JPH0459494B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電効果セラミツクの電歪効果を利用
して制動部を作動させるようにしたブレーキ装置
に関する。

例えば産業用ロボツトのアクチユエーターのう
ち油圧・空圧機器を駆動源とするものでは、制御
弁の働きにより油圧・空気機器への作動流体の供
給を断つてロボツトの作動停止及びその停止位置
の保持を行うようにしている。しかしながら、制
御弁の応答性、作動流体の圧縮性、慣性力等の影
響で作動停止の応答性が悪く、特に緊急時には作
動停止の応答遅れによる事故発生の慮れが大き
い。このため産業用ロボツトのアクチユエータに
あつては、応答性の良いブレーキ装置の出現が要
望されている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
その目的は応答性の良く、且つ構造が簡単なブレ
ーキ装置を提供するにある。

本発明は、積層形の圧電効果セラミツクが電圧
の印加により歪を生じ、その歪の発生の応答性が
良好なることに着目し、この歪を利用してブレー
キ装置を作動させようとしたもので、第１の発明
は、割り溝を形成して拡径及び縮径可能にされ自
身が有する縮径方向の弾発力により内側に挿通支
持した軸を締め付けて当該軸を制動状態にする筒
形の軸受部と、前記割り溝内に配設され前記軸受
部の周方向に伸張するように歪むことにより軸受
部を拡径させて前記軸の制動を解除する圧電効果
セラミツクとを具備して成るブレーキ装置にあ
り、第２の発明は、軸を挿通支持した可撓性ある
筒状の軸受部と、この軸受部と該軸受部を内側に
収納した外筒部との間に配設され軸受部の径方向
に伸長するように歪むことにより軸受部を前記軸
に圧接させて軸を制動状態にする圧電効果セラミ
ツクとを具備してなるブレーキ装置にある。

以下本発明を産業用ロボツトにおけるアクチユ
エーターのブレーキ装置に適用した一実施例につ
き第１図乃至第７図を参照しながら説明する。

まず本実施例において使用する積層形の圧電効
果セラミツクについて第１図に基づき説明する。
この圧電効果セラミツク１は、近時、日本電気株
式会社により開発実用化されたもので、セラミツ
ク板２と内部電極板３とを交互に積層一体化して
焼結した素子を所望の形状・大きさに切断し、全
周面に露出した内部電極板３を左右両側面におい
て一層おきに絶縁材４により電気的に絶縁すると
共に、左右両側面に外部電極５及び６を形成して
構成したものである。従つて、内部電極板３は一
層おきに外部電極板５及び６に電気的に接続され
ている。本圧電効果セラミツク１は従来の圧電効
果セラミツクとは異なり、印加電圧が低くても
（例えば100Vでも）或る量以上の歪を発生し、電
圧を繰返し印加しても全く劣化しない（実験によ
れば電圧パルスを５億回以上連続的に印加しても
劣化は何らみとめられなかつた。）という特徴を
有する。反面、本圧電効果セラミツク１は従来の
圧電効果セラミツクと同様に積層厚を余り厚くす
ることは困難で、９mm程度が限界とされている。
ちなみに本圧電効果セラミツク１のセラミツク板
２としては、マグネシウム・ニオブ酸鉛とチタン
酸鉛の二成分固溶体セラミツク、（１−Ｘ）Pb
（Mg₁／₃Nb₂／₃）O₃−PbTiO₃，のうち例えばＸ
が0.35近くのものが使用されている。

次に産業用ロボツトのアクチユエーターを示す
第２図において、７は駆動体で、これらは上述の
圧電効果セラミツクの歪をある程度大きな変位と
して取出すためのもので、その具体的構成は第５
図及び第６図に示されている。即ち、第５図及び
第６図において、８は金属製の筒体で、この筒体
８の一端側に形成された雌ねじ９に栓体を兼ねる
コネクター１０を螺合してロツクナツト１１によ
り固定している。１２は筒体８の中空内部に嵌着
された摩擦係数の小なる例えばポリアセタール樹
脂製の絶縁筒で、これの内部に円形もしくは小判
形に形成された前述の圧電効果セラミツク１を多
数積み重ね状態に収納しており、これら圧電効果
セラミツク１は接着剤により相互に結合されてい
て絶縁筒１２対し摺動自在になつている。１３は
電気抵抗の低い電線で、ここでは銀線を用いてお
り、外部電極５及び６のうち同一極性どうしの電
極の一箇所ずつをロー付け等により電気的に接続
している。この電線１３は圧電効果セラミツク１
間にたるみを残してロー付けされている。また電
線１３は圧電効果セラミツク１を絶縁筒１２内に
挿入した時に生ずる空間Ｓを利用して配線してい
る。そして、コネクター１０側に位置する一個の
圧電効果セラミツク１の両外部電極５及び６に接
続されたリード線１４及び１５を筒体８外方に導
出し、以てリード線１４及び１５を電源に接続し
たとき各圧電効果セラミツク１が電源に対し並列
に接続されるようにしている。尚、１６は圧電効
果セラミツク１とコネクター１０との間に設けた
セラミツク製の絶縁板である。１７はプランジヤ
で、このプランジヤ１７を筒体８の他端部内方に
摺動自在に挿入し、その挿入端をセラミツク製の
絶縁板１８を介して圧電効果セラミツク１に当接
させている。

而して第２図のアクチユエーターは上述のよう
に構成された駆動体７から取出される変位を更に
大きく増幅して出力するもので、第２図中、１９
はアクチユエーターの基体であり、円筒状をなす
胴体２０の図示上下両側に蓋体２１及び２２をね
じ締め手段により固着して構成されている。２３
はアクチユエータの出力軸で、上側の蓋体２１の
中央の軸受部としての円筒部２４に上下方向に往
復動可能に支持されており、この出力軸２３の逆
円錐状をなす下端部には六個の球状の凹部２３ａ
が形成されている。また、下側の蓋体２２の内底
部中央に支持体２５が突設されており、この支持
体２５の円錐状をなす外周面部には六個の球状の
凹部２５ａが形成されている。斯かる基体１９内
には駆動体７を例えば六個放射状に配列したもの
を一組として、当該駆動体７の組が上下方向に複
数段配設されている。この場合、駆動体７は出力
軸２３の往復動方向（図示上下方向）に対し傾け
て配設するものであり、その傾斜方向は一段ずつ
交互に逆となるように定められ且つ各段相互間が
次のようにして連結される。即ち第２図乃至第４
図において、２６は胴体２０内に上下方向に往復
動可能に嵌合配置された複数個の摺動環で、これ
の内周部には下端から上端近くまで延びる六個の
第１の溝２６ａ及び上端から下端近くにまで延び
る六個の第２の溝２６ｂが形成されている。２７
は複数個の錐状体で、略逆円錐状をなす下部外周
面には球状の第１の凹部２７ａが形成されている
と共に略円錐状をなす上部外周面には球状の第２
の凹部２７ｂが形成されている、而して、第１段
目（最下段）の駆動体７を放射先端側のコネクタ
ー１０側が斜め上方に傾くように配置してそのプ
ランジヤ１７を支持部２５の凹部２５ａに回動可
能に嵌合連結すると共にコネクター１０を第１段
目（最下段）の摺動環２６の第１の溝２６ａに回
動可能に嵌合連結する。そして、第２段目の駆動
体７を放射状先端側のコネクター１０側が斜め下
方に傾くように配置してそのコネクター１０を第
１段目の摺動環２６の第２の溝２６ｂに回動可能
に嵌合連結すると共にコネクター１０を第１段目
の錐状体２７の第１の凹部２７ａに回動可能に嵌
合連結し、次いで第３段目の駆動体７を第１段目
の駆動体７と同方向の傾斜配置としてそのプラン
ジヤ１７を第１段目の錐状体２７の第２の凹部２
７ａに回動可能に嵌合連結すると共にコネクター
１０を第２段目の摺動環２６の第１の溝２６ａに
回動可能に嵌合連結し、更に第４段目の駆動体７
を第２段目の駆動体７と同方向の傾斜配置として
そのコネクター１０を第２段目の摺動環２６の第
２の溝２６ｂに回動可能に嵌合連結すると共にプ
ンジヤ１７を第２段目の錐状体２７の第１の凹部
２７ａに回動可能に連結するというように、最終
段（最上段）の駆動体７に至るまで摺動環２６及
び錐状体２７によつて順次連結してゆく。そし
て、最終段の駆動体７のプランジヤ１７を出力軸
２３の凹部２３ａに回動可能に嵌合連結し、以上
にて駆動体７が各段相互に連結されると共に第１
段目の駆動体７の一端部が基体１９に連結され且
つ最終段の駆動体の一端部が出力軸２３に連結さ
れるものである。２８は圧縮スプリングで、上側
の蓋体２１と出力軸２３の鍔部２３ｂとの間に設
けられ、出力軸２３を下方に付勢している。そし
て、この圧縮スプリング２８の付勢力により各段
の駆動体７は圧縮力を受け、これにて駆動体７、
摺動環２６及び錐状体２７が連結状態を維持する
ようになされている。

さて、２９は被制動体に相当するアクチユエー
ターの出力軸２３を制動するためのブレーキ装置
で、このブレーキ装置２９は前記上側の蓋体２１
の円筒部２４を制動部とし、この円筒部２４の出
力軸２３への締付け力を利用して出力軸２３を制
動し、その締付け力を解くことによつて制動解除
する構成のものである。以下このことを詳述する
に、蓋体２１は金属製で、第３図にも示すように
円筒部２４の内周面から外周側に向けて一本の割
り溝３０を形成して円筒部２４を拡径及び縮径方
向に弾性変形可能にしている。この場合、割り溝
３０の終端部を比較的径大な円形孔３１とし、円
筒部２４の弾性変形性をより高めると共に応力集
中を防止するようにしている。また、出力軸２３
の嵌合前における円筒部２４の内径寸法を出力軸
２３の外形寸法よりもやや小さく形成し、出力軸
２３を円筒部２４に嵌合したとき、円筒部２４が
自身の弾性力で出力軸２３に所定の締め代をもつ
て接し該出力軸２３を締め付けるように構成して
いる。そして、割り溝３０内に制動解除用の圧電
効果セラミツク１を配設し、この圧電効果セラミ
ツク１に通電したときに生ずる円筒部２４の周方
向に伸長する歪により割り溝３０を押し拡げて円
筒部２４を拡径方向に弾性変形させ、以て出力軸
２３への円筒部２４の接触を解いて換言すれば、
締め付けを解いて制動解除するようにしている。

次に上記構成の作用を説明する。まずアクチユ
エーターの出力軸２３を往復動させる場合には、
ブレーキ装置２９の圧電効果セラミツク１に通電
し出力軸２３の制動を解除した状態にしておく。
この状態で駆動体７に通電すると、その各圧電効
果セラミツク１に所定の電圧が印加され、各圧電
効果セラミツク１が積み重ね方向に伸張する如く
歪む。この歪みは圧電効果セラミツク１個々では
微少なものであるが、多数の圧電効果セラミツク
１が積み重ね状態に設けられていることから、プ
ランジヤ１７には多数の圧電効果セラミツク１の
歪の総和が作用し、従つてプランジヤ１７が圧電
効果セラミツク１に強く押圧されて、矢印Ａ方向
に進出するように直線的に変位する。すると、駆
動体７が傾けて配設されていることから、プラン
ジヤ１７の矢印Ａ方向の変位により摺動環２６、
錐状体２７及び出力軸２３を押上げようとする分
力が生じ、この結果、駆動体７が傾斜度合を高め
る如く回動しつつ摺動環２６、錐状体２７及び出
力軸２３を上方に変位させる。ところが、駆動体
７は各段相互間が摺動環２６及び錐状体２７によ
り連結されているため、各段の駆動体７はそれよ
りも下方の駆動体７による各摺動環２６及び錐状
体２７の押上量の和相当分だけ押上げられるよう
になる。従つて、実際の出力軸２３の上方への変
位量は各段の駆動体７による押上げ量の総和とし
て現われ、出力軸２３が上方に大きく変位する。
次に、駆動体７を断電すると、その圧電効果セラ
ミツク１が縮む如く元の状態に戻り、これに伴い
出力軸２３が圧縮スプリング２８のばね力により
下方に押し戻されると共に、駆動体７が圧縮スプ
リング２８のばね力により傾斜度合を低める如く
回動しつつプランジヤ１７を反矢印Ａ方向に後退
させるよう変位せしめ、斯くして全てが元の状態
に戻る。

ところで、駆動体７のプランジヤ１７の変位量
は比較的小さく、プランジヤ１７によつて産業用
ロボツトのアーム等を直接駆動することは実際上
困難である。しかしながら、本実施例のアクチユ
エーターによれば、プランジヤ１７の変位を増幅
して出力することができる。このことを第７図に
より原理的に説明するに、駆動体は通電前角度θ
だけ傾斜してＯ−Y₁間にあり、通電によりプラ
ンジヤが進出するとＯを中心に回動してＯ−Y₂
間に位置するとし、そのときのプランジヤの進出
変位量をΔx，押上変位量をΔyとすると、₀ ＝₁・cosθ、_{0 1} ＝₁・sinθ、 （_{0 1}＋Δy）²＝（₁＋Δx）²−（₀）
²＝（₁＋Δx）²−（₁・cosθ）² 計算の簡略化のために歪率をρとしΔx＝₁・ρと
すると、 （_{0 1}＋Δy）²＝（₁＋₁・ρ）²−（
₁・cosθ）²＝（₁）² ・｛（１＋ρ）²−cos²θ｝、₁・sinθ＋Δy＝
₁・√（１＋）²−² 故にΔy＝ ₁・｛√１＋）²−²−sinθ｝ Δy／Δx＝√（１＋ρ）²−cos²θ−sinθ／ρ さて、ρ＝８×10、θ＝1degとした場合、 Δy／Δx＝√1.0008²−0.9996954−0.0174524／0.0008
＝32.74 となる。従つて、駆動体７の一段当りの押上量は
プランジヤ１７の変位量の32.74倍となり、駆動
体７が例えば10段設けられていれば出力軸の変位
量はプランジヤ１７のそれの327.4倍となる。

ちなみにθ＝1.5゜ではΔY／ΔXは27.04、2゜では
22.74、2.5゜では19.46、3゜では16.93となる。

以上のことから理解できるように、本実施例の
アクチユエーターでは駆動対７により圧電効果セ
ラミツク１の歪みをある程度大きな変位として取
出し、更にその変位を増幅して出力することがで
きるので、産業用ロボツトのアームの駆動源とし
て利用できるものである。

さて、ロボツトの動作を停止すべく、ブレーキ
装置２９の圧電効果セラミツク１を断電する。す
ると、ブレーキ装置２９の圧電効果セラミツク１
が縮む如く元の状態に戻るため、円筒部２４が自
信の弾性復元力で縮径方向に変形し、出力軸２３
を強く締め付け、これによつて生ずる強い摩擦力
でもつて出力軸２３を制動し、その停止位置に保
持する。このように、ブレーキ装置２９は圧電効
果セラミツク１の断電に伴う円筒部２４の縮径方
向の弾性変形により、出力軸２３を制動する構成
であるから、円筒部２４をヤング率の大きな材料
で製作しておくことにより、制動解除状態から制
動状態への移行速度が速くなり、瞬時に出力軸２
３を制動することができ、緊急時の事故防止極め
て有効である。しかも、出力軸２３を支持する円
筒部２４を出力軸２４に接して制動力を与える制
動部として利用でき、しかも該円筒部２４を圧電
効果セラミツク１により直接動作させて制動及び
制動解除できるので、構造が簡単で、小形に構成
できる。また、特に本実施例のように、圧電効果
セラミツク１の断電により制動がかかるようにす
れば、停電時に自動的に制動されてその停電時の
位置に正確に保持でき、再起動時に位置ずれを修
正する必要がなくなる。

次に第８図及び第９図は本発明の他の実施例を
示すもので、円筒部２４と同様の円筒部３２の内
側にシリンダ３２ａを嵌着し、更にそのシリンダ
３２ａの内側に軸受部としての弾性変形可能なチ
ユーブ３３を嵌着して該チユーブ３３により出力
軸２３を往復動可能に支持し、そしてシリンダ３
２ａに120度の角度ピツチをもつて孔３４を形成
し、この孔３４内に外筒としての円筒部３２とチ
ユーブ３３との間に位置するようにして圧電効果
セラミツク１を配設した構成のものである。この
構成において、出力軸２３の動作時には圧電効果
セラミツク１を断電状態にして出力軸２３を往復
動可能にする。そして制動時に圧電効果セラミツ
ク１に通電すると、該圧電効果セラミツク１がチ
ユーブ３３の径方向に伸長するように歪を生じ、
これによりチユーブ３３が第８図及び第９図に二
点鎖線で示すように内方に押圧されて出力軸に強
く圧接し、これによつて生ずる強い摩擦力でもつ
て出力軸２３を制動する。この後圧電効果セラミ
ツク１を断電すると、該圧電効果セラミツク１が
縮む如く元の状態に戻るため、チユーブ３４が自
身の弾性復元力で元の状態に戻り出力軸２３から
離反して制動解除する。

このように構成した本実施例によれば、出力軸
２３を支持するチユーブ３３を出力軸２３に接し
て制動力を与える制動部として利用でき、しかも
該チユーブ３３を圧電効果セラミツク１により直
接動作させて制動及び制動解除できるので、構造
が簡単で、小形に構成できる。

本発明は以上の説明から明らかなように、軸を
支持する軸受部を軸に接して制動力を与える制動
部として利用でき、しかも該軸受部を圧電効果セ
ラミツクの歪みにより直接動作させて制動及び制
動解除できるので、構造が簡単で、小形に構成で
きる上、通断電に伴う歪み発生の応答性が非常に
良好な圧電効果セラミツクにより軸受部を動作さ
せるので、応答性に優れ、特に緊急時の事故防止
上有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明の第１実施例を示
し、第１図は圧電効果セラミツクの概略を示す断
面図、第２図はアクチユエーターの縦断面図、第
３図は要部の拡大横断面図、第４図はアクチユエ
ーターの分解斜視図、第５図は駆動体の縦断面
図、第６図は第５図中−線に沿う縦断面図、
第７図は変位増幅の原理図であり、第８図及び第
９図は本発明の他の実施例を示す要部の縦断面図
及び横断面図である。 図中、１は圧電効果セラミツク、７は駆動体、
１７はプランジヤ、１９は基体、２３は出力軸、
２４は円筒部（軸受）、２９はブレーキ装置、３
０は割り溝、３３はチユーブ（軸受部）、３２は
外筒である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 割り溝を形成して拡径及び縮径可能にされ自
   身が有する縮径方向の弾発力により内側に挿通支
   持した軸を締め付けて当該軸を制動状態にする筒
   形の軸受部と、前記割り溝内に配設され前記軸受
   部の周方向に伸長するように歪むことにより軸受
   部を拡径させて前記軸の制動を解除する圧電効果
   セラミツクとを具備して成るブレーキ装置。 ２ 軸を挿通支持した可撓性ある筒状の軸受部
   と、この軸受部と該軸受部を内側に収納した外筒
   部との間に配設され軸受部の径方向に伸長するよ
   うに歪むことにより軸受部を前記軸に圧接させて
   軸を制動状態にする圧電効果セラミツクとを具備
   してなるブレーキ装置。