JPH0710191B2 - 2-DOF ultrasonic motor - Google Patents
2-DOF ultrasonic motorInfo
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- JPH0710191B2 JPH0710191B2 JP2079988A JP7998890A JPH0710191B2 JP H0710191 B2 JPH0710191 B2 JP H0710191B2 JP 2079988 A JP2079988 A JP 2079988A JP 7998890 A JP7998890 A JP 7998890A JP H0710191 B2 JPH0710191 B2 JP H0710191B2
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- vertical axis
- rotor
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- freedom
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、水平に設けられた上下２枚の円板状の圧電素
子及び弾性体からなるステータの間に直立円板状のロー
タを挟止し、圧電効果による上下圧電素子の振動により
ロータを回転させるようにした回転機に関するものであ
って、ロボットの関節など複数の自由度を必要とするも
のの場合に用いて好調の駆動装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention holds an upright disk rotor between two horizontally arranged disk-shaped piezoelectric elements and a stator composed of an elastic body. The present invention relates to a rotating machine in which a rotor is rotated by vibration of upper and lower piezoelectric elements due to a piezoelectric effect, and relates to a drive device that is used well in the case of a robot joint that requires a plurality of degrees of freedom. .
従来の技術 一般の工業用ロボット等のサーボ機構として用いられる
電気式のモータ、空気式、油圧式のアクチュエータ等
は、その回転運動がただ１個の座標のみで表わされる１
自由度系のモータであるから、機械的な位置方向、角
度、回転数などを入力信号に応じて制御できるためには
各個に作動する複数個の駆動装置が必要である。2. Description of the Related Art Electric motors, pneumatic actuators, hydraulic actuators, etc. used as servo mechanisms for general industrial robots, etc., have a rotary motion represented by only one coordinate.
Since the motor is a degree-of-freedom system, a plurality of driving devices that operate individually are required in order to be able to control the mechanical position direction, angle, rotational speed, etc., according to input signals.
ところで、近年ロボットの高機能化に伴い、宇宙ロボッ
ト、マイクロロボットのようにロボットの小型軽量化、
高機能化が望まれるようになってきた。それに伴いロボ
ットの関節を構成する多自由度機構においても小型軽量
化、高性能化が望まれている。従来このようなところで
は複数の１自由度モータと複雑な伝達機構によって多自
由度運動を実現してきたが、小型軽量化、高性能化とい
う観点からみると伝達機構のガタ等の影響で位置決め精
度が低下したり、摩擦等の影響で伝達トルクのロスが大
きかったり、機構が大型で重くなるという欠点がある。By the way, in recent years, as robots have become more sophisticated, they have become smaller and lighter, such as space robots and micro robots.
There is a growing demand for higher functionality. Accordingly, the multi-degree-of-freedom mechanism that constitutes the joints of the robot is also required to be smaller and lighter and have higher performance. Conventionally, in such a place, multiple degrees of freedom motion has been realized by a plurality of one-degree-of-freedom motors and a complicated transmission mechanism. However, from the viewpoint of downsizing and weight reduction, and high performance, the positioning accuracy is affected by backlash of the transmission mechanism. Of the transmission torque is large due to the influence of friction, and the mechanism is large and heavy.
また、１自由度モータはそれ自体１つのユニットである
ので、それぞれが独立にトルク発生部、軸受部、ハウジ
ング等を有し、多自由度機構を１つのユニットとしてみ
た場合、１自由度モータの組合わせで多自由度機構を構
成することは多くの重複が生じ機械要素に非常に多くの
無駄が生じるという欠点がある。Further, since the one-degree-of-freedom motor is a unit itself, each has a torque generating portion, a bearing portion, a housing, etc. independently, and when the multi-degree-of-freedom mechanism is regarded as one unit, The combination of the multi-degree-of-freedom mechanism has a drawback in that a lot of duplication occurs and a great amount of waste is generated in the mechanical elements.
発明が解決しようとする課題 本発明は、このような従来の多自由度機構を構成するた
め１自由度モータのもつ欠点を克服し、機械要素の無駄
を省き、小型化することができるとともに、多数の自由
度を１つのモータにより達成しうる２自由度超音波モー
タを提供することを目的としてなされたものである。DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention The present invention overcomes the drawbacks of a one-degree-of-freedom motor by configuring such a conventional multi-degree-of-freedom mechanism, can reduce waste of mechanical elements, and can reduce the size, The object is to provide a two-degree-of-freedom ultrasonic motor capable of achieving a large number of degrees of freedom by one motor.
課題を解決するための手段 本発明者らは、前記の好ましい性質を有する多自由度超
音波モータを提供するために種々研究を重ねた結果、ス
テータを上下２枚の円板状の圧電素子と弾性体で形成
し、これらに同一位相あるいは180゜位相の異なる交流
を印加して伸縮振動させることより、縦軸９と複数個の
横軸18…を各個に回転できるとともに、トルク発生部、
軸受部、ハウジング等を共有することができ、その目的
を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明
を完成するに至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted various studies in order to provide a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor having the above-mentioned preferable properties, and as a result, the stator has two upper and lower disc-shaped piezoelectric elements. It is made of an elastic body, and by applying alternating currents of the same phase or different phases of 180 ° to expand and contract to vibrate, it is possible to rotate the vertical axis 9 and a plurality of horizontal axes 18 ...
It has been found that the bearing portion, the housing, etc. can be shared and the object can be achieved, and the present invention has been completed based on this finding.
すなわち、本発明は、基枠内面に弾性板を介して所定間
隔に対設された一対の円板状である圧電素子からなるス
テータと、このステータ間に周面を挟設され、ステータ
中心を貫通して設けた縦軸の周囲を旋回可能に配設され
た複数個の円板であるロータで構成され、ステータに交
流を印加することにより上記縦軸ならびにロータの中心
軸である横軸にそれぞれ回転の自由度をもたせた２自由
度超音波モータを提供するものである。That is, according to the present invention, a stator formed of a pair of disc-shaped piezoelectric elements opposed to each other at a predetermined interval via an elastic plate on an inner surface of a base frame, and a peripheral surface sandwiched between the stators, and a stator center is provided. It is composed of a rotor that is a plurality of discs that are arranged so as to be able to turn around a vertical axis that penetrates the rotor, and by applying an alternating current to the stator, the vertical axis and the horizontal axis that is the central axis of the rotor are A two-degree-of-freedom ultrasonic motor having rotational degrees of freedom is provided.
以下、本発明を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明は、駆動原理として誘導体に電界を加えると歪が
生じるピエゾ効果を利用したものであって、すなわち、
圧電素子は、両端に正負の電流を通じると圧電効果によ
り第１図（Ａ）、（Ｂ）に示すように伸長あるいは短縮
することから、固定体であるステータを上下２枚の圧電
素子及び弾性体で形成し、これらに同一位相あるいは18
0゜位相の異なる交流を印加して伸縮振動させることに
より、上記位相及び印加電圧の変化に応じてロータの旋
回に伴う縦軸の回転、ロータの回転による横軸のみの回
転、縦軸、横軸の各回転のいずれかを選択的に行えるよ
うにしたものである。The present invention utilizes, as a driving principle, a piezo effect in which distortion occurs when an electric field is applied to a dielectric, that is,
The piezoelectric element expands or contracts as shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B) when a positive or negative current is applied to both ends thereof. Therefore, the stator, which is a fixed body, has two upper and lower piezoelectric elements and elastic members. Formed in the body and have the same phase or 18
By applying alternating currents with 0 ° phase difference to cause expansion and contraction vibration, rotation of the vertical axis accompanying rotation of the rotor according to changes in the phase and applied voltage, rotation of only the horizontal axis due to rotation of the rotor, vertical axis, horizontal It is designed such that either one of the rotations of the shaft can be selectively performed.
本発明の２自由度超音波モータの１例を図面について説
明すると、第２図において、１はコ字状に作られた基枠
であって、その天板下面及び底板上面にはあらかじめ円
板状のステータ保持板2,3が設けられ、これらステータ
保持板2,3には圧電素子4,5と銅等の弾性体6,7よりな
る、上下ステータS1,S2が形成される。この場合、上部
のステータ保持板２は基枠１にネジにより固着されてい
るが、下部のステータ保持板３は基枠１に対し、２つの
ピン８を介して上下動可能に取り付けられている。さら
に基台１にはこれら上下ステータS1,S2の中心を貫いて
一本の縦軸９がそれぞれボールベアリング10,10を介し
て回転可能に設けられ、この縦軸９は、その下端に付設
したストップリング12、スラストベアリング11を介して
上方に抜け出し不能であるとともに、上端にはカラー14
を介してナット15が螺着されており、このナット15の締
付により板バネ13を介して上下ステータS1,S2間の間隔
を調整できるようになっている。An example of a two-degree-of-freedom ultrasonic motor according to the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a base frame having a U-shape, and a circular plate is previously formed on the lower surface and the upper surface of the top plate. -Shaped stator holding plates 2 and 3 are provided, and upper and lower stators S 1 and S 2 formed of piezoelectric elements 4,5 and elastic bodies 6 and 7 such as copper are formed on these stator holding plates 2 and 3. In this case, the upper stator holding plate 2 is fixed to the base frame 1 by screws, while the lower stator holding plate 3 is attached to the base frame 1 so as to be vertically movable via two pins 8. . Further, a single vertical axis 9 is provided on the base 1 so as to pass through the centers of the upper and lower stators S 1 and S 2 via ball bearings 10 and 10, respectively, and the vertical axis 9 is located at the lower end of the vertical axis 9. It cannot be pulled out upward through the attached stop ring 12 and thrust bearing 11, and the collar 14
A nut 15 is screwed on via the nut 15, and by tightening the nut 15, the gap between the upper and lower stators S 1 and S 2 can be adjusted via the leaf spring 13.
上記縦軸９の上下ステータS1,S2間に当る中間部分には
短円柱状部材16が固着され、この部材周面には第３図に
明らかなように円周を３等分する位置に３個の横軸18…
がそれぞれボールベアリング17を介して回転可能に突設
されており、これら横軸18…には金属等の硬化材料より
なる円板19が固着され、前記上下弾性体6,7に接触して
回転されるロータR1,R2,R3を各形成している。これらロ
ータの上下ステータに対する圧接度の増減は前記ナット
15の締付を加減調節することにより行われ、ロータであ
る円板19…の周面はステータの摩耗を防ぐためにあらか
じめエンジニアリングプラスチックで被覆されている。A short columnar member 16 is fixed to an intermediate portion of the vertical axis 9 between the upper and lower stators S 1 and S 2 , and the peripheral surface of the member 16 is divided into three equal parts as shown in FIG. 3 horizontal axes 18 ...
Are respectively rotatably projected via ball bearings 17, and a disk 19 made of a hardened material such as metal is fixed to the horizontal shafts 18 and is rotated by contacting the upper and lower elastic bodies 6 and 7. Rotors R 1 , R 2 and R 3 are formed. Increase or decrease the degree of pressure contact between these rotors and the upper and lower stators
It is carried out by adjusting the tightening of 15 and the peripheral surface of the disk 19, which is the rotor, is coated with engineering plastic in advance in order to prevent the wear of the stator.
発明の作用、効果 本発明においては、ロータである円板19…が一定方向に
周移動することは、例えば振動フィーダや振動ふるいに
おいて、振動面上を岩石等の重量処理物が連続的に前方
に移動して行くのと同じ作用であるが、特に振動体とし
て超音波発生装置のものと同じ圧電素子を用い、またロ
ータは複数個を、バランスを取るため縦軸周囲を複数等
分する位置に、各設け、さらにステータ間の接触力はナ
ット15により加減調節できるようにしたものであって、
上記圧電素子を用いたことにより縦軸９、横軸18…を各
独立して任意に回転させることができる。第４図ないし
第６図はこの作用を示す説明であって、横軸18…は実際
には前記したように複数個あるのであるが、これら図に
おいては説明上各１個として示してある。Action and Effect of the Invention In the present invention, the circular movement of the discs 19 ... Which are rotors in a certain direction means that, for example, in a vibrating feeder or a vibrating sieve, a heavy object such as rock is continuously moved forward on the vibrating surface. It uses the same piezoelectric element as that of the ultrasonic generator as the vibrating body, and the rotor has a plurality of rotors, and the rotor is divided into a plurality of equal parts around the vertical axis for balancing. In addition, each contact, the contact force between the stator can be adjusted by adjusting the nut 15,
By using the above-mentioned piezoelectric element, the vertical axis 9 and the horizontal axis 18 can be independently and arbitrarily rotated. 4 to 6 are explanations showing this action, and although there are actually a plurality of horizontal axes 18 ... As described above, they are shown as one each for the sake of explanation.
すなわち、 （ｉ）縦軸のみを回転させる場合； 第４図に示すようにステータS1とステータS2にそれぞれ
点線で示すように同一電圧、同一位相の交流電流を印加
すると、ロータＲは円板自体は回転せず、そのまま上下
ステータS1,S2間を移動する。つまり自転を行わず公転
つまり旋回のみが行われ、したがって縦軸９のみが回転
される。That is, (i) when only the vertical axis is rotated; when the same voltage and the same phase alternating current are applied to the stator S 1 and the stator S 2 as shown in FIG. The plate itself does not rotate but moves between the upper and lower stators S 1 and S 2 as it is. In other words, it does not rotate, but only revolves, that is, turns, and therefore only the vertical axis 9 rotates.
（ii）縦軸９を停止させたまま横軸18…のみを回転させ
る場合； 第５図に示すように、ステータS1とステータS2にそれぞ
れ点線で示すように同一電圧で位相を180゜ずらせた交
流電圧を印加するとステータS1,S2間でそのまま回転は
するが旋回つまり公転はしない。したがって、縦軸９は
回転せず、横軸18…のみが回転される。(Ii) When only the horizontal axis 18 is rotated while the vertical axis 9 is stopped; as shown in FIG. 5, the stator S 1 and the stator S 2 have the same voltage and a phase of 180 ° as indicated by the dotted lines. When a shifted AC voltage is applied, the stators S 1 and S 2 rotate as they are, but do not rotate or revolve. Therefore, the vertical axis 9 does not rotate, but only the horizontal axes 18 ...
（ii）縦軸9,横軸18…を共に回転させる場合； 第６図に示すようにステータS1,S2に印加する電圧を任
意に組み合わせた交流を印加すると、ロータＲは上下ス
テータS1,S2間を自転しつつ公転する。したがって縦軸
９と同時に横軸18…も回転される。(Ii) When the vertical axis 9 and the horizontal axis 18 are both rotated; as shown in FIG. 6, when an alternating current that is an arbitrary combination of the voltages applied to the stators S 1 and S 2 is applied, the rotor R moves up and down. Revolves while rotating between 1 and S 2 . Therefore, the horizontal axis 18 ... Is rotated simultaneously with the vertical axis 9.
いま、上下ステータS1,S2に印加する交流電圧をそれぞ
れv1、v2とする。ｖが負の時はその位相が180゜ずれて
いることを意味する。この時、縦軸９及び横軸18の回転
角速度w1、w2はそれぞれ ｋは定数で表される。Now, let us say that the AC voltages applied to the upper and lower stators S 1 and S 2 are v 1 and v 2 , respectively. When v is negative, it means that the phase is 180 ° out of phase. At this time, the rotational angular velocities w 1 and w 2 on the vertical axis 9 and the horizontal axis 18 are respectively k is represented by a constant.
本発明の２自由度超音波モータにおいては、以上のよう
に縦軸９と複数個の横軸18…を各個に回転でき、この場
合のトルク発生部、軸受部、ハウジング等を共有するこ
とで機械要素の無駄を省き、小型軽量化することができ
るとともに、多数の自由度が１つのモータで得られ、小
型軽量化が望まれている宇宙ロボット、マイクロロボッ
トなどロボットの関節に好適に利用することができる。In the two-degree-of-freedom ultrasonic motor of the present invention, the vertical axis 9 and the plurality of horizontal axes 18 can be individually rotated as described above, and in this case, the torque generating portion, the bearing portion, the housing, etc. are shared. It can be used for joints of robots such as space robots and micro robots, which can reduce the size and weight while eliminating waste of mechanical elements, and can obtain many degrees of freedom with one motor. be able to.
また、本発明の２自由度超音波モータの１例として、図
に示すような２つの自由度をもつものの場合には、３つ
の出力軸があるため、ロボットのリスト部に利用する
と、１つのアームに３つのハンドを取り付けることがで
き、ロボットの作業効率を３倍アップすることができ
る。さらに大きなトルクを必要とする場合には、ロータ
の中心軸方向に複数のステータを同心円状に配置し、ロ
ータとステータの接触面積を増やせばよい。また、特に
縦軸の回転トルクを大きくするには、ロータの数を増や
してステータとの接触面積を増やせばよく、また各横軸
のトルクを大きくするには、ロータの径を大きくとれば
よい等、効率的に使用することができる利点がある。Further, as an example of the two-degree-of-freedom ultrasonic motor of the present invention, in the case of a motor having two degrees of freedom as shown in the figure, since there are three output shafts, when used in the wrist section of the robot, one Since three hands can be attached to the arm, the work efficiency of the robot can be tripled. When a larger torque is required, a plurality of stators may be concentrically arranged in the central axis direction of the rotor to increase the contact area between the rotor and the stator. Further, in particular, in order to increase the rotational torque on the vertical axis, the number of rotors should be increased to increase the contact area with the stator. To increase the torque on each horizontal axis, the rotor diameter should be increased. Etc., there is an advantage that it can be used efficiently.
第１図は圧電素子に生じる進行波を示す説明図、第２図
及び第３図はそれぞれ本発明装置の正面断面図及び平面
図、第４図、第５図及び第６図はそれぞれ作動時におけ
るステータとロータの関係を示す説明図である。 １……基枠、2,3……ステータ保持板、4,5……圧電素
子、6,7……弾性体、８……ピン、９……縦軸、10……
ボールベアリング、11……スラストベアリング、12……
ストップリング、13……板バネ、14……カラー、15……
ナット、16……短円柱状部材、17……ボールベアリン
グ、18……横軸、19……円板、R1,R2,R3……ロータ、
S1,S2……ステータFIG. 1 is an explanatory view showing a traveling wave generated in a piezoelectric element, FIGS. 2 and 3 are front cross-sectional views and plan views of the device of the present invention, and FIGS. 4, 5 and 6 are respectively in operation. 3 is an explanatory view showing the relationship between the stator and the rotor in FIG. 1 ... Base frame, 2, 3 ... Stator holding plate, 4,5 ... Piezoelectric element, 6,7 ... Elastic body, 8 ... Pin, 9 ... Vertical axis, 10 ...
Ball bearing, 11 …… Thrust bearing, 12 ……
Stop ring, 13 …… leaf spring, 14 …… color, 15 ……
Nut, 16 ... Short cylindrical member, 17 ... Ball bearing, 18 ... Horizontal axis, 19 ... Disc, R 1 , R 2 , R 3 ...... Rotor,
S 1 , S 2 ...... Stator
Claims (2)
された一対の円板状である圧電素子からなるステータ
と、このステータ間に周面を挟設され、ステータ中心を
貫通して設けた縦軸の周囲を旋回可能に配設された複数
個の円板であるロータで構成され、ステータに交流を印
加することにより上記縦軸ならびにロータの中心軸であ
る横軸にそれぞれ回転の自由度をもたせた２自由度超音
波モータ。1. A stator composed of a pair of disk-shaped piezoelectric elements, which are opposed to each other at a predetermined interval on an inner surface of a base frame via elastic plates, and a peripheral surface is sandwiched between the stators, and penetrates the center of the stator. It is composed of a plurality of discs that are arranged so as to be rotatable around the vertical axis provided by the rotor. By applying an alternating current to the stator, the vertical axis and the horizontal axis that is the central axis of the rotor are respectively A two-degree-of-freedom ultrasonic motor with rotational freedom.
変えうるように対設され、縦軸に螺装したナットの締付
によりロータに対する圧接度を調節できるように構成さ
れている請求項１記載の多自由度超音波モータ。2. The pair of piezoelectric elements are paired so as to be able to slightly change the mutual spacing, and the degree of pressure contact with the rotor can be adjusted by tightening a nut screwed on the vertical axis. Item 1. A multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to item 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2079988A JPH0710191B2 (en) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 2-DOF ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2079988A JPH0710191B2 (en) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 2-DOF ultrasonic motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03284174A JPH03284174A (en) | 1991-12-13 |
| JPH0710191B2 true JPH0710191B2 (en) | 1995-02-01 |
Family
ID=13705692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2079988A Expired - Lifetime JPH0710191B2 (en) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 2-DOF ultrasonic motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0710191B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106695867B (en) * | 2017-01-04 | 2019-01-18 | 南京航空航天大学 | Based on hollow ultrasound electric machine and with the robot wrist of bracket and bellows |
| CN106671126B (en) * | 2017-01-04 | 2019-01-18 | 南京航空航天大学 | Based on hollow ultrasound electric machine and with the robot wrist of bracket and bi-bellow |
-
1990
- 1990-03-28 JP JP2079988A patent/JPH0710191B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03284174A (en) | 1991-12-13 |
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