JPS60121332A - ブレ−キ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電効果セラミッ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。

例えば産業用ロボットのアクチュ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ってロボットの
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５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虞れが大きい
。

このため産業用ロボットのアクヂ１Ｔ−夕にあっては、
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
は応答性の良い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ックが電圧の印加に
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
としたものである。

以下本発明を産業用ロボットにおけるアクチコ工−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
ックについて第１図に基づき説明する。

この圧電効果セラミック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、セラミック板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。従って、内部電極板３は
一層おぎに外部電極板５及び６に電気的に接続されてい
る。本圧電効果セラミック１は従来の圧電効果セラミッ
クとは異なり、印加電圧が低くてもぐ例えば１００Ｖで
も）成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った。）
という特徴を有する。反面、本圧電効果セラミック１は
従来の圧電効果セラミッ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ック１のセラミック板２とし
ては、マグネシウム・ニオブ酸鉛とヂタン酸鉛の二成分
固溶体セラミック、（１−Ｘ）Ｐｂ（Ｍ（１１／３Ｎｌ
）２／３）０３−ＰｂＴｉＯ３゜のうち例えばＸが０．
３５近くのものが使用されている。

次に産業用ロボッ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ｊホの圧電効果セラ
ミックの歪をある程度大ぎ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を螺合してロックナラ１〜１１
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ック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ック１は接着剤により
相互に結合されていて絶縁筒１２対し摺動自在になって
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は等により電気的に接続してい
る。この電線１３は圧電効果セラミック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
ラミック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ック１の両件部電極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ック１が電源に対し並列に接続され
るようにしている。尚、１６は圧電効果セラミック１と
コネクター１０との間に設けたセラミック類の絶縁板で
ある。１７はプランジャで、このプランジ！７１７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
ラミック類の絶縁板１８を介して圧電効果セラミック１
に当接させている。

而して第２図のアクチュ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の一５＝ 中央の円筒部２４に上下方向に往復動可能に支持されて
おり、この出ツノ軸２３の逆円錐状をなす下端部には六
個の球状の四部２３ａが形成されている。また、下側の
蓋体２２の内底部中火に支持体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１つ内には
駆動体７を例えば六個放射状に配列したものを一層とし
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にうに定められ且つ各
膜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２６
ｂが形成されている。２７は複数個の錐状体で、略逆円
錐状をなづ下部外周面には球状の第６一 １の四部２７ａが形成されていると共に略円錐状をなづ
土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
そのプランジャ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の満２
６ｂ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ャ１７を
第１段目の＆ｆｌ状休２体の第２の凹部２７ａ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１
！′！動環２６の第１の溝２６ａに回動可能に嵌合連結
し、更に第１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の満２６ｂに回動可能に嵌合連結する
と共にプンジャ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３１Ｆ状
体２７によって順次連結してゆく。そして、最終段の駆
動体７のプランジャ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）
＠結されると共に第１段目の駆動体７の一端部が基体１
９に連結され旧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のイｑｔ
！？３力により各段の駆動体７は圧縮力を受（プ、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ュエーターの出
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２／ｌを制動
部とし、この円筒部２４の出力軸２３への締付（プカを
利用して出力軸２３を制動し、その締付（プカを解くこ
とによっ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ツノ＠２３に所定の締め代をもって
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ック
１を配設し、この圧電効果セラミ９− ツク１に通電したときに生ずる伸び方向の歪により割り
！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、締めイ」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。まずアクチコ工−ター
の出力軸２３を往復動させる場合には、ブレーキ装置２
９の圧電効果セラミック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
ミック１に所定の電圧が印加され、各圧電効果セラミッ
ク１が積み重ね方向に伸長する如く歪む。この歪みは圧
電効果セラミック１個々では微少なものであるが、多数
の圧電効果セラミック１が積み重ね状態に設けられてい
ることから、プランジャ１７には多数の圧電効果セラミ
ック１の歪の総和が作用し、従ってプランジャ１７が圧
電効果セラミック１に強く押圧されて、矢印へ方向に進
出するように直線的に変位する。すると、駆動体７が傾
【プて配設されていることから、プラン１０− ジｖ１７の矢印へ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を上方に変位さゼ
る。ところが、駆動体７ば各膜相互間が摺動環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。従って、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川われ、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ック
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じつつプランジャ１７を反矢
印へ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のプランジャ１７の変位量は比較的
小さく、プランジャ１７によって産業用ロボットのアー
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、本実施例のアクチコＴ−ターによれば、プランジ
ャ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３１明するに、駆動体は通電
前角度０だけ傾斜して０−Ｙ１間にあり、通電にＪｚリ
プランジャが進出するとＯを中心に回動じて０−Ｙ２間
に位置するとし、そのときのプランジャの進出変位量を
Δ×、押上変位量を△ｙとづ゛るど、（Ｙｏ　Ｙｌ＋△
Ｖ）’＝（ＯＹＩ　＋△×）！−（ＯＹｏ　）’　−（
丁石十ΔＸ）＝（丁石　・ＣＯＳθ）Ｉ計算の簡略化の
ために歪率をρとしΔ×＝σＹ了・ρとすると、（Ｙ丁
］宕＋△ｙ）２＝ａ璽肩＋丁冒・ρ）Ｉ−（σ冒・ ｃｏｓθ）ｌ−（の冒）２　・（（１＋ρ）２−ｃｏｓ
　’　θ）、　０Ｙ１−ｓｉｎθ＋Δｙ−ＯＹｔ　・十
ｐ　−ＣＯ３ 故に△Ｖ＝０石　・（＋ρ−ｃｏｓ− ｓｉｎ　θ） △ｙ　十ρ−ｃｏｓ　−５ｉｎθ △Ｘ　ρ さて、ρ−８Ｘ１０　、θ−１ｄｅｇとした場合、八Ｖ
　、　−、Ｊ−０，０１７４５２４＝３２．７４となる
。従って、駆動体７の一段当りの押上量はプランジャ１
７の変位量の３２．７４倍となり、駆動体７が例えば１
０段設けられていれば出力軸の変位量はプランジャ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、本実施例のアクチコ
エーターでは駆動対７により圧電効果セラミック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１３− きるので、産業用ロボットのアームの駆動源として利用
できるものである。

さて、ロボットの動作を停止すべく、ブレーキ装置２９
の圧電効果セラミック１を断電する。すると、ブレーキ
装置２つの圧電効果セラミック１が縮む如く元の状態に
戻るため、円筒部２４が自身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、これによって生ず
る強い摩擦力でもって出力軸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
果セラミック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２３を制動することができ、緊急時
の事故防止上極めて有効である。また、特に本実施例の
ように、圧電効果セラミック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１４− 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２／′Ｉ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の内側に制
動部としての弾性変形可能なチコーブ３３を嵌着して該
チコーブ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３２ａに１２０度の角度ビッヂをもって
孔３４を形成し、この孔３４内に圧電効果セラミツーり
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ック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
圧電効果セラミック１に通電プると、該圧電効果セラミ
ック１が伸長方向に歪を生じ、これによりヂコーブ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、れによって生ずる強い摩擦
力でもって出力軸２３を制動する。この後圧電効果セラ
ミック１を断電すると、該圧電効果レラミツク１が縮む
如く元の状態に戻るため、チコーブ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。

本発明は以上の説明から明らかなように、圧電効果セラ
ミックの通断電に伴う伸縮により、制動部を被制動体に
対し圧接及びその圧接解除させて被制動部の制動及びそ
の解除を行う構成で、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ックにより制動部を作動さ
せるようにしたので、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
は圧電効果セラミックの概略を示す断面図、第２図はア
クチュエーターの縦断面図、第３図は要部の拡大横断面
図、第４図はアクチュ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４図中Ｖｌ−Ｖｌ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は圧電効果セラミック、７は駆動体、１７はプ
ランジャ、１９は基体、２３は出力軸（被制動体）、２
４は円筒部（制動部）、２９はブレーキ装置、３３はチ
ューブ（制動部）である。 出願人　旭大隈産業株式会社 １７− 第１　図 第２　圏 第３　図 第８図 １０７− 第９　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、圧電効果セラミックの通断電に伴う伸縮により、制
   動部を被制動体に対し圧接及び圧接解除させて被制動部
   の制動及びその解除を行うようにして成るブレーキ装置
   。