JP2012210049A - 圧電アクチュエーター、ロボット及びロボットハンド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電素子と、圧電素子に積層される振動板31と、振動板31から被駆動部に当接するように突出して圧電素子の振動を被駆動部に伝達する摺動部41と、を含む圧電アクチュエーターであって、摺動部41は、被駆動部に当接する第1部材11と、少なくとも振動板31側を除く三方を第1部材11に囲まれた部材であり、かつ、第1部材11とは異なる材質からなる部材である第2部材21と、を含んで構成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【選択図】図3
Description
また、上述の「内側に形成され」とは、振動板側は含まない表現である。したがって、振動板と摺動部との境界において振動板と第2部材とがつながっていても良い。すなわち、「内側に形成され」とは、第2部材の全周囲が第1部材に囲まれている場合と、第2部材における振動板側を除く3方が第1部材に囲まれている場合と、の双方を含んでいる。摺動部が振動板側から磨耗することはあり得ないため、3方が第1部材に囲まれていれば、上述の効果を発揮できる。
本実施形態、及び後述する各実施形態の圧電アクチュエーターとしての圧電モーターは、振動体10を構成する、振動板31と摺動部(突出部)41等に特徴を有している。そこで、まず圧電モーター1の概略について説明した後、振動板31及び摺動部41等について説明する。
図1は、第1の実施形態にかかる圧電モーター1の分解斜視図である。図示するように、圧電モーター1は、基台2、被駆動部としてのローター(回転体)3、圧電素子30と振動板31の積層体を含む振動体10、振動体10を固定する付勢手段80、等から構成されている。ローター3は、基台2の一方の面に対して略垂直方向の回転軸rを有している。
後述するように、摺動部41の一部は、上述のSUS301EHの板材から振動板31等と一体的に成型される場合もあり得る。かかる場合においては、上述の短辺aから突出する部分が摺動部41である。すなわち、同一の板材から一体的に成型された場合であっても、短辺aを境界として摺動部41と称する。
上記の5つの第2電極60のうち、第2電極60cは縦振動用電極として機能する。そして第2電極60cの短辺a方向における両側に対をなすように形成された第2電極60aと第2電極60eは、第1屈曲振動用電極として機能する。また、第2電極60bと第2電極60dは第2屈曲振動用電極として機能する。
そして、かかる縦一次振動と屈曲二次振動とが組み合せることで、圧電素子30に、図2における二点鎖線で示されるように伸縮しながら屈曲する振動を励振させることができる。その結果、摺動部41は、かかる2つの振動を組み合わせた楕円軌道Rを描いて振動する。
図3は、本実施形態の振動板31と摺動部41を、支持部35及び貫通孔37と共に示す図である。図4は、本実施形態の振動体10を示す図である。図4(a)は平面図であり、図4(b)は、図4(a)のA−A’線における断面を示す図である。上述したように、そして図4(b)に示すように、振動体10は図3に示す振動板31の表裏の双方の面に各1つの圧電素子30、すなわち計2つの圧電素子30を配置して構成されている。ただし、振動体10の構成は、上述の態様に限定されるものではない。例えば、振動板31のどちらか一方の面に1つの圧電素子30を配置する構成、すなわち圧電素子30を1つのみ備える構成の振動体10も可能である。なお、以下の記載において、支持部35及び貫通孔37の説明は一部省略する。また、圧電素子30の構成については上述したので、第2電極60、及び溝部(71,72)等の説明の記載は省略する。
また、ローター3の材質のSUS440Cとアルミナの摩擦係数(μ)は略1.1である。そして、SUS440CとSUS301EHの摩擦係数は略0.99である。このように、本実施形態の摺動部41における第1部材11の材質と第2部材21の材質とでは、ローター3に対する摩擦係数も異なっている。
また、マイクを含む音響センサーや周波数解析手段、PC等の計算手段を用いて、上記の動作音(の変化)自動的に検出することもできる。そしてかかる検出結果を、表示ランプ(傾向ランプ)等を用いて上記の使用者等に知らしめることができる。
このように、本実施形態の圧電モーター1は、摺動部41の磨耗の進行状況を周囲に発信できる。そのため、本実施形態の圧電モーター1の使用者は、摺動部41の磨耗の進行状況、及び圧電素子30が寿命に近づいたか否かを、圧電モーター1及び該圧電モーターを駆動用アクチュエーターとして用いる電子機器等を停止させずに把握できる。そして、本実施形態の圧電モーター1の使用者は、摺動部41の磨耗が所定の段階に達した時点で振動体10等を交換することが可能となる。したがって、本実施形態のアクチュエーターを用いることで、上述の磨耗が圧電素子30の端部に達して圧電素子30及び圧電モーター1が損傷する現象を低減でき、上述の電子機器等の安全性を向上できる。また、上述の損傷を低減できるため、上述の電子機器等、及び該電子機器等を用いる製造ライン等が、圧電素子30の損傷により停止する事態も低減でき、経済性を向上できる。
次に、本実施形態の圧電モーター1が備える摺動部であって、図3に示す態様以外の摺動部41を、変形例として図6(図6(a)〜図6(c))に示す。なお、図6においては振動板31と、摺動部41を構成する第1部材11及び第2部材21を示し、圧電素子30を構成する第2電極等の図示は省略している。
なお、上述の「先端に向かうに従って幅が広がっている」とは、幅が一定の割合で広がる逆テーパー状と、幅の広がり方が一定ではなく、曲線的に広がる形状と、の双方を含んでいる。
なお、上述の「振動板31に向かうに従って広がっている」とは、側部が直線で構成されたテーパー状でも良く、また側部が曲線で構成された形状でも良い。
次に、本発明の第2の実施形態の圧電モーターについて説明する。本実施形態の圧電モーターは、上述の第1の実施形態の圧電モーター1と同様に振動体10が備える摺動部42(図7参照)の構造に特徴がある。そして本実施形態の圧電モーターは、該摺動部を除くと圧電モーター1と略同一である。そこで本実施形態の説明は、第1の実施形態における図1等に対応する図は省略して、摺動部42の構造を示す図のみを用いて行う。
第1部材12の材質のジルコニアとローター3の材質であるSUS440Cとの間の摩擦係数は略0.95である。そして、第2部材22の材質のアルミナとローター3の材質であるSUS440Cとの間の摩擦係数は略1.1である。
一般的に、動作音は、擦り合わされる要素間の摩擦係数が高いほど大きくなる。そしてローター3に擦り合わされる要素の硬度が高いほど高音になる。したがって、本実施形態の摺動部42を用いることで、磨耗が進行して第2部材22がローター3に当接するようになった段階で、より大きくより高い動作音を発生させることができる。
本実施形態の摺動部42を備える圧電モーターは、動作音の変化を利用することで、摺動部42の磨耗の進行状況を、該圧電モーター等を停止させずに把握できる点で、第1の実施形態の摺動部41を備える圧電モーター1と共通している。そして、本実施形態の摺動部42は、第2部材22が第1部材12に囲まれるように島状に形成されているため、材質の選択の幅を広げることができる。したがって、第1部材12と第2部材22の双方を好適な材料で形成できる。その結果、上述したように磨耗の進行に伴い動作音を増大させることができる。したがって、本実施形態の摺動部42を備える圧電モーターの使用者は、上記磨耗の進行状況をより一層確実に把握できる。すなわち、本実施形態の摺動部42を備える圧電モーターは、使用者に対してより効果的に寿命を認知させることができる。したがって、本実施形態の摺動部42であれば、上述の磨耗が圧電素子30の端部に達して圧電素子30及び圧電モーター等が損傷する現象をより一層低減でき、安全性及び経済性をより一層向上できる。
次に本実施形態の変形例について、図7を用いて説明する。図7(a)は変形例1の摺動部42を示す平面図であり、図7(b)は変形例2の摺動部42を示す平面図であり、図7(c)は変形例3の摺動部42を示す平面図である。第1部材12の外形は、逆U字型、すなわち半円の部分と略長方形の部分とを組み合せた形状で共通している。そして第2部材22の形状が、各々の変形例において異なっている。
次に、本発明の第3の実施形態の圧電モーターについて説明する。本実施形態の圧電モーターは、上述の第1の実施形態の圧電モーター1と同様に振動体10が備える摺動部43(図8参照)の構造に特徴がある。そして本実施形態の圧電モーターは、該摺動部を除くと圧電モーター1と略同一である。そこで本実施形態の説明は、上記の第2の実施形態の説明と同様に、摺動部43の構造を示す図のみを用いて行う。なお、本実施形態の圧電モーターが備えるローター3の材質は、上述の各実施形態と同様に、SUS440Cである。
このように、本実施形態の摺動部43においては、第2部材23の材質の硬度が、第1部材13の材質の硬度よりも高い。また、本実施形態の摺動部43においては、第2部材23の材質のローター3(の材質)に対する摩擦係数が、第1部材13の材質のローター3(の材質)に対する摩擦係数よりも高い。
本実施形態の摺動部43を備える圧電モーターは、動作音の変化を利用することで、摺動部43の磨耗の進行状況を、該圧電モーター等を停止させずに把握できる点で、上述の各実施形態の圧電モーターと共通している。そして、本実施形態の摺動部43は、第2部材23が第1部材13に囲まれるように島状に形成されているため、材質の選択の幅を広げることができる。すなわち、第1部材13よりも硬度等が高い材料で、第2部材23を形成できる。したがって、摺動部43の磨耗が進行して第2部材23の磨耗が始まった時点で、動作音の音質を大きく変化させて、使用者等に磨耗の進行状況を把握させることができる。したがって、本実施形態の摺動部43であれば、上述の磨耗が圧電素子30の端部に達して圧電素子30及び圧電モーター等が損傷する現象をより一層低減でき、安全性及び経済性をより一層向上できる。
また、本実施形態においては、第1部材13と振動板33とが一体的に形成されているため、摺動部43の加工精度も向上している。そしてさらには、振動板33に切れ込み34等が形成されていないため、該振動板の強度の低下も抑制されている。
次に本実施形態の各変形例について、図8を用いて説明する。図8(a)は変形例1の摺動部43を示す平面図であり、図8(b)は変形例2の摺動部43を示す平面図であり、図8(c)は変形例3の摺動部43を示す平面図である。図示するように、本実施形態の各変形例の摺動部43は、第2部材23の形状が、上記第2実施形態の各変形例の第2部材22の形状と略同一である。したがって、本実施形態の各変形例の摺動部43の特徴及び効果は、上記第2の実施形態の各変形例の効果等に類似している。
なお、上述の「先端方向にかけて幅が狭まる」とは、側部が直線で構成されたテーパー状でもよく、また側部が曲線で構成されていても良い。同じく、「先端方向にかけて幅が広がって」とは、側部が直線で構成された逆テーパー状でもよく、また側部が曲線で構成されていても良い。
次に第4の実施形態として、第1の実施形態にかかる圧電モーター1、あるいは第2の実施形態又は第3の実施形態に記載した摺動部(41,42,43)を備える圧電モーター、のいずれかと同様の構成の圧電モーターを備えたロボットハンド、及び該ロボットハンドを備えたロボットについて、図9〜図11を用いて説明する。
このように、ロボットハンド201は把持するワークにより使用するリンクを変更することで、夫々のワーク(233,234)を好適に把持できる。そしてロボットハンド201は、ワークの把持及び第2のリンク(212,222)の格納等のために、複数の駆動用の圧電モーターを備えている。
上述したように、第2のリンク212は、小型ワーク234を把持するリンクである。したがって第3の圧電モーター216には、第2の圧電モーター214に比べて小型かつ低駆動力の圧電モーターを用いることができる。
したがって、磨耗が圧電素子30(図1等参照)に達して該圧電素子が損傷する前に該圧電素子を含む振動体10(図4等参照)の交換等を実施できる。その結果、圧電モーターの、損傷さらにはロボットハンド201及びロボット200の損傷によるコストを低減できる。また、ロボット200を備える製造ラインの停止に伴うコストも低減できる。
また、圧電モーターを上述のようにロボットハンドの把持動作を行うためのアクチュエーターとして用いる場合、歯車等の増減速手段を介して用いることが好ましい。一般に、圧電モーターの回転数はかなり速いため、リンク(第1のリンク211等)の動きに合せて、回転数の減速を要する場合もあり得る。また一方では、回転数の増速を要する場合もあり得る。かかる場合において、圧電モーターを歯車等の増減速手段を介して用いることで、多様な動作を行うロボットハンドのアクチュエーターとして、圧電モーターを好適に利用できる。
上述の実施形態では、圧電アクチュエーターとして、被駆動部が回転軸を有するローターである圧電モーターを例に説明していた。しかし、本発明の実施の対象となる圧電アクチュエーターは、圧電モーターに限定される物ではない。例えば、直線状の被駆動部を有し、該被駆動部を往復運動させる圧電アクチュエーターも対象となる。かかる場合かかる圧電アクチュエーターであっても、被駆動部は、摺動部との間に働く摩擦力で駆動される。したがって、摺動部の磨耗の進行を把握して、圧電素子等の損傷を抑制することは重要となる。かかる場合において、上述の各実施形態の摺動部(41等)であれば磨耗の進行を周囲に発信できるため、圧電素子及び該圧電素子を用いた圧電アクチュエーターの損傷等することを低減できる。
上述の各実施形態においては、第1部材(11等)は第2部材(21等)を平面視で囲んでいた。しかし、第1部材(11等)が、第2に部材(21等)を立体的に覆う態様も可能である。かかる態様の摺動部は、振動板の厚さが充分あり、かつ第2部材に金属ガラス材料等の用いる場合に効果的である。
上述の第4の実施形態では、上述の第1の実施形態等にかかる圧電モーターを用いる機器として、ロボットハンド201及び該ロボットハンドを用いるロボット200について述べた。しかし、上述の圧電モーター(1等)を用いる機器は、ロボット200に限定される物ではない。時計のカレンダー送り装置、ICハンドラー、印刷装置、投薬ポンプ等の各種の機器におけるアクチュエーターとして用いることができる。
Claims (14)
- 圧電素子と、前記圧電素子に積層される振動板と、前記振動板から被駆動部に向かって突出して配置された摺動部と、を含む圧電アクチュエーターであって、
前記摺動部は、前記被駆動部に当接する第1部材と、前記第1部材の内側に形成され、かつ、前記第1部材とは異なる材質からなる第2部材と、を含んで構成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記圧電素子は圧電体層と電極とが積層されてなる平面視で略長方形の板状部材であり、前記第2部材は平面視で前記圧電素子の短辺から突出していることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項2に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材は前記振動板の一部を平面視で前記短辺から突出させて形成された部分であることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項2に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1部材の材質は、前記振動板の材質と異なっており、
前記第2部材は平面視で前記第1部材内に島状に形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項2に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1部材は、前記振動板の一部を平面視で前記短辺から突出させて形成されており、
前記第2部材は平面視で前記第1部材内に島状に形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1部材の材質と前記第2部材の材質とでは、前記被駆動部に対する摩擦係数が互いに異なることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項6に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材の材質の前記被駆動部に対する摩擦係数は、前記第1部材の材質の前記被駆動部に対する摩擦係数よりも高いことを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1部材の材質と前記第2部材の材質とでは、硬度が互いに異なることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項8に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材の材質の硬度は、前記第1部材の材質の硬度よりも高いことを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材の形状は、前記短辺から前記被駆動部に向かうに従って幅が狭くなることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材の形状は、前記短辺から前記被駆動部に向かうに従って幅が広がることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第2部材の形状は、略長方形であることを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
- 請求項13に記載のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。
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