JPH0756607B2

JPH0756607B2 - 多方向駆動形電磁式位置制御装置

Info

Publication number: JPH0756607B2
Application number: JP59038818A
Authority: JP
Inventors: 孝治井戸垣; 育生林; 寿河合
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1984-03-02
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: US4600871A; JPS60183613A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は多方向駆動形電磁式位置制御装置に関するもの
であり、例えば自動車のリモコンミラー等の３次元位置
制御装置、あるいは傾斜計のような表示装置などの用途
がある。

〔従来の技術〕

従来、例えば上記のリモコンミラー等の３次元位置制御
装置においては、３次元位置の制御を行うために１個の
可逆転モータ、上下及び左右方向切換え用の電磁クラッ
チ、及び歯車列等を必要としている。

また、傾斜計のような表示装置においては、傾斜の表示
は、傾斜を上下方向と左右方向に分離し、その上下方向
と左右方向の傾斜をそれぞれ平面上での回転として表示
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前者の３次元位置制御装置においては、
装置の構造が複雑化するという問題があり、又後者の表
示装置においては、表示方法が限定される。

本発明は、上記の課題を解決して３次元位置制御装置を
比較的簡易な構成で提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はかかる課題を達成するため、コイルを巻回した
強磁性体からなり、互いに所定の角度をもって交わる磁
界を少なくとも２つ発生し、該強磁性体内における少な
くとも２方向の磁界が交わる位置には該磁界の双方に直
交する少なくとも１方向に開口した球状穴部が形成さ
れ、さらに、該ほぼ球状穴部の外周部には該ほぼ球状穴
部より大きい直径を有するほぼ円柱形状の円柱穴部が形
成されている磁界発生手段と、該ほぼ球状穴部に位置さ
れて規定された１点を中心に任意の方向へ回動可能に保
持された永久磁石を有する回転体と、を具備し、前記磁
界発生手段及び前記回転体との組合せにより、該磁界発
生手段による磁界が無いときには前記回転体が少なくと
も１つの角度位置へ安定化させられるようになっている
という手段を採用するものである。

〔実施例〕

本発明の１実施例としての多方向駆動形電磁式位置制御
装置の外観斜視図が第１図に示される。また第１図装置
の平面図が第２図に、第２図装置におけるＸ−Ｘ′線断
面図が第３図に示される。

第１〜３図において、可動球体１は例えばステンレス鋼
などの非磁性材料からなる半球体1a,1bを結合させて形
成する。可動球体１の内部には円柱形の穴部が形成され
ており、この穴部にはその円柱軸方向に着磁された円柱
形の永久磁石２が取り付けられる。またこの可動球体１
には出力棒３が固着される。

可動球体１はクロスヨーク４の十字形中心部に形成され
た、球状の内周面を有する球状穴部41内に回動可能に支
持される。クロスヨーク４は略十字形状の鉄製のクロス
ヨークを２枚上下に重ねて形成したものであり、４つの
アーム部4a〜4dを有し、ノックピン5a〜5dで位置決めさ
れる。可動球体１が収容される球状穴部41はクロスヨー
ク４の上面および下面に開口部43a,43bによって開口さ
れており、開口部43aからは出力棒３が突出される。

クロスヨーク４の中央部における球状穴部41のさらに外
周部には、該球状穴部41の直径よりも大きい直径を有す
る円柱形状の円柱穴部42が形成される。この円柱穴部42
内には、コの字形断面を有するテフロン（商品名）製の
軸受リング６がはめ込まれる。軸受リング６は、球状穴
部に収容される可動球体１の外周面とコの字形断面の先
端部で線接触しており、それにより可動球体１は球状穴
部41の内周面と一定の空隙を保って、規定された１点を
中心に任意の方向に回動可能に支持される。

クロスヨーク４のアーム部4a〜4dには、鉄製のサイドヨ
ーク7a〜7dがネジ8a〜8dによってそれぞれ固着される。
このサイドヨーク7a〜7dには、コイル9a〜9dが巻回され
たプラスチック製のコイルボビン10a〜10dがそれぞれは
め込まれる。サイドヨーク7a〜7d下端はネジ11a〜11dに
よって鉄製のボトムヨーク12に固着される。

コイル9a〜9dはそれぞれ巻初め端9as〜9dsと巻終り端9a
e〜9deを有しており、コイル9aと9c、およびコイル9bと
9dはそれぞれ直列に接続される。これによりコイル9aと
9cに通電を行ったときには第２図におけるＸ−Ｘ′線に
沿うＸ軸方向の磁束がクロスヨーク４内に発生され、コ
イル9bと9dに通電を行ったときにはＹ−Ｙ′線に沿うＹ
軸方向の磁束が発生される。したがって、前記の球状穴
部41においてＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界が交わるこ
とになる。

第１〜３図に示される位置制御装置の作用が第４〜６図
を参照しつつ以下に説明される。まず、上記の位置制御
装置においては、コイル9a〜9dの無通電時には可動球体
１はその内蔵する永久磁石２の磁極方向がＺ−Ｚ′に沿
うＺ軸方向を向く位置に安定化させられる。

すなわち、コイル無通電時の可動球体１の安定位置は、
可動球体１内の永久磁石２から見た磁気抵抗が最も小さ
くなる位置、換言すればポテンシャルエネルギーU₀が最
小となる位置である。第１図の位置制御装置において
は、永久磁石２の磁束径路は概略２つあり、１つはクロ
スヨーク４、サイドヨーク7a〜7d、およびボトムヨーク
12を通る磁路Ａであり、もう１つは円柱穴部42の外側を
クロスヨーク４の上側から下側へと通る磁路Ｂである。
ここで円柱穴部42の直径およびその幅を適当な大きさに
選ぶことにより、永久磁石２から見た磁路Ｂの磁気抵抗
の方が磁路Ａの磁気抵抗よりも小さくすることができ
る。クロスヨーク4a−4c方向をＸ軸、クロスヨーク4b−
4d方向をＹ軸とすると装置のＸ−Ｘ′断面およびＹ−
Ｙ′断面は互いに対称となるから、永久磁石２はその磁
極方向がＸ軸およびＹ軸と互いに直交するＺ軸方向を向
く位置で安定する。

このようにコイル9a〜9dの無通電時に、可動球体１には
内部永久磁石２の磁極方向をＺ軸と一致させる方向へ磁
気スプリング力が発生する。この磁気スプリング力のＸ
軸方向成分Ｔ（XO）は、永久磁石２の磁気モーメントＭ
とＸ軸とがなす角度をθとすると、次式（１）であらわ
される。

Ｔ（XO）＝α・Ｍ・sin2θ …（１）ただし、αは定数また磁気スプリング力のＹ軸方向成分Ｔ（YO）は、永久
磁石の磁気モーメントＭとＹ軸がなす角度をとする
と、次式（２）であらわされる。

Ｔ（YO）＝α・Ｍ・sin2 …（２）永久磁石２すなわち可動球体１にかかるトルクは、これ
らの成分Ｔ（XO）,T（YO）の合成力Ｔ（Ｏ）であり、ポ
テンシャル・エネルギーU₀はこの合成力Ｔ（Ｏ）の積分
となる。いま、可動球体１の占める球空間をＸ−Ｙ平面
上に投影し、Ｘ−Ｙ平面に直交する方向にポテンシャル
エネルギーU₀をとると第４図に示す分布図のようにな
り、中心で安定することがよく分る。

次にコイル9a〜9dに直流通電を行って可動球体１を多方
向に位置制御する場合について説明する。コイル9aと9c
は通電時にクロスヨーク４においてＸ軸の同一方向に磁
束を発生するように相互に接続されており、またコイル
9bと9dはＹ軸の同一方向に磁束を発生するように相互に
接続されている。ここではコイル9b,9dには通電を行わ
ずにコイル9a,9cに通電を行ったときの動作を説明す
る。

コイル9a,9cに直流電流Ixの通電を行うと、これらのコ
イル9a,9cによって、サイドヨーク7a、クロスヨーク４
のアーム部4a、アーム部4c、サイドヨーク7c、およびボ
トムヨーク12を経る磁路を通る主磁束φ（Ix）が発生す
る。永久磁石２にはこの主磁束φ（Ix）により生じた磁
界Ｈ（Ix）が作用する。このとき、この磁界Ｈ（Ix）に
より永久磁石２の磁気モーメントＭに発生するトルクＴ
（Ix）は次式（３）であらわされる。

Ｔ（Ix）＝Ｍ・Ｈ（Ix）・sinθ …（３）ここで磁界Ｈ（Ix）はコイルを流れる電流Ixに比例する
から、式（３）はさらに次式（４）となる。

Ｔ（Ix）＝β・Ｍ・Ix・sinθ …（４）ただし、βは定数したがって、永久磁石２には、無通電時に、クロスヨー
ク４との間に生ずる前式（１）のディテント・トルクＴ
（XO）と、電流Ixによって生ずる前式（４）のトルクＴ
（Ix）との合成トルクＴ（θ）が生じ、この合成トルク
Ｔ（θ）は次式（５）であらわされる。

Ｔ（θ）＝β・Ｍ・Ix・sinθ＋α・sin2θ …（５）Ｘ軸およびＹ軸が磁気モーメントＭとなす角度θ，の
関係が第５図に示される。角度θ，は何れもその原点
を、永久磁石のＮ極と通電によって可動球体１に対向す
るクロスヨーク４の球面に生ずるＮ極とが対向する位置
とする。トルクは回転角すなわち角度θ，が増す方向
を正としており、したがって正トルクは回転角が増すト
ルク、負トルクは回転角が減るトルクとなる。無通電時
には前記した磁気スプリング力により、角度θおよび
がともに90゜の位置、すなわちＺ軸方向に永久磁石２の
磁極方向が向く。

第６図には、角度θに対する合成トルクＴ（θ）の特性
曲線が電流Ixをパラメータとして描かれる。第６図にお
いて縦軸は合成トルクＴ（θ）をあらわし、横軸は角度
θをあらわす。各電流値に対応するトルク曲線は略正弦
波状をなして横軸Ｔ（θ）＝０と交わる。永久磁石２の
安定位置は合成トルクＴ（θ）が零となるところである
から、第６図における各トルク曲線がＴ（θ）＝０の線
と交わる点（黒丸点）の回転角θが各電流Ixにおける永
久磁石２の安定点となる。したがって、電流Ixを変える
ことにより回転角θを変えることができる。

上記においては、コイル9b,9dには通電が行われていな
いので、方向に対するトルクは前式（２）に示された
ディテント・トルクＴ（YO）となる。コイル9b,9dに直
流電流Iyを通電すると上記と全く同様にして角度に対
する下記の合成トルクＴ（）が生ずる。

Ｔ（）＝β・Ｍ・Iy・sin＋α・sin2 …（６）結果として可動球体１にはＴ（θ）とＴ（）との合成
トルクが働くことになる。したがって、コイル9a,9cに
流す電流Ixとコイル9b,9dに流す電流Iyとの組合せによ
り永久磁石２すなわち可動球体１の安定位置が一義的に
定まり、１つの駆動装置で３次元回転角制御（立体角制
御）を行うことができる。

本発明の実施にあたっては、前述の実施例のほかに種々
の変形形態が可能である。例えば、コイルに供給する電
流の制御手段、制御用磁界を発生する磁界発生手段等に
おいて種々の変形形態が可能である。これらの変形形態
が以下に説明される。

まず、コイルに供給する電流の制御手段として、前述の
実施例ではコイル9a〜9dへの通電電流に直流電流を用い
て制御を行ったが、このほかに例えばパルス電流を通電
してそのパルス電流のデューティ比（衝撃係数）を変え
ることにより位置決めのヒステリシスを減小させた位置
制御を行うことが可能である。また、単に所定角度への
オン−オフ動作的な位置制御を行う場合には電圧印加の
スイッチングを行うだけであってもよい。

さらに、例えばホール素子などにより可動球体１の回転
位置を検出しその検出位置に応じて通電電流の大きさを
フィードバック制御することも可能であり、それにより
より正確な位置制御が可能になる。

上記のパルス電流を用いる場合のコイルへの印加電流の
制御回路の１具体例が第７図に示される。第７図におい
て、制御回路は、PNP形トランジスタ701,702,703および
704、NPN形トランジスタ705,706,707および708、インバ
ータ709,710、入力端子711,712、出力端子713,714,715
および716を含み構成される。トランジスタ701と705、
トランジスタ702と706、トランジスタ703と707、および
トランジスタ704と708のそれぞれは、コレクタを共通接
続することにより直列接続された形で、電源電圧とアー
スとの間に接続してあり、該コレクタにおける共通接続
点からは出力端子713,714,715および716をそれぞれ導き
出す。入力端子711はトランジスタ701と705のベースに
接続するとともに、インバータ709を介してトランジス
タ702と706のベースに接続する。同様に入力端子712は
トランジスタ703と707のベースに接続するとともに、イ
ンバータ710を介してトランジスタ704と708のベースに
接続する。また、出力端子713,714には前述の実施例に
おける直列接続されたコイル9a,9cの巻初め端9as,9csを
接続し、出力端子715,716には直列接続されたコイル9b,
9dの巻初め端9bs,9dsを接続する。

この第７図の制御回路を用いての位置制御について以下
に説明する。入力端子711,712にはデューティ比を可変
制御できる独立したデューティ信号S1,S2がそれぞれ印
加される。デューティ信号S1が印加されると、デューテ
ィ信号S1が「０」レベルのときにトランジスタ701、コ
イル9a,9c、トランジスタ706を経て電源から電流が流
れ、デューティ信号S1が「１」レベルのときにトランジ
スタ702、コイル9c,9a、トランジスタ705を経てコイル9
aと9cに上記とは逆方向の電流が流れる。デューティ信
号S2の印加の場合も上記と同様にしてコイル9b,9dに電
流が流れる。

したがって、デューティ信号S1,S2が所定の周波数、例
えば200Hzでデューティ比50％であるとすると、コイル9
aと9c、およびコイル9bと9dに流れる平均電流はともに
零となり無通電時と同じ角度に可動球体１は位置する。
そしてデューティ信号S1,S2のデューティ比をそれぞれ
独立に変えることによりコイルの平均電流を変えること
ができ、デューティ信号S1,S2は組合せにより可動球体
１を任意の角度位置に位置制御できる。また、デューテ
ィ信号S1,S2の周波数を適当な所定周波数とすることに
より、可動球体１が動摩擦状態となり、位置決めのヒス
テリシスを小さくできる。

制御用の磁界を発生する巻線手段の種々の変形例が第８
〜10図を参照しつつ説明される。第８図は、第１図装置
における４つのコイル9a〜9dをサイドヨーク8a〜8dに巻
回する代わりにクロスヨーク４のアーム部4a〜4dに巻回
するとともにクロスヨーク４の周囲にネジ81a〜81dによ
って閉磁路形成用リング82を取り付けた変形例を、クロ
スヨーク４部分での横断面図により示したものである。

また前述の実施例では４個のコイル9a〜9dを用いてＸ軸
方向およびＹ軸方向の磁束を発生させているが、コイル
の数は必ずしも４個必要ではなく、例えばコイル9aと9b
の２個であってもよい。また、このようなコイル形式を
用いずに、第９図に示されるように、ボトムヨークを十
字形のヨーク91で形成してこのヨーク91の交差部に２つ
の巻線92,93を互いに直交するように巻回する変形例も
可能である。さらに第10図に示されるように、可動球体
１が支持されるクロスヨーク４の交差部に２つの巻線10
1,102を互いに直交するように巻回する変形例も可能で
あり、この変形例では第８図と同様の閉磁路形成用リン
グ103が用いられている。

このように磁界発生手段は、クロスヨーク内の可動球体
に所定の角度をもって発生される少なくとも２種類の独
立磁界を発生する手段であれば、他のいかなる手段によ
ってもよい。

本発明にる多方向駆動形電磁式位置制御装置は種々の用
途に用いられる。例えば前述の実施例における出力棒３
にミラーを取り付けることにより自動車のリモコンミラ
ーに応用することが可能である。また、他の用途とし
て、第11図に示されるように、第１図装置の出力棒３の
代わりに可動球体１に貫通孔131を形成してその中に光
ファイバー132を設置すれば、光源133からの出力孔の照
射方向を３次元空間内における任意の方向に制御するこ
とが可能となる。

さらに他の用途として、可動球体１から出力棒３を取り
除いて例えばゴルフボール表面のようなディンプル状の
小穴を配列し、開口部外側に設けた外部可動体と接触さ
せ、この外部可動体に上記ディンプル状の小穴より若干
小さい径の突起を配列することにより、可動球体１の回
転出力を外部可動体の減速または増速された回転出力に
変換して取り出すことも可能である。

さらにまた他の用途として、前述の実施例における出力
棒をジョイステックとして用いることにより本発明装置
を例えばリモコンカー等のリモコン装置として用いるこ
とも可能である。すなわち、本発明装置に前述したよう
な可動球体の回転位置検出用ホール素子を設け、外部か
ら操作者が出力棒（すなわちジョイステック）を操作し
て可動球体を回転させ、その回転位置をホール素子によ
り検出して該検出位置に応じて制御対象を制御する。こ
の際に制御対象の状態に応じて本発明装置のコイルに印
加する電流値を変えることにより、出力棒に制御対象の
状態に応じた可変反力を働かせることができる。例えば
リモコンカーのリモコン装置の場合、リモコンカーが壁
に突き当って前進できない状態にあるとき、この状態を
何らかの手段で検知し、その検知情報に応じてリモコン
装置のコイルに電流を流して出力棒を前進位置に倒した
場合に出力棒に反力が働くようにしておけば、リモコン
カーの状態に応じた手ごたえのあるリモコン操縦を楽し
むことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以下に述べる効果を奏することができ
る。

（１）永久磁石を有する回転体を少なくとも２つの磁界
発生手段によって回転制御することができ、比較的簡単
な装置構成により、的確な３次元位置制御を行うことが
できる。

（２）磁界発生手段による磁界が作用しないときに回転
体の位置をある位置に安定させるために、コイルスプリ
ング、引っ張りばねを用いる必要がなく、従って構造の
簡素化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例としての多方向駆動形電磁式
位置制御装置の外観斜視図、第２図は第１図装置の平面
図、第３図は第２図装置におけるＸ−Ｘ′線断面図、第
４図は第１〜３図装置における可動球体のポテンシャル
エネルギー分布図、第５図は第１〜３図装置における可
動球体の回転角度θ、の関係を説明する図、第６図は
第１〜３図装置における可動球体回転角度θに対する合
成トルクＴ（θ）の特性図、第７図は第１〜３図装置の
コイルを励磁するための変形例としての制御回路図、第
８〜10図は本発明に係る位置制御装置における磁界発生
用巻線手段の変形例をそれぞれ示す図、第11図は本発明
の位置制御装置の用途を示す図である。１……回転体（可動球体）、２……永久磁石、３……出
力棒、４……十字形強磁性体（クロスヨーク）、4a〜4d
……腕（アーム部）、６……軸受リング、7a〜7d……サ
イドヨーク、9a〜9d……磁界発生手段（コイル）、10a
〜10d……コイルボビン、12……ボトムヨーク、41……
磁界の交わる空間（球状穴部）、701〜708……トランジ
スタ、709,710……インバータ、82,103……閉磁路形成
用リング、92,93,101,102……磁界発生手段（巻線）、1
32……光ファイバ、133……光源。

フロントページの続き (72)発明者河合寿愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献特開昭60−9693（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−222069（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−17860（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−102493（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−104180（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−135184（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−162762（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−154014（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コイルを巻回した強磁性体からなり、互い
に所定の角度をもって交わる磁界を少なくとも２つ発生
し、該強磁性体内における少なくとも２方向の磁界が交
わる位置には該磁界の双方に直交する少なくとも１方向
に開口した球状穴部が形成され、さらに、該ほぼ球状穴
部の外周部には該ほぼ球状穴部より大きい直径を有する
ほぼ円柱形状の円柱穴部が形成されている磁界発生手段
と、該ほぼ球状穴部に位置されて規定された１点を中心
に任意の方向へ回動可能に保持された永久磁石を有する
回転体と、を具備し、前記磁界発生手段及び前記回転体
との組合せにより、該磁界発生手段による磁界が無いと
きには前記回転体が少なくとも１つの角度位置へ安定化
させられるようになっていることを特徴とする多方向駆
動形電磁式位置制御装置。
【請求項２】該コイルはほぼ十字形強磁性体の互いに隣
り合った少なくとも２つの腕位置に巻回されてなる、特
許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】該コイルは略十字形強磁性体の交差部分に
２つのコイルが互いに直交するように重ねて巻回された
ものである、特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】該少なくとも２つの磁界発生手段は、独立
にデューティ比制御される、特許請求の範囲第１項記載
の装置。
【請求項５】前記回転体は球状穴部に対応する球状の形
状を有しており、前記永久磁石はその円柱軸方向に着磁
された円柱形の形状を有しており、かつ該永久磁石は前
記回転体の内部に設けられている、特許請求の範囲第１
項〜第４項何れか一つに記載の装置。