(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化され、扱いやすく、効率的であり、巻回するのが困難なコイルを含まない多自由度球面アクチュエータの提供。【解決手段】多自由度球面アクチュエータ１００は、球状ステータ１０２と、第１のコイルと、第２のコイルと、電動子１０４と、複数の磁石１０６とを含む。球状ステータ１０２は、互いに直交して配置される第１の対称軸１０８−１と、第２の対称軸１０８−２と、第３の対称軸１０８−３とを有する。第１のコイルは、球状ステータに第１の対称軸１０８−１を中心に巻回され、第２のコイルは、球状ステータに第２の対称軸１０８−２を中心に巻回される。電動子１０４は、球状ステータ１０２から離間され、球状ステータ１０２の少なくとも一部を包囲し、球状ステータ１０２に対して移動可能である。磁石１０６は、電動子１０４の内側面１１４に結合され、球状ステータ１０２から離間されている。【選択図】図１
2017022976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有し、前記第１、第２及び第３の対称軸は、互いに直交して配置される、球状ステータと、
前記球状ステータに前記第１の対称軸を中心に巻回される第１のコイルと、
前記球状ステータに前記第２の対称軸を中心に巻回される第２のコイルと、
前記球状ステータから離間され、前記球状ステータの少なくとも一部を包囲する電動子であって、内側面を有し、前記球状ステータに対して移動可能な電動子と、
前記電動子の前記内側面に結合され、前記電動子の内側面から延在する複数の磁石であって、各々の前記磁石は前記球状ステータから離間されている、複数の磁石と
を備える、多自由度球面アクチュエータ。
【請求項２】
前記電動子は、
前記第１のコイルに第１の交流電流が通電され、
前記第２のコイルに第２の交流電流が通電され、
前記第１及び第２の交流電流の振幅が等しく、位相が１８０度ずれているときに、
前記第３の対称軸の周りを継続的に回転する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記球状ステータに前記第３の対称軸を中心に巻回される第３のコイルを更に備え、
前記電動子は、前記第３のコイルに第３の交流電流が通電されたときに、前記第１の対称軸又は前記第２の対称軸の一方の周りを回転し、
前記電動子は、前記第１及び第３の交流電流が同相であるときに前記第１の対称軸の周りを回転し、
前記電動子は、前記第２及び第３の交流電流が同相であるときに前記第２の対称軸の周りを回転する、請求項３に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、一般に、電磁式の装置に関し、より詳細には、多自由度球面アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]物体を２つ以上の自由度（ＤｏＦ：ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｆｒｅｅｄｏｍ）に移動させるように設計された現在使用可能な運動制御システムは、各ＤｏＦについて個別のモータ又はアクチュエータを含むことが一般に知られている。より具体的には、２ＤｏＦ動作を実現するには少なくとも２つのモータ又はアクチュエータが必要とされ、３ＤｏＦ動作を実現するには少なくとも３つのモータ又はアクチュエータが必要とされるなどということになる。したがって、２つ以上のＤｏＦを伴う機構は、ある程度大きくなり、かさばって扱いにくく、したがって非効率的なものとなる傾向がある。
【０００３】
[0003]電子装置及びセンサ技術が、近年著しく小型化される一方、機械的動作技術はこれに追いついていない。パン／チルト機構などの動作システムが、典型的には、ミニ又はマイクロＵＡＶ（無人飛行体（ｕｎｍａｎｎｅｄ  ａｉｒ  ｖｅｈｉｃｌｅｓ））及びマイクロ衛星などのより小型のプラットフォームにおいて使用されないのは、これが理由である。多ＤｏＦ運動制御に依存するロボットシステムは、現在のモーションオンモーション（ｍｏｔｉｏｎ−ｏｎ−ｍｏｔｉｏｎ）システムに内在する非効率性に単に耐えなければならない。
【０００４】
[0004]上述の問題への１つの解決策が、「Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｉｎｔｉｎｇ  Ａｃｔｕａｔｏｒ」と題された米国特許第７，６７５，２０８号に開示されている。そこで開示されるアクチュエータは、「緯度コイル」及び「経度コイル」が巻回された球状ステータを含む。しかしながら、このアクチュエータは、特定の欠点も呈する。例えば、経度コイルは巻回するのが物理的に困難である。その理由は、巻き線が平行でなく、球状ステータの極に集束する又は「集まる（ｂｕｎｃｈ  ｕｐ）」からである。これによって全体的なコスト及び大きさが増加し、コイルの効率性が低下する。別の欠点は、電動子のオープンループ位置制御を実現するために個別の中央寄せトルク（例えば、バネ、又は磁気的移動止め）が必要となることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，６７５，２０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0005]したがって、既知の装置よりも比較的小型化され、より扱いやすく、より効率的であり、及び／又は巻回するのが困難なコイルを含まない、及び／又は電動子の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、多自由度球面アクチュエータが求められている。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】
【０００７】
[0006]本要約は、「発明を実施するための形態」において更に説明される選択的な概念を簡略化された形で記述するように提供される。本要約は、特許請求される主題の主要な又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また、特許請求される主題の範囲を決定する補助として使用されることも意図しない。
【０００８】
[0007]一実施形態において、多自由度球面アクチュエータは、球状ステータと、第１のコイルと、第２のコイルと、電動子と、複数の磁石とを含む。球状ステータは、第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有する。第１、第２及び第３の対称軸は、互いに直交して配置される。第１のコイルは、球状ステータに第１の対称軸を中心に巻回され、第２のコイルは、球状ステータに第２の対称軸を中心に巻回される。電動子は、球状ステータから離間され、球状ステータの少なくとも一部を包囲する。電動子は、内側面を有し、球状ステータに対して移動可能である。磁石は、電動子の内側面に結合され、電動子の内側面から延在し、各々の磁石は球状ステータから離間されている。
【０００９】
[0008]別の実施形態において、多自由度球面アクチュエータは、球状ステータと、第１のコイルと、第２のコイルと、第３のコイルと、電動子と、複数の磁石とを含む。球状ステータは、第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有する。第１、第２及び第３の対称軸は、互いに直交して配置される。第１のコイルは、球状ステータに第１の対称軸を中心に巻回され、第２のコイルは、球状ステータに第２の対称軸を中心に巻回され、第３のコイルは、球状ステータに第３の対称軸を中心に巻回される。電動子は、球状ステータから離間され、球状ステータの少なくとも一部を包囲する。電動子は、内側面を有し、球状ステータに対して電動子位置へと移動可能である。磁石は、電動子の内側面に結合され、電動子の内側面から延在し、各々の磁石は球状ステータから離間されている。電動子位置は、第１、第２及び第３のコイルのうちの１つ又は複数における電流の大きさ及び方向に応じて制御される。
【００１０】
[0009]更に別の実施形態において、多自由度作動制御システムは、球状ステータと、第１のコイルと、第２のコイルと、第３のコイルと、電動子と、複数の磁石と、制御部とを含む。球状ステータは、第１の対称軸と、第２の対称軸と、第３の対称軸とを有する。第１、第２及び第３の対称軸は、互いに直交して配置される。第１のコイルは、球状ステータに第１の対称軸を中心に巻回され、第２のコイルは、球状ステータに第２の対称軸を中心に巻回され、第３のコイルは、球状ステータに第３の対称軸を中心に巻回される。電動子は、球状ステータから離間され、球状ステータの少なくとも一部を包囲する。電動子は、内側面を有し、球状ステータに対して電動子位置へと移動可能である。磁石は、電動子の内側面に結合され、電動子の内側面から延在し、各々の磁石は球状ステータから離間されている。制御部は、第１、第２及び第３のコイルに結合され、第１、第２及び第３のコイルの各コイルにおける電流の大きさ及び方向を制御し、それによって電動子位置を制御するように構成される。
【００１１】
[0010]更に、多自由度球面アクチュエータの他の望ましい特徴及び特性は、付随する図面及び前述の背景技術と併せて、後述の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１２】
[0011]以下において、本発明は下記の図面と併せて説明され、図面において類似の数字は類似の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】[0012]多自由度球面アクチュエータの１つの例示的な実施形態の平面図である。
【図２】[0013]多自由度球面アクチュエータの一部の単純化された断面図である。
【図３】[0014]多自由度球面アクチュエータの一部の単純化された断面図であり、トルクがどのように生成されるかを示す図である。
【図４】[0015]図４Ａは、電動子がある電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。  図４Ｂは、電動子が異なる電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。  図４Ｃは、電動子が更に異なる電動子位置にある多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図５】[0016]多自由度球面アクチュエータが、モータとして動作され得る方法について示す図である。
【図６】[0017]電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図７】電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの別の１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図８】電動子が回転するとともに、様々な電動子位置のうちの更に別の１つに位置される、多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図９】[0018]多自由度作動制御システムの機能ブロック図である。
【図１０】[0019]球状ステータ内に電子装置が取り付けられた多自由度球面アクチュエータの平面図である。
【図１１】[0020]ジンバル方式で取り付けられた多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図１２】非ジンバル方式で取り付けられた多自由度球面アクチュエータを示す図である。
【図１３】[0021]図１３Ａは、多自由度球面アクチュエータの別の実施形態を示す図である。  図１３Ｂは、多自由度球面アクチュエータの別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0022]以下の詳細な説明は、本質的に単に例示的なものであり、本発明又は本発明の適用及び使用を限定することを意図しない。本明細書において使用されるとき、「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という語は、「実例、事例、例証として働く（ｓｅｒｖｉｎｇ  ａｓ  ａｎ  ｅｘａｍｐｌｅ，  ｉｎｓｔａｎｃｅ，  ｏｒ  ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ）」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又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全ての実施形態は、当業者が本発明を実行又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。更に、前記の技術分野、背景技術、発明の概要、又は下記の詳細な説明において提示される、明示的な又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ない。
【００１５】
[0023]これに関し、本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータは、説明及び解説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が留意される。しかしながら、開示されるアクチュエータは、発電機、又はセンサ（例えば、生成された逆ＥＭＦからの速度センサ）、又は他の多くの装置としても動作し得ることを、当業者は理解するであろう。
【００１６】
[0024]まず、図１を参照すると、多自由度球面アクチュエータ１００の一実施形態の平面図が図示され、平面図は、球状ステータ１０２と、電動子１０４と、複数の磁石１０６とを含む。球状ステータ１０２は、その名称が示すように、球状であり、したがって３つの直交して配置された対称軸１０８、すなわち第１の対称軸１０８−１と、第２の対称軸１０８−２と、第３の対称軸１０８−３とを有する。球状ステータ１０２は、好ましくは、鉄又は鉄合金などの透磁性の材料からなり、好ましくは、中空の球として実装される。好ましくは、球状ステータ１０２は、例えば取り付け構造１１２を介して、別の不図示の構造に固定して取り付けられる。不図示の構造は、二、三の例を挙げると、例えば、壁、天井、船舶又は航空機の隔壁、若しくは船舶又は航空機の外殻であり得る。
【００１７】
[0025]電動子１０４は、球状ステータ１０２から離間され、球状ステータ１０２の少なくとも一部を包囲する。電動子１０４は、内側面１１４と外側面１１６とを有し、球状ステータ１０２に対して移動可能であるように取り付けられる。好ましくは、電動子１０４は、球状ステータ１０２に対して、２つ又は３つの対称軸１０８の周りを移動可能であるように取り付けられる。結果として、電動子１０４の外側面１１６に取り付けられ得るセンサ、レーザ又は他の適切な装置などの装置１１５は、所望の位置へと移動され得る。この移動がどのようにしてなされるかは、更に後述される。球状ステータ１０２と同様に、電動子１０４もまた、好ましくは、例えば鉄又は鉄合金などの透磁性の材料からなる。
【００１８】
[0026]磁石１０６（図１においては１つだけ見えている）は、電動子１０４の内側面１１６に結合され、電動子１０４の内側面１１６から内側に向かって延在し、球状ステータ１０２から離間されている。図示される実施形態において、図２により明瞭に示されるように、球面アクチュエータ１００は、複数の磁石１０６を含む。図示される実施形態において、球面アクチュエータ１００は、一組の磁石、すなわち第１の磁石１０６−１と第２の磁石１０６−２とを含む。しかしながら、他の実施形態において、３つ以上の磁石１０６が使用され得ることは理解されよう。磁石１０６は、様々な形状及び寸法を有し得ることも更に理解されよう。例えば、図示される実施形態において、磁石１０６は、全体として弧形状を有するが、他の実施形態において、磁石１０６は、半球形状又は、必要とされる又は望まれる場合、他の多くの形状のうちの任意の１つ形状であり得る。磁石１０６の弧の長さは変更され得ること、及び磁石１０６は、永久磁石又は、必要とされる又は望まれる場合、電気磁石であり得ることも更に理解されよう。
【００１９】
[0027]しかしながら、形状及び寸法に関わらず、磁石１０６は、好ましくは、球状ステータ１０２に対する第１の磁石１０６−１の極性が、第２の磁石１０６−２の極性と反対向きになるように配置される。例えば、図２に図示される実施形態において、第１の磁石１０６−１のＮ極（Ｎ）が、球状ステータ１０２のより近くに位置し、一方、第２の磁石１０６−２のＳ極（Ｓ）が、球状ステータ１０２のより近くに位置する。
【００２０】
[0028]図２が更に図示するように、球状ステータ１０２は、その上に巻回される複数のコイル２０２を有する。図示される実施形態において、これらのコイルは、第１のコイル２０２−１と、第２のコイル２０２−２と、第３のコイル２０２−３とを含む。しかしながら、いくつかの実施形態において、球面アクチュエータ１０２は、３つのコイルの代わりに、２つのコイルだけを有して実装されてもよいことは理解されよう。第１のコイル２０２−１は、球状ステータ１０２に第１の対称軸１０８−１を中心に巻回され、第２のコイル２０２−２は、球状ステータ１０２に第２の対称軸１０８−２を中心に巻回され、第３のコイル２０２−２は、含まれる場合、球状ステータ１０２に第３の対称軸２０２−３を中心に巻回される。球は無限の個数の対称軸を有することに留意されたい。したがって、第１、第２及び第３の対称軸１０８−１、１０８−２、１０８−３は、３つの対称軸の全てが互いに直交する限り、これらの対称軸のうちの任意のものでよい。
【００２１】
[0029]説明を更に進める前に、コイル２０２は、手動でワイヤを巻回されてもよく、又は既知のプリント法を用いて柔軟な又は球状の面にプリントされてもよいことが留意される。更に、各コイル２０２は、異なる特性を有してもよい。例えば、二、三の特性の例を挙げると、コイル２０２は、大きさ、巻き数、及び抵抗において互いに異なってよい。このようにすることで、必要とされる又は望まれる場合、各軸が異なる性能特性を有するように、比較的容易に及び個別に各軸を調整することができる。
【００２２】
[0030]磁石１０６及びコイル２０２は、磁束２０４が、一方の側において第１の磁石１０６−１から球状ステータ１０２内に進み、他方の側において第２の磁石１０６−２へと戻るように構成される。磁束２０４はまた、球状ステータ１０２の両側においてコイル２０２内を進み、透磁性の電動子１０４が、磁束２０４のための帰還路を提供する。理解され得るように、コイル２０２のうちの１つ又は複数に電流が供給されると、通電されたコイル２０２と磁石１０６との間にローレンツ力が生成され、このローレンツ力は次いで対称軸１０８のうちの１つ又は複数の周りにトルクを生成する。これも理解され得るように、生成されるトルクの方向は、コイル２０２内を流れる電流の方向に基づく。
【００２３】
[0031]次に図３を参照し、コイル２０２のうちの１つが通電されたときに生成されるトルクの例を説明する。明確さのため、及び説明を容易にするために、１つのコイルだけ（例えば、第１のコイル２０２−１）が図示されている。図３が図示するように、第１のコイル２０２−１が図示される方向の電流を供給されると、（図３全体から分かるように）第３の対称軸１０８−３の周りに時計回り方向のトルクが生成される。電流の方向を変化させると、反対方向（すなわち、反時計回り方向）のトルクが生成されることは理解されよう。コイル２０２に供給される電流の大きさを変えることで、トルクの大きさを変え得ることも更に理解されよう。
【００２４】
[0032]球状ステータ１０２は固定して取り付けられるので、生成されるトルクは、電動子１０４を、球状ステータ１０２に対して、電動子位置へと移動させる。したがって、コイル２０２内の電流の大きさ及び方向を制御することで、電動子位置が制御され得る。電動子１０４と、したがってセンサ装置１１５とは、球状ステータ１０２に対して、所望の電動子位置に移動され保持され得る。この機能は、図４Ａ〜図４Ｃに図示される。図４Ａにおいて、全てのコイル２０２には、大きさ及び方向が同じ電流が通電されている。図４Ｂにおいて、第１のコイル２０２−１及び第３のコイル２０２−３には、大きさ及び方向が同じ電流が通電され、第２のコイル２０２は通電されていない。図４Ｃにおいて、第１のコイル２０２−１には、第１の大きさ及び第１の方向の電流が通電され、第２のコイル２０２は通電されず、第３のコイル２０２−３には、第２の大きさ及び第２の方向の電流が通電され、第２の大きさは第１の大きさの２倍であり、第２の方向は第１の方向と反対の方向である。
【００２５】
[0033]更に（又はその代りに）、電動子１０４は対称軸１０８のうちの１つの周りを継続的に回転するようにもされ得る。この機能は、図５に図示される。図示される例において、第１のコイル２０２−１に第１の交流電流５０２を通電し、第２のコイル２０２−２に第２の交流電流５０４を通電し、第１及び第２の交流電流５０２、５０４は振幅が同じで、位相が９０度ずれていることで、電動子１０４は、第３の対称軸１０８−３の周りを継続的に回転する。第２及び第３のコイル２０２−２、２０２−３、又は第１及び第３のコイル２０２−１、２０２−３へ、同じように、それぞれ制御しつつ通電することで、電動子１０４は、第１又は第２の対称軸１０８−１、１０８−２の周りを継続的に回転するようにされ得ることは理解されよう。更に、本明細書においては比較的単純な正弦波二相整流技術が図示され説明されるが、ブロック整流などの様々な他の種類の二相整流技術もまた使用され得る。
【００２６】
[0034]球面アクチュエータ１００は、電動子１０４が、対称軸１０８のうちの１つの周りを継続的に回転するようにされると同時に他の対称軸１０８のうちの１つ又は両方の周りを、電動子位置へ傾斜し得るようにも構成される。この機能は、図６〜図８に示される。特には、図６〜図８のそれぞれにおいて、第１及び第２のコイル２０２−１、２０２−２は、上述のように、電動子１０４を第３の対称軸１０８−３の周りを継続的に回転させるように通電される。しかしながら、図６において、第３のコイル２０２−３には、第２の交流電流５０４と同相の第３の交流電流６０２が通電される。結果として、電動子１０４は、第１の対称軸１０８−１の周りを、電動子位置へ回転する。図７において、第３のコイル２０２−３には、第１の交流電流５０２と同相の第３の交流電流７０２が通電される。結果として、電動子１０４は、第２の対称軸１０８−２の周りを第１の方向に向かって、電動子位置へ回転する。図８において、第３のコイル２０２−３には、第２の交流電流５０４と位相のずれた第３の交流電流８０２が通電される。結果として、電動子１０４は、第２の対称軸１０８−２の周りを第２の方向に向かって、電動子位置へ回転する。理解され得るように、電動子１０４の傾斜角は、第３の交流電流６０２、７０２、８０２の大きさを介して制御され、傾斜軸は、第３の交流電流６０２、７０２、８０２の相対位相を介して制御される。
【００２７】
[0035]次に図９を参照すると、図１の多自由度球面アクチュエータ１００を含む多自由度作動制御システム９００の機能ブロック図が図示される。図９が図示するように、システム９００は、第１、第２及び第３のコイル１０８のそれぞれに結合される制御部９０２を含む。制御部９０２は、各コイル１０８における電流の大きさ及び方向を制御し、それによって電動子位置を制御し、したがって（含まれる場合）センサ装置１１５の位置を制御するように構成される。制御部９０２は、この機能を、オープンループ制御又はクローズドループ制御のいずれかを用い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、及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、より高い帯域及び自律的な制御をもたらす。様々な制御技術が、制御部９０２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制御及び逆ＥＭＦ制御がある。
【００２８】
[0036]制御部９０２が、クローズドループ制御を実行するなら、制御システム９００は、１つ又は複数の位置センサ９０４を更に含む。位置センサ９０４の数及び種類は変わり得る。例えば、システム９００は、各対称軸に沿って電動子位置を独立に感知するために１つ又は複数のセンサ９０４を含み得る。このようなセンサは、光学センサ、トラックボール、回転センサなどを用いて実装され得る。他の実施形態において、センサ９０４は、球状ステータ１０２の表面に適用される光学マスクを用いて実装され得、光学マスクは、次いで、電動子１０４の内側面１１４に取り付けられた光学センサによって読み取られ得る。
【００２９】
[0037]データ及び電力は、多くの技術のうちの任意のものを用いて、コイル１０８及び（含まれるなら）位置センサ９０４へ、又はそれらから伝送され得ることは理解されよう。例えば、データは、無線で、可撓性導体を介して、又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又は小型集電環を介して伝送され得、又はバッテリを介して供給され得る。
【００３０】
[0038]上述のように、球状ステータ１０２は、好ましくは中空の球であるので、制御システム９００を備える様々な電子装置１００２が、図１０に図示されるように、球状ステータ１０２内に取り付けられ得る。更に、多自由度球面アクチュエータ１００は、電動子１０４の自由回転軸の所望の数に応じて、ジンバル構成又は非ジンバル構成で実装され得る。図１１にその実施形態が図示されるジンバル構成においては、第３の軸が固定されるため、電動子１０４は２つの自由回転軸を有する。図１２にその実施形態が図示される非ジンバル構成においては、電動子は、３つ全ての対称軸の周りを自由回転する。
【００３１】
[0039]多自由度球面アクチュエータ１００は、ステップモータのように、電力を印加されることなく保持トルクを提供するようにも構成され得る。このステップモータの機能を実行するように構成された多自由度球面アクチュエータ１００の１つの例示的な実施形態の単純化された断面図が、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される。これらに図示されるように、多自由度球面アクチュエータ１００は、前述の実施形態に著しく類似した構成を有し、したがって、球状ステータ１０２と、電動子１０４と、複数の磁石１０６と、複数のコイル２０２とを含む。しかしながら、１つ異なるのは、この球状ステータ１０２は、間隔を空けて設けられた複数の突起１３０２（例えば、１３０２−１、１３０２−２、１３０２−３、．．．、１３０２−Ｎ）を含むことである。突起の数及び間隔は、変更してよく、図１３Ａが図示するように、少なくとも部分的に球面アクチュエータ１００の解像度を決定する。図１３Ａにおいて、球状ステータ１０２と電動子１０４とは位置が揃っていないことに留意されたい。逆に、図１３Ｂにおいて、球状ステータ１０２と電動子１０４とは位置が揃っており、電力が印加されることなくその位置が保持され得る。
【００３２】
[0040]多自由度球面アクチュエータ１００の熱管理は、様々な技術を用いて実行され得る。いくつかの非限定的な技術としては、球状ステータ１０２の厚さを必要に応じて変更して、熱をコイル２０２から装置取り付け構造に伝導すること、中空の球状ステータ１０２の内部にファンを配置して、一方の極から空気を引き入れ他方の極から排出すること、効率的な対流冷却を提供すること、又はアクチュエータ１００を熱伝導性の流体で充填され封止された透明なシェルに封じ込めること、などがある。
【００３３】
[0041]本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータ１００は、既知の装置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。それは、巻回するのが困難な経度コイルを含まず、電動子１０４の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。それは、多く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装置及びシステムにおいて使用され得る。例えば、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：ｃｏｎｔｒｏｌ  ｍｏｍｅｎｔ  ｇｙｒｏ）において使用されるときには、球面アクチュエータ１００は、２つのスピンモータ及び４つのトルクモータの機能を実現可能である。ヘリコプタのためのロータースウォシュプレート制御システムにおいて使用されるときは、球面アクチュエータ１００は、１つのスピンモータ及び３つの直線アクチュエータの機能を実現可能である。
【００３４】
[0042]上記に加えて、本明細書において開示される多自由度球面アクチュエータ１００は、様々な科学技術装置及び環境において使用され得る。例えば、それは、パノラマ写真を撮影するためにスマートフォン又は他の画像撮影装置に結合され得る。それは、様々な車両において（例えば、自動車、船艇、航宙機、飛翔体、及び航空機）、二、三の例を挙げると、例えばセンサ位置調整、アダプティブヘッドライト、衛星アンテナ位置調整、ソナー／ライダ／レーダ方向制御を提供するために使用され得る。それは、太陽電池、望遠鏡、及びホームセキュリティカメラの位置調整に使用され得る。それは、様々な遊具及びゲームプラットフォームで使用され得る。それは、ロボット工学において、消費者装置（例えば、洗濯機、ドライヤ、食器洗浄機）において、及び車両変速システム（例えば、無段変速機（ＣＶＴ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ））において使用され得る。
【００３５】
[0043]当業者は、本明細書において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、及びアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア又はその両方の組み合わせとして実装され得ることを理解するであろう。いくつかの実施形態及び実施態様は、上記において、機能及び／又は論理ブロックコンポーネント（又はモジュール）及び様々な処理ステップという観点から説明されている。しかしながら、このようなブロックコンポーネント（又はモジュール）は、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、ソフトウェア及び／又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は、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、及びステップを、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又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及び設計制約に依存する。当業者は、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、システム又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、ルックアップテーブルなどを用いることができ、これらは、１つ又は複数のマイクロプロセッサ又は他の制御装置の制御下で様々な機能を実行し得る。更に、当業者は、本明細書において説明される実施形態は、単なる例示的な実施態様であることを理解するであろう。
【００３６】
[0044]本明細書において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、及び回路は、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）若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若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、又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たこれらの任意の組み合わせによって、実装又は実行され得る。汎用処理装置はマイクロプロセッサであってよいが、代替的に、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、又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つ又は複数のマイクロプロセッサ、又は任意の他のそのような構成として、実装されてもよい。
【００３７】
[0045]本明細書において開示される実施形態に関連して説明される方法又はアルゴリズムのステップは、ハードウェアに直接組み込まれ得、処理装置によって実行されるソフトウェアモジュールに組み込まれ得、又はそれら２つの組み合わせに組み込まれ得る。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又は当技術分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体に存在し得る。例示的な記憶媒体は、処理装置が記憶媒体から情報を読み出し、記憶媒体へ情報を書き込むことができるように処理装置に結合される。代替的には、記憶媒体は処理装置に統合されてよい。処理装置及び記憶媒体はＡＳＩＣに存在し得る。ＡＳＩＣはユーザ端末に存在し得る。代替的には、処理装置及び記憶媒体は、ディスクリートコンポーネントとしてユーザ端末に存在し得る。
【００３８】
[0046]本文書においては、例えば第１及び第２などの関係語は、単に１つの実体又は動作を別の実体又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又は動作の間に必要とし、又は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規定されない限り、いかなる順序又は順番も含意しない。請求項のいずれにおける文章の順番も、請求項の文言によって特に規定されない限り、そのような順番に従う時間的又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。
【００３９】
[0047]
更に、文脈によって、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（ｃｏｎｎｅｃｔ）」又は「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」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つ又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、又は他の任意の形で接続されてよい。
【００４０】
[0048]少なくとも１つの例示的な実施形態を前述の本発明の詳細な説明に示したが、非常に多くの変形が存在することが理解されるべきである。１つ又は複数の例示的な実施形態は単なる例であって、いかなる形でも本発明の範囲、適用性又は構成を制限することを意図しないこともまた、理解されるべきである。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。添付の特許請求の範囲に述べられる本発明の範囲を逸脱することなく、例示的な実施形態において説明された要素の機能及び配置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る。
【符号の説明】
【００４１】
１００  多自由度球面アクチュエータ
１０２  球状ステータ
１０４  電動子
１０６  磁石
１０６−１  第１の磁石
１０６−２  第２の磁石
１０８  対称軸
１０８−１  第１の対称軸
１０８−２  第２の対称軸
１０８−３  第３の対称軸
１１２  取り付け構造
１１４  内側面
１１５  装置
１１６  外側面
２０２  コイル
２０２−１  第１のコイル
２０２−２  第２のコイル
２０２−３  第３のコイル
２０４  磁束
５０２  第１の交流電流
５０４  第２の交流電流
６０２  第３の交流電流
７０２  第３の交流電流
８０２  第３の交流電流
９００  多自由度作動制御システム
９０２  制御部
９０４  位置センサ
１００２  電子装置
１３０２  突起
１３０２−１  突起
１３０２−２  突起
１３０２−３  突起
１３０２−Ｎ  突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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