JP5803294B2 - モーター、ロボットハンドおよびロボット - Google Patents

Description

本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。

圧電素子の振動によって被駆動体を駆動するモーターとしては、矩形平板状の圧電素子が、一体的に形成された突起を有する補強板に積層されたアクチュエーターを、補強板の突起を被駆動体に当接させて被駆動体を駆動するモーターが知られている（特許文献１）。この圧電アクチュエーターを備えるモーターでは、被駆動体に圧電アクチュエーターの補強板に有する突起を当接させるための付勢手段を備え、付勢手段により発生する付勢力による補強板の突起と被駆動手段との間の摩擦力が、補強板の略楕円の軌跡を描く突起の振動を被駆動手段へ伝え、被駆動手段を所定の方向へと駆動させるものであった。

特開２０１０−２３３３３５号公報

上述の特許文献１では、付勢手段は補強板の突起を被駆動手段の回転中心に向かって付勢するように、補強板を含む圧電アクチュエーターの両脇にばね部材を配置している。しかし、補強板の突起は略楕円の軌跡で動作するために、付勢力に対する被駆動体からの補強板の突起への反力は、被駆動手段の回転中心に向かう付勢力の方向に対して交差する方向に発生する。この付勢力の方向に交差する反力によって補強板の突起の動作が所望の楕円軌跡を描かなくなる、すなわちアクチュエーターの振動を被駆動手段の駆動力に変化する効率を低下させる要因となってしまう課題があった。

そこで、被駆動手段からのアクチュエーターへの反力が、アクチュエーターの振動を、被駆動手段の駆動力へ変換させることの障害とならない付勢手段によって、効率の良いモーターと、そのモーターを用いたロボットハンドおよびロボットを提供する。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例のモーターは、円柱状の回転面を有する被駆動手段と、前記被駆動手段の前記回転面に付勢する突起を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備え、前記被駆動手段の前記回転面と前記突起が接する接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、とした場合、前記回転面に対する前記突起の摩擦係数がμである場合、前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θは、
θ＞ｔａｎ^-1μ
であることを特徴とする。

本適用例のモーターによれば、θを上述の関係にすることにより、振動板の突起を被駆動手段の回転中心に向かわせないとする被駆動手段から振動板の突起に作用する反力の分力を抑制し、駆動手段としてのアクチュエーターに励起させる振動を高い効率で被駆動手段の回転力に変換することができる。

〔適用例２〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例のモーターを備える。

本適用例のロボットハンドは、自由度を多くし、多数のモーターを備えても、小型、軽量にすることができる。

〔適用例３〕本適用例のロボットは、上述の適用例のロボットハンドを備える。

本適用例のロボットは、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。

第１実施形態に係るモーターを示す分解斜視図。 第１実施形態に係るモーターを示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。 アクチュエーターの動作を説明する概略図。 アクチュエーターの動作と力の関係を説明する概略図。 その他の形態に係るモーターを示す平面図。 第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。 第３実施形態に係るロボットを示す外観図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
本実施形態に係るモーター１００を示す、図１は分解斜視図、図２（ａ）は組立平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´部の断面図である。図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、モーター１００は、基台１０に回転可能に固定される被駆動体２０と、基台１０に摺動可能に固定される支持体４０と、支持体４０を被駆動体２０側に付勢する付勢手段としてのコイルばね６０と、付勢される支持体４０に固定され振動によって被駆動体２０を駆動するアクチュエーター３０と、を備えている。

アクチュエーター３０は、電極が形成された矩形の圧電体からなる圧電素子３２，３３が、振動板３１を挟持するように貼り合わされて形成される。圧電素子３２，３３は圧電性を有する材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃＞、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）などが挙げられ、特にＰＺＴが好適に用いられる。また形成される電極は、Ａｕ，Ｔｉ，Ａｇなどの導電性金属を蒸着、スパッタリングなどにより成膜して形成することができる。振動板３１は、アクチュエーター３０として支持体４０に固定されコイルばね６０によって被駆動体２０へ付勢され、被駆動体２０と接する突起３１ａを端部に備えている。アクチュエーター３０は、振動板３１に形成された支持体４０へ装着するための装着部３１ｂの孔３１ｃを挿通し、支持体４０に形成された固定部４０ａのねじ孔４０ｂとねじ嵌合するねじ５０によって、支持体４０に固定される。

被駆動体２０は、円柱状の形状を成し、円柱面２０ａにアクチュエーター３０の突起３１ａがコイルばね６０によって付勢されて接触し、アクチュエーター３０の振動によって駆動される。また、図２（ｂ）に示すように被駆動体２０に固定された回転軸２１、および軸受け１２などから構成される回転手段により基台１０に固定される。回転軸２１の回転力は、回転軸２１に接続される図示されない減速あるいは増速装置２００を介して所望の回転数、あるいは出力トルクによって被駆動装置を駆動する。

支持体４０は、ガイド孔４０ｃを備え、基台１０に備えるガイドピン７０がガイド孔４０ｃに挿通され、支持体４０は基台１０に摺動可能に固定される。ガイド孔４０ｃの形状は、本実施形態ではトラック状の平面形状を成し、アクチュエーター３０の付勢方向に支持体４０が摺動可能となっており、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向ではガイドピン７０のガイド部外径よりわずかに大きくし、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向のガタ量を最小にする形状となっている。

また、支持体４０には付勢手段としてのコイルばね６０の一方の端部が、アクチュエーター３０を装着する２ヵ所の固定部４０ａにそれぞれ装着されている。コイルばね６０の他方の端部は基台１０に備えるばね装着部１１に装着され、支持体４０が被駆動体２０の方向に付勢される。支持体４０には、アクチュエーター３０の振動板３１の装着部３１ｂを支持体４０の固定部４０ａに載置し、固定部４０ａに設けたねじ孔４０ｂにねじ５０によってアクチュエーター３０が固定される。固定されたアクチュエーター３０の突起３１ａは、支持体４０を介して被駆動体２０に所定の力で付勢される。なお、付勢手段としてはコイルばね６０に限定されず、例えば、板ばね、弾性ゴムなどを用いても良い。

次にアクチュエーター３０の動作について図３を用いて説明する。図３（ａ），（ｂ）はアクチュエーター３０の振動動作を示す概略平面図である。図３（ａ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ｃ，３２ｄの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｍで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ１を描いて振動する。

また、図３（ｂ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ａ，３２ｅの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｎで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ２を描いて振動する。

上述のアクチュエーター３０の振動によって生じる突起３１ａの楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２が、付勢力によって被駆動体２０に付勢されて接触し、被駆動体２０を図示矢印ｓ１，ｓ２方向に駆動する。被駆動体２０が駆動されている状態において、アクチュエーター３０と、被駆動体２０と、付勢手段としてのコイルばね６０および支持体４０と、の関係について図４を用いて説明する。

図４（ａ）はアクチュエーター３０の突起３１ａと、突起３１ａが付勢されて接触する被駆動体２０の円柱面２０ａと、を模式図的に拡大した部分拡大図である。図４（ａ）に示すように、コイルばね６０によってアクチュエーター３０に被駆動体２０の回転中心方向に向けて付勢力Ｆが付与されている。すなわち、突起３１ａが付勢力Ｆで被駆動体２０の円柱面２０ａに接触している状態である。この状態において、上述した図３に示すアクチュエーター３０の屈曲振動、例えば図３（ｂ）に示す突起３１ａの楕円軌跡Ｓ２が描かれる形状Ｎの屈曲振動によって、被駆動体２０は図示矢印ｓ２の方向に回転駆動される。

ｓ２方向へ被駆動体２０を駆動させる駆動力は、突起３１ａが円柱面２０ａに対して与える駆動力ｆ_Nである。そして、駆動力ｆ_Nは円柱面２０ａと突起３１ａとの接触面の摩擦により付加された付勢力Ｆの摩擦力として発生させることができる。すなわち、円柱面２０ａと突起３１ａとの接触部の摩擦係数をμとした場合、駆動力ｆ_Nは次式で与えられる。
ｆ_N＝μＦ （１）

一方、アクチュエーター３０には、付勢力Ｆと駆動力ｆ_Nとの合成力ｆ_Cの反力ｆ_Rが突起３１ａに作用する。この合成力ｆ_Cの方向と、付勢力Ｆの方向とのなす角度αは次式で求められる。
α＝ｔａｎ^-1（ｆ_N／Ｆ） （２）

式（２）に式（１）を代入すると、
α＝ｔａｎ^-1（μＦ／Ｆ）＝ｔａｎ^-1μ （３）
となる。すなわち、反力ｆ_Rの方向である角度αは、被駆動体２０の円柱面２０ａと突起３１ａとの摩擦係数μによって求めることができ、次の条件になるようにすることが好ましい。

アクチュエーター３０の突起３１ａと、被駆動体２０の円柱面２０ａとの接点をＰ、コイルばね６０が支持体４０の固定部４０ａを付勢する付勢点をＱ_R，Ｑ_L（図２（ａ）参照）とした場合、接点Ｐと付勢点Ｑ_Rとを結ぶ線と、付勢方向とのなす角度をθとすると、
α＜θ （４）
とすることが好ましい。この式（４）に式（３）を代入すると、
θ＞ｔａｎ^-1μ （５）
となり、付勢手段としてのコイルばね６０の設置位置、すなわち付勢点Ｑ_Rを規定するθを規定することができる。

図４（ｂ）は、上述した式（４）の条件を満たした場合を模式図的に示した平面図である。図４（ｂ）に示すように、式（４）を満たしていることにより、反力ｆ_Rの作用する方向は、コイルばね６０の付勢点Ｑ_Rに対して距離ｄ１を以って付勢力Ｆの方向の線上側に離間していることにより付勢点Ｑ_Rを回転中心とする反力ｆ_Rによる図示矢印方向にモーメントＭ１がアクチュエーター３０に作用する。このモーメントＭ１は、反力ｆ_Rの分力である被駆動体２０の回転方向ｓ２に対する反力ｆ_N´とは逆方向に作用する。すなわち、図３（ｂ）で説明した、被駆動体２０をｓ２方向に回転させる楕円軌跡Ｓ２とは逆方向に作用する反力ｆ_N´を、モーメントＭ１により抑制することができるため、アクチュエーター３０に励起させる振動を高い効率で被駆動体２０の回転力に変換することができる。

一方、図４（ｃ）には、式（４）の条件を満たさない、すなわちα＞θの条件の場合を模式図的に示した平面図である。図４（ｃ）に示すように、式（４）の条件を満たさない、すなわちα＞θであることにより、反力ｆ_R´の作用する方向は、コイルばね６０の付勢点Ｑ_Rに対して距離ｄ２を以って、接点Ｐと付勢点Ｑ_Rとを結ぶ線に対して付勢力Ｆの方向の線上側とは反対の方向に離間していることにより付勢点Ｑ_Rを回転中心とする反力ｆ_R´による図示矢印方向にモーメントＭ２がアクチュエーター３０に作用する。このモーメントＭ２は、反力ｆ_R´の分力である被駆動体２０の回転方向ｓ２に対する反力ｆ_N´´と同じ方向に作用する。すなわち、図３（ｂ）で説明した、被駆動体２０をｓ２方向に回転させる楕円軌跡Ｓ２とは逆方向に作用する反力ｆ_N´´に加えて、モーメントＭ２により更に楕円軌跡Ｓ２とは逆方向に作用する力を発生させるため、アクチュエーター３０に励起させる振動を被駆動体２０の回転力に変換する効率を低下させてしまう。なお、図３（ａ）に示す楕円軌跡Ｓ１の場合であっても、上述と同様に、付勢点Ｑ_Rを図２に示す付勢点Ｑ_Lに置き換えるだけのため、説明は省略する。

上述した通り、式（４）の条件、すなわち式（５）の条件を満たすことで、アクチュエーター３０の振動を効率よく被駆動体２０の回転に変化することができる。ここで、式（５）における摩擦係数μについて、説明する。摩擦係数μは、アクチュエーター３０の屈曲振動を被駆動体２０に伝達するためには大きい方が好ましい。しかし、摩擦係数μが大きいとアクチュエーター３０の突起３１ａと被駆動体２０の円柱面２０ａとは、互いに磨耗しやすくなり、耐久性を低下させることとなる。表１に、被駆動体２０の材質とアクチュエーター３０の突起３１ａの材質による組合せにおける摩擦係数μを例示する。

表１に示す、例えば、組合せＤの場合には、大きな摩擦係数を得ることができるため、アクチュエーター３０の屈曲振動を効率よく被駆動体２０の駆動力に変換し、大きな駆動力を得ることができる。しかし、突起３１ａと円柱面２０ａとの接触部における磨耗の進行が早く、表面状態が変化してしまい、駆動力の変動を発生してしまう。また、例えば組合せＡにおいては、摩擦係数が小さいため、大きな駆動力は得られないが、磨耗が少なく長時間駆動における駆動力の変動が少ない、安定した駆動を実現することができる。従って、モーター１００の要求性能に応じて、最適な摩擦係数μが得られる被駆動体２０、アクチュエーター３０の材料を選択すればよい。以上、被駆動体２０、アクチュエーター３０の材料を選択し求められる摩擦係数μによって、付勢手段としてのコイルばね６０の付勢点Ｑ_R，Ｑ_Lを決定し、所定の駆動力を有するモーター１００を得ることができる。

また、図５（ａ），（ｂ）に示すような付勢手段の配置によって、式（４）あるいは式（５）におけるθを大きくすることができ、容易に図４、および式（４）あるいは式（５）に示すθの自由度を高めることができる。図５（ａ）に示すモーター１１０では、支持体４１の固定部４１ａが、アクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａに近い位置に配置、すなわちＣ寸法を、図２に示すモーター１００より小さくして配置されている。これにより図４に示すθに相当するθ´をより大きくすることができ、式（４）もしくは式（５）にけるθの自由度を拡大することができる。

また、図５（ｂ）に示すモーター１２０では、コイルばね６０の支持体４２の固定部４２ａに対する付勢点を、アクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａ位置より被駆動体２０に回転中心側のＣ´位置に配置した。このように配置することで、図４に示すαを決めるためのアクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａ部の材料、被駆動体２０の材料、コイルばね６０による付勢力、アクチュエーター３０Ａの配置位置、などに対する制約は大幅に緩和することができる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るモーター１００を備えたロボットハンド１０００を示す外観図である。ロボットハンド１０００は基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部１３００と、指部１２００の関節部１４００とには、モーター１００が組み込まれている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。

（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。

アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。

アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド接続部２３００が接続されており、ロボットハンド接続部２３００にロボットハンド１０００が取り付けられている。ロボットハンド接続部２３００にはロボットハンド１０００に回転動作を与えるモーター１００が内蔵され、ロボットハンド１０００は対象物を把持することができる。小型、軽量のロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。

１０…基台、２０…被駆動体、３０…アクチュエーター、４０…支持体、５０…ねじ、６０…コイルばね、７０…ガイドピン、１００…モーター。

Claims (5)

1. 回転面を有する被駆動部と、
   前記被駆動部の前記回転面に付勢する突起を有する振動板と、前記振動板に設けられた圧電体と、を有するアクチュエーターと、
   前記アクチュエーターを前記被駆動部に付勢する付勢手段と、を備え、
   前記被駆動部の前記回転面と前記突起が接する接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、とした場合、
   前記回転面に対する前記突起の摩擦係数がμである場合、
   前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θは、
   
   θ＞ｔａｎ−１μ
   である、
   ことを特徴とするモーター。
2. 前記付勢手段は、コイルばねである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモーター。
3. 前記摩擦係数は、０．２〜１．０である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモーター。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモーターを備えるロボットハンド。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモーターを備えるロボット。

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