特許 5963160 球面モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963160

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】球面モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 99/00 20140101AFI20160721BHJP

   H02K 29/10 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   H02K99/00

   H02K29/10

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-8135(P2012-8135)

(22)【出願日】2012年1月18日

(65)【公開番号】特開2013-150426(P2013-150426A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2015年1月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100096884

【弁理士】

【氏名又は名称】末成 幹生

(72)【発明者】

【氏名】金原 修平

(72)【発明者】

【氏名】古崎 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】芦田 極

(72)【発明者】

【氏名】笠島 永吉

【審査官】 宮崎 基樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０６４４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５９７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９３８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０４４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０１５９６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ２９／００−２９／１４

Ｈ０２Ｋ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

任意の方向に回転可能な球面モータのロータの動作を出力数が３以上の光学式位置センサで検知する機構を備え、
前記機構は、前記ロータの回転の状態を算出するロータ回転状態算出部を有し、
前記光学式位置センサは、前記ロータ表面における３方向の速度成分を検出し、
前記ロータ回転状態算出部は、前記ロータ表面における前記３方向の速度成分に基づき、３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）の算出を行うことを特徴とする球面モータ。

【請求項2】

前記光学式位置センサは、既知の挟角をなす角度の少なくとも２カ所の位置に配置され、
前記２カ所の位置に配置された前記光学式位置センサの位置は、回転中心を原点とするベクトルｒ_１およびｒ_２で示され、
前記ベクトルｒ_１とｒ_２の位置における特定の方向の速度成分および前記ベクトルｒ_１とｒ_２の成分に基づき前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）が算出されることを特徴とする請求項１に記載の球面モータ。

【請求項3】

前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）を積分することで前記ロータの回転量が算出され、
前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）に前記ロータの半径を乗ずることで、前記ロータ表面の回転速度が算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の球面モータ。

【請求項4】

前記ロータは、球面を外殻部材で覆われ、
前記ロータの前記外殻部材に発光素子からの光の透過、あるいは吸収を防ぎ、受光素子が移動量を検出するために必要十分な光を反射し、移動により反射光量が変化する塗装または印刷が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の球面モータ。

【請求項5】

前記光学式位置センサから検出した信号を演算処理し前記ロータの回転状態を算出する演算機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の球面モータ。

【請求項6】

前記光学式位置センサから前記ロータまでの距離が1.0〜3.0mmであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の球面モータ。

【請求項7】

前記ロータの直径が４０mm以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の球面モータ。

【請求項8】

前記光学式位置センサと前記ロータの外周面との間の距離を調整可能な距離調整手段を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の球面モータ。

【請求項9】

前記光学式位置センサが取り付けられた基板と、
前記基板を保持する軸と、
前記軸を当該軸方向への移動が可能な状態で保持する軸保持部材と
を備え、
前記軸保持部材が当該球面モータのステータに固定され、
前記軸を移動させることで前記光学式位置センサと前記ロータの外周面との間の距離の調整が行われることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の球面モータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多自由度の回転が可能な球面モータのセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

３自由度以上の自由度を持つ多自由度アクチュエータが提案されている。例えば、特許文献１のように内部が中空の殻構造を有する球体状の外側部材の内部に球体状の内側部材を回転可能に保持し、一方の部材をステータとし、他方の部材をロータとして、ロータを３自由度、あるいはそれ以上の自由度で回転させる球面モータが知られている。この球面モータにおいて、ロータの回転を検知するための手段として、例えば特許文献２のようにジンバル機構の保持軸にエンコーダを設置し、各軸周りの回転を検知する方法や、特許文献３のようにステータ側にホール素子/ICを配置してロータに搭載された磁石の磁界を検知することによりロータの回転情報を得るといった手段がある。

【0003】

また、非特許文献１には、レーザマウス用のセンサを複数用いて球体の角速度・回転角を計測する手法が記載されている。この文献には、「マウスのセンサで球体の運動を測定する手法は複数が提案されているが、我々の方法はセンサの配置の自由度が高く，演算が単純で、かつ複数のセンサを用いた信頼性の向上が特徴である。また、式の変形により平面運動の計測も可能である。ただし、速度計測手法であるため、角度および位置を得るには数値積分が必要で、僅かな計測誤差が後に大きな誤差となる弱点があった．多数のセンサと複雑なパターンを付加した球で角度を直接計測する手法もあるが、少数のセンサで実現できれば有用性がより高い。そこで、上述の手法にパーティクルフィルタを併用することで絶対計測も可能とする手法を検討した。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−７７４６３号公報

【特許文献2】特開２００９−１００６３６号公報

【特許文献3】特開２００９−２９６８６４号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会５月26-28,2011

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献２のようにエンコーダを設置する場合にはジンバル機構の保持軸を設置する必要があり、ロータの回転には回転軸基準のため回転範囲の制約が生じてしまう。また、特許文献３のようにホール素子を球面モータのステータに設置してロータの回転情報を取得する場合、１軸まわりにロータを回転させた場合でもホール素子/ICが検出する磁界(磁気)変化を検出した波形は正弦波形状とは限らないため、ホール素子からの情報でロータの磁極間を補間する正確な移動量を算出することが困難である。このため、補間処理を行わずホール素子/ICにてN極とS極が切り替わる波形上のゼロクロスポイントのみを検出点とし、回転情報として利用する場合、当該実施例の球面モータのロータは1軸まわりでロータを回転させた場合、機械角360°中にマグネットN極S極の極対数は２であり（組み合わせが2組であり）、検出の分解能は90°となる。ロータ1周あたりの検出分解能を高めるためにホール素子/ICを増設することもありえるが、この場合、素子数増加によるコスト増加やセンサの体積/数量増により他主幹部材(ステータ磁極・軸受など)への配置制約が拡大する虞がある。また、各素子への配線数は（例えば一素子あたりVcc,GND,V+,V-の４本とすれば、素子数nのとき４×ｎ）と飛躍的に増大し複雑になる虞がある。また、ホール素子を用いる方法は、各センサの前を磁石が横切ることがトリガーであり、磁石の前を横切ったことだけが出力情報となるため単一センサではロータの回転方向が検知できず、このため複数のセンサから得られる情報を集約し演算処理を行うことが必須である。また極の切替（N極からS極、S極からN極）で検知を行うため、極の切替付近を通過しない限り、センサ出力が得られない（たとえばロータが９０度回転しても、その間に磁極の切替りがなければその間検出信号は出ない）という課題も有している。更に、球面モータ内部の磁界の構成がきわめて複雑であり、ロータの位置/速度/角度の検出精度を高めるためにはセンサの素子数を増やす以外にないが、それは上記理由により困難である。

【0007】

本発明は、ジンバル機構等の保持軸へのセンサの固定を必要とせず、その為ロータの回転を制限することなく、また磁気の影響を受けることなく、高い分解能でロータの回転方向／回転速度／回転量等を算出することが可能なセンサを搭載した球面モータを得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の発明は、任意の方向に回転可能な球面モータのロータの動作を出力数が３以上の光学式位置センサで検知する機構を備え、前記機構は、前記ロータの回転の状態を算出するロータ回転状態算出部を有し、前記光学式位置センサは、前記ロータ表面における３方向の速度成分を検出し、前記ロータ回転状態算出部は、前記ロータ表面における前記３方向の速度成分に基づき、３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）の算出を行うことを特徴とする球面モータである。請求項１に記載の発明によれば、ロータの回転方向／回転速度／回転量等を検出する精度を高くできる。

【0009】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光学式位置センサは、既知の挟角をなす角度の少なくとも２カ所の位置に配置され、前記２カ所の位置に配置された前記光学式位置センサの位置は、回転中心を原点とするベクトルｒ_１およびｒ_２で示され、前記ベクトルｒ_１とｒ_２の位置における特定の方向の速度成分および前記ベクトルｒ_１とｒ_２の成分に基づき前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）が算出されることを特徴とする。

【0012】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）を積分することで前記ロータの回転量が算出され、前記３次元角速度ベクトルω＝（ω_１，ω_２，ω_３）に前記ロータの半径を乗ずることで、前記ロータ表面の回転速度が算出されることを特徴とする。

【0013】

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記ロータは、球面を外殻部材で覆われ、前記ロータの前記外殻部材に発光素子からの光の透過、あるいは吸収を防ぎ、受光素子が移動量を検出するために必要十分な光を反射し、移動により反射光量が変化する塗装または印刷が施されていることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、ロータの回転に対する高品質な情報が得られ、高精度の検出精度の実現が可能となる。

【0014】

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記光学式位置センサから検出した信号を演算処理し前記ロータの回転状態を算出する演算機構を有することを特徴とする。

【0015】

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記光学式位置センサから前記ロータまでの距離が1.0〜3.0mmであることを特徴とする。

【0016】

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発明において、前記ロータの直径が４０mm以下であることを特徴とする。

【0017】

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発明において、前記光学式位置センサと前記ロータの外周面との間の距離を調整可能な距離調整手段を備えることを特徴とする。光学式位置センサの性能やロータの回転速度によって、最適な光学式位置センサとロータとの間の距離は異なる。したがって、光学式位置センサとロータとの間の距離を調整できるようにすることで、当該球面モータに適した回転検出機能に設定することができる。

【0018】

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発明において、前記光学式位置センサが取り付けられた基板と、前記基板を保持する軸と、前記軸を当該軸方向への移動が可能な状態で保持する軸保持部材とを備え、前記軸保持部材が当該球面モータのステータに固定され、前記軸を移動させることで前記光学式位置センサと前記ロータの外周面との間の距離の調整が行われることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、センサ出力を得るためにジンバル機構等の保持軸を使用する必要がない為にロータの回転（可動範囲）が制限されずに複数の出力軸（多自由度）を実現することができ、また磁気の影響を受けることなく、ロータの極数によらず高い分解能でロータの回転方向／回転速度／回転量等を算出することが可能である。また、３またはそれ以上の出力を持つ光学式位置センサを使用することにより、高い分解能でロータの回転方向／回転速度／回転量等を算出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施形態の球面モータの分解斜視図である。

【図2】図１の一部を透視図とした分解斜視図である。

【図3】光学式位置センサの構造を示す斜視図である。

【図4】ステータの斜視図である。

【図5】ロータ表面と光学センサの位置関係を示す側面図である。

【図6】実施形態における制御系のブロック図である。

【図7】演算の原理の説明に用いる原理図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明を利用した一例を図面に基づいて説明する。図１および図２には、球面モータ１００が示されている。球面モータ１００は、ステータ１１０を備えている。ステータ１１０は、概球殻構造を有し、半球部１１１と１１２により構成され、その内周面にはステータ磁極１１３を複数支持し備えている。

【0022】

磁極１１３は、図では一部しか見えていない突極を備えている。この突極は、回転中心の方向に延在した図では見えていない延在部を有し、この延在部に界磁コイル１１５が巻回された樹脂性のボビン１１４が装着されている。突極の先端（磁極１１３の先端）は、後述する内側のロータ１２０の外周面に対向する突極面１１６を有している。

【0023】

球殻構造を有するステータ１１０の内側には、ロータ１２０が納められている。ロータ１２０は、球体構造を有している。ロータ１２０は、外側をカバー部１２１で覆われている。カバー部１２１は、直径４０ｍｍ以下の非磁性材料により構成され、滑らかな外周面を有した概球殻構造を有している。カバー部１２１の内側には、外周面にロータマグネット１２５を複数備えた内球部１２４が収められている。つまり、ロータマグネット１２５は、ロータ１２０の外周面に露出せず、カバー部１２１の内側に配置されている。ロータマグネット１２５は、円盤状に着磁された永久磁石であり、ロータ１２０側の磁極を構成する。

【0024】

ロータ１２０は、ステータに配した図示しない球面軸受構造により、ステータ１１０に対して３自由度以上の回転が自在な状態でステータ１１０の内側で保持されている。図示しない球面軸受構造は、ステータ１１０の内周面から回転中心の方向に突出した複数個の突出部のそれぞれの先端に、ベアリングボールを回転自在な状態で保持した構造を有している。この突出部は、ロータ１２０を周囲から囲むように複数が配置されている。当該ベアリングボールがカバー部１２１の外周面を支持することで、ロータ１２０は、３自由度以上の回転が自在な状態でステータ１１０の内側に保持されている。

【0025】

ステータ１１０の内側には、光学式位置センサ１１７が配置されている。光学式位置センサ１１７は、発光素子と受光素子を備えており、発光素子から発せられ、ロータ１２０の表面で反射した光を受光素子で検出する。光学式位置センサ１１７は、発光素子が照射している表面を連続した画像データとして受け取り、その画像データを単位時間前の画像データと比較して差分（どの方向に、どれだけ移動しているか）を算出することにより、ロータ１２０表面の移動量を直交２軸の方向で取得する。

【0026】

図３には、光学式位置センサアッシー２００が示されている。光学式位置センサアッシー２００は、基板２０１、光学式位置センサ１１７、軸２０３および保持部２０４を備えている。基板２０１は、ＩＣ化された光学式位置センサ１１７が取り付けられた電子基板である。基板２０１は、所定のプリントパターンを有し、そこに光学式位置センサ１１７の端子が半田付けされ、それにより基板２０１への光学式位置センサ１１７の固定が行われている。基板２０１の光学式位置センサ１１７が取り付けられた部分の裏面側には、軸２０３が固定されている。軸２０３は、円柱形状の部材であり、その一方の端面が基板２０１に固定されている。軸２０３は、保持部２０４に軸方向への移動が可能な状態で保持されている。

【0027】

保持部２０４は、円筒部２０４ａと円盤状のフランジ部２０４ｂを備えている。円筒部２０４ａには、軸２０３に至る孔が設けられ、この孔にセットスクリュー２０５が取り付けられている。セットスクリュー２０５が取り付けられた孔の内側には、雌螺子構造が形成され、セットスクリュー２０５の外側には、雄螺子構造が形成されている。この雌螺子構造と雄螺子構造が噛み合うことで、円筒部２０４ａに設けられた上記の孔にセットスクリュー３０５がねじ込まれている。セットスクリュー２０５を回し、軸２０３を締め付けることで、保持部２０４に対して軸３０３を固定することができる。また、セットスクリュー２０５を緩めることで、保持部２０４に対して軸２０３を軸方向に動かすことができる。

【0028】

図４には、ステータ１１０の斜視図が示されている。図４に示すようにステータ１１０には、内側に貫通する孔２１０が設けられている。孔２１０には、光学式位置センサアッシー２００の光学式位置センサ１１７の側が挿入され、その内側に光学式位置センサ１１７が格納される。この状態において、孔２１０の縁の部分にフランジ部２０４ｂが接触し、光学式位置センサアッシー２００がステータ１１０に取り付けられる。また、光学式位置センサアッシー２００をステータ１１０に取り付けた状態において、光学式位置センサ１１７のセンサ面がロータ１２０（図１，図２参照）の外周面に対向する。

【0029】

図４に示す例において、光学式位置センサアッシー２００は、既知の狭角（この例の場合は、９０°）をなす角度で２つが配置されている。この２つの光学式位置センサ１１７の出力から、ロータ１２０の回転方向／回転速度／回転量等が算出される。この算出過程における具体的な演算の内容については後述する。

【0030】

光学式位置センサアッシー２００をステータ１１０に取り付けた状態において、セットスクリュー２０５を緩め、保持部２０４に対して軸２０３を軸方向に移動させ、光学式位置センサ１１７とステータ１１０の内側に保持されたロータ１２０（図１，図２参照）との間の距離を調整することができる。

【0031】

また、図４には、図２に示す突極面１１６、ボビン１１４、界磁コイル１１５を備え、磁極１１３を構成する磁極アッシー２２０が示されている。磁極アッシー２２０は、光学式位置センサアッシー２００と同様の構造により、ステータ１１０に設けられた孔２１１に取り付けられる。

【0032】

光学式位置センサ１１７とステータ１１０の内側に保持されたロータ１２０（図１，図２参照）との間の距離を調整する方法として、シムまたはワッシャを用いる構造を採用することもできる。以下、この一例を説明する。図５は、ロータ表面と光学式位置センサの位置関係を示す側面図である。ステータ１１０の内周面には、光学式位置センサ１１７が配置されている。光学式位置センサ１１７と後述するロータ１２０との位置関係において、ロータ１２０の表面から光学式位置センサ１１７までの距離ｄが1.0〜3.0mm確保されている。ここで、光学式位置センサ１１７は、基板１３１に固定され、基板１３１は、ねじ１３２，１３３によりステータ外殻を構成する半球部１１２に固定されている。この構造においては、光学式位置センサ１１７を固定した基板１３１とステータ外殻を構成する半球部１１２との間、すなわち符号１３４の部分にワッシャやシム等を挟むことにより、光学式位置センサ１１７からロータ１２０までの距離ｄを微調整することが可能である。

【0033】

図６には、実施形態における制御系演算のブロック図が示されている。図６に示す駆動系は、界磁コイル通電パターン生成部３０１を備えている。界磁コイル通電パターン生成部３０１は、球面モータ１００の複数ある界磁コイル１１５に供給する駆動電流の通電パターンを生成する。

【0034】

界磁コイル通電パターン生成部３０１には、球面モータ１００のロータ１２０をどの方向にどの位の回転量で回転させるかを指示する回転指令指示信号が入力される。この回転指令指示信号に基づき、界磁コイル通電パターン生成部３０１は、複数ある界磁コイル１１５に流す駆動電流の通電パターンを生成する。

【0035】

この界磁コイル１１５の通電パターンを決める信号は、界磁コイル通電パターン生成部３０１から駆動出力部３０２に送られる。駆動出力部３０２は、スイッチング素子を備え、上記の通電パターンに基づく駆動電流を界磁コイル１１５に供給する。複数ある界磁コイル１１５に駆動出力部３０２から供給される駆動電流が切り替わることで、ステータ１１０の側の磁極１１３とロータ１２０の側のロータマグネット１２５との間で発生する磁気吸引力と磁気反発力とが適宜切り替わり、ロータ１２０が回転する。つまり、図４に示す駆動系は、回転指令指示信号に基づき、この回転指令指示信号で指示された回転をロータ１２０が行うように球面モータ１００の駆動制御を行う。

【0036】

図６に示すように、光学式位置センサ１１７は、発光素子１１８と受光素子１１９を備えている。発光素子１１８は、例えば発光ダイオードやレーザ光源が用いられ、受光素子１１９は、例えば、各種の光センサが用いられる。発光素子１１８からの照射光が、ロータ１２０の表面で反射され、その反射光が受光素子１１９で検出される。使用する光の波長は、特に限定されないが、可視光や赤外光が利用される。受光素子１１９から出力されロータ１２０の反射光から検出した信号（光学式位置センサ１１７の出力）は、ロータ１２０の回転の状態に係る情報を含んでおり、この受光素子１１９の検出信号がロータ回転状態算出部３０３に入力される。

【0037】

ロータ回転状態算出部３０３は、受光素子１１９から出力される検出信号に基づき、回転方向・回転量・回転速度などのロータ１２０の回転の状態を算出する。すなわち、ロータ１２０が回転すると、光学式位置センサ１１７に対してロータ１２０の表面（カバー部１２１の表面）が移動する。この際、ロータ１２０の表面の移動方向と移動量が受光素子１１９によって検出され、光学式位置センサ１１７の出力からロータ１２０の表面の移動方向と移動量が算出される。また、光学式位置センサによりロータ１２０の回転速度を検出し、これを積分することによりロータ１２０の姿勢を求めることができる。光学式位置センサ１１７の位置とロータ１２０の回転中心の位置、ステータと軸受とロータの各寸法は予め一定値であるので、上記のロータ１２０の表面の移動方向および移動量から、どの方向にどれだけの角度変位でロータ１２０が回転したかが算出される。ここで、計測時間当たりの回転量の変化を算出することで、ロータ１２０の回転速度、計測時間当たりの速度変化が加速度として求められる。以上の方法により、ロータ１２０の回転の状態がロータ回転状態算出部３０３において求められる。

【0038】

ロータ回転状態算出部３０３で算出されたロータ１２０の回転の状態に係る情報は、界磁コイル通電パターン生成部３０１に送られる。こうして、界磁コイル通電パターン生成部３０１は、受光素子１１９からの検出信号に基づき、ロータ１２０の回転の状態（回転方法・方角・回転移動量）についての情報を取得する。

【0039】

界磁コイル通電パターン生成部３０１は、回転指令指示信号に基づく目標位置へ到達させるための道程と、光学式位置センサ１１７から得た実際のロータ１２０の回転の状態とを比較し、その差が解消されるように界磁コイル１１５への通電パターンを調整する演算を行い、その結果を駆動出力部３０２への出力に反映させる。このフィードバック制御を行うことで、ロータの回転精度を向上させることができる。

【0040】

（演算の具体例）
以下、ロータ回転状態算出部３０３において行われる演算の一例を説明する。図７（Ａ）〜（Ｅ）には、演算の原理の説明に用いる原理図が示されている。図７（Ａ）には、ベクトルｒ_１およびｒ_２で示される２つの位置に光学式位置センサが配置されている場合の例が示されている。まず、簡単のためロータの半径を1とし、ｒ_１およびｒ_２で位置が示される２つの光学式位置センサが存在する平面をステータ座標系のx-y面に取る（図７（Ａ）参照）。ここで、ｘ軸からの角度をθ_ｉとして、ベクトルｒ_ｉは数１で示される。

【0041】

【数1】

【0042】

また、ステータ座標系でのロータの角速度ω（ω_１，ω_２，ω_３）は、数２で表される。

【0043】

【数2】

【0044】

数１と数２を用いて、各r_i点における表面速度は、数３で表される。

【0045】

【数3】

【0046】

r_iはx-y平面内にあるので、光学式位置センサの出力の横方向成分（x-y平面内）をΔh_i、 縦方向成分（z軸方向）をΔv_i とすると、図７（Ｂ）に示す関係により、数４が得られる。

【0047】

【数4】

【0048】

ここで、光学式位置センサの検出方向がx-y平面と一致しない場合は、光学式位置センサの出力から座標の回転変換によってh,v成分を算出する。ここに、数４は、r₁, r₂が線型独立ならば解くことが可能であり、一般解は、数５となる。

【0049】

【数5】

【0050】

以下、具体的な一例を説明する。例えば、図７（Ｃ）に示すように、θ１＝０，θ２＝（π／２）の場合、ω_１，ω_２，ω_３は、数６で示される。

【0051】

【数6】

【0052】

また、例えば、図７（Ｄ）に示すように、θ１＝０，θ２＝（２π／３）の場合、ω_１，ω_２，ω_３は、数７で示される。

【0053】

【数7】

【0054】

また、例えば、図７（Ｅ）に示すように、θ１＝−θ，θ２＝（（π／２）+θ））の場合、ω_１，ω_２，ω_３は、数８に示す関係を用いて、数９で示される。

【0055】

【数8】

【0056】

【数9】

【0057】

角速度ベクトルω（ω_１，ω_２，ω_３）を積分すれば、ロータの回転量が分り、ロータの姿勢（３次元的な角度位置）が求められる。また、ω（ω_１，ω_２，ω_３）からロータの回転の向きを知ることができる。また、ω（ω_１，ω_２，ω_３）に既知のロータの半径を乗ずることで、ロータ表面の３次元的な回転速度を算出することができる。また、ロータ表面の３次元的な回転速度を積分することで、ロータ表面の三次元的な移動量を算出することができる。

【0058】

以上述べたように、既知の狭角をなす角度の２箇所の位置のそれぞれに光学式位置センサを配置し、その出力から上述した演算を行うことで、ロータの３次元的な回転の状態を知ることができる。すなわち、既知の狭角をなす角度の２箇所の位置のそれぞれに光学式位置センサを配置することで、この２箇所の位置に配置された２つの光学式位置センサの出力からロータの３次元的な回転方向／回転速度／回転量を得ることができる。

【0059】

（原理検証結果）
パーソナルコンピュータのポインティングデバイスに用いられるマウスに備えられた光学式位置センサと同様の構造の光学式位置センサを２つ用意し、それら２個の光学式位置センサを90°の挟角をなすように固定し、センサから適切な距離に擬似ロータ球（永久磁石なし）を保持するジグを製作した。そして、パーソナルコンピュータに、２つの光学式位置センサを、USBインターフェースを介して接続し、それらから得られる球面の移動量をAPIの一つである「rawinput」から数値として取り込み、ロータ球の姿勢角として演算し、画面上に現在の姿勢を表示するソフトウエアを作成した。

【0060】

そして、このシステムにおいて、ロータ球を回転させたとおりに、現在の姿勢が表示されることを確認し、直交２軸の移動量を検出する別のセンサを２つ用いて、ロータ球の回転状態を検出できることを検証した。

【0061】

なお、本原理はセンサの挟角を90°に限定するものではない。更に、球面座標上の任意の位置に、任意の挟角でセンサを3個以上配置しても、演算処理ができる。３個以上のセンサからの出力を適切に処理することで、センサの移動量の取りこぼし等によるロータ姿勢検出誤差を小さくすることが可能である。

【0062】

（優位性）
ロータ１２０の回転を光学的に検出するので、ロータ１２０の回転を検出する目的でジンバル機構等のロータ支持機構が必要とされない。このため、ロータ１２０の回転を検出するための機構に起因してロータ１２０の回転が制限されることがない。また、光学的な検出を行う構成であるので、構造が簡素となる。磁気センサは磁石の通過（極性変化）をトリガーとしているため、一周あたりの分解能は（３６０°／磁極数）であり、一方光センサは磁石の極数にかかわらず分解能は（３６０°／カウント数）となる。例えば本モデルでは、磁気センサでは分解能が90°であるが、仮にロータ外径φ30で分解能5600cpi（count per inchの略）の光センサを選択した場合、角度に換算すると分解能0.03°以下となり、磁気センサに比べ細分化が可能である。また、検出出力は光学的な原理のため、ロータ１２０の回転の検出は、球面モータ内部の複雑な磁界構成の影響を受けにくい。

【0063】

ところで、仮にロータ１２０の外周面に凸部、凹部などの段差部分等があると、光センサと反射面の距離が変動する。また反射面の形状によっては入射光が受光部に戻らずセンサ信号（情報）が消失する。これらは、光学式位置センサ１１７によるロータ１２０の回転の検出精度の低下や誤検出の発生要因となる。これに対して、本実施形態では、ロータ１２０の外周面を、球表面を有するカバー部１２１で覆っているので、上記の反射光が乱れる現象が抑えられ、光学式位置センサ１１７によるロータ１２０の回転の検出精度の低下や誤検出が抑えられる。

【0064】

また、カバー部１２１の表面が滑らかな球面を有し、図示しない球面軸受のベアリングボールによりロータ１２０を周囲から点接触で支える構造とすることで、ロータ１２０の３自由度以上の回転が滑らかに行える状態が、簡素な構造で実現できる。

【0065】

（その他）
光学式位置センサ１１７を３個以上用いても良い。この場合、ステータ１１０の内側の複数の位置のそれぞれに、光学式位置センサ１１７を既知の狭角をなす角度位置で配置し、それぞれの光学式位置センサ１１７において、ロータ１２０の表面の移動量を直交２軸の方向でカウントする。そして、各光学式位置センサ１１７からの出力に基づいて、ロータ１２０の回転を検出する。この際における具体的な処理としては、例えば以下の方法が挙げられる。まず、複数ある光学式位置センサ１１７それぞれからの出力に基づいて、ロータ１２０の回転方向や回転量に係る情報を複数の光学式位置センサ１１７毎に検出する。次いで、統計的手法により異常値を排除し、残りの検出値を再演算することでロータ１２０の回転方向および回転量を取得する。こうすることで、ロータ１２０の回転をより高い精度で検出することができる。

【0066】

光学式位置センサ１１７の出力に基づいて算出されたロータ１２０の回転位置（例えば、基準とする位置からどの方向に何度回転した状態にあるか）に係る情報を表示装置に送り、そこに表示させてもよい。また、光学式位置センサ１１７の出力に基づいて算出されたロータ１２０の回転位置に係る情報を他の装置に送り、その装置の制御に利用することもできる。

【0067】

ロータ１２０の外殻部材に発光素子からの光の透過、あるいは吸収を防ぎ、受光素子が移動量を検出するために必要十分な光を反射し、移動により反射光量が変化する塗装または印刷を施すことも可能である。

【0068】

実施形態では、出力数が２つ（直交する２軸の出力）の光学式位置センサ１１７を複数（実施形態では２つ）用いる例を説明したが、出力数が３以上の光学式位置センサであれば、それを一つだけ用いてシステムを構成することが可能である（勿論、複数を用いてもよい）。このような光学式位置センサとしては、検出用の光センサを２つ以上備えた光学式位置センサを挙げることができる。

【0069】

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、ロータがステータの外側にあるアウターロータ形状であってもよく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明は、球面モータに利用することができる。

【符号の説明】

【0071】

１００…球面モータ、１１０…ステータ、１１１…半球部、１１２…半球部、１１３…磁極、１１４…ボビン、１１５…界磁コイル、１１６…突極面、１１７…光学式位置センサ、１１８…発光素子、１１９…受光素子、１２０…ロータ、１２１…カバー部、１２４…内球部、１２５…ロータマグネット、１３１…基板、１３２…ねじ、１３３…ねじ、１３４…ワッシャやシム等が挟まれる部分、２００…光学式位置センサアッシー、２０１…基板、２０３…軸、２０４…保持部、２０４ａ…円筒部、２０４ｂ…フランジ部、２０５…セットスクリュー、２１０…孔、２１１…孔、２２０…磁極アッシー。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】