JP4209256B2 - 予圧装置及び多自由度超音波モータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置及びこの予圧装置を付設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（高静止トルク）を得ることが可能になる。
【０００６】
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及び２に記載されている。
【０００７】
【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．
【非特許文献２】
ユン チョルホ，庭野慎一朗，James R. Friend，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．
【０００８】
上記の非特許文献１及び２によれば、多自由度超音波モータにおいて、大きな高静止トルクを得るために、回転子の上に穴のあいた予圧材を配置し、それによって回転子に対して鉛直方向に力を与える方式（非特許文献１）や、固定子側に電磁石を配置し、電磁石から発生する吸引力によって回転子を引き付ける方式（非特許文献２）により固定子と回転子とを接触させる予圧が可能となる。
【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、固定子の上に予圧材を配置する予圧方法においては、回転子に機械的な負荷を接続した場合に、予圧材によって回転子の可動範囲が狭まってしまうという問題がある。また、回転子の可動範囲を広げるために予圧材の穴の直径を大きくすると、予圧材が回転子に与える摩擦力による抵抗トルクが大きくなってしまう。
【００１０】
さらに、電磁石を利用する予圧方式においては、電磁石の距離による減衰の速さに起因する限界距離の問題や、高い予圧力を得るためには別途高いエネルギーの電力を要するという問題がある。
【００１１】
加えて、多自由度超音波モータの回転子の上に負荷となる重量物が機械的に固定されている場合において、回転子の回転によって重量物の姿勢が傾斜したときには、傾斜方向への負荷トルクや、回転子に与えられる横力が起生し、そのために回転子から固定子に与えられる力の特性が複雑となり、それに伴い、駆動制御が難しくなるという問題がある。
【００１２】
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。
【００１３】
即ち、本発明の第１の目的は、予圧による回転子の可動範囲の縮小と、負荷トルクの起生を最小限に抑えることが可能な予圧装置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】
本発明の第２の目的は、回転子に固定された負荷重量物の存在による傾斜方向の負荷トルクを最大限補償することが可能な予圧装置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。
【００１５】
本発明の第３の目的は、予圧に電力のような外部エネルギーを必要とせずに高い予圧力を得ることが可能な予圧装置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。
【００１６】
本発明の第４の目的は、傾斜方向の負荷トルクの補償手段が占める空間を最小限にすることが可能な予圧装置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。
【００１７】
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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明予圧装置においては、固定子の上端面と回転子とに常時圧接習性を付勢する予圧力を発生する予圧力発生手段と、回転駆動に伴い負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイトと、予圧力発生手段により発生した予圧力と反負荷トルクとを回転子に伝達するとともに、回転子の傾斜をカウンタウェイトに伝達する予圧伝達手段と、を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１９】
一方、本発明モータにおいては、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成されて、固有振動から任意の方向への回転駆動力を発生させるために固定子の上端面と回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置が付設される多自由度超音波モータであって、上記本発明予圧装置を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００２０】
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。
【００２１】
即ち、本発明予圧装置の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成される多自由度超音波モータに付設して、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置であって、前記回転子に立設されて前記負荷重量物を上端支持する回転シャフトと、前記固定子の上端面と前記回転子とに常時圧接習性を付勢する前記予圧力を発生する予圧力発生手段と、前記回転子の回転駆動から前記傾斜のみを分離抽出可能に前記回転シャフトに空転自在に取り付けられて、前記予圧発生手段の一端が外端縁部に張架される回転子側取付材と、前記回転子及び前記固定子とを中に間在して、当該回転子側取付材に相対向して自由回転自在に対峙しかつ前記予圧発生手段の他端が外端縁部に張架される固定子側取付材と、前記固定子を当該固定子の発生する前記固有振動の節となる位置で当該固定子を懸架支持する固定子固定材と、前記固定子固定材を自由回転自在に支えつつ前記固定子固定材と前記固定子側取付材とを接続するユニバーサルジョイントと、前記固定子側取付材の中央外底面かつ前記負荷重量物の重心と相対側位置に重量を設定自在に固定され、前記回転駆動に伴い前記負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイトと、を具備してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２２】
本発明予圧装置の第２の特徴は、上記本発明予圧装置の第１の特徴における前記予圧装置が、さらに、前記回転子の回転駆動による回転角度を計測するエンコーダと、前記回転子側取付材と前記固定子側取付材のいずれか一方または両方に別途設置される光学式測距センサと前記光学式測距センサから発射された光線を反射する扇形面板を具備して、前記光学式測距センサの光線発射点と当該扇形面板上の反射点間の距離の値から前記回転子の回転駆動により前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する傾斜角度測定手段と、を具備してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２３】
本発明予圧装置の第３の特徴は、上記本発明予圧装置の第１又は第２の特徴における前記回転子側取付材と前記固定子側取付材が、中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る軸に対して直交水平方向に外延する放射羽根を形成する、予圧装置の構成採用にある。
【００２４】
本発明予圧装置の第４の特徴は、上記本発明予圧装置の第３の特徴における前記回転子側取付材が、前記回転子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に前記扇形面板を介設し、前記扇形面板は、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、前記傾斜角度測定手段は、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記回転子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、予圧装置の構成採用にある。
【００２５】
本発明予圧装置の第５の特徴は、上記本発明予圧装置の第３又は４の特徴における前記固定子側取付材が、前記固定子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に扇形面板を介設し、前記扇形面板が、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、前記傾斜角度測定手段が、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記固定子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、予圧装置の構成採用にある。
【００２６】
本発明予圧装置の第６の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から５のいずれかの特徴における前記予圧発生手段が、前記回転子側取付材と前記固定子側取付材とのそれぞれ相対応対向する外端縁部相互間に亙り、予め自然長以上に伸長された状態でその両端を止着張架することで、当該回転子側取付材と当該固定子側取付材とに常時圧接習性を弾性付勢し、前記固定子の上端面と前記回転子相互を圧接する方向に引張力を作用する弾性体である、予圧装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明予圧装置の第７の特徴は、上記本発明予圧装置の第６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が等しいものが張架されて、中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る中心軸の平面同心円上に等間隔で複数囲繞配架されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明予圧装置の第８の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から７のいずれかの特徴における前記回転子側取付材が、前記回転シャフトを貫着する軸受け内輪と、当該軸受け内輪に転動体群を介して取り付けられ、当該転動体群により、前記回転シャフトの回転動力が空転吸収されて、当該回転シャフトの傾斜のみを伝達される軸受け外輪と、を有して、当該軸受け外輪に取付けられた前記回転子側取付材は、当該軸受け外輪から前記回転シャフトの回転駆動の傾斜成分のみを抽出伝達されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明予圧装置の第９の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から８のいずれかの特徴における前記エンコーダが、前記回転シャフトに中央を貫通固定され当該回転シャフトと一体化した環板状のエンコーダ内輪と、当該エンコーダ内輪の外周に相対回転自在に囲繞配置されて前記回転子側取付材に固定され、前記回転シャフトを介して前記回転子の回転駆動から軸傾斜動のみが抽出伝達される環板状のエンコーダ外輪と、を有してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明予圧装置の第１０の特徴は、上記本発明予圧装置の第９の特徴における前記エンコーダ内輪と前記エンコーダ外輪が、前記回転子の回転駆動により発生する前記回転シャフトの傾斜に連動して共に一体に傾斜をする一方、前記回転シャフトを軸とする回転が伝達される前記エンコーダ内輪と、当該回転シャフトの軸回転を空転吸収する前記エンコーダ外輪と、の相対的な回転角度の差から、前記回転シャフトを通して前記回転子の回転角度を計測可能に形成されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００３８】
一方、本発明モータの第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成されて、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置が付設される多自由度超音波モータであって、前記予圧装置が、前記本発明予圧装置の第１から１０のいずれかの特徴における予圧装置である、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００４１】
【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及び球形状の回転子に適用した場合を例に挙げて順次詳細に説明する。
【００４２】
（形態例１）
まず、図１は、本発明の一実施形態例に係る予圧装置が適用された多自由度超音波モータの側面断面図であり、負荷重量物３及び回転シャフト７が中立平衡状態にあるものを示す。図１における多自由度超音波モータαは、予圧装置についてのみ断面にて示すものである。
【００４３】
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、例えば、位相が異なる交流電流を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子１と、負荷重量物３が保持されて固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子２とで構成されて、固有振動から任意の方向へ十分な回転駆動力を発生させるために固定子１の上端面と回転子２とを圧接するために、予圧力を発生する予圧装置が付設される。またここで、固定子１から回転子２への回転及び傾斜方向への拘束はないものとする。
【００４４】
ここで、予圧装置は、固定子１から回転子２へ垂直抗力を効果的かつ最大限に予圧力を発生するために、固定子１の上端面との予圧発生手段４と、回転子２の回転駆動に伴い負荷重量物３が傾斜した際にこの傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイト５と、予圧力発生手段により発生した予圧力と反負荷トルクとを回転子２に伝達するとともに、回転子２の傾斜をカウンタウェイト５に伝達する予圧伝達手段と、を具備する。
【００４５】
また、さらに本形態例１においては、例えば回転子２の回転駆動による回転角度を計測可能なエンコーダを具備させても構わない。
【００４６】
予圧伝達手段は、回転子２に発生した回転駆動力を負荷重量物３に伝達するとともに、予圧発生手段４により発生した予圧力を回転子２に伝達する、回転子２に立設されて負荷重量物３を上端支持する、回転シャフト７を具備して、回転シャフト７は回転子２の回転駆動に伴い回転シャフト７を軸として回転及び傾斜する。
【００４７】
さらに、予圧伝達手段として、回転子２の回転駆動から傾斜のみを分離抽出可能に回転シャフト７に空転自在に取り付けられて、予圧発生手段４の一端が外端縁部に張架される回転子側取付材８と、回転子２と固定子１とを中に間在して、回転子側取付材８に相対向して自由回転自在に対峙しかつ予圧発生手段４の他端が外端縁部に張架される固定子側取付材９とを具備する。
【００４８】
一方、予圧発生手段４は、回転子側取付材８と固定子側取付材９とのそれぞれ相対向する外端縁部相互間に亙り、予め自然長以上に伸長された状態でその両端を止着張架することで、回転子側取付材８と固定子側取付材９とに常時圧接習性を弾性付勢して、固定子１の上端面と回転子２を圧接する方向に引張力を作用する、例えば、それぞれ弾性定数及び自然長が等しい複数のゴム等の弾性体４である。
【００４９】
他方、カウンタウェイト５は、回転シャフト７の傾斜に一体動する負荷重量物３に追従連動して傾斜し、負荷重量物３の傾斜にの伴って起生する負荷トルクと釣り合うこの負荷トルクを相殺する反負荷トルクが発生するように、固定子側取付材９の中央凹陥部外底面の、負荷重量物３の重心と相対側位置に、その重量を設定自在に固定される。
【００５０】
また、回転子側取付材８は、回転シャフト７を軸受け支承する軸受けを介して空転自在に接続されて、軸受けは、例えば、回転シャフト７を貫着する軸受け内輪１０ａと、軸受け内輪１０ａに転動体１０ｂ群を介して取り付けられ、転動体１０ｂ群の空転作用によって、回転体２の回転駆動により発生して軸受け内輪１０ａに伝達された回転シャフト７を軸とする回転動力が空転吸収されて、回転シャフト７の傾斜のみを伝達される軸受け外輪１０ｃと、を有する。
【００５１】
したがって、軸受け外輪１０ｃに取り付けられた回転子側取付材８は、回転子２の回転駆動により発生する回転シャフト７の軸回転成分が伝達されずに、軸受け外輪１０ｃから回転子２が発生する回転駆動の傾斜成分のみを抽出伝達されることとなる。
【００５２】
ここで、例えば、回転子２及び回転シャフト７と一体に設置された軸受け内輪固定部１０ｄによって、軸受け内輪１０ａを下側から支持して固定し、また、回転子側取付材８により、軸受け外輪１０ｃを上側から押さえ込むことで軸受け全体が載置されてもよく、回転シャフト７の傾斜のみを回転子側取付材８に伝達可能であれば構わない。
【００５３】
さらに、予圧伝達手段は、固定子１を、その発生する固有振動の節となるような振動の影響の少ない位置で、例えば固定子１を構成する圧電素子等の間に天部中央に積層重合して、固定子１を懸架支持した多自由度超音波モータαを所要位置に懸架可能なフレーム構造を成す固定子固定材１１を具備して、多自由動超音波モータαは、この固定子固定材１１を介して高トルクを必要とする所望の部位に適用可能に設置される。
【００５４】
また、ここで、回転子側取付材８の回転シャフト７から伝達された傾斜がそのまま固定子側取付材９に伝達可能な程度に弾性体４の弾性定数が十分大きなものを採用した場合に、この固定子側取付材９は、例えば、固定子固定材１１外底面中央に突設されたユニバーサルジョイント取付シャフト１３等を用いて、全方向に自由に回動自在なユニバーサルジョイント１２を介して中央凹陥部で固定子定在１１を自由回転自在に下支えし、途中、弾性体４を介して回転子側取付材８から伝達された回転シャフト７の傾斜動に、ユニバーサルジョイント１２を傾斜の回転中心として回転子側取付材８に相平行して追従傾斜動自在に形成するよう構成される。
【００５５】
即ち、ユニバーサルジョイント１２が接続された固定子側取付材９に設置されたカウンタウェイト５は、負荷重量物３の傾斜に相対向するものであるから、負荷重量物３が傾斜した際に起生する傾斜方向の負荷トルクと釣り合い相殺する反負荷トルクを発生することとなる。これにより、多自由度超音波モータαにおいて、回転子２に発生する、回転シャフト７の傾斜方向における回転抵抗が大幅に軽減されるものとなるとともに、カウンタウェイト５の運動を最小領域の空間にて行うことで、多自由度超音波モータαの運動を妨げないようにすることが可能となる。
【００５６】
さらに、固定子側取付材９は、弾性体４下端の取付端点として、ユニバーサルジョイント１２の回転中心の水平面Ａの同心円上外端縁部に固定子側弾性体取付端点１４を有して、同様に、弾性体４上端の取付端点として、回転子側取付材８において、回転子２の回転中心水面Ｂの同心円上外端縁部に回転子側弾性体取付端点１７を有すると好適である。
【００５７】
続いて、エンコーダは、回転シャフト７に中央を貫通固定されるとともに回転シャフト７と一体化した環板状のエンコーダ内輪６ａと、エンコーダ内輪６ａの外周に相対回転自在に囲繞配置されて回転子側取付材８に固定されて、回転シャフト７を介して回転子２の回転駆動から軸傾斜動のみが抽出伝達される環状のエンコーダ外輪６ｂと、を有する。
【００５８】
このように構成されたエンコーダのエンコーダ内輪６ａとエンコーダ外輪６ｂは、回転子２の回転駆動により発生する回転シャフト７の傾斜に連動して共に一体に傾斜をする一方、回転シャフト７を軸とする回転が伝達されるエンコーダ内輪６ａと、回転シャフト７の軸回転を空転吸収する回転子側取付材８に固定されたエンコーダ外輪６ｂとの相対的な回転角度の差から、回転シャフト７を通して回転子２の回転角度を計測可能に構築されて、多自由度超音波モータαの回転子２は、回転シャフト７を軸とする回転方向の回転について何ら制限無く可動することが可能なものである。
【００５９】
なお、本形態例は図１において、予圧発生手段４は２つの弾性体４を示すものであるが、後述する形態例２の図２又は図３に示すとおり、複数の弾性体４を有した弾性体４群からなるものでも当然構わず、回転子２の回転中心を中心として複数、等距離、等間隔に囲繞配置させてもよく、このとき、回転子側取付材８及び固定子側取付材９は、同じく回転子２の回転中心を中心とする放射羽根として複数配置されるものであっても構わない。
【００６０】
（形態例２）
次に、図２は本実施形態例に係る傾斜角度の測定手段を適用された多自由度超音波モータの底面図であり、固定子側取付端点９の外端縁部に接続された固定子側弾性体取付端点１４のみ透過させて示している。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に示した多自由超音波モータαと同一又は同等の構成要素につき同一の符号を当てるものとし、当該要素の詳細な説明については省略するものとする。
【００６１】
また、固定子側弾性体取付端点１４に一端が張架される弾性体４は、固定子側弾性体取付端点１４の配置と同様に、それぞれ弾性定数及び自然長が等しいものを、中立平衡時の回転子２の回転中心を通る中心軸の平面同心円Ｃ上に等間隔で複数囲繞張架されるものである。
【００６２】
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の自由度超音波モータαに、中立平衡時の回転子２の回転中心を通る軸に対して直交水平方向に外延する、例えば、それぞれ複数の放射羽根を形成されて、固定子側取付材９の各放射羽根の内、所定の放射羽根間に、固定子側扇形面板１６を介設した点のみが異なるものである。
【００６３】
ここで、固定子側扇形面板１６は、多自由度超音波モータα´下側の固定子側取付材９側に別途設置された光学式測距センサ１７ａ，１７ｂから発射された光線を反射して、回転子２が回転駆動により一体に負荷重量物３及び固定子側取付材９が傾斜した際には、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂの光線発射点１８ａ，１８ｂと、固定子側扇形面板１６上の反射点（図示せず）との間の距離の値は、中立平衡時との値とは差が生じるものであるから、回転子２の回転駆動により負荷重量物３に与える傾斜角度を計測することが可能なものである。
【００６４】
２台の光学式測距センサ１７ａ，１７ｂは、例えば、それぞれ鉛直方向に発射する光線の光線発射点１８ａ，１８ｂ相互の位置関係と、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂのそれぞれにて測定される固定子側扇形面板１６までの距離の値とから、負荷重量物３の傾斜角度を計算することが可能となる。
【００６５】
なお、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂは２台以上設置されて、２方向以上の方向から測定しても構わず、また、固定子側扇形面板１６についても、適宜固定子側取付材９の各放射梁に複数架設された扇板に限らず、平面同心円Ｃに亙って架設された円板であっても構わない。このように設置された光学式測距センサ１７ａ，１７ｂ，・・・によれば、温度上昇や複数の放射羽根の各強度の微妙な違い、及び、複数備えた弾性体４により固定子側扇形面板１６のそれぞれ異なるたわみが発生した際にも対応して、より正確な測定を可能とする。
【００６６】
図３は、本実施形態例に係る傾斜角度の測定手段を適用された多自由度超音波モータの上面図であり、回転子側取付端点８の外端縁部に接続された固定子側弾性体取付端点１５のみ透過させて示すものであり、図２に示した自由度超音波モータα´の固定子側扇形面板１６に代えて、複数の放射羽根として形成された回転子側取付材８の各放射羽根の間に、回転子側扇形面板１９を介設した点のみが異なるものである。
【００６７】
この場合においても、同図に示すように、多自由度超音波モータα´上側の回転子側取付材８側に別途設置された光学式測距センサ１７ｃ，１７ｄから発射された光線を反射する回転子側扇形面板１９を具備して、光学式測距センサ１７ｃ，１７ｄの光線発射点１８ｃ，１８ｄと固定子側扇形面板１９上の反射点間の距離の値から、回転子２の回転駆動により負荷重量物３に与える傾斜角度を計測することが可能なものである。
【００６８】
なお、本形態例における固定子側扇形面板１６、回転子側扇形面板１９は、多自由度超音波モータα´において、それぞれ一方のみ具備されるものでも、または、その両方を具備するものであっても構わない。
【００６９】
以上、本発明の形態につき、本発明を圧電素子が積層されて固有振動を励振する固定子１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、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。
【００７０】
【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に支持される負荷重量物が傾斜した際に、カウンタウェイトが固定子の可動範囲を妨げずに負荷重量物と連動して相対向して傾斜することにより、予圧による回転子の可動範囲を縮小せずに、負荷トルクの起生を最小限に抑えることが可能となるとともに、カウンタウェイトが、負荷重量物の傾斜方向に追従して傾斜することで、この傾斜方向の負荷トルクを最大限補償して、回転子に与える回転抵抗を大幅に軽減することが可能となる。
【００７１】
また、固定子の上端面に回転子を圧接させる予圧力を発生させる際に、予圧発生手段、例えば、弾性体による圧接習性を弾性付勢するものであるから、外部から電力のような外部エネルギーを必要とせずに、高い予圧力を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る予圧装置が適用された多自由度超音波モータの側面断面図である。
【図２】同上した多自由度超音波モータの底面図である。
【図３】同上した多自由度超音波モータの上面図である。
【符号の説明】
α，α´…多自由度超音波モータ
１…固定子
２…回転子
３…負荷重量物
４…予圧発生手段（弾性体）
５…カウンタウェイト
６ａ…エンコーダ内輪
６ｂ…エンコーダ外輪
７…回転シャフト
８…回転子側取付材
９…固定子側取付材
１０ａ…軸受け内輪
１０ｂ…転動体
１０ｃ…軸受け外輪
１１…固定子固定材
１２…ユニバーサルジョイント
１３…ユニバーサルジョイント取付シャフト
１４…固定子側弾性体取付材
１５…回転子側弾性体取付材
１６…固定子側扇形面板
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…光学式測距センサ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…光線発射点
１９…回転子側扇形面板
Ａ…ユニバーサルジョイント回転中心水平面
Ｂ…回転子回転中心水平面
Ｃ…平面同心円
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置及びこの予圧装置を付設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（高静止トルク）を得ることが可能になる。
【０００６】
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及び２に記載されている。
【０００７】
【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．
【非特許文献２】
ユン チョルホ，庭野慎一朗，James R. Friend，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．
【０００８】
上記の非特許文献１及び２によれば、多自由度超音波モータにおいて、大きな高静止トルクを得るために、回転子の上に穴のあいた予圧材を配置し、それによって回転子に対して鉛直方向に力を与える方式（非特許文献１）や、固定子側に電磁石を配置し、電磁石から発生する吸引力によって回転子を引き付ける方式（非特許文献２）により固定子と回転子とを接触させる予圧が可能となる。
【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、固定子の上に予圧材を配置する予圧方法においては、回転子に機械的な負荷を接続した場合に、予圧材によって回転子の可動範囲が狭まってしまうという問題がある。また、回転子の可動範囲を広げるために予圧材の穴の直径を大きくすると、予圧材が回転子に与える摩擦力による抵抗トルクが大きくなってしまう。
【００１０】
さらに、電磁石を利用する予圧方式においては、電磁石の距離による減衰の速さに起因する限界距離の問題や、高い予圧力を得るためには別途高いエネルギーの電力を要するという問題がある。
【００１１】
加えて、多自由度超音波モータの回転子の上に負荷となる重量物が機械的に固定されている場合において、回転子の回転によって重量物の姿勢が傾斜したときには、傾斜方向への負荷トルクや、回転子に与えられる横力が起生し、そのために回転子から固定子に与えられる力の特性が複雑となり、それに伴い、駆動制御が難しくなるという問題がある。
【００１２】
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。
【００１３】
即ち、本発明の第１の目的は、予圧による回転子の可動範囲の縮小と、負荷トルクの起生を最小限に抑えることが可能な予圧装置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】
本発明の第２の目的は、回転子に固定された負荷重量物の存在による傾斜方向の負荷トルクを最大限補償することが可能な予圧装置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。
【００１５】
本発明の第３の目的は、予圧に電力のような外部エネルギーを必要とせずに高い予圧力を得ることが可能な予圧装置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。
【００１６】
本発明の第４の目的は、傾斜方向の負荷トルクの補償手段が占める空間を最小限にすることが可能な予圧装置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。
【００１７】
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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明予圧装置においては、固定子の上端面と回転子とに常時圧接習性を付勢する予圧力を発生する予圧力発生手段と、回転駆動に伴い負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイトと、予圧力発生手段により発生した予圧力と反負荷トルクとを回転子に伝達するとともに、回転子の傾斜をカウンタウェイトに伝達する予圧伝達手段と、を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１９】
一方、本発明モータにおいては、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成されて、固有振動から任意の方向への回転駆動力を発生させるために固定子の上端面と回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置が付設される多自由度超音波モータであって、上記本発明予圧装置を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００２０】
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。
【００２１】
即ち、本発明予圧装置の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成される多自由度超音波モータに付設して、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置であって、前記回転子に立設されて前記負荷重量物を上端支持する回転シャフトと、前記固定子の上端面と前記回転子とに常時圧接習性を付勢する前記予圧力を発生する予圧力発生手段と、前記回転子の回転駆動から前記傾斜のみを分離抽出可能に前記回転シャフトに空転自在に取り付けられて、前記予圧発生手段の一端が外端縁部に張架される回転子側取付材と、前記回転子及び前記固定子とを中に間在して、当該回転子側取付材に相対向して自由回転自在に対峙しかつ前記予圧発生手段の他端が外端縁部に張架される固定子側取付材と、前記固定子を当該固定子の発生する前記固有振動の節となる位置で当該固定子を懸架支持する固定子固定材と、前記固定子固定材を自由回転自在に支えつつ前記固定子固定材と前記固定子側取付材とを接続するユニバーサルジョイントと、前記固定子側取付材の中央外底面かつ前記負荷重量物の重心と相対側位置に重量を設定自在に固定され、前記回転駆動に伴い前記負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイトと、を具備してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２２】
本発明予圧装置の第２の特徴は、上記本発明予圧装置の第１の特徴における前記予圧装置が、さらに、前記回転子の回転駆動による回転角度を計測するエンコーダと、前記回転子側取付材と前記固定子側取付材のいずれか一方または両方に別途設置される光学式測距センサと前記光学式測距センサから発射された光線を反射する扇形面板を具備して、前記光学式測距センサの光線発射点と当該扇形面板上の反射点間の距離の値から前記回転子の回転駆動により前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する傾斜角度測定手段と、を具備してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２３】
本発明予圧装置の第３の特徴は、上記本発明予圧装置の第１又は第２の特徴における前記回転子側取付材と前記固定子側取付材が、中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る軸に対して直交水平方向に外延する放射羽根を形成する、予圧装置の構成採用にある。
【００２４】
本発明予圧装置の第４の特徴は、上記本発明予圧装置の第３の特徴における前記回転子側取付材が、前記回転子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に前記扇形面板を介設し、前記扇形面板は、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、前記傾斜角度測定手段は、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記回転子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、予圧装置の構成採用にある。
【００２５】
本発明予圧装置の第５の特徴は、上記本発明予圧装置の第３又は４の特徴における前記固定子側取付材が、前記固定子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に扇形面板を介設し、前記扇形面板が、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、前記傾斜角度測定手段が、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記固定子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、予圧装置の構成採用にある。
【００２６】
本発明予圧装置の第６の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から５のいずれかの特徴における前記予圧発生手段が、前記回転子側取付材と前記固定子側取付材とのそれぞれ相対応対向する外端縁部相互間に亙り、予め自然長以上に伸長された状態でその両端を止着張架することで、当該回転子側取付材と当該固定子側取付材とに常時圧接習性を弾性付勢し、前記固定子の上端面と前記回転子相互を圧接する方向に引張力を作用する弾性体である、予圧装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明予圧装置の第７の特徴は、上記本発明予圧装置の第６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が等しいものが張架されて、中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る中心軸の平面同心円上に等間隔で複数囲繞配架されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明予圧装置の第８の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から７のいずれかの特徴における前記回転子側取付材が、前記回転シャフトを貫着する軸受け内輪と、当該軸受け内輪に転動体群を介して取り付けられ、当該転動体群により、前記回転シャフトの回転動力が空転吸収されて、当該回転シャフトの傾斜のみを伝達される軸受け外輪と、を有して、当該軸受け外輪に取付けられた前記回転子側取付材は、当該軸受け外輪から前記回転シャフトの回転駆動の傾斜成分のみを抽出伝達されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明予圧装置の第９の特徴は、上記本発明予圧装置の第１から８のいずれかの特徴における前記エンコーダが、前記回転シャフトに中央を貫通固定され当該回転シャフトと一体化した環板状のエンコーダ内輪と、当該エンコーダ内輪の外周に相対回転自在に囲繞配置されて前記回転子側取付材に固定され、前記回転シャフトを介して前記回転子の回転駆動から軸傾斜動のみが抽出伝達される環板状のエンコーダ外輪と、を有してなる、予圧装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明予圧装置の第１０の特徴は、上記本発明予圧装置の第９の特徴における前記エンコーダ内輪と前記エンコーダ外輪が、前記回転子の回転駆動により発生する前記回転シャフトの傾斜に連動して共に一体に傾斜をする一方、前記回転シャフトを軸とする回転が伝達される前記エンコーダ内輪と、当該回転シャフトの軸回転を空転吸収する前記エンコーダ外輪と、の相対的な回転角度の差から、前記回転シャフトを通して前記回転子の回転角度を計測可能に形成されてなる、予圧装置の構成採用にある。
【００３８】
一方、本発明モータの第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成されて、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置が付設される多自由度超音波モータであって、前記予圧装置が、前記本発明予圧装置の第１から１０のいずれかの特徴における予圧装置である、多自由度超音波モータの構成採用にある。
【００４１】
【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及び球形状の回転子に適用した場合を例に挙げて順次詳細に説明する。
【００４２】
（形態例１）
まず、図１は、本発明の一実施形態例に係る予圧装置が適用された多自由度超音波モータの側面断面図であり、負荷重量物３及び回転シャフト７が中立平衡状態にあるものを示す。図１における多自由度超音波モータαは、予圧装置についてのみ断面にて示すものである。
【００４３】
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、例えば、位相が異なる交流電流を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子１と、負荷重量物３が保持されて固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子２とで構成されて、固有振動から任意の方向へ十分な回転駆動力を発生させるために固定子１の上端面と回転子２とを圧接するために、予圧力を発生する予圧装置が付設される。またここで、固定子１から回転子２への回転及び傾斜方向への拘束はないものとする。
【００４４】
ここで、予圧装置は、固定子１から回転子２へ垂直抗力を効果的かつ最大限に予圧力を発生するために、固定子１の上端面との予圧発生手段４と、回転子２の回転駆動に伴い負荷重量物３が傾斜した際にこの傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイト５と、予圧力発生手段により発生した予圧力と反負荷トルクとを回転子２に伝達するとともに、回転子２の傾斜をカウンタウェイト５に伝達する予圧伝達手段と、を具備する。
【００４５】
また、さらに本形態例１においては、例えば回転子２の回転駆動による回転角度を計測可能なエンコーダを具備させても構わない。
【００４６】
予圧伝達手段は、回転子２に発生した回転駆動力を負荷重量物３に伝達するとともに、予圧発生手段４により発生した予圧力を回転子２に伝達する、回転子２に立設されて負荷重量物３を上端支持する、回転シャフト７を具備して、回転シャフト７は回転子２の回転駆動に伴い回転シャフト７を軸として回転及び傾斜する。
【００４７】
さらに、予圧伝達手段として、回転子２の回転駆動から傾斜のみを分離抽出可能に回転シャフト７に空転自在に取り付けられて、予圧発生手段４の一端が外端縁部に張架される回転子側取付材８と、回転子２と固定子１とを中に間在して、回転子側取付材８に相対向して自由回転自在に対峙しかつ予圧発生手段４の他端が外端縁部に張架される固定子側取付材９とを具備する。
【００４８】
一方、予圧発生手段４は、回転子側取付材８と固定子側取付材９とのそれぞれ相対向する外端縁部相互間に亙り、予め自然長以上に伸長された状態でその両端を止着張架することで、回転子側取付材８と固定子側取付材９とに常時圧接習性を弾性付勢して、固定子１の上端面と回転子２を圧接する方向に引張力を作用する、例えば、それぞれ弾性定数及び自然長が等しい複数のゴム等の弾性体４である。
【００４９】
他方、カウンタウェイト５は、回転シャフト７の傾斜に一体動する負荷重量物３に追従連動して傾斜し、負荷重量物３の傾斜にの伴って起生する負荷トルクと釣り合うこの負荷トルクを相殺する反負荷トルクが発生するように、固定子側取付材９の中央凹陥部外底面の、負荷重量物３の重心と相対側位置に、その重量を設定自在に固定される。
【００５０】
また、回転子側取付材８は、回転シャフト７を軸受け支承する軸受けを介して空転自在に接続されて、軸受けは、例えば、回転シャフト７を貫着する軸受け内輪１０ａと、軸受け内輪１０ａに転動体１０ｂ群を介して取り付けられ、転動体１０ｂ群の空転作用によって、回転体２の回転駆動により発生して軸受け内輪１０ａに伝達された回転シャフト７を軸とする回転動力が空転吸収されて、回転シャフト７の傾斜のみを伝達される軸受け外輪１０ｃと、を有する。
【００５１】
したがって、軸受け外輪１０ｃに取り付けられた回転子側取付材８は、回転子２の回転駆動により発生する回転シャフト７の軸回転成分が伝達されずに、軸受け外輪１０ｃから回転子２が発生する回転駆動の傾斜成分のみを抽出伝達されることとなる。
【００５２】
ここで、例えば、回転子２及び回転シャフト７と一体に設置された軸受け内輪固定部１０ｄによって、軸受け内輪１０ａを下側から支持して固定し、また、回転子側取付材８により、軸受け外輪１０ｃを上側から押さえ込むことで軸受け全体が載置されてもよく、回転シャフト７の傾斜のみを回転子側取付材８に伝達可能であれば構わない。
【００５３】
さらに、予圧伝達手段は、固定子１を、その発生する固有振動の節となるような振動の影響の少ない位置で、例えば固定子１を構成する圧電素子等の間に天部中央に積層重合して、固定子１を懸架支持した多自由度超音波モータαを所要位置に懸架可能なフレーム構造を成す固定子固定材１１を具備して、多自由動超音波モータαは、この固定子固定材１１を介して高トルクを必要とする所望の部位に適用可能に設置される。
【００５４】
また、ここで、回転子側取付材８の回転シャフト７から伝達された傾斜がそのまま固定子側取付材９に伝達可能な程度に弾性体４の弾性定数が十分大きなものを採用した場合に、この固定子側取付材９は、例えば、固定子固定材１１外底面中央に突設されたユニバーサルジョイント取付シャフト１３等を用いて、全方向に自由に回動自在なユニバーサルジョイント１２を介して中央凹陥部で固定子定在１１を自由回転自在に下支えし、途中、弾性体４を介して回転子側取付材８から伝達された回転シャフト７の傾斜動に、ユニバーサルジョイント１２を傾斜の回転中心として回転子側取付材８に相平行して追従傾斜動自在に形成するよう構成される。
【００５５】
即ち、ユニバーサルジョイント１２が接続された固定子側取付材９に設置されたカウンタウェイト５は、負荷重量物３の傾斜に相対向するものであるから、負荷重量物３が傾斜した際に起生する傾斜方向の負荷トルクと釣り合い相殺する反負荷トルクを発生することとなる。これにより、多自由度超音波モータαにおいて、回転子２に発生する、回転シャフト７の傾斜方向における回転抵抗が大幅に軽減されるものとなるとともに、カウンタウェイト５の運動を最小領域の空間にて行うことで、多自由度超音波モータαの運動を妨げないようにすることが可能となる。
【００５６】
さらに、固定子側取付材９は、弾性体４下端の取付端点として、ユニバーサルジョイント１２の回転中心の水平面Ａの同心円上外端縁部に固定子側弾性体取付端点１４を有して、同様に、弾性体４上端の取付端点として、回転子側取付材８において、回転子２の回転中心水面Ｂの同心円上外端縁部に回転子側弾性体取付端点１７を有すると好適である。
【００５７】
続いて、エンコーダは、回転シャフト７に中央を貫通固定されるとともに回転シャフト７と一体化した環板状のエンコーダ内輪６ａと、エンコーダ内輪６ａの外周に相対回転自在に囲繞配置されて回転子側取付材８に固定されて、回転シャフト７を介して回転子２の回転駆動から軸傾斜動のみが抽出伝達される環状のエンコーダ外輪６ｂと、を有する。
【００５８】
このように構成されたエンコーダのエンコーダ内輪６ａとエンコーダ外輪６ｂは、回転子２の回転駆動により発生する回転シャフト７の傾斜に連動して共に一体に傾斜をする一方、回転シャフト７を軸とする回転が伝達されるエンコーダ内輪６ａと、回転シャフト７の軸回転を空転吸収する回転子側取付材８に固定されたエンコーダ外輪６ｂとの相対的な回転角度の差から、回転シャフト７を通して回転子２の回転角度を計測可能に構築されて、多自由度超音波モータαの回転子２は、回転シャフト７を軸とする回転方向の回転について何ら制限無く可動することが可能なものである。
【００５９】
なお、本形態例は図１において、予圧発生手段４は２つの弾性体４を示すものであるが、後述する形態例２の図２又は図３に示すとおり、複数の弾性体４を有した弾性体４群からなるものでも当然構わず、回転子２の回転中心を中心として複数、等距離、等間隔に囲繞配置させてもよく、このとき、回転子側取付材８及び固定子側取付材９は、同じく回転子２の回転中心を中心とする放射羽根として複数配置されるものであっても構わない。
【００６０】
（形態例２）
次に、図２は本実施形態例に係る傾斜角度の測定手段を適用された多自由度超音波モータの底面図であり、固定子側取付端点９の外端縁部に接続された固定子側弾性体取付端点１４のみ透過させて示している。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に示した多自由超音波モータαと同一又は同等の構成要素につき同一の符号を当てるものとし、当該要素の詳細な説明については省略するものとする。
【００６１】
また、固定子側弾性体取付端点１４に一端が張架される弾性体４は、固定子側弾性体取付端点１４の配置と同様に、それぞれ弾性定数及び自然長が等しいものを、中立平衡時の回転子２の回転中心を通る中心軸の平面同心円Ｃ上に等間隔で複数囲繞張架されるものである。
【００６２】
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の自由度超音波モータαに、中立平衡時の回転子２の回転中心を通る軸に対して直交水平方向に外延する、例えば、それぞれ複数の放射羽根を形成されて、固定子側取付材９の各放射羽根の内、所定の放射羽根間に、固定子側扇形面板１６を介設した点のみが異なるものである。
【００６３】
ここで、固定子側扇形面板１６は、多自由度超音波モータα´下側の固定子側取付材９側に別途設置された光学式測距センサ１７ａ，１７ｂから発射された光線を反射して、回転子２が回転駆動により一体に負荷重量物３及び固定子側取付材９が傾斜した際には、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂの光線発射点１８ａ，１８ｂと、固定子側扇形面板１６上の反射点（図示せず）との間の距離の値は、中立平衡時との値とは差が生じるものであるから、回転子２の回転駆動により負荷重量物３に与える傾斜角度を計測することが可能なものである。
【００６４】
２台の光学式測距センサ１７ａ，１７ｂは、例えば、それぞれ鉛直方向に発射する光線の光線発射点１８ａ，１８ｂ相互の位置関係と、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂのそれぞれにて測定される固定子側扇形面板１６までの距離の値とから、負荷重量物３の傾斜角度を計算することが可能となる。
【００６５】
なお、光学式測距センサ１７ａ，１７ｂは２台以上設置されて、２方向以上の方向から測定しても構わず、また、固定子側扇形面板１６についても、適宜固定子側取付材９の各放射梁に複数架設された扇板に限らず、平面同心円Ｃに亙って架設された円板であっても構わない。このように設置された光学式測距センサ１７ａ，１７ｂ，・・・によれば、温度上昇や複数の放射羽根の各強度の微妙な違い、及び、複数備えた弾性体４により固定子側扇形面板１６のそれぞれ異なるたわみが発生した際にも対応して、より正確な測定を可能とする。
【００６６】
図３は、本実施形態例に係る傾斜角度の測定手段を適用された多自由度超音波モータの上面図であり、回転子側取付端点８の外端縁部に接続された固定子側弾性体取付端点１５のみ透過させて示すものであり、図２に示した自由度超音波モータα´の固定子側扇形面板１６に代えて、複数の放射羽根として形成された回転子側取付材８の各放射羽根の間に、回転子側扇形面板１９を介設した点のみが異なるものである。
【００６７】
この場合においても、同図に示すように、多自由度超音波モータα´上側の回転子側取付材８側に別途設置された光学式測距センサ１７ｃ，１７ｄから発射された光線を反射する回転子側扇形面板１９を具備して、光学式測距センサ１７ｃ，１７ｄの光線発射点１８ｃ，１８ｄと固定子側扇形面板１９上の反射点間の距離の値から、回転子２の回転駆動により負荷重量物３に与える傾斜角度を計測することが可能なものである。
【００６８】
なお、本形態例における固定子側扇形面板１６、回転子側扇形面板１９は、多自由度超音波モータα´において、それぞれ一方のみ具備されるものでも、または、その両方を具備するものであっても構わない。
【００６９】
以上、本発明の形態につき、本発明を圧電素子が積層されて固有振動を励振する固定子１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、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。
【００７０】
【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に支持される負荷重量物が傾斜した際に、カウンタウェイトが固定子の可動範囲を妨げずに負荷重量物と連動して相対向して傾斜することにより、予圧による回転子の可動範囲を縮小せずに、負荷トルクの起生を最小限に抑えることが可能となるとともに、カウンタウェイトが、負荷重量物の傾斜方向に追従して傾斜することで、この傾斜方向の負荷トルクを最大限補償して、回転子に与える回転抵抗を大幅に軽減することが可能となる。
【００７１】
また、固定子の上端面に回転子を圧接させる予圧力を発生させる際に、予圧発生手段、例えば、弾性体による圧接習性を弾性付勢するものであるから、外部から電力のような外部エネルギーを必要とせずに、高い予圧力を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る予圧装置が適用された多自由度超音波モータの側面断面図である。
【図２】同上した多自由度超音波モータの底面図である。
【図３】同上した多自由度超音波モータの上面図である。
【符号の説明】
α，α´…多自由度超音波モータ
１…固定子
２…回転子
３…負荷重量物
４…予圧発生手段（弾性体）
５…カウンタウェイト
６ａ…エンコーダ内輪
６ｂ…エンコーダ外輪
７…回転シャフト
８…回転子側取付材
９…固定子側取付材
１０ａ…軸受け内輪
１０ｂ…転動体
１０ｃ…軸受け外輪
１１…固定子固定材
１２…ユニバーサルジョイント
１３…ユニバーサルジョイント取付シャフト
１４…固定子側弾性体取付材
１５…回転子側弾性体取付材
１６…固定子側扇形面板
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…光学式測距センサ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…光線発射点
１９…回転子側扇形面板
Ａ…ユニバーサルジョイント回転中心水平面
Ｂ…回転子回転中心水平面
Ｃ…平面同心円
Claims (11)
- 位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成される多自由度超音波モータに付設して、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置であって、
前記回転子に立設されて前記負荷重量物を上端支持する回転シャフトと、
前記固定子の上端面と前記回転子とに常時圧接習性を付勢する前記予圧力を発生する予圧力発生手段と、
前記回転子の回転駆動から前記傾斜のみを分離抽出可能に前記回転シャフトに空転自在に取り付けられて、前記予圧発生手段の一端が外端縁部に張架される回転子側取付材と、
前記回転子及び前記固定子とを中に間在して、当該回転子側取付材に相対向して自由回転自在に対峙しかつ前記予圧発生手段の他端が外端縁部に張架される固定子側取付材と、
前記固定子を当該固定子の発生する前記固有振動の節となる位置で当該固定子を懸架支持する固定子固定材と、
前記固定子固定材を自由回転自在に支えつつ前記固定子固定材と前記固定子側取付材とを接続するユニバーサルジョイントと、
前記固定子側取付材の中央外底面かつ前記負荷重量物の重心と相対側位置に重量を設定自在に固定され、前記回転駆動に伴い前記負荷重量物が傾斜した際に当該傾斜方向に起生する負荷トルクを相殺する反負荷トルクを発生するカウンタウェイトと、を具備する、
ことを特徴とする予圧装置。 - 前記予圧装置は、
さらに、前記回転子の回転駆動による回転角度を計測するエンコーダと、
前記回転子側取付材と前記固定子側取付材のいずれか一方または両方に別途設置される光学式測距センサと前記光学式測距センサから発射された光線を反射する扇形面板を具備して、前記光学式測距センサの光線発射点と当該扇形面板上の反射点間の距離の値から前記回転子の回転駆動により前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する傾斜角度測定手段と、を具備する、
ことを特徴とする請求項１に記載の予圧装置。 - 前記回転子側取付材と前記固定子側取付材は、
中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る軸に対して直交水平方向に外延する放射羽根を形成する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の予圧装置。 - 前記回転子側取付材は、
前記回転子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に前記扇形面板を介設し、
前記扇形面板は、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、
前記傾斜角度測定手段は、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記回転子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記回転子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、
ことを特徴とする請求項３に記載の予圧装置。 - 前記固定子側取付材は、前記固定子側取付材の前記放射羽根の内、所定の当該放射羽根間に扇形面板を介設し、
前記扇形面板は、前記回転子側取付材に別途設置された前記光学式測距センサから発射された光線を反射して、
前記傾斜角度測定手段は、前記回転子の回転駆動により一体に前記負荷重量物及び前記固定子側取付材が傾斜した際の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離と、中立平衡時の前記光学式測距センサの光線発射点と前記固定子側扇形面板上の反射点との間の距離の差から前記負荷重量物に与える傾斜角度を計測する、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の予圧装置。 - 前記予圧発生手段は、
前記回転子側取付材と前記固定子側取付材とのそれぞれ相対応対向する外端縁部相互間に亙り、予め自然長以上に伸長された状態でその両端を止着張架することで、当該回転子側取付材と当該固定子側取付材とに常時圧接習性を弾性付勢し、前記固定子の上端面と前記回転子相互を圧接する方向に引張力を作用する弾性体である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の予圧装置。 - 前記弾性体は、
それぞれ、弾性定数及び自然長が等しいものが張架されて、
中立平衡時の前記回転子の回転中心を通る中心軸の平面同心円上に等間隔で複数囲繞配架される、
ことを特徴とする請求項６に記載の予圧装置。 - 前記回転子側取付材は、
前記回転シャフトを貫着する軸受け内輪と、
当該軸受け内輪に転動体群を介して取り付けられ、当該転動体群により、前記回転シャフトの回転動力が空転吸収されて、当該回転シャフトの傾斜のみを伝達される軸受け外輪と、を有して、
当該軸受け外輪に取付けられた前記回転子側取付材は、
当該軸受け外輪から前記回転シャフトの回転駆動の傾斜成分のみを抽出伝達される、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の予圧装置。 - 前記エンコーダは、
前記回転シャフトに中央を貫通固定され当該回転シャフトと一体化した環板状のエンコーダ内輪と、
当該エンコーダ内輪の外周に相対回転自在に囲繞配置されて前記回転子側取付材に固定され、前記回転シャフトを介して前記回転子の回転駆動から軸傾斜動のみが抽出伝達される環板状のエンコーダ外輪と、を有する、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の予圧装置。 - 前記エンコーダ内輪と前記エンコーダ外輪は、
前記回転子の回転駆動により発生する前記回転シャフトの傾斜に連動して共に一体に傾斜をする一方、前記回転シャフトを軸とする回転が伝達される前記エンコーダ内輪と、当該回転シャフトの軸回転を空転吸収する前記エンコーダ外輪と、の相対的な回転角度の差から、前記回転シャフトを通して前記回転子の回転角度を計測可能に形成される、
ことを特徴とする請求項９に記載の予圧装置。 - 位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、負荷重量物が保持されて前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子とで構成されて、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置が付設される多自由度超音波モータであって、
前記予圧装置は、
請求項１から１０のいずれかに記載の予圧装置である、
ことを特徴とする多自由度超音波モータ。
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