JPH0226283A - 回転力制御機構 - 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］ この発明は回転力制御機構に関し、特に、圧電素子を用
いて、ステータとロータとの摩擦力を制御するような回
転力制御機構に関する。

［従来の技術］ 最近では、回転力を制御する機構で小型、軽量なものと
して、圧電モータが開発され、ロボットの多関節アーム
機構等への応用が期待されている。

第６図は従来の圧電モータの動作原理を説明するための
図であり、特に、第６図（ａ）は円形ステータの側面図
を示し、第６図（ｂ）は円形ステータの裏面から見た図
である。第７図は圧電素子の電界の方向と分極方向を示
す図であり、第８図は圧電素子の屈曲運動を説明するた
めの図であり、第９図はステータの励振状態を示す図で
ある。

まず、第６図ないし第９図を参照して、従来の圧電モー
タについて説明する。圧電モータは円形ステータ１００
と図示しないロータとから構成され、これらは適当な圧
力で接触している。圧電素子１０２はリング状に形成さ
れていて、その一方面にはリング状の弾性体１０１が接
着され、他方面には緩衝部材１０３が接着されている。

圧電素子１０２は円周方向に領域がλ／２（λ：駆動電
圧の波長）ごとに分割されており、第６図（ａ）の矢印
ｃ、　　ｄで示されるように分極方向が交互になるよう
に予め分極されている。また、弾性体１０１と接する側
の面１０４には−様な共通電極が設けられていて、反対
側の面１０５には第６図（ｂ）に示すように区分Ａ、Ｂ
にそれぞれ電極が形成されている。

このような圧電素子１０２の区分ＡまたはＢのいずれか
に電圧を印加すると、第７図に示すように、印加した電
圧の方向ｅが分極方向ｆと同じ部分は縮み、逆向きにな
る部分は伸びようとする。

ここで、この電圧を交番電圧にし、駆動周波数をステー
タの固有振動周波数に設定すると、ステータは屈曲振動
をする。ステータの励振状態を第９図に示す。第６図（
ａ）に示した電極構成では、９箇所に振動部が生ずる。

ここで、区分ＡまたはＢのいずれか一方だけに交番電圧
を加えた場合には、ステータは定在波振動となるが、区
分ＡおよびＢに時間的位相が９０°異なる高周波電圧Φ
。。

Φ９゜を印加すると、ステータの屈曲振動は進行波とな
る。

また、区分ＡおよびＢの位相のずれを＋９０゜または−
９０°とすることにより、正、逆の波がそれぞれ発生す
る。そこで、第８図に示すように、弾性体１０１の表面
に物体１０６を乗せると、物体１０６は波の方向に移動
する。ここでは、物体１０６はロータであり、円形であ
るために回転する。このように、圧電モータはステータ
とロータとの間の摩擦力によって回転力を伝達する。従
って、所要の回転力を得ようとすれば、ロータをステー
タにしっかり押しつけておく必要がある。この摩擦力は
、モータの製造時に予め設定しておく必要がある。従っ
て、使用中に条件によって変化させることはできない。

しかしながら、圧電モータは回転力制御機構として用い
ることができ、その用途によっては高い駆動力を発生さ
せることだけが目的とは限らない。たとえば、保持回転
力を変化させる、すなわち空回りするように制御して使
用する場合がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の圧電モータは予め負荷を予想し、
その負荷に対して効率良く力が発生するように、摩擦面
、調圧機構などを設計するため、上述のごとく負荷の変
化に応じた回転力制御ができないという問題点があった
。

それゆえに、この発明の主たる目的は、通常は回転保持
力が高く、必要に応じて低く制御でき、回転発生力の制
御が可能な回転力制御機構を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明は同心円上に少なくとも２つのリングが設けら
れた円形ステータと、円形ステータに対向して設けられ
たロータとを備え、リングには圧電振動子の駆動によっ
て定在波を発生するリングを含んで構成される。

より好ましくは定在波を発生するリングとロータとの界
面は潤滑面をなし、定在波を発生するリングの外側に設
けられたリングとロータとの界面は摩擦力の高い材料で
構成される。

さらに、より好ましくは、定在波を発生するリングの外
側に設けられたリングは圧電振動子の駆動によって進行
波を発生する。

［作用コ この発明に係る回転力制御機構は、通常は外側リングの
摩擦力により、円形ステータとロータとの間の回転保持
力が高く、内側リングに定在波を発生させることにより
、外側リングの摩擦力が変化し、回転保持力を弱めるこ
とができる。また、外側リングに進行波を発生させれば
、回転力が発生し、この力は摩擦力に依存するため、内
側リングを共に振動させることにより回転力を変えるこ
とができる。

［発明の実施例］ 第１Ａ図ないし第１Ｄ図はこの発明の一実施例を示す図
であり、特に、第１Ａ図はロータとステータの外観斜視
図であり、第１Ｂ図はロータとステータの断面図であり
、第１Ｃ図は外側リングとロータとの接触圧力を説明す
るための図であり、第１図は定在波発生リングに含まれ
ている圧電素子と弾性体を示す斜視図である。

第１Ａ図において、ロータ１と円形ステータ２は対向し
て設けられ、ロータ１にはスリット１１が形成されてい
る。このスリット１１は円形ステータ２に設けられてい
る内側の定在波発生リング４がロータ１を押し上げやす
いようにするためのものである。円形ステータ２には外
側リング３とその内側にある定在波発生リング４が設け
られている。ロータ１と円形ステータ２は初期調圧機構
５により、適当な圧力で接触するように調整されている
。この圧力は後述の腕機構の関節が容品に回転しない程
度の比較的大きな力とされている。

定在波発生リング４はリング状の緩衝部材８と圧電素子
７と弾性体６とから構成されていて、圧電素子７は第１
Ｄ図に示すように、円周上λ／２（λ：定在波発生リン
グ４が共振する波長）の長さごとにそれぞれ向きが逆に
なるように分極が施されている。この圧電素子７の両面
にはそれぞれ電極が一面に形成されている。そして、発
振器９から波長λの高周波信号が発振され、その高周波
信号が電圧増幅器１０によって増幅され、高周波電圧が
圧電素子７の両面に形成されている各電極に印加される
。圧電素子７に高周波電圧が印加されると、定在波発生
リング４が定在波振動し、見かけ上、第１Ｃ図に示すよ
うに、定在波発生リング４の肉厚が厚くなるため、弾性
体６がロータ１の接触面をわずかに押し上げる。これに
よって、外側リング３とロータ１の接触圧力は、第１ｃ
図に示すように減少するため、ロータ１と円形ステータ
２の摩擦力が小さくなる。従って、回転保持力は下がり
、空回りが可能になる。なお、外側リング３のロータ１
に対する面３１は摩擦面となり、定在波発生リング４の
ロータ１に対する接触面４１は潤滑面となる。

第２Ａ図および第２Ｂ図はこの発明の他の実施例におけ
るロータと円形ステータを示す図である。

この第２Ａ図および第２Ｂ図に示した実施例は、前述の
第１Ａ図ないし第１Ｄ図に示した外側リング３に代えて
、進行波発生リング１２を設けたものである。すなわち
、進行波発生リング１２は、リング状の緩衝部材１５と
圧電素子１４と弾性体１３を積重ねて円形ステータ２の
最外周に配置したものであって、弾性体１３にはスリッ
ト１６が形成される。この進行波発生リング１２に進行
波を発生させると、ロータ１の接触面に摩擦力がある場
合には、ロータ１には回転力が生ずる。このとき、内側
の定在波発生リング４を同時に振動させると、摩擦力が
変化するため、回転発生力が変化する。

第２Ｃ図はステータの他の構成例を示す図である。この
第２Ｃ図に示した例は、第２Ｂ図に示した内側リングの
弾性体６と外側リングの弾性体１３を一体化した弾性体
２００を設けたものである。

この弾性体２００の下面には、リング状の圧電素子２０
１．２０２が接着される。このように一体化した弾性体
２００を用いることによって各リングの製造上のばらつ
きを少なくでき、また第２Ｂ図に示した緩衝部材８．１
５を省略することができるという利点がある。

第３図はこの発明の一実施例が適用される３次元指示入
力装置の外観斜視図であり、第４図は第３図に示した関
節に設けられた回転力制御機構の要部破断斜視図であり
、第５図は回転力制御機構の一部を拡大して示す図であ
る。

次に、第３図ないし第５図を参照して、この発明の一実
施例の応用例としての３次元指示入力装置について説明
する。第３図において、腕機構１００は腕要素１１０，
１２０と関節１１１，１１２および１１３とを含む。腕
要素１１０と１２０は関節１１１によって上下方向に回
動自在に支持され、腕要素１２０は関節１１２によって
上下方向に回動自在に支持され、関節１１２は関節１１
３によって水平方向に回動自在に支持されている。

なお、関節１１３は台座１３０に取付けられている。各
関節１１１．．１１２および１１３には、それぞれこの
発明の一実施例の回転力制御機構１２１．１２２．１２
３が設けられ、それぞれの回転力が制御される。

また、腕要素１１０と１２０の間における保持力を制御
するために、調圧機構３０が設けられ、腕要素１１０の
一端には錘機構４１が設けられ、腕要素１２０の一端に
も錘機構４２が設けられている。腕要素１１０の他端に
は、棒状部材が突出して設けられ、その先端に球７ｏが
設けられている。そして、この球７０によって取っ手６
ｏが支持される。取っ手６０内には磁気検知コイル９゜
が内蔵され、外部には磁気ソースコイル８０が設けられ
ている。また、腕機構１００の回転を支持するために支
持機構５０が設けられている。

磁気ソースコイル８０を構成する３つのコイルは所定の
位置に、それぞれ直交する向きに配置されており、図示
しない発振器により時分割的に順次励振され、この周り
に交流磁界を形成している。

取っ手６０の中に設けられた磁気検知コイル９０は、同
様にして、それぞれ直交する向きに配置された３つのコ
イルから構成されており、磁気ソースコイル８０によっ
て形成される交流磁界の強度を電圧として検出し、図示
しない座標検出装置により磁気ソースコイル８０の座標
系において、ｘ。

ｙ、ｚ成分が形成される。

次に、関節１１１．１１２および１１３の動き制御機構
について説明する。腕要素１１０．１２０には、重力に
よる上下方向の回転力が常に加わるため、これを打消す
逆方向の回転力が必要となる。このために、この発明の
一実施例である回転力制御機構１２１，１２２．１２３
と、調圧機構３０により２つの腕要素１１０，１２０が
それぞれ回転しない程度に摩擦力が設定される。錘機構
４１．４２として大きなものを用いると、取っ手６の動
きが重くなるため、この例では、回転力制御機構１２１
．１２２の補助として位置づけており、省略することも
可能である。

回転力制御機構１２１は第１八図ないし第１Ｄ図に示し
たように、円形ステータ２とこの円形ステータ２に対向
して設けられたロータ１とから構成されている。円形ス
テータ２およびロータ１はそれぞれ腕要素１１０，１２
０の一部をなしている。

上述のごとく３次元指示入力装置を構成することによっ
て、回転駆動機構を０ＦＦＬ、ていれば、取っ手６０を
握った操作者の手を空間に保持するために固定される。

そして、回転力制御機構の定在波発生リング４に定在波
を発生させれば、外側リングの摩擦力が変化し、回転保
持力を弱めることができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、同心円上に少なくと
も２つのリングが設けられた円形ステータと円形ステー
タに対向して設けられたロータとを含み、リングには圧
電振動子の駆動によって定在波を発生するリングを含む
ように構成したことによって、回転保持力９回転発生力
の制御が可能であり、３次元指示入力装置や各種模擬体
験装置のマンマシンインタフェース部やロボットの駆動
機構などに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１八図ないし第１Ｄ図はこの発明の一実施例を示す図
である。第２Ａ図および第２Ｂ図はこの発明の他の実施
例を示す図である。第２Ｃ図はステータの他の構成例を
示す図である。第３図はこの発明の一実施例が適用され
る３次元指示入力装置の外観斜視図である。第４図は第
３図に示した関節に設けられた回転力制御機構の要部破
断斜視図である。第５図は回転力制御機構の一部を拡大
して示す図である。第６図は従来の圧電モータの駆動原
理図である。第７図は圧電素子の電界の方向と分極方向
を示す図である。第８図は圧電素子の屈曲振動を説明す
るための図である。第９図はステータの励振状態を示す
図である。 図において、１はロータ、２は円形ステータ、３は外側
リング、４は定在波発生リング、５は調圧機構、６．１
３は弾性体、７，１４は圧電素子、８．１５は緩衝部材
、９は発振器、１０は電圧増幅器を示す。 特許出願人　株式会社エイ・ティ・アール第１Ｄす ＼ 第２Ａ口 ′Ｉ、６凹 遁ｑ口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　同心円上に少なくとも２つのリングが設けられた円形
   ステータと、 前記円形ステータに対向して設けられたロータとを備え
   、 前記リングには、圧電振動子の駆動によって定在波を発
   生するリングが含まれていることを特徴とする、回転力
   制御機構。