JP5263162B2

JP5263162B2 - 中空アクチュエータ

Info

Publication number: JP5263162B2
Application number: JP2009532120A
Authority: JP
Inventors: 竜一郎富永; 智弘松尾
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: CN101779363A; WO2009034817A1; EP2190104A1; JPWO2009034817A1; US8067869B2; TW200931774A; CN101779363B; TWI431904B; US20100107814A1

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、多数のロボットを配置して作業を行う必要があるためにフットプリントを小さくすることが要求されており、これまであったような各アームを基端の関節で動作させるようなロボットから各アームを各関節に配置したアクチュエータで動作させるような人の腕のような動きをするロボットが要望されるようになってきている。
このようなロボットを実現するためには、ロボットアームのフレームの外側にケーブルが露出して外界との干渉が生じないようにアーム内で配線できる構造が必要となるが、従来のようなモータと減速機の組み合わせを関節部に配置した場合、ケーブル処理のために関節部が大きくなるといった問題が生じる。そのためにアクチュエータ内部を利用して配線する中空アクチュエータが要望されていた。

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および特許文献２参照）。図２を用いて従来の中空アクチュエータを説明する。波動歯車装置１０１の減速機フレーム１１１の内側に軸受１２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ィールドコア部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ベアリング１１７が接触してウェーブベアリング１１７からトルクを伝達するようにしてある。ウェーブベアリング１１７は後述するモータ１０２によって発生するトルクを波動歯車装置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の端面にはフィールドコア１３２が固定され、フィールドコア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。フィールドコア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１０２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、図３には、電磁ブレーキを内挿した中空アクチュエータが示されている。モータ２０２は、フレーム２０１に固定されたステータ２２１とカップ形状のロータ２２２からなっている。中空シャフト２０３はフレーム２０１に固定されており、その周囲に電磁ブレーキ２０４を固定している。位置検出器２０５は、固定シャフト２０３に取り付けられた角度検出用の磁気センサ２５１とロータ２２２の反負荷側に固定された角度検出用マグネット２５２とからなっている。減速機２０７は、ロータ２２２に結合されウェーブジュネレータ２７１と、フレーム２０１に固定されたフレックスプライン７２と、回転自在に支持されたサーキュラスプライン２７３とからなる。出力フィールドコア部は、高速側軸受２０９の支持部を兼ねた中空構造になっている。なお、ロータ２２２は高速側軸受２０９で支持されている。
以上、説明した中空アクチュエータは、ロボットの関節部への適用が可能となっている。
実開平７−４２２１５号公報（第３頁、図１）特開２００６−１４９１３９号公報（第３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。
従来の中空アクチュエータには、永久磁石が対向した電磁ブレーキが備えられており、永久磁石間の吸引力により位置が保持される機構となっている。このような機構の場合、非接触でブレーキを作用させることができるのでブレーキから発生する発塵の問題が生じないメリットを有する反面、回転速度が高くなると永久磁石間の磁気吸引力に加えて渦電流によるブレーキ力が作用するために、ブレーキ力が大きくなる。このために速度に応じてブレーキ力が変化するといった問題が生じていた。また、停止中には、永久磁石間の磁気吸引力で保持しているために、その磁気吸引力より大きな外力が作用すると位置が変動してしまうといった問題が生じていた。
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るように軸長を短くできるとともに、確実にブレーキを作用させることが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。

上記問題を解決するため、本発明は次のような制御方式とした。
本発明は、モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、前記ブレーキ部はフィールドコアにブレーキコイルが配置され、前記ブレーキコイルに対向するようにアーマチェアが配置され、前記回転位置検出部は前記フィールドコアにディテクタが配置され、前記ディテクタに対向するようにスリット基板とＬＥＤが配置され、前記ブレーキ部のフィールドコアとディテクタ固定部を兼用したものである。
また、本発明は、負荷側から減速機部、モータ部、ブレーキ部、回転位置検出部の順で配置され、前記モータ部と前記ブレーキ部が同じ室に配置されたものである。
また、本発明は、前記ブレーキ部が、前記モータ部端部近傍に位置するように配置されたものである。
また、本発明は、前記モータ部の電機子巻線が、前記モータ部で端末処理され、前記ブレーキ部の開口部を通じてケーブルが引き出されたものである。
また、本発明は、前記減速機部およびエンコーダ部とは、前記ブレーキ部からの発塵が混入しないようにオイルシールにより分離されたものである。
また、本発明は、前記回転位置検出部と前記モータ部とは、前記ブレーキ部からの発塵が混入しないように前記フィールドコアにより分離されたものである。

本発明によると、ブレーキ部とエンコーダ部の固定を兼用するように構成したことにより軸長の短い中空アクチュエータを提供することができる。また、モータ部とブレーキ部とを同じ部屋に配置したことにより軸長の短い中空アクチュエータを提供することができる。また、ブレーキ部にアーマチェアとアーマチェアとの摩擦による制動手段を用いたことで確実な制動を得ることが可能となる。
このような中空アクチュエータが得られることにより、ロボットアームの各関節に配置することが可能となり、人の腕のような動きを得られる。また、工場の停電や原点復帰での姿勢保持を行うような場合でも正しい姿勢を保持することが容易にできるようになる。さらに、機械的な摩擦力により制動力を得ているので、外部からの力に対しても制動することが可能であり、確実なブレーキを得ることが可能になる。

本発明の中空アクチュエータの側断面図第１の従来例を示す側断面図第２の従来例を示す側断面図

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回転子ヨーク
６軸受
７シールド
８ウェーブプラグ
９減速機部
９１ウェーブベアリング
９２サーキュラスプライン
９３フレックスプライン
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アーマチェア
１５中空シャフト
１６エンコーダ部
１７ＬＥＤ
１８スリット基板
１９ディテクタ
１０１波動歯車装置
１０２モータ
１０３ブレーキ
１０４回転検出器
１０５ブラケット
１１１減速機フレーム
１１２
１１３出力軸
１１４サーキュラスプライン
１１５可撓性回転筒
１１６外歯
１１７ウェーブベアリング
１１８軸受
１２１モータ軸
１２２モータフレーム
１２３電機子巻線
１２４固定子鉄心
１２５固定子
１２６永久磁石
１２７回転子
１２８モータヨーク
１３１中空ヨーク
１３２フィールドコア
１３３回転側永久磁石
１３４固定側永久磁石
１４１固定部
１４２回転部
１５１フィールドコア部
１５２ハウジング部
１５３軸受
２２２ロータ
２２１ステータ
２５１磁気センサ
２５２角度検出用マグネット
２７１ウェーブジュネレータ
２７２フレックスプライン
２７３サーキュラスプライン

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は回転子ヨーク、６は軸受、７はオイルシール、８はウェーブプラグ、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はアーマチェア、１４はフィールドコア、１５は中空シャフト、１６はエンコーダ部、１７はＬＥＤ、１８はスリット基板、１９はディテクタである。
モータ部１と減速機部９はオイルシール７で分離されている。また、モータ部１とエンコーダ部１６ともブレーキコイル１２の固定部材にエンコーダ部１６が取り付けられることで分離されている。モータ部１とブレーキ部１１は同じ室に配置されている。
このような構成にしたことで制動時に発生するブレーキ部１１からの微小な発塵は、減速機部９およびエンコーダ部１６に混入することがない。また、ブレーキ部１１のフィールドコアがエンコーダ部１６のディテクタ１９の支持部材を兼用することで部品の共通化を行い、ブレーキライニング１３がモータ部１の端面に配置された構成とした。このような構成にしたことで、中空アクチュエータの軸長を短くできる構造が得られた。
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に巻回した電機子巻線４に空隙を介して対向するように回転子ヨーク５に配設された永久磁石２から構成されている。回転子ヨーク５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は軸受６で回転自在に支持され、電機子巻線４へ通電することで回転するものである。また、電気子巻線４は端末処理されて、ブレーキ部１１の開口部を通じて外部へ連通するものである。
次に、減速機部について説明する。減速機部９は、ウェーブベアリング９１、サーキュラスプライン９２と、フレックスプライン９３から構成されている。中空シャフト１５には、ウェーブプラグ８が連結されており、ウェーブプラグ８にウェーブベアリング９１が結合している。また、フレックスプライン９３はフレームに固定されている。フレックスプライン９３の外周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に結合されたウェーブプラグ８によりウェーブベアリング９１に伝達されて、フレックスプライン９３とサーキュラスプライン９２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とアーマチェア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に連結されており、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、アーマチェア１４とブレーキライニング１３が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、ＬＥＤ１７とスリット基板１８、ディテクタ１９から構成される。スリット基板１８は中空シャフト１５と連結しており、スリット基板１８には、光を透過するスリットが形成されている。このスリット基板１８を狭持するようにＬＥＤ１７とディテクタ１９が配置されて、ＬＥＤ１７の光をディテクタ１９で受光して回転位置を検出している。
次に、ブレーキ部１１の発塵の影響について説明する。制動時にはアーマチェア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。この磨耗分は、ブレーキライニング１３の摩擦板はレジン系モールド、セミメタリックまたは焼結合金からなり、アーマチェア１４は炭素鋼から構成されており、硬度の低いアーマチェア１３の摩擦板が発するものである。これに対して、ステータヨーク３と永久磁石２間の空隙は、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度あり、発塵する摩耗粉に比べると摩耗粉が混入しても十分な空隙を備えているために、発塵の影響は極めて低いものである。例えば、減速機部９に摩耗粉が混入した場合は、サーキュラスプラインとフレックスプライン間では摩耗粉による歯面の損傷の原因となる。また、エンコーダ部１６に摩耗粉が混入した場合は、ＬＥＤの光の乱反射が生じる原因となる。このために、中空アクチュエータの軸長を短くするためには、モータ部１とブレーキ部１１を同じ室に内包して構成するものである。

Claims

モータ部と、減速機部と、ブレーキ部と、回転位置検出部とから構成され、回転を伝達するシャフトが中空形状を形成した中空アクチュエータにおいて、
前記ブレーキ部はフィールドコアにブレーキコイルが配置され、前記ブレーキコイルに対向するようにアーマチェアが配置され、前記回転位置検出部は前記フィールドコアにディテクタが配置され、前記ディテクタに対向するようにスリット基板とＬＥＤが配置され、前記ブレーキ部のフィールドコアとディテクタ固定部を兼用したことを特徴とする中空アクチュエータ。
負荷側から前記減速機部、前記モータ部、前記ブレーキ部、前記回転位置検出部の順で配置され、前記モータ部と前記ブレーキ部が同じ室に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の中空アクチュエータ。
前記ブレーキ部は、前記モータ部端部近傍に位置するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の中空アクチュエータ。
前記モータ部の電機子巻線は、前記モータ部で端末処理され、前記ブレーキ部の開口部を通じてケーブルが引き出されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の中空アクチュエータ。
前記減速機部と前記ブレーキ部とは、前記ブレーキ部からの発塵が混入しないようにオイルシールにより分離されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の中空アクチュエータ。
前記回転位置検出部と前記モータ部とは、前記ブレーキ部からの発塵が混入しないように前記フィールドコアにより分離されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の中空アクチュエータ。