JP3062672B2 - 二次元走行メカニズム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次元走行メカニズムに
関する。より詳しくは、前進後退に加えて左右旋回走行
も可能であり、さらには水平面のみならず傾斜面及び垂
直面も登攀可能な二次元走行メカニズムに対する。

【０００２】

【従来の技術】超小型の二次元走行メカニズムはマイク
ロロボット等に応用可能であり、従来から盛んに開発が
行なわれている。超小型二次元走行メカニズムは大別す
ると非車輪方式と車輪方式がある。非車輪方式は走行手
段がずり足型と非接触型に分れている。ずり足型は、具
体的には斜毛又は爪を備えており、床面との往復の摩擦
力差を利用して前進するものである。駆動源は、電磁
型、圧電型、形状記憶合金型、静電型、空気圧型等があ
る。一方車輪方式では駆動源が電磁型、圧電型、空気圧
型等がある。電磁型を用いたものは一般的な電磁モータ
と腕時計用ステップモータに大別できる。又、圧電型を
利用した車輪方式としてはマイクロ超音波モータがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】車輪方式は非車輪方式
に比べ、操縦性、安定性、高速性、効率性等に優れてい
る。しかしながら二次元走行メカニズムの超小型化を図
る場合機構的な複雑さが障害となっている。一方、非車
輪方式は機構的に単純な構造であり超小型化に適してい
る。しかしながら、従来の非接触方式二次元走行メカニ
ズムは操縦性、高速性、安定性及び効率性等の点で改善
の余地が残されており、解決すべき課題となっている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かる二次元走行メカニズムは基本的な構成として、一対
の可動体とこれらを互いに接続する連結体とを有してい
る。本発明の特徴事項として、各可動体は夫々複合共振
型の超音波リニアモータからなる。該超音波リニアモー
タは、可動体本体を構成する振動部と、該振動部の上面
に設けられた圧電素子と、該振動部の下面に設けられた
接触足とからなる。該振動部は圧電素子により縦振動と
屈曲振動の二重モードで振動し、該接触足を介して推進
力を発生する。該圧電素子に位相の異なる２つの可変の
高周波駆動電圧を供給する制御手段を含んでおり、該２
つの駆動電圧の位相差を制御する事により前進走行及び
後退走行を切り換える。又、該駆動電圧の周波数を両超
音波リニアモータ間で差動的に制御する事により、左右
旋回走行を行なう。

【０００５】好ましくは、該接触足は振動部の下面から
突出した長脚を備えており、縦振動振幅より大きな走行
歩幅を有する。あるいは、該振動部には車輪が装着され
ており、該接触足に当接してその振動を回転力に転換し
ても良い。

【０００６】又好ましくは、該一対の可動体と該連結体
は一体構造となっている。具体的には、該一体構造はプ
ラスチックからなる一体成形品を用いる事ができる。あ
るいは、該一対の可動体と該連結体は互いに別体からな
り、結合ピンを介して接続されたものであっても良い。

【０００７】さらに好ましくは、前記連結体は保持手段
を備えており、走行面に作用して保持力を発生する。具
体的には、前記保持手段は真空吸着機構からなる。ある
いは、前記保持手段は永久磁石部材で構成しても良い。
さらには、前記保持手段は荷重部材で構成する事も可能
である。

【０００８】本発明の応用例として、二次元走行メカニ
ズムに作業用ツールを搭載してロボットを構成する事が
できる。好ましくは、前記ロボットは遠隔操縦される。
他の応用例として、前記一対の可動体は中央に位置する
連結体から互いに反対方向外側に向って付勢されてお
り、管内走行を可能にする。

【０００９】

【作用】本発明にかかる二次元走行メカニズムは、両側
に位置する一対の可動体と中央に位置し両可動体を互い
に接続する連結体とからなる極めて単純化された構造を
有している。従って超小型化に有利である。各可動体自
身が夫々独立した複合共振型の超音波リニアモータから
なる。換言すると、超音波リニアモータの振動変位自体
が直接走行メカニズムの推進力を発生する様になってい
る。超音波モータは一般的に、小型で高トルク、高効率
化が期待できる、磁気の影響を受けない、磁気ノイズを
出さない、応答性が高い、静止トルクが大きい、位置決
め分解能が高い等という数多くの特徴を有している。

【００１０】前記超音波リニアモータは可動体本体を構
成する振動部と、該振動部の上面に設けられた圧電素子
と、該振動部の下面に設けられた接触足とから構成され
ている。振動部は圧電素子により縦振動と屈曲振動の二
重モードで振動する。従って振動腹部は走行面に垂直で
且つ走行方向に平行な平面上で楕円運動する。この部分
に接触足を設ける事により走行面と周期的に当接して推
進力が発生する。圧電素子には可変の高周波駆動電圧が
供給され伸縮振動する。これに共振して前記振動部が二
重モードで縦振動並びに屈曲振動を行なう。この際、駆
動電圧の位相を制御する事により楕円運動の方向を切り
換える事ができ前進走行及び後退走行が実現できる。
又、駆動電圧の周波数を共振点からシフトさせる事によ
り振動部の振幅が小さくなり楕円運動が縮小する。従っ
て周波数制御により走行速度を自在に調節できる。この
際、両側の超音波リニアモータ間で周波数を差動的に制
御する事により左右旋回走行も自在に行なえる。好まし
くは中央に位置する連結体は真空吸着機構あるいは永久
磁石部材等からなる保持手段を備えており、走行面に作
用して保持力を発生する。従って、本発明にかかる二次
元走行メカニズムは水平面のみならず傾斜面や垂直面に
対しても保持力により支えられた状態で登攀走行する事
ができる。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる二次元走行メカ
ニズムの基本的な構成を示すブロック図である。図示す
る様に、本二次元走行メカニズム１は、一対の可動体
２，３と、これらを互いに接続する連結体４とから構成
されている。各可動体２，３は夫々複合共振型の超音波
リニアモータからなる。この超音波リニアモータは、可
動体本体を構成する振動部５と、該振動部５の上面に設
けられた圧電素子６と、該振動部５の下面に設けられた
接触足７とから構成されている。振動部５は圧電素子６
により縦振動と屈曲振動の二重モードで振動し、接触足
７を介して推進力を発生する。

【００１２】連結体４は保持手段８を備えており、走行
面に作用して保持力を発生する。これにより、水平面の
みならず傾斜面や垂直面に対しても登攀走行する事がで
きる。本例では、この保持手段８は真空吸着機構から構
成されている。

【００１３】図２は可動体２，３の具体的な構成を表わ
しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は
底面図である。（Ａ）に示す様に長手形状を有する振動
部５の上面には圧電素子６が固着されており、一対の駆
動電極９，１０を備えている。

【００１４】（Ｂ）に示す様に圧電素子６は積層構造を
有しており、中間の圧電体１１を挟む様に、その上側に
は上述した一対の駆動電極９，１０が形成されている。
又、圧電体１１と振動部５との間には接地電極１２が介
在している。一対の駆動電極９，１０に高周波駆動電圧
を印加する事により圧電セラミック等からなる圧電体１
１は伸縮運動を行なう。これと共振して振動部５は縦振
動と屈曲振動の二重モードで振動し所謂複合共振型の超
音波リニアモータが得られる。一対の駆動電極９，１０
には制御手段から可変の高周波駆動電圧が供給される。
本例では一方の駆動電極９にｃｏｓ波電圧が印加され、
他方の駆動電極１０にはｓｉｎ波電圧が印加される様に
なっている。

【００１５】（Ｃ）に示す様に振動部５の底面には一対
の接触足７が固着されており、摩擦部材から構成されて
いる。各接触足７は振動部５の屈曲振動腹部に相当する
部位に位置付けられている。

【００１６】図３は振動部５の振動モードを模式的に表
わしたものであり、（Ａ）は屈曲２次振動Ｂ２を表わし
ており、（Ｂ）は屈曲４次振動Ｂ４を表わしており、
（Ｃ）は縦１次振動Ｌ１を表わしている。本発明の複合
共振型超音波リニアモータでは、振動部５は屈曲２次振
動Ｂ２と縦１次振動Ｌ１の二重モードで共振する。ある
いはこれに代えて、屈曲４次振動Ｂ４と縦１次振動Ｌ１
の二重モードを採用しても良い。

【００１７】（Ａ）に示す様に、屈曲２次振動Ｂ２の場
合には、中央の節部１３を支点として、両側の腹部１
４，１５が互いに反対方向に振動する。本発明にかかる
複合共振型の超音波リニアモータを構成する場合には、
屈曲振動は支点に対して点対称である必要があり、この
為屈曲２次モードＢ２が採用されている。

【００１８】同様な理由により（Ｂ）に示す様に、屈曲
４次振動Ｂ４を採用しても良い。この場合には節部１３
を支点として両側に２個ずつ４個の腹部が存在する。こ
の振動モードも節部１３に対して点対称になっている。

【００１９】（Ｃ）は上述した屈曲２次振動又は屈曲４
次振動に組み合わされる縦１次振動Ｌ１を模式的に表わ
したものである。屈曲振動と異なりこの縦振動は振動部
５が長手方向に伸縮変位する。図示の例では中央の節部
１３を支点として両側が縮小した状態を示している。節
部１３を原点にすると、振動部５の左側半分は正方向に
変位し、右側半分は負方向に変位している。逆に伸びた
状態になると左側半分は負方向に変位し、右側半分は正
方向に変位するので、点線で示す様なカーブで表わされ
る事になる。

【００２０】図４は上述した縦１次振動Ｌ１と屈曲２次
振動Ｂ２を重ね合わせた二重モードを模式的に示したも
のである。図示の状態では振動部は長手方向に沿って縮
んでおり且つ左側の腹部１４が下側に変位し右側の腹部
１５が上側に変位した状態を表わしている。従って模式
的に表わした左側の接触足７Ｌが走行面に当接する一
方、右側の接触足７Ｒが浮いた状態にある。

【００２１】次に図５は、図４に示した状態から位相が
１８０°進行した状態を表わしている。振動部の縦１次
振動Ｌ１は縮んだ状態から伸びた状態に移行している。
又、屈曲２次振動は左側の腹部１４が上方に変位し、右
側の腹部１５が下方に変位する。従って、左側の接触足
７Ｌが浮いた状態となり右側の接触足７Ｒが走行面に当
接した状態になる。

【００２２】図５の状態からさらに１８０°位相が進む
と図４の状態に戻る。これを繰り返す事により、一対の
接触足７Ｌ，７Ｒは各々図５の下側に示す様に、走行面
に垂直で走行方向に平行な平面上で楕円運動を行なう。
これにより、二次元走行メカニズムは図面上左側から右
側に向って前進走行する。この状態は、図２の（Ｂ）に
示した様に、左側の駆動電極９にｃｏｓ波電圧を印加
し、右側駆動電極１０にｓｉｎ波電圧を印加する事によ
り実現できる。逆に、左側の駆動電極９にｓｉｎ波電圧
を印加し、右側の駆動電極１０にｃｏｓ波電圧を印加す
ると位相が９０°反転する為、屈曲２次振動Ｂ２と縦１
次振動Ｌ１の位相関係が逆転する。よって一対の接触足
の楕円運動の回転方向が逆になり、二次元走行メカニズ
ムは右側から左側に向って後退走行する事になる。この
様に、圧電素子に印加される高周波駆動電圧の位相を制
御する事により、二次元走行メカニズムの前進走行及び
後退走行を自在に切り換える事が可能である。

【００２３】図６は圧電素子に印加される高周波駆動電
圧の周波数と振動部の振幅との関係を示すグラフであ
る。圧電素子に対して所定の周波数ｆの高周波駆動電圧
が印加されると、振動部は共鳴し最大振幅の縦１次振動
及び屈曲２次振動が得られる。よって、接触足の楕円運
動の径が最大となり超音波リニアモータの走行歩幅も最
大になる。これに対して、高周波駆動電圧の周波数が共
振周波数ｆからシフトすると振動部は共振点から外れる
ので振幅は急激に減衰する。従って接触足の楕円運動の
径も縮小し走行歩幅が小さくなる。以上の説明から明ら
かな様に、圧電素子に印加される高周波駆動電圧の周波
数を共振点からシフトする事により二次元走行メカニズ
ムの速度を自在に調整できる。さらには、連結体の両側
に位置する超音波リニアモータ間で高周波駆動電圧の周
波数を差動的に制御する事により左右旋回走行も自在に
行なえる。極端な場合には片方の超音波リニアモータの
駆動を停止して、回転半径を小さくする事も可能であ
る。

【００２４】図７のグラフは、屈曲２次振動に代えて屈
曲４次振動を採用した場合の複合共振モードを表わして
いる。図示する様に、屈曲４次振動モードにおける振動
部の４個の腹部に夫々接触足７ａ又は７ｂを設ける事に
より走行運動が可能になる。即ち、図７のグラフの上方
に示す様に、各接触足７ａ又は７ｂは走行面に垂直で走
行方向に平行な平面上で楕円運動を行なうので、可動体
は図面上左側から右側に向って移動可能になる。なお、
接触足７ａ，７ｂは楕円運動の方向が互いに逆であるの
で何れか一方の組を採用する。

【００２５】図８は振動部の厚み寸法と長さ寸法との関
係を示すグラフである。一般に、振動部の固有振動数は
寸法に依存しており、特に縦１次振動と屈曲２次振動の
複合モード、縦１次振動と屈曲４次振動の複合モードで
は厚み寸法と長さ寸法の相対的な関係により固有振動数
が決定され、幅寸法は実質的な影響を与えない。例えば
固有振動数に対応する圧電素子の共振周波数ｆを１００
kHz に設定すると、Ｌ１−Ｂ２モードでは厚み寸法を２
mm強とし長さ寸法を１２mm程度に設定すれば良い。Ｌ１
−Ｂ４モードでは同じ共振周波数ｆ＝１００kHz を実現
する為に厚み寸法を１mm強とし長さ寸法を２０mm強に設
定すれば良い。この関係から明らかな様に、Ｌ１−Ｂ４
モードでは長さ寸法に比べて厚み寸法を薄型化できると
いうメリットがある。しかしながら、長さ寸法の絶対値
が小さくなると厚みが薄くなる為振動部の機械的な強度
が確保できない。この場合には、Ｌ１−Ｂ２モードを採
用して厚み寸法を確保すれば良い。

【００２６】図９は図１に示した一対の可動体２，３と
連結体４の具体的な構成例を示す模式的な平面図であ
る。本例では、両側に位置する一対の可動体２，３と中
央の連結体４は一体構造になっている。この一体構造
は、例えばプラスチックからなる一体成形品又は金属板
のプレス板からなる一体成形品を用いる事ができ製造コ
スト的に有利である。さらには、点線で示す様に一体成
形した後両可動体２，３の端部をトリミングし固有振動
数の調整を図る様にしても良い。一体構造はプラスチッ
クの一体成形品を用いる代わりに、例えばエッチングに
より所定の剛性及び弾性を有する材料を加工して得ても
良い。

【００２７】図１０は他の構成例を示す模式的な平面図
であり、本例では一対の可動体２，３と連結体４は互い
に別体からなり、結合ピン１６を介して互いに接続され
ている。例えばステンレススチールからなる可動体２，
３と連結体４を、同じくステンレススチールからなる結
合ピン１６により溶接で互いに結合する事ができる。な
お、結合ピン１６は可動体２，３の中央に位置する振動
部支点と整合する様に配置する必要がある。

【００２８】図１９は別の構成例を示す模式的な斜視図
である。本例では、個々の可動体は単独の超音波モータ
からなり、振動部５の中央上部にはコの字形の接続部材
５６が設けられている。かかる構成を有する可動体を一
対並べ該接続部材５６を介してその上に所望の本体部
（図示せず）を接続固定すれば容易に二次元走行メカニ
ズムが構築できる。なお、場合によっては３個以上の該
可動体を組み合わせても良い。

【００２９】図１１は接触足７の変形例を示す模式的な
側面図である。図１に示した基本例では接触足７は振動
部５の下面に直接設けられていた。これに対して図１１
の例では、接触足７は振動部５の下面から突出した長脚
１７を備えており、接触足７の当接面はその先端に位置
する。図示する様に、各長脚１７の根元部は楕円運動を
行なう。これにより長脚１７の先端は大きく振られ長径
が増大した楕円運動を行なう。よって、振動部５自体の
縦振動振幅より大きな走行歩幅をかせぐ事が可能にな
る。

【００３０】図１２は接触足のさらに他の変形例を示す
模式的な側面図である。本例では振動部５に車輪１８が
装着されており、接触足７に当接してその振動を回転力
に転換する。よって、上下振動が吸収された円滑な二次
元走行を確保できる。

【００３１】図１３は、図１に示した保持手段８の具体
的な構成例を示す模式図である。本例では保持手段８は
真空吸着機構２０からなり、連結体４は空洞２１とこれ
に連通するバキューム管２２を備えている。走行面２３
と密着した状態でバキューム管２２を介して空洞２１内
部を排気する事により、連結体４は大気圧に押され走行
面２３に対して保持される。この保持状態を維持しつ
つ、連結体４の左右に位置する可動体２，３は推進力を
発生し二次元走行を行なう。よって、本実施例では水平
な走行面２３に限られず傾斜もしくは垂直な走行面に対
しても登攀走行を行なう事ができる。なお、円滑な走行
を確保する為、走行面２３と連結体４の底部との間に、
真空吸着力を損なわない程度で例えばμｍオーダのギャ
ップを設けても良い。

【００３２】図１４は保持手段８の他の例を示す模式図
である。本例では連結体４の内部に永久磁石部材２４が
埋め込まれており、磁性材料からなる走行面２３に対し
てギャップを介し吸引力を及ぼす。従って、図１３に示
した例と同様に傾斜面及び垂直面に対して保持され、登
攀走行が可能になる。

【００３３】図１５は保持手段８のさらに別の例を示す
模式図である。本例では保持手段８は荷重部材２５から
構成されている。換言すると、連結体４自体が比重の重
い材料（例えば真鍮）からなり、走行面２３に対して重
力に基く静圧を加え二次元走行メカニズムを保持する。
この様に所定の接地圧を確保する事により多少の勾配を
有する走行面に対しても登攀する事が可能である。

【００３４】図１６は、図１に示した二次元走行メカニ
ズムの一応用例を示す模式図であり、管内走行の可能な
構造を有している。即ち、一対の可動体２，３は中央に
位置する連結体４から互いに反対方向外側に向って付勢
されている。具体的には、各可動体２，３は連結体４を
貫通する伸縮自在な連結ピン１６の両端に取り付けられ
ているとともにコイルバネ３０により外方向に向って弾
圧されている。両可動体２，３を内側方向に縮めた状態
で所定の管３１の開口部に挿入する。各可動体２，３は
コイルバネ３０により外方向に弾圧され、管３１の内面
と圧接する。この状態で一対の複合共振型超音波リニア
モータを駆動すれば、二次元走行メカニズム１は管壁に
沿って進行していく。なお、本例では各可動体２，３の
径方向内側に圧電素子６が装着されるとともに、径方向
外側の面に接触足が取り付けられる事になる。この際、
可動体２，３の外側面は管３１の内周面に沿って湾曲形
状とする事がより好ましい。

【００３５】図１７は図１６に示した管内走行メカニズ
ムの移動状態を表わす模式図である。図示する様に、両
側に位置する可動体２，３は管３１の内周壁に弾圧され
た状態で縦振動と屈曲振動を行なう。この結果、走行メ
カニズム１は管３１の軸に沿って左手から右手に向い進
行する事になる。仮に、管３１が途中で曲がっている場
合にも、両可動体２，３の歩行速度を差動的に制御する
事により円滑に進行する事ができる。

【００３６】最後に図１８は本発明にかかる二次元走行
メカニズムの他の応用例を示す説明図である。（Ａ）は
平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は進行方
向正面図であり、（Ｄ）は背面図である。図示する様
に、中央の連結体４の上には作業用ツール４０が組み込
まれており自走ロボットを構成する。本例ではこの作業
用ツール４０はグリッパからなり連結体４に植設された
シャフト４４の回りを回転可能に取り付けられている。
連結体４の内部には保持手段を構成する永久磁石部材２
４が埋め込まれている。作業用ツール４０とその下に位
置する二次元走行メカニズムはカバー４１により隔てら
れている。カバー４１の下部には回路基板４２が配置し
ており、外部制御回路とケーブル４３で接続されてい
る。このケーブル４３を介して制御信号や駆動信号が供
給される。かかる構成を有するロボットは超小型に組み
立て可能であり、微小な部位に進入して様々な作業を行
なう事が可能である。本例ではケーブル４３を用いて有
線制御されているが、これに代えて無線通信システムを
採用し遠隔操縦としても良い。この場合にはロボット自
体に電源やその他の受信回路、制御回路を搭載する事に
なるので若干大型化する。なお遠隔操縦の媒体としては
電波に代え赤外線等を用いても良い事は勿論である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、二
次元走行メカニズムは一対の可動体とこれらを互いに接
続する連結体とからなり、各可動体は夫々複合共振型の
超音波リニアモータから構成されている。可動体自体が
リニアモータであるので構造が極めて単純化され二次元
走行メカニズムの超小型化が可能になるという効果があ
る。超音波リニアモータは高トルクであるので、小型化
しても高い変換効率が期待できるという効果がある。
又、一対の超音波リニアモータに印加される高周波駆動
電圧の位相や周波数を制御する事により走行速度や走行
方向を自在に調整でき操作性に優れているという効果が
ある。さらには、保持手段と組み合わせる事により水平
面のみならず傾斜面や垂直面も自由に走行する事ができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる二次元走行メカニズムの基本的
な構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示した可動体を構成する複合共振型超音
波リニアモータの構成を示す説明図である。

【図３】同じく超音波リニアモータの動作説明図であ
る。

【図４】同じく超音波リニアモータの動作説明図であ
る。

【図５】同じく超音波リニアモータの動作説明図であ
る。

【図６】超音波リニアモータの周波数と振動振幅との関
係を示すグラフである。

【図７】超音波リニアモータの動作説明図である。

【図８】超音波リニアモータの振動部の長さ寸法と厚み
寸法との関係を示すグラフである。

【図９】二次元走行メカニズムを構成する一対の可動体
及び連結体の具体的な構成例を示す平面図である。

【図１０】同じく一対の可動体と連結体の他の具体例を
示す平面図である。

【図１１】可動体に取り付けられる接触足の具体例を示
す側面図である。

【図１２】同じく接触足の他の具体例を示す側面図であ
る。

【図１３】二次元走行メカニズムに組み込まれる保持手
段の具体例を示す模式図である。

【図１４】同じく保持手段の他の具体例を示す模式図で
ある。

【図１５】同じく保持手段の別の具体例を示す模式図で
ある。

【図１６】二次元走行メカニズムの応用例を示す説明図
である。

【図１７】図１６に示した応用例の動作説明図である。

【図１８】二次元走行メカニズムの他の応用例を示す模
式図である。

【図１９】可動体の別の具体例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 二次元走行メカニズム ２ 可動体 ３ 可動体 ４ 連結体 ５ 振動部 ６ 圧電素子 ７ 接触足 ８ 保持手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 美奈子 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−30469（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−142181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−29476（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−4594（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 B65G 54/00 B62D 57/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複合共振型の超音波リニアモータにより
   構成され同一方向に推進力を働かせることで走行する複
   数の可動体と、この可動体を互いに接続する連結体と、
   前記連結体に設けられ前記可動体をその走行する面に対
   して保持させる力を発生する保持手段と、を有すること
   を特徴とする二次元走行メカニズム。