JP2006033978A

JP2006033978A - 球型モータ及びアクチュエータ

Info

Publication number: JP2006033978A
Application number: JP2004207814A
Authority: JP
Inventors: Teruhisa Onishi; 輝尚大西; Yukinori Tsurumi; 征則鶴見
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】簡易な構成で自由度が大きく、所望の方向への駆動を円滑に行うことができる球型モータを提供すること。
【解決手段】複数の磁石モジュール４２が設けられた球体４１と、球体４１の一部を露出させて覆うとともに、複数のコイルモジュール３２が設けられたカバー３１と、球体４１とカバー３１との間に配置され、球体４１とカバー３１との間隔を所定間隔を維持し、かつ、球体４１がその周面に沿って自由に移動できるように設けられた支持機構５０と、コイルモジュール３２に通電することで、磁石モジュール４２とコイルモジュール３２による電磁誘導により駆動力を発生させるドライバ６３とを備えている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、球形のロータを自在に動作させることができる球型モータ及びアクチュエータに関し、特に自由度が大きいものに関する。

車椅子等を床面上を自由に移動させるためには、複数の車輪をそれぞれモータで駆動していた。この他、車椅子やロボット等を床面上を自由に移動させるための駆動機構として、球体のロータを動作させるものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−２２５１５５号公報

上述した駆動機構であると次のような問題があった。すなわち、複数のモータを駆動するものであると、振動や摩擦音、移動の際の滑り誤差が大きくなり、精度の高い駆動を行うことが困難であった。

また、上述した球体のロータを動作させる駆動機構では、自由度が２軸方向に限られるため、所望の方向への移動を円滑に行えない場合があった。

そこで本発明は、簡易な構成で自由度が大きく、所望の方向への駆動を円滑に行うことができる球型モータ及びアクチュエータを提供することを目的としている。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の球型モータ及びアクチュエータは次のように構成されている。

（１）複数の磁石が設けられた球形のロータと、このロータの一部を露出させて覆うとともに、コイルが設けられた上記ステータと、上記ロータと上記ステータとの間に配置され、上記ロータと上記ステータとの間隔を所定間隔を維持し、かつ、上記ロータがその周面に沿って自由に移動できるように設けられた支持機構と、上記コイルに通電することで、上記磁石と上記コイルによる電磁誘導により駆動力を発生させる駆動部とを備えている。

（２）上記（１）に記載された球型モータであって、上記複数の磁石は、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つの磁石からなる磁石群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする。

（３）上記（１）に記載された球型モータであって、上記複数のコイルは、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つのコイルからなるコイル群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする。

（４）複数の磁石が設けられた球形のロータと、このロータの一部を露出させて覆うとともに、コイルが設けられた上記ステータと、上記ロータと上記ステータとの間に配置され、上記ロータと上記ステータとの間隔を所定間隔を維持し、かつ、上記ロータがその周面に沿って自由に移動できるように設けられた支持機構と、その一方を上記ロータ、他方を上記ステータに結合することで、上記ロータの移動を規制する弾性部材と、上記コイルに通電することで、上記磁石と上記コイルによる電磁誘導により駆動力を発生させる駆動部とを備えていることを特徴とする。

（５）上記（４）に記載されたアクチュエータであって、上記複数の磁石は、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つの磁石からなる磁石群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする。

（６）上記（４）に記載されたアクチュエータであって、上記複数のコイルは、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つのコイルからなるコイル群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で自由度が大きく、所望の方向への駆動を円滑に行うことが可能となる。

図１は本発明の一実施の形態に係る球型モータ２０が組み込まれた電動車椅子１０を示す斜視図、図２〜図４は球型モータ２０を示す図であって、図２は上面図、図３は縦断面図、図４は下面図である。

電動車椅子１０は、車椅子本体１１と、この車椅子本体１１に取り付けられた一対の前輪１２と、一対の後輪１３とを備えている。一対の前輪１２には、それぞれ球型モータ２０が組み込まれている。車椅子本体１１には、電動車椅子１０の動作指令をするための操作部６０が取り付けられている。

球型モータ２０は、図２〜図４に示すように、車椅子本体１１に固定されたステータ部３０と、このステータ部３０に対し所定の自由度で回転駆動されるロータ部４０と、ステータ部３０に対しロータ部４０を円滑に回転させる支持機構５０とを備えている。なお、球型モータ２０は、操作部６０によって駆動される。

ステータ部３０は、半球状のカバー３１と、このカバー３１内に設けられた複数のコイルモジュール３２とを備えている。コイルモジュール３２は、図５に示すように、６組のコイル群３３から構成されている。各コイル群３３は、正三角形の三辺に該当する位置に配置された３つのコイル３４ａ〜３４ｃを接続して形成されたものであって、隣接するコイル群３３同士でコイル３４ａ〜３４ｃを共通して使用している。

ロータ部４０は、樹脂等で成形された球体４１と、この球体４１内部に配置された複数の磁石モジュール４２とを備えている。磁石モジュール４２は、図６に示すように、６組の磁石群４３から構成されている。各磁石群４３は、正三角形の三辺に該当する位置に配置された３つの磁石４４ａ〜４４ｃから構成されたものであって、隣接する磁石群４３同士で磁石４４ａ〜４４ｃを共通して使用している。

支持機構５０は、カバー３１の内周面に取り付けられたベアリング機構５１と、カバー３１の底面に取り付けられ、床面Ｐ上を円滑に移動するためのローラ機構５２とを備えている。

なお、コイルモジュール３２と磁石モジュール４２とは図７に示すように、対応する位置に配置され、各コイル３４ａ〜３４ｃと各磁石４４ａ〜４４ｃとは、対向配置されている。すなわち、後述するドライバ６３を用いてコイル３４ａ〜３４ｃに通電することによって、磁石４４ａ〜４４ｃに対して吸引力及び反発力を発生させることができる。

操作部６０は、図８に示すように、操作者が入力を行うタッチパネル入力部６１と、このタッチパネル入力部６１において入力された信号を処理し制御量・回転半径・電流配分を算出する制御回路６２と、この制御回路６２における制御指令に基づいて上述したコイルモジュール３２に電流を印加・停止するドライバ（駆動部）６３とを備えている。

タッチパネル入力部６１には、例えば図９に示すような画面が表示され、操作者の指先Ｈが触れることによって指令信号が入力されるようになっている。具体的には、電源ＯＮ／ＯＦＦ、走行設定指令、走行開始指令、目標座標の位置指令（Ｘｂ，Ｙｂ）、速度，回転角指令（ｖ，θ）、停止指令の各部分が設定されており、これらの部分に操作者が直接触れることにより、指令信号が出力される。

図１０は、球型モータ２０の全方向移動における幾何学的解析を示す説明図である。所望の方向に移動できることをホロノミックな拘束による全方向移動という。ホロノミックな拘束とは拘束条件が一般化座標と時間を変数に持つ代数方程式で表される。原点Ａ（０，０）から点Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）に移動する場合の目標点Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）と回転中心点（Ｘｃ，Ｙｃ）の関係は以下のようになる。

まず、直角三角形ＡＤＣを考える。点Ｃを中心に任意の角度θだけ回転させて、原点Ａを原点Ｂに、点Ｈを点Ｍに移動させる。ＣＤ＝ＣＥ＝Ｘｃ、ＤＡ＝ＥＢ＝Ｙｃなので、目標点Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）と回転中心点Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）の関係は、以下の式（１），（２）で示される。すなわち、
Ｘｂ＝Ｘｃ−Ｘｃ・ｃｏｓθ＋Ｙｃ・ｓｉｎθ …（１）
Ｙｂ＝Ｙｃ−Ｙｃ・ｃｏｓθ−Ｘｃ・ｓｉｎθ …（２）
となり、目標点Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）を行列式で表すと、以下の式（３）のようになる。すなわち、

回転中心点Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）を表すには、式（３）の逆行列を求めることにより得られる。よって、

となる。
また、移動方向や移動速度については、次のようになる。まず回転角θの単位時間当りの微小変化をΔθ（一定）とする。移動方向については、（３）式にθ＝Δθとして代入し、Ｘｂ，Ｙｂを求める。これから移動方向は、

となる。また、Ｘｂ＝０なら移動方向は上下のみ、Ｙｂ＝０なら左右のみとなる。

移動速度については、ｘ方向、ｙ方向の速度を求めると式（６），（７）となる。

この２つの値から、

を求めれば、目標地点への移動速度が求められる。
ここで、直進、回転、任意移動する場合における駆動動作について説明する。図１１〜図１４は、直進の場合の動作説明であって、図１１はコイルモジュール３２及び磁石モジュール４２との位置関係を模式的に示す説明図、図１２〜図１４はタイミングチャートである。

図１１中矢印α方向（コイル３４ａに垂直方向）に進める場合には、コイル３４ａ〜３４ｃに対しては、図１２に示すようなタイミングで電流を印加する。

図１１中矢印β方向（コイル３４ｂに垂直方向）に進める場合には、コイル３４ａ〜３４ｃに対しては、図１２に示すようなタイミングで電流を印加する。

図１１中矢印γ方向（コイル３４ｃに垂直方向）に進める場合には、コイル３４ａ〜３４ｃに対しては、図１２に示すようなタイミングで電流を印加する。

図１５及び図１６は、その場回転時の動作説明であって、図１５はコイルモジュール３２及び磁石モジュール４２との位置関係を模式的に示す説明図、図１６はタイミングチャートである。

図１５中矢印Ｒ方向に回転させる場合には、図１６に示すようなタイミングで電流をコイル３４ａ〜３４ｃに印加する。

図１７及び図１８は、任意移動時の動作説明であって、図１７はコイルモジュール３２及び磁石モジュール４２との位置関係を模式的に示す説明図、図１８はタイミングチャートである。

図１７中矢印Ｑ方向に移動させる場合には、図１８に示すようなタイミングで電流を印加するが、相隣接するコイル群３３には、［１］及び［２］に示すように、異なるタイミングで電流を印加する。

このように構成された電動車椅子１０は、次のようにして動作する。すなわち、操作者が車椅子本体１１に座り、タッチパネル入力部６１の電源をＯＮにする（ＳＴ１）。そして、目標座標（Ｘｂ，Ｙｂ）、速度，回転角指令（ｖ，θ）を入力する（ＳＴ２）。前述した式（２）より、Ｘｃ，Ｙｃが算出される（ＳＴ３）。そして、回転半径が無限大か否かが判別され（ＳＴ４）、無限大で無ければＳＴ５、無限大であれば、「直進」と判定されＳＴ６に進む。続いて、回転半径が０か否かが判別され（ＳＴ５）、０でなければ「任意移動」と判定されＳＴ６、０であれば「回転」と判定されＳＴ６に進む。

次に、コイルモジュール３２に対する電流の配分を算出する(ＳＴ６）。この算出結果に基づいて、走行設定が行われ（ＳＴ７）、走行が開始され（ＳＴ８）、コイルモジュール３２に電流が印加されることで球型モータ２０が駆動される（ＳＴ９）。電動車椅子１０が目的位置に到着又は操作者によるブレーキ動作により停止する（ＳＴ１０）。電源がＯＦＦであるか否かが判別され（ＳＴ１１）、ＯＦＦで無ければＳＴ２に戻って同様の操作が行われる。また、ＯＦＦの場合は操作終了となる。

上述したように本実施の形態に係る電動車椅子１０によれば、三方向に自由度を有する球型モータ２０により、任意の方向への移動を簡単な機構で円滑に行うことができる。

図２０は本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ１００の構成を模式的に示す説明図である。なお、図２０中、図５，６と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

アクチュエータ１００は、ステータ部１３０と、このステータ部１３０に対し所定の自由度で回転駆動されるロータ部１４０と、ステータ部１３０を駆動する操作部１６０を備えている。

ステータ部１３０は、複数のコイルモジュール３２を備えている。また、ロータ部１４０は、磁石モジュール４２とを備えている。磁石モジュール４２の外周に位置する磁石４４ａ〜４４ｃ同士の接続部４５には、ステータ部１３０の固定点１３１との接続に供される引張バネ４６が設けられている。

操作部１６０は、操作者が入力を行うタッチパネル入力部６１と、このタッチパネル入力部６１において入力された信号を処理し制御量・回転半径・電流配分を算出する制御回路６２と、この制御回路６２における制御指令に基づいて上述したコイルモジュール１３２に電流を印加・停止するドライバ（駆動部）６３とを備えている。

このように構成されたアクチュエータ１００は、上述した球型モータ２０と同様にしてステータ部１３０のコイルモジュール３２に対してロータ部１４０の磁石モジュール４２が吸引力・反発力を発揮させることで、駆動力を得ることができる。なお、上述したように、引張バネ４６を介してステータ部１３０とロータ部１４０とは移動量は規制されているため、ロータ部１４０は所定の範囲内で変位するのみとなる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。すなわち、上述した実施の形態では、電動車椅子の前輪に用いたが、前輪及び後輪共に球型モータを組み込んでもよい。また、ローラ５２は、球型モータ２０を１〜２個用いる場合には転倒防止のために必要であるが、３個以上の球型モータ２０で支持する場合には、使用しなくても良い。

さらに、球型モータ及びアクチュエータは、各種研磨・加工機械、計測機器等の姿勢制御やレーザ加工機等の工業分野、ゲーム機、医療機器分野等の分野に適用可能である。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係る球型モータが組み込まれた電動車椅子を示す斜視図。同球型モータを示す上面図。同球型モータを示す縦断面図。同球型モータを示す下面図。同球型モータのステータに組み込まれたコイルモジュールの構成を示す説明図。同球型モータのステータに組み込まれた磁石モジュールの構成を示す説明図。同球型モータの動作原理を示す説明図。同球型モータを操作する操作部の構成を示すブロック図。同操作部におけるタッチパネル入力部の画面例を示す説明図。同球型モータの移動原理を示す説明図。同球型モータにおける直線移動時の動作原理を示す説明図。同球型モータにおける直線移動時のコイルモジュールに対する印加電流のタイミングチャートの一例を示す説明図。同球型モータにおける直線移動時のコイルモジュールに対する印加電流のタイミングチャートの別の例を示す説明図。同球型モータにおける直線移動時のコイルモジュールに対する印加電流のタイミングチャートのさらに別の例を示す説明図。同球型モータにおける回転時の動作原理を示す説明図。同球型モータにおける回転時のコイルモジュールに対する印加電流のタイミングチャートの一例を示す説明図。同球型モータにおける任意移動時の動作原理を示す説明図。同球型モータにおける任意移動時のコイルモジュールに対する印加電流のタイミングチャートの一例を示す説明図。同球型モータにおける処理手順を示すフローチャートを示す説明図。本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す説明図。

符号の説明

１０…電動車椅子、２０…球型モータ、３０，１３０…ステータ部、３２…コイルモジュール、３４ａ〜３４ｃ…コイル、４０，１４０…ロータ部、４１…球体、４２…磁石モジュール、４４ａ〜４４ｃ…磁石、５０…支持機構、６０…操作部、６１…タッチパネル入力部、６２…制御回路、６３…ドライバ（駆動部）、１００…アクチュエータ。

Claims

複数の磁石が設けられた球形のロータと、
このロータの一部を露出させて覆うとともに、コイルが設けられた上記ステータと、
上記ロータと上記ステータとの間に配置され、上記ロータと上記ステータとの間隔を所定間隔を維持し、かつ、上記ロータがその周面に沿って自由に移動できるように設けられた支持機構と、
上記コイルに通電することで、上記磁石と上記コイルによる電磁誘導により駆動力を発生させる駆動部とを備えていることを特徴とする球型モータ。
上記複数の磁石は、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つの磁石からなる磁石群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の球型モータ。
上記複数のコイルは、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つのコイルからなるコイル群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の球型モータ。
複数の磁石が設けられた球形のロータと、
このロータの一部を露出させて覆うとともに、コイルが設けられた上記ステータと、
上記ロータと上記ステータとの間に配置され、上記ロータと上記ステータとの間隔を所定間隔を維持し、かつ、上記ロータがその周面に沿って自由に移動できるように設けられた支持機構と、
その一方を上記ロータ、他方を上記ステータに結合することで、上記ロータの移動を規制する弾性部材と、
上記コイルに通電することで、上記磁石と上記コイルによる電磁誘導により駆動力を発生させる駆動部とを備えていることを特徴とするアクチュエータ。
上記複数の磁石は、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つの磁石からなる磁石群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
上記複数のコイルは、三角形の三辺にあたる位置に配置された３つのコイルからなるコイル群が、少なくとも複数配置されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。