JP2021114867A - 圧電モーター、およびロボット - Google Patents

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Takehiro Okamae
雄大 岡前
友寿 岩▲崎▼
Tomohisa Iwasaki
友寿 岩▲崎▼
豊 荒川
Yutaka Arakawa
豊 荒川
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Abstract

【課題】不要な振動を抑制し、振動体の駆動力低下を防ぐことが可能な圧電モーターおよびロボットを提供する。【解決手段】圧電モーター100は、圧電アクチュエーター30と、圧電アクチュエーター30を保持する保持部材36と、圧電アクチュエーター30および保持部材36が内部に配置された筐体20と、保持部材36と筐体20とを位置決めする第1位置決めピン901と、第1位置決めピン901を固定する第1固定部と、を備える。圧電モーター100において、保持部材36と筐体20の一方には、第1位置決めピン901が固定され、保持部材36と筐体20の他方には、第1位置決めピン901が内部に配置される第1孔部が設けられている。第1固定部は、第1孔部と第1位置決めピン901の相対位置を固定する。【選択図】図1

Description

本発明は、圧電モーター、およびロボットに関する。
特許文献1には、振動体と、振動体を保持する保持部材と、保持部材を保持するリング部材とを備える超音波モーターが開示されている。保持部材には軸部が設けられ、リング部材には、軸部を受け入れる穴部が形成されている。保持部材は、軸部に沿って進退移動可能な状態でリング部材に対して位置決めされる。つまり、軸部は、リング部材の穴部に対して隙間嵌めになっている。
特開2016−19354号公報
しかしながら、隙間嵌めによる位置決めで軸部と穴部とが接触を繰り返すことによって不要な振動が発生し、振動体の駆動力が低下するおそれがある。
圧電モーターは、振動体と、前記振動体を保持する保持部と、前記振動体および前記保持部が内部に配置された筐体と、前記保持部と前記筐体とを位置決めする第1位置決めピンと、前記第1位置決めピンを固定する第1固定部と、を備えた圧電モーターであって、前記保持部と前記筐体の一方には、前記第1位置決めピンが固定され、前記保持部と前記筐体の他方には、前記第1位置決めピンが内部に配置される第1孔部が設けられ、前記第1固定部は、前記第1孔部と前記第1位置決めピンの相対位置を固定する。
ロボットは、上記の圧電モーターを有する。
実施形態1における圧電モーターの概略構成を示す側断面図。 実施形態1における圧電モーターの内部構成を示す平面図。 実施形態1における圧電モーターを上方から見た斜視図。 実施形態1における圧電アクチュエーターと保持部材とを上方から見た斜視図。 圧電アクチュエーターの構成を示す斜視図。 圧電アクチュエーターの構成を示す平面図。 第1平行ばね部と第2平行ばね部とが変形する様子を示す説明図。 圧電アクチュエーターの断面図。 振動部の構成を示す説明図。 振動部の動作を示す説明図。 実施形態2における圧電モーターを上方から見た斜視図。 実施形態2における圧電アクチュエーターと保持部材とを上方から見た斜視図。 実施形態4におけるロボットの概略構成を示す斜視図。
1.実施形態1
図1は、実施形態1における圧電モーター100の概略構成を示す側断面図である。図2は、実施形態1における圧電モーター100の内部構成を示す平面図である。本実施形態における圧電モーター100は、圧電モーター100の外形を区画する筐体20と、筐体20の内部に収容された振動体としての圧電アクチュエーター30と、圧電アクチュエーター30によって駆動されるローター40と、ローター40を回転可能に支持するベアリング50とを備えている。圧電アクチュエーター30は、圧電素子32を備えており、圧電素子32の二次元的な変形を用いてローター40を回転させる。ローター40の回転は、回転軸41を介して圧電モーター100の外部に伝達される。圧電モーター100は、筐体20に対するローター40の回転方向や、回転角や、回転速度を検出するエンコーダーを備えてもよい。エンコーダーは、光学式であっても、磁気式であってもよい。尚、圧電モーター100のことを圧電駆動装置や、超音波モーターと呼ぶことがある。ローター40のことを被駆動部と呼ぶことがある。
筐体20は、下ケース29と蓋部28とによって構成されている。下ケース29は、円筒形の側面部21と、側面部21の内周面に形成された円環状の第1段差部22と、第1段差部22に接し、同じく側面部21の内周面に形成された円環状の第2段差部23とを備えている。本実施形態では、側面部21と、第1段差部22と、第2段差部23とは、一体的に構成されているが、別体でもよい。第1段差部22は、第2段差部23よりも下方に位置している。第1段差部22の内径は、第2段差部23の内径よりも大きい。第1段差部22の下端面は、側面部21の下端面よりも上に位置し、第2段差部23の上端面は、側面部21の上端面よりも下に位置する。ベアリング50は、第1段差部22の内周面と第2段差部23の下端面に接するように取り付けられる。圧電アクチュエーター30は、保持部としての保持部材36によって保持され、保持部材36と筐体20とを位置決めするための第1位置決めピン901および第2位置決めピン902を介して第2段差部23の上端面に取り付けられる。ベアリング50と圧電アクチュエーター30の詳細な取り付けについては後述する。蓋部28は、ベアリング50とローター40と圧電アクチュエーター30とが下ケース29に取り付けられた後に、ねじによって下ケース29の側面部21の上端部分に取り付けられる。蓋部28には、配線等が通る貫通孔27が設けられている。
圧電アクチュエーター30は、保持部材36とともに筐体20の内部に配置され、第2段差部23に固定されている。圧電アクチュエーター30は、上述した圧電素子32と、ローター40の被接触面49(図2参照)に対向する先端部33とを備えている。圧電素子32に交流電圧が供給されることによって、圧電素子32が変形して、先端部33が楕円軌道を描くように振動する。先端部33は、この振動によってローター40の被接触面49に繰り返し接触して、ローター40に駆動力を付与する。尚、圧電アクチュエーター30の具体的な構成および動作については後述する。
図2は、圧電モーター100の内部構成を示す平面図であり、蓋部28から下方に向かって見た場合の圧電アクチュエーター30とローター40との位置関係を示している。本実施形態における圧電モーター100には、4つの圧電アクチュエーター30が設けられている。4つの圧電アクチュエーター30は、等間隔に配置されている。尚、圧電モーター100に設けられる圧電アクチュエーター30の数は、4つに限られず、1つから3つでもよいし、5つ以上でもよい。圧電アクチュエーター30は、等間隔に配置されなくてもよい。
ローター40は、上述した回転軸41と、回転軸41の外周に配置され、回転軸41に接続された伝達部材45と、回転軸41の外周に配置され、伝達部材45に接続された高硬度部48とを有している。本実施形態では、ローター40は、中心軸RXを中心に回転可能な、円筒状の回転軸41を有している。つまり、ローター40は、中空の回転軸41を有している。尚、ローター40は、中実の回転軸41を有してもよい。ローター40の回転軸41の中心軸RXに沿って下ケース29から蓋部28に向かう方向のことを軸方向ADと呼び、回転軸41の中心軸RXに直交し、中心軸RXから外側に向かう方向のことを径方向RDと呼ぶ。また、ローター40の回転方向のことを周方向CDと呼ぶ。これらの方向AD,RD,CDは、各図において適宜図示している。
図3は、圧電モーター100を上方から見た斜視図である。ここでは、蓋部28と、圧電アクチュエーター30と、保持部材36とを除いて示している。第2段差部23は、1つの圧電アクチュエーター30につき、第1位置決めピン901と第2位置決めピン902を1本ずつ有している。第1位置決めピン901の中心軸と、第2位置決めピン902の中心軸とは、それぞれ、軸方向ADに平行になっている。本実施形態では、第2段差部23に、第1位置決めピン901の直径よりもわずかに小さい直径を有する穴をあけ、その穴に対して、第1位置決めピン901をハンマー等で打ち込むことで固定している。すなわち、第1位置決めピン901は、第2段差部23に締まり嵌めで固定されている。第2位置決めピン902も、第1位置決めピン901と同様に、第2段差部23に締まり嵌めで固定されている。なお、固定方法は、打ち込みに限られず、接着剤を使用してもよいし、詰め物を使用してもよいし、雄ねじと雌ねじによる螺合でもよい。または、第1位置決めピン901と、第2位置決めピン902とは、下ケース29と別体ではなく、下ケース29との一体成型でもよい。
図4は、圧電アクチュエーター30と保持部材36とを上方から見た斜視図である。図4には、互いに直交するX,Y,Z方向に沿った矢印が表されている。X方向は、図1および図2に示した軸方向ADと平行な方向であり、Z方向は、図1および図2に示した径方向RDと平行な方向である。これらの方向X,Y,Zは、各図において適宜図示している。本実施形態では、圧電アクチュエーター30は、固定ねじ90(図1参照)によって保持部材36に固定されている。なお、固定方法は、ねじに限られず、接着剤等を使用してもよいし、それらの組み合わせでもよい。
保持部材36は、3段の階段形状をしている。YZ平面に平行な底面930を共通の底面とし、+Y方向に向かって、第1段部931と、第2段部932と、第3段部933とが順に配置されている。本実施形態では、第3段部933は、第2段部932よりも高く、第2段部932は、第1段部931よりも高くなっている。圧電アクチュエーター30は、第3段部933に固定されている。第1段部931と、第2段部932との高さが、第3段部933の高さよりも低いため、圧電アクチュエーター30の図示しない配線と干渉しない。また、第1段部931の高さが、第2段部932の高さよりも低いことによって、第1位置決めピン901と、第2位置決めピン902との両方を、後述の第1孔部911と、第4孔部921との両方に挿入する際の二重勘合の影響を小さくすることができる。つまり、厳密には平行ではない第1位置決めピン901と第2位置決めピン902とが、同じく厳密には平行ではない第1孔部911と第4孔部921とに、引っかかって入らない可能性を低減できる。
第2段部932には、第1位置決めピン901が内部に配置される第1孔部911が設けられている。第1孔部911は、第2段部932をX方向に貫通している。第1孔部911の直径は、第1位置決めピン901の直径よりもわずかに大きい。第2段部932には、Z方向に平行で、第1孔部911に連通する第2孔部912が形成されている。そして、第2孔部912の内周面には、雌ねじが形成されている。第2孔部912の内部には、第1ねじ部としての第1雄ねじ903が取り付けられる。また、本実施形態では、第2段部932に、Z方向に平行で、第1孔部911に連通する第3孔部914が形成されている。そして、第3孔部914の内周面には、雌ねじが形成されている。第3孔部914の内部には、第2ねじ部としての第2雄ねじ904が取り付けられる。本実施形態では、第2孔部912と、第3孔部914とは、Z方向に平行であるが、第1孔部911に連通し、かつ雌ねじを形成できれば、どの方向でもよい。第2孔部912と、第1雄ねじ903と、第3孔部914と、第2雄ねじ904とは、第1位置決めピン901を固定する第1固定部910として機能する。
第1段部931には、第2位置決めピン902が内部に配置される第4孔部921が設けられている。第4孔部921は、第1段部931をX方向に貫通している。第4孔部921の直径は、第2位置決めピン902の直径よりもわずかに大きい。また、Y方向と、Z方向との両方向において、第1孔部911に対する第4孔部921の相対位置は、第1位置決めピン901に対する第2位置決めピン902の相対位置に等しい。つまり、第1孔部911に対して第1位置決めピン901を、第4孔部921に対して第2位置決めピン902を挿入することで、保持部材36を、X方向に進退移動可能な状態で、下ケース29に接続することができる。本実施形態では、第1段部931には、Z方向に平行で、第4孔部921に連通する第5孔部922が形成されている。そして、第5孔部922の内周面には、雌ねじが形成されている。第5孔部922には、第3ねじ部としての第3雄ねじ905が取り付けられる。本実施形態では、第5孔部922は、Z方向に平行であるが、第4孔部921に連通し、かつ雌ねじを形成できれば、どの方向でもよい。第5孔部922と、第3雄ねじ905とは、第2位置決めピン902を固定する第2固定部920として機能する。なお、下ケース29の側面部21には、第1雄ねじ903、第2雄ねじ904、第3雄ねじ905を保持部材36に取り付けるための開口24が形成されている。
圧電アクチュエーター30が予め取り付けられた保持部材36を、第1位置決めピン901と、第2位置決めピン902とを介して下ケース29に接続すると、図1に示すように、圧電アクチュエーター30の先端部33が、ローター40の被接触面49に接触し、付勢力が発生する。圧電アクチュエーター30により圧電モーター100を動作させるためには、付勢力が不可欠であるが、保持部材36は、下ケース29に対して、X方向に進退移動可能な状態であるため、このままでは付勢力を維持することができない。そこで、本実施形態では、第1雄ねじ903と、第2雄ねじ904とにより、第1位置決めピン901を第1孔部911に押し付けて締め上げることで、第1位置決めピン901と、第1孔部911との相対位置を固定している。つまり、第1固定部910は、第1位置決めピン901と、第1孔部911との相対位置を固定する。これにより、付勢力を維持することができる。加えて、第1位置決めピン901と、第1孔部911との隙間によって生じていた不要な振動を抑制し、圧電モーター100の駆動力の低下を防ぐことができる。加えて、第1位置決めピン901と、第1孔部911との隙間と、第2位置決めピン902と、第2孔部912との隙間と、によって生じる、保持部材36の回転方向の自由度を、Y軸回りと、Z軸回りとの2方向で規制することができる。つまり、ガタつきを減らし、圧電アクチュエーター30の姿勢を安定させることができる。さらに、本実施形態では、第3雄ねじ905により、第2位置決めピン902を第4孔部921に押し付けて締め上げることで、第2位置決めピン902と、第4孔部921との相対位置を固定している。つまり、第2固定部920は、第2位置決めピン902と、第4孔部921との相対位置を固定する。これにより、前述の回転方向の自由度のうち、残るX軸回りの方向を規制することができる。つまり、ガタつきをより減らし、圧電アクチュエーター30の姿勢をより安定させることができる。なお、本実施形態では、第1位置決めピン901と、第1孔部911との相対位置の固定を、第1雄ねじ903と、第2雄ねじ904とを締め上げることで実現し、第2位置決めピン902と、第4孔部921との相対位置の固定を、第3雄ねじ905を締め上げることで実現したが、第1孔部911および第4孔部921の内部に接着剤や詰め物等を配置することで実現してもよい。つまり、これらの接着剤や詰め物等が、第1位置決めピン901と第1孔部911との双方に接し、第2位置決めピン902と第4孔部921との双方に接することで、各々の相対位置の固定が行われる。その場合、それらの接着剤や詰め物等が、第1固定部910と、第2固定部920とに含まれる。本実施形態の圧電アクチュエーター30において、付勢力を調整する方法については後述する。
伝達部材45は、圧電アクチュエーター30の先端部33から駆動力を受け、この駆動力を回転軸41に伝達する。伝達部材45は、中心軸RXを中心とする円筒状の部分と、中心軸RXを中心とする鍔状の部分とが組み合わされた形状を有している。伝達部材45の円筒状の部分は、回転軸41の外周側面に接続されている。
高硬度部48は、圧電アクチュエーター30の先端部33と伝達部材45との間に配置されている。高硬度部48は、中心軸RXを中心とする円環形状を有している。高硬度部48は、伝達部材45の鍔状の部分に絶縁性の接着剤によって接着されている。高硬度部48には、圧電アクチュエーター30の先端部33が接触する被接触面49が設けられている。本実施形態では、高硬度部48は、セラミック材料によって形成されている。より具体的には、高硬度部48は、アルミナ(酸化アルミニウム)によって形成されている。尚、高硬度部48を形成するセラミック材料として、アルミナの他に、例えば、ジルコニアや、チタン酸バリウムを用いることができる。高硬度部48は、金属材料によって形成されてもよい。高硬度部48を形成する金属材料として、例えば、超硬合金、高速度鋼、合金工具鋼等を用いることができる。伝達部材45と高硬度部48とは、ねじや接着や拡散接合等によって互いに固定されてもよい。伝達部材45に溝が形成され、この溝に高硬度部48が嵌め込まれてもよい。
ベアリング50は、ローター40の回転軸41と、筐体20の第1段差部22との間に設けられている。ベアリング50は、筐体20に対して回転可能にローター40を支持している。本実施形態では、ベアリング50として、中心軸RXを中心とする円環形状を有するローラーベアリングが用いられている。ベアリング50は、ローラーベアリングではなく、例えば、ボールベアリングであってもよい。ローター40がベアリング50に支持されることによって、ローター40は、中心軸RXを中心にして円滑に回転できる。
ベアリング50の外輪は、支持部材56と筐体20の第2段差部23とによって挟持されている。支持部材56は、中心軸RXを中心とする円環形状を有している。周方向CDに垂直な支持部材56の断面は、L字形状を有している。本実施形態では、支持部材56の外周側面と筐体20の側面部21の内周側面とのそれぞれに、ねじ部が設けられており、ねじ部同士が嵌め合わされることによって、支持部材56が側面部21に固定されている。
ベアリング50の内輪は、伝達部材45と回転軸41とによって挟持されている。本実施形態では、ローター40の回転軸41の外周側面と伝達部材45の内周側面とのそれぞれに、ねじ部が設けられており、ねじ部同士が嵌め合わされることによって、伝達部材45が回転軸41に固定されている。
図1に示すように、ベアリング50と支持部材56とを用いて、下ケース29に対して、ローター40が回転可能に取り付けられた後、図4に示すように、圧電アクチュエーター30が予め取り付けられた保持部材36が、下ケース29に取り付けられる。
図5は、圧電アクチュエーター30の構成を示す斜視図である。圧電アクチュエーター30は、圧電素子32を有する本体部39と、本体部39に接続された先端部33と、ローター40に向かって本体部39を付勢する第1平行ばね部60と、第1平行ばね部60とともに、ローター40に向かって本体部39を付勢する第2平行ばね部70とを備えている。
本体部39は、第1平行ばね部60と第2平行ばね部70との間に配置されている。本体部39は、圧電素子32と、第1振動板81と、第2振動板82と、第1層間部材85とによって構成されている。圧電素子32は、第1振動板81と、第2振動板82との間に設けられている。第1層間部材85は、第1振動板81と第2振動板82との間の隙間を埋めるように設けられている。
圧電素子32は、両面に電極が設けられた圧電体によって構成されている。本実施形態では、圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛によって形成されている。圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛ではなく、例えば、チタン酸バリウムや水晶によって形成されてもよい。電極は、図示しない配線によって、スイッチング素子を介して電源に接続されている。
第1振動板81と第2振動板82とは、同じ形状を有している。第1振動板81と第2振動板82とは、シリコンによって形成されている。圧電素子32と第1振動板81との間、および、圧電素子32と第2振動板82との間は、絶縁性の接着剤によって接着されている。第1層間部材85は、シリコンによって形成されている。第1層間部材85と第1振動板81との間、および、第1層間部材85と第2振動板82との間は、絶縁性の接着剤によって接着されている。
先端部33は、絶縁性の接着剤によって本体部39に接着されている。先端部33は、耐摩耗性に優れる材料によって形成されることが好ましい。本実施形態では、先端部33は、アルミナによって形成されている。
第1平行ばね部60は、第1非ばね部61と、第2非ばね部62と、第1非ばね部61と第2非ばね部62との間を接続する複数の第1板ばね部63とを有している。本実施形態では、第1非ばね部61と第2非ばね部62との間は、6つの第1板ばね部63によって接続されている。第1非ばね部61と第2非ばね部62とは、第1平行ばね部60において、X方向に沿って変形しにくい部分である。第1板ばね部63は、第1平行ばね部60において、X方向に沿って変形しやすい部分である。それぞれの第1板ばね部63は、Y方向に向かって互いに平行に延びている。それぞれの第1板ばね部63は、Z方向において本体部39に対向して配置されている。
第2平行ばね部70は、第3非ばね部71と、第4非ばね部72と、第3非ばね部71と第4非ばね部72との間を接続する複数の第2板ばね部73とを有している。第3非ばね部71と第4非ばね部72とは、第2平行ばね部70において、X方向に沿って変形しにくい部分である。第2板ばね部73は、第2平行ばね部70において、X方向に沿って変形しやすい部分である。それぞれの第2板ばね部73は、Y方向に向かって互いに平行に延びている。それぞれの第2板ばね部73は、Z方向において本体部39に対向して配置されている。本実施形態では、第2平行ばね部70は、本体部39を挟んで第1平行ばね部60と対称形状を有している。
第1平行ばね部60と第2平行ばね部70とは、それぞれ、シリコンによって形成されている。第1平行ばね部60における第1非ばね部61と第2非ばね部62と第1板ばね部63とは、板状のシリコンにドライエッチングを用いて形成できる。第2平行ばね部70における第3非ばね部71と第4非ばね部72と第2板ばね部73とは、板状のシリコンにドライエッチングを用いて形成できる。
第1平行ばね部60の第2非ばね部62と第2平行ばね部70の第4非ばね部72との間には、第2非ばね部62から第4非ばね部72に向かって、第3振動板83と、第2層間部材86と、第4振動板84とがこの順に設けられている。第3振動板83と第4振動板84とは、同じ形状を有している。第3振動板83と第4振動板84とは、シリコンによって形成されている。第3振動板83のZ方向に沿った厚みは、第1振動板81のZ方向に沿った厚みと同じである。第4振動板84のZ方向に沿った厚みは、第2振動板82のZ方向に沿った厚みと同じである。第2層間部材86は、シリコンによって形成されている。第2層間部材86のZ方向に沿った厚みは、第1層間部材85のZ方向に沿った厚みと同じである。
第2非ばね部62と第4非ばね部72とには、圧電アクチュエーター30を保持部材36に固定するための固定ねじ90が挿入される取付穴38が2つ設けられている。取付穴38は、第1平行ばね部60と、第3振動板83と、第2層間部材86と、第4振動板84と、第2平行ばね部70とを貫通して設けられている。
図6は、圧電アクチュエーター30の構成を示す平面図である。本体部39は、振動部31と、支持部34と、腕部35とを有している。振動部31は、圧電素子32を有する部分である。第1平行ばね部60から第2平行ばね部70に向かって見た振動部31の形状は、X方向に沿った長手方向を有する長方形である。振動部31の一方の短辺の中央には、先端部33が接続されている。腕部35は、振動部31の他方の短辺と振動部31の両方の長辺とに対向する部分である。支持部34は、振動部31の両方の長辺の中央と腕部35との間を接続する部分である。
第1平行ばね部60の第1非ばね部61は、第1厚肉部65と、第1薄肉部66とを有している。第1薄肉部66のZ方向に沿った厚みは、第1厚肉部65のZ方向に沿った厚みよりも小さい。第1厚肉部65は、腕部35に対向する領域に設けられている。図6には、第1厚肉部65が設けられた領域にハッチングが施されている。第1薄肉部66は、第1非ばね部61における振動部31と支持部34とに対向する領域に設けられている。第1厚肉部65は、絶縁性の接着剤によって腕部35に接着されている。第1薄肉部66は、振動部31と支持部34との間にZ方向に沿った所定の間隔を有している。
第2平行ばね部70の第3非ばね部71は、第2厚肉部75と、第2薄肉部76とを有している。第2薄肉部76のZ方向に沿った厚みは、第2厚肉部75のZ方向に沿った厚みよりも小さい。第2厚肉部75は、腕部35に対向する領域に設けられている。図6には、第2厚肉部75が設けられた領域にハッチングが施されている。第2薄肉部76は、第3非ばね部71における振動部31と支持部34とに対向する領域に設けられている。第2厚肉部75は、絶縁性の接着剤によって腕部35に接着されている。第2薄肉部76は、振動部31と支持部34との間にZ方向に沿った所定の間隔を有している。
図7は、第1平行ばね部60と第2平行ばね部70とが変形する様子を示す説明図である。第1平行ばね部60は、X方向に沿った荷重に対して、平行ばね機構として機能する。第2平行ばね部70は、第1平行ばね部60と同様に、X方向に沿った荷重に対して、平行ばね機構として機能する。例えば、図7に示すように、先端部33が−X方向に向かって荷重Fxを受けた場合、第1非ばね部61と第3非ばね部71とは、本体部39を介して、−X方向に向かって押される。第1非ばね部61と第3非ばね部71とが−X方向に向かって押されることによって、それぞれの第1板ばね部63は、互いに平行な状態を保ちつつ、−X方向に向かって撓み、それぞれの第2板ばね部73は、互いに平行な状態を保ちつつ、−X方向に向かって撓む。第1非ばね部61は、第2非ばね部62に対して回転せずに、第1板ばね部63の−X方向への撓み量に応じて−X方向に向かって並進移動するとともに、第1板ばね部63の撓みに伴う第1板ばね部63と第1非ばね部61との接続部の+Y方向への移動量に応じて+Y方向に向かって並進移動する。第3非ばね部71は、第4非ばね部72に対して回転せずに、第2板ばね部73の−X方向への撓み量に応じて−X方向に向かって並進移動するとともに、第2板ばね部73の撓みに伴う第2板ばね部73と第3非ばね部71との接続部の+Y方向への移動量に応じて+Y方向に向かって並進移動する。尚、図7には、移動前の第1平行ばね部60と第2平行ばね部70との位置が二点鎖線で表されている。第1非ばね部61と第2非ばね部62と第3非ばね部71と第4非ばね部72とは、ほとんど変形しない。第2非ばね部62と第4非ばね部72とは、保持部材36に固定されているため、保持部材36に対して移動しない。つまり、第2段差部23と、保持部材36との間の、軸方向ADの距離によって、荷重Fxを調整することができる。ここで、荷重Fxは、圧電アクチュエーター30の付勢力と同義である。
図8は、図6における圧電アクチュエーター30のVI−VI線断面図である。本実施形態では、第1板ばね部63の断面形状と、第2板ばね部73の断面形状とは、長方形の断面形状を有している。なお、第1板ばね部63の断面形状と、第2板ばね部73の断面形状とは、長方形に限られず、本体部39から遠い部分のX方向の幅が、本体部39に近い部分のX方向の幅よりも大きくてもよい。これにより、第1平行ばね部60および第2平行ばね部70がZ方向に変形することを抑制できる。そのため、本体部39の位置がZ方向にずれることを抑制でき、ローター40の駆動を安定させることができる。
図9は、振動部31の構成を示す説明図である。本実施形態では、振動部31は、第1圧電素子32Aと、第2圧電素子32Bと、第3圧電素子32Cと、第4圧電素子32Dと、第5圧電素子32Eとを有している。各圧電素子32A〜32Eは、振動部31の長手方向に沿って配置されている。図9において、第1圧電素子32Aは、振動部31の中央に配置されている。第2圧電素子32Bと第3圧電素子32Cとは、第1圧電素子32Aの左側に配置されている。第2圧電素子32Bは、支持部34よりも下方に配置されている。第3圧電素子32Cは、支持部34よりも上方に配置されている。第4圧電素子32Dと第5圧電素子32Eとは、第1圧電素子32Aの右側に配置されている。第4圧電素子32Dは、支持部34よりも下方に配置されている。第5圧電素子32Eは、支持部34よりも上方に配置されている。
図10は、振動部31の動作を示す説明図である。第2圧電素子32Bと第5圧電素子32Eとに供給される交流電圧の位相と、第3圧電素子32Cと第4圧電素子32Dとに供給される交流電圧の位相とを180度異ならせ、かつ、第1圧電素子32Aに供給される交流電圧の位相と、第2圧電素子32Bと第5圧電素子32Eとに供給される交流電圧の位相とを例えば90度異ならせることによって、振動部31を二次元的に変形させて、先端部33を楕円運動させることができる。この際に、振動部31は、支持部34との接続部分を節にして変形する。先端部33が楕円運動を繰り返すことによって、先端部33とローター40の被接触面49とが繰り返し接触する。先端部33と被接触面49とが接触する際に、先端部33は、周方向CDに沿った駆動力をローター40に伝達する。そのため、先端部33が楕円運動を繰り返す間、ローター40は、中心軸RXを中心にして回転する。本実施形態では、先端部33と被接触面49とが接触する際に、先端部33は、被接触面49に向かって付勢されるので、先端部33は、周方向CDに沿った駆動力を効率良くローター40に伝達できる。尚、上述した各圧電素子32B〜32Eに供給される交流電圧を180度反転させることによって、ローター40を逆向きに回転させることができる。
以上、説明した本実施形態の圧電モーター100によれば、第1固定部910によって、第1位置決めピン901と第1孔部911の相対位置が固定されるため、付勢力を維持することができ、圧電モーター100として安定した出力を生むことができる。
また、本実施形態では、第1固定部910によって、第1位置決めピン901と第1孔部911の相対位置が固定されるため、第1位置決めピン901と第1孔部911との間に生じていた隙間がなくなる。よって、ガタつきの範囲内で生じていた不要な振動が発生しなくなり、圧電モーター100の駆動力低下を防ぐことができる。
また、本実施形態では、第1位置決めピン901と第1孔部911との間に生じていた隙間がなくなることにより、保持部材36の、ガタつきの範囲内で生じていた回転方向の自由度が減る。つまり、被接触面49に対する圧電アクチュエーター30の姿勢が安定するため、ローター40の正逆回転による差を減らすことができる。
また、本実施形態では、第1位置決めピン901と第1孔部911との固定を、第1雄ねじ903と、第2雄ねじ904とを緩めることで解除することができる。よって、圧電アクチュエーター30の付勢力の調整や、圧電モーター100の分解が容易になる。
また、第1固定部910が、第1雄ねじ903と第2雄ねじ904とではなく、接着剤や詰め物等を含む場合には、不要な振動を防ぐ効果と、圧電アクチュエーター30の姿勢が安定する効果と、に加えて、部品点数が減るため、圧電モーター100の組立が容易になる。
また、本実施形態では、第2位置決めピン902と第4孔部921があるために、圧電アクチュエーター30を筐体20に取り付ける際に、圧電アクチュエーター30の駆動力の方向を、ローター40の接線方向に一致させやすくなるなる。よって、トルクの損失が少ない圧電モーター100の組立が容易になる。
また、本実施形態では、第2位置決めピン902と第4孔部921との間に生じていた隙間がなくなることにより、保持部材36の、ガタつきの範囲内で生じていた回転方向の自由度がさらに減る。つまり、被接触面49に対する圧電アクチュエーター30の姿勢が安定するため、ローター40の正逆回転による差をさらに減らすことができる。
また、本実施形態では、第2位置決めピン902と第4孔部921との固定を、第3雄ねじ905を緩めることで解除することができる。よって、圧電アクチュエーター30の付勢力の調整や、圧電モーター100の分解が容易になる。
2.実施形態2
図11は、実施形態2における圧電モーター100bを上方から見た斜視図である。ここでは、蓋部28と、圧電アクチュエーター30と、保持部材36bとを除いて示している。実施形態2の圧電モーター100bでは、下ケース29bと、保持部材36bとの構成と、第1位置決めピン901bと、第2位置決めピン902bとの配置が、実施形態1と異なる。その他の構成は、特に説明しない限り、図1から図10までに示した実施形態1と同じである。
下ケース29bの第2段差部23bには、1つの圧電アクチュエーター30につき、第1位置決めピン901bが内部に配置される第1孔部911bと、第2位置決めピン902bが内部に配置される第4孔部921bとが、1つずつ形成されている。第1孔部911bの中心軸と、第4孔部921bの中心軸とは、それぞれ、軸方向ADに平行になっている。
下ケース29bには、下ケース29bの外周面から第1孔部911bに連通する第2孔部912bが形成されている。そして、第2孔部912bの内周面には、雌ねじが形成されている。第2孔部912bの内部には、第1ねじ部としての第1雄ねじ903bが取り付けられる。また、本実施形態では、下ケース29bに、下ケース29bの外周面から第1孔部911bに連通する第3孔部914bが形成されている。そして、第3孔部914bの内周面には、雌ねじが形成されている。第3孔部914bの内部には、第2ねじ部としての第2雄ねじ904bが取り付けられる。第2孔部912bと、第1雄ねじ903bと、第3孔部914bと、第2雄ねじ904bとは、第1位置決めピン901bを固定する第1固定部910bとして機能する。また、本実施形態では、下ケース29bに、下ケース29bの外周面から第4孔部921bに連通する第5孔部922bが形成されている。そして、第5孔部922bの内周面には、雌ねじが形成されている。第5孔部922bの内部には、第3ねじ部としての第3雄ねじ905bが取り付けられる。第5孔部922bと、第3雄ねじ905bとは、第2位置決めピン902bを固定する第2固定部920bとして機能する。
図12は、実施形態2における圧電アクチュエーター30と保持部材36bとを上方から見た斜視図である。図12には、互いに直交するX,Y,Z方向に沿った矢印が表されている。X方向は、図1および図2に示した軸方向ADと平行な方向であり、Z方向は、図1および図2に示した径方向RDと平行な方向である。
保持部材36bは、2段の階段形状をしている。YZ平面に平行な底面930bを共通の底面とし、+Y方向に向かって、第1段部931bと、第2段部932bとが順に配置されている。本実施形態では、第2段部932bは、第1段部931bよりも高くなっている。圧電アクチュエーター30は、第2段部932bに固定されている。第1段部931bの高さが、第2段部932bの高さよりも低いため、圧電アクチュエーター30の図示しない配線と干渉しない。
第1段部931bは、第1位置決めピン901bと第2位置決めピン902bとを1本ずつ有している。第1位置決めピン901bの中心軸と、第2位置決めピン902bの中心軸とは、それぞれ、X方向に平行になっている。本実施形態では、第1段部931bに、第1位置決めピン901bの直径よりもわずかに小さい直径を有する穴をあけ、その穴に対して、第1位置決めピン901bをハンマー等で打ち込むことで固定している。すなわち、第1位置決めピン901bは、第1段部931bに締まり嵌めで固定されている。第2位置決めピン902bも、第1位置決めピン901bと同様に、第1段部931bに締まり嵌めで固定されている。なお、固定方法は、打ち込みに限られず、接着剤を使用してもよいし、詰め物を使用してもよいし、雄ねじと雌ねじによる螺合でもよい。または、第1位置決めピン901bと、第2位置決めピン902bとは、保持部材36bと別体ではなく、保持部材36bとの一体成型でもよい。
第1位置決めピン901bの直径は、第1孔部911bの直径よりもわずかに小さい。また、第2位置決めピン902bの直径は、第4孔部921bの直径よりもわずかに小さい。加えて、Y方向と、Z方向との両方向において、第1位置決めピン901bと第2位置決めピン902bとの相対位置は、第1孔部911bと第4孔部921bとの相対位置に等しい。つまり、第1孔部911bに対して第1位置決めピン901bを、第4孔部921bに対して第2位置決めピン902bを挿入することで、保持部材36bを、X方向に進退移動可能な状態で、下ケース29bに接続することができる。また、底面930bから飛び出した第1位置決めピン901bの長さは、底面930bから飛び出した第2位置決めピン902bの長さよりも長くなっている。これにより、第1位置決めピン901bと、第2位置決めピン902bとの両方を、第1孔部911bと、第4孔部921bとの両方に挿入する際の二重勘合の影響を小さくすることができる。つまり、厳密には平行ではない第1位置決めピン901bと第2位置決めピン902bとが、同じく厳密には平行ではない第1孔部911bと第4孔部921bとに、引っかかって入らない可能性を低減できる。また、第1位置決めピン901bと第2位置決めピン902bとは、第1段部931bの上方には飛び出していない。これにより、圧電アクチュエーター30の図示しない配線と干渉しない。
圧電アクチュエーター30と、第1位置決めピン901bと、第2位置決めピン902bとが予め取り付けられた保持部材36bを下ケース29bに接続すると、圧電アクチュエーター30の先端部33が、ローター40の被接触面49に接触し、付勢力が発生する。圧電アクチュエーター30により圧電モーター100bを動作させるためには、付勢力が不可欠であるが、保持部材36bは、下ケース29bに対して、X方向に進退移動可能な状態であるため、このままでは付勢力を維持することができない。そこで、本実施形態では、第1雄ねじ903bと、第2雄ねじ904bとにより、第1位置決めピン901bを第1孔部911bに押し付けて締め上げることで、第1位置決めピン901bと、第1孔部911bとの相対位置を固定している。つまり、第1固定部910bは、第1位置決めピン901bと、第1孔部911bとの相対位置を固定する。これにより、付勢力を維持することができる。加えて、第1位置決めピン901bと、第1孔部911bとの隙間によって生じていた不要な振動を抑制し、圧電モーター100bの駆動力の低下を防ぐことができる。加えて、第1位置決めピン901bと、第1孔部911bとの隙間と、第2位置決めピン902bと、第2孔部912bとの隙間と、によって生じる、保持部材36bの回転方向の自由度を、Y軸回りと、Z軸回りとの2方向で規制することができる。つまり、ガタつきを減らし、圧電アクチュエーター30の姿勢を安定させることができる。さらに、本実施形態では、第3雄ねじ905bにより、第2位置決めピン902bを第4孔部921bに押し付けて締め上げることで、第2位置決めピン902bと、第4孔部921bとの相対位置を固定している。つまり、第2固定部920bは、第2位置決めピン902bと、第4孔部921bとの相対位置を固定する。これにより、前述の回転方向の自由度のうち、残るX軸回りの方向を規制することができる。つまり、ガタつきをより減らし、圧電アクチュエーター30の姿勢をより安定させることができる。なお、本実施形態では、第1位置決めピン901bと、第1孔部911bとの相対位置の固定を、第1雄ねじ903bと、第2雄ねじ904bとを締め上げることで実現し、第2位置決めピン902bと、第4孔部921bとの相対位置の固定を、第3雄ねじ905bを締め上げることで実現したが、第1孔部911bおよび第4孔部921bの内部に接着剤や詰め物等を配置することで実現してもよい。つまり、これらの接着剤や詰め物等が、第1位置決めピン901bと第1孔部911bとの双方に接し、第2位置決めピン902bと第4孔部921bとの双方に接することで、各々の相対位置の固定が行われる。その場合、それらの接着剤や詰め物等が、第1固定部910bと、第2固定部920bとに含まれる。
以上、説明した本実施形態の圧電モーター100bによれば、実施形態1と同様の効果を得ることができる。
3.実施形態3
図示は省略するが、本実施形態の圧電モーター100cは、実施形態1と実施形態2とを混在させた構成を有している。具体的には、第1位置決めピンが下ケースに固定され、第2位置決めピンが保持部材に固定される。また、保持部材には、第1位置決めピンを挿入するための第1孔部が形成され、下ケースには、第2位置決めピンを挿入するための第4孔部が形成される。このような構成であっても、実施形態1、2と同様の効果を得ることができる。
4.実施形態4
図13は、実施形態4におけるロボット1100の概略構成を示す斜視図である。本実施形態におけるロボット1100は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット1100は、6軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース1101と、ベース1101に対して回転可能に連結された第1アーム1102と、第1アーム1102に対して回転可能に連結された第2アーム1103と、第2アーム1103に対して回転可能に連結された第3アーム1104と、第3アーム1104に対して回転可能に連結された第4アーム1105と、第4アーム1105に対して回転可能に連結された第5アーム1106と、第5アーム1106に対して回転可能に連結された第6アーム1107と、各アーム1102,1103,1104,1105,1106,1107の駆動を制御するロボット制御部1108とを備えている。第6アーム1107にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット1100に実行させる作業に応じたエンドエフェクター1109が装着される。各関節部のうちの全部または一部には、実施形態1で説明した圧電モーター100が搭載されており、この圧電モーター100の駆動によって、各アーム1102,1103,1104,1105,1106,1107が回転する。各圧電モーター100の駆動は、ロボット制御部1108によって制御される。なお、ロボット1100は、6軸ロボットに限られず、5軸以下、7軸以上であってもよい。また、図13には、垂直多関節ロボットが記載されているが、水平多関節ロボットであってもよい。
ロボット制御部1108は、1以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、ロボット制御部1108は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、ロボット1100の動作を制御する。尚、ロボット制御部1108は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。
以上、説明した本実施形態のロボット1100によれば、関節部に実施形態1で説明した圧電モーター100が用いられているため、不要な振動によって駆動力が損なわれることはない。よって、各アーム1102,1103,1104,1105,1106,1107を駆動させる駆動力を効率良く供給できる。尚、ロボット1100は、圧電モーター100の代わりに、実施形態2で説明した圧電モーター100bを備えてもよいし、実施形態3で説明した圧電モーター100cを備えてもよい。
20…筐体、21…側面部、22…第1段差部、23,23b…第2段差部、24…開口、27…貫通孔、28…蓋部、29,29b…下ケース、30…圧電アクチュエーター、31…振動部、32…圧電素子、32A…第1圧電素子、32B…第2圧電素子、32C…第3圧電素子、32D…第4圧電素子、32E…第5圧電素子、33…先端部、34…支持部、35…腕部、36,36b…保持部材、38…取付穴、39…本体部、40…ローター、41…回転軸、45…伝達部材、48…高硬度部、49…被接触面、50…ベアリング、56…支持部材、60…第1平行ばね部、61…第1非ばね部、62…第2非ばね部、63…第1板ばね部、65…第1厚肉部、66…第1薄肉部、70…第2平行ばね部、71…第3非ばね部、72…第4非ばね部、73…第2板ばね部、75…第2厚肉部、76…第2薄肉部、81…第1振動板、82…第2振動板、83…第3振動板、84…第4振動板、85…第1層間部材、86…第2層間部材、100,100b,100c…圧電モーター、901,901b…第1位置決めピン、902,902b…第2位置決めピン、903,903b…第1雄ねじ、904,904b…第2雄ねじ、905,905b…第3雄ねじ、910,910b…第1固定部、911,911b…第1孔部、912,912b…第2孔部、914,914b…第3孔部、920,920b…第2固定部、921,921b…第4孔部、922,922b…第5孔部、930,930b…底面、931,931b…第1段部、932,932b…第2段部、933…第3段部、1100…ロボット、1101…ベース、1102…第1アーム、1103…第2アーム、1104…第3アーム、1105…第4アーム、1106…第5アーム、1107…第6アーム、1108…ロボット制御部、1109…エンドエフェクター、AD…軸方向、CD…周方向、RD…径方向、Fx…荷重、RX…中心軸。

Claims (7)

  1. 振動体と、
    前記振動体を保持する保持部と、
    前記振動体および前記保持部が内部に配置された筐体と、
    前記保持部と前記筐体とを位置決めする第1位置決めピンと、
    前記第1位置決めピンを固定する第1固定部と、
    を備えた圧電モーターであって、
    前記保持部と前記筐体の一方には、前記第1位置決めピンが固定され、
    前記保持部と前記筐体の他方には、前記第1位置決めピンが内部に配置される第1孔部が設けられ、
    前記第1固定部は、前記第1孔部と前記第1位置決めピンの相対位置を固定する圧電モーター。
  2. 請求項1に記載の圧電モーターであって、
    前記保持部と前記筐体の前記他方には、前記第1孔部に連通する第2孔部が設けられ、
    前記第1固定部は、前記第2孔部の内部に配置され、前記第1位置決めピンを前記第1孔部に押し付ける第1ねじ部を有する圧電モーター。
  3. 請求項2に記載の圧電モーターであって、
    前記保持部と前記筐体の前記他方には、前記第1孔部に連通する第3孔部が設けられ、
    前記第1固定部は、前記第3孔部の内部に配置され、前記第1位置決めピンを前記第1孔部に押し付ける第2ねじ部を有する圧電モーター。
  4. 請求項1に記載の圧電モーターであって、
    前記第1固定部は、
    前記第1孔部の内部に配置され、前記第1孔部と前記第1位置決めピンの双方に接する圧電モーター。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電モーターであって、
    前記保持部と前記筐体とを位置決めする第2位置決めピンと、
    前記第2位置決めピンを固定する第2固定部と、を備え、
    前記保持部と前記筐体の前記一方には、前記第2位置決めピンが固定され、
    前記保持部と前記筐体の前記他方には、前記第2位置決めピンが内部に配置される第4孔部が設けられ、
    前記第2固定部は、前記第4孔部と前記第2位置決めピンの相対位置を固定する圧電モーター。
  6. 請求項5に記載の圧電モーターであって、
    前記保持部と前記筐体の前記他方には、前記第4孔部に連通する第5孔部が設けられ、
    前記第2固定部は、前記第5孔部の内部に配置され、前記第2位置決めピンを前記第4孔部に押し付ける第3ねじ部を有する圧電モーター。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧電モーターを有するロボット。
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