JP2016082835A - Piezoelectric drive device, finger assist device and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電駆動装置、指アシスト装置及びロボットに関する。 The present invention relates to a piezoelectric drive device, a finger assist device, and a robot.
圧電体を振動させて被駆動体を駆動する圧電アクチュエーター(圧電駆動装置)は、磁石やコイルが不要のため、様々な分野で利用されている(例えば特許文献1)。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の2つの面のそれぞれの上に、4つの圧電素子が2行2列に配置された構成であり、合計で8つの圧電素子が補強板の両側に設けられている。個々の圧電素子は、圧電体をそれぞれ2枚の電極で挟んだユニットであり、補強板は、圧電素子の一方の電極としても利用される。補強板の一端には、被駆動体としてのローターに接してローターを回転させるための突起部が設けられている。4つの圧電素子のうちの対角に配置された2つの圧電素子に交流電圧を印加すると、この2つの圧電素子が伸縮運動を行い、これに応じて補強板の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この補強板の突起部の往復運動又は楕円運動に応じて、被駆動体としてのローターが所定の回転方向に回転する。また、交流電圧を印加する2つの圧電素子を他の2つの圧電素子に切り換えることによって、ローターを逆方向に回転させることができる。 A piezoelectric actuator (piezoelectric driving device) that drives a driven body by vibrating a piezoelectric body is used in various fields because it does not require a magnet or a coil (for example, Patent Document 1). The basic configuration of this piezoelectric drive device is a configuration in which four piezoelectric elements are arranged in two rows and two columns on each of two surfaces of the reinforcing plate, and a total of eight piezoelectric elements are included in the reinforcing plate. It is provided on both sides. Each piezoelectric element is a unit in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes, and the reinforcing plate is also used as one electrode of the piezoelectric element. One end of the reinforcing plate is provided with a protrusion for rotating the rotor in contact with the rotor as a driven body. When an AC voltage is applied to two of the four piezoelectric elements arranged diagonally, the two piezoelectric elements expand and contract, and the protrusion of the reinforcing plate reciprocates or elliptically moves accordingly. I do. And according to the reciprocating motion or elliptical motion of the protrusion of the reinforcing plate, the rotor as the driven body rotates in a predetermined rotation direction. In addition, the rotor can be rotated in the reverse direction by switching the two piezoelectric elements to which the AC voltage is applied to the other two piezoelectric elements.
従来、制御装置の制御により、ローターを自由に回転できるフリーモード(フリー状態)にしていた。しかし、制御装置がフリーズした場合には、突起部がローターに押しつけられた状態で圧電駆動装置(駆動部)がロックし、ローター(被駆動部)を動かすことができなくなるという課題があった。また、本願の発明者は、圧電駆動装置を指アシスト装置の駆動装置として用いる場合にこのようなフリーズが発生してしまうと、指アシスト装置を指から取り外すことが困難になるという問題を見いだした。 Conventionally, a free mode (free state) in which the rotor can be freely rotated by the control of the control device has been used. However, when the control device freezes, there is a problem that the piezoelectric driving device (driving unit) is locked in a state where the protruding portion is pressed against the rotor, and the rotor (driven portion) cannot be moved. Further, the inventor of the present application has found a problem that it is difficult to remove the finger assist device from the finger when such a freeze occurs when the piezoelectric drive device is used as a drive device for the finger assist device. .
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
(1)本発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。圧電駆動装置は、圧電体を有する駆動部と、前記駆動部と接触可能な被駆動部と、前記駆動部と接触可能な可動部と、を備え、前記可動部は、第1の状態と第2の状態とを有し、前記第1の状態における前記駆動部から前記被駆動部への押圧力は、前記第2の状態における前記駆動部から前記被駆動部への押圧力よりも小さい。この形態によれば、可動部を第1の状態とすれば、第2の状態よりも駆動部から被駆動部への押圧力を低減できるので、駆動部がロックしても、被駆動部を動かすことが可能となる。 (1) According to one aspect of the present invention, a piezoelectric driving device is provided. The piezoelectric driving device includes a driving unit having a piezoelectric body, a driven unit that can come into contact with the driving unit, and a movable unit that can come into contact with the driving unit, and the movable unit has a first state and a first state. The pressing force from the driving unit to the driven unit in the first state is smaller than the pressing force from the driving unit to the driven unit in the second state. According to this aspect, if the movable portion is in the first state, the pressing force from the drive portion to the driven portion can be reduced as compared with the second state. It can be moved.
(2)上記形態の圧電駆動装置において、前記可動部は、前記第1の状態では、前記駆動部と前記被駆動部とを、離間させてもよい。この形態によれば、駆動部と被駆動部とを、離間させれば、被駆動部をフリーに動かすことが可能となる。 (2) In the piezoelectric driving device according to the aspect described above, in the first state, the movable unit may separate the driving unit from the driven unit. According to this aspect, if the drive unit and the driven unit are separated from each other, the driven unit can be moved freely.
(3)上記形態の圧電駆動装置において、前記可動部は、外力を受け付ける入力部を有し、前記外力を受けて、前記第1の状態と前記第2の状態との間を遷移可能であってもよい。この形態によれば、可動部に外力を入力することにより、被駆動部を動かせる状態(第1の状態)と、動かせない状態(第2の状態)とを遷移させることができる。 (3) In the piezoelectric drive device according to the aspect described above, the movable unit includes an input unit that receives an external force, and is capable of transitioning between the first state and the second state by receiving the external force. May be. According to this aspect, by inputting an external force to the movable part, it is possible to transition between a state where the driven part can be moved (first state) and a state where the driven part cannot be moved (second state).
(4)上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電体に電力が印加されていない場合であって、前記可動部が前記第2の状態の時には、前記駆動部と前記被駆動部とは、接触していてもよい。この形態によれば、圧電体に電力が印加されていない場合に、被駆動部が動かないように、ロックできる。 (4) In the piezoelectric driving device according to the above aspect, when the electric power is not applied to the piezoelectric body and the movable portion is in the second state, the driving portion and the driven portion are in contact with each other. You may do it. According to this aspect, when the electric power is not applied to the piezoelectric body, the driven portion can be locked so as not to move.
(5)上記形態の圧電駆動装置において、前記可動部は、偏心体またはスライド部材のいずれかであってもよい。この形態によれば、簡単な構成で可動部を実現できる。 (5) In the piezoelectric drive device according to the above aspect, the movable portion may be an eccentric body or a slide member. According to this embodiment, the movable part can be realized with a simple configuration.
(6)本発明の一形態によれば、指アシスト装置が提供される。この指アシスト装置は、上記形態の圧電駆動装置と、前記圧電駆動装置により回動され、円形状を有する第1被駆動体と、前記第1被駆動体の回動を減速する減速機と、前記減速機に接続され、指の運動をアシストする第2被駆動体と、を備える。 (6) According to an aspect of the present invention, a finger assist device is provided. The finger assist device includes the piezoelectric driving device according to the above aspect, a first driven body that is rotated by the piezoelectric driving device and has a circular shape, a speed reducer that decelerates the rotation of the first driven body, A second driven body that is connected to the speed reducer and assists the movement of the finger.
(7)上記形態の指アシスト装置において、エンコーダーを備えても良い。 (7) The finger assist device of the above aspect may include an encoder.
(8)本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、上記形態の圧電駆動装置を備える。 (8) According to one aspect of the present invention, a robot is provided. This robot is equipped with the piezoelectric drive device of the said form.
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電駆動装置、指アシスト装置の他、指アシスト装置、ロボット等、様々な形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, the present invention can be realized in various forms such as a piezoelectric drive device and a finger assist device, as well as a finger assist device and a robot.
・第1実施形態:
図1は、第1の実施形態に係る指アシスト装置1000を示す説明図である。指アシスト装置1000は、第1の指アシスト部1001と、第2の指アシスト部1002と、ベース部材1003と、を備える。第1の指アシスト部1001は、指700の中節骨から末節骨の部分にわたって装着され、中節骨と基節骨との間の関節において、指700の運動のアシストを行う。第2の指アシスト部1002は、第1の指アシスト部1001に連結されており、指700の基節骨部分に装着され、基節骨と中手骨との間の関節において、指700の運動のアシストを行う。ベース部材1003は、第2の指アシスト部1002に連結されており、手の甲に装着される。
First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a
第1の指アシスト部1001は、圧電駆動装置10と、減速機501と、指支持部701と、を備える。第2の指アシスト部1002は、圧電駆動装置10と、減速機502と、指支持部702と、バンド703と、を備える。バンド703を除き、第1の指アシスト部1001と第2の指アシスト部1002とは、ほぼ同じ構成である。バンド703は、指700の腹側から第2の指アシスト部1002を固定する。なお、バンド703は、第1の指アシスト部1001にも、設けられるが、図1では省略されている。また、本実施形態では、指アシスト装置1000は、2個の指アシスト部1001と1002とを備えているが、3個の指アシスト部を備えても良い。この場合、3個目の指アシスト部は、例えば指700の末節骨部分に装着される。また、指アシスト部を1個のみ備える構成であっても良い。この場合、指アシスト装置1000としては、指700の基節骨部分に装着される第2の指アシスト部1002のみを備えても良い。
The first
第2の指アシスト部1002と第1の指アシスト部1001とは、同じ構成であるので、以下、第1の指アシスト部1001を例にとり説明する。圧電駆動装置10は、圧電体に電圧を印加することにより、圧電体を伸縮させて駆動する駆動装置である。減速機501は、複数のギアを直列に接続して減速する減速装置である。圧電駆動装置10及び減速機501については、後述する。指支持部701は、指700の背及び側面から指700を支える部材である。指支持部701の一方の側面に圧電駆動装置10及び減速機501が設けられている。なお、指アシスト装置1000が人差し指に装着される場合には、圧電駆動装置10及び減速機501が設けられる側面は、親指と反対側(中指側)の側面が好ましい。親指は、他の指と比べて移動の自由度が大きく、親指側に指アシスト装置1000を装着した場合、人差し指の指アシスト装置1000が、親指に装着した指アシスト装置1000あるいは親指と干渉するおそれがあるからである。なお、圧電駆動装置10及び減速機501は、指支持部701の背に配置されても良い。
Since the second
・圧電駆動装置10の構成:
図2(A)は、本発明の第1実施形態における圧電駆動装置10の概略構成を示す平面図であり、図2(B)はそのB−B断面図である。圧電駆動装置10は、振動板200と、振動板200の両面(第1面211と第2面212)にそれぞれ配置された2つの圧電振動体100とを備える。圧電振動体100は、基板120と、基板120の上に形成された第1電極130と、第1電極130の上に形成された圧電体140と、圧電体140の上に形成された第2電極150と、を備えている。第1電極130と第2電極150は、圧電体140を挟持して圧電素子を構成する。2つの圧電振動体100は、振動板200を中心として対称に配置されている。また、この実施形態では、基板120と振動板200とが圧電素子(130,140,150)を挟むように、圧電振動体100が振動板200上に設置されている。2つの圧電振動体100は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板200の下側にある圧電振動体100の構成を説明する。
-Configuration of the piezoelectric drive device 10:
FIG. 2A is a plan view showing a schematic configuration of the
圧電振動体100の基板120は、第1電極130と圧電体140と第2電極150を成膜プロセスで形成するための基板として使用される。また、基板120は機械的な振動を行う振動板としての機能も有する。基板120は、例えば、Si,Al2O3,ZrO2などで形成することができる。Si製の基板120として、例えば半導体製造用のSiウェハーを利用することが可能である。この実施形態において、基板120の平面形状は長方形である。基板120の厚みは、例えば10μm以上100μm以下の範囲とすることが好ましい。基板120の厚みを10μm以上とすれば、基板120上の成膜処理の際に基板120を比較的容易に取扱うことができる。また、基板120の厚みを100μm以下とすれば、薄膜で形成された圧電体140の伸縮に応じて、基板120を容易に振動させることができる。
The
第1電極130は、基板120上に形成された1つの連続的な導電体層として形成されている。一方、第2電極150は、図2(A)に示すように、5つの導電体層150a〜150e(「第2電極150a〜150e」とも呼ぶ)に区分されている。中央にある第2電極150eは、基板120の幅方向の中央において、基板120の長手方向のほぼ全体に亘る長方形形状に形成されている。他の4つの第2電極150a,150b,150c,150dは、同一の平面形状を有しており、基板120の四隅の位置に形成されている。図2の例では、第1電極130と第2電極150は、いずれも長方形の平面形状を有している。第1電極130や第2電極150は、例えばスパッタリングによって形成される薄膜である。第1電極130や第2電極150の材料としては、例えばAl(アルミニウム)や、Ni(ニッケル)、Au(金)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。なお、第1電極130を1つの連続的な導電体層とする代わりに、第2電極150a〜150eと実質的に同じ平面形状を有する5つの導電体層に区分してもよい。なお、第2電極150a〜150eの間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)と、第1電極130及び第2電極150a〜150eと駆動回路との間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)とは、図2では図示が省略されている。
The
圧電体140は、第2電極150a〜150eと実質的に同じ平面形状を有する5つの圧電体層として形成されている。この代わりに、圧電体140を、第1電極130と実質的に同じ平面形状を有する1つの連続的な圧電体層として形成してもよい。第1電極130と圧電体140と第2電極150a〜150eとの積層構造によって、5つの圧電素子110a〜110e(図2(A))が構成される。
The
圧電体140は、例えばゾル−ゲル法やスパッタリング法によって形成される薄膜である。圧電体140の材料としては、ABO3型のペロブスカイト構造を採るセラミックスなど、圧電効果を示す任意の材料を利用可能である。ABO3型のペロブスカイト構造を採るセラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム(BST)、タンタル酸ストロンチウムビスマス(SBT)、メタニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等を用いることが可能である。またセラミック以外の圧電効果を示す材料、例えばポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いることも可能である。圧電体140の厚みは、例えば50nm(0.05μm)以上20μm以下の範囲とすることが好ましい。この範囲の厚みを有する圧電体140の薄膜は、成膜プロセスを利用して容易に形成することができる。圧電体140の厚みを0.05μm以上とすれば、圧電体140の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体140の厚みを20μm以下とすれば、圧電駆動装置10を十分に小型化することができる。
The
図3は、振動板200の平面図である。振動板200は、長方形形状の振動体部210と、振動体部210の左右の長辺からそれぞれ3本ずつ延びる接続部220とを有しており、また、左右の3本の接続部220にそれぞれ接続された2つの取付部230を有している。なお、図3では、図示の便宜上、振動体部210にハッチングを付している。取付部230は、ネジ240によって他の部材に圧電駆動装置10を取り付けるために用いられる。振動板200は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄−ニッケル合金などの金属材料で形成することが可能である。
FIG. 3 is a plan view of the
振動体部210の上面(第1面211)及び下面(第2面212)には、圧電振動体100(図2)がそれぞれ接着剤を用いて接着される。振動体部210の長さLと幅Wの比は、L:W=約7:2とすることが好ましい。この比は、振動体部210がその平面に沿って左右に屈曲する超音波振動(後述)を行うために好ましい値である。振動体部210の長さLは、例えば3.5mm以上30mm以下の範囲とすることができ、幅Wは、例えば1mm以上8mm以下の範囲とすることができる。なお、振動体部210が超音波振動を行うために、長さLは50mm以下とすることが好ましい。振動体部210の厚み(振動板200の厚み)は、例えば50μm以上700μm以下の範囲とすることができる。振動体部210の厚みを50μm以上とすれば、圧電振動体100を支持するために十分な剛性を有するものとなる。また、振動体部210の厚みを700μm以下とすれば、圧電振動体100の変形に応じて十分に大きな変形を発生することができる。
The piezoelectric vibrating body 100 (FIG. 2) is bonded to the upper surface (first surface 211) and the lower surface (second surface 212) of the vibrating
振動板200の一方の短辺には、突起部20(「接触部」又は「作用部」とも呼ぶ)が設けられている。突起部20は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部材である。突起部20は、セラミックス(例えばAl2O3)などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。
On one short side of the
図4は、圧電駆動装置10と駆動回路300の電気的接続状態を示す説明図である。5つの第2電極150a〜150eのうちで、対角にある一対の第2電極150a,150dが配線151を介して互いに電気的に接続され、他の対角の一対の第2電極150b,150cも配線152を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線151,152は成膜処理によって形成しても良く、或いは、ワイヤー状の配線によって実現してもよい。図4の3つの第2電極150b,150e,150aと、第1電極130(図2)は、配線310,312,314,320を介して駆動回路300に電気的に接続されている。駆動回路300は、一対の第2電極150a,150dと第1電極130との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、圧電駆動装置10を超音波振動させて、突起部20に接触するローター(被駆動体)を所定の回転方向に回転させることが可能である。ここで、「脈流電圧」とは、交流電圧にDCオフセットを付加した電圧を意味し、その電圧(電界)の向きは、一方の電極から他方の電極に向かう一方向である。また、他の一対の第2電極150b,150cと第1電極130との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、突起部20に接触するローターを逆方向に回転させることが可能である。このような電圧の印加は、振動板200の両面に設けられた2つの圧電振動体100に同時に行われる。なお、図4に示した配線151,152,310,312,314,320を構成する配線(又は配線層及び絶縁層)は、図2では図示が省略されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electrical connection state between the
図4に示した実施形態では、5つの圧電素子110a〜110eが以下の3組の圧電素子グループに区分されている。
(1)第1圧電素子グループPG1:圧電素子110a,110d
(2)第2圧電素子グループPG2:圧電素子110b,110c
(3)第3圧電素子グループPG3:圧電素子110e
各圧電素子グループに含まれる圧電素子110は、常に同時に駆動される。また、第1圧電素子グループPG1は、2つの圧電素子110a,110dを含むので、これらの圧電素子110a,110dの第2電極150a,150d同士が配線151を介して直接接続されている。第2圧電素子グループPG2も同様である。なお、他の実施形態として、3つ以上の圧電素子110で1組の圧電素子グループを構成することも可能であり、一般には、複数の圧電素子をN組(Nは2以上の整数)の圧電素子グループに区分することが可能である。この場合にも、同じ圧電素子グループに2つ以上の圧電素子110が含まれる場合には、それらの第2電極150同士が配線を介して直接接続される。ここで、「配線を介して直接接続される」という意味は、配線の途中に受動素子(抵抗、コイル、コンデンサなど)や能動素子を含まないことを意味する。また、本実施形態では、第1電極130として、5つの圧電素子110a〜110eに共通する1つの導電層が使用されているが、第1電極130が個々の圧電素子毎に分離されている場合には、同じ圧電素子グループに属する2つ以上の圧電素子の第1電極同士も配線を介して直接接続されることが好ましい。
In the embodiment shown in FIG. 4, the five
(1) First piezoelectric element group PG1:
(2) Second piezoelectric element group PG2:
(3) Third piezoelectric element group PG3:
The piezoelectric elements 110 included in each piezoelectric element group are always driven simultaneously. Further, since the first piezoelectric element group PG1 includes two
図5は、圧電駆動装置10の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置10の突起部20は、被駆動体としてのローター50の外周に接触している。図5(A)に示す例では、駆動回路300(図4)は、一対の第2電極150a,150dと第1電極130との間に交流電圧又は脈流電圧を印加しており、圧電素子110a,110dは図5の矢印xの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置10の振動体部210が振動体部210の平面内で屈曲して蛇行形状(S字形状)に変形し、突起部20の先端が矢印yの向きに往復運動するか、又は、楕円運動する。その結果、ローター50は、その回転軸O1の周りに所定の方向z(図5では時計回り方向)に回転する。図3で説明した振動板200の3つの接続部220(図3)は、このような振動体部210の振動の節(ふし)の位置に設けられている。なお、駆動回路300が、他の一対の第2電極150b,150cと第1電極130との間に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター50は逆方向に回転する。なお、中央の第2電極150eに、一対の第2電極150a,150d(又は他の一対の第2電極150b,150c)と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動装置10が長手方向に伸縮するので、突起部20からローター50に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動装置10(又は圧電振動体100)のこのような動作については、上記先行技術文献1(特開2004−320979号公報、又は、対応する米国特許第7224102号)に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of the operation of the
図5(B)は、図5(A)のように圧電駆動装置10がその面内方向に振動する際に、その厚み方向にも湾曲する様子を示いている。このような厚み方向の湾曲は、圧電駆動装置10の表面に撓み(ひずみ)を発生させる点で望ましくない。しかしながら、本実施形態の圧電駆動装置10では、基板120と振動板200とが圧電素子110(130,140,150)を挟むように圧電振動体100が振動板200上に設置されているので、このような望ましくない撓み(ひずみ)を基板120によって抑制することができる。図5(C)は、図5(B)とは逆に、基板120が振動板200と接するように圧電振動体100が振動板200上に設置されている例である。図5(C)の積層構造では、第2電極150の表面において望ましくない撓み(ひずみ)が過度に大きくなる可能性がある。従って、図5(B)に示すように、基板120と振動板200とが圧電素子(130,140,150)を挟むように、圧電振動体100を振動板200上に設置することが好ましい。こうすれば、圧電駆動装置10の故障や損傷の可能性を低減することが可能である。特に、基板120をシリコン製とすれば、撓み(ひずみ)に対して損傷し難いので好ましい。また、本実施形態では、振動板200と圧電素子110(130,140,150)とが接触している。そのため、振動板200に配線層を形成することにより、振動板200の配線層を経由して、圧電素子110に電圧を印加できる。但し、図5(C)のように、基板120が振動板200と接するように圧電振動体100を振動板200に設置すれば、駆動回路300と圧電素子110(130,140,150)との間の配線が、図5(B)に示す例に比べて容易となる。
FIG. 5B shows a state in which the
・第1の指アシスト部の構成:
図6は、第1の指アシスト部1001の圧電駆動装置と減速機とを指と反対側から見た概略図である。図7は、第1の指アシスト部1001の圧電駆動装置と減速機とを指側から見た概略図である。第1の指アシスト部1001は、圧電駆動装置10と、減速機501の他に、第1被駆動体50(ローター50)と、第2被駆動体59と、エンコーダー601と、板バネ400と、偏芯ピン450と、を備える。圧電駆動装置10の構成は、上述した通りである。第1被駆動体50は、圧電駆動装置10により回転駆動される、円形状を有する板である。
-Configuration of the first finger assist unit:
FIG. 6 is a schematic view of the piezoelectric driving device and the speed reducer of the first
板バネ400は、圧電駆動装置10の両面に配置され、第1部位410と、第2部位420と、第3部位430とを備える。第1部位は、長手方向が指支持部701の長手方向と平行な細長い形状を有しており、ネジ242により、指支持部701に取り付けられている。第1部位410は、指支持部701と固定されていれば良く、その形状は、任意である。第2部位は、略長方形をしており、ネジ240により、振動板200の取付部230(図3)に取り付けられている。なお、振動板200の両面には、圧電振動体100があるため、取付部230と第2部位420との間には、ワッシャーが噛まされている。第2部位420についても、振動板200の取付部230に取り付けられていればよく、その形状は任意である。なお、振動板200及び圧電振動体100は、2つの第2部位420に挟まれている。なお、上記実施形態では、板バネ400を圧電駆動装置10の両面にする構成を採用したが、板バネ400が、圧電駆動装置10の一方の面に配置される構成を採用しても良い。第3部位430は、第1部位410と第2部位とを接続する2本の細長い部分である。圧電振動体100が伸張すると、振動板200の先端にある突起部20が第1被駆動体50を押圧する。このとき、この押圧力に対する反力により、圧電振動体100と振動板200と板バネの第2部位420は、第1被駆動体50と反対方向に移動する。第2部位420が第1被駆動体50と反対方向に移動すると、第1部位410は指支持部701に固定されているので、第3部位が変形する。板バネ400は、第3部位の変形から変形していない状態に戻ろうとする復元力により、バネとして機能する。
The
偏心体450は、回転軸452周りに回転可能な部材であり、指支持部701に設けられている。回転軸452は、偏心体450の中心からずれた位置にある。回転軸452には、マイナスドライバーを差し込むための溝454が掘られている。溝454は、マイナスドライバーからの外力を受け付ける入力部として機能する。なお、溝454の形状は、マイナスドライバー用の形状の他に、プラスドライバー用、六角ドライバー用、その他、特殊形状のドライバー用の形状であっても良い。偏心体450の動作については後述する。
The
減速機501は、複数のギア51、52、53、54、55を備える。ギア51は、第1被駆動体50と同一の回転軸O1を有するギアであり、第1被駆動体50の直径よりも小さい直径を有する小径ギアである。ギア52は、ギア51と噛み合うギアであり、ギア51の直径よりも大きい直径を有する大径ギアである。その結果、ギア52の回転速度は、ギア51の回転速度よりも小さくなる。ギア53は、ギア52と同一の回転軸O2を有するギアであり、ギア52の直径よりも小さい直径を有する小径ギアである。ギア53の回転速度とギア52の回転速度は同じである。なお、ギア53は、図6ではギア52に隠れているため破線で描かれており、図7では図示が省略されている。ギア54は、ギア53と噛み合うギアであり、ギア53の直径よりも直径が大きい大径ギアである。その結果、ギア54の回転速度は、ギア53の回転速度よりも小さくなる。ギア55は、ギア54と同一の回転軸O3を有するギアであり、ギア54の直径よりも小さい直径を有する小径ギアである。なお、ギア55の回転速度とギア54の回転速度は同じである。
The
第2被駆動体59の一端部には、減速機501の最終段の小径のギア55と噛み合うギア部59gが形成されている。また、第2被駆動体59の他端部は、第2の指アシスト部1002の指支持部702と接続されている。第1の指アシスト部1001を駆動することで、第1の圧電駆動装置10が第1被駆動体50を回動させると、第1被駆動体50から、ギア52、ギア54、ギア部59gの順に回転速度が小さくなっていく。その結果、第1被駆動体50の回動速度よりも低い回転速度で第2被駆動59のギア部59gを回動させる。なお、第2被駆動体59のトルクは、逆に増大する。また、指アシスト部1001は、減速機501を備えることで、バックラッシュを抑制できる。
At one end of the second driven
本実施形態では、第1被駆動体50と、ギア51、52、53、54、55は、ほぼ一直線に配置されている。これにより、大きな減速比を得ることが出来るとともに、減速機501の高さ方向の大きさを小さく出来るその結果、第1の指アシスト部1001の大きさを小さくできる。なお、本実施形態では、減速機501に5個のギアを用いたが、ギアの数や直径は、所望する減速比に応じて任意に設定可能である。
In the present embodiment, the first driven
エンコーダー601は、4つのギア60、61、62、63と、円板64と、光学センサー66A、66Bを備える。ギア60は、減速機501のギア53と噛み合うギアである。ギア61は、ギア60と噛み合い、ギア62は、ギア61と回転軸を同一とするギアであり、ギア61の直径よりも大きい直径を有する大径のギアである。ギア63は、ギア62と噛み合い、円板64は、ギア63と回転軸を同一とする円板である。円板64は、所定のピッチで形成されたスリット65を備える。光学センサー66A、66Bは、回転する円板64に光を照射し、光がスリット65を通過するか否かにより、スリット65の位置を検知するフォトインタラプターである。4つのギア60、61、62、63は、その直径を適宜設定することにより、円板64の回転速度を、第1被駆動体50の回転速度よりも大きくしても良い。円板64の回転速度を大きくすれば、単位時間当たりのパルス数が増加するので、エンコーダーの分解能を大きく出来る。なお、ギア60、61、62、63を全て備える必要は無く、第1被駆動体50に同期させて円板64を回転させることが出来れば、ギア60、61、62、63のうちのいくつかは省略可能である。
The
円板64の直径は、第1被駆動体50の直径や、減速機501の大径のギア52、54の直径よりも小さい。なお、「大径ギア」とは、同軸で設けられた大小2つのギアのうちより大きな直径のギアを意味する。本実施形態では、ギア52、54の直径は、ほぼ同じであるが、円板64の直径は、ギア52、54のうちの最も大きなギアの直径よりも小さいことが好ましい。また、第1の指アシスト部1001を指と反対側から見た場合、円板64は、大径のギア52、54に隠れて見えない。このように、円板64が、大径のギア52、54に隠れるように、円板64を配置することが好ましい。
The diameter of the
円板64は、円周に沿って形成されたスリット65を有する。円周に沿った方向のスリット65の幅と、スリットでない部分の幅は同じ長さであることが好ましい。光学センサー66A、66Bは、円板64を挟むように配置されている。光学センサー66Aと66Bが生成する信号の周期は同じである。この1周期を2πとしたときに、光学センサー66Aの生成する信号の位相と光学センサー66Bの生成する信号の位相とがπ/2だけずれるように、光学センサー66A、66Bが配置されることが好ましい。なお、本実施形態では、円板64にスリット65を設けたが、スリット65の代わりに反射板を設けても良い。この場合には、光学センサー66A、66Bとして、フォトリフレクターが使用される。
The
図8、図9は、偏心体450の動作を示す説明図である。図8と図9では、偏心体450の向きが異なっている。図8に示す第2の状態では、偏心体450が回転軸452を挟んで板バネ400と反対側にあり、偏心体450と板バネ400とが接触していない。図9に示す第1の状態では、偏心体450が回転軸452と板バネ400との間にあり、偏心体450と板バネ400とが接触している。図8と図9の2つの状態は、偏心体450を回転軸452周りに回転させることで、相互に遷移可能である。指アシスト部1001を用いて指の動作をアシストする場合には、偏心体450を図8に示す第2の状態にする。
8 and 9 are explanatory diagrams showing the operation of the
図8の第2の状態において、制御装置がフリーズして圧電振動体100への給電が停止すると、突起部20が第1被駆動体50(ローター50)に押圧された状態で圧電駆動装置10の動作が停止する。かかる場合、突起部20と第1被駆動体50(ローター50)との間の摩擦力により、第1被駆動体50がロックし、第1被駆動体50が回転出来なくなる。例えば、指が曲がった状態で指アシスト装置1000がロックされ、指アシスト装置1000を指から取り外すことが困難になる場合がある。ここで、使用者が、ドライバーを用いて、図9の第1の状態になるまで偏心体450を回転する。この状態では、突起部20と第1被駆動体50とは、離間しているため、第1被駆動体50をロックするものが無く、第1被駆動体50は、自由に回転可能となる。そのため、制御装置がフリーズして圧電振動体100への給電が停止しても、指アシスト装置1000を指から取り外すことが可能となる。なお、上記実施形態では、図9に示す第1の状態では、突起部20と第1被駆動体50とを完全に離間させているが、突起部20と第1被駆動体50との間を完全に離間しなくてもよい。板バネ400の第2部位420及び振動板200が少しでも図8に示すよりも右方に移動すれば、突起部20と第1被駆動体50との間の押圧力が小さくなる。押圧力が小さくなれば、比較的弱い力で第1被駆動体50を回転させるための力を小さくできる。
In the second state of FIG. 8, when the control device freezes and power supply to the piezoelectric vibrating
第1の実施形態では、偏心体450の形状は、図8、図9に示すように円形であったが、偏心体450の形状を、例えば、楕円形、卵形としてもよい。
In the first embodiment, the shape of the
以上、第1の実施形態によれば、圧電駆動装置10は、圧電体(圧電素子110)を有する駆動部(圧電振動体100と振動板200と板バネ400)と、駆動部の突起部20と接触可能な被駆動部(第1被駆動体50)と、駆動部の板バネ400と接触する可動部(偏心体450)と、を備え、偏心体450は図9に示す第1の状態と図8に示す第2の状態とを有し、第1の状態では、駆動部の突起20から第1被駆動体50への押圧力を低減し、第2の状態では、駆動部の突起部20から第1被駆動体50への押圧力を低減しない。その結果、圧電駆動装置10の制御部がフリーズして、圧電素子に電力が給電されなくなった場合、突起部20が第1被駆動体50に押しつけられて、ロックする。しかし、偏心体450を回転させて図9に示す第1の状態にすれば、第1被駆動体50を回転させることが可能となる。なお、突起部20と第1被駆動体とを完全に離間させても良い。また、この圧電駆動装置10は、上述したように、指アシスト装置1000に適用可能である。この場合、指アシスト装置1000の制御部がフリーズしても、偏心体450を回転させて図9に示す第1の状態にすれば、第1被駆動体50を回転させ、指から指アシスト装置1000を取り外すことが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the
また、第1の実施形態によれば、エンコーダー601の円板64の直径は、第1被駆動体50の直径や、減速機501の大径のギア52、54の直径よりも小さいので、第1の指アシスト部1001を小さく出来る。また、第1の指アシスト部1001の駆動装置として圧電駆動装置10を用いるので、磁石やコイルが不要であり、第1の指アシスト部1001を小さく出来る。更に、円板64の回転速度を、複数のギア60、61、62、63で構成される増速機を用いて、第1被駆動体50の回転速度よりも大きくするので、エンコーダー601の分解能を大きく出来る。
Further, according to the first embodiment, the diameter of the
・可動部の別の実施形態
図10は、偏心体の代わりにスライド部材を用いた実施形態を示す説明図である。スライド部材460は、突起部462を有している。突起部462は、板バネ400の第2部位420と接触している。図10(A)は、第2の状態に対応している。図10(B)は、第1の状態に対応し、突起部20と第1被駆動体50とが離間している。突起部465は、外力を受ける入力部として機能する。すなわち、突起部465をスライドさせることにより、第1の状態と第2の状態との間を遷移可能である。なお、第1の実施形態では、例えばドライバーのような工具を用いて偏心体450を回転させるが、本実施形態では、スライド動作なので、例えば、他の工具等を用いなくても、指を用いて容易にスライド可能である。すなわち、第1の状態と第2の状態とを容易に切り替え可能である。
-Another embodiment of a movable part FIG. 10: is explanatory drawing which shows embodiment using the slide member instead of the eccentric body. The
・可動部のさらに別の実施形態
図11は、偏心体の代わりに押しボタンスイッチ470を用いた実施形態を示す説明図である。押しボタンスイッチ470は、略円錐台形をしており、円錐面472に板バネ400の第2部位が接触している。図11(A)は、第2の状態に対応し、円錐面472の大円474側が板バネ400の第2部位420に接触している。図11(B)は、第1の状態に対応し、円錐面472の小円476側が板バネ400の第2部位420に接触している。なお、図11(A)(B)の下図は、それぞれ図11(A)(B)の上図の11x−11x断面である。押しボタンスイッチ470を大円474側から押す毎に、第1の状態と第2の状態とを、交互に切り替えることが可能である。すなわち、押しボタンスイッチ470は、外力を受ける入力部として機能する。なお、第1の実施形態では、例えばドライバーのような工具を用いて偏心体450を回転させるが、本実施形態では、押しボタンスイッチ470を押すだけなので、例えば、他の工具等を用いなくても、指を用いて押しボタンスイッチ470を押して、第1の状態と第2の状態とを容易に切り替え可能である。
-Still another embodiment of movable part FIG. 11: is explanatory drawing which shows embodiment using the
・圧電駆動装置を用いたロボットの実施形態:
上述した圧電駆動装置10は、共振を利用することで被駆動体に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。圧電駆動装置10は、例えば、ロボット(電子部品搬送装置(ICハンドラー)も含む)、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置(例えば紙送り機構。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。)等の各種の機器における駆動装置として用いることが出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。
-Embodiments of a robot using a piezoelectric drive:
The
図12は、上述の圧電駆動装置800を利用したロボット2050の一例を示す説明図である。ロボット2050は、複数本のリンク部2012(「リンク部材」とも呼ぶ)と、それらリンク部2012の間を回動又は屈曲可能な状態で接続する複数の関節部2020とを備えたアーム2010(「腕部」とも呼ぶ)を有している。それぞれの関節部2020には、上述した圧電駆動装置が内蔵されており、圧電駆動装置を用いて関節部2020を任意の角度だけ回動又は屈曲させることが可能である。アーム2010の先端には、ロボットハンド2000が接続されている。ロボットハンド2000は、一対の把持部2003を備えている。ロボットハンド2000にも圧電駆動装置800が内蔵されており、圧電駆動装置800を用いて把持部2003を開閉して物を把持することが可能である。また、ロボットハンド2000とアーム2010との間にも圧電駆動装置800が設けられており、圧電駆動装置800を用いてロボットハンド2000をアーム2010に対して回転させることも可能である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example of a
図13は、図12に示したロボット2050の手首部分の説明図である。手首の関節部2020は、手首回動部2022を挟持しており、手首回動部2022に手首のリンク部2012が、手首回動部2022の中心軸O周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部2022は、圧電駆動装置800を備えており、圧電駆動装置800は、手首のリンク部2012及びロボットハンド2000を中心軸O周りに回動させる。ロボットハンド2000には、複数の把持部2003が立設されている。把持部2003の基端部はロボットハンド2000内で移動可能となっており、この把持部2003の根元の部分に圧電駆動装置800が搭載されている。このため、圧電駆動装置800を動作させることで、把持部2003を移動させて対象物を把持することができる。かかるロボット2050において、対象物を把持中に制御部がフリーズした場合、対象物が落下しないように、把持部2003をロックする。一方、把持部2003をロックしてしまうと、対象物を把持部2003から取り外すことが出来なくなる虞がある。しかしながら、把持部2003の駆動装置として上述した圧電駆動装置10を用いれば、偏心体450を回転させることにより、把持部2003がロックした後でも把持部2003を移動可能とし、対象物を把持部2003から取り外すことが可能となる。
FIG. 13 is an explanatory diagram of the wrist portion of the
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…圧電駆動装置
20…突起部
50…ローター(第1被駆動体)
51、52、53、54、55…ギア
59…第2被駆動体
60、61、62、63…ギア
64…円板
65…スリット
66A、66B…光学センサー
100…圧電振動体
110、110a、110b、110e…圧電素子
120…基板
130…第1電極
140…圧電体
150…第2電極
150a、150b、150e…導電体層(第2電極)
151、152…配線
200…振動板
210…振動体部
211…第1面
212…第2面
220…接続部
230…取付部
240…ネジ
300…駆動回路
310…配線
400…板バネ
410…第1部位
420…第2部位
430…第3部位
450…偏心体
452…回転軸
454…溝
460…スライド部材
462…突起部
470…押しボタンスイッチ
472…円錐面
474…大円
476…小円
501、502、503…減速機
601、603…エンコーダー
700…指
701、702…指支持部
703…バンド
1000…指アシスト装置
1001、1001a…第1の指アシスト部
1002…第2の指アシスト部
1003…ベース部材
O1、O2、O3、O4…回転軸
Lx…外縁
PG1…第1圧電素子グループ
PG2…第2圧電素子グループ
PG3…第3圧電素子グループ
DESCRIPTION OF
51, 52, 53, 54, 55 ...
151, 152 ... wiring 200 ...
Claims (8)
前記駆動部と接触可能な被駆動部と、
前記駆動部と接触可能な可動部と、を備え、
前記可動部は、
第1の状態と第2の状態とを有し、
前記第1の状態における前記駆動部から前記被駆動部への押圧力は、前記第2の状態における前記駆動部から前記被駆動部への押圧力よりも小さい、
圧電駆動装置。 A drive unit having a piezoelectric body;
A driven part that can contact the driving part;
A movable part that can come into contact with the drive part,
The movable part is
Having a first state and a second state;
The pressing force from the driving unit to the driven unit in the first state is smaller than the pressing force from the driving unit to the driven unit in the second state.
Piezoelectric drive device.
前記可動部は、前記第1の状態では、前記駆動部と前記被駆動部とを、離間させる、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 1,
In the first state, the movable portion separates the driving portion and the driven portion from each other.
前記可動部は、
外力を受け付ける入力部を有し、
前記外力を受けて、前記第1の状態と前記第2の状態との間を遷移可能である、圧電駆動装置。 In the piezoelectric drive device according to claim 1 or 2,
The movable part is
An input unit for receiving external force;
A piezoelectric driving device capable of transitioning between the first state and the second state in response to the external force.
前記圧電体に電力が印加されていない場合であって、前記可動部が前記第2の状態の時には、前記駆動部と前記被駆動部とは、接触している、圧電駆動装置。 In the piezoelectric drive device according to any one of claims 1 to 3,
The piezoelectric driving device, wherein no electric power is applied to the piezoelectric body, and the driving unit and the driven unit are in contact with each other when the movable unit is in the second state.
前記可動部は、偏心体またはスライド部材のいずれかである、圧電駆動装置。 In the piezoelectric drive device according to any one of claims 1 to 4,
The movable unit is a piezoelectric drive device that is either an eccentric body or a slide member.
前記圧電駆動装置により回動され、円形状を有する第1被駆動体と、
前記第1被駆動体の回動を減速する減速機と、
前記減速機に接続され、指の運動をアシストする第2被駆動体と、
を備える、指アシスト装置。 The piezoelectric driving device according to any one of claims 1 to 5,
A first driven body that is rotated by the piezoelectric driving device and has a circular shape;
A decelerator that decelerates the rotation of the first driven body;
A second driven body connected to the speed reducer and assisting finger movement;
A finger assist device.
エンコーダーを備える、指アシスト装置。 The finger assist device according to claim 6, wherein
A finger assist device including an encoder.
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