JP2007248069A - ３自由度回転検出装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界を検出するセンサの配置が制約を受けることなく、３自由度方向の回転角度が検出可能な３自由度回転検出装置を提供する。
【解決手段】３自由度回転に関して非対称性をもつ磁界を付与する磁石２０Ａ，２０Ｂが設けられた回転体１０と、回転体１０から離隔し、かつ、所定の位置関係にある複数の磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄにより、磁界を検出し、検出磁界から磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄに対する回転体１０の３自由度方向の回転角度を決定する構成とした。これによれば、磁電変換素子に対して３自由度回転する被検出体の３自由度方向の回転を非接触で一意に特定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、３自由度回転を検出可能な３自由度回転検出装置及びその方法に関する。

１自由度のみの回転だけでなく、多自由度の回転方向に回転できる超音波モータが知られている（例えば、特許文献１等参照）。このような超音波モータを制御するには、駆動部分の回転角度（回転変位）を検出する必要がある。回転検出装置としては、通常の一自由度のロータリエンコーダを複数組み合わせたものが考えられるが、このような検出装置を用いると、駆動部分の回転を非接触で検出することができず、超音波モータの構造や動作に制約を与える。
超音波モータの駆動部分（ロータ）の回転角度を非接触で検出する技術として、超音波モータのロータを球状磁石とし、この球状磁石の磁界を複数のホール素子により検出してロータの回転を検出するものが開示されている（特許文献２参照）。
また、超音波モータに限らず、球体の回転角度を非接触で検出する技術として、ケースに回転自在に収容された球体に磁石を埋め込み、この磁石の磁界をケースに設けたホール素子で検出することにより、多軸方向における球体の回転角度を非接触で検出するものが知られている（特許文献３参照）。
特開平６−２１０５８５ 特開２００３−７０２７２号公報 特開２００３−３０７４０４号公報

ところで、上記特許文献２に開示された技術では、球状磁石の磁界は軸対称であるため、対称軸周りの回転を検出することができない。すなわち、３自由度の回転を一意に特定することができない場合が発生する。また、ロータに球状磁石を使用する必要があるため、ロータの設計自由度が小さい。
上記特許文献３に開示された技術では、球体の互いに略９０度をなす位置に２つの磁石を設けると共に直交座標系の３軸周りの回転を検出するために、３対のホール素子を対称な位置にそれぞれ配置する必要がある。このため、ホール素子の配置の自由度が小さいという問題がある。さらに、この技術では、球体を回転させる操作棒の可動範囲においては球体の３自由度の回転検出が可能であるが、球体が各３軸周りに３６０度以上の回転をする場合には、球体の３自由度方向の回転角度を一意に特定することはできない。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、非接触で３自由度方向の回転を一意に特定できる３自由度回転検出装置及びその方法を提供することにある。

本発明に係る３自由度回転検出装置は、３自由度回転に関して非対称性をもつ磁界を付与された被検出体と、前記被検出体から離隔し、かつ、互いに所定の位置関係にある少なくとも３点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、被検出体は、３自由度回転に関して非対称性をもつ磁界が付与されているので、磁界検出手段が検出した被検出体から離隔した所定位置関係にある３点における磁界の状態から、磁界検出手段（３点）に対する被検出体の３自由度方向の回転角度は一意に決まる。

上記構成において、磁気検出手段による少なくとも前記３点における検出磁界に基づいて、磁界検出手段に対する被検出体の３自由度方向の回転角度を計測する３自由度回転決定手段をさらに有する、構成を採用できる。
この構成によれば、３自由度回転決定手段により被検出体の３自由度方向の回転角度が計測される。

上記構成において、３自由度回転決定手段は、３自由度方向の回転角度と少なくとも３点における検出磁界とを対応付けるマッピングデータを有する、構成を採用できる。
この構成によれば、複雑な演算処理をすることなくマッピングデータから３自由度方向の回転角度を一意に特定できるので、３自由度方向の回転角度の演算処理が軽減される。

上記構成において、磁界検出手段は、複数の磁電変換素子を有し、３自由度回転決定手段は、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択して３自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、構成を採用できる。
この構成によれば、複数の磁電変換素子のうち出力が最も大きな３つを使用して３自由度方向の回転角度を決定するので、精度良く回転角度を決定できる。

上記構成において、磁界検出手段は、少なくとも３以上の磁電変換素子を共通に保持する複数の基板を有し、複数の基板が前記被検出体にそれぞれ対向配置されている、構成を採用できる。
この構成によれば、各基板毎に３自由度方向の回転角度を計測できるので、自由度方向の回転角度の計測精度がさらに高まる。

上記構成において、３自由度回転決定手段は、３自由度方向の回転角度と少なくとも３点における検出磁界との関係を学習してマッピングデータを形成する学習手段を有する、構成を採用できる。
この構成によれば、計測していないでデータ間を学習により補間できるので、連続的なマッピングデータを形成することができる。

上記構成において、被検出体は、磁石と、前記磁石を支持する支持体とを含む、構成を採用できる。この場合に、磁石は、前記支持体に内蔵されている、構成とすることもでき、磁石は、支持体の表面に設けられている、構成とすることもできる。

上記構成において、被検出体は、略同形状の２つの磁石を備えており、磁石は、対称な位置に配置されていると共に磁極の極性の向きが反転している、構成を採用できる。
この構成によれば、同一形状の２つの磁石の磁極の極性の向きを変えるだけで、非対称性をもつ磁界が形成される。

上記構成において、磁石が前記支持体の回転中心から離れて配置されることにより、非対称性をもつ磁界が形成されている構成を採用でき、又、磁石に対して透磁率の異なる複数の部材が配置されることにより、非対称性をもつ磁界が形成されている構成を採用できる。
また、被検出体は、球状の磁石からなり、この球状の磁石の一部に凹部が形成されていることにより非対称性をもつ磁界が形成されている、構成とすることもでき、さらに、被検出体は、球状の磁石からなり、透磁率の異なる物質を不均一に含有することにより非対称性をもつ磁界が形成されている構成とすることもできる。

上記構成において、被検出体は、３自由度回転が可能な超音波モータの回転子である、構成を採用できる。
この構成によれば、３自由度回転が可能な超音波モータの回転子の回転を非接触で検出することが可能となる。

本発明に係る３自由度回転検出方法は、被検出体に３自由度回転に関して非対称性をもつように磁界を付与し、被検出体から離れた所定の位置関係にある少なくとも３箇所に磁電変換素子を配置し、磁電変換素子の検出する少なくとも３点における検出磁界に基づいて、磁電変換素子に対する被検出体の３自由度方向の回転角度を検出する、ことを特徴としている。

上記構成において、磁電変換素子に対して被検出体を３自由度回転させて得た検出磁界情報に基づいて、３自由度方向の回転角度と少なくとも３点における検出磁界とを対応付けるマッピングデータを予め形成しておき、マッピングデータを使用して、被検出体の３自由度方向の回転角度を検出する、構成を採用できる。

上記構成において、磁電変換素子に対して被検出体を３自由度回転させた際に、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択してマッピングデータの形成に用いる、構成を採用できる。
また、上記構成において、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択して前記３自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、構成を採用できる。

上記構成において、固定された被検出体に対して磁電変換素子を保持する基板を３自由度回転させる、構成を採用できる。

本発明によれば、磁気検出手段に対して３自由度回転する被検出体の３自由度方向の回転を非接触で一意に特定できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図５は本発明に係る３自由度回転検出装置（以下、回転検出装置という）の一実施形態を示す図であって、図１は本発明の回転検出装置の基本的構成を説明するための透視図、図２は回転体に設けられた磁石の形成する磁界を説明するための図、図３は回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図、図４はセンサ基板とアンプとの関係を示す図、及び図５はマッピングテーブル部のマッピングデータの一例を示す図である。

この回転検出装置は、図１に示すように、被検出体としての球状の回転体１０、複数の磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄを搭載した磁気検出手段としてのセンサ基板３０等から構成される。

また、回転検出装置の電気系は、図３に示すように、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力をそれぞれ増幅するアンプ５０Ａ〜５０Ｄ、アンプ５０Ａ〜５０Ｄからのアナログ信号をそれぞれディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６０Ａ〜６０Ｄ、Ａ／Ｄ変換器６０Ａ〜６０Ｄから検出信号（検出磁界情報）が入力される演算器７０、後述するマッピングデータを保持するマッピングテーブル部８０等から構成される。

回転体１０は、球状に形成された支持体１１、２つの磁石２０Ａ、２０Ｂ等から構成され、図示しない支持機構によりＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸からなる直交座標系の原点を回転中心として３自由度回転可能に支持されている。すなわち、回転体１０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸の周りに回転可能に支持されている。

支持体１１は、用途等に合わせて各種の材料で形成することができる。例えば、樹脂、カーボン等の非磁性材料で形成してもよく、磁性材料であってもよい。
この支持体１１は、内部に磁石２０Ａ、２０Ｂを内蔵するための空洞を有していてもよく、又、インサート成形等により磁石２０Ａ、２０Ｂと一体的に形成されて中実であってもよい。

磁石２０Ａ、２０Ｂは、同一形状（円盤状）を有しており、図１及び図２に示すように、支持体１１に内蔵されており、回転体１０の回転と共に回転する。この磁石２０Ａ、２０Ｂは、図２に示すように、回転体１０の３自由度回転の回転中心に関して非対称性をもつ磁界を形成するように配置されている。
磁石２０Ａ、２０Ｂの各々は、図２（Ｂ）に示すように、その磁界対称軸２１に関して磁界が対称である。
回転体１０は、図２（Ａ）に示すように、対称な位置に配置されると共に略同形状の２つの磁石２０Ａ、２０Ｂを備えており、磁石２０Ａ、２０Ｂは、磁極の極性の向きが反転している。
図２（Ａ）に示すように、回転体１０に付与される磁界は、非対称性を有し、３次元空間内のすべての位置で異なることになる。このため、少なくとも所定の位置関係にある３点（同一直線上にない）の磁界の状態がわかれば磁石２０Ａ、２０Ｂの位置を一意に決定することができる。これが本発明の３自由度回転の検出原理である。

センサ基板３０は、図示しない支持機構により、回転体１０の回転中心から所定距離はなれた位置に支持されている。
センサ基板３０は、樹脂、金属、セラミックス等の各種の材料で形成でき、複数の磁電変換素子を搭載するための平面を備えている。

磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄは、例えば、ホール素子で形成され、センサ基板３０の平坦な主面に搭載され、回転体１０から離隔して対向配置されており、磁石２０Ａ、２０Ｂの形成する磁界を検出して電気信号に変換し、これをアンプ５０Ａ〜５０Ｄへ出力する。
この磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄは、図４に示すように、検出する磁界に応じて変化する双極性の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をアンプ５０Ａ〜５０Ｄへ出力する。

アンプ５０Ａ〜５０Ｄは、図４に示すように、出力電圧Ｖ１，Ｖ２を差動増幅回路により増幅して出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。尚、出力電圧Ｖｏｕｔは、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの検出する磁界の向き、すなわち、電圧Ｖ１，Ｖ２の大小に応じて正又は負の値をもつ。

演算器７０は、プロセッサ、メモリ等のハードウエア、所要のソフトウエア等から構成され、Ａ／Ｄ変換器５０Ａ〜５０Ｄからの信号、すなわち、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの検出した磁界に応じた信号が入力され、これらの信号に基づいて、センサ基板３０に対する球体１０の３自由度方向の回転角度（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸の周りの回転角度）ＲＸ，ＲＹ，ＲＺを決定する。尚、演算器７０は、回転角度と共に回転速度も算出可能である。
具体的には、演算器７０は、マッピングテーブル部８０に記憶されたマッピングデータを使用して回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺを特定する。

マッピングテーブル部８０は、例えば、半導体メモリ等の記憶装置により形成され、図５に示すような磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの検出した磁界に応じた信号の値と回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺとを対応付けるマッピングデータを保持している。
図５に示すマッピングデータは、回転体１０のセンサ基板３０に対する一の姿勢についてのものであり、実際には所定の回転角度毎に全ての姿勢についてマッピングデータが存在する。

次に、マッピングデータの形成方法について図６ないし図８を参照して説明する。図６はマッピングシステムの一例を示す斜視図、図７はマッピングシステム及び３自由度回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図、及び図８はマッピングシステムにより形成された各種マッピングデータの例を示す図である。

図６及び図７に示すマッピングシステムは、上記した回転体１０及びセンサ基板３０を保持すると共にセンサ基板３０に対して回転体１０を３自由度回転させる回転支持機構を備えている。
この回転支持機構は、図示しない設置面に立設された支持柱１２０、回転体１０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸周りに回転させるためのモータ１１０，１１１，１１２、センサ基板３０を支持する支持アーム１２１、Ｙ軸用のモータ１１１の出力軸とＸ軸用のモータ１１０とを連結する連結アーム１２２、Ｘ軸用のモータ１１０の出力軸とＺ軸用のモータ１１２を連結する連結アーム１２３、Ｚ軸用のモータ１１２と回転体１１０とを連結する連結ロッド１２４等からなる。

また、マッピングシステムは、図７に示すように、モータ１１０，１１１，１１２へ駆動電流を供給するドライバ１３０，１３１，１３２、このドライバ１３０，１３１、１３２へ制御信号を出力するコントローラ１４０，１４１，１４２等を備えている。尚、モータ１１０，１１１，１１２は、ロータリエンコーダ等の図示しない回転角度検出器を備えており、この回転角度検出器で検出されたＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸周りの検出された回転角度ＣＲＸ，ＣＲＹ，ＣＲＺはドライバ１３０，１３１，１３２及びコントローラ１４０，１４１，１４２を通じて演算器７０にフィードバックされるようになっている。

このマッピングシステムでは、Ｚ軸用のモータ１１２を回転させると、連結ロッド１２４が自身の軸線周りに回転し、これと共に回転体１０がＺ軸の周りを回転する。Ｘ軸用のモータ１１０を回転させると、連結アーム１２３が旋回して回転体１０がＸ軸の周りを回転する。Ｙ軸用のモータ１１１を回転させると、連結アーム１２２が旋回して回転体１０がＹ軸周りに回転する。

マッピングシステムにおいて、回転体１０を３自由度回転させると、演算器７０には、回転体１０の姿勢に応じて検出された回転角度ＣＲＸ，ＣＲＹ，ＣＲＺが入力されると共に、センサ基板３０に対する回転体１０の姿勢に応じて一意に決まる磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力がアンプ５０Ａ〜５０Ｄ及びＡ／Ｄ変換器６０Ａ〜６０Ｄを通じて入力される。
そして、演算器８０では、例えば、図８に示すように、検出された回転角度ＣＲＸ，ＣＲＹ，ＣＲＺと磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力とを対応付けるマッピングデータを回転体１０の各軸について所定角度毎（例えば、１度毎）に形成し、これをマッピングテーブル部８０へ記憶する。

演算器７０は、回転体１０の回転角度を検出する際には、マッピングテーブル部８０に記憶されたから磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力に対応する回転角度を特定することにより、回転体１０の回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺを出力する。
尚、マッピングシステム上においてもマッピングテーブルを使用して回転体１０の回転角度を計測することは可能であり、又、このマッピングシステムによりマッピングデータを形成した後に、回転体１０及びセンサ基板３０を超音波モータ等の別の対象物に組み込むと共に、この対象物において形成したマッピングデータを使用して回転角度を計測することができる。このような構成にすることにより、演算器７０における演算処理負担を大幅に軽減することができる。

図９は、マッピングシステムの他の例を示す斜視図である。
図６に示したマッピングシステムでは、センサ基板３０を固定し、回転体１０を回転させる構成にしたが、図９に示すマッピングシステムでは、支持アーム１２１により回転体１０を支持し、センサ基板３０をＺ軸用のモータ１１２の出力軸に連結している。すなわち、このマッピングシステムにおいては、固定した回転体１０に対してセンサ基板３０を３自由度回転させる。この場合においても、上記と同様にマッピングデータを形成できると共に、センサ基板３０に対する回転体１０の３自由度方向の回転角度を検出できる。

マッピングデータのさらに他の形成方法について説明すると、上記の演算器７０において、例えば、ニューラルネットワーク等の学習システムを構成し、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力と検出した回転角度ＣＲＸ，ＣＲＹ，ＣＲＺとを使用して、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力と回転体１０の回転角度との関係を学習させる。
そして、回転体１０の回転角度を検出する際には、図１０に示すように、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力と回転体１０の回転角度との関係を学習した学習システム７０Ｂにより磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力を各軸周りの回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺに変換する。
このように、磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄの出力と回転体１０の回転角度との関係を対応付けるマッピングデータを学習システム７０Ｂにより形成することにより、計測していないでデータ間を学習により補間できるので、連続的なマッピングデータを形成することができる。

次に、マッピングテーブルのさらに他の形成方法について図１１ないし図１３を参照して説明する。
本例では、図１１に示すように、多数の磁電変換素子４０を回転体１０の周囲に配置し、これらの出力を演算器７０に取り込む。
図１１に示す演算器７０内に構成された３出力演算部７０Ｃは、各磁電変換素子４０に対して回転体１０を３自由度回転させた際に、複数の磁電変換素子４０のうち、その出力が最も大きな３つを選択してマッピングデータを形成する。

ここで、３出力演算部７０Ｃによるマッピングデータの具体的な形成処理例を図１２に示すフローチャートを参照して説明する。
尚、図１２に示す各種変数については、Ｖを磁電変換素子の出力電圧、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を多数の磁電変換素子の出力電圧のうち３つの最大電圧（Ｖ１が１番大きく、Ｖ２が２番、Ｖ３が３番）、Ｖｍを電圧保持変数、ｉをカウンタ変数、ｎを磁電変換素子数、Ｐを磁電変換素子４０の位置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３が得られた磁電変換素子４０の位置、Ｐｍを位置保持変数とする。
先ず、各種変数を初期化し（ステップＳＴ１）、次いで、各磁電変換素子４０の出力電圧Ｖ（ｉ）とＶ３との絶対値を比較し（ステップＳＴ２）、Ｖ（ｉ）がＶ３よりも大きい場合には、Ｖ（ｉ）とＶ２との絶対値を比較し（ステップＳＴ３）、Ｖ（ｉ）がＶ３よりも小さい場合には、カウンタ変数ｉをインクリメントする（ステップＳＴ１４）。

ステップＳＴ３において、Ｖ（ｉ）の絶対値がＶ２の絶対値よりも小さい場合にはＶ３、Ｐ３をＶｍ，Ｐｍに一時的に保存すると共にＶ３及びＰ３をＶ（ｉ）及びＰ（ｉ）で更新する（ステップＳＴ４）。そして、Ｐ１とＰ２を結ぶ直線とＰ１とＰ３を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し、ゼロ度でない場合にはステップＳＴ１４の処理を実行し、ゼロ度の場合（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同一直線上にある場合）には、Ｖ３、Ｐ３にＶｍ，Ｐｍを代入してＶ３、Ｐ３の更新を取りやめる。

ステップＳＴ３において、Ｖ（ｉ）の絶対値がＶ２の絶対値よりも大きい場合には、Ｖ（ｉ）とＶ１との絶対値を比較し（ステップＳＴ７）、Ｖ（ｉ）の絶対値がＶ１よりも小さい場合には、Ｖ３、Ｐ３及びＶ２、Ｐ２を一時的に保存すると共にＶ２及びＰ２をＶ（ｉ）及びＰ（ｉ）で更新する（ステップＳＴ８）。そして、Ｐ１とＰ２を結ぶ直線とＰ１とＰ３を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し（ステップＳＴ９）、ゼロ度でない場合にはステップＳＴ１４の処理を実行し、ゼロ度の場合（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同一直線上にある場合）には、Ｖ３、Ｐ３及びＶ２，Ｐ２の更新を取りやめる（ステップＳＴ１０）。

ステップＳＴ７において、Ｖ（ｉ）の絶対値がＶ１の絶対値よりも大きい場合には、Ｖ３、Ｐ３、Ｖ２、Ｐ２、Ｖ１，Ｐ１を一時的に保存すると共にＶ１及びＰ１をＶ（ｉ）及びＰ（ｉ）で更新する（ステップＳＴ１１）。そして、Ｐ１とＰ２を結ぶ直線とＰ１とＰ３を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し（ステップＳＴ１２）、ゼロ度でない場合にはステップＳＴ１４の処理を実行し、ゼロ度の場合（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同一直線上にある場合）には、Ｖ３、Ｐ３、Ｖ２，Ｐ２及びＶ１、Ｐ１の更新を取りやめる（ステップＳＴ１３）。
上記の処理を全ての磁電変換素子４０の出力電圧について実行することにより（ステップＳＴ１５）、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＰ１，Ｐ２，Ｐ３を決定できる。

そして、３出力演算部７０Ｃは、図１３に示すように、得られたＶ１，Ｖ２，Ｖ３及びＰ１，Ｐ２，Ｐ３と検出した回転角度とを対応付けたマッピングテーブルを形成して、これをマッピングテーブル部８０に記憶する。
演算器７０は、回転体１０の回転角度を検出する際には、複数の磁電変換素子４０のうち、その出力が最も大きな３つを選択して、これに対応する回転角度を図１３に示すようなマッピングデータを用いて決定する。
この方法によれば、磁電変換素子４０の数を増やすほど、精度良く回転体１０の回転角度を検出することができる。

次に、本発明の回転検出装置が適用された３自由度回転超音波モータについて図１４及び図１５を参照して説明する。
図１４は本発明の回転検出装置が適用された３自由度回転超音波モータの概略構成を示す図、図１５は超音波モータの電気系の構成を示す機能ブロック図である。尚、図１４及び図１５において、上記した実施形態と同一構成部分については同一符号を使用している。

この超音波モータは、図１４に示すように、ロータとしての回転体１０がステータ２１０に対して３自由度回転可能に図示しない支持機構により支持されている。
また、支持機構２５０により支持された複数のセンサ基板３０が回転体１０の周囲に略等間隔で配置されている。尚、センサ基板３０は上記したように磁電変換素子４０Ａ〜４０Ｄを搭載している。

ステータ２１０は、図示しない積層された圧電素子等からなるアクチュエータを備えており、縦振動と空間的に直交する２つのたわみ振動を励振して回転体１０へ与えることにより（これらの振動を適宜組み合わせて回転体１０へ与えることにより）、回転体１０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の周りに３自由度回転させる。
ステータ２１０に備わるアクチュエータは、図１５に示すモータドライバ２３０により駆動される。

モータコントローラ２４０は、演算器７０からフィードバックされる回転体１０の各軸周りの回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺを使用してモータドライバ２３０へ与える制御指令を生成する。これにより、超音波モータの精密な回転位置制御及び回転速度制御が可能となる。尚、回転角度ＲＸ，ＲＹ，ＲＺは、上記した各種の検出方法により検出できる。

本実施形態では、ステータ２１０から回転体１０へ直接振動を与えるので、回転体１０の形成材料は磨耗に強い材料を選択する必要があるが、回転体１０は磁石２０Ａ，２０Ｂを内蔵する構成としているので、回転体１０の形成材料は自由に選択できる。

次に、回転体に非対称性をもつ磁界を与える他の方法について、図１６ないし図２０を参照して説明する。
図１６に示す被検出体としての回転体１０Ａは、球状に形成され、回転中心から離隔した位置に円盤状に形成された単一の磁石２０Ｃを内蔵している。
図１６（Ｂ）に示すように、磁石２０Ｃの磁界対称軸線は、回転体１０Ａのいずれの回転軸線からも離れているので、回転体１０Ａには非対称性をもつ磁界が付与されることになる。尚、磁石２０Ｃを回転体１０Ａの表面に設けることも可能である。

図１７に示す回転体１０Ｂは、直方体形状に形成された磁石２０Ｄが、その磁界対称軸線が回転体１０Ｂの一の回転軸線Ｊ１に一致するように内蔵されている。
ここで、図１７（Ｂ）に示すように、磁石２０Ｄの磁界は、回転軸線Ｊ１に関して対称性を有するが、他の２つの回転軸線に関しては非対称性を有する。したがって、他の２つの回転軸線周りの回転角度は一意に決めることができる。
回転軸線Ｊ１の周りの回転については、磁石２０Ｄの磁界を磁電変換素子によりサンプリングする際に、サンプリング時間内において、回転体１０Ｂが回転軸線Ｊ１の周りを１８０度未満の範囲で回転する条件の下では、磁電変換素子に対する回転体１０Ｂの回転軸線Ｊ１の周りの回転角度を一意に決めることができる。すなわち、直方体形状に形成された単一の磁石２０Ｄを使用して回転体１０Ｂに非対称性をもつ磁界を付与できる。

図１８に示す回転体１０Ｃは、球状磁石（磁化球）で形成されていると共に、表面の一部に凹部１１が形成されている。凹部１１が存在しない状態では、回転体１０Ｃの磁界は回転対称性を有するが、凹部１１を形成することにより、非対称性をもたせることができる。尚、凹部１１の代わりに凸部を形成してもよい。

図１９に示す回転体１０Ｄは、内部に円柱状の磁石２０Ｅが配置されていると共に、磁石２０Ｅの両方の磁極に対向して互いに異なる透磁率をもつ材料で形成された部材１２及び部材１３が配置されている。
磁石２０Ｅの両方の磁極に対して透磁率の異なる部材１２及び部材１３を設けることにより、磁石２０Ｅの磁界の対称性が崩れるので、回転体１０Ｄに非対称性を有する磁界を与えることができる。

図２０に示す回転体１０Ｅは、図１８に示した回転体１０Ｃと同様に、それ自体が磁石で形成されていると共に、透磁率の異なる物質１５、６が不均一に含有されている。これにより、図１９に示した回転体１０Ｄと同様に、回転体１０Ｄに非対称性を有する磁界を与えることができる。

上記実施形態では、被検出体としての回転体１０を磁電変換素子４０を搭載したセンサ基板３０に対して３自由度回転させた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、回転体１０を固定し、回転体１０に対して磁電変換素子４０（センサ基板３０）を３自由度回転させて回転体１０に対する磁電変換素子４０を決定する構成とすることも可能である。

上記実施形態では、被検出体として球状の場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、被検出体の形状は種々変更できる。
また、複数の磁電変換素子４０をセンサ基板３０に搭載した場合について説明したが、各磁電変換素子４０を別々に設置することも可能である。

上記実施形態では、本発明を超音波モータの３自由度回転の検出に適用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、３自由度回転する対象であれば適用可能である。

上記実施形態では、マッピングデータを用いて３自由度方向の回転角度を計測する構成について説明したが、これに限定されるわけではなく、磁電変換素子の検出信号と磁電変換素子の配置情報等から３自由度方向の回転角度を算出することも可能である。

上記実施形態では、磁石が支持体に内蔵された場合について説明したが、磁石が支持体の表面に露出するように設けることも可能である。

本発明の３自由度回転検出装置の基本的構成を説明するための図であって、（Ａ）は３自由度回転検出装置のＹ軸方向から見た透視図、（Ｂ）はＺ軸方向から見た透視ある。 （Ａ）は回転体に設けられた磁石が形成する磁界を示す図、（Ｂ）は磁石の磁界の対称性を示す図である。 ３自由度回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図である。 センサ基板とアンプとの関係を示す図である。 マッピングテーブル部のマッピングデータの一例を示す図である。 マッピングシステムの一例を示す斜視図である。 マッピングシステム及び３自由度回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図である。 マッピングシステムにより形成された各種マッピングデータの例を示す図である。 マッピングシステムの他の構成を示す斜視図である。 マッピングテーブルの他の形成方法を説明するための図である。 マッピングテーブルのさらに他の形成方法を説明するための図である。 図１１に示すシステムにおける処理の一例を示すフローチャートである。 図１１に示すシステムで形成されるマッピングデータの例を示す図である。 本発明が適用された超音波モータの構成を示す斜視図である。 図１４に示す超音波モータの電気系の構成を示す機能ブロック図である。 磁界に非対称性をもたせる他の方法を示す透視図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である 磁界に非対称性をもたせるさらに他の方法を示す透視図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図である。 磁界に非対称性をもたせるさらに他の方法を示す図である。 磁界に非対称性をもたせるさらに他の方法を示す透視図である。 磁界に非対称性をもたせるさらに他の方法を示す透視図である。

符号の説明

１０、１０Ａ〜１０Ｅ…回転体（被検出体）
２０，２０Ａ〜２０Ｅ…磁石
３０…センサ基板（磁界検出手段）
４０…磁電変換素子（磁界検出手段）
５０Ａ〜５０Ｄ…アンプ
６０Ａ〜６０Ｄ…Ａ／Ｄ変換器
７０…演算器（３自由度回転決定手段）
７０Ｂ…学習システム（学習手段）
８０…マッピングテーブル部
１１０、１１１，１１２…モータ
１２０…支持柱
１２１…支持部材
１２２，１２３…連結部材
１２４…連結棒
１３０〜１３２…ドライバ
１４０〜１４２…コントローラ

Claims (21)

1. ３自由度回転に関して非対称性をもつ磁界を付与された被検出体と、
   前記被検出体から離隔し、かつ、互いに所定の位置関係にある少なくとも３点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、
   を有することを特徴とする３自由度回転検出装置。
2. 前記磁気検出手段による少なくとも前記３点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の３自由度方向の回転角度を決定する３自由度回転決定手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の３自由度回転検出装置。
3. 前記３自由度回転決定手段は、３自由度方向の回転角度と少なくとも前記３点における検出磁界とを対応付けるマッピングデータを有する、ことを特徴とする請求項２に記載の３自由度回転検出装置。
4. 前記磁界検出手段は、複数の磁電変換素子を有し、
   前記３自由度回転決定手段は、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択して前記３自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
5. 前記磁界検出手段は、少なくとも３以上の磁電変換素子を共通に保持する複数の基板を有し、
   前記複数の基板が前記被検出体にそれぞれ対向配置されている、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
6. 前記３自由度回転決定手段は、前記３自由度方向の回転角度と少なくとも前記３点における検出磁界との関係を学習して前記マッピングデータを形成する学習手段を有する、ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
7. 前記被検出体は、磁石と、前記磁石を支持する支持体とを含む、ことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
8. 前記磁石は、前記支持体に内蔵されている、ことを特徴とする請求項７に記載の３自由度回転検出装置。
9. 前記磁石は、前記支持体の表面に設けられている、ことを特徴とする請求項８に記載の３自由度回転検出装置。
10. 前記被検出体は、略同形状の２つの磁石を備えており、前記磁石は、対称な位置に配置されていると共に磁極の極性の向きが反転している、ことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
11. 前記磁石が前記支持体の回転中心から離れて配置されることにより、非対称性をもつ磁界が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の３自由度回転検出装置。
12. 前記磁石に対して透磁率の異なる複数の部材が配置されることにより、非対称性をもつ磁界が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の３自由度回転検出装置。
13. 前記被検出体は、球状の磁石からなり、この球状の磁石の一部に凹部が形成されていることにより非対称性をもつ磁界が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の３自由度回転検出装置。
14. 前記被検出体は、球状の磁石からなり、透磁率の異なる物質を不均一に含有することにより非対称性をもつ磁界が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の３自由度回転検出装置。
15. 前記被検出体は、３自由度回転が可能な超音波モータの回転子である、ことを特徴する、請求項１ないし１４のいずれかに記載の３自由度回転検出装置。
16. 被検出体に３自由度回転に関して非対称性をもつように磁界を付与し、
    前記被検出体から離れた所定の位置関係にある少なくとも３箇所に磁電変換素子を配置し、
    前記磁電変換素子の検出する少なくとも３点における検出磁界に基づいて、前記磁電変換素子に対する前記被検出体の３自由度方向の回転角度を検出する、ことを特徴とする３自由度回転検出方法。
17. 前記磁電変換素子に対して前記被検出体を３自由度回転させて得た検出磁界情報に基づいて、前記３自由度方向の回転角度と少なくとも前記３点における検出磁界とを対応付けるマッピングデータを予め形成しておき、
    前記マッピングデータを使用して、前記被検出体の３自由度方向の回転角度を検出する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の３自由度回転検出方法。
18. 固定された前記被検出体に対して前記磁電変換素子を保持する基板を３自由度回転させる、ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の３自由度回転検出方法。
19. 前記磁電変換素子に対して前記被検出体を３自由度回転させた際に、前記複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択して前記マッピングデータの形成に用いる、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の３自由度回転検出方法。
20. 前記複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな３つを選択して前記３自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、ことを特徴とする請求項１９に記載の３自由度回転検出方法。
21. 前記３自由度方向の回転角度と少なくとも前記３点における検出磁界との関係を学習して前記マッピングデータを形成する、ことを特徴とする請求項１７に記載の３自由度回転検出方法。

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