JP2012070558A - 電気機械装置およびそれを用いたアクチュエーター、モーター - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械装置を小型化する技術を提供する。
【解決手段】電気機械装置の一種である動力発生装置１００は、中心軸１１０と、永久磁石１２３を有するローター１２１と、ローター１２１の外周に配置されたステーターである電磁石１２４と、ローター１２１に連結され、回転駆動力の伝達に用いられる回転機構部１３０とを備える。ローター１２１には、中心軸１１０と永久磁石１２３との間において、少なくとも中心軸１１０の軸方向の一方に開口し、回転機構部１３０の少なくとも一部を収容する収容空間としての凹部１２１２が形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、電気機械装置に関する。

ロボットの関節部位を駆動する動力源としては、通常、モーターが用いられる（下記特許文献１等）。モーターは、一般に、モーターの回転速度やトルクを調整する減速機などの回転機構と接続されて用いられる。ロボットを小型化するためには、モーターやそれに接続される回転機構によって構成される電力と動力とを変換する電気機械装置が、よりコンパクトに構成されることが望ましい。これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

特開２００８−１５９８４７号公報

本発明は、電気機械装置を小型化する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
電気機械装置であって、
中心軸と、
前記中心軸の外周に沿って配置されたローター磁石を有するローターと、
前記ローターの外周に配置されたステーターと、
前記ローターに連結され、回転駆動力の伝達に用いられる回転機構と、
を備え、
前記ローターには、前記中心軸と前記ローター磁石との間において、少なくとも前記中心軸の軸方向の一方に開口し、前記回転機構の少なくとも一部を収容する収容空間が形成されている、電気機械装置。
この電気機械装置によれば、回転機構の少なくとも一部がローターの収容空間に収容されて、回転を発生させるローターと、それを伝達する回転機構とが一体的に構成される。従って、電気機械発生装置が小型化される。

［適用例２］
適用例１記載の電気機械装置であって、
前記中心軸は、前記中心軸の軸方向に延びる貫通孔を有し、
前記貫通孔には、前記ローターの回転を制御するための電気を送信する導電線が挿通されている、電気機械装置。
この電気機械装置によれば、ローターの回転を制御するための導電線が、中心軸の内部に挿通されるため、導電線の外部への露出が抑制され、導電線の保護性や配設性が向上する。また、電気機械装置が搭載される機器の意匠性が、導電線の露出によって低下してしまうことが抑制される。

［適用例３］
適用例１または２記載の電気機械装置であって、
前記回転機構は、前記ローターに一体的に設けられたサンギアと、前記収容空間に配置されたプラネタリーギアおよびアウターギアと、を有し、増速機または減速機として機能する遊星ギアを含む、電気機械装置。
この電気機械装置によれば、遊星ギアとローターとが一体的に構成されるため、電気機械装置が小型化される。

［適用例４］
適用例１または２記載の電気機械装置であって、
前記回転機構は、前記ローターに一体的に設けられたウェーブジェネレーターと、前記収容空間に配置されたフレックススプラインおよびサーキュラスプラインと、を有するハーモニックドライブ機構を含む、電気機械装置。
この電気機械装置によれば、ハーモニックドライブ（登録商標）機構とローターとが一体的に構成されるため、電気機械装置が小型化される。

［適用例５］
アクチュエーターであって、
適用例１〜４のいずれか一つに記載の電気機械装置を備える、アクチュエーター。
このアクチュエーターによれば、駆動源として小型化された電気機械装置を用いるため、よりコンパクトな構成とすることが可能である。

［適用例６］
モーターであって、
中心軸と、
前記中心軸の外周に沿って配置されたローター磁石を有するローターと、
前記ローターの外周に配置されたステーターと、
を備え、
前記中心軸と前記ローター磁石との間には、少なくとも前記中心軸の軸方向の一方に開口し、前記ローターに連結され、回転駆動力の伝達に用いられる回転機構の少なくとも一部を収容するための収容空間が形成されている、モーター。
このモーターであれば、ローターと回転機構とをよりコンパクトに一体的化して構成することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、モーターや発電装置などの電気機械装置、それを用いたアクチュエーターやロボット、移動体等の形態で実現することができる。

第１実施例におけるロボットアームの構成を示す概略図。 参考例としてのロボットアームの構成を示す概略図。 第１実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略断面図。 第１実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略分解断面図。 第１実施例の動力発生装置の内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための模式図。 第１実施例の他の構成例としての動力発生装置の構成を示す概略図。 第１実施例の他の構成例としての動力発生装置の構成を示す概略図。 第１実施例の他の構成例としての動力発生装置の構成を示す概略図。 第２実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略断面図。 第２実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略分解断面図。 第２実施例の動力発生装置の二段式の遊星ギアにおいて、回転駆動力が伝達される機構を説明するための模式図。 第３実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略断面図。 第３実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略分解断面図。 第３実施例の動力発生装置の内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための模式図。 第４実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略断面図。 第４実施例の動力発生装置の内部構成を示す概略分解断面図。 第４実施例の動力発生装置の内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための模式図。 第５実施例の動力発生装置の構成を示す概略断面図。 第５実施例の動力発生装置に取り付けられる回転軸の種類を例示する概略図。

A．第１実施例：
図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例としてのロボットアーム１０の構成を示す概略図である。図１（Ａ）は、ロボットアーム１０の変形態様を示す模式図であり、変形前のロボットアーム１０と、変形後のロボットアーム１０とが図示されている。なお、図１（Ａ）には、互いに直交する３次元矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。

ロボットアーム１０は、４つの基体部１１〜１４を備える。４つの基体部１１〜１４はそれぞれ、第１〜第３の関節部Ｊ１〜Ｊ３を介して、互いに直列に連結されている。以後、ロボットアーム１０において、第１の基体部１１側を「後端側」と呼び、第４の基体部１４側を「先端側」と呼ぶ。

ロボットアーム１０は、各関節部Ｊ１〜Ｊ３における回動により、各基体部１１〜１４の連結角度が変わり、全体として湾曲状の形態に変形する。なお、図１（Ａ）では、ロボットアーム１０の変形後の態様として、ロボットアーム１０が紙面上側に向かって湾曲した状態が図示されている。

図１（Ｂ）は、ロボットアーム１０の内部構成を示す概略断面図である。なお、図１（Ｂ）には、図１（Ａ）と対応するように三次元矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。各基体部１１〜１４の内部は中空であり、各関節部Ｊ１〜Ｊ３の動力源である動力発生装置１００と、動力発生装置１００からの駆動力が伝達される２つのベベルギア（かさ歯車）２１，２２と、が収容されている。以下では、第１と第２の基体部１１，１２を連結する第１の関節部Ｊ１の構成について説明する。なお、第２と第３の基体部１２，１３を連結する第２の関節部Ｊ２および第３と第４の基体部１３，１４を連結する第３の関節部Ｊ３の構成は、第１の関節部Ｊ１の構成と同様であるため、その説明は省略する。

動力発生装置１００は、電磁力により回転駆動力を発生するモーターを有している。動力発生装置１００の詳細な内部構成については後述する。動力発生装置１００は、第１の基体部１１の先端側に配置されており、第１のベベルギア２１の回転軸と接続されている。第１のベベルギア２１は、その回転軸が第１と第２の基体部１１，１２の境界を貫通するように配置され、回転軸の先端に設けられた歯車部（ギア部）が第２の基体部１２内に配置されている。

第２のベベルギア２２は、第２の基体部１２の後端側において、そのギア部が第１のベベルギア２１のギア部と連結するように、第２の基体部１２の内壁面に固定的に取り付けられている。動力発生装置１００から伝達された回転駆動力によって、第１のベベルギア２１が回転する。第１のベベルギア２１の回転により、第２のベベルギア２２が回転し、第２の基体部１２が回動する。

ところで、ロボットアーム１０の内部には、各動力発生装置１００に電力や制御信号を送信するための導電線の束である導電線束２５が挿通されている。具体的には、導電線束２５は、後端側から第１の基体部１１の内部に挿通され、その一部の導電線が分岐して第１の基体部１１内の動力発生装置１００の接続部に接続される。そして、残りの導電線束２５は、動力発生装置１００の中央を通る貫通孔（後述）と、第１のベベルギア２１の中心軸を貫通する貫通孔（図示は省略）とを通って、第２の基体部１２へと延びる。

導電線束２５は、第２の基体部１２においても、同様に配設されている。即ち、第２の基体部１２内部に挿通された導電線束２５は、その一部が動力発生装置１００に接続され、残りが、動力発生装置１００および第１のベベルギア２１の内部を通って、第３の基体部１３へと挿通される。そして、第３の基体部１３に挿通された導電線束２５は、動力発生装置１００に接続される。

図２（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の参考例としてのロボットアーム１０ｃｆを示す概略図である。図２（Ａ），（Ｂ）は、導電線束２５が動力発生装置１００および第１のベベルギア２１の外部に配線されている点以外は、図１（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。

この参考例のロボットアーム１０ｃｆでは、導電線束２５が各関節部Ｊ１〜Ｊ３において外部に露出されている。そのため、ロボットアーム１０ｃｆの変形に伴って、各関節部Ｊ１〜Ｊ３において、導電線束２５が各基体部１１〜１４に挟まれるなどして劣化してしまう可能性がある。また、導電線束２５が外部に露出していることにより、ロボットアーム１０ｃｆの意匠性を低下させてしまう可能性がある。しかし、本実施例のロボットアーム１０であれば、導電線束２５の外部に露出していないため、こうした不具合の発生が抑制されている。

図３は、動力発生装置１００の内部構成を示す概略断面図であり、図４は、動力発生装置１００の各構成部を分解して示す概略分解断面図である。なお、図３および図４には、動力発生装置１００に接続される第１のベベルギア２１の回転軸が破線で図示されている。動力発生装置１００は、中心軸１１０と、モーター部１２０と、回転機構部１３０とを備える。

モーター部１２０と回転機構部１３０とは、後述するように、互いに勘合して一体化するように配置され、中心軸１１０は、一体化されたモーター部１２０と回転機構部１３０の中央を貫通するように配置される。中心軸１１０は、軸方向に延びる貫通孔１１１を有しており、貫通孔１１１には、導電線束２５が挿通されている。

モーター部１２０は、ローター１２１と、ケーシング１２２とを備える。ローター１２１の本体部は略円盤形状を有しており、その本体部の側壁の外周面には、永久磁石１２３が配列されている。なお、永久磁石１２３の裏側の面（ローター１２１の側壁側の面）には、磁力効率を向上させるためのバックヨーク１２５が配置されている。

ローター１２１は、その中央に中心軸１１０を挿通させるための貫通孔１２１１を有している。なお、貫通孔１２１１の内壁面と、中心軸１１０の外周面との間には、ローター１２１が中心軸１１０を中心に回転可能とするための軸受け部１１２が配置されている。軸受け部１１２は、例えば、ボールベアリングによって構成することができる。

ローター１２１の回転機構部１３０と対向する側の面には、貫通孔１２１１を中心とする略円環状の溝として形成された凹部１２１２が設けられている。貫通孔１２１１と凹部１２１２とを隔てる略円筒状の隔壁１２１３の外側の壁面には、ギア歯１２１ｔが形成されている。以後、このローター１２１の中央に設けられたギア歯１２１ｔを有する隔壁１２１３を「ローターギア１２１３」と呼ぶ。後述するように、本実施例におけるローターギア１２１３は、遊星ギアのサンギアとして機能する。

ケーシング１２２は、回転機構部１３０と対向する側の面が開放された略円筒形状の中空容体であり、ローター１２１を収容する。ケーシング１２２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；carbon fiber reinforced plastics）などの樹脂材料によって構成されるものとしても良い。これによって、動力発生装置１００の軽量化が可能である。

ケーシング１２２の底面の中央には、中心軸１１０を挿通するための貫通孔１２２１が形成されている。中心軸１１０とケーシング１２２とは互いに固定的に取り付けられる。なお、ケーシング１２２の外側には、中心軸１１０の保持性を向上させるための軸受けリング１１３が勘合的に取り付けられている。

ケーシング１２２の内周面には、電磁石１２４が、ローター１２１の永久磁石１２３と間隔を有しつつ対向するように配列されている。即ち、モーター部１２０では、電磁石１２４がステーターとして機能し、中心軸１１０を中心としてローター１２１を回転させる。なお、電磁石１２４とケーシング１２２との間には、磁力効率を向上させるためのバックヨーク１２５が配置されている。

ケーシング１２２の底面には、永久磁石１２３の位置を検出する位置検出部１２６と、ローター１２１の回転を制御するための回転制御回路１２７が設けられている。位置検出部１２６は、例えば、ホール素子によって構成され、永久磁石１２３の周回軌道の位置に対応するように配置されている。位置検出部１２６は、回転制御回路１２７と信号線を介して接続されている。

回転制御回路１２７には、導電線束２５から分岐した導電線が接続されている。また、回転制御回路１２７は、電磁石１２４と電気的に接続されている。回転制御回路１２７は、位置検出部１２６が出力する検出信号を動力発生装置１００の駆動を制御する制御部（図示せず）に送信する。また、回転制御回路１２７は、制御部からの制御信号に従って、電磁石１２４に電力を供給して磁界を発生させ、ローター１２１を回転させる。

回転機構部１３０は、ローター１２１のローターギア１２１３とともに遊星ギアを構成し、減速機として機能する。回転機構部１３０は、ギア固定部１３１と、３個のプラネタリーギア１３２と、負荷接続部１３３とを備える。なお、図３および図４では便宜上、２個のプラネタリーギア１３２のみを図示してある。

ギア固定部１３１は、内壁面にギア歯１３１ｔが設けられた略円環状のギアであるアウターギア１３１１と、アウターギア１３１１の外周に突出した鍔部１３１２とを有している。ギア固定部１３１は、鍔部１３１２と、モーター部１２０のケーシング１２２の側壁端面とを固定用ボルト１１４によって締結することにより、モーター部１２０に固定的に取り付けられる。

ギア固定部１３１のアウターギア１３１１は、ローター１２１の凹部１２１２に収容される。また、アウターギア１３１１の内周面と、ローターギア１２１３の外周面との間には、３個のプラネタリーギア１３２が、ローターギア１２１３の外周に沿って、ほぼ等間隔で配置される。なお、プラネタリーギア１３２のギア歯１３２ｔと、アウターギア１３１１のギア歯１３１ｔおよびローターギア１２１３のギア歯１２１ｔとが互いに噛み合うことにより、これら３種のギア１２１３，１３２，１３１１は連結される。

負荷接続部１３３は、プラネタリーキャリアとして機能する略円筒形状の部材である。負荷接続部１３３の底面の中央には、中心軸１１０を挿通する貫通孔１３３１が設けられている。貫通孔１３３１の内壁面と、中心軸１１０の外周面との間には、負荷接続部１３３が中心軸１１０を中心に回転可能とするための軸受け部１１２が配置されている。なお、負荷接続部１３３に取り付けられた軸受け部１１２と、ローター１２１に取り付けられた軸受け部１１２との間には、スペーサー１１５が配置される。

ここで、ギア固定部１３１の中央部には、アウターギア１３１１の内周空間に連通する略円形形状の開口部１３１３が形成されており、負荷接続部１３３は、その開口部１３１３に配置される。負荷接続部１３３のモーター部１２０側（図３および図４の紙面右側）の低面には、ローター１２１の凹部１２１２に収容されたプラネタリーギア１３２の回転軸１３２ｓを回転可能に保持するための軸孔１３３２が形成されている。

負荷接続部１３３の外側（図３および図４の紙面左側）の底面には、中心軸１１０の保持性を向上させるための軸受けリング１１３が勘合的に取り付けられている。負荷接続部１３３の外側の底面には、さらに、第１のベベルギア２１の回転軸が、固定用ボルト１１４によって固定されている。

図５は、動力発生装置１００の内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための模式図である。図５には、中心軸１１０の軸方向に沿って動力発生装置１００を見たときの、ローターギア１２１３と、３個のプラネタリーギア１３２と、アウターギア１３１１と、負荷接続部１３３とが模式的に図示されている。なお、図５では、便宜上、各ギアのギア歯の図示は省略されている。

ここで、動力発生装置１００において、ローター１２１の回転にともなってサンギアであるローターギア１２１３が、一点鎖線の矢印で図示する方向に回転する場合を想定する。上述したとおり、アウターギア１３１１は固定配置されているため、ローターギア１２１３の回転に伴って、各プラネタリーギア１３２が、自身の回転軸１３２ｓを中心に実線矢印で図示する方向に回転しつつ、ローターギア１２１３の周りを二点鎖線の矢印で示す方向に周回移動する。各プラネタリーギア１３２の周回移動に伴って、負荷接続部１３３が回転し、負荷接続部１３３に接続された第１のベベルギア２１（図１）が回転する。

ところで、通常のモーターでは、モーターの応答性を向上させるために、ローターの径を縮小し、そのイナーシャ（モーターイナーシャ）を低減させ、イナーシャ特性を向上させることが好ましい。これに対し、本実施例のモーター部１２０では、ローター１２１の径は、回転機構部１３０を収容可能な程度に拡大されており、モーターイナーシャが増大されている。しかし、本発明の発明者は、本実施例のように、ローター１２１を大径化し、モーターイナーシャが増大した場合であっても、動力発生装置１００の制御に対する過渡応答性の低下は抑制されることを見出した。この理由は、以下のためである。

即ち、本実施例の動力発生装置１００では、ローター１２１の径の大型化に伴い、モーター部１２０において発生するトルクが増大されており、ローター１２１の回転開始時、回転方向の切替時において、回転機構部１３０に伝達されるトルクが増大されている。従って、動力発生装置１００では、モーター部１２０の回転の変化に対して即応的に回転機構部１３０を追従させることができ、動力発生装置１００の過渡応答性の低下が抑制される。即ち、動力発生装置１００では、モーター部１２０におけるイナーシャ特性の低下が、ローター１２１の大径化に伴うトルク特性の向上によって補償されている。

このように、本実施例の動力発生装置１００では、ローター１２１にサンギアが一体的に設けら、ローター１２１に設けられた凹部１２１２に、プラネタリーギア１３２と、アウターギア１３１１とが収容されている。即ち、動力発生装置１００は、モーターと減速機である遊星ギアとが、コンパクトに一体化された構成を有しており、この動力発生装置１００を用いることにより、ロボットアーム１０を小型化・軽量化することが可能である。

また、動力発生装置１００では、ローター１２１の回転駆動を制御するための導電線束２５が、中心軸１１０の内部に挿通されている。従って、この動力発生装置１００を用いることにより、導電線束２５の配設性が向上する。また、導電線束２５が外部に露出することを回避でき、ロボットアーム１０の駆動に伴う導電線束２５の劣化を抑制するとともに、ロボットアーム１０の意匠性の向上が可能である。

B．第１実施例の他の構成例：
図６（Ａ）は、本実施例の他の構成例としての動力発生装置１００ａの構成を示す概略図である。図６（Ａ）は、ブラシシール部１４０が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。ブラシシール部１４０は、負荷接続部１３３の側面と、ギア固定部１３１の開口部１３１３の内周面との間に設けられ、動力発生装置１００の内部への塵芥の侵入を抑制する。これによって、動力発生装置１００の劣化が抑制される。

図６（Ｂ）は、本実施例の他の構成例としての動力発生装置１００ｂの構成を示す概略図である。図６（Ｂ）は、ブラシシール部１４０に換えて、ゴムシール部１４１が設けられている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。ゴムシール部１４１は、負荷接続部１３３の側面と、ギア固定部１３１の開口部１３１３の内周面との間に設けられ、動力発生装置１００を気密にシールする。これによって、気流による動力発生装置１００におけるギアやローターの回転損失を低減することができる。

図７（Ａ）は、本実施例の他の構成例としての動力発生装置１００ｃの構成を示す概略図である。図７（Ａ）は、熱交換フィン１４２が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。熱交換フィン１４２は、モーター部１２０のケーシング１２２の外表面に設けられている。これによって、電磁石１２４におけるコイル電流による発熱を効率的に冷却することができ、モーター部１２０の出力トルクを増大させることができる。なお、熱交換フィン１４２と、電磁石１２４のためのバックヨーク１２５とを直接的に接触するように配置するものとしても良い。これによって、電磁石１２４の発熱に対する放熱効果を向上させることができる。熱交換フィン１４２に換えて、ケーシング１２２の外周に冷媒ジャケットを装着させるものとしても良い。

図７（Ｂ）は、本実施例の他の構成例としての動力発生装置１００ｄの構成を示す概略図である。図７（Ｂ）は、回転制御回路１２７に換えて、ケーシング１４４の内部に、制御部１４３と、通信部１４３ｃと、ドライバ回路１４３ｄとが設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。制御部１４３は、中央処理装置と主記憶装置とを有するマイクロコンピュータによって構成され、通信部１４３ｃと、ドライバ回路１４３ｄとを制御する。通信部１４３ｃは、外部とのコマンドの通信を実行する。ドライバ回路１４３ｄは、制御部１４３の指令に応じて、電磁石１２４に流す電流を制御する。即ち、この構成例では、動力発生装置１００ｄに一体的に設けられた制御部１４３、通信部１４３ｃ、ドライバ回路１４３ｄによって、動力発生装置１００ｄを、外部から送信されたコマンド指令に応じて駆動させることができる。

図８（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の他の構成例としての動力発生装置１００ｅの構成を示す概略図である。図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、負荷接続部１３３に換えて、負荷接続部１３３ｅが設けられ、第１のベベルギア２１の回転軸を示す破線が省略されている点以外は図３とほぼ同じである。図８（Ａ），（Ｂ）の構成例における動力発生装置１００ｅは、第１実施例の動力発生装置１００とは異なり、ロボットアーム１０とは異なる構成を有するアクチュエーターやマニピュレーターに用いられる。

図８（Ａ）に示す構成例では、負荷接続部１３３ｅは、ギア固定部１３１から突出した側壁面にギア歯１３３ｔが設けられた平歯車と一体的に構成されている点以外は、第１実施例の負荷接続部１３３（図３）と同様に構成されている。即ち、この構成例では、負荷接続部１３３ｅが、プラネタリーキャリアとして機能するとともに、外部負荷へと回転駆動力を伝達するギアとしても機能する。

図８（Ｂ）に示す構成例は、負荷接続部１３３ｅがベベルギアと一体的に構成されている点以外は、図８（Ａ）の構成例と同様の構成である。このように、負荷接続部１３３ｅは、種々のタイプのギアと一体的に構成することが可能である。

C．第２実施例：
図９，図１０は本発明の第２実施例としての動力発生装置１００Ａの構成を示す概略図である。図９は、動力発生装置１００Ａの内部構成を示す概略断面図であり、図１０は、動力発生装置１００Ａの各構成部を分解して示す概略分解断面図である。この動力発生装置１００Ａは、遊星ギアを二段重ねた減速機とモーターとを一体化した構成を有しており、以下の点が第１実施例の動力発生装置１００（図３，図４）と異なる。

第２実施例の動力発生装置１００Ａは、回転機構部１３０Ａを有している。回転機構部１３０Ａのギア固定部１３１Ａには、中心軸１１０の軸方向に並列に重ねて設けられた第１と第２のアウターギア１３１１ａ，１３１１ｂが設けられている。第１と第２のアウターギア１３１１ａ，１３１１ｂは、ギア固定部１３１Ａがケーシング１２２に固定的に取り付けられたときに、ともにローター１２１の凹部１２１２に収容される。

第１のアウターギア１３１１ａは、ローターギア１２１３と第１のプラネタリーギア１３２ａを介して連結される。即ち、ローターギア１２１３は、一段目の遊星ギアにおけるサンギアとして機能する。第１のプラネタリーギア１３２ａは、プラネタリーキャリア１３５に回転可能に取り付けられる。

プラネタリーキャリア１３５は、比較的径が大きい円筒形状の前段部１３５１と、比較的経の小さい円筒形状の後段部１３５２とが連接された回転部材である。プラネタリーキャリア１３５の前段部１３５１は、第１と第２のアウターギア１３１１ａ，１３１１ｂの間に配置され、その底面に第１のプラネタリーギア１３２ａの回転軸１３２ｓを保持するための軸孔１３５４が設けられている。後段部１３５２は、側壁面にギア歯１３５ｔが形成されるとともに、第２のアウターギア１３１１ｂの内周空間に配置される。

なお、プラネタリーキャリア１３５の中央部には、中心軸１１０を挿通するための貫通孔１３５３が、前段部１３５１および後段部１３５２をともに貫通して設けられている。貫通孔１３５３と中心軸１１０との間には、プラネタリーキャリア１３５を回転可能とするための軸受け部１１２が配置される。なお、軸受け部１１２同士の間には、適宜、スペーサー１１５が配置される。

プラネタリーキャリア１３５の後段部１３５２と、第２のアウターギア１３１１ｂとの間には、第２のプラネタリーギア１３２ｂが配置される。即ち、後段部１３５２は、二段目の遊星ギアにおけるサンギアとして機能する。第２のプラネタリーギア１３２ｂは、プラネタリーキャリアとして機能する負荷接続部１３３に、回転可能に取り付けられる。

図１１（Ａ），（Ｂ）は、動力発生装置１００Ａの二段式の遊星ギアにおいて回転駆動力が伝達される機構を説明するための、図５と同様な模式図である。図１１（Ａ）には、ローターギア１２１３と、第１のプラネタリーギア１３２ａと、第１のアウターギア１３１１ａと、プラネタリーキャリア１３５の前段部１３５１とで構成される一段目の遊星ギアが図示されている。一段目の遊星ギアでは、ローターギア１２１３の回転に伴って、第１のプラネタリーギア１３２ａが自身の回転軸１３２ｓを中心に回転しつつ、ローターギア１２１３の外周を周回移動する。第１のプラネタリーギア１３２ａの周回移動に伴って、プラネタリーキャリア１３５の前段部１３５１が回転する。

なお、図１１（Ａ）では、ローターギア１２１３の回転方向を一点鎖線の矢印で図示し、第１のプラネタリーギア１３２ａの回転方向を実線の矢印で図示してある。また、第１のプラネタリーギア１３２ａの周回移動の方向、即ち、プラネタリーキャリア１３５の回転方向を二点鎖線の矢印で図示してある。

図１１（Ｂ）には、プラネタリーキャリア１３５の後段部１３５２と、第２のプラネタリーギア１３２ｂと、第２のアウターギア１３１１ｂと、負荷接続部１３３で構成される二段目の遊星ギアが図示されている。二段目の遊星ギアでは、プラネタリーキャリア１３５の後段部１３５２の回転に伴って、第２のプラネタリーギア１３２ｂが自身の回転軸１３２ｓを中心に回転しつつ、プラネタリーキャリア１３５の後段部１３５２の外周を周回移動する。第２のプラネタリーギア１３２ｂの周回移動に伴って、負荷接続部１３３が回転し、負荷接続部１３３に接続された外部負荷に回転駆動力が伝達される。

なお、図１１（Ｂ）では、プラネタリーキャリア１３５の後段部１３５２の回転方向を二点鎖線の矢印で図示し、第２のプラネタリーギア１３２ｂの回転方向を実線の矢印で図示してある。また、第２のプラネタリーギア１３２ｂの周回移動の方向、即ち、負荷接続部１３３の回転方向を破線の矢印で図示してある。

このように、第２実施例の動力発生装置１００Ａは、より高トルクの回転駆動力の出力が可能な減速機として二段式の遊星ギアを、ローター１２１の凹部１２１２に収容し、小型化されている。この動力発生装置１００Ａをロボットアーム１０（図１）に適用すれば、第１実施例の場合より高いトルクで、第１〜第３の関節部Ｊ１〜Ｊ３を回動させることができる。なお、動力発生装置１００Ａでは、さらに多くの段数を有する遊星ギアが構成されるものとしても良い。

D．第３実施例：
図１２，図１３は、本発明の第３実施例としての動力発生装置１００Ｂの構成を示す概略図である。図１２は、動力発生装置１００Ｂの内部構成を示す概略断面図であり、図１３は、動力発生装置１００Ｂの各構成部を分解して示す概略分解断面図である。この動力発生装置１００Ｂは、増速機として機能する遊星ギアとモーターとを一体化した構成を有しており、外部負荷ＥＬに回転駆動力を伝達する。動力発生装置１００Ｂは、以下の点が第１実施例の動力発生装置１００（図３，図４）と異なる。

第３実施例のモーター部１２０Ｂは、ローター１２１Ｂを備える。ローター１２１Ｂは、中央に設けられた隔壁１２１３の外表面のギア歯１２１ｔが省略され、ローター１２１Ｂの側壁の内周面にギア歯１２１ｔＢが設けられている点以外は、第１実施例で説明したローター１２１の構成と同様の構成を有する。第３実施例の動力発生装置１００Ｂでは、ローター１２１Ｂがアウターギアとして機能する。

動力発生装置１００Ｂの回転機構部１３０Ｂは、サンギア１３６を備える。サンギア１３６は、中央に中心軸１１０を挿通するための貫通孔１３６１が設けられた略円筒状の部材であり、側壁面にギア歯１３６ｔが形成されている。貫通孔１３６１は、ローター１２１Ｂの中央の隔壁１２１３を、空隙を残しつつ収容可能な前段部１３６１ａと、中心軸１１０と固定的に接続される後段部１３６１ｂとを有する。

プラネタリーギア１３２は、ローター１２１Ｂの凹部１２１２に配置され、サンギア１３６とアウターギアであるローター１２１Ｂとを連結する。プラネタリーギア１３２は、プラネタリーキャリアとして機能する負荷接続部１３３に回転可能に取り付けられる。負荷接続部１３３には、外部負荷ＥＬの回転軸（破線で図示）が固定用ボルト１１４によって取り付けられている。

図１４は、動力発生装置１００Ｂの内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための図１１と同様な模式図である。サンギア１３６は中心軸１１０に固定されているため、アウターギアであるローター１２１Ｂの回転に伴って、プラネタリーギア１３２は、自身の回転軸１３２ｓを中心に回転するとともに、サンギア１３６の外周を周回移動する。プラネタリーギア１３２の周回移動に伴って、プラネタリーキャリアである負荷接続部１３３が回転する。

なお、図１４では、ローター１２１Ｂの回転方向が一点鎖線の矢印で図示され、プラネタリーギア１３２の回転方向が実線の矢印で図示されている。また、図１４では、プラネタリーギア１３２の周回移動の方向、即ち、負荷接続部１３３の回転方向が、二点鎖線の矢印で図示されている。

このように、第３実施例の動力発生装置１００Ｂであれば、増速機として機能する遊星ギアがモーター部１２０のローター１２１Ｂの凹部１２１２に収容され、小型化されている。従って、この動力発生装置１００Ｂを用いれば、高速な回転駆動力を要するアクチュエーターやマニピュレーターを、よりコンパクトに構成することが可能である。

E．第４実施例：
図１５，図１６は、本発明の第３実施例としての動力発生装置１００Ｃの構成を示す概略図である。図１５は、動力発生装置１００Ｃの内部構成を示す概略断面図であり、図１６は、動力発生装置１００Ｃの各構成部を分解して示す概略分解断面図である。この動力発生装置１００Ｃは、ハーモニックドライブ機構とモーターとを一体化した構成を有しており、外部負荷ＥＬに回転駆動力を伝達する。動力発生装置１００Ｃは、以下の点が第１実施例の動力発生装置１００（図３，図４）と異なる。

この動力発生装置１００Ｃでは、ローター１２１の凹部１２１２に、回転機構部１３０Ｃとして、ハーモニックドライブ機構を構成するウェーブジェネレーター１６０と、フレックススプライン１６２と、サーキュラスプライン１６５とが収容される。ウェーブジェネレーター１６０は、底面が略長円形形状を有する略楕円筒形状の部材である。

ウェーブジェネレーター１６０には、その中心軸方向（紙面左右方向）に貫通する貫通孔１６０１が設けられており、貫通孔１６０１の内壁面には、ギア歯１６０ｔが形成されている。ウェーブジェネレーター１６０は、貫通孔１６０１にローターギア１２１３を勘合的に収容した状態で、締結ボルトＦＢによってローター１２１と締結される。これによって、ウェーブジェネレーター１６０は、ローター１２１の回転に伴って回転する。

ところで、ウェーブジェネレーター１６０の両端部には、外周方向に突出した鍔部１６０２が設けられている。この鍔部１６０２は、ウェーブジェネレーター１６０の外周に配置されるフレックススプライン１６２の脱落を防止するためのものである。なお、図１６では、フレックススプライン１６２の取り付けのために、一方の鍔部１６０２が分離された状態が図示されている。分離された鍔部１６０２は、フレックススプライン１６２が配置された後に、締結ボルトＦＢによって固定される。

フレックススプライン１６２は、ウェーブジェネレーター１６０の回転に合わせて変形可能なたわみを有する環状部材であり、その外周面にはギア歯１６２ｔが形成されている。また、フレックススプライン１６２の内周面には、ウェーブジェネレーター１６０の回転を円滑にするためのベアリング１６１が配置されている。

サーキュラスプライン１６５は、ローター１２１の凹部１２１２に収容されるとともに、内側にフレックススプライン１６２を収容する前段部１６５１と、中心軸１１０が挿通されるとともに、外部負荷ＥＬの回転軸が接続される後段部１６５２とを有している。前段部１６５１は、内周面にフレックススプライン１６２のギア歯１６２ｔと噛み合うギア歯１６５ｔが形成されている。後段部１６５２には、中心軸１１０との間に、サーキュラスプライン１６５を回動可能とするための軸受け部１１２が配置される。

図１７は、動力発生装置１００Ｃの内部において回転駆動力が伝達される機構を説明するための、図１４と同様な模式図である。なお、図１７では、フレックススプライン１６２の内側に設けられたベアリング１６１については、図示が省略されている。動力発生装置１００Ｃでは、ローターギア１２１３の回転（一点鎖線の矢印で図示）にともなって、ウェーブジェネレーター１６０が回転する（実線の矢印で図示）。

ウェーブジェネレーター１６０は、その長円方向において、フレックススプライン１６２をサーキュラスプライン１６５側に押圧し、フレックススプライン１６２とサーキュラスプライン１６５とを接触させる。これによって、ウェーブジェネレーター１６０の長円方向において、フレックススプライン１６２のギア歯１６２ｔ（図示は省略）と、サーキュラスプライン１６５のギア歯１６５ｔ（図示は省略）とが互いに噛み合うこととなる。なお、ウェーブジェネレーター１６０の短円方向においては、フレックススプライン１６２と、サーキュラスプライン１６５とは非接触の状態である。

ウェーブジェネレーター１６０の長円方向におけるフレックススプライン１６２とサーキュラスプライン１６５との連結により、ウェーブジェネレーター１６０の回転が、サーキュラスプライン１６５へと伝達される。なお、図１７では、サーキュラスプライン１６５の回転方向を二点鎖線の矢印で図示してある。

ハーモニックドライブ機構は、一般に、バックラッシュを省略可能であるため、高精度な回転の伝達が可能である。第３実施例の動力発生装置１００Ｃであれば、ハーモニックドライブ機構を構成する回転機構部１３０Ｃが、ローター１２１の凹部１２１２に一体的に収容されている。そのため、この動力発生装置１００Ｃによれば、コンパクトで動作精度の高いアクチュエーターやマニピュレーターを構成することが可能である。

F．第５実施例：
図１８は、本発明の第５実施例としての動力発生装置１００Ｄの構成を示す概略断面図である。図１８は、回転機構部１３０に替えて、回転軸１７０が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。この動力発生装置１００Ｄでは、ローター１２１のローターギア１２１３に回転軸１７０が交換可能に取り付けられている。

回転軸１７０は、中心軸１１０を軸方向に挿通する貫通孔１７１を有している。貫通孔１７１のローター１２１側の内壁面には、ローターギア１２１３が勘合的に収容されるようにギア歯が設けられている。また、貫通孔１７１のローター１２１とは反対の側には、軸受け部１１２や、軸受けリング１１３、スペーサー１１５が配置されている。この構成によって、回転軸１７０は、ローター１２１とともに回転する。

図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、動力発生装置１００Ｄにおいて、回転軸１７０に換えてローター１２１に取り付けられる回転軸の種類を例示する概略図である。図１９（Ａ）の回転軸１７０ａは、先端側（紙面左側）の外表面に直線状のギア歯１７０ｔａが設けられており、スパーギア（平歯車）として機能する。図１９（Ｂ）の回転軸１７０ｂは、先端側に螺旋状に延びるギア歯１７０ｔｂが設けられており、スクリューギア（螺旋歯車）として機能する。図１９（Ｃ）の回転軸１７０ｃは、先端側にテーパー状のギア歯１７０ｔｃが設けられており、ベベルギアとして機能する。

このように、第５実施例の動力発生装置１００Ｄでは、モーター部１２０のローター１２１に、種々の回転軸１７０，１７０ａ〜１７０ｃが交換可能に取り付けられる。そのため、動力発生装置１００Ｄは、その汎用性が向上されている。なお、動力発生装置１００Ｄに用いられる回転軸１７０，１７０ａ〜１７０ｃは、その一部がローター１２１の凹部１２１２に収容されている。即ち、動力発生装置１００Ｄは、その分だけ小型化されている。

G．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

G1．変形例１：
上記第１実施例では、動力発生装置１００は、ロボットアーム１０の関節部Ｊ１〜Ｊ３の動力源として用いられていた。しかし、第１実施例の動力発生装置１００や、他の実施例の動力発生装置１００Ａ〜１００Ｄは、他のアクチュエーターやマニピュレーターの動力源、あるいは、移動体の動力源などに用いられるものとしても良い。

G2．変形例２：
上記実施例では、動力発生装置１００，１００Ａ〜Ｄは、モーター部１２０で発生した回転駆動力を外部負荷へと伝達していた。しかし、動力発生装置１００，１００Ａ〜Ｄは外部負荷から伝達された回転駆動力により、モーター部１２０に電力を発生させる発電装置として機能するものとしても良い。このように、本発明は、電磁力を利用して動力を発生させる動力発生装置に限らず、ローターおよびステーター、回転機構を用いて動力と電力とを変換する電気機械装置に適用することが可能である。

G3．変形例３：
上記実施例では、ローター１２１の凹部１２１２に、遊星ギアや、ハーモニックドライブ機構などの回転機構の全部または一部が収容されていた。即ち、中心軸１１０に対して垂直な方向に見たときに、ローター１２１と回転機構の全部または一部が重なるように構成されていた。しかし、ローター１２１の凹部１２１２には、他の回転機構の全部または一部が収容されるものとしても良い。例えば、ローター１２１の凹部１２１２には、ローター１２１の回転をチェーンやベルトの回転を用いて伝達する回転機構が収容されるものとしても良い。

G4．変形例４：
上記実施例では、中心軸１１０の貫通孔１１１に導電線束２５が挿通されていた。しかし、中心軸１１０の貫通孔１１１は省略されるものとしても良く、導電線束２５は、動力発生装置１００，１００Ａ〜１００Ｄの外部に配設されるものとしても良い。

G5．変形例５：
上記実施例では、ローター１２１は、回転機構を収容するための収容空間として略円環状の溝として形成された凹部１２１２を有していた。しかし、ローター１２１は、回転機構を収容するための収容空間として、他の構成の空間を有するものとしても良い。例えば、ローター１２１を、円筒形状を有するかご型の骨組みを有する構成とし、その骨組みで囲まれた空間を、回転機構の収容空間とするものとしても良い。

１０，１０ｃｆ…ロボットアーム
１１…第１の基体部
１２…第２の基体部
１３…第３の基体部
１４…第４の基体部
２１…第１のベベルギア
２２…第２のベベルギア
２５…導電線束
１００，１００Ａ〜１００Ｄ，１００ａ〜１００ｅ…動力発生装置
１１０…中心軸
１１１…貫通孔
１１２…軸受け部
１１３…軸受けリング
１１４…固定用ボルト
１１５…スペーサー
１２０，１２０Ｂ…モーター部
１２１，１２１Ｂ…ローター
１２１１…貫通孔
１２１２…凹部
１２１３…隔壁（ローターギア）
１２１ｔ，１２１ｔＢ…ギア歯
１２２…ケーシング
１２２１…貫通孔
１２３…永久磁石
１２４…電磁石
１２５…バックヨーク
１２６…位置検出部
１２７…回転制御回路
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ…回転機構部
１３１，１３１Ａ…ギア固定部
１３１１…アウターギア
１３１１ａ，１３１１ｂ…第１と第２のアウターギア
１３１２…鍔部
１３１３…開口部
１３１ｔ…ギア歯
１３２…プラネタリーギア
１３２ａ，１３２ｂ…第１と第２のプラネタリーギア
１３２ｓ…回転軸
１３２ｔ…ギア歯
１３３，１３３ｅ…負荷接続部
１３３１…貫通孔
１３３２…軸孔
１３３ｔ…ギア歯
１３５…プラネタリーキャリア
１３５１…前段部
１３５２…後段部
１３５３…貫通孔
１３５４…軸孔
１３５ｔ…ギア歯
１３６…サンギア
１３６１…貫通孔
１３６１ａ…前段部
１３６１ｂ…後段部
１３６ｔ…ギア歯
１４０…ブラシシール部
１４１…ゴムシール部
１４２…熱交換フィン
１４３…制御部
１４３ｃ…通信部
１４３ｄ…ドライバ回路
１４４…ケーシング
１６０…ウェーブジェネレーター
１６０１…貫通孔
１６０２…鍔部
１６０ｔ…ギア歯
１６１…ベアリング
１６２…フレックススプライン
１６２ｔ…ギア歯
１６５…サーキュラスプライン
１６５１…前段部
１６５２…後段部
１６５ｔ…ギア歯
１７０，１７０ａ〜１７０ｃ…回転軸
１７０ｔａ，１７０ｔｂ，１７０ｔｃ…ギア歯
１７１…貫通孔
ＥＬ…外部負荷
ＦＢ…締結ボルト
Ｊ１〜Ｊ３…第１〜第３の関節部
Ｊ１…第３の関節部

Claims (6)

1. 電気機械装置であって、
   中心軸と、
   前記中心軸の外周に沿って配置されたローター磁石を有するローターと、
   前記ローターの外周に配置されたステーターと、
   前記ローターに連結され、回転駆動力の伝達に用いられる回転機構と、
   を備え、
   前記ローターには、前記中心軸と前記ローター磁石との間において、少なくとも前記中心軸の軸方向の一方に開口し、前記回転機構の少なくとも一部を収容する収容空間が形成されている、電気機械装置。
2. 請求項１記載の電気機械装置であって、
   前記中心軸は、前記中心軸の軸方向に延びる貫通孔を有し、
   前記貫通孔には、前記ローターの回転を制御するための電気を送信する導電線が挿通されている、電気機械装置。
3. 請求項１または２記載の電気機械装置であって、
   前記回転機構は、前記ローターに一体的に設けられたサンギアと、前記収容空間に配置されたプラネタリーギアおよびアウターギアと、を有し、増速機または減速機として機能する遊星ギアを含む、電気機械装置。
4. 請求項１または２記載の電気機械装置であって、
   前記回転機構は、前記ローターに一体的に設けられたウェーブジェネレーターと、前記収容空間に配置されたフレックススプラインおよびサーキュラスプラインと、を有するハーモニックドライブ機構を含む、電気機械装置。
5. アクチュエーターであって、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える、アクチュエーター。
6. モーターであって、
   中心軸と、
   前記中心軸の外周に沿って配置されたローター磁石を有するローターと、
   前記ローターの外周に配置されたステーターと、
   を備え、
   前記中心軸と前記ローター磁石との間には、少なくとも前記中心軸の軸方向の一方に開口し、前記ローターに連結され、回転駆動力の伝達に用いられる回転機構の少なくとも一部を収容するための収容空間が形成されている、モーター。

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