JP5825029B2

JP5825029B2 - 球形ホイール・モータ及びシステム

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Publication number: JP5825029B2
Application number: JP2011223352A
Authority: JP
Inventors: 内山　賢治; 賢治内山; 開増田
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: JP2013085371A

Description

本発明は、人工衛星の姿勢制御等に供される球形ホイール・モータ及びシステムに関する。

従来より球形ホイール・モータは、人口衛星の姿勢制御、監視カメラ等の指向方向制御、ロボットの関節部などに用いられ得る多自由度回転駆動制御装置として期待されている。

かかる多自由度回転駆動制御装置としては、例えば特許文献１に記載された圧電モータがある。

この圧電モータは、球状の被駆動体と、略環状の基台と、この基台に設置され、Ｚ軸を中心として周方向に１２０度で等配された第１〜第３の圧電ユニットと、Ｚ軸上に被駆動体と所定の隙間を持って配設された環状磁石とを備えている。

環状磁石は、被駆動体を非接触状態で磁気吸引することにより、第１〜第３の圧電ユニットに対して接触予圧力を付与している。

第１〜第３の各圧電ユニットは、それぞれ第１〜第３の圧電素子を備えている。第１〜第３の圧電素子は、その中立軸線が互いに略直角に交差し、交点を有するように配設されている。水平な第１及び第２の圧電素子はそれらの振動方向が基台に略水平方向となるように設けられている。Ｚ軸方向の第３の圧電素子は、その振動方向が基台に略垂直方向となるように設けられている。被駆動体に接触する駆動部には、第１〜第３の圧電素子の各頂部が連結され、第１〜第３の圧電素子の合成振動が各駆動部の接触点での摩擦を介して被駆動体に駆動力を伝達する。

したがって、第１〜第３の各圧電ユニットにより、被駆動体を３自由度で回転駆動させることができる。

しかし、かかる従来の構造では、圧電素子が、水平方向と垂直方向とに配置されて駆動部に結合される構造であるため、第１〜第３の各圧電ユニットが、各３個の圧電素子を必要とし、部品点数が多く、電圧を印加するシステムも複雑になるという問題があった。

特開２００９−２４７２１１号公報

解決しようとする問題点は、３自由度の回転駆動をさせるために圧電素子が多く、構造が複雑であった点である。

本発明は、一組の圧電ユニットに要する圧電素子の数を減らし、構造を簡単にすることを可能にするために、基端部がベース側に支持され相互に周回方向へ一定間隔で離間設置され先端側の接触駆動部で被動球体を安定に接触保持して３自由度方向に回転駆動可能とする複数の圧電ユニットと、前記被動球体に前記複数の圧電ユニットの各接触駆動部に対する接触力による摩擦力を付与する保持部と、を備えた球形ホイール・モータであって、前記各圧電ユニットは、前記被動球体に対し前記基端部から接触駆動部へ向い傾斜設定されて前記基端部と接触駆動部との各間に各一対の圧電素子を備え、前記各一対の圧電素子は、前記各圧電ユニットが設置された周回方向に並んで配置され、前記各一対の圧電素子に、駆動波形の位相をずらして電圧を印加することで前記各圧電ユニットの各接触駆動部における楕円運動が軸まわりの角速度ベクトルを生成し前記被動球体を回転させることを特徴とする。

本発明は、上記構成であるから、駆動波形の位相をずらした電圧の印加により被動球体を３自由度方向に回転駆動させることにより、一組の圧電ユニットに要する圧電素子の数を減らし、構造を簡単にすることができる。

球形ホイール・モータのシステム概略図である。（実施例１）球形ホイール・モータの側面図である。（実施例１）球形ホイール・モータの平面図である。（実施例１）球形ホイール・モータの斜視図である。（実施例１）各ステータの位相差ごとの楕円運動を示すグラフである。（実施例１）球形ホイールに働く角速度ベクトルの説明図である。（実施例１）

一組の圧電ユニットに要する圧電素子の数を減らし、構造を簡単にすることを可能にするという目的を、並列配置された一対の圧電素子に対し、駆動波形の位相をずらした電圧を印加することにより実現した。

［球形ホイール・モータのシステム］
図１は、球形ホイール・モータのシステム図である。

図１のように、球形ホイール・モータのシステム１は、球形ホイール・モータ３と制御部５とからなっている。

球形ホイール・モータ３は、金属製などのベース７上に圧電ユニット組９により、被動球体として磁性体ボール状の球形ホイール１１を支えている。

制御部５は、ベース7上のセンサ１３による球形ホイール１１の回転角度の検出値に基づき球形ホイール１１の回転角速度を制御するために圧電ユニット組９への印加電圧を制御する。このため、制御部５は、センサ１３からの信号を受ける角度・角速度検出器１５、制御マイコン１７、６相スイッチング回路１９、増幅器２１、２３、２５，２７、２９、３１を備えている。各増幅器２１、２３、２５，２７、２９、３１は、圧電ユニット組９側に接続され、圧電ユニット組９側に制御した電圧を印加できるようになっている。

すなわち、制御部５が、センサ１３による球形ホイール１１の回転角度の検出値に基づき球形ホイール１１の回転角速度を制御するために印加電圧を制御するようになっている。
［球形ホイール・モータ］
図２は、球形ホイール・モータの側面図、図３は、球形ホイール・モータの平面図、図４は、球形ホイール・モータの斜視図である。

図２〜図４のように、球形ホイール・モータ３は、圧電ユニット組９が、３組の圧電ユニット３３、３５、３７を備える他、保持部として３個の永久磁石３４、３６、３８（図３）を備えている。

３組の圧電ユニット３３、３５、３７は、ベース７の平面から見て周回方向へ１２０°間隔で備えられ、基端部３９、４１、４３がベース７側に支持されている。これらの圧電ユニット３３、３５、３７は、ベース７の平面から見て相互に周回方向へ一定間隔、例えば１２０°間隔で離間設置され、先端側の接触駆動部としてのステータ４５、４７、４９により球形ホイール１１を安定に接触保持して３自由度方向に回転駆動可能とする。

３組の圧電ユニット３３、３５、３７は、同一構造に形成されている。各圧電ユニット３３、３５、３７は、基端部３９、４１、４３とステータ４５、４７、４９との各間にそれぞれ相互に並列配置された各一対の圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂ備えている。各圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂは、円形板状の圧電素子片を積層して柱状に一体的に構成したものであり、柱状の各端部が基端部３９、４１、４３とステータ４５、４７、４９とに固定されている。

基端部３９、４１、４３は、非磁性体、例えばアルミニウムで形成され、各圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂの一端部を結合する各一対の台座部３９ａ、４１ａ、４３ａと、この台座部３９ａ、４１ａ、４３ａを支え矩形台部３９ｂ、４１ｂ、４３ｂとからなっている。

ステータ４５、４７、４９は、非磁性体、例えばアルミニウムで台形状に形成され、先端がフラットな駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａとなっている。静止状態では、駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａの各中央点に球形ホイール１１が点接触し、3点支持となっている。駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａが面何で楕円運動すると球形ホイール１１が相対回転する。

ベース７には、各圧電ユニット３３、３５、３７毎に一対の三角板形状のブラケット５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５５ａ、５５ｂが立設され、各ブラケット５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５５ａ、５５ｂの斜面５１ａａ、５１ｂａ、５３ａａ、５３ｂａ、５５ａａ、５５ｂａに矩形台部３９ｂ、４１ｂ、４３ｂの締結部３９ｂａ、４１ｂａ、４３ｂａをビス５７により締結固定している。

斜面５１ａａ、５１ｂａ、５３ａａ、５３ｂａ、５５ａａ、５５ｂａは、ベース７の平面に対して例えば４５°の角度を成し、この角度により、各圧電ユニット３３、３５、３７が、球形ホイール１１に対し基端部３９、４１、４３からステータ４５、４７、４９へ向かって傾斜設定される。

したがって、圧電ユニット３３、３５、３７は、前記傾斜によりステータ４５、４７、４９の中央を通る中立線が球形ホイール１１の中心で交差し、中立線は、球形ホイール１１の３軸と共通する。

永久磁石３４、３６、３８は、矩形体形状に形成され、各圧電ユニット３３、３５、３７の中立線上で各ステータ４５、４７、４９内に埋め込むように取り付けられている。すなわち、各ステータ４５、４７、４９の底面側に矩形の挿入穴が形成され、この挿入穴に各永久磁石３４、３６、３８が挿入により各別に着脱自在に取り付けられている。

永久磁石３４、３６、３８は、各ステータ４５、４７、４９に対する接触力を球形ホイール１１に付与するものであり、各ステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａに球形ホイール１１を引き付けている。引き付けの強さは、印加電圧との関係で予め決定されている。

なお、保持部としての永久磁石３４、３６、３８は、電磁石に代えることもでき、印加電圧及び角度情報の両方を用いて引付力を設定するように構成することができる。また、使用環境や使用状況及び要求精度等により、印加電圧及び角度情報の一方のみを用いて引付力を設定することもできる。保持部は、ばね部材で球形ホイール１１に力を与え、圧電ユニット３３、３５、３７に押し付ける構成することも可能である。

圧電ユニット３３、３５、３７のそれぞれの各圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂには、図１の増幅器２１、２３、２５、２７、２９、３１が給電可能に接続されている。
［球形ホイールの回転］
制御マイコン１７により制御される６相スイッチング回路１９から増幅器２１、２３、２５、２７、２９、３１を介して各圧電ユニット３３、３５、３７毎に電圧が印加される。この場合、各圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂの各一対間で位相をずらした駆動波形の電圧が印加される。

この位相をずらした電圧印加により、各ステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａが面内方向で楕円運動する。

この楕円運動は、図５に示すようなものである。図５の縦軸はＺ軸方向、横軸はＸ軸方向である。図５のように、位相のずれ１０°（６１）、５０°（６３）、９０°（６５）、１３０°（６７）、１７０°（６９）に応じて楕円運動が変化し、位相ずれの増大に応じて長い楕円となる。

このような楕円運動を各ステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａに与え、その合成により、駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａと球形ホイール１１との間の摩擦力を介して球形ホイール１１を３自由度で回転運動させることができる。

このとき、センサ１３により球形ホイール１１の回転角度を検出して角度・角速度検出器１５へ入力し、制御マイコン１７が球形ホイール１１の回転角度、角速度を読み込むことで印加電圧を制御し、球形ホイール１１を任意の方向へ、任意の角速度で回転させることができる。
［任意の角速度ベクトルωの生成］
図６は、球形ホイール１１に働く角速度ベクトルの説明図である。

図６のように，球形ホイール１１の原点にO-xyzの直交座標系を定義する。球形ホイール１１の角速度ベクトルをωとすると、この角速度ベクトルωは直交座標系の各軸方向成分に分解できる。

式で書くと次のようになる。

ω＝ω_xｉ＋ω_yｊ＋ω_ｚｋ
i、 j、 k は、各軸の基底ベクトルである。逆に、各軸方向に別々の回転ベクトルが生じるような力を球形ホイール１１に加えれば、そのベクトルの和が球形ホイール１１の角速度ベクトルωとなり、その方向・速さで球形ホイール１１は回転することになる。

本願発明実施例の球形ホイール・モータ３では，「圧電素子２個一組の駆動部における楕円運動が軸まわりの角速度ベクトルを生成し、この駆動部を３組使うことで任意の方向・速さに球体を回転させる。」、という方式を取っている。

したがって、例えばｘ軸周りに球形ホイール１１を回転させるためには、圧電素子は２個で十分となる。
［実施例の効果］
本願発明の実施例は、基端部３９、４１、４３がベース７側に支持され相互に周回方向へ一定間隔で離間設置され先端側のステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａで球形ホイール１１を安定に接触保持して３自由度方向に回転駆動可能とする３組の圧電ユニット３３、３５、３７と、球形ホイール１１に各ステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａに対する接触力を付与する永久磁石３４、３６、３８とを備えた球形ホイール・モータ３である。

そして、各圧電ユニット３３、３５、３７は、球形ホイール１１に対し基端部３９、４１、４３からステータ４５、４７、４９へ向い傾斜設定されて基端部３９、４１、４３とステータ４５、４７、４９との各間にそれぞれ相互に並列配置された各一対の圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂを備えている。

各一対の圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂには、駆動波形の位相をずらして電圧を印加する。

このため、各ステータ４５、４７、４９の駆動面４５ａ、４７ａ、４９ａに図５のような楕円運動を与えることができ、その合成により球形ホイール１１を３自由度で回転させることができる。

しかも、センサ１３による球形ホイール１１の回転角度の検出値に基づき印加電圧を制御することで球形ホイール１１の回転角速度を任意に制御することができる。

したがって、人口衛星の姿勢制御、監視カメラ等の指向方向制御、ロボットの関節部などに用いられ得る多自由度回転駆動制御装置として、大きく期待することができながら、圧電素子３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂが少なく、球形ホイール・モータのシステム及び球形ホイール・モータの構造が簡単となり、小型、軽量で安価にすることも可能となる。

１球形ホイール・モータのシステム
３球形ホイール・モータ
５制御部
７ベース
１１球形ホイール（被動球体）
１３センサ
３３、３５、３７圧電ユニット
３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂ圧電素子
３４、３６、３８永久磁石（保持部）
４５、４７、４９ステータ（接触駆動部）

Claims

基端部がベース側に支持され相互に周回方向へ一定間隔で離間設置され先端側の接触駆動部で被動球体を安定に接触保持して３自由度方向に回転駆動可能とする複数の圧電ユニットと、
前記被動球体に前記複数の圧電ユニットの各接触駆動部に対する接触力による摩擦力を付与する保持部と、
を備えた球形ホイール・モータであって、
前記各圧電ユニットは、前記被動球体に対し前記基端部から接触駆動部へ向い傾斜設定されて前記基端部と接触駆動部との各間に各一対の圧電素子を備え、
前記各一対の圧電素子は、前記各圧電ユニットが設置された周回方向に並んで配置され、
前記各一対の圧電素子に、駆動波形の位相をずらして電圧を印加することで前記各圧電ユニットの各接触駆動部における楕円運動が軸まわりの角速度ベクトルを生成し前記被動球体を回転させる、
ことを特徴とする球形ホイール・モータ。
請求項１記載の球形ホイール・モータであって、
前記圧電ユニットは、前記周回方向へ１２０°間隔で３組備えられた、
ことを特徴とする球形ホイール・モータ。
請求項１又は２記載の球形ホイール・モータであって、
前記圧電ユニットは、前記傾斜により前記接触駆動部の中央を通る中立線が被動球体の中心で交差する、
ことを特徴とする球形ホイール・モータ。
請求項３記載の球形ホイール・モータであって、
前記保持部は、前記中立線上で前記接触駆動部に取り付けられた永久磁石である、
ことを特徴とする球形ホイール・モータ。
請求項１〜４の何れか１項記載の球形ホイール・モータを用いた球形ホイール・モータのシステムであって、
センサによる前記被動球体の回転角度の検出値に基づき前記被動球体の回転角速度を制御するために前記印加電圧を制御する制御部、
を備えたことを特徴とする球形ホイール・モータのシステム。