JP2002281768A

JP2002281768A - 回転アクチュエータ

Info

Publication number: JP2002281768A
Application number: JP2001081632A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Hirasawa; 友康平澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造により小型・軽量化が可能で、高
トルク・高耐久性・高分解能で高精度の回転アクチュエ
ータまたは高速の回転アクチュエータを提供すること。【解決手段】移動方向に伸縮する伸縮手段(伸縮用ヒ
ンジ１、移動用圧電素子２)と、伸縮手段の両端に接続
される２つ以上のクランプ手段（クランプ用ヒンジ部材
６、クランプ用圧電素子７、クランプ部材８）と、を備
えるインチワーム機構からなる回転体と、インチワーム
機構の環状のレール(環状溝９，１０)を有するベース１
１と、を具備し、回転体がレール(環状溝９，１０)に沿
って移動し、回転運動する。

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、マニピ
ュレータ、位置決めステージ等、あるいは小型・軽量で
高トルク、高分解能を必要とするアクチュエータに用い
られる回転アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットやマニピュレータ、精密位置決
めステージの駆動には、サーボモータや超音波モータが
用いられる。サーボモータにおいて小型・高トルク・高
分解能を実現するためには一般的に減速機が用いられる
が、モータの構造、減速機のサイズなどから小型化には
限界があり、多自由度のステージや多関節ロボットなど
は大きくなってしまう。超音波モータは、耐久性に問題
点があり、使用範囲が限定される。

【０００３】これに対し、単純な構造のため小型化が容
易で、高推力・高分解能が得れれるアクチュエータとし
てインチワームモータがある。たとえば、回転型のイン
チワーム方式として特開平６−１０５５６８号公報の
「インチワーム」が開示されている。このインチワーム
は、略半径方向に拡縮可能でその中に挿入されている作
業杆をクランプすることができる孔を有する固定子と、
略半径方向に拡縮可能でその中に挿入されている作業杆
をクランプすることができる孔を有し、かつ前記作業杆
の軸心回りに回転可能な回転子にを有し、固定子と回転
子のクランプと回転子の回転を適切なタイミングで切り
換えることによって作動杆をパルス状に回転している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
示される特開平６−１０５５６８号公報の「インチワー
ム」にあっては、固定子と回転子の孔の中心軸のズレに
より、作業杆の回転運動にブレが生じやすいうえ、作業
杆の疲労が起こりやすいため、寿命が短くなるという問
題点があった。

【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
って、簡単な構造により小型・軽量化が可能で、高トル
ク・高耐久性・高分解能で高精度の回転アクチュエータ
または高速の回転アクチュエータを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１にかかる回転アクチュエータにあって
は、移動方向に伸縮する伸縮手段と、前記伸縮手段の両
端に接続される２つ以上のクランプ手段と、を備えるイ
ンチワーム機構からなる回転体と、前記インチワーム機
構の環状のレールを有するベースと、を具備し、前記回
転体が前記レールに沿って移動し、回転運動するもので
ある。

【０００７】この発明によれば、インチワーム機構と環
状のレールから回転力を発生させることにより、簡単な
構造による小型で軽量の回転アクチュエータが実現可能
となる。

【０００８】また、請求項２にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記ベースは、円盤形状の内部を円形に
くり貫いた形状で、回転体が円盤形状の内部の円形の空
間で回転運動をするものである。

【０００９】この発明によれば、回転体をベースの内部
で回転運動させることにより、小型・軽量の回転アクチ
ュエータが実現可能となる。

【００１０】また、請求項３にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記レールは、前記ベースの表裏両面に
設けられた環状溝からなり、前記クランプ手段は、環状
溝を表裏両側からクランプし、前記クランプ手段のクラ
ンプ機構の開閉幅が環状溝の深さよりも小さいものであ
る。

【００１１】この発明によれば、レールとクランプ機構
を用いることにより、簡単な構造で確実なクランプ動作
が行え、安定した回転が可能となる。

【００１２】また、請求項４にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記クランプ手段は、積層型圧電素子に
電圧印加あるいは印加解除した際の変位により、クラン
プ機構を開閉するものである。

【００１３】この発明によれば、クランプ機構を積層型
圧電素子で開閉させることにより、小型・軽量かつ高ト
ルクの回転アクチュエータが実現可能になる。

【００１４】また、請求項５にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記クランプ手段は、積層型圧電素子の
変位を拡大してクランプの開閉をおこなうことが可能な
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有するものであ
る。

【００１５】この発明によれば、積層型圧電素子の変位
を拡大させ、クランプとクランプ開放の動作を確実に行
なえる。

【００１６】また、請求項６にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記伸縮手段は、変位部材と積層型圧電
素子とから構成され、前記積層型圧電素子に電圧印加あ
るいは印加解除した際の変位により前記変位部材を前記
伸縮手段の伸縮方向に変位させるものである。

【００１７】この発明によれば、インチワーム機構の伸
縮を積層型圧電素子の変位により行うことにより、小型
で軽量かつ高分解能で高トルクが実現可能になる。

【００１８】また、請求項７にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記変位部材は、変位方向が前記レール
の軌道である環状溝の半径と同一半径の円弧方向となる
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有するものであ
る。

【００１９】この発明によれば、インチワーム機構の伸
縮手段がレールの軌道である環状溝の半径と同一半径の
円弧方向に伸縮させることにより、回転体が滑らかに回
転できる。

【００２０】また、請求項８にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記変位部材は、前記積層型圧電素子の
変位を拡大して前記伸縮手段を変位させることが可能な
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有するものであ
る。

【００２１】この発明によれば、伸縮手段の変位部材が
積層型圧電素子の変位を拡大して伸縮量を大きくするこ
とにより、インチーワーム機構の１サイクル当たりの移
動量が大きくなり回転速度を上げることができる。

【００２２】また、請求項９にかかる回転アクチュエー
タにあっては、前記回転体には、前記回転体が前記レー
ルに沿って移動する円運動の中心に円運動の円を含む平
面と直角をなすように出力軸が接続されるものである。

【００２３】この発明によれば、回転体の回転中心に出
力軸を設けることにより、インチワーム機構が円運動す
ると出力軸の回転運動に変換できる。また、回転体の円
運動を出力軸に直接伝達することにより、インチワーム
機構の推力のロスがなく高トルクの回転アクチュエータ
が実現可能になる。

【００２４】また、請求項１０にかかる回転アクチュエ
ータにあっては、前記回転体は、回転角度検出器を有す
るものである。

【００２５】この発明によれば、回転体の回転角度の検
出器（エンコーダ）により、回転角の指令値と検出した
角度のズレをフィードバックすることで高精度の回転ア
クチュエータが実現可能になる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる回転アクチ
ュエータの好適な実施の形態について添付の図面を参照
し、詳細に説明する。なお、本発明はこの実施の形態に
限定されるものではない。

【００２７】図１は、本発明の実施の形態にかかわる回
転アクチュエータの回転機構部を示す説明図である。こ
の実施の形態における回転アクチュエータの回転機構部
分の構成を図１に基いて説明する。インチワーム機構か
らなる回転体の伸縮手段は伸縮用ヒンジ部材１と移動用
圧電素子２からなる。

【００２８】また、伸縮手段の両伸縮端にはクランプ用
ヒンジ部材３（６）とクランプ用圧電素子４（７）とク
ランプ部５（８）から構成されるクランプ手段が接続さ
れている。このクランプ手段はベース１１の表裏両側に
設けられた環状溝９、１０を両側からクランプする。こ
の実施の形態では、ベースが円盤形状の内部を円形にく
りぬいた形状をしており、その空間に回転体を配置して
いるが、円盤形状の外周部を回転体が円を描くように移
動することも可能である。

【００２９】つぎに、図１に示す実施例のインチワーム
機構の動作原理を、一般的なインチワーム機構を用いて
説明する。図２は、一般的なインチワーム機構の動作を
示す説明図である。図２(ａ)はインチワーム機構の停止
状態を表している。図２(ａ)において、移動用伸縮機構
２２は収縮した状態である。クランプ用伸縮機構２１、
２３は、伸張した状態になっておりその両端がクランプ
レール２４、２５の内面に当たってクランプしている。

【００３０】この状態から、図２(ｂ)に示すように、ク
ランプ用伸縮機構２３が収縮してクランプを開放し、そ
の後、移動用伸縮機構２２が伸張することにより、クラ
ンプ用伸縮機構２３が移動用伸縮機構２２の伸張方向に
移動する（図２(ｃ)）。そして、クランプ用伸縮機構２
３が伸張してクランプした（図２(ｄ)）後で、クランプ
用伸縮機構２１が収縮する（図２(ｅ)）。さらに、移動
用伸縮機構２２が収縮し，クランプ用伸縮機構２１が移
動用伸縮機構２２の収縮方向に移動する（図２(ｆ)）。
その後、クランプ用伸縮機構２１が伸張してクランプ
し、微小距離だけ移動して初期状態に戻る（図２
(ｇ)）。このサイクルを繰り返すことで、移動用伸縮機
構２２の伸張量が移動分解能となる移動が可能となる。

【００３１】また、クランプ用伸縮機構２１、２３がク
ランプレール２４、２５の内面を押してクランプするク
ランプ力が大きければ高い自己保持力が得られ、クラン
プ用伸縮機構２１、２３のクランプ力と移動用伸縮機構
２２が伸張する際の発生力が大きければ、インチワーム
機構の推力が大きくなる。

【００３２】図３は、本発明の実施の形態にかかわる回
転アクチュエータにおけるクランプ手段の動作の様子を
示す説明図である。図３に基いてこの実施の形態におけ
るクランプ手段の動作の様子を説明する。図３(ａ)はク
ランプ用圧電素子４（７）が収縮してクランプ用ヒンジ
部材３（６）が閉じた状態であり、クランプ部材５
（８）が環状溝９、１０の底面を表裏両側からクランプ
する。

【００３３】このとき、あらかじめクランプ部材５
（８）の間隔を環状溝９、１０の底面間の間隔より小さ
くすることで、クランプ用ヒンジ部材３（６）の弾性ヒ
ンジのばね性によりクランプ力が発生する。図３(ｂ)は
クランプ用圧電素子４（７）が伸張してクランプ用ヒン
ジ部材３（６）が開いた状態であり、クランプ部材５
（８）が環状溝９、１０の底面から離れてクランプを開
放している。

【００３４】このとき、クランプ用ヒンジ部材３（６）
によりクランプ用圧電素子の変位が拡大されている。ま
た、クランプ用ヒンジ部材３（６）の開閉幅が環状溝の
深さよりも小さいため、この状態でも２つのクランプ部
材５（８）の環状溝内にある。この実施の形態において
は、クランプ用圧電素子４（７）が収縮した状態でクラ
ンプ、伸張した状態でクランプを開放しているが、弾性
ヒンジ等を組み合わせるなどして、クランプ用圧電素子
が伸張した状態でクランプ、収縮した状態でクランプを
開放することも可能である。

【００３５】図４は、本発明の実施の形態にかかわる回
転アクチュエータの伸縮手段の動作によりインチワーム
機構がレール上を移動する様子を示す説明図である。図
４に基いてこの実施の形態における伸縮手段の伸縮によ
りインチワーム機構がレール上を移動する様子を説明す
る。図４において伸縮用ヒンジ部材１の端部における●
はそこに接続されるクランプ手段がクランプ中であるこ
とを示し、○はクランプ開放中であることを示す。

【００３６】図４(ａ)は、移動用圧電素子２が収縮して
おり両クランプ手段がクランプ中であり、アクチュエー
タが停止している状態である。図４(ｂ)は伸縮用ヒンジ
部材１の一方の端部のクランプが開放され移動用圧電素
子２が伸張している。移動用圧電素子２の伸張により伸
縮用ヒンジ部材１のきりかき部が微小角度だけ開き、開
放している方のクランプ手段が微小距離だけ移動する。
伸縮用ヒンジ部材のきりかき部からクランプ手段までの
距離を環状溝の半径と同じ長さにすることにより、きり
かき部が開いた際にクランプ手段は常に環状溝の円弧の
方向に移動する。

【００３７】図４(ｃ)では図４(ｂ)において開放してい
たクランプ手段がクランプし、もう一方のクランプ手段
がクランプを開放している。その後、移動用圧電素子２
が収縮することにより、開いていた伸縮用ヒンジ部材１
のきりかき部がもとに戻った状態である。

【００３８】このとき、図４(ｂ)と同様に、開放してい
るクランプ手段が環状溝の円弧の方向に移動する。図４
（ｂ）、(ｃ)のサイクルにより、インチワーム機構がレ
ール上を微小距離だけ移動する。このサイクルを繰返す
ことによってインチーワーム機構がレールにそって円を
描くように移動し、回転体の回転運動が可能となる。

【００３９】図５は、本発明の実施の形態にかかわる回
転アクチュエータ出力軸とエンコーダの接続の様子を示
す説明図である。図５に基いてこの実施の形態における
出力軸とエンコーダとの接続の様子を説明する。接続部
材１２により軸１３とエンコーダ１４が回転体と接続さ
れている。アクチュエータの出力は軸１３の回転で伝え
られる。また、エンコーダ１４より回転体の回転角度を
検出し、図示しない制御装置によりフィードバック制御
を行っている。

【００４０】つぎに、以上のように説明してきた実施の
形態の回転アクチュエータが奏する効果について列挙す
る。第１に、回転体のインチワーム機構が環状のレール
(環状溝９，１０)上を移動することで回転体が回転運動
することが可能となり、簡単な構造で小型・軽量の回転
アクチュエータが実現する。第２に、回転体がレール
(環状溝９，１０)に沿ってベース１１の内部で回転運動
することにより、回転半径を小さくすることで回転に必
要なスペースが小さくなるので、小型・軽量の回転アク
チュエータが実現する。

【００４１】第３に、溝の深さよりもクランプ部の開閉
幅を小さくするとクランプを開放した状態でもインチワ
ーム機構がレール（環状溝９，１０）から外れることが
なく、回転機構の剛性の確保と安定した回転が得られる
ため、簡単な構造で小型・軽量の回転アクチュエータが
実現する。第４に、クランプ機構を積層型圧電素子
（クランプ用圧電素子４（７））で開閉させることによ
り、小さなクランプ機構で大きなクランプ力を得ること
ができるため、インチワーム機構の推力が大きくなり小
型で高トルクの回転アクチュエータが実現する。

【００４２】第５に、クランプ機構が積層型圧電素子
（クランプ用圧電素子４（７））の変位を拡大すること
により、クランプ開放の際にクランプ部材とレールが接
触することがないため、伸縮手段の伸縮の際にも摩耗や
ズレが発生しない。このため、高耐久性、高精度の回転
アクチュエータが実現する。第６に、回転体の伸縮手段
を積層型圧電素子(移動用圧電素子２)に電圧を加えた際
の変位により行うことで、小型・軽量で高トルクを得る
ことができ、積層圧電素子の変位量を制御することによ
り高分解能のアクチュエータが実現する。

【００４３】第７に、伸縮手段の変位部材の変位方向を
環状のレールと同一の円弧方向とすることでインチワー
ム機構のクランプ部と環状レールとの衝突や摩擦が少な
くなり、インチワーム機構が滑らかに移動できる。これ
により圧電素子(移動用圧電素子２)の発生力のロスやク
ランプ部材とレールとの摩耗が減少し、高トルク・高耐
久性の回転アクチュエータが実現する。第８に、伸縮手
段の変位部材が積層型圧電素子(移動用圧電素子２)の変
位を拡大して伸縮量が大きくなると、インチーワーム機
構の１サイクル当たりの移動量が大きくなり回転速度を
上げることができる。これにより、高速の回転アクチュ
エータが実現する。

【００４４】第９に、回転体の回転中心に出力軸(軸１
３)を設けることでインチワーム機構が円運動すると出
力軸の回転運動に変換できる。また、回転体の円運動を
出力軸(軸１３)に直接伝達するため、インチワーム機構
の推力のロスがなく高トルクの回転アクチュエータが実
現する。第１０に、回転体の回転角度の検出器（エンコ
ーダ１４）により、回転角の指令値と検出した角度のズ
レをフィードバックすることで高精度の回転アクチュエ
ータが実現する。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる回
転アクチュエータ（請求項１）によれば、回転体のイン
チワーム機構が環状のレール上を移動することで回転体
が回転運動することが可能となり、簡単な構造で小型・
軽量の回転アクチュエータを提供することができる。

【００４６】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項２）によれば、回転体がレールに沿ってベース
の内部で回転運動することにより、回転半径を小さくす
ることで回転に必要なスペースが小さくなるため、小型
・軽量の回転アクチュエータを提供することができる。

【００４７】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項３）によれば、溝の深さよりもクランプ部の開
閉幅を小さくするとクランプを開放した状態でもインチ
ワーム機構がレールから外れることがなく、回転機構の
剛性の確保と安定した回転が得られるため、簡単な構造
で小型・軽量の回転アクチュエータを提供することでき
る。

【００４８】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項４）によれば、クランプ機構を積層型圧電素子
で開閉させることにより、小さなクランプ機構で大きな
クランプ力を得ることができるため、インチワーム機構
の推力が大きくなり小型で高トルクの回転アクチュエー
タを提供することができる。

【００４９】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項５）によれば、クランプ機構が積層型圧電素子
の変位を拡大することにより、クランプ開放の際にクラ
ンプ部材とレールが接触することがないため、伸縮手段
の伸縮の際にも摩耗やズレが発生しない。このため、高
耐久性、高精度の回転アクチュエータを提供することが
できる。

【００５０】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項６）によれば、回転体の伸縮手段を積層型圧電
素子に電圧を加えた際の変位により行うことで、小型・
軽量で高トルクを得ることができ、積層圧電素子の変位
量を制御することにより高分解能のアクチュエータを提
供することができる。

【００５１】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項７）によれば、伸縮手段の変位部材の変位方向
を環状のレールと同一の円弧方向とすることで、インチ
ワーム機構のクランプ部と環状レールとの衝突や摩擦が
少なくなり、インチワーム機構が滑らかに移動できる。
これにより圧電素子の発生力のロスやクランプ部材とレ
ールとの摩耗が減少し、高トルク・高耐久性の回転アク
チュエータを提供することができる。

【００５２】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項８）によれば、伸縮手段の変位部材が積層型圧
電素子の変位を拡大して伸縮量が大きくなると、インチ
ーワーム機構の１サイクル当たりの移動量が大きくなり
回転速度を上げることができる。これにより、高速の回
転アクチュエータを提供することができる。

【００５３】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項９）によれば、回転体の回転中心に出力軸を設
けることでインチワーム機構が円運動すると出力軸の回
転運動に変換できる。また、回転体の円運動を出力軸に
直接伝達するため、インチワーム機構の推力のロスがな
く高トルクの回転アクチュエータを提供することができ
る。

【００５４】また、本発明にかかる回転アクチュエータ
（請求項１０）によれば、回転体の回転角度の検出器に
より、回転角の指令値と検出した角度のズレをフィード
バックすることで高精度の回転アクチュエータを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる回転アクチュエータの実施例に
おける回転機構部を示す説明図である。

【図２】一般的なインチワーム機構の動作を示す説明図
である。

【図３】本発明にかかる回転アクチュエータの実施例に
おけるクランプ手段の動作の様子を示す説明図である。

【図４】本発明にかかる回転アクチュエータの実施例に
おける伸縮手段の動作によりインチワーム機構がレール
上を移動する様子を示す説明図である。

【図５】本発明にかかる回転アクチュエータの実施例に
おける出力軸とエンコーダの接続の様子を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１伸縮用ヒンジ部材２移動用圧電素子３クランプ用ヒンジ部材４クランプ用圧電素子５クランプ部材６クランプ用ヒンジ部材７クランプ用圧電素子８クランプ部材９環状溝１０環状溝１１ベース１２接続部材１３軸１４エンコーダ２１クランプ用伸縮機構２２移動用伸縮機構２３クランプ用伸縮機構２４クランプレール２５クランプレール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動方向に伸縮する伸縮手段と、前記伸
縮手段の両端に接続される２つ以上のクランプ手段と、
を備えるインチワーム機構からなる回転体と、前記インチワーム機構の環状のレールを有するベース
と、を具備し、前記回転体が前記レールに沿って移動し、回転運動する
ことを特徴とする回転アクチュエータ。
【請求項２】前記ベースは、円盤形状の内部を円形に
くり貫いた形状で、回転体が円盤形状の内部の円形の空
間で回転運動をすることを特徴とする請求項１に記載の
回転アクチュエータ。
【請求項３】前記レールは、前記ベースの表裏両面に
設けられた環状溝からなり、前記クランプ手段は、環状
溝を表裏両側からクランプし、前記クランプ手段のクラ
ンプ機構の開閉幅が環状溝の深さよりも小さいことを特
徴とする請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項４】前記クランプ手段は、積層型圧電素子に
電圧印加あるいは印加解除した際の変位により、クラン
プ機構を開閉することを特徴とする請求項１に記載の回
転アクチュエータ。
【請求項５】前記クランプ手段は、積層型圧電素子の
変位を拡大してクランプの開閉をおこなうことが可能な
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有することを特徴
とする請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項６】前記伸縮手段は、変位部材と積層型圧電
素子とから構成され、前記積層型圧電素子に電圧印加あ
るいは印加解除した際の変位により前記変位部材を前記
伸縮手段の伸縮方向に変位させることを特徴とする請求
項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項７】前記変位部材は、変位方向が前記レール
の軌道である環状溝の半径と同一半径の円弧方向となる
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有することを特徴
とする請求項６に記載の回転アクチュエータ。
【請求項８】前記変位部材は、前記積層型圧電素子の
変位を拡大して前記伸縮手段を変位させることが可能な
ように、弾性ヒンジ等による可動部を有することを特徴
とする請求項６に記載の回転アクチュエータ。
【請求項９】前記回転体には、前記回転体が前記レー
ルに沿って移動する円運動の中心に円運動の円を含む平
面と直角をなすように出力軸が接続されることを特徴と
する請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項１０】前記回転体は、回転角度検出器を有す
ることを特徴とする請求項１に記載の回転アクチュエー
タ。