JPS60135184A - 球面駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 豆ｌ上■租朋分団 本発明は、球面案内機構に関する。更に詳細には本発明
は、それぞれ固定子側及び可動子側をなす少なくとも１
つの凸球面及び凹球面を滑動自在に組み合わせて構成し
た球面機構に関する。

このような球面機構は、例えば、マニピュレータの球面
関節として利用されている。

従来肢街 球面関節は３自由度運動機構であるが、その駆動方法が
困難であるためあまり用いられていない。

従って、従来のマニピュレータでは結節点をピボット軸
或いは回転機構とし、複数軸同時駆動するにば１軸毎に
アクチュエータを配置し、これらの運動を合成して実現
していた。

しかしながら、こうした駆動機構は複雑となり、装置も
大型化し、経済性及び信頼性等に問題がある。

他方、球面関節の如く、球面を駆動自在に組み合わせて
それらの相対的位置を精密に変更、決定できるならば、
マニピュレータ、ロボットの眼球等の監視装置などその
用途は大きい。

従来の２軸以上を同時駆動する装置としては、平面内の
直交２軸方向を同時駆動するアクチュエータとして、米
国ザイネテインク社ソーヤ氏が開発した同時２軸リニア
シンクロナスモークがあり、自動製図機用に実用化され
ているにすぎない。

（「橋梁」　νｏ１７．　Ｎａ９．１９７１　）　シか
しこれは平面内の運動を与えるものであり、ロボットハ
ンド等に要求される関節点での球面内の１軸以上の同時
駆動を実現するものではない。

介護図Ｎ１吋 本発明は上記従来技術の課題を解決することを目的とし
、更に詳細には、それぞれ固定子側及び可動子側をなす
少なくとも１つの凸球面及び凹球面を滑動自在に組み合
わせて構成した球面機構の小型かつ簡単な駆動装置を提
供することを目的とする。

光皿皇講底 本発明は、上述の目的を達成するため、少なくとも１つ
の凸球面及び凹球面を滑動自在に組み合わせて構成され
た球面機構であって、上記２つの球面で囲まれた部分球
殻空間内に、球面上の１方向に該球面を相対移動せしめ
るアクチュエータが設けられていることを特徴とする球
面駆動装置を提供するものである。

上記凸球面を球体で構成して固定子側とし、凹球面を部
分球殻で構成して可動子側としてもよい。

いずれを固定子、可動子側とするかは、使用の態様で決
定することができる。

更に、一方の球面側を部分球殻と、該部分球殻と同心且
つこれと一体に連結された球体とから構成し、他方の球
面側を該球体と該球殻との間に嵌合された部分球殻から
構成することもできる。

本発明の好ましい態様に従うと、上記アクチュエータは
、対面する球面の一方の球面に設けられた固定子と、他
方の球面に設けられた可動子とからなるハイブリッド形
リニヤモータによって構成される。このモータの固定子
を該球面上に等間隔に形成された磁極歯の山により構成
し、可動子を該他方の球面内に該球面と略平行に設けら
れた永久磁石と、該永久磁石の両端部に配置した電磁石
とから構成するのが好ましい。

本発明の更に別の望ましい態様に従うと、アクチュエー
タは、一方の球面内に該球面と略平行に設けられた伸縮
制御可能な素子と、該伸縮制御可ｆｉヒな素子の両端部
に取り付＆Ｊられ、伸縮制御されて他方の球面と当接、
離脱可能な素子とから構成される。このような素子とし
て、圧電素子、磁歪素子、静電吸着素子或いは電磁石を
用いることができる。

更に、本発明に従うと、球体と、該球体上に滑動自在に
組み合わされた第１の部分球殻と、該球体と該第１の部
分球殻との間で、球心に関して互いに直交する２以上の
位置に設けられて該球体と該第１の部分球殻との相対移
動を可能とする第１のアクチュエータ群と、該第１の部
分球殻上に滑動自在に組み合わされた第２の部分球殻と
、該第１の部分球殻と該第２の部分球殻との間で、球心
に関して互いに直交する２以上の位置に設けられて該第
１の部分球殻と該第２の部分球殻の相対移動を可能とす
る第２のアクチュエータ群とを具備し、該第１のアクチ
ュエータ群及び該第２のアクチュエータ群のいずれか一
方が精密駆動用であり、他方が高速駆動用であることを
特徴とする高速且つ精密な位置決めが可能な球面駆動装
置が提供される。

以下、本発明を添付図面を参照して実施例により説明す
るが、これらの実施例は本発明の単なる例示であり、本
発明の範囲を何等制限するものではないことは勿論であ
る。

叉差韮。

第１図は本発明の１実施例の球面駆動装置の概略図であ
る。第１図では嵌合する球面の位置関係を明瞭に示すた
め、細部を省略して示している。

図示の如く、この実施例の球面駆動装置は、第１の部分
球殻１と、これと同心に且つ滑動自在に嵌合された第２
の部分球殻２とを備える。第１の部分球殻１は同心の球
体３と底部で一体に連結されている。第１の部分球殻１
は、例えば、固定側に端子４で、第２部分球殻２は可動
側に端子５で接続されている。かくして、図示の装置は
３自由度の運動機構を構成している。

第２図は第１図に示した球面駆動装置の詳細図である。

第１の部分球殻１と第２の部分球殻２の相対する球面部
分６にすべり軸受が設けられ、両者の滑動を自在にして
いる。更に図示の如く、第２の部分球殻２の内表面と球
体３の外表面との間には所定の空隙７が保持されるよう
に構成されている。

空隙部分７、すなわち第２図に示す例では、第２の部分
球殻２の内表面に２基のアクチュエータが埋設されてい
る。これらのアクチュエータはそれぞれ永久磁石８及び
１Ｏ１及び電磁石９．９゛及び１１．１１′　から構成
される。これらのアクチュエータは、それらの駆動方向
が球面座標で直交する方向となるように配置するのが好
ましい。

更に、これらのアクチュエータの駆動方向は球の大円に
相当する方向であるのが所要の駆動トルクを最小にする
ために好ましい。

他方、球体３の表面は格子状に刻まれた溝により形成さ
れた軟鉄層の磁極歯の山１２を有し、これらがモータの
固定子側を形成している。

これらのモータの動作を第３図を参照して説明すると、
球体３の表面上の歯１２は球面上の一直線方向に所定の
ピッチで刻設されている。他方、アクチュエータは、駆
動方向に配置した永久磁石８（１０）と、この永久磁石
の両端部に取り付けられた電磁石９　（１１）　、９’
（１１’（１１”）とから構成される。これらの電磁石
はそれぞれリード線１３．１３′により図示しないディ
ジタル制御部及び電源に接続されている。

これらアクチュエータと磁極歯とがりニヤモータを構成
するには、可動子の可変磁極■、■、■が■に対してそ
れぞれ固定子の磁極歯のピ・７チに対して１／２．１／
４．３／４ずつずらしされている。

これを動作するには、第３図の永久磁石８の極性が電磁
石９の可変磁極■、■の側をＮ極、■、■の側をＳ極と
し、電磁石にリード線１３を通して電流を供して、磁極
歯■がＮ極、■がＳ極になるように励磁すると、■では
永久磁石による磁界と強め合い、■では打ち消し合い、
■が固定子の歯と一致する位置に安定する。さらに同様
に■、■を励磁することにより可動子が移動する。

同様に永久磁石８、電磁石９で構成される可動子に対し
て部分球殻２の内径内面で直角方向に配設された永久磁
石１０、電磁石１１からなる可動子も、上記原理で駆動
できる。これらの原理は公知の事実であるのでこれ以上
の説明は省略する。

尚、可動子８　（１０）　、９　（１１）　、９”　（
１１”）を球体３の表面に埋設し、固定子１２を部分球
殻２の内表面に刻設してアクチュエータを構成すること
も可能であり、この態様はリード線１３．１３゛　を固
定側の球体３内に埋設することができるので有利である
。

次に上記相対運動における固定子側、すなわち第１の部
分球殻１と、可動子側、すなわち、第２の部分球殻との
間の支持構造は第２図に６で示すように２つの球殻の球
面の滑り拘束によって実現できる。このとき球体と球殻
の間の微小空隙７は、この滑り拘束によって一定に保持
できる。

さらに永久磁石、電磁石の組み合わせ体を種々の角度で
複数個配設し、複数軸方向に同時に駆動することも可能
である。

またアクチュエータとしてここで述べた以外の電磁方式
を適用することも可能であり、固定子と可動子の間の支
持構造をころがり軸受、空気軸受などで構成可能である
ことは言うまでもない。

第４図は本発明の更に別の好ましい実施例の球面駆動機
構の概略図である。

この実施例では第２の部分球殻２の内表面にアクチュエ
ータが設けられている。アクチュエータは、移動方向に
配設された圧電素子２１と、この両端部に取り付けられ
た圧電素子２２．２３とから構成される。これと同様の
アクチュエータ２４が直交方向の駆動方向を有するよう
に球面内に設けられている。

これらのアクチュエータの動作原理を第５図を参照して
説明する。

第５図に圧電素子アクチュエータの動作原理を示す。圧
電素子２１は電圧のオンオフによってり。

で示す方向に伸縮する。素子２１０両端に固着された圧
電素子２２．２３はクランプ機構として機能し、電圧の
オンオフによってＤ２、Ｄ３の方向にそれぞれ伸縮し、
縮む時は球面３から浮き上り、解放され伸びるときは球
面３に吸着する構造となっている。図示の例では素子２
２の上端部は第２の球殻２の表面に固定され、素子２３
の上端部は転がり軸受２５を介して当接している。した
がって、第５図の（１）〜（４）の順に変形と案内面へ
の吸着・解放を順次繰り返すことによってあたかも尺取
虫のように０．０１μｍ〜０．１μｍのオーダで設定し
た微小変位ごとの前進および後退の移動が可能となる。

なお、伸縮可能な素子２１としては、電圧あるいは電流
の変形量で制御できる磁歪素子を用いることもでき、ま
た、クランプ素子２２．２３としては電磁石、静電吸着
などを用いることもできる。

にこのようなアクチュエータの動作原理は精密機械４９
巻１１号３３頁に述べられているのでこれ以上の説明を
省略する。

第６図は本発明の更に別の実施例の球面駆動機構の概略
図である。第１図の実施例と同様に球体３と部分球殻１
が同心に結合され、部分球殻２が同心に嵌め合わされて
いるが、球体３と部分球殻２とからなる球面間に相対運
動可能な拘束手段６”を付設し、部分球殻１と部分球殻
２からなる球面間に均一な微小空隙７″を生せしめる構
造としている。したがってアクチュエータ（図示を省略
）は、部分球殻１と部分球殻２０間に設けである。

第７図に示す本発明の実施例に従う球面駆動機構は、球
体３１と、これと同心に嵌合された部分球殻３２とから
構成された球面関節であって、球体３１は端子３３で、
部分球殻３２は端子３４で図示しないリンクにそれぞれ
連結している。

球体３１の表面には格子上の溝を刻設して磁極歯３５が
等間隔で形成されている。更に、球体３１と部分球殻３
２との間は微小空隙を保持しつつ両者を拘束するベアリ
ング３６が適当箇所に設けられ、両者を滑動可能として
いる。３７及び３８は該２図に示したものと同様な構造
の永久磁石と電磁石の組合せ体で、それらは駆動方向が
直交する方位で且つ球心に関して直交位置に配置されて
いる。

なお、球体３１上の磁極歯歯形面３５の谷の部分をエポ
キシ樹脂などの非磁性材料で充填し球表面をなめらかな
面にするのが好ましい。

第８図は高速駆動が可能であり、同時に精密な位置決め
も行いうる本発明の球面駆動機構の１実施例の概略を示
す。この実施例において第７図の球面駆動機構と同一の
部分は同一の参照番号で示し、それらの説明は省略する
。即ち、本実施例の球面駆動機構は、第７図に示す機構
の部分球殻３２上の端子３４を備えず、平滑表面とし、
その上に第２の部分球殻３９を嵌合して構成したもので
ある。

部分球殻３２と３９との間に第２のアクチュエータ４０
．４１を駆動方向が直交するように配置している。

これらのアクチュエータは第４図及び第５図を参照して
説明した微小移動を可能とする圧電素子、磁歪素子など
で構成されたものである。

このような構造であるから、粗い位置決めをアクチュエ
ータ３７．３８で高速に行い、精密位置決めをアクチュ
エータ４０．４１で行うことができ、高速且つ高精度の
位置決めが可能となる。

第９図は本発明の球面駆動機構を複数組連鎖して組合わ
せた実施例の概略図である。これら球面駆動機構の各々
のアクチュエータ（図示せず）を制御することにより極
めて自由度の大きい運動を容易に実現することができる
。

劾ＪＩｌ変灰 以上説明したように、本発明の球面駆動装置は関節機構
とアクチュエータを一体にした構造であるので、球面内
の１軸以上の複数軸方向への同時駆動を実現でき、ロボ
ットの腕、ロボットの眼球運動機構、プリンタの活字選
択機構、スキャナなど情報処理機器へも応用できる。さ
らに本発明の球面駆動装置を連鎖することにより任意の
自由度をもつロボット腕が小形、軽量且つ簡易な機構で
実現できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の球面駆動装置の概略図、 第２図は第１図の球面駆動装置の詳細図、第３図は第２
図に示す球面駆動装置のアクチュエータの原理説明図、 第４図は本発明の１実施例の球面駆動装置の詳細図、 第５図は第４図に示す球面駆動装置のアクチュエータの
原理説明図、 第６図は本発明の１実施例の球面駆動装置の概略図、 第７図は本発明の更に別の実施例の球面駆動装置の概略
図 第８図は本発明の１実施例の球面駆動装置の概略図、 第９図は本発明の球面駆動装置を複数組合せたマニュピ
ユレータの概略図である。 （主な参照番号） １．２．３２．３９：球殻、３．３１：球体、６：すべ
り軸受、　７：球面間の空隙、８．１０：永久磁石、９
．９’、１１．１１′：電磁石、１２．３５：磁極歯、
　２１．２２．２３：伸縮可能な素子、３６：ころがり
軸受。 特許出願人　日本電信電話公社 代理人　弁理士　新居　正彦 第２１双Ｉ 第；！１図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１つの凸球面及び凹球面を滑動自在に
   組み合わせて構成された球面機構であって、上記２つの
   球面で囲まれた部分球殻空間内に、球面上の１方向に該
   球面を相対移動せしめるアクチュエータが設けられてい
   ることを特徴とする球面駆動装置。
2. （２）　球体と、該球体上に滑動自在に組み合わされた
   第１の部分球殻と、該球体と該第１の部分球殻との間で
   、球心に関して互いに直交する２以上の位置に設けられ
   て該球体と該第１の部分球殻との相対移動を可能とする
   第１のアクチュエータ群と、該第１の部分球殻上に滑動
   自在に組み合わされた第２の部分球殻と、該第１の部分
   球殻と該第２の部分球殻との間で、球心に関して互いに
   直交する２以上の位置に設けられて該第１．の部分球殻
   と該第２の部分球殻の相対移動を可能とする第２のアク
   チュエータ群とを具備し、該第１のアクチュエータ群及
   び該第２のアクチュエータ群のいずれか一方が精密駆動
   用であり、他方が高速駆動用であることを特徴とする球
   面駆動装置。