JP2013085408A - 球面モータの制御装置および球面モータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３自由度以上の回転が可能な球面モータの動作制御を直感的に把握し易い状態で行う。
【解決手段】任意の方向に回転が可能な概球回転体の運動に係る信号出力に基づき、球面モータ３００のロータを動作させるために、球面モータ３００の界磁コイル３０９への通電パターンを生成する界磁コイル通電パターン生成部２０１と、前記通電パターンに基づく駆動信号を出力する駆動信号出力部２０２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多自由度の回転が可能な球面モータの制御装置および球面モータの制御方法に関する。

３自由度以上の自由度を持つ多自由度アクチュエータが提案されている。例えば、特許文献１のように内部が中空の殻構造を有する球体状の外側部材の内部に球体状の内側部材を回転可能に保持し、一方の部材をステータとし、他方の部材をロータとして、ロータを３自由度、あるいはそれ以上の自由度で回転させる球面モータが知られている。

特開２００９−７７４６３号公報

例えば、特許文献１には、モータの構成などについては記載されているが、具体的な操作方法については触れられていない。このような背景において、本発明は、３自由度以上の回転が可能な球面モータの動作制御を直感的に把握し易い状態で行える技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、任意の方向に回転が可能な概球回転体の運動に係る信号出力に基づき、球面モータのロータを動作させるために、前記球面モータの駆動部への通電パターンを生成する通電パターン生成部と、前記通電パターンに基づく駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備えることを特徴とする球面モータの制御装置である。請求項１に記載の発明によれば、ユーザが操作するコンソールの回転体からの回転速度・回転角度・回転方向などの情報を指令として、球面モータの駆動部に出力する通電パターンを通電パターン生成部において生成し、ロータが動作する。このため、球面モータの動作制御をユーザが直感的に把握し易い状態で行うことができる。ここで、駆動部とは、球面モータのロータに回転を生じさせる駆動力を生成する部分である。

ロータを回転させる駆動力としては、特に限定されず、電磁力、超音波振動、磁歪、圧電効果等の多様な形態のものを利用することができる。例えば、ロータを回転させる駆動力として電磁力を利用する形態であれば、駆動部は、複数の界磁コイルにより構成される。また、例えば、ロータを回転させる駆動力として超音波振動を用いる形態である場合、駆動部は、超音波振動を発生する超音波振動子により構成される。また磁歪を用いる形態である場合、駆動部は、磁気ひずみによる変形を利用する磁気振動子により構成される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記回転体がトラックボールであり、前記トラックボールの指令に基づく前記球面モータのロータの運動を検出する機構を更に備えることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、ポインティングデバイスとして市販されているトラックボール型のコンソールを利用してシステムを構成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記通電パターン生成部は、前記回転体の運動と当該球面モータの運動を指令情報として取り込み前記通電パターンを生成することを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、前記回転体の回転方向および回転量と当該球面モータの回転方向および回転量を指令情報として通電パターン生成部に取り込み、新たな通電パターンを生成するため、球面モータの動作が安定する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記回転体の運動と当該球面モータのロータの運動とに加えて、当該球面モータに予期せずに加わる加速度に基づく情報が前記通電パターン生成部に取り込まれ、前記前記通電パターン生成部における前記通電パターンの生成が行なわれることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、球面モータに加わる振動・衝撃などの予期せぬ外乱による加速度（衝撃）から破損や誤動作を抑止することが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記トラックボールが回転方向および回転量を検出する手段を備えた球面モータのロータであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記駆動部は、界磁コイルであり、前記通電パターン生成部は、前記界磁コイルに通電する通電パターンを生成することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記駆動部は、超音波振動子または磁歪振動子であり、前記通電パターン生成部は、前記超音波振動子または磁歪振動子への通電パターンを生成することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、任意の方向に回転が可能な回転体の回転方向および回転量に係る信号出力（指令）に基づき、球面モータのロータを動作（運動）させるために、前記球面モータの駆動部への通電パターンを生成する通電パターン生成ステップと、前記通電パターンに基づく駆動信号を出力する駆動信号出力ステップとを備えることを特徴とする球面モータの制御方法である。

本発明によれば、３自由度以上の回転が可能な球面モータの動作制御を直感的に把握し易い状態で行うことができる。

発明の実施形態の概念図である。 球面モータの図である。 ロータの図である。 発明の他の実施形態の概念図である。

１． 第１の実施形態
（全体の構成）
図１には、発明の実施形態の概念図が示されている。図１には、トラックボール型操作装置１００、球面モータ駆動装置２００および球面モータ３００が示されている。ユーザによりトラックボール型操作装置１００が操作されると、その操作内容が入力となり、操作装置１００のトラックボールと回転方向・回転速度・回転角度が同期するような制御信号が球面モータ駆動装置２００から球面モータ３００に出力され、球面モータ３００が回転する。回転速度・回転角度・回転方向などの情報を指令として、制御信号が球面モータ駆動装置２００から球面モータ３００に出力され、球面モータ３００が回転する。駆動装置２００から球面モータに出力される制御信号は、トラックボールの回転速度・回転角度・回転方向に追従するものであってもよいし、加速・減速させるものであってもよいし、水道の蛇口をひねった後、手を離しても水が出続けるように、トラックボールから手を離しても球面モータが回転し続けるというものであってもよい。コンソール側から出力される回転速度・回転角度・回転方向の情報はあくまで指令として使用する。

トラックボール型操作装置１００は、トラックボール１０１、トラックボール回転検出センサ１０２およびトラックボールの回転情報取得部１０３を備えている。トラックボール１０１は、トラックボール型操作装置１００の筐体１０４に対して任意な方向に回転自在な状態で保持された球体であり、ユーザが手で触れて転がされることで回転する。トラックボール回転検出センサ１０２は、発光ダイオード等の発光素子とフォトトランジスタ等の受光素子とを備えている。

トラックボールの回転情報取得部１０３は、トラックボール回転検出センサ１０２から出力される検出信号に基づき、トラックボール１０１がどの方向にどれだけの回転量で回転しているのかに関する情報を演算により取得する。この機構は、一般的なトラックボール型のポインティングデバイスと同じである。

球面モータ駆動装置２００は、トラックボール型操作装置１００から出力されるトラックボール１０１の回転方向および回転量に係る情報を含むデータ信号に基づき、球面モータ３００に供給する駆動信号を生成する。以下、球面モータ駆動装置２００について詳細に説明する。まず、球面モータ駆動装置２００は、界磁コイル通電パターン生成部２０１、駆動信号出力部２０２および電源２０３を備えている。

界磁コイル通電パターン生成部２０１は、トラックボール１０１の回転方向および回転量の情報に基づき、トラックボール１０１と同じように、球面モータ３００のロータ４００が回転するように、球面モータ３００の駆動部を構成する界磁コイル３０９への通電パターンを生成する。この通電パターンは、制御信号として球面モータ３００の複数ある界磁コイル３０９に出力される。すなわち、界磁コイル通電パターン生成部２０１は、複数ある界磁コイル３０９の切り替えのタイミングを決める制御信号を生成し、それを駆動信号出力部２０２に出力する。

駆動信号出力部２０２は、界磁コイル通電パターン生成部２０１が求めた界磁コイル３０９への通電パターンのデータを受け付け、それに基づき、複数ある界磁コイル３０９に出力する駆動信号を生成し、それを界磁コイル３０９に出力する。電源２０３は、駆動信号出力部２０２に上記の駆動信号の基となる電源電力を供給する。

（球面モータの構造）
図２には、球面モータ３００の分解斜視図が示されている。球面モータ３００は、球状の殻構造（球殻構造）を有するステータ３０１を備えている。ステータ３０１は、軟磁性材料により構成されており、ステータ３０１には、界磁コイル３０９を有した複数の磁極３０２が配置されている。

図２には、ステータ３０１に磁極３０２を配置した状態が示されている。図２に示すようにステータ３０１の内周面には、ロータ４００の回転方向と回転量を検出するロータ回転検出センサ３４０が配置されている。

ロータ回転検出センサ出力に基づき、ロータ４００の回転方向と回転量が検出される。ロータ回転検出センサは、一般に光学式、磁気式などである。

図３には、ロータ４００の分解斜視図が示されている。ロータ４００は、球部４１１を有している。球部４１１の外周面には、ロータマグネット４１２が嵌め込まれて固定されている。

（動作の一例）
図１のシステムの動作の一例を説明する。トラックボール１０１がユーザの手によって回転させられると、この回転がトラックボール回転検出センサ１０２によって検出される。ここで、トラックボール回転検出センサ１０２から出力される信号には、トラックボール１０１がどの方向にどれくらい回転したか、に係る情報が含まれている。この情報は、トラックボールの回転位置取得部１０３によって演算によりデータ化され、球面モータ駆動装置２００に出力される。

トラックボール１０１がどの方向にどれだけ回転したか、に係るデータは、界磁コイル通電パターン生成部２０１で受け付けられる。界磁コイル通電パターン生成部２０１は、球面モータ３００のロータ４００に行わすのに必要な界磁コイル３０９への通電パターンを演算により求め、それを駆動信号出力部２０２に出力する。

駆動信号出力部２０２は、界磁コイル通電パターン生成部２０１が生成した通電パターンに基づいた駆動信号を生成し、それを複数ある界磁コイル３０９に出力する。この駆動信号は、複数の界磁コイル３０９を励磁するタイミングを決める信号である。この駆動信号により複数ある界磁コイル３０９が特定のタイミングで励磁されることで、複数の磁極３０２とロータ４００側の複数のロータマグネット４１２との間で磁気吸引力および磁気反発力が生じ、それが適宜切り替わることでロータ４００が回転する。こうして、トラックボール１０１が回転すると、それと同じようにロータ４００が回転する。

（優位性）
平面的ではない空間的な動きを球面モータ３００に行わせることができる。この操作では、球面モータ３００のロータ４００の動きをトラックボール１０１の動きによって直感的に把握できるので、高い操作性が得られる。また、ジョイスティックとは違い、回転角度・操作(動作)範囲の制約を受けることなくモータを操作するための指令を出すことができる。

２．第２の実施形態
本実施形態は、第１の実施形態の動作制御において、ロータ４００の回転情報を球面モータ駆動装置２００にフィードバックし、ロータ４００の回転をより高い精度で制御する構成、および球面モータ３００に加わる外乱を検出し、それをロータ４００の回転制御に組み入れる機能を付加した構成に関する。

図４に本実施形態の概念図を示す。図４には、図１に示す構成に加えて更に、ロータ回転検出センサ３４０および加速度検出センサ３５０を加えた構成を有している。ロータ回転検出センサ３４０は、図２に関連して説明したように、ロータ４００が、回転方向と、回転量(移動量)を検出する。加速度検出センサ３５０は、球面モータ３００が外部から受ける加速度を検出する。この例では、球面モータ３００が受ける加速度を検出することにより、球面モータ３００が受ける衝撃等の外乱の検出が行われる。加速度検出センサ３５０は、球面モータ３００のステータ３０１に接触して配置されていてもよいが、球面モータ３００が固定されたフレーム等の筐体に取り付けられていても良い。

図４に示す構成では、ロータ４００の回転に係る情報が、界磁コイル通電パターン生成部２０１にフィードバックされる。この例において、界磁コイル通電パターン生成部２０１は、トラックボールの回転情報取得部から得られたトラックボール１０１の回転情報（例えば、時刻ｔ１と時刻ｔ１＋Δｔの間におけるロータ４００の回転方向と回転量）とロータ４００の同様な条件での回転情報とを比較する。そして、この比較の結果に基づいて、界磁コイル通電パターンを調整し、トラックボール１０１の回転に対するロータ４００の回転の追従性を向上させるなどの制御を行う。例えば追従の動作をさせたい場合、トラックボール１０１の回転に比較して、ロータ４００が回転し過ぎている場合、ロータ４００への通電パターンへの修正を界磁コイル通電パターン生成部２０１は行う。また、トラックボール１０１の回転に比較して、ロータ４００の回転が不足している場合、界磁コイル通電パターン生成部２０１は、ロータ４００をより速く回転させる通電パターンへの修正を行う。

また、図４に示す構成では、加速度センサ３５０により、球面モータ３００が受ける外乱の加速度が検出される。ここで外乱とは、モータに加わる振動・衝撃等であり、例えばこの振動・衝撃により球面モータ３００のロータ４００が制御とは著しく異なる方向などに動いてしまうことを、例えば全界磁コイルを励磁しロータ４００を強制回転停止状態にすることでモータの破損の拡大を防止し、復旧後の誤動作を防止することが可能である。

３．第３の実施形態
第１および第２の実施形態において、トラックボール型操作装置１００の代わりに、球面モータ３００をコントローラとして用いることもできる。この場合、球面モータ３００と同じ構造のものにおいて、ステータ３０１の一部に開口を設け、ロータ４００を外部から回転させることができるようにしたものをコントローラ用に別に用意する。そして、ロータ４００の回転を検出するロータ回転検出センサ３４０の機能を用いて、ロータ４００をトラックボール１０１の代わりとして利用する。

４．他の動作原理の球面モータを利用した形態
超音波を駆動源とする球面モータに本発明を適用することも可能である。この場合、球面モータは、ロータを超音波で駆動するための超音波振動子を備え、通電パターン生成部は、ユーザにより手動で回転させられるトラックボールの動きに基づく駆動信号を生成し、それを上記超音波振動子に出力する。

この例において、図４に示すロータの回転をロータの駆動制御にフィードバックする形態や球面モータが受ける加速度をロータの駆動制御にフィードバックする形態を適用することも可能である。ここでは、超音波駆動の例を説明したが、同様の構成により、磁歪駆動を行う磁歪振動子の制御を行うことも可能である。

６．その他
図１または図４に示す構成において、ロータ４００の回転量をトラックボール１０１の回転量の１倍を超える値、または１倍未満の値としてもよい。すなわち、トラックボール１０１の回転がＮ倍（Ｎ＞１）されてロータ４００が回転する設定、あるいはトラックボール１０１の回転が（１／Ｎ）倍（Ｎ＞１）されてロータ４００が回転する設定とすることもできる。これは、電磁力以外の方法でロータを駆動する形態の場合も同じである。

球面モータの構造として、内側がステータで外側がロータとして動く構造も可能である。また、ロータ側に駆動部を配置した構造、ロータ側とステータ側の双方に駆動部を配置した構造も可能である。これらの構造の場合、ロータの回転可能な範囲が制限されるが、制限された範囲における多軸回転が可能な球面モータが得られる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、球面モータの動作を制御する技術に利用することができる。

１０４…トラックボール型操作装置の筐体、３００…球面モータ、３０１…ステータ、３０９…界磁コイル、３４０…ロータ回転検出センサ、４００…ロータ、４１１…球部、４１２…ロータマグネット。

Claims (8)

1. 任意の方向に回転が可能な概球回転体の運動に係る信号出力に基づき、球面モータのロータを動作させるために、前記球面モータの駆動部への通電パターンを生成する通電パターン生成部と、
   前記通電パターンに基づく駆動信号を出力する駆動信号出力部と
   を備えることを特徴とする球面モータの制御装置。
2. 前記回転体がトラックボールであり、
   前記トラックボールの指令に基づく前記球面モータのロータの運動を検出する機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の球面モータの制御装置。
3. 前記通電パターン生成部は、前記回転体の運動と当該球面モータの運動を指令情報として取り込み前記通電パターンを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の球面モータの制御装置。
4. 前記回転体の運動と当該球面モータのロータの運動とに加えて、当該球面モータに予期せずに加わる加速度に基づく情報が前記通電パターン生成部に取り込まれ、前記前記通電パターン生成部における前記通電パターンの生成が行なわれることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の球面モータの制御装置。
5. 前記トラックボールが回転方向および回転量を検出する手段を備えた球面モータのロータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の球面モータの制御装置。
6. 前記駆動部は、界磁コイルであり、
   前記通電パターン生成部は、前記界磁コイルに通電する通電パターンを生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の球面モータの制御装置。
7. 前記駆動部は、超音波振動子または磁歪振動子であり、
   前記通電パターン生成部は、前記超音波振動子または磁歪振動子への通電パターンを生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の球面モータの制御装置。
8. 任意の方向に回転が可能な回転体の運動に係る信号出力に基づき、球面モータのロータを動作させるために、前記球面モータの駆動部への通電パターンを生成する通電パターン生成ステップと、
   前記通電パターンに基づく駆動信号を出力する駆動信号出力ステップと
   を備えることを特徴とする球面モータの駆動制御方法。

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