(57)【要約】【課題】簡単な構造で小型の負荷感応型無段変速機構を提供することを目的とする。【解決手段】所定ピッチを有する螺旋状のネジ山を有する主軸１１と、主軸１１のネジ山と同じピッチを有する螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴１３を有し、モータ１４等の振動発生装置から振動を受ける振動伝達体１２とから構成される。主軸１１のネジ山の直径はネジ穴１３のネジ溝の直径よりも小さく構成されており、主軸１１がネジ穴１３に隙間を持って偏心可能に螺合されている。モータ１４等の振動発生装置から供給される振動で振動伝達体１２を円運動させ、主軸１１に掛かる負荷に応じた回転速度で主軸１１を自転させて、ネジ山と前記ネジ溝の螺合により軸方向に直動させる機構である。【選択図】図１
2010065718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定ピッチの螺旋状のネジ山を有する主軸と、
前記ネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有し、振動発生装置から振動を受ける振動伝達体と、を備え、
前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ溝の直径よりも小さく構成され、
前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、
前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記振動伝達体を円運動させ、
前記主軸に掛かる負荷に応じた回転速度で前記主軸を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により軸方向に直動させる、
ことを特徴とする負荷感応型無段変速機構。
【請求項２】
所定ピッチの螺旋状のネジ山を有し、振動発生装置から振動を受ける主軸と、
前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有する可動体と、を備え、
前記ネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、
前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、
前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記主軸を円運動させ、
前記可動体に掛かる負荷に応じた回転速度で前記可動体を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により前記主軸の軸方向に直動させる、
ことを特徴とする負荷感応型無段変速機構。
【請求項３】
前記振動伝達体或いは前記主軸に直接的或いは間接的に振動を供給する振動発生装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の負荷感応型無段変速機構。
【請求項４】
前記振動発生装置がモータであることを特徴とする請求項３に記載の負荷感応型無段変速機構。
【請求項５】
前記モータの軸に錘が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の負荷感応型無段変速機構。
【請求項６】
前記振動発生装置が圧電素子であることを特徴とする請求項３に記載の負荷感応型無段変速機構。
【請求項７】
前記圧電素子から構成される第１の圧電板及び第２の圧電板がそれぞれ前記主軸と平行に配置され、且つ、前記第１の圧電板が前記第２の圧電板に対し前記主軸を中心に略垂直に位置することを特徴とする請求項６に記載の負荷感応型無段変速機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットや医療用ロボット等、種々な分野において利用され得る負荷感応型無段変速機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業界のあらゆる分野において電動モータ等の回転運動を直動運動に変換する変換機構として、ネジあるいはボールネジが広く採用されている。しかし、それらの変速比は固定されていたために、通常は使用条件のうち最大の推力を生成する条件でも作動が可能なように大きな減速比を選択せざるを得なかった。そのため、負荷が軽いときでも低速でしか駆動できないという大きな問題があった。そこで、負荷に応じて変速比を変更できる負荷感応型の変速機能を有する駆動系が必要とされている。
【０００３】
このような状況下、特許文献１及び特許文献２では、以下の構成の負荷感応型無段変速機が開示されている。所定ピッチを有する螺旋状のネジ部の螺合により構成されたネジ軸とナットにおいて、ナットにおけるネジ部の直径をこれに螺合するネジ軸のネジ部の直径より若干大きく形成するとともに、ナットを支持部材に対して回動自在に支持し、支持部材をネジ軸直径方向に所定のばね荷重によって付勢してナットをネジ軸に偏心して接触するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９３０６１号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１及び２では、ネジ軸を直接回転させており、歯車やプーリー等が必要になる。また、ネジ軸を回転させる動力源を直接接続しなければならない。このため、構造が複雑になり小型化が難しく、遠隔操作ができないという課題を有する。
【０００６】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で小型の負荷感応型無段変速機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１観点に係る負荷感応型無段変速機構は、所定ピッチの螺旋状のネジ山を有する主軸と、前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有し、振動発生装置から振動を受ける振動伝達体と、を備え、前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記振動伝達体を円運動させ、前記主軸に掛かる負荷に応じた回転速度で前記主軸を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により軸方向に直動させる、ことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２観点に係る負荷感応型無段変速機構は、所定ピッチの螺旋状のネジ山を有し、振動発生装置から振動を受ける主軸と、前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有する可動体と、を備え、前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記主軸を円運動させ、前記可動体に掛かる負荷に応じた回転速度で前記可動体を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により前記主軸の軸方向に直動させる、ことを特徴とする。
【０００９】
更に、前記振動伝達体或いは前記主軸に直接的或いは間接的に振動を供給する振動発生装置を備えることを特徴とする。
【００１０】
更に、前記振動発生装置がモータであることを特徴とする。
【００１１】
更に、前記モータの軸に錘が設置されていることを特徴とする。
【００１２】
更に、前記振動発生装置が圧電素子であることを特徴とする。
更に、前記圧電素子から構成される第１の圧電板及び第２の圧電板がそれぞれ前記主軸と平行に配置され、且つ、前記第１の圧電板が前記第２の圧電板に対し前記主軸を中心に略垂直に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振動を供給することで主軸或いは可動体を負荷に応じた回転速度で移動させることができる。このため、回転運動を伝える機構を必要とせず、簡単な構造で小型、軽量の負荷感応型無段変速機構を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施形態１）
図１〜図４を参照して本発明に係る負荷感応型無段変速機構の実施形態１の構成について説明する。
【００１５】
図１及び図２に示すように、負荷感応型無段変速機構は、主として、主軸１１とネジ穴１３を有する振動伝達体１２と、振動発生装置であるモータ１４から構成される。
【００１６】
主軸１１は、断面が円形の棒体であり、その外周面に螺旋状のネジ山が形成されている。
【００１７】
振動伝達体１２には、ネジ溝が形成された貫通するネジ穴１３が穿設されており、このネジ穴１３に主軸１１が挿入されている。振動伝達体１２を、支持部材等、他の部材に設置して利用する際には、他の部材に振動を伝えないよう振動吸収部材１７を設置してもよい。バネやゴム等の弾性体或いは種々の衝撃吸収材等を適宜設置すればよい。
【００１８】
図３に示すように、主軸１１のネジ山と、振動伝達体１２のネジ山のピッチＰは、同じ幅である。また、主軸１１のネジ山の直径ｒは、振動伝達体１２のネジ溝の直径Ｒ１よりも小さく構成されている。このため、主軸１１は隙間を持ってネジ穴１３に螺合した状態である。即ち、主軸１１の中心軸はネジ穴１３の中心軸に対し、偏心可能である。なお、主軸１１のネジ山の直径ｒは、振動伝達体１２のネジ山の直径Ｒ２よりも大きく構成されている。即ち、主軸１１のネジ山の直径ｒは、Ｒ２＜ｒ＜Ｒ１の関係にある。主軸１１の中心軸がネジ穴１３の中心軸に対して偏心量が０になったときに、主軸が抜けることを抑えるためである。
【００１９】
モータ１４は、モータ回転軸１６を振動伝達体１２に貫通するよう設置されている。そして、モータ回転軸１６の先端には錘１５が設置されている。モータ１４は、不図示の電源からの通電で、モータ回転軸１４が回転して振動伝達体１２に振動の供給を行う。モータ回転軸１４には中心軸のずれた錘１５が設置されているので、偏心が起こり、振動伝達体１２を円運動させる振動を供給する。なお、錘１５は、振動伝達体１２をより大きな半径で円運動させるものであり、負荷感応型無段変速機構を利用する用途に応じて設置すればよい。
【００２０】
また、図４に示すように、モータ１４の本体を振動伝達体１２に直接固定した構成としてもよい。このようにモータ１４を設置しても、振動伝達体１２を円運動させ得る振動を供給できる。
【００２１】
続いて、図５を参照して、振動伝達体１２に円運動させる振動を与え、主軸１１を回転させる原理について説明する。なお、ここでは簡易的にネジ穴１３及び主軸１１のネジ山を考慮せず、正円として説明する。
【００２２】
半径Ｒのネジ穴１３と半径ｒ（＜Ｒ）の主軸１１が接している場合を考える。このとき、ネジ穴１３と主軸１１の中心はｅほど偏心している。振動伝達体１２を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の順に反時計回りの円を描くように、振動させる。これを１周期とする。なお、振動伝達体１２はモータ１４及び主軸１１の２点で支持されているため、自転することはない。また、図５（Ａ）〜（Ｅ）中に示した黒丸は、最初の状態（図５（Ａ）の状態）における主軸１１と振動伝達体１２との接触点を示している。
【００２３】
振動伝達体１２が円を描くように振動させると、ネジ穴１３の円周Ｌ（２πＲ）より主軸１１の円周ｌ（２πｒ）の方が小さいため、摩擦力等によって主軸１１が自転する。即ち、図５（Ａ）における接触点が、１周期後における（Ｅ）では、Ｌ−ｌほどずれた位置となるから、主軸１１は下式の角度θほど自転することになる。
【数１】
2010065718.tif 000003
【００２４】
したがって、偏心量ｅが大きいほど、主軸１１の回転角度θは大きくなり、１周期の振動における回転速度が上昇することになる。一方、偏心量ｅが小さいと主軸の回転速度は低下する。そして、偏心量ｅが０の場合には、主軸１１は振動伝達体１２と一体となって円運動することになり、自転をしないことになる。
【００２５】
続いて、ネジの場合について図６〜図９を用いて考える。なお、説明を簡単にするため、主軸１１を雄ネジ２１、振動伝達体１２を雌ネジ２２として説明する。図６（Ａ）に示すように、雄ネジ２１と雌ネジ２２の接触点より、それぞれの中心までの距離をｒ及びＲとし、それぞれの中心はｅほど偏心しているとする。
【００２６】
ネジは図６（Ｂ）に示すように、回転した際の軌跡は、斜線に展開することができる。そして、ネジが１回転したときの斜線の長さはそれぞれ図６（Ｃ）に示されるＬとｌになる。雌ネジ２２を上記同様、円運動するように振動させると、（式１）だけ雄ネジ２１が自転する。偏心量ｅが小さくなると、Ｌ−ｌも小さくなるため、１周期で自転する角度θも小さくなる。従って、減速比が大きくなる。
【００２７】
つまり、負荷Ｆに応じて偏心量ｅが小さくなれば、負荷Ｆに応じて変速できる。ネジの断面図を図７に示す。ネジ山形状は、三角ネジとし、ネジ山角度をφとする。図７のように、雌ネジ２２は静止しており雄ネジ２１に負荷が加わっている場合を考える。
【００２８】
このとき、ネジ山の傾きにより負荷Ｆの分力ｆが働く。一方、雄ネジ２１と雌ネジ２２との間には摩擦力ｆμが生じる。摩擦角がφ以下であれば、雄ネジ２１が滑り図８の位置に落ち着く。このとき偏心量ｅは０となる。
【００２９】
ここで、図９のように、Ｘ軸方向に雌ネジ２２を振動させることを考える。このとき、雄ネジ２１に働くネジ山の傾き方向の慣性力の分力ｆｍが、摩擦力ｆμと分力ｆの和より大きくなると、雄ネジ２１が動くことができる。そして、偏心量は｜ｅ｜＞０となる。摩擦力ｆμと分力ｆは負荷Ｆに比例して大きくなるのに対し、慣性力の分力ｆｍの最大値は入力の振動に依存しているため、負荷Ｆが大きくなると偏心量ｅは小さくなる。つまり、負荷Ｆが大きくなると減速比は大きくなることがわかる。
【００３０】
上記原理のように、モータ１４から振動が供給されると、振動伝達体１２が円運動を行う。そして、偏心量に応じた速度で主軸１１は自転する。主軸１１の外周面に施されたネジ山によってネジ穴１３と螺合しているため、主軸１１が自転することで、主軸１１が軸方向に直動する。そして、主軸１１に掛かる負荷に応じて主軸１１の自転速度が変化するので、主軸１１の軸方向への移動速度が変化することになる。
【００３１】
モータ１４に逆向きの電流を流すと、振動伝達体１２が逆方向に円運動する。これにより、主軸１１の自転方向が逆向きになるので、主軸１１が逆方向に移動する。
【００３２】
本実施形態の負荷感応型無段変速機構では、主軸１１の移動速度を変換するために、シャフトやギヤ等を用いていない。このため、簡単な構造であり、小型、軽量に構成することが可能である。負荷に応じて、主軸１１とネジ穴１３との偏心量が変わるだけであり、滑らかな変速が行える。このため、負荷が働いている状態でも無理なく変速が可能で、変速過程でも負荷を持続的に支持できる利点がある。
【００３３】
上記では、振動発生装置としてモータ１４を用いた形態について説明したが、これに限定されるものではなく、振動伝達体１２を円運動させ得る種々の振動発生装置を用いることができる。一例として、圧電素子を用いた形態を図１０に示す。圧電素子とは、圧電効果を利用して圧電体に加えられた力を電圧に変換、或いは、印可された電圧を力に変換する素子である。
【００３４】
圧電板３１、３２の一端がＬ字状の支持部３３に接続され、他方は振動伝達体１２に接続されている。圧電板３１、３２は、２枚の板状の電極の間に板状の圧電素子を挟んだ構造をしており、電極間へ交流電圧を印可することで、連続的な反りが生じ、振動伝達体１２に振動を供給する。
【００３５】
圧電板３１、３２として、モノモルフ型或いはバイモルフ型の圧電板を用いるとよい。モノモルフ型は、圧電素子と金属板を貼り合わせ、これを２枚の電極で挟んだ構造である。電極間に電圧が印可されると、圧電素子が面内で伸び縮みする。貼り合わせた金属板の寸法はそのままであるため、圧電板３１、３２に反りが生じる。
【００３６】
バイモルフ型は、電極間に２枚の圧電素子を貼り合わせた構造をしている。電圧を印可することで、一方の圧電素子が伸長し、他方の圧電体が収縮するよう構成してある。これにより、圧電板３１、３２に反りが生じる。
【００３７】
圧電板３１、３２は、それぞれ主軸１１に平行に配置されている。そして、圧電体３１は、圧電体３２に対し、主軸１１を中心として略垂直の角度で設置されている。この様に配置することで、圧電板３１、３２は、振動伝達体１２を以下のように円運動させる振動を供給する。
【００３８】
図１１は、圧電板３１、３２及び振動伝達体１２の動きを軸方向から見た様子を示している。図中、破線は最初の状態（図１１（Ａ）の状態）における振動伝達板１２及びネジ穴１３の位置を示し、１点破線はそれぞれの状態における振動伝達板１２及びネジ穴１３の位置を示している。まず、図１１（Ａ）の状態から、不図示のスイッチを入れ、それぞれの圧電板３１、３２に電圧を印可する。それぞれの圧電板３１、３２には位相の異なる交流電圧が印可されている。図１１（Ｂ）に示すように、まず、圧電板３２がＸ軸（＋）方向に反り、振動伝達体１２がＸ軸（＋）方向に移動する。これにより、振動伝達体１２がＸ軸（＋）方向に移動する。
【００３９】
続いて、図１１（Ｃ）に示すように、圧電板３２がＸ軸（−）方向に復元するとともに、圧電板３１がＹ軸（−）方向に反を生じる。このため、振動伝達体１２はＹ軸（−）方向に移動する。振動伝達体１２は、圧電板３１、３２双方の作用を受けているので、直線移動ではなく、時計回り方向の円運動をして移動する。
【００４０】
更に、図１１（Ｄ）に示すように、圧電板３２がＸ軸（−）方向に反り、圧電板３１がＹ軸（＋）方向に復元し、振動伝達体１２がＸ軸（−）方向に移動する。更に、図１１（Ｅ）に示すように、圧電板３２がＸ軸（＋）方向に復元し、圧電板３１がＹ軸（＋）方向に反ることで、振動伝達体１２がＹ軸（＋）方向に移動する。
【００４１】
それぞれの過程では、圧電板３１、３２がそれぞれ反りを繰り返しているため、振動伝達体１２は直線移動ではなく、時計回りに曲線を描いて移動する。このように、圧電板３２はＸ軸方向の振動を供給し、一方の圧電板３１はＹ軸方向の振動を供給しているので、振動伝達体１２を連続的に円運動させる振動を供給できる。
【００４２】
また、上記とは逆向きに電圧をかければ、それぞれの圧電板３１、３２が上述と逆向きの変位を繰り返すので、反時計回りに振動伝達体１２を円運動させることができる。この振動伝達体１２の円運動によって、主軸１１を回転させて、前後動させることができる。
【００４３】
圧電板３１、３２は、長いほどより大きな反りを生じ、大きな振動を供給できる。逆に、圧電板３１、３２が短いほど振動が小さいので、小さな振動を供給できる。また、印可する電圧の周波数を異ならしめることで、振動伝達体１２を円運動させる速度も変化できる。圧電板３１、３２の大きさや、印可する電圧の周波数を変更し、種々の用途に応じて利用すればよい。他の構成については、上記と同様であるため、説明を省略する。
【００４４】
（実施形態２）
上記実施形態１では、主軸１１を自転させて主軸１１を前後動させていたが、図１２に示すように、主軸に振動を供給し、主軸に取り付けた可動体を負荷に応じて前後動させることもできる。
【００４５】
主軸１１の一端が支持部材４１に接続され、他端が支持部材４２に接続されている。主軸１１は自転しないよう、支持部材４１、４２に固定されている。この主軸１１に可動板４４を配置してある。
【００４６】
支持部材４１には、モータ１４が取り付けられており、モータ回転軸１６には錘１５が設置されている。モータ１４を駆動すると、錘１５によって主軸１１が円運動するよう振動を供給する。
【００４７】
可動板４４は、主軸１１と平行に配置したレール４３に摺動自在に接続されている。図１３に、可動板４４の内部構造を示すように、可動板４４には、ナット等、ネジ穴１３が形成された可動体４７が内蔵されている。可動体４７に形成されたネジ溝は、主軸１１のネジ山のピッチと同じピッチである。そして、主軸１１のネジ山の直径がネジ穴のネジ山の直径よりも大きく、且つ、ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく形成されている。このため、主軸１１は、ネジ穴１３に対して隙間をもった状態、即ち、偏心可能な状態で螺合されている。また、可動体４７と可動板４４との間には、ベアリング４６が配置されており、可動体４７のみが自転可能に構成されている。
【００４８】
モータ１４を駆動すると、振動により、主軸１１が円運動するので、可動体４７が自転する。これにより可動体４７が主軸１１方向に移動するので、可動体４７の移動と一体して可動板４４がレール４３に沿って移動する。その他の構成、作用については上記と同様であるため、説明を省略する。
【００４９】
（実施形態３）
上記実施形態１及び２では、モータや圧電素子等の振動発生装置を取り付け、直接振動を供給しているが、間接的に振動を供給して、負荷に応じた速度で主軸等を前後動させることもできる。その一例について、図１４を参照して説明する。
【００５０】
筒状の筒体５１の内部に円盤状の振動伝達体１２が配置されている。この振動伝達体１２は、筒体５１に固定してある。振動伝達体１２にはネジ穴１３が設けられており、このネジ穴１３にネジ山が形成された主軸１１が偏心可能に螺合している。
【００５１】
筒体５１に振動を供給すると、筒体５１と内蔵の振動伝達体１２は固定されているので、振動伝達体１２に振動が伝達される。振動伝達体１２が円運動し得る振動を受けることで、主軸１１が自転し、負荷に応じた速度で前後動を行う。例えば、モータ等の振動発生装置を取り付けた狭持可能な器具等で挟んで振動を供給して、使用することができる。
【００５２】
実施形態３では、円形状の筒体５１を用いた例について説明したが、多角形状の筒体を用いてもよい。また、筒体５１を必ずしも設ける必要はない。振動伝達体１２がむき出しの状態であれば、振動発生装置を取り付けた器具等を接触させることで直接振動を供給できる。その他の構成、作用等は前述と同様であるため、説明を省略する。
【００５３】
続いて、上述の負荷感応型無段変速機構を応用した具体例について説明する。
【００５４】
（実施形態４）
図１５〜図１８は、上述した負荷感応型無段変速機構をロボットハンドに適用した例である。ベース６５にアーム６４が接続され、アーム６４の端部には振動発生装置収容部６３が接続されている。振動発生装置収容部６３には、不図示のモータ等が設置してある。
【００５５】
固定グリッパ６１が振動発生装置収容部６３に接続している。そして、固定グリッパ６１には可動グリッパ６２が摺動可能に配置されている。図１５に示すように、固定グリッパ６１にはネジ穴１３が設けられており、このネジ穴１３に偏心可能な状態で主軸１１の一端が螺合している。一方、主軸１１の他端は可動グリッパ６２に、自転できるように接続している。主軸１１が軸方向に移動することで、可動グリッパ６２が追従して移動し、固定グリッパ６１と可動グリッパ６２で対象物を把持する構成である。
【００５６】
固定グリッパ６１は、前述した振動伝達体として作用する。不図示の振動発生装置から振動が供給されると、図１６（Ｂ）に示すように、主軸１１が移動する。主軸１１の移動に伴い、可動グリッパ６２が移動するので、対象物を把持することができる。また、モータ等を逆方向に回転させれば、主軸１１の移動に伴って可動グリッパ６２は逆方向に移動し、対象物を離すことができる。
【００５７】
前述のように、負荷が掛かっていない状態、即ち、対象物を把持していない状態では、ネジ穴１３と主軸１１との偏心量が大きい。このため、主軸１１の自転速度が速いので、可動グリッパ６２を短時間で移動させることができる。一方で、負荷が掛かった状態、即ち、対象物を把持した状態になると、可動グリッパ６２の移動速度が遅くなる。
【００５８】
従来のロボットハンドでは、最大負荷量を考慮した一定の速度に制御されていたため、無負荷状態でも速度が制限され、作業に長時間を要していた。実施形態４のロボットハンドでは、無負荷時には速い速度で可動グリッパ６２を駆動させることができるので、作業効率の高いロボットハンドを実現できる。
【００５９】
更に、振動発生装置収容部６３と、固定グリッパ６１は固定式ではなく、脱着式とすることが可能である。図１７は、固定グリッパ６１に凸部６７が形成され、一方、振動発生装置収容部６３には、対応する凹部６６が形成された、嵌め合い結合による脱着式である。また、図１８は、固定グリッパ６１及び振動発生装置収容部６３にそれぞれ磁石６８、６９を設置した磁力による脱着式である。異なるグリッパ等を適宜付け替えて使用できる利点がある。
【００６０】
固定グリッパ６１に振動を供給できれば可動グリッパ６２を稼働させることができる機構であるため、固定グリッパ６１及び可動グリッパ６２には配線等を配置する必要がない。配線等が不要なため、液中での使用においても、短絡等による故障が生じることがないので耐久性も高い。
【００６１】
また、実施形態４では、主軸１１を自転させる場合について説明したが、実施形態２で説明したように、固定グリッパ６１内に可動体を内蔵し、可動体を自転させて主軸１１を移動させてもよい。
【００６２】
（実施形態５）
図１９は、負荷感応型無段変速機構を義手のアーム部に応用した例である。実施形態１と同様の負荷感応型無段変速機構をケース８３等に内包し、上腕部８２と前腕部８１とを接続した構成である。主軸１１と前腕部８１とがワイヤ８５等を介して接続されている。ケース８３と上腕部８２とがワイヤ８４等を介して接続されている。
【００６３】
実施形態１で説明したように、モータ１４を駆動することで、主軸１１が前後動を行う。これにより、前腕部８１が肘関節を支点として、矢印に示すように、上下に移動する。
【００６４】
負荷が掛かっていない状態、即ち、手に何も持っていない状態では、主軸１１の偏心量が大きいため回転速度が速く、主軸１１の前後動の直動動作が速やかに行われる。一方で、手に何か持つ等、負荷が大きい場合では、主軸１１の偏心量が小さくなるため回転速度が遅くなる。これにより、一定の速度による不自然な動きがなく、負荷に応じた自然な動きが可能となる。
【００６５】
（実施形態６）
実施形態６は、義手の指に応用した例である。図２０に示すように、４本の主軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、一つの振動伝達体１２を有する。主軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、ワイヤ９２を介して、それぞれ対応する指９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄに接続している。
【００６６】
振動伝達体１２にはモータ１４が設置してあり、このモータ１４からの振動で、前述のように主軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが前後動する。主軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの前後動によって、それぞれの指９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが握る、或いは開く動作を行う。
【００６７】
図２１に示すように、径が一定でない瓶９３を握る場合、全ての指９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが一定の速度で駆動すると、瓶９３の最も径の大きい箇所に当たる指に力が凝集され、上手く握ることができない。実施形態６では、それぞれの指９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが、それぞれの負荷に応じた速度、及び力で独立した動きとなる。このため、径が一定でない瓶９３を握る場合でも、それぞれの指９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄに掛かる力は平均化され、上手く握ることが可能となる。このような、いわゆる馴染み機構としても有効に応用することができる。
【００６８】
（実施形態７）
医療現場で使用される腫瘍等を切除するエンドエフェクタに応用した例である。図２２に、エンドエフェクタ１０１の構造を示す。内部が中空の筒体１０２の一方の底面に孔１０３が設けられている。筒体１０２の内部には振動伝達体１２が固定されている。振動伝達体１２には貫通するネジ穴が形成され、このネジ穴に主軸１１が隙間を持って螺合している。略菱形状に屈曲させて形成した一本の線条１０４が、孔１０３を通過し、主軸１１の先端に結合している。線条１０４は、高強度の金属や樹脂から構成される。
【００６９】
主軸１１が、図２２（Ｂ）に矢印にて示すように、筒体１０２の内方に移動（図面では、右方向）すると、図２２（Ｃ）に示すように、線条１０４が筒体１０２内方に引き込まれる構造である。
【００７０】
エンドエフェクタ１０１には振動発生装置が直接取り付けられていないので、図２３に示すように、振動発生装置を設けた鉗子１０５等を用いて使用する。鉗子１０５には、振動発生装置収容部１０８が設置されており、この中に不図示のモータ等の振動発生装置が収納されている。グリップ１１０には、振動発生装置を駆動するスイッチ１０９が設けられている。
【００７１】
グリップ１１０、１１１を操作し、エンドエフェクタ１０１を挟んだ状態でスイッチ１０９を入れ、モータ等の振動発生装置を駆動する。発生した振動が、パイプ１０７及び把持部１０６を伝わり、エンドエフェクタ１０１に供給される。
【００７２】
図２４は、エンドエフェクタ１０１を用いて、臓器の腫瘍を摘出する様子を示している。体皮を切開したポートから、或いは、口等の体内に通じる穴から、エンドエフェクタ１０１を挿入する。図２４（Ａ）に示すように、線条１０４の菱形内に摘出したい腫瘍１１３が入るよう操作する。位置を定めた後、スイッチ１０９を入れると、振動伝達体１２に伝達された振動で、主軸１１が筒体１０２内方に移動する。主軸１１の移動に伴い、図２４（Ｂ）に示すように、線条１０４が孔１０３を通過して筒体１０２内方へ引き込まれる。線条１０４が孔１０３を通過するに従い、線条１０４の菱形部分の隙間が狭まることで、腫瘍１１３を摘出することができる。
【００７３】
上記エンドエフェクタ１０１の線条１０４を様々な形態に応用できる。例えば、図２５のように、所謂鉗子の先端部分の把持部１１５に変更したエンドエフェクタ１１４とすることもできる。振動を供給すると、主軸１１が図２５（Ａ）の矢印にて示すように、筒体１０２の内方（紙面上右側）に移動し、把持部１１５が閉じる仕組みである。
【００７４】
また、図２６に示すように、把持部１１５を筒体１０２の両端に設けたエンドエフェクタ１１６とすることもできる。振動を供給すると、それぞれの主軸１１が図２６（Ａ）の矢印にて示すように、筒体１０２の内方に移動し、それぞれの把持部１１５が閉じる。
【００７５】
このエンドエフェクタ１１４、１１６の使用状況を図２７に模式的に示す。狭い体腔内で臓器１１２と体皮等を一時的に固定し、手術スペースを確保する際に有効に利用できる。
【００７６】
その他、鉗子、ステープラー、リトラクター等のエンドエフェクタにも応用可能である。
【００７７】
従来では、エンドエフェクタ部のみを切り離して駆動することはできなかった。このため、ＮＯＴＥＳ（Ｎａｔｕｒａｌ  Ｏｒｉｆｉｃｅ  Ｔｒａｎｓｌｕｍｅｎａｌ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ）での応用が困難である。ＮＯＴＥＳとは、体皮を切開することなく、口、肛門、膣等の自然な状態で開いている孔に手術器具を挿入し手術する方法である。この場合、患部へのアクセスや手術可能な方向が制限される。また、手術するためのスペース（器具等を操作するためのスペース）の確保が困難である。
【００７８】
しかし、本実施形態のエンドエフェクタでは、振動が伝わりさえすれば、エンドエフェクタ部のみを切り離して駆動することができるので、これまでの医療器具等では患部へアクセスできない、或いは手術スペースを確保できずに行えなかった場合についても、容易に行える利点がある。
【００７９】
また、上記医療器具の他、図２８に示すように、ネジ等の小さな対象物を拾うことができるエンドエフェクタ１１７を構成することもできる。３本の湾曲した線条１１５が孔１０３を通じて主軸１１に結合している。それぞれの線条１１５の先端は所定のピッチで離間しているが、前記同様に主軸１１が図２８（Ｂ）の矢印に示すように移動することによって、線条１１５が変形しつつ筒体１０２に引き込まれる。これにより、それぞれの線条１１５の先端が近接するので、対象物を掴むことができる。
【００８０】
狭く手が届かない箇所、特に屈曲して直線上の器具では届かない箇所に落ちた対象物でも、容易に拾うことができる。
【実施例】
【００８１】
図２９に示す装置を用いて、負荷に応じて主軸の回転速度が変化するか検証を行った。主軸１１の先端にフック１２２を取り付け、このフック１２２に紐１２３を介して様々な重量の錘１２４をぶら下げた。そして、錘１２４を一定距離引き上げ、引き上げに要した時間を計測し、平均速度を算出した。
【００８２】
主軸１１としてステンレス製のＭ４並目を用い、主軸１１の最大偏心量ｅは約０．０４ｍｍである。フック１２２と主軸１１とは不図示のベアリングを介して接続しており、フック１２２が回転しないようにしている。
【００８３】
モータ回転軸１６に錘１５を取り付け、振動伝達体１２を円運動させる振動を与えた。なお、モータ１４の回転数は約２００００ｒｐｍである。
【００８４】
主軸１１の中間部に測定目印１２１を設置し、これをレーザー変位計で監視し、測定目印１２１が通過する時間を測定した。フック１２２には、０ｇ〜５ｋｇまで０．５ｋｇおきに錘１２４を取り付け、それぞれ測定した。
【００８５】
結果を図３０に示す。負荷が小さいときは早い速度で錘を引き上げ、負荷が大きくなるにつれて引き上げる速度が遅くなっていることがわかる。負荷が０ｋｇのときと５．０ｋｇのときでモータ１４の電流値はともに約３．３Ａであり、モータの回転速度はすべて等しい。したがって、振動伝達体１２を円運動させる振動は一定である。
【００８６】
このことから、負荷が小さいときは主軸１１の偏心量ｅが大きいため、主軸１１の回転速度は大きく、一方、負荷が大きくなるにつれ、主軸１１の偏心量ｅが小さくなり主軸１１の回転速度が小さくなることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
上述のように、負荷感応型無段変速機構は、振動を供給することで主軸或いは可動体を負荷に応じた回転速度で移動させることができる。簡単な構造で小型、軽量に構成することができ、産業用ロボット、医療ロボット等、様々な分野での利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す断面図である。
【図３】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の主軸と振動伝達体のネジ穴の径の関係を示す図である。
【図４】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。
【図５】実施形態に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図７】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図８】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図９】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図１０】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。
【図１１】実施形態１に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。
【図１２】実施形態２に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】実施形態２に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す断面図である。
【図１４】実施形態３に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す一部分解斜視図である。
【図１５】実施形態４に係るロボットハンドの概略構成を示す斜視図である。
【図１６】実施形態４に係るロボットハンドの駆動状況を示す平面図である。
【図１７】実施形態４に係るロボットハンドの脱着構造を示す平面図である。
【図１８】実施形態４に係るロボットハンドの脱着構造を示す平面図である。
【図１９】実施形態５に係る義手の構造を示す平面図である。
【図２０】実施形態６に係る義手の構造を示す斜視図である。
【図２１】実施形態６に係る義手の動作状況を示す斜視図である。
【図２２】（Ａ）は、実施形態７に係るエンドエフェクタの斜視図、（Ｂ）及び（Ｃ）は、断面図である。
【図２３】実施形態７に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。
【図２４】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態７に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。
【図２５】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態７に係るエンドエフェクタの構造を示す断面図である。
【図２６】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態７に係るエンドエフェクタの構造を示す断面図である。
【図２７】実施形態７に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。
【図２８】（Ａ）は、実施形態７に係るエンドエフェクタの斜視図、（Ｂ）及び（Ｃ）は、断面図である。
【図２９】実施例で用いた装置の概略構成を示す側面図である。
【図３０】実施例の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１１    主軸
１２    振動伝達体
１３    ネジ穴
１４    モータ
１５    錘
１６    モータ回転軸
１７    振動吸収部材
２１    雄ネジ
２２    雌ネジ
３１    圧電板
３２    圧電板
３３    支持部
４１    支持部材
４２    支持部材
４３    レール
４４    可動板
４５    貫通孔
４６    ベアリング
４７    可動体
５１    筒体
６１    固定グリッパ
６２    可動グリッパ
６３    振動発生装置収容部
６４    アーム
６５    ベース
６６    凹部
６７    凸部
６８    磁石
６９    磁石
８１    前腕部
８２    上腕部
８３    ケース
８４    ワイヤ
８５    ワイヤ
９１    指部
９２    ワイヤ
９３    瓶
１０１  エンドエフェクタ
１０２  筒体
１０３  孔
１０４  線条
１０５  鉗子
１０６  把持部
１０７  パイプ
１０８  振動発生装置収容部
１０９  スイッチ
１１０  グリップ
１１１  グリップ
１１２  臓器
１１３  腫瘍
１１４  エンドエフェクタ
１１５  線条
１１６  エンドエフェクタ
１１７  エンドエフェクタ
１２１  測定目印
１２２  フック
１２３  紐
１２４  錘
【図１】
2010065718.tif 000004
【図２】
2010065718.tif 000005
【図３】
2010065718.tif 000006
【図４】
2010065718.tif 000007
【図５】
2010065718.tif 000008
【図６】
2010065718.tif 000009
【図７】
2010065718.tif 000010
【図８】
2010065718.tif 000011
【図９】
2010065718.tif 000012
【図１０】
2010065718.tif 000013
【図１１】
2010065718.tif 000014
【図１２】
2010065718.tif 000015
【図１３】
2010065718.tif 000016
【図１４】
2010065718.tif 000017
【図１５】
2010065718.tif 000018
【図１６】
2010065718.tif 000019
【図１７】
2010065718.tif 000020
【図１８】
2010065718.tif 000021
【図１９】
2010065718.tif 000022
【図２０】
2010065718.tif 000023
【図２１】
2010065718.tif 000024
【図２２】
2010065718.tif 000025
【図２３】
2010065718.tif 000026
【図２４】
2010065718.tif 000027
【図２５】
2010065718.tif 000028
【図２６】
2010065718.tif 000029
【図２７】
2010065718.tif 000030
【図２８】
2010065718.tif 000031
【図２９】
2010065718.tif 000032
【図３０】
2010065718.tif 000033