(57)【要約】【課題】高トルクの出力が可能であるモータ装置及びロボット装置を提供することができる。【解決手段】回転可能に設けられた回転子と、当該回転子の軸周りに捩れ振動を発生させる駆動用振動部と、回転子の回転軸方向に当該回転子を挟む位置に設けられ、回転軸方向に振動して回転子と駆動用振動部との回転力伝達状態及び回転力伝達状態解除を切り替える一対の伝達用振動部と、駆動用振動部による振動が回転子に伝達されるように駆動用振動部の振動及び一対の伝達用振動部の振動を調整する制御部とを備える。【選択図】図１
2012139065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に設けられた回転子と、
前記回転子の軸周りに捩れ振動を発生させる駆動用振動部と、
前記回転子の回転軸方向に当該回転子を挟む位置に設けられ、前記回転軸方向に振動して前記回転子と前記駆動用振動部との回転力伝達状態及び回転力伝達状態解除を切り替える一対の伝達用振動部と、
前記駆動用振動部による振動が前記回転子に伝達されるように前記駆動用振動部の振動及び前記一対の伝達用振動部の振動を調整する制御部と
を備えるモータ装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記一対の伝達用振動部を同位相で振動させる
請求項１に記載のモータ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記駆動用振動部と前記一対の伝達用振動部とを互いに９０°位相をずらして振動させる
請求項１又は請求項２に記載のモータ装置。
【請求項４】
前記回転子、前記駆動用振動部及び前記一対の伝達用振動部は、前記回転軸方向に一列に並んで配置されており、
前記一対の伝達用振動部は、前記回転子に対して前記駆動用振動部側に配置された第一伝達用振動部と、前記回転子に対して前記第一伝達用振動部とは反対側に配置された第二伝達用振動部と、を有する
請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のモータ装置。
【請求項５】
前記第一伝達用振動部は、前記駆動用振動部と一体的に設けられている
請求項４に記載のモータ装置。
【請求項６】
前記第二伝達用振動部は、前記回転子と一体的に設けられている
請求項４又は請求項５に記載のモータ装置。
【請求項７】
前記第二伝達用振動部を前記回転子側に押圧する押圧機構
を備える請求項６に記載のモータ装置。
【請求項８】
前記回転子と前記第一伝達用振動部との間に設けられ、前記回転子側の面に摩擦面が形成された第一介挿部材
を備える請求項４から請求項７のうちいずれか一項に記載のモータ装置。
【請求項９】
前記第一介挿部材は、前記第一伝達用振動部と一体的に設けられている
請求項８に記載のモータ装置。
【請求項１０】
前記回転子と前記第二伝達用振動部との間に設けられ、前記回転子側の面に滑り面が形成された第二介挿部材
を備える請求項４から請求項９のうちいずれか一項に記載のモータ装置。
【請求項１１】
前記第二介挿部材は、前記第二伝達用振動部と一体的に設けられている
請求項１０に記載のモータ装置。
【請求項１２】
回転可能に設けられた軸部材と、
前記軸部材を回転させるモータ装置と
を備え、
前記モータ装置として、請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載のモータ装置が用いられている
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項１３】
前記モータ装置の前記回転子に連結され、前記軸部材に対して前記回転子の回転力を伝達する伝達機構
を備える請求項１２に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ装置及びロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超音波モータのようなモータ装置として、縦振動モードと捩り振動モードとを組み合わせた複合振動型の超音波モータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このモータ装置においては、動力源用振動子（捩れ振動子）と動力伝達用振動子（縦振動子）を持つ固定子と、回転出力を取り出す回転子とが摩擦面を介して接触する構成となっている。
【０００３】
モータ装置の出力トルクを大きくするためには、摩擦力を大きくする必要があり、できるだけ摩擦係数の大きな材料を摩擦面に用いることが好ましい。一方で、摩擦係数が大きい材料は、磨耗も大きく、モータの寿命が短くなるという問題がある。そこで、摩擦面を加圧するばね力を大きくすることによって大トルク化を達成する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２０２３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、摩擦力を断続的に発生させるためには、回転子の重量と縦振動加速度の積で決まる慣性力が、ばねによる加圧力を上回る必要がある。このような条件を満たすには、縦振動子を大きくし、かつ回転子を重くする必要があるため、モータ全体が大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
上記のような事情に鑑み、本発明は、高トルクの出力が可能であるモータ装置及びロボット装置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】
本発明の第一の態様に従えば、回転可能に設けられた回転子と、当該回転子の軸周りに捩れ振動を発生させる駆動用振動部と、回転子の回転軸方向に当該回転子を挟む位置に設けられ、回転軸方向に振動して回転子と駆動用振動部との回転力伝達状態及び回転力伝達状態解除を切り替える一対の伝達用振動部と、駆動用振動部による振動が回転子に伝達されるように駆動用振動部の振動及び一対の伝達用振動部の振動を調整する制御部とを備えるモータ装置が提供される。
【０００８】
本発明の第二の態様に従えば、回転可能に設けられた軸部材と、当該軸部材を回転させるモータ装置とを備え、当該モータ装置として、本発明の第一の態様に従うモータ装置が用いられていることを特徴とするロボット装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様によれば、高トルクの出力が可能であるモータ装置及びロボット装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一実施形態に係るモータ装置の構成を示す斜視図。
【図２】本実施形態に係る駆動用振動部及び伝達用振動部の振動の様子を示す図。
【図３】本発明の第二実施形態に係るモータ装置の構成を示す斜視図。
【図４】本発明の第三実施形態に係るロボット装置の一部の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係るモータ装置の第１実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。本実施形態では、モータ装置の回転軸方向（及び当該回転軸方向に平行な方向）をＺ軸方向とし、当該Ｚ軸方向に直交する水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。また、モータ装置の回転方向、すなわち、Ｚ軸まわりの回転方向をθＺ方向とする。
【００１２】
図１は、本実施形態に係るモータ装置１の構成を示す斜視図である。  
図１に示すように、モータ装置１は、回転子２、駆動用振動部３、伝達用振動部４、保持部５及び制御部ＣＯＮＴを有している。モータ装置１は、保持部５により、回転子２、駆動用振動部３及び伝達用振動部４がＺ方向に一列に並んだ状態で保持されている。回転子２、駆動用振動部３及び伝達用振動部４は、それぞれ外形が円筒状に形成されている。
【００１３】
回転子２は、モータ装置１のＺ方向のほぼ中央に配置されており、平面視で円環状に形成されている。駆動用振動部３は、一つ又は複数（例、積層）の捩り振動用素子３１を有している。駆動用振動部３は、捩り振動用素子３１が回転子２の軸周り方向に振動するように形成されている。捩り振動用素子３１としては、電圧を印加することによって振動する電気機械変換素子（例、ピエゾなどの圧電素子等）が用いられている。例えば、捩り振動用素子３１は、すべりモードの圧電素子が用いられている。また、例えば、駆動用振動部３は、このすべりモードの捩り振動用素子３１をＺ方向に積層させた振動素子（振動部）を有している。
【００１４】
伝達用振動部４は、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂを有している。第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂは、回転子２をＺ方向に挟む位置に配置されている。例えば、図１に示すように、第一伝達用振動部４Ａが回転子２の−Ｚ側に配置されており、第二伝達用振動部４Ｂが回転子２の＋Ｚ側に配置されている。
【００１５】
第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂは、それぞれ一つ又は複数（例、積層）の縦振動用素子４１を有している。このような縦振動用素子４１としては、電圧を印加することによって振動する電気機械変換素子が用いられている。縦振動用素子４１は、回転子２の回転軸方向（Ｚ方向）に振動するように形成されている。
【００１６】
第一伝達用振動部４Ａの−Ｚ側の面は、例えば不図示の接着剤などを介して駆動用振動部３の＋Ｚ側の面（振動面３ａ）に接着されている。また、第一伝達用振動部４Ａの＋Ｚ側の面は、例えば不図示の接着剤などを介して摩擦板（第一介挿部材）６に接着されている。したがって、第一伝達用振動部４Ａは、駆動用振動部３及び摩擦板６と一体的に形成されている。摩擦板６は、円筒状に形成されており、回転子２の−Ｚ側の面（接触面２ａ）に当接する摩擦面６ａを有している。
【００１７】
第二伝達用振動部４Ｂの−Ｚ側の面は、例えば不図示の接着剤などを介して回転子２の＋Ｚ側の面に接着されている。したがって、本実施形態における第二伝達用振動部４Ｂは、回転子２と一体的に形成されている。
【００１８】
保持部５は、外形がボルト状に形成されている。保持部５は、ヘッド部５１、軸部５２及び押圧部（押圧機構）５３を有している。ヘッド部５１は、回転子２を＋Ｚ側から支持する。軸部５２は、ヘッド部５１と一体的に設けられている。軸部５２は、ヘッド部５１から−Ｚ側に第二伝達用振動部４Ｂ、回転子２、摩擦板６及び第一伝達用振動部４Ａを貫通するように伸びている。軸部５２の−Ｚ側の端部は、不図示の接着剤などを介して駆動用振動部３に接着されている。したがって、駆動用振動部３は、保持部５と一体的に設けられている。
【００１９】
押圧部５３は、ヘッド部５１と第二伝達用振動部４Ｂとの間に配置されている。押圧部５３は、ヘッド部５１から第二伝達用振動部４Ｂ及び回転子２へ−Ｚ方向の力を加える。押圧部５３によって第二伝達用振動部４Ｂ及び回転子２を−Ｚ側へ押圧することで、接触面２ａと、摩擦板６の摩擦面６ａとの間で生じる摩擦力が高められるようになっている。
【００２０】
制御部ＣＯＮＴは、駆動用振動部３及び伝達用振動部４に電気的に接続されている。図１には、制御部ＣＯＮＴと第二伝達用振動部４との間を電気的に接続する接続配線７が示されている。このような接続配線は、図示を省略するが、第一伝達用振動部４Ａ及び駆動用振動部３に対しても設けられている。
【００２１】
制御部ＣＯＮＴは、駆動用振動部３、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂに対して電気信号を供給し、各々の振動を制御する。制御部ＣＯＮＴは、駆動用振動部３、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂの変位による振動がθＺ方向の回転運動として回転子２に伝達されるように駆動用振動部３、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂを制御する。
【００２２】
図２は、制御部ＣＯＮＴによって駆動用振動部３、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂに供給される電気信号を示すグラフである。図２（ａ）は駆動用振動部３についてのグラフであり、図２（ｂ）は第一伝達用振動部４Ａについてのグラフであり、図２（ｃ）は第二伝達用振動部４Ｂについてのグラフである。各グラフの縦軸は電気信号の電圧の大きさを示しており、横軸は時刻を示している。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、駆動用振動部３は、電圧の値を大きくするほど振動面３ａが図１の＋Ｚ側から見て反時計回りに移動し、電圧の値を小さくするほど振動面３ａが図１の＋Ｚ側から見て時計回りに移動する。振動面３ａの移動は、第一伝達用振動部４Ａ及び摩擦板６を介して摩擦面６ａに伝達される。摩擦面６ａは、振動面３ａの移動に応じて図１の＋Ｚ側から見た反時計回りの方向、時計回りの方向にそれぞれ移動する。
【００２４】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂは、電圧の値を大きくするほどＺ方向に伸長し、電圧の値を小さくするほどＺ方向に収縮する。第一伝達用振動部４Ａを伸長させることで当該第一伝達用振動部４Ａに接着された摩擦面６ａを＋Ｚ側へ移動させ、第一伝達用振動部４Ａを収縮させることで摩擦面６ａを−Ｚ側へ移動させる。
【００２５】
また、第二伝達用振動部４Ｂを伸長させることで当該第二伝達用振動部４Ｂに接着された回転子２の接触面２ａを−Ｚ側へ移動させ、第二伝達用振動部４Ｂを収縮させることで接触面２ａを＋Ｚ側へ移動させる。第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂが伸長した状態において、接触面２ａと摩擦面６ａとが接触するようになっている。接触面２ａと摩擦面６ａとが接触することで、回転子２と駆動用振動部３とが回転力伝達状態となり、駆動用振動部３の振動が回転子２に伝達可能な状態となる。なお、接触面２ａと摩擦面６ａとが接触して押圧状態となることで、回転子２と駆動用振動部３とが回転力伝達状態となり、駆動用振動部３の振動が回転子２に伝達可能な状態となる構成にしてもよい。
【００２６】
また、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂが収縮した状態において、接触面２ａと摩擦面６ａとが離れるようになっている。接触面２ａと摩擦面６ａとが離れることで、回転子２と駆動用振動部３との回転力伝達状態が解除され、駆動用振動部３の振動が回転子２に伝達されない状態となる。なお、接触面２ａと摩擦面６ａとの押圧状態が解除されることで、回転子２と駆動用振動部３との回転力伝達状態が解除され、駆動用振動部３の振動が回転子２に伝達されない状態となる構成としてもよい。
【００２７】
図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本実施形態では、制御部ＣＯＮＴにより、第一伝達用振動部４Ａと第二伝達用振動部４Ｂとが同位相で伸長、収縮を行うように制御されている。これにより、接触面２ａを−Ｚ方向に移動させる力と、摩擦面６ａを＋Ｚ方向に移動させる力とが同時に働くことになる。したがって、接触面２ａ及び摩擦面６ａに働く垂直抗力が大きくなるため、接触面２ａ及び摩擦面６ａの摩擦係数の大きさや押圧部５３の押圧力の大きさなどによらず、接触面２ａと摩擦面６ａとの間の摩擦力が大きくなる。
【００２８】
また、図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、本実施形態では、制御部ＣＯＮＴにより、駆動用振動部３の位相と、第一伝達用振動部４Ａ及び第二伝達用振動部４Ｂの位相とが９０°（π／２）ずれるように制御されている。これにより、駆動用振動部３の振動面３ａが最も反時計回り側に進んだ位置から最も時計回りに進んだ位置に移動するまでの、大きな移動距離を有する振動が回転子２に伝達されることになる。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、回転可能に設けられた回転子２と、当該回転子２の軸周りに捩れ振動を発生させる駆動用振動部３と、回転子２の回転軸方向に当該回転子２を挟む位置に設けられ、回転軸方向に振動して回転子２と駆動用振動部３との回転力伝達状態及び回転力伝達状態解除を切り替える一対の伝達用振動部４と、駆動用振動部３による振動が回転子に伝達されるように駆動用振動部３の振動及び一対の伝達用振動部４の振動を調整する制御部ＣＯＮＴとを備えることとしたので、接触面２ａ及び摩擦面６ａの摩擦係数の大きさや押圧部５３の押圧力の大きさなどによらず、接触面２ａと摩擦面６ａとの間の摩擦力を大きくすることができる。このため、回転子２を大型化しなくても、回転子２と駆動用振動部３との間に断続的に大きな摩擦力を発生させることができる。これにより、高トルクの出力が可能である小型のモータ装置１が提供される。
【００３０】
［第二実施形態］  
次に、本発明の第二実施形態を説明する。  
図３は、本実施形態に係るモータ装置１００の構成を示す斜視図である。  
図３に示すように、本実施形態では、第二伝達用振動部４Ｂと回転子２とが分離された構成となっている。また、第二伝達用振動部４Ｂと回転子２との間には滑り板（第二介挿部材）８が設けられている。滑り板８は、第二伝達用振動部４Ｂと一体的に設けられている。滑り板８の−Ｚ側の面（滑り面）８ａは、摩擦係数が極めて小さくなるように形成されている。
【００３１】
第一伝達用振動部４Ａと第二伝達用振動部４Ｂとが伸長した状態においては、摩擦板６の摩擦面６ａが回転子２の−Ｚ側の接触面２ａと接触すると共に、滑り板８の滑り面８ａが回転子２の＋Ｚ側の接触面２ｂに接触する。この場合において、滑り面８ａと接触面２ａとの間にほとんど摩擦力を発生させずに第二伝達用振動部４Ｂによる伸長力を回転子２に作用させることが可能となり、回転子２は−Ｚ側の接触面２ａと摩擦板６の摩擦面６ａとの間の摩擦力によって回転することになる。以上のように、本実施形態によれば、上記の第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
［第３実施形態］  
次に、本発明の第３実施形態を説明する。  
図４は、一例として第１実施形態に記載のモータ装置１を備えるロボット装置ＲＢＴの一部（ハンドロボットの指部分の先端）の構成を示す図である。
【００３３】
同図に示すように、ロボット装置ＲＢＴは、末節部１０１、中節部１０２及び関節部１０３を有しており、末節部１０１と中節部１０２とが関節部１０３を介して接続された構成になっている。関節部１０３には軸支持部１０３ａ及び軸部１０３ｂが設けられている。軸支持部１０３ａは中節部１０２に固定されている。軸部１０３ｂは、軸支持部１０３ａによって固定された状態で支持されている。
【００３４】
末節部１０１は、接続部１０１ａ及び歯車１０１ｂを有している。接続部１０１ａには、関節部１０３の軸部１０３ｂが貫通した状態になっており、当該軸部１０３ｂを回転軸として末節部１０１が回転可能になっている。この歯車１０１ｂは、接続部１０１ａに固定されたベベルギアである。接続部１０１ａは、歯車１０１ｂと一体的に回転するようになっている。
【００３５】
中節部１０２は、筐体１０２ａ及びモータ装置ＡＣＴを有している。モータ装置ＡＣＴは、上記実施形態に記載のモータ装置１又は１００を用いることができる。モータ装置ＡＣＴは、筐体１０２ａ内に設けられている。モータ装置ＡＣＴには、回転軸部材１０４ａが取り付けられている。回転軸部材１０４ａの先端には、歯車１０４ｂが設けられている。この歯車１０４ｂは、回転軸部材１０４ａに固定されたベベルギアである。歯車１０４ｂは、上記の歯車１０１ｂとの間で噛み合った状態になっている。なお、回転軸部材１０４ａに直接ギアが形成された構成であっても構わない。
【００３６】
上記のように構成されたロボット装置ＲＢＴは、モータ装置ＡＣＴの駆動によって回転軸部材１０４ａが回転し、当該回転軸部材１０４ａと一体的に歯車１０４ｂが回転する。
歯車１０４ｂの回転は、当該歯車１０４ｂと噛み合った歯車１０１ｂに伝達され、歯車１０１ｂが回転する。当該歯車１０１ｂが回転することで接続部１０１ａも回転し、これにより末節部１０１が軸部１０３ｂを中心に回転する。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、低電圧で低速高トルクの回転を出力することができるモータ装置ＡＣＴを搭載することにより、例えば減速器を介することなく直接末節部１０１を回転させることができる。また、本実施形態におけるモータ装置ＡＣＴは、共振に駆動される構成でもよいし、非共振に駆動される構成でもよい。なお、本実施形態では、モータ装置ＡＣＴが非共振に駆動される構成になっているため、樹脂など軽量な材料で大部分を構成することが可能になる。
【００３８】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
例えば、上記実施形態においては、駆動用振動部３として、捩り振動用素子３１を用いた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えば回転子２の回転の接線方向に振動する横効果振動子を周方向に複数配置させる構成としても構わない。
【符号の説明】
【００３９】
ＣＯＮＴ…制御部  ＲＢＴ…ロボット装置  １、１００、ＡＣＴ…モータ装置  ２…回転子  ２ａ…接触面  ２ｂ…接触面  ３…駆動用振動部  ３ａ…振動面  ４…伝達用振動部  ４Ａ…第一伝達用振動部  ４Ｂ…第二伝達用振動部  ５…保持部  ６…摩擦板  ６ａ…摩擦面  ７…接続配線  ８…滑り板  ８ａ…滑り面  ３１…捩り振動用素子  ４１…縦振動用素子  ５１…ヘッド部  ５２…軸部  ５３…押圧部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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