JP5621350B2 - モータ装置、回転子の駆動方法、及びロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ装置、回転子の駆動方法、及びロボット装置に関する。

例えば旋回系機械を駆動させるアクチュエータとして、モータ装置が用いられている。
このようなモータ装置として、例えば電動モータや超音波モータなど、比較的に高トルクを発生させることが可能なモータ装置が広く知られている。近年では、ヒューマノイドロボットの関節部分など、より精密な部分を駆動させるモータ装置が求められており、電動モータや超音波モータなどの既存のモータにおいても小型化、トルクの制御性等、細密で高精度な駆動を行うことができる構成が求められている。

特開平２−３１１２３７号公報

しかしながら、例えば、電動モータや超音波モータにおいては、高トルクを発生させるためには減速機を取り付ける必要があるため、小型化には限界がある。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、高トルクを発生させることができる、モータ装置及び回転子の駆動方法並びにロボット装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、回転子と、前記回転子の外周の少なくとも一部に締まり嵌め状態で巻き付けられる巻付部材と、前記巻付部材の少なくとも一方の端部に接続され、前記巻付部材を少なくとも前記回転子に巻き付ける方向に移動させる駆動部と、前記巻付部材を前記回転子に対して巻きつき状態で前記回転子を回転させる回転動作及び前記回転子に対する前記巻付部材の前記巻きつき状態を解放する解放動作を前記駆動部に行わせる制御部と、を備えるモータ装置が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、駆動部の駆動により、回転子の外周の少なくとも一部に締まり嵌め状態で巻き付けられる巻付部材を当該回転子に巻き付ける方向に一定距離移動させる移動ステップと、前記駆動部の駆動により、前記回転子に対する前記巻付部材の巻きつき状態を解放する解放ステップと、を含む回転子の駆動方法が提供される。

本発明の第３の態様に従えば、回転軸部材と、前記回転軸部材を回転させるモータ装置と、を備え、前記モータ装置として、第１の態様のモータ装置が用いられているロボット装置が提供される。

本発明によれば、高トルクを発生させることができるモータ装置を提供することができる。

第１実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの一例を示す概略構成図。 第１実施形態に係るモータ装置の特性を示すグラフ。 本実施形態におけるバネ部材が回転子に巻きかかる際の条件を示す図。 本実施形態における駆動素子の変位の変化を示すグラフ。 本実施形態における回転子が回転する際のバネ部材の変位方向を示す図。 第２実施形態に係るモータ装置の要部構成を示す図。 本実施形態における駆動部の各駆動素子の変位の変化を示すグラフ。 第３実施形態に係る駆動素子の変位の変化を示すグラフ。 第４実施形態に係る駆動素子の変位の変化を示すグラフ。 第５実施形態に係る駆動部の要部構成を示す図。 本実施形態におけるバネ部材側から回転子を視た場合の要部の図。 本実施形態における変位拡大機構の構成を示す図。 本実施形態における変位拡大機構の作用を説明するための図。 本発明の第６実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図。 本実施形態におけるバネ部材の変形例に係る構成図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの一例を示す概略構成図である。

図１（ａ）に示すように、モータ装置ＭＴＲは、ベース部ＢＳと、回転子ＳＦと、駆動部ＡＣと、制御部ＣＯＮＴとを有している。当該モータ装置ＭＴＲは、制御部ＣＯＮＴの制御によって駆動部ＡＣを用いて回転子ＳＦを回転させると共に、当該回転子ＳＦの回転を調整する構成である。

以下、各図の説明においてはＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。回転子ＳＦの円筒軸方向をＺ軸方向とし、当該Ｚ軸方向に垂直な平面上の直交方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

ベース部ＢＳは、例えばステンレス等の材料を用いて板状に形成された部分であり、回転子ＳＦ、駆動部ＡＣと、制御部ＣＯＮＴとを支持している。本実施形態では板状に形成された例を説明するが、例えば筐体など、他の形状であっても構わない。回転子ＳＦは、例えば円柱状に形成されており、例えば不図示のベアリング装置などによって回転可能に支持されている。当該ベアリング装置は、例えばベース部ＢＳなどに支持されている。回転子ＳＦは、中心軸Ｃを回転軸としてθＺ方向に回転するようになっている。なお、制御部ＣＯＮＴは、ベース部ＢＳと一体になっていなくてもよい。

モータ装置ＭＴＲは、駆動部ＡＣと、回転子ＳＦに締まり嵌め状態で巻き付けられる巻付部材（例えば、バネ部材５０を含む）と、を含む。駆動部ＡＣは、弾性部材から構成され、バネ部材５０の両端部に設けられた駆動素子３１、３２と、を含む。バネ部材５０は、その巻きつき方向に回転させて回転子ＳＦに巻き掛かることで張力を付与し、巻きつき方向と反対に回転させると回転子ＳＦに対して回転可能となり、張力が付与されない状態となる。本実施形態では、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間にグリス等の潤滑剤が設けられている。これにより、回転子ＳＦは所定方向（バネ部材５０の巻きつき方向と反対）においては、潤滑剤の働きにより、バネ部材５０に対してスムーズに回転可能とされている。バネ部材５０は、例えば円筒状の部材を精密加工することで構成される。

駆動素子３１、３２は、例えば、ハウジング３５に保持されており、ハウジング３５を介してベース部ＢＳに固定されている。バネ部材５０の両端部には、図１（ｂ）に示すように、駆動素子３１，３２に接続される接続部５１，５２を有している。接続部５１，５２は、バネ部材５０の他の部分に比べ、回転子ＳＦの径方向に張り出した形状となっている。これにより、駆動素子３１，３２はバネ部材５０と良好に接続され、各々の伸縮力をバネ部材５０に付与できるようになっている。

駆動素子３１、３２としては、例えばピエゾ素子などの電気機械変換素子が用いられている。駆動素子３１及び駆動素子３２は、電気機械変換素子に電圧が印加されることにより、Ｘ方向に伸縮する構成である。制御部ＣＯＮＴは駆動部ＡＣに接続されており、当該駆動部ＡＣに対して制御信号を供給可能になっている。

ハウジング３５は、各接続部５１、５２における駆動素子３１、３２と反対側に与圧用バネ３６を配置するとともに、これらを挟持している。このような構成に基づいて、与圧用バネ３６は駆動素子３１、３２の伸縮時に一定の与圧を付与することで、駆動素子３１、３２によって一定の伸縮力がバネ部材５０に伝達されるようになっている。駆動素子３１、３２は、その伸び方向（Ｙ軸方向）がバネ部材５０の巻き付き方向に設定されている。

次に、モータ装置ＭＴＲの動作を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲにおいて、回転子ＳＦにトルクを作用させる原理について説明する。回転子ＳＦを駆動させる際には、回転子ＳＦに巻き掛けられたバネ部材５０に有効張力を生じさせ、当該有効張力によって回転子ＳＦにトルクを伝達する。

オイラーの摩擦ベルト理論により、回転子ＳＦに巻き掛けられたバネ部材５０の接続部５１側の張力（Ｔ１）及び接続部５２側の張力（Ｔ２）が下記［数１］を満たすとき、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間で摩擦力が生じ、バネ部材５０が回転子ＳＦに対して滑りを生じることの無い状態（接触状態）で回転子ＳＦと共に移動する。この移動により、回転子ＳＦにトルクが伝達される。ただし、［数１］において、μはバネ部材５０と回転子ＳＦとの間の見かけ上の摩擦係数であり、θはバネ部材５０の有効巻き付き角である。

このとき、トルクの伝達に寄与する有効張力は、（Ｔ１−Ｔ２）によって表される。上記［数１］に基づいて有効張力（Ｔ１−Ｔ２）を求めると、［数２］のようになる。［数２］は、Ｔ１を用いて有効張力を表す式である。

上記［数２］より、回転子ＳＦに伝達されるトルクは駆動素子３１の張力Ｔ１によって一意に決定されることがわかる。［数２］の右辺のＴ１の係数部分は、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間の摩擦係数μ及びバネ部材５０の有効巻き付き角θにそれぞれ依存する。
図２は、摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと係数部分の値との関係を示すグラフである。グラフの横軸は有効巻き付き角θを示しており、グラフの縦軸は係数部分の値を示している。

図２に示すように、例えば摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θが３００°以上のときに係数部分の値が０．８以上となっている。このことから、摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θを３００°以上とすることにより、駆動素子３１による張力Ｔ１の８０％以上の力が回転子ＳＦのトルクに寄与することがわかる。この巻き付き角の他、図２のグラフから、例えばバネ部材５０と回転子ＳＦとの間の摩擦係数を大きくするほど、係数部分の値が大きくなることが推定される。一例として、摩擦係数が０．５の場合、バネ部材５０を回転子ＳＦに３６０度巻きつけると張力の９５．７％がトルクに寄与する。これにより、該張力が回転子ＳＦに大きな摩擦力を発生させることでバネ部材５０が強く巻きつく効果、及び強く巻きついた引張り力を用いて回転子ＳＦを回転させるトルクを生み出す効果がある。

このように、トルクの大きさは接続部５１側の張力Ｔ１によって一意に決定されることになり、例えばバネ部材５０の移動距離などには無関係であることがわかる。したがって、例えば駆動素子３１及び駆動素子３２に用いられるピエゾ素子などは、数ミリ程度の小型素子であっても、数百ニュートン以上の力を出すことができるので非常に大きな回転力を付与することができる。

このような原理に基づいて、制御部ＣＯＮＴは駆動素子３１及び駆動素子３２を変形させ、これによりバネ部材５０に有効張力を発生させる。
図３はバネ部材５０が回転子ＳＦに巻きかかる際の条件を示す図である。図３（ａ）は、バネ部材５０が回転子ＳＦに巻きかかった状態（締まり嵌め状態）を示す図であり、図３（ｂ）はバネ部材５０の巻きつき状態が解放された状態（締まり嵌めが緩んだ状態）を示す図であり、図３（ｃ）は回転子ＳＦに対するバネ部材５０の巻きつき状態（張力付与状態）を示す図である。なお、図３において、バネ部材５０が回転子ＳＦに巻きかかった状態における各駆動素子３１、３２の座標をＸ１，Ｘ２で示し、この状態を基準とする各駆動素子３１、３２の変位をΔ_Ｘ１、Δ_Ｘ２とする。

ここで、駆動素子３１がΔ_Ｘ１変位し、駆動素子３２がΔ_Ｘ２変位したとき、これら駆動素子３１、３２の変位の合計は（Δ_Ｘ１＋Δ_Ｘ２）となる。ここで、バネ部材５０の剛性Ｋに（Δ_Ｘ１＋Δ_Ｘ２）を掛けた値が回転子ＳＦに付与される有効張力となる。すなわち、有効張力は、Ｋ（Δ_Ｘ１＋Δ_Ｘ２）で示される。

変位の合計が０の場合は、図３（ａ）に示されるように、バネ部材５０は回転子ＳＦに締り嵌め状態で取り付けられているものの、張力を付与しないこととなる。変位の合計が０の場合としては、各駆動素子３１、３２が駆動していない状態、或いは駆動素子３１、３２の変位量が同じ且つ逆向きであり、各々の変位が打ち消された状態がある。

一方、変位の和が負の場合は、図３（ｂ）に示されるように、バネ部材５０は回転子ＳＦに対して締め付けが緩んでいるので、張力を付与しないこととなる。変位の和が負の場合とは、双方の駆動素子３１，３２が縮んだ状態、或いは一方の駆動素子３１，３２における縮み量が他方の駆動素子３１，３２における伸び量よりも大きい状態がある。

なお、図３（ｂ）においては、基準状態（図３（ａ）参照）から例えば駆動素子３１がΔ_Ｘ１だけ縮む方向に変位し、駆動素子３２がΔ_Ｘ２だけ伸びる方向に変位し、駆動素子３１の縮み量（Δ_Ｘ１）が駆動素子３２の伸び量（Δ_Ｘ２）よりも大きい場合を示している。

変位の和が正の場合は、図３（ｃ）に示されるように、バネ部材５０は回転子ＳＦに巻きついて張力を付与することとなる。変位の和が正の場合とは、双方の駆動素子３１，３２が伸びた状態、或いは一方の駆動素子３１，３２における伸び量が他方の駆動素子３１，３２における縮み量よりも大きい状態がある。
なお、図３（ｃ）においては、例えば駆動素子３１のみがΔ_Ｘ１だけ伸びる方向に変位し、変位の和が正となる場合を示している。

なお、バネ部材５０が回転子ＳＦに巻きついている状態（図３（ｃ）の状態）では、変位Δ_Ｘ１及び変位Δ_Ｘ２の符号が互いに逆のとき、駆動素子３１，３２の一方側がバネ部材５０を回転子ＳＦに巻きつけ、駆動素子３１，３２の他方が回転子ＳＦに対するバネ部材５０の巻きつけを緩めた状態となるので、滑らかな回転を実現できる。一方、変位Δ_Ｘ１及び変位Δ_Ｘ２の符号が同符号の場合、駆動素子３１，３２の一方が回転子ＳＦに対し、その回転方向と逆向きに張力を付与するため、回転子ＳＦにブレーキが掛かった状態となる（後述の第三実施形態参照）。

図４は制御部ＣＯＮＴにより制御される駆動素子３１、３２の変位の変化を示すグラフである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は各駆動素子３１、３２の変位の変化及びバネ部材５０により回転子ＳＦに発生する張力の変化を示す図である。

図４に示すように、制御部ＣＯＮＴは、駆動素子３１の変位と、駆動素子３２の変位との合計値（変位の和）が所定の閾値Ｐよりも大きくなる期間においてバネ部材５０が回転子ＳＦに巻き付いて有効張力を発生させるように、正弦波で示される駆動素子３１、３２の駆動動作の位相を調整している。

制御部ＣＯＮＴは、上述のように駆動素子３１，３２の駆動を制御することで、回転子ＳＦに締まり嵌め状態で巻き付けられたバネ部材５０を巻き付けることで回転子ＳＦが回転する巻き付き期間Ａ１と、回転子ＳＦに対するバネ部材５０の巻付け状態を解放する解放動作を行う解放期間Ａ２と、交互に実行することで回転子ＳＦをθＺ方向に回転させることができる。

制御部ＣＯＮＴは、巻き付き期間Ａ１を開始する際、図４に示すように駆動素子３２を最大まで変位させたタイミングで、駆動素子３１が伸びる動作（変位Δ_Ｘ１の符号は正となる）を行うように位相を調整する。

そして、制御部ＣＯＮＴは、巻き付き期間Ａ１を開始する。巻き付き期間Ａ１では、駆動素子３２が縮む（変位Δ_Ｘ２の符号は負となる）タイミングにあわせて、駆動素子３１が伸びる動作を行う。このとき、駆動素子３１、３２の変位の和で規定される有効張力は閾値Ｐを超えることとなり、バネ部材５０は回転子ＳＦに巻きついた状態とされている。

よって、駆動素子３１が設けられた接続部５１側が巻き付き方向（−Ｙ軸方向）に移動し、図５に示すように、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間に摩擦力が発生した状態でバネ部材５０が移動し、当該移動とともに回転子ＳＦがθＺ方向に回転する（回転動作）。巻き付き期間Ａ１は、駆動素子３１が最大値まで変位すると共に駆動素子３２が縮むことで駆動素子３１，３２変位の和で規定される有効張力が上記閾値Ｐを下回ることで終了する。

制御部ＣＯＮＴは、巻き付き期間Ａ１の終了後、解放期間Ａ２を開始する。この解放期間Ａ２では、図４に示されるように、駆動素子３１，３２の変位の和で規定される有効張力が閾値Ｐを下回るので、図３（ｂ）に示した状態と同様、バネ部材５０による回転子ＳＦに対する巻きつき状態が緩んだ状態となる（解放動作）。つまり、バネ部材５０に付加されていた有効張力が解除されるので、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間に摩擦力は発生せず、回転子ＳＦは慣性によって回転し続けることになる。

制御部ＣＯＮＴは、バネ部材５０の回転子ＳＦに対する巻きつき状態を解放する解放期間Ａ２に続けて、再度巻き付き期間Ａ１を行う。これにより、バネ部材５０と回転子ＳＦとの間に摩擦力が発生した状態でバネ部材５０が移動し、当該移動と共に回転子ＳＦがθＺ方向に回転する。

この後、制御部ＣＯＮＴは、バネ部材５０に付加されていた有効張力を再度解除させる解放期間Ａ２を行う。このように制御部ＣＯＮＴが上記巻き付き期間Ａ１と解放期間Ａ２とを駆動部ＡＣに繰り返し行わせることにより、回転子ＳＦをθＺ方向に連続的に回転させることができる。

このように、本実施形態によれば、締り嵌め状態で回転子ＳＦに巻付けられたバネ部材５０に対し、駆動部ＡＣによる回転動作及び解放動作を行わせることとしたので、オイラーの摩擦ベルト理論により、バネ部材５０の張力によってトルクが一意に決定されることになる。したがって、小型の駆動部ＡＣであっても高いトルクを回転子ＳＦに付加させることが可能となる。これにより、高トルクを発生させることができる小型のモータ装置ＭＴＲを得ることができる。また、小型の駆動部ＡＣであっても高効率で回転子ＳＦを回転させることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、回転子ＳＦに複数の駆動部ＡＣが取り付けられている点で、第１実施形態とは異なっている。したがって、モータ装置ＭＴＲの構成については、駆動部ＡＣが複数設けられ、その駆動方法が異なる点以外は、第１実施形態と同一の構成を用いることができる。

図６は本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの要部構成を示す図である。図６に示すように、回転子ＳＦには３つの第１の駆動部ＡＣ１、第２の駆動部ＡＣ２、及び第３の駆動部ＡＣ３（以下、駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３と称す場合もある）が設けられている。これら駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３は、回転子ＳＦの軸方向に沿って順に設けられている。

駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３は、それぞれ回転子ＳＦに締まり嵌め状態で巻き付けられた第１のバネ部材５０ａ、第２のバネ部材５０ｂ、及び第３のバネ部材５０ｃと、各バネ部材５０ａ，５０ｂ，５０ｃの両端部に設けられた駆動素子３１、３２と、を含む。駆動素子３１、３２はハウジング３５に保持されており、ハウジング３５を介してベース部ＢＳに固定されている。

次に、本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの動作を説明する。図７は、制御部ＣＯＮＴにより制御される駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３の各駆動素子３１、３２の変位の変化を示すグラフである。図７における上段のグラフは第１の駆動部ＡＣ１における駆動素子３１、３２の変位の変化を示し、図７における中段のグラフは第２の駆動部ＡＣ２における駆動素子３１、３２の変位の変化を示し、図７における下段のグラフは第３の駆動部ＡＣ３における駆動素子３１、３２の変位の変化を示すものである。なお、各グラフは、第１実施形態と同様、バネ部材５０が回転子ＳＦに巻き付く巻き付き期間Ａ１と、バネ部材５０の回転子ＳＦに対する巻きつき状態を解放する解放期間Ａ２と、を含んでいる。

図７に示すように、制御部ＣＯＮＴは、駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３のそれぞれの駆動タイミングを、解放期間Ａ２の半分の時間だけずらすことで、駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３を順次駆動するようにしている。

制御部ＣＯＮＴは、はじめに第１の駆動部ＡＣ１を駆動する。これにより、第１のバネ部材５０ａが回転子ＳＦに巻き掛かり、回転子ＳＦは回転を開始する。制御部ＣＯＮＴは、第１の駆動部ＡＣ１による巻きつき期間Ａ１が解放期間Ａ２の半分の時間だけが経過したタイミングに合わせて第２の駆動部ＡＣ２による巻き付き期間Ａ１が開始するように、第２の駆動部ＡＣ２を駆動する。

このとき、第１の駆動部ＡＣ１は、解放期間Ａ２に向けて、回転子ＳＦに対する第１のバネ部材５０ａの張力を低下させる。一方、第２のバネ部材５０ｂによる張力が徐々に回転子ＳＦに付与されるようになる。やがて、回転子ＳＦは、第１のバネ部材５０ａに代わり、第２のバネ部材５０ｂから張力が付与され、回転動作を継続する。このとき、第１のバネ部材５０ａ、及び第３のバネ部材５０ｃは、解放期間Ａ２となっており、回転子ＳＦに巻きついていないので、回転子ＳＦは第２の駆動部ＡＣ２（第２のバネ部材５０ｂ）の駆動力によって良好に回転することができる。

さらに、制御部ＣＯＮＴは、第２の駆動部ＡＣ２による巻き付き期間Ａ１が解放期間Ａ２の半分の時間が経過すると、続けて第３の駆動部ＡＣ３を駆動する。このとき、第２の駆動部ＡＣ２は、解放期間Ａ２に向けて、第２のバネ部材５０ｂによる回転子ＳＦに対する張力を低下させる。一方、第３のバネ部材５０ｃによる張力が徐々に回転子ＳＦに付与されるようになる。やがて、回転子ＳＦは、第２のバネ部材５０ｂに代わり、第３のバネ部材５０ｃから張力が付与され、回転動作を継続する。このとき、第１のバネ部材５０ａ、及び第２のバネ部材５０ｂは、解放期間Ａ２となっており、回転子ＳＦに巻きついていないので、回転子ＳＦは第３の駆動部ＡＣ３（第３のバネ部材５０ｃ）の駆動力によって良好に回転することができる。

以下、同様に駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３の駆動タイミングを切り替えることで、制御部ＣＯＮＴは回転子ＳＦの回転動作を継続して行うことができる。本実施形態によれば、第１の駆動部ＡＣ１の解放期間において、第２の駆動部ＡＣ２及び第３の駆動部ＡＣ３の駆動部を用いて回転子ＳＦを回転させることができるので、回転子ＳＦをスムーズに連続して回転させることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、駆動部ＡＣを構成する各駆動素子３１、３２の変位をそれぞれ調整する点で、第１実施形態とは異なっている。したがって、駆動部ＡＣの駆動方法のみが異なり、モータ装置ＭＴＲの構成については第１実施形態と同一の構成を用いることができる。

図８は、本実施形態に係る制御部ＣＯＮＴにより制御される駆動部ＡＣの各駆動素子３１、３２の変位の変化のタイミングを示すグラフである。以下、図８を参照しつつ、本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの動作を説明する。

図８に示すように、制御部ＣＯＮＴは正弦波で表される駆動素子３１、３２の位相を調整することで駆動素子３１の変位によるバネ部材５０の変位量と、駆動素子３２の変位によるバネ部材５０の変位量との合計値（変位和）を第１実施形態に比べて増加させている。
この構成によれば、回転子ＳＦを回転させる際の駆動部ＡＣのトルクの最大値が増大する。本実施形態によれば、回転子ＳＦに高いトルクを伝達することができ、モータ装置ＭＴＲの最大トルクを向上させることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせたものであり、回転子ＳＦに３つの駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３が取り付けられており、これら駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３を構成する各駆動素子３１、３２の変位をそれぞれ調整する点で、第１実施形態とは異なっている。したがって、モータ装置ＭＴＲの構成については、その駆動方法が異なる点以外は、第２実施形態と同一の構成を用いることができる。

図９は、本実施形態に係る制御部ＣＯＮＴにより制御される駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３の各駆動素子３１、３２の変位の変化のタイミングを示すグラフである。以下、図９を参照しつつ、本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの動作を説明する。

本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、回転子ＳＦに３つの駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３が設けられている（図６参照）。なお、図９における上段のグラフは第１の駆動部ＡＣ１における駆動素子３１、３２の変位の変化を示し、図９における中段のグラフは第２の駆動部ＡＣ２における駆動素子３１、３２の変位の変化を示し、図９における下段のグラフは第３の駆動部ＡＣ３における駆動素子３１、３２の変位の変化を示すものである。

制御部ＣＯＮＴは、はじめに第１の駆動部ＡＣ１を駆動する。本実施形態においても、第３実施形態と同様、制御部ＣＯＮＴは正弦波で表される駆動素子３１、３２の位相を調整することで駆動素子３１の変位によるバネ部材５０の変位量と駆動素子３２の変位によるバネ部材５０の変位量との合計値（変位和）を増加させている。

図９の巻き付き期間Ａ１の斜線で示されるブレーキ領域Ｂ１は、駆動素子３１、３２の変位Δ_Ｘ１、変位Δ_Ｘ２の符号が正（伸び方向）であるため、駆動素子３１、３２はそれぞれバネ部材５０の両端部を回転する回転子ＳＦに巻き付けるようになる。すなわち、この領域Ｂ１においては、回転子ＳＦにブレーキが掛かった状態となる。

また、図９の巻き付き期間Ａ１の斜線で示されるブレーキ領域Ｂ２は、駆動素子３１、３２の変位Δ_Ｘ１、変位Δ_Ｘ２の符号が負（縮み方向）であるため、回転中の回転子ＳＦに接触しているバネ部材５０の両端部は駆動素子３１、３２によって逆方向にそれぞれ変位することとなる。よって、この領域Ｂ２においては、瞬間的に回転子ＳＦにブレーキが掛かった状態となる。

制御部ＣＯＮＴは、はじめに第１の駆動部ＡＣ１を駆動する。これにより、第１のバネ部材５０ａが回転子ＳＦに巻きつき、回転子ＳＦは回転を開始する。制御部ＣＯＮＴは、第１の駆動部ＡＣ１による巻き付き期間Ａ１の上記ブレーキ領域Ｂ２のタイミングに合わせて、第２の駆動部ＡＣ２によるブレーキ領域Ｂ１の経過後の巻き付き期間Ａ１が開始するように、第２の駆動部ＡＣ２を駆動する。

これにより、第１の駆動部ＡＣ１により駆動される第１のバネ部材５０ａが回転子ＳＦにブレーキをかけるタイミングで、第２の駆動部ＡＣ２が駆動する第２のバネ部材５０ｂが回転子ＳＦに巻きつくようになる。よって、回転子ＳＦの回転を滑らかに保持することができる。

さらに、制御部ＣＯＮＴは、第２の駆動部ＡＣ２による巻き付き期間Ａ１の上記ブレーキ領域Ｂ２のタイミングに合わせて、第３の駆動部ＡＣ３によるブレーキ領域Ｂ１の経過後の巻き付き期間Ａ１が開始するように、第３の駆動部ＡＣ３を駆動する。

これにより、第２の駆動部ＡＣ２により駆動される第２のバネ部材５０ｂが回転子ＳＦにブレーキをかけるタイミングで、第３の駆動部ＡＣ３により駆動される第３のバネ部材５０ｃが回転子ＳＦに巻きつくようになる。よって、回転子ＳＦの回転を滑らかに保持することができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、駆動部ＡＣが一対のバネ部材１５０，１５１と、これらバネ部材１５０，１５１の相対向する一端部に設けられた駆動素子１３１，１３２と、バネ部材１５０，１５１の他端部に設けられた弾性部材１６０と、を含む点で、第１実施形態とは異なっている。したがって、その他のモータ装置ＭＴＲの構成については、第１実施形態と同一の構成を用いることができる。

図１０は本実施形態に係る駆動部ＡＣの要部構成を示す図である。バネ部材１５０，１５１の一端部には第１実施形態と同様の接続部１５０ａ，１５１ａが設けられており、該接続部１５０ａ，１５１ａに駆動素子１３１、１３２が接続されている。これにより、駆動素子１３１，１３２はバネ部材１５０，１５１と良好に接続され、各々の伸縮力をバネ部材１５０，１５１に付与できるようになっている。

駆動素子１３１、１３２は、ハウジング１３５に保持されており、ハウジング１３５を介して不図示の領域でベース部ＢＳに固定されている。ハウジング１３５は、バネ部材１５０，１５１の各接続部１５０ａ，１５１ａにおける駆動素子１３１、１３２と反対側に与圧用バネ３６を配置するとともに、これらを挟持している。このような構成に基づいて、与圧用バネ３６は駆動素子３１、３２の伸縮時に一定の与圧を付与することで、駆動素子１３１、１３２によって一定の伸縮力がバネ部材１５０，１５１に伝達されるようになっている。駆動素子１３１、１３２は、その伸び方向がバネ部材１５０，１５１の巻き付き方向に設定されている。また、バネ部材１５０，１５１の他端側に設けられた弾性部材１６０は、例えばコイルバネ等から構成されており、不図示の領域でハウジング１３５に接続されている。

駆動素子１３１、１３２は、バネ部材１５０，１５１を介して回転子ＳＦに付与する回転力の方向が逆向きになるように設定されている。このような構成により、本実施形態においては、回転子ＳＦは正逆方向に回転可能となっている。

次に、モータ装置ＭＴＲの動作を説明する。図１１はバネ部材１５０側から回転子ＳＦを見た場合の要部の図を示すものである。本説明では、駆動素子１３１によりバネ部材１５０を巻き付けることで回転子ＳＦを回転させる場合におけるバネ部材１５１の回転子ＳＦに対する影響について主に説明する。

制御部ＣＯＮＴは、駆動素子１３１のみを変位させることでバネ部材１５０を回転子ＳＦに巻き付ける。本実施形態では、駆動素子１３１の変位のみで回転子ＳＦを回転させる。このとき、バネ部材１５１の他端側が自由端となっていると、摩擦力の働きによりバネ部材１５１は反時計回りに回転しようとする。これにより、回転子ＳＦにバネ部材１５１が巻き付き、回転子ＳＦにブレーキ作用が生じることが考えられる。

これに対し、本実施形態では、バネ部材１５１の他端側に弾性部材１６０が取り付けられているので、摩擦力によってバネ部材１５１が反時計方向に変位することが妨げられる。よって、図１１に示すように、摩擦力によって反時計方向に変位しようとするバネ部材１５１は、外側に膨らむことで回転子ＳＦから離れるようになる。したがって、バネ部材１５１と回転子ＳＦとの間に隙間が生じるので、両者の間に働く摩擦力を小さくすることができ、上述したブレーキ作用が生じるのを回避することができる。

制御部ＣＯＮＴは、バネ部材１５０を回転子ＳＦに所定期間巻き付けた後、駆動素子１３１を初期状態に戻すことで、バネ部材１５０による回転子ＳＦに対する巻きつき状態が緩んだ状態とする。この状態においては、バネ部材１５０と回転子ＳＦとの間に摩擦力は発生せず、回転子ＳＦは慣性によって回転し続けることになる。この場合においても、バネ部材１５１は弾性部材１６０の働きにより、ブレーキ作用が生じることはない。

制御部ＣＯＮＴは、再度、駆動素子１３１を駆動し、バネ部材１５０を回転子ＳＦに巻き付け、回転子ＳＦを回転させることができる。このように制御部ＣＯＮＴは、駆動素子１３１の伸縮動作を行うことで、バネ部材１５０の回転動作と解放動作とを繰り返し行わせることにより、回転子ＳＦを所定方向に回転し続けることができる。

また、制御部ＣＯＮＴは、同様に、駆動素子１３２のみを変位させることでバネ部材１５１を回転子ＳＦに巻き付け、回転子ＳＦを回転させることができる。この場合においても、バネ部材１５０の他端側に弾性部材１６０が取り付けられているので、ブレーキ作用の発生を防止し、回転子ＳＦを時計方向に良好に回転させることができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲは、駆動部ＡＣが変位拡大機構を備える点で、第１実施形態とは異なっている。したがって、モータ装置ＭＴＲのその他の構成については、第１実施形態と同一の構成を用いることができる。

図１２は、変位拡大機構２００の構成を示す図である。
変位拡大機構２００は、本体部２３０と、固定部２３１と、取付部２５２と、変位伝達部２５３と、を有している。本体部２３０は、駆動素子１３１，１３２をそれぞれ保持するためのものであり、駆動素子３１，３２の伸縮時に一定の与圧を付与する与圧バネ部１３４を有している。取付部２５２は、不図示の領域においてベース部ＢＳに取り付けられている。本体部２３０は固定部２３１と接続されており、固定部２３１が不図示の領域においてベース部ＢＳに取り付けられている。本体部２３０は変位伝達部２５３に接続されている。

変位伝達部２５３は、第１揺動部１４１を介して本体部２３０の端部に接続されている。変位伝達部２５３は、一の端側が取付部２５２に連結されている。変位伝達部２５３の他端側には、例えばバネ部材５０の接続部５１，５２が接続されている。また、固定部２３１と本体部２３０との間には、第２揺動部１４２が設けられている。これにより、本体部２３０はベース部ＢＳに対して柔軟性を有した状態で接続されたものとなっている。

取付部２５２と変位伝達部２５３との接続部分２５４は、第１揺動部１４１および第２揺動部１４２のように他の部分よりも厚さが薄くなるように形成されている。例えば駆動素子１３１，１３２が伸縮してＹ方向に変位すると、変位伝達部２５３は、接続部分２５４を支点としてθＺ方向に回転するようになっている。

図１３は変位拡大機構２００によるバネ部材５０の変位について説明するための図である。図１３に示すように、接続部分２５４と第１揺動部１４１との距離をＳ１とし、接続部分２５４と変位伝達部２５３の端部との距離をＳ２とし、駆動素子１３１の先端部のＸ方向の変位をＬ１とすると、変位伝達部２５３の先端部の変位Ｌ２は、
Ｌ２＝Ｌ１・（Ｓ２／Ｓ１）
となる。

本実施形態では、Ｓ２＞Ｓ１であるため、変位Ｌ２は変位Ｌ１に対して拡大されていることになる。駆動素子３１の変位が拡大されて変位伝達部２５３の先端部に伝達される結果、変位伝達部２５３の先端部に接続されるバネ部材５０の接続部５２の移動量が拡大されることになる。本実施形態における変位拡大機構２００は、駆動素子１３２の駆動量（伸縮量）に基づくバネ部材５０の移動量を拡大して伝達する。

先端部の変位は、駆動素子１３１、１３２のＸ方向の寸法に対して例えば０．１％程度となる場合があり、この値は例えば数ミクロンとなる場合がある。
本実施形態によれば、てこの原理によって駆動素子１３１、１３２の変位を拡大することで、回転子ＳＦに対して比較的大きな力を伝達しながら大きな速度で回転させることができる。

なお、本実施形態では、駆動素子１３１、１３２の変位を拡大させる手段として、変位拡大機構２００を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１実施形態に係る構造において、ハウジング３５内に配置された駆動素子３１，３２を高周波で振動させることで与圧用バネ３６とともに共振させることでバネ部材５０の移動量を拡大する構成を採用しても構わない。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態を説明する。
図１４は、上記実施形態のいずれかに記載のモータ装置ＭＴＲを備えるロボット装置ＲＢＴの一部（例、指部分の関節）の構成を示す図である。

同図に示すように、ロボット装置ＲＢＴは、末節部１０１、中節部１０２及び関節部１０３を有しており、末節部１０１と中節部１０２とが関節部１０３を介して接続された構成になっている。関節部１０３には軸支持部１０３ａ及び軸部１０３ｂが設けられている。軸支持部１０３ａは中節部１０２に固定されている。軸部１０３ｂは、軸支持部１０３ａによって固定された状態で支持されている。

末節部１０１は、接続部１０１ａ及び歯車１０１ｂを有している。接続部１０１ａには、関節部１０３の軸部１０３ｂが貫通した状態になっており、当該軸部１０３ｂを回転軸として末節部１０１が回転可能になっている。この歯車１０１ｂは、接続部１０１ａに固定されたベベルギアである。接続部１０１ａは、歯車１０１ｂと一体的に回転するようになっている。

中節部１０２は、筐体１０２ａ及び駆動装置ＡＣＴを有している。駆動装置ＡＣＴは、上記実施形態に記載のモータ装置ＭＴＲを用いることができる。駆動装置ＡＣＴは、筐体１０２ａ内に設けられている。駆動装置ＡＣＴには、回転軸部材１０４ａが取り付けられている。回転軸部材１０４ａの先端には、歯車１０４ｂが設けられている。この歯車１０４ｂは、回転軸部材１０４ａに固定されたベベルギアである。歯車１０４ｂは、上記の歯車１０１ｂとの間で噛み合った状態になっている。

上記のように構成されたロボット装置ＲＢＴは、駆動装置ＡＣＴの駆動によって回転軸部材１０４ａが回転し、当該回転軸部材１０４ａと一体的に歯車１０４ｂが回転する。
歯車１０４ｂの回転は、当該歯車１０４ｂと噛み合った歯車１０１ｂに伝達され、歯車１０１ｂが回転する。当該歯車１０１ｂが回転することで接続部１０１ａも回転し、これにより末節部１０１が軸部１０３ｂを中心に回転する。

このように、本実施形態によれば、低速高トルクの回転を出力することができる駆動部ＡＣ，ＡＣ１〜ＡＣ３を搭載することにより、例えば減速器を用いることなく直接末節部１０１を回転させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。

上記実施形態におけるバネ部材５０は、円筒部材を精密加工で加工する場合について説明したが、図１５に示すように剛性の高い材料にワイヤーカット放電加工により内側面側に溝３５０ａを複数形成して、バネ部材３５０を成形するようにしてもよい。また、例えば、上記実施形態におけるバネ部材５０は、弾性を有する部材で構成されている。

上記実施形態では、ベース部ＢＳが正面視で矩形に形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、他の形状であっても構わない。例えば、円形、楕円形としても構わないし、台形、平行四辺形、ひし形、三角形、五角形、六角形など、他の多角形としても構わない。

ＡＣ…駆動部、ＳＦ…回転子、Ｐ…閾値、ＡＣ１…第１の駆動部、ＡＣ２…第２の駆動部、ＡＣ３…第３の駆動部、ＭＴＲ…モータ装置、ＲＢＴ…ロボット装置、ＣＯＮＴ…制御部、３１，３２…駆動素子、５０…バネ部材、５０ａ…第１のバネ部材、５０ｂ…第２のバネ部材、５０ｃ…第３のバネ部材、１３１，１３２…駆動素子

Claims (18)

1. 回転子と、
   前記回転子の外周の少なくとも一部に締まり嵌め状態で巻き付けられる巻付部材と、
   前記巻付部材の少なくとも一方の端部に接続され、前記巻付部材を少なくとも前記回転子に巻き付ける方向に移動させる駆動部と、
   前記巻付部材を前記回転子に対して巻きつき状態で前記回転子を回転させる回転動作及び前記回転子に対する前記巻付部材の前記巻きつき状態を解放する解放動作を前記駆動部に行わせる制御部と、を備え、
   前記巻付部材は、一対の第１巻付部材及び第２巻付部材を含み、前記第１巻付部材及び前記第２巻付部材における相対向する一端部が前記駆動部に接続されるモータ装置。
2. 前記駆動部が電歪素子を有する請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記駆動部の駆動量に基づく前記巻付部材の移動量を拡大して当該巻付部材に伝達する拡大機構を備える請求項１又は２に記載のモータ装置。
4. 複数の前記巻付部材を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ装置。
5. 前記制御部は、複数の巻付部材を選択的に移動させるように前記駆動部を駆動して前記回転子を回転させる請求項４に記載のモータ装置。
6. 前記第１巻付部材及び第２巻付部材の他端部は、それぞれ弾性部材に接続される請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ装置。
7. 前記駆動部は、前記巻付部材の一端部に接続される第１の駆動部と、前記巻付部材の他端部に接続される第２の駆動部と、を含む請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ装置。
8. 前記制御部は、前記第１の駆動部の動作に基づく前記巻付部材の移動量及び前記第２の駆動部の動作に基づく前記巻付部材の移動量の合計値が所定の閾値よりも大きくなるタイミングで前記回転子を回転させるように前記第１の駆動部の動作及び前記第２の駆動部の動作を制御する請求項７に記載のモータ装置。
9. 前記制御部は、前記第１の駆動部の動作及び前記第２の駆動部の動作における位相をそれぞれ調整して前記巻付部材の移動量を増加させる請求項８に記載のモータ装置。
10. 前記巻付部材は、少なくとも弾性部材で構成される請求項１〜９のいずれか一項に記載のモータ装置。
11. 前記回転子と前記巻付部材との間には潤滑剤が設けられる請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモータ装置。
12. 前記巻付部材は、内周面に複数の切欠部が形成されている請求項１〜１１のいずれか一項に記載のモータ装置。
13. 駆動部の駆動により、回転子の外周の少なくとも一部に締まり嵌め状態で巻き付けられる巻付部材を当該回転子に巻き付ける方向に一定距離移動させる移動ステップと、
    前記駆動部の駆動により、前記回転子に対する前記巻付部材の巻きつき状態を解放する解放ステップと、を含み、
    前記移動ステップおよび前記解放ステップにおいては、前記巻付部材として、一対の第１巻付部材及び第２巻付部材を含み、前記第１巻付部材及び前記第２巻付部材における相対向する一端部が前記駆動部に接続されたものを用いる回転子の駆動方法。
14. 複数の前記巻付部材における各々の前記移動ステップを選択的に行うことを含む請求項１３に記載の回転子の駆動方法。
15. 前記駆動ステップ及び前記解放ステップの少なくとも一方は、前記駆動部の駆動量に基づく前記巻付部材の移動量を拡大して当該巻付部材に伝達する拡大ステップを含む請求項１３又は１４に記載の回転子の駆動方法。
16. 前記駆動部は前記巻付部材の一端部に接続される第１の駆動部と、前記巻付部材の他端部に接続される第２の駆動部と、を含み、
    前記第１の駆動部の動作に基づく前記巻付部材の移動量及び前記第２の駆動部の動作に基づく前記巻付部材の移動量の合計値が所定の閾値よりも大きくなるタイミングで前記回転子を回転させる請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の回転子の駆動方法。
17. 前記第１の駆動部の動作及び前記第２の駆動部の動作における位相をそれぞれ調整して前記巻付部材の移動量を増加させる請求項１６に記載の回転子の駆動方法。
18. 回転軸部材と、
    前記回転軸部材を回転させるモータ装置と、を備え、
    前記モータ装置として、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のモータ装置が用いられるロボット装置。

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