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

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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）

6 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）

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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）

13 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

14 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

15 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

16 ご静聴ありがとうございました

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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