JP2023141375A - ロータリージョイント - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、ユニット間において、伝送効率の低下を防ぎつつ、高い信頼性を持って電力と電気信号の伝送を可能にすることができるロータリージョイントを提供する。【解決手段】電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＡを有する固定側ユニットと、電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＢを有し、前記固定側ユニットに対して、１軸を中心に回転自在に保持された回転側ユニットとの間で、電力及び電気信号の非接触伝送を行うロータリージョイントにおいて、前記電力回路に整合回路を有していることにより、供給電力容量を増やして、大電力の送電を可能とし、伝送ユニット内の電気信号伝送コイル及び電力伝送コイルをフェライトシートで覆うことで、伝送コイル同士の電磁誘導による効率的な電気信号の双方向通信及び、電力の伝送ができ、且つ小型化が可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットのアーム先端部などに設けられるロータリージョイントに関する。さらに詳しくは、流体と電気を固定側ユニットから回転側ユニットに連通する相対的に回転を行う二部材間に配設され、配管と電気配線をコンパクトにまとめたロータリージョイントに関する。

ロボットを用いた搬送工程や溶接工程などに用いられるロータリージョイントは、モーターを制御して作業を行う電動ハンドや、サーボガンなどのツールを使用している場合、該ツールを動かすためには、モーターや制御機器用の電力線と信号線などが必要となる。このため多関節ロボットのような自由度の高いロボットでは、ロボットの動きに追従して動力源や信号線が振り回されることになる。かかる自由度の高いロボットでは、他の機械と干渉しないようにロータリージョイントを経由して必要な配線が施されている。

例えば、特許文献１や特許文献２には、ロータリージョイントの構成として、回転側ユニットとロボットアームに対してフローティングして回り止めされた固定側ユニットと、回転側ユニット又は固定側ユニットに環状に設けられて回転側ユニットと固定側ユニットとを連通する流体通路と、電力用スリップリングと電気信号用スリップリングとが回転軸に対して同心円状に配置とからなるものが示されている。かかる構成のロータリージョイントには、流体通路と電力用スリップリングと電気信号用スリップリングとが、固定側ボディと回転側ボディとの間で連通及び接触することにより、流体や電力や電気信号がロボット側とツール側の間で供給及び伝送されるものとして提案がされている。

しかしながら、かかるスリップリングの接触による電力と電気信号の伝送による方法では、ロータリージョイントの回転により、スリップリングの接点が磨耗することにより、電力と電気信号に対するノイズの発生や、定期的な磨耗粉の除去作業、各パーツの交換などのメンテナンスに多大な費用とメンテナンスを要するという問題がある。

上記の問題を解決するために、特許文献３には、情報信号系回路と電力系回路とを有する固定ユニットと、情報信号系回路と電力系回路とを有し、固定ユニットに対して１ 軸を中心に回転自在に保持された回転ユニットとの間で、電力及び情報信号の非接触伝送を行うロータリージョイントが記載されている。かかる構成のロータリージョイントは、固定ユニットに固定された１軸を中心とする第１磁性体コアと、回転ユニットに第１磁性体コアに対応する位置に固定された第２磁性体コアとを備え、磁性体コアには同心円状の凹部が形成され、凹部に情報信号回路に接続されたコイルと、電力系回路に接続されたコイルが配置され、コイル同士の電磁誘導により、情報信号の双方向通信と、電力の伝送を行うことができるものが提案されている。

しかしながら、かかる電磁誘導による電力の伝送方法では、大電力を伝送するためには、コイルの巻き数を増やす必要があり、コイルが大型化してしまうことにより、ロータリージョイント自体が大型化するという問題がある。

特開２００４－１６７６８１ 特開２００８－２０７２９３ 特開２００９－２００７５０

本発明は、小型で、固定側ユニットと回転側ユニット間において、伝送効率の低下を防ぎつつ、高い信頼性を持って電力と電気信号の伝送を可能にすることができる高速回転可能なロータリージョイントを提供することにある。

本発明のロータリージョイントの第一の態様は、電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＡを有する固定側ユニットと、電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＢを有し、前記固定側ユニットに対して、１軸を中心に回転自在に保持された回転側ユニットとの間で、電力及び電気信号の非接触伝送を行うロータリージョイントにおいて、前記電力回路に整合回路を有していることを特徴とする。

本態様によれば、前記固定側ユニットと前記回転側ユニット間において、高い信頼性を持って電力と電気信号の伝送を可能とし、大電力の伝送を行う場合でも小型にすることができる。

本発明のロータリージョイントの第二の態様は、前記第一の態様のロータリージョイントにおいて、前記伝送ユニットＡ及び前記伝送ユニットＢは、同心円状の凹部が２箇所形成され、一方の凹部に前記電気信号回路に接続された電気信号伝送コイルと、他方の凹部に前記電力回路に接続された電力伝送コイルと、前記電気信号伝送コイル及び電力伝送コイルを覆う磁性体を有しており、該磁性体がフェライトシートで形成されていることを特徴とする。

本態様によれば、電気信号伝送コイル同士及び、電力伝送コイル同士の電磁誘導により、効率的な電気信号の双方向通信及び、電力の伝送ができ、且つ小型化が可能となる。

本実施例のロータリージョイントの構造を示す断面図 本実施例の伝送ユニットの構造を示す断面図 本実施例の伝送ユニットＡの構成を示す模式図 本実施例の伝送ユニットＢの構成を示す模式図 本実施例の伝送ユニットの構造を示す詳細図 本実施例の伝送ユニットの構成図 本実施例の送電側基板の構成図 本実施例の受電側基板の構成図

以下、本発明のロータリージョイントの形態を図１から図６に基づいて説明する。

図１において、本実施形態にかかるロータリージョイントの構成を示す。ロータリージョイントは、ロボットのアーム先端部などに設けられ、ロボットに若干フローティングして回り止めされている固定側ボディ１と、ロボットの先端回転軸に取り付けられ、エアシリンダを使ったハンドや、電動ハンド、溶接ガンなどのツールが固定され、且つ、ベアリング３により、固定側ボディ１と相対的に回転可能に連結された回転側ボディ２により構成される。

図１において、固定側ボディ１には、複数の固定側ポート４を備え、回転側ボディ２には、固定側ポート４と同数の回転側ポート５が配設されている。固定側ボディ１と回転側ボディ２の摺動面上にシール部材６を設けることにより、複数の流体通路７が設けられ、流体通路７を介して、固定側ポート４と回転側ポート５の配管が連通する。

図２～５には、図１において、固定側ボディ１に設けられた伝送ユニットＡ８と、回転側ボディ２に設けられた伝送ユニットＢ９の構造を示す。伝送ユニットＡ８には、送電側基板１０が固定されており、且つ、同心円状の凹部が２箇所形成され、一方の凹部に送電側電力伝送コイル１１が配置され、他方の凹部に送電側電気信号伝送コイル１２が配置されており、伝送ユニットＢ９には、受電側基板１３が固定されており、且つ、伝送ユニットＡ８の凹部に対応する位置に凹部が２箇所形成され、送電側電力伝送コイル１１に対応する凹部に受電側電力伝送コイル１４が配置され、送電側電気信号伝送コイル１２に対応する凹部に受電側電気信号伝送コイル１５が配置されている。

伝送ユニットＡ８及び伝送ユニットＢ９の２箇所の凹部の壁面には、フェライトシート１６が配設されており、送電側電力伝送コイル１１、及び、送電側電気信号伝送コイル１２、受電側電力伝送コイル１４、受電側電気信号伝送コイル１５の各コイルを覆うことにより、電磁誘導により発生する磁界を一方方向にのみ向くように規制することにより、高効率な電力、及び、電気信号の伝送を行うことができ、且つ、磁性体として、フェライトシート１６を用いることにより、省スペースでの磁界誘導を可能とし、小型化を実現することができる。

送電側電力伝送コイル１１、及び、受電側電力伝送コイル１４は、コイルの巻き始め、及び、巻き終わりに設けられる電力伝送コイルハーネス１７により、送電側基板１０、及び、受電側基板１３に設けられている電力回路にそれぞれ接続されている。同様に、送電側電気信号伝送コイル１２、及び、受電側電気信号伝送コイル１５も、コイルの巻き始め、及び、巻き終わりに設けられる電気信号伝送コイルハーネス１８により、送電側基板１０、及び、受電側基板１３に設けられている電気信号回路にそれぞれ接続されている。

図６～８には、本実施例における伝送ユニット及び送電側基板、受電側基板の構成図を示す。送電側基板１０及び受電側基板１３には送電側外部電力２０を受電側外部電力２８に出力する電力回路と、送電側外部信号２８と受電側外部信号３３の双方向通信を行う電気信号回路とが含まれている。

電力回路について説明する。送電側外部電力２０は、直流電圧波形（ＤＣ）をしており、受電側に伝送する電力のほかに、伝送側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１により、送電側ＣＰＵ２９に用いる電圧や、ほかの内部電子機器の動作可能電圧に変換され、各機器に供給される。受電側に伝送する電力は、インバータ回路２２に流れると、矩形波を作ることによって交流電圧波形（ＡＣ）に変換される。次に、送電側整合回路２３により、送電側電力伝送コイル１１のインピーダンスを低くすることによって、電力を流れやすくし、電磁誘導を用いて、受電側基板１３に含まれる電力回路内の受電側電力伝送コイル１４に伝送される。

受電側電力伝送コイル１４は、受電側整合回路２４により、インピーダンスを低くされて、電力を流しやすくしてあり、電磁誘導により伝送された電力を受電し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２５に流れると、交流電圧波形から直流電圧波形に変換される。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６にて、電気信号回路に用いる受電側ＣＰＵ３２に用いる電圧や、ほかの内部電子機器の動作可能電圧、受電側外部電力２７として用いる電圧に変換している。

今回の例では、送電側外部電力２０として、直流電圧波形を用いているが、交流電圧波形を用いても良い。その場合は、送電側外部電力をＡＣ／ＤＣコンバータに流して、交流電圧波形から直流電圧波形に変換したのちに、ＤＣ／ＤＣコンバータにて、各電圧に変換する必要がある。

次に、電気信号回路について説明する。送電側ＣＰＵ２９に入力される送電側外部信号２８は、パラレル信号であり、送電側ＣＰＵ２９から出力されるときにシリアル信号に変換される。その後、送電側シリアル通信デバイス３０から、受電側シリアル通信デバイス３１に送電側電気信号伝送コイル１２と受電側電気信号伝送コイル１５間の電磁誘導による半二重通信により送電側外部信号２０を送信している。

受電側シリアル通信デバイス３１に受信されたシリアル信号は、受電側ＣＰＵ３２により、パラレル信号に変換され、受電側外部信号３３として、外部に出力される。

また、受電側外部信号３３として入力されたパラレル信号も、受電側ＣＰＵ３２により、シリアル信号に変換される。その後、受電側シリアル通信デバイス３１から送電側シリアル通信デバイス３０に送電側電気信号伝送コイル１２と受電側電気信号伝送コイル１５間の電磁誘導による半二重通信により受電側外部信号を送信している。

送電側シリアル通信デバイス３０に受信されたシリアル信号は、送電側ＣＰＵ２９により、パラレル信号に変換され、送電側外部信号２８として、外部に出力される。

以上のように、受電側から送電側と送電側から受電側の双方向からの電気信号の通信を行っている。

上記方法により、高出力の電力伝送と電気信号の双方向通信が可能になるが、高出力の電力を伝送する際に、送電側インバータ回路２２及び送電側整合回路２３が発熱し、送電側整合回路２３のインピーダンスが変動することにより、整合が不可能になったり、他の機器に悪影響を及ぼしたりするので、影響を与えない間隔を保持するために大きくなってしまう問題がある。

そこで、上記問題を解決するために、送電側基板１０のインバータ回路２２及び送電側整合回路２３に放熱用のプレートを取り付けることにより、インバータ回路２２及び送電側整合回路２３の発熱による影響を緩和することで、ロータリージョイント自体の小型化を実現できる。

１ 固定側ボディ
２ 回転側ボディ
３ ベアリング
４ 固定側ポート
５ 回転側ポート
６ シール部材
７ 流体通路
８ 伝送ユニットＡ
９ 伝送ユニットＢ

１０ 送電側基板
１１ 送電側電力伝送コイル
１２ 送電側電気信号伝送コイル
１３ 受電側基板
１４ 受電側電力伝送コイル
１５ 受電側電気信号伝送コイル
１６ フェライトシート
１７ 電力伝送コイルハーネス
１８ 電気信号伝送コイルハーネス

２０ 送電側外部電力
２１ 送電側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ インバータ回路
２３ 送電側整合回路
２４ 受電側整合回路
２５ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２６ 受電側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２７ 受電側外部電力
２８ 送電側外部信号
２９ 送電側ＣＰＵ
３０ 送電側シリアル通信デバイス
３１ 受電側シリアル通信デバイス
３２ 受電側ＣＰＵ
３３ 受電側外部信号

Claims (2)

1. 電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＡを有する固定側ユニットと、電気信号回路と電力回路と伝送ユニットＢを有し、前記固定側ユニットに対して、１軸を中心に回転自在に保持された回転側ユニットとの間で、電力及び電気信号の非接触伝送を行うロータリージョイントにおいて、前記電力回路に整合回路を有していることを特徴とするロータリージョイント。
2. 前記伝送ユニットＡ及び前記伝送ユニットＢは、同心円状の凹部が２箇所形成され、一方の凹部に前記電気信号回路に接続された電気信号伝送コイルと、他方の凹部に前記電力回路に接続された電力伝送コイルと、前記電気信号伝送コイル及び電力伝送コイルを覆う磁性体を有しており、該磁性体がフェライトシートで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリージョイント。