JP2016016479A - 関節駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造の関節駆動装置を提供する。【解決手段】転がり軸受１０の内輪１１に、第１リンクのフレームＦ１との連結用に第１取付穴１１ａを形成し、外輪１２に、第２リンクのフレームＦ２との連結用に第２取付穴１２ａを形成する。外輪１２に複合振動子型ステータ２０を連結し、このステータ２０によって内輪１１を駆動する。これにより、電磁ブレーキ、減速機を省略した関節駆動装置を実現した。【選択図】図１

Description

この発明は、ロボット関節を駆動する関節駆動装置に関する。

工場に配置される産業用ロボットには、人力作業を行っていた現場に人に代替して配置可能な大きさであること、また、人と同じ作業を実行可能な動作性を有することが求められる。

従来、ロボットに備わる関節駆動装置として、高速回転のモータ出力を減速機で減速して高出力化する構造とし、関節の回転角を検知する回転センサの出力信号に基づいてモータ制御を行い、電源停止時に関節の動きを電磁ブレーキで停止させるようにしたものがある（特許文献１）。

特許第４１３７４７９号公報

しかしながら、特許文献１のような関節駆動装置は、モータ、減速機及び電磁ブレーキをユニットに組み込む必要があり、複雑な機構になる点で問題がある。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、簡素な構造の関節駆動装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明は、ロボット関節を駆動する関節駆動装置において、第１リンクとの連結に用いる第１取付穴が形成された内輪、第２リンクとの連結に用いる第２取付穴が形成された外輪、並びに前記内輪及び前記外輪間を公転する複数の転動体を有する転がり軸受と、前記外輪に連結され、前記内輪を駆動する複合振動子型ステータと、を備える構成を採用した。

ロボット関節は、腕、脚等の可動部として備わる第１リンクを第２リンクに対して軸回りに回動可能に接続する部位である。第１取付穴を用いて第１リンク及び内輪を連結し、第２取付穴を用いて第２リンク及び外輪を連結すれば、転がり軸受は、ロボット関節として機能する。
超音波モータの中でも複合振動子型のものは、減速機を用いずともロボット関節の駆動に対応可能な高出力性をもち、低速回転も可能、という特徴がある。
さらに複合振動子型のステータは、複合振動子で発生させた駆動力をロータ側との摩擦接触で伝達するため、ステータをロータ側に押し付ける予圧力を要する、という特徴もある。複合振動子が停止状態のとき、その予圧力は、ロータを停止状態に保つブレーキ力となる。したがって、内輪を複動振動子型ステータで駆動するロータとすれば、複合振動子が停止状態のとき、予圧力（ブレーキ力）で内輪を停止状態に保つことができる。
このように、上記構成によれば、減速機及び電磁ブレーキが不要になるので、簡素な構造の関節駆動装置にすることができる。

例えば、前記内輪に連結され、前記内輪の回転運動を物理信号に変換するエンコーダと、前記外輪に連結され、前記物理信号を出力信号に変換するセンサ回路と、をさらに備え、前記ステータは、前記転がり軸受を境とした軸方向一方側に配置され、前記エンコーダ及び前記センサ回路は、前記転がり軸受を境とした軸方向他方側に配置されていることが好ましい。このようにすると、転がり軸受にステータ及び回転センサ（エンコーダ及びセンサ回路）をもユニット化し、ステータで駆動する内輪の回転運動を出力信号に変換し、その出力信号に基づいて正確な関節駆動を行うことが可能になる。また、内輪とステータの接触で摩耗粉が発生しても、転がり軸受の外部（軸方向一方側）にステータを配置しているため、転がり軸受が摩耗粉の影響を受け難く、軸受損傷の防止にも有利である。

また、前記転がり軸受は、クロスローラ軸受になっていることが好ましい。前記外輪に前記ステータを連結し、前記内輪をステータで駆動すると、前記転がり軸受は、ステータ由来の複雑な荷重を同時に受けることになる。クロスローラ軸受は、内外輪間に円筒ころを直交配列で組み込んだ軸受なので、様々な方向の荷重を同時に受けつつコンパクト化を図ることが可能、という特徴をもっている。したがって、この発明において、転がり軸受にクロスローラ軸受を採用すると、複雑な荷重に対応しつつ転がり軸受の寸法を抑え、関節駆動装置のコンパクト化を図ることができる。

また、前記ステータは、軸方向に貫通した筒状の中空ボルトと、前記内輪に接触するように前記中空ボルトの外周に取り付けられたステータヘッドと、前記ステータヘッドの軸方向一方側で前記中空ボルトを取り囲む縦励振圧電素子と、前記ステータヘッドと共に前記縦励振圧電素子を軸方向に挟む節部と、前記節部の軸方向一方側で前記中空ボルトを取り囲むねじり励振圧電素子と、前記節部と共に前記ねじり励振圧電素子を軸方向に挟むように前記中空ボルトの外周に取り付けられたステータボトムと、を有し、前記内輪及び前記中空ボルトの内側が軸方向に連通していることも好ましい。このようにすると、ケーブルを前記内輪及び前記中空ボルトの内側に通すことができる。

ここで、前記ステータを前記外輪に連結する構造、前記ステータに予圧力を与える構造は、前記中空ボルトの外側に配置し、前記ケーブルを通す邪魔にならないようにすることが好ましい。

例えば、前記外輪に軸方向一方側から突き当る予圧用ナットと、前記予圧用ナットにねじ込む予圧用ボルトと、前記予圧用ナットの内側で前記ステータ及び前記予圧用ボルトによって軸方向に圧縮された予圧用ばねと、前記ステータを周方向に回り止めすると共に径方向に支持する係止片と、前記外輪にねじ込む固定ボルトと、をさらに備え、前記予圧用ナット及び前記係止片は、前記固定ボルトによって前記外輪に締結されているとよい。このようにすると、予圧用ばねの圧縮量の調整により、ステータを内輪に押し付ける予圧力（ブレーキ力）を調整することができる。また、係止片がステータを回り止めするため、ステータによる内輪駆動を実現することができる。また、予圧用ナット及び係止片を固定ボルトで外輪に締結すれば、予圧用ばね及び予圧用ボルトを介してステータの軸方向位置を所定に定めると共に、係止片によってステータの径方向位置も所定に定めることができる。すなわち、複合振動子型ステータに必須の回り止め及び予圧構造を中空ボルトの外側に配置すると共に、回り止め及び予圧構造のみでステータを外輪に連結することができる。

別例として、前記外輪にねじ込む支持ボルトと、前記支持ボルトの外側に通されたコイルばねと、前記支持ボルトに軸方向一方側から螺着する予圧用ナットと、をさらに備え、前記ステータは、前記支持ボルトを周方向及び径方向に支持する突部を有し、前記コイルばねは、前記突部及び前記予圧用ナットによって軸方向に圧縮されているようにしてもよい。この例でも、回り止め及び予圧構造を中空ボルトの外側に配置すると共に、回り止め及び予圧構造のみでステータを外輪に連結することができる。

さらに別例として、前記外輪に軸方向一方側から突き当る予圧用ナットと、前記予圧用ナットにねじ込む予圧用ボルトと、前記予圧用ナットの内側で前記ステータ及び前記予圧用ボルトによって軸方向に圧縮された予圧用ばねと、前記外輪及び予圧用ナットを締結する固定ボルトと、をさらに備え、前記予圧用ナットは、前記ステータを周方向に回り止めする係止部と、前記ステータを径方向に支持する嵌合部とを有し、前記固定ボルトによって前記外輪に締結されているようにしてもよい。この例でも、回り止め及び予圧構造を中空ボルトの外側に配置すると共に、回り止め及び予圧構造のみでステータを外輪に連結することができる。

この発明は、上記構成の採用により、減速機及び電磁ブレーキが不要な簡素な構造の関節駆動装置を提供することができる。

第１実施形態に係る関節駆動装置の全体構成を示す縦断正面図 図１のＩＩ−ＩＩ線の部分断面図 第２実施形態に係る関節駆動装置の全体構成を示す縦断正面図 第３実施形態に係る関節駆動装置の全体構成を示す縦断正面図 図４のＶ−Ｖ線の部分断面図

以下、この発明の一例としての第１実施形態を添付図面の図１、図２に基づいて説明する。第１実施形態に係る関節駆動装置は、転がり軸受１０と、複合振動子型ステータ２０と、回転センサ３０と、予圧連結手段４０とを備える。

転がり軸受１０は、内輪１１と、内輪１１を取り囲む外輪１２と、内輪１１及び外輪１２間を公転する複数の転動体１３とを有する。内輪１１及び外輪１２は、それぞれ軌道を形成する環状体からなる。内輪１１及び外輪１２は、同心円状に配置されている。複数の転動体１３は、内輪１１及び外輪１２の軌道間に介在する。

内輪１１には、第１リンクのフレームF１との連結に用いる第１取付穴１１ａが形成されている。外輪１２には、第２リンクのフレームF２との連結に用いる第２取付穴１２ａが形成されている。第１リンク及び第２リンクは、ロボットの腕、脚等に備わるロボット関節で相対回転可能に接続する可動部である。フレームF１、F２は、その腕、脚等の骨組みとなる枠部品になっている。フレームF１及び内輪１１を連結し、フレームF２及び外輪１２を連結すると、転がり軸受１０は、第１リンクを第２リンクに対して一軸回りに回動可能に接続するロボット関節になる。

転がり軸受１０は、クロスローラ軸受になっている。すなわち、内輪１１及び外輪１２は、それぞれＶ溝状の軌道を形成する。転動体１３は、円筒ころからなる。内輪１１及び外輪１２間において、転動体１３は、周方向に交互に９０°異なる向きで配置されている。このように、クロスローラ軸受として設けられた転がり軸受１０は、内外輪１１、１２間に円筒ころからなる転動体１３を直交配列で組み込んでいるので、円筒ころの優れた負荷性能によって軸方向荷重、径方向荷重、モーメント荷重などの様々な方向の荷重を同時に受けることが可能なため、コンパクト化を図ることができる。ひいては、関節駆動装置のコンパクト化を図ることができる。

なお、転動体１３の周方向間隔を保つ手段（図示省略）として、保持器又はセパレータを適宜に採用することができる。また、内輪１１、外輪１２は、剛性に優れている点を考慮し、軌道全部を形成した１個の環状部品からなるものを採用している。内輪１１、外輪１２は、剛性に問題がない場合、適宜、複数の環状部品で軌道を形成する分割型の軌道輪に変更してもよい。

ステータ２０は、軸方向の振動と周方向の振動を組み合わせることによって回転方向の駆動力をステータ２０と直接に接触するロータに与える。ステータ２０は、連結予圧手段４０によって外輪１２に連結されている。

ステータ２０は、中空ボルト２１と、ステータヘッド２２と、縦励振圧電素子２３と、節部２４と、ねじり励振圧電素子２５と、ステータボトム２６とを有する。

中空ボルト２１は、軸方向に貫通した筒状の雄ねじ部品になっている。中空ボルト２１は、内輪１１から軸方向一方側へ離れたところに配置される。

ステータヘッド２２は、中空ボルト２１に対応の雌ねじ部品になっている。ステータヘッド２２は、中空ボルト２１の雄ねじ部に螺着することにより、内輪１１に接触するように中空ボルト２１の外周に取り付けられている。ステータヘッド２２は、中空ボルト２１よりも軸方向他方側へ突出しており、その突出端部で内輪１１の側面に軸方向一方側から軸方向他方側に向かって押し付けられている。この押し付けは、予圧連結手段４０によって実現されている。

縦励振圧電素子２３は、軸方向に振動する。縦励振圧電素子２３は、ステータヘッド２２の軸方向一方側で中空ボルト２１を取り囲む環状体になっている。中空ボルト２１は、縦励振圧電素子２３を径方向に支持する。

節部２４は、中空ボルト２１に対応の雌ねじ部品になっている。節部２４は、中空ボルト２１の雄ねじ部に螺着することにより、ステータヘッド２２と共に縦励振圧電素子２３を軸方向に挟むように中空ボルト２１の外周に取り付けられている。なお、節部２４は、中空ボルト４１の一部として形成してもよい。

ねじり励振圧電素子２５は、周方向に振動する。ねじり励振圧電素子２５は、節部２４の軸方向一方側で中空ボルト２１を取り囲む環状体になっている。中空ボルト２１は、ねじり励振圧電素子２５を径方向に支持する。

ステータボトム２６は、中空ボルト２１に対応の雌ねじ部品になっている。ステータボトム２６は、中空ボルト２１の雄ねじ部に螺着することにより、節部２４と共にねじり励振圧電素子２５を軸方向に挟むように中空ボルト２１の外周に取り付けられている。

縦励振圧電素子２３、ねじり励振圧電素子２５は、それぞれ高周波電流を発生する電源装置（図示省略）に接続される。縦励振圧電素子２３、ねじり励振圧電素子２５にそれぞれ所定の交流電圧が印加されることにより、縦励振圧電素子２３、ねじり励振圧電素子２５の振動が組み合わされ、ステータヘッド２２から、ロータとして設けられた内輪１１の側面へ回転方向の駆動力が与えられる。このようにステータ２０が駆動するとき、縦励振圧電素子２３及びねじり励振圧電素子２５間に介在する節部２４は、振動モードの節部になる。このようなステータ２０は、一般に、ボルト締めランジュバン型複合振動子と称されている。なお、内輪１１とステータ２０の一方又は双方に、駆動力の伝達効率を向上させるための摩擦材を固定し、その摩擦材を介してステータ２０の駆動力を内輪１１に与えるようにしてもよい。

予圧連結手段４０は、ステータ２０を外輪１２に連結すると共に、ステータ２０を内輪１１に押し付ける。

予圧連結手段４０は、予圧用ナット４１と、予圧用ボルト４２と、予圧用ばね４３と、係止片４４と、固定ボルト４５とを有する。

予圧用ナット４１は、外輪１２の側面に軸方向一方側から軸方向他方側に向かって突き当る雌ねじ部品になっている。

予圧用ボルト４２は、予圧用ナット４１に対応の雄ねじ部品になっている。

予圧用ばね４３は、コイルばねになっている。

ステータヘッド２２は、ばね受け部２２ａを有する。ばね受け部２２ａは、予圧用ナット４１の内側でステータヘッド２２の外径を部分的に拡大した部分になっている。予圧用ばね４３は、ステータ２０及び予圧用ナット４１間の環状空間に軸方向一方側から軸方向他方側に向かって挿入されると、ばね受け部２２ａに軸方向に突き当る状態となる。この状態で予圧用ナット４１にねじ込む予圧用ボルト４２により、予圧用ばね４３は、軸方向一方側から軸方向他方側に向かって圧縮される。このようにステータ２０と予圧用ボルト４２によって軸方向に圧縮された予圧用ばね４３は、ステータ２０を内輪１１の側面に軸方向一方側から軸方向他方側に向かって押し付ける予圧力を発生している。ステータ２０の停止状態（すなわち縦励振圧電素子２３及びねじり励振圧電素子２５が振動しない状態）において、その予圧力は、内輪１１を停止させるブレーキ力として作用する。予圧用ばね４３の圧縮量を予圧用ボルト４２のねじ込み量で調整すれば、ステータ２０を内輪１１に押し付ける予圧力（ブレーキ力）を調整することができる。

外輪１２には、第３取付穴１２ｂが形成されている。第３取付穴１２ｂを規定する内壁面には、軸方向一方側から軸方向他方側に向かって雌ねじ部が形成されている。固定ボルト４５は、第３取付穴１２ｂ内の雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。固定ボルト４５を予圧用ナット４１及び係止片４４の中空穴に軸方向一方側から挿通し、さらに第３取付穴１２ｂ内の雌ねじ部にねじ込む締結によって、予圧用ナット４１及び係止片４４が外輪１２に連結されている状態となる。なお、固定ボルト４５は、周方向等配で複数個所に設けられている。

予圧用ナット４１と共に外輪１２に連結された係止片４４は、ステータ２０を周方向に回り止めすると共に径方向に支持する。より具体的に述べると、係止片４４は、節部２４に向かって径方向に突出した先端部４４ａを有する。節部２４は、先端部４４ａと周方向両側に係合可能な係止受け部２４ａを有する。係止受け部２４ａは、図１、図２に示すように、軸方向に沿った溝状に形成されている。係止片４４は、先端部４４ａと同じ軸方向位置において、節部２４の係止受け部２４ａ以外の外周部分と径方向に重なっている。この重なり領域、係止受け部２４ａ及び先端部４４ａは、周方向等配で複数個所に設けられている。これら重なり領域により、係止片４４によるステータ２０の径方向支持が実現されている。なお、複合振動子型のステータ２０においては、ステータ２０を回り止めしなければ、内輪１１に駆動力を有効に与えることができない。このため、ステータ２０において振動モードの節部となる節部２４でステータ２０の回り止めを行うことが必須である。係止受け部２４ａは、縦励振圧電素子２３の振動によるステータ２０の軸方向振動を許容しつつ回り止め可能な形状であればよく、軸方向の溝状に限定されない。

予圧用ナット４１及び係止片４４を固定ボルト４５で外輪１２に締結すれば、予圧用ばね４３及び予圧用ボルト４２を介してステータ２０の軸方向位置が所定に定められると共に、係止片４４によってステータ２０の径方向位置も所定に定められる。すなわち、第１実施形態は、ステータ２０に必須の回り止め及び予圧構造のみでステータ２０を外輪１２に連結することができる。

上述のように予圧連結手段４０によってステータ２０を外輪１２に連結すると、ステータ２０は、転がり軸受１０を境とした軸方向一方側に配置され、しかも内輪１１及び中空ボルト２１の内側が軸方向に連通している状態となる。この状態で、内輪１１及び中空ボルト２１は、同一の中心軸線上に配置されている。中空ボルト２１に形成された円筒状の内径面２１ａは、内輪１１に形成された円筒状の内径面１１ｂと同径かつ同一の中心軸線をもつ。この内径の範囲内であれば、ケーブルＣを内径面１１ｂ、２１ａの内側に通すことが可能である。なお、内径面１１ｂは、転がり軸受１０の軸受内径を規定する面になっている。

回転センサ３０は、内輪１１の回転運動を出力信号に変換する。この出力信号は、ステータ２０による内輪１１の駆動制御を行うために必要な情報、例えば回転速度、停止位置を示すものであればよい。

回転センサ３０は、エンコーダ３１と、エンコーダホルダ３２と、取付けボルト３３と、センサ回路３４と、センサホルダ３５と、ホルダ固定ボルト３６とを有する。

エンコーダ３１は、Ｓ極とＮ極を周方向に交互に有する磁気エンコーダになっており、軸回りの回転運動を磁気的な物理信号に変換する。エンコーダ３１は、エンコーダホルダ３２に固定されている。この固定は、ねじ止め、接着、インサート成形等、適宜の手段で行えばよい。エンコーダホルダ３２は、エンコーダ３１の変形を防止する環状部品になっている。

エンコーダホルダ３２には、第１ボルト通し穴３２ａと、第２ボルト通し穴３２ｂとが形成されている。内輪１１には、エンコーダホルダ３２との連結に用いる第４取付穴１１ｃが形成されている。第１ボルト通し穴３２ａは、エンコーダホルダ３２を軸方向に貫通し、第４取付穴１１ｃに軸方向に連通する。第２ボルト通し穴３２ｂは、エンコーダホルダ３２を軸方向に貫通し、第１取付穴１１ａに軸方向に連通する。第４取付穴１１ｃを規定する内壁面、及び第１取付穴１１ａを規定する内壁面には、それぞれ軸方向他方側から軸方向一方側に向かって雌ねじ部が形成されている。

取付けボルト３３は、第４取付穴１１ｃ内の雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。取付けボルト３３を軸方向他方側から第１ボルト通し穴３２ａに通し、さらに第４取付穴１１ｃ内の雌ねじ部にねじ込む締結によって、エンコーダホルダ３２は、内輪１１に連結され、しかも内輪１１及び中空ボルト２１と同一の中心軸線上に配置されている状態となる。これにより、エンコーダ３１及び内輪１１は、内輪１１をステータ２０で駆動することによって一体に回転することになる。なお、取付けボルト３３は、周方向等配で複数個所に設けられている。

第１リンクのフレームＦ１は、リンク固定ボルトＢ１を用いて内輪１１に連結することができる。リンク固定ボルトＢ１は、第１取付穴１１ａ内の雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。リンク固定ボルトＢ１を軸方向他方側から第２ボルト通し穴３２ｂに通し、さらに第１取付穴１１ａ内の雌ねじ部にねじ込む締結によって、フレームＦ１が内輪１１に連結されている状態となる。この連結により、フレームＦ１及び内輪１１と一体に回転可能になる物体、例えばエンコーダホルダ３２やエンコーダ３１は、第１リンクの構成要素になる。

なお、エンコーダホルダを省略可能な場合、エンコーダを内輪の側面に直接に取り付けてもよい。また、リンク固定ボルトと、ステータに干渉しないナットとを用いて内輪に締結可能な場合、第１取付穴内に雌ねじ部を形成する必要はない。

上述のようにエンコーダホルダ３２及び内輪１１、並びにステータ２０及び外輪１２が連結された状態では、エンコーダホルダ３２に形成された内径面３２ｃの内側、内輪１１の内径面１１ｂの内側、及び中空ボルト２１の内径面２１ａの内側が軸方向に連通しているので、この連通空間にケーブルＣを通して関節駆動装置の外部へ取り出すことが可能である。

センサ回路３４は、エンコーダ３１によって生成された磁気的な物理信号を電気的な信号に変換する。センサ回路３４は、磁気センサを回路基板に実装したものとなっている。回路基板には、磁気センサの出力を所定の出力信号に整える信号処理回路、電源回路、配線接続端子といった適宜の回路要素が設けられる。センサ回路３４は、センサホルダ３５に固定されている。この固定は、ねじ止め、樹脂モールド、接着等、適宜の手段で行えばよい。

センサホルダ３５は、センサ回路３４の変形を防止する環状部品になっている。センサホルダ３５には、外輪１２に嵌合する軸受座部３５ａが形成されている。センサホルダ３５の軸受座部３５ａを軸方向他方側から軸方向一方側に向かって嵌め合すことによって、外輪１２に対するセンサホルダ３５の軸方向位置及び径方向位置を仮決めすることが可能となっている。

また、センサホルダ３５には、第３ボルト通し穴３５ｂと、第４ボルト通し穴３５ｃとが形成されている。第３ボルト通し穴３５ｂは、センサホルダ３５の外径側端部を軸方向に貫通している。第４ボルト通し穴３５ｃは、センサホルダ３５を軸方向に貫通し、第２取付穴１２ａに軸方向に連通する。第２取付穴１２ａを規定する内壁面には、軸方向他方側から軸方向一方側に向かって雌ねじ部が形成されている。

ホルダ固定ボルト３６は、第２取付穴１２ａ内の雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。ホルダ固定ボルト３６を軸方向他方側から第４ボルト通し穴３５ｃに通し、さらに第２取付穴１２ａ内の雌ねじ部にねじ込む締結によって、センサホルダ３５が外輪１２に締結され、これにより、センサ回路３４が外輪１２に連結されている状態になる。

なお、ホルダ固定ボルト３６は、周方向等配で複数個所に設けられている。第１取付穴１２ａ及び第３取付穴１２ｂは、外輪１２を軸方向に貫通した穴の内壁面に加工した図示例のような配置態様に限定されない。例えば、第２取付穴及び第３取付穴をそれぞれ軸方向に非貫通の穴としたり、周方向に相異なる配置としたりする等、第２取付穴及び第３取付穴の配置態様を適宜に変更すればよい。

第２リンクのフレームＦ２は、リンク固定ボルトＢ２を用いてセンサホルダ３５に連結することができる。リンク固定ボルトＢ２は、フレームＦ２に形成された雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。リンク固定ボルトＢ２を軸方向他方側から第３ボルト通し穴３５ｂに通し、さらにフレームＦ２に形成された雌ねじ部にねじ込む締結によって、フレームＦ２がセンサホルダ３５に連結されている状態となる。これにより、フレームＦ２は、リンク固定ボルトＢ２、センサホルダ３５、ホルダ固定ボルト３６を介して外輪１２に連結されている状態となる。この連結により、内輪１１に対してフレームＦ２及び外輪１２と一体に静止可能になる物体、例えばセンサホルダ３５、センサ回路３４、予圧連結手段４０は、第２リンクの構成要素になる。

なお、予圧連結手段４０は、第３ボルト通し穴３５ｃの使用を阻害しないようにするため、外輪１２の外径（転がり軸受１０の軸受外径）以下の径方向領域に配置されている。センサホルダを省略可能な場合、第２取付穴を用いて第２リンクのフレームを外輪に直接に締結してもよい。また、第３取付穴と周方向に相異なる配置で外輪を軸方向に貫通した第２取付穴にする場合、第２取付穴内に雌ねじ部を形成する必要はなく、リンク固定ボルトとナットを用いて第２リンクのフレームを外輪に締結することも可能である。また、予圧連結手段と、センサホルダや第２リンクのフレームとを共通のボルトで締結してもよく、この場合、外輪を貫通した第２取付穴を形成し、この内壁面に軸方向のいずれか片側から雌ねじ部を形成するか、ナットを用いて締結することが可能である。

上述のようにエンコーダ３１、センサ回路３４を対応の内輪１１、外輪１２に連結すると、エンコーダ３１及びセンサ回路３４は、転がり軸受１０を境とした軸方向他方側に配置されている状態となる。この状態では、内輪１１と一体に回転するエンコーダ３１は、ステータ２０で駆動する内輪１１の回転運動を物理信号に変換し、内輪１１に対して静止する外輪１２と一体に静止するセンサ回路３４は、その物理信号を出力信号に変換する。したがって、第１実施形態は、その出力信号から知ることの可能な回転速度等に基づいてステータ２０の制御を行い、内輪１１の正確な駆動が可能である。

上述のような第１実施形態は、第１取付穴１１ａを用いて第１リンクのフレームＦ１及び内輪１１を連結し、第２取付穴１２ａを用いて第２リンクのフレームＦ２及び外輪１２を連結することにより、転がり軸受１０がロボット関節になる。また、複合振動子型のステータ２０は、減速機を用いずともロボット関節の駆動に対応可能な高出力性をもち、低速回転も可能である。さらに、ステータ２０を内輪１１に押し付ける予圧力が予圧連結手段４０の予圧用ばね４３によって常時に発生しているため、縦励振圧電素子２３及びねじり励振圧電素子２５が停止状態のとき、その予圧力によって内輪１１が停止状態に保たれる。したがって、第１実施形態は、減速機及び電磁ブレーキをもたず、簡素な構造の関節駆動装置にすることができる。

この発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。以下、第１実施形態との相違点を述べるに留める。第２実施形態の外輪１２は、第２取付穴１２ａと第３取付穴１２ｂを周方向に相異なる配置で形成し、それぞれ外輪１２を軸方向に貫通する穴としたものになっている。第２実施形態の予圧連結手段５０は、支持ボルト５１と、コイルばね５２と、予圧用ナット５３とを備える。

支持ボルト５１は、第３取付穴１２ｂに対応の雄ねじ部を軸方向一方側の端部に有し、予圧用ナット５３に対応の雄ねじ部を軸方向他方側の端部に有する雄ねじ部品になっている。なお、支持ボルト５１は、周方向等配で複数個所に設けられている。

予圧用ナット５３は、支持ボルト５１に軸方向一方側から螺着する雌ねじ部品になっている。

ステータ６０は、突部６１を有する。突部６１は、ステータ６０の振動モードの節部に位置し、ステータ６０の最大外径を規定するフランジ状に形成されている。突部６１には、支持ボルト５１を軸方向に挿通可能な貫通穴を規定する内壁面６１ａが形成されている。内壁面６１ａは、支持ボルト５１に対するステータ６０の軸方向振動を許容しつつ、支持ボルト５１の軸方向他方側を周方向及び径方向に支持する。

コイルばね５２は、軸方向一方側から支持ボルト５１の外側に通されている。コイルばね５２は、突部６１及び予圧用ナット５３によって軸方向に圧縮されている。

上述のような第２実施形態の組立においては、支持ボルト５１を第３取付穴１２ｂにねじ込むことにより、支持ボルト５１が外輪１２に固定される。この支持ボルト５１の外側にコイルばね５２を通して突部６１に突き当て、予圧用ナット５３を支持ボルト５０に螺着することにより、コイルばね５２が軸方向に圧縮される。ここで、予圧用ナット５３のねじ込み量に応じて予圧力が調整可能である。この予圧状態では、突部６１、支持ボルト５１、コイルばね５２及び予圧用ナット５３の軸方向の連関性により、ステータ６０の軸方向位置が所定に定められると共に、突部６１の内壁面６１ａに対する支持ボルト５１の径方向支持により、ステータ２０の径方向位置も所定に定められる。さらに、突部６１の内壁面６１ａに対する支持ボルト５１の周方向支持により、ステータ６０が回り止めされる。すなわち、第２実施形態も、ステータ６０に必須の回り止め及び予圧構造のみでステータ６０を外輪１２に連結することができる。

この発明の第３実施形態を図４、図５に基づいて説明する。第３実施形態の外輪１２は、軸方向に貫通した第２取付穴１２ａのみを形成したものとなっている。第２取付穴１２ａを規定する内壁面に雌ねじ部は形成されていない。第３実施形態の予圧連結手段７０は、予圧用ナット７１と、予圧用ボルト７２と、予圧用ばね７３と、固定ボルト７４とを備える。

予圧用ナット７１は、ボルト穴部７１ａを有する。ボルト穴部７１ａは、外輪１２に軸方向一方側から突き当る状態で第２取付穴１２ａに軸方向に連通する。ボルト穴部７１ａを規定する内壁面には、軸方向他方側から軸方向一方側に向かって雌ねじ部が形成されている。

予圧用ボルト７２は、予圧用ナット７１に螺着することにより、予圧用ナット７１の内側に陥入するようになっている。このため、予圧用ボルト７１の軸方向他方側の側面には、ねじ回し具を突き刺してトルクを予圧用ナット７１に与えるための差込口７２ａが形成されている。

ステータ８０は、鍔部８１を有する。鍔部８１は、ステータ８０の振動モードの節部に位置している。

予圧用ばね７３は、予圧用ナット７１の内側で鍔部８１に軸方向に突き当るコイルばねになっている。予圧用ばね７３は、ステータ８０の鍔部８１及び予圧用ボルト７２によって軸方向に圧縮されている。

固定ボルト７４は、予圧用ナット７１のボルト穴部７１ａ内の雌ねじ部に対応の雄ねじ部品になっている。固定ボルト７４を軸方向他方側から第２取付穴１２ａに通し、さらにボルト穴部７１ａ内の雌ねじ部にねじ込むことによって、センサホルダ３５及び予圧用ナット７１が外輪１２に締結されている。なお、固定ボルト７４は、周方向等配で複数個所に設けられている。固定ボルトを軸方向一方側から予圧用ナットに通し、さらに第２取付穴１２ａ内の雌ねじ部にねじ込むことで予圧用ナット及び外輪を締結するようにしてもよい。

予圧用ナット７１は、係止部７１ｂを有する。ステータ８０の鍔部８１には、部分的に拡径した突片壁８１ａが含まれている。係止部７１ｂは、突片壁８１ａを軸方向一方側から挿入可能な溝状部になっている。係止部７１ｂは、突片壁８１ａを周方向に受けることにより、ステータ８０を周方向に回り止めする。

予圧用ナット７１は、嵌合部７１ｃを有する。嵌合部７１ｃは、ステータ８０の振動モードの節部を径方向に支持する。なお、係止部７１ｂ及び嵌合部７１ｃは、同じ軸方向位置において周方向等配で交互に並ぶ配置例を図示している。係止部及び嵌合部は、軸方向に相異なる位置に配置してもよく、この場合、嵌合部及び予圧用ナットが全周に亘って嵌合しもよい。

上述のような第３実施形態の組立においては、固定ボルト７４をボルト穴７１ａにねじ込むことにより、センサホルダ３５、外輪１２及び予圧用ナット７１が同時に締結される。さらに、予圧用ばね７３を予圧用ナット７４の内側でステータ８０の鍔部８１に軸方向に突き当て、予圧用ボルト７２を予圧用ナット７４にねじ込むことにより、予圧用ばね７３が軸方向に圧縮される。ここで、予圧用ボルト７２のねじ込み量に応じて予圧力が調整可能である。この予圧状態では、固定ボルト７４、鍔部８１、予圧用ばね７３及び予圧用ナット７１の軸方向の連関性により、ステータ８０の軸方向位置が所定に定められると共に、鍔部８１に対する嵌合部７１ｃの径方向支持により、ステータ８０の径方向位置も所定に定められる。さらに、突片壁８１ａに対する係止部７１ｂの回り止めにより、ステータ８０が回り止めされる。すなわち、第３実施形態も、ステータ８０に必須の回り止め及び予圧構造のみでステータ８０を外輪１２に連結することができる。なお、この発明の技術的範囲は、上述の各実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載に基づく技術的思想の範囲内での全ての変更を含むものである。

１０ 転がり軸受
１１ 内輪
１１ａ 第１取付穴
１１ｂ 内径面
１１ｃ 第４取付穴
１２ 外輪
１２ａ 第２取付穴
１２ｂ 第３取付穴
１３ 転動体
２０、６０、８０ ステータ
２１ 中空ボルト
２１ａ 内径面
２２ ステータヘッド
２２ａ ばね受け部
２３ 縦励振圧電素子
２４ 節部
２４ａ 係止受け部
２５ ねじり励振圧電素子
２６ ステータボトム
３０ 回転センサ
３１ エンコーダ
３２ エンコーダホルダ
３２ａ 第１ボルト通し穴
３２ｂ 第２ボルト通し穴
３２ｃ 内径面
３３ 取付けボルト
３４ センサ回路
３５ センサホルダ
３５ａ 軸受座部
３５ｂ 第３ボルト通し穴
３５ｃ 第４ボルト通し穴
３６ ホルダ固定ボルト
４０、５０、７０ 予圧連結手段
４１、５３、７１ 予圧用ナット
４２、７２ 予圧用ボルト
４３、７３ 予圧用ばね
４４ 係止片
４４ａ 先端部
４５、７４ 固定ボルト
５１ 支持ボルト
５２ コイルばね
６１ 突部
６１ａ 内壁面
７１ａ ボルト穴部
７１ｂ 係止部
７１ｃ 嵌合部
７２ａ 差込口
８１ 鍔部
８１ａ 突片壁
Ｆ１ 第１リンクのフレーム
Ｆ２ 第２リンクのフレーム
Ｃ ケーブル
Ｂ１ リンク固定ボルト
Ｂ２ リンク固定ボルト

Claims (7)

1. ロボット関節を駆動する関節駆動装置において、
   第１リンクとの連結に用いる第１取付穴が形成された内輪、第２リンクとの連結に用いる第２取付穴が形成された外輪、並びに前記内輪及び前記外輪間を公転する複数の転動体を有する転がり軸受と、
   前記外輪に連結され、前記内輪を駆動する複合振動子型ステータと、
   を備えることを特徴とする関節駆動装置。
2. 前記内輪に連結され、前記内輪の回転運動を物理信号に変換するエンコーダと、
   前記外輪に連結され、前記物理信号を出力信号に変換するセンサ回路と、
   をさらに備え、
   前記ステータは、前記転がり軸受を境とした軸方向一方側に配置され、前記エンコーダ及び前記センサ回路は、前記転がり軸受を境とした軸方向他方側に配置されている請求項１に記載の関節駆動装置。
3. 前記転がり軸受は、クロスローラ軸受になっている請求項１又は２に記載の位置決め装置。
4. 前記ステータは、軸方向に貫通した筒状の中空ボルトと、前記内輪に接触するように前記中空ボルトの外周に取り付けられたステータヘッドと、前記ステータヘッドの軸方向一方側で前記中空ボルトを取り囲む縦励振圧電素子と、前記ステータヘッドと共に前記縦励振圧電素子を軸方向に挟む節部と、前記節部の軸方向一方側で前記中空ボルトを取り囲むねじり励振圧電素子と、前記節部と共に前記ねじり励振圧電素子を軸方向に挟むように前記中空ボルトの外周に取り付けられたステータボトムと、を有し、
   前記内輪及び前記中空ボルトの内側が軸方向に連通している請求項１から３のいずれか１項に記載の関節駆動装置。
5. 前記外輪に軸方向一方側から突き当る予圧用ナットと、
   前記予圧用ナットにねじ込む予圧用ボルトと、
   前記予圧用ナットの内側で前記ステータ及び前記予圧用ボルトによって軸方向に圧縮された予圧用ばねと、
   前記ステータを周方向に回り止めすると共に径方向に支持する係止片と、
   前記外輪にねじ込む固定ボルトと、
   をさらに備え、
   前記予圧用ナット及び前記係止片は、前記固定ボルトによって前記外輪に締結されている請求項４に記載の関節駆動装置。
6. 前記外輪にねじ込む支持ボルトと、
   前記支持ボルトの外側に通されたコイルばねと、
   前記支持ボルトに軸方向一方側から螺着する予圧用ナットと、
   をさらに備え、
   前記ステータは、前記支持ボルトを周方向及び径方向に支持する突部を有し、
   前記コイルばねは、前記突部及び前記予圧用ナットによって軸方向に圧縮されている請求項４に記載の関節駆動装置。
7. 前記外輪に軸方向一方側から突き当る予圧用ナットと、
   前記予圧用ナットにねじ込む予圧用ボルトと、
   前記予圧用ナットの内側で前記ステータ及び前記予圧用ボルトによって軸方向に圧縮された予圧用ばねと、
   前記外輪及び予圧用ナットを締結する固定ボルトと、
   をさらに備え、
   前記予圧用ナットは、前記ステータを周方向に回り止めする係止部と、前記ステータを径方向に支持する嵌合部とを有し、前記固定ボルトによって前記外輪に締結されている請求項４に記載の関節駆動装置。

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