(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体が磁化されている球状磁石をロータとし、該ロータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所に配されたステータを、該ステータに発生させた進行波によって前記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束し一体化させてなる超音波モータであって、前記ステータの中心部に、該球状磁石の磁界状態を検出する磁界検出手段を配してなることを特徴とする球面超音波モータ。
【請求項２】
前記ステータが弾性体を介して枠体に拘束されている、請求項１に記載された球面超音波モータ。
【請求項３】
磁界検出手段がホール素子である請求項１又は２に記載された球面超音波モータ。
【請求項４】
１つのステータ中に、径の異なる円環状の圧電素子が２以上配されている、請求項１〜３の何れかに記載された球面超音波モータ。
【請求項５】
球状磁石が、フェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性材料の均一混合物からなる磁化球である、請求項１〜４の何れかに記載された球面超音波モータ。
【請求項６】
非磁性材料がプラスチック材料である、請求項５に記載された球面超音波モータ。
【請求項７】
前記球状磁石の磁化の対称性が崩れている、請求項１〜６の何れかに記載された球面超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来になく高い動作自由度を確保することのできる球面超音波モータに関し、特に、ロボットの関節部分の駆動源や視覚センサの向きを変える駆動源等として好適な、磁化球を用いた球面超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高度な制御部や各種センサを搭載したロボット製品が開発され、家庭用ロボットの時代が予感されるに至った。しかしながら、多くの関節に多自由度を必要とする人型ロボットにおける、手、足、その他の関節部、眼球部などに搭載するアクチュエータの出力と自由度は未だ不十分である。特に、従来から使用されている電磁モータは小型化すればする程、単位体積当たりの出力換算が需要を満たさなくなる。
【０００３】
そこで近年は、電磁モータの代りに超音波アクチュエータを使用することが提案されている。特に圧電現象を駆動源とした直接駆動型アクチュエータである進行波型超音波モータは、磁界の影響を受けない上、摩擦駆動である為に慣性負荷を直接駆動することができる。また、電力停止時にその摩擦によって、高い保持トルクを発生することが出来る上、低速時のトルクが高く簡単な構造でトルク密度が高いという特徴がある。従って、進行波型超音波モータは、単位体積当たりの出力換算では電磁モータを上回る上、理論的な位置分析能は無限大であるという利点がある。そして、ロボットアームの高精度位置決めなどには、上記保持トルク、分解能、出力密度は重要なパラメータである。
【０００４】
実際、本発明者等が開発した進行波型超音波モータである多自由度球面超音波モータは、単体で３自由度駆動が可能であり、超音波モータとしての動力特性を維持したまま、直接駆動方式で球体駆動操作を行うことが出来るので、人型ロボットの関節部のアクチュエータ等として好適である。そこで近年、球状ロータの球面に磁石（又は電磁石）を埋め込み、ホール素子を用いて磁力を検出することにより位置決めする、球面超音波アクチュエータが積極的に開発されている（例えば、特開平６−２１０５８５号、同７−８０７９３号、同７−０８７７６４号、同７−０８７７６６号、同８−０８８９８７号、同８−１３２３８２号、同９−２３８４８５号各公報）。しかしながら、これらの場合には、何れかの方法でホール素子を球中心に配する必要があるため、支柱を立てるなどする必要があり、球の可動範囲を小さくするという欠点があった。このような欠点を解決する為に、球の外表面近傍にホール素子を配した場合には、必要とされるホール素子の数が多くなる為に位置決めの計算が複雑となり、位置決め精度が落ちるという欠点があった。
【０００５】
一方、球状磁石の磁界をホール素子を用いて検出し、球の回転を測定することが出来ることは知られている（例えば、川北和明等、「玉軸受けの玉の運動検出に与える玉の磁化方法の影響」、トライボロジー会議予稿集、（１９９８）、川北和明等、「玉軸受けにおける玉の自転角速度の三次元ベクトル成分の解析」、潤滑第３１巻第５号、（１９８６）、今戸啓二等、「ホール素子による玉軸受の玉の運動計測法に関する誤差の検討」、日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻、６３４号、１９９９−６、今戸啓二等、「ホール素子による玉軸受の玉の運動測定法に関する一考察」。日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻、６１２号、１９９７−８）。
【０００６】
本発明者等は、球状磁石をロータとし、中心部にホール素子を有するステータを３箇以上使用して前記球状ロータを支持した場合には、球の可動範囲を限定することがない上、少ない数のホール素子で十分に位置検出を行うことのできる球面超音波モータとなること、及び、球状磁石の材質として、フェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体との均一混合物を用いた場合には、外部から磁性体が接近した場合の影響が少なくなる上球状磁石の磁束密度も高くすることができるので、更に高性能な球面超音波モータとすることが出来ることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、従来になく高い動作自由度を有し、ロボットの関節部等の駆動装置として好適な球面超音波モータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、全体が磁化されている球状磁石をロータとし、該ロータを安定に支持する如く少なくとも３ヶ所に配されたステータを、該ステータに発生させた進行波によって前記ロータを回転させ得る如く枠体内に拘束し一体化させてなる超音波モータであって、前記ステータの中心部に、該球状磁石の磁界状態を検出する磁界検出手段を配してなることを特徴とする球面超音波モータによって達成された。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて説明する。図１は、本発明で使用する球状磁石における磁界イメージ図である。本図の場合には球面と対応する一様な磁界が示されているが、この球体に適宜穴を設けたり、後述するような金属以外の素材を用いる場合には、その素材の構成を場所によって変えることにより、一様でない磁界を発生させても良い。尚、本発明における球状磁石は真球であることが好ましいが、極端でない限り楕円形状であっても良い。
【００１０】
本発明においては、球状磁石からなるロータを複数のステータで保持し、該ステータを枠体内に拘束することによって一体化した超音波モータとする。球状ロータをステータで保持する手段、及び、該ステータを枠体に拘束する手段は公知の手段の中から適宜選択して用いることが出来るが、本発明においては、特にステータを、バネその他の弾性体を介して枠体に拘束することが、ステータの首振り運動を簡単な機構で可能とし、ステータとロータの密着を常に確保する上から好ましい。
本発明において、ステータを、弾性体を介して枠体内に拘束するに際しては、弾性体を枠体内にボルト等の固着手段によって枠体に固定する方法の他に、弾性体同士の距離が一定になるように結合し、ステータに球状ロータを保持させた全体を形状が不変の枠体に収納したり、枠体に設けた凹凸によって弾性体の位置を固定することにより、上記したボルト等による固定を不要とすることも可能である。
【００１１】
また、磁界検出手段に関しては、枠体に、先端が球体表面に近接するアームを設け、該アームの先端に公知の磁界検 出手段を配することも出来るが、前記した如く、ステータと枠体の間には弾性体等が介在するので、枠体と球体の距離は一定とはならない。従って本発明においては、球体との距離が常に一定となるステータの中心部に前記磁界検出手段を配する。これによって、磁界の強さのみならず、その状態を正確に検出することができるので、球状磁石の位置決めの為の情報を得ることが出来る。
【００１２】
本発明においては、非接触、小型、軽量且つ高感度である上安価であるという観点から、上記磁界検出手段としてホール素子を使用することが好ましい。前記したように、磁気検出手段はステータの中心に埋め込む。
【００１３】
本発明における球体運動の三次元測定原理は以下の通りである。先ず、球状磁石とホール素子との位置関係、磁極位置へのパラメータを図２のように設定する。即ち、球状磁石の中心を原点とする絶対座標を考え、その各軸上に、球中心から一定の距離にホール素子を設置する。球状磁石が回転すると磁界も球と共に回転するので、各軸上のホール素子を通過する磁束も変化する。従って、各軸上の現磁束の方向を出力電圧から得ることが出来る。
【００１４】
磁束の計測は直交座標系の軸上で行われるので、各軸上のホール素子による検出結果は、下記のようになる。
ＶｘＨ＝Ｖｘ０ｃｏｓα
ＶｙＨ＝Ｖｙ０ｃｏｓβ
ＶｚＨ＝Ｖｚ０ｃｏｓγ
ここで、α、β、γは夫々磁界と各軸の座標軸とのなす角であり、Ｖｘ０、Ｖｙ０、Ｖｚ０は最大出力電圧である。これらの角度を用いることによって、球体の磁極位置ベクトル（ここではＮ極の位置ベクトル）は、ｒを球の半径として、次式で与えられる。
0004155546.tif 000002
ここでｉ、ｊ、ｋはｘＨ、ｙＨ、ｚＨ軸方向の単位ベクトルである。以上の原理により、球体の三次元運動を検出することが出来る。
【００１５】
本発明で使用する球状磁石の材質は、磁化が可能である限り特に限定されるものではないが、特にフェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体の均一混合物が好ましい。フェリ磁性体や強磁性体の含有量は適宜設定することが出来る。非磁性材料としては特にプラスチックが好ましく、中でもナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。このような素材は、金属材料に比べて加工が容易であるだけでなく、金属よりも大きな磁束密度を持たせることができ、また軽量でもある。
更に、一様に磁化された磁化球を得ることが出来るだけでなく、非磁性体の含有率の異なる複数の混合物を用いることによって、球体の磁束密度分布を適宜設計することも容易である。
【００１６】
また、均一な材質の球体であっても、適宜穴をあけることにより、磁化球としての磁化の対称性を崩すことが出来る。このようにすることの利点は、磁化の対称性が良過ぎる為に球体が回転してもホール素子によって測定される磁界の強さや状態に変化が生じないことがあり、その為に事実上球体の位置決めが出来なくなるという場合が発生することを防止することが出来る点である。磁束密度分布の対称性を崩すことにより前記した三次元測定原理を利用することが出来なくなるが、磁界（磁束密度分布）と球の位置（角度）を予め導出したり、コンピュータに記憶させるなどすることにより関係付けることにより、三次元測定が可能となる。
【００１７】
球体の磁化は、該球体を磁化用コイルの中心に置き、２本の鉄芯によってこれを挟み、コイルに電流を流すことによって行うことが出来る。この場合の鉄芯と球体の接触状態によって、点接触磁化法、面接触磁化法、及び非接触磁化法に分類することが出来る。点接触磁化法の場合には接触部に磁束が集中するので球体の中心軸付近が強く磁化されるが、その他の場合には一様に磁化される。
【００１８】
本発明で使用するステータは、前記球状磁石表面との接触が緊密であり圧電体によって誘起される進行波のエネルギーがロータに効率良く伝達される限り、その形状は問われない。球体が回転しても上記進行波エネルギーの伝達効率が低下しないことが好ましい。従って、球体は真球性が高い程良い。但し、ステータのロータとの接触面については、櫛歯状等、適宜エネルギー伝達効率を向上させられるように調整することが出来る。また、ステータの形状は通常円板状であるが、貼着する圧電体は円環状であることが好ましい。この場合、円環の半径が大きくなる程駆動し易くなるものの、実際に関節部分等に使用した場合には、関節の動き得る自由度を制限することになるので、モータとしての要求性能に合わせてステータの大きさを適宜設計する必要がある。
【００１９】
必要に応じて、１つのステータ中に、径の異なる円環状の圧電体を２以上配しても良い。この場合には、各ステータの進行波が協同して球体の回転に寄与するように同期を取ったり、同期をずらしてブレーキをかけたりする必要があることは当然である。尚、ステータ裏面の圧電素子やその貼着方法、電圧印加の為の配線等は、公知の如く行えば良い。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の球面超音波モータにおいては、ロータである球体がステータのみによって安定に支持され支柱等を必要としないので、ロータの回転自由度が従来の球面超音波モータに比較して各段に改善される。また、磁気検出手段をステータの中心に搭載させるので小型化も容易である。更に、磁化球としてフェリ磁性体及び／又は強磁性体と非磁性体との均一混合物を用いることにより、外部磁性体の影響を著しく低減することが出来る等、超音波モータとしての性能を更に改善する事が出来る。
以下、本発明を実施例によって更に詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２１】
【実施例】
実施例１．
図４は、４個のステータによって球状磁石であるロータ（球体ロータ）が保持されている場合の本発明の球面超音波モータの図である。この球面超音波モータは球体ロータを３自由度に駆動する事が出来る３自由度型の球面超音波モータである。縁端部が櫛歯状となっているステータは図５に示されており、ステータの中心部にはホール素子が配されている。
【００２２】
球面超音波モータの全体は、ＪＩＳ規格Ｃ３２０６系の快削黄銅を用いた。但し、球体ロータはフェライト−ナイロン６混合材（フェライト：ナイロン６の重量比は７：３）を用い、皿バネにはＪＩＳ規格ＳＵＳ４２０Ｊ２を用いた。球体の保持はステータのみにより、球体保持の為のアングル等は全く使用されていない。また、ステータは板弾性体によって枠体に取付けられており、全体が一体化されているので、ステータは枠体に対して首振り運動することが可能である。従って、枠体とロータの間の距離は一定ではないが、ホール素子はステータ自身に埋め込まれているので、ホール素子と磁化球との距離が変わることはない。しかしながら、これによって、前記【００１２】の前提が崩れるので、新たな方法として、ホール素子を取りつけた位置、及び、ホール素子からの出力電圧と磁極位置の内積を用い、４個のホール素子によって球状磁石の磁極位置を導出する。
【００２３】
上記のようにして導出した磁極位置は球体の姿勢であるから、これをコンピュータによって制御することにより、三次元動作をさせることが出来る。その為のシステム図は図６に示した通りである。三次元動作としては関節の動作のみならず、眼球の動作等もある。
【００２４】
実施例２．
夫々、直径４５ｍｍのベアリング球（鋼球）とフェライト−ナイロン６（重量比：７／３）の混合球を磁化し、得られた各磁化球について評価した。評価は、図７の如く、各磁化球の磁極におけるホール素子の出力を測定すると共に、直径４７ｍｍで長さ６０ｍｍの円柱、及び、直系３０ｍｍの球の２種類の磁性体（鋼）を各磁化球に接近させた時のホール素子の出力を測定する（図８）ことによって行った。
結果は、下記表１及び表２に示した通りである。
【表１】
0004155546.tif 000003
【表２】
0004155546.tif 000004
【００２５】
表１、２より、共通して次のようなことが言える。
（１）同一条件で磁化を行った場合、ベアリング球とフェライト−ナイロン６混合球とでは、フェライト−ナイロン６混合球の方が約４倍の磁束密度の磁石となる。
（２）外乱として磁性体を近づけた場合、ホール素子の出力変動は、フェライト−ナイロン６混合球の方が遥かに小さく、位置（角度）検出時に外乱に対しての誤差が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状磁石における磁界イメージ図である。
【図２】着磁したロータの磁極位置のパラメータを示す図である。
【図３】ステータの形状の例を示す図である。
【図４】本発明の球面超音波モータの外観の１例である。
【図５】図４の球面超音波モータに使用しているステータの内側を示す図である。
【図６】本発明の球面超音波モータをコンピュータ制御する時のシステム図である。
【図７】磁化球の評価の為のホール素子による測定位置を示す概念図である。
【図８】磁化球に磁性体を近づけた場合の影響をホール素子を用いて評価する時の、夫々の相対位置を表す概念図である。
【図１】
0004155546.tif 000005
【図２】
0004155546.tif 000006
【図３】
0004155546.tif 000007
【図４】
0004155546.tif 000008
【図５】
0004155546.tif 000009
【図６】
0004155546.tif 000010
【図７】
0004155546.tif 000011
【図８】
0004155546.tif 000012