JP4162224B2 - 多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置に関し、詳しくは、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人間型ロボットの関節機構など、高トルク、高自由度動作を要求される部位に使用されるアクチュエータとして、従来の１自由度電磁式サーボモータに代り、省スペース、高トルクの多自由度超音波モータの適用が期待されている。特に、人間型ロボットの首関節機構のように、負荷重量物たる頭部を鉛直に支えつつその姿勢を多自由度に変位させる必要のある部位に対し、この種の多自由度超音波モータの応用が大いに期待されている。
【０００３】
一般に、多自由度超音波モータは、互いに振動方向が異なる複数の圧電素子を積層してなる円筒形の固定子（ステータ）と、この固定子上に密着して載置された球形の回転子（ロータ）とを有して構成される。当該多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく互いに位相が異なる交流電圧を印加した場合、各圧電素子に固有振動が励起されて超音波が発生し、それら固有振動モードの組み合せにより、固定子に密着して載置された回転子が任意の方向に回転するようになる。
【０００４】
ここで、以上のように３自由度の回転動作を行う多自由度超音波モータを適切に駆動するには、当該多自由度超音波モータの回転子の姿勢角（軸回転角並びに軸傾斜角及び方向）を正確に計測する必要があるが、例えば、上述した従来の１自由度電磁式サーボモータの回転角計測に利用されているエンコーダは、多自由度超音波モータの姿勢角計測の手段としては原理的に不向きである。
【０００５】
このため、従来では、所要の姿勢角計測に際し、例えば、下記の非特許文献１及び２に記載のように、３つの１自由度回転角度センサを機構的に組み合せて多自由度超音波モータに接続し、各回転角度センサの計測値を元に回転角度算出に係る幾何学的計算を行う手法や、或いは、小型の回転角速度計測用のレートジャイロを回転子に固定し、その回転に伴って計測された角速度を積分する手法などが提案されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Characteristics of an Ultrasonic Motor Capable of Generating a Multi-Degrees of Freedom Motion’, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2000.
【０００７】
【非特許文献２】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Control of Multi-DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model’, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 2002.
【０００８】
一方、多自由度超音波モータの駆動に際して高い回転トルクを得るには、その回転子が、固定子から十分強い垂直抗力を受けるような予圧機構が必要となる。逆に、当該多自由度超音波モータの回転子に適切な予圧が為されれば、当該回転子の静止時において、特別な駆動制御を行うことなく高い静止トルクを得ることが可能となる。
【０００９】
このため、例えば、下記の非特許文献３に記載のように、穴を設けた予圧材を回転子の上方に載置し、当該予圧材により回転子に対して垂直方向に予圧を付加する手法や、或いは、上記非特許文献１に記載のように、固定子の側に電磁石を設置し、当該電磁石から発生する磁気吸引力により回転子を固定子の上面に引き付ける手法などが提案されている。
【００１０】
【非特許文献３】
ユンチョルホ、庭野慎一郎、Friend, James R.、石井孝明、中村健太郎、上羽貞行、‘３自由度超音波モータの球ロータ支持機構’、第２３回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演予稿集、２００２年１１月
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転角度センサなどからなる機構物を利用して所要の姿勢角計測を行おうとする場合、その機構部分の発生する騒音が問題となり、また、３自由度の回転角度を同時に計測可能な機構物を構成しようとすると、その機構自体が複雑となって、回転子の可動範囲を極端に狭めてしまうなどの新たな問題を生じてしまう。さらに、上記機構物自身が、一般に多自由度超音波モータの回転子の可動範囲を狭めてしまうという問題もある。
【００１２】
これに対し、所要の回転角度計測にレートジャイロを利用する場合、一般に、レートジャイロは低速回転時における角速度計測精度が悪いため、回転子の回転に伴って連続的に計測された角速度値を積分するに当り、積分誤差が徐々に蓄積されていくという不可避の問題がある。これでは、所要の回転角度計測を長時間に亙って高精度に行うことは期待できない。
【００１３】
一方、回転子の上方に予圧材を載置して回転子に所要の予圧を得る場合、回転子の上方に付加重量物が機械的に固定されたときに、その回転子の可動範囲が当該予圧材により狭まってしまうという問題がある。また、これを回避するため予圧材の穴の直径を大きくすると、その予圧材が回転子に与える摩擦力により生じる回転抵抗トルクが大きくなってしまうという問題が生じる。
【００１４】
他方、電磁石を利用して回転子に所要の予圧を得る場合、電磁力の強さが距離の三乗に反比例して急激に減衰するという理論上の問題から、十分な予圧を得るには、高エネルギーを供給可能な電力装置を別途必要とするという問題がある。
【００１５】
さらに、上記のように、多自由度超音波モータの回転子の上方に負荷重量物が機械的に固定されている場合においては、当該回転子の軸傾斜運動により負荷重量物が傾斜したときに、その傾斜方向に対する傾斜負荷トルクや回転子への横力などが発生し、同回転子から固定子に与えられる力の特性が複雑となって、多自由度超音波モータの駆動制御自体が難しくなるという問題がある。
【００１６】
加えて、以上の姿勢角計測用の機構物と予圧付加用の機構物とを、多自由度超音波モータに同時に適用しようとする場合、両者を限られた空間内に並存させて配置することは極めて困難である。
【００１７】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【００１８】
即ち、本発明の第１の目的は、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００１９】
本発明の第２の目的は、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００２０】
本発明の第３の目的は、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を狭い空間内に同時に並存させることの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００２１】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明装置においては、固定子の上面に回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、回転子の軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、予圧付与手段に対する回転子の相対軸回転角を計測する回転子軸回転角計測手段と、固定子の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、予圧付与手段に設定される２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００２３】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、上記目的を達成するよう為される。
【００２４】
即ち、本発明装置の第１の特徴は、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う前記回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置であって、前記固定子の上面に前記回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、前記回転子の前記軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、前記予圧付与手段と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、前記予圧付与手段に対する前記回転子の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から前記固定子の設置座標系における前記回転子の前記軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段と、前記固定子の前記設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、前記予圧付与手段に設定される２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて前記回転子の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２５】
本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記予圧付与手段が、その下端を前記回転子に固定され上端を前記負荷重量物に固定される軸支回転シャフトを介して、当該回転子の上半部を前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部と、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、前記突立円筒ボス部の下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部とを具備する回転子収容保持部材と、この回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部と、前記固定子の前記設置座標系を構成するモータ架設基板との間に亙ってそれぞれ両端を止着張架されて、前記回転子収容保持部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の弾性体とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２６】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第２の特徴における前記回転子収容保持部材が、その内輪を貫通する軸支回転シャフトの外周面に固定され、ボールを挟んで相対峙する外輪を前記突立円筒ボス部の内筒面に固定されたボールベアリングを内有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第３の特徴における前記回転子収容保持部材が、前記ボールベアリングの内輪下端と前記回転子との間の前記軸支回転シャフトに空転自在に巻装介在した回転カラーを有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第２、第３又は第４の特徴における前記回転子軸回転角計測手段が、前記軸支回転シャフトに貫通固定されたロータに相対峙するエンコーダを前記回転子収容保持部材における前記突立円筒ボス部の内筒面に固定してなるロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記ロータリーエンコーダが、光学式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記ロータリーエンコーダが、磁気式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記モータ架設基板における上面対応領域との間に張設されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３２】
本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部が、８片以上を具備して構成され、前記複数の弾性体が、８本以上を具備して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３３】
本発明装置の第１０の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８又は第９の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記複数の弾性体自身である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３４】
本発明装置の第１１の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、樹脂素材からなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３５】
本発明装置の第１２の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、金属製のつる巻バネからなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３６】
本発明装置の第１３の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、第１１又は第１２の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対称点との間の前記各直線距離の計測を光学的に行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３７】
本発明装置の第１４の特徴は、上記本発明装置の第１３の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対象点との間の前記各直線距離の光学的計測をそれぞれレーザ光線により行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３８】
本発明装置の第１５の特徴は、上記本発明装置の第１４の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記モータ架設基板上の２箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する前記回転子収容保持部材の底面領域に向け前記レーザ光線をそれぞれ発射する第１及び第２のレーザ式測距センサと、前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部により構成される所定の２箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、前記第１及び第２のレーザ式測距センサからそれぞれ発射された前記レーザ光線を当該第１及び第２のレーザ式測距センサに向けそれぞれ反射する第１及び第２の平面反射板とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３９】
本発明装置の第１６の特徴は、上記本発明装置の第１５の特徴における前記設置座標系に設定される前記２箇所の計測基準点が、前記第１及び第２のレーザ式測距センサにおいてそれぞれ前記レーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点であり、前記予圧付与手段に設定される前記２箇所の計測対象点が、前記第１及び第２の平面反射板においてそれぞれ前記レーザ光線の反射点を構成する第１及び第２の計測対象点である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４０】
本発明装置の第１７の特徴は、上記本発明装置の第１６の特徴における前記第１及び第２のレーザ式測距センサが、該当する前記第１及び第２の計測基準点が前記回転子の最大傾斜時においても前記第１及び第２の平面反射板の鉛直下方に常に位置するよう、前記モータ架設基板上の前記２箇所の領域にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４１】
本発明装置の第１８の特徴は、上記本発明装置の第１７の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上にその底面をほぼ設定されて、前記第１及び第２の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において前記回転子の中心を通る一直線上の対側に配置することのない前記２箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４２】
本発明装置の第１９の特徴は、上記本発明装置の第１８の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上において、前記回転子の中心を通る直交二直線上に直角配置する前記２箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４３】
本発明装置の第２０の特徴は、上記本発明装置の第１５、第１６、第１７、第１８又は第１９の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記２箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その一装置例を挙げて説明する。
【００４５】
まず、図１は、本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図であり、図２は、図１に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【００４６】
同図に示すように、まず、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αに適用される多自由度超音波モータβは、複数の圧電素子１，１，…（図の付点領域）を重層して構成された円筒形の固定子２と、それら複数の圧電素子１，１，…への交流電圧の印加に伴って当該固定子２に生じる超音波振動により回動する球形の回転子３とを有して構成される。なお、当該多自由度超音波モータβにおける固定子２から回転子３に対する当該各回転子３の軸回転方向及び軸傾斜方向への拘束力は存在しない。
【００４７】
以上のような構成をもつ多自由度超音波モータβにおいて、複数の圧電素子１，１，…への交流電圧の印加に伴う回転子３の姿勢角（軸回転角並びに軸傾斜角及び方向）を随時計測するために、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αは、回転子収容保持部材４と、複数の弾性体５，５，…と、ボールベアリング６と、ロータリーエンコーダ７と、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂと、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂを有して構成される。
【００４８】
このうち、回転子収容保持部材４は、その下端を回転子３に固定され上端を負荷重量物γに固定される軸支回転シャフト１０を介して、当該回転子３の上端部を軸回転運動及び軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部４ａと、回転子３の中心において軸支回転シャフト１０の軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、突立円筒ボス部４ａの下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…とを具備して構成される。
【００４９】
また、複数の弾性体５，５，…は、回転子２の中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…の下面外端域と、固定子２の設置座標系を構成するモータ架設基板１１における上面対応領域との間に亙って、それらの自然長よりも伸張した状態で止着張架されて、回転子収容保持部材４を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引するものである。なお、この状態において、固定子２は、モータ架設基板１１に固定されたモータ固定部材１２により強固に固定されている。
【００５０】
ここで、上記複数の弾性体５，５，…として、その適用に際し、弾性定数（バネ定数）及び自然長がそれぞれ等しいものを選定すれば、回転子３が軸傾斜運動を行っていない定常時には、静止座標系（固定子２の設置座標系）において水平な状態を保つようになり、それが軸傾斜運動を行って負荷重量物γが傾斜したときには、複数の弾性体５，５，…それぞれの伸張量（引っ張り力）の差から生じる逆方向の偶力トルクが、その負荷重量物γの傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減するよう作用する。このとき、複数の弾性体５，５，…としては、負荷重量物γの最大傾斜時における偶力トルクが、そのときの傾斜負荷トルクと一致するような弾性定数を有するものを適用すると効果的である。
【００５１】
また、これら複数の弾性体５，５，…を、実際に、回転子収容保持部材４における放射翼部４ｂ，４ｂ，…とモータ架設基板１１との間に接続する場合、それらの各上端における取付位置は、回転子３の中心を通る水平基準面Ｓ上に設定するとよい（図１参照）。こうすることで、負荷重量物γ（回転子収容保持部材４）の傾斜角の違いによる上記負荷傾斜トルクと偶力トルクとの大きさの差の変化量を最小にすることができる。
【００５２】
さらに、回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…の数を８片（以上）に設定し、対応する複数の弾性体６，６，…の数を８本（以上）に選定して、これらを等距離、相互等間隔に位置させれば、負荷重量物γ（回転子収容保持部材４）の任意方向への傾斜の影響による各弾性体の伸張量の差を微小なもの（８本の弾性体６，６，…を採用した場合には数パーセント以内）に抑制することが可能となる（図２参照）。また、複数の弾性体５，５，…として直径の小さいものを採用してその本数を増加させ、或いは、それらの取付けの長さを長くすることにより、上記偶力トルクの大きさの違いをさらに小さく抑えることが可能となる。
【００５３】
なお、複数の弾性体５，５，…の素材としては、それぞれ、その伸縮時の静音性に優れたゴムなどの樹脂素材（合成ゴムなどの合成樹脂素材を含む）からなるものを採用するのが好適ではあるが、その静音性に対する要求が高くない場合には、金属製のつる巻バネからなるものを適用することができる。
【００５４】
そして、以上の回転子収容保持部材４及び複数の弾性体５，５，…を以って、固定子２の上面に回転子３が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子３に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段が構成される。また、複数の弾性体５，５，…自身を以って、回転子３の軸傾斜運動に伴って、当該回転子３の鉛直上方に軸支された負荷重量物γに生じる傾斜負荷トルクを、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段が構成される。
【００５５】
一方、ボールベアリング６は、その内輪を貫通する軸支回転シャフト１０の外周面に固定され、ボール（符号は付さず）を挟んで相対峙する外輪を回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定されており、当該ボールベアリング６により、回転子３の軸回転運動が、軸支回転シャフト１０を介して負荷重量物γに伝達されると共に、その軸傾斜運動が、回転子３の摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制しつつ、当該軸支回転シャフト１０を介して回転子収容保持部材４に伝達される。なお、ボールベアリング６の内輪下端と回転子３との間に位置する軸支回転シャフト１０には、当該ボールベアリングの内輪を支持するための回転カラー１３が空転自在に巻装介在される。また、この種のボールベアリング６に代えて、例えば、その内筒面を軸支回転シャフト１０の外周面に摺動自在に接触させつつ、回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定された端輪ベアリングなども適用することができる。
【００５６】
他方、ロータリーエンコーダ７は、光学式又は磁気式からなり、軸支回転シャフト１０に貫通固定されたロータ（内輪）に相対峙するエンコーダ（外輪）を回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定してなり、当該ロータリーエンコーダ７により、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に対する回転子３の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から固定子２の設置座標系における回転子３の軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段が構成される。なお、本発明の構成上、回転子収容保持部材４自身は、回転子３の軸回転運動に追随しないため、このとき計測される相対軸回転角は、静止座標系（固定子２の設置座標系）における回転子３（軸支回転シャフト１０）の軸回転角と等しいものになり、かつ、その軸回転運動の範囲も制限がない。
【００５７】
また、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、モータ架設基板１１上の２箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する回転子収容保持部材４の底面領域に向けレーザ光線をそれぞれ発射するものであり、これに対し、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…により構成される所定の２箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂからそれぞれ発射されたレーザ光線を当該第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂに向けそれぞれ反射するものである。
【００５８】
そして、両者を以って、固定子２の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に設定される対向する２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて回転子３の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段が構成される。なお、固定子２の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点は、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおいてそれぞれレーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点であり、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に設定される２箇所の計測対象点は、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂにおいてそれぞれレーザ光線の反射点を構成する第１及び第２の計測対象点である。
【００５９】
ここで、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、回転子３の中心において軸支回転シャフト１０の軸支方向と直交する平面上にその底面をほぼ設定されて、第１及び第２の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において回転子３の中心を通る一直線上の対側に配置することのない２箇所の間隙にそれぞれ配置され、好ましくは、上記平面上において回転子３の中心を通る直交二直線上に直角配置する２箇所の間隙にそれぞれ配置される。これに対し、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、該当する第１及び第２の計測基準点が第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの鉛直下方に位置するよう、モータ架設基板１１上の２箇所の領域にそれぞれ配置される。なお、これら第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、上記２箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成するとよい（図２参照）。
【００６０】
そして、以上の構成により、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、レーザ光線を鉛直上方に発射して、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂとの間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果から算出可能な第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの各法線ベクトルが、回転子３の軸傾斜角及び方向の算出に供されるようになる。
【００６１】
次に、図３は、図１及び図２に示される平面反射板９ａ及び９ｂに対するレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂの配置形態を示す図である。
【００６２】
同図に示すように、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおいてレーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点は、回転子３（回転子収容保持部材４）の最大傾斜時においても第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂにレーザ光線が常に照射される領域、即ち、当該第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの鉛直下方に常に位置する領域に設定される。
【００６３】
ここで、上記第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおける第１及び第２の計測基準点の位置を定義する２つの直線（レーザ光線の放射軸）の、固定子２の設置中心軸（回転子３の回転中心軸）からの距離Ｗは、回転子３の中心を原点としたときに第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの先端が描く軌跡円（図２における点線円）の半径をＲ、回転子３（回転子収容保持部材４）の最大許容傾斜角をθとすれば、Ｗ＝Ｒ×ｃｏｓθと表すことができる。
【００６４】
なお、固定子２の設置中心軸に対する回転子３の回転中心軸の傾斜角を計測する際の誤差を最小にするには、上記距離Ｗを可能な範囲でできるだけ大きな値に設定する必要があるが、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂから発射されるレーザ光線が第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂに確実に照射されて、回転子３の傾斜角が安定して計測されるよう、実際の距離Ｗは、Ｒ×ｃｏｓθよりも若干小さい値に設定しておくことが好ましい。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態につき、その一装置例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ高周波により長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことが可能になると共に、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することが可能となる。また、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を、高エネルギーを供給可能な電力装置などを適用することなく、狭い空間内に同時に並存させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【図３】図１及び図２に示される平面反射板に対するレーザ式測距センサの配置形態を示す図である。
【符号の説明】
α…回転子姿勢角計測装置
β…多自由度超音波モータ
γ…負荷重量物
Ｓ…水平基準面
１…圧電素子
２…固定子
３…回転子
４…回転子収容保持部材
４ａ…突立円筒ボス部
４ｂ…放射翼部
５…弾性体
６…ボールベアリング
７…ロータリーエンコーダ
８ａ…第１のレーザ式測距センサ
８ｂ…第２のレーザ式測距センサ
９ａ…第１の平面反射板
９ｂ…第２の平面反射板
１０…軸支回転シャフト
１１…モータ架設基板
１２…モータ固定部材
１３…回転カラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置に関し、詳しくは、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人間型ロボットの関節機構など、高トルク、高自由度動作を要求される部位に使用されるアクチュエータとして、従来の１自由度電磁式サーボモータに代り、省スペース、高トルクの多自由度超音波モータの適用が期待されている。特に、人間型ロボットの首関節機構のように、負荷重量物たる頭部を鉛直に支えつつその姿勢を多自由度に変位させる必要のある部位に対し、この種の多自由度超音波モータの応用が大いに期待されている。
【０００３】
一般に、多自由度超音波モータは、互いに振動方向が異なる複数の圧電素子を積層してなる円筒形の固定子（ステータ）と、この固定子上に密着して載置された球形の回転子（ロータ）とを有して構成される。当該多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく互いに位相が異なる交流電圧を印加した場合、各圧電素子に固有振動が励起されて超音波が発生し、それら固有振動モードの組み合せにより、固定子に密着して載置された回転子が任意の方向に回転するようになる。
【０００４】
ここで、以上のように３自由度の回転動作を行う多自由度超音波モータを適切に駆動するには、当該多自由度超音波モータの回転子の姿勢角（軸回転角並びに軸傾斜角及び方向）を正確に計測する必要があるが、例えば、上述した従来の１自由度電磁式サーボモータの回転角計測に利用されているエンコーダは、多自由度超音波モータの姿勢角計測の手段としては原理的に不向きである。
【０００５】
このため、従来では、所要の姿勢角計測に際し、例えば、下記の非特許文献１及び２に記載のように、３つの１自由度回転角度センサを機構的に組み合せて多自由度超音波モータに接続し、各回転角度センサの計測値を元に回転角度算出に係る幾何学的計算を行う手法や、或いは、小型の回転角速度計測用のレートジャイロを回転子に固定し、その回転に伴って計測された角速度を積分する手法などが提案されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Characteristics of an Ultrasonic Motor Capable of Generating a Multi-Degrees of Freedom Motion’, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2000.
【０００７】
【非特許文献２】
Takemura, K., Maeno, T., ‘Control of Multi-DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model’, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 2002.
【０００８】
一方、多自由度超音波モータの駆動に際して高い回転トルクを得るには、その回転子が、固定子から十分強い垂直抗力を受けるような予圧機構が必要となる。逆に、当該多自由度超音波モータの回転子に適切な予圧が為されれば、当該回転子の静止時において、特別な駆動制御を行うことなく高い静止トルクを得ることが可能となる。
【０００９】
このため、例えば、下記の非特許文献３に記載のように、穴を設けた予圧材を回転子の上方に載置し、当該予圧材により回転子に対して垂直方向に予圧を付加する手法や、或いは、上記非特許文献１に記載のように、固定子の側に電磁石を設置し、当該電磁石から発生する磁気吸引力により回転子を固定子の上面に引き付ける手法などが提案されている。
【００１０】
【非特許文献３】
ユンチョルホ、庭野慎一郎、Friend, James R.、石井孝明、中村健太郎、上羽貞行、‘３自由度超音波モータの球ロータ支持機構’、第２３回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演予稿集、２００２年１１月
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転角度センサなどからなる機構物を利用して所要の姿勢角計測を行おうとする場合、その機構部分の発生する騒音が問題となり、また、３自由度の回転角度を同時に計測可能な機構物を構成しようとすると、その機構自体が複雑となって、回転子の可動範囲を極端に狭めてしまうなどの新たな問題を生じてしまう。さらに、上記機構物自身が、一般に多自由度超音波モータの回転子の可動範囲を狭めてしまうという問題もある。
【００１２】
これに対し、所要の回転角度計測にレートジャイロを利用する場合、一般に、レートジャイロは低速回転時における角速度計測精度が悪いため、回転子の回転に伴って連続的に計測された角速度値を積分するに当り、積分誤差が徐々に蓄積されていくという不可避の問題がある。これでは、所要の回転角度計測を長時間に亙って高精度に行うことは期待できない。
【００１３】
一方、回転子の上方に予圧材を載置して回転子に所要の予圧を得る場合、回転子の上方に付加重量物が機械的に固定されたときに、その回転子の可動範囲が当該予圧材により狭まってしまうという問題がある。また、これを回避するため予圧材の穴の直径を大きくすると、その予圧材が回転子に与える摩擦力により生じる回転抵抗トルクが大きくなってしまうという問題が生じる。
【００１４】
他方、電磁石を利用して回転子に所要の予圧を得る場合、電磁力の強さが距離の三乗に反比例して急激に減衰するという理論上の問題から、十分な予圧を得るには、高エネルギーを供給可能な電力装置を別途必要とするという問題がある。
【００１５】
さらに、上記のように、多自由度超音波モータの回転子の上方に負荷重量物が機械的に固定されている場合においては、当該回転子の軸傾斜運動により負荷重量物が傾斜したときに、その傾斜方向に対する傾斜負荷トルクや回転子への横力などが発生し、同回転子から固定子に与えられる力の特性が複雑となって、多自由度超音波モータの駆動制御自体が難しくなるという問題がある。
【００１６】
加えて、以上の姿勢角計測用の機構物と予圧付加用の機構物とを、多自由度超音波モータに同時に適用しようとする場合、両者を限られた空間内に並存させて配置することは極めて困難である。
【００１７】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【００１８】
即ち、本発明の第１の目的は、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００１９】
本発明の第２の目的は、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００２０】
本発明の第３の目的は、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を狭い空間内に同時に並存させることの可能な多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置を提供せんとするものである。
【００２１】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明装置においては、固定子の上面に回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、回転子の軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、予圧付与手段に対する回転子の相対軸回転角を計測する回転子軸回転角計測手段と、固定子の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、予圧付与手段に設定される２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００２３】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、上記目的を達成するよう為される。
【００２４】
即ち、本発明装置の第１の特徴は、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う前記回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置であって、前記固定子の上面に前記回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、前記回転子の前記軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、前記予圧付与手段と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、前記予圧付与手段に対する前記回転子の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から前記固定子の設置座標系における前記回転子の前記軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段と、前記固定子の前記設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、前記予圧付与手段に設定される２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて前記回転子の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２５】
本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記予圧付与手段が、その下端を前記回転子に固定され上端を前記負荷重量物に固定される軸支回転シャフトを介して、当該回転子の上半部を前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部と、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、前記突立円筒ボス部の下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部とを具備する回転子収容保持部材と、この回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部と、前記固定子の前記設置座標系を構成するモータ架設基板との間に亙ってそれぞれ両端を止着張架されて、前記回転子収容保持部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の弾性体とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２６】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第２の特徴における前記回転子収容保持部材が、その内輪を貫通する軸支回転シャフトの外周面に固定され、ボールを挟んで相対峙する外輪を前記突立円筒ボス部の内筒面に固定されたボールベアリングを内有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第３の特徴における前記回転子収容保持部材が、前記ボールベアリングの内輪下端と前記回転子との間の前記軸支回転シャフトに空転自在に巻装介在した回転カラーを有してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第２、第３又は第４の特徴における前記回転子軸回転角計測手段が、前記軸支回転シャフトに貫通固定されたロータに相対峙するエンコーダを前記回転子収容保持部材における前記突立円筒ボス部の内筒面に固定してなるロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記ロータリーエンコーダが、光学式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記ロータリーエンコーダが、磁気式ロータリーエンコーダである、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記モータ架設基板における上面対応領域との間に張設されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３２】
本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部が、８片以上を具備して構成され、前記複数の弾性体が、８本以上を具備して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３３】
本発明装置の第１０の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８又は第９の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記複数の弾性体自身である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３４】
本発明装置の第１１の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、樹脂素材からなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３５】
本発明装置の第１２の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における前記複数の弾性体が、それぞれ、金属製のつる巻バネからなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３６】
本発明装置の第１３の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、第１１又は第１２の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対称点との間の前記各直線距離の計測を光学的に行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３７】
本発明装置の第１４の特徴は、上記本発明装置の第１３の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対象点との間の前記各直線距離の光学的計測をそれぞれレーザ光線により行う機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３８】
本発明装置の第１５の特徴は、上記本発明装置の第１４の特徴における前記回転子軸傾斜角計測手段が、前記モータ架設基板上の２箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する前記回転子収容保持部材の底面領域に向け前記レーザ光線をそれぞれ発射する第１及び第２のレーザ式測距センサと、前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部により構成される所定の２箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、前記第１及び第２のレーザ式測距センサからそれぞれ発射された前記レーザ光線を当該第１及び第２のレーザ式測距センサに向けそれぞれ反射する第１及び第２の平面反射板とを有して構成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００３９】
本発明装置の第１６の特徴は、上記本発明装置の第１５の特徴における前記設置座標系に設定される前記２箇所の計測基準点が、前記第１及び第２のレーザ式測距センサにおいてそれぞれ前記レーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点であり、前記予圧付与手段に設定される前記２箇所の計測対象点が、前記第１及び第２の平面反射板においてそれぞれ前記レーザ光線の反射点を構成する第１及び第２の計測対象点である、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４０】
本発明装置の第１７の特徴は、上記本発明装置の第１６の特徴における前記第１及び第２のレーザ式測距センサが、該当する前記第１及び第２の計測基準点が前記回転子の最大傾斜時においても前記第１及び第２の平面反射板の鉛直下方に常に位置するよう、前記モータ架設基板上の前記２箇所の領域にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４１】
本発明装置の第１８の特徴は、上記本発明装置の第１７の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上にその底面をほぼ設定されて、前記第１及び第２の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において前記回転子の中心を通る一直線上の対側に配置することのない前記２箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４２】
本発明装置の第１９の特徴は、上記本発明装置の第１８の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上において、前記回転子の中心を通る直交二直線上に直角配置する前記２箇所の間隙にそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４３】
本発明装置の第２０の特徴は、上記本発明装置の第１５、第１６、第１７、第１８又は第１９の特徴における前記第１及び第２の平面反射板が、前記２箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成されてなる、多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置の構成採用にある。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その一装置例を挙げて説明する。
【００４５】
まず、図１は、本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図であり、図２は、図１に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【００４６】
同図に示すように、まず、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αに適用される多自由度超音波モータβは、複数の圧電素子１，１，…（図の付点領域）を重層して構成された円筒形の固定子２と、それら複数の圧電素子１，１，…への交流電圧の印加に伴って当該固定子２に生じる超音波振動により回動する球形の回転子３とを有して構成される。なお、当該多自由度超音波モータβにおける固定子２から回転子３に対する当該各回転子３の軸回転方向及び軸傾斜方向への拘束力は存在しない。
【００４７】
以上のような構成をもつ多自由度超音波モータβにおいて、複数の圧電素子１，１，…への交流電圧の印加に伴う回転子３の姿勢角（軸回転角並びに軸傾斜角及び方向）を随時計測するために、この一装置例に係る回転子姿勢角計測装置αは、回転子収容保持部材４と、複数の弾性体５，５，…と、ボールベアリング６と、ロータリーエンコーダ７と、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂと、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂを有して構成される。
【００４８】
このうち、回転子収容保持部材４は、その下端を回転子３に固定され上端を負荷重量物γに固定される軸支回転シャフト１０を介して、当該回転子３の上端部を軸回転運動及び軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部４ａと、回転子３の中心において軸支回転シャフト１０の軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、突立円筒ボス部４ａの下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…とを具備して構成される。
【００４９】
また、複数の弾性体５，５，…は、回転子２の中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…の下面外端域と、固定子２の設置座標系を構成するモータ架設基板１１における上面対応領域との間に亙って、それらの自然長よりも伸張した状態で止着張架されて、回転子収容保持部材４を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引するものである。なお、この状態において、固定子２は、モータ架設基板１１に固定されたモータ固定部材１２により強固に固定されている。
【００５０】
ここで、上記複数の弾性体５，５，…として、その適用に際し、弾性定数（バネ定数）及び自然長がそれぞれ等しいものを選定すれば、回転子３が軸傾斜運動を行っていない定常時には、静止座標系（固定子２の設置座標系）において水平な状態を保つようになり、それが軸傾斜運動を行って負荷重量物γが傾斜したときには、複数の弾性体５，５，…それぞれの伸張量（引っ張り力）の差から生じる逆方向の偶力トルクが、その負荷重量物γの傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減するよう作用する。このとき、複数の弾性体５，５，…としては、負荷重量物γの最大傾斜時における偶力トルクが、そのときの傾斜負荷トルクと一致するような弾性定数を有するものを適用すると効果的である。
【００５１】
また、これら複数の弾性体５，５，…を、実際に、回転子収容保持部材４における放射翼部４ｂ，４ｂ，…とモータ架設基板１１との間に接続する場合、それらの各上端における取付位置は、回転子３の中心を通る水平基準面Ｓ上に設定するとよい（図１参照）。こうすることで、負荷重量物γ（回転子収容保持部材４）の傾斜角の違いによる上記負荷傾斜トルクと偶力トルクとの大きさの差の変化量を最小にすることができる。
【００５２】
さらに、回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…の数を８片（以上）に設定し、対応する複数の弾性体６，６，…の数を８本（以上）に選定して、これらを等距離、相互等間隔に位置させれば、負荷重量物γ（回転子収容保持部材４）の任意方向への傾斜の影響による各弾性体の伸張量の差を微小なもの（８本の弾性体６，６，…を採用した場合には数パーセント以内）に抑制することが可能となる（図２参照）。また、複数の弾性体５，５，…として直径の小さいものを採用してその本数を増加させ、或いは、それらの取付けの長さを長くすることにより、上記偶力トルクの大きさの違いをさらに小さく抑えることが可能となる。
【００５３】
なお、複数の弾性体５，５，…の素材としては、それぞれ、その伸縮時の静音性に優れたゴムなどの樹脂素材（合成ゴムなどの合成樹脂素材を含む）からなるものを採用するのが好適ではあるが、その静音性に対する要求が高くない場合には、金属製のつる巻バネからなるものを適用することができる。
【００５４】
そして、以上の回転子収容保持部材４及び複数の弾性体５，５，…を以って、固定子２の上面に回転子３が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子３に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段が構成される。また、複数の弾性体５，５，…自身を以って、回転子３の軸傾斜運動に伴って、当該回転子３の鉛直上方に軸支された負荷重量物γに生じる傾斜負荷トルクを、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段が構成される。
【００５５】
一方、ボールベアリング６は、その内輪を貫通する軸支回転シャフト１０の外周面に固定され、ボール（符号は付さず）を挟んで相対峙する外輪を回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定されており、当該ボールベアリング６により、回転子３の軸回転運動が、軸支回転シャフト１０を介して負荷重量物γに伝達されると共に、その軸傾斜運動が、回転子３の摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制しつつ、当該軸支回転シャフト１０を介して回転子収容保持部材４に伝達される。なお、ボールベアリング６の内輪下端と回転子３との間に位置する軸支回転シャフト１０には、当該ボールベアリングの内輪を支持するための回転カラー１３が空転自在に巻装介在される。また、この種のボールベアリング６に代えて、例えば、その内筒面を軸支回転シャフト１０の外周面に摺動自在に接触させつつ、回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定された端輪ベアリングなども適用することができる。
【００５６】
他方、ロータリーエンコーダ７は、光学式又は磁気式からなり、軸支回転シャフト１０に貫通固定されたロータ（内輪）に相対峙するエンコーダ（外輪）を回転子収容保持部材４における突立円筒ボス部４ａの内筒面に固定してなり、当該ロータリーエンコーダ７により、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に対する回転子３の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から固定子２の設置座標系における回転子３の軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段が構成される。なお、本発明の構成上、回転子収容保持部材４自身は、回転子３の軸回転運動に追随しないため、このとき計測される相対軸回転角は、静止座標系（固定子２の設置座標系）における回転子３（軸支回転シャフト１０）の軸回転角と等しいものになり、かつ、その軸回転運動の範囲も制限がない。
【００５７】
また、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、モータ架設基板１１上の２箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する回転子収容保持部材４の底面領域に向けレーザ光線をそれぞれ発射するものであり、これに対し、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、回転子収容保持部材４における複数の放射翼部４ｂ，４ｂ，…により構成される所定の２箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂからそれぞれ発射されたレーザ光線を当該第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂに向けそれぞれ反射するものである。
【００５８】
そして、両者を以って、固定子２の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に設定される対向する２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて回転子３の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段が構成される。なお、固定子２の設置座標系に設定される２箇所の計測基準点は、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおいてそれぞれレーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点であり、予圧付与手段（回転子収容保持部材４）に設定される２箇所の計測対象点は、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂにおいてそれぞれレーザ光線の反射点を構成する第１及び第２の計測対象点である。
【００５９】
ここで、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、回転子３の中心において軸支回転シャフト１０の軸支方向と直交する平面上にその底面をほぼ設定されて、第１及び第２の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において回転子３の中心を通る一直線上の対側に配置することのない２箇所の間隙にそれぞれ配置され、好ましくは、上記平面上において回転子３の中心を通る直交二直線上に直角配置する２箇所の間隙にそれぞれ配置される。これに対し、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、該当する第１及び第２の計測基準点が第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの鉛直下方に位置するよう、モータ架設基板１１上の２箇所の領域にそれぞれ配置される。なお、これら第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂは、上記２箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成するとよい（図２参照）。
【００６０】
そして、以上の構成により、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂは、レーザ光線を鉛直上方に発射して、第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂとの間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果から算出可能な第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの各法線ベクトルが、回転子３の軸傾斜角及び方向の算出に供されるようになる。
【００６１】
次に、図３は、図１及び図２に示される平面反射板９ａ及び９ｂに対するレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂの配置形態を示す図である。
【００６２】
同図に示すように、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおいてレーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点は、回転子３（回転子収容保持部材４）の最大傾斜時においても第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂにレーザ光線が常に照射される領域、即ち、当該第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの鉛直下方に常に位置する領域に設定される。
【００６３】
ここで、上記第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂにおける第１及び第２の計測基準点の位置を定義する２つの直線（レーザ光線の放射軸）の、固定子２の設置中心軸（回転子３の回転中心軸）からの距離Ｗは、回転子３の中心を原点としたときに第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂの先端が描く軌跡円（図２における点線円）の半径をＲ、回転子３（回転子収容保持部材４）の最大許容傾斜角をθとすれば、Ｗ＝Ｒ×ｃｏｓθと表すことができる。
【００６４】
なお、固定子２の設置中心軸に対する回転子３の回転中心軸の傾斜角を計測する際の誤差を最小にするには、上記距離Ｗを可能な範囲でできるだけ大きな値に設定する必要があるが、第１及び第２のレーザ式測距センサ８ａ及び８ｂから発射されるレーザ光線が第１及び第２の平面反射板９ａ及び９ｂに確実に照射されて、回転子３の傾斜角が安定して計測されるよう、実際の距離Ｗは、Ｒ×ｃｏｓθよりも若干小さい値に設定しておくことが好ましい。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態につき、その一装置例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、所要の姿勢角計測を、回転子の可動範囲を広く確保しつつ高周波により長時間に亙って高精度かつ無騒音で行うことが可能になると共に、所要の予圧付与に際し、回転子の可動範囲を広く確保しつつもその摩擦力に伴う回転抵抗トルクの発生を最低限に抑制し、かつ、駆動対象となる負荷重量物の傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減補償することが可能となる。また、所要の姿勢角計測用及び予圧付与用の各機構物を、高エネルギーを供給可能な電力装置などを適用することなく、狭い空間内に同時に並存させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一装置例に係る回転子姿勢角計測装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１に示される回転子収容保持部材の上面図である。
【図３】図１及び図２に示される平面反射板に対するレーザ式測距センサの配置形態を示す図である。
【符号の説明】
α…回転子姿勢角計測装置
β…多自由度超音波モータ
γ…負荷重量物
Ｓ…水平基準面
１…圧電素子
２…固定子
３…回転子
４…回転子収容保持部材
４ａ…突立円筒ボス部
４ｂ…放射翼部
５…弾性体
６…ボールベアリング
７…ロータリーエンコーダ
８ａ…第１のレーザ式測距センサ
８ｂ…第２のレーザ式測距センサ
９ａ…第１の平面反射板
９ｂ…第２の平面反射板
１０…軸支回転シャフト
１１…モータ架設基板
１２…モータ固定部材
１３…回転カラー
Claims (20)
- 複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度超音波モータにおいて、当該交流電圧の印加に伴う前記回転子の軸回転角並びに軸傾斜角及び方向を随時計測するための回転子姿勢角計測装置であって、
前記固定子の上面に前記回転子が軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する予圧付与手段と、
前記回転子の前記軸傾斜運動に伴って、当該回転子の鉛直上方に軸支された負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、前記予圧付与手段と協働しながら、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、
前記予圧付与手段に対する前記回転子の相対軸回転角を計測し、当該相対軸回転角から前記固定子の設置座標系における前記回転子の前記軸回転角を同定する回転子軸回転角計測手段と、
前記固定子の前記設置座標系に設定される２箇所の計測基準点と、前記予圧付与手段に設定される２箇所の計測対象点との間の各直線距離を計測し、当該各直線距離の計測結果に基づいて前記回転子の前記軸傾斜角及び方向を計測する回転子軸傾斜角計測手段と、を有して構成される、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記予圧付与手段は、
その下端を前記回転子に固定され上端を前記負荷重量物に固定される軸支回転シャフトを介して、当該回転子の上半部を前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に収容保持する突立円筒ボス部と、前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する平面上にその下面を設定され、前記突立円筒ボス部の下端周縁域から基端を放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部とを具備する回転子収容保持部材と、
この回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部と、前記固定子の前記設置座標系を構成するモータ架設基板との間に亙ってそれぞれ両端を止着張架されて、前記回転子収容保持部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材は、
その内輪を貫通する軸支回転シャフトの外周面に固定され、ボールを挟んで相対峙する外輪を前記突立円筒ボス部の内筒面に固定されたボールベアリングを内有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材は、
前記ボールベアリングの内輪下端と前記回転子との間の前記軸支回転シャフトに空転自在に巻装介在した回転カラーを有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸回転角計測手段は、
前記軸支回転シャフトに貫通固定されたロータに相対峙するエンコーダを前記回転子収容保持部材における前記突立円筒ボス部の内筒面に固定してなるロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項２、３又は４に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記ロータリーエンコーダは、
光学式ロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項５に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記ロータリーエンコーダは、
磁気式ロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項５に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記モータ架設基板における上面対応領域との間に張設される、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部は、
８片以上を具備して構成され、
前記複数の弾性体は、
８本以上を具備して構成される、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７又は８に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記傾斜負荷トルク補償手段は、
前記複数の弾性体自身である、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８又は９に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
樹脂素材からなる、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記複数の弾性体は、それぞれ、
金属製のつる巻バネからなる、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対称点との間の前記各直線距離の計測を光学的に行う機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記２箇所の計測基準点と対向する前記２箇所の計測対象点との間の前記各直線距離の光学的計測をそれぞれレーザ光線により行う機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記回転子軸傾斜角計測手段は、
前記モータ架設基板上の２箇所の領域にそれぞれ配置固定され、その鉛直上方に位置する前記回転子収容保持部材の底面領域に向け前記レーザ光線をそれぞれ発射する第１及び第２のレーザ式測距センサと、
前記回転子収容保持部材における前記複数の放射翼部により構成される所定の２箇所の間隙にそれぞれ亙って張設され、前記第１及び第２のレーザ式測距センサからそれぞれ発射された前記レーザ光線を当該第１及び第２のレーザ式測距センサに向けそれぞれ反射する第１及び第２の平面反射板と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１４に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記設置座標系に設定される前記２箇所の計測基準点は、
前記第１及び第２のレーザ式測距センサにおいてそれぞれ前記レーザ光線の発射点を構成する第１及び第２の計測基準点であり、
前記予圧付与手段に設定される前記２箇所の計測対象点は、
前記第１及び第２の平面反射板においてそれぞれ前記レーザ光線の反射点を構成する第１及び第２の計測対象点である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第１及び第２のレーザ式測距センサは、
該当する前記第１及び第２の計測基準点が前記回転子の最大傾斜時においても前記第１及び第２の平面反射板の鉛直下方に常に位置するよう、前記モータ架設基板上の前記２箇所の領域にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項１６に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第１及び第２の平面反射板は、
前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上にその底面をほぼ設定されて、前記第１及び第２の計測対象点をそれぞれ構成すると共に、当該平面上において前記回転子の中心を通る一直線上の対側に配置することのない前記２箇所の間隙にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第１及び第２の平面反射板は、
前記回転子の中心において前記軸支回転シャフトの軸支方向と直交する前記平面上において、前記回転子の中心を通る直交二直線上に直角配置する前記２箇所の間隙にそれぞれ配置される、
ことを特徴とする請求項１８に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。 - 前記第１及び第２の平面反射板は、
前記２箇所の間隙の形態に沿った扇形に形成される、
ことを特徴とする請求項１５、１６、１７、１８又は１９に記載の多自由度超音波モータの回転子姿勢角計測装置。
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