JP2001341091A - 把持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構造で、円滑な把持動作を行なうことが
でき、把持力を容易に調整することができる把持装置を
提供する。 【解決手段】この把持装置は、本体１上に平行移動可能
に配設された一対の把持部２、２と、本体１に取り付け
られ把持部２、２を駆動するための超音波モータ１０
と、を備える。超音波モータ１０の出力軸にピニオン９
が固定され、ピニオン９の両側に噛合して一対のラック
８、８がピニオン９の回転に伴い相反方向に移動するよ
うに設けられる。更に、一対の各ラック８、８と一対の
各把持部２、２が連結部材７、７により連結され、一対
の把持部２、２はベアリングとガイドブロックを有する
リニアガイド４により平行移動可能に案内・保持され
る。超音波モータ１０の速度を調整する速度調整器１３
が駆動制御回路に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットハンド等
に好適に使用可能な電動式の把持装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットハンドに使用される把持装置
は、一般にアクチュエータとして流体圧シリンダを使用
したものが多く、各種の分野で流体圧シリンダを用いた
把持装置が使用されている。

【０００３】しかし、この種の把持装置は、構造が比較
的簡単で、高い把持力を持って動作させることができる
ものの、半導体等の脆弱な物体を被把持物とする場合、
それを傷つけずに良好に把持するために、把持力を微妙
に制御することができにくいという問題があった。ま
た、このような流体圧シリンダをアクチュエータとする
把持装置をクリーンルーム内で使用した場合、例えばエ
アーシリンダにあっては通常の使用においても、ルーム
内に微細な粉塵等を含むエアーを排気するため、クリー
ン度の低下が問題となり、また、流体圧を供給する流体
圧供給用ホース等に破損が生じた場合、クリーンルーム
内のクリーン度を一気に悪化させてしまう問題があっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、アクチュエー
タとしてサーボモータを使用する把持装置が提案され、
ロボットハンドとして使用されているが、サーボモータ
をアクチュエータとした場合、必要な把持トルクを出す
ために、モータが大型化したり、減速機やブレーキ装置
を必要とするため、装置の構造が複雑化すると共に大型
化する問題があった。そのために、小形な構造を有し、
低速回転で比較的大きなトルクを発生する超音波モータ
をアクチュエータとして使用した把持装置が、特開平９
−１０９０８１号公報等で提案されている。

【０００５】この種の超音波モータをアクチュエータと
する把持装置は、円盤状の回転部材上に２個のカム溝を
形成すると共に、平行移動可能に配設した１対の把持部
に固定したピンをそのカム溝に係合させ、回転部材の回
動により、１対の把持部を平行移動する構造とし、さら
に、回転部材の内側に鍵穴状の開口部を設け、その開口
部内に円盤形で一部に突出部を有する内側回転部材を、
一定の角度範囲で回転自在に配設し、その内側回転部材
に超音波モータの出力軸を固定し、回転部材と内側回転
部材間にコイルばねを介装して構成される。

【０００６】この把持装置は、把持方向に把持部を作動
させる場合、超音波モータの駆動により内側回転部材を
一方向に回転させると共に、コイルばねを介してその回
転力を回転部材に伝達してそれを回転させ、一対の把持
部を把持位置まで移動させ、超音波モータを停止させた
とき、コイルばねの付勢力により、把持部を把持側に付
勢して、把持力を保持するようにしたものである。

【０００７】しかしながら、この種の超音波モータを使
用した把持装置は、カム溝とピンの係合により１対の把
持部を平行移動させる構造のため、把持部の移動距離つ
まり把持ストロークをあまり長くできず、把持ストロー
クが制限されるという問題があった。また、コイルばね
の付勢力により把持力を発生させているため、把持力を
変える場合にはばね定数の異なるコイルばねに変更する
必要があり、コイルばね等の部品点数が増大する問題が
あった。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、簡単な構造で、円滑な把持動作を行なうことがで
き、把持力を容易に調整することができる把持装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の把持装置は、本体上に平行移動可能に配設
された一対の把持部と、本体に取り付けられ把持部を駆
動するための超音波モータと、を備えてなる把持装置に
おいて、超音波モータの出力軸に固定されたピニオン
と、ピニオンの両側に噛合して配設され、ピニオンの回
転に伴い相反方向に移動する一対のラックと、一対の各
ラックと前記一対の各把持部を各々連結する連結部材
と、一対の把持部をベアリングとガイドブロックを介し
て平行移動可能に案内・保持するリニアガイドと、超音
波モータの駆動制御回路に設けられ、超音波モータの速
度を調整する速度調整器と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】ここで、前記本体には、本体内部の空気を
吸引して内部で発生した微細な粉塵を外部に吸引するた
めの吸引ポートを設けることができる。

【００１１】

【作用】このような構成の把持装置は、例えば搬送用ロ
ボットのロボットアームの先端に取り付けられ、超音波
モータの駆動により、一対の把持部を相反方向に平行移
動させて使用される。超音波モータの速度は、その振動
体の圧電素子に供給される駆動電流（電圧）の周波数に
略反比例して変化し、把持部の把持力はモータの速度に
略反比例して変化する。このため、速度調整器を操作し
てモータの駆動電流を一定の範囲内で変化させることに
より、モータの速度を調整すると共に、把持部の把持力
を調整することができる。そこで、把持部により把持す
る被把持物の固さや強度等に応じて、速度調整器を調整
操作して把持部の把持力を適正に調整しておく。

【００１２】超音波モータを駆動すると、出力軸に固定
したピニオンが回転し、ピニオンと噛合した一対のラッ
クが相反方向に平行移動し、各ラックに連結部材を介し
て連結される一対の把持部が相反方向つまり把持する側
に平行移動し、把持部が被把持物を把持する。被把持物
を把持した状態で、把持部、ラック等の駆動伝達機構及
び超音波モータは停止するが、超音波モータへの駆動電
流の供給は継続され、これにより、予め調整した把持力
が把持部に加わり、その把持力で被把持物の把持を保持
する。

【００１３】このように、超音波モータの速度調整器を
操作して、把持部の把持力を調整することができるか
ら、従来のように、超音波モータの駆動力を把持部に伝
達し把持力を生じさせる伝達機構に付勢力を与えるため
のコイルばねを設ける必要がなく、把持装置の必要とす
る部品点数を少なくすることができる。また、超音波モ
ータの回転力をピニオン、ラックを介して直線運動に変
換し、把持部の把持移動に伝達するから、従来のカム円
板に設けたカム溝とピンとの係合による運動伝達機構に
比べ、把持部の把持ストロークを長くすることができ
る。また、把持部はリニアガイドにより案内保持されて
いるから、円滑に平行移動させることができる。

【００１４】更に、この把持装置をクリーンルーム内で
使用する場合、本体内部の空気を吸引して内部で発生し
た微細な粉塵を外部に吸引するための吸引ポートを、本
体に設けることが有用である。吸引ポートには、吸引ポ
ンプ等の接続された吸引用ホースを接続し、本体内の空
気を吸引して外部に排気し、内部で発生した微細な粉塵
の飛散を防止することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は把持装置の正面図を示し、
図２はその右側面図を、図３はその平面図を示してい
る。１は把持装置の本体であり、略直方体の箱形に形成
され、底部に超音波モータ１０がその出力軸１０ａを本
体１内に挿入するように上向きに固定され、カバー１１
がモータ１０を包囲するように本体１の下側に取り付け
られる。

【００１６】超音波モータ１０の出力軸１０ａにピニオ
ン９が固定され、図５の断面図に示すように、ピニオン
９の両側に一対のラック８、８が噛合して、左右方向に
移動可能に配設される。ピニオン９とラック８、８の噛
合は、その位置を調整することにより、がたつきやバッ
クラッシュを最小に設定する。一対のラック８、８は、
略Ｌ型の連結部材７、７を介して一対の把持部２、２の
下側に連結される。本体１の上部には、上板３が本体１
の上開口部を閉鎖するように取り付けられるが、この上
板３上に一対の把持部２、２が左右横方向に移動可能に
装着される。

【００１７】即ち、上板３上にリニアガイド４が左右横
方向に水平に取り付けられ、リニアガイド４上に一対の
把持部２、２が左右横方向に移動可能に取り付けられ
る。リニアガイド４は、上面長手方向に凹部５ａを有す
るガイドブロック５と、その凹部５ａ内の両側部に設け
たガイド溝に一列配置したベアリング４ａとを有して形
成され、一対の把持部２、２がそのガイドブロック５の
凹部５ａ内に、ベアリング４ａを介して長手方向（左右
方向）移動可能に組み付けられる。

【００１８】把持部２、２には位置決め用のピン６が上
下に貫通して取り付けられ、一対の略Ｌ型の把持部材１
５、１５がピン６により位置決めされた状態で把持部
２、２上に取り付けられる。本体１の側部には、内部の
空気を吸引して装置内等で発生した微細な粉塵の放散を
防止するための吸引ポート１２が設けられる。この吸引
ポート１２には、クリーンルーム内での使用の際、吸引
ポンプの吸引側に接続された吸引ホースの先端が接続さ
れ、把持装置の作動中、本体１内の空気を吸引し、装置
内で発生した微細な粉塵の放散を防止する。

【００１９】超音波モータ１０は、ステータとなるリン
グ状の振動体と、ロータとなるリング状の移動体を有し
て構成される。振動体は、リング状の弾性体上に多数の
圧電素子を配列して形成され、移動体は、リング状本体
の一面に摩擦材料層を設けて形成され、移動体は、回転
可能に且つ、その摩擦材料層を加圧ばねにより振動体上
に押し付けた状態に組み付けられる。超音波モータ１０
は、例えば５０ｋＨｚ近傍の超音波領域の周波数信号を
圧電素子に印加することにより、圧電素子つまり振動体
に超音波振動を発生させ、これによって、移動体との境
界面に表面波を生じさせ、その表面波を回転方向に進行
させて、ロータとしての移動体を回転させる。

【００２０】超音波モータ１０の駆動制御回路は、図６
のように、オシレータ１４で発振させた５０ｋＨｚ近傍
の周波数信号を分配回路１６に送り、分配回路１６から
所定の位相差をつけた周波数信号を出力させ、それらを
パワーアンプ１７、１７を通して出力トランス１８、１
８の一次側に供給し、出力トランス１８、１８の二次側
から５０ｋＨｚ付近の周波数をもち所定の位相差をもつ
正弦波と余弦波の駆動電流を超音波モータ１０に供給す
るように構成される。

【００２１】超音波モータ１０の回転速度と停止状態で
の保持トルクは、正弦波と余弦波の駆動電流の周波数を
変えることにより調整することができるが、このため
に、オシレータ１４にはその発振周波数を調整するため
の速度調整器１３がエラーアンプ１９を介して接続され
る。速度調整器１３はエラーアンプ１９の一方の入力側
に可変抵抗器を接続して構成され、速度調整器１３の可
変抵抗器を操作することにより、オシレータ１４の発振
周波数調整用の入力電圧を変えて、正弦波と余弦波の駆
動電流の周波数を調整する。従って、速度調整器１３の
操作により、超音波モータ１０に供給する正弦波と余弦
波の駆動電流の周波数が変化し、これにより、モータ１
０の回転数が制御される。

【００２２】図７のグラフ（ａ）（ｂ）は、上記構成の
把持装置を試作・実験し、その超音波モータの駆動電流
の周波数とモータの回転速度の関係を測定し、更に、そ
の周波数と把持部の把持力を測定した際の実験結果を示
している。このグラフ（ａ）から、超音波モータの駆動
電流の周波数とモータの回転速度は、略反比例の関係に
あり、グラフ（ｂ）から、駆動電流の周波数と把持部の
把持力も、略反比例関係にあることがわかる。このよう
に、速度調整器１３の操作により、超音波モータ１０の
駆動電流の周波数を、一定に範囲内で上下させると、把
持部２、２の把持力が変化することが試作・実験から判
明した。

【００２３】上記構成の把持装置は、例えばクリーンル
ーム内で搬送用ロボットのハンドとして使用され、搬送
用ロボットのアームの先端等に取り付けられる。装置上
の一対の把持部２、２上には、図１のように、使用目的
に対応した形状の把持部材１５、１５が、被把持物の大
きさに合わせた位置に取り付けられる。

【００２４】さらに、本体１側部の吸引ポート１２に
は、吸引ポンプの吸引側に接続された吸引ホースの先端
が接続される。超音波モータ１０のコネクタには駆動制
御回路からのケーブルが接続され、駆動制御回路の速度
調整器１３が、図７のグラフ（ａ）（ｂ）に示すモータ
の速度と周波数と把持力との関係から、把持部材１５、
１５が被把持物を把持したとき、希望する把持力が得ら
れるように、調整される。

【００２５】超音波モータ１０を平面図で反時計方向に
回転させると、その出力軸１０ａに固定されたピニオン
９を介して一対のラック８、８が相互に中心方向に移動
し、それに伴い、両ラック８、８に連結部材７、７を介
して連結された一対の把持部２、２が、リニアガイド４
のガイドブロック５上を中心に向けて移動する。そし
て、把持部２、２上の把持部材１５、１５が被把持物に
当って、それを把持した状態で、把持部２、２の移動が
停止する。この停止状態でも駆動制御回路は超音波モー
タ１０への駆動電流の供給を継続するから、超音波モー
タ１０の駆動による把持力が把持部２、２つまり把持部
材１５、１５に生じている。従って、この把持力により
被把持物を把持した状態に保つことができる。このと
き、超音波モータ１０の移動体を停止した状態で、振動
体を振動させることになるが、この際の振動体の発熱が
使用最大温度を越えない範囲であれば、振動体が振動す
るだけであるから、モータの移動体が停止した状態でモ
ータに駆動電流を供給し続けても、問題は生じない。

【００２６】一方、把持を解除する場合は、超音波モー
タ１０を平面図の時計方向に切り替えて回転させる。こ
の超音波モータ１０の回転により、ピニオン９を介して
一対のラック８、８が相互に外側方向に移動し、それに
伴い、両ラック８、８に連結部材７、７を介して連結さ
れた一対の把持部２、２が、リニアガイド４のガイドブ
ロック５上を外側に向けて移動する。これによって、被
把持物の把持が解除され、超音波モータ１０への駆動電
流の供給が停止される。

【００２７】ところで、把持装置が被把持物を把持した
状態で、何らかの理由により、駆動制御回路からの駆動
電流が遮断された場合、超音波モータ１０の駆動トルク
は消失するが、超音波モータ１０は、そのロータである
移動体が摩擦部材層を介して振動体表面に強く押し付け
られているから、その出力軸１０ａが容易に動くことは
なく、把持部２、２の把持位置つまり把持状態は保持さ
れる。

【００２８】このように、超音波モータ１０を使用した
把持装置では、駆動制御回路の速度調整器１３を用いて
超音波モータの回転速度と共に停止時の保持トルクを調
整することができるから、これによって、把持部２、２
の把持力を調整することができる。従って、従来のよう
に、コイルばねの付勢力により、把持力を発生させなく
ても、超音波モータ１０の保持トルクで、把持部２、２
の把持力を適正に調整して設定することができる。

【００２９】また、超音波モータ１０の回転は、ピニオ
ン９とラック８を介して把持部２、２に伝達され、平行
移動するから、把持部２、２の移動を円滑に行なえると
共に、その把持ストロークも、従来のカム溝とピンの係
合を使用する場合に比べ、長くすることができる。ま
た、リニアガイドにより把持部を案内・保持するから、
把持部の移動を円滑に行なうことができる。

【００３０】図８〜図１２は他の実施形態を示し、この
例では、リニア形超音波モータ３０が把持部２２の駆動
用に使用される。２１は本体で、略直方体の箱形に形成
され、内部にリニア形超音波モータ３０がその出力部３
０ａを上に向けて取り付けられる。リニア形超音波モー
タ３０の出力部３０ａの先端に第一リンク２９が固定さ
れ、第一リンク２９の先端は、一対の第二リンク２８、
２８の一端に軸を介して連結される。一対の第二リンク
２８、２８は水平に取り付けられた各々の軸２８ａ、２
８ａによって回動可能に軸支される。

【００３１】一対の第二リンク２８、２８の上部（他
端）には、その上方に位置する連結部材２７の軸２７ａ
に係合する係合部２８ｂが設けられる。本体２１の上部
には、上板２３が本体２１の上開口部を閉鎖して取り付
けられ、この上板２３上に、一対の把持部２２、２２が
移動可能に装着される。把持部２２、２２の下部に、連
結部材２７、２７が固定され、各連結部材２７、２７の
下部に、軸２７ａ、２７ａが設けられ、その軸２７ａ、
２７ａに上記第二リンク２８、２８の係合部２８ｂ、２
８ｂが各々係合する。

【００３２】即ち、上板２３上にリニアガイド２４が左
右横方向に水平に取り付けられ、リニアガイド２４上に
一対の把持部２２、２２が移動可能に取り付けられる。
リニアガイド２４は、上面長手方向に凹部２５ａを有す
るガイドブロック２５と、その凹部２５ａ内の両側部に
設けたガイド溝に一列配置したベアリング２４ａとを有
して形成され、一対の把持部２２、２２がそのガイドブ
ロック２５の凹部２５ａ内に、ベアリング２４ａを介し
て長手方向（左右方向）移動可能に組み付けられる。

【００３３】把持部２２、２２には位置決め用のピン２
６が貫通して取り付けられ、図示しない一対の把持部材
が、ピン２６により位置決めされた状態で把持部２２、
２２上に取り付けられる。本体２１の側部には、内部の
空気を吸引して装置内等で発生した微細な粉塵の放散を
防止するための吸引ポート３２が設けられる。この吸引
ポート３２には、クリーンルーム内での使用の際、吸引
ポンプの吸引側に接続された吸引ホースの先端が接続さ
れ、把持装置の作動中、本体１内の空気を吸引し、装置
内で発生した微細な粉塵の放散を防止する。

【００３４】超音波モータ３０は、固定子となる振動体
と、移動子となる移動体を有して構成され、振動体は、
弾性体上に多数の圧電素子を配列して形成され、移動体
は、一面に摩擦材料層を設けて形成され、移動体は、直
線状に移動可能で且つ、その摩擦材料層を加圧ばねによ
り振動体上に押し付けた状態に組み付けられる。超音波
モータ３０は、例えば５０ｋＨｚ近傍の超音波領域の周
波数信号を圧電素子に印加することにより、圧電素子つ
まり振動体に超音波振動を発生させ、これによって、移
動体との境界面に表面波を生じさせ、その表面波を長手
方向に進行させて、移動体を直線方向に移動させる。リ
ニア形超音波モータ３０の駆動制御回路は、上記の超音
波モータ１０と同様に、図６の駆動制御回路が使用さ
れ、モータ３０の速度及び把持部２２の把持力を調整す
るために、速度調整器１３が設けられる。駆動制御回路
の速度調整器１３は、上記と同様に、図７のグラフ
（ａ）（ｂ）に示すモータの速度と周波数と把持力との
関係から、把持部２２、２２が被把持物を把持したと
き、希望する把持力が得られるように、調整される。

【００３５】リニア形超音波モータ３０を駆動し、その
出力部３０ａを図１１の状態から下方に移動させると、
第一リンク２９に連係された一対の第二リンク２８、２
８がその軸２８ａ、２８ａを中心に内側に回動し、それ
に伴い、連結部材２７、２７を介して連結された一対の
把持部２２、２２が、リニアガイド２４のガイドブロッ
ク２５上を中心に向けて移動する。これによって、把持
動作が行なわれ、把持部２２、２２上の把持部材が被把
持物に当り、それを把持した状態で、把持部２２、２２
の移動が停止する。このとき、駆動制御回路は駆動電流
をリニア形超音波モータ３０に供給した状態を保持する
から、超音波モータ３０の駆動による把持力が把持部２
２、２２に生じ、この把持力により被把持物の把持状態
が保持される。上記と同様に、速度調整器１３によりリ
ニア形超音波モータ３０の速度と把持部２２、２２の把
持力が調整されているから、調整した把持力で被把持物
を把持することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の把持装置
によれば、超音波モータの速度調整器を調整操作して把
持部の把持力を適正に調整することができるから、従来
のように把持部をコイルばねの付勢力により付勢する必
要がなく、コイルばねを不要とし、部品点数を削減する
ことができる。また、超音波モータの回転力をピニオ
ン、ラックを介して直線運動に変換し、把持部の把持移
動に伝達するから、従来のカム円板に設けたカム溝とピ
ンとの係合による駆動力伝達機構に比べ、把持部の把持
ストロークを長くすることができる。また、把持部はリ
ニアガイドにより案内保持されているから、円滑に平行
移動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す把持装置の正面図で
ある。

【図２】同把持装置の右側面図である。

【図３】同把持装置の平面図である。

【図４】同把持装置の中央縦断面図である。

【図５】図３のV-V 断面図である。

【図６】超音波モータ１０の駆動制御回路のブロック図
である。

【図７】超音波モータの駆動電流の周波数と回転速度の
関係を示すグラフ（ａ）と同周波数と把持部の把持力の
関係を示すグラフ（ｂ）である。

【図８】他の実施形態の把持装置の正面図である。

【図９】同把持装置の右側面図である。

【図１０】同把持装置の平面図である。

【図１１】同把持装置の中央縦断面図である。

【図１２】図１０のII-II 断面図である。

【符号の説明】

１−本体 ２−把持部 ４−リニアガイド ５−ガイドブロック ７−連結部材 ８−ラック ９−ピニオン １０−超音波モータ １２−吸引ポート １３−速度調整器

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C007 DS01 ES03 ET08 EU04 EU07 EV02 EW00 EW12 HS00 HS27 NS17 3F061 AA01 BA03 BB08 BC05 BC09 BD00 BD04 BE02 BF00 BF11 DB06 5F031 CA20 FA02 GA12 GA14 LA08 LA09 LA14 PA20 PA23

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体上に平行移動可能に配設された一対
   の把持部と、該本体に取り付けられ該把持部を駆動する
   ための超音波モータと、を備えてなる把持装置におい
   て、 該超音波モータの出力軸に固定されたピニオンと、 該ピニオンの両側に噛合して配設され、該ピニオンの回
   転に伴い相反方向に移動する一対のラックと、 該一対の各ラックと前記一対の各把持部を各々連結する
   連結部材と、 該一対の把持部をベアリングとガイドブロックを介して
   平行移動可能に案内・保持するリニアガイドと、 該超音波モータの駆動制御回路に設けられ、該超音波モ
   ータの速度を調整する速度調整器と、 を備えたことを特徴とする把持装置。
2. 【請求項２】 前記本体に、該本体内部の空気を吸引し
   て内部で発生した微細な粉塵を外部に吸引するための吸
   引ポートが設けられた請求項１記載の把持装置。
3. 【請求項３】 本体上に平行移動可能に配設された一対
   の把持部と、該本体に取り付けられ該把持部を駆動する
   ためのリニア形超音波モータと、を備えてなる把持装置
   において、 該リニア形超音波モータの出力軸に取り付けられた第一
   リンクと、 枢軸によって揺動可能に支持され一端を該リンクに連結
   された一対の第二リンクと、 該一対の第二リンクの他端が軸を介して連係され前記一
   対の各把持部の下部に固定された連結部材と、 該一対の把持部をベアリングとガイドブロックを介して
   平行移動可能に案内・保持するリニアガイドと、 該超音波モータの駆動制御回路に設けられ、該超音波モ
   ータの速度を調整する速度調整器と、 を備えたことを特徴とする把持装置。
4. 【請求項４】 前記本体に、該本体内部の空気を吸引し
   て内部で発生した微細な粉塵を外部に吸引するための吸
   引ポートが設けられた請求項３記載の把持装置。