JP5257263B2

JP5257263B2 - 減速機構内蔵アクチュエータおよびこれを用いた多関節ロボット

Info

Publication number: JP5257263B2
Application number: JP2009146950A
Authority: JP
Inventors: 竜一郎富永
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2011002062A

Description

本発明は、減速機構を内蔵した電動機およびこれらを用いた多関節ロボット等に関するものである。

従来の減速機構を内蔵した電動機としては、図４に示したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。同図において１は固定子鉄心１０１に電機子コイル１０２を巻回してなる固定子１０３と中空の回転軸１０４に磁石界磁を有する回転体１０５を取り付けてなる回転子１０６とを備えたブラシレス直流電動機、２は減速機であり、これらはケーシング３内に収納されている。回転軸１０４は軸受４，４‘を介してケーシング３に支持され、該回転軸１０４の中空部内を貫通させて設けられた出力軸５がケーシング３に軸受６、６’を介して支持されている。ケーシング内には出力軸５と平行に延びる中継軸７が設けられて該中空軸が軸受８，８‘を介してケーシング３に支持されている。減速機２は、回転軸１０４の端部に取り付けられた平歯車２０１と、中空軸７に取付けられて平歯車２０１に噛み合わされた平歯車２０２と、中継軸７に取り付けられた平歯車２０３と、出力軸５に取り付けられて平歯車２０３に噛み合わされた平歯車２０４とにより構成されている。
また、他の従来例としては、フレームに対して回転自在に支持された回転軸と、該回転軸を同心的に取り囲む周壁部を有する回転子ヨークと、該回転子ヨークの周壁部の内周に固定された永久磁石とを備えた回転子と回転子の内側に配置されてフレームに対して固定された環状の固定子鉄心に電機子コイルを巻回してなる固定子とを備えたブラシレス直流電動機で、固定子の内側に遊星車機構を設ける。この遊星車機構は、固定子鉄心の内側で回転するように設けられた太陽車と、該太陽車を同心的に取り囲むように設けられてフレームに対して固定された環状案内体と、太陽車と環状案内体との間に配置されて太陽車と環状案内体との間に生じる相対的な回転に伴って環状案内体により拘束されつつ太陽車の周囲を公転する遊星車とにより構成される。遊星車機構は、太陽車の中心軸線を回転子の回転軸の中心軸線と一致させた状態で配置する。そして、太陽車及び遊星車の内の一方を回転軸に結合し、太陽車及び遊星車の内の他方を出力軸に結合する。ここで、太陽車及び遊星車としては、歯車を用いても良く、摩擦ローラを用いても良い。太陽車及び遊星車として歯車を用いる場合、内周に歯を有する環状の内歯車を太陽車の外側に同心的に配置して、該内歯車と太陽車との間に遊星車を配置する。また太陽車及び遊星車として摩擦ローラを用いる場合には、内周面をローラの転動面とした環状の部材を、太陽車の外側に同心的に配置して、該環状の部材と太陽車との間に遊星車を配置している。

特開平９−４７００３号公報

従来の減速機構を内蔵した電動機において、１対の平歯車を基本単位とした減速機構では、複数対の平歯車を軸線方向に並べて多段階に変速する構成をとらざるを得ず、変速機部分の軸線方向寸法または径方向寸法が大きくなるのを避けられない。遊星車機構を用いた減速機構では、ほぼ同一平面に沿って配置される太陽車と環状の内歯車と遊星車により、軸線方向寸法および径方向寸法を大きくすること無く、大きな速比を得ることができる。しかし、特許文献１に示す構成によれば、遊星歯車機構を固定子鉄心の内側に配置して、回転子の出力の減速又は増速を図る変速機として用いるため、出力軸を中空にすることが困難であるという問題があった。また、遊星車機構と電動機を組合せた構成の場合は軸線方向寸法が長くなってしまうという問題があった。産業用ロボットでは設置面積を狭くする必要性からロボットの本体の小形化が強く要求されている。この要求にこたえる一手段として減速機、電動機、位置検出器を一体化した減速機内蔵形アクチュエータをロボットの関節部に配置してロボットを構成する方法があり、ロボットの関節部を小さくするためには減速機内蔵型アクチュエータの軸方向寸法を短縮する必要がある。また、ロボットの機内ケーブルや装備ケーブルを通す必要性から、出力軸が中空であることが望ましい。
また、これらの減速機内蔵型アクチュエータを多関節ロボットへ適用する場合、軸長が長くなり、ロボットの関節が大きくなり、ロボットの大きさが大きくなり、フットプリントの増大につながるといった問題が生じていた。
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、減速機構を組み込んだアクチュエータにおいて軸方向寸法を小さくするとともに、出力軸を中空とすることができる、減速機内蔵アクチュエータおよび関節部を小型化したロボットを提供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。
本発明は、フレームに固定された環状の固定子鉄心に電機子コイルを巻回してなる固定子と、前記電機子コイルに通電することで発生する回転磁界または交番磁界の周波数に対して、出力軸速度を減速する減速機構と、前記減速機構により減速された出力軸速度をフレームに対して回転自在に支持された出力軸と、回転位置および磁極位置検出手段と、を備え、前記出力軸の外周に歯数ｎの歯車を備えるとともに、前記歯車に噛合するように内周に歯数ｎ＋ａの歯を設けた円板と、前記円板の外周にＮ，Ｓ極交互に偶数個の永久磁石を固着し、前記円板と空隙を介して対向するように固定子鉄心が配置されたものである。
また、本発明は、前記円板は所定のストロークδで径方向に可動自在に配置したものである。
また、本発明は、上記した減速機構内蔵アクチュエータにおいて、
前記永久磁石の磁極数Ｐに対して、前記固定子がＰ極の回転磁界を発生するよう電機子コイルを結線したものである。
また、本発明は、上記した減速機構内蔵アクチュエータにおいて、
前記電機子コイルの数を前記永久磁石の磁極数Ｐと同一とし、機械的に１８０°離れた位置に配置された電機子コイルを同時に通電し、１８０°の位相を保ちながら準じ電機子コイルの通電を切替えるようにしたものである。
また、本発明は、上記した減速機構内蔵アクチュエータにおいて、
前記円板を軸線方向に２分割し、それぞれ電気角１８０°の位相となるようにし、かつ、径方向にδ/２ずらして配置したものである。
また、本発明は、フレームに固定された環状の固定子鉄心に電機子コイルを巻回してなる固定子と、前記電機子コイルに通電することで発生する回転磁界または交番磁界の周波数に対して、出力軸速度を減速する減速機構と、前記減速機構により減速された出力軸速度をフレームに対して回転自在に支持された出力軸と、回転位置および磁極位置検出手段と、を備え、前記出力軸の外周に歯数ｎの歯車を備えるとともに、前記歯車に噛合するように内周に歯数ｎ＋ａの歯を設けた円板と、前記円板の外周にＮ，Ｓ極交互に偶数個の永久磁石を固着し、前記円板と空隙を介して対向するように固定子鉄心が配置された減速機内蔵アクチュエータがロボットの関節に配置されたものである。

本発明によると、電動機のトルク発生部を減速機構の一部とすることができる上、電磁吸引、反発力により駆動するため、接線力のみを利用する従来の電磁モータに比べ単位容積あたりの発生力を増加できる。このため、従来に比べ極めて小形の減速機構内蔵型アクチュエータを構成できる。
また、本発明によると、電磁吸引・反発力に加え、接線力も利用できるため更なる小形・軽量化が実現できると共に一般的なＡＣサーボモータ用の３相アンプを使用できる。
また、本発明によると、固定子のスロット数と永久磁石数が同一であるため、電源ＯＦＦ時も固定子スロットと永久磁石間の吸引力により保持力が得られるため、保持ブレーキが不要になる。
また、本発明によると、２つに分割した円板により径方向の振動が打ち消されるので、駆動時の振動・騒音を軽減できる。
また、本発明によると、ロボットの各関節部に減速機内蔵アクチュエータを組み込むことにより、減速機内蔵アクチェータの軸線方向長さを短縮できるので、ロボットも小形化できる。

本発明の第１実施例を示す減速機内蔵アクチュエータの側断面図本発明の第１実施例を示す減速機内蔵アクチュエータの正断面図第２実施例を示す減速機内蔵アクチュエータの正断面図従来の減速機内蔵型電動機の側断面図本発明の減速機内蔵アクチュエータをロボットに適用した構成図

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、本発明の減速機内蔵アクチュエータの第１実施例における側断面図である。図において、１０はフレーム、５は出力軸、１０１は固定子鉄心、１０２は電機子コイル、１０３は固定子、１１は永久磁石、１２は円板となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、偏芯する円板を備えた部分である。

本発明の第１実施例の構成について説明する。フレーム１０の内周には固定子鉄心１０１と電機子コイル１０２からなる固定子１０３が固着される。フレーム１０の出力側には図示しないネジによりＬブラケット１３が取り付けられており、フレーム１０の反出力側には図示しないネジにより反Ｌブラケット１４が取り付けられている。反Ｌブラケット１４にはエンコーダカバ１５が取り付けられている。Ｌブラケット１３とエンコーダカバ１５の内周には低速側軸受１６、１６‘がそれぞれ取り付けられ出力軸５は低速側軸受１６によりフレーム１０に対して回転自在に支持される。固定子１０３の内周には永久磁石１１、円板１２、連結棒１９、連結リング２０、エンコーダハブ２１からなる回転子１０６が配置される。回転子１０６は出力軸５および反Ｌブラケット１４に取り付けられた高速側軸受１７，１７’によりフレーム１０に対して回転自在に支持されている。エンコーダハブ２１には回転位置を検出するための光学式エンコーダ１８が取り付けられている。図２は本発明の第１実施例における正断面図である。本例は固定子９スロット、永久磁石数８極の構成となっている。

固定子にＵ，Ｖ，Ｗと記しているのはコイルの相である。図２では真上の永久磁石１１と固定子１０３の間の空隙が最小で、真下の永久磁石１１と固定子１０３の間の空隙が最大となっている。この時、Ｕ相電流の振幅が最大となるよう３相交流を各相に通電する。真上の-Ｕ磁極がＳ極とすると、対向する永久磁石１１はＮ極となっている。−Ｕ磁極に合い隣るＵ相磁極はＮ極となるが、永久磁石１１はＮ、Ｓ交互に固着されているため、Ｕ相磁極に対向する永久磁石１１がＳ極となり、３つのＵ相磁極は対向する永久磁石１１と吸引する。真下に配置される、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイル１０２はＳ極となっており、真下の永久磁石１１はＮ極であるため、吸引力を発生するが、Ｖ相、Ｗ相とも電流振幅がＵ相の１／２であることと、固定子１０３と永久磁石１１の間の空隙が広いことから、回転子１０６はＵ相側に吸引された状態を保持する。Ｕ相振幅が最大となる電流位相から正弦波状に電流は変化するが、この変化に伴い、電機子コイル１０２により回転磁界が形成される。永久磁石１１は回転磁界とともに時計回りに回転し、空隙最小の位置も同期して移動していく。この結果、円板１２は固定子１０３に対して回転磁界と同期して自転しながら揺動する。円板１２の内周と対向する出力軸５の外周には歯が切ってあり、前記の円板の揺動運動により歯が噛み合いながら出力軸５が回転する。出力軸５の回転速度ω１と回転磁界の速度ω２の関係は、円板１２の内周の歯数をｎ＋ａ、出力軸５の外周の歯数をｎとすれば、
ω１/ω２＝−ａ／ｎ
で表される。例えば出力軸５の外周の歯数を１００、円板１２内周の歯数を１０２とすれば、出力軸５は回転磁界の１／５０の速度で回転磁界と逆方向に回転する。円板１２には同心状に複数の穴２２が設けられている。この穴２２にそれぞれ連結棒１９が通してある。穴２２の直径に対し、連結棒１９の直径は小さく、両者の穴径の差分だけ、円板１２は径方向に動く構成となっている。前述の吸引力により固定子１０３と永久磁石１１は吸引するものの連結棒１９と穴２２により両者が接触することはない。本図では連結棒１９を直接、穴２２に通しているが、連結棒１９の外周にローラ等を配置し、摩擦抵抗低減や磨耗を防止することもできる。
磁極位置は通常のＡＣサーボモータと同様にエンコーダ１８の位置信号より得ることができる。

図３は第２実施例の構成を示す図である。これは１２スロット、１２極、６相の例である。
電流はＡ相〜Ｆ相まで６相有り、機械的に対向する位置に各相の逆相が配置されている。本例では真下にＡ相、真上に-Ａ相が配置されており、Ａ相電流の振幅が最大の状態を示している。Ａ磁極がＳ極とすれば対向する永久磁石１１はＮ極となっており、互いに吸引する。合い隣る磁石は互いに異極となるため−Ａ磁極に対向する永久磁石もＮ極となるが、-Ａ磁極もＮ極であるため、-Ａ磁極と対向する永久磁石とは互いに反発する。このように固定子磁極数と永久磁石を同数にすることで、吸引・反発力のみが発生する構成となる。磁極をＡ相から順次切り替えることで、円板１２は自転せず揺動運動のみ行い、これに伴って円板１２の内周と出力軸５の外周にある歯の噛み合い位置が、ずれていくことにより出力軸５は回転する。揺動の速度をω１、出力軸５の回転速度をω２、円板１２の内周の歯数をｎ＋ａ、出力軸外周の歯数をｎとすれば、揺動速度と出力軸の回転速度の関係は
ω１/ω２＝−ａ／ｎ
で表される。
図５にこれらの減速機内蔵アクチュエータを用いた例を示す。第１のアーム体Ｃ１は水平面内に垂直に配置された第１の関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアーム体Ｃ２は第１の関節軸Ｊ１に直交するように配置された第２の関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアーム体Ｃ３は第２の関節軸Ｊ２に直交するように配置された第３の関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアーム体Ｃ４は第３の関節軸Ｊ３に直交するように配置された第４の関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５の第５のアーム体Ｃ５は第４の関節軸Ｊ４と平行となるように配置された関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアーム体Ｃ６は第５の関節軸Ｊ５と直交するように配置された関節軸Ｊ６を中心に回転する。第７のアーム体Ｃ７は第６の関節軸Ｊ６と直交するように配置された関節軸Ｊ７を中心に回転する。第１から第７の関節軸には、各々、減速機内蔵アクチュエータが内蔵され、各減速機内蔵アクチュエータへ供給される電力線や信号線、もしくは第７のアーム体先端に取り付けられるツールへの供給線が減速機内蔵アクチュエータの中空部を通じて供給される。

ロボットの駆動源以外についても、電動車両等の減速機付き電動機を用いる全ての用途に対して適用可能である。

１ブラシレス直流電動機
２減速機
３ケーシング
４軸受
５出力軸
６軸受
７中継軸
８軸受
１０フレーム
１１永久磁石
１２円板
１３Ｌブラケット
１４反Ｌブラケット
１５エンコーダカバ
１６低速側軸受
１７高速側軸受
１８エンコーダ
１９連結棒
２０連結リング
２１エンコーダハブ
２２穴
１０１固定子鉄心
１０２電機子コイル
１０３固定子
１０４回転軸
１０５回転体
１０６回転子
２０１平歯車
２０２平歯車
２０３平歯車
２０４平歯車

Claims

フレームに固定された環状の固定子鉄心に電機子コイルを巻回してなる固定子と、前記電機子コイルに通電することで発生する回転磁界または交番磁界の周波数に対して、出力軸速度を減速する減速機構と、前記減速機構により減速された出力軸速度をフレームに対して回転自在に支持された出力軸と、回転位置および磁極位置検出手段と、を備え、前記出力軸の外周に歯数ｎの歯車を備えるとともに、前記歯車に噛合するように内周に歯数ｎ＋ａの歯を設けた円板と、前記円板の外周にＮ，Ｓ極交互に偶数個の永久磁石を固着し、前記円板と空隙を介して対向するように固定子鉄心が配置され、
前記固定子は、
各相に対応する磁極群を有し、前記磁極群のそれぞれは、２つの同極の磁極に１つの異極の磁極が挟まれるように配置され、
前記円板は、
同心状に配置された複数の穴を有しており、前記穴にそれぞれ通され直径が前記穴の直径よりも小さい棒状部材によって可動範囲を制限されつつ、前記電機子コイルによって形成される磁界に同期して前記固定子に対して揺動すること
を特徴とする減速機内蔵アクチュエータ。
前記円板は所定のストロークδで径方向に可動自在に配置したことを特徴とする請求項１記載の減速機構内蔵アクチュエータ。
前記永久磁石の磁極数Ｐに対して、前記固定子がＰ極の回転磁界を発生するよう電機子コイルを結線したことを特徴とする請求項１記載の減速機構内蔵アクチュエータ。
前記電機子コイルの数を前記永久磁石の磁極数Ｐと同一とし、機械的に１８０°離れた位置に配置された電機子コイルを同時に通電し、１８０°の位相を保ちながら電機子コイルの通電を切替えることを特徴とする請求項１記載の減速機構内蔵アクチュエータ。
前記円板を軸線方向に２分割し、それぞれ電気角１８０°の位相となるようにし、かつ、径方向にδ/２ずらして配置したことを特徴とする請求項１記載の減速機構内蔵アクチュエータ。
フレームに固定された環状の固定子鉄心に電機子コイルを巻回してなる固定子と、前記電機子コイルに通電することで発生する回転磁界または交番磁界の周波数に対して、出力軸速度を減速する減速機構と、前記減速機構により減速された出力軸速度をフレームに対して回転自在に支持された出力軸と、回転位置および磁極位置検出手段と、を備え、前記出力軸の外周に歯数ｎの歯車を備えるとともに、前記歯車に噛合するように内周に歯数ｎ＋ａの歯を設けた円板と、前記円板の外周にＮ，Ｓ極交互に偶数個の永久磁石を固着し、前記円板と空隙を介して対向するように固定子鉄心が配置され、前記固定子は、各相に対応する磁極群を有し、前記磁極群のそれぞれは、２つの同極の磁極に１つの異極の磁極が挟まれるように配置され、前記円板は、同心状に配置された複数の穴を有しており、前記穴にそれぞれ通され直径が前記穴の直径よりも小さい棒状部材によって可動範囲を制限されつつ、前記電機子コイルによって形成される磁界に同期して前記固定子に対して揺動する減速機内蔵アクチュエータがロボットの関節に配置されたことを特徴とする多関節ロボット。