(57)【要約】【課題】速度選択性の狭い超音波モータの低速限界を拡大することで、非磁性の要求仕様から超音波モータが必要とされるマニピュレータの速度制御と軌跡追従性を改善する。【解決手段】  第一超音波モータによって駆動される第一歯車と第二超音波モータによって駆動される第二歯車と、前記第一歯車と前記第二歯車と噛み合う単数あるいは複数の第三歯車と、第三歯車の自転軸と一体をなし第三歯車の公転によって駆動される出力軸からなる差動歯車により、第一超音波モータの運動を第二超音波モータの運動で打ち消すことにより低速を実現し、第一超音波モータの運動と第二超音波モータの運動を合わせることにより単体で得られるのと同じ速度を実現する。【選択図】図１
2008075783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一超音波モータによって駆動される第一歯車と、
第二超音波モータによって駆動される第二歯車と、
前記第一歯車と前記第二歯車と噛み合う単数あるいは複数の第三歯車と、
第三歯車の自転軸と一体をなし第三歯車の公転によって駆動される出力軸
からなる差動歯車を有することを特徴とする超音波モータの伝動装置
【請求項２】
第一超音波モータによって駆動される第一歯車と、
第二超音波モータによって駆動されかつ前記第一歯車と噛み合う単数あるいは複数の第二歯車と、
第二歯車の自転軸と一体をなし第二歯車の公転によって駆動される出力軸
からなる差動歯車を有することを特徴とする超音波モータの伝動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの動力を伝動する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは圧電素子の振動を駆動原理としたモータであり、電磁作用によって駆動力を発生する従来のモータと大きく異なっている。そのため磁気的ノイズや大電流に伴う電磁的ノイズが嫌避される用途、例えばＭＲＩ対応マニピュレータなどに適している。
【０００３】
ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ：磁気共鳴画像）は精密で強力な磁場を利用して生体の断層像を撮影する装置である。ＭＲＩ対応マニピュレータはＭＲＩの内部で稼動するマニピュレータで、主にＭＲＩ内で行なわれる外科手術の支援が期待される。ＭＲＩ対応マニピュレータにはＭＲＩの磁場を乱さない非磁性が求められるため、超音波モータは最適なモータであり、また超音波モータにとっても格好の応用例である。
【０００４】
超音波モータは圧電素子の振動を駆動原理としている。そのため効率良く大きな振幅が得られる共振周波数近傍で駆動されることが多い。駆動周波数と駆動速度は強い比例関係にあるので、駆動周波数が共振周波数の近傍に限られてしまうと結果として駆動速度の幅が狭くなるか、あるいは定格速度以外での効率が著しく悪化するといった問題が生じる。そのため、超音波モータでは高速に限界があるだけでなく低速にも限界があり、速度の選択性が狭い。
【０００５】
そのため、超音波モータを利用したマニピュレータは移動中の速度や軌跡を制御しないで出発点から目的地に移動するポイントツーポイントの位置制御には適しているが、途中の速度を制御したり、決められた軌跡を追従させたりするのには不向きである。例えば、手術支援マニピュレータとして代表的なマスタ・スレーブ式マニピュレータには、操作者の緩急のある動きを滑らか再現することが求められる。このようなマニピュレータには低速から高速までを実現できる速度制御が必要とされる。あるいは、ＸＹステージで円運動させるときに、０度と１８０度の位置でＹ軸に対してＸ軸が無限小の速度を発生できなければ正確な円を描くことが出来ない。このように速度の選択性が狭いと正確な軌跡追従ができない。すなわち、どれだけの低速であるか、どれだけ高速であるかではなく、低速から高速まで選択の幅が速度選択性であり、速度制御や軌跡追従が求められるマニピュレータには非常に重要な性能である。
【０００６】
単に低速限界を下げるだけならば減速機を使うことが考えられるが、この場合は高速限界も下がってしまうので速度選択性が狭いことには変わりがない。要求速度に応じてギヤ比を変化させる変速機は速度選択性を広げるが、ギヤ比を変化させる機構が複雑になる。
【０００７】
非特許文献１にある通り、本発明で提案される差動歯車は広く知られた伝動装置である。自動車の差動装置がもっとも良く知られた用途で、速度差がある２軸に動力を分配するのに使われている。その他に２つの動力源の合力を得る、笠歯車による差動歯車のように対向する２軸の動力源から直交する２軸の運動を発生するのに用いられている。しかし、差動歯車を超音波モータの速度選択性を広げるために用いたものはなかった。なお、カメラの自動焦点機構として手動入力と超音波モータの合成する装置は下記特許文献１および２に記載されているが、これらは任意の減速状態を得ることができないため、前記のようなマニピュレータやＸＹステージの駆動に用いることはできない。
【非特許文献１】牧野洋、高野政晴著「機械運動学」、コロナ社、１９７８
【特許文献１】特開２０００−７４１６０号公報
【特許文献２】特開２０００−１４７３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超音波モータの低速限界を拡大することで速度選択性を拡大させ、これによって非磁性の要求仕様から超音波モータが必要とされるマニピュレータやＸＹステージ等の速度制御と軌跡追従性を改善する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するため、第一超音波モータによって駆動される第一歯車と第二超音波モータによって駆動される第二歯車と、前記第一歯車と前記第二歯車と噛み合う単数あるいは複数の第三歯車と、第三歯車の自転軸と一体をなし第三歯車の公転によって駆動される出力軸からなる差動歯車により、第一超音波モータの運動を第二超音波モータの運動で打ち消すことにより低速を実現し、第一超音波モータの運動と第二超音波モータの運動を合わせることにより単体で得られるのと同じ速度を実現する。第一超音波モータと第二超音波モータの役割を入れ替えても同様である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は上記のような手法を採用することによって、二つの超音波モータが打ち消しあう方向に動くことにより、個々の超音波モータの低速限界より低い速度を出力できる。二つのモータが同じ方向に動くと二つのモータの速度の平均が出力される。そのため両方が同じ高速限界で駆動した場合、同じ速度が出力される。
【００１１】
また本発明においては、負荷は二つの超音波モータに分配される。そのため、二つの超音波モータが同等であった場合、本機構が発生できるトルクは超音波モータ単体のトルクの二倍となる。そのため、速度選択性を拡大させるだけでなくトルクの合力を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明に係る差動歯車による超音波モータの伝動装置の実施例を、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の差動歯車による超音波モータの伝動装置が、笠歯車により構成された実施例である。各構成要素が組み立てられる前の状態と組み立てられた後の状態を示している。組立図では主軸以外の要素がカットモデルで示されている。
【００１４】
第一超音波モータは第一超音波モータステータ１と第一超音波モータロータ２から構成され、第一超音波モータステータ１は基部に固定され、第一超音波モータステータ１の発生する振動によって第一超音波モータロータ２が第一超音波モータステータ１に対して回転運動する。第一歯車３は笠歯車を為し、第一超音波モータロータ２に固定され一体となって回転運動する。図１では第一超音波モータロータ２と第一歯車３の回転軸は第一軸４が兼ねている。第一軸４は第一超音波モータステータ１に対して自由に回転可能で、また第一超音波モータロータ２と第一歯車３は第一軸４の周りを自由に回転することが出来る。
【００１５】
第二超音波モータは第二超音波モータステータ５と第二超音波モータロータ６から構成され、第二超音波モータステータ５は基部に固定され、第二超音波モータステータ５の発生する振動によって第二超音波モータロータ６が第二超音波モータステータ５に対して回転運動する。第二歯車７は笠歯車を為し、第二超音波モータロータ６に固定され一体となって回転運動する。図１では第二超音波モータロータ６と第二歯車７の回転軸は第二軸８が兼ねている。第二軸８は第二超音波モータステータ５に対して自由に回転可能で、また第二超音波モータロータ６と第二歯車７は第二軸８の周りを自由に回転することが出来る。
【００１６】
第三歯車９は笠歯車を為し、図１右下の組立図にある通り、第一歯車３と第二歯車７と噛み合っている。第一歯車３は第一超音波モータステータ１に、第二歯車７は第二超音波モータステータ２に、第三歯車９は留金１１によって押さえられることによって相互の噛み合いを維持している。
【００１７】
第三歯車９は第三軸１０の周りを自由に回転できる。第一軸４と第二軸８と第三軸９は一体を為している。第一軸４と第二軸８は同軸になっており、互いの回転運動を阻害しない。第三軸１０は第一軸４と第二軸８と垂直に交差している。
【００１８】
この結果、第三歯車９は第一歯車３と第二歯車７と噛み合いながら、第三軸１０を中心として自転するとともに、第一軸４と第二軸８が為す軸を中心として公転する。第三歯車９の公転によって、第一軸４と第二軸８と第三軸９が為す出力軸１２は第一軸４と第二軸８が為す軸を中心として回転する。
【００１９】
例えば第一歯車３と第二歯車７の歯数が同じとき、第一歯車３と第二歯車７が反対の向きに同じ速度で回転すると第三歯車９は同じ場所で自転し、出力軸１２は回転しない。この状態では第一超音波モータの回転運動は第二超音波モータの回転運動によって完全に相殺されている。
【００２０】
例えば第一歯車３と第二歯車７の歯数が同じとき、第一歯車３と第二歯車７が反対の向きに、第一歯車３が少しだけ速く回転すると第三歯車９は第一歯車３と第二歯車７の速度の差の半分で第一歯車３と同じ方向に公転し、出力軸１２も同じ速度方向に回転する。例えば第一超音波モータと第二超音波モータの低速限界が３０ｒｐｍだったとしても、一方を３２ｒｐｍ、もう一方を３０ｒｐｍで回転させることによって、（３２−３０）／２＝１ｒｐｍの回転を得ることが出来る。
【００２１】
例えば第一歯車３と第二歯車７の歯数が同じとき、第一歯車３と第二歯車７が同じ向きに同じ速度で回転すると、第三歯車９は自転せずに、第一歯車３と第二歯車７と同じ速度方向に公転し、出力軸１２も同じ速度方向に回転する。
【００２２】
例えば第一歯車３と第二歯車７の歯数が同じとき、出力軸１２にかかる負荷は第一歯車３と第二歯車７を介して第一超音波モータと第二超音波モータに均等に分配される。そのため、この伝達装置が発生できるトルクは超音波モータ単体のトルクの二倍となる。
【実施例２】
【００２３】
図２は、本発明の差動歯車による超音波モータの伝動装置が、平歯車により構成された実施例である。差動歯車の動きに注目するために超音波モータを省いている。
【００２４】
第一歯車１５は平歯車を為し、第一超音波モータに駆動される。その軸を第一軸１６とする。
【００２５】
第二歯車１７は平歯の内歯車をなし、第二超音波モータに駆動される。その軸を第二軸１８とする。
【００２６】
第三歯車１９は平歯車を為し、第一歯車１５と第二歯車１７と噛み合っている。第一歯車１５が太陽歯車、第二歯車１７が外輪歯車、第三歯車１９が遊星歯車となる遊星歯車による差動歯車を構成している。
【００２７】
第三歯車１９は第三軸２０の周りを自由に回転できる。第三軸２０は出力軸２２と一体を為している。第一軸１６と第二軸１８、出力軸２２は同軸になっており、互いの回転運動を阻害しない。
【００２８】
この結果、第三歯車１９は第一歯車１５と第二歯車１７と噛み合いながら、第三軸２０を中心として自転するとともに、出力軸２２を中心として公転する。第三歯車１９の公転にともなって出力軸２２は回転し、駆動力を発生する。
【００２９】
このときの第一歯車１５、第二歯車１７の回転数がω１、ω2、第一歯車１５と第二歯車１７、第三歯車１９の歯数がｚ１、ｚ２、ｚ３のとき、出力軸の回転数ω３は以下のようになる。
ω３＝（ｚ１ω１＋ｚ２ω２）／（２Ｚ１＋２Ｚ３）
例えばｚ１＝ｚ３、ｚ２＝ｚ１＋２ｚ３で、ω2の低速限界が３０ｒｐｍだったとしても、ω１を反対方向に８６ｒｐｍで動かせば１ｒｐｍの速度を得ることが出来る。この場合、実施例１と比べて、第一歯車１５と第二歯車１７の回転速度の配分が不均一である。この対策としては歯車駆動前に適当なギヤ比の減速機または増速機を介することで不均一性は解消される。
【００３０】
出力軸２２にかかる負荷は第一歯車１５と第二歯車１７を介して第一超音波モータと第二超音波モータに均等に分配される。そのため、この伝達装置が発生できるトルクは超音波モータ単体のトルクの二倍となる。
【実施例３】
【００３１】
図３は、本発明の差動歯車による超音波モータの伝動装置が、平歯車により構成された実施例である。差動歯車の動きに注目するために超音波モータを省いている。
【００３２】
第一歯車２３は平歯車を為し、第一超音波モータに駆動される。その軸を第一軸２４とする。
【００３３】
第二歯車２７は平歯車を為し、第一歯車２３と噛み合っている。第二超音波モータに駆動される。その軸を第二軸２８とする。
【００３４】
第二歯車２７は第二軸２８の周りを自由に回転できる。第二軸２８は出力軸３２と一体を為している。第一軸２４と出力軸３２は同軸になっており、互いの運動を阻害しない。
【００３５】
この結果、第二歯車２７は第一歯車２３と噛み合いながら、第二軸２８を中心として自転するとともに、出力軸３２を中心として公転する。第二歯車２７の公転にともなって出力軸３２は回転し、駆動力を発生する。
【００３６】
例えば第一歯車２３と第二歯車２７の歯数が同じとき、第一歯車２３と第二歯車２７が反対の向きに同じ速度で回転すると第三歯車２９は同じ場所で自転し、出力軸３２は回転しない。この状態では第一超音波モータの回転運動は第二超音波モータの回転運動によって完全に相殺されている。
【００３７】
例えば第一歯車２３と第二歯車２７の歯数が同じとき、第一歯車２３と第二歯車２７が反対の向きに、第一歯車２３が少しだけ速く回転すると第二歯車２７は第一歯車２３と第二歯車２７の速度の差の半分で第一歯車２３と同じ方向に公転し、出力軸３２も同じ速度方向に回転する。例えば第一超音波モータと第二超音波モータの低速限界が３０ｒｐｍだったとしても、一方を３２ｒｐｍ、もう一方を３０ｒｐｍで回転させることによって、（３２−３０）／２＝１ｒｐｍの回転を得ることが出来る。
【００３８】
例えば第一歯車２３と第二歯車２７の歯数が同じとき、第一歯車２３と第二歯車２７が同じ向きに同じ速度で回転すると、第一歯車２３と第二歯車２７と同じ速度方向に公転し、出力軸３２も同じ速度方向に回転する。
【００３９】
例えば第一歯車２３と第二歯車２７の歯数が同じとき、出力軸３２にかかる負荷は半分となって第一歯車２３と第二歯車２７を介して第一超音波モータと第二超音波モータに分配される。そのため、この伝達装置が発生できるトルクは超音波モータ単体のトルクの二倍となる。
【００４０】
この実施例では第二超音波モータが第二歯車２７の公転に伴って移動する。この不便を解消する方法として第二超音波モータを固定して、駆動力をベルトで伝動する方法が考えられる。この状態はベルトが実施例２の第二歯車１７に、第二歯車２７が実施例２の第三歯車１９に置き換わったのと同じである。すなわち、歯車がベルトに置き換わることは本発明の本質的な違いではない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
非磁性の要求仕様から超音波モータ使わざるを得ないマニピュレータに利用することで、このような非磁性を維持しながら、速度制御と軌跡追従性を改善することができる。ＭＲＩ内で外科手術を支援するＭＲＩ対応マスタ・スレーブマニピュレータに利用すれば、従来と比べて滑らかに操作者の動きを再現できる。同様にＭＲＩ内で穿刺切開を行なうマニピュレータに利用すれば、精密で滑らかな軌跡を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明請求項２に係る差動歯車による超音波モータの伝動装置が、笠歯車により構成された実施例を説明する図である。各構成要素が組み立てられる前の状態と組み立てられた後の状態を示している。組立図では主軸以外の要素がカットモデルで示されている。
【図２】本発明請求項２に係る差動歯車による超音波モータの伝動装置が、平歯車により構成された実施例を説明する図である。差動歯車の動きに注目して説明するために超音波モータを省いている。
【図３】本発明請求項１に係る差動歯車による超音波モータの伝動装置が、平歯車により構成された実施例を説明する図である。差動歯車の動きに注目して説明するために超音波モータを省いている。
【符号の説明】
【００４３】
１    第一超音波モータステータ
２    第一超音波モータロータ
３    第一歯車
４    第一軸
５    第二超音波モータステータ
６    第二超音波モータロータ
７    第二歯車
８    第二軸
９    第三歯車
１０  第三軸
１１  留金
１２  出力軸
１５  第一歯車
１６  第一軸
１７  第二歯車
１８  第二軸
１９    第三歯車
２０  第三軸
２２  出力軸
２３  第一歯車
２４  第一軸
２７  第二歯車
２８  第二軸
３２  出力軸
【図１】
2008075783.tif 000003
【図２】
2008075783.tif 000004
【図３】
2008075783.tif 000005