JP6278648B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、振動に応じて発電を行う振動発電機、及びその振動発電機の装着された産業用ロボットに関する。

従来、多関節ロボット等において、圧電素子を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電モジュールが用いられていた（例えば、特許文献１参照）。そのような発電モジュールを用いることによって、多関節ロボット等で用いられるセンサに対して、商用電源から電力を供給するための配線が不要になるというメリットがあった。

一方、圧電素子を用いた発電モジュールの場合には、圧電素子の電気インピーダンスが大きいため、大きな電圧を出力できるが、大きな電流を取り出すことは難しいという問題があった。また、コイルを用いた発電モジュールの場合には、コイルの電気インピーダンスが小さいため、大きな電流を出力できるが、大きな電圧を取り出すことが難しいという問題があった。そのような問題を解決するため、コイルと圧電素子とを用いて発電を行う振動発電機が開発されている（例えば、特許文献２参照）。そのような振動発電機では、コイルと圧電素子とを用いて発電を行うため、コイルのみを用いた発電と、圧電素子のみを用いた発電とのそれぞれのデメリットを補うことができ、安定した電力の供給が可能となる。

特開２００９−９０４２１号公報 特開２０１１−１６６８９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載された振動発電機で発電した場合には、コイルが巻回される筐体の内面と、その筐体の内面に沿って往復する磁石体の外面とが接することによって、パーティクル（摩耗粉）が発生するという問題があった。そのため、そのような振動発電機をクリーンルームで用いられるロボットで用いた場合には、その振動発電機が発塵源になるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、パーティクルの発生を低減させることができる振動発電機等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による振動発電機は、コイルと、コイルが巻回されたコイルフレームと、コイルフレームの内側で振動する振動フレームと、コイルフレームと振動フレームとが接触しないように、コイルフレームの内側で振動フレームを振動可能に保持する弾性部材と、振動フレームに設けられ、振動フレームの振動に応じてコイルに起電力を発生させる磁石と、振動フレームに設けられた圧電素子と、振動フレームの振動に応じて圧電素子と衝突する衝突部材と、を備え、コイル内における磁石の振動、及び圧電素子と衝突部材との衝突によって発電するものである。
このような構成により、コイルフレーム内で振動フレームが振動する場合にも、両フレームが接触しないようにすることができ、両フレームの摩擦に起因するパーティクルの発生を抑えることができる。その結果、例えば、その振動発電機を、クリーンロボットに用いることができる。

また、本発明による振動発電機では、振動フレームには、２以上の圧電素子が設けられており、２以上の圧電素子のそれぞれに対して衝突部材が設けられていてもよい。
このような構成により、２以上の圧電素子を用いることにより、より多くの発電を行うことができるようになる。

また、本発明による産業用ロボットでは、関節によって連結された第１及び第２の部材を有するマニピュレータと、第１の部材に設けられた、上述の１以上の振動発電機と、関節の回動に応じて振動発電機が通過する第２の部材の領域である通過領域に配置された磁石である２以上の振動用磁石と、振動発電機によって発電された電力によって動作する動作部と、を備え、２以上の振動用磁石は、振動発電機側の磁極が交互に変わるように通過領域に配列されていてもよい。
このような構成により、振動用磁石の存在する通過領域を振動発電機が通過することにより、その振動用磁石の磁力によって、振動フレームが振動する。その結果、関節の回動に応じて振動フレームを強制的に振動させることができ、振動発電機自体はあまり振動していない場合であっても、発電を行うことができるようになる。

また、本発明による産業用ロボットでは、マニピュレータの基端を移動させる移動部をさらに備え、通過領域には、振動用磁石のない領域が存在し、移動部がマニピュレータの基端を移動させる場合に、少なくとも１個の振動発電機は、振動用磁石のない領域に存在してもよい。
このような構成により、マニピュレータの基端が移動される場合に、少なくとも１個の振動発電機の振動フレームは、自由に振動できるようになっている。したがって、その振動発電機は、移動部によるマニピュレータの基端の移動に応じた振動によって発電することができる。

また、本発明による産業用ロボットでは、複数の振動発電機がそれぞれ第１の部材の異なる位置に設けられており、複数の振動発電機の通過領域は一致しており、２以上の振動用磁石は、関節の角度に関わらず、いずれかの振動発電機が振動用磁石のない領域に存在するように配列されていてもよい。
このような構成により、関節がどのような角度であったとしても、少なくとも１個の振動発電機の振動フレームは、自由に振動できるようになっている。したがって、すべての振動発電機の振動フレームが振動できない状態となることを回避することができる。

また、本発明による産業用ロボットでは、複数の振動発電機が第１の部材に積層されて設けられており、積層された複数の振動発電機のうち、隣接する２個の振動発電機が有する磁石は、それぞれ反発するように設けられていてもよい。
このような構成により、積層された２以上の振動発電機によって、より多くの発電を行うことができるようになる。また、隣接する２個の振動発電機が有する磁石が、それぞれ反発するため、各磁石の磁力による反発運動も加えて振動を増やすことができ、発電量を増やすことができる。

また、本発明による産業用ロボットでは、コイルによって発電された電力を整流するコイル整流回路と、圧電素子によって発電された電力を整流する圧電素子整流回路と、コイル整流回路によって整流された電力、及び圧電素子整流回路によって整流された電力が充電されるスーパーキャパシタである充電部と、をさらに備え、充電部から動作部に電力が供給されてもよい。
このような構成により、リチウムイオン電池やニッケル水素電池と比較して、充電回数が多いスーパーキャパシタを用いることによって、充電池の交換が実質的に不要となり、メンテナンス性を向上させることができる。

本発明による振動発電機等によれば、パーティクルの発生を抑えることができ、例えば、その振動発電機を、クリーンロボットに用いることができる。

本発明の実施の形態による振動発電機の外観を示す図 同実施の形態による振動発電機の縦断面図 同実施の形態による振動発電機の横断面図 同実施の形態による振動発電機の横断面図 同実施の形態によるコイル整流回路及び圧電素子整流回路を示す図 同実施の形態による振動発電機等の接続状態を示すブロック図 同実施の形態による振動発電機の装着されたマニピュレータを示す図 同実施の形態による振動発電機の装着されたマニピュレータの一部断面図 同実施の形態による産業用ロボットを示す平面図 同実施の形態による振動発電機の振動について説明するための図 同実施の形態による振動発電機の振動について説明するための図 同実施の形態による振動発電機の振動について説明するための図 同実施の形態による積層された振動発電機の縦断面図 同実施の形態による４個の圧電素子を有する振動発電機の縦断面図

以下、本発明による振動発電機、及び産業用ロボットについて、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。

本発明の実施の形態による振動発電機、及び産業用ロボットについて、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による振動発電機は、フレームが接触しないように振動することにより、パーティクルの発生を抑えることができるものである。また、本実施の形態による産業用ロボットは、そのような振動発電機が装着されたものであり、関節の回動に応じて振動発電機による発電を行うことができるものである。

図１Ａは、本実施の形態による振動発電機１０の外観を示す図であり、図１Ｂは、振動発電機１０の縦断面図であり、図１Ｃは、振動発電機１０の横断面図である。
振動発電機１０は、コイル１１と、コイルフレーム１２と、振動フレーム２１と、弾性部材２２と、磁石２３と、圧電素子２４と、衝突部材２５と、支持部２６と、固定部２７とを備え、コイル１１内における磁石２３の振動、及び圧電素子２４と衝突部材２５との衝突によって発電する。

コイル１１は、磁石２３の往復運動に応じて、電磁誘導により起電力を発生させる。そのコイル１１は、コイルフレーム１２の外周側に巻回されている。コイルフレーム１２は、円筒形状の筒状部材１２ａと、その筒状部材１２ａの両端の開口を塞ぐ２個の円盤形状の板状部材１２ｂ、１２ｃとを備える。コイル１１は、その筒状部材１２ａに巻回されている。振動フレーム２１は、コイルフレーム１２の内側で振動するフレームである。また、振動フレーム２１は、弾性部材２２によって、コイルフレーム１２と振動フレーム２１とが接触しないように、コイルフレーム１２の内側で振動可能に保持されている。弾性部材２２は、例えば、一端がコイルフレーム１２の内周面に接続されており、他端が振動フレーム２１に接続されていてもよい。なお、弾性部材２２は、例えば、バネであってもよく、ゴムであってもよく、または、その他の弾性を有する部材であってもよい。本実施の形態では、弾性部材２２が、コイルバネである場合について主に説明するが、そうでなくてもよい。なお、弾性部材２２は、コイルフレーム１２と振動フレーム２１とが接触せず、コイル１１の中心軸方向にのみ振動するように振動フレーム２１を保持することが好適である。そのため、図１Ｄで示されるように、弾性部材２２の個数を増やすことによって、振動フレーム２１が、振動方向にのみ移動可能となるようにしてもよい。磁石２３は、振動フレーム２１に設けられており、その振動フレーム２１の振動に応じてコイル１１に起電力を発生させる。したがって、磁石２３は、振動フレーム２１の振動に応じてコイル１１に起電力が生じる向きに配置されていることが好適である。その磁石２３は、永久磁石である。なお、図１Ｂでは、振動フレーム２１に直接、磁石２３が固定されている場合について示しているが、そうでなくてもよい。磁石２３は、間接的に、すなわち他の部材を介して振動フレーム２１に固定されていてもよい。また、図１Ｂでは、振動フレーム２１に１個の円環状の磁石２３が固定されている場合について示しているが、そうでなくてもよい。２以上の磁石２３が、振動フレーム２１に固定されていてもよい。また、その磁石２３の種類は問わない。磁石２３は、例えば、ネオジム磁石であってもよく、フェライト磁石であってもよく、または、その他の種類の磁石であってもよい。また、磁石２３の形状も問わない。図１Ｂでは、磁石２３が円環状の磁石である場合について示しているが、そうでなくてもよい。例えば、図１Ｂと同様の磁極の向きとなるように、複数の棒状の磁石２３を振動フレーム２１の内周に均等に配設してもよい。

磁石２３の内側には、円盤形状の部材である固定部２７が固定されており、その固定部２７の両面にそれぞれ円環状の部材である支持部２６が固定されている。そして、その２個の支持部２６に、それぞれ円盤形状の圧電素子２４が固定されている。したがって、図１Ｂでは、圧電素子２４は、振動フレーム２１に間接的に設けられていることになる。なお、圧電素子２４は、振動フレーム２１に直接、固定されていてもよい。圧電素子２４は、衝突部材２５と衝突し、変形することによって、起電力を発生させる。したがって、圧電素子２４の面方向は、振動フレーム２１の振動方向に直交する方向であることが好適である。また、圧電素子２４の形状、及び個数は問わない。図１Ｂでは、２個の圧電素子２４が振動フレーム２１に設けられている場合について示しているが、後述するように、３個以上の圧電素子２４が振動フレーム２１に設けられていてもよい。なお、発電に２以上の圧電素子２４が用いられる場合に、２以上の圧電素子２４のそれぞれに対して衝突部材２５が設けられていることが好適である。効率よく発電を行うためである。なお、圧電素子２４のそれぞれに対して衝突部材２５が設けられているとは、各圧電素子２４に対して、衝突対象となる衝突部材２５が存在するという意味であり、圧電素子２４と衝突部材２５とは一対一の関係であってもよく、またはそうでなくてもよい。また、図１Ｂでは、振動フレーム２１と固定部２７が別々のものである場合について示しているが、両者は一体に構成されていてもよい。

衝突部材２５は、コイルフレーム１２の内側にそれぞれ設けられている。すなわち、２個の衝突部材２５は、コイルフレーム１２の板状部材１２ｂ、１２ｃの内側にそれぞれ固定されている。なお、衝突部材２５は、円環状の支持部２６の内径よりも小さく、その支持部２６の略中心の位置において圧電素子２４と衝突することが好適である。そのようにすることで、圧電素子２４と衝突部材２５との衝突によって、円盤形状の圧電素子２４の中心側が周辺側よりも大きく変位することになり、より大きな起電力を発生させることができる。圧電素子２４と衝突部材２５とは、振動フレーム２１の振動に応じて衝突し、その結果、圧電素子２４によって発電される。なお、図１Ｂでは、衝突部材２５がコイルフレーム１２に設けられている場合について示しているが、そうでなくてもよい。衝突部材２５がコイルフレーム１２に設けられていない場合には、例えば、衝突部材２５は、コイルフレーム１２の装着対象等に対して設けられていてもよい。例えば、後述するように、振動発電機１０がマニピュレータ４０の第１の部材４１に設置されている場合には、衝突部材２５は、その第１の部材４１の一部に配設されていてもよい。そのような場合であっても、コイルフレーム１２と、衝突部材２５とは、相対的に位置関係が変化しないようになっていることが好適である。

図２Ａは、振動発電機１０と、コイル整流回路３１と、圧電素子整流回路３２とを有する発電ユニット３０を示す回路図である。図２Ｂは、振動発電機１０を有する複数の発電ユニット３０が、産業用ロボット１に装着された場合における回路構成を示すブロック図である。図３Ａ、図３Ｂは、産業用ロボット１に装着された振動発電機１０と、振動用磁石３４との関係について説明するための図である。図４は、振動発電機１０の装着された産業用ロボット１を示す平面図である。

図２Ａにおいて、コイル１１の発電した電力は、コイル整流回路３１によって整流され、圧電素子２４の発電した電力は、圧電素子整流回路３２によって整流される。２個の圧電素子２４は両方とも、例えば、固定部２７側に正電極または負電極が接続されており、図２Ａで示されるように、一方の正電極と、他方の負電極が接続されている。したがって、振動フレーム２１の振動に応じて発生する２個の圧電素子２４の起電力は、互いに強め合う関係となる。また、圧電素子２４と圧電素子整流回路３２とを接続する配線は、例えば、弾性部材２２の位置を通ってもよく、弾性部材２２が金属製のバネである場合には、弾性部材２２そのものがその配線の一部を構成していてもよい。なお、図２Ａでは、コイル整流回路３１及び圧電素子整流回路３２が、それぞれ４個のダイオードを接続した全波ブリッジ整流回路である場合について示しているが、コイル整流回路３１及び圧電素子整流回路３２は、その他の整流回路であってもよい。図２Ａでは、両整流回路３１，３２が出力端子に並列に接続されているため、コイル１１と圧電素子２４とのそれぞれの起電力が合成されて出力される。

図２Ｂで示されるように、産業用ロボット１は、複数の発電ユニット３０と、充電部３５と、動作部３６とを備えている。振動発電機１０で発電され、コイル整流回路３１及び圧電素子整流回路３２によって整流された電力は、充電部３５で充電される。その充電部３５は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のような二次電池であってもよく、スーパーキャパシタ（電気二重層コンデンサ）であってもよい。充電回数の観点からは、充電部３５がスーパーキャパシタであることが好適である。動作部３６は、充電部３５によって充電された電力によって動作する。すなわち、動作部３６は、振動発電機１０によって発電された電力によって動作することになる。なお、動作部３６は、どのようなものであってもよい。例えば、動作部３６は、センサを含んでいてもよく、そのセンサで取得された情報を出力する出力機構を含んでいてもよく、その他の動作を行うものを含んでいてもよい。そのセンサは、産業用ロボット１のマニピュレータ４０において用いられるセンサであることが好適であり、例えば、ショックセンサであってもよく、産業用ロボット１が搬送ロボットである場合には、在荷センサであってもよく、産業用ロボット１が溶接ロボットである場合には、温度センサであってもよく、その他のセンサであってもよい。また、その出力機構は、例えば、送信手段であってもよく、表示手段であってもよく、センサで取得された情報を出力するその他の手段であってもよい。センサと出力機構とは、例えば、ケーブルやファイバを用いて接続されてもよい。具体的には、ハンドの先端に取り付けられたセンサと、ハンドの根本に取り付けられた出力機構とがケーブルによって接続されてもよい。そして、その動作部３６は、ハンドとアームとを連結する関節において振動発電機１０によって発電された電力によって動作してもよい。また、発電された電力の消費を抑えるため、動作部３６は、特定のタイミングでのみ動作してもよい。例えば、動作部３６が在荷センサを有する場合には、マニピュレータ４０によって、シリコンウェアや液晶ガラス基板等のワークを取りに行くときにのみ、動作部３６が動作するようにしてもよい。このように、振動発電機１０で発電された電力によって動作部３６が動作することにより、その動作部３６に対して商用電源を供給するための配線が不要になる。したがって、例えば、動作部３６がハンドなどの手先効果器（エンドエフェクタ）に存在する場合には、マニピュレータ４０内の配線を少なくすることができる。

次に、産業用ロボット１のマニピュレータ４０に装着された振動発電機１０について説明する。図４で示されるように、産業用ロボット１は、マニピュレータ４０の基端３８を移動させる移動部３７と、マニピュレータ４０とを備えている。移動部３７は、例えば、マニピュレータ４０の基端３８を旋回させたり、昇降させたりする。マニピュレータ４０は、それぞれが減速機を介してモータにより駆動される関節によって連結されている第１の部材４１、第２の部材４２、及び第３の部材４３を有している。本実施の形態では、第１の部材４１が手先効果器（ハンド）であり、第２及び第３の部材４２，４３がアームである場合について説明する。

図３Ａで示されるように、産業用ロボット１は、振動発電機１０、及び振動用磁石３４をも備えている。図３Ａでは、４個の振動発電機１０が、第１の部材４１の異なる位置に配置されている。なお、図３Ａにおいて、破線で記載されている構成要素は、第１の部材４１側のものであり、実線で記載されている構成要素は、第２の部材４２側のものである。４個の振動発電機１０は、第１及び第２の部材４１，４２の関節５６の回動中心軸を中心とする円環上に均等に配置されている。関節５６の回動に応じて振動発電機１０が通過する円環状の領域５５を、通過領域と呼ぶことにする。その通過領域５５は、第２の部材４２における領域である。その通過領域５５に、６個の振動用磁石３４が配置されている。それらの振動用磁石３４は、例えば、第２の部材４２の関節５６における出力フランジに設けられていてもよい。その振動用磁石３４の振動発電機１０側の磁極（Ｓ，Ｎ）は、通過領域５５の周方向に沿って交互に変わるように配列されている。図３Ａで示されている振動用磁石３４の磁極（Ｓ，Ｎ）は、振動発電機１０側の磁極であるとする。その振動用磁石３４は、永久磁石であり、例えば、ネオジム磁石であってもよく、フェライト磁石であってもよく、または、その他の種類の磁石であってもよい。また、図３Ａで示されるように、各振動発電機１０の通過領域５５は一致していることが好適である。そのため、各振動発電機１０は、関節５６の回動中心軸からの長さが同じである位置に配置されることが好適である。その通過領域５５の一致は、少なくとも一部の一致であってもよい。例えば、関節５６の回動範囲が３６０度でない場合には、各振動発電機１０の通過領域５５は完全には一致しないが、少なくとも一部は一致することになる。そのように各振動発電機１０の通過領域５５が一致している場合には、一の振動用磁石３４上を、２以上の振動発電機１０が通過することになり、効率よく発電を行うことができるようになる。なお、振動発電機１０及び振動用磁石３４は、図３Ｂで示されるように、それぞれ第１及び第２の部材４１，４２の境界面上に存在することが好適である。すなわち、振動発電機１０は、第１の部材４１における、第２の部材４２と接する面に設けられ、振動用磁石３４は、第２の部材４２における、第１の部材４１と接する面に設けられることが好適である。振動用磁石３４の磁力の影響をできるだけ強く振動発電機１０に及ぼすことができるようにするためである。

また、図３Ａで示されるように、通過領域５５において、振動用磁石３４のない領域が存在する。図３Ａでは、通過領域５５において、隣接する振動用磁石３４の間に、振動用磁石３４のない領域が存在している。その振動用磁石３４のない領域は、振動用磁石３４の磁力の及ばない領域であると考えてもよい。また、６個の振動用磁石３４は、関節５６の角度に関わらず、いずれかの振動発電機１０が振動用磁石３４のない領域に存在するように配列されていてもよい。例えば、図３Ａで示されるように、振動用磁石３４は、関節５６の回動中心軸に対して６０度ごとに配置されており、振動発電機１０は、その回動中心軸に対して９０度ごとに配置されている。したがって、図３Ａで示されるように、２個の振動発電機１０が振動用磁石３４のある領域に存在する場合には、他の２個の振動発電機１０は、振動用磁石３４のない領域に存在することになる。そのため、移動部３７がマニピュレータ４０の基端３８を移動させる場合に、２個の振動発電機１０は、振動用磁石３４のない領域に存在することになる。なお、振動発電機１０が振動用磁石３４のない領域に存在するとは、振動発電機１０の位置と、振動用磁石３４の位置とが少なくとも完全には一致しないことであってもよい。振動発電機１０の一部のみが、振動用磁石３４のない領域に存在する場合は、振動発電機１０が振動用磁石３４のない領域に存在すると考えてもよく、そうでなくてもよい。後者の場合には、振動発電機１０または振動用磁石３４の周方向の幅を、図３Ａの場合よりも狭めるようにしてもよい。

次に、振動発電機１０による発電について説明する。関節５６の回動に応じて、第１の部材４１に設けられている各振動発電機１０は、振動用磁石３４の存在する領域と、存在しない領域とを交互に通過する。また、そのときの振動用磁石３４の磁極も、交互に変わる。例えば、振動発電機１０が振動用磁石３４のＳ極上となると、図５Ａで示されるように、振動フレーム２１に設けられた磁石２３のＳ極と、振動用磁石３４のＳ極とが反発し、振動フレーム２１は、振動用磁石３４から離れる向きに移動する。その移動に応じて、コイル１１に起電力が発生する。また、圧電素子２４が衝突部材２５に衝突することによって、圧電素子２４にも起電力が発生する。その後、振動発電機１０が振動用磁石３４のない領域に移動すると、図５Ｂで示されるように、振動フレーム２１は、弾性部材２２の弾性力によって、図中の両矢印の方向に往復運動する。その往復運動に応じて、コイル１１に起電力が発生する。また、その往復運動において、圧電素子２４が衝突部材２５に衝突する場合には、圧電素子２４による発電も行われる。その後、振動発電機１０が振動用磁石３４のＮ極上となると、図５Ｃで示されるように、振動フレーム２１に設けられた磁石２３のＳ極と、振動用磁石３４のＮ極とが引き合い、振動フレーム２１は、振動用磁石３４に近づく向きに移動する。その移動に応じて、コイル１１に起電力が発生する。また、圧電素子２４が衝突部材２５に衝突することによって、圧電素子２４にも起電力が発生する。したがって、例えば、マニピュレータ４０が図４の上下方向の両矢印の方向に伸縮する場合には、振動発電機１０は、Ｓ極→空白→Ｎ極→空白→Ｓ極…というように振動用磁石３４の位置を通過し、図５Ａ〜５Ｃの状況が繰り返されることにより、コイル１１及び圧電素子２４による発電が行われる。また、移動部３７がマニピュレータ４０を移動させる場合には、前述のように、少なくとも１個の振動発電機１０が、振動用磁石３４のない領域に存在することになる。すると、その振動発電機１０の振動フレーム２１は、マニピュレータ４０の移動に応じた振動によって、図５Ｂで示されるように振動し、コイル１１に起電力が発生する。また、その振動に応じて圧電素子２４が衝突部材２５に衝突した場合には、圧電素子にも起電力が発生する。そのようにして発電された電力は、コイル整流回路３１や圧電素子整流回路３２によって整流され、充電部３５で充電される。そして、動作部３６は、その充電部３５で充電された電力を用いて動作する。

なお、振動発電機１０は、積層されて使用されてもよい。すなわち、複数の振動発電機１０が、第１の部材４１に積層されて設けられてもよい。その場合には、例えば、図６Ａで示されるように、積層された複数の振動発電機１０のうち、隣接する２個の振動発電機１０が有する磁石が、それぞれ反発するように設けられていてもよい。図６Ａでは、両振動発電機１０の磁石２３は、Ｓ極が対向するようになっている。したがって、下側の振動フレーム２１が上方に移動した場合には、それに応じて、上側の振動フレーム２１も上方に移動することになる。その結果、通常の振動だけでなく、両振動フレーム２１の反発運動による振動によっても発電を行うことができ、より発電量を増やすことができる。

また、図６Ｂで示されるように、振動発電機１０の振動フレーム２１に、３個以上の圧電素子２４が設けられていてもよい。図６Ｂでは、振動フレーム２１に、４個の圧電素子２４が設けられている。上端と下端の圧電素子２４は、上述の説明と同様に、それぞれ板状部材１２ｂ、１２ｃに固定された衝突部材２５と衝突する。一方、それら以外の２個の圧電素子２４は、支持部５２によって支持された衝突部材２５と衝突する。支持部５２は、円環形状の板状部材であり、複数の柱状部材５１によって、コイルフレーム１２の振動方向における略中央に位置するように固定されている。２個の固定部２７にはそれぞれ、柱状部材５１の貫通する開孔が、柱状部材５１と同数だけ設けられている。複数の柱状部材５１は、両端が板状部材１２ｂ、１２ｃに固定されており、固定部２７の開孔を通ることによって、固定部２７とは接触しないようになっている。なお、振動フレーム２１が振動する場合にも、固定部２７は、柱状部材５１と接触しないように構成されていることが好適である。パーティクルを発生しないようにするためである。図６Ｂで示される振動発電機１０は、４個の圧電素子２４を有しており、振動フレーム２１が上方または下方に移動するごとに、２個の圧電素子２４が衝突部材２５と衝突するため、図１Ｂで示される振動発電機１０よりも、圧電素子２４による発電量を増やすことができる。なお、図６Ｂの場合には、圧電素子２４と衝突部材２５とは、一対一の関係ではないが、各圧電素子２４に対して衝突部材２５が設けられている。

また、産業用ロボット１は、本実施の形態で説明したものに限定されないことは言うまでもない。また、産業用ロボット１の軸数や、種類は問わない。産業用ロボット１は、例えば、搬送ロボットであってもよく、溶接ロボットであってもよく、組立ロボットであってもよく、塗装ロボットであってもよく、クリーンロボットであってもよく、その他の種類の産業用ロボットであってもよい。また、産業用ロボット１は、本実施の形態で説明した以外の構成要素を有していてもよいことは言うまでもない。例えば、関節を駆動するためのモータや、減速機、サーボコントローラ等を有していてもよい。

また、本実施の形態では、手先効果器（ハンド）である第１の部材４１に振動発電機１０が設けられており、アームである第２の部材４２に振動用磁石３４が設けられている場合について説明したが、そうでなくてもよい。第１及び第２の部材４１，４２は、それぞれ独立して、アームであってもよく、手先効果器であってもよい。ただし、第１及び第２の部材４１，４２は、一の関節５６によって連結されているものとする。そして、その関節５６の周りに、振動発電機１０や振動用磁石３４が配置されていることが好適である。

また、コイルフレーム１２に巻回されるコイル１１の個数は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、コイルフレーム１２や振動フレーム２１、支持部２６，５２、固定部２７、柱状部材５１、衝突部材２５は、樹脂などの非磁性体の材料によって構成されることが好適である。

以上のように、本実施の形態による振動発電機１０によれば、コイル１１と圧電素子２４とを用いて発電を行うため、振動や回転の運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。特に、コイル１１と圧電素子２４とを用いることにより、一方だけを用いた場合と比較して、出力電圧を持続的にすることができるようになる。また、コイルフレーム１２内において振動フレーム２１が振動する際に、弾性部材２２によって両フレーム１２，２１が接触しないようにされるため、部材の摩擦に起因するパーティクルの発生を抑えることができる。そのため、振動発電機１０を、クリーンロボットに用いることができるようになる。また、本実施の形態による振動発電機１０を備えた産業用ロボット１によれば、振動用磁石３４の磁力によって、振動フレーム２１を強制的に振動させることができ、振動が少ない場合であっても、関節５６の動きに応じて発電することができる。また、移動部３７がマニピュレータ４０を移動させる場合、すなわち振動の発生しうる場合に、少なくとも１個の振動発電機１０が、振動用磁石３４のない領域に存在することによって、振動用磁石３４に応じた発電だけでなく、振動に応じた発電も行うことができるようになる。

なお、移動部３７がマニピュレータ４０の基端３８を移動させる場合に、すべての振動発電機１０が、振動用磁石３４のない領域に存在するようにしてもよい。移動部３７がマニピュレータ４０の基端３８を昇降させたり、旋回させたりする際のマニピュレータ４０の姿勢は決まっていることが多い。例えば、産業用ロボット１が搬送ロボットである場合には、リトラクト状態（ハンドを引っ込めた状態）であるマニピュレータ４０を移動させることが多い。したがって、そのマニピュレータ４０の姿勢において、すべての振動発電機１０の位置が、振動用磁石３４のない領域となるように、振動発電機１０や振動用磁石３４の配置を決定してもよい。

また、本実施の形態では、充電部３５を介して動作部３６に電力が供給される場合について説明したが、そうでなくてもよい。発電された電力が充電部３５を介さないで直接、動作部３６に供給されてもよい。また、本実施の形態では、発電された電力がコイル整流回路３１や圧電素子整流回路３２によって整流されてから動作部３６に供給される場合について説明したが、そうでなくてもよい。動作部３６が、整流されていない電力であっても動作する場合には、発電された電力をそのまま動作部３６に供給してもよい。

また、本実施の形態では、産業用ロボット１が移動部３７を有する場合について説明したが、そうでなくてもよい。マニピュレータ４０の基端３８を移動させる必要がない場合には、産業用ロボット１は移動部３７を有していなくてもよい。

また、本実施の形態では、通過領域５５に振動用磁石３４のない領域が存在する場合について説明したが、そうでなくてもよい。通過領域５５のすべてに、振動用磁石３４が配置されていてもよい。

また、本実施の形態において説明した各構成要素の形状は、上記説明に限定されるものではない。例えば、本実施の形態では、コイルフレーム１２が円筒形状である場合について説明したが、そうでなくてもよい。コイルフレーム１２は、角柱形状等であってもよい。振動フレーム２１等についても同様である。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上より、本発明による振動発電機等によれば、パーティクルの発生を抑えることができるという効果が得られ、例えば、クリーンロボットに用いる振動発電機等として有用である。

１ 産業用ロボット
１０ 振動発電機
１１ コイル
１２ コイルフレーム
２１ 振動フレーム
２２ 弾性部材
２３ 磁石
２４ 圧電素子
２５ 衝突部材
３１ コイル整流回路
３２ 圧電素子整流回路
３４ 振動用磁石
３５ 充電部
３６ 動作部
３７ 移動部
４０ マニピュレータ
４１ 第１の部材
４２ 第２の部材

Claims (6)

1. 関節によって連結された第１及び第２の部材を有するマニピュレータと、
   前記第１の部材に設けられた１以上の振動発電機と、
   前記関節の回動に応じて前記振動発電機が通過する前記第２の部材の領域である通過領域に配置された磁石である２以上の振動用磁石と、
   前記振動発電機によって発電された電力によって動作する動作部と、を備え、
   前記振動発電機は、
   コイルと、
   前記コイルが巻回されたコイルフレームと、
   前記コイルフレームの内側で振動する振動フレームと、
   当該コイルフレームと前記振動フレームとが接触しないように、前記コイルフレームの内側で前記振動フレームを振動可能に保持する弾性部材と、
   前記振動フレームに設けられ、当該振動フレームの振動に応じて前記コイルに起電力を発生させる磁石と、
   前記振動フレームに設けられた圧電素子と、
   前記振動フレームの振動に応じて前記圧電素子と衝突する衝突部材と、を備え、
   前記コイル内における前記磁石の振動、及び前記圧電素子と前記衝突部材との衝突によって発電が行われ、
   前記２以上の振動用磁石は、前記振動発電機側の磁極が交互に変わるように前記通過領域に配列されている、産業用ロボット。
2. 前記振動フレームには、２以上の圧電素子が設けられており、
   前記２以上の圧電素子のそれぞれに対して前記衝突部材が設けられている、請求項１記載の産業用ロボット。
3. 前記マニピュレータの基端を移動させる移動部をさらに備え、
   前記通過領域には、前記振動用磁石のない領域が存在し、
   前記移動部が前記マニピュレータの基端を移動させる場合に、少なくとも１個の前記振動発電機は、前記振動用磁石のない領域に存在する、請求項１または請求項２記載の産業用ロボット。
4. 複数の前記振動発電機がそれぞれ前記第１の部材の異なる位置に設けられており、
   前記複数の振動発電機の通過領域は一致しており、
   前記２以上の振動用磁石は、前記関節の角度に関わらず、いずれかの前記振動発電機が振動用磁石のない領域に存在するように配列されている、請求項３記載の産業用ロボット。
5. 複数の前記振動発電機が前記第１の部材に積層されて設けられており、
   積層された前記複数の振動発電機のうち、隣接する２個の振動発電機が有する磁石は、それぞれ反発するように設けられている、請求項１から請求項４のいずれか記載の産業用ロボット。
6. 前記コイルによって発電された電力を整流するコイル整流回路と、
   前記圧電素子によって発電された電力を整流する圧電素子整流回路と、
   前記コイル整流回路によって整流された電力、及び前記圧電素子整流回路によって整流された電力が充電されるスーパーキャパシタである充電部と、をさらに備え、
   前記充電部から前記動作部に電力が供給される、請求項１から請求項５のいずれか記載の産業用ロボット。

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