JP2004350490A - 振動性磁場を用いた球形モータ - Google Patents

Abstract

【課題】制御の複雑性を大幅に低減する。
【解決手段】球形モータ１０は、外側のフィールド球体１２と、その内側で回転可能な電機子球体１４とを含む。フィールド球体１２上の磁気領域２０にはフィールド用磁気素子が配置され、電機子球体１４上の磁気領域２４にはセンサ／アクチュエータ用磁気素子が配置されている。フィールド用磁気素子は規則的に変化する磁場を２軸方向に発生する２つのコイルを含む。センサ／アクチュエータ用の磁気素子は３軸方向に磁場を発生するコイルを含む。センサ用磁気素子は、局所的なフィールド磁気素子による１サイクルの磁場変化を検知し、３軸全てを中心とするトルクを生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に、球形モータに関し、更に特定すれば、フィールド（磁場）球体又は電機子球体の一方に配置した複数の二軸磁気素子と、フィールド球体又は電機子球体の他方に配置した複数の三軸磁気素子とを含み、二軸磁気素子が振動性磁場を発生し、三軸磁気素子が振動性磁場を検出し、次いで電機子球体を位置決めするための作用（アクチュエータ用）磁気トルクを発生する球形モータに関する。

所望の視野内の特定の方向において、アンテナ、センサ、検出器等のような種々のデバイスを正確に向けることが必要な場合がある。現在、これらのデバイスは、通例では、２軸又は３軸のジンバル・アセンブリ上に取り付けられ、各軸が別個のジンバルを含み、これを別個のモータで制御して、デバイスを所望の方向に向ける。このようなジンバル・アセンブリは、通常、複雑なリスト及びエルボ継手を用いているので、その結果、比較的大きく複雑なシステムとなり、用途によっては、適さない場合もある

。
球形モータは、必要な空間が少なく、自由度３でデバイスを回転させ方向付けることができるものとして、当技術分野では知られている。しかしながら、現行の球形モータの設計では、過度に複雑なアルゴリズム及びモデリング技術を用いており、その実現が困難であり、非実用的であり、また法外なコストが必要である。

Smith氏の米国特許第５，４１０，２３２号（特許文献１）は、この問題を開示している。この’２３２特許は、球形回転子を包囲する球形固定子を含む。回転子が固定子内部で回転できるように、適宜のベアリングが設けられている。モータ軸が、球形回転子に取り付けられ、固定子の開口を貫通している。モータは、開口内で軸の三軸位置決めを行う。球形モータは、その外面上に配置した複数の回転子磁石即ち極を含み、球形固定子は、その内面上に配置した複数の固定子極を含む。固定子極は、制御可能な電気コイルであり、回転子極は、磁気コアによって規定される永久磁石である。２つの極の磁場が相互作用して、回転子上にトルクを与え、軸を位置決めする。

モータは、回転子の外面上に設けられた球形格子パターンを有する方位検知システムを含む。格子パターンは、モータ軸が位置する点Ｐに連続的に集束する、対称的に離間された１組の放射線と、この放射線に対して直交する１組の平行線とを含む。システムは、数学的アルゴリズムを用いて、格子パターンに対する回転子の位置を判定し、磁場を制御して軸を位置決めする。特に、システムは、格子パターンを用いて回転子の位置を判定し、更に回転子の極に供給される磁場を用いて所望のトルクを与える。
米国特許第５，４１０，２３２号

上記した従来例において、固定の磁極によって発生する磁場は非常に複雑である。更に、回転子が移動する度に、回転子が受ける磁場は異なる。したがって、固定極に対する回転子の位置を正確に知る必要がある。検知システムは、回転子が移動する毎に、回転子が被る磁場を計算する。回転子極をオン及びオフして、回転子を所望の方向に移動させるが、この動作には、回転子のために、複雑なアルゴリズムを用いた非常に精巧な位置決めの知識スキーム(knowledge scheme)が必要となる。
したがって、制御の複雑性を大幅に低減した球形モータを提供することが望まれており、本発明の目的は、このような球形モータを提供することである。

本発明は、自由度３で起動トルクを同時に発生する球形モータであり、該球形モータは、外側球体と、その中に配置された内側球体とを含み、球体の一方が静止フィールド球体であり、他方が回転可能な電機子球体である。外側球体上に第１組の磁気素子が形成され、内側球体上に第２組の磁気素子が形成されている。一方の組の磁気素子は、２本の軸に磁場を発生する少なくとも２つのコイルを含むフィールド用磁気素子である。他方の組の磁気素子は、３本の軸に磁場を発生する３つのコイルを含むセンサ／アクチュエータ用磁気素子である。

フィールド用磁気素子は、規則的に変化する磁場を発生する。各センサ用磁気素子は、フィールド用磁気素子が発生し変化する磁場を検知し、それに対するトルクを生成し、電機子球体を回転させる。フィールド用磁気素子の１回の磁場変化にわたって、各センサ用磁気素子は３本の軸全てを中心としてトルクを生成することができる。各センサ用磁気素子が必要なトルク・ベクトルを生成するので、２組の磁気素子間に調整は必要ない。
本発明の更に別の利点及び特徴は、添付図面と関連付けた以下の説明及び添付した特許請求の範囲から明白となるであろう。

球形モータを対象とする以下の本発明の実施形態に関する論述は、単なる一例に過ぎず、本発明あるいはその用途又は使用を限定することは全く意図していない。
本発明は、自由度３の回転を与えるが、当技術分野において周知の球形モータの複雑さを伴わない球形モータである。以下で詳しく論ずるが、本発明の球形モータは、複数のフィールド用磁石を用い、これらが発生する振動性磁場が、この磁場の導関数に比例する電圧を発生する。センサ／アクチュエータ用磁石が、振動性磁場の１回の周期にわたって、これら振動性磁場を検知する。次いで、センサ／アクチュエータ用磁石は、作用（アクチュエータ用）磁場を発生し、これがモータの移動球体にトルクを与え、所望の位置にモータを位置決めする。このように、モータの移動球体の位置を判定する複雑なビジョン・システムを用いる必要がない。

図１は、本発明の一実施形態による球形モータ１０の斜視図である。球形モータ１０は、外側のフィールド球体１２と内側の電機子球体１４とを含む。以下の説明から明らかになるが、「球体」という用語は、ここで用いる場合、完全な球体の一部、すなわち球体の半分未満の場合も含むこととする。球体１２及び１４の間にはギャップが存在するので、電機子球体１４は、強制エア・ポケット、ボール・ベアリング、静電反発力、流体ベアリング(fluid bearing)等のような機構のいずれかによって、フィールド球体１２内部で自由に回転する。フィールド球体１２は、球体１２の外殻２２に形成され、対称的に配置された複数の磁気領域２０を含み、電機子球体１４は、球体１４の外殻３２内に形成され、対称的に配置された複数の磁気領域２４を含む。球体１２、１４の直径、及び外殻２２、３２の厚さは、用途によって異なり、ここに記載する目的に適した寸法であれば、任意のものを採用可能である。

電機子球体１４は、外殻３２に取り付けられたモータ軸１６を含む。モータ軸１６は、フィールド球体１２内の開口１８を貫通する。軸１６にはデバイス（図示せず）を取り付けることができるので、球体１４の回転により、自由度３で特定の方向に位置付けることができる。このデバイスは、通信アンテナ、センサ、光学デバイス等のような、照準を必要とするいずれのデバイスとすることもできる。あるいは、このデバイスは、電機子球体１４内部に完全に内蔵することも可能である。用途及び球体１２、１４の構成に応じて、球体１２、１４によって規定される３６０゜視野内のいずれの方向にでも、デバイスを向けることができる。実際の用途では、デバイスの照準は、恐らく１８０゜内の視野に制限されるであろう。以下で詳しく論ずるが、球形モータ１０は、可変の即ち振動性磁場を検出し、電機子球体１４にトルクを与えて、デバイスを位置決めする技法を用いる。

図２は、モータ１０から分離させて示したフィールド球体１２の斜視図である。二軸フィールド素子２６が、各磁気領域２０内に対称的に配置されている。
図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、フィールド球体１２から分離させた磁気素子２６の１つの斜視図を示す。各磁気素子２６は、フェライト・コア３４の周囲に巻回された第１コイルと、フェライト・コア３６の周囲に巻回された第２コイルとを含み、これらコア３４、３６は互いに直交する。しかしながら、この中の論述から当業者には認められようが、コイル２８、３０は、本発明の範囲内において、球形モータ１０が動作するためには、必ずしも互いに直交する必要はない。

この実施形態では、フィールド球体１２は、１４の磁気領域２０を含み、その各々が１つの磁気素子２６を含む。しかしながら、これは一例に過ぎず、球形モータの実際のフィールド球体は、これよりも多い磁気領域２０及び磁気素子２６を恐らく含むであろう。外殻２２上に磁気領域２０を対称的に配置したのも一例に過ぎず、領域２０及び素子２６を外殻２２上に配置する際、相応しい構成であればそのいずれでも可能である。磁気領域２０は、概略的に、個々の磁気素子毎に磁場の制限エリアを規定するが、素子２６の磁場は重複する可能性があり、それでもシステム１０の動作には影響はない。更に、共通の電圧源を用いて、磁気素子２６全てを動作させることができる。

コイル２８、３０からの磁場を併合した磁場の方向は、正又は負の電圧電位がこれらに印加されたときにコイル２８、３０を流れる電流の方向によって決定される。図３（Ａ）では、コイル３０は正電位を受けており、コイル２８はオフになっているので、コイル３０を通過する電流の方向から、コア３６の軸に沿った磁場３８が生成される。図３（Ｂ）では、コイル２８、３０双方とも正電位を受けているので、コイル２８、３０を通過する電流の方向により、コア３４、３６の軸に対して４５゜の角度に、図示の方向の複合磁場３８が生成される。図３（Ｃ）では、コイル２８は正電位を受けており、コイル３０はオフになっているので、コイル２８を通過する電流の方向により、コア３４の軸に沿って磁場３８が生成される。コイル２８、３０が逆方向に巻回されている場合、磁場は同じ電圧電位に対して逆方向となる。

明らであろうが、前述のようにコイル２８、３０に負の電圧も印加した場合、磁場３８の方向は、コア３４、３６の面において３６０゜回転する。したがって、コイル２８、３０に印加する電位を（＋、オフ）、（＋、＋）、（オフ、＋）、（−、＋）、（−、オフ）、（−、−）、（オフ、−）、（＋、−）という順序で不連続に変化させることによって、二軸磁場発生器が構成され、磁場は４５゜刻みで回転する。また、９０゜位相が離れたコイル２８、３０に正弦波電圧を印加することによって、磁場３８を連続的に回転させることもできる。

本発明によれば、磁気素子２６、及びこれらが発生する回転磁場の相対的方位は、重要ではない。磁場を変動させて、これを検出できるようにすることだけが重要である。また、磁場が変動しないと、クロス積磁気トルクの法則(cross product magnetic torque law)の性質により、磁場に平行なトルクを全く発生することができない。変動する磁場を発生することによって、いずれの方向にも平均トルクを生成することができる。更に、磁場３８は、球形モータ１０が本発明にしたがって動作するために、３６０゜回転する必要はない。また、三軸磁場を発生するコイルを含む追加のコイルを各磁気素子２６に用いると、変動する磁場を発生することができ、これも本発明の範囲に含まれる。

図４は、モータ１０から分離させた電機子球体１４の一部の斜視図である。複数の磁気領域２４の各々は、その中に配置された三軸センサ／アクチュエータ用磁気素子４２を含む。電機子球体１４から取り外した磁気素子４２の１つの斜視図を図５に示す。図示のように、各センサ／アクチュエータ用磁気素子４２は、第１軸に沿って延びるコア周囲に巻回された第１コイル４４と、第１軸に対して垂直な第２軸に沿って延びるコア周囲に巻回された第２コイル４６とを含む。４つの別個のコイル４８、５０、５２、５４が、コイル４４、４６の軸によって規定される各四分儀内に配置されている。各コイル４８〜５４は、第１及び第２軸に垂直な軸に沿って延びるコアの周囲に巻回され、軸は３本となる。したがって、磁気素子４２は、いずれの方向の磁場でも検知又は磁場を発生する。

センサ／アクチュエータ用磁気素子４２は、局所的磁場特性を検知し、３本の軸全てを中心としてトルクを生成するために用いられる。磁気素子２６が発生する磁場は変動するので、磁気素子４２は、その周囲の局所的な磁場の方向を検知することができる。また、一方、磁気素子２６は、その磁場を用いて、変動する磁場に対してトルクを生成し、フィールド球体１２に対して電気機球体１４を動かすことができる。一実施形態では、各磁気素子４２は、変動磁場の１サイクル全体にわたって、その局所的な磁場を検知する。

磁気素子４２が検知しているとき、制御システム（図示せず）は、該磁気素子４２についての局所的な磁場がその変動サイクルで動くに連れて、コイル４４〜５４上の電圧を記録する。電機子用磁気素子４２が磁気素子２６の１つの磁場を検知すると、磁界３８がコイル２８、３０に対して動く際の、その方向を判定する。次いで、制御システムは、その特定の電機子用磁気素子４２に限定して発生する磁場を計算し、次のサイクルもこれが同じであると想定する。言い換えると、制御システムは、磁場がどこにあるかを知っている。何故なら、局所的な磁場は特定の速度で回転しているからである。

１回のサイクルにわたって測定した後、電機子用の磁気素子４２は、次に、フィールド用の磁気素子の磁場と相互作用する、特定の方向の作動磁場を発生し、磁場が電機子球体１４にトルクを生成するようにする。言い換えると、制御システムは、磁気素子４２の各々におけるコイル４４〜５４に電圧電位を印加し、システムには既知の変動磁場の次のサイクルに、所望のトルクを電気機球体１４に印加して、軸１６を位置決めできるようにする。このように、いずれの方向でもあらゆるトルクをシステムによって生成することができる。
この実施形態では、磁気素子４２は、磁場の１サイクルの間、磁場を検知し、磁場の次のサイクルの間、電機子球体１４を作動させ、そして、これを交互に連続して行う。磁気素子４２の全てが同時に検知し、全てが同時に作動することは可能である。あるいは、磁気素子４２の一部が検知し、他の磁気素子４２が作動することも可能である。

検知段階の間、各磁気素子４２はその周囲の磁場を検知している。この磁場は１つ以上の磁気素子２６によって発生される。したがって、外殻２２上のフィールド用磁気素子２６の方位は重要ではない。電機子用の各磁気素子４２は所望のトルク・ベクトルを生成するので、種々の磁気素子４２間には調整は必要でない。モータ１０に対する全域的なトルク要求が、局在的な作動用素子が設定した基準フレームに変換されると、簡単なローカル・コントローラがあれば、電機子用の磁気素子４２内のコイル４４〜５４を操作し、軸１６を位置決めするために要求されたトルクに対して平行なトルク・ベクトルを生成することができる。

先に論じたように、磁気素子４２が検知素子として、次いでアクチュエータ素子として作用する場合、モータ１０のデューティ・サイクルは５０％であり、磁気素子４２は半分の時間だけ検知し、残りの半分の時間はアクチュエータ作動をしている。検知及びアクチュエータ作動時間を変化させることによって、デューティ・サイクルを変えることができる。別の実施形態では、磁気素子４２は連続的にアクチュエータ作動することもできる。この実施形態では、電機子素子４２は、フィールド用磁気素子２６が発生する振動性磁場を検知せず、該素子２６が発生する逆起電力（ＥＭＦ）を検知する。その場合でも、磁場が変動することは必要である。つまり、フィールド用の磁気素子２６が発生する磁場の逆ＥＭＦを検知することによって、電機子用磁気素子４２は同時に検知及びアクチュエータ作動を行う。

前述の実施形態の変形も、本発明の範囲内で行うことができる。例えば、外側の球体を電機子球体として、内側のフィールド球体に対して動かすことができる。三軸磁気素子４２及び二軸磁気素子２６は、内側球体及び外側球体のどちらがフィールド球体１２で、どちらが電機子球体１４であるかには係わらず、フィールド球体又は電機子球体のいずれにも配置することができる。更に、フィールド球体１２及び電機子球体１４上の磁気素子の分散配置は、同一である必要はない。フィールド用磁気素子２６及び電機子用磁気素子４２の数は、個々の用途に応じて決定される。要求トルクをベース・フレーム(base frame)で計算しようとする場合、外側の球体を電機子球体とすることが、道理にかなう場合もある。しかしながら、要求トルクを基準フレームで計算しようとする場合、内側の球体を電機子球体とすることが、道理にかなう場合もある。

上記では、本発明の実施形態例を開示し説明したが、このような説明及び添付図面、ならびに特許請求の範囲から、種々の変更、修正及び変更が、特許請求の範囲に規定してある本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく可能であることを、当業者は認めるであろう。

本発明による球形モータの斜視図である。 図１に示す球形モータから外した外部フィールド球体の内、複数のフィールド用の素子を含む半分の斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図２に示すフィールド素子の斜視図である。 図１に示す球形モータから外した電機子球体の内、複数のセンサ／アクチュエータ用磁気素子を含む半分の斜視図である。 図４に示すセンサ／アクチュエータ用磁気素子の１つの斜視図である。

符号の説明

１０ 球形モータ
１２ フィールド球体
１４ 電機子球体
１６ モータ軸
１８ 開口
２０、２４ 磁気領域
２２、３２ 外殻
２６ 二軸フィールド用磁気素子
２８、３０ コイル
３４、３６ フェライト・コア
４２ 三軸センサ／アクチュエータ用磁気素子
４４ 第１コイル
４６ 第２コイル
４８、５０、５２、５４ コイル

Claims (9)

1. 球形モータにおいて、
   複数のフィールド用磁気素子が内部に配置されている外側フィールド球体と、
   外側フィールド球体内に回転可能に配置され、複数の電機子用磁気素子を含む、内側電機子球体と、
   を備え、
   複数のフィールド用磁気素子又は電機子用磁気素子の一方が二軸磁気素子であり、
   フィールド用磁気素子又は電機子用磁気素子の他方が三軸センサ／アクチュエータ用磁気素子であり、
   フィールド用磁気素子が移動磁場を発生し、センサ／アクチュエータ用磁気素子が移動磁場を検知し、アクチュエータ磁場を発生して、電機子球体をフィールド球体に対して移動させるためのトルクを発生する
   ことを特徴とする球体モータ。
2. 請求項１記載の球状モータにおいて、フィールド用磁気素子が、一方向に延びるコア周囲に巻回された第１コイルと、直交する方向に延びるコア周囲に巻回された第２コイルとを含むことを特徴とする球状モータ。
3. 請求項１記載の球状モータにおいて、センサ／アクチュエータ用磁気素子が、第１方向に延びるコア周囲に巻回された第１コイルと、第１方向に直交する第２方向に延びるコア周囲に巻回された第２コイルと、第１方向及び第２方向に対して垂直な方向に延びるコア周囲に巻回された少なくとも１つの第３コイルとを含むことを特徴とする球状モータ。
4. 請求項３記載の球状モータにおいて、少なくとも１つの第３コイルが４つのコイルであり、該４つの第３コイルが、第１及び第２方向間の交点によって規定される各四分儀点に１つずつ配置されていることを特徴とする球状モータ。
5. 請求項１記載の球状モータにおいて、複数のフィールド用磁気素子がフィールド球体上に対称的に配置され、複数の電機子用磁気素子が電機子球体上に対称的に配置されていることを特徴とする球状モータ。
6. 請求項１記載の球状モータにおいて、電機子球体が、フィールド用球体内の開口を貫通する軸を含むことを特徴とする球状モータ。
7. 請求項１記載の球状モータにおいて、フィールド球体が全球体の約半分の半球体であることを特徴とする球状モータ。
8. 請求項１記載の球状モータにおいて、９０゜位相が離れた正弦波信号をフィールド用磁気素子に印加して連続移動磁場を発生することを特徴とする球状モータ。
9. 請求項１記載の球状モータにおいて、センサ／アクチュエータ用磁気素子が、フィールド用磁気素子によって発生される逆ＥＭＦを検知することを特徴とする球状モータ。
   
   

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