JP2004364397A - 多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固定子2の上面に回転子3が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子3に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する回転子収容保持部材4と、回転子3の軸傾斜運動に伴って、当該回転子3の鉛直上方に軸支された負荷重量物γに生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する複数の弾性体5,5,…と、回転子収容保持部材4に対する回転子3の相対軸回転角を計測するロータリーエンコーダ7と、固定子2の設置座標系に設定される2箇所の計測基準点と、回転子収容保持部材4に設定される2箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測する第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bとを具備する特徴的構成手段の採用。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置に関し、詳しくは、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】
近年、人間型ロボットの関節機構など、高トルク、高自由度動作を要求される部位に使用されるアクチュエータとして、従来の1自由度電磁式サーボモータに代り、省スペース、高トルクの多自由度超音波モータの適用が期待されている。特に、人間型ロボットの首関節機構のように、負荷重量物たる頭部を鉛直に支えつつその姿勢を多自由度に変位させる必要のある部位に対し、この種の多自由度超音波モータの応用が大いに期待されている。
【0003】
一般に、多自由度超音波モータは、互いに振動方向が異なる複数の圧電素子を積層してなる円筒形の固定子(ステータ)と、この固定子上に密着して載置された球形の回転子(ロータ)とを有して構成される。当該多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく互いに位相が異なる交流電圧を印加した場合、各圧電素子に固有振動が励起されて超音波が発生し、それら固有振動モードの組み合せにより、固定子に密着して載置された回転子が任意の方向に回転するようになる。
【0004】
ここで、以上のように3自由度の回転動作を行う多自由度超音波モータを適切に駆動するには、当該多自由度超音波モータの回転子の姿勢角(軸回転角並びに軸傾斜角及び方向)を正確に計測する必要があるが、例えば、上述した従来の1自由度電磁式サーボモータの回転角計測に利用されているエンコーダは、多自由度超音波モータの姿勢角計測の手段としては原理的に不向きである。
【0005】
このため、従来では、所要の姿勢角計測に際し、例えば、下記の非特許文献1及び2に記載のように、3つの1自由度回転角度センサを機構的に組み合せて多自由度超音波モータに接続し、各回転角度センサの計測値を元に回転角度算出に係る幾何学的計算を行う手法や、或いは、小型の回転角速度計測用のレートジャイロを回転子に固定し、その回転に伴って計測された角速度を積分する手法などが提案されている。
【0006】
【非特許文献1】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Characteristics of an Ultrasonic Motor Capable of Generating a Multi−Degrees of Freedom Motion’, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2000.
【0007】
【非特許文献2】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Control of Multi−DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model’, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 2002.
【0008】
一方、多自由度超音波モータの駆動に際して高い回転トルクを得るには、その回転子が、固定子から十分強い垂直抗力を受けるような予圧機構が必要となる。逆に、当該多自由度超音波モータの回転子に適切な予圧が為されれば、当該回転子の静止時において、特別な駆動制御を行うことなく高い静止トルクを得ることが可能となる。
【0009】
このため、例えば、下記の非特許文献3に記載のように、穴を設けた予圧材を回転子の上方に載置し、当該予圧材により回転子に対して垂直方向に予圧を付加する手法や、或いは、上記非特許文献1に記載のように、固定子の側に電磁石を設置し、当該電磁石から発生する磁気吸引力により回転子を固定子の上面に引き付ける手法などが提案されている。
【0010】
【非特許文献3】
ユンチョルホ、庭野慎一郎、Friend, James R.、石井孝明、中村健太郎、上羽貞行、‘3自由度超音波モータの球ロータ支持機構’、第23回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演予稿集、2002年11月
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転角度センサなどからなる機構物を利用して所要の姿勢角計測を行おうとする場合、その機構部分の発生する騒音が問題となり、また、3自由度の回転角度を同時に計測可能な機構物を構成しようとすると、その機構自体が複雑となって、回転子の可動範囲を極端に狭めてしまうなどの新たな問題を生じてしまう。さらに、上記機構物自身が、一般に多自由度超音波モータの回転子の可動範囲を狭めてしまうという問題もある。
【0012】
これに対し、所要の回転角度計測にレートジャイロを利用する場合、一般に、レートジャイロは低速回転時における角速度計測精度が悪いため、回転子の回転に伴って連続的に計測された角速度値を積分するに当り、積分誤差が徐々に蓄積されていくという不可避の問題がある。これでは、所要の回転角度計測を長時間に亙って高精度に行うことは期待できない。
【0013】
一方、回転子の上方に予圧材を載置して回転子に所要の予圧を得る場合、回転子の上方に付加重量物が機械的に固定されたときに、その回転子の可動範囲が当該予圧材により狭まってしまうという問題がある。また、これを回避するため予圧材の穴の直径を大きくすると、その予圧材が回転子に与える摩擦力により生じる回転抵抗トルクが大きくなってしまうという問題が生じる。
【0014】
他方、電磁石を利用して回転子に所要の予圧を得る場合、電磁力の強さが距離の三乗に反比例して急激に減衰するという理論上の問題から、十分な予圧を得るには、高エネルギーを供給可能な電力装置を別途必要とするという問題がある。
【0015】
さらに、上記のように、多自由度超音波モータの回転子の上方に負荷重量物が機械的に固定されている場合においては、当該回転子の軸傾斜運動により負荷重量物が傾斜したときに、その傾斜方向に対する傾斜負荷トルクや回転子への横力などが発生し、同回転子から固定子に与えられる力の特性が複雑となって、多自由度超音波モータの駆動制御自体が難しくなるという問題がある。
【0016】
加えて、以上の姿勢角計測用の機構物と予圧付加用の機構物とを、多自由度超音波モータに同時に適用しようとする場合、両者を限られた空間内に並存させて配置することは極めて困難である。
【0017】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【0018】
即ち、本発明の第1の目的は、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【0019】
本発明の第2の目的は、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【0020】
本発明の第3の目的は、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を狭い空間内に同時に並存させることの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【0021】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明装置においては、固定子の上面に回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、回転子の軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、予圧付与手段に対する回転子の相対軸回転角を計測する回転子軸回転角計測手段と、固定子の設置座標系に設定される2箇所の計測基準点と、予圧付与手段に設定される2箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【0023】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、上記目的を達成するよう為される。
【0024】
即ち、本発明装置の第1の特徴は、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う前記回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置であって、前記固定子の上面に前記回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、前記回転子の前記軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、前記予圧付与手段と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、前記予圧付与手段に対する前記回転子の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から前記固定子の設置座標系における前記回転子の前記軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段と、前記固定子の前記設置座標系に設定される2箇所の計測基準点と、前記予圧付与手段に設定される2箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて前記回転子の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0025】
本発明装置の第2の特徴は、上記本発明装置の第1の特徴における前記予圧付与手段が、その下端を前記回転子に固定され上端を前記負荷重量物に固定される軸支回転シャフトを介して、当該回転子の上半部を前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部と、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、前記突立円筒ボス部の下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部とを具備する回転子収容保持部材と、この回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部と、前記固定子の前記設置座標系を構成するモータ架設基板との間に亙ってそれぞれ両端を止着張架されて、前記回転子収容保持部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の弾性体とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0026】
本発明装置の第3の特徴は、上記本発明装置の第2の特徴における前記回転子収容保持部材が、その内輪を貫通する軸支回転シャフトの外周面に固定され、ボールを挟んで相対峙する外輪を前記突立円筒ボス部の内筒面に固定されたボールベアリングを内有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0027】
本発明装置の第4の特徴は、上記本発明装置の第3の特徴における前記回転子収容保持部材が、前記ボールベアリングの内輪下端と前記回転子との間の前記軸支回転シャフトに空転自在に巻装介在した回転カラーを有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0028】
本発明装置の第5の特徴は、上記本発明装置の第2、第3又は第4の特徴における前記回転子軸回転角計測手段が、前記軸支回転シャフトに貫通固定されたロータに相対峙するエンコーダを前記回転子収容保持部材における前記突立円筒ボス部の内筒面に固定してなるロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0029】
本発明装置の第6の特徴は、上記本発明装置の第5の特徴における前記ロータリーエンコーダが、光学式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0030】
本発明装置の第7の特徴は、上記本発明装置の第5の特徴における前記ロータリーエンコーダが、磁気式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0031】
本発明装置の第8の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6又は第7の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記モータ架設基板における上面対応領域との間に張設されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0032】
本発明装置の第9の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6、第7又は第8の特徴における前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部が、8片以上を具備して構成され、前記複数の弾性体が、8本以上を具備して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0033】
本発明装置の第10の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8又は第9の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記複数の弾性体自身である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0034】
本発明装置の第11の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、第9又は第10の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、樹脂素材からなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0035】
本発明装置の第12の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、第9又は第10の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、金属製のつる巻バネからなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0036】
本発明装置の第13の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、第9、第10、第11又は第12の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記2箇所の計測基準点と対向する前記2箇所の計測対称点との間の前記各直線距離の計測を光学的に行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0037】
本発明装置の第14の特徴は、上記本発明装置の第13の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記2箇所の計測基準点と対向する前記2箇所の計測対象点との間の前記各直線距離の光学的計測をそれぞれレーザ光線により行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0038】
本発明装置の第15の特徴は、上記本発明装置の第14の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記モータ架設基板上の2箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する前記回転子収容保持部材の底面領域に向け前記レーザ光線をそれぞれ発射する第1及び第2のレーザ式測距センサと、前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部により構成される所定の2箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、前記第1及び第2のレーザ式測距センサからそれぞれ発射された前記レーザ光線を当該第1及び第2のレーザ式測距センサに向けそれぞれ反射する第1及び第2の平面反射板とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0039】
本発明装置の第16の特徴は、上記本発明装置の第15の特徴における前記設置座標系に設定される前記2箇所の計測基準点が、前記第1及び第2のレーザ式測距センサにおいてそれぞれ前記レーザ光線の発射点を構成する第1及び第2の計測基準点であり、前記予圧付与手段に設定される前記2箇所の計測対象点が、前記第1及び第2の平面反射板においてそれぞれ前記レーザ光線の反射点を構成する第1及び第2の計測対象点である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0040】
本発明装置の第17の特徴は、上記本発明装置の第16の特徴における前記第1及び第2のレーザ式測距センサが、該当する前記第1及び第2の計測基準点が前記回転子の最大傾斜時においても前記第1及び第2の平面反射板の鉛直下方に常に位置するよう、前記モータ架設基板上の前記2箇所の領域にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0041】
本発明装置の第18の特徴は、上記本発明装置の第17の特徴における前記第1及び第2の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上にその底面をほぼ設定されて、前記第1及び第2の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において前記回転子の中心を通る一直線上の対側に配置することのない前記2箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0042】
本発明装置の第19の特徴は、上記本発明装置の第18の特徴における前記第1及び第2の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上において、前記回転子の中心を通る直交二直線上に直角配置する前記2箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0043】
本発明装置の第20の特徴は、上記本発明装置の第15、第16、第17、第18又は第19の特徴における前記第1及び第2の平面反射板が、前記2箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その一装置例を挙げて説明する。
【0045】
まず、図1は、本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図であり、図2は、図1に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【0046】
同図に示すように、まず、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αに適用される多自由度超音波モータβは、複数の圧電素子1,1,…(図の付点領域)を重層して構成された円筒形の固定子2と、それら複数の圧電素子1,1,…への交流電圧の印加に伴って当該固定子2に生じる超音波振動により回動する球形の回転子3とを有して構成される。なお、当該多自由度超音波モータβにおける固定子2から回転子3に対する当該各回転子3の軸回転方向及び軸傾斜方向への拘束力は存在しない。
【0047】
以上のような構成をもつ多自由度超音波モータβにおいて、複数の圧電素子1,1,…への交流電圧の印加に伴う回転子3の姿勢角(軸回転角並びに軸傾斜角及び方向)を随時計測するために、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αは、回転子収容保持部材4と、複数の弾性体5,5,…と、ボールベアリング6と、ロータリーエンコーダ7と、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bと、第1及び第2の平面反射板9a及び9bを有して構成される。
【0048】
このうち、回転子収容保持部材4は、その下端を回転子3に固定され上端を負荷重量物γに固定される軸支回転シャフト10を介して、当該回転子3の上端部を軸回転運動及び軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部4aと、回転子3の中心において軸支回転シャフト10の軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、突立円筒ボス部4aの下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部4b,4b,…とを具備して構成される。
【0049】
また、複数の弾性体5,5,…は、回転子2の中心からそれぞれ等距離(点対称)に位置する回転子収容保持部材4における複数の放射翼部4b,4b,…の下面外端域と、固定子2の設置座標系を構成するモータ架設基板11における上面対応領域との間に亙って、それらの自然長よりも伸張した状態で止着張架されて、回転子収容保持部材4を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引するものである。なお、この状態において、固定子2は、モータ架設基板11に固定されたモータ固定部材12により強固に固定されている。
【0050】
ここで、上記複数の弾性体5,5,…として、その適用に際し、弾性定数(バネ定数)及び自然長がそれぞれ等しいものを選定すれば、回転子3が軸傾斜運動を行っていない定常時には、静止座標系(固定子2の設置座標系)において水平な状態を保つようになり、それが軸傾斜運動を行って負荷重量物γが傾斜したときには、複数の弾性体5,5,…それぞれの伸張量(引っ張り力)の差から生じる逆方向の偶力トルクが、その負荷重量物γの傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減するよう作用する。このとき、複数の弾性体5,5,…としては、負荷重量物γの最大傾斜時における偶力トルクが、そのときの傾斜負荷トルクと一致するような弾性定数を有するものを適用すると効果的である。
【0051】
また、これら複数の弾性体5,5,…を、実際に、回転子収容保持部材4における放射翼部4b,4b,…とモータ架設基板11との間に接続する場合、それらの各上端における取付位置は、回転子3の中心を通る水平基準面S上に設定するとよい(図1参照)。こうすることで、負荷重量物γ(回転子収容保持部材4)の傾斜角の違いによる上記負荷傾斜トルクと偶力トルクとの大きさの差の変化量を最小にすることができる。
【0052】
さらに、回転子収容保持部材4における複数の放射翼部4b,4b,…の数を8片(以上)に設定し、対応する複数の弾性体6,6,…の数を8本(以上)に選定して、これらを等距離、相互等間隔に位置させれば、負荷重量物γ(回転子収容保持部材4)の任意方向への傾斜の影響による各弾性体の伸張量の差を微小なもの(8本の弾性体6,6,…を採用した場合には数パーセント以内)に抑制することが可能となる(図2参照)。また、複数の弾性体5,5,…として直径の小さいものを採用してその本数を増加させ、或いは、それらの取付けの長さを長くすることにより、上記偶力トルクの大きさの違いをさらに小さく抑えることが可能となる。
【0053】
なお、複数の弾性体5,5,…の素材としては、それぞれ、その伸縮時の静音性に優れたゴムなどの樹脂素材(合成ゴムなどの合成樹脂素材を含む)からなるものを採用するのが好適ではあるが、その静音性に対する要求が高くない場合には、金属製のつる巻バネからなるものを適用することができる。
【0054】
そして、以上の回転子収容保持部材4及び複数の弾性体5,5,…を以って、固定子2の上面に回転子3が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子3に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段が構成される。また、複数の弾性体5,5,…自身を以って、回転子3の軸傾斜運動に伴って、当該回転子3の鉛直上方に軸支された負荷重量物γに生じる傾斜負荷トルクを、予圧付与手段(回転子収容保持部材4)と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段が構成される。
【0055】
一方、ボールベアリング6は、その内輪を貫通する軸支回転シャフト10の外周面に固定され、ボール(符号は付さず)を挟んで相対峙する外輪を回転子収容保持部材4における突立円筒ボス部4aの内筒面に固定されており、当該ボールベアリング6により、回転子3の軸回転運動が、軸支回転シャフト10を介して負荷重量物γに伝達されると共に、その軸傾斜運動が、回転子3の摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制しつつ、当該軸支回転シャフト10を介して回転子収容保持部材4に伝達される。なお、ボールベアリング6の内輪下端と回転子3との間に位置する軸支回転シャフト10には、当該ボールベアリングの内輪を支持するための回転カラー13が空転自在に巻装介在される。また、この種のボールベアリング6に代えて、例えば、その内筒面を軸支回転シャフト10の外周面に摺動自在に接触させつつ、回転子収容保持部材4における突立円筒ボス部4aの内筒面に固定された端輪ベアリングなども適用することができる。
【0056】
他方、ロータリーエンコーダ7は、光学式又は磁気式からなり、軸支回転シャフト10に貫通固定されたロータ(内輪)に相対峙するエンコーダ(外輪)を回転子収容保持部材4における突立円筒ボス部4aの内筒面に固定してなり、当該ロータリーエンコーダ7により、予圧付与手段(回転子収容保持部材4)に対する回転子3の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から固定子2の設置座標系における回転子3の軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段が構成される。なお、本発明の構成上、回転子収容保持部材4自身は、回転子3の軸回転運動に追随しないため、このとき計測される相対軸回転角は、静止座標系(固定子2の設置座標系)における回転子3(軸支回転シャフト10)の軸回転角と等しいものになり、かつ、その軸回転運動の範囲も制限がない。
【0057】
また、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bは、モータ架設基板11上の2箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する回転子収容保持部材4の底面領域に向けレーザ光線をそれぞれ発射するものであり、これに対し、第1及び第2の平面反射板9a及び9bは、回転子収容保持部材4における複数の放射翼部4b,4b,…により構成される所定の2箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bからそれぞれ発射されたレーザ光線を当該第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bに向けそれぞれ反射するものである。
【0058】
そして、両者を以って、固定子2の設置座標系に設定される2箇所の計測基準点と、予圧付与手段(回転子収容保持部材4)に設定される対向する2箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて回転子3の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段が構成される。なお、固定子2の設置座標系に設定される2箇所の計測基準点は、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bにおいてそれぞれレーザ光線の発射点を構成する第1及び第2の計測基準点であり、予圧付与手段(回転子収容保持部材4)に設定される2箇所の計測対象点は、第1及び第2の平面反射板9a及び9bにおいてそれぞれレーザ光線の反射点を構成する第1及び第2の計測対象点である。
【0059】
ここで、第1及び第2の平面反射板9a及び9bは、回転子3の中心において軸支回転シャフト10の軸支方向と直交する平面上にその底面をほぼ設定されて、第1及び第2の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において回転子3の中心を通る一直線上の対側に配置することのない2箇所の間隙にそれぞれ配置され、好ましくは、上記平面上において回転子3の中心を通る直交二直線上に直角配置する2箇所の間隙にそれぞれ配置される。これに対し、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bは、該当する第1及び第2の計測基準点が第1及び第2の平面反射板9a及び9bの鉛直下方に位置するよう、モータ架設基板11上の2箇所の領域にそれぞれ配置される。なお、これら第1及び第2の平面反射板9a及び9bは、上記2箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成するとよい(図2参照)。
【0060】
そして、以上の構成により、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bは、レーザ光線を鉛直上方に発射して、第1及び第2の平面反射板9a及び9bとの間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果から算出可能な第1及び第2の平面反射板9a及び9bの各法線ベクトルが、回転子3の軸傾斜角及び方向の算出に供されるようになる。
【0061】
次に、図3は、図1及び図2に示される平面反射板9a及び9bに対するレーザ式測距センサ8a及び8bの配置形態を示す図である。
【0062】
同図に示すように、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bにおいてレーザ光線の発射点を構成する第1及び第2の計測基準点は、回転子3(回転子収容保持部材4)の最大傾斜時においても第1及び第2の平面反射板9a及び9bにレーザ光線が常に照射される領域、即ち、当該第1及び第2の平面反射板9a及び9bの鉛直下方に常に位置する領域に設定される。
【0063】
ここで、上記第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bにおける第1及び第2の計測基準点の位置を定義する2つの直線(レーザ光線の放射軸)の、固定子2の設置中心軸(回転子3の回転中心軸)からの距離Wは、回転子3の中心を原点としたときに第1及び第2の平面反射板9a及び9bの先端が描く軌跡円(図2における点線円)の半径をR、回転子3(回転子収容保持部材4)の最大許容傾斜角をθとすれば、W=R×cosθと表すことができる。
【0064】
なお、固定子2の設置中心軸に対する回転子3の回転中心軸の傾斜角を計測する際の誤差を最小にするには、上記距離Wを可能な範囲でできるだけ大きな値に設定する必要があるが、第1及び第2のレーザ式測距センサ8a及び8bから発射されるレーザ光線が第1及び第2の平面反射板9a及び9bに確実に照射されて、回転子3の傾斜角が安定して計測されるよう、実際の距離Wは、R×cosθよりも若干小さい値に設定しておくことが好ましい。
【0065】
以上、本発明の実施の形態につき、その一装置例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【0066】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ高周波により長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことが可能になると共に、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することが可能となる。また、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を、高エネルギーを供給可能な電力装置などを適用することなく、狭い空間内に同時に並存させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図2】図1に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【図3】図1及び図2に示される平面反射板に対するレーザ式測距センサの配置形態を示す図である。
【符号の説明】
α…回転子姿勢角計測装置
β…多自由度超音波モータ
γ…負荷重量物
S…水平基準面
1…圧電素子
2…固定子
3…回転子
4…回転子収容保持部材
4a…突立円筒ボス部
4b…放射翼部
5…弾性体
6…ボールベアリング
7…ロータリーエンコーダ
8a…第1のレーザ式測距センサ
8b…第2のレーザ式測距センサ
9a…第1の平面反射板
9b…第2の平面反射板
10…軸支回転シャフト
11…モータ架設基板
12…モータ固定部材
13…回転カラー
Claims (20)
- 複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う前記回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置であって、
前記固定子の上面に前記回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、
前記回転子の前記軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、前記予圧付与手段と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、
前記予圧付与手段に対する前記回転子の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から前記固定子の設置座標系における前記回転子の前記軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段と、
前記固定子の前記設置座標系に設定される2箇所の計測基準点と、前記予圧付与手段に設定される2箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて前記回転子の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段と、を有して構成される、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記予圧付与手段は、
その下端を前記回転子に固定され上端を前記負荷重量物に固定される軸支回転シャフトを介して、当該回転子の上半部を前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部と、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、前記突立円筒ボス部の下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部とを具備する回転子収容保持部材と、
この回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部と、前記固定子の前記設置座標系を構成するモータ架設基板との間に亙ってそれぞれ両端を止着張架されて、前記回転子収容保持部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材は、
その内輪を貫通する軸支回転シャフトの外周面に固定され、ボールを挟んで相対峙する外輪を前記突立円筒ボス部の内筒面に固定されたボールベアリングを内有する、
ことを特徴とする請求項2に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材は、
前記ボールベアリングの内輪下端と前記回転子との間の前記軸支回転シャフトに空転自在に巻装介在した回転カラーを有する、
ことを特徴とする請求項3に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸回転角計測手段は、
前記軸支回転シャフトに貫通固定されたロータに相対峙するエンコーダを前記回転子収容保持部材における前記突立円筒ボス部の内筒面に固定してなるロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項2、3又は4に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記ロータリーエンコーダは、
光学式ロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項5に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記ロータリーエンコーダは、
磁気式ロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項5に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記モータ架設基板における上面対応領域との間に張設される、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6又は7に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部は、
8片以上を具備して構成され、
前記複数の弾性体は、
8本以上を具備して構成される、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6、7又は8に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記傾斜負荷トルク補償手段は、
前記複数の弾性体自身である、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6、7、8又は9に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
樹脂素材からなる、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6、7、8、9又は10に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
金属製のつる巻バネからなる、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6、7、8、9又は10に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記2箇所の計測基準点と対向する前記2箇所の計測対称点との間の前記各直線距離の計測を光学的に行う機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項2、3、4、5、6、7、8、9、10、11又は12に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記2箇所の計測基準点と対向する前記2箇所の計測対象点との間の前記各直線距離の光学的計測をそれぞれレーザ光線により行う機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項13に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記モータ架設基板上の2箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する前記回転子収容保持部材の底面領域に向け前記レーザ光線をそれぞれ発射する第1及び第2のレーザ式測距センサと、
前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部により構成される所定の2箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、前記第1及び第2のレーザ式測距センサからそれぞれ発射された前記レーザ光線を当該第1及び第2のレーザ式測距センサに向けそれぞれ反射する第1及び第2の平面反射板と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項14に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記設置座標系に設定される前記2箇所の計測基準点は、
前記第1及び第2のレーザ式測距センサにおいてそれぞれ前記レーザ光線の発射点を構成する第1及び第2の計測基準点であり、
前記予圧付与手段に設定される前記2箇所の計測対象点は、
前記第1及び第2の平面反射板においてそれぞれ前記レーザ光線の反射点を構成する第1及び第2の計測対象点である、
ことを特徴とする請求項15に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第1及び第2のレーザ式測距センサは、
該当する前記第1及び第2の計測基準点が前記回転子の最大傾斜時においても前記第1及び第2の平面反射板の鉛直下方に常に位置するよう、前記モータ架設基板上の前記2箇所の領域にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項16に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第1及び第2の平面反射板は、
前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上にその底面をほぼ設定されて、前記第1及び第2の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において前記回転子の中心を通る一直線上の対側に配置することのない前記2箇所の間隙にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項17に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第1及び第2の平面反射板は、
前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上において、前記回転子の中心を通る直交二直線上に直角配置する前記2箇所の間隙にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項18に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第1及び第2の平面反射板は、
前記2箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成される、
ことを特徴とする請求項15、16、17、18又は19に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。
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