モーター、ロボットハンドおよびロボット
【課題】被駆動手段からのアクチュエーターへの反力が、アクチュエーターの振動の被駆動手段の駆動力への変換の障害とならない付勢手段によって、効率の良いモーターを提供する。
【解決手段】円柱状の被駆動手段と、前記被駆動手段に付勢する突起を端部に有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、θ１＜θ２であることを特徴とする。
【解決手段】円柱状の被駆動手段と、前記被駆動手段に付勢する突起を端部に有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、θ１＜θ２であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の振動によって被駆動体を駆動するモーターとしては、矩形平板状の圧電素子が、一体的に形成された突起を有する補強板に積層されたアクチュエーターを、補強板の突起を被駆動体に当接させて被駆動体を駆動するモーターが知られている（特許文献１）。この圧電アクチュエーターを備えるモーターでは、被駆動体に圧電アクチュエーターの補強板に有する突起を当接させるための付勢手段を備え、付勢手段により発生する付勢力による補強板の突起と被駆動手段との間の摩擦力が、補強板の略楕円の軌跡を描く突起の振動を被駆動手段へ伝え、被駆動手段を所定の方向へと駆動させるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１では、付勢手段は補強板の突起を被駆動手段の回転中心に向かって付勢するように、補強板を含む圧電アクチュエーターの両脇にばね部材を配置している。しかし、補強板の突起は略楕円の軌跡で動作するために、付勢力に対する被駆動体からの補強板の突起への反力は、被駆動手段の回転中心に向かう付勢力の方向に対して交差する方向に発生する。この付勢力の方向に交差する反力によって補強板の突起の動作が所望の楕円軌跡を描かなくなる、すなわちアクチュエーターの振動を被駆動手段の駆動力に変化する効率を低下させる要因となってしまう課題があった。
【０００５】
そこで、被駆動手段からのアクチュエーターへの反力が、アクチュエーターの振動を、被駆動手段の駆動力へ変換させることの障害とならない付勢手段によって、効率の良いモーターと、そのモーターを用いたロボットハンドおよびロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例のモーターは、円柱状の回転面を有する被駆動手段と、前記被駆動手段の前記回転面に付勢する突起を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、前記被駆動手段を駆動させる前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、
θ１＜θ２
であることを特徴とする。
【０００８】
上述の適用例によれば、θ１，θ２を上述の関係にすることにより、振動板の突起を被駆動手段の回転中心に向かわせないとする被駆動手段から振動板の突起に作用する反力の分力を抑制し、アクチュエーターに励起させる振動を高い効率で被駆動手段の回転力に変換することができる。
【０００９】
〔適用例２〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例のモーターを備える。
【００１０】
本適用例のロボットハンドは、自由度を多くし、多数のモーターを備えても、小型、軽量にすることができる。
【００１１】
〔適用例３〕本適用例のロボットは、上述の適用例のロボットハンドを備える。
【００１２】
本適用例のロボットは、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るモーターを示す分解斜視図。
【図２】第１実施形態に係るモーターを示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図３】アクチュエーターの動作を説明する概略図。
【図４】アクチュエーターの動作と力の関係を説明する概略図。
【図５】その他の形態に係るモーターを示す平面図。
【図６】第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
本実施形態に係るモーター１００を示す、図１は分解斜視図、図２（ａ）は組立平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´部の断面図である。図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、モーター１００は、基台１０に回転可能に固定される被駆動体２０と、基台１０に摺動可能に固定される支持体４０と、支持体４０を被駆動体２０側に付勢する付勢手段としてのコイルばね６０と、付勢される支持体４０に固定され振動によって被駆動体２０を駆動するアクチュエーター３０と、を備えている。
【００１６】
アクチュエーター３０は、電極が形成された矩形の圧電体からなる圧電素子３２，３３が、振動板３１を挟持するように貼り合わされて形成される。圧電素子３２，３３は圧電性を有する材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3＞、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などが挙げられ、特にＰＺＴが好適に用いられる。また形成される電極は、Ａｕ，Ｔｉ，Ａｇなどの導電性金属を蒸着、スパッタリングなどにより成膜して形成することができる。振動板３１は、アクチュエーター３０として支持体４０に固定されコイルばね６０によって被駆動体２０へ付勢され、被駆動体２０と接する突起３１ａを端部に備えている。なお、振動板３１は、ステンレス、ニッケル、ゴムメタルなどで形成され、加工性の容易さからステンレスが好適に用いられる。アクチュエーター３０は、振動板３１に形成された支持体４０へ装着するための装着部３１ｂの孔３１ｃを挿通し、支持体４０に形成された固定部４０ａのねじ孔４０ｂとねじ嵌合するねじ５０によって、支持体４０に固定される。
【００１７】
被駆動体２０は、円柱状の形状を成し、円柱面２０ａにアクチュエーター３０の突起３１ａがコイルばね６０によって付勢されて接触し、アクチュエーター３０の振動によって駆動される。また、図２（ｂ）に示すように被駆動体２０に固定された回転軸２１、および軸受け１２などから構成される回転手段により基台１０に固定される。回転軸２１の回転力は、回転軸２１に接続される図示されない減速あるいは増速装置２００を介して所望の回転数、あるいは出力トルクによって被駆動装置を駆動する。
【００１８】
支持体４０は、ガイド孔４０ｃを備え、基台１０に備えるガイドピン７０がガイド孔４０ｃに挿通され、支持体４０は基台１０に摺動可能に固定される。ガイド孔４０ｃの形状は、本実施形態ではトラック状の平面形状を成し、アクチュエーター３０の付勢方向に支持体４０が摺動可能となっており、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向ではガイドピン７０のガイド部外径よりわずかに大きくし、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向のガタ量を最小にする形状となっている。
【００１９】
また、支持体４０には付勢手段としてのコイルばね６０の一方の端部が、アクチュエーター３０を装着する２ヵ所の固定部４０ａにそれぞれ装着されている。コイルばね６０の他方の端部は基台１０に備えるばね装着部１１に装着され、支持体４０が被駆動体２０の方向に付勢される。支持体４０には、アクチュエーター３０の振動板３１の装着部３１ｂを支持体４０の固定部４０ａに載置し、固定部４０ａに設けたねじ孔４０ｂにねじ５０によってアクチュエーター３０が固定される。固定されたアクチュエーター３０の突起３１ａは、支持体４０を介して被駆動体２０に所定の力で付勢される。なお、付勢手段としてはコイルばね６０に限定されず、例えば、板ばね、弾性ゴムなどを用いても良い。
【００２０】
次にアクチュエーター３０の動作について図３を用いて説明する。図３（ａ），（ｂ）はアクチュエーター３０の振動動作を示す概略平面図である。図３（ａ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ｃ，３２ｄの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｍで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ１を描いて振動する。
【００２１】
また、図３（ｂ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ａ，３２ｅの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｎで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ２を描いて振動する。
【００２２】
上述のアクチュエーター３０の振動によって生じる突起３１ａの楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２が、付勢力によって被駆動体２０に付勢されて接触し、被駆動体２０を図示矢印ｓ１，ｓ２方向に駆動する。この楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２と、被駆動体２０と、付勢手段としてのコイルばね６０および支持体４０と、の関係について図４を用いて説明する。
【００２３】
図４（ａ）は、図３（ａ）に示す楕円軌跡Ｓ１を用いた説明概念図である。図２に示すように被駆動体２０の回転中心をＲ、コイルばね６０が支持体４０の固定部４０ａを付勢する付勢点をＱR，ＱLとした場合、被駆動体２０とアクチュエーター３０とは図４（ａ）に示すような関係にすることが好ましい。
【００２４】
図４に示すように、アクチュエーター３０の突起３１ａが描く楕円軌跡Ｓ１は、被駆動体２０の外形の円柱面２０ａに対して図示ハッチング部のオーバーラップＢを形成した軌跡を描く。オーバーラップＢは、モーター１００の駆動の際には、コイルばね６０の変位、アクチュエーター３０および被駆動体２０の素材の変形、などにより実態的には重なるものではない。この楕円軌跡Ｓ１を、楕円軌跡Ｓ１の中心と被駆動体２０の回転中心Ｒとを結ぶ直線ＬCに沿って、被駆動体２０の円柱面２０ａと楕円軌跡Ｓ１の軌跡図形が接するまで移動したときの楕円軌跡図形を、楕円軌跡Ｓ１´とする。この楕円軌跡Ｓ１´と被駆動体２０の円柱面２０ａとの接点を接点Ｐと定義する。
【００２５】
被駆動体２０の回転中心Ｒと接点Ｐとを結ぶ直線を直線Ｌ１、接点Ｐと付勢点ＱRとを結ぶ直線を直線Ｌ２、とし、付勢手段としてのコイルばね６０による付勢力Ｆの図示する付勢方向に平行で接点Ｐを通る直線Ｌ３と直線Ｌ１とでなす角度θ１と、直線Ｌ３と直線Ｌ２とでなす角度θ２と、が次の関係であることが好ましい。
θ１＜θ２ （１）
【００２６】
図４（ｂ）は、接点Ｐにおける付勢力Ｆと、被駆動体２０の円柱面２０ａからアクチュエーター３０の突起３１ａに作用する反力ＦRによる力の関係を説明する概念図である。図４（ｂ）に示すように、付勢力Ｆは直線Ｌ２に沿った分力と直線Ｌ３に直交する分力ｆ１とに分解できる。また、反力ＦRは直線Ｌ３の分力と付勢方向に直交する分力ｆR１に分解できる。θ１およびθ２が式１の関係にあることから、
ｆ１＞ｆR１
となり、コイルばね６０による付勢力Ｆを、突起３１ａを被駆動体２０の回転中心Ｒ方向側に付勢するようにｆ１とｆR１との差分が作用する。
【００２７】
すなわち式１に示すθ１，θ２の関係を備えることにより、反力ＦRによって生じる突起３１ａを回転中心Ｒに向かわせない付勢力の分力ｆR１を抑制し、アクチュエーター３０に励起させる振動を高い効率で被駆動体２０の回転力に変換することができる。
【００２８】
図４（ｃ）は、
θ１´＞θ２ （２）
の関係の場合を説明する概念図である。なお、図４（ｃ）および式２におけるθ１´は、図４（ｂ）および式１に示すθ１に相当する。図４（ｃ）に示すように、式２で表されるθ１´，θ２の関係の場合、反力ＦR´の直線Ｌ３に直交する分力ｆR１´は、
ｆ１＜ｆR１´
となり、式２に示すθ１´，θ２の関係になってしまうと、反力ＦR´によって生じる突起３１ａを回転中心Ｒ方向に向かわせない付勢力の分力ｆR１´を付勢力Ｆの分力ｆ１によって抑制できず、アクチュエーター３０に励起させる振動を被駆動体２０の回転力に変換する効率を大きく損なうこととなる。なお、図３（ｂ）に示す楕円軌跡Ｓ２の場合であっても、上述と同様に、付勢点ＱRを図２に示す付勢点ＱLに置き換えるだけのため、説明は省略する。
【００２９】
上述の楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２は、次の方法によって計測することができる。本実施形態に係るモーター１００を駆動させ、測定装置３００（光ヘテロダイン微小振動測定装置ＭＬＤ−１０３Ａ：ネオアーク株式会社製）によって、突起３１ａに図２（ｂ）に示す方向に照射されたレーザー光Ｋの反射光を測定装置３００に受光し、測定装置３００によって計測されたデータをオシロスコープ（ＹＯＫＯＧＡＷＡ ＤＬ−７１６：横河電気株式会社製）に波形表示、またはコンピューターによりデータ処理して楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２を計測することができる。
【００３０】
このように計測された楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２を確認しながら、アクチュエーター３０の圧電素子３２，３３の各寸法、駆動電圧、コイルばね６０の付勢力、アクチュエーター３０の配置位置、圧電素子３２，３３の材料、被駆動体２０の材料や円柱面２０ａの表面仕上げ、などを変えながら式１の条件を満たすモーター１００を製作する。
【００３１】
また、図５（ａ），（ｂ）に示すような付勢手段の配置によって、式１におけるθ２を大きくすることができ、容易に図４および式１に示すθ１の自由度を高めることができる。図５（ａ）に示すモーター１１０では、支持体４１の固定部４１ａがアクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａに近い位置に配置、すなわちＣ寸法を、図２に示すモーター１００より小さくして配置されている。これにより、θ２に近似する角度αがより大きくなり、大きなθ２を得ることができることで、θ１の自由度を拡大することができる。
【００３２】
また図５（ｂ）に示すモーター１２０では、コイルばね６０の支持体４２の固定部４２ａに対する付勢点をアクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａ位置より被駆動体２０の回転中心側のＣ´位置に配置した。このように配置することで、図４に示すθ１を決めるためのアクチュエーター３０Ａの圧電素子の各寸法、駆動電圧、コイルばね６０の付勢力、アクチュエーター３０Ａの配置位置、圧電素子の材料、被駆動体２０の材料や円柱面２０ａの表面仕上げ、などに対する制約は大幅に緩和することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るモーター１００を備えたロボットハンド１０００を示す外観図である。ロボットハンド１０００は基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部１３００と、指部１２００の関節部１４００とには、モーター１００が組み込まれている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００３４】
（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００３５】
アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００３６】
アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド接続部２３００が接続されており、ロボットハンド接続部２３００にロボットハンド１０００が取り付けられている。ロボットハンド接続部２３００にはロボットハンド１０００に回転動作を与えるモーター１００が内蔵され、ロボットハンド１０００は対象物を把持することができる。小型、軽量のロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…基台、２０…被駆動体、３０…アクチュエーター、４０…支持体、５０…ねじ、６０…コイルばね、７０…ガイドピン、１００…モーター。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の振動によって被駆動体を駆動するモーターとしては、矩形平板状の圧電素子が、一体的に形成された突起を有する補強板に積層されたアクチュエーターを、補強板の突起を被駆動体に当接させて被駆動体を駆動するモーターが知られている（特許文献１）。この圧電アクチュエーターを備えるモーターでは、被駆動体に圧電アクチュエーターの補強板に有する突起を当接させるための付勢手段を備え、付勢手段により発生する付勢力による補強板の突起と被駆動手段との間の摩擦力が、補強板の略楕円の軌跡を描く突起の振動を被駆動手段へ伝え、被駆動手段を所定の方向へと駆動させるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１では、付勢手段は補強板の突起を被駆動手段の回転中心に向かって付勢するように、補強板を含む圧電アクチュエーターの両脇にばね部材を配置している。しかし、補強板の突起は略楕円の軌跡で動作するために、付勢力に対する被駆動体からの補強板の突起への反力は、被駆動手段の回転中心に向かう付勢力の方向に対して交差する方向に発生する。この付勢力の方向に交差する反力によって補強板の突起の動作が所望の楕円軌跡を描かなくなる、すなわちアクチュエーターの振動を被駆動手段の駆動力に変化する効率を低下させる要因となってしまう課題があった。
【０００５】
そこで、被駆動手段からのアクチュエーターへの反力が、アクチュエーターの振動を、被駆動手段の駆動力へ変換させることの障害とならない付勢手段によって、効率の良いモーターと、そのモーターを用いたロボットハンドおよびロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例のモーターは、円柱状の回転面を有する被駆動手段と、前記被駆動手段の前記回転面に付勢する突起を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を有するアクチュエーターと、前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、前記被駆動手段を駆動させる前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、
θ１＜θ２
であることを特徴とする。
【０００８】
上述の適用例によれば、θ１，θ２を上述の関係にすることにより、振動板の突起を被駆動手段の回転中心に向かわせないとする被駆動手段から振動板の突起に作用する反力の分力を抑制し、アクチュエーターに励起させる振動を高い効率で被駆動手段の回転力に変換することができる。
【０００９】
〔適用例２〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例のモーターを備える。
【００１０】
本適用例のロボットハンドは、自由度を多くし、多数のモーターを備えても、小型、軽量にすることができる。
【００１１】
〔適用例３〕本適用例のロボットは、上述の適用例のロボットハンドを備える。
【００１２】
本適用例のロボットは、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るモーターを示す分解斜視図。
【図２】第１実施形態に係るモーターを示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図３】アクチュエーターの動作を説明する概略図。
【図４】アクチュエーターの動作と力の関係を説明する概略図。
【図５】その他の形態に係るモーターを示す平面図。
【図６】第２実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
本実施形態に係るモーター１００を示す、図１は分解斜視図、図２（ａ）は組立平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´部の断面図である。図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、モーター１００は、基台１０に回転可能に固定される被駆動体２０と、基台１０に摺動可能に固定される支持体４０と、支持体４０を被駆動体２０側に付勢する付勢手段としてのコイルばね６０と、付勢される支持体４０に固定され振動によって被駆動体２０を駆動するアクチュエーター３０と、を備えている。
【００１６】
アクチュエーター３０は、電極が形成された矩形の圧電体からなる圧電素子３２，３３が、振動板３１を挟持するように貼り合わされて形成される。圧電素子３２，３３は圧電性を有する材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3＞、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などが挙げられ、特にＰＺＴが好適に用いられる。また形成される電極は、Ａｕ，Ｔｉ，Ａｇなどの導電性金属を蒸着、スパッタリングなどにより成膜して形成することができる。振動板３１は、アクチュエーター３０として支持体４０に固定されコイルばね６０によって被駆動体２０へ付勢され、被駆動体２０と接する突起３１ａを端部に備えている。なお、振動板３１は、ステンレス、ニッケル、ゴムメタルなどで形成され、加工性の容易さからステンレスが好適に用いられる。アクチュエーター３０は、振動板３１に形成された支持体４０へ装着するための装着部３１ｂの孔３１ｃを挿通し、支持体４０に形成された固定部４０ａのねじ孔４０ｂとねじ嵌合するねじ５０によって、支持体４０に固定される。
【００１７】
被駆動体２０は、円柱状の形状を成し、円柱面２０ａにアクチュエーター３０の突起３１ａがコイルばね６０によって付勢されて接触し、アクチュエーター３０の振動によって駆動される。また、図２（ｂ）に示すように被駆動体２０に固定された回転軸２１、および軸受け１２などから構成される回転手段により基台１０に固定される。回転軸２１の回転力は、回転軸２１に接続される図示されない減速あるいは増速装置２００を介して所望の回転数、あるいは出力トルクによって被駆動装置を駆動する。
【００１８】
支持体４０は、ガイド孔４０ｃを備え、基台１０に備えるガイドピン７０がガイド孔４０ｃに挿通され、支持体４０は基台１０に摺動可能に固定される。ガイド孔４０ｃの形状は、本実施形態ではトラック状の平面形状を成し、アクチュエーター３０の付勢方向に支持体４０が摺動可能となっており、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向ではガイドピン７０のガイド部外径よりわずかに大きくし、アクチュエーター３０の付勢方向に交差する方向のガタ量を最小にする形状となっている。
【００１９】
また、支持体４０には付勢手段としてのコイルばね６０の一方の端部が、アクチュエーター３０を装着する２ヵ所の固定部４０ａにそれぞれ装着されている。コイルばね６０の他方の端部は基台１０に備えるばね装着部１１に装着され、支持体４０が被駆動体２０の方向に付勢される。支持体４０には、アクチュエーター３０の振動板３１の装着部３１ｂを支持体４０の固定部４０ａに載置し、固定部４０ａに設けたねじ孔４０ｂにねじ５０によってアクチュエーター３０が固定される。固定されたアクチュエーター３０の突起３１ａは、支持体４０を介して被駆動体２０に所定の力で付勢される。なお、付勢手段としてはコイルばね６０に限定されず、例えば、板ばね、弾性ゴムなどを用いても良い。
【００２０】
次にアクチュエーター３０の動作について図３を用いて説明する。図３（ａ），（ｂ）はアクチュエーター３０の振動動作を示す概略平面図である。図３（ａ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ｃ，３２ｂ，３２ｄが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ｃ，３２ｄの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｍで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ１を描いて振動する。
【００２１】
また、図３（ｂ）に示すように、圧電素子３２に形成された電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅのうち、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅと、図示されない圧電体を挟んで反対側に形成された電極との間に交流電圧を印加することにより、電極３２ａ，３２ｂ，３２ｅが形成される領域の圧電体は図示矢印方向の縦振動が励振される。電極３２ｂの領域では図示矢印方向にアクチュエーター３０を縦振動させ、電極３２ａ，３２ｅの領域ではアクチュエーター３０を形状Ｎで示す屈曲振動を励起し、振動板３１の突起３１ａは楕円軌跡Ｓ２を描いて振動する。
【００２２】
上述のアクチュエーター３０の振動によって生じる突起３１ａの楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２が、付勢力によって被駆動体２０に付勢されて接触し、被駆動体２０を図示矢印ｓ１，ｓ２方向に駆動する。この楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２と、被駆動体２０と、付勢手段としてのコイルばね６０および支持体４０と、の関係について図４を用いて説明する。
【００２３】
図４（ａ）は、図３（ａ）に示す楕円軌跡Ｓ１を用いた説明概念図である。図２に示すように被駆動体２０の回転中心をＲ、コイルばね６０が支持体４０の固定部４０ａを付勢する付勢点をＱR，ＱLとした場合、被駆動体２０とアクチュエーター３０とは図４（ａ）に示すような関係にすることが好ましい。
【００２４】
図４に示すように、アクチュエーター３０の突起３１ａが描く楕円軌跡Ｓ１は、被駆動体２０の外形の円柱面２０ａに対して図示ハッチング部のオーバーラップＢを形成した軌跡を描く。オーバーラップＢは、モーター１００の駆動の際には、コイルばね６０の変位、アクチュエーター３０および被駆動体２０の素材の変形、などにより実態的には重なるものではない。この楕円軌跡Ｓ１を、楕円軌跡Ｓ１の中心と被駆動体２０の回転中心Ｒとを結ぶ直線ＬCに沿って、被駆動体２０の円柱面２０ａと楕円軌跡Ｓ１の軌跡図形が接するまで移動したときの楕円軌跡図形を、楕円軌跡Ｓ１´とする。この楕円軌跡Ｓ１´と被駆動体２０の円柱面２０ａとの接点を接点Ｐと定義する。
【００２５】
被駆動体２０の回転中心Ｒと接点Ｐとを結ぶ直線を直線Ｌ１、接点Ｐと付勢点ＱRとを結ぶ直線を直線Ｌ２、とし、付勢手段としてのコイルばね６０による付勢力Ｆの図示する付勢方向に平行で接点Ｐを通る直線Ｌ３と直線Ｌ１とでなす角度θ１と、直線Ｌ３と直線Ｌ２とでなす角度θ２と、が次の関係であることが好ましい。
θ１＜θ２ （１）
【００２６】
図４（ｂ）は、接点Ｐにおける付勢力Ｆと、被駆動体２０の円柱面２０ａからアクチュエーター３０の突起３１ａに作用する反力ＦRによる力の関係を説明する概念図である。図４（ｂ）に示すように、付勢力Ｆは直線Ｌ２に沿った分力と直線Ｌ３に直交する分力ｆ１とに分解できる。また、反力ＦRは直線Ｌ３の分力と付勢方向に直交する分力ｆR１に分解できる。θ１およびθ２が式１の関係にあることから、
ｆ１＞ｆR１
となり、コイルばね６０による付勢力Ｆを、突起３１ａを被駆動体２０の回転中心Ｒ方向側に付勢するようにｆ１とｆR１との差分が作用する。
【００２７】
すなわち式１に示すθ１，θ２の関係を備えることにより、反力ＦRによって生じる突起３１ａを回転中心Ｒに向かわせない付勢力の分力ｆR１を抑制し、アクチュエーター３０に励起させる振動を高い効率で被駆動体２０の回転力に変換することができる。
【００２８】
図４（ｃ）は、
θ１´＞θ２ （２）
の関係の場合を説明する概念図である。なお、図４（ｃ）および式２におけるθ１´は、図４（ｂ）および式１に示すθ１に相当する。図４（ｃ）に示すように、式２で表されるθ１´，θ２の関係の場合、反力ＦR´の直線Ｌ３に直交する分力ｆR１´は、
ｆ１＜ｆR１´
となり、式２に示すθ１´，θ２の関係になってしまうと、反力ＦR´によって生じる突起３１ａを回転中心Ｒ方向に向かわせない付勢力の分力ｆR１´を付勢力Ｆの分力ｆ１によって抑制できず、アクチュエーター３０に励起させる振動を被駆動体２０の回転力に変換する効率を大きく損なうこととなる。なお、図３（ｂ）に示す楕円軌跡Ｓ２の場合であっても、上述と同様に、付勢点ＱRを図２に示す付勢点ＱLに置き換えるだけのため、説明は省略する。
【００２９】
上述の楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２は、次の方法によって計測することができる。本実施形態に係るモーター１００を駆動させ、測定装置３００（光ヘテロダイン微小振動測定装置ＭＬＤ−１０３Ａ：ネオアーク株式会社製）によって、突起３１ａに図２（ｂ）に示す方向に照射されたレーザー光Ｋの反射光を測定装置３００に受光し、測定装置３００によって計測されたデータをオシロスコープ（ＹＯＫＯＧＡＷＡ ＤＬ−７１６：横河電気株式会社製）に波形表示、またはコンピューターによりデータ処理して楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２を計測することができる。
【００３０】
このように計測された楕円軌跡Ｓ１，Ｓ２を確認しながら、アクチュエーター３０の圧電素子３２，３３の各寸法、駆動電圧、コイルばね６０の付勢力、アクチュエーター３０の配置位置、圧電素子３２，３３の材料、被駆動体２０の材料や円柱面２０ａの表面仕上げ、などを変えながら式１の条件を満たすモーター１００を製作する。
【００３１】
また、図５（ａ），（ｂ）に示すような付勢手段の配置によって、式１におけるθ２を大きくすることができ、容易に図４および式１に示すθ１の自由度を高めることができる。図５（ａ）に示すモーター１１０では、支持体４１の固定部４１ａがアクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａに近い位置に配置、すなわちＣ寸法を、図２に示すモーター１００より小さくして配置されている。これにより、θ２に近似する角度αがより大きくなり、大きなθ２を得ることができることで、θ１の自由度を拡大することができる。
【００３２】
また図５（ｂ）に示すモーター１２０では、コイルばね６０の支持体４２の固定部４２ａに対する付勢点をアクチュエーター３０Ａの突起３１Ａａ位置より被駆動体２０の回転中心側のＣ´位置に配置した。このように配置することで、図４に示すθ１を決めるためのアクチュエーター３０Ａの圧電素子の各寸法、駆動電圧、コイルばね６０の付勢力、アクチュエーター３０Ａの配置位置、圧電素子の材料、被駆動体２０の材料や円柱面２０ａの表面仕上げ、などに対する制約は大幅に緩和することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るモーター１００を備えたロボットハンド１０００を示す外観図である。ロボットハンド１０００は基部１１００と、基部１１００に接続された指部１２００とを備えている。基部１１００と指部１２００との接続部１３００と、指部１２００の関節部１４００とには、モーター１００が組み込まれている。モーター１００が駆動することによって、指部１２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００３４】
（第３実施形態）
図７は、ロボットハンド１０００を備えるロボット２０００の構成を示す図である。ロボット２０００は、本体部２１００、アーム部２２００およびロボットハンド１０００等から構成されている。本体部２１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部２２００は、本体部２１００に対して可動に設けられており、本体部２１００にはアーム部２２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００３５】
アーム部２２００は、第１フレーム２２１０、第２フレーム２２２０、第３フレーム２２３０、第４フレーム２２４０および第５フレーム２２５０から構成されている。第１フレーム２２１０は、回転屈折軸を介して、本体部２１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム２２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム２２１０および第３フレーム２２３０に接続されている。第３フレーム２２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム２２２０および第４フレーム２２４０に接続されている。第４フレーム２２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム２２３０および第５フレーム２２５０に接続されている。第５フレーム２２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム２２４０に接続されている。アーム部２２００は、制御部の制御によって、各フレーム２２１０〜２２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００３６】
アーム部２２００の第５フレーム２２５０のうち第４フレーム２２４０が設けられた他方には、ロボットハンド接続部２３００が接続されており、ロボットハンド接続部２３００にロボットハンド１０００が取り付けられている。ロボットハンド接続部２３００にはロボットハンド１０００に回転動作を与えるモーター１００が内蔵され、ロボットハンド１０００は対象物を把持することができる。小型、軽量のロボットハンド１０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…基台、２０…被駆動体、３０…アクチュエーター、４０…支持体、５０…ねじ、６０…コイルばね、７０…ガイドピン、１００…モーター。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状の回転面を有する被駆動手段と、
前記被駆動手段の前記回転面に付勢する突起を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を有するアクチュエーターと、
前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、
前記被駆動手段を駆動させる前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、
前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、
前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、
θ１＜θ２
である、
ことを特徴とするモーター。
【請求項２】
請求項１に記載のモーターを備えるロボットハンド。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットハンドを備えるロボット。
【請求項１】
円柱状の回転面を有する被駆動手段と、
前記被駆動手段の前記回転面に付勢する突起を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を有するアクチュエーターと、
前記アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えるモーターであって、
前記被駆動手段を駆動させる前記アクチュエーターの振動によって描かれる前記突起の楕円軌跡を、前記回転面と接するように配置し、前記楕円軌跡と前記回転面との接点を接点Ｐ、前記アクチュエーターに前記付勢手段による付勢力が作用する作用点を作用点Ｑ、前記被駆動手段の回転中心を回転中心Ｒ、とした場合、
前記付勢手段の付勢方向と、前記回転中心Ｒと前記接点Ｐとを結ぶ方向と、でなす角度θ１と、
前記付勢手段の付勢方向と、前記接点Ｐと前記作用点Ｑを結ぶ方向と、でなす角度θ２と、は、
θ１＜θ２
である、
ことを特徴とするモーター。
【請求項２】
請求項１に記載のモーターを備えるロボットハンド。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットハンドを備えるロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５３９２１（Ｐ２０１２−２５３９２１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５１０３（Ｐ２０１１−１２５１０３）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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