JP2009071919A - 中空アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ロボットの関節部に適用でき、冷却効果が期待できる中空アクチュエータを提供する。
【解決手段】モータ部１と、減速機部９と、ブレーキ部１１と、回転位置検出部１６とから構成され、回転を伝達するシャフト１５が中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、中空部にスリット２１を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの関節に用いられる中空アクチュエータに関する。

産業用ロボットは、自動車ラインでの自動車の組立やその他部品の組立などを人の作業に変わって行ったり、人と共同で作業することが増えてきている。このような組立作業を行う場合、ロボットには複雑な動きが要求されるとともに、これまで実現できていなかったような回り込み動作や広い可動範囲が要求されるようになってきている。また、このようなロボットは、通常連続稼動することが要望されており、ロボットに用いられるアクチュエータには耐熱性が要求されるとともに、小型かつ高トルクが要求されている。

従来の中空アクチュエータとしてはシャフトを中空シャフトとしたＡＣサーボモータと減速機構からなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図３を用いて従来の中空アクチュエータを説明する。調和減速機１０１の減速機フレーム１１１の内側に軸受１１２を介してカップ状の出力軸１１３が設けられ、出力軸１１３の内側にはサーキュラスプライン１１４が設けられている。また、減速機フレーム１１１の端面には可撓性回転筒１１５の一方端部に設けられたフランジ部１５１が固定され、他方端部付近に設けられた外歯１１６がサーキュラスプライン１１４に係合するようにしてある。可撓性回転筒１１５の内側にはウェーブジェネレータ１１７が接触してウェーブジェネレータ１１７からトルクを伝達するようにしてある。ウェーブジェネレータ１１７は後述するモータ１０２によって発生するトルクを調和減速機１０１に入力するモータ軸１２１に固定され、モータ軸１２１の一方端は出力軸１１３の内側に軸受１１８を介して支持されている。また、減速機フレーム１１１の端面にはフランジ１３２が固定され、フランジ１３２には空隙を介して可撓性回転筒１１５の内側に挿入するようにカップ状の中空ヨーク１３１が設けられている。中空ヨーク１３１の内側には回転検出器１０４の固定部１４１が固定され、固定部１４１の内側には回転部１４２が空隙を介して対向するようにモータ軸１２１に固定されている。フランジ１３２の他端面には円筒状のモータフレーム１２２が固定され、モータフレーム１２２の内側には電機子巻線１２３を備えたリング状の固定子鉄心１２４からなる固定子１２５が固定されている。固定子１２５の内側にはモータ１０２の界磁を構成する永久磁石１２６を備えた回転子１２７が設けられ、永久磁石１２６は空隙を介して固定子鉄心１２４に対向させてモータ軸１２１に固定されたカップ状のモータヨーク１２８に固定されている。フレーム１２２の反出力側端面には第２のブラケット１０５が固定され、ブラケット１０５の内側に突出して設けられたハウジング部１５２に設けられた軸受１５３を介してモータ軸１２１の他方端を支持している。カップ状のモータヨーク１２８の内周にはモータ２の極数と同一の極数を備えたブレーキ１０３の回転側永久磁石１３３が円周方向に等間隔に、かつ隣接する磁極が異極になるように固定されてモータ１０２の永久磁石１２６の磁路が共有状態になっている。円周上に等ピッチで着磁したリング状永久磁石よりなる回転側永久磁石１３３の内側には、空隙を介し、固定側永久磁石１３４がブラケット１０５のハウジング部１５２に固定されている。
また、車載用のモータについて図４を用いて説明する（例えば、特許文献２参照）電動モータ２０１は、モータケース２０２内側に周回方向に設置された複数組のステータコイル２０３、モータケース２０２に取り付けられた軸受２０４で回転自在に支持されたモータ出力軸２０５、該モータ出力軸２０５に固定され極数に応じた複数の永久磁石を備えたロータ２０６とによって構成される。モータ出力軸２０５には、減速機軸２０７が同軸に接続されており、減速機２０８は、前記減速機軸２０７上に取り付けられてモータ出力軸２０５の駆動力を調整して駆動軸２０９に伝達する一対の減速ギヤ（遊星歯車）２１０ａ，２１０ｂと、左右の駆動軸の回転差異を調整するディファレンシャルギヤからなる。減速機２０８を収容する減速機ケース２０８ａ内の下部には、冷媒溜２１２が形成され、該冷媒溜２１２内の冷却オイル（冷媒）は、減速ギヤ２１０ｂを介して駆動されるオイルポンプ２１４によって吸引され、減速機ケース２０８ａの外側に設置されるオイルクーラー２１３に送られる。冷媒溜２１２及びオイルポンプ２１４が、減速機ケース内冷媒帰還経路を構成する。減速機２０８で調整された電動モータ２０１の駆動力は、モータ出力軸２０５及び減速機軸２０７の中空部に挿通される駆動軸２０９を介して左右の駆動輪（図示省略）に伝達される。減速機２０８と反対側のモータ出力軸２０５端部は、モータケース２０２を貫通して、隣接して設けられるレゾルバ室（回転検出器室）２２４内に突出し、該レゾルバ室２２４に設けられたレゾルバ（回転検出器）２１５が、モータ出力軸２０５（ロータ２０６）の周回方向位置を検出する。
実開平７−４２２１５号公報（第３頁、図１） 特開２００４−１６６４９２号公報（第４頁、図１）

このような中空アクチュエータを産業用ロボットの関節へ適用する場合、アクチュエータには、かならずブレーキを備える必要がある。つまり、工場の停電や原点位置での姿勢保持を行う場合、ブレーキを備えていないと正しい姿勢を取ることができないために安全性上、問題となるからである。さらに、中空アクチュエータの場合には、電磁モータや電磁ブレーキが高密度に集積されているために、中空径カバー内部に熱伝導されるようになり、中空径カバー内部を通すケーブルの劣化が生じたりする問題が生じしていた。また、発熱した熱源は、アクチュエータ内部から外部へ伝導しにくい構造であるために、最終的には、発熱による電磁モータの断線などが生じるなどの問題が生じていた。
従来の中空アクチュエータにも、このような冷却手段が施されていなかったので、上記した問題が生じていた。このような状況にならないように、モータへの電流値を低く抑えるなどの方法により発熱を抑えたり、間欠駆動する用途に限定されていた。
また、車載用のモータの場合には、冷媒を用いた循環方式をとることにより、上記のような課題を解決している。しかしながら、このような循環方式をとると、車載用のモータであれば支障はないかもしれないが、複数の関節を持つロボットアームへ適用しようとすると、多数本のケーブルに加えて循環用のホースを導入する必要があり、限られたスペースに配置することは困難であった。また、電気系の配線群の中に液体冷媒のホースを通すことは、漏れを防ぐシールドの問題が大きく、使用上新たな技術課題を有する結果となっていた。
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、ロボットの関節部に適用でき、冷却効果が期待できる中空アクチュエータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のような制御方式とした。
請求項１に記載の発明は、モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、中空部にスリットを設けたものである。
請求項２に記載の発明は、モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、前記モータ部が、中空シャフトに備えた永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して対向する電気子巻線とからなり、前記中空シャフトの外周面に羽根を備えたものである。
請求項３に記載の発明は、前記中空シャフトが、外周面に前記永久磁石が備えられ、内周面に前記羽根とブレーキライニングを備えたものである。
請求項４に記載の発明は、前記羽根が、複数のスリットが形成されたものである。
請求項５に記載の発明は、前記中空部に第１のスリットおよび第２のスリットが形成されたものである。
請求項６に記載の発明は、前記第１のスリットが、中空シャフトに備えられた羽根よりも負荷側に形成されたものである。
請求項７に記載の発明は、前記第２のスリットが、ブレーキ部よりも反負荷側に形成されたものである。
請求項８に記載の発明は、前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットが、エンコーダフランジ端面に形成されたものである。
請求項９に記載の発明は、前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットが、遮蔽板に形成されたスリットに対向するようにエンコーダフランジ端面に形成されたものである。
請求項１０に記載の発明は、前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットが、モータフレームに形成されたものである。

請求項１から１０に記載の発明によると、中空アクチュエータの中空部にスリットを設け、中空シャフトと一体に回転する羽根を備えたことで、外気を中空アクチュエータ内部に取り込み、モータ部での発熱について空気を循環させることで、各アクチュエータ部材を冷却することができるので、ロボットに要求されていた通常連続稼動が可能となり、中空部を連通するケーブルの結果が生じることもなくなる。また、モータ内部の温度を低減することが可能であるので、発熱によるモータの断線などの問題も生じることなく、連続した駆動が可能である。
このような中空アクチュエータが得られることにより、さらなる効果としてブレーキ部で生じる摩耗粉が、羽根の回転による第１のスリットから第２のスリットへの送風作用により排出される効果も備えている。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態を示す側断面図である。１はモータ部、２は永久磁石、３はステータヨーク、４は電機子巻線、５はシールド、６は軸受、７は中空径カバー、８は内輪、９は減速機部、１０は出力軸、１１はブレーキ部、１２はブレーキコイル、１３はブレーキライニング、１４はパッド、１５は中空シャフト、１６はエンコーダ部、１７は磁気検出素子、１８は永久磁石、１９は遮蔽板、２０は羽根、２１は第１のスリット、２２は第２のスリットである。
中空アクチュエータは、モータ部１、減速機部９、ブレーキ部１１とエンコーダ部１６から構成されている。中空シャフト１５の外周面には永久磁石２が配設されており、内周面にはブレーキライニング１３と羽根２０が取り付けられている。羽根２０は、薄板円筒形状で、複数のスリットが形成されたものであり、ブレーキライニング１３よりも負荷側に取り付けられている。また、中空径カバー７には、羽根２０よりも負荷側に第１のスリット２１が円周上に複数個形成されている。例えば、円形のスリットを円周４等分の位置に形成している。同様に中空径カバー７には、ブレーキ部１１よりも反負荷側に第２のスリット２２が形成されている。第２のスリット２２も第１のスリット２１と同形状に形成されている。
本発明と従来の技術が異なる部分は、中空径カバーに第１のスリットおよび第２のスリットを形成し、中空シャフトに備えた羽根の回転で外気を中空アクチュエータ内部に取り込む構造とした点である。
次に、各部の構成について説明する。モータ部１は、ステータヨーク３に巻回した電気巻線４に空隙を介して対向するように中空シャフト１５に配設された永久磁石２から構成されている。中空シャフト１５は軸受６で回転自在に支持され、電機子巻線５への通電することで回転するものである。このように中空シャフト１５は、磁気回路の構成上、回転子ヨークを兼ね備えたものである。
次に、減速機部について説明する。減速機部９は、シールド５によりモータ部１とは分離され、ウェーブジェネレータ９１、サーキュラスプライン９２と、フレックススプライン９３から構成されている。中空シャフト１５には、内輪８が連結されており、内輪８にウェーブジェネレータ９１が結合している。また、フレックススプライン９３はフレームに固定されている。ウェーブジェネレータ９１とフレックススプライン９３の間には回転自在に支持されたサーキュラスプライン９２が備えられている。中空シャフト１５の回転は、中空シャフト１５に結合された内輪８によりウェーブジェネレータ９１に伝達されて、フレックススプライン９２とサーキュラスプライン９３の歯数差分減速されて、出力軸１０から取り出される。
次に、ブレーキ部について説明する。ブレーキ部１１は、ブレーキコイル１２とパッド１４、ブレーキライニング１３と図示しない制動ばねから構成される。ブレーキライニング１３は中空シャフト１５に取り付けられており、中空シャフト１５とともに回転している。制動させる際には、ブレーキコイル１２に通電すると制動ばねに付勢力が作用し、パッド１４がブレーキライニング１３と接触することで制動力が発生する。このように接触させて制動することで、確実に制動することができる。
次にエンコーダ部について説明する。エンコーダ部１６は、磁気検出素子１７と永久磁石１８、遮蔽板１９から構成される。永久磁石１８は中空シャフト１５に取り付けられており、永久磁石１８には、１対または複数対の磁気回路が形成されている。この永久磁石１８の磁界をＭＲ素子やホール素子からなる磁気検出素子１７で検出して回転位置を検出している。モータ部１からの漏洩磁界の影響を防ぐために磁性材料からなる遮蔽板１９によりモータ部１と分離されている。
次に、動作について説明する。電機子巻線４に通電すると、永久磁石２との磁気的相互作用により中空シャフト１５は回転する。回転位置はエンコーダ部１６で検出され、図示しない制御装置により位置および速度を制御しながら回転する。また、中空シャフト１５に結合した内輪８により入力された回転角度は減速機部９で所定の減速比で減速されて出力軸１０により取り出される。中空シャフト１５が回転すると、羽根２０も回転し、中空径カバーに形成された第１のスリット２１から外気が流入し、ブレーキ部１１を通過して第２のスリット２２から排出される。このように外気が第１のスリットから流入して第２のスリットへ流出するので、中空アクチュエータ内部の発熱に対して冷却効果を示すものである。また、ブレーキ部１１では、制動時にはパッド１４とブレーキライニング１３間で摩擦が生じることで制動力が得られる。このときの摩擦で各々の部材からは数ミクロンの大きさの摩耗粉が発生する。この摩耗分は、中空シャフトが回転し、羽根２０の回転による第１のスリット２１から第２のスリット２２への送風作用により排出される効果も備えている。
ここでは、エンコーダについて磁気式エンコーダを用いて説明したが、光学式エンコーダでもよく、中空シャフトの回転位置を検出できるものであれば良いことは当然である。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。基本的な構造および動作については、実施例１と同様であるので、異なる部分のみ説明する。
本発明の第２の実施例が第１の実施例と異なる部分は、第２のスリットをエンコーダフランジまたはモータフレームに備えた点である。
図２に示すように、第２のスリット２２は、遮蔽板１９に第３のスリット２３に対向するようにエンコーダフランジ２４に形成されている。このような構造にすることにより中空径カバーに形成された第１のスリット２１から外気が流入し、遮蔽板１９の第３のスリット２３を通過して第２のスリット２２から排出される。
また、第２のスリット２２は、モータフレーム２５の円周面に備えても、同様に第１のスリット２１から外気が流入し、遮蔽板１９の第３のスリット２３を通過して第２のスリット２２から排出される。
このような外気の流入および流出経路を形成することにより、中空アクチュエータ内部の発熱に対して冷却効果を有するものである。

実施例１を示す中空アクチュエータの機器構成図 実施例２を示す中空アクチュエータの機器構成図 第１の従来例の中空アクチュエータの機器構成図 第２の従来例の車載用モータの機器構成図

符号の説明

１ モータ部
２ 永久磁石
３ ステータヨーク
４ 電機子巻線
５ シールド
６ 軸受
７ 中空径カバ
８ 内輪
９ 減速機部
９１ ウェーブジェネレータ
９２ フレックススプライン
９３ サーキュラスプライン
１０ 出力軸
１１ ブレーキ部
１２ ブレーキコイル
１３ ブレーキライニング
１４ パッド
１５ 中空シャフト
１６ エンコーダ部
１７ 磁気検出素子
１８ 永久磁石
１９ 遮蔽板
２０ 羽根
２１ 第１のスリット
２２ 第２のスリット
２３ 第３のスリット
２４ エンコーダフランジ
２５ モータフレーム

Claims (10)

1. モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、
   中空部にスリットを設けたことを特徴とする中空アクチュエータ。
2. モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、
   前記モータ部は、中空シャフトに備えた永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して対向する電気子巻線とからなり、前記中空シャフトの外周面に羽根を備えたことを特徴とする中空アクチュエータ
3. 前記中空シャフトは、外周面に前記永久磁石が備えられ、内周面に前記羽根とブレーキライニングを備えたことを特徴とする請求項２記載の中空アクチュエータ。
4. 前記羽根は、複数のスリットが形成されたことを特徴とする請求項２記載の中空アクチュエータ。
5. 前記中空部に第１のスリットおよび第２のスリットが形成されたことを特徴とする請求項１記載の中空アクチュエータ。
6. 前記第１のスリットは、中空シャフトに備えられた羽根よりも負荷側に形成されたことを特徴とする請求項５記載の中空アクチュエータ。
7. 前記第２のスリットは、ブレーキ部よりも反負荷側に形成されたことを特徴とする請求項５記載の中空アクチュエータ。
8. 前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットは、エンコーダフランジ端面に形成されたことを特徴とする請求項１記載の中空アクチュエータ。
9. 前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットは、遮蔽板に形成されたスリットに対向するようにエンコーダフランジ端面に形成されたことを特徴とする請求項５記載の中空アクチュエータ。
10. 前記中空部に第１のスリットが形成され、前記第２のスリットは、モータフレームに形成されたことを特徴とする請求項５記載の中空アクチュエータ。
    
    
    

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