JP6714815B2 - 駆動装置、およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置、およびこれを備えるロボットに関する。

従来、移動体の進行する方向に位置する障害物を検知し、その検知結果によって当該障害物を回避する障害物検知装置が知られている。例えば、特許文献１には、走行車体の駆動輪を駆動する駆動モーター（駆動装置）と、当該車体の外周に設けられている複数の送信用超音波センサーと、送信用超音波センサーと交互に配置された複数の受信用超音波センサーとを備えた障害物検知装置が開示されている。

特開２００３−３５７７４号公報

しかしながら、上述の特許文献１における障害物検知装置の場合、駆動装置としての駆動モーターに加えて、超音波を発信する送信用超音波センサーが別途設けられている構成であるため、装置の小型化・軽量化が困難であるという課題を有していた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る駆動装置は、振動部を有する圧電アクチュエーターを備えている駆動部と、前記駆動部からの駆動力により前記駆動部に対して相対的に移動する被駆動部と、前記振動部から発信される超音波信号を受信する受信部と、前記受信部からの出力信号により障害物の有無を判断する判断部と、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、駆動部に備えられた圧電アクチュエーターの振動部から超音波信号が発信され、受信された超音波信号に基づいて受信部から出力された出力信号により判断部が障害物の有無を判断する。このように、被駆動部を移動させる駆動部には超音波信号を発信する振動部が備えられている。換言すれば、駆動部と超音波信号を発信する振動部とが一体的に構成されているため、駆動装置の小型化・軽量化を実現することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の駆動装置において、前記受信部で受信した前記超音波信号の状態を記憶する記憶部を備え前記記憶部は、前記障害物の無い場合に受信した前記超音波信号を、基準超音波信号として記憶し、前記判断部は、前記記憶部に記憶されている前記基準超音波信号の状態と、前記被駆動部の移動中に前記受信部が受信した前記超音波信号に基づく前記受信部からの出力信号の状態とに変化を生じた場合に、前記障害物が存在すると判断し、判断信号を出力することが好ましい。

本適用例によれば、記憶部に記憶されている障害物の無い場合の超音波信号である基準超音波信号の状態と、被駆動部の移動中に受信部から出力される超音波信号の状態との変化によって障害物が存在すると判断し、判断信号を出力する。このように、簡便な方法によって、容易に障害物の有無を判断することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の駆動装置において、前記圧電アクチュエーターへ供給する電力を制御する電力制御部を備え、前記電力制御部は、前記判断部から出力された前記判断信号により、前記圧電アクチュエーターへ供給する電力を制御することが好ましい。

本適用例によれば、判断部から出力された判断信号によって電力制御部が圧電アクチュエーターへ供給する電力を制御することにより、駆動部（被駆動部）の駆動状態を容易に制御することができる。

［適用例４］上記適用例に記載の駆動装置において、前記圧電アクチュエーターは、複数配置されていることが好ましい。

本適用例によれば、複数の圧電アクチュエーターが、円周状に配置され、それぞれの圧電アクチュエーターから超音波信号が発信される。これにより、障害物の存在する位置（方向）を精度よく検知することができる。

［適用例５］本適用例に係るロボットは、支持部と、前記支持部に接続されている関節部と、前記支持部に前記関節部を介して接続され、前記支持部に対して相対移動可能な第１アームと、適用例１ないし適用例４のいずれか一項に記載の駆動装置と、を備え、前記関節部に、前記駆動装置の前記圧電アクチュエーターが備えられていることを特徴とする。

本適用例によれば関節部に、駆動装置の圧電アクチュエーターが備えられていることにより、関節部を介して移動する第１アームを備えたロボットを大型化することなく実現することができる。

［適用例６］上記適用例に記載のロボットにおいて、第２アームを備え、前記第２アームは、前記支持部と前記第１アームとの間に位置し、前記支持部および前記第１アームのそれぞれと、前記関節部を介して接続されていることが好ましい。

本適用例によれば、複数の関節部を備えており、それぞれに超音波信号の発信源を兼ねる圧電アクチュエーター（振動部）を有していることから、複数位置を起点として複数方向の障害物の検知を行うことができる。

［適用例７］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記圧電アクチュエーターよりも先端側に位置する前記第１アームに、前記駆動装置の前記受信部が設けられていることが好ましい。

本適用例によれば、圧電アクチュエーターよりも先端側に位置する第１アームに受信部が設けられていることから、第１アームの可動範囲内の障害物に近い位置で超音波信号を受信することができる。これにより、障害物の有無による超音波信号の変化を、より精度よく検知することができる。

［適用例８］上記適用例に記載のロボットにおいて、アーム制御部を備え、前記アーム制御部は、前記第１アームの可動範囲内に前記障害物が有ると前記駆動装置の前記判断部が判断したときに、前記第１アームと前記障害物との衝突を回避するための制御を行うことが好ましい。

本適用例によれば、駆動装置の判断部の判断に基づくアーム制御部の制御により、第１アームの可動範囲内に障害物が有る場合は、第１アームと障害物との衝突を回避することができる。

第１実施形態に係る駆動装置の概略を示す説明図。 圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図。 圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図。 圧電アクチュエーターの動作を示す説明図。 圧電アクチュエーターの動作を示す説明図。 圧電アクチュエーターの駆動波形および超音波信号波形の一例を示す説明図。 第１実施形態に係る駆動装置の障害物の検出手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る駆動装置の概略を示す平面図。 図６Ａに示すＰ視からの側面図。 第３実施形態に係る圧電モーターの動作を示す説明図。 圧電アクチュエーターを用いたロボットの一実施形態としてロボットアームを有するロボットを示す説明図。 エンドエフェクターが取り付けられたロボットアームの手首部分を拡大して示す説明図。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る駆動装置を、図１〜図５を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る駆動装置の概略を示す説明図である。図１に示す駆動装置１０は、駆動部２０と、被駆動部３０と、受信部としての超音波受信部４０と、制御部５０と、を備えている。なお、図１において、駆動部２０と被駆動部３０との配置関係を示すため、図１紙面の左右方向をＸ方向、紙面の上下方向をＹ方向、紙面に垂直方向をＺ方向とする。これらの方向は、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、および図３Ｂも同様である。

駆動部２０は、被駆動部３０を移動させる駆動力を発生する圧電アクチュエーター２２を有している。被駆動部３０は、Ｘ方向に沿って延びるリニアガイド３２に取り付けられて直線状の移動方向Ｄｍ（Ｘ方向）に沿って移動可能に設けられている。受信部としての超音波受信部４０は、被駆動部３０の基準位置、本例では、移動方向Ｄｍの左側の端部に、駆動部２０と反対側を向くように取り付けられている。制御部５０は、駆動部２０や超音波受信部４０と接続され、駆動部２０の有している圧電アクチュエーター２２の動作を制御する。

図２Ａおよび図２Ｂを参照して、駆動部２０の有する圧電アクチュエーター２２について説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、圧電アクチュエーター２２の一例を示す概略平面図である。図２Ａは、圧電アクチュエーター２２の一方の平面（図１の紙面手前側の平面）を示しており、図２Ｂは、図２Ａの一方の平面側から透視した状態で他方の平面を示している。

圧電アクチュエーター２２は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、矩形状の振動板（振動部）Ｐｄの両面にそれぞれ面対称に設けられた５つの圧電素子（圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬ）を備えている。５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬは、それぞれ、圧電体と、圧電体を挟持する２つの電極と、で構成されている。５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬのうち、振動板Ｐｄの短手（幅）方向（Ｘ方向）の中央にある第１の圧電素子ＰＬは、振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）のほぼ全体に亘る長方形の平面形状を有している。他の４つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２は、第１の圧電素子ＰＬを挟んで振動板Ｐｄの四隅方向の位置に配置され、同一の長方形の平面形状を有している。４つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２のうち、第１の対角にある一対の第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２は圧電体を挟む電極同士が電気的に接続されて一体の圧電素子として機能する。第２の対角にある一対の第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２も同様である。

図３Ａおよび図３Ｂを参照して、圧電アクチュエーター２２の動作について説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、圧電アクチュエーター２２の動作を示す説明図である。図３Ａに示すように、第１の圧電素子ＰＬは、駆動回路５４から供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）に沿った縦振動を発生する。図３Ｂに示すように、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２は、駆動回路５４から供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの短手方向（Ｘ方向）に屈曲する屈曲振動を発生する。第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２も同様である。したがって、圧電アクチュエーター２２は、第１の圧電素子ＰＬ、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２によって、ＸＹ平面に沿った面内方向での超音波振動（超音波信号Ｓｕ：図１参照）を発生させる。なお、以下の説明において、第１の圧電素子ＰＬ、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２、および、振動板Ｐｄを、「振動体」とも呼ぶ。

圧電アクチュエーター２２には、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、振動板Ｐｄの両側の長辺の中央部に、それぞれ固定部Ｆｃが設けられている。圧電アクチュエーター２２は、固定部Ｆｃをネジ等によって不図示の固定枠に固定することによって駆動部２０内に固定される。

また、圧電アクチュエーター２２には、振動板Ｐｄの一方の短辺の中央部に突起部ＰＳが設けられている。圧電アクチュエーター２２は、図１に示すように、突起部ＰＳを被駆動部３０に接触させることが可能なように、突起部ＰＳを被駆動部３０に向けて配置されている。

圧電アクチュエーター２２は、上記した縦振動と屈曲振動との組み合わせにより、突起部ＰＳを圧電アクチュエーター２２のＸＹ平面に沿った面内方向において楕円の軌道で運動させて被駆動部３０を摺動する。この摺動により発生する駆動力によって、圧電アクチュエーター２２は、被駆動部３０を直線状の移動方向Ｄｍ（Ｘ方向）に、駆動部２０に対して相対的に移動させる。なお、被駆動部３０を駆動する際に圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬに供給される駆動信号の周波数は、振動体の共振周波数あるいはその近傍周波数（以下、単に「共振周波数」と呼ぶ）に設定される。本形態では、振動体の共振周波数は、１ＭＨｚ（メガヘルツ）程度に設定されている。

受信部としての超音波受信部４０は、圧電アクチュエーター２２の振動によって圧電アクチュエーター２２から発信されて空中を伝播する超音波信号Ｓｕを受信する。超音波受信部４０には、圧電アクチュエーター２２から発信される共振周波数の超音波信号Ｓｕを受信可能な受波器が用いられる。超音波受信部４０は、被駆動部３０の基準位置、本例では、移動方向Ｄｍの左側の端部、即ち被駆動部３０の駆動部２０と反対側の端部に位置し、駆動部２０と反対側を向くように取り付けられている。障害物Ｈが存在する場合の超音波信号Ｓｕは、障害物Ｈから反射される反射波Ｒｓｕを受信することにより、障害物Ｈの無い場合の超音波信号Ｓｕと異なる状態となる。したがって、障害物Ｈが存在する場合、超音波受信部４０は、障害物Ｈの無い場合と異なる状態の超音波信号Ｓｕを受信することになる。超音波受信部４０は、受信した音波信号Ｓｕの状態に基づいた出力信号を、後述する超音波検出回路５６に出力する。

制御部５０は、駆動部２０や超音波受信部４０と接続されている。制御部５０は、判断部５１および電力制御部５５を含む制御回路５２と、記憶部５３と、駆動回路５４と、超音波検出回路５６と、を備え、駆動部２０の有する圧電アクチュエーター２２の動作を制御する。

駆動回路５４は、制御回路５２の制御に従って通常の駆動動作のための駆動信号と、障害物Ｈの有無を検知するための超音波信号Ｓｕとを出力可能に構成されている。ここで、図４を参照して、駆動回路５４の出力する圧電アクチュエーター２２の駆動波形および超音波信号波形の一例について説明する。図４は、圧電アクチュエーター２２の駆動波形および超音波信号波形の一例を示す説明図である。図４に示すように、通常の駆動動作において、駆動回路５４は、圧電アクチュエーター２２が上記した駆動動作によって被駆動部３０を移動させる駆動信号Ｓｅを出力する。障害物Ｈの有無を検知するための超音波信号Ｓｕは、この駆動信号Ｓｅによって、空中を伝播する信号として圧電アクチュエーター２２から発信される。

なお、超音波信号Ｓｕは、駆動信号Ｓｅの周期と異なる周期で発信することができる。例えば、超音波信号Ｓｕは、図４に示すように、駆動信号Ｓｅにピーク波Ｓｐを重畳させ、このピーク波Ｓｐに基づいて発生した超音波振動によって発信される信号とすることができる。このようなピーク波Ｓｐによって超音波信号Ｓｕを出力することにより、圧電アクチュエーター２２が複数設けられている構成においても、複数の圧電アクチュエーター２２の超音波信号Ｓｕの出力タイミングを、それぞれ異ならせることが可能となり、圧電アクチュエーター２２ごとの超音波信号Ｓｕを区別・判別することが可能となる。これにより、障害物Ｈの有無の検知とともに、被駆動部３０に対する障害物の存在方向などを検知することが可能となる。

超音波検出回路５６は、超音波受信部４０で受信した超音波信号Ｓｕによって得られた出力信号に基づいて超音波検出信号を生成し、生成した超音波検出信号を記憶部５３および制御回路５２に出力する。

記憶部５３は、超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号を受信し、超音波信号Ｓｕの状態として記憶する。記憶部５３は、例えば、試行などによって得られた障害物Ｈの無い場合の超音波信号Ｓｕを、基準超音波信号として記憶することができる。また、記憶部５３は、駆動装置１０において、繰り返し行われる通常の駆動動作状態における超音波信号Ｓｕを連続して記憶し、平均値化などの処理を行うことにより基準超音波信号を求めて記憶することができる。

制御回路５２は、超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号を受信し、障害物Ｈの有無を判断して圧電アクチュエーター２２の駆動を制御する。制御回路５２は、障害物Ｈの有無を判断する判断部５１と、圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御する電力制御部５５とを備えている。

判断部５１は、超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号、および記憶部５３に記憶されている超音波信号Ｓｕの状態や基準超音波信号によって、被駆動部３０の可動領域内に障害物Ｈが有るか否か（有無）を判断し、電力制御部５５に判断信号を出力する。判断部５１は、例えば繰り返し行われる通常の駆動動作状態における超音波信号Ｓｕの状態を時系列的に読み取り、予め設定された閾値を超える変化を生じた場合に、障害物Ｈが存在すると判断し、判断信号を出力することができる。

また、判断部５１は、例えば記憶部５３に記憶されている基準超音波信号の状態と、被駆動部３０の移動中（可動中）に超音波受信部４０から出力される超音波信号Ｓｕの状態によって超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号とを比較する。そして、判断部５１は、基準超音波信号の状態と超音波信号Ｓｕの状態とに変化を生じた場合に、障害物Ｈが存在すると判断し、判断信号を出力することができる。なお、基準超音波信号の状態と超音波信号Ｓｕの状態との変化は、例えば、その差が予め設定された閾値を超えた場合に変化を生じたと判断することができる。

判断部５１が、このような比較を行うことによって障害物Ｈの有無を判断することにより、簡便な方法で、容易に外乱などによる超音波信号Ｓｕのばらつきを排除することができ、障害物Ｈの有無の判断を高精度で行うことができる。

電力制御部５５は、圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御する。電力制御部５５は、圧電アクチュエーター２２へ所定の電力を供給し、供給された電力によって圧電アクチュエーター２２が振動することによって、駆動部２０と被駆動部３０とが相対的に移動し、被駆動部３０を移動方向Ｄｍに移動させることができる。このように、電力制御部５５は、駆動部２０と被駆動部３０との相対位置や例えば移動スピードなどの移動状態を制御することができる。電力制御部５５は、判断部５１から出力された判断信号により、圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御し、圧電アクチュエーター２２の移動状態を制御する。ここで、圧電アクチュエーター２２の移動状態とは、移動スピードを速めたり遅くしたりする、もしくは、移動を停止したり開始したりすることなどを含んでいる。

例えば、電力制御部５５は、判断部５１から出力された判断信号により、障害物Ｈが有りそうだと判断した場合には、圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を小さくし、圧電アクチュエーター２２によって駆動される被駆動部３０の移動スピードを遅くする。そして、さらに継続して判断部５１が障害物Ｈの存在を判断している場合は、圧電アクチュエーター２２への電力の供給を停止し、圧電アクチュエーター２２を停止する。これにより、被駆動部３０の移動を停止することができる。このように、障害物Ｈの存在を覚知した場合に、先ず被駆動部３０の移動スピードを減速し、その後停止させることによって、被駆動部３０を停止させる際の慣性衝撃を減少させることができ、急停止などによって駆動装置１０の受けるダメージを少なくすることができる。

このように、判断部５１から出力された判断信号によって電力制御部５５が圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御することにより、駆動部２０の駆動状態、即ち被駆動部３０の移動スピード、移動停止など、被駆動部３０の移動状態を容易に制御することができる。

次に、図５を参照して、駆動装置１０における障害物Ｈの検出手順について説明する。図５は、第１実施形態に係る駆動装置１０の障害物Ｈを検出する手順の概要を示すフローチャートである。なお、以下では、上述にて図１〜図４を参照して説明した駆動装置１０の構成と同符号を用いて説明する。また、以下では、基準超音波信号の求め方の一例として、試行を行った場合の手順を示して説明する。

先ず、制御回路５２（電力制御部５５）によって制御され、供給される電力によって駆動された圧電アクチュエーター２２によって駆動部２０を駆動し、被駆動部３０の移動を行う（ステップＳ１０１）。このとき、圧電アクチュエーター２２から発信された超音波信号Ｓｕは、超音波受信部４０によって受信されている。

次に、制御回路５２は、駆動部２０の駆動による被駆動部３０の移動が、基準超音波信号を求めるための試行であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ここで制御回路５２が「試行である」と判定した場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）に、記憶部５３は、試行によって得られた障害物Ｈの無い場合の超音波信号Ｓｕを、基準超音波信号として記憶する（ステップＳ１０５）。なお、制御回路５２が「試行でない」と判定した場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）は、基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕに基づき超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号の状態とを比較する工程（ステップＳ１０７）に移行する。

次に、制御回路５２は、記憶部５３に記憶された基準超音波信号を読み出し、その基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕに基づき超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号の状態とを比較する（ステップＳ１０７）。

次に、制御回路５２は、前述の比較によって、基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕに基づき超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号の状態とに差が有るか否かを判定する（ステップＳ１０９）。なお、基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕの状態との差の有無については、例えば、予め設定された閾値を超える変化を生じたか否かによって判定することができる。ここで、基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕに基づき超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号とに差がある、即ち被駆動部３０の可動領域内に「障害物Ｈが有る」と判断部５１が判断した場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）は、障害物対処処理工程（ステップＳ１１１）に移行する。

なお、基準超音波信号の状態と、現在受信している超音波信号Ｓｕに基づき超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号とに差が無い、即ち被駆動部３０の可動領域内には「障害物Ｈが無い」と判断部５１が判断した場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）は、被駆動部３０の移動を行う工程（ステップＳ１０１）に戻り、一連の手順を繰り返す。この場合、被駆動部３０は、制御回路５２（電力制御部５５）によって制御、供給される電力によって駆動された圧電アクチュエーター２２によって駆動部２０が駆動されることによって駆動される。

障害物対処処理工程（ステップＳ１１１）では、判断部５１から出力された判断信号により、電力制御部５５の圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御し、圧電アクチュエーター２２の移動状態を制御する。具体的な障害物対処処理の一例について、以下に説明する。電力制御部５５は、判断部５１から出力された判断信号により、「障害物Ｈが有りそうだ」と判断した場合には、先ず圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を低減させ、圧電アクチュエーター２２によって駆動される被駆動部３０の移動スピードを遅くする。そして、さらに継続して判断部５１が、「障害物Ｈが有る」と判断している場合は、圧電アクチュエーター２２への電力の供給を停止し、圧電アクチュエーター２２の動作を停止させることにより、被駆動部３０の移動を停止する。このように、障害物対処処理工程（ステップＳ１１１）では、障害物Ｈの存在を覚知した場合に、先ず被駆動部３０の移動スピードを減速し、その後停止させることによって、被駆動部３０を停止させる際の慣性衝撃を減少させるなどの障害物対処処理を行う。

なお、上述では、基準超音波信号の求め方の一例として、試行の工程が設けられ、試行であるか否かを判定する工程（ステップＳ１０３）を有する場合の手順を示して説明したがこれに限らない。基準超音波信号は、駆動装置１０において、繰り返し行われる通常の駆動動作状態における超音波信号Ｓｕを連続して記憶し、平均値化などの処理を行うことにより基準超音波信号を求めてもよい。この場合、試行であるか否かを判定する工程（ステップＳ１０３）では、判定がＮｏとなる。

また、上述では、被駆動部３０を移動させる駆動部２０を単数設ける構成を例示して説明したが、駆動部２０の配置個数は、複数であってもよい。駆動部２０の配置個数を複数とすることにより、駆動力を大きくすることができ、より大きな被駆動部３０を駆動することが可能となる。

以上説明したように、第１実施形態の駆動装置１０では、被駆動部３０を駆動する駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号Ｓｕの送波器として利用することにより、以下のような効果を奏することができる。

（１）駆動装置１０では、駆動部２０に備えられた圧電アクチュエーター２２の振動部から超音波信号Ｓｕが発信され、受信部としての超音波受信部４０で受信された超音波信号Ｓｕに基づいて超音波受信部４０から出力された出力信号により超音波検出回路５６から出力された超音波検出信号により判断部５１が障害物Ｈの有無を判断する。このように、被駆動部３０を移動させる駆動部２０のうちに超音波信号Ｓｕを発信する振動部としての振動板Ｐｄ（圧電アクチュエーター２２）が備えられている。換言すれば、駆動部２０と超音波信号Ｓｕを発信する振動板Ｐｄとが一体的に構成されているため、駆動装置１０の小型化・軽量化を実現することができる。

（２）また、駆動装置１０では、判断部５１が、記憶部５３に記憶されている障害物Ｈの無い場合の超音波信号Ｓｕである基準超音波信号の状態と、被駆動部３０の移動中の超音波信号の状態とを比較し、その変化によって障害物Ｈが存在すると判断し、判断信号を出力する。このように、簡便な方法によって、容易に障害物Ｈの有無を判断することができる。

（３）また、駆動装置１０では、判断部５１から出力された判断信号によって電力制御部５５が圧電アクチュエーター２２へ供給する電力を制御することにより、駆動部２０（被駆動部３０）の駆動状態、換言すれば移動スピードの加減などを容易に制御することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る駆動装置を、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、第２実施形態に係る駆動装置の概略を示す説明図であり、図６Ａは駆動装置の概略を示す平面図、図６Ｂは図６Ａに示すＰ視からの側面図である。なお、図６Ａおよび図６Ｂに示す第２実施形態に係る駆動装置１００は、第１実施形態に係る駆動装置１０と同じく、駆動部２０と、被駆動部１３０と、受信部としての超音波受信部１４０，１４０ａと、図１に示す制御部５０（不図示）と、を備えている。なお、制御部５０の構成・動作・障害物Ｈの検出手順は同様であるため、ここでの図示および説明を省略する。

第２実施形態に係る駆動装置１００は、第１実施形態の駆動装置１０（図１参照）と比し、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、圧電アクチュエーター２２を含む駆動部２０によって駆動される被駆動部１３０が、回転軸１３４を中心軸として回転移動する点が異なっている。第２実施形態に係る駆動装置１００は、ベース部１３３に固定された円筒状の本体部１３２と、本体部１３２と相対的に回転移動する被駆動部１３０とを備えている。そして、本体部１３２には、駆動部２０および超音波受信部１４０ａが備えられている。

駆動部２０は、駆動力を発生する複数の圧電アクチュエーター２２を有している。駆動部２０は、複数の圧電アクチュエーター２２の駆動力によって、被駆動部１３０を回転移動させる。このように、本実施形態の駆動部２０は、圧電アクチュエーター２２を用いた回転駆動装置としての機能を有している。

本実施形態での圧電アクチュエーター２２は、複数配置されている。複数の圧電アクチュエーター２２は、円筒状の本体部１３２の外周に沿って配置され、突起部Ｐｓが被駆動部１３０に向くように、本体部１３２の外周に複数（本形態では、八つ（８個））が、ほぼ等間隔で取り付けられている。そして複数の圧電アクチュエーター２２の駆動力により、被駆動部１３０を回転移動させる。このように、複数の圧電アクチュエーター２２が、円周状に配置され、それぞれの圧電アクチュエーター２２から超音波信号Ｓｕが発信される。これにより、障害物Ｈの存在する位置（方向）を精度よく検知することができる。また、複数の圧電アクチュエーター２２を用いているため、より大きな駆動力（本形態では回転力）を得ることができる。なお、圧電アクチュエーター２２の配置は、必ずしも等間隔である必要はなく、任意の位置に配置することができる。

第２実施形態の圧電アクチュエーター２２について説明する。第２実施形態の圧電アクチュエーター２２は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明した第１実施形態と同様であり、矩形状の振動板（振動部）Ｐｄの両面にそれぞれ面対称に設けられた５つの圧電素子（圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬ）を備えている。なお、第２実施形態の圧電アクチュエーター２２の構成は、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。

図３Ａおよび図３Ｂを参照して第１実施形態で説明したように、第１の圧電素子ＰＬは、駆動回路５４（図１参照）から供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）に沿った縦振動を発生する。第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２は、駆動回路５４（図１参照）から供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの短手方向（Ｘ方向）に屈曲する屈曲振動を発生する。第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２も同様である。したがって、圧電アクチュエーター２２は、第１の圧電素子ＰＬ、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２によって、ＸＹ平面に沿った面内方向での超音波振動（超音波信号Ｓｕ：図６Ａ参照）を発生させることができる。

第２実施形態の圧電アクチュエーター２２は、被駆動部１３０を回転移動させることができる。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、圧電アクチュエーター２２の突起部ＰＳは、被駆動部１３０の一方板面の外周部に接触している。そして、圧電アクチュエーター２２は、図３Ａおよび図３Ｂを参照して第１実施形態で説明したように、第１の圧電素子ＰＬにおける縦振動と、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、および第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２における屈曲振動との組み合わせにより、突起部ＰＳを圧電アクチュエーター２２のＸＹ平面に沿った面内方向において楕円の軌道で運動させて被駆動部１３０を摺動する。この摺動により発生する駆動力によって、圧電アクチュエーター２２は、被駆動部１３０を、被駆動部１３０の中心部に位置する回転軸１３４回りに所定の方向に回転移動させることができる。以上のように、圧電アクチュエーター２２を、回転駆動源として用いることが可能である。

被駆動部１３０は、被駆動部１３０に固定された回転アーム１３１を含み、円筒状の本体部１３２の中心部に設けられた回転軸１３４に取り付けられて、円周状に回転移動する移動方向Ｒｍに沿って移動可能に設けられている。被駆動部１３０に固定された回転アーム１３１は、駆動部２０の回転移動に連れて移動し、移動方向Ｒｍに沿った円周状の回転移動を行うことができる。

受信部としての超音波受信部１４０は、被駆動部１３０の基準位置、本例では、回転移動の先端に近似する回転アーム１３１の先端部に、回転方向の両側に一つずつ取り付けられている。二つの超音波受信部１４０は、回転移動する移動方向Ｒｍの両方向に一つずつ向くように配置されている。このように超音波受信部１４０を配置することにより、両側の移動方向の障害物Ｈを捕捉することが可能となる。さらに、受信部としての超音波受信部１４０ａは、円筒状の本体部１３２の外周に沿って配置され、外側を向くように本体部１３２の外周に複数（本形態では、四つ（４個））が、ほぼ等間隔で取り付けられている。このように、複数の超音波受信部１４０ａが、円周状に配置されていることから、全方向からの超音波信号Ｓｕ（反射波Ｒｓｕ）を、効率よく受信することができる。なお、本実施形態の構成では、超音波受信部１４０，１４０ａを、回転アーム１３１の先端部と、本体部１３２の外周との両方に設ける構成例で説明したが、回転アーム１３１の先端部、および本体部１３２の外周のいずれかに設ける構成でもよい。

以上説明したように、第２実施形態の駆動装置１００では、被駆動部１３０を回転させる駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号Ｓｕの送波器として利用している。加えて上述の構成を用いることにより、第１実施形態の効果に加え、第２実施形態の駆動装置１００では、次のような効果を奏することができる。

（１）第２実施形態の駆動装置１００によれば、複数の圧電アクチュエーター２２が、円筒状の本体部１３２の外周に沿って配置され、複数の圧電アクチュエーター２２の駆動力により、被駆動部１３０を回転移動させる。このように、複数の圧電アクチュエーター２２が、円周状に配置され、それぞれの圧電アクチュエーター２２から超音波信号Ｓｕが発信される。これにより、障害物Ｈの存在する位置（方向）を精度よく検知することができる。また、複数の圧電アクチュエーター２２を用いているため、より大きな駆動力（本形態では回転力）を得ることができる。

（２）また、複数の超音波受信部１４０ａが、円周状に配置されていることから、全方向からの超音波信号Ｓｕ（反射波Ｒｓｕ）を、効率よく受信することができる。また、超音波信号Ｓｕの異常状態を検知した超音波受信部１４０ａを特定することにより、障害物Ｈの存在位置を覚知することができる。

（第３実施形態）
以下、図７を参照して圧電アクチュエーター２２を用いた圧電モーター２００について説明する。なお、図７は、第３実施形態に係る圧電モーター２００の動作を示す説明図である。また、図７では、圧電アクチュエーター２２をネジ等によって不図示の固定枠に固定する固定部Ｆｃについては、図示の都合上、省略している。

第３実施形態に係る圧電モーター２００は、前述した圧電アクチュエーター２２を備えている。圧電アクチュエーター２２は、被駆動部としてのローター２３０を回転移動させる機能を有している。図７に示すように、圧電アクチュエーター２２の突起部ＰＳは、被駆動部としてのローター２３０の外周に接触している。図７に示す例では、２つの第１の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２の矢印Ｓの方向への伸縮に応じて、振動板Ｐｄが振動板Ｐｄの平面内で屈曲振動し、これに応じて、突起部ＰＳの先端が矢印Ｑの向きに往復運動するか、または、楕円運動する。その結果、ローター２３０は、その中心に位置する回転軸２３４の周りに所定の方向Ｒ（図７では時計回り方向）に回転する。なお、２つの第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２（図１参照）に交流電圧または脈流電圧を印加する場合には、ローター２３０は逆方向に回転する。なお、図４Ａを用いて説明したように、中央に位置する第１の圧電素子ＰＬの伸縮に応じて、圧電アクチュエーター２２が長手方向に伸縮するので、突起部ＰＳからローター２３０に与える力をより大きくすることが可能である。

第３実施形態に係る圧電モーター２００によれば、以上のように、圧電アクチュエーター２２を回転駆動源として用いることができ、より小型の圧電モーター２００を提供することができる。

なお、第１実施形態の駆動装置１０では、固定された駆動部２０に対して被駆動部３０が移動方向Ｄｍに沿って移動する構成を例に説明したが、被駆動部３０が固定され、駆動部２０が被駆動部３０に対して移動方向Ｄｍに沿って移動する構成としてもよい。また、第２実施形態の駆動装置１００では、本体部１３２に固定された駆動部２０に対して被駆動部１３０が移動方向Ｒｍに沿って移動する構成を例に説明したが、被駆動部１３０が固定され、駆動部２０が被駆動部１３０に対して移動方向Ｒｍに沿って移動する構成としてもよい。

また、上述した圧電アクチュエーター２２（図２Ａ、および図２Ｂ参照）の構造に限定されるものではなく、圧電素子を用いた種々の圧電アクチュエーターを利用することができる。

（第４実施形態）
上述した圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）は、共振を利用することで被駆動部３０，１３０に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）は、例えば、ロボット（電子部品搬送装置（ＩＣハンドラー）も含む）、ハンド（指アシスト装置を含む）、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置（例えば紙送り機構）等の各種の機器における駆動装置として用いることができる。以下、代表的な実施の形態としてのロボットについて説明する。

以下、上述した圧電アクチュエーター２２を圧電モーターとして利用したロボットについて、図８および図９を参照して説明する。図８は、圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）を用いたロボットの一実施形態としてロボットアームを有するロボットを示す説明図である。図９は、エンドエフェクターが取り付けられたロボットアームの手首部分を拡大して示す説明図である。

図８に示すように、ロボット２０００は、第１アーム２１００および第２アーム２２００を少なくとも有するアーム部と、第１アーム２１００の先端に取り付けられるエンドエフェクターとしてのロボットハンド３０００と、を備えている。

アーム部（「腕部」とも呼ぶ）は、複数本のリンク部２０１２（「リンク部材」とも呼ぶ）と、それらリンク部２０１２の間を回動または屈曲可能な状態で接続する複数の関節部２０２０と、支持部としての基台２０１０と、を有している。なお、第１アーム２１００は、支持部としての基台２０１０に、基台２０１０に接続された関節部２０２０を介して接続され、基台２０１０に対して相対移動可能である。

また、第２アーム２２００は、基台２０１０と第１アーム２１００との間に位置し、基台２０１０および第１アーム２１００のそれぞれと、関節部２０２０を介して接続されている。なお、第２アーム２２００は、基台２０１０および第１アーム２１００のそれぞれと相対移動可能である。

それぞれの関節部２０２０には、各回動軸Ｘ１〜Ｘ６について、それぞれ上述した圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）が内蔵されており、圧電アクチュエーター２２を用いて関節部２０２０を各回動軸Ｘ１〜Ｘ６の周りに任意の角度さけ回動または屈曲させることが可能である。なお、図８には、回動軸Ｘ５に対して上述した圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）が設けられている例が示されている。

第１アーム２１００の先端には、ロボットハンド３０００が接続されている。ロボットハンド３０００は、一対の把持部３００３を備えている。ロボットハンド３０００にも上述した圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）が内蔵されており、圧電アクチュエーター２２を用いて把持部３００３を開閉して物を把持することが可能である。なお、第１アーム２１００の先端には、図示されない受信部としての超音波受信部（図１に示す超音波受信部４０）が配設されている。換言すれば、図示されない受信部としての超音波受信部は、第１アーム２１００を回転駆動させる圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）よりも先端側に設けられている。

このように、圧電アクチュエーター２２よりも先端側に位置する第１アーム２１００に受信部としての超音波受信部が設けられていることから、第１アーム２１００の可動範囲内の障害物Ｈ（図１参照）に近い位置で超音波信号Ｓｕ（図１参照）を受信することができる。これにより、障害物Ｈの有無による超音波信号Ｓｕの変化を、より精度よく検知することができる。

また、ロボット２０００は、図示しないアーム制御部を備えている。アーム制御部は、圧電アクチュエーター２２から発信された超音波信号Ｓｕの状態を、第１アームの先端部に設けられた受信部としての超音波受信部（不図示）が受信することによって、第１アーム２１００の可動範囲内に障害物Ｈ（図１参照）が有るか否かを検知し、第１アーム２１００と障害物Ｈとの衝突を回避するための制御を行う。具体的にアーム制御部は、図１に示す駆動装置１０の判断部５１が第１アーム２１００の可動範囲内に障害物Ｈが有ると判断したときには、第１アーム２１００と障害物Ｈとの衝突を回避するため、第１アーム２１００の移動スピードを遅くしたり、第１アーム２１００の移動を停止したりする。

上述のようなアーム制御部の制御により、第１アームの２１００の可動範囲内に障害物Ｈが有る場合に、第１アーム２１００と障害物Ｈとの衝突を回避することができる。また、衝突の回避動作において、第１アーム２１００の動作を、例えば移動スピードを急減速させたり急停止させたりするなど急激に変化させることを抑制することが可能となり、ロボット２０００への負荷を減少させることが可能となる。

図９は、図８に示したロボット２０００のロボットハンド３０００を含む手首部分の説明図である。手首の関節部２０２０は、手首回動部２０２２を挟持しており、手首回動部２０２２に手首のリンク部２０１２が、手首回動部２０２２の回動軸Ｘ６周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部２０２２は、上述した駆動装置１００（図６Ａ、図６Ｂ参照）の複数の圧電アクチュエーター２２が内蔵されており、手首のリンク部２０１２には、図６Ａ、図６Ｂに示されている駆動装置１００および被駆動部１３０に相当する駆動装置１００と、駆動装置１００の被駆動部１３０とを備えている。駆動装置１００は、手首のリンク部２０１２およびロボットハンド３０００を回動軸Ｘ６周りに回動させる。ロボットハンド３０００には、複数本の把持部３００３が立設されている。把持部３００３の基端部はロボットハンド３０００内で移動可能となっており、この把持部３００３の根元の部分に駆動装置１０（図１参照）の駆動部２０の圧電アクチュエーター２２が搭載されている。把持部３００３の基端部が駆動装置１０の被駆動部３０に相当する。駆動装置１０を動作させることで、把持部３００３を移動させて対象物を把持することができる。

なお、ロボットとしては、単腕のロボットに限らず、腕の数が２以上の多腕ロボットにも圧電アクチュエーター２２を備えた駆動装置１０，１００を適用することが可能である。ここで、手首の関節部２０２０やロボットハンド３０００の内部には、圧電アクチュエーター２２の他に、力覚センサーやジャイロセンサー等の各種装置に電力を供給する電力線や、信号を伝達する信号線等が含まれ、非常に多くの配線が必要になる。従って、関節部２０２０やロボットハンド３０００の内部に配線を配置することは非常に困難だった。しかしながら、上述した実施形態の圧電アクチュエーター２２（駆動部２０）は、通常の電動モーターや、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流を小さくできるので、関節部２０２０（特に、第１アーム２１００の先端の関節部）やロボットハンド３０００のような小さな空間でも配線を配置することが可能になる。

上記説明では、ロボットハンド３０００を備えるロボット２０００を例にとって説明したが、ロボットハンド３０００は、ロボット２０００の部品としてのみならず、単独の製品として構成されていても良い。

以上説明したように、本実施形態のロボット２０００は、関節部２０２０に、上記実施形態の圧電アクチュエーター２２（図１参照）を備える駆動装置１０，１００，２００が用いられていることにより、関節部２０２０を介して移動する第１アーム２１００を備えたロボット２０００の小型化や軽量化を図ることができる。

また、ロボット２０００は、複数の関節部２０２０を備えており、それぞれに超音波信号Ｓｕ（図１参照）の発信源を兼ねる圧電アクチュエーター２２（図１参照）を有していることから、複数位置を起点として複数方向における障害物Ｈの有無に係る検知を行うことができる。

また、ロボット２０００は、圧電アクチュエーター２２よりも先端側に位置する第１アーム２１００に受信部としての超音波受信部（不図示）が設けられていることから、第１アーム２１００の可動範囲内に障害物Ｈが有る場合に、障害物Ｈに近い位置で超音波信号Ｓｕを受信することができる。これにより、障害物Ｈの有無による超音波信号Ｓｕの変化を、より精度よく検知することが可能となる。

本発明は、上述の実施形態や応用例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

Ｈ…障害物、Ｓｕ…超音波信号、ＲＳｕ…反射波、Ｆｃ…固定部、ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２…圧電素子、ＰＳ…突起部、Ｐｄ…振動板、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６…回動軸、１０，１００，２００…駆動装置、２０…駆動部、２２…圧電アクチュエーター、３０，１３０…被駆動部、３２…リニアガイド、４０，１４０，１４０ａ…受信部としての超音波受信部、５０…制御部、５１…判断部、５２…制御回路、５３…記憶部、５４…駆動回路、５５…電力制御部、５６…超音波検出回路、２０００…ロボット、２０１０…基台、２０１２…リンク部、２０２０…関節部、２０２２…手首回動部、２１００…第１アーム、２２００…第２アーム、３０００…ロボットハンド、３００３…把持部。

Claims (9)

1. 駆動回路から供給される駆動信号により駆動力を発生する圧電アクチュエーターと、
   前記駆動力により前記圧電アクチュエーターに対して相対的に移動する被駆動部と、
   前記被駆動部を相対的に移動させるときに前記圧電アクチュエーターから発信される超音波信号を受信する受信部と、
   前記超音波信号を受信した前記受信部からの出力信号により障害物の有無を判断する判断部と、を備えていることを特徴とする駆動装置。
2. 前記障害物が無い場合に受信した前記超音波信号を、基準超音波信号として記憶する記憶部を備え、
   前記判断部は、前記記憶部に記憶されている前記基準超音波信号と、前記被駆動部の移動中に前記受信部が受信した前記超音波信号に基づく前記受信部からの出力信号とに差がある場合に、前記障害物が存在すると判断し、判断信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記判断部から出力された前記判断信号により、前記圧電アクチュエーターへ供給する電力を制御する電力制御部を備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記圧電アクチュエーターは、複数配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記超音波信号は、前記圧電アクチュエーターを駆動させる駆動信号にピーク波が重畳された信号によって発信されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 基台と、
   前記基台に接続されている関節部と、
   前記基台に前記関節部を介して接続され、前記基台に対して相対移動可能な第１アームと、
   請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の駆動装置と、を備え、
   前記関節部に、前記駆動装置の前記圧電アクチュエーターが備えられていることを特徴とするロボット。
7. 前記第１アームに対して相対移動可能であり、前記第１アームと前記基台との間に位置する第２アームを備え、
   前記関節部が、前記第１アームと前記第２アームとの間、および前記第２アームと前記基台との間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のロボット。
8. 前記受信部は、前記圧電アクチュエーターよりも先端側に配置されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のロボット。
9. 前記受信部は前記第１アームに配置され、
   前記第１アームの可動範囲内に前記障害物が有ると前記判断部が判断したときに、前記第１アームと前記障害物との衝突を回避する制御を行うアーム制御部を備えていることを特徴とする請求項８に記載のロボット。

Images