JPH1118459A - 作業領域の広い球面超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロータ１の可動範囲を広げるために、ステ
ータの配置を変更してかつ数を３個に限定することで、
制御性を向上するとともにロータを三方向に広範囲に可
動する。 【構成】 ステータの数を３個とし、Ｘ−Ｙ平面上に
おいてそれぞれを１２０度ずつの間隔に配置、うち一つ
を固定し、残りの二つはロータへの押しつけ力を調整可
能なようにしておく。さらに、Ｘ−Ｙ平面において、Ｚ
軸方向へ正方向または負方向の角度（図中ではα度で示
す）に傾きを与えてステータ２２を配置し、これを保持
器２７によって保持する。また、残りった２つのステー
タ２３、２４はＺ軸方向へ正方向または負方向の角度に
傾きを与えて配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３方向の自由度を有
する球面アクチュエータの原理及び構造に関する。具体
的に言うと、本研究は表面波型の超音波振動を利用した
球面超音波モータにおいて、制御性を向上することと可
動範囲を広げることを目的とし、ステータの配置を変更
してかつ数を３個に限定することで、ロータを３方向に
広範囲に可動するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の球面超音波モータは図１に示すよ
うに、動力を出力するための球体（以下、ロータとい
う）１と、該ロータ１の直径上に配置された４つの円環
状の駆動手段部（以下ステータという）のステータ２、
３、４、５と、このステータを保持する保持器８とで構
成されていた。

【０００３】この球面超音波モータあっては、保持器８
の空洞内に略球体状ないし略球殻状をしたロータ１が納
められている。このロータ１はステータ２、３、４、５
のみによって支持されている。各ステータ２、３、４、
５は超音波モータとして使用されるものであって、上記
ロータ１に駆動を行うのに適当な圧力で押しつけられる
とともに、各々のステータの裏側面には圧電素子６が貼
り付けられている。ここに２相の超音波領域に相当する
高周波の交流電圧を印加することによって、ステータ
２、３、４、５の表面上には時間とともに位相が進む進
行波が励起され、この進行波頂点と接触状態にあるロー
タ１が回転を始めるように設けられたもので、各ステー
タ２に印加する２相の交流電流を制御することによって
ロータ１の回転速度、発生トルク及び回転方向を変更す
ることが可能である。

【０００４】この形状において特に重要な点としては、
ステータ２、４はそれぞれを対にして対向させてＸ軸上
に配置し、ステータ３、５もまた対としてＸ軸より９０
度回転移動したＹ軸上に配置することでロータ１を位置
的・空間的に一定の位置に保つとともに、ステータ２、
４、またステータ３、５はそれぞれに各軸回りの回転力
を示す角速度ベクトルを発生するという点である。この
発生する角速度ベクトルを利用することによって、ロー
タ１は２自由度の運動を有している。

【０００５】さらに、この２自由度の球面超音波モータ
において、図２のように対になっているステータ２、
３、４、５をそれぞれＺ軸方向にある程度傾けて配置し
た場合、図３のようにＹ＝０平面上において、ステータ
２、４が持つ回転力を表している角速度ベクトル９、１
０の関係を考える。まず角速度ベクトルの持つ方向はス
テータ３、５とロータ１との接触面に垂直をなすため、
ステータ同様Ｚ軸方向に傾きを持つ。よって対になった
ステータ同士の発生する角速度ベクトルは合成されてＺ
軸方向の成分を有するため、この合成ベクトル１３によ
ってＺ軸回りの回転力をロータ１に与えることが可能と
なるため、結果としてある程度の傾きを与えたこの球面
超音波モータはＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの３自由度を有
することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上より、ロータ１に
３自由度の可動範囲を与え稼動させることは、ロータ１
の中心を原点としたＸ−Ｙ−Ｚ空間で任意の目標ベクト
ルを設定し、この目標ベクトルと同じ傾きを持つものを
ステータ２、３、４、５それぞれの回転力及び回転方向
を任意で制御し合成することで可能となる。この目標ベ
クトルの成分は、それぞれ回転成分のＸ軸、Ｙ軸および
Ｚ軸まわりに分解され、その本数は３本である。即ちロ
ータ１内で３本のベクトルを生成すれば３自由度方向へ
の移動を与えることができる。しかし、考案者がステー
タが４個のモデルにおいて行ったロータ１の位置制御実
験では、ある程度の精度をもって制御を行うことができ
たものの、その制御軌跡にはばらつきが多く見られ、非
常に安定性に欠けたものであった。この原因としては、
図４の通り従来の球面超音波モータはステータの数が４
つであることから、ステータ上では角速度ベクトルは同
様に４方向に４本発生する。よってこの角速度ベクトル
の数と回転成分の数とは一致しないためにベクトルの数
に冗長性が生じ、これを処理しなければ３自由度駆動で
の制御を行うのは困難であった。このためステータを４
個使用して３自由度を与えるには、以下のような拘束条
件をかけて行っていた。 （イ）目標となる角速度ベクトルは２組のステータで発
生する２本の要素ベクトルで合成する （ロ）目標ベクトルのＺ軸方向成分は２本の要素ベクト
ルで１／２づつ負担する

【０００７】しかしこのような拘束条件下で駆動するた
め、３方向の自由度を与えるには多くの無理が生じる。
これが４個のステータでは３自由度を有した場合での駆
動が安定しない要因の一つと考えられ、より安定した３
自由度駆動を得るためにはこのベクトルの冗長性を拘束
条件で処理するのではなく、構造的に解消することが有
効な手段と見なせる。

【０００８】また従来までの球面超音波モータにおいて
作業領域に関して図５のように上面から見た場合、３自
由度を持たせるためのステータの傾き角が大きければ、
また出力の取り出しもしくは検出を行うための突起物等
の外縁の径もしくはカメラなどをロータ１にはめ込んで
利用するための取り付け部７が多大になる場合、これら
の設置に必要な領域をステータが多く占有し、有用な作
業範囲を狭めるようになるためアクチュエータとしての
利用価値が低下してしまう恐れがある。よってステータ
の数を減らすことは出力軸の移動空間の拡大につなが
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】よって本発明は前記のよ
うな欠点を除くために考案したものである。本発明に係
る、作業領域の広い球面超音波モータは、動力を発生す
る球体と、該球体を３自由度で駆動する手段とを有する
とともに、以下の要件を備えたことを特長とする。 （イ）上記の駆動手段を上記球体をロータとする球面超
音波モータを用いたこと （ロ）上記動力伝達および保持の目的として使用するス
テータの個数を３個に限定したこと （ハ）上記ステータの個数を限定することでロータ駆動
の制御性を向上したこと

【００１０】（ハ）の方法に関して言えば、従来の構造
では発生するベクトルの数がステータの個数に比例して
いるため、従来の球面超音波モータでは構造の特性上ベ
クトルの冗長性を排除することができなかった。よっ
て、これらの課題の解決策として必要なベクトルの数に
適合させてステータの個数を３個に限定し、このステー
タにＺ軸方向に傾きを与えて配置する構造を発明した。

【００１１】

【発明の実施の形態】図６は、作業領域の広い球面超音
波モータを示し、符号２１は動力を出力するための球体
（以下、ロータという）、２２、２３、２４は該ロータ
２１の直径上に配置された４つの円環状の駆動手段部
（以下ステータという）を示し、この駆動手段部を保持
する保持器２７とで構成されている。この球面超音波モ
ータあっては、保持器２７の空洞内に略球体状ないし略
球殻状をしたロータ２１が納められている。このロータ
２１はステータ２２、２３、２４のみによって支持され
ている。各ステータ２２、２３、２４は超音波モータと
して使用されるものであって、上記ロータ２１に駆動を
行うのに適当な圧力で押しつけられるとともに、各々の
ステータの裏側面には圧電素子２５が貼り付けられてい
る。ここに２相の超音波領域に相当する高周波の交流電
圧を印加することによって、ステータ２２、２３、２４
表面上には時間とともに位相が進む進行波が励起され、
この進行波頂点と接触状態にあるロータ２１が回転を始
めるように設けられたもので、各ステータ２２、２３、
２４に印加する２相の交流電流を制御することによって
ロータ２１の回転速度、発生トルク及び回転方向を変更
することが可能である。

【００１２】本発明のような構造をなすものにおいて、
安定してロータ２１を駆動・移動させるという課題の解
決は、ロータの移動可能な方向の成分と発生する駆動ベ
クトルの本数を一致させることで可能となる。この作業
領域の広い球面超音波モータにおいてステータ２２、２
３、２４それぞれが発生する角速度ベクトル２８、２
９、３０は図７のようになり、それぞれのステータが回
転時に持つベクトルは３方向に分かれる。これはロータ
２１に対し作用することからロータ２１上でそれぞれの
ベクトルが合成されてロータ２１を移動させる。この時
合成ベクトルの持つ方向成分はＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの３方
向であり、ここにベクトルの冗長性は生じていない。よ
ってロータ２１の移動に必要な方向成分と一致するため
ロータ２１の移動に対して影響を及ぼす冗長ベクトルは
存在せず、入力に対する応答に均一性が生じることから
制御性が向上し、ロータ２１の移動は安定する。

【００１３】さらに言えば、ステータの個数は従来型の
４個から３個へと減少するため、ステータの占有領域が
減少して作業領域が広くなる。また、摩擦力を利用した
モータであるためロータ２１とステータ２２、２３、２
４との組み合わせには微妙な調整が必要であるが、使用
するステータの個数が減少するため調整が従来よりも容
易になり、整備も簡便に行える。また、作業領域以外の
部分にも空間が生じるため、ここに位置検出器を組み込
むことが可能で、位置検出機構を含んだ状態で比較すれ
ば、従来よりさらに構造の縮小および簡略化が可能であ
る。

【００１４】

【実施例】図６より、ステータの数を３個とし、Ｘ−Ｙ
平面上においてそれぞれを配置することを基本として、
ステータのうち一つを固定し、残りの二つはロータへの
押しつけ力を調整可能なようにしておく。さらに、Ｘ−
Ｙ平面において、Ｚ軸方向へ正方向または負方向の角度
（図中ではα度で示す）に傾きを与えてステータ２２を
配置し、これを保持器２７によって保持する。また、残
りった２つのステータ２３、２４はＺ軸方向へ正方向ま
たは負方向の角度に傾きを与えて配置する。

【００１５】ステータ２２、２３、２４をＺ軸方向にα
度もしくは−α度傾けていることによってステータが持
つ角速度ベクトル２８、２９、３０はＺ軸方向に傾きを
持ち、他のステータの発生する角速度ベクトルと合成さ
れてＺ軸方向の成分を有するため、この合成ベクトルに
よってＺ軸周りの回転力をロータ１に与えることが可能
となる。この回転力によって、ある程度の傾きを与えた
この球面超音波モータはＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの３自
由度を有している。

【００１６】

【考案の効果】本発明の三方向の自由度を有する球面ア
クチュエータによれば、ステータの個数を３個に限定す
ることによって発生する角速度ベクトルが３本になるた
め、求める自由度と整合性があることから駆動が安定し
ロータ２１の制御が安定して行える。また３自由度を有
しながら作業範囲を大幅に拡大することが可能である。
また、減速機を用いなくても高い低速トルク、保持トル
クを有し、高い位置決め精度を発揮する超音波モータを
利用することから、これらの特性に優れている。さらに
構造が簡略化でき、出力軸の可動範囲が広がる上に製造
コストの削減と構造重量の減少をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステータを４個使用する従来型の球面超音波モ
ータの斜視図

【図２】ステータを４個使用する従来型において、３自
由度を有するためのステータの空間的な位置関係を説明
するための図

【図３】Ｚ軸周りの回転力を発生する原理を説明するた
めの図

【図４】ステータを４個使用する従来型で発生する角速
度ベクトルが及ぼす影響を説明するための図

【図５】ステータを４個使用する従来型において、作業
領域が制限を受ける要因を説明するための上面図

【図６】本発明に係る作業領域の広い球面超音波モータ
の斜視図

【図７】ステータを３個使用する従来型で発生する角速
度ベクトルが及ぼす影響を説明する図

【符号の説明】 １ 球体 ２ 駆動手段 ３ 駆動手段 ４ 駆動手段 ５ 駆動手段 ６ 圧電素子 ８ 保持器 ９ 角速度ベクトル １０ 角速度ベクトル １１ 角速度ベクトル １２ 角速度ベクトル １３ 合成された角速度ベクトル ２１ 球体 ２２ 駆動手段 ２３ 駆動手段 ２４ 駆動手段 ２５ 圧電素子 ２７ 保持器 ２８ 角速度ベクトル ２９ 角速度ベクトル ３０ 角速度ベクトル

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】この球面超音波モータにあっては、保持器
８の空洞内に略球体状ないし略球殻状をしたロータ１が
納められている。このロータ１はステータ２、３、４、
５のみによって支持されている。各ステータ２、３、
４、５は超音波モータとして使用されるものであって、
上記ロータ１に駆動を行うのに適当な圧力で押しつけら
れるとともに、各々のステータの裏側面には圧電素子６
が貼り付けられている。ここに２相の超音波領域に相当
する高周波の交流電圧を印加することによって、ステー
タ２、３、４、５の表面上には時間とともに位相が進む
進行波が励起され、この進行波頂点と接触状態にあるロ
ータ１が回転を始めるように設けられたもので、各ステ
ータ２に印加する２相の交流電流を制御することによっ
てロータ１の回転速度、発生トルク及び回転方向を変更
することが可能である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【発明の実施の形態】図６は、作業領域の広い球面超音
波モータを示し、符号２１は動力を出力するための球体
（以下、ロータという）、２２、２３、２４は該ロータ
２１の直径上に配置された４つの円環状の駆動手段部
（以下ステータという）を示し、この駆動手段部を保持
する保持器２７とで構成されている。この球面超音波モ
ータにあっては、保持器２７の空洞内に略球体状ないし
略球殻状をしたロータ２１が納められている。このロー
タ２１はステータ２２、２３、２４のみによって支持さ
れている。各ステータ２２、２３、２４は超音波モータ
として使用されるものであって、上記ロータ２１に駆動
を行うのに適当な圧力で押しつけられるとともに、各々
のステータの裏側面には圧電素子２５が貼り付けられて
いる。ここに２相の超音波領域に相当する高周波の交流
電圧を印加することによって、ステータ２２、２３、２
４表面上には時間とともに位相が進む進行波が励起さ
れ、この進行波頂点と接触状態にあるロータ２１が回転
を始めるように設けられたもので、各ステータ２２、２
３、２４に印加する２相の交流電流を制御することによ
ってロータ２１の回転速度、発生トルク及び回転方向を
変更することが可能である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【実施例】図６より、ステータの数を３個とし、Ｘ−Ｙ
平面上においてそれぞれを配置することを基本として、
ステータのうち一つを固定し、残りの二つはロータへの
押しつけ力を調整可能なようにしておく。さらに、Ｘ−
Ｙ平面において、Ｚ軸方向へ正方向または負方向の角度
（図中ではα度で示す）に傾きを与えてステータ２２を
配置し、これを保持器２７によって保持する。また、残
った２つのステータ２３、２４はＺ軸方向へ正方向また
は負方向の角度に傾きを与えて配置する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３方向の自由度をもった駆動におい
   て、制御性を向上することを目的として３自由度を与え
   るのに必要なベクトルの成分と、発生させる角速度ベク
   トルの数を一致させた球面超音波モータ。
2. 【請求項２】 ステータの個数を減少することで可動
   範囲および可動の自由度を拡大した球面超音波モータ。