JP4499608B2

JP4499608B2 - 多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置

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Publication number: JP4499608B2
Application number: JP2005143343A
Authority: JP
Inventors: 洋川野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP2006325280A

Description

本発明は、ロボットのマニピュレータ等の関節機構に駆動源として搭載される多自由度超音波モータに適用される予圧装置に関し、特に、関節機構の機構的出力剛性を調整可能な予圧装置に関する。

近年、例えば、ロボットのマニピュレータの関節機構のような、高トルク且つ高自由度が必要とされる機構の駆動源として、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに替わって、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。

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を積層してなる円柱形状の固定子の上端面に球形状の回転子を圧接して構成され、固定子の各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、これら圧電素子がそれぞれ固有振動を励振し、それら固有振動の組合わせにより回転子を任意の方向に回転させる。

このように、固定子に圧接する回転子を持つ多自由度超音波モータを駆動する際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装置が必要であり、逆に、多自由度超音波モータに適切な予圧が行われれば、回転子の静止時に特別な駆動制御を行わずとも大きな高静止トルクが得られ、また、ギア等からなる減速機構が必要にならないため、バックラッシュやアクチュエータにおける重量増加も防止される。

このような予圧装置の一例が次の非特許文献１に開示されている。
ＨｉｒｏｓｈｉＫａｗａｎｏ，ＨｉｄｅｙｕｋｉＡｎｄｏ，ＴａｔｓｕｙａＨｉｒａｈａｒａ，"ＦａｓｔＴｈｒｅｅ−ＤＯＦＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＭｕｌｔｉ−ＤＯＦＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｅｒｖｏＭｏｔｏｒｂｙＯｎｌｉｎｅＡｄａｐｔａｔｉｏｎ"，２００４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．３０８７−３０９２，Ａｐｒｉｌ２００４

この非特許文献１に開示された予圧装置は、位相の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複数の圧電素子からなる円柱形状の固定子と、この固有振動によって任意の方向に回転駆動される球形状の回転子からなる多自由度超音波モータに付設して、固定子の上端面と回転子を圧接するための予圧力を発生するため、固定子の中心軸上下方向延長線に対して傾斜動自在に相対向して配置される上段及び下段の弾性体取付材と、上段及び下段の弾性体取付材間に亙り、予め自然長以上に伸長されてそれぞれの両端が止着張架される複数の線形弾性体と、で構成される。

ところで、次の非特許文献２に述べられているように、様々な物体に実際に触れるロボットに関しては、マニピュレータの手先が物体に触れる際の接触圧、即ち、マニピュレータの関節機構の物体に対する硬さ度合い（機構的剛性）が柔軟に調整出力される必要がある。具体的には、例えば、豆腐を崩さずに握るような場合には、対象物体の柔らかさに応じて、マニピュレータの手首関節が中立平衡状態から傾く際に、マニピュレータの手先から対象物体に加わる反力が低く抑えられるよう出力調整されるべきである。
大鐘大介，兵頭和人，小林博明「非線形バネ要素を持つ７自由度腱制御アームの機構と制御」日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．８，ｐｐ．１１５２−１１５９，１９９６

しかしながら、多自由度超音波モータを駆動源とする、ロボットのマニピュレータ等の関節機構に関しては、その機構的剛性を調整する機能迄考慮された予圧装置が未だ提案されておらず、また、多自由度超音波モータの動特性が急峻且つ複雑な故に、かかる機構的剛性調整を制御のみで実現することも難しい。

さらに、多自由度超音波モータを駆動源とする、ロボットのマニピュレータ等の関節機構に前記非特許文献１に係る予圧装置を搭載しても、複数の線形弾性体の弾性引張力を利用して固定子の上端面と回転子を圧接するために回転子の位置保持力が高いことから、そのような関節機構の機構的剛性を柔軟に調整して出力調整するのは極めて難しい。

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、付設される多自由度超音波モータの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可能であると共に、その多自由度超音波モータを駆動源とする関節機構の出力剛性をも柔軟に調整可能な多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付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、機構の全体大型化且つ構造複雑化を伴わずに、多自由度超音波モータを駆動源とする関節機構の出力剛性を調整可能な多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付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、新たな駆動源を要せずに、多自由度超音波モータを駆動源とする関節機構の出力剛性を調整可能な多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付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、自ずと明らかとなろう。

まず、本発明予圧装置においては、多自由度超音波モータの上下から回転自在に挟架した下段及び中段の弾性体取付材間に亙り、予め自然長以上に伸長されてそれぞれの両端が止着張架される複数の線形弾性体と、間隔調整手段を上下から傾動自在に挟架した前記中段及び上段の弾性体取付材間に亙りそれぞれの両端が止着張架され、伸長量の変化に伴い弾性定数が増減する複数の非線形弾性体と、を備えており、前記中段及び前記上段の弾性体取付材間の間隔が調整可能である、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、本発明予圧装置の第１の特徴は、位相の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複数の圧電素子によって重層構成される円柱形状の固定子と、前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される球形状又は半球形状の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上に傾動自在に冠設した出力剛性調整機構であって、前記多自由度超音波モータを上下から空転自在に挟架した下段及び中段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上下方向延長線下段及び中段に対して各々周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に当該下段及び当該中段の弾性体取付材それぞれの相対向する梁相互間に亙り、複数の線形弾性体を予め自然長以上に伸長された状態で、並行張架された前記予圧装置を設け、当該予圧装置上方に空転自在に配架した上段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上方向延長線上段に対して周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に前記中段及び当該上段の弾性体取付材それぞれの相対向する前記梁相互間に亙り、並行張架され、伸長量の変化に伴い弾性定数が増減する複数の非線形弾性体と、当該非線形弾性体に囲まれかつ前記中段及び前記上段の弾性体取付材間の間隔を調整する間隔調整手段と、を具備しており、少なくとも、前記中段及び前記上段の弾性体取付材が、前記固定子の中心軸延長線に対して傾斜動自在に配架されてなる、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上段弾性体取付材が、その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、前記間隔調整手段が、前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、前記球形回転子に突設された回転子シャフトの先端部に前記ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するための、全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、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の特徴における前記上段弾性体取付材が、その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、前記間隔調整手段が、前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、前記半球形回転子に当該ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するために、軸受内輪を突設して囲繞する当該回転子平坦円面中央に凹着した全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、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２の特徴における前記中段弾性体取付材が、前記回転子シャフトに貫着される軸受内輪と、当該軸受内輪に転動体群を介して取り付けられると共に、前記中段弾性体取付材に上側から押さえ込まれ、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子シャフトを軸とする回転動力が空転吸収されて、当該回転子シャフトの傾斜動のみ伝達される軸受外輪と、からなる軸受を介して当該回転子シャフトに空転自在に支承されてなる、予圧装置の構成採用にある。

本発明予圧装置の第５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中段弾性体取付材が、前記半球形回転子の平坦円面に突設した軸受内輪と相対峙しかつ当該軸受内輪に転動体群を介して取付けられる軸受外輪から周方向等間隔放射状に延びた梁を有し、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子の回転動力が空転吸収されて、当該回転子の傾斜動のみ伝達されるよう構成してなる、予圧装置の構成採用にある。

本発明予圧装置の第６の特徴は、上記本発明予圧装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前記下段弾性体取付材が、前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、天部中央に前記固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定するフレーム構造の固定子固定材の外底面中央に突設された、全方向に回動自在なユニバーサルジョイント付のシャフトを用いて傾斜動自在に下支えしてなる、予圧装置の構成採用にある。

本発明予圧装置の第７の特徴は、上記本発明予圧装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前記下段弾性体取付材が、前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、中央部に当該固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定する固定子固定材である、予圧装置の構成採用にある。

本発明においては、非線形弾性体の弾性定数は、その伸長量の変動に伴い増減することから、任意の非線形弾性体が縮むと、これと相対向して配置された非線形弾性体が伸びて、それら２つの非線形弾性体それぞれに生じる弾性引張力に差が生じる。この差を傾斜角で割った値は複数の非線形弾性体に基づく見掛けの弾性定数に相当し、非線形弾性体の初期の長さに依存する。

従って、本発明によれば、間隔調整手段にて上段及び中段の弾性体取付材間の間隔、即ち、複数の非線形弾性体の初期の長さを調整可能であるために、本発明に係る予圧装置上に出力剛性調整機構の搭載により初めて、関節機構の機構的出力剛性を対象物体に応じて柔軟に出力調整可能となる。そして、かかる効果の達成には、以上説明した構成を採用すれば良いので、機構の全体大型化及び構造複雑化を伴ったり、新たな駆動源を必要としたりすることがない。

以下、本発明の最良の形態につき、最良形態例１〜最良形態例３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円柱形状の固定子及び球形状又は半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。

（最良形態例１）
図１は、本発明の第１の最良形態例に係る予圧装置αと、これが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構Ａの側面図であり、中立平衡状態にある予圧装置αを示している。なお、図１においては、予圧装置αの一部のみ断面図で示されている。

同図に示す関節機構Ａは、ロボットのマニピュレータ等に採用される機構であり、駆動動力源たる多自由度超音波モータβと、予圧力発生機能を備える予圧装置αと、機構的剛性調整機能を備える出力剛性調整機構γとで構成される。本最良形態例に係る予圧装置αが適用される多自由度超音波モータβの構成を説明する。

多自由度超音波モータβは、例えば、位相の異なる交流電圧が印加されると固有振動数が等しい複数の固有振動を励振する円柱形状の固定子β１と、固定子β１の発生する固有振動が伝達されると、何ら拘束されずに任意の方向に回転駆動される球形状の回転子β２とで構成され、固有振動から任意の方向の十分な回転駆動力が発生するように、固定子β１の上端面と回転子β２とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置αが付設される。

固定子β１は、所定の交流電圧が印加されると、例えば、それぞれ、ピッチ方向に撓み振動を行う圧電素子β１１と、上下方向に伸縮運動を行う圧電素子β１２と、ロール方向に撓み振動を行う圧電素子β１３とを積層し、後述する固定子固定材６によって固定してなる、所謂ランジュバン振動子である。これら圧電素子β１１〜β１３の各振動を利用して回転子β２に３方向の回転運動を発生させると、これに追従して、回転子β２の上半球面頂部に立設された回転子シャフトβ３が回転したり、傾斜したりすることとなる。

次に、多自由度超音波モータβの以上の構成を踏まえた上で、本最良形態例に係る予圧装置αの構成を説明する。
予圧装置αは、固定子β１から回転子β２への垂直抗力を、固定子β１の上端面と回転子β２とを圧接するための予圧力として効果的且つ最大限に活用するために、予圧機構α１の構成要素として、固定子β１の上端面と回転子β２に常時圧接習性を付勢する複数の線形弾性体１を具備する。

予圧機構α１の構成要素である複数の線形弾性体１は、図２に示すように中立平衡状態にある固定子β１の中心軸延長線に対して点対称に、即ち、その中心軸延長線に対して放射状等距離且つ同心円上等間隔に配置されるように、互いに相対向して配置された下段及び中段の弾性体取付材３，４のそれぞれ相対向する梁３ａ，４ａの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、それぞれの両端が止着張架される。なお、図２は、中段弾性体取付材４の上面図であり、中段弾性体取付材４における各線形弾性体１の取付位置を「＋」印で示している。

要するに、複数の線形弾性体１は、下段及び中段の弾性体取付材３，４間で引っ張られることにより（図１は、線形弾性体１が紙面上下方向に引っ張られた状態を示している。）、これに伴う弾性引張力によって下段及び中段の弾性体取付材３，４に常時圧接習性を弾性付勢して、固定子β１の上端面と回転子β２とを圧接する方向に予圧力を発生する部材であり、例えば、弾性定数及び自然長が等しい複数のゴムや引張コイル撥条等が採用されることで、回転子シャフトβ３が未傾斜状態の間、各線形弾性体１が等しい予圧力を発生することとなる。

各線形弾性体１それぞれの下端を止着する下段弾性体取付材３は、その中央部で、固定子固定材６の外底面中央に突設された、全方向に回動自在なユニバーサルジョイント７を有するユニバーサルジョイント付シャフト９を用いて、固定子固定材６を自由回転自在に下支えすることにより、中段弾性体取付材４及び線形弾性体１をこの順に経由して伝達された回転子シャフトβ３の傾斜動に、ユニバーサルジョイント７を傾斜動の中心として中段弾性体取付材４に相平行して追従傾斜動自在となるように構成・配置される。これにより、回転子シャフトβ３が傾斜状態にある場合でも、下段弾性体取付材３が中段弾性体取付材４に相平行して追従傾斜動するので、各線形弾性体１同士の長さに差が殆ど生じず、以って、固定子β１の上端面と回転子β２とを圧接するための予圧力が十分に得られるのみならず、余計な負荷トルクも発生しない。

下段弾性体取付材３に自由回転自在に下支えされる固定子固定材６は、固定子β１に発生する固有振動の節位置のような振動の影響が少ない位置で、その天部中央に、例えば固定子β１を構成する圧電素子β１２等を積層重合して固定子β１を懸架固定するフレーム構造を有している。この固定子固定材６により、多自由度超音波モータβが高トルクを必要とする所望の位置に設置されることとなる。

一方、各線形弾性体１それぞれの上端を止着する中段弾性体取付材４は、玉軸受１０を介して回転子シャフトβ３に空転自在に支承されており、玉軸受１０は、例えば、回転子シャフトβ３を貫着する軸受内輪１０ａと、軸受内輪１０ａに転動体１０ｂ群を介して取り付けられ且つ中段弾性体取付材４により上側から押さえ込まれ、また、転動体１０ｂ群の空転作用によって、回転子β２の回転駆動により発生して軸受内輪１０ａに伝達された回転子シャフトβ３を軸とする回転動力が空転吸収されるため、回転子シャフトβ３の傾斜動のみ伝達する軸受外輪１０ｃと、を有する。

要するに、中段弾性体取付材４は、玉軸受１０によって、回転子β２の回転駆動により発生する回転子シャフトβ３の回転傾斜運動のうちの回転成分が伝達されずに、傾斜成分のみが抽出伝達されることとなる。

関節機構Ａがロボットのマニピュレータに採用される場合、このマニピュレータの手先が対象物体に触れる際の接触圧、即ち、対象物体に対する関節機構Ａの硬さ度合いを表わす機構的剛性が対象物体の種別に応じて柔軟に調整出力されることが望ましい。具体的には、対象物体が高硬度金属からなる物の場合には、関節機構Ａの出力剛性が適当である限り構わないが、対象物体が豆腐のような低硬度からなる物の場合には、関節機構Ａの出力剛性がなるべく弱い方が望ましい。
次いで、関節機構Ａの出力剛性調整機構γに用いられる複数の非線形弾性体２を説明する。

出力剛性調整機構γの構成要素である複数の非線形弾性体２は、例えば、引張りコイル撥条のコイル径を上端から下端に亙り漸減し又は漸増したり中間部を細くしたりする形態を呈し、伸長量が増すと伴に弾性定数が大きくなる種類の弾性体であり、線形弾性体１における場合（図２参照）と同様に、中立平衡状態にある固定子β１の中心軸延長線に対して点対称に、即ち、その中心軸延長線に対して放射状等距離且つ同心円上等間隔に配置されるように、互いに相対向して配置された中段及び上段の弾性体取付材４，５のそれぞれ相対向する梁４ａ，５ａの外端縁部相互間に亙り、それぞれの両端が止着張架される。

各非線形弾性体２それぞれの下端を止着する中段弾性体取付材４は、前述した通りである。一方、各非線形弾性体２それぞれの上端を止着する上段弾性体取付材５は、その中央部に空けられたネジ穴５ｂに、全方向に回動自在なユニバーサルジョイント８を介して回転子シャフトβ３の先端部に傾斜動自在に突合せ連結されるボールネジシャフト１１が螺挿される。ボールネジシャフト１１の先端部には、連結具（破線図示）１２を介して、円柱形状の出力軸１３が回転自在に連結される。この出力軸１３は、上段弾性体取付材５の上面中央部に形成された円筒形状の突設部５ｃの内周面に保持したスライド円筒軸受１４を介して軸方向摺接自在に支持されており、関節機構Ａがロボットのマニピュレータに採用される場合には、このマニピュレータの手先が出力軸１３の先端部に取り付けられることとなる。

要するに、出力軸１３の先端部が対象物体から力を受ける等に起因して、ボールネジシャフト１１がユニバーサルジョイント８を傾斜動の中心として傾斜すると、上段弾性体取付材５が追従傾斜動するために、複数の非線形弾性体２のうちの一部が縮まる一方、残りが伸びることとなる。
また、回転子シャフトβ３が右回転すると、ボールネジシャフト１１が追従右回転して、上段弾性体取付材５のネジ穴５ｂに案内されて降動変位するために、中段及び上段の弾性体取付材４，５間の間隔が狭まって、全ての非線形弾性体２が縮まる一方、回転子シャフトβ３が左回転すると、ボールネジシャフト１１が追従左回転して、上段弾性体取付材５のネジ穴５ｂに案内されて昇動変位するために、中段及び上段の弾性体取付材４，５間の間隔が拡がって、全ての非線形弾性体２が伸びることとなる。

ここで、図３（ａ），（ｂ）を参照しつつ、非線形弾性体２の弾性特性について説明する。なお、両図においては、横軸が非線形弾性体２の伸長量を表わす一方、縦軸が非線形弾性体２の発生させる弾性引張力を表わしている。
両図から明らかなように、何れの場合であっても、非線形弾性体２が伸びるに伴い、その非線形弾性体２の弾性定数が大きくなることが分かる。

図３（ａ）には、複数の非線形弾性体２の中から相対並行して配置された２つの非線形弾性体２を選び、これら双方をある伸長量だけ予め伸ばした状態から、それぞれの伸長量を変えた場合のそれぞれの弾性特性変化を示すグラフが描かれている。
一方、図３（ｂ）には、前述と同様にして選ばれた２つの非線形弾性体２の双方を、図３（ａ）におけるよりも大きい伸長量だけ予め伸ばした状態から、それぞれの伸長量を変化させた場合のそれぞれの弾性特性変化を示すグラフが描かれている。

ここで、図３（ａ）に示された、非線形弾性体２の弾性特性の一例について詳述すると、上段弾性体取付材５が右側に傾斜すると、左側の非線形弾性体２が長さｄｘだけ伸びて、弾性引張力Ｆａ１を発生させる一方、右側の非線形弾性体２が長さｄｘだけ縮んで、弾性引張力Ｆａ２を発生させる。弾性引張力Ｆａ１と弾性引張力Ｆａ２とは互いに反対方向に作用するので、これらの差分（Ｆａ１−Ｆａ２＝Ｋａ・ｄｘ）が上段弾性体取付材５に加わる回転トルクの大きさを決定する。このような回転トルクが発生すると、これを打ち消して、上段弾性体取付材５を初期状態に戻そうと、その回転トルクと大きさが同程度であるが、向きが反対の負荷トルクが上段弾性体取付材５に発生する。なお、記号Ｋａは、同図における、これら２つの非線形弾性体２に基づく見掛けの弾性定数を表わしている。

一方、図３（ｂ）に示された、非線形弾性体２の弾性特性の一例について詳述すると、上段弾性体取付材５が図３（ａ）における場合と同程度だけ右側に傾斜すると、左側の非線形弾性体２がやはり長さｄｘだけ伸びるものの、グラフの変化率が図３（ａ）におけるよりも急峻であるため、力Ｆａ１よりも遥かに大きい弾性引張力Ｆｂ１を発生させる。また、右側の非線形弾性体２もやはり長さｄｘだけ縮むものの、前述と同様の理由から、力Ｆａ２よりも大きい弾性引張力Ｆｂ２を発生させる。そのため、上段弾性体取付材５に加わる負荷トルクの大きさを左右する力（Ｆｂ１−Ｆｂ２＝Ｋｂ・ｄｘ）は、図３（ａ）における場合の力（Ｆａ１−Ｆａ２＝Ｋａ・ｄｘ）よりも遥かに大きくなる。なお、記号Ｋｂは、図３（ｂ）における、これら２つの非線形弾性体２に基づく見掛けの弾性定数を表わしている。

要するに、相対並行して配置された２つの非線形弾性体２に予め与える伸長量が長い程、これら２つの非線形弾性体２に基づく見掛けの弾性定数が大きくなるため、上段弾性体取付材５に加わる負荷トルクも大きくなることとなる。

従って、ロボットのマニピュレータの手先が物体に触れる際の接触圧を大きくする場合には、予め回転子２を左回りに回転駆動設定させることにより、ボールネジシャフト１１を上段弾性体取付材５のネジ穴５ｂに案内されて昇動変位させて置き、中段及び上段の弾性体取付材４，５間の間隔、即ち、各非線形弾性体２の長さを所要の分だけ長くすれば良い。また逆の場合には、予め回転子２を右回りに回転駆動設定させることにより、ボールネジシャフト１１を上段弾性体取付材５のネジ穴５ｂに案内されて降動変位させて置き、各非線形弾性体２の長さを所要の分だけ短くすれば良い。

（最良形態例２）
図４は、本発明の第２の最良形態例に係る予圧装置α′と、出力剛性調整機構γを含めこれが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構Ａ′の側面図であり、中立平衡状態にある予圧装置α′を示している。なお、図４においては、予圧装置α′の一部のみ断面図で示されている。
以下、図４にて、図１又は図２に図示された部材と同一又は同等な部材に同一の符号を当てることにより、それら構成要素の詳細な説明を省略する。

本最良形態例２に係る予圧装置α′は、前記最良形態例１に係る予圧機構α１の構成要素たる下段弾性体取付材３及び固定子固定材６双方の役割を固定子固定材１５が果たすように、固定子固定材１５の中央部に、例えば固定子β１を構成する圧電素子β１２等を積層重合して固定子β１を懸架固定すると共に、線形弾性体１の下端を固定子固定材１５の中段弾性体取付材４の梁４ａ端に対応対向する外端部１５ａに直接接続する機構構造が採用されている。このような機構構造を採用することにより、線形弾性体１が回転子シャフトβ３の傾斜時に固定子固定材１５が追従傾斜しないために負荷トルクを発生する可能性があるものの、前記最良形態例１に係る出力剛性調整機構γと同等の能力を保ちつつ、関節機構Ａ′の構造簡略化及び全体小型化を図ることができる。

（最良形態例３）
図５は、本発明の第３の最良形態例に係る出力剛性調整機構γ′と、これが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構Ａ″の一部側面図であり、中立平衡状態にある出力剛性調整機構γ′を示している。なお、図５においては、出力剛性調整機構γ′の一部のみ断面図で示されていると共に、回転子β２′以下に配置される各部材が省略されている。
以下、図５にて、図１、図２又は図４に図示された部材と同一又は同等な部材に同一の符号を当てることにより、それら構成要素の詳細な説明を省略する。

本最良形態例３に係る出力剛性調整機構γ′は、半球形回転子β２′から回転シャフトβ３を省き、ボールネジシャフト１１を回転子β２′に傾斜動自在に支持するために、回転子β２′の平坦円面における回転子β２′の中心に対応する部位に全方向に回動自在なユニバーサルジョイント１６を凹着するとユニバーサルジョイント１６を囲繞して平坦円面上に玉軸受１０の軸受内輪１０ａを環突し、前記最良形態例１又は前記最良形態例２における中段弾性体取付材４の替わりに、軸受内輪１０ａと相対峙し転動体１０ｂ群を介して空転自在に取付けた軸受外輪１０ｃで構成した玉軸受１０から回転子β１の中心軸上方延長線に対して放射状、同心円上等間隔、及び等距離に延びる複数の梁１７ａを有する中段弾性体取付材１７を具備する機構構造が採用されている。

なお、本最良形態例３に係る回転子β２′以下の構造は、前記最良形態例１に係る回転子β２以下の構造、又は、前記最良形態例２に係る回転子β２以下の構造と同じであるが、図５ではその図示が省略されている。

このような機構構造を採用することにより、前記最良形態例１及び２に係る出力剛性調整機構γと同等の能力を保ちつつ、出力剛性調整機構γと同等又はこれ以上の関節機構Ａ″の構造簡略化及び全体小型化を図ることができる。

以上、本発明の最良の形態について具体例を挙げつつ説明してきたが、本発明は、必ずしも上述の手段のみに限定されず、前述の効果を達成する範囲内で、適宜変更実施可能であることは言うまでもない。例えば、前記最良形態例１〜３に係る非線形弾性体２の替わりに、伸長量が減ると伴に弾性定数が大きくなる種類の非線形弾性体を採用しても、前記最良形態例１〜３におけるのと同様の効果を達成することが可能である。

本発明の第１の最良形態例に係る出力剛性調整機構付予圧装置と、これが適用された多自由度超音波モータとで構成される関節機構の側面図である。図１に図示の同・予圧装置の構成要素である中段弾性体取付材の上面図である。図１に図示の同・予圧装置の構成要素である非線形弾性体の弾性特性図である。本発明の第２の最良形態例に係る同・予圧装置と、これが適用された多自由度超音波モータとで構成される関節機構の側面図である。本発明の第３の最良形態例に係る同・予圧装置と、これが適用された多自由度超音波モータとで構成される関節機構の一部側面図である。

符号の説明

Ａ，Ａ′，Ａ″・・・関節機構
α，α′・・・予圧装置
γ，γ′・・・出力剛性調整機構
１・・・線形弾性体
２・・・非線形弾性体
３・・・下段弾性体取付材
３ａ，４ａ，５ａ，１７ａ・・・梁
４，１７・・・中段弾性体取付材
５・・・上段弾性体取付材
５ｂ・・・ネジ穴
５ｃ・・・突設部
６，１５・・・固定子固定材
１５ａ・・・外端部
７，８，８″・・・ユニバーサルジョイント
９・・・ユニバーサルジョイント付シャフト
１０・・・玉軸受
１０ａ・・・軸受内輪
１０ｂ・・・転動体
１０ｃ・・・軸受外輪
１１・・・ボールネジシャフト
１２・・・連結具
１３・・・出力軸
１４・・・スライド円筒軸受
β・・・多自由度超音波モータ
β１・・・固定子
β１１〜β１３・・・圧電素子
β２，β２″・・・回転子
β３・・・回転子シャフト

Claims

位相の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複数の圧電素子によって重層構成される円柱形状の固定子と、前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される球形状又は半球形状の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上に傾動自在に冠設した出力剛性調整機構であって、
前記多自由度超音波モータを上下から空転自在に挟架した下段及び中段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上下方向延長線下段及び中段に対して各々周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に当該下段及び当該中段の弾性体取付材それぞれの相対向する梁相互間に亙り、複数の線形弾性体を予め自然長以上に伸長された状態で、前記多自由度超音波を囲んで並行張架された前記予圧装置を設け、
当該予圧装置上方に空転自在に配架した上段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上方向延長線上段に対して周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に前記中段及び当該上段の弾性体取付材それぞれの相対向する前記梁相互間に亙り、並行張架され、伸長量の変化に伴い弾性定数が増減する複数の非線形弾性体と、
当該非線形弾性体に囲まれかつ前記中段及び前記上段の弾性体取付材間の間隔を調整する間隔調整手段と、を具備しており、
少なくとも、前記中段及び前記上段の弾性体取付材は、前記固定子の中心軸延長線に対して傾斜動自在に配架される、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。
前記上段弾性体取付材は、
その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、
前記間隔調整手段は、
前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、
前記球形回転子に突設された回転子シャフトの先端部に前記ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するための、全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、
前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、
当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、
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出力剛性調整機構付予圧装置。
前記上段弾性体取付材は、
その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、
前記間隔調整手段は、
前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、
前記半球形回転子に当該ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するために、軸受内輪を突設して囲繞する当該回転子平坦円面中央に凹着した全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、
前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、
当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、
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出力剛性調整機構付予圧装置。
前記中段弾性体取付材は、
前記回転子シャフトに貫着される軸受内輪と、
当該軸受内輪に転動体群を介して取り付けられると共に、前記中段弾性体取付材に上側から押さえ込まれ、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子シャフトを軸とする回転動力が空転吸収されて、当該回転子シャフトの傾斜動のみ伝達される軸受外輪と、からなる軸受を介して当該回転子シャフトに空転自在に支承される、
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出力剛性調整機構付予圧装置。
前記中段弾性体取付材は、
前記半球形回転子の平坦円面に突設した軸受内輪と相対峙しかつ当該軸受内輪に転動体群を介して取付けられる軸受外輪から周方向等間隔放射状に延びた梁を有し、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子の回転動力が空転吸収されて、当該回転子の傾斜動のみ伝達されるよう構成する、
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出力剛性調整機構付予圧装置。
前記下段弾性体取付材は、
前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、天部中央に前記固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定するフレーム構造の固定子固定材の外底面中央に突設された、全方向に回動自在なユニバーサルジョイント付のシャフトを用いて傾斜動自在に下支えする、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。
前記下段弾性体取付材は、
前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、中央部に当該固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定する固定子固定材である、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。