JP2010214530A - ロボットの回転関節用配線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブルプリント配線板を用いてロボットの回転関節用配線装置を構成する場合に、フレキシブルプリント配線板の早期摩耗を防止する。
【解決手段】筒状の筐体１５とリールとを相対回転可能に組み合わせてなる配線ケース内に複数のローラ２５を有する有端環状の摺動補助器２３をリールの芯部材１６を中心に円運動可能に配設する。フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ板）１４を、摺動補助器２３の内側では芯部材１６に巻くように収納し、摺動補助器２３の外側では当該摺動補助器２３の外側に巻くように、配線ケース内に収納し、ＦＰＣ板１４の一端側を芯部材１６に連結し、他端側を筐体１５に連結する。
【選択図】図８

Description

本発明は、ロボットの回転関節によって結合された２部材間での配線に用いるもので、特に、フレキシブルプリント配線板を用いたロボットの回転関節用配線装置に関する。

産業用のロボットは、ベースに複数のアームを回転関節によって順次結合して構成され、アームの先端である手首部には、通常、ハンドなどのエンドエフェクタが装着される。このような産業用のロボットでは、アームやエンドエフェクタなどの駆動源をなすモータに電源を供給したり、モータとロボットコントローラとの間で制御用信号を送受したりするケーブルが配線される。この場合の配線方式として、ケーブルをベースやアームの内部に通す内部配線方式と、ロボットの外面に沿って配線する外部配線方式とがある。
上記の２つの配線方式のいずれを採用するにせよ、回転関節部分では、相対回転する２つの部材（ベースとアーム、アームとアーム、アームと手首部など）の相対回転を阻害しないような配線構造とする必要がある。

特許文献１および特許文献２には、内部配線方式を採用した場合の回転関節部分の配線構造が開示されている。これは、ケーブルを回転関節の回転中心に通し、２つの部材の相対回転をケーブルの捩れによって吸収する構成である。
特許文献３には、外部配線方式を採用した場合の回転関節部分の配線構造が開示されている。この特許文献３では、配線パターンを形成したフレキシブルシートを使用しており、このフレキシブルシートを、相対回転する２つの部材間に跨るように、円弧状に弛ませた状態で固定し、２つの部材の相対回転をフレキシブルシートの円弧状の弛み部分で吸収するようにしている。

なお、ロボットの回転関節部分ではないが、特許文献４には、自動車のステアリングホイール側と車体側とを電気的に接続するためのスパイラルケーブル装置が開示されている。このスパイラルケーブル装置は、円筒状の外筒と、この外筒の内側に当該外筒と相対回転可能に設けられた内筒とを備えたケースの内部に、帯状の長いフレキシブルフラットケーブルを、内筒の外周囲に巻回した状態にして収納して構成されたもので、フレキシブルフラットケーブルの一端は内筒に接続され、他端は外筒に接続されている。

特開平６−１４３１８６号公報 特開平１０−３４５８８号公報 特開平１−１５３２９０号公報 特開２００３−３２４８３５号公報

特許文献１および特許文献２では、２つの部材の相対回転をケーブルの捩れによって吸収する構成であるから、回転関節の回転中心を通す部分が短いと、ケーブルの単位長さ当たりの捻り量が多くなるので、断線などを早期に生じ易くなる。このため、回転関節の回転中心を通る部分を長くしなければならず、ケーブル配線のために必要とするスペースを回転関節の回転軸方向に広く取らねばならなくなる。これは、特に多くの部品を密に配置している小型ロボットにあっては、回転関節部分の大型化を招き、大変不利である。
特許文献３では、２つの部材が相対回転すると、フレキシブルシートが屈伸するけれども、その屈伸は局部的であるから、フレキシブルシートの屈伸部分が早期に疲労して破損する恐れがある。

特許文献４に開示されたスパイラルケーブル装置は、フレキシブルフラットケーブルの内筒に対する巻き付き巻き戻しによってステアリングホイールの回転を吸収する構造であるから、ケーブルの捻りを利用する構造に比べて、装置の回転軸線方向の厚さを薄くできると共に、局部的な屈伸を伴うものではないので、フレキシブルフラットケーブルの寿命も長くなる。しかしながら、自動車のステアリングホイールは、人が回転操作するものであるから、その回転速度は遅い。これに対し、ロボットのアームは、高速回転し、その回転速度はステアリングホイールの比ではない。特許文献４のスパイラルケーブル装置は、自動車のステアリングホイールの回転を吸収するためのもので、高速回転を予想していない。このため、フレキシブルフラットケーブルが早期に摩耗する等の問題を生ずることが予測され、そのままロボット用として使用することはできない。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その目的は、フレキシブルプリント配線板を用いてロボットの回転関節用配線装置を構成する場合に、フレキシブルプリント配線板の早期摩耗を防止する構造を採用するなどして長期にわたって使用できるロボットの回転関節用配線装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１では、筒状の筐体とリールとを相対回転可能に組み合わせてなる配線ケース内にフレキシブルプリント配線板をリールの芯部材に巻くように収納し、フレキシブルプリント配線板の一端側を芯部材に取り付け他端側を筐体に取り付け、ロボットの相対回転する一方の部材および他方の部材に、それぞれ筐体およびリールを固定する構成を採用した。この構成によれば、ロボットの一方の部材と他方の部材の相対回転を、フレキシブルプリント配線板の全体的な曲げによって吸収することができるので、ロボットの一方の部材と他方の部材とが高速度で相対回転しても、フレキシブルプリント配線板は、その高速の相対回転に追従して巻き付き方向或は巻き戻し方向に曲がることができ、しかも、局部的な曲がりではなく、全体的な曲がりであるので、フレキシブルプリント配線板の早期疲労を防止でき、長期にわたって使用できる。

請求項２では、電源線を有した２枚のフレキシブルプリント配線板の間に信号線を有したフレキシブルプリント配線板を挟む構成とした。このため、信号線を有したフレキシブルプリント配線板は、両側の電源線を有したフレキシブルプリント配線板と擦れ合うが、配線ケースの内面には接触しないようにされる。フレキシブルプリント配線板どうしは低摩擦で、配線ケースに対するよりも滑り易いので、信号線の線幅が狭いという事情があっても、信号線が摩擦で早期疲労を起こすといった恐れがない。電源線の線幅は広いので、配線ケースに接しても、やはり早期疲労することはない。

請求項３では、リールの２枚の蓋板のうち、少なくとも一方は、配線ケースの内面を構成する面に、芯部材から外周に向かって放射状に延びる複数のリブを有しているので、フレキシブルプリント配線板の側縁はそのリブに間欠的に接し、側縁の全体が蓋板に接することがないので、フレキシブルプリント配線板が巻き付き巻き戻されるように動作する際、フレキシブルプリント配線板の側縁と蓋板との摩擦が軽減され、フレキシブルプリント配線板の長寿命化を図ることができる。

本発明の一実施形態を示すもので、回転関節構造と共に示す回転関節用配線装置の横断面図 外カバーを取り外して図１のＡ−Ａ線の矢印方向から見た取付枠の側面図 回転関節用配線装置の分解斜視図 ＦＰＣ板の拡大断面図 複数枚のＦＰＣ板の重なり形態を示す断面図 重ねられた複数枚のＦＰＣ板の部分斜視図 回転関節用配線装置単体の横断面図 回転関節用配線装置単体の縦断面図 図８とは異なる状態で示す回転関節用配線装置単体の縦断面図 保護柱の作用を説明するための拡大断面図 産業用ロボットの斜視図

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１１に示す産業用ロボット１は、例えば６軸の垂直多関節型のものとして構成され、床に設置されるベース２と、このベース２に水平方向に旋回可能に支持されたショルダ部３と、このショルダ部３に上下方向に旋回可能に支持された下アーム４と、この下アーム４に上下方向に旋回可能に支持された後上アーム５と、この後上アーム５に捻り回転可能に支持された前上アーム６と、この前上アーム６に上下方向に旋回可能に支持された手首７と、この手首７に捻り回転可能に支持されたフランジ８とを備えている。そして、アーム先端であるフランジ８には、ハンドなどのエンドエフェクト（図示せず）が取り付けられるようになっている。

エンドエフェクタとしては、ハンドの他に、視覚検査装置のカメラなどが考えられる。視覚検査装置とは、ワークの所望の検査ポイントをカメラで撮影してその撮影画像情報をロボットコントローラに送信し、ロボットコントローラが受信した撮影画像信号をディスプレイに表示するというもので、ディスプレイに表示された撮影画像を目で見て組立や加工などの良否を検査するものである。

上記のショルダ部３はベース２に、下アーム４はショルダ部３に、後上アーム５は下アーム４に、前上アーム６は後上アーム５に、手首７は前上アーム６に、フランジ８は手首７に、それぞれ回転関節によって回転可能に支持されている。図１は、これら各部の回転関節構造のうち、手首７の前上アーム６に対する回転関節構造を示している。この図１において、前上アーム６は、アーム基枠９を複数の外カバー１０により覆って構成されている。この前上アーム６のアーム基枠９の先端部分には、軸穴９ａが形成されている。これに対し、手首７側には筒状の軸部７ａが突設されている。この軸部７ａは、前上アーム６のアーム基枠９の軸穴９ａに嵌合され、クロスローラベアリング１１により相対回転可能に支持されている。手首７はこのような回転関節構造によって前上アーム６に上下方向に旋回可能に支持されているが、ショルダ部３、下アーム４、後上アーム５、前上アーム６、フランジ８といった他のロボット要素の回転関節も同様の構造である。

上記の旋回可能或は捻り回転可能なロボット要素であるショルダ部３、下アーム４、後上アーム５、前上アーム６、手首７、フランジ８は、それぞれアクチュエータ、例えばサーボモータ（図示せず）を駆動源としている。これらのサーボモータに電源を供給したり、或は、ロボットコントローラからサーボモータの駆動回路に制御信号を送信したり、サーボモータのロータリエンコーダからロボットコントローラに回転検知信号を送信したりするために、ベース２から先端の手首７に至るまでのロボット内部には、ケーブル（図示せず）が通されている。

フランジ８に取り付けられるエンドエフェクタがハンドであれば、当該ハンドのアクチュエータであるサーボモータに電源を供給したり、ハンドのサーボモータとロボットコントローラとの間で制御信号や回転検知信号を送受したりするためのケーブルがロボット内部に通される。エンドエフェクタが視覚検査装置のカメラである場合には、カメラに電源を供給したり、カメラの撮影画像信号をロボットコントローラに送信したりするためのケーブルがロボット内部に通される。

このロボット内部にケーブルを通す配線のうち、回転関節部分を通す配線には、図１〜図３に示す回転関節用配線装置１２が用いられる。この図１〜図３の回転関節用配線装置１２は手首７の回転関節のものであるが、他の回転関節に用いられる配線装置も同様の構成のものである。回転関節用配線装置１２は、配線ケース１３内に帯状の長尺なフレキシブルプリント配線板１４を収納してなる。なお、以下では、フレキシブルプリント配線板１４を、ＦＰＣ板１４と称することとする。

回転関節用配線装置１２の配線ケース１３は、透明プラスチック製の両面が開放された円筒状の筐体１５と、中心部に円形の芯部材１６を一体に有した透明プラスチック製の第１の円板１７と、同じく透明プラスチック製の第２の円板１８とから構成されている。 第１の円板１７および第２の円板１８は、筐体１５の両側の開放面を塞ぐためのもので、第１の円板１７は、筐体１５の内側に嵌合する円形嵌合突部１７ａを有し、第２の円板１８は、筐体１５の外側に嵌合する環状嵌合リブ１８ａを有している。第２の円板１８は、第１の円板１７の芯部材１６に図７に示すねじ１９によって固定されて第１の円板１７と一体化される。この一体化された第１の円板１７と第２の円板１８とは、中心に芯部材１６を有したリール２０を構成する。

第１の円板１７と第２の円板１８を一体化してリール２０を構成する際、円形嵌合突部１７ａを筐体１５の内側に嵌合すると共に環状嵌合リブ１８ａを筐体１５の外側に嵌合するようにして、第１の円板１７と第２の円板１８との間に筐体１５を挟むように配する。このとき、筐体１５と第１の円板１７、第２の円板１８との間には若干の隙間が形成されるようになっており、これにより、筐体１５とリール２０とが相対回転可能に組み立てられ、配線ケース１３として構成される。

配線ケース１３の中心部に位置する芯部材１６には、円弧状の保持溝１６ａが形成されており、この保持溝１６ａ内に止め具２１が嵌着されている。一方、筐体１５には、その内周面から外周面に向かって円弧を描くようにしてスリット１５ａが形成されている。また、筐体１５には、スリット１５ａから一方向に向かって反対側にまで延びる深溝１５ｂが形成されており、この深溝１５ｂの先端部は、外周側の側面部が筐体１５の外周面において外方に開放されていると共に、底面部も筐体１５の端面において外方に開放されている。

第１の円板１７の内面（配線ケース１３の内面を構成する側の面）には、芯部材１６と同心に大小径の異なる２本の環状リブ１７ｂ，１７ｃが形成されており、この２本の環状リブ１７ｂ，１７ｃに挟まれた環状の溝状部分を案内路２２としている。また、第１の円板１７の内面には、芯部材１６から放射状に延びる放射状リブ１７ｄが複数本形成されている。なお、放射状リブ１７ｄは、案内路２２内には形成されていない。

配線ケース１３内には、摺動補助器２３が配設されている。摺動補助器２３は、有端環状に形成されたプラスチック製の回転板２４を基台としている。この回転板２４の表裏両面のうち、一方の面には、突部２４ａが突設されている。また、回転板２４の他方の面には、複数本の支持軸２４ｂが回転板２４の円弧に沿って一列に整列した状態で立設されており、この支持軸２４ｂにローラ２５が回転自在に支持されている。このとき、ローラ２５の外径寸法を回転板２４の幅寸法よりも大きくしておくことにより、ローラ２５が回転板２４の内外両周縁から外方に出っ張るようにしている。

更に、回転板２４の支持軸２４ｂが立設された面の一端近くには、他端に向く側の面を円弧凹面２６ａとした保護柱２６が立設されている。この保護柱２６は、その幅が回転板２４の幅よりも狭く、例えば回転板２４の幅の半分程度に定められて回転板２４の外周縁側に偏った位置に設けられている。ここで、回転板２４の両端のうち、保護柱２６が立設された一端とは反対側の他端にはローラ２５が位置し、当該ローラ２５は回転板２４の他端よりも外方に出っ張っている。

このように回転板２４に複数個のローラ２５を配列してなる摺動補助器２３は、図７に拡大して示すように、回転板２４の突部２４ａを第１の円板１７の案内路２２にスライド可能に嵌合するようにして配線ケース１３内に収納されている。そして、回転板２４の突部２４ａが案内路２２にスライド可能に嵌合されることにより、摺動補助器２３は、芯部材１６の周りで当該芯部材１６を中心に回転運動可能になっている。

ＦＰＣ板１４は、図６にも示すように、複数枚重ねられて配線ケース１３内に収容されている。これらＦＰＣ板１４は、いずれも図４（ａ）および（ｂ）に示すように、複数本の導電線２７を形成したプラスチックフィルム、例えばポリイミドフィルム２８に、絶縁被覆のためのプラスチックフィルム、例えばポリイミドフィルム２９を接着剤３０により接着してなる基本構造を有している。この場合、ＦＰＣ板１４としては、図４（ａ）に示すように導電線２７が電源線２７−１として使用される電源用ＦＰＣ板１４−１と、図４（ｂ）に示すように信号線２７−２としてされる信号用ＦＰＣ板１４−２の２種類用意されている。これら、電源線２７−１と信号線２７−２は、厚さについては同一で、線幅については信号線２７−２の方が電源線２７−１よりも狭くなっている。

そして、本実施形態では、電源用ＦＰＣ板１４−１および信号用ＦＰＣ板１４−２は、それぞれロボット駆動用とユーザ用とに分けられている。ロボット駆動用の電源用ＦＰＣ板１４−１は、回転関節（手首７やフランジ８など）のアクチュエータ（駆動源）であるサーボモータと電磁ブレーキに電源を供給するためのものである。ユーザ用の電源用ＦＰＣ板１４−１は、ユーザが選択するエンドエフェクタに電源を供給するためのものとして用いられる。例えば、エンドエフェクタとして、ハンドが選択された場合には、そのハンドの駆動用サーボモータおよび電磁ブレーキに電源を供給するのものとして用いられ、カメラが選択された場合には、カメラおよび撮影箇所照明ランプに電源を供給するものとして用いられるのである。

ロボット駆動用の信号用ＦＰＣ板１４−２は、上記サーボモータとロボットコントローラとの間で制御信号やロータリエンコーダの位置検出信号を送受するためのものとして用いられる。ユーザ用の信号用ＦＰＣ板１４−２は、エンドエフェクタとロボットコントローラとの間で信号を送受するためのものとして用いられている。例えば、エンドエフェクタとして、ハンドが選択された場合には、そのハンドの駆動用サーボモータとロボットコントローラとの間で制御信号やロータリエンコーダの位置検出信号を送受するためのものとして用いられ、カメラが選択された場合には、カメラの画像信号をロボットコントローラに送信するものとして用いられるのである。

複数枚のＦＰＣ板１４としては、電源用ＦＰＣ板１４−１および信号用ＦＰＣ板１４−２がそれぞれ所要枚数使用されている。そして、複数枚のＦＰＣ板１４を重ね合わせる際、信号用ＦＰＣ板１４−２が電源用ＦＰＣ板１４−１により挟まれるように重ね合わされる。この重ね合わせの形態としては、図５（ａ）のように、信号用ＦＰＣ板１４−２が１枚ずつ表裏両側から電源用ＦＰＣ板１４−１により挟まれる形態、図５（ｂ）および図６のように、信号用ＦＰＣ板１４−２が複数枚まとめて電源用ＦＰＣ板１４−１に挟まれる形態、など種々考えられる。

電源用ＦＰＣ板１４−１と、信号用ＦＰＣ板１４−２とでは、図３に示すように長さが異なり、信号用ＦＰＣ板１４−２の方が電源用ＦＰＣ板１４−１よりも長尺となっている。これら長さの異なる２種類のＦＰＣ板１４−１，１４−２は、一端部を揃えた状態で重ね合わされている。このため、長尺側の信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部が短尺側の電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部から更に先方に延びた状態となっている。そして、この２種類のＦＰＣ板１４−１，１４−２の揃えられた一端部は互いに接着され、また、短尺側の電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部から長尺側の信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部に至る部分も互いに接着されている。なお、このＦＰＣ板１４−１，１４−２の接着は必ずしも必要なものではない。

複数枚のＦＰＣ板１４の両端部は、芯部材１６および筐体１５に連結されている。具体的には、互いに揃えられたＦＰＣ板１４−１，１４−２の一端部については、芯部材１６に嵌着された止め具２１の差し込み溝２１ａ内に挿入保持されている。一方、短尺側の電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部から長尺側の信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部に至る部分については、スリット１５ａおよび当該スリット１５ａに連続する深溝１５ｂ内にその全体にわたって挿入され、スリット１５ａの外周側の開放口および深溝１５ｂの先端部の外周側の開放口を塞ぐようにして筐体１５に固定された押え具３１および３２によって押えられている。

このようにして両端部が芯部材１６および筐体１５に連結されたＦＰＣ板１４は、図８にも示すように、配線ケース１３内において、途中部分が摺動補助器２３の両端間の開口部に通され、そして、摺動補助器２３の内側に位置する部分が芯部材１６の外周に所要回数巻かれ、摺動補助器２３の外側に位置する部分が摺動補助器２３の内側での巻き方向と逆の巻き方向になるよう所要回数巻かれている。このように摺動補助器２３の内外両側において巻き方向が異なるＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の両端間の開口部分においてＵ字状に折り返えされた状態になっている。そして、このＵ字状に折り返えされた部分Ｔ（以下、折り返し部分Ｔという。）の内側には、前述した回転板２４の他端に設けられたローラ２５が位置している。なお、ＦＰＣ板１４の枚数は、図５および図６では５枚のように描いたが、図３、図８および図９では煩雑になるのを避けるために３枚のように描いてある。

ＦＰＣ板１４は、図３に示すように、両端部に互いに逆方向に直角に延びる延長部１４ａ，１４ｂを有している。このＦＰＣ板１４の延長部１４ａ，１４ｂのうち、芯部材１６に連結された一端部の延長部１４ａの先端部には、ＦＰＣ板１４の導電線２７に接続された接続端子３３が取着されている。また、筐体１５に連結されたＦＰＣ板１４の他端部のうち、スリット１５ａに保持された短尺な電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部と深溝１５ｂの先端部に保持された長尺な信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部の延長部１４ｂには、それぞれ接続端子３４および３５が取り付けられている。

そして、芯部材１６に保持されたＦＰＣ板１４の延長部１４ａは、第２の円板１８にその外周から中心部にかけて直線状に形成されたスリット１８ｂを通して配線ケース１３の外方へ導出されている。また、筐体１５のスリット１５ａに保持された短尺な電源用ＦＰＣ板１４−１の延長部１４ｂは、スリット１５ａのうち第１の円板１７による閉鎖から除かれた部分を通して配線ケース１３の外方へと導出され、深溝１５ｂの先端部に保持された長尺な信号用ＦＰＣ板１４の延長部位１４ｂは、当該深溝１５ｂの先端部の底面部側（第１の円板１７側）の開放口から配線ケース１３の外方へと導出されている。

ここで、複数のＦＰＣ板１４は、配線ケース１３内に位置する部分については接着されておらず、互いに摺動可能になっている。このＦＰＣ板１４の非接着部分の長さは、図８にも示すように、摺動補助器２３の開放部分でＵ字状の折り返し部分Ｔにおいて内側に位置するＦＰＣ板から外側に位置するＦＰＣ板が離れて互いの間に隙間が形成されるようにするために、折り返し部分Ｔにおいて外側に位置するＦＰＣ板ほど長く定められている。

回転関節用配線装置１２は以上のように構成されている。ここで、この回転関節用配線装置１２の組み立て手順の一例を説明する。まず、複数枚のＦＰＣ板１４を、一端部を揃えるようにして重ね合わせ、両端部分を接着する。そして、延長部１４ａ，１４ｂの先端にそれぞれ接続端子３３〜３５を接続する。

一方、作業台上に第１の円板１７を載せ、筐体１５を第１の円板１７上に、円形嵌合突部１７ａに嵌合させるようにして載せる。次に、摺動補助器２３の回転板２４の突部２４ａを第１の円板１７の案内路２２に嵌め込むようにして摺動補助器２３を筐体１５内に収納する。

その後、重ねられた複数枚のＦＰＣ板１４の一端部を止め具２１の差し込み溝２１ａに差し込んだ上で、当該止め具２１を芯部材１６の保持溝１６ａに嵌着する。次いで、ＦＰＣ板１４を、摺動補助器２３の内側において芯部材１６の周りに所要回数緩く巻き、続いて、ＦＰＣ板１４を摺動補助器２３の両端間の開口部に通して当該摺動補助器２３の内側から外側へと出し、そして、折り返して摺動補助器２３の外側に、内側と巻き方向を逆にして所要回数巻く。

次に、ＦＰＣ板１４のうち、短尺な電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部の延長部１４ｂを筐体１５のスリット１５ａ内に外周側から入れると共に、長尺な信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部の延長部１４ｂを、深溝１５ｂの先端部の内側に、筐体１５の外周側の開放口から入れ、そして、短尺な電源用ＦＰＣ板１４−１の他端部から長尺な信号用ＦＰＣ板１４−２の他端部に至る部分をスリット１５ａおよび深溝１５ｂ内に上方から挿入する。これにより、短尺な電源用ＦＰＣ板１４−１および長尺な信号用ＦＰＣ板１４−２の延長部１４ｂがそれぞれスリット１５ａおよび深溝１５ｂの先端部から第１の円板１７側に導出された状態にする。

次に、第２の円板１８を、そのスリット１８ｂ内に芯部材１６から上向きに導出されている延長部１４ａを外周側から中心側に向けて挿入するようにしながら、筐体１５の上に配置して環状嵌合リブ１８ａを筐体１５の外周に嵌合する。最後に、第２の円板１８をねじ１９によって芯部材１６に固定する。以上により、回転関節用配線装置１２が組み立てられる。

さて、ＦＰＣ板１４を収納した配線ケース１３は、図１に示すように、筐体１５を金属製の保持筒３６に取り付けた上で、筐体１５およびリール２０の相対回転の中心を、手首７および前上アーム６の相対回転の中心に一致させるようにして回転関節部分に配置されている。そして、保持筒３６のフランジ３６ａが例えば手首７の軸部７ａにねじ３７によって固定されている。これにより、筐体１５が保持筒３６を介して手首７（ロボットの相対回転する一方の部材）に固定される。

筐体１５が手首７の軸部７ａに固定された配線ケース１３は、前上アーム６のアーム基枠９にねじ３８によって固定された取り付け枠３９の筒状収納部３９ａ内に収納されている。この筒状収納部３９ａは両端開放型で、一端部に、例えばＴ型の連結枠３９ｂが形成されており、この連結枠３９ｂが第２の円板１８を通して芯部材１６にねじ４０によって固定されている。これにより、リール２０が連結枠３９ｂを介して前上アーム６（ロボットの相対回転する他方の部材）に固定される。なお、連結枠３９ｂには、第２の円板１８のスリット１８ｂから外方に導出されたＦＰＣ板１４の延長部１４ａを通すためのスリット３９ｃが形成されている。そして、前記外カバー１０が取り付け枠３９を覆うようにしてアーム基枠９および取り付け枠３９に複数本のねじ４１によって固定されている。

配線ケース１３の第２の円板１８から導出されたＦＰＣ板１４の一方の延長部１４ａの接続端子３３は、前上アーム６内の所定部位に固定され、この接続端子３４，３５に前上アーム６内に配線された図示しないケーブルが接続端子を介して接続される。また、配線ケース１３の筐体１５から第１の円板１７側に導出された２つの他方の延長部１４ｂの接続端子３４，３５は、手首７内の所定部位に固定され、この接続端子３３に手首７内に配線された図示しないケーブルが接続端子を介して接続される。

以上のようにして前上アーム６内に配線されたケーブルと、手首７内に配線されたケーブルが回転関節用配線装置１２を介して接続される。
次に上記構成の作用を説明する。まず、手首７が前上アーム６に対して相対回転せず、停止している状態では、筐体１５とリール２０との間に相対回転はないため、ＦＰＣ板１４は、配線ケース１３内への収納前の状態、つまり真っ直ぐの状態に戻ろうとして、図９に示すように、摺動補助器２３の内側の部分では当該摺動補助器２３に接するようになり、摺動補助器２３の外側の部分では筐体１５の内周面に接するようになる。また、ＦＰＣ板１４の折り返し部分Ｔでは、やはり真っ直ぐの状態に戻ろうとするために、折り返し部分Ｔのうち摺動補助器２３の内側の部分では、当該摺動補助器２３から離れて芯部材１６に接する状態となる。

この状態から、手首７が前上アーム６に対して相対回転し、これに伴い、筐体１５がリール２０に対して図８に矢印Ｌで示す方向に相対回転すると、当該筐体１５の相対回転方向が、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分についての折り返し部分Ｔから他端側（筐体１５への連結端部側）に向かう方向と同じであるため、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分が矢印Ｌ方向に引っ張られるようになる。すると、ＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の外側部分においては、筐体１５の内面から離れて摺動補助器２３に巻き付き、且つ、折り返し部分Ｔで摺動補助器２３を引っ張るようになって当該摺動補助器２３を矢印Ｌ方向に回転させるようになる。

このとき、摺動補助器２３は筐体１５の回転数のほぼ半分の回転数で回転することから、ＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の内側にある部分が芯部材１６から巻き戻されながら次第に摺動補助器２３の外側に繰り出されるようになってローラ２５から次第に離れるようになり、摺動補助器２３の外側にある部分は内側から繰り出された部分を摺動補助器２３に巻き付けながら、つまりローラ２５に接触して該ローラ２５を回転させながら筐体１５と一体的に矢印Ｌ方向に回転してゆく。
このように、筐体１５が矢印Ｌ方向に相対回転する場合には、ＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の内側では芯部材１６から巻き戻され、摺動補助器２３の外側では当該摺動補助器２３に巻き付くように動作するのである。

一方、手首７が前上アーム６に対して相対回転し、これに伴い、筐体１５がリール２０に対して図９に矢印Ｍで示す方向に相対回転すると、当該筐体１５の相対回転方向が、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分の折り返し部分Ｔから他端側に向かう方向とは反対の方向であるため、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分が筐体１５により押されるようになる。

これにより、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分が緩んで当該摺動補助器２３から離れ、筐体１５の内面に接した状態となって当該筐体１５と一体的に矢印Ｍ方向に回転するようになる。この回転により、ＦＰＣ板１４のうち摺動補助器２３の外側にある部分が停止している摺動補助器２３から巻き戻されるようになると共に、折り返し部分Ｔが摺動補助器２３の一端側のローラ２５から離れて他端側の保護柱２６に当接するようになる。このとき、折り返し部分Ｔが接する保護柱２６の側面は円弧凹面２６ａとなっているから、折り返し部分Ｔが保護柱２６から外れることなく、当該保護柱２６を効率良く押すことができる。

保護柱２６が折り返し部分Ｔから押圧力を受けると、摺動補助器２３が矢印Ｍ方向に回転するようになる。このときの摺動補助器２３の回転数は筐体１５の回転数のほぼ半分となることから、ＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の外側では当該摺動補助器２３からの巻き戻しが継続されて当該巻き戻された部分が摺動補助器２３の内側に押入れられるようになり、そして、摺動補助器２３の内側では外側から入れられてくる部分が摺動補助器２３のローラ２５に接触して該ローラ２５を回転させながら芯部材１６の周りに巻かれてゆくようになる。
このように、筐体１５が矢印Ｍ方向に相対回転する場合には、ＦＰＣ板１４は、摺動補助器２３の内側では芯部材１６に巻き付けられ、摺動補助器２３の外側では当該摺動補助器２３から巻き戻されるように動作するのである。

以上のように、本実施形態の回転関節用配線装置１２によれば、ＦＰＣ板１４が、芯部材１６および筐体１５に連結された両端部間において、芯部材１６および摺動補助器２３に巻き付きおよび巻き戻されるように曲がることによって、筐体１５とリール２０ひいては手首７と前上アーム６の相対回転を吸収する。このため、配線ケース１３の軸方向の厚さ寸法については、ＦＰＣ板１４を収納できる程度の比較的薄いもので済むと共に、径方向についても、ＦＰＣ板１４を芯部材１６および摺動補助器２３に緩く巻き付け得る程度の余裕のある比較的小寸法のもので済むので、狭いスペースでも配設可能で、余分なスペースの余りない小型ロボットに対しても、大型化を招来せず、或は大型化を伴っても僅かに大きくするだけで済むようになる。

特に、エンドエフェクタとしてカメラを選択した場合、従来では、カメラの画像信号を送信するケーブルは、芯線を網目状導体で囲んだシールドケーブルを使用していため、捻りには弱く、したがって前記特許文献１および特許文献２に示されたように、シールドケーブルを回転関節の回転中心部に配置して捻りによりロボットの２部材の相対回転を吸収する構成を採用することが困難であった。このため、シールドケーブルを使用する際には、外部配線方式を採用せざるを得ず、同じ動作をするにも、この外部に配線されたシールドケーブル分だけ余分に空間が必要となり、同じ領域サイズを持つ外部ケーブルなしのロボットに比べて動作領域が制限（狭く）される問題を生じていた。

この点に関し、本実施形態では、ＦＰＣ板１４の曲げによって２部材の相対回転を吸収する構成であるので、シールドケーブルに替えてシールド構造としたＦＰＣ板を使用することでカメラの画像信号を送信するケーブルについても、回転関節用配線装置１２のＦＰＣ板１４のうちに入れることで内部配線方式とすることができるものである。

その上、ＦＰＣ板１４の表裏はプラスチック製（ポリアミド製）で低摩擦であるから、筐体１５がリール２０に対して相対回転する際、重ねられた複数枚のＦＰＣ板１４どうしは、多少ではあるが互いに擦れ合うという事情があっても、実際の運用時には、油が塗布されることもあり、摩耗進行が非常に遅く長期使用に耐え得る。

しかも、複数のＦＰＣ板１４は、線幅の狭い信号線２７−２を有した信号用ＦＰＣ板１４−２が線幅の広い電源線２７−１を有した電源用ＦＰＣ板１４−１に挟まれているので、ＦＰＣ板１４がローラ２５、筐体１５、芯部材１６などに接してダメージを受けても、線幅の狭い信号線２７−２が早期に断線するといった不具合の生ずることを防止できる。したがって、手首７が高速度で相対回転したり、長時間運転されたりしても、ＦＰＣ板１４が早期に損傷することを防止して長寿命とすることができる。

また、本実施形態では、第１の円板１７の内面に放射状リブ１７ｄが形成されているので、ＦＰＣ板１４の巻き付き巻き戻し動作がこの放射状リブ１７ｄに摺接しながら行われるようになり、ＦＰＣ板１４が第１の円板１７の内面に摺接する場合に比べて、ＦＰＣ板１４の低摩耗化を図ることができる。ちなみに、第２の円板１８の内面には放射リブは設けられていない。これは、ＦＰＣ板１４の両端部のうち、筐体１５に連結される側の端部に延長部１４ｂが形成されていて当該延長部１４ｂを介して配線ケース１３内に位置するＦＰＣ板１４が第１の円板１７側に引っ張られる関係上、ＦＰＣ板１４が第１の円板１７の内面に接し勝ちで、第２の円板１８の内面に接する機会は少ないと考えられるからである。勿論、第２の円板１８の内面にも放射リブを設けるようにしても良い。
このようにＦＰＣ板１４の早期摩耗を防止できるので、手首７が前上アーム６に対して高速度で旋回したり、長時間連続運転されたりしても、長期使用が可能となるものである。

また、本実施形態では、特に、筐体１５と芯部材１６との間に摺動補助器２３が回転運動可能に配設されているので、筐体１５の相対回転によりＦＰＣ板１４が押される力を受けた場合、筐体１５と摺動補助器２３、或は芯部材１６と摺動補助器２３とによってＦＰＣ板１４を支えて当該ＦＰＣ板１４が座屈することを防止する。このため、ＦＰＣ板１４が配線ケース１３内において絡まることを効果的に防止できる。

その上、筐体１５がリール２０に対して相対回転するとき、ＦＰＣ板１４は摺動補助器２３に接触しながら巻き付きおよび巻き戻されるように動作するが、摺動補助器２３に対する接触はローラ２５に対するものであるから、転がり接触となって低摩擦低摩耗となる。

このようにＦＰＣ板１４が巻き付き巻き戻し動作する際、摺動補助器２３の存在によってＦＰＣ板１４が座屈して絡まったりすることなく、しかも、ＦＰＣ板１４が摺動補助器２３に対してローラ２５を介する低摩擦低摩耗の転がり接触となって当該摺動補助器２３を円滑に回転させながら巻き付き巻き戻し動作するので、手首７が前上アーム６に対して高速度で旋回しても、産業用ロボット１が長時間連続運転されても、ＦＰＣ板１４の絡まりや早期摩耗の問題を生ずることを極力防止しながら、長期使用が可能となるものである。

その上、本実施形態では、特に、回転板２４の幅をローラ２５の直径よりも小さくしたので、ＦＰＣ板１４が回転板２４に接触する恐れがない。また、回転板２４の両端部のうち折り返し部分Ｔの内側に位置する側の端部にはローラ２５が設けられているので、ＦＰＣ板１４の折り返し部分Ｔが摺動補助器２３を引っ張るようにして回転させる場合、折り返し部分Ｔは当該ローラ２５への接触となる。このように、ＦＰＣ板１４は、極力摺動補助器２３のローラ２５に接触しながら巻き付き巻き戻し動作するように図られているので、ＦＰＣ板１４の摺動補助器２３に対する低摩擦（低摩耗）接触がより確実に達成される。

また、本実施形態では、保護柱２６を回転板２４の外周寄りに偏った位置に設けたので、芯部材１６と保護柱２６との間の隙間が広くなり、折り返し部分Ｔが上記隙間内に引き込まれるといった事態の発生を極力防止することが可能となる。つまり、筐体１５が図９に示す矢印Ｍ方向に回転している状態から逆転して図８に示す矢印Ｌ方向に回転するようなとき、摺動補助器２３も矢印Ｌ方向に回転して保護柱２６がＦＰＣ板１４の折り返し部分Ｔを押すことがある。このときに、長時間運転で温度が上昇してＦＰＣ板１４が軟らかくなっていたり、芯部材１６やＦＰＣ板１４に摩擦係数低減のためにグリースなどが塗られていたりすると、ＦＰＣ板１４が芯部材１６や芯部材１６に巻かれているＦＰＣ板１４に密着し、このために、折り返し部分Ｔが図１０に二点鎖線で示すように芯部材１６と保護柱２６との間の隙間内に膨らみ出ることがある。このとき、保護柱２６が回転板２４の外周縁に偏って立設されておらず、回転板２４の幅全体に立設されていると、芯部材１６と保護柱２６との間の隙間が狭く、当該狭い隙間内に折り返し部分Ｔの膨らみ出た部分（以下、膨出部分）ｔが保護柱２６と芯部材１６との間の隙間内に引き込まれる恐れがある。しかしながら、本実施形態では、芯部材１６と保護柱２６との間の隙間が広く取られているので、そのような膨出部分ｔが芯部材１６と保護柱２６との間の隙間内に引き込まれるような事態を防ぐことができるものである。

そして、本実施形態では、配線ケース１３を構成する筐体１５、第１の円板１７、第２の円板１８が透明プラスチック製であるから、定期点検の折に、外カバー１０を取り外せば、配線カバー１３内のＦＰＣ板１４の状態を目で見ることができる。このため、ＦＰＣ板１４の絡まりや摩耗状況、或は断線の有無などを、回転関節用配線装置１２を回転関節部分から取り外すことなく容易に点検することができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
ＦＰＣ板１４のプラスチックフィルムは、ポリイミドに限られず、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などであっても良い。
電源用ＦＰＣ板１４−１と信号用ＦＰＣ板１４−２とで長さを特に異ならせる必要はない。
摺動補助器２３の案内路２２は、第２の円板１８側に形成しても良い。
保護柱２６は、回転板２４の幅全体にわたる幅で形成しても良い。

図面中、６は前上アーム、７は手首、９はアーム基枠、１０は外カバー、１２は回転関節用配線装置、１３は配線ケース、１４はフレキシブルプリント配線板、１５は筐体、１６は芯部材、１７は第１の円板、１８は第２の円板、２０はリール、２２は案内路、２３は摺動補助器、２４は回転板、２５はローラ、２６は保護柱、２６ａは円弧凹面、３３〜３５は接続端子である。

Claims (3)

1. ロボットの相対回転する一方の部材と他方の部材との間での配線を行うものであって、
   筒状に形成され軸方向の両面を開放した筐体と、前記筐体の中心部に配置された芯部材により前記筐体の軸方向の両面を塞ぐように配置された２枚の蓋板を一体化してなり前記筐体に対して相対回転可能なリールとを備え、前記筐体および前記リールのうちの一方および他方が前記ロボットの相対回転する前記一方の部材および前記他方の部材に固定される配線ケースと、
   導電線を絶縁被覆してなり前記配線ケース内に前記芯部材の外周に巻くように収納されて一端側が前記筐体に取り付けられ他端側が前記芯部材に取り付けられたフレキシブルプリント配線板を備えてなるロボットの回転関節用配線装置。
2. 前記フレキシブルプリント配線板として、少なくとも、前記ロボットのアクチュエータまたは前記ロボットに取り付けられるエンドエフェクタの電源線を前記導電線として有した２枚のフレキシブルプリント配線板と、前記アクチュエータまたは前記エンドエフェクタの信号線を前記導電線として有した１枚のフレキシブルプリント配線板とが備えられ、
   前記少なくとも３枚のフレキシブルプリント配線板は、前記電源線を有した２枚のフレキシブルプリント配線板の間に、前記信号線を有したフレキシブル配線板を挟むように重ねた状態で前記配線ケース内に収納されていることを特徴とする請求項１記載のロボットの回転関節用配線装置。
3. 前記２枚の蓋板のうち、少なくとも一方は、前記配線ケースの内面を構成する面に、前記芯部材から外周に向かって放射状に延びる複数のリブを有していることを特徴とする請求項１または２記載のロボットの回転関節用配線装置。

Images