JP4152098B2

JP4152098B2 - 球面アクチュエータ

Info

Publication number: JP4152098B2
Application number: JP2001372338A
Authority: JP
Inventors: 洋介東島; 直樹豊田
Original assignee: 遠山茂樹
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003174783A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は球状のロータをステータの軸心回りに回転駆動させる球面アクチュエータに関し、特に、部品点数が少なく、安価且つ高性能な球面アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高度な制御部や各種センサを搭載したロボット製品が開発され、家庭用ロボットの時代が予感されるに至った。しかしながら、多くの関節に多自由度を必要とする人型ロボットにおける、手、足、その他の関節部、眼球部などに搭載するアクチュエータの出力と自由度は未だ不十分である。特に、従来から使用されている電磁モータは小型化すればする程、単位体積当たりの出力換算が需要を満たさなくなる。
【０００３】
そこで近年は、電磁モータの代りに超音波アクチュエータを使用することが提案されている。特に圧電現象を駆動源とした直接駆動型アクチュエータである進行波型超音波モータは、磁界の影響を受けない上、摩擦駆動である為に慣性負荷を直接駆動することができる。また、電力停止時にその摩擦によって、高い保持トルクを発生することが出来る上、低速時のトルクが高く簡単な構造でトルク密度が高いという特徴がある。従って、進行波型超音波モータは、単位体積当たりの出力換算では電磁モータを上回る上、理論的な位置分析能（位置決め装置における分解能と同義）は無限大であるという利点がある。
【０００４】
実際、本発明者等が開発した進行波型超音波モータである多自由度球面超音波モータは、単体で３自由度駆動が可能であり、超音波モータとしての動力特性を維持したまま、直接駆動方式で球体駆動操作を行うことが出来るので、人型ロボットの関節部のアクチュエータ等として好適である。しかしながら、このような球面超音波モータを駆動させる為には、ステータとハウジングの間に、皿バネやゴム等の弾性体を介在させて一定の力でステータをロータに押しつけるだけではなく、球状ロータとステータの位置関係を微調整出来るように精度良く組み合わせる必要があった。従って上記球面超音波モータは、構造が複雑で部品点数も多くならざるを得ず、安定に動作させることが困難である上高価なものとならざるを得ないという欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者等は、安価で高性能な球面アクチュエータについて鋭意検討した結果、従来、実質的に剛体のように作製されていたハウジングを、変形可能ではあるが球状ロータを保持し得る弾性力を有するハウジングとした場合には、ステータをハウジングに固定する為の部品点数を大幅に削減することが出来る上、従来要求されていたような組立て精度も不要となり、これによって製造コストを大幅に低減することが出来ることを見出し、本発明に到達した。
従って本発明の目的は、安価であると共に組立ても容易である上、安定動作を確保することの出来る球面アクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、少なくとも、壁面自体が弾性を有するフレキシブルなハウジング、該弾性を有する壁面に固定された少なくとも１個のステータ、及び該ステータに圧接され、ステータの微少振動によって該ステータの軸心回りに回転する略球体のロータからなる球面アクチュエータであって、前記弾性を有する壁面の弾性力によって前記ステータとロータとの圧接が調整され、ロータが保持されてなることを特徴とする球面アクチュエータによって達成された。
本発明においては、特に、球状ロータを３個のステータで保持し、これらを、壁面自体が弾性を有するフレキシブルな断面３角形のハウジングに収納してなる球面アクチュエータが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明におけるハウジングは、少なくとも球状ロータとステータからなる球面アクチュエータを一体化出来れば足り、側壁は必須であるが箱の場合のような上面や底面を必須とするものではない。通常、ステータの数が１〜３個である場合のハウジングは断面３角形の筒状、ステータの数が３を超えるｎ個の場合には断面ｎ角形の筒状であり、１つの面に１つのステータが固定される。しかしながら、ステータの数に限らず、円筒状のハウジングとすることも可能である。尚、筒の高さは適宜設計することが出来、通常の筒の概念から逸脱するような低い（薄い）ものとなる場合もある。
【０００８】
このハウジングの壁面は、弾性を有するのでフレキシブルであり、その弾性力によってステータとロータ間の圧着力が調整されると共に、ロータが脱落しないように保持出来る限り、その構造や材質は特に限定されるものではないが、アクチュエータ駆動時に発生する熱を放散し易いものであることが好ましい。最も代表的なものは薄手の金属板で構成したものであり、これは一体成型されたものであっても、帯状の金属板から成型したものであっても、或いは、各側壁となる金属板を、結合部材を用いて一体化したものであっても良い。この場合の結合部材に弾性を持たせることも出来る。各側壁は合同である必要があるが、その形状は、長方形、該長方形の角部を切ったような六角形状等、適宜設計することが出来る。
【０００９】
本発明で使用するステータと球状ロータは、公知の組み合わせの中から適宜選択して使用することが出来る。特に、制御構造を単純にする観点からは、後述する如く、球状ロータとして磁化球を使用することが好ましい。
本発明において、ステータを１個又は２個使用する場合には、球状ロータを支持する為に、ボールベアリング又は回動自在の棒状ベアリングを、夫々２箇所又は１箇所に設ける必要がある。これらのベアリングは、１箇所につき２個以上を組み合せて使用しても良い。
何れにしても、これらのステータやベアリングは、ハウジングの内壁に、球状ロータを支持出来るように設定する。
【００１０】
ロータの回転を３次元的に自由に制御する為に、本発明ではステータを３個以上使用することが好ましく、装置の構造を単純にすると共に安価にすることが出来るという観点から、特に３個使用することが好ましい。ステータを３個以上使用する場合には、このステータだけで球状ロータを支持することが出来るので、他にベアリングを使用する必要はない。
また、少なくとも１つのステータは、首振り運動可能にハウジング内壁に固定することが好ましい。
【００１１】
本発明で使用するステータは、前記球状ロータ表面との接触が緊密であり圧電体によって誘起される進行波のエネルギーがロータに効率良く伝達される限り、その形状（接触表面の形状を含む）に制限はないが、トルクの向上や制限をし易い形状であることが好ましい。また、球状ロータが回転しても上記進行波のエネルギー伝達効率が低下しないことが好ましい。従って、球体は真球性が高い程良い。但し、ステータのロータとの接触面については、櫛歯状等、適宜エネルギー伝達効率を向上させられるように調整することが出来る。耐磨耗性や高摩擦係数、静粛性等の特性を有する材料でステータ表面やロータ表面をコーティングすることも可能である。また、ステータの形状は通常円板状であるが、貼着する圧電体は円環状であることが好ましい。この場合、円環の半径が大きくなる程駆動し易くなるものの、実際に関節部分等に使用した場合には、関節等の動き得る自由度を制限することになるので、アクチュエータとしての要求性能に合わせてステータの大きさを適宜設計する必要がある。
【００１２】
必要に応じて、１つのステータ中に、径の異なる円環状の圧電体を２以上配しても良い。この場合には、各ステータの進行波が協同して球体の回転に寄与するように同期を取ったり、同期をずらしてブレーキをかけたりする必要があることは当然である。尚、ステータ裏面の圧電素子やその貼着方法、電圧印加の為の配線等は、公知の如く行えば良い。
【００１３】
ステータのハウジング内壁への固定は、通常行われているようにボルト等を用いて行えば良いが、特にステータを首振り運動可能に固定する場合には、ステータ裏面とハウジングの間に空隙を設ける必要がある。前記空隙を設けるためのスペーサは、その形状や材質が特に制限されることはないが、熱伝導性に優れることが好ましい。
本発明の球面アクチュエータは、球面ロータをステータとの摩擦力によって駆動させるので、使用時にステータに多量の熱が発生する。従ってこの熱を効率良く放熱する必要がある。この観点からすると、上記ステータに首振り運動をさせるために設けた空間は、放熱効率を阻害するので好ましくない。そこで、本発明においては、上記空間に、熱伝導性ゴムや熱伝導性グリースを介在させることが好ましい。このような熱伝導性ゴム及びグリースは、公知のものの中から適宜選択して用いることが出来る。
【００１４】
本発明で使用する球状ロータは略球状であれば良いが、前記した如く、真球に近い程駆動のエネルギー効率が良くなるので好ましい。また、球状ロータの駆動制御方法は公知の方法の中から適宜選択して採用することが出来るが、小型化という観点から、特に、非接触で制御可能な方法が好ましい。特に好ましい方法としては、球状ロータ自身を磁化した磁化球をロータとし、ホール素子を有するステータによって磁化球の姿勢を検知し、制御する方法である。
【００１５】
次に、本発明のフレキシブルなハウジングを薄手の金属板を用いて作製する場合の設計方法について実施例に基づいて説明する。図１は、正三角形状のハウジング１と、該ハウジング内部に固定された３つのステータ２、及びこれらのステータによって保持される球状ロータ３からなる、本発明の球面アクチュエータの実施例の概念図である。この場合、まず、球状ロータとステータが必ず接触するようにハウジングの一辺の長さを決定する。これは図１において球の重心からハウジングに対しておろした垂線の長さｒ_Ｒ＋ξによって決定される。ｒ_Ｒはロータ半径、ξは球面深さを差し引いたステータ厚さである。
これによりたわみ量（押し付け力０）の状態で球状ロータとステータが接するようなハウジングの一辺の長さ２√３（ｒ_Ｒ＋ξ）が得られる。
【００１６】
次に、要求される押し付け力を満たすように、後記する、弾性を有する壁面を構成する金属板中央に発生する押し付け力Ｆの式からたわみ量ｘを計算する。必要なたわみ量が求まれば、ステータとハウジングの間に適宜スペーサを挟み込むことによって、ステータを、任意の押し付け力で球状ロータに押し付けることが可能になる。但し、たわみによる変形があまりにも大きいとハウジングの金属板が永久歪をおこし、バネとしての役割を果たさなくなる場合もあるので、それを考慮した上でたわみ量を計算する。
【００１７】
例えば、前記したように薄い金属板で正３角形のハウジングを作製し、各辺の中央にステータを取り付け、前記金属板を両端固定の板バネとして考えると、金属板にたわみｘを生じたとき、金属板中央に発生する押し付け力Ｆは下記によって表される。
Ｆ＝１６ｂｈ^３Ｅｘ／ｌ^３
但し、Ｅは前記金属のヤング率、ｂは金属板の幅、ｈは厚さ、ｌは長さである。
また、アクチュエータとしての性能の観点から、Ｆは少なくともロータを脱落させない程度の力であることが必要である。
【００１８】
図２は、本発明の他の実施例であり、本実施例のハウジング１は上面と底面を有している。ステータ２によって支持される球状ロータが内部に入ればハウジング１の低部はボルト止めしなくても良い。しかしながら、左右に滑らないように、ハウジング低部にハウジング１の低部端部が嵌合するような凹部を設ける必要がある。このようにすると、ボルトが不要となるので球面アクチュエータの組立てや分解が極めて容易となる。本実施例の場合にも、ステータとハウジングとの間に、たわみ量を調整するスペーサを介在させることによって、押し付け力を調整することが可能である。
【００１９】
図３は、本発明のハウジングを帯状金属を巻くことによって形成する場合であり、本図では、予め帯状金属に３個のステータが固定されている。図４は、図３の帯状金属を巻いて円筒状とし、内部に球状ロータを入れた状態を表す。本実施例の場合にも、ステータとハウジングとの間に、たわみ量を調整するスペーサを介在させることによって、押し付け力を調整することが可能である。
【００２０】
本発明の球面アクチュエータをそのまま装置等に取り付けて駆動装置として使用することが出来ることは当然であるが、他の応用として、球面ロータ表面にＣＣＤ等のセンサを取り付ける等して球面ロータ自身にセンサ機能を持たせることにより、例えばカメラや人工の眼球として機能させることも出来る。また、球面ロータに出力軸を固定すれば義手等の関節部とすることが出来る他、出力軸の先端等にセンサ等を配してロボットの動作制御等を行わせることも出来る（図５参照）。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、ハウジング自身が弾性力を有するので、ハウジングとステータの間に皿バネ等の多数の部品を介在させて微調整を行うという必要がなく、ステータを、公知の手段によって、単純にハウジングに固定すれば足りる。また、従来通りの固定方法を採用した場合でも微調整の必要がないので、装置に組み上げる作業が簡単になる。このように、従来、装置の性能やコストの限界となっていたステータとロータの押し付け力やその調整が、ハウジングの弾性力によって自動調整されることになるので、その産業上の有要性には著しいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状ロータが、３角形の薄手の金属からなるハウジング内壁にそれぞれ固定された３つのステータによって保持されてなる、本発明の球面アクチュエータの概念図である。
【図２】本発明のハウジングの他の例である。
【図３】ハウジングに成型する前の、予めステータが固定された帯状金属板である。
【図４】図３の帯状金属板から形成した円筒状ハウジングを用いた場合の、本発明の球面アクチュエータの平面図である。
【図５】出力軸４を有する、本発明の球面アクチュエータの説明図である。
【符号の説明】
１．ハウジング
２．ステータ
３．ロータ
４．出力軸

Claims

少なくとも、壁面自体が弾性を有するフレキシブルなハウジング、該弾性を有する壁面に固定された少なくとも１個のステータ、及び該ステータに圧接され、ステータの微少振動によって該ステータの軸心回りに回転する略球体のロータからなる球面アクチュエータであって、前記弾性を有する壁面の弾性力によって前記ステータとロータとの圧接が調整され、ロータが保持されてなることを特徴とする球面アクチュエータ。
前記ステータが首振り運動可能に前記弾性を有する壁面に固定されてなる、請求項１に記載された球面アクチュエータ。
前記ステータと弾性を有する壁面の間にスペーサが介在してなる請求項１又は２に記載された球面アクチュエータ。
前記スペーサが熱伝導性弾性部材である、請求項３に記載された球面アクチュエータ。
前記ステータの微少振動が超音波振動である、請求項１〜４の何れかに記載された球面アクチュエータ。
３つのステータと１個の球状ロータが、壁面自体が弾性を有する断面３角形のフレキシブルなハウジングにより一体化されてなる、請求項１〜５の何れかに記載された球面アクチュエータ。
球状ロータがセンサ機能を有する請求項１〜６の何れかに記載された球面アクチュエータ。
球状ロータが出力軸を有する、請求項１〜６の何れかに記載された球面アクチュエータ。
出力軸の何れかの箇所にセンサを有する、請求項８に記載された球面アクチュエータ。
請求項１−９に記載された球面アクチュエータ用部材であって、該部材が、予めステータが固定された、弾性を有する壁面を構成する帯状金属板からなることを特徴とする、フレキシブルなハウジングを有する球面アクチュエータ用の部材。