JP2667931B2

JP2667931B2 - 多自由度アクチュエータ

Info

Publication number: JP2667931B2
Application number: JP2322992A
Authority: JP
Inventors: 和重橋本; 達弥新家
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPH04197085A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、多自由度アクチュエータに係り、とくに超
音波振動を利用し、Qx,Qy,Qzの位置決めを可能とする多
自由度アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

従来の多自由度の位置決めを可能とするものには、以
下に示すようなものがあった。

（１）特開昭57-173488号公報に記載のように、回転
モータとボールネジを組合わせた高精度のＸ軸移動テー
ブルを２層にしてXY軸移動テーブルを構築するといった
積重ね構造のもの。

また、（１）で上げたものを小型化、高精度化するた
め、（２）駆動源として、圧電素子を用いて、一層構造で
多自由度駆動を可能とした移動テーブルとして、昭和55
年精機学会秋季大会学術講演会論文集p77記載の「マイ
クロポジショニング用ステージ」に記載されたもの。

さらに、（２）で上げたものを長ストローク化するた
め、（３）特開昭54-164202号公報，特開昭58-148682号公
報，特開昭60-22478号公報に記載されたもの。

まず、特開昭54-164202号公報は、その駆動源である
振動モータは、ロータ表面に円周方向に振動子を押し付
け振動させた時、振動子とロータ表面との間に発生する
摩擦力によりロータが回転する原理を利用したものであ
る。

特開昭58-148682号公報及び特開昭60-200779号公報に
示す超音波振動を利用したモータ装置は、内蔵された複
数の圧電素子の振動により発生する弾性体上の進行波の
伝搬を利用してロータの回転を行うものである。尚、多
自由度化を実現する駆動装置の一例として、（４）特開昭62-228392号公報「複数自由度関節装
置」がある。この公知例は、圧電素子を組込んだ固定子
を複数用意して、固定子表面に圧電素子を振動させるこ
とにより表面波を発生させることで複数方向への回転子
の駆動を行なわせるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術（１）は、多自由度を１自由度のものを
積み重ねる方式であった為、１軸移動テーブルの構造が
大きいばかりか、複数の積重ね構造を取ることにより、
これが倍加されてしまう欠点があった。

又、装置の高精度化を満足させる高剛性構造をとる
と、積重ねる内、装置の形状・重量が大きくなってしま
う事、経済性が余り良くない欠点があった。

また、上記従来技術（２）は、一層構造において、多
自由度化，高精度化を図り、形状を小型化でき、θ方向
への発展も可能であり有効な手段である。

しかし、圧電素子自体のストロークが小さい事やヒン
ジ部部材そのものの弾性変形を利用したリンク機構であ
るためストロークに限界がある等の問題があった。

また、上記従来技術（３）に示したモータは、進行波
の進行方向を任意に定めることができない為、一軸駆動
のものとなり、単独での多自由度駆動は難しい事、又、
多自由度化するにあたり、やはり複数を組み合わせる方
法をとることになり小型化が難しい事といった欠点があ
った。

また、上記従来技術（４）は、固定子が対となること
で、１自由度を得ることができるため、必要とされる自
由度が増せば、必然的に固定子の数を増やさなければな
らない。さらに、固定子が対となることで、１方向の駆
動が可能となるため、任意の方向に駆動する場合、即ち
固定子の振動方向と駆動したい方向が異なる場合、複数
同時に固定子の振動を与えることができないため、その
駆動を達成させることができなかった。

本発明の目的は、小型，長ストローク，高精度で、し
かも２自由度を同時に駆動可能な多自由度アクチュエー
タを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、球を２個の対向したリン
グで挟み込み、前記挟み込んだリングと複数個の縦振動
用振動子と円筒状の面外振動用振動子とを重ねて結合
し、前記縦振動用振動子又は面外振動用振動子又は双方
を組み合わせて駆動し、前記球を任意に回動させること
を特徴とする。

〔作用〕

互いに直交する振動体に、電力を供給すると、各振動
体はその電力に見合った振動をする。そのとき、回転子
に当接しているリングは、各振動体の振動が組み合わさ
れた複合的な動きをする。これによって回転子である球
体は駆動され、球体に一端を固着されたアームの他端は
任意な方向に位置決めできる。

上記電力はアームが所望の動きをするように、必要な
だけ駆動用のドライバよりケーブルを通して供給され
る。

〔実施例〕

以下、本発明の１実施例を図に基づいて具体的に説明
する。

本発明の多自由度アクチュエータ30は、第１図（Ａ）
に示す様に、先端に球９を圧入した、対象であるアーム
２と、ホルダ1a,カバー1bと、ホルダ1a及びカバー1bに
接着固定された振動体３（3a〜d,3a′〜ｄ）と、ホルダ
1aとカバー1bを締結し球９と各振動体３の間にしめつけ
力を与える働きをするネジ11と、外部から各振動体３に
電力を供給させるドライバ20と、供給電力をドライバ20
から各振動体３へ供給するためのケーブル25から構成さ
れている。

第２図は、第１図（Ａ）に示す多自由度アクチュエー
タの外観図である。振動体3a,3b,3c,3d,3a′,3b′,3
c′,3d′（以下、3a〜3d′を振動体３と総称する。）
は、第１図（Ｂ）に示すように、縦振動用振動子16と面
外振動用振動子15と球接リング７からなっており、縦振
動用振動子16の振動と面外振動用振動子15の振動を球接
リング７により複合させることにより、多自由度を達成
することができる。

縦振動用振動子16は本実施例では圧電素子６のみを電
極プレート８で挟み、導電性接着剤で接着固定したもの
としている。ただし、本発明の目的を達成するために
は、縦振動をするものであれば、何でも良く、本実施例
に限定されるものではない。

面外振動用振動子15は、本実施例では円筒状になって
いて、縦振動用圧電素子５を中央にして両側に電極プレ
ート８をはさみ、さらに両端に絶縁弾性体４を導電性接
着剤により貼り合わせた構造をとっている。

これら各振動子の動作を第３図を用いて説明する。

第３図（Ａ）は縦振動用振動子16を断面で示したもの
で縦振動用圧電素子単体が交流電界Ｅ₁を両電極プレー
ト８間に与えた時破線の様な振動をすることを表わした
ものである。

第３図（Ｂ）は、面外振動用振動子15を示した断面図
である。面外振動用振動子15の電極プレート８に交流電
界Ｅ₂を印加すれば、面外振動用振動子15は第３図
（Ｃ）及び（Ｄ）のような面外振動モードの振動を生ず
る。

第４図（Ａ），（Ｂ）は面外振動用振動子の斜視図、
上視である。ここで、上記した面外振動を有限解析法に
よる解析図を第４図（Ｃ）〜（Ｆ）に示す。これによる
と、面外振動とは第４図に示す様な、円筒あるいは円環
状部材において定在する固有振動モードの一つであっ
て、下面を固定したとすると上面があたかも一方向ある
いは複数方向へ引張られる様な形に、いいかえれば円形
が楕円形になる様な振動モードである。

振動体３は、以上に示した縦振動用振動子16及び面外
振動用振動子15を組合わせ、更に第３図（Ｅ）に示す様
に、球接リング７に接着固定する構成としている。即ち
円筒上の面外振動用振動子15上に縦振動用振動子16を90
°おきに４ケ配置しその上に球接リング７を接着固定し
てできている。今、第３図に示す様に、電極プレート８
に交流電源10a〜10hを結線し、各電源電圧の周波数f,振
幅A,位相δをかえると、各振動体３の面外振動及び縦振
動が組み合わさって球接リング７上に複数の振動モード
振幅が表われる。

球接リング７は球９と接する面として面取り部17を有
していて、具体的には第１図に示す様にして各振動体３
（3a〜3d,3a′〜3d′）は面取り部17にて球９と接して
いる。各振動体３が振動する時間取り部17と球９との間
に発生する静止摩擦力（第１図ホルダ1a及びカバー1bと
をネジ11にて締結した時面取り部17と球９との間に発生
する摩擦力）を介して球９は振動体３より運動エネルギ
を与えられる。

球接リング７は上述した様に、複数の振動モード振幅
を発生することになるが、供給する印加電圧の周波数ｆ
・振幅Ａ・位相δを規則的に選べば、特定の振動モード
振幅を選んで球接リング７上に発生させることができ
る。

本実施例では、各振動子３の縦振動による縦振幅及び
面外振動による横振動とを複合させることで楕円振動を
励振させ、球接リング表面に間欠送りモードや進行波モ
ードを発生させている。

これにより、球接リングに接した球は摩擦力を介し回
転運動を行なう事により球接リングに接した球は摩擦力
を介し回転運動を行う事になり、アーム２を駆動する。
そして、間欠送りモードにてθｘ及びθｚの駆動を、進
行波モードによりθｙの駆動が可能となる。

次に、上記した球接リングに発生し、θｙ駆動の進行
波モードとθx,θｚ駆動の間欠送りモードであるが、ま
ず第５図（１），（２）を用いて、進行波モードの説明
をする。

進行波モードとは第５図（１）に示すように、弾性体
であるプレート32上にスライダ31をおき、プレート32上
の表面上に矢印ｂなる楕円運動を発生させた時、あたか
もプレート32表面は、波打ちながら矢印ｃの方向に移動
する進行波が発生する為、スライダ31はその進行波の影
響を受け矢印ａの方向に摩擦力し移動を始めることがわ
かっている。本原理を球接リング７をプレート32に、球
９をスライダ31におきかえて展開することにより球９の
旋回が可能となってくる。即ち第５図（２）に示すよう
に球接リング７表面に楕円振動を発生させることにより
進行波が球接リング７全面を走り始める為、摩擦力を介
し球９は進行波の進行方向ｄとは逆の方向ｅに回転を始
める。第１図との対応をつけるならば、θｙ方向の回転
である。

第２図に示す様に、カバー1b側及びホルダ1a側の対と
なった球接リング７上に進行波が同一方向に同一振幅，
同一速度で起こる時、球９の回転θｙが発生し、アーム
２の旋回が可能となる。

球接リング７に進行波モードを発生させるためには、
各振動体3a,3a′,3b,3b′のそれぞれ縦振動用振動子16
を特定周波数にて同一振幅で振動させ、かつ、各振動体
３の縦振動用振動子を基準として同一位相δずつ右まわ
りあるいは左まわりに累積してずらした様にして振動さ
せる様にすれば良い。

この様にすることで球接リング７上に特定周期の波が
位相δのずれにより球９が回転を始める。

右まわり、左まわりと位相δの累積方向にずらすこと
で正転，逆転が可能となる。又位相δの量及び振動数ｆ
をかえることで回転スピードが変化させることが可能と
なる。

次に、進行波モードを第６図を用いて説明する。

第６図（Ａ）は、各振動体３に電圧を印加させていな
い初期状態である基準姿勢を第１図（Ａ）のアーム２の
方向から示したものである。第６図（Ｂ）〜（Ｋ）は、
間欠送りモード時の球接リングの動きを示したものであ
る。これにより、球９を駆動することでアーム２のθx,
θｚ送りを行う。ここでは動作原理を理解しやすくする
ために、第１図（Ｂ）の断面図における各振動子15,16
の構成あるいはケーブル25を省き簡略化している。

（Ｂ）は面外振動用振動子15が外側方向に開き始める
と共に、縦振動用振動子16が振動体3a及び3dで伸び始
め、振動体3b及び3cではまだ初期状態の状態になってい
る図である。

即ち、（Ｂ）図の様にすると、振動体3a及び3dは外側
に開き球９を押し上げる様、球に接した状態で球をθ_１
方向に押し回す様に伸びるが、振動体3b及び3cは球９か
ら離れる形をとる。

ここで、振動体3a,3dが上記したような動きをとるた
めには、球接リング７が球９を押すように、縦振動用振
動子16に電力を印加し、一方縦振動用振動子16が球接リ
ング７を押す位置に対応する位置の面外振動用振動子15
が広がるように電力を印加させる。

（Ｃ）は、さらに面外振動用振動子15が更に外側に開
き縦振動用振動子16が振動体3a及び3dではさらに伸び続
け、ようやく振動体3b及び3cでも位相を遅くして伸び始
めた状態を示す。この時、振動体3a及び3dは球９の接し
た状態で球９をθ_２の回転を行うことになる。ただし振
動体3b及び3cは縦振動用振動子16が伸び始めたとはいえ
面外振動により外側に押し開かれていることから球９か
らは尚離れた形である。

ここでも、（Ｂ）のときに説明したように、第６図中
の矢印を印した方向に各振動体が振動するように、電力
を印加させればよい。以下（Ｄ）〜（Ｆ）も同様にすれ
ばよいので、その動作についてだけ説明する。

（Ｄ）はさらに面外振動用振動子15が外側に開いて最
大に開いた状態を示す。この時振動体3a及び3dの縦振動
用振動子16は縮み始め既に球９より離れ始める。一方振
動体3b及び3cは縦振動用振動子16を伸ばしきり、球９に
接触をする。そして逆に縮みモードに入いることにな
る。この際にθ_３の球の回転を行っている。

（Ｅ）は面外振動用振動子15が内側に閉じ始め、振動
体3a及び3dの縦振動用振動子16は縮み続けると同時に、
振動体3d及び3cの縦振動用振動子16が縮み状態を続行す
る。この時、振動体3a及び3dは面外振動が縮みモードに
あるとはいえ初期状態より遠くまだ球９に離れた状態と
なっている。逆に振動体3b及び3cは球９に接触した状態
を保ちθ_４の回転を行っている。

（Ｆ）は面外振動用振動子15が尚内側に閉じる動作過
程で、振動体3b及び3cの縦振動用振動子16が球９を接触
した状態で球θ_５の回転を行っている図である。

振動体3a及び3dは（Ｅ）同様球９より離れた状態であ
る。

（Ｇ）は（Ｆ）の続きで面外振動が続行され振動体3b
及び3cが球９をθ_６まで回転させている図である。振動
体3a及び3dは球９から離れている状態である。

（Ｈ）は（Ｇ）と同様にして球９をθ_７まで回転させ
ている図である。面外振動は初期状態より内側に向かい
つつあるが振動体3a及び3dは縦振動用振動子16が縮小モ
ードにあってやはり球９からはなれている。

（Ｊ）は面外振動が内側に最大限に寄ったことと、振
動体3a及び3dの縦振動用振動子16が伸びモードとなり逆
に振動体3b,3cの縦振動用振動子16が縮みモードとなっ
て球９と接触する振動体がかわった状態を示す。この間
にも球９はθ_８だけ回転を続けている。

（Ｋ）は最大限内側に寄っていた面外振動が外側に開
き始め、球９に接触していた振動体3a及び3dの縦振動用
振動子16の伸びも加わり、球９が振動体3a,3dによりθ
_３の回転を行っている状態を示したものである。

振動体3b,3cは面外振動が開く過程で球９とは接触し
ていない。

（Ｋ）は（Ｊ）の続きとしてθ₁₀の回転をさらに行っ
ている図を示す。この時、振動体3a及び3dは初期状態と
なっており、これからまた球９を回転しようとしてい
る。ここで、振動体3b及び3cは駆動初期に縦振動用振動
子16の動作が遅れた分だけまだ縮みモードにあって球９
に触れていない。

間欠送りモードで重要なのは、この振動体3b及び3cの
縦振動用振動子16の振動位相が振動体3a及び3dのそれよ
り30°遅れている点である。ここで球９をさらに回軸し
たい場合は第６図（Ｋ）から第６図（Ｂ）へと続き同様
な動きを繰り返す。回転を止めたいときは、各振動体３
への電力の印加をストップさせ、初期状態（Ａ）に戻せ
ばよい。このシーケンスで注目すべき点は、振動体3a〜
ｄによる回転の際３′ａ〜ｄの振動体は完全に避けきっ
ていて関与しない事になっているという点である。

以上により、間欠送りモードにより第１図（Ａ）のθ
x,θｚの２軸まわりに球７を回転させることができる。
またθx,θｚを組み合わせることにより２自由度を同時
駆動することができる。

本多自由度アクチュエータは、アームを取り去り球の
回転駆動機構として用いる事もでき、水平面上に球露出
部をおき台車の車輪として１ケあるいは複数用いるなら
ば３自由度の移動機構、あるいはその駆動源となりう
る。又ローラとして用いるならば３自由度の搬送機構と
なり、本３自由度アクチュエータは構造が単純であるた
め小型化が可能である事、摩擦力が駆動力となることか
ら駆動するための電圧を各振動子に与えない場合の保持
力は常に作用しており停止トルクは常に存在している
事、各振動子の振動自体は非常に微細なものであって高
分解能駆動が可能である事等の長所を有している。

第７図は、本実施例の３自由度アクチュエータを２ケ
（30a,30b）を組合わせ、フレキシブルフィンガー35と
して６自由度の位置決め機構にした１実施例である。光
ファイバスコープ36を搭載し、対象物あるいは自己位置
状態を計測しながら位置決めができ自動化を図った例で
ある。

第８図（１）〜（３）はフレキシブルフィンガーの代
表である人間の指の動きによって様々な形状の物の把持
方法をかえている例を示したものである。

小球41,大球42,コイン43の持ち方も多岐にわたってい
てフレキシビリティが高い。

こうした人間の手首に近いロボットハンドとして、第
８図（４）に産業用ロボット47の手元についたハンド45
として３自由度アクチュエータ30を組合わせたハンド46
を提供した実施例を示す。

本実施例のハンド46は、TVカメラ、光ファイバスコー
プ等の計測系と合わせ指自体で種々の物46を把持するこ
とができるばかりか、指の先端が自由に回転できるため
この指だけでネジ締め等の単純作業は容易に行える長所
を有しており、非常に有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コンパクト構造にてθx,θy,θｚの
３自由度を駆動することが可能であり、小形軽量化が図
れる事、また、多自由度を同時駆動できるので、位置合
せに要する時間を少なくすることができる。また、電圧
素子を用いていることで高精度化が可能であること、共
振を利用することで電圧素子単独でのストロークを拡大
でき、進行波発生モードあるいは間欠送りモードによる
長いストローク送りが可能であって実用範囲が大きい。

又、常にネジ締結による摩擦力が介在しており停止ト
ルクが常に働いているため、この摩擦力以上の外乱でな
い限り電力不要で停止制度が確保されるという利点を備
えている。

さらに、高精度の位置決めを実現させるのに、位置検
出機能を付加するだけでよく、システムが非常に簡単に
できる等の効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の３自由度アクチュエータ
の縦断面図、第２図はその外観を示す外観図、第３図
は、３自由度アクチュエータの駆動源である各振動子の
動作説明図、第４図は、面外振動用振動子の挙動を有限
要素法解析により説明した動作説明図、第５図は、進行
波発生モードによる球の旋回を説明した動作説明図、第
６図は、間欠送りモードによる球の旋回を説明した動作
説明図、第７図は、本実施例の３自由度アクチュエータ
を２ケ組合わせより高い自由度（６自由度）を得ること
を可能としたフレキシブルフィンガーの外観図、第８図
は人間の手首のフレキシブル性と比較しながら本実施例
の３自由度アクチュエータをハンドとして利用した適用
例を説明するための説明図である。 1a……ホルダ、1b……カバー、3a〜3d,3a′〜3d′……
振動体、４……絶縁弾性体、５……縦振動用圧電素子
（面外振動用）、６……縦振動用圧電素子（縦振動
用）、７……球接リング、８……電極プレート、９……
球、11……ネジ、15……面外振動用振動子、16……縦振
動用振動子、17……面取り部、20……駆動用ドライバ、
25……ケーブル、30……３自由度アクチュエータ、（30
a,30bも同様）、10a〜ｈ……交流電源、31……スライ
ダ、32……プレート、40……ベース、35……フレキシブ
ルフィンガー、41……小球、42……大球、43……コイ
ン、45……ロボットハンド、46……本実施例の３自由度
アクチュエータを組込んだロボットハンド、47……産業
用ロボット。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】球を２個の対向したリングで挟み込み、前記挟み込んだリングと複数個の縦振動用振動子と円筒
状の面外振動用振動子とを重ねて結合し、前記縦振動用振動子又は面外振動用振動子又は双方を組
み合わせて駆動し、前記球を任意に回動させることを特徴とする多自由度ア
クチュエータ。