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A-7 磁歪素子を用いた マイクロ球面モータの 駆動特性の評価 知能電気機器研究室 電気電子システム工学科 澤村 一樹 発表内容 １．球面モータ ・球面モータとは ・従来技術 ２．研究目的 ３．励磁電流による磁歪の伸縮 ４．測定装置 ５．変位特性の測定 ６．まとめと今後の課題 １．球面モータ ●球面モータとは １個のモータで多自由度の回転 コンパクトで制御性が良い ●用途 図1 球面モータ ロボットの目や関節の回転駆動として期待 ●小型化できると・・・ 医療・工業用の内視鏡や災害現場での救助に 用いる超小型CCDカメラ駆動用アクチュエータ として使える。 従来の技術 10mm 20mm 図2 圧電式超音波球面モータ 図3 電磁型球面モータ 複雑な動きをするマニピュレータなどへの研究がされている ○共振駆動 ○高電圧駆動 ○脆い 欠点 ○部品点数の多さ ○保持機構が必要 小型化が難しく、実用化されていない ２．研究目的 鉄ガリウム合金を用いて従来にない ○シンプル ○小型 ○保持機構が不要 ○低電圧駆動 球面モータを開発しその医療応用を目指す 鉄ガリウム合金 ○延性材料 ○高い透磁率 ○機械加工性が良い 本研究では従来にない3mm径の球面 モータを作製し、その駆動特性を評価した 球面モータの構成 B2 A1 B1 A2 図4 球面モータの構成図 図5 球面モータの断面図 作製したモータの写真 1mm 1mm 図6 作製した球面モータ バイアス磁気回路 磁石の起磁力により 磁束が通る 磁歪が発生 A1 N S A2 図7 磁力線図 磁歪によりロータは鉄ガリウム合金に吸着保持 保持機構が必要ない ３．励磁電流による磁歪の伸縮 磁束の向きが同じ ⇒磁束が増加 伸び A1 N S A2 微小回転 図8 ロッドA1,A2励磁時の磁力線図 縮み 磁束の向きが逆 ⇒磁束が減少 ロッドの磁歪特性 伸び A1,A2 磁石 図9 電流-変位特性 （磁石なし） 縮み 図10 電流-変位特性 （磁石あり） 1方向への回転原理 ノコギリ波電流の１周期で微小回転する ② ① 図11 コイルに流す電流とロータの駆動角度 滑りが生じる ４．測定装置 図12 測定装置 ①周波数10Hz,±0.4Aの正弦波電流時の変位 ②周波数1kHz,±0.1Aのノコギリ波電流時の変位 磁歪ロッド先端部形状 面接触 点接触 図13 球座加工 ギャップの大きさに違い 図14 段差加工 磁気抵抗の点から同じ電流値で球座加工の方が大きな磁束が通る 球座加工の方が少ない起磁力で磁束が通る ５．変位特性 (球座加工) 図15 ロッドA1,A2の変位特性 図16 ロッドB1,B2の変位特性 ±0.15~0.2Aほどで飽和値 変位特性 (段差加工) 図17 ロッドA1,A2の変位特性 図18 ロッドB1,B2の変位特性 ±0.3Aほどで飽和値 ノコギリ波電流を流した時の 時間応答(段差加工) 図19 ロッドA1,A2の時間応答 図20 ロッドB1,B2の時間応答 駆動条件 周波数5kHz,流す電流±0.2A以上で駆動確認 A方向への駆動 B方向への駆動 ６．まとめと今後の課題 まとめ ○3mm径の球面モータを作製 ○球座加工・段差加工したモータの変位特性の測定 ⇒どちらも変磁したバタフライ曲線が得られた ○ノコギリ波電流を流し駆動させた ⇒周波数・電流を変化させることで駆動できた 今後の課題 ○残り3個の駆動する条件を調べる ○移動体速度・トルクの測定 ご静聴ありがとうございました 球座加工と段差加工での比較 ●変位特性 ・両方において対抗するロッドでの伸縮が生じた ・立ち上がり、立下りでの傾きは段差加工の方が緩やか ●ノコギリ波電流印加時の変位 両方のモータでノコギリ波電流の緩やかな立ち上がりと 急な立下りに合わせてロッドの伸縮が発生していた 変位だけを考えると２方向に駆動が可能 しかし・・・ 実際に駆動させてみると理想的に２方向に動かなかった 磁石なしでの変位特性 段差加工 球座加工 球座ヨークあり(段差加工) 球座ヨークあり(球座加工) 損失 球面モータの作製手順 作製補助用の冶具 冶具となる磁性体 4個の溝に 接着剤を塗る 補助冶具を外して 溝の周りに強力な 接着剤を塗る 鉄ガリウム合金にコイルを 取り付ける 鉄ガリウム合金を接着し 補助冶具に押さえつける ように固定する 中心部にヨーク・磁石を取り付け ロータを取り付ける 鉄ガリウム合金の加工方法 ⇒切削作業 金属材料を各種旋盤を用いて切削し、所定の形状・寸法に加工すること。 先端の加工方法 ⇒光電加工 超音波球面モータ 圧電素子に交流電圧を印加 ステータの表面に進行波が発生 接触面で楕円運動の軌跡 ロータは進行波と逆に動く 磁気回路 N:コイルの巻き数 R1~R4:鉄ガリウム合金の抵抗 R5:ロータとヨーク間の磁気抵抗 R6:ネオジム磁石の抵抗 Hc:ネオジム磁石の保磁力 l:ネオジム磁石の長さ f1~f4:鉄ガリウム合金の磁束 理想的な等価磁気回路