JP2611813B2 - 回転制御機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は回転制御機構に関し、特に、圧電素子を用
いて、ステータとロータとの摩擦力を制御するような回
転制御機構に関する。

［従来の技術］ 最近では、回転力を制御する機構で小型，軽量なもの
として、圧電モータが開発され、ロボットた多関節アー
ム機構等への応用が期待されている。

第６図は従来の圧電モータの動作原理を説明するため
の図であり、特に、第６図（ａ）は円形ステータの側面
図を示し、第６図（ｂ）は円形ステータの裏面から見た
図である。第７図は圧電素子の電界の方向と分極方向を
示す図であり、第８図は圧電素子の屈曲運動を説明する
ための図であり、第９図はステータの励振状態を示す図
である。

まず、第６図ないし第９図を参照して、従来の圧電モ
ータについて説明する。圧電モータは円形ステータ100
と図示しないロータとから構成され、これらは適当な圧
力で接触している。圧電素子102はリング状に形成され
ていて、その一方面にはリング状の弾性体101が接着さ
れ、他方面には緩衝部材103が接着されている。圧電素
子102は円周方向に領域がλ/2（λ：駆動電圧の波長）
ごとに分割されており、第６図（ａ）の矢印c,dで示さ
れるように分極方向が交互になるように予め分極されて
いる。また、弾性体101と接する側の面104には一様な共
通電極が設けられていて、反対側の面105には第６図
（ｂ）に示すように区分A,Bにそれぞれ電極が形成され
ている。

このような圧電素子102の区分ＡまたはＢのいずれか
に電圧を印加すると、第７図に示すように、印加した電
圧の方向ｅが分極方向ｆと同じ部分は縮み、逆向きにな
る部分は伸びようとする。ここで、この電圧を交番電圧
にし、駆動周波数をステータの固有振動周波数に設定す
ると、ステータは屈曲振動をする。ステータの励振状態
を第９図に示す。第６図（ａ）に示した電極構成では、
９箇所に振動部が生ずる。ここで、区分ＡまたはＢのい
ずれか一方だけに交番電圧を加えた場合には、ステータ
は定在波振動となるが、区分ＡおよびＢに時間的位相が
90°異なる高周波電圧Φ₀，Φ₉₀を印加すると、ステー
タの屈曲振動は進行波となる。

また、区分ＡおよびＢの位相のずれを＋90°または−
90°とすることにより、正，逆の波がそれぞれ発生す
る。そこで、第８図に示すように、弾性体101の表面に
物体106を乗せると、物体106は波の方向に移動する。こ
こでは、物体106はロータであり、円形であるために回
転する。このように、圧電モータはステータとロータと
の間の摩擦力によって回転力を伝達する。従って、所要
の回転力を得ようとすれば、ロータをステータにすっか
り押しつけておく必要がある。この摩擦力は、モータの
製造時に予め設定しておく必要がある。従って、使用中
に条件によって変化させることはできない。しかしなが
ら、圧電モータは回転制御機構として用いることがで
き、その用途によっては高い駆動力を発生させることだ
けが目的とは限らない。たとえば、保持回転力を変化さ
せる、すなわち空回りするように制御して使用する場合
がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の圧電モータは予め負荷を予想
し、その負荷に対して効率良く力が発生するように、摩
擦面、調圧機構などを設計するため、上述のごとく負荷
の変化に応じた回転力制御ができないという問題点があ
った。

それゆえ、この発明の主たる目的は、通常は回転保持
力が高く、必要に応じて低く制御でき、回転発生力の制
御が可能な回転制御機構を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 請求項１に係る発明は、同心円上に設けられた外側リ
ングと内側リングとを含み、内側リングには少なくとも
定在波を発生させるための圧電素子が設けられた円形ス
テータと、円形ステータに対向して設けられ、定在波に
よって円形ステータとの間の摩擦が制御されるロータを
備えて構成される。

請求項２に係る発明は、同心円上に設けられて進行波
を発生する進行波発生リングと内側リングとを含み、内
側リングには定在波を発生させるための圧電素子が設け
られた円形ステータと、円形ステータに対向して設けら
れ、定在波と進行波とによって円形ステータとの間の回
転が制御されるロータとを備えて構成される。

［作用］ 請求項１に係る回転制御機構は、内側リングに少なく
とも定在波を発生させることにより、外側リングの摩擦
が変化し、回転保持力を弱めることができる。

請求項２に係る発明では、外側リングのステータに進
行波を発生させ、内側リングに定在波を発生させること
によって、回転力が発生し、この力は摩擦に依存するた
め、内側リングをともに振動させることによって回転力
を変えることができる。

［発明の実施例］ 第1A図ないし第1D図はこの発明の一実施例を示す図で
あり、特に、第1A図はロータとステータの外観斜視図で
あり、第1B図はロータとステータの断面図であり、第1C
図は外側リングとロータとの接触圧力を説明するための
図であり、第１図は定在波発生リングに含まれている圧
電素子と弾性体を示す斜視図である。

第1A図において、ロータ１と円形ステータ２は対向し
て設けられ、ロータ１にはスリット11が形成されてい
る。このスリット11は円形ステータ２に設けられている
内側の定在波発生リング４がロータ１を押し上げやすい
ようにするためのものである。円形ステータ２には外側
リング３とその内側にある定在波発生リング４が設けら
れている。ロータ１と円形ステータ２は初期調圧機構５
により、適当な圧力で接触するように調整されている。
この圧力は後述の腕機構の関節が容易に回転しない程度
の比較的大きな力とされている。

定在波発生リング４はリング状の緩衝部材８と圧電素
子７と弾性体６とから構成されていて、圧電素子７は第
1D図に示すように、円周上λ/2（λ：定在波発生リング
４が共振する波長）の長さごとにそれぞれ向きが逆にな
るように分極が施されている。この圧電素子７の両面に
はそれぞれ電極が一面に形成されている。そして、発振
器９から波長λの高周波信号が発振され、その高周波信
号が圧電増幅器10によって増幅され、高周波電圧が圧電
素子７の両面に形成されている各電極に印加される。圧
電素子７に高周波電圧が印加されると、定在波発生リン
グ４が定在波振動し、見かけ上、第1C図に示すように、
定在波発生リング４の肉厚が厚くなるため、弾性体６が
ロータ１の接触面がわずかに押し上げる。これによっ
て、外側リング３とロータ１の接触圧力は、第1C図に示
すように減少するため、ロータ１と円形ステータ２の摩
擦力が小さくなる。従って、回転保持力が下がり、空回
りが可能になる。なお、外側リング３のロータ１に対す
る面31は摩擦面となり、定在波発生リング４のロータ１
に対する接触面41は潤滑面となる。

第2A図及び第2B図はこの発明の他の実施例におけるロ
ータと円形ステータを示す図である。

この第2A図および第2B図に示した実施例は、前述の第
1A図ないし第1D図に示した外側リング３に代えて、進行
波発生リング12を設けたものである。すなわち、進行波
発生リング12は、リング状の緩衝部材15と圧電素子14と
弾性体13を積重ねて円形ステータ２の最外周に配置した
ものであって、弾性体13にはスリット16が形成される。
この進行波発生リング12に進行波を発生させると、ロー
タ１の接触面に摩擦力がある場合には、ロータ１には回
転力が生ずる。このとき、内側の定在波発生リング４を
同時に振動させると、摩擦力が変化するため、回転発生
力が変化する。

第2C図はステータの他の構成例を示す図である。この
第2C図に示した例は、第2B図に示した内側リングの弾性
体６と外側リングの弾性体13を一体化した弾性体200を
設けたものである。この弾性体200の下面には、リング
状の圧電素子201,202が接着される。このように一体化
した弾性体200を用いることによって各リングの製造上
のばらつきを少なくでき、また第2B図に示した緩衝部材
8,15を省略することができるという利点がある。

第３図はこの発明の一実施例が適用される３次元指示
入力装置の外観斜視図であり、第４図は第３図に示した
関節に設けられた回転制御機構の要部破断斜視図であ
り、第５図は回転制御機構の一部を拡大して示す図であ
る。

次に、第３図ないし第５図を参照して、この発明の一
実施例の応用例としての３次元指示入力装置について説
明する。第３図において、腕機構100は腕要素110,120と
関節111,112および113とを含む。腕要素110と120は関節
111によって上下方向に回動自在に指示され、腕要素120
は関節112によって上下方向に回動自在に支持され、関
節112は関節113によって水平方向に回動自在に支持され
ている。なお、関節113は台座130に取付けられている。
各関節111,112および113には、それぞれこの発明の一実
施例の回転制御機構121,122,123が設けられ、それぞれ
の回転力が制御される。

また、腕要素110と120の間における保持力を制御する
ために、調圧機構30が設けられ、腕要素110の一端には
錘機構41が設けられ、腕要素120の一端にも錘機構42が
設けられている。腕要素110の他端には、棒状部材が突
出して設けられ、その先端に球70が設けられている。そ
して、この球70によって取っ手60が支持される。取っ手
60内には磁気検知コイル90が内蔵され、外部には磁気ソ
ースコイル80が設けられている。また、腕機構100の回
転を支持するために支持機構50が設けられている。

磁気ソースコイル80を構成する３つのコイルは所定の
位置に、それぞれ直交する向きに配置されており、図示
しない発振器により時分割的に順次励振され、この周り
に交流磁界を形成している。取っ手60の中に設けられた
磁気検知コイル90は、同様にして、それぞれ直交する向
きに配置された３つのコイルから構成されており、磁気
ソースコイル80によって形成される交流磁界の強度を電
圧として検出し、図示しない座標検出装置により磁気ソ
ースコイル80の座標系において、x,y,z成分が形成され
る。

次に、関節111,112および113の動き制御機構について
説明する。腕要素110,120には、重力による上下方向の
回転力が常に加わるため、これを打消す逆方向の回転力
が必要となる。このために、この発明の一実施例である
回転制御機構121,122,123と、調圧機構30により２つの
腕要素110,120がそれぞれ回転しない程度に摩擦力が設
定される。錘機構41,42として大きなものを用いると、
取っ手６の動きが重くなるため、この例では、回転制御
機構121,122の補助として位置づけており、省略するこ
とも可能である。

回転制御機構121は第1A図ないし第1D図に示したよう
に、円形ステータ２とこの円形ステータ２に対向して設
けられたロータ１とから構成されている。円形ステータ
２およびロータ１はそれぞれ腕要素110,120の一部をな
している。

上述のごとく３次元指示入力装置を構成することによ
って、回転駆動機構をOFFしていれば、取っ手60を握っ
た操作者の手を空間に保持するために固定される。そし
て、回転制御機構の定在波発生リング４に定在波を発生
させれば、外側リングの摩擦力が変化し、回転保持力を
弱めることができる。

［発明の効果］ 請求項１に係る発明によれば、円形ステータに同心円
上に外側リングと内側リングを設け、内側リングに少な
くとも定在波を発生させ、円形ステータに対向してロー
タを設け、定在波によって円形ステータとの間の摩擦を
制御するようにしたので、外側リングの摩擦が変化し、
回転保持力を制御することができる。

また、請求項２に係る発明では、円形スタータの外側
リングで進行波を発生させ、内側リングで定在波を発生
させ、定在波と進行波とによって円形ステータとの間の
回転の制御が可能となる。したがって、３次元指示入力
装置や各種模擬体験装置のマンマシーンインタフェース
やロボットの駆動機構などに適用することができる。

【図面の簡単な説明】 第1A図ないし第1D図はこの発明の一実施例を示す図であ
る。第2A図および第2B図はこの発明の他の実施例を示す
図である。第2C図はステータの他の構成例を示す図であ
る。第３図はこの発明の一実施例が適用される３次元指
示入力装置の外観斜視図である。第４図は第３図に示し
た関節に設けられた回転制御機構の要部破断斜視図であ
る。第５図は回転制御機構の一部を拡大して示す図であ
る。第６図は従来の圧電モータの駆動原理図である。第
７図は圧電素子の電界の方向と分極方向を示す図であ
る。第８図は圧電素子の屈曲振動を説明するための図で
ある。第９図はステータの励振状態を示す図である。 図において、１はロータ、２は円形ステータ、３は外側
リング、４は定在波発生リング、５は調圧機構、6,13は
弾性体、7,14は圧電素子、8,15は緩衝部材、９は発振
器、10は電圧増幅器を示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同心円上に設けられた外側リングと内側リ
   ングとを含み、前記内側リングには少なくとも定在波を
   発生させるための圧電素子が設けられた円形ステータ、
   および 前記円形ステータに対向して設けられ、前記定在波によ
   って前記円形ステータとの間の摩擦が制御されるロータ
   を備えた、回転制御機構。
2. 【請求項２】同心円上に設けられて進行波を発生する進
   行波発生リングと内側リングとを含み、前記内側リング
   には定在波を発生させるための圧電素子が設けられた円
   形ステータ、および 前記円形ステータに対向して設けられ、前記定在波と前
   記進行波とによって前記円形ステータとの間の回転が制
   御されるロータを備えた、回転制御機構。