JPH02168868A - 複数自由度アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、関節ロボット等に使用される複数自由度アク
チュエータに関するものである。

［従来技術］ 従来の２自由度を有するアクチュエータの一例を第７図
に示す。同図において、Ａユニットは、ユニットフレム
４０Ａ、モータ４１Ａ、ウオームギア４２Ａ、ホイール
４３Ａ、ギア４４Ａ、駆動ギア４５Ａより構成されてい
る。Ｂユニットは同様にユニットフレム４０Ｂ、モータ
４１Ｂ、ウオ−ムギアイ２Ｂ、ホイール４３Ｂ、ギア４
４Ｂ。

駆動ギア４５Ｂより構成される。また各ユニットには変
位検出用ポテンショメータ４６Ａが取付けられている。

上記構成において、モータ４１Ａの回転はウオームギア
４２Ａ、ホイール４３Ａ、ギア４４Ａから成る減速歯車
装置を介して駆動ギヤ４５Ａに伝達され、Ｂユニットは
図中Ｘ−Ｘ線を軸として回転する。また同様にモータ４
１Ｂの回転によりＢユニットは図中Ｚ−Ｚ線を軸として
回転する。

従来の複数の自由度を有するアクチュエータは、上記例
のように自由度に対応する数の減速歯車装置を必要とす
るので、構造が複雑であり、また機械的剛性が低いとい
う問題点があった。

そこで、減速や駆動のためのギアを使うことなく複数の
自由度を得る事が可能な複数自由度関節装置が特開昭６
２−２２８３９２号公報などにより提案されている。提
案された複数自由度アクチュエータでは、駆動力として
超音波表面波モータを利用している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の複数自由度アクチュエータでは、
共振現象が利用不可能であるため、高トルク化が困難で
あるという欠点を有している。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、減速や駆動のためのギアを使用する事なく、
大出力、高効率動作が可能な複数自由度を得る事ができ
るアクチュエータを提供する事を目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、共振状態で励振さ
れ略楕円振動を発生する複数の超音波振動子と、前記超
音波振動子のうち少なくとも２ケ所以上に圧接された可
動子と、前記超音波振動子と前記可動子とを結合する結
合体とを具備することを特徴とする。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の複数自由度アクチュエータ
は、共振を利用する超音波振動子の略楕円振動する面に
可動子を当接させる事により、摩擦力による駆動力を受
け、可動子が前記超音波振動子に対し相対的に移動する
。前記超音波振動子と可動子を複数個使用する事により
、複数自由度を得る事ができる。

［実施例］ 以下に、本実施例に使用する超音波振動子を具体化した
実施例の一例を第１図乃至第６図を参照して説明する。

まず、この実施例の関節部１０を示す第１図及び第２図
を参照して超音波振動子の構成を説明する。第２図にお
ける矢印Ａの方向に振動可能な第１励振体に対応する厚
さモードの圧電素子（以下第１圧電素子と称す）１２の
上面及び下面には、第２図における矢印Ｂの方向に振動
可能な第２励振体に対応するすべりモードの棒状の圧電
素子（以下第２圧電素子と称す）１３ａ乃至１３ｄが並
んで配置されている。これらの第１圧電素子１２及び第
２圧電素子１３ａ乃至１３ｄの各上下面９ａ及び９ｂに
は、図示しない電極が互いに絶縁されて配置されている
。第１及び第２の圧電素子を上下方向から挾むように一
対の振動体１４ａ、１４ｂが配置される。該振動体１４
ａ。

１４ｂは、曲げ振動及びせん断振動の共振周波数が一致
するようにその寸法形状により調整されている。これら
の部材を振動体１４ａ、１４ｂ及び第１圧電素子１２に
設けた貫通孔を介して固定部材に対応するボルト１５及
びナツト１６で固定する。前記振動体１４ａ、１４ｂの
端部には、可動子２１ａが摺動可能に挾まれている。前
記振動体１４ａ、１４ｂにおけるこの摺動面は振動面に
対応している。尚、第１図では便宜的に可動子２１ａを
振動体１４ａ、１４ｂよりはずした状態を示している。

以上のように構成された間接部１０の作用を以下に説明
する。

前記超音波振動子１１の前記第１圧電素子１２の上下面
に取付けられた図示しない電極に交流電圧を印加すると
、前記振動体１４ａ、１４ｂには、第２図における矢印
Ａの方向に曲げ振動する定在波が発生する。また第２圧
電素子１３ａ乃至１３ｄの図示しない電極に交流電圧を
印加すると、前起振動体１４ａ、１４ｂには、第２図に
おける矢印Ｂの方向のせん断振動の定在波が発生する。

第３図にこのせん断振動の定在波における最大変位時の
前記振動体１４ａの形状を示すもので、定常時において
実線で示す形状の振動体１４ａが、最大変位時には破線
で示す形状に変形する。第２圧電素子１３ａ乃至１３ｄ
の各電極に所定の周波数を有する交流電圧を印加し、前
記振動体１４ａ。

１４ｂを共振させることにより、前記矢印Ａ及び矢印Ｂ
の方向の各振動が合成され略楕円振動となる。従って、
前記振動体１４ａ、１４ｂと該振動体１４ａ、１４ｂに
挾持された可動子２１ａとの間に所定方向の駆動力が生
じる。前記可動子２１ａと前記超音波振動子１１は後述
する結合体２２ａ乃至２２ｄにより相対距離が一定とな
るよう固定されているので可動子２１ａは超音波振動子
１１に対して円運動する。

次に複数自由度アクチュエータ２０の全体の構成につい
て、第４図に基いて説明する。同図において、第１図及
び第２図と同じ図番の付された各部材は前記詳述した第
１図及び第２図における各構成部制と同一である事を意
味している。

同図において、振動子１１．可動子２１ａ乃至２１ｂ、
結合体２２ａ乃至２２ｄ、結合体固定ポルｌ−２３ａ乃
至２２ｄによりユニッｌ−Ａが構成されており、結合体
２２ｅ及び結合体２２ｆにより同様の構成を有すユニッ
トＢ及びユニットＣに結合されている。

振動子１１の振動体１４ａ及び１４ｂの間には、可動子
２１ａ及び２１ｂが挾持されている。可動子２１ａ及び
２１ｂには結合体固定ボルト２３ａ乃至２３ｄが付けら
れている。前記結合体固定ボルト２３ａ乃至２３ｄと振
動子１１の間には、結合体２２ａ乃至２２ｄが回転可能
なように取付けられている。

ユニットＢ及びユニットＣはユニットＡと同じ構成を有
している。ユニット数を増やすことによって複数自由度
アクチュエータ２０の自由度を大きくすることができる
。

この構成において、振動子１１を励振すると、その振動
体１４ａ及び１４ｂの縁部に略楕円振動が発生し、可動
子２１ａ及び２１ｂには略楕円振動に起因する駆動力が
伝達される。そのため可動子２１ａ及び２１ｂは振動子
１１に対して相対的に所定方向に移動する。しかも、前
述のように振動子１１に励振される略楕円振動は、第１
圧電素子１２と第２圧電素子に印加する交流電圧の制御
によって任意の軌跡をなす可制御のものである。

従って、前記可動子２１ａ及び２１ｂに発生する駆動力
及びその方向は自由に制御できる。このため、負荷変動
の広い範囲で高効率の運転が達成される。

次に本複数自由度アクチュエータに回転の自由度を与え
るための接合部について第５図の（ａ）及び（ｂ）を参
照して説明する。

上記接合部において、超音波振動子１１の振動体１４ａ
及び１４ｂの間には、可動子３０が挟持されている。前
記超音波振動子１１と前記振動体を連結するために、可
動子３０には結合突起３１が設けられ、振動体１４には
案内溝２５ａ及び２５ｂが設けられており、前記超音波
振動子１１が回転可能となワている。前記可動子３０の
斜視図を第６図に示す。

このような構成において前記振動子１１を励振すると、
その振動体１４ａ及び１４ｂの縁部に略楕円振動が発生
し、前記可動子３０には略楕円振動に起因する駆動力が
伝達され、可動子３０は振動子１１に対して相対的に所
定方向に回転する。

尚、上記実施例は振動子の駆動素子とし圧電体を使用し
たが、これに限定されるものではなく電機エネルギーを
機械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば電歪
素子、磁歪素子等を用いてもよい。また、実施例では超
音波振動子の形状を平板状とする例について説明したが
、縦振動１曲げ振動及びせん断振動のいずれかを励振し
、２方向の定在波振動による略楕円振動が発生するもの
ならば、その形状は平板形状に限定されるものではない
。そりの他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変
形が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の複数自
由度アクチュエータは、減速や駆動のためのギヤ等を使
用する事なく、大出力、高効率の動作が可能となる。そ
のため、構造が簡単にでき、またバックラッシュ等の影
響もないので、多種の用途に利用できるといった優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、本実施例−間接部の概略を説明する斜視図、
第２図は上記−間接部の分解斜視図、第３図は振動体の
振動の様子を説明する説明図、第４図は本実施例の構成
を説明する側面図、第５図は回転の自由度を与える間接
部を説明する断面図、第６図は上記間接部の可動子を説
明する斜視図である。また第７図は従来の複数自由度ア
クチュエータを示す斜視図である。 図中、１２は第１励振体に対応する第１圧電素子、１３
ａ乃至１３ｄは第２励振体に対応する第２圧電素子、１
４ａ、１４ｂは板状弾性体に対応する振動体、１５は固
定部に対応するボルト、２１ａ、２１ｂは可動子、２２
ａ、２２ｄは結合体、２４は結合体を構成する結合突起
、２５は結合体を構成する案内溝、３０は可動子である
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．共振状態で励振され略楕円振動を発生する複数の超
   音波振動子と、 前記超音波振動子のうち少なくとも２ケ所以上に圧接さ
   れた可動子と、 前記超音波振動子と前記可動子とを結合する結合体とを
   具備することを特徴とする複数自由度アクチュエータ。
2. ２．請求項１記載の複数自由度アクチュエータにおいて
   、 前記超音波振動子は、 板状弾性体と、 該板状弾性体に振動を励振するための第１励振体と、 該第１励振体により励振される振動の方向と異なる方向
   の振動を前記板状弾性体に励振するための第２励振体と
   を具備することを特徴とする複数自由度アクチュエータ
   。
3. ３．請求項２記載の複数自由度アクチュエータにおいて
   、 前記超音波振動子は、 前記可動子を挾持するように配置された少なくとも２枚
   の板状弾性体と、 該少なくとも２枚の板状弾性体を互いに固定する少なく
   とも１ケ所の固定部材とを具備することを特徴とする複
   数自由度アクチュエータ。