JP4490232B2 - 多自由度駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、多自由度超音波モータによる駆動機構に関し、詳しくは、振動方向の異なる複数の圧電対を積層した円柱形状の固定子と、当該固定子に密着し傾斜及び横方向に回転駆動する回転子と、当該回転子と直結した伸縮自在のスライダ機構が備えられた回転子シャフトとを具備する、多自由度超音波モータを複数台配置した、三自由度回転が可能となる、多自由度駆動機構に係わる。

近年、例えば、人間型ロボットの関節機構のような、高トルク及び高自由度を要求されるような部位における駆動機構として、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに代り、省スペース、高トルクで静音性の高い、特に、人間型ロボットの首部分のように、一箇所で三自由度の姿勢を変えることが必要な部位への多自由度超音波モータの応用が期待され、例えば、非特許文献１に開示された多自由度超音波モータの適用が知られている。

前野隆司、竹村研治郎「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１１６巻，第８号，ｐ．１１１５−１１２２．

こ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素子を積層した固定子と、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圧を印加すると、固有振動が励振されて、それらの固有振動の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。現状では、３つの圧電素子をそれぞれ縦横のたわみ方向、上下の伸縮振動に割り振った構成のものが研究されている。

このように、多自由度超音波モータに対して、固定子と回転子を強い力で圧着させるように適切な予圧がなされれば、高い回転トルクを得ることが可能となる。

予圧の方法については、非特許文献１に示すような、回転子及び固定子の外部に予圧機構が占める空間を必要としない永久磁石を使用する方法を利用すれば、高い回転トルクを得ることが可能となる。

しかしながら、このような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、一方向あたりの回転方向制御のためには、固定子に利用されている圧電素子のうち、二振動方向分のものを利用しなければならず、三方向の振動用の圧電素子を装備した固定子をもつ多自由度超音波モータの場合には、最大ニ方向の回転方向制御を同時に行うのが限界である。そのため、人間の首動作のように、首を傾斜運動させながら横方向に回転させるといった運動を、一つの多自由度超音波モータで実現するためには、非特許文献２に示すような回転方向の切り換え制御等を行う必要があった。

H.Kawano, T.Hirahara, "Three-DOF Angular Positioning Control using a Multi-DOF Ultrasonic Motor in the Pre-loaded Condition - Application to the Auditory Tele-Existence Robot "TeleHead" -", Proc. of 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.2247-2253, October 2003.

しかし、その場合には、回転方向切り替え周波数と同じ周波数帯にある音が固定子より発生し、可聴域の騒音を発生してしまい、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る。

また、複合振動子型多自由度超音波モータは、本来共振周波数の異なる縦振動とたわみ振動を併用するものである。そのため、固定子の形状設計においては、それらの二つの方向の共振周波数が一致するような設計を行うが、実際の振動子の製作においては、材料の工作精度や、圧電素子の性能のばらつき、ボルト締め時の締結トルク量の誤差などの要素によって、共振周波数は変化するため、製作の最終工程にて高精度な調節をすることが必要である。

さらに、そのような調整を行っても、本来共振周波数の異なる縦振動とたわみ振動の共振周波数を完全に一致させることはできない。

そのため、複合振動子型多自由度超音波モータにおいては、縦振動と、たわみ振動の両方を利用する傾斜方向の回転運動時に、両者の方向の振動を同時に共振させることが難しいため、結果として、モータの横回転に比べて傾斜方向の回転時トルク対回転速度の性能が大幅に下がってしまうという問題点がある。

さらに、複合振動子超音波モータのパワーは、固定子の断面積によって決定されるが、あまりに固定子のサイズを大きくすると固定子の共振周波数が可聴域に入ってしまい、大きな騒音を発してしまうので、原理的に大出力の多自由度超音波モータを作ることは難しかった。

ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。

即ち、本発明の第１の目的は、超音波モータを複数配置し、それらの力を合わせることで高出力な回転運動が可能な多自由度駆動機構を提供せんとするものである。

本発明第２の目的は、回転子に連結した回転子シャフトにより、回転自在に傾斜運動を行うことが可能な多自由度駆動機構を提供せんとするものである。

本発明第３の目的は、水平面上に配置された複数の超音波モータの中心に横回転を行う超音波モータをさらに装備し、傾斜運動及び横方向の回転運動時の性能の差を微少にする、三自由度を持つ多自由度駆動機構を提供せんとするものである。

本発明第４の目的は、回転方向の切り替え制御等を行わずに、高静粛性を可能とする多自由度駆動機構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、本発明多自由度駆動機構においては、傾斜方向への回転が可能となるように多自由度超音波モータの固定子と回転子とを圧着したものを同一円上等間隔に複数台配置し、それぞれの回転子の頂端に直結した回転子シャフトと、それらの回転子シャフトに取り付けられた伸縮自在のスライド機構を具備することにより、多自由度モータが回転自在に一体的に傾き、その傾きに応じて前記各回転子シャフトの長さを調節し、多自由度モータ群が傾斜方向及び横方向に一勢に回転するよう構成する、という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かか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、本発明方法の第１の特徴は、振動数の等しい位相の異なる交流電圧を印加すると振動数の等しい機械振動を励振する複数の圧電体によって構成される固定子と、固定子に発生する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を複数台水平面上に並立配置し、それぞれの多自由度超音波モータの回転子頂端に回転子シャフト下端を主設し、それらのシャフト上端が一つのシャフト固定材に回転角度可変自在に接続されてなる、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第２の特徴は、上記本発明の第１の特徴における前記多自由度駆動機構において、前記シャフト固定材の各先端に固着したユニバーサルボールジョイントのボールを対応する前記各回転子シャフトの上端に固着してなる、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第３の特徴は、上記本発明の第１又は２の特徴における、前記多自由度駆動機構において、前記全多自由度超音波モータの前記全固定子中間に亙り、前記同一水平面を形成する一枚の固定子固定材を各介層固定してなる、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第４の特徴は、上記本発明の第１、２又は３の特徴における、前記多自由度駆動機構において、前記各多自由度超音波モータの前記回転子シャフトに伸縮自在なスライダ機構が備えられており、かつ、前記シャフト固定材の中央部に、その向きが当該シャフト固定材に対して垂直な回転軸シャフトが固定されており、その回転軸シャフトの下端に前記同一円内前記固定子固定材上に配置したユニバーサルボールジョイントのボールが固定されている、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第５の特徴は、上記本発明の第２、３又は４の特徴における、前記多自由度駆動機構において、前記ユニバーサルボールジョイントのボールの中心部が、前記全多自由度超音波モータの前記全回転子の中心が含まれる平面内にある、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第６の特徴は、上記本発明の第１又は２の特徴における、前記多自由度駆動機構において、前記各多自由度超音波モータの前記回転子シャフトに伸縮自在な前記スライダ機構が備えられており、かつ、前記シャフト固定材の中央部に、その向きが当該シャフト固定材に対して垂直な回転軸シャフトが、回転自在なベアリングに貫着されており、そのシャフトの下端に横回転用多自由度超音波モータ回転子が固定されており、その回転子に回転を与える固定子が、複数囲繞配置された多自由度超音波モータの対象中央に配置されている、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第７の特徴は、上記本発明の第１又は６の特徴における、前記多自由度駆動機構が、前記全固定子中間に亙り、前記同一水平面を形成する一枚の固定子固定材を各介層固定してなる、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明方法の第８の特徴は、上記本発明の第６又は７の特徴における、前記多自由度駆動機構が、中央に配置された横回転用多自由度超音波モータの前記回転子の中心位置が、他の前記全多自由度超音波モータの前記全回転子の中心が含まれる平面内にある、多自由度駆動機構の構成採用にある。

本発明によれば、多自由度超音波モータを複数配置することに加え、超音波モータの固定子上に回転自在に載接した回転子頂端に立設し、かつスライダ機構を備えた回転子シャフト上端を、ユニバーサルボールジョイントを介してシャフト固定材にて一体連結することにより、傾斜方向及び横方向への回転が可能となる。

また、異方向に回転する超音波モータの組み合わせにより、傾斜方向、横方向の三自由度方向の回転が可能となり、また、複数台の超音波モータが傾斜方向、横方向それぞれに対応した制御を行うため、制御方向の切り替えを行う必要がなくなり、切り替え制御の際に生じる騒音を防ぐことも可能となる。

さらに、複数の超音波モータを利用した傾斜回転運動の駆動により、固定子の面積を倍増しなくとも高い出力を得ることが可能となり、高出力での三自由度回転の静粛化及び、省スペース化などの優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態につき、添付の図面を参照しつつ、その第１乃至第２実施形態例を順に挙げて説明する。

（第１実施形態例）
図１は、本実施形態例における２つの多自由度超音波モータαからなる多自由度駆動機構γ１の要部構成を示す断面図であり、一方、図２は本実施形態例における多自由度超音波モータαの水平面内配置例を示したものであり、（ａ）はモータ３台、（ｂ）はモータ４台、（ｃ）はモータ６台設置時における配置位置を示すものであり、（ｂ）のモータ４台配置時における、切断線Ｉ−Ｉ’部分の一部切断面を図１の断面図に示したものである。

図１に示すように、本実施形態例に係る多自由度駆動機構γ１は、円柱形状をなし、位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の数に等しい複数の固有振動を励振する複数の圧電体１１ａと非圧電体１１ｂを交互に積層する固定子１１と、固定子１１の上端に陥設した凹湾受座面１１ｃ上に嵌接する球状の回転子１２の組み合わせからなる、多自由度超音波モータαを複数個同一円上等間隔に並立搭載して構成され、複数個の固定子１１中間に一体介層固定する固定子固定材６と、それぞれの固定子１１に圧着した回転子１２の頂端に下端を立設して回転駆動を伝達する回転子シャフト１３と、回転子シャフト１３を伸縮自在に調節するスライダ機構１４とを具備することにより、回転子１２への回転および傾斜方向への拘束がない多自由度駆動機構として構築される。

また、スライダ機構１４を通じて回転子シャフト１４上端はユニバーサルボールジョイント１５のボール１６に直結され、ユニバーサルボールジョイント１５は、シャフト固定材５の平面放射状各先端に固定される。

ここで、多自由度超音波モータαが囲繞する同一円内の固定子固定材６上に、ユニバーサルボールジョイント２１を配置し、ボール２２の頭頂部に対し、固定子固定材６に垂直に主設された回転軸シャフト２３の下端を連結することにより、ユニバーサルボールジョイント２１を多自由度駆動機構γ１の回転中心とする。

すなわち、回転子シャフト１３に連結した伸縮自在のスライダ機構１４は、シャフト固定材５の運動が、ユニバーサルボールジョイント２１を回転中心とする傾斜運動になるように、それぞれの回転子シャフト１３の長さを調節し、以上の構成によりシャフト固定材５に負荷を一体接続することによって、ユニバーサルボールジョイント２１を中心とした傾斜回転運動を負荷に対して与えることが可能となる。

ここにおいて、多自由度超音波モータαの固定子１１の中心線が平面正多角形をなすように配置された場合、その正多角形の中心にユニバーサルボールジョイント２１を配置するのが望ましく、また、多自由度駆動機構γ１に属する回転子１２の高さを同一とし、ユニバーサルボールジョイント２１のボール２２の頂点の高さに一致させるとよい。

また、その水平面内配置は、同一水平面を形成する一枚の固定子固定材６上に描かれる多角形が、正多角形でなくても構わない。

なお、本発明で利用している多自由度超音波モータαの固定子１１は、振動方向が異なる複数の圧電素子１１ａが所定間隔で積載されボルト締めで固定されたものであり、これらの圧電素子１１ａに、周波数が等しく位相の異なる交流電圧を印加すると圧電素子１１ａ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１２が任意の方向に回転する。

例えば、３つの圧電素子１１ａをそれぞれ縦横のたわみ方向、上下の伸縮振動に割り振ればよく、傾斜回転時には、縦振動とたわみ振動用の圧電素子１１ａをひとつづつ選択し、９０度位相をずらして振動させ、横方向回転時には、ふたつのたわみ振動用の圧電素子を９０度位相をずらして振動させる。

また、図２に示すとおり、使用する多自由度超音波モータαの個数は限定されず、使用する多自由度超音波モータαの個数によって、本多自由度駆動機構γ１の重量及びトルクが増すが、トルク対体積の比率に変化はない。

本実施形態例においては、複数の多自由度超音波モータαを利用して傾斜回転運動を駆動しているので、単体で傾斜回転運動を駆動する場合に比べて高い出力を得ることができる。これは、単体の出力が物理的に限られている超音波モータの高出力化を実現する上で重要である。なお、シャフト固定材５上面に単軸の回転アクチュエータを装備すれば、本実施形態例では三自由度の回転が可能な駆動機構になる。

（第２実施形態例）
続いて、図３は、本実施形態例における２つの多自由度超音波モータαからなる多自由度駆動機構γ２の要部構成を示す断面図であり、第１実施形態例に係るユニバーサルボールジョイント２１の位置に、多自由度超音波モータαと同様の構成を備える横回転多自由度超音波モータβを採用したものであり、図１に示したもの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。また、図４は、固定子を省略した本実施形態例の変態例を示す多自由度駆動機構γ２の構成図であり、シャフト固定材５のの構成の詳細を示したものである。

図３に示すように、本実施形態例に係る多自由度駆動機構γ２は、円柱形状の固定子１１と、固定子１１に載接する球状の回転子１２の組み合わせからなる、多自由度超音波モータαを前記第１実施形態例同様に複数個搭載して構成するとともに、並立する複数個の固定子１１の中間に亙り介層固定する固定子固定材６と、回転子シャフト１３及び伸縮自在のスライダ機構１４を具備し、また、横回転を行うためのモータとして、多自由度超音波モータαと同様の構成からなる横回転用多自由度超音波モータβと、多自由度超音波モータβの固定子３１上に載接な回転子３２頭頂部と連結する回転軸シャフト２３と、回転軸シャフト２３を貫通支えるベアリング４１とを具備することにより、傾斜方向及び横方向への回転を行うことが可能な多自由度駆動機構γ２として構築される。

また、図４に示すように、回転軸シャフト２３は、アンギュラボールベアリング４２の外輪４２ａがシャフト固定材５のボス部５ａに固定され、アンギュラボールベアリング４２の内輪４２ｂに対して軸方向にスライドしないようにする。そのため、上下対のボール４２ｃ相互には軸方向の向きを逆にする内輪４２ｂを形態としたアンギュラボールベアリング４２を使用することにより、特定の向きに強い力がかかった場合でも、相互方向に対し、内輪４２ｂの脱落防止と曲げモーメントに対する耐久向上が可能となる。

多自由度超音波モータβの固定子１１は固定子固定材６に中間を介層固定され、多自由度超音波モータβの横回転は、回転軸シャフト２３を通じて取り出されるので、負荷は、回転軸シャフト２３の先端に接続すればよい。本実施形態例の場合でも多自由度超音波モータαは主に傾斜運動を担当する。

以上、本発明の実施の形態につきその第１乃至第２実施形態例を順次上げて説明したが、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、前述した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。

本発明の第１実施形態例に係る多自由度駆動機構γ１の要部構成を示す図２中Ｉ−Ｉ’線視一部断面図である。 本発明の第１実施形態例に係る多自由度超音波モータαの水平面内上配置例を示した図であり、（ａ）はモータ３台、（ｂ）はモータ４台、（ｃ）はモータ６台搭載時における配置を示すものである。 本発明の第２実施形態例に係る多自由度駆動機構γ２の要部構成を示す一部断面図である。 本発明の第２実施形態例に係る多自由度駆動機構γ２の変態構成図であり、固定子群を省略しシャフト固定材５の構成の詳細を示したものである。

符号の説明

α…傾斜回転多自由度超音波モータ
β…横回転用多自由度超音波モータ
γ１，γ２…多自由度駆動機構
１１…固定子
１１ａ…圧電素子
１１ｂ…非圧電素子
１１ｃ…凹湾受座面
１２…回転子
１３…回転子シャフト
１４…スライダ機構
２１…ユニバーサルボールジョイント
１６，２２，４２ｃ…ボール
２３…回転軸シャフト
４１…ベアリング
４２…アンギュラボールベアリング
４２ａ…外輪
４２ｂ…内輪
５…シャフト固定材
５ａ…ボス部
６…固定子固定材

Claims (1)

1. 振動数の等しい位相の異なる交流電圧を印加すると振動数の等しい機械振動を励振する複数の圧電体によって構成される固定子と、
   固定子に発生する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１つの多自由度超音波モータを中心とし、前記多自由度超音波モータと同じ構成の複数の多自由度モータを同一円上等間隔に並立配置し、
   前記同一円上等間隔に配置された多自由度超音波モータの回転子頂端に回転子シャフト下端を主設し、
   前記回転子シャフト上端が、当該回転子シャフトを伸縮自在に調節するスライダ機構を通じて一つのシャフト固定材に回転角度可変自在に接続され、
   前記同一円上等間隔に配置された多自由度超音波モータの前記全固定子中間に亙り、前記同一水平面を形成する一枚の固定子固定材を各介層固定し、
   前記中心とした多自由度超音波モータの前記回転子の頭頂部に、回転軸シャフトが連結され、
   前記回転軸シャフトは、前記シャフト固定材を貫通し、回転軸の向きが前記シャフト固定材に対して垂直になるように、回転自在なベアリングによって貫着されている、
   ことを特徴とする多自由度駆動機構。

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