特許 6863809 多自由度電磁機械のスピン・傾斜の制御

(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】6863809

(24)【登録日】2021年4月5日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】多自由度電磁機械のスピン・傾斜の制御

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/08 20060101AFI20210412BHJP

   B64G 1/28 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/08

   B64G1/28 D

   B64G1/28 C

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-84296(P2017-84296)

(22)【出願日】2017年4月21日

(65)【公開番号】特開2018-9964(P2018-9964A)

(43)【公開日】2018年1月18日

【審査請求日】2020年4月15日

(31)【優先権主張番号】15/207,671

(32)【優先日】2016年7月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【弁理士】

【氏名又は名称】中西 基晴

(74)【代理人】

【識別番号】100117640

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 達己

(72)【発明者】

【氏名】パブロ・バンデラ

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１６−５３３１６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０２７９３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０８５３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０５２５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１５９７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２０４２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２９５５１１４（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開昭６１−２０３８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／０２−１９／５４

Ｂ６４Ｇ １／００−９９／００

Ｈ０２Ｋ ３３／００

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多自由度電磁機械であって、
スピン軸を中心に、かつ前記スピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成される第１の構造であって、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体を備え、前記第１のスピン導体が第１の概略的な軌道に従い、前記第２のスピン導体が前記第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、前記傾斜導体が前記第１および第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従い、前記第１のスピン導体、前記第２のスピン導体および前記傾斜導体が共に表面の概略的な形状を形成する、第１の構造と、
前記第１の構造に隣接して配置されて複数の磁石を有する第２の構造であって、各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が前記表面の方を向く、第２の構造と、
前記第１のスピン導体、前記第２のスピン導体および前記傾斜導体に結合される制御部であって、前記第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を、かつ前記傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するように構成される、制御部と
を備え、
前記第１の構造が、（ｉ）前記第１および第２のスピン導体に供給される前記ＡＣに応答して前記スピン軸を中心に継続的に回転し、（ｉｉ）前記傾斜導体に供給される前記ＤＣに応答して前記傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する、
多自由度電磁機械。

【請求項2】

制御モーメントジャイロシステムであって、
スピン軸を中心に、かつ前記スピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成される球形構造であって、第１の対称軸、第２の対称軸および第３の対称軸を有し、前記第１、第２および第３の対称軸が互いに直交して配置される、球形構造と、
前記第１の対称軸を中心に前記球形構造上に配置される第１のスピン導体と、
前記第２の対称軸を中心に前記球形構造上に配置される第２のスピン導体と、
前記第３の対称軸を中心に前記球形構造上に配置される傾斜導体と、
前記球形構造に隣接して配置されて複数の磁石を有する第２の構造であって、各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が前記球形構造の方を向く、第２の構造と、
前記第１のスピン導体、前記第２のスピン導体および前記傾斜導体に結合される制御部であって、前記第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を、かつ前記傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するように構成される、制御部と
を備え、
前記球形構造が、（ｉ）前記第１および第２のスピン導体に供給される前記ＡＣに応答して前記スピン軸を中心に継続的に回転し、（ｉｉ）前記傾斜導体に供給される前記ＤＣに応答して前記傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する、
制御モーメントジャイロシステム。

【請求項3】

第１の構造および第２の構造を有する多自由度電磁機械を制御する方法であって、前記第１の構造が、スピン軸を中心に、かつ前記スピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成され、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体を有し、前記第１のスピン導体が第１の概略的な軌道に従い、前記第２のスピン導体が前記第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、前記傾斜導体が前記第１および第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従い、前記第１のスピン導体、前記第２のスピン導体および前記傾斜導体が共に、表面の概略的な形状を形成し、前記第２の構造が前記第１の構造に隣接して配置され、複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が前記表面の方を向き、
前記第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を制御可能に供給するステップであって、それにより前記第１の構造が前記スピン軸を中心に継続的に回転する、ステップと、
前記傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するステップであって、それにより前記第１の構造が前記傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する、ステップと
を含む、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本発明は、一般に電磁機械に関し、より詳細には、多自由度電磁機械のスピン・傾斜の制御のためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002]一般に知られるように、衛星などの宇宙船の姿勢を制御するために制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｍｅｎｔ ｇｙｒｏ）が使用される。現在知られているＣＭＧは、通常、スピンモータ、トルクモータおよびモーメンタムホイール（または、フライホイール）を有する。スピンモータがその中心線の軸を中心にいくらかの速度でホイールを回転させ、トルクモータが直交軸を中心とした制限される角度を通るようにホイールを回転させる。これらの２つのモーションが第３の直交軸を中心としたジャイロスコープトルクを生じさせ、これがホイールのスピン速度および傾斜角度に比例する。通常、スピンモータは比較的小さい。その理由は、スピン速度を維持するために必要となるトルクが小さいこと（この速度に達した後で）、および、トルクモータがホイールと共にスピンモータを移動させなければならないこと、である。

【0003】

[0003]現在知られているＣＭＧの根本的な限界は、ＣＭＧシステムの運動量のエンベロープ（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）の範囲内に「特異点」が存在することである。これらは、運動量ベクトルが位置合わせされることによりＣＭＧシステムが運動量を生じさせることができない特定の位置である。理解され得るように、衛星が１つの位置で実際に動かなくなることを防止することを目的として、これらの位置が回避される。この問題を軽減するための１つの手法は、２軸ジンバル内にＣＭＧを設置して第２のトルクモータを追加することである。この場合、この第２のモータが特異点を回避するように運動量ベクトルの幅を調整することができる。しかし、これは当然ながら、システムに望ましくないサイズ、重量および複雑さを加えるが、それは特に、第２のトルクモータが、第１のトルクモータによって生じるジャイロスコープトルクに逆らって動作しなければならないからである。別の手法は、傾斜中のホイールのスピン速度を変化させることであり、それにより「可変速度」ＣＭＧと呼ばれるものが得られる。しかし、実際にはこれが実装されることはほぼない。その理由は、スピン軸上で非常に大きいトルクが必要となり、それによりスピンモータが大型化し、トルクモータが大型化し、全体のサイズおよび重量が増大するからである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

[0004]したがって、例えば、過度なサイズ、重量および複雑さなしで、ＣＭＧの機能を実行することができる多自由度の電気機械式の機械（ｍｕｌｔｉ−ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅ）が求められる。本発明は、少なくともこれらの要求に対処するものである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

[0005]本概要は、「発明を実施するための形態」においてさらに説明される選択的な概念を単純な形で説明するために提供されるものである。本概要は、特許請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することは意図されず、また、特許請求される主題の範囲を決定するのを補助するものとして使用されることも意図されない。

【0006】

[0006]一実施形態では、多自由度電磁機械が、第１の構造と、第２の構造と、制御部とを有する。第１の構造が、スピン軸を中心に、かつスピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成される。第１の構造が、第１のスピン導体（ｓｐｉｎ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と、第２のスピン導体と、傾斜導体とを備える。第１のスピン導体が第１の概略的な軌道に従い、第２のスピン導体が第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、傾斜導体が第１および第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従う。第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体が共に、表面の概略的な形状を形成する。第２の構造が第１の構造に隣接して配置され、複数の磁石を有する。各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が表面の方を向く。制御部が、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体に結合される。制御部が、第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を、かつ傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するように構成され、ここでは、第１の構造が、第１および第２のスピン導体に供給されるＡＣに応答してスピン軸を中心に継続的に回転し、傾斜導体に供給されるＤＣに応答して傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する。

【0007】

[0007]別の実施形態では、制御モーメントジャイロシステムが、球形構造と、第１のスピン導体と、第２のスピン導体と、傾斜導体と、第２の構造と、制御部とを有する。球形構造が、スピン軸を中心に、かつスピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成される。球形構造が、第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有し、第１、第２および第３の対称軸が互いに直交して配置される。第１のスピン導体が第１の対称軸を中心に球形構造上に配置され、第２のスピン導体が、第２の対称軸を中心に球形構造上に配置され、傾斜導体が第３の対称軸を中心に球形構造上に配置される。第２の構造が球形構造に隣接して配置され、複数の磁石を有する。各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が球形構造の方を向く。制御部が、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体に結合される。制御部が、第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を、かつ傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するように構成され、ここでは、球形構造が、第１および第２のスピン導体に供給されるＡＣに応答してスピン軸を中心に継続的に回転し、傾斜導体に供給されるＤＣに応答して傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する。

【0008】

[0008]別の実施形態では、第１の構造および第２の構造を有する多自由度電磁機械を制御する方法において、第１の構造が、スピン軸を中心に、かつスピン軸に対して垂直である傾斜軸を中心に回転するように構成され、第１の構造が、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体を有し、第１のスピン導体が第１の概略的な軌道に従い、第２のスピン導体が第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、傾斜導体が第１および第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従い、第１のスピン導体、第２のスピン導体および傾斜導体が共に、表面の概略的な形状を形成し、第２の構造が第１の構造に隣接して配置され、複数の磁石を有し、各磁石は、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極が表面の方を向き、この方法が、第１および第２のスピン導体に交流電流（ＡＣ）を制御可能に供給するステップであって、それにより第１の構造がスピン軸を中心に継続的に回転する、ステップと、傾斜導体に直流電流（ＤＣ）を制御可能に供給するステップであって、それにより第１の構造が傾斜軸を中心に傾斜位置まで回転する、ステップとを含む。

【0009】

[0009]さらに、添付図面および前述の背景技術と併せて、後述の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から、多自由度の電気機械式の機械の他の所望の特徴および特性が明らかとなる。

【0010】

[0010]同様の参照符号が同様の要素を示している以下の添付図と併せて以下で本発明を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】[0011]多自由度電磁機械の例示の一実施形態を示す単純化された断面図である。

【図2】[0012]多自由度電磁機械の別の実施形態の一部分を示す単純化された図である。

【図3】[0013]直交するように配置される導体のセットをその上に備える球形構造の実施形態を示す斜視図である。

【図4】[0014]本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置および構成を示す図である。

【図5】本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置および構成を示す図である。

【図6】本明細書で説明される機械の一部分の代替の配置および構成を示す図である。

【図7】[0015]制御モーメントジャイロの機能を実行する多自由度電磁機械を示す図である。

【図8】制御モーメントジャイロの機能を実行する多自由度電磁機械を示す図である。

【図9】制御モーメントジャイロの機能を実行する多自由度電磁機械を示す図である。

【図10】[0016]本明細書で説明される電磁機械を制御するために使用され得る多自由度制御システムを示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

[0017]以下の詳細な説明は、本質的に単に例示的なものであり、本発明または本発明の適用および使用を限定することは意図されない。本明細書において使用されるとき、「例示的」という語は、「実例、事例、例示として働く」ということを意味する。したがって、「例示的」として本明細書に説明される任意の実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されない。本明細書において説明されるすべての実施形態は、当業者が本発明を実行または使用することを可能にするために提供される例示的な実施形態であり、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものではない。さらに、前記の技術分野、背景技術、発明の概要、または下記の詳細な説明において提示される、明示的なまたは暗示的な理論のいずれによっても拘束されることを意図していない。

【0013】

[0018]これに関し、本明細書において開示される多自由度機械は、説明および例示を容易にするために、概してモータとして動作するものとして説明されることに留意されたい。しかし、開示される機械が、外力により第２の構造を移動させて導体内に電流を誘導することにより発電機としても動作し得るか、あるいは、センサ（例えば、生じる逆起電力からの速度センサ）または多くの他のデバイスとしても動作し得ることを当業者であれば理解するであろう。また、導体のうちのいくつかの導体が湾曲するものとして示しているが、これが単に三次元（３Ｄ）球形状を伝えるために行われていることに留意されたい。

【0014】

[0019]ここで図１を参照すると、多自由度電磁機械１００の一実施形態の単純化された断面図が示されており、第１の構造１０２および第２の構造１０４を含む。第１の構造１０２が、第１のスピン導体１０６と、第２のスピン導体１０８と、傾斜導体１１０とを有する。導体１０６、１０８、１１０の各々が、多数の種類および形状の電気伝導性材料のうちの任意の電気伝導性材料で形成され、これらの電気伝導性材料のうちの１つまたは複数の電気伝導性材料を使用して実装され得ることを理解されたい。加えて、導体１０６、１０８、１１０各々が、個別の連続的な単一導体を使用するかまたは複数の導体を使用して実装され得、例えば、付加的技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（例えば、印刷導体）または減法的技術（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）（例えば、ＰＷＢエッチング）を使用して形成され得、いくつかの非限定的な例を挙げると、導電性ワイヤ、導電性リボンまたは導電性シートであってよいことを理解されたい。

【0015】

[0020]使用される材料の数、構成、実装形態または種類に関係なく、導体１０６、１０８、１１０は、各々が異なる概略的な軌道に従うことになるように、配置される。具体的には、第１のスピン導体１０６が第１の概略的な軌道に従い、第２のスピン導体１０８が第１の概略的な軌道とは異なる第２の概略的な軌道に従い、傾斜導体１１０が第１および第２の概略的な軌道とは異なる第３の概略的な軌道に従うことが分かる。図１に示される実施形態では、これらの軌道が互いに直交する。しかし、図２に示されるような実施形態などの、いくつかの実施形態では、これらの軌道のうちの２つの軌道または３つのすべての軌道が互いの角度を基準として等しいまたは等しくない任意の非直角の角度に配置されてもよいことを理解されたい。

【0016】

[0021]先に進む前に、本明細書で使用される「軌道」という用語が、ローレンツ力を生じさせることに寄与するように設計される、所定の長さにわたって導体がなぞることになる幾何学的経路を意味する、ことに留意されたい（後でさらに説明する）。例えば、いくつかの実施形態では、例えば電源まで軌道に従うことができるいくつかの導電性の長さ部分（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）が存在してよい。しかし、これらの長さ部分はローレンツ力に寄与せず、高い可能性として、表面の概略的な形状にも寄与しない。加えて、導体１０６、１０８、１１０がワイヤを手動で巻回するものであっても、既知のプリント法を用いて可撓性の表面または球状の表面にプリントされてもよいことを留意されたい。さらに、各導体１０６、１０８、１１０は異なる特性を有してもよい。例えば、いくつかの特性の例を挙げると、導体１０６、１０８、１１０は、互いに、サイズ、巻き数および抵抗が異なってよく、また、固体部片として機械加工または形成され得る。このようにすることで、必要とされる場合または望まれる場合、各軸が異なる性能特性を有することになるようにするために、比較的容易に個別に各軸を調整することができる。

【0017】

[0022]説明に戻ると、第１、第２および第３の軌道は、導体１０６、１０８、１１０が共に表面の概略的な形状を形成するような、ものである。表面は単純に導体を重ね合わせる（および、例えば接着剤を介して、導体を固定する）ことによって形成され得るか、または、２つ以上の導体を編むことによって形成され得る。編む場合、全体の効率に対する起伏の影響に対する注意を考察する必要がある可能性がある。その理由は、導体上で生じるローレンツ力が磁界と電流経路との間の角度の関数であるからである。したがって、磁界および電流が互いに直交しない場合、力が低減される。

【0018】

[0023]表面の種類および形状は多様であってよく、閉曲面、開曲面、閉曲面および開曲面の組み合わせ、平坦表面、非平坦表面、または、平坦表面および非平坦表面の組み合わせであってよい。例えば、いくつかの例を挙げると、表面は、球形、半球形、トロイド、円筒形、立方体、平面、ハーフパイプ、または、それらの種々の組み合わせであってよい。図１に示される実施形態では、また図３でより明瞭に示されるように、表面が球形であり、したがって、直交して配置される３つの対称軸３０２を有し、これらは、第１の対称軸３０２−１、第２の対称軸３０２−２および第３の対称軸３０２−３である。この実施形態では、第１のスピン導体１０６が第１の対称軸３０２−１を中心に配置され、第２のスピン導体１０８が第２の対称軸３０２−２を中心に配置され、傾斜導体１１０が第３の対称軸３０２−３を中心に配置される。球体が無限の数の対称軸を有することに留意されたい。したがって、３つのすべての対称軸が互いに垂直である限りにおいて、第１の対称軸３０２−１、第２の対称軸３０２−２および第３の対称軸３０２−３はこれらの対称軸の任意の１つの対称軸であってよい。

【0019】

[0024]再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、第１の構造１０２が導体１０６、１０８、１１０のみを備えることに留意されたい。しかし、別の実施形態では、第１の構造１０２が第１のボディ１１２をさらに備える。含まれる場合、第１のボディ１１２は、好適には、透磁性材料で形成され、外側表面１１４を有する。よく知られるように、このような材料は、磁気回路を通して磁束を効率的に伝導するために、および、磁束を所望のポイント／ロケーションまで誘導するために、使用される。多数の適切な材料が知られており、これには、例えば、磁性鋼、鉄、および、鉄合金（例えば、シリコン鉄、鉄−コバルト、バナジウム）が含まれる。第１のボディ１１２の外側表面１１４の少なくとも一部分が、好適には、表面の概略的な形状を有し、導体１０６、１０８、１１０が、少なくとも、第１のボディ１１２の外側の表面１１４の少なくともその部分に隣接するように配置される。

【0020】

[0025]第１の構造１０２が導体１０６、１０８、１１０のみを有する場合でもまたは図１にさらに示されるように第１のボディ１１２および導体１０６、１０８、１１０を有する場合でも、第１の構造１０２が、スピン軸１１６を中心に回転するように、かつスピン軸１１８に対して垂直である傾斜軸１１８を中心に回転するように構成される。スピン軸１１６および傾斜軸１１８が互いに対して垂直である限りにおいて、傾斜軸１１８も同様であってよいが、スピン軸１１６が、第１の対称軸３０２−１、第２の対称軸３０２−２および第３の対称軸３０２−３のいずれか１つに一致してよい。これらの垂直軸１１６、１１８を中心とした回転を達成する手法を後でさらに説明する。しかし、先ず、第２の構造を説明する。

【0021】

[0026]第２の構造１０４が第１の構造１０２に隣接して配置され、少なくとも、複数の磁石１２２（例えば、第１の磁石１２２−１および第２の磁石１２２−２）を有する。第２の構造１０４が回転に逆らうように設置され、少なくとも、示される実施形態では、１つまたは複数の取り付け構造１２４（２つ示される）をさらに有する。含まれる場合、取り付け構造１２４が、好適には、例えば鉄または鉄合金などの、透磁性材料を含む。示される実施形態では、各磁石１２２が取り付け構造１２４の内側表面から内側に向かって延在し、その磁極のうちの少なくとも一方の磁極を第１の構造１０２の方に向けるように、配置される。

【0022】

[0027]磁石１２２が様々な形状および寸法を有し得、多様に配置され得ることを理解されたい。例えば、示される実施形態では、磁石１２２が全体として弧形状を有するが、他の実施形態では、磁石１２２は、半球形状、あるいは、必要とされるかまたは望まれる場合、他の多くの形状のうちの任意の１つ形状であり得る。加えて、磁石１２２の弧の長さが変更され得ることも理解されたい。また、第１の構造１０２の方を向く磁石１２２の部分は好適には効率のために第１の構造１０２と同様に外形を形成されるが、これらの部分はそのように外形を形成される必要はない。図４に示される実施形態では、例えば、磁石１２２が、好適には（必ずというわけではない）少なくとも部分的に第１の構造１０２と同様に外形を形成されて第１の構造１０２に隣接して配置される透磁性の取り付け構造１２４上に配置または設置され得る。また、図５および６に示されるように、磁石１２２が取り付け構造１２４の一部として一体形成され得るか（図５）、または、別個に形成されるが取り付け構造の少なくとも一部分によって包囲され得る（図６）。図６に示される実施形態が、磁束を示される磁束通路となるように方向づけるための孔またはスロット（想像線で示される）を任意選択で有することができることに留意されたい。これらの孔またはスロットは任意選択でエポキシなどの適切な材料で充填され得る。

【0023】

[0028]図１に示される実施形態などのいくつかの実施形態では、磁石１２２が、第１の構造１０２の方を向く磁極が所定の隙間だけそこから分離されるように、配置される。含まれる場合の隙間は、好適には、損失を最小にするのに十分な程度に小さく、それにより、磁気抵抗を低減することで磁気的効率が向上する。比較的大きい隙間の場合、機械公差を緩和することにより費用効率の高いデザインにすることが可能となる。他の実施形態では、磁石１２２が、磁極が第１の構造１０２に接触することになるように、配置され得る。このような実施形態では、接触表面の材料選択が、当技術分野で知られるように摩耗および摩擦損失を考慮して行われる。

【0024】

[0029]加えて、磁石１２２が多様に実装され得ることを理解されたい。例えば、磁石は永久磁石または電磁石として実装されてよい。永久磁石として実装される場合、各磁石１２２はハルバッハアレイとして実装され得る。適切な永久磁石の供給元のいくつかの非限定的な例には、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ペンシルベニア州、ランディズビル）、Ａｒｎｏｌｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ニューヨーク州、ロチェスター）、Ｄｅｘｔｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（イリノイ州、エルクグローヴヴィレッジ）、および、Ｄｕｒａ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（オハイオ州、シルバニア）が含まれる。

【0025】

[0030]その形状、寸法、構成および実装形態に関係なく、各磁石１２２が磁界を発し、各々が、好適には、第１の構造１０２を基準とした第１の磁石１２２−１の極性を第２の磁石１２２−２の極性の反対にするように、配置される。例えば、図１に示される実施形態では、第１の磁石１２２−１のＮ極（Ｎ）が第１の構造１０２のより近くに配置され、対して、第２の磁石１２２−２のＳ極（Ｓ）が第１の構造１０２のより近くに配置される。

【0026】

[0031]導体１０６、１０８、１１０および磁石１２２は、磁束が一方の側において一方の磁石（例えば、第１の磁石１２２−１）から第１の構造１０２内に進み、他方の側においてもう一方の磁石（例えば、第２の磁石１２２−２）へと戻ることになるように、構成される。磁束は導体１０６、１０８、１１０を通るように移動し、透磁性の取り付け構造１２４が磁束のための帰還路を提供する。理解され得るであろうが、導体１０６、１０８、１１０のうちの１つまたは複数に電流が供給されると、励磁された導体１０６、１０８、１１０と磁石１２２との間に上で言及したローレンツ力が生じ、このローレンツ力が対称軸３０２のうちの１つまたは複数の対称軸の周りにトルクを生じさせる。やはり理解され得るであろうが、生じるトルクの方向は、導体１０６、１０８、１１０内を流れる電流の方向に基づく。

【0027】

[0032]上で言及したように、第２の構造１０４が固定的に設置されることから、生じるトルクが第２の構造１０４を基準として第１の構造１０２を移動させることになる。第１の構造１０２の移動は、導体１０６、１０８、１１０内の電流の大きさおよび方向を制御することにより、制御され得る。例えば、第１の構造１０２は、スピン軸１１６を中心として継続的に回転するように、また同時に傾斜軸１１８を中心にある位置まで傾斜するように、作られ得る。この機能が図７〜９に示されている。具体的には、図７〜９の各々で、第１のスピン導体１０６および第２のスピン導体１０８は、スピン軸１１６を中心に第１の構造１０２を継続的に回転させるように励磁される。このために、第１のスピン導体１０６が第１の交流電流７０２を用いて励磁され、第２のスピン導体１０８が第２の交流電流７０４を用いて励磁され、ここでは、第１の交流電流７０２および第２の交流電流７０４は振幅が等しく、位相が９０°ずらされる。スピン軸１１６を中心とした回転の速度および方向が、第１の交流電流７０２および第２の交流電流７０４の周波数を制御することにより制御され得ることを理解されたい。

【0028】

[0033]ここでは、図７では、傾斜導体１１０は励磁されないかまたは非常に小さい直流電流によって励磁され、したがって、回転を引き起こすのに十分な大きさの力が生じない。その結果、第１の構造１０２が傾斜軸１１８を中心に回転しない。しかし、図８では、傾斜導体１１０が、回転力を生じさせるのに十分な大きさの第１の方向の直流電流によって励磁される。その結果、第１の構造１０２がスピン軸１１６を中心に継続的に回転する間、第１の構造１０２がさらに傾斜軸１１８を中心に傾斜位置まで第１の方向に回転する。図９では、傾斜導体１１０が、回転力を生じさせるのに十分な大きさの第２の方向の直流電流によって励磁される。その結果、第１の構造１０２がスピン軸１１６を中心に継続的に回転する間、第１の構造１０２がさらに傾斜軸１１８を中心に別の傾斜位置まで第２の方向に回転する。理解され得るように、第１の構造１０２の傾斜角度は、傾斜導体１１０内の直流電流の大きさおよび方向によって制御される。

【0029】

[0034]次に図１０を参照すると、図１の多自由度の電気機械式の機械１００を含む多自由度作動制御システム１０００の機能ブロック図が示されている。図１０に示されるように、システム１０００が、導体１０６、１０８、１１０の各々に結合される制御部１００２を含む。制御部１００２は、導体１０８の各々の電流の大きさおよび方向を制御し、それにより第１の構造１０２のスピンの速度および方向ならびに傾斜角度を制御するように、構成される。制御部１００２は、この機能を、オープンループ制御またはクローズドループ制御のいずれかを使用して実行するように構成され得る。オープンループ制御は、比較的低い価格、より低い複雑性、比較的単純なＤＣ操作、および比較的小さい大きさと重量とをもたらす。クローズドループ制御は、より高い正確性と精度、より高い帯域および自律的な制御をもたらす。様々な制御技術が制御部１００２において実行され得る。適切な制御技術のいくつかの非限定的な例としては、ＰＷＭ制御および逆ＥＭＦ制御がある。

【0030】

[0035]制御部１００２がクローズドループ制御を実行する場合、制御システム１０００が、１つまたは複数の位置センサ１００４をさらに有する。位置センサ１００４の数および種類は多様であってよい。例えば、システム１０００は、第１の構造１０２の位置を独立に感知するための１つまたは複数のセンサ１００４を有することができる。このようなセンサは、光学センサ、トラックボールまたは回転センサなどを使用して実装され得る。他の実施形態では、センサ１００４は、第１の構造１０２の表面に適用される光学マスクを使用して実装され得、光学マスクがさらに、第２の構造１０４の内側表面上に設置される光学センサによって読み取られ得る。

【0031】

[0036]データおよび電力が、多数の技術のうちの任意の技術を使用して、導体１０６、１０８、１１０および（含まれる場合の）位置センサ１００４へ伝送され得、またそれらから伝送され得ることを理解されたい。例えば、データは、無線で、可撓性導体を介して、または小型集電環を介して伝送され得、電力は、可撓性導体を介してまたは小型集電環を介して伝送され得るか、あるいは、バッテリを介して供給され得る。特定の一実施形態では、導体１０６、１０８、１１０が集電環機構を介して制御部に接続される。

【0032】

[0037]本明細書で開示される多自由度機械１００は、既知のデバイスよりも比較的小型化され、より扱いやすく、より効率的である。多自由度機械１００は、巻回するのが困難な経度コイルを有さず、オープンループ位置制御を実行するために個別の中央寄せトルクに依存しない。多自由度機械１００は、複数のアクチュエータコンポーネントの機能を実行するために様々なデバイスおよびシステム内で使用され得る。例えば、本明細書で説明されるように、人工衛星の姿勢制御のための制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）として使用される場合、機械１００は、２つのスピンモータおよび４つのトルクモータの機能を実現することができる。

【0033】

[0038]本明細書で開示される実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたはその両方の組み合わせとして実装され得ることを当業者であれば理解するであろう。実施形態および実装形態のいくつかは、上記において、機能および／または論理ブロックコンポーネント（またはモジュール）ならびに様々な処理ステップという観点で説明されている。しかし、このようなブロックコンポーネント（またはモジュール）が、特定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェアおよび／またはファームウェアコンポーネントによって実現され得ることが理解されるべきである。このハードウェアとソフトウェアの交換可能性を明瞭に示すために、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップを、上記において、概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能がハードウェアまたはソフトウェアのどちらとして実施されるかは、全体的なシステムに課せられる特定の用途および設計制約に依存する。当業者であれば各特定の用途について様々な形で説明された機能を実施し得るが、そのような実施判断が、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。例えば、システムまたはコンポーネントの実施形態は、様々な集積回路コンポーネント、例えば、メモリ要素、デジタル信号処理要素、論理要素またはルックアップテーブルなどを採用することができ、これらは、１つまたは複数のマイクロプロセッサあるいは他の制御装置の制御下で様々な機能を実行し得る。さらに、本明細書で説明される実施形態が単に例示的な実装形態であることを当業者でれば理解するであろう。

【0034】

[0039]本明細書で示される実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュールおよび回路は、汎用処理装置、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）もしくは他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェアコンポーネント、または本明細書において説明される機能を実行するように設計されるこれらの任意の組み合わせを用いて、実装または実行され得る。汎用処理装置はマイクロプロセッサであってよいが、別法として、当該処理装置は任意の従来の処理装置、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であってもよい。処理装置はまた、コンピューティングデバイスの組み合わせとして、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携した１つまたは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として、実装されてもよい。

【0035】

[0040]本文献では、第１および第２などの関係語は、単に１つの実体または動作を別の実体または動作から区別するためだけに使用され得、必ずしも何らかの実際上のそうした関係性や順序をそのような実体または動作の間に必要とするものではなく、また暗示するものではない。「第１」、「第２」、「第３」などの数値的序数は、単に複数の中の異なる１つを意味するだけであり、請求項の文言によって特に定義されない限り、いかなる順序または順番も含意しない。請求項のいずれの請求項における文章の順番も、請求項の文言によって特に定義されない限り、そのような順番に従う時間的または論理的な順序で処理のステップが実施されなければならない、ということを含意しない。処理のステップは、請求項の文言と矛盾しない限り、また論理的に無意味でない限り、本発明の範囲から逸脱することなく任意の順序で交換され得る。

【0036】

[0041]さらに、文脈によっては、異なる要素の間の関係を説明する際に使用される「接続する」または「結合される」などの語は、これらの要素の間に直接的な物理的接続がなされなければならないことを含意しない。例えば、２つの要素は、１つまたは複数の追加的な要素を介して、互いに対して物理的に、電気的に、論理的に、または他の任意の形で接続されてよい。

【0037】

[0042]本発明の前述の詳細な説明で少なくとも１つの例示的な実施形態を提示したが、非常に多くの変形形態が存在することを理解すべきである。また、１つまたは複数の例示的な実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、適用性または構成を限定することを意図されないことを理解すべきである。むしろ、前述の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実現するための便利な手引きを当業者に提供するものである。添付の特許請求に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態において説明された要素の機能および構成において様々な変更がなされ得るということが理解されよう。

【符号の説明】

【0038】

１００ 多自由度電磁機械
１０２ 第１の構造
１０４ 第２の構造
１０６ 第１のスピン導体
１０８ 第２のスピン導体
１１０ 傾斜導体
１１２ 第１のボディ
１１４ 外側表面
１１６ スピン軸
１１８ 傾斜軸
１２２ 磁石
１２２−１ 第１の磁石
１２２−２ 第２の磁石
１２４ 取り付け構造
３０２ 対称軸
３０２−１ 第１の対称軸
３０２−２ 第２の対称軸
３０２−３ 第３の対称軸
７０２ 第１の交流電流
７０４ 第２の交流電流
１０００ 多自由度作動制御システム
１００２ 制御部
１００４ 位置センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】