JP2022048386A

JP2022048386A - 多自由度電磁機械

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Publication number: JP2022048386A
Application number: JP2022016246A
Authority: JP
Inventors: パブロ・バンデラ; Pablo Bandera; ハンス・ロス; Roth Hans; マーク・エイ．・カーソン; A Carson Mark
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2022-03-25
Also published as: EP3249794A3; EP3249794B1; JP2017212873A; CN107437854A; EP3249794A2; CN107437854B

Abstract

【課題】モータ、発電機又はモータ－発電機として動作し得る多自由度電磁機械が、第１の構造と、第２の構造とを有する。【解決手段】第１の構造が、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体とを備え、これらの各々が異なる軌道に従う。第１、第２及び第３の導体が一体の表面の概略的な形状を形成する。第２の構造が第１の構造に隣接して配置され、磁界を発する磁石を有する。磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が表面の方を向く。少なくとも一方の磁極から生じる磁界が電気伝導体のうちの任意の電気伝導体内の電流と相互作用するとき、ローレンツ力が第１の構造と第２の構造との間の相対的運動に影響を与える。【選択図】図２

Description

[0001]本出願は、２０１５年７月７日に出願された米国特許出願第１４／７９２，７９９号の一部継続出願（ＣＩＰ：ｃｏｎｔｉｎｕａｔｉｏｎ－ｉｎ－ｐａｒｔ）である。
[0002]本発明は概して電磁機械に関し、より詳細には、モータ及び／又は発電機などの多自由度電磁機械に関する。

[0003]物体を２つ以上の自由度（ＤｏＦ：ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ）に移動させるように設計された現在使用可能な運動制御システムは、各ＤｏＦについて個別のモータ又はアクチュエータを含むことが一般に知られている。より具体的には、２ＤｏＦ動作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とされ、３ＤｏＦ動作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とされ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。

[0004]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、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（ｕｎｍａｎｎｅｄａｉｒｖｅｈｉｃｌｅｓ））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、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単に耐えなければならない。

[0005]上述の問題への１つの解決策が、「ＧｌｏｂａｌＰｏｉｎｔｉｎｇＡｃｔｕａｔｏｒ」と題された米国特許第７，６７５，２０８号に開示されている。そこ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」が巻回された球状ステータを含む。しかしながら、このアクチュエータは、特定の欠点も呈する。例えば、経度コイルは巻回するのが物理的に困難である。その理由は、巻き線が平行でなく、球状ステータの極に集束する又は「集まる（ｂｕｎｃｈｕｐ）」からである。これによって全体的なコスト及び大きさが増加し、コイルの効率性が低下する。別の欠点は、電動子のオープンループ位置制御を実現するために個別の中央寄せトルク（例えば、バネ、又は磁気的移動止め）が必要となることである。

米国特許第７，６７５，２０８号

[0006]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、及び／又は巻回するのが困難なコイルを含まない、及び／又はオープンループ位置制御を実行するために個別の中央寄せトルクに依存しない、多自由度電気機械的機械が求められている。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。

[0007]本要約は、「発明を実施するための形態」において更に説明される選択的な概念を簡略化された形で記述するように提供される。本要約は、特許請求される主題の主要な
又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また、特許請求される主題の範囲を決定する補助として使用されることも意図しない。

[0008]実施形態では、モータ、発電機又はモータ－発電機として動作し得る多自由度電磁機械が、第１の構造と、第２の構造とを有する。第１の構造が、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体とを備える。第１の導体が第１の概略的な軌道に従い、第２の導体が第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、第３の導体が第１及び第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従う。第１、第２及び第３の導体が表面の概略的な形状を共に形成する。第２の構造が第１の構造に隣接して配置され、磁界を発する磁石を有する。磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が表面の方を向く。少なくとも一方の磁極から生じる磁界が電気伝導体のうちの任意の電気伝導体内の電流と相互作用するとき、ローレンツ力が第１の構造と第２の構造との間の相対的運動に影響を与える。

[0009]更に、多自由度電気機械的機械の他の望ましい特徴及び特性は、付随する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明らかになるであろう。

[0010]以下において、本発明は下記の図面と併せて説明され、図面において類似の数字は類似の要素を示す。

[0011]多自由度球面アクチュエータの１つの例示的な実施形態の平面図である。 [0012]多自由度球面アクチュエータの一部の単純化された断面図である。 [0013]多自由度球面アクチュエータの一部の単純化された断面図であり、トルクがどのように生成されるかを示す図である。 [0014]図４Ａは、電動子がある電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。図４Ｂは、電動子が異なる電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。図４Ｃは、電動子が更に異なる電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。 [0015]多自由度球面アクチュエータが、モータとして動作され得る方法について示す図である。 [0016]電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの別の１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの更に別の１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。 [0017]多自由度作動制御システムの機能ブロック図である。 [0018]球状ステータ内に電子装置が取り付けられた多自由度球面アクチュエータの平面図である。 [0019]ジンバル方式で取り付けられた多自由度球面アクチュエータを示す図である。非ジンバル方式で取り付けられた多自由度球面アクチュエータを示す図である。 [0020]図１３Ａは、多自由度球面アクチュエータの別の実施形態を示す図である。図１３Ｂは、多自由度球面アクチュエータの別の実施形態を示す図である。 [0021]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。 [0022]図１４の機械を実装するのに使用され得る表面の種類のいくつかの非限定的な実施例を示す図である。図１４の機械を実装するのに使用され得る表面の種類のいくつかの非限定的な実施例を示す図である。図１４の機械を実装するのに使用され得る表面の種類のいくつかの非限定的な実施例を示す図である。 [0023]多自由度制御システムを示す機能ブロック図である。 [0024]第１の実施形態による、振動触覚フィードバックを発生させるように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。第１の実施形態による、振動触覚フィードバックを発生させるように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。第１の実施形態による、振動触覚フィードバックを発生させるように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。第１の実施形態による、振動触覚フィードバックを発生させるように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0025]第２の実施形態による振動触覚フィードバックを発生させるように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0026]協働的センサネットワーク（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ）の別の実施形態を実装するのに使用される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。協働的センサネットワークの別の実施形態を実装するのに使用される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0027]自動車ドライブトレイン内に実装される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0028]自動車操向機能を実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0029]自動車制動機能を実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0030]車両ホイール内に直接に設置される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0031]デュアルシャフトドライブを実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。デュアルシャフトドライブを実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0032]可変運動量の制御モーメントジャイロを実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。可変運動量の制御モーメントジャイロを実装するように構成される本明細書で説明される機械の実施形態を示す図である。 [0033]平面状のボイスコイルとして構成される機械の一実施形態の実施例を示す図である。 [0034]非球形状の機械のための１つの有用な文脈の実施形態を示す図である。 [0035]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。 [0036]直交するように配置される開示される導体のセットをその上に備える球形構造の実施形態を示す斜視図である。

[0037]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しない。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（ｓｅｒｖｉｎｇａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｓｔａｎｃｅ，ｏｒｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ）」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。更に、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。

[0038]これに関し、本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータは、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が留意される。しかし、開示されるアクチュエータが、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、生じる逆起電力からの速度センサ）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認識するであろう。また、図２～５が導体のうちのいくつかの導体を湾曲するものとして示すが、これは単に三次元（３Ｄ）球形状を伝えるために行われていることに留意されたい。加えて、以下の説明では、いくつかの実施形態において第１及び第２の構造がそれぞれ以下で説明されるステータ及び電動子であってよいことに留意されたい。しかし、これは常にそうであるというわけではない。例えば、いくつかの実施形態では、第１及び第２の構造がそれぞれ電動子及びステータであってもよい。加えて、球形構成で通常使用される軌道の有用な実施例として実施形態のうちいくつかの実施形態を説明するのに、コイル及び巻き線という用語が使用される。

[0039]まず、図１を参照すると、多自由度球面アクチュエータ１００の一実施形態の平面図が図示され、平面図は、球状ステータ１０２と、電動子１０４と、複数の磁石１０６とを含む。球状ステータ１０２は、その名称が示すように、球状であり、したがって３つの直交して配置された対称軸１０８、すなわち第１の対称軸１０８－１と、第２の対称軸１０８－２と、第３の対称軸１０８－３とを有する。球状ステータ１０２は、好ましくは、鉄又は鉄合金などの透磁性の材料からなり、好ましくは、中空の球として実装される。好ましくは、球状ステータ１０２は、例えば取り付け構造１１２を介して、別の不図示の構造に固定して取り付けられる。不図示の構造は、二、三の例を挙げると、例えば、壁、天井、船舶又は航空機の隔壁、若しくは船舶又は航空機の外殻であり得る。

[0040]電動子１０４は、球状ステータ１０２から離間され、球状ステータ１０２の少なくとも一部を包囲する。電動子１０４は、内側面１１４と外側面１１６とを有し、球状ステータ１０２に対して移動可能であるように取り付けられる。好ましくは、電動子１０４は、球状ステータ１０２に対して、２つ又は３つの対称軸１０８の周りを移動可能であるように取り付けられる。結果として、電動子１０４の外側面１１６に取り付けられ得るセンサ、レーザ又は他の適切な装置などの装置１１５は、所望の位置へと移動され得る。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。球状ステータ１０２と同様に、電動子１０４もまた、好ましくは、例えば鉄又は鉄合金などの透磁性の材料からなる。

[0041]磁石１０６（図１においては１つだけ見えている）は、電動子１０４の内側面１１６に結合され、電動子１０４の内側面１１６から内側に向かって延在し、球状ステータ１０２から離間されている。図示される実施形態において、図２により明瞭に示されるよ
うに、球面アクチュエータ１００は、複数の磁石１０６を含む。図示される実施形態において、球面アクチュエータ１００は、一組の磁石、すなわち第１の磁石１０６－１と第２の磁石１０６－２とを含む。しかしながら、他の実施形態において、３つ以上又は２つ未満の磁石１０６が使用され得ることは理解されよう。加えて、磁石１０６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認識されよう。例えば、示される実施形態では、磁石１０６が全体として弧形状を有するが、他の実施形態において、磁石１０６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つ形状であり得る。加えて、磁石１０６の弧の長さが変更され得ること、及び、磁石１０６が、永久磁石、あるいは、必要とされるか又は望まれる場合、電気磁石であり得ることも認識されたい。更にステータ１０２の方を向く磁石１０６の部分は好適には効率のために電動子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３６に示される実施形態では、例えば、１つ又は複数の磁石１０６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る透磁性の構造（例えば、電動子１０４）上に配置又は設置され得る。また、図３７及び３８に示されるように、１つ又は複数の磁石１０６が電動子１０４の一部分の一部として形成され得るか（図３７）、又は、別個に形成されるが電動子１０４の少なくとも一部分によって包囲され得る（図３８）。図３７及び３８内の点線が例示の磁束通路を示すことに留意されたい。また、図３８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３８０２（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更に留意されたい。これらの孔又はスロット３８０２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。

[0042]しかしながら、形状及び寸法に関わらず、磁石１０６は、好ましくは、球状ステータ１０２に対する第１の磁石１０６－１の極性が、第２の磁石１０６－２の極性と反対向きになるように配置される。例えば、図２に図示される実施形態において、第１の磁石１０６－１のＮ極（Ｎ）が、球状ステータ１０２のより近くに位置し、一方、第２の磁石１０６－２のＳ極（Ｓ）が、球状ステータ１０２のより近くに位置する。

[0043]図２が更に図示するように、球状ステータ１０２は、その上に巻回される複数のコイル２０２を有する。図示される実施形態において、これらのコイルは、第１のコイル２０２－１と、第２のコイル２０２－２と、第３のコイル２０２－３とを含む。しかしながら、いくつかの実施形態において、球面アクチュエータ１０２は、３つのコイルの代わりに、２つのコイルだけを有して実装されてもよいことは理解されよう。第１のコイル２０２－１は、球状ステータ１０２に第１の対称軸１０８－１を中心に巻回され、第２のコイル２０２－２は、球状ステータ１０２に第２の対称軸１０８－２を中心に巻回され、第３のコイル２０２－２は、含まれる場合、球状ステータ１０２に第３の対称軸２０２－３を中心に巻回される。球は無限の個数の対称軸を有することに留意されたい。したがって、第１、第２及び第３の対称軸１０８－１、１０８－２、１０８－３は、３つの対称軸の全てが互いに直交する限り、これらの対称軸のうちの任意のものでよい。

[0044]説明を更に進める前に、コイル２０２は、手動でワイヤを巻回されてもよく、又は既知のプリント法を用いて柔軟な又は球状の面にプリントされてもよいことが留意される。更に、各コイル２０２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、コイル２０２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、必要とされる又は望まれる場合、各軸が異なる性能特性を有するように、比較的容易に及び個別に各軸を調整することができる。

[0045]磁石１０６及びコイル２０２は、磁束２０４が、一方の側において第１の磁石１０６－１から球状ステータ１０２内に進み、他方の側において第２の磁石１０６－２へと
戻るように構成される。磁束２０４はまた、球状ステータ１０２の両側においてコイル２０２内を進み、透磁性の電動子１０４が、磁束２０４のための帰還路を提供する。理解され得るように、コイル２０２のうちの１つ又は複数に電流が供給されると、通電されたコイル２０２と磁石１０６との間にローレンツ力が生成され、このローレンツ力は次いで対称軸１０８のうちの１つ又は複数の周りにトルクを生成する。これも理解され得るように、生成されるトルクの方向は、コイル２０２内を流れる電流の方向に基づく。

[0046]次に図３を参照し、コイル２０２のうちの１つが通電されたときに生成されるトルクの例を説明する。明確さのため、及び説明を容易にするために、１つのコイルだけ（例えば、第１のコイル２０２－１）が図示されている。図３が図示するように、第１のコイル２０２－１が図示される方向の電流を供給されると、（図３全体から分かるように）第３の対称軸１０８－３の周りに時計回り方向のトルクが生成される。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）のトルクが生成されることは理解されよう。コイル２０２に供給される電流の大きさを変えることで、トルクの大きさを変え得ることも更に理解されよう。

[0047]球状ステータ１０２はこの例では、固定して取り付けられるので、生成されるトルクは、電動子１０４を、球状ステータ１０２に対して、電動子位置へと移動させる。したがって、コイル２０２内の電流の大きさ及び方向を制御することで、電動子位置が制御され得る。電動子１０４と、したがってセンサ装置１１５とは、球状ステータ１０２に対して、所望の電動子位置に移動され保持され得る。この機能は、図４Ａ～図４Ｃに図示される。図４Ａにおいて、全てのコイル２０２には、大きさ及び方向が同じ電流が通電されている。図４Ｂにおいて、第１のコイル２０２－１及び第３のコイル２０２－３には、大きさ及び方向が同じ電流が通電され、第２のコイル２０２は通電されていない。図４Ｃにおいて、第１のコイル２０２－１には、第１の大きさ及び第１の方向の電流が通電され、第２のコイル２０２は通電されず、第３のコイル２０２－３には、第２の大きさ及び第２の方向の電流が通電され、第２の大きさは第１の大きさの２倍であり、第２の方向は第１の方向と反対の方向である。

[0048]更に（又はその代わりに）、電動子１０４は対称軸１０８のうちの１つの周りを継続的に回転するようにもされ得る。この機能は、図５に図示される。図示される例において、第１のコイル２０２－１に第１の交流電流５０２を通電し、第２のコイル２０２－２に第２の交流電流５０４を通電し、第１及び第２の交流電流５０２、５０４は振幅が同じで、位相が９０度ずれていることで、電動子１０４は、第３の対称軸１０８－３の周りを継続的に回転する。第２及び第３のコイル２０２－２、２０２－３、又は第１及び第３のコイル２０２－１、２０２－３へ、同じように、それぞれ制御しつつ通電することで、電動子１０４は、第１又は第２の対称軸１０８－１、１０８－２の周りを継続的に回転するようにされ得ることは理解されよう。更に、本明細書においては比較的単純な正弦波二相整流技術が図示され説明されるが、ブロック整流などの様々な他の種類の二相整流技術もまた使用され得る。

[0049]球面アクチュエータ１００は、電動子１０４が、対称軸１０８のうちの１つの周りを継続的に回転するようにされると同時に他の対称軸１０８のうちの１つ又は両方の周りを、電動子位置へ傾斜し得るようにも構成される。この機能は、図６～図８に示される。特には、図６～図８のそれぞれにおいて、第１及び第２のコイル２０２－１、２０２－２は、上述のように、電動子１０４を第３の対称軸１０８－３の周りを継続的に回転させるように通電される。しかしながら、図６において、第３のコイル２０２－３には、第２の交流電流５０４と同相の第３の交流電流６０２が通電される。結果として、電動子１０４は、第１の対称軸１０８－１の周りを、電動子位置へ回転する。図７において、第３のコイル２０２－３には、第１の交流電流５０２と同相の第３の交流電流７０２が通電され
る。結果として、電動子１０４は、第２の対称軸１０８－２の周りを第１の方向に向かって、電動子位置へ回転する。図８において、第３のコイル２０２－３には、第２の交流電流５０４と位相のずれた第３の交流電流８０２が通電される。結果として、電動子１０４は、第２の対称軸１０８－２の周りを第２の方向に向かって、電動子位置へ回転する。理解され得るように、電動子１０４の傾斜角は、第３の交流電流６０２、７０２、８０２の大きさを介して制御され、傾斜軸は、第３の交流電流６０２、７０２、８０２の相対位相を介して制御される。

[0050]次に図９を参照すると、図１の多自由度球面アクチュエータ１００を含む多自由度作動制御システム９００の機能ブロック図が図示される。図９が図示するように、システム９００は、第１、第２及び第３のコイル１０８のそれぞれに結合される制御部９０２を含む。制御部９０２は、各コイル１０８における電流の大きさ及び方向を制御し、それによって電動子位置を制御し、したがって（含まれる場合）センサ装置１１５の位置を制御するように構成される。制御部９０２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用い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９０２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。

[0051]制御部９０２が、クローズドループ制御を実行するなら、制御システム９００は、１つ又は複数の位置センサ９０４を更に含む。位置センサ９０４の数及び種類は変わり得る。例えば、システム９００は、各対称軸に沿って電動子位置を独立に感知するために１つ又は複数のセンサ９０４を含み得る。このようなセンサは、光学センサ、トラックボール、回転センサなどを用いて実装され得る。他の実施形態において、センサ９０４は、球状ステータ１０２の表面に適用される光学マスクを用いて実装され得、光学マスクは、次いで、電動子１０４の内側面１１４に取り付けられた光学センサによって読み取られ得る。

[0052]データ及び電力は、多くの技術のうちの任意のものを用いて、コイル１０８及び（含まれるなら）位置センサ９０４へ、又はそれらから伝送され得ることは理解されよう。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、又はバッテリを介して供給され得る。

[0053]上述のように、球状ステータ１０２は、好ましくは中空の球であるので、制御システム９００を備える様々な電子装置１００２が、図１０に図示されるように、球状ステータ１０２内に取り付けられ得る。更に、多自由度球面アクチュエータ１００は、電動子１０４の自由回転軸の所望の数に応じて、ジンバル構成又は非ジンバル構成で実装され得る。図１１にその実施形態が図示されるジンバル構成においては、第３の軸が固定されるため、電動子１０４は２つの自由回転軸を有する。図１２にその実施形態が図示される非ジンバル構成においては、電動子は、３つ全ての対称軸の周りを自由回転する。

[0054]多自由度球面アクチュエータ１００は、ステップモータのように、電力を印加されることなく保持トルクを提供するようにも構成され得る。このステップモータの機能を実行するように構成された多自由度球面アクチュエータ１００の１つの例示的な実施形態の単純化された断面図が、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される。これらに図示されるように、多自由度球面アクチュエータ１００は、前述の実施形態に著しく類似した構成を有し、したがって、球状ステータ１０２と、電動子１０４と、複数の磁石１０６と、複数のコイル２０２とを含む。しかしながら、１つ異なるのは、この球状ステータ１０２は、間隔を
空けて設けられた複数の突起１３０２（例えば、１３０２－１、１３０２－２、１３０２－３、．．．、１３０２－Ｎ）を含むことである。突起の数及び間隔は、変更してよく、図１３Ａが図示するように、少なくとも部分的に球面アクチュエータ１００の解像度を決定する。図１３Ａにおいて、球状ステータ１０２と電動子１０４とは位置が揃っていないことに留意されたい。逆に、図１３Ｂにおいて、球状ステータ１０２と電動子１０４とは位置が揃っており、電力が印加されることなくその位置が保持され得る。本記述は外部のブレーキ又はクラッチを用いずに保持トルクを提供することに関連するが、ブレーキ又はクラッチが使用されてもよいことが認識されよう。いくつの非限定的な例には、種々の機械式ブレーキ（例えば、摩擦ブレーキ、空力ブレーキ、外部発電機などの機械的負荷の適用）、及び、種々の電気式ブレーキ（例えば、渦電流ブレーキ、回生ブレーキ、発電ブレーキ又はダイナミックブレーキ、プラギングブレーキ（ｐｌｕｇｇｉｎｇｂｒａｋｅ）又は逆電流ブレーキ）が含まれる。

[0055]多自由度球面アクチュエータ１００の熱管理は、様々な技術を用いて実行され得る。いくつかの非限定的な技術としては、球状ステータ１０２の厚さを必要に応じて変更して、熱をコイル２０２から装置取り付け構造に伝導すること、中空の球状ステータ１０２の内部にファンを配置して、一方の極から空気を引き入れ他方の極から排出すること、効率的な対流冷却を提供すること、又はアクチュエータ１００を熱伝導性の流体で充填され封止された透明なシェルに封じ込めること、などがある。

[0056]本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータ１００は、既知の装置よりも比較的小型化され、より扱いやすく、より効率的である。それは、巻回するのが困難な経度コイルを含まず、電動子１０４のオープンループ位置制御を実行するために個別の中央寄せトルクに依存しない。それは、多くのアクチュエータコンポーネントの機能を実行するために様々な装置及びシステムにおいて使用され得る。例えば、人工衛星の姿勢制御のための制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ：ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏ）において使用されるときには、球面アクチュエータ１００は、２つのスピンモータ及び４つのトルクモータの機能を実現可能である。ヘリコプタのためのロータースウォシュプレート制御システムにおいて使用されるときは、球面アクチュエータ１００は、１つのスピンモータ及び３つの直線アクチュエータの機能を実現可能である。

[0057]上記に加えて、本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータ１００は、様々な科学技術装置及び環境において使用され得る。例えば、それは、パノラマ写真を撮影するためにスマートフォン又は他の画像撮影装置に結合され得る。それは、様々な車両において（例えば、自動車、船艇、航宙機、飛翔体、及び航空機）、二、三の例を挙げると、例えばセンサ位置調整、アダプティブヘッドライト、衛星アンテナ位置調整、ソナー／ライダ／レーダ方向制御を提供するために使用され得る。それは、太陽電池、望遠鏡、及びホームセキュリティカメラの位置調整に使用され得る。それは、様々な遊具及びゲームプラットフォームで使用され得る。それは、ロボット工学において、消費者装置（例えば、洗濯機、ドライヤ、食器洗浄機）において、及び車両変速システム（例えば、無段変速機（ＣＶＴ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｖａｒｉａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ））において使用され得る。

[0058]ここまで説明した実施形態は、球状ステータ（図３９を参照）上に直交して配置される導体及び複数の磁石を有する電磁デバイスを対象とする。しかし、本明細書で説明される技術的概念がこれらの説明される実施形態の範囲を超えてよいことが認識されよう。具体的には、これらの技術的概念は多種多様な電磁機械（例えば、モータ、発電機、及び／又は、モータ－発電機）内で具体化され得、導体は種々の非球形状として配置されてもよいか又は種々の非球形構造上に配置されてもよく、また、単一の磁石を有するように実装されてもよい。次に、このような追加の実施形態を説明する。

[0059]ここで図１４を参照すると、多自由度電磁機械１４００の別の実施形態の一部分の単純化された図が示されており、これが、第１の構造１４０２と、第２の構造１４０４とを有する。第１の構造１４０２が、第１の導体１４０６と、第２の導体１４０８と、第３の導体１４１０とを有する。第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０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つ又は複数の電気伝導性材料を使用して実装され得ることが認識されよう。第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々は、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（ａｄｄｉｔｉｖｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（例えば、印刷導体）又は減法的技術（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（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。

[0060]使用される材料の数、構成、実装形態又は種類に関係なく、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０は、各々が異なる概略的な軌道に従うようになるように、配置される。具体的には、第１の導体１４０６が第１の概略的な軌道に従い、第２の導体１４０８が第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、第３の導体１４１０が第１及び第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従うことが分かる。示される実施形態では、これらの軌道は互いに直交せず、代わりに、互いを基準として不定の角度のところに配置される。しかし、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つの全ての軌道が互いを基準として等しい角度のところに配置されても又は等しくない角度のところに配置されてもよいこと、及び、これらの軌道のうちの２つの軌道又は３つの全ての軌道が直交してもよいことが認識されよう。本明細書で使用される「軌道」という用語は、ローレンツ力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。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（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｌｅｎｇｔｈ）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、表面の概略的な形状にも寄与しない。

[0061]これらの軌道は、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０が共に表面の概略的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、ワイヤ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。

[0062]表面の種類及び形状は変わり得、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。完全のために、これらの表面の種類のうちの一部のいくつかの非限定的な例が図１５～１７に示されている。図１６及び１７に示される表面の種類は異なる表面の種類の組み合わせの例を示している。具体的には、これらは対向する半球上にある半径の異なる異なる球形部分として示されており、これらの球形部分は切り取られていてよい。

[0063]上で言及した図１５～１７に示される形状などの非球形状が、単に２つ、３つの非限定的な例を挙げると、例えば、パッケージ移動装置（ｐａｃｋａｇｅｍｏｖｅｒ）及び娯楽用乗り物を含めた種々の文脈で有利に使用され得ることに留意されたい。パッケ
ージ移動装置の場合、２つの導電性軌道がポイントＡからポイントＢまでパッケージを移動させることができ、第３の導電性軌道が軸を中心としてパッケージ移動装置を回転させるのに使用され得る。娯楽用乗り物の例として、トボガン／ボブスレー／リュージュの走行がある。この場合も、２つの導電性軌道が乗り手をポイントＡからＢまで移動させるのに使用され得、第３の導電性軌道が軸を中心として乗り手をスピンさせるのに使用され得る。別の例が図３５に示されており、これを後で更に説明する。

[0064]図１４を再び参照すると、いくつかの実施形態では、第１の構造１４０２が、第１の導体１４０６と、第２の導体１４０８と、第３の導体１４１０と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、第１の構造１４０２が第１のボディ１４１２を更に備える。含まれる場合の第１のボディ１４１２は、好適には、透磁性材料で形成され、外側表面を有する。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１４１２の外側表面の少なくとも一部分が、好適には、表面の概略的な形状を有し、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０が、少なくとも、第１の構造１４１２の外側の表面１４１４の少なくともその部分に隣接するように配置される。

[0065]第２の構造１４０４が第１の構造１４０２に隣接するように配置され、磁界を発する磁石１４１２を有する。磁石１４１２は、その磁極の少なくとも一方の磁極が表面の方を向くことになるように、配置される。いくつかの実施形態では、磁石１４１２が、表面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デザインにすることが可能となる。他の実施形態では、磁石１４１２が、磁極が表面に接触することになるように、配置される。このような例では、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。磁石１４１２が多様に構成及び実装され得ることが認識されよう。例えば、磁石１４１２は永久磁石又は電磁石であってよい。磁石１４１２が永久磁石である場合、磁石１４１２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、ＥｌｅｃｔｒｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ペンシルベニア州、ランディズビル）、ＡｒｎｏｌｄＭａｇｎｅｔｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ニューヨーク州、ロチェスター）、ＤｅｘｔｅｒＭａｇｎｅｔｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（イリノイ州、エルクグローヴヴィレッジ）、及び、ＤｕｒａＭａｇｎｅｔｉｃｓ（オハイオ州、シルバニア）が含まれる。また、図１～１３Ｂに示される上述した実施形態と同様に、図１４に示される機械１４００は複数の磁石１４１２（例えば、２つ以上）を備えるように実装され得る。

[0066]使用される磁石の数及び種類に関係なく、機械は以下のように構成される：磁石１４１２から生じる磁界が導体１４０６、１４０８、１４１０のうちの任意の導体内の電流と相互作用するときにローレンツ力が第１の構造１４０２と第２の構造１４０４との間の相対的運動に影響を与える。相対的運動の方向（図１４で矢印を使用して示される）は、やはり認識され得るように、少なくとも、導体１４０６、１４０８、１４１０内の電流の流れの大きさ及び方向に基づく。後で更に説明するように、これは加えて周波数に基づいてもよい。

[0067]第１の構造１４０２と第２の構造１４０４との間の相対的運動により、それに結合される１つ又は複数のデバイス１４１６を有することを受け入れることができるようなデバイス１４００が作られる。具体的には、電動子１０４に結合される図１に示されるデ
バイス１１５と同様に、第２の構造１４０４に結合される１つ又は複数のデバイスを有することが所望される可能性がある。単一のデバイス１１５及び１４１６が図１及び図１４にそれぞれ示されるが、デバイス１１５、１４１６の数及び種類が多様であってよいことが認識されよう。例えば、デバイス１１５、１４１６は、単に２つ、３つの非限定的な例を挙げると、トランスデューサ、電子回路、記憶素子、ジャイロ質量（ｇｙｒｏｓｃｏｐｉｃｍａｓｓ）、電磁リフレクタ、電磁波吸収体、レンズ、ガスノズル又は流体ノズル、作業工具、ロボットエフェクタ、生物又は非生物を移送するための運搬装置、及び、モータ、のうちの１つ又は複数を有することができる。

[0068]図９に示される上で説明した実施形態と同様に、図１４に示される電磁機械１４００は、図１８に示されるように、制御システム１６００内に実装されてもよい。図９に示されるシステムと同様に、図１８に示されるシステム１６００は、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に結合される制御部１６０２を有する。制御部１６０２は、第１の構造１４０２と第２の構造１４０４との間の相対的運動及びひいてはデバイス１４１６（含まれる場合）の相対位置を制御することを目的として、各々の導体１４０６、１４０８、１４１０内の電流の大きさ及び方向を制御するように構成される。上で説明した制御部９０２と同様に、図１８に示される制御部１６０２は、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この機能を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１６０２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には、ＰＷＭ制御及び逆ＥＭＦ制御が含まれる。

[0069]図１４に示される機械１４００、更には図１～１３に示される上で説明した機械１００は、多数の多様な機能を実現するように構成及び制御され得る。これらの機能のうちのいくつかの機能を次に説明する。しかし、その前に、説明及び描写を容易にするために、図１～１３に示される電磁機械と同様に構成される電磁機械の場合において各々の機能を説明することに留意されたい。つまり、第１の構造１４０２が概して球形状であり、第２の構造１４０４が第１の構造の一部分を包囲するか又は少なくとも部分的に包囲する。

[0070]説明される第１の機能は触覚フィードバック機能である。ここで図１９を参照すると、具体的には、この機能を実現するのに使用される一実施形態において、１つ又は複数のインバランスマス（ｉｍｂａｌａｎｃｅｍａｓｓ）１７０２（示される実施形態では２つ）が第２の構造１４０４に結合され、制御部１６０２が、第２の構造１４０４の運動を制御することを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向、更には、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の周波数を独立して制御するように構成されることが分かる。より具体的には、制御部１６０２が、第１の軸１７０４を中心として第２の構造１４０２を回転させること及び基準面１７０６を基準として第２の構造１４０２を選択的に傾斜させることを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の大きさ、方向及び周波数を制御する。基準面１７０６を基準とした第２の構造１４０４の傾斜が、第１の軸１７０４を中心とした第２の構造１４０４の回転半径である不均衡な半径（ｉｍｂａｌａｎｃｅｒａｄｉｕｓ）（Ｒ_{ＩＭＢＡＬＡＮＣＥ}）を変化させる。これが更に触覚フィードバックの振幅を変化させる。

[0071]これをより明瞭に説明すると、第１の軸１７０４を中心とした第２の構造１４０４の所与の回転速度において、図２０に示されるように第２の構造１４０４が基準面１７
０６に直交する場合に触覚フィードバックの振幅がゼロになり、それにより不均衡な半径（Ｒ_{ＩＭＢＡＬＡＮＣＥ}）がゼロになる。逆に、やはり第１の軸１７０４を中心とした第２の構造１４０４の所与の回転速度において、図２１に示されるように第２の構造１４０４が基準面１７０６に位置合わせされると触覚フィードバックの振幅が最大になり、それにより不均衡な半径（Ｒ_{ＩＭＢＡＬＡＮＣＥ}）が最大になる。認識され得るであろうが、図２２に示されるように、直交する位置と位置合わせされる位置との間のある位置まで第２の構造１４０４を傾斜させることにより、第１の軸１７０４を中心とした第２の構造１４０４の所与の回転速度における触覚フィードバックの振幅がゼロと最大との間で変化することができる。第１の軸１７０４の所与の位置において、第１の軸１７０４を中心とした第２の構造１４０４の回転速度を変化させることによっても触覚フィードバックの振幅が変化され得ることに留意されたい。

[0072]図２３に示される別の実施形態では、機械１４００が２つの軸に沿わせて独立した振動触覚フィードバックを生じさせるように制御され得る。これを行うために、制御部１６０２が、直交して配置される第１の軸２１０２及び第２の軸２１０４を中心として第１の構造１４０２を基準として第２の構造１４０４を同時に振動させることを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向、更には、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の周波数を独立して制御する。図１９～２２に示される実施形態と同様に、１つ又は複数のインバランスマス１７０２が第２の構造１４０４に結合される。

[0073]図２４及び２５に示される他の実施形態では、複数の機械１４００（例えば、１４００－１、１４００－２、．．．１４００－Ｎ）が協働的センサネットワーク２２００を実装するのに採用される。ネットワーク２２００が複数のセンサシステム２２０２（例えば、２２０２－１、２２０２－２、．．．２２０２－Ｎ）を有し、これらの各々が複数の機械１４００（例えば、１４００－１、１４００－２、．．．１４００－Ｎ）のうちの異なる１つの機械の上に設置される。各センサシステム２２０２が、センサ２２０４と、送信機２２０６と、受信機２２０８とを有する。図２４に示される実施形態では、各センサシステム２２０２の送信機２２０６の各々が第１の構造１４０２又は第２の構造１４０４のいずれかに結合され、それらと共に移動可能となり、対して、各センサシステム２２０２の受信機２２０８が静止状態を維持する。図２５に示される実施形態では、各センサシステム２２０２の送信機２２０６及び受信機２２０８の両方が第１の構造１４０２又は第２の構造１４０４のいずれかに結合され、それらと共に移動可能となる。

[0074]示される実施形態では、センサシステム２２０２の間の通信リンクが、１つのセンサシステム２２０２の送信機２２０６から別のセンサシステム２２０２の単一の受信機２２０８への向きである狭ビーム無線送信を介して完成する。１つのセンサシステム２２０２（例えば、第１のセンサシステム２２０２－１）がセンサネットワーク２２０２内の別のセンサシステム２２０２（例えば、第２のセンサシステム２２０２－２）と通信することを必要とする場合、第１のセンサシステム２２０２－１をその上に設置しているところの機械１４００－１が、通信リンク送信（Ｔｘ）を第２のセンサシステム２２０２－２の方に向けるように第１のセンサシステム２２０２－１を移動させるように制御される。

[0075]図２４に示される実施形態では、各センサシステム２２０２の受信機２２０８が静止状態を維持することから、各受信機２２０８が、好適には、複数の方向から送信を受信することができる広域受信機（ｗｉｄｅ－ａｒｅａｒｅｃｅｉｖｅｒ）を使用して実装される。更に、各受信機２２０８が別のセンサシステム２２０２の単一の送信機２２０６に位置合わせされる。各機械１４００に付随する制御部１６０２が、付随する送信機２２０６を所望の方向に向けることを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０
８及び第３の導体１４１０の各々の少なくとも電流の大きさ及び方向を独立して制御するように構成される。例えば、図２４では、センサシステム２２０２－１の機械１４００－１が、その付随する送信機２２０６を、センサシステム２２０２－Ｎに付随する受信機２２０８の方に向けるように制御され、センサシステム２２０２－Ｎの機械１４００－Ｎが、その付随する送信機２２０６を、センサシステム２２０２－２に付随する受信機２２０８に向けるように制御される。

[0076]図２５に示される実施形態では、広域受信機２２０８が使用され得るが、使用される必要はない。いずれにしても、各機械１４００に付随する制御部１６０２が、付随する送信機２２０６及び受信機２２０８を所望の方向に向けることを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の少なくとも電流の大きさ及び方向を独立して制御するように構成される。例えば、図２５では、センサシステム２２０２－１の機械１４００－１が、その付随する送信機２２０６を、センサシステム２２０２－２に付随する受信機２２０８の方に向けるように制御され、センサシステム２２０２－２の機械１４００－２が、その付随する受信機２２０８を、センサシステム２２０２－１から送信されるデータを受信することを目的としてセンサシステム２２０２－１に付随する送信機２２０６の方に向けるように制御される。

[0077]本明細書で説明される協働的センサネットワーク２２００安全性により既知のネットワークに対しての有意な改善が実現され、優位性も得られる。具体的には、狭ビーム幅の通信リンクが、送信するセンサシステムと受信するセンサシステムとの間の見通し線内に物理的に位置するデバイスによってのみ中断され得る。互いに実際に通信するネットワークセンサシステム間にのみ通信リンクが存在する。結果として、ネットワークデータを伝達する物理的経路がネットワークの１つのパートから別のパートへと動的に切り換わり、信号を遮断しようとする人間がこの通信リンクがある場所を知ることがない。センサシステムがその受信した信号内に乱れを検出する場合、センサシステムがそれ自体の送信を対向するセンサシステムの方に向けることができ、送信を止めるか又はその送信を別のセンサシステムの方に向け直すように命令を出すことができる。

[0078]本明細書で示され説明される機械１００、１４００は自動車などの種々の車両内にも実装され得る。具体的には、機械１００、１４００は、自動車ドライブトレイン、サスペンション、アンチスリップ／アンチスキッド、ステアリングリンケージ（例えば、ラック及びピニオン）、及び、制動システム内に実装され得る。まず、図２６を参照すると一実施形態が示されており、機械１００、１４００が自動車ドライブトレイン２４００内に実装されている。示される実施形態では、分かり易いように単一のホイールのみが示されているが、ドライブトレインが、機械１４００と、シャフト２４０２と、ホイール組付タイヤ２４０４とを有する。この実施形態では、シャフト２４０２が機械１４００の第２の構造１４０４に結合され、所望の回転速度で回転するように第２の構造１４０４に対して付随の制御部１６０２から命令が出されるときに、駆動される。更に、ホイール組付タイヤ２４０４に結合されるシャフト２４０２がホイール組付タイヤ２４０４を所望の速度で回転させる。

[0079]図２６にも示されるように、機械１４００に付随する制御部１６０２が、サスペンションを制御することを目的として矢印２４０６で示されるように傾斜させるように第２の構造１４０４に更に命令を出すことができる。ホイール組付タイヤ２４０４の滑りを感知するように構成されるセンサ２４０８を有することにより、アンチスキップ／アンチスキッド機能が実現され得る。それに反応して、付随する制御部１６０２が、ホイール組付タイヤ２４０４を道路の方に更に「押圧」することを目的として傾斜するように第２の構造１４０４に命令を出す。

[0080]図２７を参照すると、操向機能が示されている。示される実施形態では、第２の構造１４０４並びにひいてはシャフト２４０２及びホイール組付タイヤ２４０４に、示されるように回転するように命令を出す機械１４００に付随する制御部１６０２により、各ホイール組付タイヤ２４０４が独立して操向される。認識され得るように、独立のホイール操向により差動装置の必要性が排除され、更に、車両旋回半径を最小にすることができる。このような手法は、例えば、平行駐車の操作及び他の狭い空間での駐車の操作を容易にすることができ、更には、緊急車両を通過させるために交通渋滞において邪魔にならないように移動することを容易にすることができる。

[0081]次に図２８を参照すると、制動機能が示されている。第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向を制御することにより、アンチロック制動機能を含めた一般的な制動機能が実現され得る。また、例えば、ホイール組付タイヤ２４０４に、内側に回転させるようにつまり「スノープラウ」させるように命令を出す２つの前方機械１４００の各々に付随する制御部１６０２により、非常制動機能が実現され得る。ホイール組付タイヤ２４０４を「スノープラウ」させることにより、ホイール組付タイヤ２４０４と地面との間に更に摩擦が生じる。

[0082]次に進む前に、タイヤをその上に設置しているホイールの内部に機械１４００を直接に設置することによっても上述した機能の各々が実現され得ることに留意されたい。したがって、図２９に示されるこの構成はシャフト２４０２の必要性を排除する。

[0083]次に図３０及び３１を参照すると、本明細書で説明される機械１００、１４００がデュアルシャフトドライブ組立体２８００を実装するのにも使用され得ることが分かる。示される実施形態では、第２の構造１４０２が入力シャフト２８０２を介してピニオンギア２８０４に結合される。ピニオンギア２８０４がリンク機構２８０５を介してインナーシャフト２８０６に結合される、図３１により明瞭に示されるように、ピニオンギア２８０４が更に、アウターシャフト２８０８の内側表面上に形成される環状歯車２９０２に噛合する。

[0084]機械１４００が、インナーシャフト２８０６及びアウターシャフト２８０８の両方の回転速度及び方向を制御するのに使用される。具体的には、制御部１６０２が、ピニオンギア２８０４の回転速度及び方向を制御することを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向、更には、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の周波数を独立して制御するように構成され、ピニオンギア２８０４、ひいては、ピニオンギア２８０４が環状歯車２９０２に噛合していることを理由として、アウターシャフト２８０８の回転速度及び方向が更に制御される。加えて、制御部１６０２が、ピニオンギア２８０４の軌道２９０４（図３１を参照）の速度及び方向を制御することを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向、更には、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の周波数を独立して制御するように構成される。ピニオンギア２８０４が更にリンク機構２８０５を介してインナーシャフト２８０６に結合されることを理由として、アウターシャフト２８０８の速度及び方向から独立して、インナーシャフト２８０６の速度及び方向も制御される。

[0085]図１に示される実施形態を説明したときに既に述べたように、機械１００は可変運動量の制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ：ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）を実装するのに使用され得る。しかし、図１４に示される機械１４００も可変運動量のＣＭＧを実装するのに使用され得ることに留意されたい。一般に知られるように、ＣＭＧは衛星などの宇宙船の姿勢を制御するのに使用される。現在知られているＣＭＧ
は、通常、スピンモータ、トルクモータ、モーメンタムホイール（又は、フライホイール）を有する。スピンモータがその中心線の軸を中心としていくらかの速度でホイールを回転させ、トルクモータが直交軸を中心とした制限される角度を通るようにホイールを回転させる。これらの２つの運動が第３の直交軸を中心としたジャイロスコープトルクを生じさせ、これがホイールのスピン速度及び傾斜角度に比例する。通常、スピンモータは比較的小さい。その理由は、スピン速度を維持するのに必要となるトルクが小さいこと（この速度に達した後で）、及び、トルクモータがホイールと共にスピンモータを移動させなければならないこと、である。

[0086]ＣＭＧの根本的な制約は、ＣＭＧシステムの運動量のエンベロープ（ｍｏｍｅｎｔｕｍｅｎｖｅｌｏｐｅ）の範囲内に「特異点」が存在することである。これらは、運動量ベクトルが位置合わせされることを理由としてＣＭＧシステムが運動量を生じさせることができない特定の位置である。認識され得るように、衛星が１つの位置で実際に動かなくなる防止することを目的として、これらの位置が回避される。この問題を軽減するための１つの手法は、２軸ジンバル内にＣＭＧを設置して第２のトルクモータを追加することである。この場合、この第２のモータが特異点を回避するように運動量ベクトルの振幅を調整することができる。しかし、これにより、明らかに、システムの望ましくないサイズ、重量及び複雑さが増大し、これは特に、第２のトルクモータが、第１のトルクモータによって生じるジャイロスコープトルクに逆らって動作しなければならないことが理由である。別の手法は、傾斜中のホイールのスピン速度を変化させることであり、それにより「可変速度ＣＭＧ」と呼ばれるものが得られる。しかし、実際にはこれが実装されることはほぼない。その理由は、スピン軸上で非常に大きいトルクが必要となり、それによりスピンモータが大型化し、トルクモータが大型化し、全体のサイズ及び重量が増大するからである。

[0087]図３２に示されるように、本明細書で説明される機械１００、１４４０を使用することにより、ＣＭＧ３０００が、別個のスピンモータ及びトルクモータではなく、ホイール３００２の中心にある単一の２軸機械１００、１４００を使用して動作させらせて制御される。機械１００、１４００、またより具体的には第２の構造１４０４が、ホイール３００２に結合される。第２の構造１４０４が、第１の軸３００４を中心とした一定の回転速度で第１の構造１４０４を基準として回転するように、及び、第１の軸３００４に直交する第２の軸３００６を中心としてある回転位置まで第１の構造１４０２を基準として回転するように、構成される。

[0088]上で説明したように（図６～８及び関連する説明を参照されたい）、機械１４００に付随する制御部１６０２が、第２の構造の回転速度及び回転位置を制御することを目的として、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々の電流の大きさ及び方向、並びに、第１の導体１４０６、第２の導体１４０８及び第３の導体１４１０の各々に供給される電流の周波数を独立して制御するように構成される。これにより２つの手法で運動量の特異点が回避される。図３２により明瞭に示される第１の手法は、スピンの命令と傾斜の命令との間の相対位相を変化させてホイール３００２の傾斜軸３００６を変化させることによるものであり、それにより運動量ベクトル３００８が修正される。これは上述した既知の２軸ジンバルの解決策に類似するが、追加のモータを用いない。

[0089]図３３に最も明瞭に示される２つ目の手法は、ホイール３００２のスピン速度を変化させることによるものであり、それによりやはり運動量ベクトル３００８が修正される。これも上述した既知の２軸ジンバルの解決策に類似するが、サイズ又は重量を一切増大させない。スピン運動及び傾斜運動の両方が静止する導体１４０６、１４０８、１４１０によって駆動されることから、スピンを生じさせるのに使用される導体１４０６、１４
０８、１４１０が、傾斜を生じさせるのに使用される導体１４０６、１４０８、１４１０から独立して必要に応じてサイズ決定され得る。

[0090]本明細書で説明される機械１４００は平面状のボイスコイルを実装するのにも使用され得る。平面状のボイスコイルの一実施形態の実施例が図３４に示されており、これを説明する。しかし、その前に、本明細書で説明される手法が非平坦な用途にも拡大適用され得ることに留意されたい。示される機械１４００が、第１の構造１４０２と、第２の構造１４０４と、３つのセットの導体１４０６、１４０８及び１４１０とを有する。示される実施形態では、第１の構造１４０２が、上で言及した材料などの適切な透磁性材料を備え、導体１４０６、１４０８、１４１０が好適にはその上に直交するように配置される。図３４に更に示されるように、第１の構造１４０２が取り付け構造３４０２上に配置される。

[0091]第２の構造１４０４が、少なくとも示される実施形態では、磁石取り付け構造３４０６に結合される１つ又は複数の磁石３４０４（１つのみ示される）を有する。磁石３４０４は上で言及した永久磁石又は電磁石のうちの任意の１つ又は複数の磁石であってよい。

[0092]好適には、機械１４００が、導体のセット１４０６、１４０８、１４１０内の各導体に供給される電流を個別に制御するように構成される制御部１６０２（図３４には示されない）に結合され、その結果、導体のセット内の特定の導体が電流の流れを有さなくてよく、対して、他の導体が反対の方向に電流の流れを有することができる。例えば図３４に示される瞬間に、第１のセット１４０６内のいくつかの導体が電流の流れを有さず（「０」を使用して示される）、いくつの導体が正電流の流れを有し（「＋」を使用して示される）、それに対して、他の導体が負電流の流れを有する（「－」を使用して示される）。負電流が磁界３４０８の変更された方向を補償するが、いくつかの実施形態では制御部１６０２内のドライブエレクトロニクスに付随する複雑さを最小にするのに一切使用され得ない。

[0093]図１５～１７に示される形状及びすぐ上で説明した形状（図３４）などのいくつかの非球形状がパッケージ移動装置及び娯楽用乗り物などの種々の文脈で使用され得ることを上で述べた。非限定的な１つの文脈が図３５に示されており、第１の構造１４０２のトポロジーが非平坦である。示される実施形態では、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８が互いに直交するように配置される。示される機械１４００が、複数のセットの第３の導体１４１０（例えば、１４１０－１、１４１０－２、１４１０－３）を更に有し、各セットが、概して平行である隣接する導体を含む。示される実施形態が３つのセットの第３の導体１４１０を有するが、機械１４００がこの数より多くするか又は少なくしても実装され得ることが認識されよう。また、各セットの第３の導体１４１０内の導体の数は変更されてもよい。例えば、示される実施形態では、１つのセット１４１０－１が２つの導体を有し、別のセット１４１０－２が３つの導体を有し、別の導体１４１０－３が４つの導体を有する。

[0094]図３５に示される機械１４００を用いる場合、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８内の電流が、各セットの第３の導体１４１０によって画定される領域の中で及び／又はそのような領域の間で第２の構造を移動させるように制御され得る。分かり易いように導体の一部分のみが示されていることに留意されたい。例えば、第３の導体１４１０のセット内の電流を制御することにより、第２の構造１４０４が、このセットの第３の導体１４１０によって画定される領域内で維持され得る、この領域は実際には、電子フェンス、囲い（ｈｏｌｄｉｎｇｐｅｎ）又は力場によって画定される。非限定的な実施例として、最初に、導体１４０６、１４０８、１４１０の全てがゼロの電流を有することを
想定する。第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８によって形成される表面の方を向く極を有する１つ又は複数の磁石を有する第２の構造１４０４が重力によりシステム全体の最も低い高さのところに位置する。次いで、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８が励磁され、示されるように第２の構造１４０４を第３の導体１４１０－１の左下の部分のところに押圧する。次いで、電流が１４１０－１内に導入され、その結果、力が第２の構造１４０４を常に押圧し、その結果、第２の構造１４０４が第３の導体１４１０－１によって画定されるループ内で維持される。この時点で、第１の導体１４０６、１４０８内の電流がゼロに設定され得、第２の構造１４０４が１４１０－１内で「捕捉」された状態で維持される。導体ループ１４１０－３の中まで第２の構造１４０４を移動させることが所望される何らかの別の時点で、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８が励磁され、第２の構造１４０４を概略的に定位置で維持するために電流の極が不定の状態となる。次いで、１４１０－１内の電流がゼロに設定され、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８内の電流が、第２の構造１４０４を１４１０－３の中心まで移動させるのに使用される（破線と、その矢印の方向とによって示される）。上で同様に、第２の構造１４０４が１４１０－３の中に入ると、電流が１４１０－３に印加されて電気フェンスとして機能し、次いで、第１の導体１４０６及び第２の導体１４０８内の電流が再びゼロに設定される。この例示の手順が、１４０４をある場所から別の場所へ移動させるために他の破線によって示されるように継続され得る。

[0095]当業者は、本明細書において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は、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理解するであろう。いくつかの実施形態及び実施態様は、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）及び様々な処理ステップという観点から説明されている。しかしながら、このようなブロックコンポーネント（又はモジュール）は、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は、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。当業者は、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、ルックアップテーブルなどを用いることができ、これらは、１つ又は複数のマイクロプロセッサ又は他の制御装置の制御下で様々な機能を実行し得る。更に、当業者は、本明細書において説明される実施形態は、単なる例示的な実施態様であることを理解するであろう。

[0096]本明細書において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：ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）若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若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たこれらの任意の組み合わせによって、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、代替的に、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。

[0097]本文書においては、例えば第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し、又は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規定されない限り、いかなる順序又は順番も含意しない。請求項のいずれにおける文章の順番も、請求項の文言によって特に規定されない限り、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。

[0098]更に、文脈によって、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（ｃｏｎｎｅｃｔ）」又は「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄｔｏ）」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。

[0099]少なくとも１つの例示的な実施形態を前述の本発明の詳細な説明に示したが、非常に多くの変形が存在することが理解されるべきである。１つ又は複数の例示的な実施形態は単なる例であって、いかなる形でも本発明の範囲、適用性又は構成を制限することを意図しないこともまた、理解されるべきである。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。添付の特許請求の範囲に述べられる本発明の範囲を逸脱することなく、例示的な実施形態において説明された要素の機能及び配置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る。

１００多自由度球面アクチュエータ
１０２球状ステータ
１０４電動子
１０６磁石
１０６－１第１の磁石
１０６－２第２の磁石
１０８対称軸
１０８－１第１の対称軸
１０８－２第２の対称軸
１０８－３第３の対称軸
１１２取り付け構造
１１４内側面
１１５装置
１１６外側面
２０２コイル
２０２－１第１のコイル
２０２－２第２のコイル
２０２－３第３のコイル
２０４磁束
５０２第１の交流電流
５０４第２の交流電流
６０２第３の交流電流
７０２第３の交流電流
８０２第３の交流電流
９００多自由度作動制御システム
９０２制御部
９０４位置センサ
１００２電子装置
１３０２突起
１３０２－１突起
１３０２－２突起
１３０２－３突起
１３０２－Ｎ突起
１４００多自由度電磁機械
１４０２第１の構造
１４０４第２の構造
１４０６第１の導体
１４０８第２の導体
１４１０第３の導体
１４１２第１のボディ
１４１４外側表面
１４１６デバイス
１６００制御システム
１６０２制御部
１７０２インバランスマス
１７０４第１の軸
１７０６基準面
２１０２第１の軸
２１０４第２の軸
２２００協働的センサネットワーク
２２０２センサシステム
２２０４センサ
２２０６送信機
２２０８受信機
２４００自動車ドライブトレイン
２４０２シャフト
２４０４ホイール組付タイヤ
２４０６矢印
２４０８センサ
２８００デュアルシャフトドライブ組立体
２８０２入力シャフト
２８０４ピニオンギア
２８０５リンク機構
２８０６インナーシャフト
２８０８アウターシャフト
２９０２環状歯車
２９０４軌道
３０００制御モーメントジャイロ
３００２ホイール
３００４第１の軸
３００６第２の軸
３００８運動量ベクトル
３４０２取り付け構造
３４０４磁石
３４０６磁石取り付け構造
３８０２孔又はスロット

Claims

モータ、発電機又はモータ－発電機として動作し得る多自由度電磁機械であって、
第１の導体、第２の導体及び第３の導体を備える第１の構造であって、前記第１の導体が第１の概略的な軌道に従い、前記第２の導体が、前記第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、前記第３の導体が、前記第１及び第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従い、前記第１、第２及び第３の導体が共に表面の概略的な形状を形成する、第１の構造と、
前記第１の構造に隣接して配置され、磁界を発する磁石を有する第２の構造であって、前記磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が前記表面の方を向く、第２の構造と
を備え、
前記少なくとも一方の磁極から生じる磁界が前記電気伝導体のうちの任意の電気伝導体内の電流と相互作用するとき、ローレンツ力が前記第１の構造と前記第２の構造との間の相対運動に影響を与える、
多自由度電磁機械。
前記第１の構造が、透磁性材料で形成されて外側表面を有する第１のボディを更に備え、前記外側表面の少なくとも一部分が前記表面の概略的な形状を有し、
前記第１、第２及び第３の導体が、少なくとも、前記第１の構造の前記外側表面の少なくとも一部分に隣接するように配置され、
前記第１、第２及び第３の概略的な軌道が、前記第１、第２及び第３の導体を互いを基準として所定の角度で配向されるようなものである、
請求項１に記載の機械。
前記第１の構造と前記第２の構造との間の相対的運動を制御することを目的として、前記第１、第２及び第３の導体の各々の電流の大きさ及び方向を個別に制御するように構成される、前記第１、第２及び第３の導体に結合される制御部
を更に備える、請求項１に記載の機械。