JP4327620B2 - 多自由度超音波モータ及び予圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、多自由度超音波モータ及び予圧装置に関し、詳しくは、球状の回転子と、固有の振動を励振する圧電振動子を有し、それぞれ予圧手段を介して一体組合されるとともに、当該予圧手段により前記回転子の球面に圧着外接されて、励振する振動に基づく任意の回転運動を前記回転子に付与する３つの固定子と、を具備した多自由度超音波モータ、及びその実施に直接使用される予圧装置に係わる。

近年、例えば、人間型ロボットの関節機構のような、高トルク、高自由度を必要とする部位におけるアクチュエータとして、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに替わり、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おり、特に、人間型ロボットの首の部分のように、一箇所で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の応用が期待されている。

ここで、従来の多自由度超音波モータは、振動方向が異なる複数の圧電振動子が積層されてなる固定子を、様々な方法により球形の回転子周りに圧着外接される方式が多く採用されており、多自由度超音波モータの固定子の圧電振動子に、周波数が等しく位相が異なる交流電圧を印加すると圧電振動子に固有振動が励振され、それらの固有振動モードの組み合わせによって、回転子を任意の方向に回転運動させていた。

このような多自由度超音波モータとして、円柱状の固定子を、縦横のたわみ方向振動用と、上下の伸縮振動用との２種の圧電振動子を積層させる複合振動子型の固定子を採用する技術として以下に示す非特許文献１が、また、３つ以上の進行波形超音波モータ固定子を水平面内に回転子を中心に点対称に配置する技術として以下に示す非特許文献２が知られている。

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，１９９８年，第１６巻，第８号，ｐ．１１１５〜１１２２ 遠山茂樹，張国強，杉谷滋，長谷川慎一，中村和人，宮谷保太朗，「超音波モータを用いたロボット用アクチュエータの開発−第２報 球面超音波モータの試作−」，日本ロボット学会誌，１９９５年，第１３巻，第２号，ｐ．２３５〜２４１

このような固定子に密着させた回転子を具備した多自由度超音波モータを駆動する場合には、多自由度超音波モータに対して適切な予圧を為すことにより、高い回転トルクを得ることが可能となった。特に、回転子の静止時においては、特別な駆動制御を行うことなく高静止トルクを得ることが可能である。

しかしながら、円柱状の固定子を利用する複合振動子型多自由度超音波モータを回転駆動する場合において回転方向制御のためには、固定子に利用されている圧電振動子のうち、１方向あたり２つの振動方向成分を利用しなければならず、また、それぞれ異なる振動方向を示す３種の圧電振動子を具備した固定子を持つ多自由度超音波モータの場合には、最大で２方向の回転方向の制御を行うのが限界であった。

そのため、人間の首のように、傾斜運動をさせながら横方向に回転させるような運動を、一つの多自由度超音波モータで実現するのは困難であった。さらに、固定子の縦振動とたわみ振動の共振振動数を完全に一致させることは難しいため、両方の振動を利用する縦回転の運動においては、回転速度が低いという問題があった。

また、３自由度の駆動制御を実現するにあたり、制御すべき回転方向を高速で切り替えるといった手法を採用した場合には、回転方向の切り替えの周波数として1kHzよりも低い値を選ぶ必要があった。そのため、回転方向の切り替えを行うと、この切り替えに起因して、回転方向の切り替え周波数と同じ周波数帯にある音、即ち、可聴域の騒音を固定子から発生してしまう。そのため、静粛性を特徴とする超音波モータの利点が生かされなくなってしまうという問題があった。

一方、３つ以上の進行波形超音波モータ用の固定子を利用する多自由度超音波モータでは、多自由度超音波モータの広い動作範囲を確保しつつ、回転子と固定子との間の十分な予圧力を発生可能な予圧手段を構成することが難しいという問題があり、また、回転子の回転中心を通る一平面内に固定子が付与する回転軸の全てが配置されるために、各固定子の回転方向の切り替えが必要であり、制御アルゴリズムが複雑になることを余儀なくされていた。

さらに、人間の首機構を模した人間型ロボット等を構築するにあたり、多自由度超音波モータの回転子の鉛直上方に負荷重量物を組構する必要が生じるが、この場合、負荷重量物が傾斜した場合に生じる傾斜方向の抵抗トルクを軽減するためのメカニズムが必要であり、３つ以上の進行波形超音波モータ用の固定子を採用した多自由度超音波モータについては、適用可能な手法は確立されていなかった。

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。

即ち、本発明の第１の目的は、固定子と３つの固定子とに適切な予圧力を与えて、高速かつ静粛性の高い３自由度回転位置駆動が可能な多自由度超音波モータ及び予圧装置を提供せんとするものである。

本発明の第２の目的は、超音波モータの回転子の鉛直上方に設置された負荷重量物が傾斜した際の負荷トルクを軽減することが可能な多自由度超音波モータ及び予圧装置を提供せんとするものである。

本発明の第３の目的は、従来と比較して、回転子の広い動作範囲を確保するとともに、３自由度制御に必要な制御アルゴリズムを大幅に簡略化することが可能な多自由度超音波モータ及び予圧装置を提供せんとするものである。

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、自ずと明らかになろう。

まず、本発明モータにおいては、回転子と、圧電振動子の励振する振動に基づく任意の回転運動を回転子に付与する３つの固定子と、を具備して、３つの固定子が、回転子の回転中心に対して点対称に配置されて、３つの固定子のそれぞれが付与する回転運動の回転軸が、回転子と当該固定子それぞれとの圧着外接面に対して垂直である、特徴的構成手段を講じる。

一方、本発明予圧装置においては、多自由度超音波モータに適用されて、各固定子の振動の節となる部位に圧電振動子と一体に積層固定して当該固定子を懸架する弾性体固定フランジと、当該弾性体固定フランジと対向して回転子を間隔を開けて跨り覆い、放射梁両先端にて当該弾性体固定フランジを臨む予圧伝達放射梁と、３つの当該固定子の外接振動端面に励振した振動を、当該回転子に回転運動として伝達可能に当該回転子外面に突立しかつ予圧伝達放射梁を空転自在に貫通したシャフトを介して当該回転子を押圧するよう、予圧伝達放射梁の各先端と弾性体固定フランジ間に亙り各固定子を中に挟んで両側に並行にそれぞれ張架して、回転軸の方向に引張弾性力を付勢する弾性体群とを具備する、特徴的構成手段を講じる。

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為される。

即ち、本発明モータの第１の特徴は、球状の回転子と、それぞれ予圧手段により前記回転子の球面に圧着外接されて、内有する圧電振動子により固有に励振する振動に基づく任意の回転運動を前記回転子に付与する３つの固定子と、を具備した多自由度超音波モータであって、前記３つの固定子は、前記回転子の回転中心に対して点対称に配置されて、前記３つの固定子のそれぞれが付与する回転運動の回転軸は、前記回転子と当該固定子それぞれとの圧着外接面に対して垂直である、多自由度超音波モータの構成採用にある。

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３つの固定子が、当該３つの固定子のそれぞれが付与する前記回転運動の前記回転軸が、三次元直交座標軸様に互いに直交するよう配置されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。

本発明モータの第３の特徴は、上記本発明モータの第１又は第２の特徴における前記多自由度超音波モータが、前記回転子に基端を固着しかつ先端に負荷重量物を固着したシャフトを具備して、当該シャフトを鉛直真上向きとしたときに、前記３つの固定子が、前記回転子と前記固定子とが接触する前記圧着外接面のすべてが前記回転子の下半球面に位置するようにそれぞれ配置されてなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。

本発明モータの第４の特徴は、上記本発明モータの第１、第２又は第３の特徴における前記固定子が、それぞれ所定の交流電圧が印加された際に互いに直交して互いに９０度の位相差を持つたわみ振動を励振する、２種の前記圧電振動子を積層具備してなる、多自由度超音波モータの構成採用にある。

一方、本発明予圧装置の第１の特徴は、球状の回転子と、固有の振動を任意に励振する圧電振動子をそれぞれ有して励振する振動に基づく任意の回転運動を前記回転子に付与する３つの固定子とを具備して、前記回転運動の回転軸が当該回転子と当該固定子それぞれとの圧着外接面に対して垂直である多自由度超音波モータに適用される、前記回転子に当該３つの固定子を圧着外接するための予圧力を発生する予圧装置であって、前記各固定子の振動の節となる部位に前記圧電振動子と一体に積層固定して当該固定子を懸架する弾性体固定フランジと、当該弾性体固定フランジと対向して前記回転子を間隔を開けて跨り覆い、放射梁両先端にて当該弾性体固定フランジを臨む予圧伝達放射梁と、３つの当該固定子の外接振動端面に励振した振動を、当該回転子に回転運動として伝達可能に当該回転子外面に突立しかつ前記予圧伝達放射梁を空転自在に貫通したシャフトを介して当該回転子を押圧するよう、前記予圧伝達放射梁の各先端と前記弾性体固定フランジ間に亙り前記各固定子を中に挟んで両側に並行にそれぞれ張架して、前記回転軸の方向に引張弾性力を付勢する弾性体群とを具備してなる、予圧装置の構成採用にある。

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弾性体が、前記３つの固定子それぞれの振動により生じる前記回転軸に対して線対称となる位置に、それぞれの前記固定子毎に、２本ずつ配置されてなる、予圧装置の構成採用にある。

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予圧伝達放射梁が、前記回転子に基端を固着された前記シャフトを空転可能に貫通把持する、当該シャフトと一体に回転可能なベアリング内輪と、当該ベアリング内輪に転動体を介して空転するとともに当該予圧伝達放射梁集結ボス部に貫着されたベアリング外輪とを有するベアリングを具備してなる、予圧装置の構成採用にある。

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ベアリングが、前記ベアリング内輪と前記ベアリング外輪との相対角度を測定することにより、前記回転子の前記シャフト基端との垂直面における回転角度を測定するエンコーダを具備してなる、予圧装置の構成採用にある。

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１、第２、第３又は第４の特徴における前記予圧装置が、前記予圧伝達放射梁に、前記回転子の回転運動による傾斜がない初期状態において、前記多自由度超音波モータの設置面と平行であり、かつ、前記回転子の回転中心を通る位置に光線反射板を具備し、別途、当該光線反射板に対して前記設置面側の所定の固定点から前記法線方向に光線を発射し、当該光線の前記光線反射板からの反射光線に基づき前記光線反射板の変位を測定する光学式測距センサを配置しておき、当該光学式測距センサの測定値に基づき、前記回転子の傾斜角度を計測する機能手段を具備してなる、予圧装置の構成採用にある。

本発明によれば、回転子に対して回転子と固定子との圧着外接面に垂直な軸周りの回転を与える３つの固定子を配置することにより、１つの固定子を採用した多自由度超音波モータと比較して回転運動の高速化が可能となるとともに、一固定子における回転方向の切り替えを必要としないことから固定子に可聴域の回転方向切り替え周波数を発することなく静穏化が可能となる。

また、３つの固定子を点対称に配置することにより、３自由度の回転位置制御の制御アルゴリズムを大幅に簡略化することが可能となり、これら３つの固定子と回転子との圧着外接面を、回転子に立設された負荷重量物を支えるシャフトに対して下半球面上とすることにより、回転子の動作範囲を十分確保することが可能となる。

さらに、回転軸の方向に引張弾性力を発揮する弾性体を回転軸の正射影がなすそれぞれの面上に配置することにより、本発明モータの回転子と３つの固定子に対して適切な予圧力を与えて、回転子に確実な高トルクを生じさせることが可能となり、この弾性体の一端を放射梁先端に取付ける予圧伝達放射梁に設置した光線反射板の変位を測定可能とすることで、三次元の回転角度計測を可能とする予圧手段の小型化が期待できる。

以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、説明する。

まず、図１は、本発明の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上面図である。

同図に示すように、本実施形態例に係る多自由度超音波モータαは、球状の回転子１と、それぞれ予圧手段として、例えば、本例予圧装置βを介して接続されるとともに、予圧装置βにより回転子１の球面に圧着外接されて、励振する振動に基づく任意の回転運動を回転子１に付与する３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃと、を具備する。

ここで、３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃは、回転子１の回転中心Ｏに対して点対称に配置されて、３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれが回転子１に付与する回転運動の回転軸ｘ，ｙ，ｚは、回転子１と固定子２ａ，２ｂ，２ｃそれぞれとの圧着外接面Ａ，Ｂ，Ｃに対して垂直となるように配置されており、このとき、回転中心Ｏを原点とする回転軸ｘ，ｙ，ｚは、例えば、三次元直交座標軸様に互いに直交するようにするとよいが、必ずしも直交座標系に限定されるものではなく、回転中心Ｏを中心として点対称に配置される固定子２ａ，２ｂ，２ｃの各回転軸ｘ，ｙ，ｚは、それぞれ互いに鋭角あるいは鈍角であっても構わない。

この固定子２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ回転子１に対して圧着外接面Ａ，Ｂ，Ｃを介した摩擦駆動によりそれぞれ所定の回転運動を伝達するものの、固定子２ａ，２ｂ，２ｃのうちの１又は２の固定子の、例えば、固定子２ａの振動のみにより回転運動を伝達するときには、回転運動を伝達しない固定子２ｂ，２ｃに、回転子１に摩擦駆動を為さない範囲の所定の振動を常に励振させることにより、固定子２ｂ，２ｃから回転子１への摩擦力による負荷の発生を抑制することが可能となる。

また、多自由度超音波モータαは、回転子１に、負荷重量物４を頂端に頭着立設されたシャフト３を具備した場合に、シャフト３と回転子１の立設点を鉛直真上向きとしたときに、３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃは、回転子１と固定子２ａ，２ｂ，２ｃとの圧着外接面Ａ，Ｂ，Ｃのすべてが、回転子１の下半球面に位置するようにそれぞれ配置されるとよい。

一方、多自由度超音波モータαに適用される、回転子１と３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃとを圧着外接するための予圧力を発生する予圧装置βは、多自由度超音波モータαの設置面Ｇに対する回転軸ｘ，ｙ，ｚをそれぞれ含む各垂直面上にそれぞれ配置されて、回転軸ｘ，ｙ，ｚの方向に引張弾性力を発揮する弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６を具備する。

また、予圧装置βは、３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転子１と接する面である外接振動端面Ａ，Ｂ，Ｃ上に励振した振動を、回転子１と外接振動端面Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれとの摩擦を介して回転子１に伝達可能に回転子１を常時押圧付勢する一方、弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６の一端を各放射梁先端に取付ける予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃと、例えば、固定子２ａ，２ｂ，２ｃの固有振動の節となる部位等の振動の影響の少ない部位にかつ回転軸ｘ，ｙ，ｚにそれぞれ垂直にそれぞれ積層固定して固定子２ａ，２ｂ，２ｃを懸架するとともに、弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６の他端が取付けられ、かつ一端を取付けられた対向する予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃの各放射梁先端間とに亙り弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６を張架する弾性体固定フランジ７ａ，７ｂ，７ｃとを具備する。

ここで、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃは、例えば、シャフト３を中心に多自由度超音波モータαの設置面Ｇに対して集結ボス部６ｅが平行に点対称な６方向の側面略つ字状の偏寄型放射梁としてその各梁６ａ，６ｂ，６ｃ先端を各固定子２ａ，２ｂ，２ｃの上方に対応して回転子１を間隔を開けて跨り覆うよう伸ばし、即ち、それぞれの梁６ａ，６ｂ，６ｃの放射の向きは、各固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転軸ｘ，ｙ，ｚを設置面Ｇに正射影した直線に平行となるよう配置されるとよい。

なお、多自由度超音波モータαは、例えば、弾性体固定フランジ７ａ，７ｂ，７ｃの一周端を、設置面Ｇ等の任意の多自由度超音波モータαの設置箇所に設置したフランジ固定環盤７上に等間隔に回転中心Ｏに集中して斜め上向開花状に向き合い傾着構架し、フランジ固定環盤７は、本実施形態例では円筒形状にて説明するものの、弾性体固定フランジ７ａ，７ｂ，７ｃを一体固定するとともに任意の設置面Ｇに対して多自由度超音波モータαを設置可能とするものであれば、設置箇所に適した任意の形状であって構わない。

次に、図２は、図１に示した各固定子を説明するための図であり、回転軸ｚ，ｘがなすｚｘ平面上の多自由度超音波モータαの配置を示している。

同図に示すように、固定子２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ所定の交流電圧が印加された際に固有の振動を励振する、例えば、三次元直交座標軸様に互いに直交する方向にたわみ振動を付与する圧電振動子２１，２２の２種を有して、この圧電振動子２１，２２の機械的振動の位相差が９０度になるように設定されて振動させた場合、固定子２ａ，２ｂ，２ｃは圧着外接面Ａ，Ｂ，Ｃを介して、回転子１に、回転中心Ｏを原点とした回転軸ｘ，ｙ，ｚを軸とする回転運動を付与することができる。

また、回転子１に付与する回転運動の速度は、例えば、圧電振動子２１，２２に印加された交流電圧の振幅、位相差、周波数を調整することで行うことが可能であり、このような圧電振動子２１，２２を採用することにより、従来の複合振動子型の多自由度超音波モータに比して、高い回転速度を得ることが可能となる。

よって、多自由度超音波モータαの固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転軸ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ互いに直交しており、各固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転速度を独立に制御することで、容易に３自由度の回転運動を制御することが可能である。なお、回転子１と固定子２ａ，２ｂ，２ｃとの圧着外接面Ａ，Ｂ，Ｃのすべてが、回転子１のシャフト３と対極となる下半球となるように、固定子２ａ，２ｂ，２ｃが配置されることにより、回転子１の動作範囲を十分広く確保することが可能になる。

続いて、図３は、本発明の実施形態例に係る多自由度超音波モータの一固定子に適応された予圧装置の一部断面にて示した部分側面図であり、図１に示した固定子２ａを含む側面図を示しており、一部断面にて示すとともに模式的に示す。なお、固定子２ｂ，２ｃについても、固定子２ａと同様に構成するものとする。

同図に示すように、予圧装置βの弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６は、各固定子２ａ，２ｂ，２ｃ上方に対応して回転子１を間隔を開けて跨り覆うそれぞれ予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃの放射梁両端を、固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転軸ｘ，ｙ，ｚに対して垂直で、かつ、回転中心Ｏを通る面上にそれぞれ臨ませて、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃと対向する弾性体固定フランジ７ａ，７ｂ，７ｃ間に亙り張架される。

例えば、弾性体５１，５２は、予圧伝達放射梁６ａの面Ｄ上に臨む放射梁両先端と、他端を、面Ｄと平行に対向する弾性体固定フランジ７ａに固定されることにより、多自由度超音波モータαに対して張架されて、回転子１と固定子２ａとの間に予圧力を発生させる。

なお、本実施形態例においては、弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６が、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃの各先端と同一面Ｄ上にて固定されるトルクの伝達に最適な例を説明するものの、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃは、例えば、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃと弾性体５２，５４，５６との固定点を、弾性体５１，５３，５５との固定点よりも高くする等の弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６との固定点の高さを所要の高さに調整することにより、所要の弾性定数と自然長を持つ弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６に任意に対応することが可能となる。

このとき、この弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６は、３つの固定子２ａ，２ｂ，２ｃそれぞれの振動により生じる回転軸ｘ，ｙ，ｚに対して線対称となる位置に、それぞれの固定子２ａ，２ｂ，２ｃ毎、中に挟んで２本ずつ並行配置されて、この２本の弾性体５１と５２，５３と５４，５５と５６の組は、それぞれ各固定子２ａ，２ｂ，２ｃの回転軸ｘ，ｙ，ｚに対しても平行になるよう配置される。

これにより、弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６は、回転子１と固定子２ａ，２ｂ，２ｃとの間に圧着習性を付勢する引っ張り力による予圧力を発生し、この予圧力により、回転子１と固定子２ａ，２ｂ，２ｃを、回転軸方向以外の他の方向の力を作用させずに適切に圧着させることができ、そのため、回転子１を安定に回転運動させることが可能となり、また、横方向回転における摩擦抵抗を最小限に抑えることが可能である。

また、回転子１の傾斜運動は、すべて予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃにシャフト３及びベアリング８を介して伝達され、それに伴い、各弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６の伸び量に差が生じることとなる。そのため、弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６にはこの傾斜運動による傾きを元に戻す方向のトルクが発生し、発生したトルクは、例えば、負荷重量物４がシャフト３と一体化させているので、この負荷重量物４が傾斜により発生した負荷トルクと逆方向に作用する。

したがって、採用する弾性体５１，５２，５３，５４，５５，５６の弾性体定数を所要の値に調整することにより、負荷重量物４の傾斜により多自由度超音波モータαに発生する負荷トルクは大幅に軽減することができる。

さらに、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃは、回転子１に立設されたシャフト３を回動可能に把持する、シャフト３と一体に回転可能にこのシャフト３を貫通に固定したベアリング内輪８ａと、このベアリング内輪８ａに転動体８ｂを介して空転する予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃ集結ボス部６ｅに貫着固定されたベアリング外輪８ｃとを有して構成されたベアリング８を具備するとよい。

ベアリング８は、例えば、ベアリング内輪８ａをシャフト３と一体固定するベアリング内輪固定材８１と、ベアリング外輪８ｃを予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃと一体固定するベアリング外輪固定材８２とでそれぞれ別個に固定されることで、転動体８ｂを介して空転するように構成されて、ベアリング内輪８ａとベアリング外輪８ｃとでそれぞれ横方向回転を伝達しないことで、それぞれの横方向回転に追従しないよう構成される。

さらに、このベアリング８は、このベアリング内輪８ａとベアリング外輪８ｃとの相対角度を測定することにより回転子１と一体のシャフト３外周側面との垂直面における回転角度を測定するエンコーダ９を具備するとよく、例えば、本実施形態例におけるベアリング外輪８ｃは、回転子１の横方向回転には追従しないことから、エンコーダ９で測定された角度は、回転子１の横方向の回転角度とすることが可能である。

また、同図では固定子２ａを中心に説明するために、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃのうち予圧伝達放射梁６ａ部のみ示すものの、ベアリング８を搭載した予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃは、それぞれ、集結ボス部６ｅで一つのベアリング８を共有してベアリング８とともにシャフト３を中心にて図１に示した放射上の所定の方向に一体形成される。

加えて、予圧装置βは、回転子１の回転運動による傾斜がない初期状態において、多自由度超音波モータαの設置面Ｇと平行かつ回転子１の回転中心Ｏを通る面Ｅ上の、予圧伝達放射梁６ａ，６ｂ，６ｃに、光線反射板１０を具備し、別途、光線反射板１０に対して設置面Ｇ側の所定の固定点から法線方向に光線Ｌ１を発射し、この光線Ｌ１の光線反射板１０からの反射光線Ｌ２に基づき光線反射板１０の変位を測定する光学式測距センサ１１を配置しておくとよい。

ここで、この光学式測距センサ１１からの測定値を入力して、この測定値に基づき、回転子１の傾斜角度を計測する、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリを搭載してコンピュータの基本的機能を有したＰＣ（Personal
Computer）等の機能手段（図示せず）を具備するようにしても構わず、また、異なる２固定点に設置された２台の光学式測距センサ１１の測定値を用いることで、２自由度の傾斜角度の計測が可能となる。

したがって、このＰＣに、エンコーダ９の計測による横方向の回転角度の計測値と、２台の光学式測距センサ１１の測定値による２自由度の傾斜角度の計測値とを入力させた場合、ＰＣによる多自由度超音波モータαの３自由度回転位置制御に必要な角度の計測が可能となる。

以上、本発明の実施形態につき、その実施形態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、前述の効果を有する範囲内において、随時、変更実施することが可能なものである。

例えば、本実施形態例において、固定子２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれに２本ずつ張架された予圧装置βの弾性体５１と５２，５３と５４，５５と５６の組の一方の弾性体について、予めそれぞれ所要量の伸び量を持たせて構成することにより、設置面Ｇが斜面である場合や、設置面Ｇに対して傾斜を持たせて負荷重量物４を軸支する場合にも多自由度超音波モータαに適切な予圧力を与えることができ、多自由度超音波モータαを駆動することが可能となる。

本発明の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上面図である。 同上した各固定子を説明するための図である。 同上した多自由度超音波モータの一固定子に適応された予圧装置の一部断面にて示した部分側面図である。

符号の説明

α…多自由度超音波モータ
β…予圧装置
１…回転子
２ａ，２ｂ，２ｃ…固定子
２１，２２…圧電振動子
３…シャフト
４…負荷重量物
５１，５２，５３，５４，５５，５６…弾性体
６ａ，６ｂ，６ｃ…予圧伝達放射梁
６ｅ…集結ボス部
７…フランジ固定環盤
７ａ，７ｂ，７ｃ…弾性体固定フランジ
８…ベアリング
８ａ…ベアリング内輪
８ｂ…転動体
８ｃ…ベアリング外輪
８１…ベアリング内輪固定材
８２…ベアリング外輪固定材
９…エンコーダ
１０…光線反射板
１１…光学式測距センサ
Ａ，Ｂ，Ｃ…圧着外接面（外接振動端面）
Ｄ…固定子２ａの回転軸ｘに垂直かつ回転子１の回転中心Ｏを通る面
Ｅ…設置面Ｇと平行かつ回転子１の回転中心Ｏを通る面
Ｇ…設置面
Ｌ１…光線
Ｌ２…反射光線
ｘ，ｙ，ｚ…回転軸
Ｏ…回転子１の回転中心（回転軸ｘ，ｙ，ｚの原点）

Claims (5)

1. 球状の回転子と、固有の振動を任意に励振する圧電振動子をそれぞれ有して励振する振動に基づく任意の回転運動を前記回転子に付与する３つの固定子とを具備して、前記回転運動の回転軸が当該回転子と当該固定子それぞれとの圧着外接面に対して垂直である多自由度超音波モータに適用される、前記回転子に当該３つの固定子を圧着外接するための予圧力を発生する予圧装置であって、
   前記各固定子の振動の節となる部位に前記圧電振動子と一体に積層固定して当該固定子を懸架する弾性体固定フランジと、
   当該弾性体固定フランジと対向して前記回転子を間隔を開けて跨り覆い、放射梁両先端にて当該弾性体固定フランジを臨む予圧伝達放射梁と、
   ３つの当該固定子の外接振動端面に励振した振動を、当該回転子に回転運動として伝達可能に当該回転子外面に突立しかつ前記予圧伝達放射梁を空転自在に貫通したシャフトを介して当該回転子を押圧するよう、前記予圧伝達放射梁の各先端と前記弾性体固定フランジ間に亙り前記各固定子を中に挟んで両側に並行にそれぞれ張架して、前記回転軸の方向に引張弾性力を付勢する弾性体群とを具備する、
   ことを特徴とする予圧装置。
2. 前記弾性体は、
   前記３つの固定子それぞれの振動により生じる前記回転軸に対して線対称となる位置に、それぞれの前記固定子毎に、２本ずつ配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の予圧装置。
3. 前記予圧伝達放射梁は、
   前記回転子に基端を固着された前記シャフトを空転可能に貫通把持する、当該シャフトと一体に回転可能なベアリング内輪と、当該ベアリング内輪に転動体を介して外転するとともに当該予圧伝達放射梁集結ボス部に貫着されたベアリング外輪とを有するベアリングを具備する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の予圧装置。
4. 前記ベアリングは、
   前記ベアリング内輪と前記ベアリング外輪との相対角度を測定することにより、前記回転子の前記シャフト基端との垂直面における回転角度を測定するエンコーダを具備する、 ことを特徴とする請求項３に記載の予圧装置。
5. 前記予圧装置は、
   前記予圧伝達放射梁に、前記回転子の回転運動による傾斜がない初期状態において、前記多自由度超音波モータの設置面と平行であり、かつ、前記回転子の回転中心を通る位置に光線反射板を具備し、
   別途、当該光線反射板に対して前記設置面側の所定の固定点から前記法線方向に光線を発射し、当該光線の前記光線反射板からの反射光線に基づき前記光線反射板の変位を測定する光学式測距センサを配置しておき、
   当該光学式測距センサの測定値に基づき、前記回転子の傾斜角度を計測する機能手段を具備する、
   ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の予圧装置。

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