JP2016025670A - 回転駆動装置及び関節形ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】回転駆動装置が備える振動型アクチュエータを冷却する際に、振動型アクチュエータで発生する摩耗粉が各種装置の設置雰囲気に飛散することを防止する。【解決手段】関節形ロボットの先端アーム１０では、筒状のケース２１の内部に配設された振動型アクチュエータ５０の回転出力が外部に取りされる。振動型アクチュエータ５０は、振動体５１と、振動体５１と加圧接触して回転する回転移動体６１と、振動体５１に駆動振動を励起する圧電素子５２とを有し、ケース２１は、吸気口２４が形成されると共に、排気を行うホース２０が取り付けられており、ケース２１の内部に形成される吸気口２４からホース２０への空気の流路の間に振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部が位置する構造とする。【選択図】図２

Description

本発明は、振動型アクチュエータを備える回転駆動装置と、回転駆動装置を備える関節形ロボットに関する。

複数のアームを持つ関節形マニピュレータや関節形ロボットでは、各アームの回転駆動や伸縮駆動、屈曲駆動を行う関節部に、必要な駆動力を与えるモータを内蔵している。モータは駆動時の損失により発熱するため、モータ自体及びアーム部が高温になってしまうことを防ぐための冷却機構が必要になる。

そこで、アーム部の空洞部にエアホースを配設し、モータ部の近傍においてこのエアホースに開口した分岐口を設けて、モータ部に冷却風を吹き付けることでモータ部を冷却する構造が知られている（特許文献１参照）。また、アーム部内に冷却用通風路を形成し、ロボットのベース側からロボットアームのエンドエフェクタ側へ冷却空気を送風して、ロボットアームの先端から排気を行うことで、モータ部とアーム部を冷却する構造が知られている（特許文献２参照）。

一方、振動体によって被駆動体を駆動する振動型アクチュエータを用いた関節形ロボットでは、振動型アクチュエータの冷却構造に加えて、振動型アクチュエータで発生する摩耗粉を外部に飛散させない構造が必要とされる。そこで、振動型アクチュエータを内包するケースにおいて、ステータ（振動体）及びロータ（被駆動体）の外周部と対向しない位置に通気口を設けた構造が提案されている（特許文献３参照）。

特開平７−２４６５８７号公報 実公昭５９−３６３９０号公報 特開平６−２０５５９０号公報

振動型アクチュエータをモータとして用いた関節形ロボットに対して上記特許文献１，２に記載された冷却方法を適用した場合には、次のような問題が生じる。即ち、特許文献１の冷却構造では、ホースから吹き付けられる冷却風が振動型アクチュエータの振動体と被駆動体との摩擦部で生じる摩耗粉を巻き上げてしまい、アーム内部に飛散した摩耗粉がアーム部の隙間から作業雰囲気に飛散してしまうという問題がある。また、特許文献２の冷却構造でも、ロボットアームの先端からの排気に摩耗粉が含まれてしまい、作業対象物や作業雰囲気に摩耗粉を撒き散らしてしまうという問題がある。特許文献３の冷却・防塵構造には、通気口を摩耗粉が通過することは避けられず、作業対象物や作業雰囲気への摩耗粉の飛散を防ぎきれないという問題がある。

本発明は、回転駆動装置が備える振動型アクチュエータを冷却する際に、その振動型アクチュエータで発生する摩耗粉を、各種装置の設置雰囲気に飛散させない技術を提供することを目的とする。

本発明に係る回転駆動装置は、振動型アクチュエータが筒状のケースの内部に配設され、前記振動型アクチュエータの回転出力が前記ケースの外部に取り出される回転駆動装置であって、前記振動型アクチュエータは、加圧接触して相対的に回転移動する振動体および被駆動体と、前記振動体と接合され、駆動電圧が印加されることによって前記振動体と前記被駆動体とを相対的に回転移動させるための振動を前記振動体に励起する電気−機械エネルギ変換素子とを有し、前記ケースは、吸気口と、負圧が供給される排気口とを有し、前記ケースの内部に形成される前記吸気口から前記排気口への空気の流路の間に、前記振動体と前記被駆動体との加圧接触部が位置することを特徴とする。

本発明によれば、回転駆動装置が備える振動型アクチュエータを冷却する際に、その振動型アクチュエータで発生する摩耗粉が各種装置の設置雰囲気に飛散してしまうことを防止することができる。

本発明の実施形態に係る関節形ロボットの概略構造を示す図である。 図１の関節形ロボットが備える先端アームの構造を示す断面図である。 図１の関節形ロボットが備える先端アームの第１の変形例の概略構造を示す断面図である。 図４の先端アームが備える振動型アクチュエータを構成する振動子の構造を示す図である。 図１の関節形ロボットが備える先端アームの第２の変形例の概略構造を示す断面図である。 図１の関節形ロボットが備える先端アームの第３の変形例の概略構造を示す断面図である。 図６の先端アームを構成するケースに設けられたリング状突起部の変形例の構造を示す部分斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明に係る回転駆動装置として、複数の関節部を有する関節形ロボットにおけるエンドエフェクタ側のアーム部（以下「先端アーム」という）を取り上げることとする。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

＜関節形ロボットの概略構造＞
図１は、本発明の実施形態に係る関節形ロボットの概略構造を示す図である。関節形ロボット１００は、回転軸として第１軸乃至第６軸を有する６軸関節形ロボットであり、各軸の回転方向は図示の通りである。なお、各軸の動きは本発明とは直接には関係が無いため、詳細な説明は省略する。

関節形ロボット１００において、第６軸部である先端アーム１０には、回転モータとして振動型アクチュエータが組み込まれている。また、関節形ロボット１００では、ホース２０が、関節形ロボット１００の架台側から各アームに沿って配設され、先端アーム１０に取り付けられている。後述する通り、ホース２０の内部は、関節形ロボット１００の作業雰囲気の気圧よりも負圧の状態に保たれている。そして、先端アーム１０のエンドエフェクタ側には、吸気口２４（図２参照）が設けられている。

＜第１実施形態＞
図２は、先端アーム１０の詳細な構造を示す断面図である。先端アーム１０は、大略的に、外装である筒状のケース２１の内部に振動型アクチュエータ５０が配設された構造を有する。振動型アクチュエータ５０は、出力軸４０を回転軸として円環状に形成されており、振動体５１、圧電素子５２、回転移動体６１及び付勢部材６２を備える。

電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子５２は、振動体５１に接合されている。圧電素子５２には所定のパターンの電極部７１が形成されており、電極部７１に配線部材７２を通じて複数の駆動電圧が印加されることで、振動体５１と圧電素子５２とからなる振動子に進行性の振動波（駆動振動）を生じさせる。一方、付勢部材６２は、出力軸４０に結合された状態で更に回転移動体６１と接合され、被駆動体である回転移動体６１を振動体５１に加圧接触させている。また、振動型アクチュエータ５０の回転出力をケース２１の外部に取り出す出力軸４０は、２カ所に配設されたベアリング４４を介してケース２１に保持されている。こうして、振動体５１に励起された駆動振動によって回転移動体６１に回転駆動力（摩擦駆動力）が与えられ、出力軸４０を回転させることで、出力軸４０に連結された回転出力部４１を回転させる。

ケース２１の回転出力部４１側の端面（回転軸と直交する面）には、吸気口２４が形成されている。また、ケース２１において吸気口２４が形成されている端面と対向する端面には貫通穴２２が形成されており、貫通穴２２には、ケース２１内で開口するようにホース２０が挿入されている。つまり、ホース２０のケース２１内での開口部が排気口として機能する。なお、貫通穴２２とホース２０との隙間には、貫通穴２２を閉塞すると共にホース２０を保持するシール材２５が充填されている。

ホース２０には負圧が供給されており、これによってケース２１内はケース２１外よりも負圧とされ、ケース２１内の空気がホース２０を通して排気される。負圧の供給方法に特に制限はなく、例えば、ホース２０が接続された容器（不図示）に排気ファン或又は排気ポンプを取り付け、或いは、排気ダクト等から分岐させた排気管にホース２０をつなぐ等することで、負圧を供給することができる。また、先端アーム１０が接続される第５軸部のアームと接続される排気経路を形成して、第５軸部のアームに負圧を供給し、第５軸部のアームを介してケース２１内の空気の排気するようにしてもよい。

ホース２０による排気により、ケース２１内には破線矢印で示されるように、吸気口２４からケース２１内に流れ込んだ後にホース２０から排気されるように空気の流れが形成され、この空気の流れによって振動型アクチュエータ５０が冷却される。このとき、本実施形態では、振動体５１と回転移動体６１の加圧接触部の近傍に空気の流れが形成されるため、この加圧接触部を効率的に冷却して、加圧接触部の摩擦熱による振動体５１及び回転移動体６１の温度上昇を効果的に抑制することができる。

振動型アクチュエータ５０では、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触による摩擦力を利用して駆動力を得ているため、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部に摩耗粉が生じる。こうして生じた摩耗粉は、ケース２１内に形成された空気の流れに乗り、ホース２０を通して先端アーム１０外部に排出される。このとき、ケース２１内での空気の流れは、回転出力部４１に取り付けられるエンドエフェクタ側から遠ざかる方向に形成されるため、吸気口２４から摩耗粉が排出されてしまうことを防止することができる。これにより、関節形ロボット１００が塵埃を嫌う部品や作業対象物をハンドリングする際に、摩耗粉を作業対象物側に飛散させること防止することができる。

なお、吸気口２４の設置位置は、ケース２１内に形成される空気の流れの途中に振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部が位置するように定められ、よって、ケース２１の回転出力部４１側（エンドエフェクタ側）の端面に限定されるものではない。例えば、ケース２１の筒状側面に吸気口２４を設けてもよい。その場合にケース２１の回転出力部４１側の端面と対向する面にホース２０が取り付けられているのであれば、ケース２１の筒状側面における回転出力部４１側の端面から振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部までの間に吸気口２４を設けるようにする。また、ケース２１内に形成される空気の流れの途中に振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部が位置するように、吸気口２４の設置位置に応じてホース２０の配設位置を変更してもよい。

吸気口２４の数と大きさは、振動体５１と回転移動体６１の温度上昇を抑制することができる空気に流れを形成することができる限りにおいて、変更（設計）が可能である。また、吸気口２４からホース２０の開口までの空気の流路に塵埃を捕捉するフィルタを設けることも望ましい。

＜第２実施形態＞
図３は、先端アーム１０の第１の変形例である先端アーム１０Ａの概略構造を示す断面図である。図３の先端アーム１０Ａの構成要素のうち、図２の先端アーム１０の構成要素と同等であるものについては、同じ符号を付して、重複する説明は省略することとするが、適宜、必要に応じて符号末尾に「Ａ」を付して説明を行う。

先端アーム１０Ａは、大略的に、外装である筒状のケース２１Ａの内部に振動型アクチュエータ５０Ａが配設された構造を有する。回転移動体６１Ａは付勢部材６２Ａに接合され、付勢部材６２Ａは回転出力部４１Ａに接合されている。また、回転出力部４１Ａはクロスローラベアリング４４Ａの内輪部に回転自由に連結され、ケース２１Ａはクロスローラベアリング４４Ａの外輪部に接合されている。

図４は、振動型アクチュエータ５０Ａを構成する振動子の概略構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の矢視Ａ−Ａ断面図である。振動子は、振動体５１Ａに圧電素子５２Ａが接合されて構成されている。圧電素子５２Ａは、図２を参照して説明した圧電素子５２と同じである。振動体５１Ａは、円板状の形状を有し、中心部に対して肉厚に形成された外周部の上面側に、周方向に所定の等間隔でスリット部５４Ａが形成された構造を有し、隣接するスリット部５４Ａの間に形成される凸部５３Ａの上面で回転移動体６１Ａと加圧接触している。振動体５１Ａは、その中心部においてケース２１Ａに固定されており、ケース２１Ａと固定される部分には、複数の孔部５５Ａが形成されている。これらの孔部５５Ａは、振動体５１Ａの軽量化に寄与する。

ケース２１Ａにおいて、回転出力部４１Ａ側の端面には吸気口２４Ａが形成されており、吸気口２４Ａが形成されている端面と対向する端面の中心に設けられた貫通穴２２Ａにホース２０Ａが配設され、ホース２０Ａに負圧が供給されている。振動型アクチュエータ５０Ａでは、振動体５１Ａに設けられたスリット部５４Ａをケース２１の内部に形成される空気の流路の一部として用いる。即ち、吸気口２４からケース２１Ａ内に流れ込んだ空気は、破線矢印で示されるように、先ず、振動体５１Ａに設けられたスリット部５４Ａを通って、振動型アクチュエータ５０Ａの内部（振動体５１Ａ、回転移動体６１Ａ及び付勢部材６２Ａによって囲まれる空間）へ流入する。その後、振動型アクチュエータ５０Ａの内部へ流入した空気は、ホース２０Ａを通して排気される。

こうして、振動体５１Ａと回転移動体６１Ａとの加圧接触部の直近に空気を流す構成とすることによって、加圧接触部の摩擦熱による振動体５１Ａ及び回転移動体６１Ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。また、先端アーム１０Ａでも、先端アーム１０と同様に、ケース２１Ａ内での空気の流れは、回転出力部４１Ａ側から遠ざかる方向に形成されるため、吸気口２４Ａから摩耗粉が排出されることを防止することができる。

なお、振動型アクチュエータ５０Ａでは、付勢部材６２Ａに適度なバネ性を与え、また、軽量化を図るために、回転軸に平行な方向に貫通する孔部を設けてもよい。但し、その場合には、振動型アクチュエータ５０Ａの内部へ流入する空気の流速を上げるために、設けた孔部をフィルム或いはゴム等の部材で閉塞することが望ましい。

一方、回転軸と平行な方向に貫通する孔部を付勢部材６２Ａに設け、この孔部を閉塞しない構成とする場合には、図２の先端アーム１０のケース２１に対してホース２０を設けた位置と同等の位置にホース２０Ａを配設することが望ましい。同時に、振動体５１Ａと回転移動体６１Ａとの加圧接触部と、ケース２１Ａの内周側の壁面との間の隙間をできるだけ狭くすることが好ましい。これにより、吸気口２４Ａから取り込まれた空気が、振動型アクチュエータ５０Ａの内部空間とスリット部５４Ａとを経てホース２０Ａから排出されるような流路を形成することができる。つまり、吸気口２４Ａから取り込まれた空気が振動型アクチュエータ５０Ａの内部空間へ流入し、振動体５１Ａと回転移動体６１Ａとの加圧接触部の直近を関節形ロボット１００の作業領域から遠くなる方向へ排気されるように、空気の流路を形成することが望ましい。吸気口２４の設置場所が、ケース２１Ａにおける回転出力部４１側の端面に制限されないことは、図２の先端アーム１０の場合と同様である。

＜第３実施形態＞
図５は、先端アーム１０の第２の変形例である先端アーム１０Ｂの概略構造を示す断面図である。先端アーム１０Ｂは、図３の先端アーム１０Ａに対して更に、被検出体８１、検出部８２及び検出部用配線８３を配設した構造を有する。そのため、先端アーム１０Ｂの構成要素のうち、先端アーム１０Ａの構成要素と同等であるものについては、同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。

先端アーム１０Ｂが備える被検出体８１は、例えば、回転出力部４１Ａの回転位置を検出する反射型光学式ロータリエンコーダであり、回転出力部４１Ａに取り付けられて回転出力部４１Ａと一体的に回転する。検出部８２は、被検出体８１の回転位置を検出することによって回転出力部４１Ａの回転位置を検出する光センサ等のエンコーダであり、ケース２１Ａに固定されている。検出部用配線８３は、検出部８２に動作用電力を供給すると共に、検出部８２の出力を取り出すための配線である。

先端アーム１０Ｂでのケース２１Ａ内の空気の流れは、図３の先端アーム１０Ａのケース２１Ａ内での空気の流れと同じであるので、ここでの説明を省略する。先端アーム１０Ｂでは、被検出体８１と検出部８２との間の空隙部が、ケース２１Ａ内での空気の流れの中で、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部よりも上流側に位置している。こうして、加圧接触部で生じた摩耗粉が検出部８２の近傍へ飛散しない構造となっているため、検出部８２による誤検出の発生を防止することができる。

＜第４実施形態＞
図６は、先端アーム１０の第３の変形例である先端アーム１０Ｃの概略構造を示す断面図である。先端アーム１０Ｃは、図２の先端アーム１０でのケース２１内での空気の流れを改良したものであり、先端アーム１０Ｃを構成するケース２１Ｃの構造に最も大きな特徴がある。そのため、以下では、ケース２１Ｃの構造について詳細に説明し、先端アーム１０Ｃの構成要素のうち、先端アーム１０の構成要素と同等であるものについては、同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。

ケース２１Ｃにおいて、回転出力部４１側の端面には、回転軸について対称となる２カ所に吸気口２４が形成されている。また、ケース２１Ｃにおいて、２カ所の吸気口２４が形成されている面と対向する面には、２カ所の吸気口２４とそれぞれ対向するように２カ所に貫通穴２２が形成されており、それぞれの貫通穴２２にホース２０Ｃがケース２１内で開口するように挿入されている。

ケース２１Ｃの筒状側面の内周側の壁面において振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部と対向する位置には、回転軸側へ突出するリング状突起部９１が形成されている。こうして、先端アーム１０Ｃでは、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部とリング状突起部９１との間の空気の流路の流速方向と略直交する断面積が小さくなるように絞られている。そのため、吸気口２４からケース２１Ｃ内に流入した空気の流速は、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部とリング状突起部９１との間を通過する際に大きくなる。空気の熱伝達係数は流速が大きいほど高くなるため、加圧接触部の近傍を流れる空気は、より効率的に加圧接触部から熱を奪うことができるようになる。こうして、加圧接触部で発生する摩擦熱による振動体５１及び回転移動体６１の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

図７は、リング状突起部９１の変形例であるリング状突起部９２の構造を示す部分斜視図である。リング状突起部９２は、回転軸の軸方向に対して所定の角度を有するように、且つ、周方向に略等間隔に、螺旋状の溝部９２Ａが形成された構造を有する。リング状突起部９２をこのような構造とすることにより、回転移動体６１の外周を取り巻くように渦流状の気流を生成させることができる。ここで、振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部では、振動子を駆動した際に周方向に窪みが形成されるため、螺旋状の溝部９２Ａによって形成された渦流状の気流は、加圧接触部に生じた窪みに効率的に吹き込む。よって、加圧接触部で発生する摩擦熱による振動体５１及び回転移動体６１の温度上昇を更に効果的に抑制することができる。

特に、回転移動体６１の回転方向が特定の回転方向に支配的に行われる場合には、回転移動体６１の回転方向とは逆の方向に渦流状の気流の回転成分が生じるように、螺旋状の溝部９２Ａを形成することが好ましい。これにより、回転移動体６１の表面と渦流状の気流との速度差を増大させることができるため、より効果的に振動体５１と回転移動体６１との加圧接触部を冷却することができるようになる。なお、吸気口２４の数は２カ所に制限されるものではなく、同様に、貫通穴２２とホース２０の数も２カ所に限定されるものではなく、これらの数或いは大きさ等は、振動体５１及び回転移動体６１の温度上昇を抑制するという目的が達成される限りにおいて、任意に設定することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

例えば、上記実施形態では、固定された振動体５１に対して、被駆動体である回転移動体６１が回転する構成を取り上げたが、これに限定されるものではない。例えば、一定角度の範囲内で往復運動を行う回転駆動装置では、固定された被駆動体に対して振動体が回転する構成であってもよい。つまり、振動型アクチュエータは、振動体と被駆動体とが相対的に回転移動する構成であればよい。

例えば、上記実施形態では、関節形ロボット１００の第６軸部である先端アーム１０に回転モータとして振動型アクチュエータを組み込んだ例について説明した。しかし、これに限定されず、上述した先端アーム１０の構造は、他の軸部や不図示のエンドエフェクタユニットに組み込まれる回転駆動部にも適用が可能である。また、先端アーム１０の冷却・塵埃排出構造は、関節形ロボット１００に限定されず、例えば、画像形成装置における感光体ドラム等の各種の回転駆動装置にも適用が可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 先端アーム
５０，５０Ａ 振動型アクチュエータ
２０，２０Ａ，２０Ｃ ホース
２１，２１Ａ，２１Ｃ ケース
４０ 出力軸
４１ 回転出力部
５１ 振動体
５２ 圧電素子
６１，６１Ａ 回転移動体
６２，６２Ａ 付勢部材
９１，９２ リング状突起部
９２Ａ 溝部

Claims (7)

1. 振動型アクチュエータが筒状のケースの内部に配設され、前記振動型アクチュエータの回転出力が前記ケースの外部に取り出される回転駆動装置であって、
   前記振動型アクチュエータは、
   加圧接触して相対的に回転移動する振動体および被駆動体と、
   前記振動体と接合され、駆動電圧が印加されることによって前記振動体と前記被駆動体とを相対的に回転移動させるための振動を前記振動体に励起する電気−機械エネルギ変換素子とを有し、
   前記ケースは、吸気口と、負圧が供給される排気口とを有し、
   前記ケースの内部に形成される前記吸気口から前記排気口への空気の流路の間に、前記振動体と前記被駆動体との加圧接触部が位置することを特徴とする回転駆動装置。
2. 前記振動体は、円板状の形状を有し、中心部に対して肉厚に形成された外周部の上面側に周方向に所定の等間隔でスリット部が形成された構造を有し、隣接する前記スリット部の間に形成される凸部の上面で前記被駆動体と加圧接触し、
   前記スリット部が前記ケースの内部において形成される空気の流路の一部となっていることを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
3. 前記被駆動体の回転位置を検出するエンコーダが、前記ケースの内部での空気の流路の中で、前記振動体と前記被駆動体との加圧接触部よりも上流側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転駆動装置。
4. 前記ケースの内周側において前記振動体と前記被駆動体との加圧接触部と対向する位置に、前記空気の流路の流速方向と略直交する断面積を小さくする突起部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
5. 前記突起部の内周側に螺旋状の溝部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転駆動装置。
6. 前記被駆動体は特定の方向に回転駆動され、前記被駆動体の回転方向とは逆の方向に渦流状の気流の回転成分が生じるように、前記突起部に螺旋状の溝部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転駆動装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転駆動装置を備えることを特徴とする関節形ロボット。