JP5003369B2 - 中空アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットの関節に用いられる中空アクチュエータに関する。
産業用ロボットは、自動車ラインでの自動車の組立やその他部品の組立などを人の作業に変わって行ったり、人と共同で作業することが増えてきている。このような組立作業を行う場合、ロボットには複雑な動きが要求されるとともに、これまで実現できていなかったような回り込み動作や広い可動範囲が要求されるようになってきている。また、このようなロボットは、通常連続稼動することが要望されており、ロボットに用いられるアクチュエータには耐熱性が要求されるとともに、小型かつ高トルクが要求されている。
従来の中空アクチュエータとしてはシャフトを中空シャフトとしたACサーボモータと減速機構からなるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図3を用いて従来の中空アクチュエータを説明する。調和減速機101の減速機フレーム111の内側に軸受112を介してカップ状の出力軸113が設けられ、出力軸113の内側にはサーキュラスプライン114が設けられている。また、減速機フレーム111の端面には可撓性回転筒115の一方端部に設けられたフランジ部151が固定され、他方端部付近に設けられた外歯116がサーキュラスプライン114に係合するようにしてある。可撓性回転筒115の内側にはウェーブジェネレータ117が接触してウェーブジェネレータ117からトルクを伝達するようにしてある。ウェーブジェネレータ117は後述するモータ102によって発生するトルクを調和減速機101に入力するモータ軸121に固定され、モータ軸121の一方端は出力軸113の内側に軸受118を介して支持されている。また、減速機フレーム111の端面にはフランジ132が固定され、フランジ132には空隙を介して可撓性回転筒115の内側に挿入するようにカップ状の中空ヨーク131が設けられている。中空ヨーク131の内側には回転検出器104の固定部141が固定され、固定部141の内側には回転部142が空隙を介して対向するようにモータ軸121に固定されている。フランジ132の他端面には円筒状のモータフレーム122が固定され、モータフレーム122の内側には電機子巻線123を備えたリング状の固定子鉄心124からなる固定子125が固定されている。固定子125の内側にはモータ102の界磁を構成する永久磁石126を備えた回転子127が設けられ、永久磁石126は空隙を介して固定子鉄心124に対向させてモータ軸121に固定されたカップ状のモータヨーク128に固定されている。フレーム122の反出力側端面には第2のブラケット105が固定され、ブラケット105の内側に突出して設けられたハウジング部152に設けられた軸受153を介してモータ軸121の他方端を支持している。カップ状のモータヨーク128の内周にはモータ2の極数と同一の極数を備えたブレーキ103の回転側永久磁石133が円周方向に等間隔に、かつ隣接する磁極が異極になるように固定されてモータ102の永久磁石126の磁路が共有状態になっている。円周上に等ピッチで着磁したリング状永久磁石よりなる回転側永久磁石133の内側には、空隙を介し、固定側永久磁石134がブラケット105のハウジング部152に固定されている。
また、車載用のモータについて図4を用いて説明する(例えば、特許文献2参照)電動モータ201は、モータケース202内側に周回方向に設置された複数組のステータコイル203、モータケース202に取り付けられた軸受204で回転自在に支持されたモータ出力軸205、該モータ出力軸205に固定され極数に応じた複数の永久磁石を備えたロータ206とによって構成される。モータ出力軸205には、減速機軸207が同軸に接続されており、減速機208は、前記減速機軸207上に取り付けられてモータ出力軸205の駆動力を調整して駆動軸209に伝達する一対の減速ギヤ(遊星歯車)210a,210bと、左右の駆動軸の回転差異を調整するディファレンシャルギヤからなる。減速機208を収容する減速機ケース208a内の下部には、冷媒溜212が形成され、該冷媒溜212内の冷却オイル(冷媒)は、減速ギヤ210bを介して駆動されるオイルポンプ214によって吸引され、減速機ケース208aの外側に設置されるオイルクーラー213に送られる。冷媒溜212及びオイルポンプ214が、減速機ケース内冷媒帰還経路を構成する。減速機208で調整された電動モータ201の駆動力は、モータ出力軸205及び減速機軸207の中空部に挿通される駆動軸209を介して左右の駆動輪(図示省略)に伝達される。減速機208と反対側のモータ出力軸205端部は、モータケース202を貫通して、隣接して設けられるレゾルバ室(回転検出器室)224内に突出し、該レゾルバ室224に設けられたレゾルバ(回転検出器)215が、モータ出力軸205(ロータ206)の周回方向位置を検出する。
実開平7−42215号公報(第3頁、図1) 特開2004−166492号公報(第4頁、図1)
このような中空アクチュエータを産業用ロボットの関節へ適用する場合、アクチュエータには、かならずブレーキを備える必要がある。つまり、工場の停電や原点位置での姿勢保持を行う場合、ブレーキを備えていないと正しい姿勢を取ることができないために安全性上、問題となるからである。さらに、中空アクチュエータの場合には、電磁モータや電磁ブレーキが高密度に集積されているために、中空径カバー内部に熱伝導されるようになり、中空径カバー内部を通すケーブルの劣化が生じたりする問題が生じしていた。また、発熱した熱源は、アクチュエータ内部から外部へ伝導しにくい構造であるために、最終的には、発熱による電磁モータの断線などが生じるなどの問題が生じていた。
従来の中空アクチュエータにも、このような冷却手段が施されていなかったので、上記した問題が生じていた。このような状況にならないように、モータへの電流値を低く抑えるなどの方法により発熱を抑えたり、間欠駆動する用途に限定されていた。
また、車載用のモータの場合には、冷媒を用いた循環方式をとることにより、上記のような課題を解決している。しかしながら、このような循環方式をとると、車載用のモータであれば支障はないかもしれないが、複数の関節を持つロボットアームへ適用しようとすると、多数本のケーブルに加えて循環用のホースを導入する必要があり、限られたスペースに配置することは困難であった。また、電気系の配線群の中に液体冷媒のホースを通すことは、漏れを防ぐシールドの問題が大きく、使用上新たな技術課題を有する結果となっていた。
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、ロボットの関節部に適用でき、冷却効果が期待できる中空アクチュエータを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータを備え、前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータを備え、前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、前記回転位置検出部は、前記ブレーキ部の反減速機部側に設けられ、前記回転位置検出部の反減速機部側に、フランジが設けられ、前記フランジに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータと、前記中空シャフトの外周側に設けられてモータフレームに保持されたステータとを備え、前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記モータフレームに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータと、前記中空シャフトの外周側に設けられてモータフレームに保持されたステータとを備え、前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、前記回転位置検出部は、前記ブレーキ部の反減速機部側に設けられ、前記回転位置検出部の反減速機部側に、フランジが設けられ、前記フランジと、前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記モータフレームとに、前記空隙と接続される第2スリットがそれぞれ形成されることを特徴とするものである。
発明によると、中空アクチュエータの中空部にスリットを設け、中空シャフトと一体に回転する羽根を備えたことで、外気を中空アクチュエータ内部に取り込み、モータ部での発熱について空気を循環させることで、各アクチュエータ部材を冷却することができるので、ロボットに要求されていた通常連続稼動が可能となり、中空部を連通するケーブルの結果が生じることもなくなる。また、モータ内部の温度を低減することが可能であるので、発熱によるモータの断線などの問題も生じることなく、連続した駆動が可能である。
このような中空アクチュエータが得られることにより、さらなる効果としてブレーキ部で生じる摩耗粉が、羽根の回転による第1のスリットから第2のスリットへの送風作用により排出される効果も備えている。
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。
図1は本発明の実施の形態を示す側断面図である。1はモータ部、2は永久磁石、3はステータヨーク、4は電機子巻線、5はシールド、6は軸受、7は中空径カバー、8は内輪、9は減速機部、10は出力軸、11はブレーキ部、12はブレーキコイル、13はブレーキライニング、14はパッド、15は中空シャフト、16はエンコーダ部、17は磁気検出素子、18は永久磁石、19は遮蔽板、20は羽根、21は第1のスリット、22は第2のスリットである。
中空アクチュエータは、モータ部1、減速機部9、ブレーキ部11とエンコーダ部16から構成されている。中空シャフト15の外周面には永久磁石2が配設されており、内周面にはブレーキライニング13と羽根20が取り付けられている。羽根20は、薄板円筒形状で、複数のスリットが形成されたものであり、ブレーキライニング13よりも負荷側に取り付けられている。また、中空径カバー7には、羽根20よりも負荷側に第1のスリット21が円周上に複数個形成されている。例えば、円形のスリットを円周4等分の位置に形成している。同様に中空径カバー7には、ブレーキ部11よりも反負荷側に第2のスリット22が形成されている。第2のスリット22も第1のスリット21と同形状に形成されている。
本発明と従来の技術が異なる部分は、中空径カバーに第1のスリットおよび第2のスリットを形成し、中空シャフトに備えた羽根の回転で外気を中空アクチュエータ内部に取り込む構造とした点である。
次に、各部の構成について説明する。モータ部1は、ステータヨーク3に巻回した電気巻線4に空隙を介して対向するように中空シャフト15に配設された永久磁石2から構成されている。中空シャフト15は軸受6で回転自在に支持され、電機子巻線5への通電することで回転するものである。このように中空シャフト15は、磁気回路の構成上、回転子ヨークを兼ね備えたものである。
次に、減速機部について説明する。減速機部9は、シールド5によりモータ部1とは分離され、ウェーブジェネレータ91、サーキュラスプライン92と、フレックススプライン93から構成されている。中空シャフト15には、内輪8が連結されており、内輪8にウェーブジェネレータ91が結合している。また、フレックススプライン93はフレームに固定されている。ウェーブジェネレータ91とフレックススプライン93の間には回転自在に支持されたサーキュラスプライン92が備えられている。中空シャフト15の回転は、中空シャフト15に結合された内輪8によりウェーブジェネレータ91に伝達されて、フレックススプライン92とサーキュラスプライン93の歯数差分減速されて、出力軸10から取り出される。
次に、ブレーキ部について説明する。ブレーキ部11は、ブレーキコイル12とパッド14、ブレーキライニング13と図示しない制動ばねから構成される。ブレーキライニング13は中空シャフト15に取り付けられており、中空シャフト15とともに回転している。制動させる際には、ブレーキコイル12に通電すると制動ばねに付勢力が作用し、パッド14がブレーキライニング13と接触することで制動力が発生する。このように接触させて制動することで、確実に制動することができる。
次にエンコーダ部について説明する。エンコーダ部16は、磁気検出素子17と永久磁石18、遮蔽板19から構成される。永久磁石18は中空シャフト15に取り付けられており、永久磁石18には、1対または複数対の磁気回路が形成されている。この永久磁石18の磁界をMR素子やホール素子からなる磁気検出素子17で検出して回転位置を検出している。モータ部1からの漏洩磁界の影響を防ぐために磁性材料からなる遮蔽板19によりモータ部1と分離されている。
次に、動作について説明する。電機子巻線4に通電すると、永久磁石2との磁気的相互作用により中空シャフト15は回転する。回転位置はエンコーダ部16で検出され、図示しない制御装置により位置および速度を制御しながら回転する。また、中空シャフト15に結合した内輪8により入力された回転角度は減速機部9で所定の減速比で減速されて出力軸10により取り出される。中空シャフト15が回転すると、羽根20も回転し、中空径カバーに形成された第1のスリット21から外気が流入し、ブレーキ部11を通過して第2のスリット22から排出される。このように外気が第1のスリットから流入して第2のスリットへ流出するので、中空アクチュエータ内部の発熱に対して冷却効果を示すものである。また、ブレーキ部11では、制動時にはパッド14とブレーキライニング13間で摩擦が生じることで制動力が得られる。このときの摩擦で各々の部材からは数ミクロンの大きさの摩耗粉が発生する。この摩耗分は、中空シャフトが回転し、羽根20の回転による第1のスリット21から第2のスリット22への送風作用により排出される効果も備えている。
ここでは、エンコーダについて磁気式エンコーダを用いて説明したが、光学式エンコーダでもよく、中空シャフトの回転位置を検出できるものであれば良いことは当然である。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。基本的な構造および動作については、実施例1と同様であるので、異なる部分のみ説明する。
本発明の第2の実施例が第1の実施例と異なる部分は、第2のスリットをエンコーダフランジまたはモータフレームに備えた点である。
図2に示すように、第2のスリット22は、遮蔽板19に第3のスリット23に対向するようにエンコーダフランジ24に形成されている。このような構造にすることにより中空径カバーに形成された第1のスリット21から外気が流入し、遮蔽板19の第3のスリット23を通過して第2のスリット22から排出される。
また、第2のスリット22は、モータフレーム25の円周面に備えても、同様に第1のスリット21から外気が流入し、遮蔽板19の第3のスリット23を通過して第2のスリット22から排出される。
このような外気の流入および流出経路を形成することにより、中空アクチュエータ内部の発熱に対して冷却効果を有するものである。
実施例1を示す中空アクチュエータの機器構成図 実施例2を示す中空アクチュエータの機器構成図 第1の従来例の中空アクチュエータの機器構成図 第2の従来例の車載用モータの機器構成図
符号の説明
1 モータ部
2 永久磁石
3 ステータヨーク
4 電機子巻線
5 シールド
6 軸受
7 中空径カバ
8 内輪
9 減速機部
91 ウェーブジェネレータ
92 フレックススプライン
93 サーキュラスプライン
10 出力軸
11 ブレーキ部
12 ブレーキコイル
13 ブレーキライニング
14 パッド
15 中空シャフト
16 エンコーダ部
17 磁気検出素子
18 永久磁石
19 遮蔽板
20 羽根
21 第1のスリット
22 第2のスリット
23 第3のスリット
24 エンコーダフランジ
25 モータフレーム

Claims (4)

  1. モータ部、減速機部、ブレーキ部および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって
    前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータを備え、
    前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、
    前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、
    前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、
    前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、
    前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とする中空アクチュエータ。
  2. モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、
    前記モータ部は、前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータを備え、
    前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、
    前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、
    前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、
    前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、
    前記回転位置検出部は、前記ブレーキ部の反減速機部側に設けられ、
    前記回転位置検出部の反減速機部側に、フランジが設けられ、
    前記フランジに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とする中空アクチュエータ。
  3. モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、
    前記モータ部は、
    前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータと、
    前記中空シャフトの外周側に設けられてモータフレームに保持されたステータと
    を備え、
    前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、
    前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、
    前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、
    前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、
    前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記モータフレームに、前記空隙と接続される第2スリットが形成されることを特徴とする中空アクチュエータ。
  4. モータ部、減速機部、ブレーキ部、および回転位置検出部を備えた中空アクチュエータであって、
    前記モータ部は、
    前記減速機部の入力軸に設けられた中空シャフトを有するロータと、
    前記中空シャフトの外周側に設けられてモータフレームに保持されたステータと
    を備え、
    前記中空シャフトの内周側に、中空カバーが空隙を介して設けられ、
    前記ブレーキ部は、前記中空シャフトの内周面と前記中空カバーの外周面の間の前記空隙に設けられ、
    前記中空シャフトの内周面に、羽根が設けられ、
    前記羽根および前記ブレーキ部の前記減速機部側の前記中空カバーに、前記空隙と接続される第1スリットが形成され、
    前記回転位置検出部は、前記ブレーキ部の反減速機部側に設けられ、
    前記回転位置検出部の反減速機部側に、フランジが設けられ、
    前記フランジと、前記羽根および前記ブレーキ部の反減速機部側の前記モータフレームとに、前記空隙と接続される第2スリットがそれぞれ形成されることを特徴とする中空アクチュエータ。
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