JPH04197085A - 多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、多自由度アクチュエータに係り、とくに超音
波振動を利用し、Ｑｘ、Ｑ、ｙ、Ｑｚの位置決めを可能
とする多自由度アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

従来の多自由度の位置決めを可能とするものには、以下
に示すようなものがあった。

（１）特開昭５７−１７３４８８号公報に記載のように
、回転モータとボールネジを組合わせた高精度のＸ軸移
動テーブルを２層にしてＸＹ軸移動テーブルを構築する
といった積重ね構造のもの。

また、（１）で上げたものを小型化、高精度化するため
、 （２）駆動源として、圧電素子を用いて、−層構造で多
自由度能動を可能とした移動テーブルとして、昭和５５
年精機学会秋季大会学術講演会論文集ｐ７７記載の「マ
イクロポジショニング用ステージ」に記載されたもの。

さらに、（２）で上げたものを長ストローク化するため
、 （３）特開昭５４−１６４２０２号公報、特開昭５８−
１４８６８２号公報、特開昭６０−２２４７８号公報に
記載されたもの。

まず、特開昭５４−１　’６４２０２号公報は、その能
動源である振動モータは、ロータ表面に円周方向に振動
子を押し付は振動させた時、振動子とロータ表面との間
に発生する摩擦力によりロータが回転する原理を利用し
たものである。

特開昭５８−１４８６８２号公報及び特開昭６０−２０
０７７９号公報に示す超音波振動を利用したモータ装置
は、内蔵された複数の圧電素子の振動により発生する弾
性体上の進行波の伝搬を利用してロータの回転を行うも
のである。

尚、多自由度化を実現する能動装置の一例として、 （４）特開昭６２−２２８３９２号公報「複数自由度関
節装置」がある。この公知例は、圧電素子を組込んだ固
定子を複数用意して、固定子表面に圧電素子を振動させ
ることにより表面波を発生させることで複数方向への回
転子の駆動を行なわせるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術（１）は、多自由度を１自由度のものを積
み重ねる方式であった為、１軸移動テーブルの構造が大
きいばかりか、複数の積重ね構造を取ることにより、こ
れが倍加されてしまう欠点があった。

又、装置の高精度化を満足させる高剛性構造をとると、
積重ねる内、装置の形状・重量が大きくなってしまう事
、経済性が余り良くない欠点があった・ また、上記従来技術（２）は、−層構造において、多自
由度化、高精度化を図り、形状を小型化でき、θ方向へ
の発展も可能であり有効な手段である。

しかし、圧電素子自体のストロークが小さい事やヒンジ
部部材そのものの弾性変形を利用したリンク機構である
ためストロークに限界がある等の問題があった。

また、上記従来技術（３）に示したモータは、進行波の
進行方向を任意に定めることができない為、−軸能動の
ものとなり、単独での多自由度駆動は難しい事、又、多
自由度化するにあたり、やはり複数を組み合わせる方法
をとることになり小型化が難しい事といった欠点があっ
た。

また、上記従来技術（４）は、固定子が対となることで
、１自由度を得ることができるため、必要とされる自由
度が増せば、必然的に固定子の数を増やさなければなら
ない６さらに、固定子が対となることで、１方向の駆動
が可能となるため、任意の方向に能動する場合、即ち固
定子の振動方向と駆動したい方向が異なる場合、複数同
時に固定子の振動を与えることができないため、その駆
動を達成させることができなかった。

本発明の目的は、小型、長ストローク、高精度で、しか
も２自由度を同時に駆動可能な多自由度アクチュエータ
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、回転子と、互いに直交する
方向に振動する振動体と、前記回転子に当接し、前記振
動体の振動を前記回転子に伝達するリングとを有する多
自由度アクチュエータ。

〔作用〕

互いに直交する振動体に、電力を供給すると、各振動体
はその電力に見合った振動をする。そのとき、回転子に
当接しているリングは、各振動体の振動が組み合わされ
た複合的な動きをする。これによって回転子である球体
は駆動され、球体に一端を固着されたアームの他端は任
意な方向に位置決めできる。

上記電力はアームが所望の動きをするように、必要なだ
け駆動用のドライバよりケーブルを通して供給される。

〔実施例〕

以下、本発明の１実施例を図に基づいて具体的に説明す
る。

本発明の多自由度アクチュエータ３０は、第１図（Ａ）
に示す様に、先端に球９を圧入した、対象であるアーム
２と、ホルダｌａ、カバー１ｂと、ホルダ１ａ及びカバ
ー１ｂに接着固定された振動体３　（３ａ　−ｄ　、　
３　ａ　’　〜ｄ　）と、ホルダ１ａとカバー１ｂを締
結し球９と各振動体３の間にしめつけ力を与える働きを
するネジ１１と、外部がら各振動体３に電力を供給させ
るドライバ２ｏと、供給電力をドライバ２ｏから各振動
体３へ供給するだめのケーブル２５から構成されている
。

第２図は、第１図（Ａ）に示す多自由度アクチュエータ
の外観図である。振動体３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ａ
’　、３ｂ’　、３ｃ’　、３ｄ’　　（以下、３８〜
３ｄ’　を振動体３と総称する。）は、第１図（Ｂ）に
示すように、縦振動用振動子１６と面外振動用振動子１
５と載接リング７からなっており、縦振動用振動子１６
の振動と面外振動用振動子１５の振動を載接リング７に
より複合させることにより、多自由度を達成することが
できる。

縦振動用振動子１６は本実施例では圧電素子６のみを電
極プレート８で挾み、導電性接着剤で接着固定したもの
としている。ただし、本発明の目的を達成するためには
、縦振動をするものであれば、何でも良く、本実施例に
限定されるものではない。

面外振動用振動子１５は、本実施例では円筒状になって
いて、縦振動用圧電素子５を中央にして両側に電極プレ
ート８をはさみ、さらに両端に絶縁弾性体４を導電性接
着剤により貼り合わせた構造をとっている。

これら各振動子の動作を第３図を用いて説明する。

第３図（Ａ）は縦振動用振動子１６を断面で示したもの
で縦振動用圧電素子単体が交流電界Ｅ□を画電極プレー
ト８間に与えた時破線の様な振動をすることを表わした
ものである。

第３図（Ｂ）は、面外振動用振動子１５を示した断面図
である。面外振動用振動子１５の電極プレート８に交流
電界Ｅ２を印加すれば、面外振動用振動子１５は第３図
（Ｃ）及び（Ｄ）のような面外振動モートの振動を生ず
る。

第４図（Ａ）、（Ｂ）は面外振動用振動子の斜視図、上
視である。ここで、上記した面外振動を有限解析法によ
る解析図を第４図（Ｃ）〜（Ｆ）に示す。

これによると、面外振動とは第４図に示す様な、円筒あ
るいは円環状部材において定在する固有振動モードの一
つであって、下面を固定したとすると上面があたかも一
方向あるいは複数方向へ引張られる様な形に、いいかえ
れば円形が楕円形になる様な振動モードである。

振動体３は、以上に示した縦振動用振動子１６及び面外
振動用振動子１５を組合わせ、更に第３図（Ｅ）に示す
様に、載接リング７に接着固定する構成としている。即
ち円筒上の面外振動用振動子１５上に縦振動用振動子１
６を９０°おきに４ケ配置しその上に載接リング７を接
着固定してできている。今、第３図に示す様に、電極プ
レート８に交流電源１０ａ〜１０ｈを結線し、各電源電
圧の周波数ｆ、振幅Ａ９位相δをかえると、各振動体３
の面外振動及び縦振動が組み合わさって疎液リング７上
に複数の振動モード振幅が表われる。

載接リング７は球９と接する面として面取り部１７を有
していて、具体的には第１図に示す様にして各振動体３
　（３ａ　〜３　ｄ　、　３　ａ　’　−３ｄ　’　）
は面取り部１７にて球９と接している。各振動体３が振
動する時間取り部１７と球９との間に発生する静止摩擦
力（第１図ホルダ１ａ及びカバー１ｂとをネジ１１にて
締結した時面取り部１７と球９との間に発生する摩擦力
）を介して球９は振動体３より運動エネルギを与えられ
る。

載接リング７は上述した様に、複数の振動モード振幅を
発生することになるが、供給する印加電圧の周波数ｆ・
振幅Ａ・位相δを規則的に選べは、特定の振動モード振
幅を選んで疎液リング７上に発生させることができる。

本実施例では、各振動子３の縦振動による縦振幅及び面
外振動による横振動とを複合させることで楕円振動を励
振させ、疎液リング表面に間欠送りモードや進行波モー
ドを発生させている。

これにより、載接リングに接した球は摩擦力を介し回転
運動を行なう事により載接リングに接した球は摩擦力を
介し回転運動を行う事になり、アーム２を駆動する。そ
して、間欠送りモードにてθＸ及びθ２の駆動を、進行
波モードによりθｙの駆動が可能となる。

次に、上記した載接リングに発生し、θｙ別動の進行波
モートとθＸ、θｚ％動の間欠送りモードであるが、ま
ず第５図（１）、（２）を用いて、進行波モードの説明
をする。

進行波モードとは第５図（１）に示すように。

弾性体であるプレート３２上にスライダ３１をおき、プ
レート３２上の表面上に矢印すなる楕円運動を発生させ
た時、あたかもプレート３２表面は、波打ちながら矢印
Ｃの方向に移動する進行波が発生する為、スライダ３１
はその進行波の影響を受は矢印ａの方向に摩擦力し移動
を始めることがわかっている。本原理を疎液リング７を
プレート３２に、球９をスライダ３１におきかえて展開
することにより球９の旋回が可能となってくる。即ち第
５図（２）に示すように疎液リング７表面に楕円振動を
発生させることにより進行波が載接すング７全面を走り
始める為、摩擦力を介し球９は進行波の進行方向ｄとは
逆の方向ｅに回転を始める。

第１図との対応をつけるならば、θｙ力方向回転である
。

第２図に示す様に、カバー１ｂ側及びホルダｌａ側の対
となった練液リング７上に進行波が同一方向に同一振幅
、同一速度で起こる時、球９の回転θｙが発生し、アー
ム２の旋回が可能となる。

疎液リング７に進行波モードを発生させるためには、各
振動体３ａ、３ａ’　、３ｂ、３ｂ’のそれぞれ縦振動
用振動子１６を特定周波数にて同一振幅で振動させ、か
つ、各振動体３の縦振動用振動子を基準として同一位相
δずつ右まわりあるいは左まわりに累積してずらした様
にして振動させる様にすれば良い。

この様にすることで練液リング７上に特定周期の波が位
相δのずれにより球９が回転を始める。

右まわり、左まわりと位相δの累積方向にずらすことで
正転、逆転が可能となる。又位相δの量及び振動数ｆを
かえることで回軸スピードが変化させることが可能とな
る。

次に、進行波モードを第６図を用いて説明する。

第６図（Ａ）は、各振動体３に電圧を印加させていない
初期状態である基準姿勢を第１図（Ａ）のアーム２の方
向から示したものである。第６図（Ｂ）〜（Ｋ）は、間
欠送りモード時の疎液リングの動きを示したものである
。これにより１球９を駆動することでアーム２のθＸ、
θ２送りを行う。ここでは動作原理を理解しやすくする
ために、第１図（Ｂ）の断面図における各振動子１５゜
１６の構成あるいはケーブル２５を省き簡略化している
。

（Ｂ）は面外振動用振動子１５が外側方向に開き始める
と共に、縦振動用振動子１６が振動体３ａ及び３ｄで伸
び始め、振動体３ｂ及び３ｃではまだ初期状態の状態に
なっている図である。

即ち、（Ｂ）図の様にすると、振動体３ａ及び３ｄは外
側に開き球９を押し上げる様、球に接した状態で球を０
１方向に押し回す様に伸びるが、振動体３ｂ及び３ｃは
球９から離れる形をとる。

ここで、振動体３ａ、３ｄが上記したような動きをとる
ためには、疎液リング７が球９を押すように、縦振動用
振動子１６に電力を印加し、一方縦振動用振動子１６が
疎液リング７を押す位置に対応する位置の面外振動用振
動子１５が広がるように電力を印加させる。

（Ｃ）は、さらに面外振動用振動子１５が更に外側に開
き縦振動用振動子１６が振動体３ａ及び３ｄではさらに
伸び続け、ようやく振動体３ｂ及び３ｃでも位相を遅く
して伸び始めた状態を示す。

この時、振動体３ａ及び３ｄは球９の接した状態で球９
を０２の回転を行うことになる。ただし振動体３ｂ及び
３ｃは縦振動用振動子１６が伸び始めたとはいえ面外振
動により外側に押し開かれていることから球９からは面
前れた形である。

ここでも、（Ｂ）のときに説明したように、第６図中の
矢印を印した方向に各振動体が振動するように、電力を
印加させればよい。以下（Ｄ）〜（Ｆ）も同様にすれば
よいので、その動作についてだけ説明する。

（Ｄ）はさらに面外振動用振動子１５が外側に開いて最
大に開いた状態を示す。この時振動体３ａ及び３ｄの縦
振動用振動子１６は縮み始め既に球９より離れ始める。

一方振動体３ｂ及び３ｃは縦振動用振動子１６を伸ばし
きり、球９に接触をする。そして逆に縮みモードに入い
ることになる。

この際にθ、の球の回転を行っている。

（Ｅ）は面外振動用振動子１５が内側に閉じ始め、振動
体３ａ及び３ｄの縦振動用振動子１６は縮み続けると同
時に、振動体３ｄ及び３ｃの縦振動用振動子１６が縮み
状態を続行する。この時、振動体３ａ及び３ｄは面外振
動が縮みモードにあるとはいえ初期状態より遠くまだ球
９に離れた状態となっている。逆に振動体３ｂ及び３ｃ
は球９に接触した状態を保ちθ、の回転を行っている。

（Ｆ）は面外振動用振動子１５が尚内側に閉じる動作過
程で、振動体３ｂ及び３ｃの縦振動用振動子１６が球９
を接触した状態で球θ５の回転を行っている図である。

振動体３ａ及び３ｄは（Ｅ）同様縁９より離れた状態で
ある。

（Ｇ）は（Ｆ）の続きで面外振動が続行され振動体３ｂ
及び３ｃが球９を０６まで回転させている図である。振
動体３ａ及び３ｄは球９から離れている状態である。

（Ｈ）は（Ｇ）と同様にして球９を０７　まで回転させ
ている図である。面外振動は初期状態より内側に向かい
つつあるが振動体３ａ及び３ｄは縦振動用振動子１６が
縮小モードにあってやはり球９からはなれている。

（Ｊ）は面外振動が内側に最大限に寄ったことと、振動
体３ａ及び３ｄの縦振動用振動子１６が伸びモードとな
り逆に振動体３ｂ、３ｃの縦振動用振動子１６が縮みモ
ードとなって球９と接触する振動体がかわった状態を示
す。この間にも球９はθ６だけ回転を続けている。

（Ｋ）は最大限内側に寄っていた面外振動が外側に開き
始め、球９に接触していた振動体３ａ及び３ｄの縦振動
用振動子１６の伸びも加わり、球９が振動体３ａ、３ｄ
によりθ３の回転を行っている状態を示したものである
。

振動体３ｂ、３ｃは面外振動が開く過程で球９とは接触
していない。

（Ｋ）は（Ｊ）の続きとしてθ□。の回転をさらに行っ
ている図を示す。この時、振動体３ａ及び３ｄは初期状
態となっており、これからまた球９を回転しようとして
いる。ここで、振動体３ｂ及び３　ｃ　ｌ；！　ｌＩｉ
動初期に縦振動用振動子１６の動作が遅れた分だけまだ
縮みモードにあって球９に触れていない。

間欠送りモードで重要なのは、この振動体３ｂ及び３ｃ
の縦振動用振動子１６の振動位相が振動体３ａ及び３ｄ
のそれより３０°遅れている点である。ここで球９をさ
らに回軸したい場合は第６図（Ｋ）から第６図（Ｂ）へ
と続き同様な動きを繰り返す。回転を止めたいときは、
各振動体３への電力の印加をストップさせ、初期状態（
Ａ）に戻せばよい。このシーケンスで注目すべき点は、
振動体３　ａ　−ｄによる回転の際３’ａ−ｄの振動体
は完全に避けきっていて関与しない事になっているとい
う点である。

以上により、間欠送りモードにより第１図（Ａ）のθＸ
、θ２の２軸まわりに球７を回転させることができる。

またθＸ、θＺを組み合わせることにより２自由度を同
時駆動することができる。

本多自由度アクチュエータは、アームを取り去り球の回
転駆動機構として用いる事もでき、水平面上に球露出部
をおき台車の車輪として１ケあるいは複数用いるならば
３自由度の移動機構、あるいはその記動源となりうる。

又ローラとして用いるならば３自由度の搬送機構となり
、本３自由度アクチュエータは構造が単純であるため小
型化が可能である事、摩擦力が記動力となることから駆
動するための電圧を各振動子に与えない場合の保持力は
常に作用しており停止トルクは常に存在している事、各
振動子の振動自体は非常に微細なものであって高分解能
能動が可能である事等の長所を有している。

第７図は、本実施例の３自由度アクチュエータを２ケ（
３０ａ、３０ｂ）を組合わせ、フレキシブルフィンガー
３５として６自由度の位置決め機構にした１実施例であ
る。光フアイバスコープ３６を搭載し、対象物あるいは
自己位置状態を計測しながら位置決めができ自動化を図
った例である。

第８図（１）〜（３）はフレキシブルフィンガーの代表
である人間の指の動きによって様々な形状の物の把持方
法をかえている例を示したものである。

小球４１．大球４２．コイン４３の持ち方も多岐にわた
っていてフレキシビリティが高い。

こうした人間の手首に近いロボットハンドとして、第８
図（４）に産業用ロボット４７の手元についたハンド４
５として３自由度アクチュエータ３０を組合わせたハン
ド４６を提供した実施例を示す。

本実施例のハンド４６は、ＴＶカメラ、光フアイバスコ
ープ等の計測系と合わせ指自体で種々の物４６を把持す
ることができるばかりか、指の先端が自白に回転できる
ためこの指だけでネジ締め等の単純作業は容易に行える
長所を有しており、非常に有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コンパクト構造にてθＸ、θｙ、θＺ
の３自由度を駆動することが可能であり、小形軽量化が
図れる事、また、多自由度を同時駆動できるので、位置
合せに要する時間を少なくすることができる。また、電
圧素子を用いていることで高精度化が可能であること、
共振を利用することで電圧素子単独でのストロークを拡
大でき。

進行波発生モードあるいは間欠送りモードによる長スト
ローク送りが可能であって実用範囲が大きい。

又、常にネジ締結による摩擦力が介在しており停止トル
クが常に働いているため、この摩擦力以上の外乱でない
限り電力不要で停止制度が確保されるという利点を備え
ている。

さらに、高精度の位置決めを実現させるのに、位置検出
機能を付加するだけでよく、システムが非常に簡単にで
きる等の効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の３自由度アクチュエータ
の縦断面図、第２図はその外観を示す外観図、第３図は
、３自由度アクチュエータの駆動源である各振動子の動
作説明図、第４図は、面外振動用振動子の挙動を有限要
素法解析により説明した動作説明図、第５図は、進行波
発生モードによる球の旋回を説明した動作説明図、第６
図は、間欠送りモードによる球の旋回を説明した動作説
明図、第７図は、本実施例の３自由度アクチュエータを
２ヶ組合わせより高い自由度（６自由度）を得ることを
可能としたフレキシブルフィンガーの外観図、第８図は
人間の手首のフレキシブル性と比較しながら本実施例の
３自由度アクチュエータをハンドとして利用した適用例
を説明するための説明図である。 １ａ・・・ホルダ、　　　　　　１ｂ・・・カバー、３
ａ〜３ｄ、３８′〜３ｄ′・・・振動体、４・・・絶縁
弾性体、 ５・・・縦振動用圧電素子（面外振動用）、６・・・縦
振動用圧電素子（縦振動用）、７・・載接リング、　　
　　８・・・電極プレート、９・・・球、　　　　　　
　　１１・・・ネジ、１５・・・面外振動用振動子、　
１６・・・縦振動用振動子、１７・・・面取り部、　　
　　　２０・・・駆動用ドライバ、２５・・・ケーブル
、 ３０・・・３自由度アクチュエータ、（３０ａ、３０ｂ
も同様）１０ａ＝ｈ・・・交流電源、　　　３１・・・
スライダ、３２・・・プレート、　　　　　　４ｏ・・
・ベース、３５・・・フレキシブルフィンガー、 ４１・・・小球、　　　　　　　４２・・大球、４３・
・コイン、　　　　　　４５・・・ロボットハンド、４
６・・・本実施例の３自由度アクチュエータを組込んだ
ロボットハンド、 ４７・・・産業用ロボット。 秦　１　図 第　２　圀 半３　図 年　４　閉 （Ａ）　　　　　　　　　　　　　（８）（Ｅ）　　　
　　　　　　　　　　（Ｆ）纂　５　図 卑　６　図 第　７　図 察　８　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．先端に球を圧入したアームと、縦振動用振動子及び
   面外振動用振動子を取りつけたホルダ及びカバーとから
   成り、アーム先端の球をホルダとカバーとにより各振動
   子に接する様に挾み固定して各振動子の振動の組合わせ
   を利用して進行波発生モードによる送り動作あるいは間
   欠送り動作をさせることでアームを３自由度に旋回可能
   とした多自由度アクチュエータ。