(57)【要約】【課題】超音波モータを用いたアクチュエータにおいて、その超音波モータの電線をアクチュエータが駆動する部材と干渉しない状態で配線できるようにする。【解決手段】超音波モータ１のステータとなる超音波振動子４の圧電素子１１と電極１２をそれぞれ環状に形成し、金属ブロック１３を円筒状に形成するとともに、超音波モータ１のロータとしてクロスローラ軸受５の中空の内輪６を用いて、超音波モータ１を中空構造とし、その中空部２１に臨むように超音波モータ１の電極１２を配し、その電極１２に接続される電線１５を中空部２１に配線することにより、電線１５がアクチュエータに駆動される部材と干渉しないようにしたのである。【選択図】図１
2016174505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と電極と金属ブロックとを一体化した超音波振動子をステータとし、前記金属ブロックと対向するようにロータを配し、前記金属ブロックとロータとの摩擦によって、前記超音波振動子の振動を駆動力としてロータに伝達する超音波モータを用いたアクチュエータにおいて、
前記超音波モータを中空構造として、その中空部に臨むように前記電極を配し、前記電極に接続される電線を前記中空部に配線したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電素子として、環状に形成され、厚みモードの歪と周方向のせん断モードの歪を発生するものを用いたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記超音波振動子は、前記圧電素子および電極をそれぞれ環状に形成するとともに、前記金属ブロックを円筒状に形成して、その金属ブロックの一端部の外周にねじ部を設け、前記電極を介して重ね合わせた圧電素子をナットの内側に配して、前記ナットの両側から金属ブロックの一端部をねじ込むことにより、前記各圧電素子を金属ブロックで挟持したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ナットの径方向外側にモータハウジングを配し、前記ナットの外周部とモータハウジングの内周部を凹凸嵌合させてナットを回り止めしたことを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記ロータとなる内輪を有する軸受を前記超音波振動子の一端に隣接させ、前記軸受の外輪を前記モータハウジングに固定し、前記超音波振動子の他端側の金属ブロックをばねで一端側に押すことにより、一端側の金属ブロックから前記軸受の内輪に駆動力が伝達されるようにしたことを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータを用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の工場では、省人化を図るために、人に代わって製品の組み立て等を行う産業用ロボットの導入が進められてきている。このような産業用ロボットは、複数の関節をそれぞれアクチュエータ（関節駆動装置）で駆動して所定の動作を行わせるようにしたものが多い。
【０００３】
上記のようなアクチュエータの構造としては、小型で高速回転可能な電動モータの回転を減速機で減速することによって高出力が得られるようにするとともに、電源停止時に関節の動作を確実に停止させるための電磁ブレーキを組み込んだものが一般的である。しかし、このように減速機や電磁ブレーキを組み込んだものは、構造が複雑で組み立てに手間がかかるという問題がある。
【０００４】
アクチュエータの構造を簡素化するには、電動モータに代えて、圧電素子と電極と金属ブロックとを一体化した超音波振動子をステータとし、低速回転で高出力が得られる超音波モータ（例えば、特許文献１参照。）を用いることが考えられる。すなわち、単体で高出力が得られる超音波モータを用いれば、通常の電動モータを用いて高出力を得ようとするときに必要となる減速機をなくすことができるし、超音波モータのステータとロータとはばね等で互いに圧着されており、電源が停止するとロータにステータとの摩擦による制動がかかるようになっているので、電磁ブレーキ等のブレーキ機構も不要となる。
【０００５】
なお、特許文献１に記載された超音波モータは、ステータとなる超音波振動子が、厚みモードの歪を発生する環状の縦圧電素子と、周方向のせん断モードの歪を発生する環状のねじり圧電素子とを組み合わせた構造のため、各圧電素子に歪を生じさせるタイミングや各圧電素子の振動数等を調整する必要があり、この調整に手間がかかる。
【０００６】
これに対し、特許文献２には、厚みモードの歪と周方向のせん断モードの歪を発生する環状の圧電素子を用いた超音波振動子が提案されている。この超音波振動子をステータとする超音波モータを用いれば、構造が簡単で調整も容易なアクチュエータを製作することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−１２１７７７号公報
【特許文献２】特開平０６−３１９２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記のような超音波モータを用いたアクチュエータでは、超音波モータの電極（および電極の役割も果たす金属ブロック）の外周部に電線を接続し、その電線をアクチュエータの外部に配線することになるので、多様な動作を行う産業用ロボットの関節部分に組み込むと、電線が邪魔になって関節の動きに制約が生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、超音波モータを用いたアクチュエータにおいて、その超音波モータの電線をアクチュエータが駆動する部材と干渉しない状態で配線できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、圧電素子と電極と金属ブロックとを一体化した超音波振動子をステータとし、前記金属ブロックと対向するようにロータを配し、前記金属ブロックとロータとの摩擦によって、前記超音波振動子の振動を駆動力としてロータに伝達する超音波モータを用いたアクチュエータにおいて、前記超音波モータを中空構造として、その中空部に臨むように前記電極を配し、前記電極に接続される電線を前記中空部に配線した構成とした。このようにすれば、超音波モータの電線がアクチュエータの外部に出てこなくなり、アクチュエータが駆動する部材の動作の邪魔にならなくなる。
【００１１】
ここで、前記圧電素子として、環状に形成され、厚みモードの歪と周方向のせん断モードの歪を発生するものを用いるようにすれば、調整が容易なアクチュエータとすることができる。
【００１２】
また、前記超音波振動子は、前記圧電素子および電極をそれぞれ環状に形成するとともに、前記金属ブロックを円筒状に形成して、その金属ブロックの一端部の外周にねじ部を設け、前記電極を介して重ね合わせた圧電素子をナットの内側に配して、前記ナットの両側から金属ブロックの一端部をねじ込むことにより、前記各圧電素子を金属ブロックで挟持したものを採用することができる。
【００１３】
上記構成の超音波振動子を採用する場合、前記ナットの径方向外側にモータハウジングを配し、前記ナットの外周部とモータハウジングの内周部を凹凸嵌合させてナットを回り止めするようにすれば、超音波振動子が外周側で回り止めされることになるので、各部品のがたの影響が少なくなるし、回り止め部に加わる力を軽減することもできる。そして、前記ロータとなる内輪を有する軸受を前記超音波振動子の一端に隣接させ、前記軸受の外輪を前記モータハウジングに固定し、前記超音波振動子の他端側の金属ブロックをばねで一端側に押すことにより、一端側の金属ブロックから前記軸受の内輪に駆動力が伝達されるようにするとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、上述したように、アクチュエータに用いられる超音波モータを中空構造として、その中空部に臨むように電極を配し、その電極に接続される電線を中空部に配線することにより、電線がアクチュエータに駆動される部材と干渉しないようにしたので、多様な動作を行う産業用ロボットの関節部分等に組み込むのに適したアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態のアクチュエータの縦断正面図
【図２】図１のII−II線に沿った断面図
【図３】第２実施形態のアクチュエータの縦断正面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１および図２は第１の実施形態を示す。このアクチュエータは、産業用ロボットの関節部分に組み込まれるもので、超音波モータ１とその超音波モータ１の回転を制御するための回転検出機構２とからなる。
【００１７】
前記超音波モータ１は、円筒状のモータハウジング３の径方向内側にステータとなる超音波振動子４を設け、超音波振動子４の一端に隣接させたクロスローラ軸受５の内輪６をロータとするもので、モータハウジング３およびクロスローラ軸受５の外輪７と一体化された取付部材８で外部の固定部材（図示省略）に取り付けられるようになっている。そのモータハウジング３内には超音波振動子４を一端側に押す予圧用のコイルばね９も設けられており、このコイルばね９が超音波振動子４を押す力の反力を受ける環状の蓋１０が、モータハウジング３の他端にボルト止めされている。
【００１８】
前記超音波振動子４は、環状に形成された２つの圧電素子１１と、同じく環状に形成された３つの電極１２と、一端部にフランジ部１３ａを有する円筒状に形成された２つの金属ブロック１３と、各金属ブロック１３のフランジ部１３ａの外周に設けられたねじ部とねじ結合するナット１４とからなる。そして、その圧電素子１１と電極１２とを交互に重ね合わせてナット１４の内側に配し、ナット１４の両側から金属ブロック１３の一端部をねじ込んで各圧電素子１１および各電極１２を金属ブロック１３で挟持することにより、超音波振動子４全体が一体化されている。
【００１９】
この超音波振動子４の各圧電素子１１は、それぞれの両側に配されている電極１２から電圧を印加されたときに、厚みモードの歪と周方向のせん断モードの歪を発生するものが用いられている。各電極１２は、それぞれの内周部から径方向内側に突出する端子部１２ａを有し、この端子部１２ａに電線１５が接続されている。金属ブロック１３は、他端側のものがフランジ部１３ａをコイルばね９で押され、一端側のものがクロスローラ軸受５の内輪６に押し付けられている。また、ナット１４は、その外周部に軸方向に延びる突条１４ａが複数設けられており、これらの各突条１４ａがモータハウジング３の内周面に形成された軸方向溝３ａに嵌まり込む凹凸嵌合によってモータハウジング３に回り止めされている。なお、これとは逆に、ナットに設けた凹部とモータハウジングに設けた凸部の凹凸嵌合によってナットの回り止めを行うようにしてもよい。
【００２０】
これにより、超音波モータ１は、超音波振動子４の各圧電素子１１に交番電圧が印加されると、各圧電素子１１が発生する歪によって超音波振動子４が軸方向と周方向に同時に振動して、一端側の金属ブロック１３が内輪６と接離するようになり、その金属ブロック１３とクロスローラ軸受５の内輪６とが接触するときの摩擦によって、超音波振動子４の周方向振動の一方向の成分が駆動力として内輪６に伝達されるようになっている。
【００２１】
前記クロスローラ軸受５は、中空の内輪６と外輪７との間に複数のローラ１６を周方向で隣り合うものどうしが互いに直交するように配したもので、その内輪６が円筒状の出力部材１７と一体回転するようにボルト結合され、外輪７がモータハウジング３および取付部材８とボルト結合されている。これにより、アクチュエータ全体のスラスト力に対する剛性が大きくなり、回転伝達動作の安定性が高くなっている。
【００２２】
そして、クロスローラ軸受５の外輪７と出力部材１７との間に前記回転検出機構２が設けられている。この回転検出機構２は、出力部材１７の一端のフランジ部１７ａに取り付けられたエンコーダ１８と、エンコーダ１８に対向するようにクロスローラ軸受５の外輪７の外側面に取り付けられた回転センサ１９および電子基板２０とからなる。この回転検出機構２で出力部材１７の回転数を検出して、出力部材１７の回転数が目標回転数となるように超音波モータ１の駆動回転数を制御することにより、アクチュエータが関節を精度よく駆動できるようになる。
【００２３】
このアクチュエータは、上記の構成であり、超音波モータ１のステータとなる超音波振動子４の圧電素子１１と電極１２をそれぞれ環状に形成し、金属ブロック１３を円筒状に形成するとともに、超音波モータ１のロータとしてクロスローラ軸受５の中空の内輪６を用いることにより、超音波モータ１を中空構造としている。そして、その中空部２１に臨むように超音波モータ１の電極１２を配し、その電極１２に接続される電線１５が中空部２１に配線されるようにしたので、電線１５がアクチュエータに駆動される関節と干渉するおそれがない。したがって、従来の超音波モータを用いたものよりも、多様な動作を行う産業用ロボットの関節部分に組み込むのに適している。
【００２４】
また、超音波モータ１の超音波振動子４のナット１４をその径方向外側に配したモータハウジング３で回り止めするようにしたので、各部品のがたの影響が少なく、その回り止め部に加わる力も抑えられる。さらに、超音波モータ１は、超音波振動子４の金属ブロック１３がモータハウジング３に直接取り付けられておらず、アクチュエータの外形が組込位置等によって変わっても同じ形状の金属ブロック１３を使用することができるので、設計しやすいという利点もある。
【００２５】
図３は第２の実施形態を示す。上記の第１実施形態では、超音波振動子４に予圧を与えるコイルばね９は、コイルばね９の外周とナット１４の内周との間に挿入される筒状のばねカバー２２の蓋部を介して、他端側の金属ブロック１３のフランジ部１３ａを押すようになっているが（図１参照）、第２実施形態のコイルばね９は、その一端部に被せられるばねキャップ２３の蓋部を介して、ナット１４の他端面を押すようになっている。第２実施形態のその他の部分の構成は第１実施形態と同じである。
【００２６】
なお、上述した各実施形態では、超音波振動子の圧電素子として、厚みモードの歪と周方向のせん断モードの歪を同時に発生するものを２つ用いたが、その圧電素子の数は１つまたは３つ以上としてもよい。また、各実施形態の２つの圧電素子に代えて、厚みモードの歪を発生する縦圧電素子と周方向のせん断モードの歪を発生するねじり圧電素子をそれぞれ１つ以上用いるようにしてもよい。さらに、各実施形態の３つの電極のうち、両側の２つをなくし、各金属ブロックを電極の役割も果たすものとして、その内周側に電線を接続するようにすることもできる。
【００２７】
また、本発明は、上述した各実施形態のように産業用ロボットの関節部分に組み込まれるアクチュエータに限らず、多様な動作を行う部材を駆動するアクチュエータに有効に適用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  超音波モータ
２  回転検出機構
３  モータハウジング
４  超音波振動子
５  クロスローラ軸受
６  内輪
７  外輪
８  取付部材
９  コイルばね
１１  圧電素子
１２  電極
１３  金属ブロック
１４  ナット
１５  電線
１７  出力部材
２１  中空部
【図１】
2016174505.tif 000003
【図２】
2016174505.tif 000004
【図３】
2016174505.tif 000005