(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体に対し角度変位可能に連結された角度変位対象部と、当該角度変位対象部に前記本体に対して角度変位をさせるための圧電式駆動機構とを有し、当該圧電式駆動機構が、前記本体内に収蔵され前記角度変位対象部に弾性体を介して接続されて、当該弾性体を介して前記角度変位対象部に角度変位をさせる移動体と、当該移動体を同移動体の移動方向に間隔を置いてそれぞれ前記本体に対して固定することができる一対の保持機構とを有し、前記移動体が、圧電素子の作用により弾性変形をすることによって前記角度変位対象部に角度変位をさせるように当該移動体を伸縮変形させる弾性変形部を有し、前記一対の各保持機構は、基端部が前記本体により弾性ヒンジばねを介して支持され、先端部が同先端部と前記弾性ヒンジばねに隣接する前記本体側の位置との間に介装された圧電素子の伸縮作用により前記弾性ヒンジばねを中心に揺動して、前記移動体の側面に当接して当該移動体を固定したり、前記移動体の側面から離れて当該移動体の移動を許容したりする保持部をそれぞれ備えていることを特徴とする、角度変位機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、小型化が必要とされる機器に好適な圧電素子を利用した角度変位機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電素子を利用した角度変位機構の構成を図７の平面図に示す。ボール６１とボールカバー６２から成る関節の部分は、ボールジョイントになっており、ボール６１は、下側からボール押さえ６３により力をかけられボールカバー６２との間で固体摩擦を発生するようになっている。アーム６０はボールジョイントの回転中心から８０ｍｍの長さを持ち、断面は一辺１８ｍｍの正三角形である。アーム６０には、長手方向に２か所、周方向に３組、計６組の圧電素子６４と慣性体用の重り６５とが取付けられており、圧電素子６４を伸縮させるときに生じる偶力によって、アーム６０が発生した偶力の方向と力とに応じて回転する仕組みになっている（圧電素子の急速変形を利用したマイクロロボットアーム，日本ロボット学会誌，ｖｏｌ．８， Ｎｏ.４，ｐｐ４７９−４８２，１９９０）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の角度変位機構は、以上のようにアーム６０の周囲に圧電素子６４と慣性用の重り６５とを配置しているので、構造が大きく、装置の小型化が困難であるとともに、アーム６０の長さと発生力が比例関係にあるため、小型化すると発生力が減少し、現状の大きさでも１５ｇｆと小さい発生力がより小さくなり、所望の発生力と変位が得られないという問題点があった。
本発明は、上記のような問題点を解消するために成されたもので、より小型で発生力が大きく、かつ高精度に角度を制御できる角度変位機構を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の角度変位機構は、本体に対し角度変位可能に連結された角度変位対象部と、当該角度変位対象部に前記本体に対して角度変位をさせるための圧電式駆動機構とを有し、当該圧電式駆動機構が、前記本体内に収蔵され前記角度変位対象部に弾性体を介して接続されて、当該弾性体を介して前記角度変位対象部に角度変位をさせる移動体と、当該移動体を同移動体の移動方向に間隔を置いてそれぞれ前記本体に対して固定することができる一対の保持機構とを有し、前記移動体が、圧電素子の作用により弾性変形をすることによって前記角度変位対象部に角度変位をさせるように当該移動体を伸縮変形させる弾性変形部を有し、前記一対の各保持機構は、基端部が前記本体により弾性ヒンジばねを介して支持され、先端部が同先端部と前記弾性ヒンジばねに隣接する前記本体側の位置との間に介装された圧電素子の伸縮作用により前記弾性ヒンジばねを中心に揺動して、前記移動体の側面に当接して当該移動体を固定したり、前記移動体の側面から離れて当該移動体の移動を許容したりする保持部をそれぞれ備えていることを特徴とする。
【０００５】
【作用】
本発明の角度変位機構は、直動型の圧電式駆動機構、すなわち角度変位対象部と弾性体で接続され圧電素子により伸び縮みする移動体と同移動体を固定する力を変化させる保持機構とからなる圧電式駆動機構を採用することにより、従来の装置に比べ小型な上に大きな発生力を有する。また直動型の圧電式駆動機構が、移動体をサブミクロン単位で移動させることができることと、移動体と角度変位対象部が弾性体で接続してあるために圧電式駆動機構から得られる微小な直線運動をガタ無く回転運動に変換することができることとにより、角度変位対象部を高分解能で角度制御することができる。
【０００６】
【実施例】
本発明角度変位機構の実施例を図面について説明すると、図１は本機構を放電加工装置の工具角度制御装置に適用した実施例１の斜視図、図２は同上の平面図、図３は本機構の移動体の斜視図、図４は本機構の圧電式駆動機構の平面図、図５は本機構の圧電式駆動機構の駆動方法の説明図、図６は本発明角度変位機構をロボットハンドの関節駆動機構に適用した実施例２の平面図である。
【０００７】
まず工具角度制御装置に適用した実施例１の図１，図２において、１は角度変位対象となる放電加工を行う加工工具部、２は加工工具部１の工具角度を制御する機構の本体、３は加工工具部１と本体２を連結する自在継手となっており、加工工具部１の連結部４が自在継手３にボルト５で自在継手３に対して回転するように締結され、本体２の連結部６が自在継手３にナット７で自在継手３に対して回転するように締結されている。本体２と一体加工されている２組の圧電式駆動機構８，９は、図２のＡ部断面図に示すように本体２内に組込まれている。本体２内を長手方向に滑動する移動体１０，１１と加工工具部１とが、線径０．２ｍｍのピアノ線１２，１３で連結されており、この２つのピアノ線１２，１３のＡ部断面図上の位置が自在継手３の回転中心に対して９０度の角度を持つため、移動体１０の動きによりピアノ線１２を介して加工工具部１が、Ｘ軸まわりに独立して回転し、移動体１１の動きによりピアノ線１３を介して加工工具部１が、Ｙ軸まわりに独立して回転する構造となっている。
【０００８】
１４，１５，１６及び１７は案内ピンで、これは移動体１０，１１が、保持機構１８，１９，２０，２１から外れないように、案内する目的と、移動体１０，１１の移動距離を３ｍｍに制限する目的で取付けられており、図３に示すように移動体１０にあけられた案内用長穴３４，３５に、本体２に設けられた案内ピン１４，１５の先端が入り、同様に、移動体１１にあけられた案内用長穴に案内ピン１６，１７の先端が入り、それぞれ移動体１０，１１を案内している。図２の２２，２３は移動体１０，１１に埋め込まれた伸縮機構用圧電素子で、また２４，２５，２６，２７は保持機構用圧電素子であり、共にトーキン社製，型番ＮＬＡ−１．４×３×９の積層型圧電素子（素子断面寸法１．４×３ｍｍ、伸縮方向寸法９ｍｍ）を用いている。また図面では、圧電素子に電圧を印加するための電線の記入は省略してある。なお本体２の中央には自動調心用板ばね２８が取付けねじ２９により取付けられている。
【０００９】
上記移動体１０，１１を動かす圧電式駆動機構８，９の構造と駆動方法について、前者を代表して説明する。図４に図２で示した圧電式駆動機構８を拡大して示す。圧電式駆動機構８は、伸縮機構を持つ移動体１０とこれを保持・解放する２つの保持機構１８，１９から構成されている。移動体１０の伸縮機構は、圧電素子２２、弾性変形部３０、弾性ヒンジばね３３から構成されており、例えば、圧電素子２２に１００Ｖの電圧を印加した場合、弾性変形部３０が変形し、移動体１０が矢印ａの方向に約５μｍ伸び、電圧を遮断すると元の長さに戻る。
【００１０】
保持機構１８は、圧電素子２４と保持部３１から構成されており、保持部３１は、弾性ヒンジばね３３を介して本体と接続してある。また保持部３１は、弾性ヒンジばね３３を支点として回転運動をするため、圧電素子２４の変位量がてこの原理で拡大されるので、圧電素子２４に電圧が印加され圧電素子２４が伸びると、弾性ヒンジばね３３が撓み、図４の右側の保持機構１９のように下方に変形する。このように圧電素子２４の変位を拡大する保持機構１８を備えることによって、移動体１０と保持部３１の間に加工誤差から生じる多少のすき間があっても変位量が大きいので、すき間のために損失する変位量の割合が小さくなり、圧電素子２４の発生力が有効に移動体１０に伝達される。保持部３１の左端の変位量は、圧電素子２４に１００Ｖの電圧を印加した場合、移動体１０がなく、自由変形したとすると、圧電素子２４の矢印ａ方向の５μｍの変位量に対して保持部３１が矢印ｂ方向に約２０μｍ変位する。しかし実際には、保持部３１は、移動体１０との数μｍのすき間の分だけ変位するだけで、本来変形する変位量の残りは、移動体１０を固定する力となる。従って、保持機構１８は、圧電素子２４に電圧を印加すると移動体１０を固定し、電圧を遮断すると移動体１０が滑動できるように解放する働きをする。また保持機構１９も保持機構１８と同様である。
【００１１】
駆動方法は、図４の保持機構１８をＡ、移動体１０の伸縮機構をＢ、保持機構１９をＣとすると、図５に示すように次の６つの状態を繰り返すことで移動体を駆動するしくみになっている。
(1) Ａが保持している。Ｂは縮んでいる。Ｃは解放している。移動体は、Ａによって固定されている状態。
（図中、電圧が印加されて伸びている圧電素子を黒く示す。）
(2) Ｂが伸びる。Ａが固定されているので、移動体は右方向に伸びる。
(3) Ｃが保持する。移動体は、伸びた状態でＡとＣによって固定されている。
(4) Ａが移動体を解放する。移動体は、伸びた状態でＣによって固定されている 。
(5) Ｂが縮む。Ｃが固定されているので、移動体は右方向に縮む。
(6) Ａが保持する。移動体は、縮んだ状態でＡとＣによって固定されている。
前記の(1)から(6)の行程で移動体１０は、右に駆動されるが、(1)から(6)の行程を反転すると移動体は、左に駆動される。また(1)から(6)の行程で得られる変位量は、Ｂの伸び量で決まり、最大数μｍ程度であるが、これを繰り返すことで、より長い変位量を得ることができる。
【００１２】
以上のような構成で、圧電式駆動機構８，９は、小型ながら、発生力２００ｇｆ、最小移動分解能０．５μｍ、最大移動量３ｍｍの性能を有し、直線運動を回転運動に変換して角度変位機構とした場合、最大角度変位±２０度、最小角度分解能３０角度秒の性能を有する。従って、本実施例の角度変位機構を、放電加工用角度制御装置に適用することにより、直径１２ｍｍ，曲率半径１００ｍｍまでの曲がり穴を加工物に自在に、かつ高精度にあけることができる。また、圧電式駆動機構８，９は、２つの保持機構１８，１９、及び２０，２１を本体２と一体構造とすることができるため、従来の組立て構造に比べて全体の機構を容易に高精度に仕上げることができる。
【００１３】
次に関節駆動機構に適用した実施例２を図６について説明すると、４１はロボットハンドの指の１関節要素で、４２は角度変位対象部である上関節部、４３は本体である下関節部で、上関節部４２と下関節部４３はピン４４で連結されており、上関節部４２は下関節部４３に対して矢印ｃの方向に自由に回転運動ができる。また下関節部４３には実施例１と同様の圧電式駆動機構４７が組込まれており、下関節部４３に収蔵された移動体４５と上関節部４２が幅１ｍｍ，厚さ０．２ｍｍの帯ばね４６で接続してあり、移動体４５の直線運動を帯ばね４６が上関節部４２に伝達する構成となっている。５１は移動体４５に埋め込まれた伸縮機構用圧電素子、５２，５３は保持機構用圧電素子で、共に，トーキン社製，型番ＮＬＡ−１．４×３×９を用いている。本実施例では、移動体４５を円柱形にして保持機構４８，４９から脱落するのを防ぎ、関節の伸び方向の拘束のために移動体の下端部にストッパー５４を設け、曲げ方向の拘束のために曲げ角度調整ねじ５０を備えている。また保持機構４８，４９を移動体４５に対して互い違いに配置し、駆動機構の長さを短くし省スペース化を図ってある。
【００１４】
以上の構成により、圧電式駆動機構４７が実施例１で説明した方法と同様に動作することで、帯ばね４６が変位を上関節部４２に伝達し、上関節部４２が下関節部４３に対して最大４０度の角度変位を得ることができる。従って本実施例の関節変位機構をロボットハンドに適用することにより、実際の手の大きさで、全ての関節に駆動装置を内蔵し角度制御できる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の角度変位機構によれば、本体に対し角度変位可能に連結された角度変位対象部と、当該角度変位対象部に前記本体に対して角度変位をさせるための圧電式駆動機構とを有し、当該圧電式駆動機構が、前記本体内に収蔵され前記角度変位対象部に弾性体を介して接続されて、当該弾性体を介して前記角度変位対象部に角度変位をさせる移動体と、当該移動体を同移動体の移動方向に間隔を置いてそれぞれ前記本体に対して固定することができる一対の保持機構とを有し、前記移動体が、圧電素子の作用により弾性変形をすることによって前記角度変位対象部に角度変位をさせるように当該移動体を伸縮変形させる弾性変形部を有し、前記一対の各保持機構は、基端部が前記本体により弾性ヒンジばねを介して支持され、先端部が同先端部と前記弾性ヒンジばねに隣接する前記本体側の位置との間に介装された圧電素子の伸縮作用により前記弾性ヒンジばねを中心に揺動して、前記移動体の側面に当接して当該移動体を固定したり、前記移動体の側面から離れて当該移動体の移動を許容したりする保持部をそれぞれ備えていることにより、より小型で発生力が大きく、かつ高精度に角度を制御できる角度変位機構を得るから、本発明は産業上極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明角度変位機構を放電加工装置の工具角度制御装置に適用した実施例１の斜視図である。
【図２】同上の平面図である。
【図３】本機構の移動体の斜視図である。
【図４】本機構の圧電式駆動機構の平面図である。
【図５】本機構の圧電式駆動機構の駆動方法の説明図である。
【図６】本発明角度変位機構をロボットハンドの関節駆動機構に適用した実施例２の平面図である。
【図７】従来の角度変位機構の平面図である。
【符号の説明】
１    加工工具部
２    本体
３    自在継手
４    連結部
５    ボルト
６    連結部
７    ナット
８，９    圧電式駆動機構
１０，１１    移動体
１２，１３    ピアノ線
１４，１５，１６，１７    案内ピン
１８，１９，２０，２１    保持機構
２２，２３    伸縮機構用圧電素子
２４，２５，２６，２７    保持機構用圧電素子
２８    自動調心用板ばね
２９    取付けねじ
３０    弾性変形部
３１，３２    保持部
３３    弾性ヒンジばね
３４，３５    案内用長穴
４１    関節要素
４２    上関節部
４３    下関節部
４４    ピン
４５    移動体
４６    帯ばね
４７    圧電式駆動機構
４８，４９    保持機構
５０    曲げ角度調整ねじ
５１    伸縮機構用圧電素子
５２，５３    保持機構用圧電素子
５４    ストッパー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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