JP5164062B2

JP5164062B2 - 多自由度電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP5164062B2
Application number: JP2007300378A
Authority: JP
Inventors: 勝弘平田; 匡史山本
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2009130957A

Description

本発明は、多自由度駆動を可能とする多自由度電磁アクチュエータに関するものである。

産業応用分野において、２自由度以上の駆動を実現するには１自由度アクチュエータを複数用いた構造が多く用いられており、構造が大型化する等の難点を持つ。最近では、多自由度駆動を可能とするアクチュエータ研究が盛んに行われている（例えば、非特許文献１または２）。なかでも、球面アクチュエータは、１つのアクチュエータで球面全方位駆動が可能であり、ロボット関節部や眼球の駆動装置として研究が行われている（例えば、非特許文献３または４）。

一方、電子計算機の発展に伴い、電気機器の設計においてシミュレーションを活用することで機器の諸特性を把握することが実用レベルで可能となってきている。本願発明者らも三次元有限要素法を用いて、複雑な磁気構造を有するアクチュエータ設計への適用をはかってきた（例えば、非特許文献５）。
田中，鳥居，海老原他：「多自由度球体アクチュエータの提案と設計」，第１１回MAGDAコンファレンス，PS2-3，pp.169-172，2002 長谷川祐也，平田勝弘，"２自由度電磁アクチュエータの研究"，IEEJ Trans. IA, Vol.125，No.8，pp.519-523，2005.05 M. Weck，T. Reinartz，G. Henneberger，"Design of a spherical motor with three degrees of freedom"，Proc. of annual meeting of the CIRP，vol. 49，pp289-294，2000 T.Yano et al.，"Basic Characteristics of the Small Spherical Stepping Motor"，Proc. of IEEE IROS，pp.1980-1985，2002 K. Hirata，T. Yamamoto，T. Yamaguchi，Y. Kawase and Y. Hasegawa，"Dynamic Analysis Method of Two-Dimensional Linear Oscillatory Actuator Employing Finite Element Method"，IEEE Transaction on Magnetics，VOL.43，No.4，pp.1441-1444，2007.04

しかしながら、上記従来の球面アクチュエータでは、可動子として球体の表面に多数の磁石（６０〜２６０個）を有し、さらに、固定子に設けた多数の磁極（２００〜４００個）のコイルを励磁することで、任意の方向に駆動可能な構成となっている。また、その基本的な駆動方法としては、同期型、ステッピング型モータの動作原理を利用したものである。そのため、複雑な構造・制御が必要とされ、サイズやトルク、可動子の支持などの問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータの構造及び制御が簡易となる多自由度電磁アクチュエータを実現することにある。

本発明に係る多自由度電磁アクチュエータは、上記課題を解決するために、互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を有するｘｙｚ空間において、可動子をｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な多自由度電磁アクチュエータであって、ｘｙ平面内の円周方向に沿って配置される４ｎ個（ｎは自然数）の分割された磁性体、および隣接する２つの磁性体の各間に等ピッチで挿入される４ｎ個の永久磁石を備えた可動子と、それぞれが６ｎ個の磁極をもつ同一の磁性体からなり、ｚ軸に沿って２つ配置されている固定子とを有し、上記各固定子は、円周形状である固定子外枠部の内周面側に、突起状の上記磁極を等ピッチで配置させ、各磁極の先端面を上記可動子の外周面と所定のギャップを有するように対向させているものであり、上記各磁極にはそれぞれコイルが巻かれており、各コイルに供給する電流は独立して制御することが可能であることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記アクチュエータはｚ軸に沿って配置されている２つの固定子を有しており、各固定子はそれぞれが６ｎ個の磁極をもつ同一の磁性体からなるため、ｚ軸に沿って配置される２つの磁極を１組とする場合、上記アクチュエータには６ｎ組の磁極が存在することになる。

そして、そのうちの所定の組み合わせの磁極において、各組の一方の磁極と他方の磁極とを異なる極性に励磁させる制御を行なえば、可動子における磁性との磁界作用によって、ｘ軸方向、もしくはｙ軸方向周りに可動子を回転させる力を作用させることができる。すなわち、可動子をｘ軸方向、もしくはｙ軸方向周りに回転させる制御を行うことができる。

また、そのうちの他の所定の組み合わせの磁極において、隣接する組の磁極を互いに異なる極性に励磁させる制御を行なえば、可動子における磁性との磁界作用によって、ｚ軸方向周りに可動子を回転させる力を作用させることができる。すなわち、可動子をｚ軸方向周りに回転させる制御を行うことができる。

このように、本発明のアクチュエータでは、可動子における磁石を４ｎ個（最低で４個）、固定子における磁極を１２ｎ個（最低で１２個）と、従来に比べ大幅に少ない数にすることができ、アクチュエータの構造及び制御を簡易なものとすることができる。

また、上記多自由度電磁アクチュエータは、本アクチュエータをｚ軸側から見た場合に、各固定子に備えられた磁極が交互に並ぶような配置とすることができる。

上記の構成によれば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸周りの回転を行わせた場合に、各軸にて可動部が回転した時の他軸へのトルク干渉が少なくなり、駆動制御が容易になる。

本発明に係る多自由度電磁アクチュエータは、以上のように、互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を有するｘｙｚ空間において、可動子をｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な多自由度電磁アクチュエータであって、ｘｙ平面内の円周方向に沿って配置される４ｎ個（ｎは自然数）の分割された磁性体、および隣接する２つの磁性体の各間に等ピッチで挿入される４ｎ個の永久磁石を備えた可動子と、それぞれが６ｎ個の磁極をもつ同一の磁性体からなり、ｚ軸に沿って２つ配置されている固定子とを有し、上記各固定子は、円周形状である固定子外枠部の内周面側に、突起状の上記磁極を等ピッチで配置させ、各磁極の先端面を上記可動子の外周面と所定のギャップを有するように対向させているものであり、上記各磁極にはそれぞれコイルが巻かれており、各コイルに供給する電流は独立して制御することが可能である。

それゆえ、本発明のアクチュエータでは、可動子における磁石を４ｎ個、固定子における磁極を１２ｎ個と、従来に比べ大幅に少ない数にすることができ、アクチュエータの構造及び制御を簡易なものとすることができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。

先ずは、本発明にかかる多自由度電磁アクチュエータ（以下、本アクチュエータ）の基本構造について図１を参照して説明する。図１では、互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を有するｘｙｚ空間において本アクチュエータを図示している。尚、本発明にかかる多自由度電磁アクチュエータは、可動子をｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な球面アクチュエータの一種として形成されている。

本アクチュエータは、図１に示すように、可動子１０と固定子２０とを備えて構成されている。可動子１０は、ｘｙ平面内の円周方向に沿って４つの分割された磁性体１１と、隣接する２つの磁性体１１の各間に等ピッチ（９０°間隔）で挿入された４つの永久磁石１２（例えば、Ｂｒ＝１．４Ｔ）とを有している。固定子２０は、それぞれが６つの磁極２２をもつ同一の磁性体からなり、ｚ軸に沿って２つ配置されている。従って、本アクチュエータでは、計１２個の磁極２２が存在している。すなわち、磁極２２は、円周形状である固定子外枠部の内周面側に、突起状の磁極として等ピッチ（６０°間隔）で配置されている。磁極２２の先端面は、可動子１０の外周面と対向している。可動子１０と固定子２０との対向面は球面にカットされ、所定のギャップ（例えば、０．５ｍｍ）を有するように支持されている。

これらの磁極２２にはそれぞれコイル３０が巻かれており、コイル３０に電流を供給することによって励磁する。各コイル３０に供給する電流は独立して制御することが可能であり、１２個の磁極２２のそれぞれにおける励磁量も独立に制御することが可能である。

続いて、本アクチュエータの動作原理を説明する。ここで、可動子１０に配置された永久磁石１２は、図２に示す矢印の向きに着磁されている。

まず、ｘ軸まわりの回転運動について動作原理を説明する。図３（ａ）は、図２で示したｘ軸に垂直な断面、すなわち断面Ａを表している。ここで、断面Ａ内には４つの磁極２２が存在している。また、これら４つの磁極２２に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｓ極の磁性を示している。

今、図３（ａ）で示した固定子磁極が現れるようコイルを励磁すると、可動子１０は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル電流を反転させると、可動子１０は図３（ａ）とは反対方向にトルクを得ることになる。ｘ軸まわりの回転におけるトルク量は、断面Ａ内に存在する磁極に巻かれたコイルへの電流量を調整することによって制御可能である。

次に、ｙ軸まわりの回転運動について、図３（ｂ）をもとに説明する。図３（ｂ）は断面Ａをｚ軸周りに６０°回転させた断面、すなわち断面Ｂまたは断面Ｃを示している。ここで、断面Ｂおよび断面Ｃにおいても、その断面内には４つの磁極２２が存在している。また、これら４つの磁極２２に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｎ極の磁性を示している。

今、図３（ｂ）で示した固定子磁極が現れるようコイルを励磁すると、可動子１０は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル電流を反転させると、可動子１０は図３（ｂ）とは反対方向にトルクを得ることになる。すなわち、断面Ｂ及び断面Ｃの両方において、同様の作用によって同じ大きさのトルクを作用させれば、可動子に働く合力はｙ軸まわりの回転トルクとなる。ｙ軸まわりの回転におけるトルク量は、断面ＢまたはＣ内に存在する磁極に巻かれたコイルへの電流量を調整することによって制御可能である。

最後に、ｚ軸まわりの回転について、図３（ｃ）をもとに動作原理を説明する。図３（ｃ）はｚ軸に垂直な断面図を示している。今、図３（ｃ）で示した固定子磁極が現れるようコイルを励磁すると、可動子１０は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。ｚ軸に沿って配置された２つの固定子それぞれ同じ磁極を発生させれば、ｚ軸以外の軸にはトルクは発生しないことになる。また、コイル電流を反転させると、可動子１０は反対方向にトルクを得ることになる。ｚ軸まわりの回転におけるトルク量は、磁極に巻かれたコイルへの電流量を調整することによって制御可能である。

次に、本アクチュエータのトルク特性を明らかにするため、三次元有限要素法を用いて磁界解析を行ったので、その解析結果について説明する。

図４に、空気領域およびコイルを除く、本アクチュエータの三次元要素分割図を示す。図４における節点数は約１６０００、要素数は約９５０００である。図５〜図７には、上記三次元有限要素法を用いて求められた、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸まわりのそれぞれの静トルク特性を示す。

ｘ軸まわりの回転には、４つのコイルに起磁力５０Ａずつ計２００Ａ、ｙ軸まわりの回転には８つのコイルに起磁力５０Ａずつ計４００Ａ、ｚ軸まわりの回転には８つのコイルに起磁力５０Ａずつ計４００Ａを印加する。磁束密度分布の一例として、可動子が原点の位置にある時の磁束密度コンター図を図８に示す。

図５〜図７より、それぞれの軸まわりの回転について、電流非印加時には原点においてディテントトルクはゼロ、かつスティフネスが負となり、原点にて安定であることが分かる。また、ｘ軸まわりのディテントトルクはほぼ線形性であるのに対し、ｙ軸まわりのディテントトルクはほぼゼロ、ｚ軸まわりでは、回転角度が２°以上では線形性を保たないことが分かった。また、電流印加時にはｘ、ｙ軸まわりの回転では、トルク曲線がコギング曲線に対しほぼ平行にシフトするが、ｚ軸まわりでは、可動子の回転角度が大きくなるにつれて、電流トルクも大きくなることが分かった。また、図８より、励磁された固定子磁極の先端部で最大磁束密度が２Ｔと磁気飽和に近いことが分かる。

０°〜５°での平均トルク定数として、ｘ軸まわりについて６．２８Ｅ−０５（Ｎ・ｍ／Ａ）、ｙ軸まわりについて５．３２Ｅ−０５（Ｎ・ｍ／Ａ）、ｚ軸まわりについて４．２６Ｅ−０５（Ｎ・ｍ／Ａ）を得た。本モデルではディテントトルクが大きいため、大きな回転角を得るには、更に起磁力を大きくすることが必要であることが分かる。

上記説明では、複数の回転軸を持つ多自由度電磁アクチュエータの基本構造を提案し、動作原理を示すとともに、三次元有限要素法を用いてそのトルク特性を明らかにした。その結果、それぞれの回転軸について、必要なトルクが得られることが示され、本アクチュエータの有用性を示すことができた。

尚、上記説明における有限要素法での解析条件および結果において、使用されているモデルは必ずしも最良の条件ではなく、可動子・固定子磁極の寸法などを最適に決定することで、さらなるトルクの改善・回転の広角化を達成することも期待できる。

本発明にかかる球面アクチュエータは、上記説明の構造例に限定されるものではなく、他に種々の変形例を有するものである。

例えば、図１に示す球面アクチュエータでは、可動子における磁性体及び永久磁石の分割数を４、固定子における磁極の数を１２（２つの固定子に対して６個ずつ）としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、原理的には、可動子における磁性体及び永久磁石の分割数を４ｎ個、固定子における磁極の数を１２ｎ個とする構成であっても、同様の動作原理によって本発明の多自由度電磁アクチュエータを実現することができる。

また、例えば、図１に示す球面アクチュエータでは、各固定子２０に備えられた６つの磁極２２は、本アクチュエータをｚ軸側から見た場合に、互いに重なるように配置されている（図９（ａ）参照）。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本アクチュエータをｚ軸側から見た場合に、各固定子２０に備えられた磁極２２が交互に並ぶような配置としてもよい（図９（ｂ）参照）。

上記図９（ｂ）の構成では、ｘ軸、ｙ軸のトルク特性が同じになるといった利点がある。すなわち、図１に示す構成では、ｘ軸回転では４つ（２組）のコイル励磁、ｙ軸回転では８つ（４組）のコイル励磁を行なっているが、図９（ｂ）の構成では、ｘ軸回転およびｙ軸回転のいずれにおいても６つのコイルに対してまったく同じ励磁を行って可動子１０の駆動を行なうことができる。具体的には、図９（ｂ）において、Ａの組の磁極のコイル励磁を行うことでｘ軸回転駆動を実現でき、Ｂの組の磁極のコイル励磁を行うことでｙ軸回転駆動を実現できる。

また、図１０〜図１２に、図９（ｂ）の構成の本アクチュエータにおいて、三次元有限要素法を用いて求められた、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸まわりのそれぞれの静トルク特性を示す。

図１０はｘ軸回転駆動を行なった場合を示すものであり、（ａ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｙ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｚ軸まわりの静トルク特性を示している。図１１はｙ軸回転駆動を行なった場合を示すものであり、（ａ）はｙ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｚ軸まわりの静トルク特性を示している。そして、図１２はｚ軸回転駆動を行なった場合を示すものであり、（ａ）はｚ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｙ軸まわりの静トルク特性を示している。

図１０〜図１２より、各軸において可動部が回転したときに、他軸へのトルク干渉が殆どなくなっていることが分かる。このように、他軸へのトルク干渉が少なくなれば、制御が容易になるといった利点がある。

構造及び制御が簡易な多自由度電磁アクチュエータによって球面全方位駆動が可能となり、ロボット関節部や眼球の駆動装置等の用途に適用できる。

本発明の実施形態を示すものであり、多自由度電磁アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。上記多自由度電磁アクチュエータにおける永久磁石の着磁方向を示す斜視図である。（ａ）は可動子をｘ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す断面図であり、（ｂ）は可動子をｙ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す断面図であり、（ｃ）は可動子をｚ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す平面図である。上記多自由度電磁アクチュエータの静トルク特性を三次元有限要素法を用いて求めるにあたっての、上記多自由度電磁アクチュエータの三次元要素分割図である。上記三次元有限要素法を用いて求められた、上記多自由度電磁アクチュエータのｘ軸まわりの静トルク特性を示すグラフである。上記三次元有限要素法を用いて求められた、上記多自由度電磁アクチュエータのｙ軸まわりの静トルク特性を示すグラフである。上記三次元有限要素法を用いて求められた、上記多自由度電磁アクチュエータのｚ軸まわりの静トルク特性を示すグラフである。上記多自由度電磁アクチュエータにおいて、可動子が原点の位置にある時の磁束密度コンター図である。（ａ）は図１に示すアクチュエータの磁極配置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）とは異なる磁極配置例を示す平面図である。図９（ｂ）の多自由度電磁アクチュエータにおいて、三次元有限要素法を用いて求められた、ｘ軸回転駆動を行なった場合の静トルク特性を示す図であり、（ａ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｙ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｚ軸まわりの静トルク特性を示す。図９（ｂ）の多自由度電磁アクチュエータにおいて、三次元有限要素法を用いて求められた、ｙ軸回転駆動を行なった場合の静トルク特性を示す図であり、（ａ）はｙ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｚ軸まわりの静トルク特性を示す。図９（ｂ）の多自由度電磁アクチュエータにおいて、三次元有限要素法を用いて求められた、ｚ軸回転駆動を行なった場合の静トルク特性を示す図であり、（ａ）はｚ軸まわりの静トルク特性、（ｂ）はｘ軸まわりの静トルク特性、（ｃ）はｙ軸まわりの静トルク特性を示す。

符号の説明

１０可動子
１１磁性体
１２永久磁石
２０固定子
２２磁極
３０コイル

Claims

互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を有するｘｙｚ空間において、可動子をｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な多自由度電磁アクチュエータであって、
ｘｙ平面内の円周方向に沿って配置される４ｎ個（ｎは自然数）の分割された磁性体、および隣接する２つの磁性体の各間に等ピッチで挿入される４ｎ個の永久磁石を備えた可動子と、
それぞれが６ｎ個の磁極をもつ同一の磁性体からなり、ｚ軸に沿って２つ配置されている固定子とを有し、
上記各固定子は、円周形状である固定子外枠部の内周面側に、突起状の上記磁極を等ピッチで配置させ、各磁極の先端面を上記可動子の外周面と所定のギャップを有するように対向させているものであり、
上記各磁極にはそれぞれコイルが巻かれており、各コイルに供給する電流は独立して制御することが可能であることを特徴とする多自由度電磁アクチュエータ。
本アクチュエータをｚ軸側から見た場合に、各固定子に備えられた磁極が交互に並ぶような配置とされていることを特徴とする請求項１に記載の多自由度電磁アクチュエータ。