JP2018011500A - 多自由度電磁機械のための入力振幅変調による制御 - Google Patents

Abstract

【課題】既知の装置よりも比較的小型化され、より扱いやすく、より効率的であり、かつ／又は３自由度で動くことができる多自由度の電気機械式の機械を提供すること。【解決手段】多自由度電磁機械が、ステータと、電動子と、制御部とを有する。ステータが、第１のステータ導体と、第２のステータ導体と、第３のステータ導体とを有する。電動子がステータに隣接して配置されてステータに対して移動可能である。電動子が電動子導体及び複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が表面の方を向く。制御部が、第１、第２及び第３のステータ導体に結合され、第１、第２及び第３のステータ導体に直流電流（ＤＣ）を供給し、第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給されるＤＣを選択的に振幅変調するように構成され、それにより、１つ又は複数の第１、第２及び第３のステータ導体に対して電動子導体を電磁的に結合する。【選択図】図１

Description

[0001]本発明は概して電磁機械に関し、より詳細には、入力振幅変調を使用して多自由度電磁機械を制御するためのシステム及び方法に関する。

[0002]物体を２以上の自由度（ＤｏＦ：ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）で移動させるように設計される現在使用可能な運動制御システムが各ＤｏＦのための個別のモータ又はアクチュエータを有することが一般に知られている。より具体的には、２ＤｏＦ運動を実現するには少なくとも２つのモータ又はアクチュエータが必要であり、３ＤｏＦ運動を実現するには少なくとも３つのモータ又はアクチュエータが必要である、などということになる。したがって、２つ以上のＤｏＦを伴う機構は、ある程度大きくなり、かさばって扱いにくく、したがって非効率的なものとなる傾向がある。

[0003]電子装置及びセンサ技術が、近年著しく小型化される一方で、機械的動作技術はこれに追いついていない。パン／チルト機構などの動作システムが、典型的には、ミニ又はマイクロＵＡＶ（無人飛行体（ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ））及びマイクロ衛星などのより小型のプラットフォームにおいて使用されないのは、これが理由である。多ＤｏＦ運動制御に依存するロボットシステムは、単純に、現在のモーションオンモーション（ｍｏｔｉｏｎ−ｏｎ−ｍｏｔｉｏｎ）システムに内在する非効率性に耐えなければならない。

[0004]上述の問題に対する１つの解決策が、「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ａｃｔｕａｔｏｒ（グローバルポインティングアクチュエータ）」と題される米国特許第７，６７５，２０８号に開示されている。上記特許で開示されるアクチュエータは、「緯度コイル」及び「経度コイル」が巻回される球状ステータを有する。しかし、このアクチュエータはいくつかの欠点も有する。例えば、球状ステータは、一方又は両方のコイルに直流電流（ＤＣ）を印加することにより、その関連付けられる電動子を、及びひいては電動子に結合されるデバイスを２自由度で移動させることができる一方で、３自由度でこれを行うことができない。

米国特許第７，６７５，２０８号

[0005]したがって、既知の装置よりも比較的小型化され、より扱いやすく、より効率的であり、かつ／又は３自由度で動くことができる多自由度の電気機械式の機械（ｍｕｌｔｉ−ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅ）が求められる。本発明は、少なくともこれらの要求に対処するものである。

[0006]本概要は、「発明を実施するための形態」においてさらに説明される選択的な概念を単純な形で説明するために提供されるものである。本概要は、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図されず、また、特許請求される主題の範囲を決定するのを補助するものとして使用されることも意図されない。

[0007]一実施形態では、多自由度電磁機械が、ステータと、電動子と、制御部とを有する。ステータが、第１のステータ導体（ｓｔａｔｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と、第２のステータ導体と、第３のステータ導体とを有する。第１のステータ導体が第１のおおまかな軌道に従い、第２のステータ導体が第１のおおまかな軌道とは異なる第２のおおまかな軌道に従い、第３のステータ導体が第１及び第２のおおまかな軌道とは異なる第３のおおまかな軌道に従う。第１のステータ導体、第２のステータ導体及び第３のステータ導体が、表面のおおまかな形状を共に形成する。電動子がステータに隣接して配置され、ステータに対して移動可能である。電動子が電動子導体及び複数の磁石を有し、ここでは、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が表面の方を向く。制御部が、第１、第２及び第３のステータ導体に結合され、（ｉ）第１、第２及び第３のステータ導体に直流電流（ＤＣ）を供給し、（ｉｉ）第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給されるＤＣを選択的に振幅変調するように構成され、それにより、１つ又は複数の第１、第２及び第３のステータ導体に対して電動子導体を電磁的に結合する。

[0008]別の実施形態では、多自由度電磁機械が、球状ステータと、第１のステータ導体と、第２のステータ導体と、第３のステータ導体と、電動子と、制御部とを有する。球状ステータが、第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有し、ここでは、第１、第２及び第３の対称軸が互いに直交して配置される。第１のステータ導体が第１の対称軸を中心に球形構造上に配置され、第２のステータ導体が第２の対称軸を中心に球形構造上に配置され、第３のステータ導体が第３の対称軸を中心に球形構造上に配置される。電動子が球状ステータに隣接して配置され、球状ステータに対して移動可能であり、電動子が電動子導体及び複数の磁石を有し、ここでは、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が表面の方を向く。制御部が、第１のステータ導体、第２のステータ導体及び第３のステータ導体に結合され、（ｉ）第１、第２及び第３のステータ導体に直流電流（ＤＣ）を供給し、（ｉｉ）第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給されるＤＣを選択的に振幅変調するように構成され、それにより、１つ又は複数の第１、第２及び第３のステータ導体に対して電動子導体を電磁的に結合する。

[0009]別の実施形態では、ステータ及び構造を有する多自由度電磁機械を制御する方法において、ステータが、第１のステータ導体と、第２のステータ導体と、第３のステータ導体とを有し、ここでは、第１のステータ導体が第１のおおまかな軌道に従い、第２のステータ導体が第１のおおまかな軌道とは異なる第２のおおまかな軌道に従い、第３のステータ導体が第１及び第２のおおまかな軌道とは異なる第３のおおまかな軌道に従い、第１のステータ導体、第２のステータ導体及び第３のステータ導体が、表面のおおまかな形状を共に形成し、電動子がステータに隣接して配置され、ステータに対して移動可能であり、電動子導体及び複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が表面の方を向き、この方法が、第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するステップと、第１、第２及び第３のステータ導体うちの１つ又は複数のステータ導体に供給されるＤＣを選択的に振幅変調するステップとを含み、それにより電動子導体内に電流を誘導する。

[0010]さらに、添付図面及び前述の背景技術と併せて、後述の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から、多自由度の電気機械式の機械の他の所望の特徴及び特性が明らかとなる。

[0011]同様の参照符号が同様の要素を示している以下の図と併せて以下で本発明を説明する。

[0012]多自由度電磁機械の例示の一実施形態を示す単純化された断面図である。 [0013]多自由度電磁機械の別の実施形態の一部分を示す単純化された図である。 [0014]直交するように配置される導体のセットが配置された球形構造の実施形態を示す斜視図である。 [0015]多自由度電磁機械の別の例示の実施形態を示す単純化された断面図である。 [0016]本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置及び構成を示す図である。 本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置及び構成を示す図である。 本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置及び構成を示す図である。 [0017]いかにしてトルクが発生するかを示している、図１の多自由度電磁機械を示す単純化された断面図である。 [0018]１つ又は複数のステータ導体に供給され得る例示の振幅変調されたＤＣ信号を示す図である。 [0019]振幅変調されたＤＣを使用して位置制御を実施する図１及び４の多自由度電磁機械を示す図である。 振幅変調されたＤＣを使用して位置制御を実施する図１及び４の多自由度電磁機械を示す図である。 [0020]図１及び４の多自由度電磁機械のための別の制御方法論の様々な波形を示す図である。 [0021]本明細書で説明される電磁機械を制御するのに使用され得る多自由度制御システムを示す機能ブロック図である。

[0022]以下の詳細な説明は、本質的に単に例示的なものであり、本発明又は本発明の適用及び使用を限定することを意図されない。本明細書において使用されるとき、「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という語は、「実例、事例、例証として働く（ｓｅｒｖｉｎｇ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｉｎｓｔａｎｃｅ， ｏｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ）」ということを意味する。したがって、「例示的」として本明細書に説明される任意の実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましい又は有利であると解釈されない。本明細書において説明される全ての実施形態は、当業者が本発明を実行又は使用することを可能にするために提供される例示的な実施形態であり、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものではない。さらに、前記の技術分野、背景技術、発明の概要、又は下記の詳細な説明において提示される、明示的な又は暗示的な理論のいずれによっても拘束されることを意図してない。

[0023]これに関して、本明細書において開示される多自由度機械は、説明及び解説を容易にするために、概してモータとして動作するものとして説明されることに留意されたい。しかし、開示される機械が、外力により電動子を移動させて導体内に電流を誘導することにより発電機としても動作し得るか、あるいは、センサ（例えば、生じる逆ＥＭＦからの速度センサ）又は多くの他のデバイスとしても動作し得ることを当業者であれば理解するであろう。また、導体のうちのいくつかが湾曲するものとして示されているが、これは三次元（３Ｄ）球形状を伝えるためになされているにすぎないことに留意されたい。

[0024]ここで図１を参照すると、多自由度電磁機械１００の一実施形態の単純化された断面図が示されており、ステータ１０２及び電動子１０４を含む。ステータ１０２が、第１のステータ導体１０６と、第２のステータ導体１０８と、第３のステータ導体１１０とを有する。ステータ導体１０６、１０８、１１０の各々が、多数の種類及び形状の電気伝導性材料のうちの任意の電気伝導性材料で形成され、これらの電気伝導性材料のうちの１つ又は複数を使用して実装され得ることが理解されよう。加えて、ステータ導体１０６、１０８、１１０各々が、個別の連続的な単一導体を使用するか又は複数の導体を使用して実装され得、例えば、付加的技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（例えば、印刷導体）又は減法的技術（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（例えば、ＰＷＢエッチング）を使用して形成され得、２つ、３つの非限定的な例を挙げると、導電性ワイヤ、導電性リボン又は導電性シートであってよいことが理解されよう。

[0025]使用される材料の数、構成、実装形態又は種類に関係なく、ステータ導体１０６、１０８、１１０は、各々が異なるおおまかな軌道に従うことになるように配置される。具体的には、第１のステータ導体１０６が第１のおおまかな軌道に従い、第２のステータ導体１０８が第１のおおまかな軌道とは異なる第２のおおまかな軌道に従い、第３のステータ導体１１０が第１及び第２のおおまかな軌道とは異なる第３のおおまかな軌道に従うことが分かる。図１に示される実施形態では、これらの軌道が互いに直交する。しかし、図２に示されるような実施形態などの、いくつかの実施形態では、これらの軌道のうちの２つの軌道又は３つのすべての軌道が互いの角度に対して等しい又は等しくない任意の非直角の角度に配置されてもよいことが理解されよう。

[0026]先に進む前に、本明細書で使用される「軌道」という用語が、ローレンツ力を生じさせるのに寄与するように設計される、所定の長さにわたって導体がなぞることになる幾何学的経路を意味することに留意されたい（後でさらに説明する）。例えば、いくつかの実施形態では、例えば電源まで軌道に従うことができるいくつかの導電性の長さ部分（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）が存在してよい。しかし、これらの長さ部分はローレンツ力に寄与せず、高い可能性として、表面のおおまかな形状にも寄与しない。加えて、ステータ導体１０６、１０８、１１０がワイヤを手動で巻回するものであってよいか、又は、既知のプリント法を用いて可撓性の表面又は球状の表面にプリントされてもよいことに留意されたい。さらに、各導体１０６、１０８、１１０は異なる特性を有してもよい。例えば、２つ、３つの特性の例を挙げると、ステータ導体１０６、１０８、１１０は、互いに、サイズ、巻き数及び抵抗が異なってよく、また、固体部片として機械加工又は形成され得る。このようにすることで、必要とされる場合又は望まれる場合、各軸が異なる性能特性を有することになるようにするために、比較的容易に個別に各軸を調整することができる。

[0027]説明に戻ると、第１、第２及び第３の軌道は、ステータ導体１０６、１０８、１１０が共に表面のおおまかな形状を形成するようなものである。表面は単純に導体を重ね合わせる（及び、例えば接着剤を介して、導体を固定する）ことによって形成され得るか、又は、２つ以上の導体を編むことによって形成され得る。編む場合、全体の効率に対する起伏の影響に対する注意を考察する必要がある可能性がある。その理由は、導体上で生じるローレンツ力が磁界と電流経路との間の角度の関数であるからである。したがって、磁界及び電流が互いに直交しない場合、力が低減される。

[0028]表面の種類及び形状は多様であってよく、閉曲面、開曲面、閉曲面及び開曲面の組み合わせ、平坦表面、非平坦表面、又は、平坦表面及び非平坦表面の組み合わせであってよい。例えば、２つ、３つの例を挙げると、表面は、球形、半球形、トロイド、円筒形、立方体、平面、ハーフパイプ、又は、それらの種々の組み合わせであってよい。図１に示される実施形態では、また図３でより明瞭に示されるように、表面が球形であり、したがって、直交して配置される３つの対称軸３０２を有し、これらは、第１の対称軸３０２−１、第２の対称軸３０２−２及び第３の対称軸３０２−３である。この実施形態では、第１のステータ導体１０６が第１の対称軸３０２−１を中心に配置され、第２のステータ導体１０８が第２の対称軸３０２−２を中心に配置され、第３のステータ導体１１０が第３の対称軸３０２−３を中心に配置される。球体が無限の数の対称軸を有することに留意されたい。したがって、３つのすべての対称軸が互いに垂直である限りにおいて、第１の対称軸３０２−１、第２の対称軸３０２−２及び第３の対称軸３０２−３はこれらの対称軸の任意の１つの対称軸であってよい。

[0029]再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、ステータ１０２がステータ導体１０６、１０８、１１０のみを備えることに留意されたい。しかし、別の実施形態では、ステータ１０２が第１のボディ１１２をさらに備える。含まれる場合、第１のボディ１１２は、好適には、透磁性材料で形成され、外側表面１１４を有する。よく知られるように、このような材料は、磁気回路を通して磁束を効率的に伝導するのに、及び、磁束を所望のポイント／ロケーションまで誘導するのに、使用される。多数の適切な材料が知られており、これには、例えば、磁性鋼、鉄、及び、鉄合金（例えば、シリコン鉄、鉄−コバルト、バナジウム）が含まれる。第１のボディ１１２の外側表面１１４の少なくとも一部分が、好適には、表面のおおまかな形状を有し、ステータ導体１０６、１０８、１１０が、少なくとも、第１のボディ１１２の外側の表面１１４の少なくともその部分に隣接するように配置される。

[0030]電動子１０４がステータ１０２に隣接して配置され、少なくとも、電動子導体１１６及び複数の磁石１１８（例えば、第１の磁石１１８−１及び第２の磁石１１８−２）を有する。示される実施形態では、各磁石１１８が取り付け構造１２２の内側表面から内側に向かって延在し、各々が、その磁極の少なくとも一方をステータ１０２の方に向けるように配置される。含まれる場合、取り付け構造１２２が、好適には、例えば鉄又は鉄合金などの、透磁性材料を含み、図１に示されるようにステータ１０２を完全に囲んでよいか、又は、図４に示されるようにステータ１０２を部分的にのみ囲んでよい。

[0031]電動子１０４が、ステータ１０２に対して移動可能となるように設置される。好適には、電動子１０４が、対称軸３０２のうちの２つ又は３つの対称軸を中心にステータ１０２に対して移動可能となるように設置される。結果として、電動子１０４の外側表面上に設置され得る、センサ、レーザ、又は、他の適切なデバイスなどの、示されないデバイスが、所望の位置まで移動させられ得る。この移動がどのようにしてなされるかは、更に後述される。

[0032]磁石１１８が様々な形状及び寸法を有し得、多様に配置され得ることが理解されよう。例えば、示される実施形態では、磁石１１８が全体として弧形状を有するが、他の実施形態では、磁石１１８は、半球形状、あるいは、必要とされるか又は望まれる場合、他の多くの形状のうちの任意の１つの形状であり得る。加えて、磁石１１８の弧の長さが変更され得ることも理解されたい。また、ステータ１０２の方を向く磁石１１８の部分は好適には効率のためにステータ１０２と同様に外形を形成されるが、これらの部分はそのように外形を形成される必要はない。図５に示される実施形態では、例えば、磁石１１８の各々が、好適には（必ずというわけではない）少なくとも部分的にステータ１０２と同様に外形を形成されてステータ１０２に隣接して配置される透磁性の取り付け構造１２２上に配置又は設置され得る。また、図６及び７に示されるように、磁石１１８が取り付け構造１２２の一部として一体に形成されても（図６）、別個に形成されてもよいが、取り付け構造の少なくとも一部分によって包囲され得る（図７）。図７に示される実施形態が、磁束を示される磁束通路となるように方向づけるための孔又はスロット（想像線で示される）を任意選択で有することができることに留意されたい。これらの孔又はスロットは任意選択でエポキシなどの適切な材料で充填され得る。

[0033]図１及び４に示される実施形態などのいくつかの実施形態では、磁石１１８が、ステータ１０２の方を向く磁極が所定の隙間だけそこから分離されるように配置される。含まれる場合の隙間は、好適には、損失を最小にするのに十分な程度に小さく、それにより、磁気抵抗を低減することで磁気的効率が向上する。比較的大きい隙間の場合、機械公差を緩和することにより費用効率の高い設計にすることが可能となる。他の実施形態では、磁石１１８が、磁極がステータ１０２に接触することになるように配置され得る。このような実施形態では、接触表面の材料選択が、当技術分野で知られるように摩耗及び摩擦損失を考慮して行われる。

[0034]加えて、磁石１１８が多様に実装され得ることが理解されよう。例えば、磁石は永久磁石又は電磁石として実装されてよい。永久磁石として実装される場合、各磁石１１８はハルバッハアレイとして実装され得る。適切な永久磁石の供給元のいくつかの非限定的な例には、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ペンシルベニア州、ランディズビル）、Ａｒｎｏｌｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ニューヨーク州、ロチェスター）、Ｄｅｘｔｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（イリノイ州、エルクグローヴヴィレッジ）、及び、Ｄｕｒａ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（オハイオ州、シルバニア）が含まれる。

[0035]その形状、寸法、構成及び実装形態に関係なく、各磁石１１８が磁界を発し、各々が、好適には、ステータ１０２に対する第１の磁石１１８−１の極性を第２の磁石１１８−２の極性の反対にするように配置される。例えば、図１に示される実施形態では、第１の磁石１１８−１のＮ極（Ｎ）がステータ１０２のより近くに配置され、対して、第２の磁石１１８−２のＳ極（Ｓ）がステータ１０２のより近くに配置される。

[0036]ステータ導体１０６、１０８、１１０及び磁石１１８は、磁束が一方の側において一方の磁石（例えば、第１の磁石１１８−１）からステータ１０２内に進み、他方の側においてもう一方の磁石（例えば、第２の磁石１１８−２）へと戻ることになるように構成される。磁束はステータ導体１０６、１０８、１１０を通るように移動し、透磁性の取り付け構造１２２が磁束ための帰還路を提供する。理解され得るであろうが、ステータ導体１０６、１０８、１１０のうちの１つ又は複数に直流電流（ＤＣ）が供給されると、励磁された導体１０６、１０８、１１０と磁石１１８との間に上で言及したローレンツ力が生じ、このローレンツ力が対称軸３０２のうちの１つ又は複数の周りにトルクを生じさせる。やはり理解され得るであろうが、生じるトルクの方向は、導体１０６、１０８、１１０内を流れる電流の方向に基づく。ステータ１０２が固定的に設置されることから、生じるトルクがステータ１０２に対して電動子１０４を電動子位置まで移動させることになる。

[0037]次に図８を参照して、ステータ導体１０６、１０８、１１０のうちの１つが励磁されるときに生じるトルクの例を説明する。分かり易いように、及び、説明を容易にするために、１つのみのステータ導体１０６、１０８、１１０（例えば、ステータ導体１０６）が示される。図８に示されるように、第１のステータ導体１０６が示される方向のＤＣの供給を受けると、（図８の視点で見ると）第２の対称軸３０２−２の周りに時計回り方向のトルクが生じる。電流の方向を変化させると、反対方向（すなわち、反時計回り方向）のトルクが生じることが理解されよう。さらに、ステータ導体１０６に供給される電流の大きさを変えることで、トルクの大きさが変化し得ることが理解されよう。

[0038]上記に加えて、例えば図９に示されるように、ステータ導体１０６、１０８、１１０のうちの１つ又は複数に供給されるＤＣが振幅変調される場合、電動子導体１１６が、変圧器の作用を介して、振幅変調されるステータ導体１０６、１０８、１１０に電磁的に結合されることに留意されたい。基本的に、ステータ導体１０６、１０８、１１０が変圧器の一次巻線を効果的に実装し、電動子コイル１１６が変圧器の二次巻線を効果的に実装する。理解され得るように、所与の振幅の大きさにおいて、電動子導体１１６が、高い変調周波数で振幅変調されるステータ導体１０６、１０８、１１０により強力に電磁的に結合されることになる。したがって、電動子導体１１６を介して、電動子１０４の追加の制御度合を得ることができる。具体的には、上述したように、磁石１１８がステータ導体１０６、１０８、１１０のＤＣマグニチュード（ＤＣ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）の比率に反応し、電動子導体１１６がステータ導体１０６、１０８、１１０のＤＣの変調周波数の比率に反応する。

[0039]振幅変調の周波数が比較的高くあるべきであることに留意されたい。例えば、周波数は１ｋＨｚであるべきである。比較的高い振幅変調の周波数により、電動子１０４が機械的に反応しないようになり、したがって機械１００のＤＣ操作に悪影響を与えないようになる。

[0040]図１０及び１１を参照して、ステータ導体１０６、１０８、１１０のうちの１つ又は複数に供給されるＤＣが振幅変調されるときに生じるトルクの例を説明する。分かり易いように、及び、説明を容易にするために、これらの図には、磁石１１８又は取り付け構造１２２ではなく、電動子導体１１６のみが示される。図１０に示されるように、第２のステータ導体１０８が振幅変調されたＤＣの供給を受けると（比較的太い線を使用して示される）、第２のステータ導体１０８及び電動子導体１１６の軸が位置合わせされるときに電磁的な結合が最も強くなる。しかし、図１１に示されるように、第１のステータ導体１０６及び第２のステータ導体１０８が振幅変調されたＤＣ（大きさ及び変調周波数が等しい）の供給を受けると、一次変圧器の軸が効果的に変更され、それにより電動子導体１１６が、第１のステータ導体１０６及び第２のステータ導体１０８とのその電磁的な結合の効率を最大にするように移動するようになる。

[0041]別の実施形態では、機械が整流回路（図１を参照）をさらに有することができる。図１２に示されるように、含まれる場合、整流回路１２４が電動子導体１１６内の変調電流を整流することになる。結果として、電動子導体１１６が単一の極性を有する電磁石を実装し、この単一の極性が、ステータ導体１０６、１０８、１１０内の振幅変調されたＤＣによって生じる磁界に対して磁気的に位置合わせされ得る。

[0042]次に図１３を参照すると、図１の多自由度の電気機械式の機械１００を含む多自由度作動制御システム１３００の機能ブロック図が示されている。図１３に示されるように、システム１３００が、ステータ導体１０６、１０８、１１０の各々に結合される制御部１３０２を含む。制御部１３０２は、導体１０８の各々の電流の大きさ及び方向を制御し、それによりステータ１０２のスピンの速度及び方向並びに傾斜角度を制御するように構成される。制御部１３０２は、この機能を、オープンループ制御又はクローズドループ制御のいずれかを使用して実行するように構成され得る。オープンループ制御は、比較的低い価格、より低い複雑性、比較的単純なＤＣ操作、及び比較的小さい大きさと重量とをもたらす。クローズドループ制御は、より高い正確性と精度、より高い帯域及び自律的な制御をもたらす。様々な制御技術が制御部１３０２において実行され得る。適切な制御技術のいくつかの非限定的な例としては、ＰＷＭ制御及び逆ＥＭＦ制御がある。

[0043]制御部１３０２がクローズドループ制御を実行する場合、制御システム１３００が、１つ又は複数の位置センサ１３０４をさらに有する。位置センサ１３０４の数及び種類は多様であってよい。例えば、システム１３００は、ステータ１０２の位置を独立に感知するための１つ又は複数のセンサ１３０４を有することができる。このようなセンサは、光学センサ、トラックボール又は回転センサなどを使用して実装され得る。他の実施形態では、センサ１００４は、ステータ１０２の表面に適用される光学マスクを使用して実装され得、光学マスクがさらに、電動子１０４の内側表面上に設置される光学センサによって読み取られ得る。

[0044]データ及び電力が、多数の技術のうちの任意の技術を使用して、ステータ導体１０６、１０８、１１０及び（含まれる場合の）位置センサ１３０４へ伝送され得、またそれらから伝送され得ることが理解されよう。例えば、データは、無線で、可撓性導体を介して、又は小型集電環を介して伝送され得、電力は、可撓性導体を介して又は小型集電環を介して伝送され得か、あるいは、バッテリを介して供給され得る。特定の一実施形態では、ステータ導体１０６、１０８、１１０が集電環機構を介して制御部に接続される。

[0045]本明細書では多自由度機械１００が開示される。電動子１０４がステータ１０２に対して所望の電動子位置まで制御可能に移動させられて保持され得る。電動子位置は、ステータ導体１０６、１０８、１１０内のＤＣの大きさ及び方向を制御することにより、また、それに加えて（又は、その代わりに）ステータ導体１０６、１０８、１１０内のＤＣの変調周波数を制御することにより、制御され得る。

[0046]本明細書で開示される実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路及びアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア又はその両方の組み合わせとして実装され得ることを当業者であれば理解するであろう。実施形態及び実装形態のいくつかは、上記において、機能及び／又は論理ブロックコンポーネント（又はモジュール）並びに様々な処理ステップという観点で説明されている。しかし、このようなブロックコンポーネント（又はモジュール）が、特定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアコンポーネントによって実現され得ることが理解されるべきである。このハードウェアとソフトウェアの交換可能性を明瞭に示すために、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、及びステップを、上記において、概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能がハードウェア又はソフトウェアのどちらとして実施されるかは、全体的なシステムに課せられる特定の用途及び設計制約に依存する。当業者であれば各特定の用途について様々な形で説明された機能を実施し得るが、そのような実施判断が、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。例えば、システム又はコンポーネントの実施形態は、様々な集積回路コンポーネント、例えば、メモリ要素、デジタル信号処理要素、論理要素又はルックアップテーブルなどを採用することができ、これらは、１つ又は複数のマイクロプロセッサあるいは他の制御装置の制御下で様々な機能を実行し得る。さらに、本明細書で説明される実施形態が単に例示的な実装形態であることを当業者でれば理解するであろう。

[0047]本明細書で開示される実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール及び回路は、汎用処理装置、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）もしくは他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェアコンポーネント、又は本明細書において説明される機能を実行するように設計されるこれらの任意の組み合わせを用いて、実装又は実行され得る。汎用処理装置はマイクロプロセッサであってよいが、別法として、当該処理装置は任意の従来の処理装置、コントローラ、マイクロコントローラ、又は状態機械であってもよい。処理装置はまた、コンピューティングデバイスの組み合わせとして、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携した１つ又は複数のマイクロプロセッサ、又は任意の他のそのような構成として、実装されてもよい。

[0048]本文書では、第１及び第２などの関係語は、単に１つの実体又は動作を別の実体又は動作から区別するためだけに使用され得、必ずしも何らかの実際上のそうした関係性や順序をそのような実体又は動作の間に必要とするものではなく、また暗示するものではない。「第１」、「第２」、「第３」などの数値的序数は、単に複数の中の異なる１つを意味するだけであり、請求項の文言によって特に定義されない限り、いかなる順序又は順番も含意しない。請求項のいずれの請求項における文章の順番も、請求項の文言によって特に定義されない限り、そのような順番に従う時間的又は論理的な順序で処理のステップが実施されなければならない、ということを含意しない。処理のステップは、請求項の文言と矛盾しない限り、また論理的に無意味でない限り、本発明の範囲から逸脱することなく任意の順序で交換され得る。

[0049]さらに、文脈によっては、異なる要素の間の関係を説明する際に使用される「接続する」又は「結合される」などの語は、これらの要素の間に直接的な物理的接続がなされなければならないことを含意しない。例えば、２つの要素は、１つ又は複数の追加的な要素を介して、互いに対して物理的に、電気的に、論理的に、又は他の任意の形で接続されてよい。

[0050]本発明の前述の詳細な説明で少なくとも１つの例示的な実施形態を提示したが、非常に多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、１つ又は複数の例示的な実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、適用性又は構成を限定することは決して意図されていないことを理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実現するための便利な手引きを当業者に提供するものである。添付の特許請求に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態において説明された要素の機能及び構成において様々な変更がなされ得るということが理解されよう。

１００ 多自由度電磁機械
１０２ ステータ
１０４ 電動子
１０６ 第１のステータ導体
１０８ 第２のステータ導体
１１０ 第３のステータ導体
１１２ 第１のボディ
１１４ 外側表面
１１６ 電動子導体
１１８ 磁石
１１８−１ 第１の磁石
１１８−２ 第２の磁石
１２２ 取り付け構造
３０２ 対称軸
３０２−１ 第１の対称軸
３０２−２ 第２の対称軸
３０２−３ 第３の対称軸
１００４ センサ
１３００ 多自由度作動制御システム
１３０２ 制御部
１３０４ 位置センサ

Claims (3)

1. 第１のステータ導体、第２のステータ導体及び第３のステータ導体を備えるステータであって、前記第１のステータ導体が第１のおおまかな軌道に従い、前記第２のステータ導体が前記第１のおおまかな軌道とは異なる第２のおおまかな軌道に従い、前記第３のステータ導体が前記第１及び第２のおおまかな軌道とは異なる第３のおおまかな軌道に従い、前記第１のステータ導体、前記第２のステータ導体及び前記第３のステータ導体が、表面のおおまかな形状を共に形成する、ステータと、
   前記ステータに隣接して配置されて前記ステータに対して移動可能である電動子であって、電動子導体及び複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が前記表面の方を向く、電動子と、
   前記第１、第２及び第３のステータ導体に結合される制御部であって、
   （ｉ）前記第１、第２及び第３のステータ導体に直流電流（ＤＣ）を供給し、
   （ｉｉ）前記第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給される前記ＤＣを選択的に振幅変調し、それにより、前記１つ又は複数の第１、第２及び第３のステータ導体に対して前記電動子導体を電磁的に結合するように
   構成される、制御部と
   を備える、多自由度電磁機械。
2. 第１の対称軸、第２の対称軸及び第３の対称軸を有する球状ステータであって、前記第１、第２及び第３の対称軸が互いに直交して配置される、球状ステータと、
   前記第１の対称軸を中心に球形構造上に配置される第１のステータ導体と、
   前記第２の対称軸を中心に前記球形構造上に配置される第２のステータ導体と、
   前記第３の対称軸を中心に前記球形構造上に配置される第３のステータ導体と、
   前記球状ステータに隣接して配置されて前記球状ステータに対して移動可能である電動子であって、電動子導体及び複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が表面の方を向く、電動子と
   前記第１のステータ導体、前記第２のステータ導体及び前記第３のステータ導体に結合される制御部であって、
   （ｉ）前記第１、第２及び第３のステータ導体に直流電流（ＤＣ）を供給し、
   （ｉｉ）前記第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給される前記ＤＣを選択的に振幅変調し、それにより、前記１つ又は複数の第１、第２及び第３のステータ導体に対して前記電動子導体を電磁的に結合するように
   構成される、制御部と
   を備える、多自由度電磁機械。
3. ステータ及び構造を有する多自由度電磁機械を制御する方法であって、前記ステータが、第１のステータ導体と、第２のステータ導体と、第３のステータ導体とを有し、前記第１のステータ導体が第１のおおまかな軌道に従い、前記第２のステータ導体が前記第１のおおまかな軌道とは異なる第２のおおまかな軌道に従い、前記第３のステータ導体が前記第１及び第２のおおまかな軌道とは異なる第３のおおまかな軌道に従い、前記第１のステータ導体、前記第２のステータ導体及び前記第３のステータ導体が、表面のおおまかな形状を共に形成し、前記電動子が前記ステータに隣接して配置されて前記ステータに対して移動可能であり、電動子導体及び複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極の少なくとも一方が前記表面の方を向き、
   前記第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するステップと、
   前記第１、第２及び第３のステータ導体のうちの１つ又は複数に供給される前記ＤＣを選択的に振幅変調するステップであって、それにより前記電動子導体内に電流を誘導する、ステップと
   を含む、方法。

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