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 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 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

鉄ガリウム合金を用いた3軸球面モータを開発 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 x y z 図4 ロッドの変位（X,Y軸回転） 微小回転 磁石の起磁力による磁束 伸び 縮み 磁束減少 磁束増加 図4　ロッドの変位（X,Y軸回転）

Z軸回転のためのロッドの変形 　 x y z 微小回転 磁石の起磁力による磁束 曲げ 磁束増加 磁束減少 図5　ロッドの変位（Z軸回転）

1方向への回転原理 (a) slow (b) rapid Current Time θ Time (a)緩やかな立ち上がり：ロータが微小回転 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） (a) slow (b) rapid Current Time θ Displacement,Angle A2 A1 θ A1 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） 励磁したロッド →ノコギリ波電流に追従，平均1.2mm変位 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

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

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 医療・産業分野での応用を目指す まとめ 3軸球面モータを作製 ロッドの変位を測定 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 (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 →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 モータの改善点　 改善点 (a)締め付けリングの取り付け 　　→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 (b) (a) 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 (a) slow (b) rapid Current Time θ Time (a)緩やかな立ち上がり：ロータが微小回転 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） (a) slow (b) rapid Current Time B2 Displacement,Angle A1 A2 θ A1，A2，B1，B2 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