JP4641237B2 - 多自由度アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は多自由度アクチュエータに係り、特に出力軸を２軸（Ｘ軸及びＹ軸）方向から揺動させるように構成された多自由度アクチュエータに関する。

従来の多自由度アクチュエータとしては、例えば、水平軸回りを駆動する第１のリニアモータと垂直軸回りを駆動する第２のリニアモータとを有し、出力軸を水平軸回りと垂直軸回りの２軸方向から駆動する構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。

この多自由度アクチュエータでは、第１のリニアモータがベースに支持され、第２のリニアモータが第１のリニアモータに駆動される第１の移動子に支持され、第２のリニアモータに駆動される第２の移動子がフレームを介して出力軸を駆動するように配置されている。そのため、従来は、第１のリニアモータとフレームとの間に第２のリニアモータが介在しており、第１のリニアモータが第１の移動子を駆動する場合、第２のリニアモータ及びフレームを介して出力軸を駆動するため、２つのリニアモータが直交する２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）を独立に駆動するのではなく、第１のリニアモータを駆動すると第２のリニアモータも移動してしまう。よって、第１のリニアモータは、第１の移動子だけでなく、第２のリニアモータの重量も含む荷重に対する駆動力を発生させるように構成されている。
特開２００３−８８０８９号公報

上記従来の多自由度アクチュエータでは、ベース側に設けられた第１のリニアモータが第２のリニアモータを介して出力軸を駆動する構成であるので、第２のリニアモータの重量を駆動するために余分な動力が必要であり、第１のリニアモータが大型化（大容量化）すると共に、第１のリニアモータを支持するベースの剛性も高めることになる。

そのため、従来は、出力軸の動作精度を高めるためにベースやフレームの剛性を高めると、重量増大を招くので、第１のリニアモータを大型化しなければならず、第１のリニアモータを大型化を回避するためにベースやフレームの剛性を下げた場合には、出力軸の動作精度が低下するという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決した多自由度アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

請求項１記載の発明は、ケーシングと、先端が該ケーシングの内部に挿入され、基端が前記ケーシングの開口部より外部に延在する出力軸と、前記ケーシングの内部に収納され、前記出力軸の軸線と直交する軸回りに前記出力軸の基端を揺動可能に支持する第１の揺動機構と、前記ケーシングの内部で前記第１の揺動機構と交差するように前記出力軸の軸線上に対向配置され、前記出力軸の軸線と直交する他方向の軸回りに前記出力軸の基端を揺動可能に支持する第２の揺動機構と、前記第１の揺動機構を駆動して前記出力軸を一方向に揺動させる第１の駆動部と、前記第２の揺動機構を駆動して前記出力軸を他方向に揺動させる第２の駆動部と、を有し、前記第１の揺動機構は、前記出力軸の基端に対し直交する軸回りの揺動をガイドする第１の曲面ガイドと、前記出力軸の基端が固定され、前記出力軸の軸線と直交する方向に延在形成された第１の連結部材と、前記第１の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記第１の曲面ガイドに揺動可能に支持される第１の移動子と、を有し、前記第２の揺動機構は、前記出力軸の基端に対し前記第１の曲面ガイドと異なる位置で前記出力軸の基端に対し直交する他の軸回りの揺動をガイドする第２の曲面ガイドと、前記出力軸の軸線上で前記第１の連結部材と交差するように対向配置され、前記第１の連結部材に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材と、
前記第２の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記第２の曲面ガイドに揺動可能に支持される第２の移動子と、を有し、前記第１の揺動機構と前記第２の揺動機構は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部の駆動力により前記出力軸が揺動動作する際、前記出力軸の揺動方向に応じて相対的に回動することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、ケーシングと、先端が該ケーシングの内部に挿入され、基端が前記ケーシングの開口部より外部に延在する出力軸と、前記ケーシングの内部に設けられ、前記出力軸の基端に対し直交する軸回りの揺動をガイドする一対の第１の曲面ガイドと、前記ケーシングの内部で前記出力軸の基端に対し前記一対の第１の曲面ガイドと異なる位置で前記出力軸の基端に対し直交する他の軸回りの揺動をガイドする一対の第２の曲面ガイドと、前記出力軸の基端が固定され、前記出力軸の軸線と直交する方向に延在形成された第１の連結部材と、前記出力軸の軸線上で前記第１の連結部材と交差するように対向配置され、前記第１の連結部材に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材と、前記第１の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記一対の第１の曲面ガイドに揺動可能に支持される一対の第１の移動子と、前記第２の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記一対の第２の曲面ガイドに揺動可能に支持される一対の第２の移動子と、前記第１の移動子を駆動して前記出力軸を一方向に揺動させる第１の駆動部と、前記第２の移動子を駆動して前記出力軸を他方向に揺動させる第２の駆動部と、を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記第１の移動子と前記第２の移動子は、同一の曲率半径に沿って揺動することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記第１の連結部材と前記第２の連結部材は、前記出力軸と同軸上に配された前記第１の連結部材の中央孔及び前記第２の連結部材の中央孔を貫通する筒状軸受を介して回動可能に連結されたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記第１の曲面ガイド及び前記第２の曲面ガイドは、前記移動子の揺動位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記第１の曲面ガイド及び前記第２の曲面ガイドは、同一中心からの曲率半径上に形成されたガイド面を有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記ガイド面には、前記移動子の揺動動作に伴う摺動抵抗を軽減する低摩擦部材が設けられたことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部は、供給される印加電圧に応じた電磁力による駆動力を発生し、前記移動子を駆動する駆動手段を有することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部は、供給される作動流体の圧力により駆動力を発生し、前記移動子を駆動する駆動手段を有することを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、ケーシングと、該ケーシングの内部に挿入されたテーブルと、前記ケーシングの軸線と直交する一方向の軸回りに前記テーブルを揺動可能に支持する第１の揺動機構と、前記第１の揺動機構と交差するように前記テーブルの軸線上に対向配置され、前記テーブルの軸線と直交する他方向の軸回りに前記テーブルを揺動可能に支持する第２の揺動機構と、前記一方向の軸回りに湾曲した第１のシリンダ室と、作動流体の圧力により前記第１のシリンダ室に沿って回動する第１のピストンとを有し、前記第１のピストンの回動と共に前記第１の揺動機構を駆動して前記テーブルを一方向に揺動させる第１の駆動部と、前記他方向の軸回りに湾曲した第２のシリンダ室と、作動流体の圧力により該第２のシリンダ室に沿って回動する第２のピストンとを有し、前記第２のピストンの回動と共に前記第２の揺動機構を駆動して前記テーブルを他方向に揺動させる第２の駆動部と、を有し、前記第１の揺動機構と前記第２の揺動機構は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部の駆動力により前記テーブルが揺動動作する際、前記テーブルの揺動方向に応じて相対的に回動することを特徴とする。

本発明によれば、第１の駆動部に駆動される第１の揺動機構と第２の駆動部に駆動される第２の揺動機構とが夫々独立に駆動され、且つ第１の揺動機構と第２の揺動機構が出力軸の揺動方向に応じて相対的に回動するように連結されているので、第１の揺動機構と第２の揺動機構が互いに干渉しないように動作することができ、これにより、第１の駆動部及び第２の駆動部を小型化（小容量化）することが可能になる。また、第１の駆動部及び第２の駆動部の小型化により出力軸の動作精度を確保しつつ、駆動部を支持するフレームの剛性を下げて軽量化を図れることも可能になる。

また、本発明によれば、第１の揺動機構が、第１の曲面ガイドと、第１の連結部材と、第１の移動子とを有し、第２の揺動機構が、第２の曲面ガイドと、第２の連結部材と、第２の移動子とを有するため、第１の連結部材と第２の連結部材とが干渉しないように動作することができ、これにより、少ない部品構成で各軸回りの駆動系を独立に配置することができる。

また、本発明によれば、第１の曲面ガイド及び第２の曲面ガイドに移動子の揺動位置を検出する位置検出手段を有するため、移動子の位置を正確に検出することができる。

また、本発明によれば、第１の曲面ガイド及び第２の曲面ガイドのガイド面に移動子の揺動動作に伴う摺動抵抗を軽減する低摩擦部材を設けたため、移動子を駆動させる際の摩擦抵抗が軽減され、その分、第１の駆動部及び第２の駆動部の小型化（小容量化）を図ることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明になる多自由度アクチュエータの実施例１を示す斜視図である。図２はケーシングを外した状態を示す斜視図である。図３はケーシング内部に収納される機構の分解斜視図である。

図１乃至図３に示されるように、多自由度アクチュエータ１０は、ケーシング１２と、ケーシング１２の開口部１４より外部に延在する出力軸１６と、θｘ方向に出力軸１６を揺動可能に支持する第１の揺動機構１８と、第１の揺動機構１８と交差するように対向配置されθｙ方向に出力軸１６の基端を揺動可能に支持する第２の揺動機構２０と、第１の揺動機構１８をθｘ方向に揺動させる第１の駆動部２２と、第２の揺動機構２０をθｙ方向に揺動させる第２の駆動部２４とを有する。

ケーシング１２は、箱型に形成され、内部に各機構を収納する空間が形成されている。出力軸１６は、基端がケーシング１２の内部に挿入され、先端がケーシング１２の開口部１４より外部に延在するように取り付けられている。第１の揺動機構１８は、ケーシング１２の内部に収納され出力軸１６の軸線と直交するＸ方向の軸回り（θｘ方向）に出力軸１６の基端を揺動可能に支持している。また、第２の揺動機構２０は、ケーシング１２の内部で第１の揺動機構１８と交差するように出力軸１６の軸線上に対向配置され、出力軸１６の軸線と直交するＹ方向の軸回り（θｙ方向）に出力軸１６の基端を揺動可能に支持している。

また、第１の駆動部２２は、ケーシング１２の下部に取り付けられており、第１の揺動機構１８を駆動して出力軸１６をθｘ方向に揺動させるように構成されている。また、第２の駆動部２４は、第２の揺動機構２０を駆動して出力軸１６をθｙ方向に揺動させるように構成されている。

ここで、多自由度アクチュエータ１０を構成する上記各機構について、さらに詳細に説明する。

第１の揺動機構１８は、出力軸１６の基端に対し直交するＸ方向の軸回り（θｘ方向）の揺動をガイドする一対の第１の曲面ガイド２６と、出力軸１６の基端が固定され、出力軸１６の軸線と直交するＹ方向に延在形成された第１の連結部材２８と、第１の連結部材２８の両端部に回動可能に連結され第１の曲面ガイド２６に揺動可能に支持される一対の第１の移動子３０とを有する。

第２の揺動機構２０は、出力軸１６の基端に対し第１の曲面ガイド２６と異なる位置で出力軸１６の基端に対し直交するＹ方向の軸回り（θｙ方向）の揺動をガイドする一対の第２の曲面ガイド３２と、出力軸１６の軸線上で第１の連結部材２８と交差するように対向配置され、第１の連結部材２８に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材３４と、第２の連結部材３４の両端部に回動可能に連結され第２の曲面ガイド３２に揺動可能に支持される一対の第２の移動子３６とを有する。

連結部材２８，３４は、軸受部３８を介して上下方向で回動可能に対向するように設けられている。軸受部３８は、出力軸１６の下端に結合された円筒軸３８ａと、円筒軸３８ａの外周に嵌合する一対のころがり軸受３８ｂとを有する。そして、連結部材２８，３４の中央孔２８ａ，３４ａは、夫々ころがり軸受３８ｂの外輪が嵌合して個別に回動可能に支持されている。そのため、連結部材２８，３４は、駆動部２２，２４により移動子３０，３６を揺動動作する際、移動子３０，３６の揺動動作に応じて相対的に回動することができる。

また、連結部材２８，３４は、夫々両端より側方に突出する円筒形状の軸２８ｂ，３４ｂを有する。そして、軸２８ｂ，３４ｂは、移動子３０，３６の内側側面の取付孔３０ｃ，３６ｃに挿入された軸受３１，３７により回動可能に軸承されている。また、軸受３１，３７は、押さえ板３３，３５により取付孔３０ｃ，３６ｃから脱落しないように保持されている。

そのため、連結部材２８，３４は、夫々の両端に設けられた軸２８ｂ，３４ｂが移動子３０，３６の内側側面に対して出力軸１６の軸線と直交するＸ軸回り（θｘ方向）、Ｙ軸回り（θｙ方向）に回転可能に支持されている。これにより、連結部材２８，３４は、移動子３０，３６が揺動動作する際に、θｘ方向、θｙ方向の揺動動作が互いに干渉されることなく各軸回りに独立に揺動することが可能になる。そのため、多自由度アクチュエータ１０では、駆動部２２，２４を小型化（小容量化）することが可能になると共に、駆動部２２，２４の小型化により出力軸１６の動作精度を確保しつつケーシング１２などの剛性を下げても出力軸１６の動作精度を確保できるので、軽量化も図れる。

図４はケーシングを水平方向に切断した横断面図である。図５は図４中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。図６は図４中Ｂ−Ｂ線に沿う縦断面図である。図４乃至図６に示されるように、移動子３０，３６は、曲面ガイド２６，３２により同一の曲率半径に沿って揺動させるようにガイドされる円弧状に形成された摺動面３０ａ，３６ａを有する。さらに、曲面ガイド２６，３２のガイド面２６ａ，３２ａと、第１の移動子３０及び第２の移動子３６の摺動面３０ａ，３６ａには、Ｖ字状溝２６ｂ，３２ｂ，３０ｂ，３６ｂが形成されており、互いに対向するＶ字状溝２６ｂと３０ｂとの間及びＶ字状溝３２ｂと３６ｂとの間には、ころがり軸受４０が設けられている。

従って、曲面ガイド２６，３２のガイド面２６ａ，３２ａと移動子３０，３６の摺動面３０ａ，３６ａとの間は、ころがり軸受４０により摺動抵抗（摩擦）が軽減される。これにより、移動子３０，３６は、ガイド面２６ａ，３２ａに対して低摩擦で駆動される。

そして、移動子３０，３６は、夫々同一の曲率半径で下方に延在形成された円弧状部３０ｂ,３６ｂを有する。この円弧状部３０ｂ,３６ｂは、駆動部２２,２４からの駆動力が伝達され、移動子３０，３６と共にガイド面２６ａ，３２ａに沿って揺動する。さらに、移動子３０，３６の側面には、ケーシング１２の内部に当接して揺動範囲を規制されるストッパピン３０ｄ，３６ｄを有する。

また、移動子３０，３６がガイド面２６ａ，３２ａに沿って揺動する際、回転中心から水平方向に対応するガイド面２６ａ，３２ａの中間位置を基準位置とすると、この基準位置での第１の連結部材２８と第２の連結部材３４とは、９０度の角度で交差している。そして、移動子３０，３６が中間位置より上方または下方に揺動すると、第１の移動子３０の移動側端部と第２の移動子３６の移動側端部との水平方向距離が狭くなり、第１の連結部材２８と第２の連結部材３４との交差角度が９０以下に変化する。

従って、連結部材２８，３４は、ころがり軸受３８により出力軸１６の軸線に対して回動可能に設けられているので、移動子３０，３６の揺動動作に伴って交差角度を変化させるように出力軸１６の軸回り（θｚ方向）に回動する。これにより、出力軸１６が軸線（Ｚ軸）に対してどの方向に揺動しても移動子３０，３６は、連結部材２８，３４の水平方向距離の変化に規制されず、スムーズにガイド面２６ａ，３２ａを摺動して揺動動作することができる。

また、曲面ガイド２６，３２上端には、移動子３０，３６の位置を検出するための位置センサ６８，７０が取り付けられている。この位置センサ６８，７０は、移動子３０，３６に設けられた光反射スリット板（図示せず）に対して検出光を照射し、反射光の有無によって得られるパルス数をカウントしてθｘ方向揺動位置、θｙ方向揺動位置の検出を行なうように構成されている。

ここで、駆動部２２,２４の構成について説明する。図７はθｙ方向の駆動部の構成を示す図である。図８はθｘ方向の駆動部の構成を示す図である。

図７に示されるように、第１の駆動部２２は、ケーシング１２を支持するベース４２の傾斜ブラケット４４に取り付けられたサーボモータ４８と、サーボモータ４８により回転駆動される駆動側プーリ５２と、傾斜ブラケット４４に支持された駆動軸５５に係合する従動側プーリ５６と、駆動側プーリ５２と従動側プーリ５６との間に巻き掛けされたタイミングベルト６０と、駆動軸５５の上端部に嵌合する駆動ギヤ６４とを有する。

駆動ギヤ６４は、移動子３０の円弧状部３０ｂに設けられたラック（図示せず）に噛合するかさ歯車からなり、サーボモータ４８からの回転駆動力を円弧状部３０ｂに伝達する。

図８に示されるように、第２の駆動部２４は、ケーシング１２を支持するベース４２の傾斜ブラケット４６に取り付けられたサーボモータ５０と、サーボモータ５０により回転駆動される駆動側プーリ５４と、傾斜ブラケット４６に支持された駆動軸５７に係合する従動側プーリ５８と、駆動側プーリ５４と従動側プーリ５８との間に巻き掛けされたタイミングベルト６２と、駆動軸５７の上端部に嵌合する駆動ギヤ６６とを有する。

駆動ギヤ６６は、移動子３６の円弧状部３６ｂに設けられたラック（図示せず）に噛合するかさ歯車からなり、サーボモータ５０からの回転駆動力を円弧状部３６ｂに伝達する。

図９は実施例１の制御系を示すブロック図である。図９に示されるように、アクチュエータ１０では、入力手段７２により出力軸１６の揺動方向及び揺動角度の指令データが制御部７４に入力されると、制御部７４は、入力された指令データに応じた制御データ（モータ制御信号）を生成してサーボモータ４８,５０に出力する。これにより、サーボモータ４８,５０は、制御部７４から入力された制御信号に応じた回動角まで駆動側プーリ５２，５４を駆動する。駆動側プーリ５２，５４の回転駆動力は、タイミングベルト６０，６２、従動側プーリ５６，５８、駆動ギヤ６４，６６を介して移動子３０，３６に伝達される。

そして、固定側の曲面ガイド２６，３２に対する移動子３０，３６の揺動動作位置は、位置センサ６８，７０によって測定され、位置センサ６８，７０から出力された検出信号により得られた揺動位置データは制御部７４にフィードバックされる。制御部７４は、このフィードバック信号に基づいてサーボモータ４８,５０に対する制御信号を補正して移動子３０，３６の揺動動作位置を位置決めする。

このように、移動子３０，３６の揺動動作は、連結部材２８，３４を介して出力軸１６に伝達され、出力軸１６を入力手段７２から指令された揺動位置に揺動させることができる。

ここで、上記多自由度アクチュエータ１０の動作について説明する。図１０は多自由度アクチュエータ１０の構成を簡略化して出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)を示す平面図である。図１１は出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた移動子３０，３６の動作状態を個別に示す図である。図１２は出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じたサーボモータ４８,５０の回転制御方向を模式的に示す図である。

図１０に示されるように、出力軸１６を例えば、４５度ずつ８方向に揺動させた場合の各動作方向は(ａ)〜(ｈ)に示す方向とする。この各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた移動子３０，３６の動作状態は、図１１（Ａ）〜（Ｈ）に示すようになる。例えば、図１１（Ａ）に示されるように、移動子３０をθｘ方向の反時計方向に回動させ、且つ移動子３６をθｙ方向の中間位置に保持する。これにより、θｘ方向の連結部材２８は反時計方向に回動し、θｙ方向の連結部材３４は中間位置に停止する。そのため、連結部材２８に結合された出力軸１６は、θｘ方向の反時計方向に回動して動作状態（ａ）の状態に動作する。

以下同様に、移動子３０，３６を各軸回りの時計方向または反時計方向に駆動、または各軸回りの中間位置に停止させることにより、出力軸１６を各動作方向(ｂ)〜(ｈ)に揺動させることができる。

また、各動作方向(ａ)〜(ｈ)の動作状態は、図１２に模式的に示されるように、移動子３０，３６を駆動するサーボモータ４８,５０の回転駆動方向及び駆動停止の有無により移動子３０，３６を図１１（Ａ）〜（Ｈ）に示すように個別に揺動させて実現できる。また、図１２において、「逆転駆動」とは、サーボモータ４８,５０の回転駆動方向を反時計方向に駆動することを意味し、「正転駆動」とは、サーボモータ４８,５０の回転駆動方向を時計方向に駆動することを意味し、「中間位置」とは、移動子３０，３６の駆動位置が連結部材２８，３４を水平状態となる位置に駆動した状態を意味している。

また、出力軸１６の揺動角度（鉛直方向の軸線に対する傾斜角度）は、前述した位置センサ６８，７０から出力された検出信号により得られた揺動位置データに基づいてサーボモータ４８,５０の駆動を停止させることにより、任意の角度に変更することができる。

図１３は実施例２の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。図１４は実施例２のケーシングを外した状態を示す斜視図である。図１５はケーシングを水平方向に切断した横断面図である。図１６は図１２中Ｃ−Ｃ線に沿う縦断面図である。尚、図１３乃至図１６において、上記実施例１と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

図１３乃至図１６に示されるように、実施例２の多自由度アクチュエータ１００は、ケーシング１２と、出力軸１６と、θｘ方向に出力軸１６の基端を揺動可能に支持する第１の揺動機構１８と、θｙ方向に出力軸１６の基端を揺動可能に支持する第２の揺動機構２０と、第１の揺動機構１８を駆動して出力軸１６をθｘ方向に揺動させる第１の駆動部１０２と、第２の揺動機構２０を駆動して出力軸１６をθｙ方向に揺動させる第２の駆動部１０４とを有する。

駆動部１０２,１０４は、夫々リニアモータにより移動子３０，３６を揺動させるように構成されており、移動子３０，３６の側面に設けられた固定子１０６，１０８と、移動子３０，３６の側面に設けられた可動子１１０，１１２とから構成されている。本実施例では、固定子１０６，１０８が移動子３０，３６の側面と同一の曲率半径で湾曲しており、且つ断面形状がコ字状に形成されている。そして、コ字状に形成された固定子１０６，１０８の内壁には、永久磁石１１４，１１６が対向するように設けられている。さらに、固定子１０６，１０８は、ベース４２上に起立する支持部１１８，１２０により移動子３０，３６の側面に対向する高さ位置に支持されている。

可動子１１０，１１２は、コイルからなり、固定子１０６，１０８の側方から一対の永久磁石１１４，１１６の空間内に挿入される。そのため、可動子（コイル）１１０，１１２への印加電圧を制御することにより、永久磁石１１４，１１６に対する電磁的な吸引力、反発力が推力として可動子（コイル）１１０，１１２に作用し、移動子３０，３６をガイド面２６ａ，３２ａに沿って駆動することができる。尚、リニアモータを駆動する制御系は、前述した図９に示す制御系と同様であるので、その説明は省略する。

本実施例では、リニアモータを駆動部に用いたため、移動子３０，３６を直接駆動することができ、前述したサーボモータを用いた場合のように回転伝達部材（プーリ、ベルト、ギヤなど）が不要になるため、駆動部の構成を簡略化することが可能になる。そのため、駆動部を支持するベースやブラケットの剛性を下げて軽量化することができると共に、動作精度も確保することができる。

図１７は実施例３の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。図１８は実施例３の制御系を示す系統図である。図１９は出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた各エアシリンダの動作を模式的に示す図である。尚、図１７乃至図１９において、上記実施例１、２と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

図１７に示されるように、実施例３の多自由度アクチュエータ２００は、空気圧を駆動力として用いるエア駆動式のものであり、ケーシング１２と、出力軸１６と、θｘ方向に出力軸１６の基端を揺動可能に支持する第１の揺動機構２０８と、θｙ方向に出力軸１６の基端を揺動可能に支持する第２の揺動機構２２０と、第１の揺動機構２０８を駆動して出力軸１６をθｘ方向に揺動させる第１の駆動部２２２と、第２の揺動機構２２０を駆動して出力軸１６をθｙ方向に揺動させる第２の駆動部２２４とを有する。

第１の揺動機構２０８は、θｘ方向の揺動をガイドする一対の第１の球面ガイド２２６と、出力軸１６の基端が固定された第１の連結部材２２８と、第１の連結部材２２８の両端部に回動可能に連結され第１の球面ガイド２２６に揺動可能に支持される一対の第１の移動子２３０とを有する。

第２の揺動機構２２０は、θｙ方向の揺動をガイドする一対の第２の球面ガイド２３２と、出力軸１６の軸線上で第１の連結部材２２８と交差するように対向配置され、第１の連結部材２２８に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材２３４と、第２の連結部材２３４の両端部に回動可能に連結され第２の球面ガイド２３２に揺動可能に支持される一対の第２の移動子２３６とを有する。

連結部材２２８，２３４は、前述した実施例１、２と同様に軸受部３８を介して上下方向で回動可能に対向するように設けられている。そのため、連結部材２２８，２３４は、駆動部２２２，２２４により移動子２３０，２３６を揺動動作する際、移動子２３０，２３６の揺動動作に応じて相対的に回動することができる。

また、連結部材２２８，２３４は、夫々両端より側方に突出する円筒形状の軸２２８ｂ，２３４ｂが移動子２３０，２３６の内側側面の取付孔に挿入されており、移動子２３０，２３６にθｘ方向、θｙ方向に回動可能に連結されている。

移動子２３０，２３６の外周側は、球面ガイド２２６，２３２に対応する球面を有する構成であり、どの方向にも揺動することができる。そして、球面ガイド２２６，２３２には、θｘ方向、θｙ方向に形成されたエアシリンダ室（圧力室）２４１〜２４４が設けられている。このエアシリンダ室（圧力室）２４１〜２４４には、移動子２３０，２３６と一体に設けられたピストン２４５〜２４８が挿入されている。

そのため、エアシリンダ室２４１〜２４４に供給される空気圧を制御することによりピストン２４５〜２４８と共に移動子２３０，２３６をθｘ方向、θｙ方向に駆動することができる。

図１８に示されるように、エアシリンダ室２４１〜２４４の空気圧を制御する制御システム２５０は、圧縮空気を生成する空気圧縮機２５２と、空気圧縮機２５２に連通された空気供給管路２５４と、空気供給管路２５４に配された圧力制御弁２５６、逆流防止弁２５７〜２６０、４方電磁弁２６１〜２６４とから構成されている。また、移動子２３０，２３６の移動速度を調整するため、排気管路２６６には、排気流量を調整する可変絞り２６８ａ〜２６８ｄが設けられている。従って、エアシリンダ室２４１〜２４４に供給される圧縮空気による圧力上昇は、圧力制御弁２５６によって制御され、エアシリンダ室２４１〜２４４から排気される減圧は可変絞り２６８ａ〜２６８ｄの絞り率によって制御される。

エアシリンダ室２４１〜２４４に挿入されたピストン２４５〜２４８は、エアシリンダ室２４１〜２４４の上端側と下端側との圧力差によって移動し、圧力が均等にバランスしたとき停止する。そのため、４方電磁弁２６１〜２６４を切り替えることにより、エアシリンダ室２４１〜２４４に供給される圧縮空気及びエアシリンダ室２４１〜２４４から排気される空気量が制御されてピストン２４５〜２４８を有する移動子２３０，２３６の揺動位置が変更される。

４方電磁弁２６１〜２６４は、夫々、エアシリンダ室２４１〜２４４の上端に連通されたａポートと、エアシリンダ室２４１〜２４４の下端に連通されたｂポートと、空気供給側に連通されたｃポートと、排気管路２６６に連通されたｄポートとを有する。そして、各４方電磁弁２６１〜２６４は、制御部２７０からの制御信号により各ポートの連通を切り替える。例えば、ピストン２４５〜２４８を下方に駆動する際は、エアシリンダ室２４１〜２４４の上端に圧縮空気を供給すると共に、エアシリンダ室２４１〜２４４の下端の空気を排気させる。そのため、４方電磁弁２６１〜２６４は、ａ−ｃ、ｂ−ｄポートを連通するように切り替わるように制御される。

また、例えば、ピストン２４５〜２４８を上方に駆動する際は、エアシリンダ室２４１〜２４４の下端に圧縮空気を供給すると共に、エアシリンダ室２４１〜２４４の上端の空気を排気させる。そのため、４方電磁弁２６１〜２６４は、ａ−ｄ、ｂ−ｃポートを連通するように切り替わるように制御される。

また、本実施例では、４個の移動子を個別に駆動する構成であるので、後述するように互いに対向する移動子同士を逆方向に駆動させることになり、４方電磁弁２６１〜２６４のうち、４方電磁弁２６１と２６３とが互いに逆向きの動作を行なうように切り替えられ、４方電磁弁２６２と２６４とが互いに逆向きの動作を行なうように切り替えられる。

ここで、出力軸１６を例えば、４５度ずつ８方向（図１０を参照）に揺動させる際の制御動作について説明する。各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた移動子２３０，２３６の動作状態は、前述した図１１（Ａ）〜（Ｈ）に示すようになる。

出力軸１６の動作方向(ａ)〜(ｈ)の動作状態は、図１９に模式的に示されるように、移動子２３０，２３６を駆動するエアシリンダ室２４１〜２４４へのエア供給を切り替えることにより実現できる。また、図１９において、「降下」とは、エアシリンダ室２４１〜２４４にピストン２４５〜２４８を降下させるように上端圧力を高くし、下端圧力を下げるように４方電磁弁２６１〜２６４を切り替えることを意味し、「上昇」とは、エアシリンダ室２４１〜２４４にピストン２４５〜２４８を上昇させるように上端圧力を下げ、下端圧力を高くするように４方電磁弁２６１〜２６４を切り替えることを意味している。また、図１９において、「中間」とは、ピストン２４５〜２４８がエアシリンダ室２４１〜２４４のストロークの中間位置に移動することを意味している。

また、出力軸１６の揺動角度（鉛直方向の軸線に対する傾斜角度）は、ピストン２４５〜２４８の位置を検出する位置センサ（図示せず）から出力された検出信号により得られた揺動位置データに基づいてエアシリンダ室２４１〜２４４の上端側と下端側との圧力差を制御することにより、任意の角度に変更することができる。

図２０は実施例４の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。図２０に示されるように、実施例４の多自由度アクチュエータ３００は、円盤形状の基板３０１のθｘ方向、θｙ方向の角度を調整するためのものであり、外形が八角形に形成されたケーシング３０２と、基板３０１が載置されるリング状のテーブル３０４と、テーブル３０４をθｘ方向に揺動可能に支持する第１の揺動機構３０８と、テーブル３０４をθｙ方向に揺動可能に支持する第２の揺動機構３１０と、第１の揺動機構３０８を駆動してテーブル３０４をθｘ方向に揺動させる第１の駆動部３１２と、第２の揺動機構３１０を駆動してテーブル３０４をθｙ方向に揺動させる第２の駆動部３１４とを有する。

揺動機構３０８、３１０は、前述した実施例３の揺動機構２０８，２２０と同様な構成であり、駆動部３１２，３１４は前述した実施例３の駆動部２２２，２２４と同様な構成であるので、その説明は省略する。また、実施例４の制御系も前述した実施例３と同様な構成であるので、その説明は省略する。

このように、本発明は、出力軸１６を揺動させるだけでなく、円盤形状の基板３０１のθｘ方向、θｙ方向の角度を調整する角度調整機構にも用いることができる。

本発明の多自由度アクチュエータは、産業上の多くの分野に適用することができ、例えば、産業用ロボットのアーム先端に装着されるロボットハンドの関節機構としても用いることが出来ると共に、円盤状の基板やレンズの位置調整機構、あるいは監視カメラを動作させ撮影方向を調整する機構などにも適用することができる。

また、上記実施例では、駆動部としてサーボモータを用いた構成、リニアモータを用いた構成、空気圧力により作動するエアシリンダを用いた構成のものを一例として示したが、これ以外の駆動手段を用いて各方向の移動子を個別に揺動させる構成としても良いのは勿論である。

本発明になる多自由度アクチュエータの実施例１を示す斜視図である。 ケーシングを外した状態を示す斜視図である。 ケーシング内部に収納される機構の分解斜視図である。 ケーシングを水平方向に切断した横断面図である。 図４中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。 図４中Ｂ−Ｂ線に沿う縦断面図である。 θｙ方向の駆動部の構成を示す図である。 θｘ方向の駆動部の構成を示す図である。 実施例１の制御系を示すブロック図である。 多自由度アクチュエータ１０の構成を簡略化して出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)を示す平面図である。 出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた移動子３０，３６の動作状態を個別に示す図である。 出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じたサーボモータ４８,５０の回転制御方向を模式的に示す図である。 実施例２の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。 実施例２のケーシングを外した状態を示す斜視図である。 ケーシングを水平方向に切断した横断面図である。 図１２中Ｃ−Ｃ線に沿う縦断面図である。 実施例３の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。 実施例３の制御系を示す系統図である。 出力軸１６の各動作方向(ａ)〜(ｈ)に応じた各エアシリンダの動作を模式的に示す図である。 実施例４の多自由度アクチュエータを示す斜視図である。

符号の説明

１０，１００，２００，３００ 多自由度アクチュエータ
１２ ケーシング
１６ 出力軸
１８，２０８，３０８ 第１の揺動機構
２０，２２０，３１０ 第２の揺動機構
２２，１０２，２２２，３１２ 第１の駆動部
２４，１０４，２２４，３１４ 第２の駆動部
２６ 第１の曲面ガイド
２８，２２８ 第１の連結部材
３０，２３０ 第１の移動子
３２ 第２の曲面ガイド
３４，２３４ 第２の連結部材
３６，２３６ 第２の移動子
３８ 軸受部
３１，３７ 軸受
４０ ころがり軸受
６８，７０ 位置センサ
４８，５０ サーボモータ
７４ 制御部
１０２,１０４ 駆動部
１０６，１０８ 固定子
１１４，１１６ 永久磁石
２２６，２３２ 球面ガイド
２４１〜２４４ エアシリンダ室（圧力室）
２４５〜２４８ ピストン
２５６ 圧力制御弁
２６１〜２６４ ４方電磁弁
２７０ 制御部
３０４ テーブル

Claims (10)

1. ケーシングと、
   先端が該ケーシングの内部に挿入され、基端が前記ケーシングの開口部より外部に延在する出力軸と、
   前記ケーシングの内部に収納され、前記出力軸の軸線と直交する軸回りに前記出力軸の基端を揺動可能に支持する第１の揺動機構と、
   前記ケーシングの内部で前記第１の揺動機構と交差するように前記出力軸の軸線上に対向配置され、前記出力軸の軸線と直交する他方向の軸回りに前記出力軸の基端を揺動可能に支持する第２の揺動機構と、
   前記第１の揺動機構を駆動して前記出力軸を一方向に揺動させる第１の駆動部と、
   前記第２の揺動機構を駆動して前記出力軸を他方向に揺動させる第２の駆動部と、
   を有し、
   前記第１の揺動機構は、
   前記出力軸の基端に対し直交する軸回りの揺動をガイドする第１の曲面ガイドと、
   前記出力軸の基端が固定され、前記出力軸の軸線と直交する方向に延在形成された第１の連結部材と、
   前記第１の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記第１の曲面ガイドに揺動可能に支持される第１の移動子と、を有し、
   前記第２の揺動機構は、
   前記出力軸の基端に対し前記第１の曲面ガイドと異なる位置で前記出力軸の基端に対し直交する他の軸回りの揺動をガイドする第２の曲面ガイドと、
   前記出力軸の軸線上で前記第１の連結部材と交差するように対向配置され、前記第１の連結部材に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材と、
   前記第２の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記第２の曲面ガイドに揺動可能に支持される第２の移動子と、
   を有し、
   前記第１の揺動機構と前記第２の揺動機構は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部の駆動力により前記出力軸が揺動動作する際、前記出力軸の揺動方向に応じて相対的に回動することを特徴とする多自由度アクチュエータ。
2. ケーシングと、
   先端が該ケーシングの内部に挿入され、基端が前記ケーシングの開口部より外部に延在する出力軸と、
   前記ケーシングの内部に設けられ、前記出力軸の基端に対し直交する軸回りの揺動をガイドする一対の第１の曲面ガイドと、
   前記ケーシングの内部で前記出力軸の基端に対し前記一対の第１の曲面ガイドと異なる位置で前記出力軸の基端に対し直交する他の軸回りの揺動をガイドする一対の第２の曲面ガイドと、
   前記出力軸の基端が固定され、前記出力軸の軸線と直交する方向に延在形成された第１の連結部材と、
   前記出力軸の軸線上で前記第１の連結部材と交差するように対向配置され、前記第１の連結部材に対して相対的に回動可能に組み合わされた第２の連結部材と、
   前記第１の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記一対の第１の曲面ガイドに揺動可能に支持される一対の第１の移動子と、
   前記第２の連結部材の両端部に回動可能に連結され、前記一対の第２の曲面ガイドに揺動可能に支持される一対の第２の移動子と、
   前記第１の移動子を駆動して前記出力軸を一方向に揺動させる第１の駆動部と、
   前記第２の移動子を駆動して前記出力軸を他方向に揺動させる第２の駆動部と、
   を有することを特徴とする多自由度アクチュエータ。
3. 前記第１の移動子及び前記第２の移動子は、同一の曲率半径に沿って揺動させることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の多自由度アクチュエータ。
4. 前記第１の連結部材と前記第２の連結部材は、前記出力軸と同軸上に配された前記第１の連結部材の中央孔及び前記第２の連結部材の中央孔を貫通する筒状軸受を介して回動可能に連結されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多自由度アクチュエータ。
5. 前記第１の曲面ガイド及び前記第２の曲面ガイドは、前記移動子の揺動位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の多自由度アクチュエータ。
6. 前記第１の曲面ガイド及び前記第２の曲面ガイドは、同一中心からの曲率半径上に形成されたガイド面を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の多自由度アクチュエータ。
7. 前記ガイド面には、前記移動子の揺動動作に伴う摺動抵抗を軽減する低摩擦部材が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の多自由度アクチュエータ。
8. 前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部は、供給される印加電圧に応じた電磁力による駆動力を発生し、前記移動子を駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度アクチュエータ。
9. 前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部は、供給される作動流体の圧力により駆動力を発生し、前記移動子を駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度アクチュエータ。
10. ケーシングと、
    該ケーシングの内部に挿入されたテーブルと、
    前記ケーシングの軸線と直交する一方向の軸回りに前記テーブルを揺動可能に支持する第１の揺動機構と、
    前記第１の揺動機構と交差するように前記テーブルの軸線上に対向配置され、前記テーブルの軸線と直交する他方向の軸回りに前記テーブルを揺動可能に支持する第２の揺動機構と、
    前記一方向の軸回りに湾曲した第１のシリンダ室と、作動流体の圧力により前記第１のシリンダ室に沿って回動する第１のピストンとを有し、前記第１のピストンの回動と共に前記第１の揺動機構を駆動して前記テーブルを一方向に揺動させる第１の駆動部と、
    前記他方向の軸回りに湾曲した第２のシリンダ室と、作動流体の圧力により該第２のシリンダ室に沿って回動する第２のピストンとを有し、前記第２のピストンの回動と共に前記第２の揺動機構を駆動して前記テーブルを他方向に揺動させる第２の駆動部と、
    を有し、
    前記第１の揺動機構と前記第２の揺動機構は、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部の駆動力により前記テーブルが揺動動作する際、前記テーブルの揺動方向に応じて相対的に回動することを特徴とする多自由度アクチュエータ。

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