JP2004009281A - 関節アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで省スペース構造でありながら半球面動作が可能な関節アクチュエータを提供すること。
【解決手段】第１関節軸１と第２関節軸７との間に、主関節部４を介して互いに直交する２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータであって、第１関節軸１と主関節部４との間の、第１関節軸軸周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータ２と、第２関節軸７と主関節部４との間で当該第２関節軸７と主関節部４の、第１関節軸軸方向と交差する軸周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータ２０と、を備えている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１関節軸と第２関節軸との間で、主関節部を介して２自由度の旋回動作が可能な関節アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置あるいは産業用ロボット等に用いられる、従来の関節アクチュエータは、図９に示すように、円筒型の２個の電磁モータ６０，６１を直交した形で積み重ねたような構成であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記関節アクチュエータは、２個の電磁モータ６０，６１を重ねているため、コンパクト性に欠けるという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述した従来例の有する不都合を改善し、コンパクトで省スペース構造でありながら半球面動作が可能な関節アクチュエータを提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、第１関節軸と第２関節軸との間に、主関節部を介して互いに交差する２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータにおいて、前記第１関節軸と前記主関節部との間に設けられ、当該第１関節軸と主関節部の第１関節軸軸周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、前記第２関節軸と主関節部との間に設けられ、当該第２関節軸と主関節部の、前記第１関節軸軸方向と交差する軸周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータと、を備え、前記第２モータは、円弧形状のステータ及びこれに対向するロータから成っていることをことを特徴としている。
【０００６】
また、前記第１モータあるいは前記第２モータの一方、又はその両方が超音波モータであることを特徴としている。
さらに、前記第１関節軸と前記主関節部の相対的な旋回動作を可能とする軸受が、前記第１関節軸軸方向と交差する軸よりも前記第２関節軸側の位置に設けられていることを特徴としている。
【０００７】
以上のように構成されたことで、第２モータは円弧形状であるため、必要な旋回角に応じて円弧の長さを設定することができ、主関節部の中心軸方向のサイズが小さくなる。超音波モータを採用しているため、ステータとロータの対向する方向の厚さを小さくすることができ、全体としてのコンパクト化に寄与するものとなる。また、第１関節軸の軸受をさらに第２関節軸側の位置に近付けて配置することにより、主関節部の中心軸方向のサイズがさらに小さくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図、図２は図１の関節アクチュエータを示す斜視図、図３は超音波モータの動作原理を示す説明図、図４はリニアモータの動作原理を示す説明図、図５は第２の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図、図６は図５の関節アクチュエータを示す斜視図、図７は第３の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図、図８は図７の関節アクチュエータを示す斜視図である。
【０００９】
先ず、第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。本発明の関節アクチュエータは、図示しない装置本体側に固定された第１関節軸１、この第１関節軸１に外嵌する主関節部４、第１関節軸１と主関節部４との間に設けられ、この第１関節軸１と主関節部４の第１関節軸１軸周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータである回転型超音波モータ２、第１関節軸１と主関節部４との間に介装された第１関節軸軸受３、主関節部４の外周部に第２関節軸軸受６により回動自在に軸支された円弧形状の第２関節可動部５、第２関節可動部５に取り付けられた第２関節軸７、等から構成されている。
【００１０】
第１関節軸軸受３は、第１関節軸１に外嵌・固定された内輪３１、主関節部４に内嵌・固定された外輪３２、外輪３２と内輪３１間に転動自在に配置された複数の転動体３４から成っている。
【００１１】
回転型超音波モータ２は、金属体であるステータ２２、ステータ２２に圧接するように配置されたロータ２３、主関節部４と結合したロータ連結体２４、ステータ２２の片面に接着されていて、第１関節軸１と一体的に形成された圧電セラミック２１から成っている。ロータ２３のステータ２２への圧力は第１関節軸軸受３の予圧によって与えられる。ロータ２３に接するステータ２２表面には櫛歯のように細かい溝が多数形成されている。これにより、ロータ２３とステータ２２との摩擦を大きくして、ロータ２３がステータ２２の櫛歯に対してスリップしないで回転するようになっている。圧電セラミック２１は特定の高周波電圧を印加すると電歪効果によって伸縮し、超音波振動を発生する。
【００１２】
主関節部４の先端部には、その回転中心軸方向に突出する所定厚みの半円形部４０が形成されている。この半円形部４０は、その外周面の前記回転中心軸方向に直交する方向に設けられたステータ突出歯列４１と、側端面４２とから成っている。一方、第２関節可動部５の内周面の中央部にはロータ突出歯列５１が形成されている。このロータ突出歯列５１がステータ突出歯列４１に近接・対向するように、第２関節可動部５が第２関節軸軸受６にて軸支されることにより、リニアステップモータ２０が構成されている。即ち、このリニアステップモータ２０は、第２関節軸７と主関節部４との間に設けられ、この第２関節軸７と主関節部４の、第１関節軸軸方向と直交する第２関節軸軸受６の軸周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータとしての機能を有している。
【００１３】
このように、第２モータ（リニアステップモータ２０）は円弧状であるため、必要な旋回角に応じて円弧の長さを設定することができ、主関節部４の中心軸方向のサイズをコンパクト化することができる。そして、回転型超音波モータ２を採用しているため、ステータ２２とロータ２３の対向する方向の厚さを小さくすることができるので、結果としてアクチュエータの全体としてのコンパクト化に寄与するものとなる。
【００１４】
上記構成における回転型超音波モータ２の駆動原理について、図３を参照して説明する。ステータ２２に超音波振動（矢印Ａで示す）を伝達させると、ステータ２２に形成した多数の溝の凸部２２ａも振動によって微小な楕円運動（矢印Ｂで示す）を起こし、進行波として矢印Ｃ方向に進む。ロータ２３はステータ２２の凸部２２ａに対して所定の圧力Ｐで当接しているため、ステータ２２の振動が摩擦によりロータ２３に伝達されて、ロータ２３はステータ２２の進行波の進行方向とは逆方向（矢印Ｄ方向）に送り出される。
【００１５】
また、上記リニアステップモータ２０の原理については、図４に示すように、２相のロータ突出歯列５１側に巻かれたそれぞれのコイル５２に周期的に変化する電圧を位相を９０°異らせて付与することより当該突出歯列５１の各歯毎の磁界を順次変化させ、この磁界により、最も強く引き付け合うロータ突出歯列５１側の歯とステータ突出歯列４１側の歯との組合せを次々に切換えることにより、ロータ突出歯列５１側がステータ突出歯列４１に沿って移動する。
【００１６】
このような動作原理に基づく関節アクチュエータの動作について説明する。所定の高周波電圧を圧電セラミック２１に印加することにより発生した超音波振動はステータ２２に伝達される。ステータ２２に伝達された振動はステータ２２を撓ませながら進行波として連続的に一方向に進む。回転型超音波モータ２において、ロータ２３はステータ２２の進行波の進行方向とは逆の方向に回転する。ロータ２３の回転に伴い、主関節部４は、ロータ連結体２４及び外輪３２と共に、内輪３１（第１関節軸１）に対して回転動作をする。
【００１７】
このように、主関節部４の回転動作と第２関節可動部５の半円にわたる回転動作により、第２関節軸７は第１関節軸１に対して半球面上を走査運動することができる。
【００１８】
次に、第２の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。この実施形態は上記実施形態と略同様であって、同一部材には同一番号を付している。異なっているのは、主関節部４に一体的に形成した半円形部４０の側端面４２にもステータ突出歯列４３を形成し、この歯列４３に対向する第２関節可動部５の部分にロータ突出歯列部５２を設けている点である。
この構成により、第２関節軸７の第２関節可動部５の回動方向の駆動力が補強され、アクチュエータの駆動性を向上させることができる。
【００１９】
また、第３の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。この実施形態は第１の実施形態と略同様であって、同一部材には同一番号を付している。異なっているのは、主関節部４の半円形部４０を半球形状の半球部４５とし、この半球部４５の内部に上記実施形態と同様の第１関節軸軸受３と回転型超音波モータ２を配設して、第２関節可動部５の第２関節軸軸受６の軸位置を第１関節軸軸受３よりも第１関節軸１側に配置している点である。言い替えると、第１関節軸軸受３を第２関節軸軸受６の軸位置よりも第２関節軸７側に配置している。
【００２０】
この構成により、主関節部４の部分をその軸方向で大幅に小さくできるので、上記第１，第２の実施形態よりもさらなるコンパクト化が達成された関節アクチュエータを実現することができる。
【００２１】
尚、上記各実施形態では、第１モータとして回転型超音波モータ、第２モータとしてリニアステップモータを採用したが、これに限らず、第１モータに回転型ステップモータ、第２モータにリニア型超音波モータを、また、それぞれ回転型超音波モータとリニア型超音波モータ採用しても良い。何れにしても、少なくとも一方のモータに超音波モータを採用すれば、ステータとロータの対向する方向の厚さを小さくすることができるので、全体としてのコンパクト化に寄与するものとなる。
【００２２】
加えて、上記各実施形態においては、リニアステップモータ、超音波モータを採用したが、これに限らず、他の種類のモータも使用することができる。又、第１関節軸１を固定軸としたが、第２関節軸７を固定軸としても良い。又、２つの旋回軸が直交する構成としたが、必ずしも直交でなくても良い。又、採用した軸受の種類や構成も上記各実施形態のものに限定されない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１関節軸と主関節部との間に設けられ、当該第１関節軸と主関節部の第１関節軸軸周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、第２関節軸と主関節部との間に設けられ、当該第２関節軸と主関節部の、第１関節軸軸方向と交差する軸周りの相対的な旋回運動を付与する第２モータと、を備え、第２モータは、円弧形状のステータ及びこれに対向するロータから成っているので、必要な旋回角に応じて円弧の長さを設定することができ、主関節部の中心軸方向のサイズをコンパクト化することができる。したがって、コンパクトでありながら半球面動作が可能な関節アクチェータを実現することができる。
【００２４】
また、超音波モータを採用しているので、ステータとロータの対向する方向の厚さを小さくすることができ、全体としてのコンパクト化に寄与することができる。
さらに、第１関節軸の軸受を第２関節軸側の位置により近付けて配置することにより、主関節部の中心軸方向のサイズを大幅にコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図。
【図２】図１の関節アクチュエータを示す斜視図。
【図３】超音波モータの動作原理を示す説明図。
【図４】リニアステップモータの動作原理を示す説明図。
【図５】第２の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図。
【図６】図５の関節アクチュエータを示す斜視図。
【図７】第３の実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図。
【図８】図７の関節アクチュエータを示す斜視図。
【図９】従来の関節アクチュエータを示す概略斜視図。
【符号の説明】
１　　　第１関節軸
２　　　第１モータ（超音波モータ）
３　　　第１関節軸軸受
４　　　主関節部
５　　　第２関節可動部
６　　　第２関節軸軸受
７　　　第２関節軸
２０　　第２モータ（リニアステップモータ）
２２　　ステータ
２３　　ロータ
２４　　ロータ連結体
２１　　圧電セラミック
４０　　半円形部
４１　　ステータ突出歯列
５１　　ロータ突出歯列

Claims (4)

1. 第１関節軸と第２関節軸との間に、主関節部を介して互いに交差する２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータにおいて、
   前記第１関節軸と前記主関節部との間に設けられ、当該第１関節軸と主関節部の第１関節軸軸周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、
   前記第２関節軸と主関節部との間に設けられ、当該第２関節軸と主関節部の、前記第１関節軸軸方向と交差する軸周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータと、
   を備えたことを特徴とする関節アクチュエータ。
2. 前記第２モータは、円弧形状のステータ及びこれに対向するロータから成っていることを特徴とする請求項１記載の関節アクチュエータ。
3. 前記第１モータあるいは前記第２モータの一方、又はその両方が超音波モータであることを特徴とする請求項１、又は２記載の関節アクチュエータ。
4. 前記第１関節軸と前記主関節部の相対的な旋回動作を可能とする軸受が、前記第１関節軸軸方向と交差する軸よりも前記第２関節軸側の位置に設けられていることを特徴とする請求項１、２、又は３記載の関節アクチュエータ。

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