JP5833705B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

特許文献１に、４つのモータと、該４つのモータのモータ軸と一体に回転する４本のクランク軸と、該４本のクランク軸にそれぞれ同位相に設けられた偏心体と、該偏心体の外周に揺動回転可能に組込まれた外歯歯車と、該外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、を有するアクチュエータが開示されている。このアクチュエータにおいては、４つのモータのモータ軸が回転することで、４本のクランク軸を介して外歯歯車が揺動回転し、内歯歯車から出力を得ることができる。モータ軸にはブレーキが設けられており、ブレーキによりクランク軸の回転が制動される。なお、このアクチュエータは、更にエンコーダを備えている。

ＷＯ２００９／０８１８４０号公報

本発明は、軸方向長さの増大を抑制したアクチュエータを提供することを課題とする。

本発明は、複数本のクランク軸と、該複数本のクランク軸各々に連結される複数のモータと、各クランク軸に設けられた偏心体と、該偏心体の外周に揺動回転可能に組込まれた外歯歯車と、該外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、前記クランク軸を支持するキャリアと、を有するアクチュエータにおいて、少なくとも１本の前記クランク軸において、前記偏心体に対して軸方向反モータ側に設けられたエンコーダを有し、前記エンコーダは、前記キャリアの内側に組込まれていることにより、上記課題を解決したものである。

本発明によれば、軸方向長さの増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態の一例が適用されたアクチュエータの断面図 図１の矢視II−II線に沿った断面図 図１の矢視III−III線に沿った断面図

以下、本発明の実施形態の例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例が適用されたアクチュエータの断面図である。なお、図１は、２つのモータ１０６Ａ、１０６Ｂの異同が分かるように断面図化されている。また、図２、図３は、それぞれ、図１の矢視II−II線に沿った断面図、図１の矢視III−III線に沿った断面図、である。概略構成について以下説明する。

アクチュエータ１００は、図１に示す如く、３つ（複数）のモータ１０６Ａ〜１０６Ｃ（以下、モータ１０６と記す）と、ブレーキ１２６Ａ〜１２６Ｃ（以下、ブレーキ１２６と記す）と、減速機構１３０と、エンコーダ１６０Ａと、を備える（モータ１０６Ｃとブレーキ１２６Ｃとが不図示）。ここで、減速機構１３０は、３つのモータ１０６のモータ軸１０８Ａ〜１０８Ｃ（以下、モータ軸１０８と記す）によってそれぞれ回転される３本のクランク軸１３２Ａ〜１３２Ｃ（以下、クランク軸１３２と記す）と、３本のクランク軸１３２にそれぞれ同位相で設けられた偏心体１３６Ａ〜１３６Ｃ（以下、偏心体１３６と記す）と、を有する（モータ軸１０８Ｃとクランク軸１３２Ｃと偏心体１３６Ｃとが不図示）。更に、減速機構１３０は、偏心体１３６の外周に揺動回転可能に組込まれた外歯歯車１４４と、外歯歯車１４４と内接噛合する内歯歯車１５０と、を有する。また、ブレーキ１２６は、３本のクランク軸１３２を制動するように、３本のモータ軸１０８全てに設けられている。エンコーダ１６０Ａは、クランク軸１３２Ａの回転角を検出するように、クランク軸１３２Ａに設けられている。

なお、アクチュエータ１００には、図１に示す如く、軸方向Ｏに沿って円筒部材１０２が組込まれている。このため、アクチュエータ１００は、その円筒部材１０２の貫通孔１０４によって配管や配線などを通過させることができる。即ち、全ての構成要素は、円筒部材１０２の内径ｄ１より外側に配置されている。

以下、各構成要素について詳細に説明する。

まず、モータ１０６Ａとブレーキ１２６Ａについて、主に説明する。なお、本実施形態では、モータ１０６Ａとブレーキ１２６Ａが、それぞれモータ１０６Ｂ（１０６Ｃ）とブレーキ１２６Ｂ（１２６Ｃ）と同一であることから、それらの説明については省略する。

モータ１０６Ａは、モータ軸１０８Ａとロータ１１６Ａとステータ１１８Ａとを備えている。モータ軸１０８Ａのロータ軸部１１０Ａには、ロータ１１６Ａが一体的に支持固定されている。ロータ１１６Ａの表面には永久磁石が形成されている。

一方、ステータ１１８Ａは、ロータ軸部１１０Ａに支持固定されたロータ１１６Ａの外周と所定の間隔を隔てられて、本体ケーシング１２０の内側に取り付け固定されている。本体ケーシング１２０には、少なくともステータ１１８Ａの側面（図１の右側及び図２）を覆うように中段カバー１２２が、ボルト１８２で固定されている。中段カバー１２２には、後述するブレーキ１２６Ａを構成する前記固定部１２５Ａが、取り付けられている。この固定部１２５Ａで軸受１６６Ａが支持される。また、中段カバー１２２には、ブレーキ１２６Ａを覆うためのブレーキカバー１２８が、ボルト１８４により取り付けられている。なお、本体ケーシング１２０には、相手機械への取り付けを行うためのボルト孔１８６が設けてある。

ブレーキ１２６Ａは可動部１２４Ａと固定部１２５Ａとからなる。可動部１２４Ａは、ブレーキディスクなどであり、モータ軸１０８Ａの軸先端部１１４Ａに取り付けられて、モータ軸１０８Ａと一体に回転する。固定部１２５Ａには、電磁コイルや電磁コイルで変位量が与えられて前記ブレーキディスクに摩擦力を付与する可動鉄心などが配置され、後述する本体ケーシング１２０に固定されている。このため、電磁コイルへの印加電圧を制御することで、モータ軸１０８Ａの回転を自在に制動することができる。

このように、モータ１０６Ａとブレーキ１２６Ａとは、小型とされて円筒部材１０２の内径ｄ１とブレーキカバー１２８の外径ｄ２との間の幅ｄ３に配置されている。しかし、モータ１０６Ａとブレーキ１２６Ａとが小型とされていても、幅ｄ３の間に周方向に等間隔に分散されてモータ１０６Ａとブレーキ１２６Ａとが３つ配置されている。このため、減速機構１３０に伝達される回転トルクと制動トルクを大きくすることができる。

次に、減速機構１３０とエンコーダ１６０Ａとについて、主に説明する。なお、エンコーダ１６０Ａが設けられるクランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａを除いて、他のクランク軸１３２Ｂ、１３２Ｃと、クランク軸１３２Ａは同一である。このため、クランク軸１３２Ｂ、１３２Ｃと、それに関連する符号下１桁の英文字違いの部材については説明を省略する。

減速機構１３０は、偏心体１３６と外歯歯車１４４と内歯歯車１５０とを有する。１本のクランク軸１３２Ａに注目すると、１対の偏心体１３６Ａが互いに１８０度ずれた位相の状態で一体形成されている。その１対の偏心体１３６は、３本のクランク軸１３２にそれぞれ同位相で設けられている。すなわち、３本のモータ軸１０８を回転制御することで、３本のクランク軸１３２上のそれぞれの偏心体１３６を同一の位相で同一の方向に同一の速度で回転させることができる。外歯歯車１４４は、偏心体孔１４８Ａ〜１４８Ｃ（以下、偏心体孔１４８と記す）を備えている（図３参照）。そして、偏心体孔１４８と偏心体１３６の間にころ軸受１４２Ａ〜１４２Ｃ（以下、ころ軸受１４２と記す）を配置させている。このため、外歯歯車１４４は、ころ軸受１４２を介して偏心体１３６の外周と嵌合している。

外歯歯車１４４は、内歯歯車１５０に内接している。内歯歯車１５０は、出力部材１５２と一体化されている。内歯歯車１５０の内歯１５１は、具体的にはピンで構成され（図３参照）、その周方向の最小間隔Ｐから算出される数（内歯歯車１５０の歯数とする）は外歯歯車１４４の歯数より多く設定されている。なお、内歯歯車１５０の歯数と外歯歯車１４４の歯数との歯数差と、外歯歯車１４４の歯数とから、減速機構１３０の減速比が定まる。外歯歯車１４４には、また、柱孔１４５が周方向に一定間隔で、複数（本実施形態では６つ）形成されている（図３参照）。そして、柱孔１４５にキャリアプレート１５６から一体的に突出形成された柱部１５５が遊嵌している。キャリアプレート１５６は、本体ケーシング１２０から軸方向Ｏに一体的に延在して形成された延在部１５４と、ボルト１９０で連結されることで、本体ケーシング１２０に固定されている。なお、延在部１５４とキャリアプレート１５６とからキャリア１５８が構成されている。また、外歯歯車１４４には、中心軸孔１４６が形成されて、そこに円筒部材１０２が遊嵌される構成とされている。

出力部材１５２は、１対の軸受１７０、１７２で、キャリア１５８の外周に回転自在に支持されている。本実施形態では、本体ケーシング１２０を相手機械のケーシングにボルト孔１８６を用いて固定することで、出力部材１５２からアクチュエータ１００の出力を相手機械に伝達する。しかし、出力部材１５２をボルト孔１８８を用いて相手機械のケーシングに固定して、本体ケーシング１２０からアクチュエータ１００の出力を相手機械に伝達してもよい。なお、出力部材１５２の外径ｄ４は、ブレーキカバーの外径ｄ２よりも大きくされて、大きなトルクを出力することができる。

なお、クランク軸１３２Ａは、モータ軸１０８Ａと一体形成されている。即ち、モータ軸１０８Ａはクランク軸１３２Ａと兼用とされている。モータ軸１０８Ａは、その軸端部１１２Ａで軸受１６６Ａによって、本体ケーシング１２０に対して回転可能に支持されている。言い換えれば、モータ１０６Ａの反偏心体側端部で、モータ軸１０８Ａは軸受１６６Ａで支持されている。一方、クランク軸１３２Ａは、その軸端部１３８Ａで、軸受１６８Ａによって回転可能に支持されている。言い換えれば、偏心体１３６Ａの反モータ側端部でクランク軸１３２Ａが軸受１６８Ａで支持されている。軸受１６８Ａは、前述のキャリアプレート１５６に支持されている。モータ軸１０８Ａとクランク軸１３２Ａとが一体成形されていることから、モータ軸１０８Ａとクランク軸１３２Ａとは、２つの軸受１６６Ａ、１６８Ａのみで、本体ケーシング１２０およびキャリアプレート１５６に支持されている。このため、軸受１６６Ａの代わりにクランク軸１３２Ａの軸中央部１３４Ａに軸受を配置してそれで支持する場合に比べて、本実施形態では２つの軸受１６６Ａ、１６８Ａの間のスパンＬ１を長くすることができる。即ち、軸受１６６Ａ、１６８Ａとも玉軸受などの安価な軸受を用いても、前記スパンが短ければ生じうるクランク軸１３２Ａ（モータ軸１０８Ａ）の軸振れを減少させることができる。このため、軸受１６６Ｂ（１６６Ｃ）、１６８Ｂ（１６８Ｃ）を用いたクランク軸１３２Ｂ（１３２Ｃ）も同様に軸振れを減少させることができる。なお以下、軸受１６６Ａ〜１６６Ｃ、１６８Ａ〜１６８Ｃはそれぞれ、軸受１６６、１６８と記す。

エンコーダ１６０Ａは、可動部１６１Ａと固定部１６２Ａとからなる。可動部１６１Ａは、スリット板などであり、クランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａに取り付けられて、クランク軸１３２Ａと一体に回転する。固定部１６２Ａには、発光素子や前記スリット板のスリットを通過した光を受光する受光素子などがあり、その固定部１６２Ａはキャリアプレート１５６に固定されている。このため、エンコーダ１６０Ａは、クランク軸１３２Ａの回転角を検出することができる。なお、キャリアプレート１５６には、エンコーダ１６０Ａを覆うように、エンコーダカバー１６４Ａが取り付けられている。

エンコーダ１６０Ａに必要な軸方向Ｏの厚みｔ１は、クランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａからエンコーダカバー１６４Ａまでと考えられる。ここで、キャリアプレート１５６は、アクチュエータ１００の出力を行う出力部材１５２を軸受１７２を介して支持している。即ち、キャリアプレート１５６で大きな出力トルク（制動トルク含む）を支持する必要があるため、高い剛性を持たせるのにキャリアプレート１５６に相応の厚みｔ２が必要とされる。このため、図１に示す如く、キャリアプレート１５６にエンコーダ１６０Ａを組込むことで、前記厚みｔ１は厚みｔ２と配置上相殺されて、その軸方向Ｏへの突出長さをｔ３とすることができる。即ち、例えばブレーキの外側（図１の右側）にエンコーダを設けるよりも、突出長さｔ３は短くでき、アクチュエータ１００の軸方向Ｏの長さの増大を最小限とすることができる。

なお、符号１７４Ａ、１７６Ａ、１７８、１８０は、減速機構１３０で使用される潤滑剤を封止しておくためのオイルシールである。

次に、このアクチュエータ１００の作用を説明する。

図示せぬモータドライバからの電気信号により、３つのモータ１０６のモータ軸１０８を同時に回転させる。このとき、３つのモータ１０６は、１つのモータドライバで制御してもよいし、別々のモータドライバで制御してもよい。この結果、モータ軸１０８と一体形成されている３本のクランク軸１３２が回転し、各クランク軸１３２にそれぞれ設けられている偏心体１３６が、同一の位相で、同一の方向に、同一の速度で回転する。

これにより、ころ軸受１４２を介して各偏心体１３６と嵌合している外歯歯車１４４が揺動して、該外歯歯車１４４と内歯歯車１５０とが噛合する。ここで、外歯歯車１４４の柱孔１４５に遊嵌されているキャリアプレート１５６の柱部１５５は、（相手機械に取り付け固定された）本体ケーシング１２０に固定されている。このため、偏心体１３６が１回回転するたびに内歯歯車１５０は外歯歯車１４４との歯数差分だけ回転する。即ち、本体ケーシング１２０に対して内歯歯車１５０と一体とされている出力部材１５２が回転する。このときの出力部材１５２の回転角は、エンコーダ１６０Ａで検出したクランク軸１３２Ａの回転角に、減速機構１３０の減速比を乗ずることで求めることができる。なお、外歯歯車１４４の揺動成分はキャリアプレート１５６の柱部１５５と柱孔１４５との遊嵌によって吸収される。

ここで、３本のモータ軸１０８全てにブレーキ１２６を設けている。このため、全てのブレーキ１２６を効かせることで、３本のクランク軸１３２全てがブレーキ１２６で制動される。つまり、一部のクランク軸だけに逆向きの負荷がかかりそのクランク軸だけに回転角のずれが生じることを防止することができる。そして、１本のクランク軸１３２Ａにエンコーダ１６０Ａを設けている。ブレーキ１２６Ａが設けられたクランク軸１３２Ａにエンコーダ１６０Ａが設けられているため、ブレーキ１２６Ａによる制動があっても、エンコーダ１６０Ａで検出される回転角の誤差を最小限にすることができる。

同時に、本実施形態では、全てのクランク軸１３２にブレーキ１２６が設けられているので、ブレーキ１２６の制動によって各クランク軸１３２にかかる負荷が均等となり、更に各クランク軸１３２にかかる負荷も低減することができる。このため、一部のクランク軸だけが疲労することを防ぐことができ、アクチュエータ１００を長寿命化することができる。

また、エンコーダ１６０Ａは、偏心体１３６Ａ近傍であって、且つクランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａに配置されている。即ち、クランク軸１３２Ａにおける、偏心体１３６Ａの軸方向Ｏ反モータ側にエンコーダ１６０Ａが配置されている。このため、エンコーダ１６０Ａの取り付けはモータ１０６Ａに関係なく容易に行うことができる。また、クランク軸１３２Ａのエンコーダ１６０Ａ近傍を軸受１６８Ａが支持しているので、クランク軸１３２Ａの回転角を更に正確に検出することができる。

また、エンコーダ１６０Ａは、図１に示す如く、軸方向Ｏでブレーキ１２６Ａの反対側のクランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａであって、出力部材１５２の内側のキャリアプレート１５６に配置されている。このため、高精度な回転角の検出が可能でありながら、軸方向Ｏにおいてエンコーダ１６０Ａのアクチュエータ１００外部への突出長さｔ３を低減できる。つまり、アクチュエータ１００の軸方向Ｏの長さの増大を最小限にとどめることができる。

なお、突出長さｔ３は、出力部材１５２の軸方向長さを長くすることで解消することもできる。その際には、出力部材１５２を支持する軸受１７０、１７２の間のスパンＬ２を長くできる。このため、出力部材１５２の回転振れを更に低減することができる。

また、クランク軸１３２とモータ軸１０８とが一体成形されて、モータ１０６の反偏心体側端部で、モータ軸１０８を軸受１６６で支持している。このため、モータ軸１０８の軸振れを低減できる。且つ、モータ１０６の反偏心体側にあるブレーキ１２６からのモータ軸１０８への負荷を本体ケーシング１２０で支持することができる。即ち、モータ１０６の回転が安定して、モータ１０６を長寿命化することができる。

また、モータ１０６Ａの反偏心体側端部で、モータ軸１０８Ａを軸受１６６Ａで支持し、更に、偏心体１３６Ａの反モータ側端部で、クランク軸１３２Ａを軸受１６８Ａで支持している。つまり、クランク軸１３２Ａとモータ軸１０８Ａとが２つの軸受１６６Ａ、１６８Ａのみで支持されている。即ち、軸受１６６Ａ、１６８Ａとの間のスパンＬ１を長く取ることができる。このため、例えば軸受の間のスパンが短いためにエンコーダでの軸振れが生じてエンコーダエラーが発生するといったことを防止することができる。即ち、クランク軸１３２Ａの軸振れを最小限に低減でき、エンコーダ１６０Ａでの回転角の検出を高精度に行うことができる。同時に、軸受１６６Ａ、１６８Ａが玉軸受であり、別の軸受も設けていないので、上記クランク軸１３２Ａの軸振れの低減を低コストで実現することができる。

即ち、本実施形態によれば、ブレーキ１２６による制動を行っても、アクチュエータ１００の高精度な回転角制御が可能となる。なお、そのアクチュエータは、中心軸Ｏ方向に貫通孔１０４を備えて、外径大きさや軸方向長さなどの外形寸法でコンパクトでありながら、高出力とすることができる。

本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

上記実施形態においては、モータ１０６は３つで、それに伴いモータ軸１０８とクランク軸１３２と偏心体１３６なども３本であったが、本発明はこれに限定されずに、それらが２つ以上の複数であればよい。

また、上記実施形態においては、エンコーダ１６０Ａは、１本のクランク軸１３２Ａに設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、更に他のクランク軸又は全てのクランク軸若しくはモータ軸に設けられていてもよい。その場合には、各クランク軸の制動のタイミングに僅かなずれが生じても、各エンコーダの検出結果から、より高精度にアクチュエータの回転角を求めることが可能となる。

また、上記実施形態においては、モータ軸１０８とクランク軸１３２とが一体形成されていたが、本発明はこれに限定されない。モータ軸とクランク軸とが、例えば継ぎ手を介して一体に回転してもよい。

また、上記実施形態においては、モータ軸１０８Ａの軸先端部１１４Ａにブレーキ１２６Ａ、クランク軸１３２Ａの軸先端部１４０Ａにエンコーダ１６０Ａが設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えばエンコーダとブレーキとが逆の配置であってもよいし、一方の軸先端部にエンコーダとブレーキの両方が設けられていてもよい。あるいは、モータ軸とクランク軸との間、即ち、偏心体とモータとの間にブレーキとエンコーダ若しくはいずれかが配置されていてもよい。

また、上記実施形態においては、２つの軸受１６６Ａ、１６８Ａでモータ軸１０８Ａとクランク軸１３２Ａとが支持され、その外側にそれぞれブレーキ１２６Ａとエンコーダ１６０Ａとが設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えばモータと偏心体との間に更に軸受が配置されて３点支持としてもよいし、ブレーキとエンコーダの軸方向Ｏ外側に軸受が配置されていてもよい。更に、クランク軸の先端と、モータと偏心体との間と、にそれぞれ軸受が配置されて２点支持としてもよい。

本発明のアクチュエータは、中心軸Ｏ方向に貫通孔を備えて、外径大きさや軸方向長さなどの外形寸法でコンパクトにして、且つ、高出力で高精度に回転角を制御することができる。このため、小型で高出力で精密な制御が要求されるロボット装置や搬送装置など、あらゆる用途において、その利用可能性を更に広げることができる。

１００…アクチュエータ
１０２…円筒部材
１０４…貫通孔
１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ…モータ
１０８、１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ…モータ軸
１１０Ａ、１１０Ｂ…ロータ軸部
１１２Ａ、１１２Ｂ、１３８Ａ、１３８Ｂ…軸端部
１１４Ａ、１１４Ｂ、１４０Ａ、１４０Ｂ…軸先端部
１１６Ａ、１１６Ｂ…ロータ
１１８Ａ、１１８Ｂ…ステータ
１２０…本体ケーシング
１２２…中段カバー
１２４Ａ、１６１Ａ…可動部
１２５Ａ、１６２Ａ…固定部
１２６、１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ…ブレーキ
１２８…ブレーキカバー
１３０…減速機構
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ…クランク軸
１３４Ａ、１３４Ｂ…軸中央部
１３６、１３６Ａ、１３６Ｂ、１３６Ｃ…偏心体
１４２、１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ…ころ軸受
１４４…外歯歯車
１４５…柱孔
１４６…中心軸孔
１４８、１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃ…偏心体孔
１５０…内歯歯車
１５１…内歯
１５２…出力部材
１５４…延在部
１５５…柱部
１５６…キャリアプレート
１５８…キャリア
１６０Ａ…エンコーダ
１６４Ａ…エンコーダカバー
１６６、１６６Ａ、１６６Ｂ、１６６Ｃ、１６８、１６８Ａ、１６８Ｂ、１６８Ｃ、１７０、１７２…軸受
１７４Ａ、１７４Ｂ、１７６Ａ、１７８、１８０…オイルシール
１８２、１８４、１８６、１８８、１９０…ボルト若しくはボルト孔

Claims (5)

1. 複数本のクランク軸と、該複数本のクランク軸各々に連結される複数のモータと、各クランク軸に設けられた偏心体と、該偏心体の外周に揺動回転可能に組込まれた外歯歯車と、該外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、前記クランク軸を支持するキャリアと、を有するアクチュエータにおいて、
   少なくとも１本の前記クランク軸において、前記偏心体に対して軸方向反モータ側に設けられたエンコーダを有し、
   前記エンコーダは、前記キャリアの内側に組込まれている
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１において、
   前記エンコーダを覆うエンコーダカバーが前記キャリアに取り付けられる
   ことを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項２において、
   前記エンコーダカバーは、前記エンコーダが設けられるクランク軸とは軸方向から見て重なるが、他のクランク軸とは軸方向から見て重ならない
   ことを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記複数のクランク軸すべてに対してブレーキが設けられ、すべてのブレーキを覆うブレーキカバーを有する
   ことを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記偏心体と前記エンコーダとの間にオイルシールが配置されるとともに、前記偏心体と前記モータとの間にオイルシールが配置される
   ことを特徴とするアクチュエータ。

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