JP4209255B2

JP4209255B2 - 回転子及び多自由度超音波モータ

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Publication number: JP4209255B2
Application number: JP2003151562A
Authority: JP
Inventors: 洋川野; 達也平原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004357395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子及び多自由度超音波モータに関し、詳しくは、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子の上端面に接触させて、複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物に伝達する際に適用される回転子及びこの回転子を適用する多自由度超音波モータに係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高トルク、高自由度を要求されるような部位に適用されるアクチュエータとして、省スペース、高トルクで静音性の高い多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００３】
例えば、人間型ロボットの間接機構、特に首の部分のように、多自由度に姿勢を変えることができるように重量物を鉛直に支える必要のある機構等へ、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに代わって、多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００４】
ここで、多自由度超音波モータは、例えば、振動方向が異なる複数の圧電素子が積層された構成の固定子と、この固定子の上に密着された球状の回転子からなり、多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく位相の異なる交流電流を印加すると圧電素子に固有振動が励振されて、それらの固有振動モードの組み合わせにより回転子が任意の方向に回転する。
【０００５】
このように、固定子に密着した回転子を持つ多自由度超音波モータを駆動する場合に高い回転駆動力を得るためには、回転子が固定子から十分に強い垂直抗力を受けるような予圧機構が必要であり、逆に、多自由度超音波モータに対して適切な予圧が為されれば、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大きな回転駆動力を得ることが可能になる。
【０００６】
また、多自由度超音波モータの回転子に大質量の負荷重量物を接続する場合、高い傾斜方向の回転速度を得るために、負荷重量物の重心位置を回転子の回転中心位置と合わせるなどの工夫をして、傾斜方向の負荷トルクを軽減する必要がある。
【０００７】
なお、上記多自由度超音波モータの詳細については、下記の非特許文献１に記載されている。
【０００８】
【非特許文献１】
前野隆司，竹村研治郎，小島信行、“縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超音波モータの開発”、日本ロボット学会誌、Vol16，No.8，pp.1115-1122，1998．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の多自由度超音波モータにおいて、負荷重量物の重心位置を回転子の回転中心位置と合わせるにあたり、回転子の回転中心からの負荷重量物の設置高さを高くすると、そのために必要なカウンタウェイトは、上下及び横方向に、大きな空間を占めることとなり、回転子の動作範囲を著しく狭めることとなる。
【００１０】
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。
【００１１】
即ち、本発明の第１の目的は、多自由度超音波モータに適応される回転子の可動範囲の縮小を最小限なものとすることが可能な回転子及び多自由度超音波モータを提供せんとするものである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、回転子に対して高い位置に負荷重量物を接続した場合における傾斜方向の負荷トルクを打ち消すために必要なカウンタウェイトが占める空間の大きさを、最小限のものとすることの可能な回転子及び多自由度超音波モータを提供せんとするものである。
【００１３】
本発明の第３の目的は、多自由度超音波モータに必要な予圧力を、負荷重量物と、カウンタウェイトの重量から効率的に印加することを可能とする回転子及び多自由度超音波モータを提供せんとするものである。
【００１４】
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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明回転子においては、多自由度超音波モータにおいて、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子の上端面に固定子接触部にて接触させて、複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する際に適用される回転子であって、外殻面にて前記固定子の上端面と接触する半球殻形状からなる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１６】
一方、本発明モータにおいては、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子の上端面に接触させて、複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する半球殻形状をなす回転子とを具備する多自由度超音波モータであって、上記本発明回転子を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１７】
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、前記目的を達成するように為される。
【００１８】
即ち、本発明回転子の第１の特徴は、多自由度超音波モータにおいて、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子の上端面に固定子接触部を載置接触させて、前記複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する際に適用される回転子であって、前記固定子接触部が、外殻面にて前記固定子の上端面と接触する半球殻形状からなる、回転子の構成採用にある。
【００１９】
本発明回転子の第２の特徴は、上記本発明回転子の第１の特徴における前記回転子が、前記固定子接触部の前記半球殻形状内殻面に立設し、前記負荷重量物を上端支持する負荷重量物支持部と、当該負荷重量物支持部に貫着されて、前記負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に発生する負荷トルクを相殺する負荷トルク補償部と、を具備してなる、回転子の構成採用にある。
【００２０】
本発明回転子の第３の特徴は、上記本発明回転子の第２の特徴における前記固定子接触部が、前記半球殻形状の鉛直同心円上に、前記負荷重量物支持部上端に固定された前記負荷重量物の重心が位置するように当該半球殻形状の半径が設定されてなる、回転子の構成採用にある。
【００２１】
本発明回転子の第４の特徴は、上記本発明回転子の第２又は第３の特徴における前記負荷重量物支持部が、前記固定子接触部の半球殻形状内殻面に植立されて、前記固定子の設置面に対して鉛直上方にて前記負荷重量物を支持するシャフトである、回転子の構成採用にある。
【００２２】
本発明回転子の第５の特徴は、上記本発明回転子の第２、第３又は第４の特徴における前記負荷重量物支持部が、前記固定子接触部の半球殻形状内殻面の最底部中心に、中立平衡時のその中心線を、前記負荷重量物の重心と前記固定子の鉛直方向中心線とに一致して設置されてなる、回転子の構成採用にある。
【００２３】
本発明回転子の第６の特徴は、上記本発明回転子の第２、第３、第４又は第５の特徴における前記負荷トルク補償部が、外周下線が内殻面に接するよう、前記固定子接触部の半球殻形状内殻面中心と前記負荷重量物支持部下部との植着点に近設されて、前記負荷トルクと釣り合う反負荷トルクを発生可能に重量設定されたカウンタウェイトである、回転子の構成採用にある。
【００２４】
本発明回転子の第７の特徴は、上記本発明回転子の第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における前記回転子が、支持される前記負荷重量物の重心と、前記回転子の回転中心と、中立平衡時の前記負荷重量物支持部の鉛直方向中心線と、が揃う前記固定子の鉛直方向中心線上に合わせた姿勢を取ってなる、回転子の構成採用にある。
【００２５】
本発明回転子の第８の特徴は、上記本発明回転子の第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記固定子接触部が、前記半球殻形状の上端円周上に亙り、前記回転子の傾斜角が大きくなった場合に前記固定子の上端面外周縁に引っ掛かり、当該固定子の上端面から当該回転子が転落することを防止する外方に張り出した転落防止ストッパーを具備してなる、回転子の構成採用にある。
【００２６】
本発明回転子の第９の特徴は、上記本発明回転子の第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が、当該回転子自体と当該回転子に一体結合された前記負荷重量物との全重量を、前記固定子接触部を前記固定子の上端面に強制と圧接させるための予圧力発生手段として利用可能に重量設定されてなる、回転子の構成採用にある。
【００２７】
本発明回転子の第１０の特徴は、上記本発明回転子の第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負荷重量物支持部が、別途、前記予圧力発生手段を補助する弾性体が接続可能な、弾性体取付部材を空転自在に具備してなる、回転子の構成採用にある。
【００２８】
一方、本発明モータの第１の特徴は、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子の上端面に接触させて、前記複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する半球殻形状をなす回転子とを具備する多自由度超音波モータであって、当該回転子が、前記本発明回転子の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における回転子である、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００２９】
本発明モータの第２の特徴は、上記本発明モータの第１の特徴における前記回転子と前記固定子が、前記負荷重量物支持部に貫通支持されて当該負荷重量物支持部を中心に空転自在に囲繞する弾性体回転子側固定材の外端縁部と、前記固定子接触部及び前記固定子を懸架する固定子固定材を中に挟んで、当該固定子固定材を自由空転自在に受支する前記弾性体回転子側固定材の外端縁部と、に亙り張架して、当該弾性体回転子側固定材と当該弾性体固定子側固定材とを常時接近習性を弾性付勢する弾性体の引張力により相互に圧接されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３０】
本発明モータの第３の特徴は、上記本発明モータの第２の特徴における前記弾性体が、それぞれ弾性定数及び自然長を等しく設定されて、前記負荷重量物支持部を中心として点対称、等距離に複数張架されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３１】
本発明モータの第４の特徴は、上記本発明モータの第２又は第３の特徴における前記弾性体が、予め自然長以上に鉛直方向に伸長された状態で張架されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３２】
本発明モータの第５の特徴は、上記本発明モータの第２、第３又は第４の特徴における前記弾性体回転子側固定材が、前記負荷重量物支持部とベアリングを介して取付けられ、前記ベアリングが、前記負荷重量物支持部を軸受け支承して、前記負荷重量物支持部から前記弾性体回転子側固定材に、前記回転駆動力により発生する当該負荷重量物支持部の回転方向の変位及び傾斜方向の変位のうち、当該回転方向の変位を空転吸収して、当該傾斜方向の変位のみを伝達可能に構成されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３３】
本発明モータの第６の特徴は、上記本発明モータの第２、第３、第４又は第５の特徴における前記弾性体固定子側固定材が、前記固定子固定材底部外底面中央に突設したユニバーサルジョイントを、中央で旋回自在に下支えし、前記弾性体から伝達された傾斜方向の変位を自由空転吸収可能に構成される、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３４】
本発明モータの第７の特徴は、上記本発明モータの第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における前記弾性体が、前記弾性体回転子側固定材の具備する前記回転子の回転中心を通る水平同心円上にある外端縁部の回転子側弾性体取付端点にて一端を張架される一方、前記回転子側弾性体取付端点と鉛直下方で相対向し、前記水平同心円との平行面上に位置して、弾性体固定子側固定材の具備する外端縁部の固定子側弾性体取付端点にて他端を張架されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３５】
本発明モータの第８の特徴は、上記本発明モータの第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記多自由度超音波モータが、前記回転子の回転中心と、前記負荷重量物の重心と、前記ユニバーサルジョイントの自由空転中心とが、前記負荷重量物支持部の鉛直方向中心線及び前記固定子の鉛直方向中心線上に位置されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３６】
本発明モータの第９の特徴は、上記本発明モータの第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前記固定子固定材が、天部中央を前記固定子の振動の節となる箇所にて前記固定子に積層重合されて、当該箇所にて前記固定子を懸架支持するフレーム構造である、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３７】
本発明モータの第１０の特徴は、上記発明モータの第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弾性体が、伸縮時に静音性を保つ柔軟なゴムにより構成される、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、形態例１及び形態例２を、添付図面を参照しつつ、本発明を圧電素子を積層させた固定子に適用した場合を例に挙げて順次詳細に説明する。
【００３９】
（形態例１）
まず、図１は、本発明の一実施形態例に係る多自由度超音波モータの回転子の内殻面構造を示す側面一部透視断面図であり、負荷重量物３及び負荷重量物支持部１ｂが中立平衡にある状態を示す。また、同図に示す多自由度超音波モータαの回転子１は、固定子接触部１ａのみ、その内殻面構造を透過して示すものである。
【００４０】
同図に示すように、本形態例１に係る多自由度超音波モータαは、回転子１と、異なる振動方向に等しい固有振動数の固有振動を励振する円柱状の固定子２と、この固定子２の上端面に固定子接触部１ａにて接触させることで任意方向の回転駆動力を発生する回転子１からこの回転駆動力を伝達される負荷重量物３とで構成されて、例えば固定子２を懸架固定する固定子固定材４を介して設置面Ｓに設置される。
【００４１】
ここで、回転子１は、固定子接触部１ａとして半球殻形状を具備して、この半球殻形状の外殻面にて、振動する固定子１の上端面と接触し、固定子１から固定子接触部１ａにて回転駆動力として伝達されて、当該回転駆動力を負荷重量物支持部１ｂを介して負荷重量物３に伝達可能に構成される。本形態例においては、例えば、固定子２から回転子１への回転及び傾斜方向への拘束はないものとする。
【００４２】
さらに、回転子１は固定子接触部１ａの半球殻形状の内殻面に、負荷重量物３を上端支持する負荷重量物支持部１ｂを立設して、この負荷重量物支持部１ｂに貫着されて、負荷重量物３が傾斜した際にこの傾斜方向に発生する負荷トルクを相殺する負荷トルク補償部１ｃを具備する。
【００４３】
また、固定子接触部１ａは、平衡中立時において、固定子２から負荷重量物支持部１ｂを介して接続される負荷重量物３の重心Ｇまでの高さを、その半球殻形状外殻面の直径とする（その半分を半径とする）よう選択設計されて、固定子接触部１ａの半球殻形状の鉛直方向同心円Ａ上に負荷重量物３の重心Ｇが位置するようにその半球殻形状の大きさが設定される。
【００４４】
一方、負荷重量物支持部１ｂは、例えば、固定子接触部１ａと、半球殻形状内殻面の最下底点で植立されて、固定子２の中立平衡時において設置面Ｓに対して鉛直上方に負荷重量物３を支持するシャフト等であり、その鉛直方向の中心線Ｂを、固定子２の鉛直方向中心線Ｂと同一となるように固定子接触部１ａ内殻面の最底部中心にその一端が設置されて、他端をこの中心線Ｂ上に負荷重量物３の重心Ｇが位置するように負荷重量物３に接続固定される。
【００４５】
他方、負荷トルク補償部１ｃは、例えば、外周下縁が内殻面に接するように、固定子接触部１ａの半球殻形状内殻面の、固定子接触部１ａと負荷重量物支持部１ｂとの植着点に近設されて、負荷重量物が傾斜した際に発生する傾斜方向の負荷トルクと釣り合う反負荷トルクを発生可能に重量設定されたカウンタウェイトである。
【００４６】
以上のように構成される多自由度超音波モータαにおいて回転子１は、例えば、接続される負荷重量物３の重心Ｇと、固定子接触部１ａの半球殻形状の中心Ｅと、中立平衡時の負荷重量物支持部１ｂの鉛直方向中心線Ｂとが、揃う固定子２の鉛直方向中心線Ｂ上に合わせた姿勢を取るようになる。なお、ここで、固定子接触部１ａの半球殻形状の中心Ｅは、回転中心水平面Ｃ上にあり、回転子１の回転中心Ｅである。
【００４７】
また、回転子１は、固定子接続部１ａの半球殻形状上端円周上に亙り、回転子１の傾斜角が過度に大きくなった場合に、固定子２の上端面外周縁に引っ掛かることで固定子２の上端面上からの転落を防止する、例えば、外方に張り出した突片形状等からなる転落防止ストッパー１ｄを具備しても構わない。
【００４８】
なお、多自由度超音波モータαは、例えば、固定子２の振動の節となる箇所等の励振される固有振動の変位の影響が少ない場所にて、天部中央を固定子２を構成する複数の圧電素子等の間に積層重合されることで固定子２と接続されて、かつ、固定子２の他の部分に接触しないフレーム構造からなる固定子固定材４により、設置面Ｓ等に懸架固定設置され、あるいは、固定子固定材４を所望の部材に接続固定させて設置されても構わない。
【００４９】
さらに、回転子１は、一体結合された負荷重量物３との全重量を、固定子１の上端面と固定子接触部１ａとを強制圧接させための予圧力発生手段として利用されて、負荷重量物３の重量が増加するに従い予圧力も増加する構造となっている。このような予圧力発生手段によれば、重力を利用して予圧を与えて、予圧のために他のいかなる付属物等を必要としない構成であることから、回転子１は、余計な機械的抵抗を受けずに回転運動が可能となる。
【００５０】
また、予圧力発生手段により発生する予圧力では回転子１と固定子２との予圧力が不足する場合には、後述する形態例２に示すように、負荷重量物支持部１ｂに弾性体取付部材を設置して、ここに弾性体等の予圧力発生補助手段を空転自在に接続することで、予圧力発生の補助を行うように構成しても構わない。
【００５１】
（形態例２）
次に、図２は、本発明の他の実施形態例に係る予圧力発生補助手段を適用された多自由度超音波モータの回転子の内殻面構造を示す側面一部透視断面図であり、負荷重量物が中立平衡にある状態を示す。なお、本実施形態例の多自由度超音波モータα´の構成要素の内、図１に示した多自由度超音波モータαと同一又は同等な構成要素につき同一の符号を当てるものとし、当該構成要素の詳細な説明については省略するものとする。
【００５２】
同図に示すように、本形態例２に係る多自由度超音波モータα´は、先に示した形態例１の多自由度超音波モータαに、さらに負荷重量物支持部１ｂに貫通支持されて負荷重量物支持部１ｂを中心に空転自在に囲繞する弾性体回転子側固定材５と、固定子２を懸架する固定子固定材４に接続されて弾性体回転子側固定材５と相対向する弾性体固定子側固定材６と、弾性体回転子側固定材５の外端縁部と弾性体固定子側固定材６の外端縁部とに亙り張架されて弾性体回転子側固定材５と弾性体固定子側固定材６とを常時接近習性を弾性付勢する弾性体７を具備して、例えば、複数の弾性体７の引張力により予圧力を発生可能に構成される。
【００５３】
ここで、弾性体７は、例えば、負荷重量物支持部１ｂを中心として点対称、等距離に複数張架されて、それぞれ弾性定数及び自然長を等しく設定されて、予め自然長以上に鉛直方向に伸長された状態で弾性体回転子側固定材５と弾性体固定子側固定材６とに接続されて張架され、弾性体回転子側固定材５と弾性体固定子側固定材６との間に引張力を発生させてそれぞれ接続された回転子１及び固定子２とを密着させる方向に予圧力を発生させる。
【００５４】
一方、弾性体回転子側固定材５は、負荷重量物支持部１ｂと、例えば、ベアリングを介して取付けられて、このベアリングは、負荷重量物支持部１ｂを囲繞する環状をなし、ベアリング内輪５ａと、ベアリング転動体群５ｂと、ベアリング外輪５ｃとを具備して、ベアリング内輪５ａとベアリング外輪５ｃそれぞれに発生した回転方向の変位が伝達されないよう構成される。
【００５５】
ここで、ベアリングはそれぞれ、負荷重量物支持部１ｂを軸受け支承するベアリング内輪５ａと、ベアリング内輪５ａから伝達された負荷重量物支持部１ｂの回転方向の変位を空転吸収するベアリング転動体群５ｂと、弾性体回転子側固定材５に固定されるベアリング外輪５ｃとにより、負荷重量物支持部１ｂから弾性体回転子側固定材５に、回転子１の回転駆動力により発生する負荷重量物支持部１ｂの回転方向の変位及び傾斜方向の変位のうち、回転方向の変位を空転吸収して、傾斜方向の変位のみを伝達可能に構成される。
【００５６】
また、ベアリング内輪５ａは、例えば、負荷重量物支持部１ｂにそれぞれ接続固定される、ベアリング内輪上側固定材５ｄとベアリング内輪下側固定材５ｅとで上下から挟み込まれて設置固定されて、負荷重量物支持部１ｂの回転を軸受け可能に構成されるとよい。
【００５７】
他方、弾性体固定子側固定材６は、例えば、弾性体７から伝達された傾斜方向の変位を自由空転吸収可能なユニバーサルジョイント６ａを具備して、ユニバーサルジョイント６ａは、例えば、固定子固定材４の底部外底面中央に突設されるように、ユニバーサルジョイント取付シャフト６ｂを介して固定子固定材４に接続固定されて、中央で自由空転自在に下支えして弾性体７から伝達された傾斜方向の変位を空転吸収して、回転子１及び負荷重量物３が傾斜した際にも一定の予圧力を発生することが可能となる。
【００５８】
また、弾性体７は、弾性体回転子固定材５の具備する、回転子１の回転中心Ｅを中心としてこの回転中心水平面Ｃ上にある円周上に配列する外端縁部の回転子側弾性体取付端点５ｆにて弾性体７一端を張架される一方、回転子側弾性体取付端点５ｆと鉛直下方で相対向し、回転中心水平面Ｃと平行な水平面Ｄ上に位置する、弾性体固定子側固定材６の具備する外端縁部の固定子側弾性体取付端点６ｃにて弾性体７他端を張架される。
【００５９】
さらに、弾性体７は、ゴムのような伸縮時に音の出ない材質を採用することで、静音性を保つことができるが、静音性に対する要求が低い場合は、金属製のコイル状のバネ等でも構わない。
【００６０】
以上のように構成される多自由度超音波モータα´は、例えば、前記回転子１の回転中心Ｅと、負荷重量物３の重心Ｇと、ユニバーサルジョイント６ａの回転中心Ｆとが、負荷重量物支持部１ｂと固定子２の鉛直方向中心線Ｂ上に配置されることとなる。
【００６１】
以上、本発明の実施の形態につき、本発明を圧電素子が積層されて円柱形上の固定子２及び固定子２を懸架支持する固定子固定材４を有する多自由度超音波モータα，α´に適用した場合を例に挙げて説明したが、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、例えば、固定子固定材４を設置面Ｓに設置する代わりに、所望の部材に接続可能な固定子固定材４へ適用しても構わない。
【００６２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、多自由度超音波モータの回転子を半球殻形状として、この半球殻形状の内殻面に負荷重量物支持部と負荷トルク補償部を具備する構成のため、回転子の回転駆動時において広い可動範囲を確保することが可能となる。また、回転子に広い可動範囲を確保しつつ、回転子と固定子に十分な予圧を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る多自由度超音波モータの回転子の内殻面構造を示す側面一部透視断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態例に係る予圧力発生補助手段を適用された多自由度超音波モータの回転子の内殻面構造を示す側面一部透視断面図である。
【符号の説明】
α，α´…多自由度超音波モータ
１…回転子
１ａ…固定子接触部
１ｂ…負荷重量物支持部
１ｃ…負荷トルク補償部
１ｄ…転落防止ストッパー
２…固定子
３…負荷重量物
４…固定子固定材
５…弾性体固定子側固定材
５ａ…ベアリング内輪
５ｂ…ベアリング転動体群
５ｃ…ベアリング外輪
５ｄ…ベアリング内輪上側固定材
５ｅ…ベアリング内輪下側固定材
５ｆ…回転子側弾性体取付端点
６…弾性体固定子側固定材
６ａ…ユニバーサルジョイント
６ｂ…ユニバーサルジョイント取付シャフト
６ｃ…弾性体固定子側取付端点
７…弾性体
Ａ…固定子接続部鉛直同心円
Ｂ…鉛直方向中心線
Ｃ…回転子回転中心水平面
Ｄ…水平面
Ｅ…回転子回転中心
Ｆ…ユニバーサルジョイント回転中心
Ｇ…負荷重量物重心
Ｓ…設置面

Claims

多自由度超音波モータにおいて、異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子の上端面に半球殻形状からなる固定子接触部を前記半球殻形状の外殻面にて載置接触させて、前記複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する際に適用される回転子であって、
前記固定子接触部の前記半球殻形状内殻面に立設し、前記負荷重量物を上端支持する負荷重量物支持部と、
当該負荷重量物支持部に貫着されて、前記負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に発生する負荷トルクを相殺する負荷トルク補償部と、を具備する、
ことを特徴とする回転子。
前記固定子接触部は、
前記半球殻形状の鉛直同心円上に、前記負荷重量物支持部上端に固定された前記負荷重量物の重心が位置するように当該半球殻形状の半径が設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子。
前記負荷重量物支持部は、
前記固定子接触部の半球殻形状内殻面に植立されて、前記固定子の設置面に対して鉛直上方にて前記負荷重量物を支持するシャフトである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
前記負荷重量物支持部は、
前記固定子接触部の半球殻形状内殻面の最底部中心に、中立平衡時のその中心線を、前記負荷重量物の重心と前記固定子の鉛直方向中心線とに一致して設置される、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の回転子。
前記負荷トルク補償部は、
外周下線が内殻面に接するよう、前記固定子接触部の半球殻形状内殻面中心と前記負荷重量物支持部下部との植着点に近設されて、前記負荷トルクと釣り合う反負荷トルクを発生可能に重量設定されたカウンタウェイトである、
ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の回転子。
前記回転子は、
支持される前記負荷重量物の重心と、前記回転子の回転中心と、中立平衡時の前記負荷重量物支持部の鉛直方向中心線と、が揃う前記固定子の鉛直方向中心線上に合わせた姿勢を取る、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の回転子。
前記固定子接触部は、
前記半球殻形状の上端円周上に亙り、前記回転子の傾斜角が大きくなった場合に前記固定子の上端面外周縁に引っ掛かり、当該固定子の上端面から当該回転子が転落することを防止する外方に張り出した転落防止ストッパーを具備する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の回転子。
前記回転子は、
当該回転子自体と当該回転子に一体結合された前記負荷重量物との全重量を、前記固定子接触部を前記固定子の上端面に強制圧接させるための予圧力発生手段として利用可能に重量設定される、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の回転子。
前記負荷重量物支持部は、
別途、前記予圧力発生手段を補助する弾性体が接続可能な、弾性体取付部材を空転自在に具備する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の回転子。
異なる振動方向に、等しい固有振動数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子の上端面に接触させて、前記複数の固有振動によって任意方向の回転駆動力を発生し、当該回転駆動力を負荷重量物へ伝達する半球殻形状をなす回転子とを具備する多自由度超音波モータであって、
当該回転子は、
請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９に記載の回転子である、
ことを特徴とする多自由度超音波モータ。
前記回転子と前記固定子は、
前記負荷重量物支持部に貫通支持されて当該負荷重量物支持部を中心に空転自在に囲繞する弾性体回転子側固定材の外端縁部と、
前記固定子接触部及び前記固定子を懸架する固定子固定材を中に挟んで、
当該固定子固定材を自由空転自在に受支する前記弾性体回転子側固定材の外端縁部と、に亙り張架して、当該弾性体回転子側固定材と当該弾性体固定子側固定材とを常時接近習性を弾性付勢する弾性体の引張力により相互に圧接される、
ことを特徴とする請求項１０に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体は、
それぞれ弾性定数及び自然長を等しく設定されて、
前記負荷重量物支持部を中心として点対称、等距離に複数張架される、
ことを特徴とする請求項１１に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体は、
予め自然長以上に鉛直方向に伸長された状態で張架される、
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体回転子側固定材は、
前記負荷重量物支持部とベアリングを介して取付けられ、
前記ベアリングは、
前記負荷重量物支持部を軸受け支承して、前記負荷重量物支持部から前記弾性体回転子側固定材に、前記回転駆動力により発生する当該負荷重量物支持部の回転方向の変位及び傾斜方向の変位のうち、当該回転方向の変位を空転吸収して、当該傾斜方向の変位のみを伝達可能に構成される、
ことを特徴とする請求項１１、１２又は１３に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体固定子側固定材は、
前記固定子固定材底部外底面中央に突設したユニバーサルジョイントを、中央で旋回自在に下支えし、
前記弾性体から伝達された傾斜方向の変位を自由空転吸収可能に構成される、
ことを特徴とする請求項１１、１２、１３又は１４に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体は、
前記弾性体回転子側固定材の具備する前記回転子の回転中心を通る水平同心円上にある外端縁部の回転子側弾性体取付端点にて一端を張架される一方、
前記回転子側弾性体取付端点と鉛直下方で相対向し、前記水平同心円との平行面上に位置して、弾性体固定子側固定材の具備する外端縁部の固定子側弾性体取付端点にて他端を張架される、
ことを特徴とする請求項１１、１２、１３、１４又は１５に記載の多自由度超音波モータ。
前記多自由度超音波モータは、
前記回転子の回転中心と、前記負荷重量物の重心と、前記ユニバーサルジョイントの自由空転中心とが、前記負荷重量物支持部の鉛直方向中心線及び前記固定子の鉛直方向中心線上に位置される、
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。
前記固定子固定材は、
天部中央を前記固定子の振動の節となる箇所にて前記固定子に積層重合されて、
当該箇所にて前記固定子を懸架支持するフレーム構造である、
ことを特徴とする請求項１１、１２、１３、１４、１５、１６又は１７に記載の多自由度超音波モータ。
前記弾性体は、
伸縮時に静音性を保つ柔軟なゴムにより構成される、
ことを特徴とする請求項１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７又は１８に記載の多自由度超音波モータ。