JPH065992B2 - 多軸型圧電モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば各種ロボットの関節用モータ等として
使用される多軸型圧電モータに関する。

〔従来の技術〕

従来、ロボットの関節用モータとしては、例えばステッ
ピングモータやソレノイドモータ等の電磁モータが使用
されてきた。なお大きなトルクを得るべく、通常はハー
モニックギアで回転数を減速化している。また最近はダ
イレクトドライブモータが開発され、ロボット関節用モ
ータとして利用され始めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

電磁モータは、電磁力によるものであるため、インダク
タンスに起因する応答遅延時間が生ずるのは避けられな
い。また、回転子（ロータ），固定子（ステータ）に設
ける電磁石の極数は有限であるため、ロボットハンドの
位置決め制度には自ずから限界があった。さらに、ハー
モニックギアで回転数を減速化しているものでは、ギア
段数に比例してモータとしての効率が低下するのみなら
ず、ギアが有する微妙な遊びの累積によって位置決め精
度が低下するといった欠点を有していた。

ダイレクトドライブモータは、上記従来の電磁モータに
比べ、位置決め精度が高く、その精度を数１０ミクロン
まで高め得る。しかしこのダイレクトドライブモータ
も、従来の電磁モータと同様に一軸型のモータであり、
しかもモータの軸は全く固定されたものであり、この固
定された軸のまわりの回転を利用するものである。した
がって人間の全ての動作を人間以上に高出力、高精度で
代替するという、ロボットの最終的な目標を達成するた
めには、たとえダイレクトドライブモータを使用した場
合においても、関節数を多くする以外に方法がなかっ
た。特に工場に於いて人間が行なってきた組立て、検査
作業等を代替させる場合等においては、その関節数を多
くせざるを得なかった。

しかし、目に見えない隠れた部分を操作するような場合
はともかく、一般には関節数は少ないことが望ましい。
すなわち、ロボットにおいては、極力少ない関節で同じ
動作を行なえるに越したことはない。これは、位置決め
精度、移動速度、消費電力、信頼性のどれをとっても明
白である。特に多関節化に伴いアームの長さが不必要に
長くなると、上記各ポイントのいずれにも悪影響を及ぼ
すことは明白である。

仮りにモータ回転軸が、ほぼ同一の容積で必要に応じて
傾角を可変可能であれば、関節の数を従来よりも減少さ
せることができ、位置決め精度、移動速度、消費電力、
信頼性のいずれにおいても好ましい方向に転ずることは
確実である。したがって、この様な必要に応じて回転軸
の方向を変更できるモータの実現が望まれていた。

そこで本発明は、ロータの回転軸の傾角を可変可能で、
ロボットの関節等に用いるモータとして好ましく、例え
ば必要最少限の関節でロボットにフレキシブルな動作を
実行させ得、高い位置決め精度，高速性，低消費電力，
高信頼性が期待できる多軸型圧電モータを提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し、目的を達成するために次
のような手段を講じた。

一部に開口部を有し他の一部に保持部を有する球穀を
設ける。

この球穀の内壁に弾性部材を介して複数のリング状圧
電モータ要素を固定する。

これらの複数のリング状圧電モータ要素によって外周
面に支持されるように、前記球穀内に球体を収容する。

この球体の表面の一部に、前記開口部から球穀外方へ
突出する操作部を設ける。

なお複数のリング状圧電モータ要素は、一つが進行波駆
動され、他が定在波駆動されるように、位相差を設定さ
れた電圧を印加されることが好ましい。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、複数のリング状圧
電モータ要素への印加電圧を制御するのみで、ロータと
しての球体が任意の方向へ回動し、操作部を所望の方向
へ向けることができる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。先ず本発明
の主たる構成要素である圧電モータについて説明する。

第１図（ａ）（ｂ）〜第３図（ａ）（ｂ）は本発明の圧
電モータの構造概念図である。圧電モータには種々の構
造のものがあるが、第１図（ａ）（ｂ）〜第３図（ａ）
（ｂ）に示す圧電モータは、リング状圧電モータ要素を
ステータとし、球体をロータとしたものである。この圧
電モータは、従来の電磁モータとは全く異なった構造を
有し、異なった動作をする。

第１図（ａ）（ｂ）は圧電モータ要素を示す図である。
同図に示すように、性能係数Ｑの大きなリング状金属板
１に厚みの異なる圧電セラミックス２を接着し、その上
に弾性部材３を載置した構造となっている。上記圧電セ
ラミックス２は、波長λごとに一対の逆向きの分極が隣
接して形成されており、かつ中心線４に対して左右対称
の分極配置となっている。そして中心線４が通っている
部位には、それぞれ３／４λと１／４λの無分極部５，
６が設けてある。各分極に対応する電極相互間は、中心
線４の両側においてそれぞれ導通させる様に接続されて
いる。そして一方の側からの引出し線を端子Ａに、他方
の側からの引出し線を端子Ｂに、金属板１からの引出し
線をアース端子Ｅにそれぞれ接続している。端子Ａ−Ｅ
間と端子Ｂ−Ｅ間には、同振幅，同周波数で９０°の位
相差を有する電圧Ｖ１とＶ２とがそれぞれ印加されるも
のとなっている。

今、電圧Ｖ１，Ｖ２が印加されたとすると、Ａｍ．ｓｉ
ｎ（ωｔ−ｋｘ）なる進行波が第１図（ｂ）に矢印で示
すように圧電モータ要素の円周方向に生じる。ここでω
は周波数、ｋは波数、ｔは時間、ｘは位置を示す。

第２図は、このように進行波が励起される圧電モータ要
素をステータとし、このステータ上に、ロータとしての
球体７を載置した状態を示す図である。このようにする
と、ステータの表面の各点は進行波の進行方向に対して
後方楕円運動をする様になる。ステータ上に載置したロ
ータとしての球体７は、常上記楕円の頭頂部に接する様
になり、しかもこの頭頂部の変位方向は振動波の進行方
向に対して逆方向となる。このため球体７は回転軸８の
まわりを一方向に回転することになる。印加電圧Ｖ１と
Ｖ２の位相関係を逆転させれば、進行波の向もを逆転す
るため、回転方向が逆転する。印加電圧Ｖ１，Ｖ２の位
相差をなくした場合またはπだけずらした場合は、定在
波が発生するため回転楕円運動は起こらず、円周方向に
垂直な上下方向の直線運動をする。この状態において
は、ステータとロータとの間の摩擦が極めて少ない状態
となって、手動操作等を行うことによりロータをスムー
ズに回転させ得るものとなる。更に印加電圧Ｖ１，Ｖ２
を全く印加しない場合、ステータとロータとの間の摩擦
は最大となり、チャック状態となる。

以上の様に第１図（ａ）（ｂ）および第２図（ａ）
（ｂ）に示した圧電モータは、印加電圧Ｖ１，Ｖ２の印
加のしかたで、両方向への回転状態、摩擦最少の状態
（ローター浮上状態）、摩擦最大の状態（チャック状
態）の三状態を全く同一構造のままで実現でき、しかも
各状態間の変更も瞬時のうちに行なえるという特徴を有
している。この点は、従来の電磁モータには全く期待で
きない特徴点である。なお圧電モータの特徴点をまとめ
てみると、次の通りである。

電磁力を全く用いない。

回転中心軸（回転シャフト）を必要としない。

駆動力としてリング上に発生する数１０ＫHz〜１００
ＫHzの進行波を用いる。

ロータの駆動はステータによる接触摩擦駆動である。

電圧駆動であり、高電圧，低電流消費であり、３入力
端子構造である。

薄い形状を実現できる。

リング上に発生させる振動波を、進行波，定在波，無
振動と変化させることにより、ロータの回転，無抵抗，
チャックの三状態を同一構造のデバイスで実現できる。

回転はは、低速，高トルク型の回転である。

第３図（ａ）（ｂ）は一つの球体ロータ７の外周面に４
個の圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４をステータとして装着し
た場合を示す図である。図示のように複数個の圧電モー
タ要素Ｍ１〜Ｍ４は、その中心ｍ１〜ｍ４が第３図
（ｂ）に示した様な正四面体の頂点になるようにロータ
７に接触している。同図においてＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ
４は各圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４の回転軸である。

例えば今、圧電モータ要素Ｍ１に位相差９０°の電圧Ｖ
１，Ｖ２を与え、他の圧電モータ要素Ｍ２〜Ｍ４には位
相差ＯのＶ１，Ｖ２を与え、振幅および周波数は全て同
一にすると、球体ロータ７は、回転軸Ｓ１を中心として
スムーズに回転する。圧電モータ要素Ｍ２に位相差９０
°の電圧Ｖ１，Ｖ２を与え、他の圧電モータ要素Ｍ１，
Ｍ３，Ｍ４に位相差ＯのＶ１，Ｖ２を与えた時は、回転
軸Ｓ２を中心として回転する。圧電モータ要素Ｍ３，Ｍ
４の各軸Ｓ３，Ｓ４を中心に回転させる場合も同様であ
る。このように各々の圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４に所定
の位相差を有する電圧Ｖ１，Ｖ２を順次印加することに
より、ロータ７はそれぞれ異なった回転軸を中心に回転
する。その結果、ロータ７の球面上の一点Ｐを球面軌跡
上の任意の位置に移動させることが可能になる。なお圧
電モータ要素は薄いリング状に形成できるので、これら
圧電モータ要素を固定する固定部材を見込んだとして
も、球体７の大きさより若干大きなものとなる程度であ
り、それほど大型化するおそれはない。

〔実施例〕

第４図は本発明の一実施例を示す図である。１０は真ち
ゅう、ＳＵＳなどの金属で形成された球穀であり、その
一部に円形の開口部１１が設けてある。球化１０の他の
一部たとえば前記開口部１１の反対側には、円柱状の保
持部１２が取付けてある。球穀１０の内面には４個のリ
ング状圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４がゴム等の弾性部材
（ダンピング兼スペーサ用）を介して固定されている。
これらの圧電型モータ要素Ｍ１〜Ｍ４は第３図（ｂ）の
様に正四面体の頂点の位置に設けられている。なお図示
はしてないが、圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４の固定部位近
傍の球穀１０には、各圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４のリー
ド線を通す為の細孔が設けられている。球穀１０内には
真ちゅう、ＳＵＳ等の金属または他の弾性材料よりなる
球体１３が、前記圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４に支持され
た状態で収容されている。したがって上記球体１３の外
周面と球穀１０の内周面との間には一定の間隙が存在し
ている。球体１３の一部にはロボットハンドを取付ける
為の操作部としてのシャフト１４がネジ込み等の手段に
よって取付けられている。このシャフト１４は球穀１０
の開口部１１から外部へ突出している。

第５図は圧電モータ要素の一部を取出して示した断面図
である。第５図に示す如く、球穀１０の内周面には例え
ばネオプレンゴムなど 形成したダンピング材兼スペー
サとしての弾性部材１５が接着されており、この弾性部
材１５上にリング状の圧電セラミックス１６とリング状
金属板１７とを重合した圧電モータ要素Ｍが接合されて
いる。なお、リング状金属板１７の球体支持面は、球体
１３の外周面と同一の曲率を有する凹面状に形成されて
いる。なお球穀１０は、球体１３を容易に収容できるよ
うに、半球状のものを一体的に接合したものとなってい
る。

第６図は上記の様な構造の多軸型圧電モータを測定ロボ
ットの関節として利用した例を示す図であり、非破壊検
査や、超音波診断装置等に用いられる超音波探触子のビ
ームパターンを測定する時の配置例である。ビームパタ
ーン測定は超音波探触子の性能、特に横方向分解能や焦
点距離を決定する為に重要な測定である。水槽２０の中
には平面または球面を有する反射体２１が設置され、こ
の反射体２１と距離Ｚだけ離れた位置には、超音波探触
子２２が配置されている。この探触子２２は多軸型圧電
モータの操作部１４にホルダー１８を介して結合されて
いる。多軸型圧電モータの球穀１０に設けた保持部１２
は、Ｘ，Ｙ，Ｚ直交座標型ロボットのアーム２４に接続
されている。ビームパターンの測定は、上記探触子２２
をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させながら、超音波ビーム２３
を探触子２から放射させ、反射体２１で反射されてきた
超音波ビーム２３を再び探触子２２に入射させ、入射ビ
ームパワーを測定することにより行なわれる。この様に
探触子２２をＸ，Ｙ，Ｚ方向にリニヤ移動させて測定を
行なうが、これに先だって行なう必要があるのが、超音
波探触子２２の超音波ビーム中心軸の調整である。

すなわち第７図に示すように、超音波探触子２２の超音
波ビーム中心軸２３ａを反射体２１の方向に正確に向け
る必要がある。この為には探触子２２をＸ，Ｙ，Ｚ軸の
まわりに各々η，φ，ξなる微小角度だけ回転させる必
要がある。従来はこのη，φ，ξの首振りを行わせるた
めに、３個の一軸モータを必要としていた。しかしなが
ら本発明の様な多軸型圧電モータを用いれば、単一のモ
ータにより、η，φ，ξなる微小角度の回転を高精度で
行なえる。なお、第６図の多軸型圧電モータは、直交し
たＸ，Ｙ，Ｚ軸のまわりの回転を目的としているので、
圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４は互いに直交する様に配置さ
れている。圧電モータ要素Ｍ１〜Ｍ４のうち、Ｍ１，Ｍ
２は押え用であって球体の重力による降下力を押えるの
が目的であり、通常は定在波を発生させて用いることに
なる。

以上の様な測定系を実現することにより、測定は完全に
自動化でき、省力化、信頼性のある測定ができるように
なる。

なお本発明は前記一実施例に限定されるものではない。
たとえば前記実施例では本発明をロボットの関節用モー
タに適用した例を示したが、他のメカニカルアクチュエ
ータとしても使用可能である。このほか本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論であ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、一部に開口部を有し他の一部に保持部
を有する球穀を設け、この球穀の内壁に弾性部材を介し
て複数のリング状圧電モータ要素を固定し、これらの複
数のリング状圧電モータ要素によって外周面を支持され
るように、前記球穀内に球体を収容し、この球体の表面
の一部に、前記開口部から球穀外方へ突出する操作部を
設けるようにしたので、複数のリング状圧電モータ要素
への印加電圧を制御するのみで、ロータとしての球体が
任意の方向へ回動し、操作部を所望の方向へ向けること
ができる。したがってロータの回転軸の傾角を可変可能
で、ロボットの関節等に用いるモータとして好ましく、
例えば必要最少限の関節でロボットにフレキシブルな動
作を実行させ得、高い位置決め精度，高速性，低消費電
力，高信頼性が期待できる多軸型圧電モータを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）〜第３図（ａ）（ｂ）は本発明の圧
電モータの構造概念図である。第４図および第５図は本
発明の一実施例を示す側面図および部分断面図、第６図
および第７図は同実施例の多軸型圧電モータを測定ロボ
ットの関節として利用した応用例を示す図である。 １０…球穀、１１…開口部、１２…保持部、１３…球
体、１４…シャフト（操作部）、１５…弾性部材、１６
…圧電セラミックス、１７…リング状金属板、２１…反
射体、２２…超音波探触子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一部に開口部を有し他の一部に保持部を有
   する球穀と、この球穀の内壁に弾性部材を介して固定さ
   れた複数のリング状圧電モータ要素と、これらの複数の
   リング状圧電モータ要素によって外周面を支持されるよ
   うに前記球穀内に収容された球体と、この球体の表面の
   一部に設けられかつ前記開口部から球穀外方へ突出した
   操作部とを具備したことを特徴とする多軸型圧電モー
   タ。
2. 【請求項２】複数のリング状圧電モータ要素は、一つが
   進行波駆動され、他が定在波駆動されるように、位相差
   を設定された電圧を印加されるものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の多軸型圧電モータ。