JPH0780793A - 多自由度アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロータを駆動する際、非駆動側のステータと
ロータとの接触によってロータ駆動特性が悪くなるのを
防止する。 【構成】 ステータ６，７によってロータ４をＸ軸と平
行な軸心の回りに回転させ、ステータ８，９によってロ
ータ４をＹ軸と平行な軸心の回りに回転させることがで
きる。ステータ６，８は圧電素子１７を備えた微小変位
発生機構２２によってロータ４と離間及び接触する方向
に変位させられる。ステータ８，９によってロータ４を
Ｙ軸の回りに回転させる場合には、非駆動側のステータ
６，７の表面には定在波等を発生させると共に定在波等
の振幅頂点がロータ４に食い込まないよう、微小変位発
生機構２２によってステータ６，７をロータ４から離間
する方向へ変位させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多自由度アクチュエータ
に関する。具体的にいうと、表面波型の超音波振動を利
用したステータによりロータを多方向に動かす多自由度
アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来例であって、複数自由度関節
装置５１（特開昭６２−２２８３９２号公報）である。
この複数自由度関節装置５１にあっては、アーム５３を
有する球体状をしたロータ５２がロータ５２のまわり
（赤道線Ｌのまわり）に等間隔で配置された４個のステ
ータ５４ａ，５４ａ，５４ｂ，５４ｂにより把持されて
いる。各ステータ５４ａ，５４ａ，５４ｂ，５４ｂは筒
状をした支持フレーム５５の内面に突出した棚部５６と
端板５７との間に搭載され、支持フレーム５５の壁を貫
通させて外部から螺合されたボルト５８によってロータ
５２に圧接されている。

【０００３】ロータ５２とステータ５４ａ，５４ａ，５
４ｂ，５４ｂは超音波モータを形成しており、対向して
いる一組のステータ５４ａ，５４ａを駆動させることに
よりロータ５２を図中のイ方向（赤道線Ｌと直交する方
向）に回転させることができ、また、対向している他の
一組のステータ５４ｂ，５４ｂを駆動させることにより
ロータ５２を図中のロ方向に正逆回転させることができ
る。

【０００４】また、図７に別な従来例のアクチュエータ
６１（１９９１年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集 Ｐ.２０７〜２０８）を示す。このアクチュエ
ータ６１にあっては、アーム６３を有する球体状のロー
タ６２の外周面に２つのステータ６４，６５を接触させ
ている。このステータ６４，６５は、回転型超音波モー
タを利用したものであって、互いに直交するＸ軸方向及
びＹ軸方向でロータ６２に接触しており、Ｘ軸方向から
ロータ６２に接触しているステータ６４を駆動するとロ
ータ６２がＸ軸の回りに回転し、Ｙ軸方向からロータ６
２に接触しているステータ６５を駆動するとロータ６２
がＹ軸の回りに回転する。したがって、両ステータ６
４，６５によってロータ６２を回転させることによりア
ーム６３を任意の方向へ回動させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構造の複
数自由度関節装置やアクチュエータにあっては、一方の
ステータを駆動してロータを回転させる際、他方の非駆
動側のステータとロータとの間の摩擦抵抗によってロー
タの回転が妨げられる。そのために非駆動側のステータ
の表面に定在波や任意波形の振動を発生させ、非駆動側
のステータとロータとの接触面積を小さくしてロータの
摩擦抵抗を軽減させている。

【０００６】このような方法で非駆動側のステータとロ
ータとの摩擦抵抗を軽減する方法にあっては、図８に示
すように、定在波等の発生している非駆動側のステータ
７１の表面は部分的に（すなわち振動振幅の谷部となる
領域αで）、しかも各部分で瞬間的にロータ７２から離
れており、接触面積が低減される。しかしながら、同時
にステータ７１表面の他の部分（すなわち振動振幅の頂
点となる領域β）ではロータ７２にくさび状に食い込ん
でロータ７２表面を微小量弾性変形させている。このた
め、一方のステータによってロータを回転駆動させてい
るとき、非駆動側のステータ表面におけるロータ表面へ
の微細な食い込みによってロータの回転速度や回転トル
クの減少、ロータ回転の不安定化などの悪影響が生じる
という問題があった。

【０００７】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは一方のステ
ータによってロータを駆動する際、非駆動側のステータ
との接触によってロータ駆動特性が悪くなるのを防止す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の多自由度アクチ
ュエータは、回転自在に支持された略球状のロータと、
前記ロータの表面に接触してロータを少なくとも２軸回
りに回転させる複数のステータと、各軸の回りにロータ
を回転させるためのステータのうち少なくとも１つのス
テータを、ロータに接触離間させることのできる微小変
位発生機構とを備えたことを特徴としている。

【０００９】上記多自由度アクチュエータにおいては、
前記微小変位発生機構に、ステータのロータへの押付け
力を調整する機能を持たせてもよい。

【００１０】また、前記微小変位発生機構とステータと
を同一の電源によって駆動し、非駆動側のステータに発
生させた振動によるロータへの微細な食い込みが生じな
いよう当該ステータを微小変位発生機構によって変位さ
せるようにしてもよい。

【００１１】

【作用】本発明の多自由度アクチュエータにあっては、
１又は２以上のステータによってロータを各軸の回りに
回転させるようにし、当該１つのステータもしくは２以
上のステータのうち少なくとも１つのステータをロータ
と接触離間させる微小変位発生機構を備えているので、
ロータを回転させる際に非駆動側のステータを微小変位
発生機構によって変位させることによってロータと非接
触の状態にすることができる。特に、非駆動側のステー
タに定在波等を発生させる場合でも、ロータに微細な食
い込みの起きないよう非駆動側のステータを変位させる
ことができる。従って、非駆動側のステータとロータと
の摩擦抵抗を極めて小さくすることができ、ロータを円
滑に回転させることができ、ロータ駆動特性を向上させ
ることができる。

【００１２】また、微小変位発生機構によりステータの
ロータへの押付け力を調整すれば、皿バネやコイルバネ
等の押付け力を発生するための機構が不必要になり、多
自由度アクチュエータの大型化や複雑化、コストの増大
を防ぐことができる。

【００１３】また、ステータを駆動するための電源によ
って微小変位発生機構を駆動すれば、別な電源を用いる
ことなく、非駆動側のステータに発生させた振動による
ロータへの微細な食い込みが生じないようにでき、構成
を簡略にすることができる。さらに、同一電源とすれ
ば、ステータの非駆動時の振動振幅の変化に応じて微小
変位発生機構も調整され、精度良くステータのロータへ
の食い込みを防止できる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例による多自由度アク
チュエータＡの構造を示す一部破断した平面図である。
この多自由度アクチュエータＡにあっては、円形の窓２
を開口されたケーシング１の空洞３内に略球体状ないし
略球殻状をしたロータ４が納められている。ロータ４は
空洞３の内壁面に接することなく、同一円周上に配置さ
れた４個のステータ６，７，８，９のみによって支持さ
れている。なお、５はロータ４の外周面に突設されたア
ームである。

【００１５】各ステータ６，７，８，９は図２（ａ）
（ｂ）のような構造の回転型表面波振動子からなる。す
なわち、金属等の弾性材料によって形成された弾性体１
０は略皿状をしており、その外周部表面には一定ピッチ
毎に接触片１２が突設されて環状に配列しており、接触
片１２と対応して弾性体１０の外周部裏面にはＰＺＴ等
の圧電素子１３が貼り付けられている。ステータ６，
７，８，９は、図１に示すように接触片１２をロータ４
と接触させるようにしてロータ４を支持するようになっ
ており、そのため接触片１２の上面にはロータ４の表面
の曲率と同一の曲率を有する凹状のアール面１２ａが施
されている。

【００１６】ステータ６，７，８，９は超音波モータと
して使用されているものと同様な原理によってロータ４
を駆動するものであって、圧電素子１３を振動させるこ
とによって弾性体１０の接触片１２の表面にたわみ振動
や伸縮振動等の表面波振動を発生させるものである。し
かして、この圧電素子１３を所定の駆動モードで駆動す
ると、弾性体１０の表面を円周方向に進む進行波（たわ
み進行波）により接触片１２の表面の粒子が楕円軌道を
描いて運動し、ロータ４の表面がステータ６，７，８，
９の円周方向に沿って移動する。この結果、ロータ４は
ステータ６，７又は８，９の軸心の回りに回転する。

【００１７】６，７はロータ４をＸ軸と平行な軸心の回
りに回転させるためのステータ、８，９はロータ４をＹ
軸と平行な軸心の回りに回転させるためのステータであ
って、いずれの対のステータ６，７及び８，９もロータ
４を両側から挟むように配置されている。いずれも一方
のステータ７，９は、弾性体１０の裏面中央部に突出し
ている突部１１をケーシング１に嵌合されたステータ保
持部１４に固定されている。他方のステータ６，８は、
微小変位発生機構２２によって微小変位させられるよう
になっている。すなわち、ケーシング１の直孔部１５内
に摺動可能に納められた圧電素子ケース１６内の圧電素
子１７に突部１１を保持されている。さらに、直孔部１
５内の圧電素子ケース１６とケーシング１に嵌合された
ステータ保持部２１との間には、ロードセルケース１８
に入れたロードセル１９が摺動自在に納められており、
ロードセルケース１８と圧電素子ケース１６とを接触さ
せると共にステータ保持部２１に螺合させたネジ２０の
先端がロードセル１９に当接されている。従って、始め
にロードセル１９の出力をモニターしながらネジ２０を
回すことにより、ステータ６，７，８，９とロータ４と
の接触圧を調整することができる。さらに、ロードセル
１９の出力をモニターしながら圧電素子１７への電気的
な入力を制御して圧電素子１７を伸縮させることによ
り、ステータ６，７，８，９のロータ４への押付け力を
コントロールすることができる。

【００１８】また、ステータ６，７，８，９の圧電素子
１３を駆動する交流電圧源と微小変位発生機構２２の圧
電素子１７を駆動する直流電圧源とは、図３に示すよう
に、１つの圧電素子駆動電源２３によって構成されてい
る。例えば、圧電素子１３を駆動する交流電圧源の一部
を整流回路等を通して直流電圧に変換し、これを圧電素
子１７に入力させるようにしている。

【００１９】しかして、ロータ４をＹ軸と平行な軸心の
回りに回転させる場合には、ステータ８，９を駆動して
表面に進行波を発生させ、ステータ８，９でロータ４を
回転させる。このときステータ８，９のロータ４への押
付け力は微小変位発生機構２２の圧電素子１７を伸縮さ
せることによって調整できる。同時に、他方のステータ
６，７には定在波を発生させ、ロータ４との接触面積を
小さくして摩擦が軽減される状態としておき、しかもロ
ードセル１９の出力をモニターしながら圧電素子１７を
収縮させ、図４に示すようにステータ６，７の表面に発
生する定在波２４の振幅ｗと同じ微小距離ｄだけステー
タ６を変位させ、定在波２４の振幅頂点２５がちょうど
ロータ４の表面と接する状態となるようにする。従っ
て、ロータ４は４つのステータ６，７，８，９によって
安定に保持された状態を保ちながら非駆動側のステータ
６，７によって回転を阻害されないようにでき、しかも
非駆動側のステータ６，７のロータ４への食い込みをな
くすことができるので、ロータ４の回転速度や回転トル
クの減少、ロータ回転の不安定化などロータ駆動特性を
良好にすることができる。同様に、ロータ４をＸ軸と平
行な軸心の回りに回転させる場合にも、非駆動側のステ
ータ８，９には定在波を発生させ、ステータ８，９の定
在波の振幅頂点がちょうどロータ４の表面と接する状態
となるまで圧電素子１７を収縮させることにより、ロー
タ駆動特性を良好にすることができる。

【００２０】また、１台の圧電素子駆動電源２３によっ
て多自由度アクチュエータＡを駆動できるので、電源構
成を簡単にすることできる。さらに、同じ電源によって
ステータ６，８と微小変位発生機構２２とを駆動できる
ようにすれば、電源電圧等の変動によって非駆動側のス
テータ６，８の振動振幅が変化した場合には、微小変位
発生機構２２の圧電素子１７も同じだけ収縮し、ステー
タ６，７，８，９のロータ４への食い込みが生じないよ
うにすることもできる。

【００２１】図５は非駆動側のステータの別な作動方法
を説明する図である。図１に示したような多自由度アク
チュエータＡにおいて、ステータ８，９を駆動してロー
タ４をＹ軸と平行な軸心の回りに回転させる際、非駆動
側のステータ６，７には定在波その他の振動を発生させ
ず、ステータ６を保持している圧電素子１７にオフセッ
ト電圧を印加してステータ６，７がロータ４表面から離
間する方向にステータ６を微小変位させると同時に、圧
電素子１７の当該オフセット電圧に一定の交流電圧を重
畳させて印加する。従って、図５に両矢印で示すよう
に、ステータ６，７は印加された交流電圧の周波数でロ
ータ４と接触したり、離間したりして離合を繰り返し、
ステータ６，７をロータ４に食い込ませることなくステ
ータ６，７とロータ４との接触面積や接触圧を小さくす
ることができる。このため、ロータ４は非駆動側のステ
ータ６，７によって回転を阻害されることなく、４つの
ステータ６，７，８，９によって安定に保持され、ロー
タ駆動特性が向上する。ステータ６，７を駆動してロー
タ４をＸ軸と平行な軸心の回りに回転させる場合にも、
非駆動側のステータ８，９を保持している圧電素子１７
を同じように駆動させる。

【００２２】なお、上記実施例にあっては、対向する各
一対のステータ６，７，８，９のうち一方のステータ
６，８のみを圧電素子１７によって変位させるようにし
たが、全てのステータ６，７，８，９の基部に圧電素子
１７を設けてどのステータ６，７，８，９も圧電素子１
７によってロータ４との接触圧を調整できるようにして
もよい。また、上記実施例では非駆動側のステータを引
っ込めてロータ４との接触圧がほぼゼロとなるようにし
たが、逆に駆動側のステータを微小量だけ突出させて駆
動側のステータの駆動力が確実にロータに伝達されるよ
うにすることもできる。

【００２３】また、微小変位発生機構は、ステータ６，
８だけでなく、ステータ７，９にも組み込んであっても
よい。すなわち、全てのステータ６，７，８，９に微小
変位発生機構を組み込んでもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、非駆動側のステータを
微小変位発生機構によって変位させることによってロー
タと非接触の状態にすることができるので、非駆動側の
ステータに定在波等を発生させる場合でも、ロータに微
細な食い込みの起きないよう非駆動側のステータを変位
させることができる。あるいは、非駆動側のステータに
定在波等を発生させることなく、微小変位発生機構によ
って非駆動側のステータをロータに接触させたり、離間
させたり極めて短い時間間隔で繰り返すことにより、非
駆動側のステータ表面をロータに食い込ませることなく
小さな接触圧でロータを保持させることができる。従っ
て、非駆動側のステータとロータとの摩擦抵抗を極めて
小さくしてロータを円滑に回転させることができ、ロー
タの回転速度や回転トルクの低下などを防止し、ロータ
駆動特性を向上させることができる。

【００２５】また、微小変位発生機構によりステータの
ロータへの押付け力を調整すれば、皿バネやコイルバネ
等の押付け力を発生するための機構が不必要になり、多
自由度アクチュエータの大型化や複雑化、コストの増大
を防ぐことができる。

【００２６】また、ステータを駆動するための電源によ
って微小変位発生機構を駆動すれば、別な電源を用いる
ことなく、非駆動側のステータに発生させた振動による
ロータへの微細な食い込みが生じないようにでき、構成
を簡略にすることができる。さらに、同一電源とすれ
ば、ステータの非駆動側の振動振幅の変化に応じて微小
変位発生機構も調整され、精度良くステータのロータへ
の食い込みを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による多自由度アクチュエー
タを示す一部破断した平面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は同上のステータを示す正面図及
び断面図である。

【図３】同上の電源構成を示す概略図である。

【図４】同上の非駆動側のステータとロータとの接触状
態を示す拡大断面図である。

【図５】非駆動側のステータの駆動方法の他例を示す拡
大断面図である。

【図６】従来例の複数自由度関節装置を示す一部縦断面
図である。

【図７】別な従来例のアクチュエータを示す斜視図であ
る。

【図８】従来における非駆動側のステータとロータとの
接触状態を示す拡大断面図である。

【符号の説明】

４ ロータ ６，７，８，９ ステータ １７ 圧電素子 ２２ 微小変位発生手段 ２３ 圧電素子駆動電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転自在に支持された略球状のロータ
   と、 前記ロータの表面に接触してロータを少なくとも２軸回
   りに回転させる複数のステータと、 各軸の回りにロータを回転させるためのステータのうち
   少なくとも１つのステータを、ロータに接触離間させる
   ことのできる微小変位発生機構とを備えたことを特徴と
   する多自由度アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記微小変位発生手段に、ステータのロ
   ータへの押付け力を調整する機能を持たせたことを特徴
   とする請求項１に記載の多自由度アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記微小変位発生機構とステータとを同
   一の電源によって駆動し、非駆動側のステータに発生さ
   せた振動によるロータへの微細な食い込みが生じないよ
   う当該ステータを微小変位発生機構によって変位させる
   ようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多
   自由度アクチュエータ。