JPH05123992A - 表面波マニピユレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 関節部分をスムーズに動かすことができ、構
造が簡単で小型軽量な表面波マニピュレータを提供す
る。 【構成】 外装ケース５を球殻状にして内部に球状の空
洞８を形成する。空洞８の内面に表面波の進行方向が互
いに直交するように表面波振動子からなる２つのステー
タ６，７を貼り付ける。外装ケース５内に球体状のロー
タ４を納入し、ステータ６，７をロータ４の表面に圧接
させる。ステータ６，７を駆動すると、表面波によって
ロータ４が回転させられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面波マニピュレータに
関する。具体的にいうと、表面波型の超音波振動を利用
してロータを２軸方向に動かす自在関節型の表面波マニ
ピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりロボット等に適用されている多
関節型マニピュレータにおいては、１軸方向に回転する
１軸型の回転軸を２段階に組合せることにより、アーム
等を２軸方向に自由に回転できるようにしている。

【０００３】しかしながら、このような形態のマニピュ
レータにおいては、各回転軸を駆動するためのアクチュ
エータとして回転モータを使用した場合、２つの駆動部
を有しているので、駆動機構が複雑となり、駆動部の重
量が大きくなるという欠点があった。

【０００４】また、図１０（ａ）（ｂ）に示すものは別
な従来例であって、３自由度関節アクチュエータ５１
（日本機械学会誌、１９９１年７月号）である。このア
クチュエータ５１にあっては、三角柱状のアーム５２の
下端に設けられた球状体５３をベース５４の外筒５５内
に挿入し、外筒５５内に摺動自在に納められている受け
座５６をバネ５７によって上方へ付勢することにより、
受け座５６と外筒５５のフランジ５５ａの間で球状体５
３を回動自在に枢支している。さらに、アーム５２の外
周面には上下２段に駆動部５８が設けられており、各駆
動部５８は図１０（ｂ）に示すように、アーム５２の軸
心に対して非対称となるように３つの圧電素子５９が取
り付けられており、アーム５２から突出するように片持
ち状に取り付けられた各圧電素子５９の先端に同一重量
の重り６０を固定している。

【０００５】しかして、１個ないし複数個の圧電素子５
９を伸張ないし圧縮させることにより重り６０を衝撃的
に移動させ、その反発力によってアーム５２を３方向に
移動させることができる。例えば、６つの圧電素子５９
を同時に同量だけ伸張させると、その反発力によってア
ーム５２はその軸心の回りに回転する。また、各圧電素
子５９をアンバランスに伸縮させることによりアーム５
２の軸心方向を２方向に変化させることができ、この結
果アーム５２の駆動方向に３つの自由度を持たせること
ができる。

【０００６】しかしながら、このようなアクチュエータ
にあっては、アームに複数個の圧電素子と重りを取り付
ける必要があり、軽量なアクチュエータを得ることがで
きなかった。また、アームをある方向に連続的に動かそ
うとすれば、例えばある圧電素子を急激に伸張させてア
ームを動かし、ついでアームを動かさないように緩慢に
圧電素子を収縮させ、再び圧電素子を急激に伸張させて
アームを動かすという動作を繰り返す必要があり、アー
ムをスムーズに動かすことができなかった。

【０００７】また、図１１に示すものは別な従来例の斜
視図であって、超音波モータを用いたロボット用アクチ
ュエータ（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）である。このアクチ
ュエータにあっては、アーム６２を有する球体状のロー
タ６１の外周面に２つのステータ６３，６４を接触させ
ている。このステータ６３，６４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６１に接触しており、Ｘ軸方向から
ロータ６１に接触しているステータ６３を駆動するとロ
ータ６１がＸ軸の回りに回転し、Ｙ軸方向からロータ６
１に接触しているステータ６４を駆動するとロータ６１
がＹ軸の回りに回転する。したがって、両ステータ６
３，６４によってロータ６１を回転させることによりア
ーム６２を任意の方向へ回動させることができる。

【０００８】しかしながら、このアクチュエータにあっ
ては、ステータ６３，６４が回転型の超音波モータであ
るため、互いに直交する２方向に配置しなければなら
ず、互いに相手のステータが妨げになってロータ６１の
回動角を制限されるという欠点があった。例えば、図１
２に示すように、ステータ６３を駆動させてアーム６２
をＺ軸方向からＸ軸の回りに回転させようとすると、９
０度よりも小さな回動角θでアーム６２がステータ６４
に衝突し、アーム６２の回動範囲が制限されるという欠
点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】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り、その目的とすると
ころは、ロータないしアーム等の可動部分を広い回動範
囲にわたって連続的に動かすことができ、構造が簡単で
軽量な表面波マニピュレータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の表面波マニピュ
レータは、球体状をしたロータを回動自在に枢支し、リ
ニア型表面波振動子からなる１組のステータを各表面波
の進行方向が互いに異なるようロータの表面に接触させ
たことを特徴としている。

【００１１】また、ステータの表面には、ロータとの接
触面に沿って凹溝を形成してもよい。

【００１２】

【作用】本発明にあっては、ロータと接触しているステ
ータによってロータの表面を移動させることによりロー
タを回転させることができる。しかも、進行波方向が異
なる２つのリニア型表面波振動子によって１組のステー
タを構成しているので、１箇所の関節部分で２自由度を
得ることができ、ロータを任意の方向へ回転させること
ができる。

【００１３】しかも、表面波振動子からなるステータを
用いることにより、構造を簡単にできると共にマニピュ
レータを小型軽量化できる。また、低速でロータを回転
させることができるので、減速機構も必要なく、静止ト
ルクも大きいので、ブレーキも不要になる。

【００１４】さらに、ロータを広い回動範囲にわたって
連続的かつスムーズに動かすことができる。

【００１５】また、電磁気を発生しないため周辺機器を
乱すこともない。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の一実施例による表面波マニピ
ュレータＡの断面図である。このマニピュレータＡは関
節型の構造を有しており、アーム１の一端に設けられた
関節部２とアーム３の一端に設けられたロータ４を組合
せて構成されている。

【００１７】関節部２は、アーム１に固定された球殻状
の外装ケース５の内面にリニア型表面波振動子からなる
２つのステータ６，７を設けたものである。球殻状をし
た外装ケース５内には球状の空洞８が形成されており、
空洞８の内壁面には２つのステータ６，７が進行波の方
向が直交するようにして十文字状に配置されている。ま
た、２つのステータ６，７の交差位置と対向させて、外
装ケース５の一部に丸穴状の開口９があけられている。
この開口面積は、外装ケース５の全表面積の１／２より
も小さくなっている。

【００１８】また、ロータ４は球体状をしており、前記
外装ケース５の空洞８内に納められている。外装ケース
５内にロータ４を納めるためには、外装ケース５を２分
割できるようにしておくとよい。ステータ６，７の表面
は外装ケース５内に納められたロータ４の球面に圧接し
ており、ロータ４はガタツキなく回動できるように保持
されている。しかも、ロータ４の一部は外装ケース５の
開口９から露出しており、開口９の直径はアーム３の直
径よりも相当大きくなっていてロータ４は関節部２内に
おいて一定範囲内で回動できるようになっている。

【００１９】リニア型表面波振動子からなる上記ステー
タ６，７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
電素子を振動させることによって弾性体の表面にたわみ
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。図４はステータ６，７の作用を説明するための図で
あって、リニア型表面波振動子Ｂを示している。このリ
ニア型表面波振動子Ｂは、弾性体１１の裏面にＰＺＴ等
の圧電素子１０を貼り付けたものであり、圧電素子１０
は例えば一定間隔毎に分極方向（図４において分極方向
を矢印で示す。）を反転させてある。しかして、この圧
電素子１０を所定の駆動モードで駆動すると、図４に示
すように弾性体１１中をＷ方向に進む進行波（たわみ進
行波）により弾性体１１の表面の粒子が楕円軌道を描い
て運動し、ロータ（あるいは、スライダ）４ａがＶ方向
に移動させられる。

【００２０】従って、図４のようなリニア型表面波振動
子Ｂを円弧状に曲げて弧状のステータ６又は７とし、こ
れをロータ４の外周面に接触させてステータ６又は７を
駆動させれば、図５に示すように、ステータ６又は７の
伸びている周方向と垂直な回転軸Ｚの回りにロータ４を
回転させることができる。なお、ステータ６，７の弾性
体部分には一定ピッチ毎にスリット状の溝を切入してあ
る。

【００２１】よって、本発明の実施例（図１）のよう
に、２つのステータ６，７を直交させるようにしてロー
タ４の表面に接触させてあれば、直交２方向θｘ，θｙ
にロータ４を回転させることができ、アーム３を任意の
方向へ任意の角度だけ移動させることができる。しか
も、この表面波マニピュレータＡは、外装ケース５の内
面に２つのステータ６，７を設けるだけで良いので、小
型軽量化することができると共に任意の方向へ連続的に
スムーズに回動させることができる。また、低速で駆動
することができ、高トルクを得ることができる。

【００２２】さらに、本発明のような構造の表面波マニ
ピュレータにあっては、２つのステータ６，７を交差さ
せるようにして一箇所にまとめることができ、しかも、
ステータ６，７の長さを短くできるので、適当な枢支手
段でロータ４を枢支すれば、ロータ４の回動範囲を広く
することができる。例えば、ステータ６，７を図６に示
すように短くすれば、アーム３がステータ６，７に衝突
するまでのロータ４の回動角θｘ，θｙを９０度以上に
大きくでき、さらにステータ６，７を短くすれば一層ロ
ータ４の回動範囲を広くすることができる。

【００２３】図３はロータ４のアーム３側から見た正面
図である。ロータ４の少なくともアーム３側の半球には
図３に示すようなパターンが描かれている。すなわち、
片側半分には放射状パターン１２が描かれており、他方
の片側半分には同心円状パターン１３が描かれている。
しかして、関節部２の開口９から露出しているロータ４
の表面に描かれているパターン１２，１３を例えばエン
コーダ（図示せず）によって読み取ることにより、ロー
タ４ないし関節部２の２軸方向の回動角もしくは方位を
検出することができる。あるいは、外装ケース５に開口
した窓（図示せず）からパターン１２，１３を読み取る
ようにしても差し支えない。なお、このパターン１２，
１３は印刷したものでも、ロータ４に刻設した罫書き線
でも良い。

【００２４】なお、上記実施例では、外装ケース５の空
洞８内壁面にステータ６，７を貼り付けていたが、各ス
テータ６，７を外装ケース５の空洞８内壁面に埋め込む
ようにしても良い。ステータ６，７を空洞８内壁面に埋
め込むようにしてステータ６，７の表面と空洞８の内壁
面とがほぼ面一になるようにすれば、ロータ４とステー
タ６，７及び外装ケース５との接触面積が増加するの
で、ロータ４をより安定に支持できるようになる。

【００２５】図７（ａ）はステータ６，７の異なる形状
を示している。図２あるいは図５に示したステータ６，
７は内面がロータ４とほぼ同じ曲率の２次曲面（球面）
に形成されているが、図７（ａ）のステータ６，７は１
方向にのみ湾曲して図７（ｂ）に示すようにロータ４と
線接触している。すなわち、ステータ６，７は曲線１４
に沿ってロータ４と接触するようになっており、曲線１
４と垂直な方向には真っ直ぐな表面を有している。この
ような形状にすることによりステータ６，７の製作を容
易にすることができる。

【００２６】また、図８（ａ）は一方向にのみ湾曲した
ステータ６，７の表面に接触方向に沿ってＶ字状等の溝
１５を切入したものである。このステータ６，７にあっ
ては、図８（ｂ）に示すように溝１５内にロータ４が嵌
合するので、ロータ４が安定する。さらに、ステータ
６，７が２本の曲線１６に沿ってロータ４と線接触する
ので、ロータ４とステータ６，７の接触面積が増し、ロ
ータ４の駆動力が増大する。

【００２７】図９は本発明の別な実施例による表面波マ
ニピュレータＣを示す正面図である。この実施例にあっ
ては、各ステータ６，７に対向させて配置したボールベ
アリングやローラベアリング等のベアリング１７，１７
をロータ４に接触させ、各ステータ６，７とベアリング
１７，１７によってロータ４を回転自在に枢支するよう
にしている。したがって、この実施例にあっては、ロー
タ４の回動角を制限し易い外装ケースが必要なくなり
（ステータ６，７やベアリング１７を支持するフレーム
的なものでよい。）、ステータ４の長さも短くでき、ロ
ータ４の回動範囲（アーム３の動く範囲）を広くでき
る。また、ロータ４には基準点（原点）検出用のマーク
１９が入っており、ロータ４の外周面にはステータ６，
７による回転方向におけるロータ４の回転角を検出する
ための２つの非接触式エンコーダ１８が設置されてい
る。しかして、アーム３の方向はエンコーダ１８によっ
て検出されている。また、このベアリング１７に非接触
式エンコーダ１８の働きを兼用させるようにしてもよ
い。

【００２８】なお、ステータ６，７及びロータ４の名称
は、使用方法を特定するものではなく、外装ケース５に
対して固定されているものと回転するものを示すに過ぎ
ない。従って、使用状態においては、ロータ４側が静止
していて、ステータ６，７の駆動によって関節部２側が
動くようになっていても差し支えない。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、１箇所の関節部分で２
自由度を得ることができる小型軽量のマニピュレータを
製作できる。また、低速でロータを動かすことができ、
トルクも大きいので、減速機構やブレーキが不要にな
る。さらに、ロータを連続的に、かつスムーズに動かす
ことができ、電磁気を発生しないため周辺機器を乱すこ
ともないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による表面波マニピュレータ
を示す断面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）はステータを備えた関節部の断面
図及び正面図である。

【図３】同上のロータを示す正面図である。

【図４】本発明で利用されている表面波振動による駆動
原理を説明するための概略斜視図である。

【図５】ステータの表面波振動によりロータを回転させ
るための原理を説明する説明図である。

【図６】本発明による表面波マニピュレータの回動角を
説明するための側面図である。

【図７】（ａ）（ｂ）は別な構造のステータを示す斜視
図及びそのステータとロータとの接触状態を示す断面図
である。

【図８】（ａ）（ｂ）はさらに別な構造のステータを示
す斜視図及びそのステータとロータとの接触状態を示す
断面図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例による表面波マニピ
ュレータを示す正面図である。

【図１０】（ａ）（ｂ）は従来例の一部破断した正面図
およびアームの平面図である。

【図１１】別な従来例を示す斜視図である。

【図１２】同上の問題点を説明する正面図である。

【符号の説明】

２ 関節部 ４ ロータ ６，７ ステータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球体状をしたロータを回動自在に枢支
   し、リニア型表面波振動子からなる１組のステータを各
   表面波の進行方向が互いに異なるようロータの表面に接
   触させたことを特徴とする表面波マニピュレータ。
2. 【請求項２】 ロータとの接触面に沿ってステータの表
   面に凹溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の
   表面波マニピュレータ。