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A-42
磁歪素子を用いた3軸球面モータの
駆動原理と特性評価
電気電子システム工学科
知能電気機器研究室
坂本龍介
背景
球面モータとは･･･
1個のモータで多自由度の回転
従来のモータに比べ小型化，高性能化，
高効率化
図1 圧電型球面モータ
小型化すると，
医療，工業用の内視鏡に搭載される超小型CCDカメラ
マイクロロボットの関節など
しかし，従来の電磁型，圧電型球面モータでは小型化が難しい
目的
これまでの研究で2軸球面モータを作製
鉄ガリウム合金を用いた3軸球面モータを開発
鉄ガリウム合金とは･･･
 鉄系の磁歪材料→磁歪200～300ppm
 延性材料→機械加工可能
 高透磁率→小さい起磁力で動作可能
小型化に有効
本研究では駆動原理の検証およびその特性評価を行った
球面モータの構成
図2 球面モータの構成図
図3 球面モータの断面図
X，Y軸回転のためのロッドの変形
z
微小回転
x
磁石の起磁力
による磁束
伸び
磁束増加
図4 ロッドの変位（X,Y軸回転）
縮み
磁束減少
y
Z軸回転のためのロッドの変形
微小回転
z
x
磁石の起磁力
による磁束
曲げ
磁束増加
図5 ロッドの変位（Z軸回転）
磁束減少
y
1方向への回転原理
ノコギリ波電流で励磁（X，Y，Z軸回転に共通）
Current (a) slow
(b) rapid
θ
0
Time
Displacement,Angle
A1
A2
θ
A1
0
A2
Time
(a) slow deformation
(b) rapid deformation
図6 ノコギリ波電流を流した時のロッドと変位の関係
(a)緩やかな立ち上がり：ロータが微小回転
(b)急な立下り： ロータの微小回転を保持したまま元へ戻る
→繰り返すことで1方向へ回転が可能
作製した球面モータの写真と寸法図
1mm
図7 作製した球面モータ
図8 球面モータの寸法図
ロッドの変位およびロータの回転速度を測定
ロッドの変位（X，Y軸回転）
図9 X軸回転の変位の時間応答（周波数1kHz）
図10Y軸回転の変位の時間応答（周波数1kHz）
励磁したロッド
→ノコギリ波電流に追従，平均1.2mm変位
ロッドの変位（Z軸回転）
図11 Z軸回転の変位の時間応答（周波数1kHz）
励磁したロッド
→ノコギリ波電流に追従，平均7.3mm変位
X,Y,Z軸回転でロッドがノコギリ波で変位
ロータの回転速度（X，Y軸回転）
図12 X，Y軸回転での回転速度と周波数の関係
回転速度：約6kHz（X軸回転）,約7kHz（Y軸回転）まで比例で増加
モータの駆動（X，Y軸回転）
図13 X軸回転（周波数6kHz）
図14 Y軸回転（周波数7kHz）
ロータの回転速度（Z軸回転）
図15 Z軸回転での回転速度と周波数の関係
回転速度：約4kHzまで比例で増加
モータの駆動（Z軸回転）
図16 Z軸回転（周波数4kHz）
3軸でロータが回転
まとめ，今後の課題
まとめ
3軸球面モータを作製
ロッドの変位を測定
→X，Y，Z軸回転においてロッドのノコギリ波の変位を確認
ロータの回転速度を測定
→X軸回転で 約6kHz，Y軸回転で約7kHz，
Z軸回転で約4kHzで回転速度が最大
今後の課題
回転を1軸で安定させる締め付けの機構，駆動電流の検討
トルクや駆動電圧などを測定
小型化するための駆動回路の設計および作製
医療・産業分野での応用を目指す
ご静聴ありがとうございました
ロッドの変位の測定方法
ノコギリ波(±0.2V)
（b） （a）
（c）
図10 測定装置
(a) X，Y軸回転のロッドの変位の測定
(b) Z軸回転のロッドの変位の測定
(c) ロータの回転速度の測定
ロッドの磁歪特性
図 X軸回転のための励磁をしたときの変位
図 Y軸回転のための励磁をしたときの変位
ロッドの磁歪特性
図
すべてのコイルにZ軸回転のための励磁をしたときの変位
モータの改善点
改善点
(a)締め付けリングの取り付け
(b)
(a)
→保持力を大きく
→トルクの増加
(b)スペーサの挿入
→磁石の吸引力によるロータ
回転時の摩擦を低減
図10 球面モータの改善
図11 締め付けリングとスペーサ
目次
背景，目的
モータの構成，駆動原理
測定結果
●ロッドの変位測定結果
●ロータの回転速度測定結果
まとめ，今後の課題
１方向への回転原理
ノコギリ波電流で励磁（X，Y，Z軸回転に共通）
Current (a) slow
(b) rapid
0
Time
Displacement,Angle
A1
B2
A2
θ
A1，A2，B1，B2
0
Time
(a) slow deformation
(b) rapid deformation
図6 ノコギリ波電流を流した時のロッドと変位の関係
(a)緩やかな立ち上がり：ロータが微小回転
(b)急な立下り： ロータの微小回転を保持したまま元へ戻る
→繰り返すことで1方向へ回転が可能