JP4835910B2 - 内圧防爆構造のロボット - Google Patents

Description

本発明は、内圧防爆構造のロボットに使用する各関節を駆動するモータの構造と、それを使用したロボットの構造に関するものである。

内圧防爆構造のロボットは、主に塗装場など爆発性の気体が存在する危険雰囲気に設置されるため、内部にほぼ密閉された気密室を有し、この気密室にロボットの各関節を駆動するモータを配置している。一方、ロボットの外部から、気密室に空気などの清浄な気体を送出し、気密室内部の気体を、爆発性の気体でない気体（保護気体）へと置換し、更に気密室内の圧力を周囲の危険雰囲気よりも高く維持することで、気密室内部への爆発性気体の侵入を防いでいる。気密室に侵入した恐れがある爆発性気体を、保護気体に置換することによって、確実に気密室の外部へ排出させる作業は、掃気動作と呼ばれ、これは旧労働省産業安全研究所公表の工場電気設備防爆指針などに記載されている。
内圧防爆構造を有した従来のロボットの構造は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、ロボットの各関節を駆動するモータに、ブラシレスサーボモータのようなスパークを生じないモータを用いており、爆発防止用のモータや、耐爆発性モータを使用する必要がない、とされている。
すなわち、従来の内圧防爆構造のロボットに使用されているモータは、爆発防止用のモータや、耐爆発性モータのような、特殊なモータではなく、ブラシレスサーボモータのような、通常のモータであって、これを気密室に配置して、内圧防爆を構成している。
また、従来の内圧防爆構造のロボットに使用されているモータの構造は、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２では、内圧防爆構造のロボットに使用されるモータに、保護気体を直接流入させている。
特許公報 第２６２２３７４号 米国特許 ＵＳ６８３５２４８

しかしながら、一般的な通常のブラシレスサーボモータは、図４に示すように、非常に複雑な構造を有している。図４において、２はモータの回転軸、３はモータの回転子、４は固定子、５はセンサ部、６はモータのモータフレームを示している。回転軸２は回転子の一部であり、モータフレーム６に固定された複数のベアリング７によって支持され、固定子４に対して回転する。回転軸２は、モータフレーム６から突出した部分に減速機などが取り付けられ、それらを介してロボットの関節部を駆動する。また、回転子３には、マグネット８が取り付けられており、固定子４の巻線９に流される電流の磁界作用によって回転する。
また、回転子３には、ディスク１０が固定されており、ブレーキ巻線１１の電磁石作用によって、ブレーキ１２がディスク１０を狭持することによって、回転子３の回転運動を停止させる。なお、モータが使用される関節部によっては、これらブレーキ部１３が無いモータが使用される場合がある。
また、回転子３の回転位置を読み取るセンサ部５は、回転子３の一端に取り付けられた円盤１４の図示しないスリットを検出している。この円盤１４のスリットは、回転子の回転位置を精密に特定するため、非常に小さな隙間で形成されている。一方、上述のように、回転子３、ベアリング７及びブレーキ部１３からは、発塵の恐れがある。この粉塵がセンサ部５に入ることを防ぐため、円形状のシール１５は、モータフレーム６に固定され、回転軸２に接触しており、上記の回転子３、固定子４、ベアリング７、ブレーキ部１３などが存在する空間と、センサ部５が存在する空間とを、ほぼ隔離している。
以上のように、一般的な通常のブラシレスサーボモータは、複雑な構造をしているため、こういった構造のモータを、内圧防爆構造のロボットの気密室に設置して、所定の掃気動作を行っても、モータ内部空間の気体が保護気体に置換されにくい。ロボットが長時間停止されていると、モータの内部空間にも爆発性気体が侵入している恐れがあり、掃気動作によってモータ内部空間の気体が確実に置換されていないまま、ロボットの電源を投入すると、爆発の恐れがあり、非常に危険である。
また、モータに直接保護気体を流入させるためには、モータにエア配管を接続する部品を備えなくてはならず、モータ単体の組立時間の増加や、コストアップといった問題が発生する。さらに、内圧防爆構造のロボット内部は非常に複雑な構造をしているのが一般的であるが、こういったロボットにエア配管を接続しなくてはならないモータが設置されると、モータの交換時など保守点検の際に、エア配管の取り外しや再接続などに時間がかかる。また、モータ内部に直接保護気体を流入させると、保護気体に粉塵等が入っていた場合、モータを故障させる原因となってしまう。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、内圧防爆構造のロボットにおいて、各関節を駆動するモータの内部空間が、簡単、確実に掃気される特殊なモータを開示するとともに、そのモータが更に確実に掃気できるためのロボットの構造を開示することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、基台と、前記基台から関節軸を介して順次連結された複数の可動部と、前記可動部に形成された気密室と、前記気密室内に配置されて前記関節軸をそれぞれ駆動するモータと、を備え、危険雰囲気に設置される内圧防爆構造のロボットにおいて、前記モータは、前記モータ内部に貫通する複数の貫通穴をモータフレームに備え、前記内圧防爆のための保護気体が供給される管路は、前記基台から前記気密室内へ配設され、前記モータの各々に近接した場所まで配管され、前記モータフレームの外部において前記保護気体が開放されること、を特徴とする内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記管路は、さらに前記気密室内において前記基台から最も遠い箇所でも前記保護気体が開放されること、を特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記貫通穴は、モータの固定子と回転子とが存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記貫通穴は、モータのブレーキ部が存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記貫通穴は、モータのセンサ部が存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記貫通穴は、前記センサ部が存在する空間に対して複数設けられていることを特徴とする請求項５記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記貫通穴の開口部には、フィルタが設置されていることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボットとするものである。

本発明によると、複雑な構造を有したモータを、ロボットの各関節を駆動する駆動源として気密室に配置しても、簡単、確実にその内部空間が掃気できる特殊なモータと、更に掃気が確実におこなわれるようにしたロボットの構造が開示されるため、防爆に関して非常に安全な内圧防爆構造のロボットとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

まず、本発明の内圧防爆構造のロボットを使用したシステムの概略構成について説明する。図２において、２１は本発明の内圧防爆構造のロボットで、２２はロボット２１を制御するコントローラである。コントローラ２２にはロボット２１内部のほぼ密閉された気密室３７へ保護気体を供給する気体供給部２３が取り付けられている。気密室３７には、ロボットの各関節を駆動するモータ１０が複数設置されている。また、ロボット２１には、気密室３７から排出される気体を制御する気体排気部２４が取り付けられている。コントローラ２１と気体供給部２３は、非危険雰囲気に設置されており、ロボット２１と気体排気部２４は、塗装場などの、爆発性気体が存在する危険雰囲気に設置されている。また、ロボット２１とコントローラ２２は、制御ケーブル２５で接続されており、ロボット２１の各関節を駆動するモータ１０を、コントローラ２２が制御できる。また、気体供給部２３とロボット２１とは管路２６で接続されており、気体供給部２３から、ロボット２１内の気密室３７へ保護気体が供給される。また、ロボット２１と気体排気部２４は管路２７で接続されており、気体排気部２４は、気密室３７から排出される気体を検出したり、封止させたりする。このため、気体排気部２４は、通信ケーブル２９によってコントローラ２２に接続されている。また、気体排気部２４の内部には、後述する開放弁が設置されており、これを制御するための制御気体を送出する管路２８が、気体供給部２３から気体排気部２４に接続されている。

また、図３は図２における系統図である。図１と同等個所については、同番号を付している。図２において、気体供給部２３には、図示しない外部の圧力気体発生源より圧縮空気（保護気体）が導入され、保護気体はフィルタ３１を通って、三経路に分岐され、それぞれ圧力調整器３２と３３と３４に送出されている。保護気体は圧力調整弁３２により、ロボット２１の周囲の危険雰囲気の圧力より若干高い圧力に調整される。また、同じく、保護気体は圧力調整器３３により、圧力調整器３２よりも更に高い圧力に調整される。これら圧力調整器３２と３３で調整された保護気体は、電磁弁３５から管路２６を介して、ロボット２１の気密室３７に送出される。
ロボット２１は、３７ａ、３７ｂのように複数の気密室３７を備えており、気密室にはモータ１が複数個設置されている。各々のモータは、ロボット２１の各関節を駆動する。管路２６は、ロボット２１下部の管路接続部３０に接続され、気密室３７先端部の開放位置４２、すなわち各々の気密室において、管路接続部３０から最も遠い個所で保護気体を開放するとともに、管路２６は分岐され、各々のモータ１に近接した場所で保護気体を開放する。保護気体の開放を行う個所は、後述する各モータの貫通穴に近接し、保護気体がモータ内部の空間に侵入しやすい位置とする。
一方、気密室３７には管路２７の一端が接続されており、他端はエア排気部２４に設置されている開放弁３８へ接続されている。管路２７の途中には、フロースイッチ３９（取り付けられない場合もある）と、圧力検出器４０と、圧力調整弁４１が接続されている。フロースイッチ３９と圧力検出器４０とには通信ケーブル２９の一端が接続され、その他端はコントローラ２２に接続されている。通信ケーブル２９は、これらフロースイッチ３９と圧力検出器４０の信号をコントローラへ伝達している。圧力検出器４０は、気密室３７の圧力が所定値よりも低くなるとコントローラ２２に信号を伝達する。また、フロースイッチ３９は、所定の気体流量が通過すると、コントローラ２２に信号を伝達する。また、圧力調整弁４１は、管路２７の圧力、すなわち気密室３７の内部圧力が、所定値よりも高くなった場合に、気体を排出し、気密室３７の内部圧力を軽減させる。
一方、フィルタ３１を通過した保護気体の３経路のうち更に１経路の保護気体は、圧力調整器３４により、電磁弁３６を動作させることができる程度の圧力に調整され、電磁弁３６と管路２８を介して開放弁３８に接続されている。開放弁３８は、電磁弁３６から送出されてくる保護気体によって空圧作動し、管路２７から排出されてくる気密室３７内部の気体を排出させるか、または封止することができる。

次に、本発明による内圧防爆構造のロボットに使用する特殊なモータの構造について説明する。本発明では、図１のような構成のモータを使用する。本モータを、図２に記載しているように、ロボット２１の各関節を駆動するモータとして使用する。ここでは、本モータを、ＡＣサーボモータの構造にて説明する。図１において、２は回転軸、３は回転子、４は固定子、５はセンサ部、６はモータフレーム、７はベアリング、８はマグネット、９は巻線、１０はディスク、１１はブレーキ巻線、１２はブレーキ、１３はブレーキ部、１４は円盤、１５はシール、をそれぞれ示している。以上は従来技術の構成と差異はないため、説明は省略する。
本発明では、以上で構成されたモータに対して、モータフレーム６に、複数の貫通穴１８を設けている。１８ａ、１８ｂは回転子３、固定子４及びブレーキ部１３が存在する空間へ貫通している。また、１８ｃはセンサ部が存在する空間へ貫通している。貫通穴１８の直径は、本実施例では１０ｍｍ程度としている。また、掃気動作の際に、モータ内部の気体が保護気体に確実に置換されることを目的とするため、本実施例では、固定子４などが存在する比較的大きな空間に対しては、１８ａ、１８ｂのように、複数個設けている。また、固定子４と回転子３は、マグネット８と巻線９が非常に近接しており、固定子４などが存在する空間は、実質的にマグネット８と巻線９とで隔離されているので、１８ａ、１８ｂのような位置に、実質的に隔離されている空間毎に貫通穴を設けている。
また、本発明では、それぞれの貫通穴１８に、フィルタ１６を設けている。更に、フィルタ１６をモータフレーム６に固定するため、フィルタ１６の外周をネジ等で固定するカバー１７を備えている。フィルタ１６は、貫通穴１８からモータ内部に異物が侵入することを防ぐものであるが、フィルタ１６によって上記の掃気動作による気体置換が妨げられないよう、メッシュサイズに留意する。ここでは、２〜７ｍｌ／ｃｍ^２・ｓｅｃのサイズを使用している。図１記載の大きさのモータでは、上記のメッシュサイズのフィルタを、１８ａ、１８ｂ、１８ｃの３箇所の貫通穴に設置しており、掃気動作によって確実に気体置換が行われることを確認している。

以上によって構成される、本発明のモータを使用した内圧防爆機構のロボットにおいて、まず通常運転について説明する。通常運転は、ロボットが塗装作業などを行う運転状態を示す。通常運転は、後述する掃気動作が終了してから行われる。つまり、気密室３７の内部から、危険雰囲気の爆発性気体を排除したのちに通電され、運転が開始される。通常運転の場合、開放弁３８は、閉の状態であって、気密室３７には、圧力調整器３２によって調整された危険雰囲気よりも若干高い圧力の空気が導入されている。このため、ロボット２１の気密室３７は、危険雰囲気より若干高い圧力に保たれる。また、管路２７に接続された圧力検出器４０は、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くなった場合を検知する。
次に掃気動作について説明する。まず、コントローラ２２の電源を供給すると、コントローラ２２より電磁弁３６の切り換え命令がだされ、圧力調整器３３により通常運転時の圧力より更に高い圧力に調整された保護気体が、管路２６を介して、気密室３７に導入される。このとき、コントローラ２２内の図示しないタイマーは時間のカウントを開始する。また、このとき開放弁３８は閉の状態である。
管路２６は、各々のモータの近傍で保護気体を開放しており、さらに各々のモータは、上述のように所定の貫通穴を備えているため、モータ内部空間の気体が確実に保護気体に置換される。
そして、タイマーが所定の時間を計測し終わると、コントローラ２２から電磁弁３６に切り換え命令がだされ、開放弁３８を開の状態にする。ここで、タイマーの計測する時間は、気密室の圧力が所定の圧力になるまでの時間であって、予め試験等で計測しておく。そして、開放弁３８の開放と同時にフロースイッチ３９により、気密室３７から排出される気体の流量測定を開始する。所定量の流量が流出すると、フロースイッチ３９の信号によって、コントローラ２２は電磁弁３６へ切り換え命令を送出し、開放弁３８が閉の状態になり、掃気が完了する。そして、モータへの電源供給が可能となり、上述した通常運転状態としてロボット動作が可能となる。
なお、圧力検出器４０は、これら掃気動作中においても、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くなった場合を検知し、圧力調整弁４１は、気密室の圧力が高くなりすぎた場合に圧力を開放する。フロースイッチ３９が設けられない場合には、圧力検出器４０の掃気動作時の圧力監視において、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くならないことで代用する場合も有る。

以上のように、内圧防爆構造のロボットにおける掃気動作では、所定の貫通穴を備えた本発明の特殊なモータを用いることによって、モータ内部を確実に掃気できる。また、モータにはフィルタが備えられているので、モータ内部への粉塵の侵入を防ぐことができ、特にモータのセンサ部への防塵が確実なので、ロボットの信頼性が向上する。

本発明の内圧防爆ロボットに使用する特殊モータの断面図 本発明の内圧防爆ロボットのシステム構成図 図２における系統図 従来の内圧防爆ロボットに使用する通常のモータの断面図

符号の説明

１ モータ
２ 回転軸
３ 回転子
４ 固定子
５ センサ部
６ モータフレーム
７ ベアリング
８ マグネット
９ 巻線
１０ ディスク
１１ ブレーキ巻線
１２ ブレーキ
１３ ブレーキ部
１４ 円盤
１５ シール
１６ フィルタ
１７ カバー
１８ 貫通穴
２１ ロボット
２２ コントローラ
２３ 気体供給部
２４ 気体排気部
２５ 制御ケーブル
２６ 管路
２７ 管路
２８ 管路
２９ 通信ケーブル
３０ 管路接続部
３１ フィルタ
３２ 圧力調整器
３３ 圧力調整器
３４ 圧力調整器
３５ 電磁弁
３６ 電磁弁
３７ 気密室
３８ 開放弁
３９ フロースイッチ
４０ 圧力検出器
４１ 圧力調整弁
４２ 開放位置

Claims (7)

1. 基台と、前記基台から関節軸を介して順次連結された複数の可動部と、前記可動部に形成された気密室と、前記気密室内に配置されて前記関節軸をそれぞれ駆動するモータと、を備え、危険雰囲気に設置される内圧防爆構造のロボットにおいて、
   前記モータは、前記モータ内部に貫通する複数の貫通穴をモータフレームに備え、
   前記内圧防爆のための保護気体が供給される管路は、前記基台から前記気密室内へ配設され、前記モータの各々に近接した場所まで配管され、前記モータフレームの外部において前記保護気体が開放されること、
   を特徴とする内圧防爆構造のロボット。
2. 前記管路は、さらに前記気密室内において前記基台から最も遠い箇所でも前記保護気体が開放されること、
   を特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
3. 前記貫通穴は、モータの固定子と回転子とが存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
4. 前記貫通穴は、モータのブレーキ部が存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
5. 前記貫通穴は、モータのセンサ部が存在する空間に貫通していることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
6. 前記貫通穴は、前記センサ部が存在する空間に対して複数設けられていることを特徴とする請求項５記載の内圧防爆構造のロボット。
7. 前記貫通穴の開口部には、フィルタが設置されていることを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。