離は一定とはならない。従って、
球体との距離が常に一定となるステータ自身に前記磁界
検出手段を配することが好ましい。これによって、磁界
の強さのみならず、その状態を正確に検出することがで
きるので、球状磁石の位置決めの為の情報を得ることが
出来る。
【００１２】本発明においては、非接触、小型、軽量且
つ高感度である上安価であるという観点から、上記磁界
検出手段としてホール素子を使用することが好ましい。
尚、磁気検出手段をステータに取り付ける際には、ステ
ータを拘束する箇所以外の箇所、例えば、ステータの中
心に埋め込むことが必要である。また、上記ステータを
拘束する箇所以外のステータの箇所から球体表面近傍に
達するアームを出し、その先端に磁気検出手段を設けて
も良い。
つ高感度である上安価であるという観点から、上記磁界
検出手段としてホール素子を使用することが好ましい。
尚、磁気検出手段をステータに取り付ける際には、ステ
ータを拘束する箇所以外の箇所、例えば、ステータの中
心に埋め込むことが必要である。また、上記ステータを
拘束する箇所以外のステータの箇所から球体表面近傍に
達するアームを出し、その先端に磁気検出手段を設けて
も良い。
【００１３】本発明における球体運動の三次元測定原理
は以下の通りである。先ず、球状磁石とホール素子との
位置関係、磁極位置へのパラメータを図２のように設定
する。即ち、球状磁石の中心を原点とする絶対座標を考
え、その各軸上に、球中心から一定の距離にホール素子
を設置する。球状磁石が回転すると磁界も球と共に回転
するので、各軸上のホール素子を通過する磁束も変化す
る。従って、各軸上の現磁束の方向を出力電圧から得る
ことが出来る。
は以下の通りである。先ず、球状磁石とホール素子との
位置関係、磁極位置へのパラメータを図２のように設定
する。即ち、球状磁石の中心を原点とする絶対座標を考
え、その各軸上に、球中心から一定の距離にホール素子
を設置する。球状磁石が回転すると磁界も球と共に回転
するので、各軸上のホール素子を通過する磁束も変化す
る。従って、各軸上の現磁束の方向を出力電圧から得る
ことが出来る。
【００１４】磁束の計測は直交座標系の軸上で行われる
ので、各軸上のホール素子による検出結果は、下記のよ
うになる。 ＶｘＨ＝Ｖｘ０ｃｏｓα ＶｙＨ＝Ｖｙ０ｃｏｓβ ＶｚＨ＝Ｖｚ０ｃｏｓγ ここで、α、β、γは夫々磁界と各軸の座標軸とのなす
角であり、Ｖｘ０、Ｖ ｙ０、Ｖｚ０は最大出力電圧であ
る。これらの角度を用いることによって、球体の磁極位
置ベクトル（ここではＮ極の位置ベクトル）は、ｒを球
の半径として、次式で与えられる。 ここでｉ、ｊ、ｋはｘＨ、ｙＨ、ｚＨ軸方向の単位ベク
トルである。以上の原理により、球体の三次元運動を検
出することが出来る。
ので、各軸上のホール素子による検出結果は、下記のよ
うになる。 ＶｘＨ＝Ｖｘ０ｃｏｓα ＶｙＨ＝Ｖｙ０ｃｏｓβ ＶｚＨ＝Ｖｚ０ｃｏｓγ ここで、α、β、γは夫々磁界と各軸の座標軸とのなす
角であり、Ｖｘ０、Ｖ ｙ０、Ｖｚ０は最大出力電圧であ
る。これらの角度を用いることによって、球体の磁極位
置ベクトル（ここではＮ極の位置ベクトル）は、ｒを球
の半径として、次式で与えられる。 ここでｉ、ｊ、ｋはｘＨ、ｙＨ、ｚＨ軸方向の単位ベク
トルである。以上の原理により、球体の三次元運動を検
出することが出来る。
【００１５】本発明で使用する球状磁石の材質は、磁化
が可能である限り特に限定されるものではないが、特に
フェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体の均一混合
物が好ましい。フェリ磁性体や強磁性体の含有量は適宜
設定することが出来る。非磁性材料としては特にプラス
チックが好ましく、中でもナイロン等のポリアミド樹脂
が好ましい。このような素材は、金属材料に比べて加工
が容易であるだけでなく、金属よりも大きな磁束密度を
持たせることができ、また軽量でもある。更に、一様に
磁化された磁化球を得ることが出来るだけでなく、非磁
性体の含有率の異なる複数の混合物を用いることによっ
て、球体の磁束密度分布を適宜設計することも容易であ
る。
が可能である限り特に限定されるものではないが、特に
フェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体の均一混合
物が好ましい。フェリ磁性体や強磁性体の含有量は適宜
設定することが出来る。非磁性材料としては特にプラス
チックが好ましく、中でもナイロン等のポリアミド樹脂
が好ましい。このような素材は、金属材料に比べて加工
が容易であるだけでなく、金属よりも大きな磁束密度を
持たせることができ、また軽量でもある。更に、一様に
磁化された磁化球を得ることが出来るだけでなく、非磁
性体の含有率の異なる複数の混合物を用いることによっ
て、球体の磁束密度分布を適宜設計することも容易であ
る。
【００１６】また、均一な材質の球体であっても、適宜
穴をあけることにより、磁化球としての磁化の対称性を
崩すことが出来る。このようにすることの利点は、磁化
の対称性が良過ぎる為に球体が回転してもホール素子に
よって測定される磁界の強さや状態に変化が生じないこ
とがあり、その為に事実上球体の位置決めが出来なくな
るという場合が発生することを防止することが出来る点
である。磁束密度分布の対称性を崩すことにより前記し
た三次元測定原理を利用することが出来なくなるが、磁
界（磁束密度分布）と球の位置（角度）を予め導出した
り、コンピュータに記憶させるなどすることにより関係
付けることにより、三次元測定が可能となる。
穴をあけることにより、磁化球としての磁化の対称性を
崩すことが出来る。このようにすることの利点は、磁化
の対称性が良過ぎる為に球体が回転してもホール素子に
よって測定される磁界の強さや状態に変化が生じないこ
とがあり、その為に事実上球体の位置決めが出来なくな
るという場合が発生することを防止することが出来る点
である。磁束密度分布の対称性を崩すことにより前記し
た三次元測定原理を利用することが出来なくなるが、磁
界（磁束密度分布）と球の位置（角度）を予め導出した
り、コンピュータに記憶させるなどすることにより関係
付けることにより、三次元測定が可能となる。
【００１７】球体の磁化は、該球体を磁化用コイルの中
心に置き、２本の鉄芯によってこれを挟み、コイルに電
流を流すことによって行うことが出来る。この場合の鉄
芯と球体の接触状態によって、点接触磁化法、面接触磁
化法、及び非接触磁化法に分類することが出来る。点接
触磁化法の場合には接触部に磁束が集中するので球体の
中心軸付近が強く磁化されるが、その他の場合には一様
に磁化される。
心に置き、２本の鉄芯によってこれを挟み、コイルに電
流を流すことによって行うことが出来る。この場合の鉄
芯と球体の接触状態によって、点接触磁化法、面接触磁
化法、及び非接触磁化法に分類することが出来る。点接
触磁化法の場合には接触部に磁束が集中するので球体の
中心軸付近が強く磁化されるが、その他の場合には一様
に磁化される。
【００１８】本発明で使用するステータは、前記球状磁
石表面との接触が緊密であり圧電体によって誘起される
進行波のエネルギーがロータに効率良く伝達される限
り、その形状は問われない。球体が回転しても上記進行
波エネルギーの伝達効率が低下しないことが好ましい。
従って、球体は真球性が高い程良い。但し、ステータの
ロータとの接触面については、櫛歯状等、適宜エネルギ
ー伝達効率を向上させられるように調整することが出来
る。また、ステータの形状は通常円板状であるが、貼着
する圧電体は円環状であることが好ましい。この場合、
円環の半径が大きくなる程駆動し易くなるものの、実際
に関節部分等に使用した場合には、関節の動き得る自由
度を制限することになるので、モータとしての要求性能
に合わせてステータの大きさを適宜設計する必要があ
る。
石表面との接触が緊密であり圧電体によって誘起される
進行波のエネルギーがロータに効率良く伝達される限
り、その形状は問われない。球体が回転しても上記進行
波エネルギーの伝達効率が低下しないことが好ましい。
従って、球体は真球性が高い程良い。但し、ステータの
ロータとの接触面については、櫛歯状等、適宜エネルギ
ー伝達効率を向上させられるように調整することが出来
る。また、ステータの形状は通常円板状であるが、貼着
する圧電体は円環状であることが好ましい。この場合、
円環の半径が大きくなる程駆動し易くなるものの、実際
に関節部分等に使用した場合には、関節の動き得る自由
度を制限することになるので、モータとしての要求性能
に合わせてステータの大きさを適宜設計する必要があ
る。
【００１９】必要に応じて、１つのステータ中に、径の
異なる円環状の圧電体を２以上配しても良い。この場合
には、各ステータの進行波が協同して球体の回転に寄与
するように同期を取ったり、同期をずらしてブレーキを
かけたりする必要があることは当然である。尚、ステー
タ裏面の圧電素子やその貼着方法、電圧印加の為の配線
等は、公知の如く行えば良い。
異なる円環状の圧電体を２以上配しても良い。この場合
には、各ステータの進行波が協同して球体の回転に寄与
するように同期を取ったり、同期をずらしてブレーキを
かけたりする必要があることは当然である。尚、ステー
タ裏面の圧電素子やその貼着方法、電圧印加の為の配線
等は、公知の如く行えば良い。
【００２０】
【発明の効果】本発明の球面超音波モータにおいては、
ロータである球体がステータのみによって安定に支持さ
れ支柱等を必要としないので、ロータの回転自由度が従
来の球面超音波モータに比較して各段に改善される。ま
た、磁気検出手段もステータ自身に搭載させることが出
来るので小型化も容易である。更に、磁化球としてフェ
リ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体との均一混合物
を用いることにより、外部磁性体の影響を著しく低減す
ることが出来る等、超音波モータとしての性能を更に改
善する事が出来る。以下、本発明を実施例によって更に
詳述するが、本発明はこれによって限定されるものでは
ない。
ロータである球体がステータのみによって安定に支持さ
れ支柱等を必要としないので、ロータの回転自由度が従
来の球面超音波モータに比較して各段に改善される。ま
た、磁気検出手段もステータ自身に搭載させることが出
来るので小型化も容易である。更に、磁化球としてフェ
リ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体との均一混合物
を用いることにより、外部磁性体の影響を著しく低減す
ることが出来る等、超音波モータとしての性能を更に改
善する事が出来る。以下、本発明を実施例によって更に
詳述するが、本発明はこれによって限定されるものでは
ない。
【００２１】
【実施例】実施例１．図４は、４個のステータによって
球状磁石であるロータ（球体ロータ）が保持されている
場合の本発明の球面超音波モータの図である。この球面
超音波モータは球体ロータを３自由度に駆動する事が出
来る３自由度型の球面超音波モータである。縁端部が櫛
歯状となっているステータは図５に示されており、ステ
ータの中心部にはホール素子が配されている。
球状磁石であるロータ（球体ロータ）が保持されている
場合の本発明の球面超音波モータの図である。この球面
超音波モータは球体ロータを３自由度に駆動する事が出
来る３自由度型の球面超音波モータである。縁端部が櫛
歯状となっているステータは図５に示されており、ステ
ータの中心部にはホール素子が配されている。
【００２２】球面超音波モータの全体は、ＪＩＳ規格Ｃ
３２０６系の快削黄銅を用いた。但し、球体ロータはフ
ェライト−ナイロン６混合材（フェライト：ナイロン６
の重量比は７：３）を用い、皿バネにはＪＩＳ規格ＳＵ
Ｓ４２０Ｊ２を用いた。球体の保持はステータのみによ
り、球体保持の為のアングル等は全く使用されていな
い。また、ステータは板弾性体によって枠体に取付けら
れており、全体が一体化されているので、ステータは枠
体に対して首振り運動することが可能である。従って、
枠体とロータの間の距離は一定ではないが、ホール素子
はステータ自身に埋め込まれているので、ホール素子と
磁化球との距離が変わることはない。しかしながら、こ
れによって、前記
３２０６系の快削黄銅を用いた。但し、球体ロータはフ
ェライト−ナイロン６混合材（フェライト：ナイロン６
の重量比は７：３）を用い、皿バネにはＪＩＳ規格ＳＵ
Ｓ４２０Ｊ２を用いた。球体の保持はステータのみによ
り、球体保持の為のアングル等は全く使用されていな
い。また、ステータは板弾性体によって枠体に取付けら
れており、全体が一体化されているので、ステータは枠
体に対して首振り運動することが可能である。従って、
枠体とロータの間の距離は一定ではないが、ホール素子
はステータ自身に埋め込まれているので、ホール素子と
磁化球との距離が変わることはない。しかしながら、こ
れによって、前記
【００１２】の前提が崩れるので、新たな方法として、
ホール素子を取りつけた位置、及び、ホール素子からの
出力電圧と磁極位置の内積を用い、４個のホール素子に
よって球状磁石の磁極位置を導出する。
ホール素子を取りつけた位置、及び、ホール素子からの
出力電圧と磁極位置の内積を用い、４個のホール素子に
よって球状磁石の磁極位置を導出する。
【００２３】上記のようにして導出した磁極位置は球体
の姿勢であるから、これをコンピュータによって制御す
ることにより、三次元動作をさせることが出来る。その
為のシステム図は図６に示した通りである。三次元動作
としては関節の動作のみならず、眼球の動作等もある。
の姿勢であるから、これをコンピュータによって制御す
ることにより、三次元動作をさせることが出来る。その
為のシステム図は図６に示した通りである。三次元動作
としては関節の動作のみならず、眼球の動作等もある。
【００２４】実施例２．夫々、直径４５ｍｍのベアリン
グ球（鋼球）とフェライト−ナイロン６（重量比：７／
３）の混合球を磁化し、得られた各磁化球について評価
した。評価は、図７の如く、各磁化球の磁極におけるホ
ール素子の出力を測定すると共に、直径４７ｍｍで長さ
６０ｍｍの円柱、及び、直系３０ｍｍの球の２種類の磁
性体（鋼）を各磁化球に接近させた時のホール素子の出
力を測定する（図８）ことによって行った。結果は、下
記表１及び表２に示した通りである。
グ球（鋼球）とフェライト−ナイロン６（重量比：７／
３）の混合球を磁化し、得られた各磁化球について評価
した。評価は、図７の如く、各磁化球の磁極におけるホ
ール素子の出力を測定すると共に、直径４７ｍｍで長さ
６０ｍｍの円柱、及び、直系３０ｍｍの球の２種類の磁
性体（鋼）を各磁化球に接近させた時のホール素子の出
力を測定する（図８）ことによって行った。結果は、下
記表１及び表２に示した通りである。
【表１】
【表２】
【００２５】表１、２より、共通して次のようなことが
言える。 （１）同一条件で磁化を行った場合、ベアリング球とフ
ェライト−ナイロン６混合球とでは、フェライト−ナイ
ロン６混合球の方が約４倍の磁束密度の磁石となる。 （２）外乱として磁性体を近づけた場合、ホール素子の
出力変動は、フェライト−ナイロン６混合球の方が遥か
に小さく、位置（角度）検出時に外乱に対しての誤差が
小さくなる。
言える。 （１）同一条件で磁化を行った場合、ベアリング球とフ
ェライト−ナイロン６混合球とでは、フェライト−ナイ
ロン６混合球の方が約４倍の磁束密度の磁石となる。 （２）外乱として磁性体を近づけた場合、ホール素子の
出力変動は、フェライト−ナイロン６混合球の方が遥か
に小さく、位置（角度）検出時に外乱に対しての誤差が
小さくなる。
【図１】球状磁石における磁界イメージ図である。
【図２】着磁したロータの磁極位置のパラメータを示す
図である。
図である。
【図３】ステータの形状の例を示す図である。
【図４】本発明の球面超音波モータの外観の１例であ
る。
る。
【図５】図４の球面超音波モータに使用しているステー
タの内側を示す図である。
タの内側を示す図である。
【図６】本発明の球面超音波モータをコンピュータ制御
する時のシステム図である。
する時のシステム図である。
【図７】磁化球の評価の為のホール素子による測定位置
を示す概念図である。
を示す概念図である。
【図８】磁化球に磁性体を近づけた場合の影響をホール
素子を用いて評価する時の、夫々の相対位置を表す概念
図である。
素子を用いて評価する時の、夫々の相対位置を表す概念
図である。
Claims (8)
- 【請求項１】 全体が磁化されている球状磁石をロータ
とし、該ロータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所
に配されたステータを、該ステータに発生させた進行波
によって前記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束し
一体化させてなる超音波モータであって、前記ステータ
を枠体に拘束する箇所及び前記ロータとの接触部以外の
前記ステータの何れかの箇所、又は、該箇所から若しく
はステータを拘束する前記枠体から前記球状磁石の表面
近傍に伸ばした２以上のアームの先端に、該球状磁石の
磁界状態を検出する磁界検出手段を配してなることを特
徴とする球面超音波モータ。 - 【請求項２】 前記ステータが弾性体を介して枠体に拘
束されている、請求項１に記載された球面超音波モー
タ。 - 【請求項３】 磁界検出手段がホール素子である請求項
１又は２に記載された球面超音波モータ。 - 【請求項４】 ホール素子がステータの中心部に埋め込
まれている、請求項３に記載された球面超音波モータ。 - 【請求項５】 球状磁石が、フェリ磁性体及び／又は強
磁性体と非磁性材料の均一混合物からなる磁化球であ
る、請求項１〜４の何れかに記載された球面超音波モー
タ。 - 【請求項６】 非磁性材料がプラスチック材料である、
請求項５に記載された球面超音波モータ。 - 【請求項７】 球状磁石がフェリ磁性体とポリアミド樹
脂からなる、請求項６に記載された球面超音波モータ。 - 【請求項８】 フェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁
性材料の均一混合物を略球状に形成してなる球体であっ
て、全体が磁化されていることを特徴とする磁化球。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001254243A JP4155546B2 (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 球面超音波モータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001254243A JP4155546B2 (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 球面超音波モータ |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003070272A true JP2003070272A (ja) | 2003-03-07 |
| JP2003070272A5 JP2003070272A5 (ja) | 2005-07-14 |
| JP4155546B2 JP4155546B2 (ja) | 2008-09-24 |
Family
ID=19082431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001254243A Expired - Fee Related JP4155546B2 (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 球面超音波モータ |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4155546B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008122008A (ja) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Toshiba Corp | ターゲット捕捉用ジンバル装置 |
| US7832947B2 (en) * | 2007-03-28 | 2010-11-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Driving mechanism |
| CN113726099A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-30 | 华中科技大学 | 一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法 |
| CN114715369A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-07-08 | 华中科技大学 | 一种磁性软体机器人的驱动方法及装置 |
| CN115459626A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-12-09 | 南京航空航天大学 | 贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62254668A (ja) * | 1986-04-28 | 1987-11-06 | Olympus Optical Co Ltd | 超音波モ−タ |
| JPH01131293U (ja) * | 1988-02-26 | 1989-09-06 | ||
| JPH04145877A (ja) * | 1990-10-03 | 1992-05-19 | Fukoku Co Ltd | 多軸制御モータ |
| JPH05222647A (ja) * | 1992-02-13 | 1993-08-31 | Kanebo Ltd | 磁性を有する布帛 |
| JPH0888987A (ja) * | 1994-09-15 | 1996-04-02 | Omron Corp | 球面アクチュエータ |
| JPH09239145A (ja) * | 1996-03-06 | 1997-09-16 | Jitsujo Ko | 磁化球体及び磁化球体を用いた遊戯機 |
| JPH1118459A (ja) * | 1997-06-24 | 1999-01-22 | Shigeki Toyama | 作業領域の広い球面超音波モータ |
-
2001
- 2001-08-24 JP JP2001254243A patent/JP4155546B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 中野公一、遠山茂樹: "磁界を用いた球面超音波モータ位置検出機構の開発", 日本機械学会関東支部第７期総会講演会講演論文集, JPN6007014963, 9 March 2001 (2001-03-09), JP, pages 153 - 154, ISSN: 0000949702 * |
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| JP2008122008A (ja) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Toshiba Corp | ターゲット捕捉用ジンバル装置 |
| US7832947B2 (en) * | 2007-03-28 | 2010-11-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Driving mechanism |
| CN113726099A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-30 | 华中科技大学 | 一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法 |
| CN113726099B (zh) * | 2021-08-10 | 2022-06-21 | 华中科技大学 | 一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法 |
| CN114715369A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-07-08 | 华中科技大学 | 一种磁性软体机器人的驱动方法及装置 |
| CN114715369B (zh) * | 2022-03-07 | 2022-12-20 | 华中科技大学 | 一种磁性软体机器人的驱动方法及装置 |
| CN115459626A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-12-09 | 南京航空航天大学 | 贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法 |
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|---|---|
| JP4155546B2 (ja) | 2008-09-24 |
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