JP6049316B2 - 複合型電気カプラ、ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボット装置のジョイント部に使用される複合型電気カプラまたは複合型電気カプラを搭載したロボット装置に関するものである。

近年、ロボット技術が発達するにつれて垂直多関節ロボット等の、制御プログラムに従って自動的に稼働するロボットを物品の生産用途に用いる機運がますます高まっている。

ロボットに対する信号の伝達や電力の供給は、一般的には電源から供給される電力と、演算部から指令される信号がケーブルを介して伝達され、ロボットは信号に基づいて供給された電力を消費して駆動する。このような構成をとるロボットにおいては、ロボットのジョイント部（関節部）に相当する箇所に配設されたケーブルは、屈曲を繰り返すため、部材が金属疲労して破断しやすい。

このような問題に対処するため、特開平０６−３１０２５０（特許文献１）に記載されているようにスリップリングとよばれる、静止体から回転体に対して電力と電気信号を伝達することのできる装置が知られている。

また、特開昭６４−５２３５号（特許文献２）に記載されているように、回転体と固定体との間で電気信号の授受を行う信号伝送装置として、容量結合カプラがある。容量結合カプラは各対の容量結合電極がどの回転位置に対しても非接触で一定の容量結合状態を維持するように働く。そのため、接触不良、火花発生、摺動接触によるノイズ発生、摩耗や劣化といった問題が生じることなく、安全性と信頼性の高い信号伝送が可能となる。このような技術は容量結合通信の技術として広く知られている。

ロボット等の駆動には信号の授受と、（直流の）電力の供給とが必要である。そのためには、ロボットのジョイント部に給電のためのスリップリングと、信号の授受のための容量結合カプラを併設し、給電と信号授受に関してロボットのジョイント部をケーブルレス化することが考えられる。

特開平０６−３１０２５０号公報 特開昭６４−５２３５号公報

しかしながらスリップリングと容量結合カプラを併設すると、以下の問題があった。すなわちスリップリングの接点部において生じる放射ノイズが、容量結合カプラの電極部の電荷の移動に影響を及ぼすことや、容量結合カプラが有する電荷によって発生する電場によってスリップリングの接点の電荷移動に障害が生じる問題である。つまり一方が他方のノイズ源となり信号の伝達と電力の供給に支障が生じる。本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、ノイズの影響を受けにくく直流電力及び交流信号を伝達可能なコンパクトな電気カプラを提供することにある。

上記目的を達成するための手段は、
互いに摺動可能に保持された、第一の基材に設けられたブラシホルダに支持された導電性のブラシと、第二の基材に設けられた導電性のリングとからなるスリップリング部と、
前記スリップリング部の前記リングの内側の空孔部に備えられた、一対の電極が互いに間隔をあけて前記第一の基材または第二の基材に設けられた容量結合カプラと、
を有し、
前記スリップリング部と容量結合カプラとの間に導電性の部材からなり、かつ接地されたシールド部材が配置された複合型電気カプラ、
である。

本発明によれば、摺動ノイズの影響を受けにくく、信号のＳＮ低下を抑制できる。そのため、より高品質な信号伝送と電力伝送を可能にする電気カプラを提供することができる。

本発明に係る複合型電気カプラを示す断面図である。 本発明に係る複合型電気カプラを可動部に備えてなるロボット装置を示す図である。 送信信号と受信信号の関係を示す図である。 容量結合通信の等価回路を示す図である。 本発明に係る複合型電気カプラを示す斜視図である。 本発明に係る複合型電気カプラの上面図である。 本発明に係る複合型電気カプラの系統図である。 本発明に係る複合型電気カプラの図である。

以下図面を用いて各実施例を説明する。

（複合型電気カプラの構成）
図１は本発明の複合型電気カプラの特徴を最も良く表す図面であり、複合型電気カプラの断面図を示している。図１に描かれた断面は、図６で描かれた本発明の複合型電気カプラのＡ−Ａ断面図に相当する。

１は導電性の金属等からなるリング、２は導電性の金属等からなるブラシ、３はブラシホルダである。８は絶縁体からなり一方が開口した筒状の絶縁カバーである。筒状の絶縁カバー８の開口には筒状の絶縁カバー８の中心軸Ｚと中心軸を同じくする円板状の底部材が絶縁カバー８に対して回転可能に嵌め合わされており、筒状の絶縁カバー８と底部材とは互いにＺ軸を回転軸として回転可能に保持されている。リング１は絶縁カバー８に支持されており、ブラシホルダ３は底部材に固定されている。

ブラシホルダ３に支持されたブラシ２とリング１とは互いに摺動可能に保持されており一方が他方に対して図１に描かれた回転軸を中心に回転するスリップリング部を成している。リングの内側は空間的に空いている空孔部となっている。

４は基板であり、この基板に対して容量結合電極５が実装されている。容量結合電極５は半径の異なる同心円状の金属リングなどの導電性リングからなり、同じく同心円状の絶縁体リング６と交互に基板４に配置されている。近接する容量結合電極５のチャネル間のショートを防止するために、絶縁体リング６の障壁を設けている。

図１中に描かれているように、容量結合電極５と絶縁体リング６とが実装された基板４を２つ用意し、互いに対向させてかつ容量結合電極５が互いに相対するように、間隔をあけて保持されている。このように相対した容量結合電極５同士がコンデンサを形成し、容量結合による通信が可能となる容量結合カプラを形成している。この容量結合カプラは底部材に対して支持されている図１では煩雑を避けるため、互いに対向した容量結合電極５と絶縁体リング６の記号を一部省いている。

そしてスリップリング部におけるリングの内側の空孔部に、容量結合カプラが配置されている構造となっている。底部材にはスリップリング部または容量結合カプラを介して伝達される、電力または信号を入出力するための入力出力軸がＺ軸と同軸に配置されている。

さらに、７は導電性の金属からなるシールド部材であり、不図示の配線に連結されてＧＮＤと連結され接地されている。シールド部材７は、スリップリング部及び容量結合カプラと絶縁されておりかつ両者の間に配置され、両者から発生した放射ノイズを緩和する効果を持っている。主に発生するノイズが電場である場合は、シールド部材７はアルミニウム（Ａｌ）などの導電性の部材またはその合金であれば良い。また生じているノイズが磁場であれば、透磁率の高い部材であるである鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）などの部材やその合金を用いる必要がある。

スリップリング部にて発生する放射ノイズが容量結合カプラのＺ軸に垂直な方向に指向して放射され、かつ放射ノイズの大きさがあまり大きくない場合では、図１に描かれているようにシールド部材７は、リング状の部材でノイズを十分に緩和できる。一方で、放射ノイズが広範囲にわたる場合はシールド部材７を図１中のＺ方向に延在させたシリンダ状の構成をとるとよい。このようなシリンダ状のシールド部材をスリップリング部と容量結合カプラとをシリンダの壁面によって互いに遮蔽すれば、ノイズの影響を大きく低下させることができ、ＳＮ比の向上が期待できる。シリンダ状のシールド部材は完全な円柱形状の管である必要は無く、遮蔽効果を高めるためシリンダの開口にテーパー部を設けるなどしても良い。

図６は本発明の複合型電気カプラ９における容量結合カプラを構成する容量結合電極５が基板４に配置されている様子を描いた図である。リング１の外側は円筒状の絶縁カバー８の内壁に接している。また、リング１、ブラシ２、及びブラシホルダ３からなるスリップリング部はリング１の空孔部に容量結合カプラを収めている構造となっている。さらに、同軸状の容量結合電極５の最外層に、スリップリング部と容量結合カプラとを隔て、放射ノイズの影響を低減させるためのリング状のシールド部材７を設けている。

図７は複合型電気カプラ９の系統図である。電力はプラスとグランド（ＧＮＤ）の２系統を設けている。また、Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈを交流のデジタル信号とし、ＣＯＭを基準電位の直流信号とし、それぞれ２系統ずつ設けている。そして、電力と信号の系統に対して、ブラシと接するリングが３つ配置され、容量結合電極が４つ設置している例を示している。さらに、最外層のシールド部材７は電荷の蓄積を抑制するために、電力系統の基準電位と導通しＧＮＤと連結している。Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈの交流信号は、容量結合電極５を通過して伝達する。一方、ＣＯＭから出力された直流信号はリング１を通過して伝達する。このように構成させることにより、直流信号と交流信号をともに伝送することができる。またスリップリング部と容量結合カプラとの間に、導電性の部材からなりＧＮＤに連結されたシールド部材を配置しているため、リングとブラシとの接点で発生した放射ノイズが容量結合カプラに対して及ぼす悪影響を低減することが可能となる。

本発明の複合型電気カプラ９は直流電力の伝送手段として摺動給電を行うスリップリング部と、容量結合カプラと、両者の間に配置されており互いを電気的または磁気的に分離するシールド部材とが絶縁カバーの内側に配される構成をとっている。このような構成をとることで、スリップリングと容量結合カプラとを互いに隣接させて配置することによるノイズの影響を大きく低減し、かつ図１に描かれているように実装体積の小さなコンパクトな複合型電気カプラを提供することができる。

そして、容量結合を利用した通信を行うにあたりリング１で発生する摺動ノイズの影響を抑制させるために、リング１の通電方向（ブラシ２とリング１の接平面の法線方向）と基板４の通電方向（容量結合電極５同士が相対するＺ軸の方向）が実質的に垂直となるように配置させてある。このようにスリップリング部と容量結合カプラとを配置すれば、例えばスリップリングの接点に対する通電によって生じた磁場は、容量結合カプラの通電方向と平行となる成分が大きくなり、発生したノイズの影響の緩和効果が期待できる。スリップリング部における通電の方向は例えばリング表面とブラシとが接している場合は、リング表面の法線の方向に接点における通電が生じていると考えてよい。また容量結合カプラにおける通電（信号の伝達）の方向は互いに相対した電極の表面に対する法線方向と考えてよい。もちろん完全に垂直である必要は無く傾斜角が垂直から±１０°程度の差異があったとしてもノイズ抑制効果が生じる。したがって、本発明においては、スリップリング部における前記ブラシおよび前記リングの接点における通電方向と、容量結合カプラの通電方向が垂直から±１０°程度差異があったとしても（より好ましくは±５°の範囲に配置する）実質的に垂直に配置されているとみなしてよい。

以上の説明したように、本発明の複合型電気カプラは以下の構成からなる。

まず、互いに摺動可能に保持された、第一の基材である底部材に設けられたブラシホルダに支持された導電性のブラシと、第二の基材である絶縁カバーに設けられた導電性のリングとからなるスリップリング部を有している。

そしてスリップリング部のリングの内側の空孔部に備えられた、一対の電極が互いに間隔をあけて配置され、前記第一の基材または第二の基材に設けられた容量結合カプラと、
を有している。容量結合カプラはスリップリング部のリングとブラシの相対的な回転を妨げないかぎり、底部材または絶縁カバー、どちらに固定されていてもよい。また図１に描かれているように基板に容量結合基板を配した上で底部材に設置してもよい。そしてスリップリング部と容量結合カプラとの間に導電性の部材からなり、かつ接地されたシールド部材が配置されている。

このような構成をとることで、本発明はスリップリングの摺動により発生する放射ノイズの影響を受けにくい複合型電気カプラ９を提供することができる。

また、絶縁カバーなどでスリップリング部と容量結合カプラとを覆う構成をとると、粉塵の飛散を抑制し、かつ発生した粉塵が容量結合電極の間の静電容量を増加させる効果が期待できるため確実な信号伝送と電力伝送を可能にすることができる。

（スリップリング部で発生する粉塵の影響について）
スリップリングは、リング１とブラシ２とが接触し、その接点を介して給電または信号の伝達を行うため、電極とブラシ２が接触して摺動しつづけることで摩耗し、粉塵が生じる。発生した粉塵が、相対する容量結合電極５の間に侵入してしまう場合がある。

以下、一対の相対する容量結合電極５は、コンデンサを形成していると考えて、モデル化する。この一対の相対する容量結合電極５からなるコンデンサの静電容量Ｃは式１で表せられる。ε_０は真空の誘電率、ε_ｓは電極間に充満する媒体（本実施例の場合は空気）の比誘電率、Ｓは容量結合電極面積、ｄは容量結合電極間の距離を示している。

粉塵は導電性の粉塵と絶縁性の粉塵に分類できる。式１より、導電性の粉塵が容量結合電極間に侵入して、容量結合電極に付着した場合は導電性の粉塵は容量結合電極と同じ機能を果たす。したがって粉塵の丈の分だけｄが小さくなり、Ｃは大きくなる。次に、絶縁性の粉塵が容量結合電極間に混入した場合は、電極間に充満する媒体の比誘電率が大きくなることになるためε_ｓが大きくなり、Ｃは大きくなる。したがって、粉塵がいずれの場合にせよＣが大きくなるため、出力信号レベルが大きくなる等の信号レベルの変動があっても信号のｈｉｇｈとｌｏｗを判定するのには影響がなく、情報伝達には問題が少ない。容量結合電極の面積Ｓは式２で表せられる。ｒ_１は外径の半径の長さ、ｒ_２は内径の半径の長さを示している。

例えば、外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍの容量結合電極の面積Ｓは、ｒ_１は３０ｍｍ、ｒ_２は２５ｍｍになるため、Ｓは８６４ｍｍ^２となる。電極間に充満する媒質が空気であり、ｄが０．５ｍｍの場合、容量結合カプラの静電容量Ｃは１５．３ｐＦとなる。

図４は容量結合通信の等価回路の要部を示す図である。信号の入力機器の有する入力インピーダンスＺ_ｉｎとし出力信号を受信する出力機器の入力インピーダンスをＺ_ｉｎとする容量結合カプラをＣとした。本実施例においては、入力インピーダンスＺ_ｉｎは５．２ｋΩ出力インピーダンスＺ_ｏｕｔを１０ｋΩとした。出力信号を増幅する必要がある場合は増幅器（ＡＭＰ）を介して出力を取り出しても良い。図３は送信信号と受信信号の関係を示す図である。例えば、図３のように、送信信号が振幅５Ｖのデジタル信号の場合に、受信信号の振幅が１．７Ｖとなったとする。ここで、ＨｉｇｈとＬｏｗの閾値を信号レベルの中間に設定しておくと、信号レベルの増大があってもＨｉｇｈとＬｏｗの判定に影響は無いので都合が良い。

したがって、本発明の複合型電気カプラ９は、リング１により発生する粉塵が容量結合電極５の間に侵入しても、あらかじめ信号の振幅の実質的な中間値または平均値に閾値を設定しておけば、信号の情報伝達に影響がなく伝送できる。また、発生した粉塵が電気カプラ外に飛散するのを抑制するため、円筒状の絶縁カバー８などの外装でスリップリング部と容量結合カプラとを封止した構成をとってもよい。このように構成することにより、スリップリング部と容量結合カプラをハイブリッドさせ、かつ粉塵の飛散が少ないコンパクトな複合型電気カプラを提供できる。

図５は本発明の複合型電気カプラを示す斜視分解図である。複数のリンクからなるロボットアームを架台１０に設置し、架台１０とリンク１１との間に本発明の複合型電気カプラを配置した様子の要部が描かれている。

導電性の部材からなるリング１は絶縁カバー８に配置され、リング１に当接するブラシ２はブラシホルダ３に配されている。ブラシホルダ３は架台１０に立設して配されており、
絶縁カバー８はリンク１１または架台１０の一方に固定され、他方に対して回転可能に配置される。

同心円状に配置された複数の容量結合電極およびシールド部材を配した一対の基板４が、一方では架台１０の台座部１０ａに配置され、他方ではリンク１１の台座部１１ａに配置されている。容量結合電極５は互いに対向して間隔をあけて配置されて容量結合カプラを構成する。図中ではシールド部材のリング状の形状を想定して描いている。しかし、上述したようにスリップリング部と容量結合カプラとをより効果的に遮蔽するために、Ｚ方向に延在するシリンダ状のシールド部材を配置して、シリンダの内側に容量結合カプラが配置される構成をとってもよい。

なお、ブラシとリングとが相対的に摺動可能に保持され、かつリングの内側の空孔部に容量結合カプラを備える構成が取れる限り、固定方法、固定位置は特に限定されない。

また、電力は２系統、信号は６系統に対して、リング１が３つ、容量結合電極５が４つの例を示しているが、系統の数が変わる場合は、系統に合わせてリング１の電極と容量結合電極５の数を変えても良い。

図８は本発明の第２の実施例にかかる複合型電気カプラを示した図である。容量結合電極５の面積Ｓをより大きくするために、対向する基板４の表面を回転対称な鋸歯状の凹凸形状部を同心円状に複数配し、凹凸形状部に容量結合電極５を設置することで、表面積を大きくとっている。このような構成をとることで単位実装体積に対する容量結合電極５の面積が大きくとることができる。

またこのような構成はスリップリング部のブラシとリングの接点における通電方向と容量結合カプラの通電方向は直交配置されてはいない構成である。

ここで、破線で描かれている線は、組となる電極を示しており、組となる電極と隣接する組となる電極とは絶縁体リング６で区切って互いに絶縁されている。図８の構成によると下側の基板４に配置された凹凸の一つに注目すると、右斜面に配置された電極と左斜面に配置された電極とは凹凸の頂点部（凹凸の”峰”）に配置した絶縁体リング６とで絶縁されている。

したがって、実施例１と比較すると、電極が基板に対して平行でなく斜面になっており、さらに容量結合電極を組にさせることで２倍以上の面積を得ることができる。このように構成させることにより、静電容量がより大きくなり受信信号の振幅の減衰をさらに抑制することができる。また、実施例１で示した構成と比べてスリップリングの摺動によって発生した粉塵が入り込みにくい構造になっている。そのため、粉塵が容量結合カプラの容量結合電極の間の空隙に侵入することで生じる容量結合電極間の静電容量の増加を抑えたい場合は、本実施例の構成が有利である。本発明の複合型電気カプラは、前述したように生じた粉塵が通信に大きな影響を及ぼすことは無いが、容量結合カプラの静電容量の変動を押さえたい場合は本実施例の構成をとるとよい。

粉塵の影響をさらに低減したい場合は、粉塵をトラップする目的でＺ軸と交差する方向でＺ軸から最も遠い最外周の凹凸形状部には電極を設けずに配置してダミー障壁としてもよい。

（ロボット装置への搭載）
図２は複合型電気カプラ９を可動部に備えてなるロボット装置を示す図である。

１０は架台、１１はロボットアームを構成するリンクであり、架台１０に対してロボットアームが固定されて配置されている。この架台１０に連結されて固定されたロボットアームのリンク１１をロボットアームの固定端とする。

この固定端から最も遠いリンク１１であるロボットアームの自由端にはロボットハンドが連結されており、ロボットアームの”手首”に相当するリンク１１とロボットハンドとの間は回転可能に構成されている。１２はボールベアリングである。本発明の複合型電気カプラ９は、架台１０とリンク１１の間、またはリンク１１同士の間、またはロボットハンドとリンク１１の間など、互いに回転可能に構成させる必要がある箇所に配置してよい。

図２（ｂ）は隣接するリンク１１の間に本発明の複合型電気カプラ９を配置した様子の要部を切り出して描いた図である。ボールベアリング１２などの回転手段により、ふたつのリンク１１同士が回転軸に対して回転可能に配置されており、複合型電気カプラ９は一方のリンク１１に対して固定されており、相対するリンク１１に対しては間隔をあけて配置されている。このようにロボットアーム等のロボット部に対してそのジョイント部に本発明の複合型電気カプラを備えることで、実装体積を大きくとることなく給電と信号の伝達が可能となるロボット装置を提供できる。

本願発明は、直流電力および交流信号の伝達をともに必要とする産業用ロボットのジョイント部分の給電機構として好適に利用できる。

１ リング
２ ブラシ
３ ブラシホルダ
４ 基板
５ 容量結合電極
６ 絶縁体リング
７ シールド部材
８ 絶縁カバー
９ 複合型電気カプラ
１０ 架台
１１ リンク
１２ ボールベアリング

Claims (10)

1. 互いに摺動可能に保持された、第一の基材に設けられたブラシホルダに支持された導電性のブラシと、第二の基材に設けられた導電性のリングとからなるスリップリング部と、
   前記スリップリング部の前記リングの内側の空孔部に備えられた、一対の電極が互いに間隔をあけて前記第一の基材または第二の基材に設けられた容量結合カプラと、
   を有し、
   前記スリップリング部と容量結合カプラとの間に導電性の部材からなり、かつ接地されたシールド部材が配置された複合型電気カプラ。
2. 前記シールド部材が前記スリップリング部の回転軸の方向に対して延在したシリンダ状の部材からなる請求項１記載の複合型電気カプラ。
3. 前記スリップリング部における前記ブラシおよび前記リングの接点における通電方向と、前記容量結合カプラの通電方向とが、略垂直である請求項１または２記載の複合型電気カプラ。
4. 前記略垂直とは垂直から±５°の範囲にある角度である請求項３記載の複合型電気カプラ。
5. 前記シールド部材がＡｌまたはその合金からなることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の複合型電気カプラ。
6. 前記シールド部材がＦｅ、Ｎｉ、またはＦｅあるいはＮｉの合金からなることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の複合型電気カプラ。
7. 前記容量結合カプラにおける電極が、基板に設けられた回転対称な鋸歯状の凹凸形状部の表面に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の複合型電気カプラ。
8. 複数の前記凹凸形状部が同心円状に配置され、かつ最外周の前記凹凸形状部は電極が設けられていないダミー障壁であることを特徴とする請求項７記載の複合型電気カプラ。
9. 複合型電気カプラを覆うカバーを更に有し、前記カバーによって前記スリップリング部と前記容量結合カプラは封止されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか一項記載の複合型電気カプラ。
10. 複数のリンクと前記リンク同士を回転可能に連結する回転軸を備えたジョイント部を有するロボット装置であって、請求項１〜９いずれか一項記載の複合型電気カプラを前記ジョイント部に備えてなるロボット装置。

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