JPWO2012042562A1 - 検出機構付き旋回アクチュエータおよび関節ユニット - Google Patents

Abstract

検出機構付き旋回アクチュエータ（１）では、円筒状ハウジング（２）の内部にモータ（３０）および減速機（４０）が同心状態に配置され、円筒状ハウジング（２）の円形外周面（３）に旋回腕（９）の旋回位置検出用のスケール（１４）が配置され、円形外周面（３）に沿って旋回する旋回腕（９）における円形外周面（３）に対峙している対峙部（１０）に位置検出器（１５）が搭載されている。スケール（１４）と位置検出器（１５）からなる検出機構は、円筒状ハウジング（２）の円形外周面（３）に沿って有限角度範囲を旋回可能な旋回腕（９）の旋回位置を検出する。各部品が同心状態に配置されており、指関節ユニットとして用いるのに適した、軸長の短い小型でコンパクトな検出機構付き旋回アクチュエータを実現できる。

Description

本発明は、円筒状ハウジングの円形外周面に沿って有限角度範囲を旋回可能な旋回腕を備えた旋回アクチュエータに関し、旋回腕の旋回位置を検出するための検出機構が備わった小型でコンパクトな構成の旋回アクチュエータに関する。

ロボットアームの手首、肘などの関節部、ロボットハンドの指関節部などにおいては、その関節軸に取り付けた部材を有限角度範囲内で回転あるいは旋回させるアクチュエータが組み込まれる。このようなアクチュエータとしては、特許文献１に記載されているように、モータと減速機を同軸状に直列に接続し、これらの中心軸線と同軸に配置されている関節軸が当該中心軸線回りに回転する構成のものが知られている。また、特許文献２に記載されているように、モータ出力回転を一対の傘歯車からなる減速歯車機構を介してモータ軸に直交する関節軸を回転する構成のものが知られている。

ここで、関節軸の回転位置、旋回位置を検出するための検出機構としては、特許文献１に記載されているように、減速機の出力軸の外周面に形成した反射板をその外側に配置した反射型のホトセンサによって検出する構成のものが知られている。また、特許文献３に記載されているように、回転軸に同軸状に取り付けた円筒回転体の外周面にスケールを形成し、これを外周側に配置した反射型のホトセンサによって検出する構成のものが知られている。

特開２００６−１４１１０１号公報 特開２００４−１２２３３９号公報 特開平０８−２５４４３９号公報

特許文献１に記載されているようなモータ軸線回りに関節軸を回転させるアクチュエータではモータと減速機を直列に連結した構成となっているので軸長が長くなる。このため、軸長の短いロボットハンドの指ユニットの関節等に用いるには適さない場合がある。また、アクチュエータの回転位置を検出する検出機構として、特許文献３に記載されている光学式ロータリエンコーダをモータ軸あるいは関節軸などに取り付けた場合には、軸長が更に長くなってしまい、関節部の小型・コンパクト化には不利である。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、円筒状ハウジングの円形外周面に沿って有限角度範囲を旋回可能な旋回腕の旋回位置を検出するための検出機構を備え、指関節ユニットとして用いるのに適した小型でコンパクトな構成の旋回アクチュエータを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の旋回アクチュエータは、
円筒状ハウジングと、
円筒状ハウジングの両端面から外方に向けて同軸状に突出している固定支軸および回転出力軸と、
固定支軸および回転出力軸の間に架け渡されていると共に円筒状ハウジングの円形外周面に対峙している対峙部を備え、円形外周面に沿って有限角度範囲を旋回可能な旋回腕と、
旋回腕の旋回位置を検出するために、円形外周面上においてその円周方向に沿って形成されたスケールと、
スケールを読み取るために旋回腕の対峙部に搭載されている位置検出器と、
円筒状ハウジングの内部に同心状態に組み込まれているモータと、
モータの出力回転を減速して回転出力軸に出力するために、円筒状ハウジングの内部においてモータの内側に同心状態に組み込まれている減速機とを有しており、
旋回腕の一方の端は固定支軸によって回転自在に支持され、他方の端は回転出力軸に連結されていることを特徴としている。

ここで、スケールとして、円周方向に沿って所定の間隔で光反射面が形成されているものを使用し、位置検出器として、スケールに検出光を出射する発光素子と、スケールの反射面で反射した検出光成分を受光する受光素子とを備えた反射型ホトセンサを用いることができる。

また、円筒状ハウジングとして、その円形外周面が形成されている円筒状胴部と、この円筒状胴部の一方の端を封鎖している第１端板部と、円筒状胴部の他方の端を封鎖している第２端板部とを備えた構成のものを用いることができる。この場合には、固定支軸を第１端板部に一体形成し、回転出力軸を、第２端板部に形成した貫通穴を貫通する状態に配置し、当該回転出力軸を、当該貫通穴の内周面に取り付けた軸受によって回転自在の状態で支持した構成を採用することができる。

さらに、円筒状ハウジング内に同心状に組み込まれているモータは、
円筒状胴部の内周面に取り付けた円筒状のモータステータと、
このモータステータの内側に一定のギャップを開けて同心状に配置されており、円筒部および当該円筒部における第１端板部の側の端を封鎖している円盤部を備えたカップ形状のモータロータと、
モータロータにおける円盤部の中心部に同心状に固定され、当該円盤部を貫通して延びているモータ軸と、
モータロータの磁極位置を検出するために、第２端板部の内側端面に取り付けられている磁気検出素子とを備え、
モータ軸における第１端板部の側の軸端部は、第１端板部の内側端面の中心部に取り付けた軸受によって回転自在の状態で支持されている構成とすることができる。

また、この構成のモータの内側に同心状に組み込まれている減速機として、剛性内歯歯車、可撓性外歯歯車および波動発生器を備えた波動歯車減速機を用いることができる。この場合の波動歯車減速機の各構成部品は次の構成とすればよい。
剛性内歯歯車は第２端板部に一体形成されている円筒部分を備え、この円筒部分はモータロータの前記円筒部の内側に同心状態に配置され、その先端がモータロータの円盤部の近傍位置まで延び、当該先端内周面部分に内歯が形成されており、
可撓性外歯歯車は、半径方向に撓み可能な可撓性円筒部分と、この可撓性円筒部分の一方の端を封鎖しているダイヤフラムと、このダイヤフラムの中心部分に形成されたボスと、可撓性円筒部分の開口端の外周面部分に形成した外歯とを備えたカップ形状のものであり、剛性内歯歯車の内側において、ボスが第２端板部の側を向く状態で同心状態に配置され、ボスが回転出力軸に同軸状態に連結され、外歯が内歯に対峙しており、
波動発生器は、モータ軸における円盤部から内側に突出している軸部分に同心状態に形成されている楕円形輪郭の剛性カム板と、この剛性カム板の外周面に装着したウエーブベアリングとを備え、当該波動発生器によって可撓性外歯歯車の可撓性円筒部分における外歯が形成されている開口端部分は楕円状に撓められ、当該楕円状における長軸方向の両端において内歯と噛み合っており、
モータ軸の内側の軸端部は、可撓性外歯歯車のボスに同軸状態に取り付けられている軸受によって回転自在の状態で支持されている。

次に、本発明の検出機構付き旋回アクチュエータをタンデムに連結して、ロボットハンドの指などとして用いる多段式の旋回アクチュエータを構成することができる。このために用いる本発明の検出機構付き旋回アクチュエータでは、円筒状ハウジングの円形外周面にはハウジング側連結部が形成されており、旋回腕の対峙部の外周面には腕側連結部が形成されており、ハウジング側連結部と腕側連結部は、円筒状ハウジングの円形外周面の半径方向から相互に連結可能な構成となっていることを特徴としている。

本発明の検出機構付き旋回アクチュエータでは、円筒状ハウジングの内部においてモータおよび減速機が同心状態に配置され、円筒状ハウジングの円形外周面に旋回腕の旋回位置検出用のスケールが配置され、円形外周面に沿って旋回する旋回腕における円形外周面に対峙している対峙部に位置検出器を搭載してある。すなわち、旋回アクチュエータの中心軸線を中心として、減速機、モータ、円筒状ハウジング、円筒状ハウジングの円形外周面に形成したスケール、旋回腕における円形外周面に対峙する対峙部に搭載した位置検出器が、この順序で、内側から外側に向けて同心状に配置されている。したがって、軸長の短い小型でコンパクトな構成の検出機構付き旋回アクチュエータを実現できる。

また、検出機構は、円筒状ハウジングの円形外周面に形成したスケールと、旋回腕における円形外周面に沿って旋回する対峙部に搭載した位置検出器とによって構成されている。これらスケールおよび位置検出器を設置するスペースとして、旋回アクチュエータの構成部品である円筒状ハウジングの円形外周面および旋回腕の対峙部の内部を利用しているので、旋回アクチュエータの軸線方向あるいは半径方向において専用の設置スペースを追加する必要がない。よって、検出機構を付設するために旋回アクチュエータの軸長あるいは径が増加することがないので、小型でコンパクトな検出機構付き旋回アクチュエータを実現できる。

本発明の実施の形態に係る検出機構付き旋回アクチュエータを示す正面図および側面図である。 検出機構付き旋回アクチュエータにおける図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した場合の縦断面図である。 多段に連結した検出機構付き旋回アクチュエータを示す説明図である。

以下に、図面を参照して本発明を適用した検出機構付き旋回アクチュエータの実施の形態を説明する。

図１は本実施の形態に係る検出機構付き旋回アクチュエータを示す正面図および側面図である。検出機構付き旋回アクチュエータ１（以下、単に「旋回アクチュエータ１」と呼ぶ場合もある。）は各構成部品が組み込まれている円筒状ハウジング２を備えている。この円筒状ハウジング２は一定幅の円形外周面３と、当該円筒状ハウジング２の中心軸線１ａの方向の両側に位置する円形の第１外側端面４および第２外側端面５とを備えており、円形外周面３と第１、第２外側端面４、５の間は、それぞれ円弧面３ａ、３ｂによって滑らかに連続している。

円筒状ハウジング２の円形外周面３からは円筒状の取付け用フランジ６が半径方向の外方に突出しており、旋回アクチュエータ１を所定の部位に取付け可能となっている。また、両側の第１外側端面４および第２外側端面５からは、それぞれ、固定支軸７および回転出力軸８が中心軸線１ａと同軸状態で外方に突出している。これら固定支軸７および回転出力軸８の間に旋回腕９が架け渡されている。

旋回腕９は円筒状ハウジング２の外周面に沿ったＵ字形状の腕であり、その中央部分は、円筒状ハウジング２の円形外周面３に一定のギャップで対峙している対峙部１０となっている。旋回腕９の一方の第１腕端部１１は固定支軸７に対して軸受１９（図２参照）を介して回転自在の状態で取り付けられており、他方の第２腕端部１２は回転出力軸８に連結固定されている。回転出力軸８が回転すると、旋回腕９は中心軸線１ａを中心として、円筒状ハウジング２の円形外周面３に沿って有限角度範囲を旋回する。本例では、取付け用フランジ６に対して１８０度の角度位置（図に示す上方を向いている位置）を中立位置９Ａとし、ここを中心として前後に１８０未満の角度範囲内、例えば位置９Ｂから９Ｃまでの範囲を旋回可能である。

旋回腕９の旋回位置（回転出力軸８の回転位置）は光学式のロータリエンコーダ１３によって検出可能である。光学式のロータリエンコーダ１３は、円筒状ハウジング２の円形外周面３に貼り付けたスケール板１４と、旋回腕９の対峙部１０に搭載されている位置検出器１５を備えている。スケール板１４は旋回腕９の旋回角度範囲を包含する角度範囲に亘って貼り付けられている一定幅の板であり、その表面には円周方向に沿って一定の間隔で光反射面からなる目盛が形成されている。位置検出器１５はスケール板１４の表面に検出光を出射する発光素子と、光反射面で反射した検出光成分を受光する受光素子とを備えた反射型ホトセンサである。

次に、図２は図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した場合の旋回アクチュエータ１の縦断面図である。この図を参照して旋回アクチュエータ１の内部構造を説明する。まず、円筒状ハウジング２は、円形外周面３が形成されている円筒状胴部２１と、この円筒状胴部２１における中心軸線１ａの方向の一方の端を封鎖している第１端板部２２、および、他方の端を封鎖している第２端板部２３とを備えている。第１端板部２２の中心には固定支軸７が一体形成されている。第２端板部２３の中心には貫通穴２３ａが形成されており、この内周面には軸受２４が取り付けられており、回転出力軸８は軸受２４によって回転自在の状態で支持されている。

円筒状ハウジング２の内部には同心状態にモータ３０および波動歯車減速機４０が組み込まれている。モータ３０は、ステータコイル３１が巻き付けられている円筒状のモータステータ３２を備えており、この内側には、ロータマグネット３３が取り付けられているモータロータ３４が一定のギャップで同心状態に配置されている。モータステータ３２は円筒状ハウジング２の円筒状胴部２１の内周面に取り付けられている。モータロータ３４は、円筒部３４ａと、この円筒部３４ａにおける第１端板部２２の側の端から内側に延びている円盤部３４ｂとを備えたカップ形状のものであり、円筒部３４ａにロータマグネット３３が取り付けられている。モータロータの円盤部３４ｂの中心部には同心状にモータ軸３５が固定されている。

モータ軸３５は円盤部３４ｂを貫通してその両側に突出している。第１端板部２２の側に突出しているモータ軸３５の軸端部３５ａは、第１端板部２２の内側端面の中央に取り付けた軸受３６によって回転自在の状態で支持されている。モータ軸３５にける反対側に突出している軸端部３５ｂは後述のように波動歯車減速機４０の減速回転出力部材の側に取り付けた軸受３７によって回転自在の状態で支持されている。

ここで、モータロータ３４のロータマグネット３３に対峙している第２端板部２３の内側端面の外周側の部位には、モータ磁極位置検出用の磁気検出素子、例えばホール素子３８が取り付けられている。モータ３０は例えば３相モータであり、そのＵＶＷ相の各相の位置を表す信号がホール素子３８から得られる検出信号に基づき生成される。

次に、モータ３０のモータロータ３４の円筒部３４ａの内側には、波動歯車減速機４０が同心状に組み込まれている。波動歯車減速機４０は剛性内歯歯車４１、カップ状の可撓性外歯歯車４２および楕円形輪郭の波動発生器４３を備えている。剛性内歯歯車４１は第２端板部２３に一体形成されている円筒部分４１ａを備え、この円筒部分４１ａはモータロータ３４の円筒部３４ａの内側に同心状態に配置されている。円筒部分４１ａの先端はモータロータ３４の円盤部３４ｂの近傍位置まで延びており、当該先端内周面部分に内歯４１ｂが形成されている。

カップ状の可撓性外歯歯車４２は、半径方向に撓み可能な可撓性円筒部分４２ａと、この可撓性円筒部分４２ａの一方の端を封鎖しているダイヤフラム４２ｂと、このダイヤフラム４２ｂの中心部分に形成されたボス４２ｃと、可撓性円筒部分４２ａの開口端の外周面部分に形成した外歯４２ｄとを備えている。可撓性外歯歯車４２は、剛性内歯歯車４１の円筒部分４１ａ内側において、ボス４２ｃが第２端板部２３の側を向く状態で同心状態に配置され、外歯４２ｄが内歯４１ｂに対峙している。本例では、ボス４２ｃに回転出力軸８が一体形成されている。

波動発生器４３は、楕円形輪郭の剛性カム板４３ａと、この外周面に装着されているウエーブベアリング４３ｂとを備えている。剛性カム板４３ａは、モータ軸３５におけるモータロータ３４の円盤部３４ｂから内側に突出している軸部分に同心状態に一体形成されている。波動発生器４３によって可撓性外歯歯車４２の外歯４２ｄが形成されている開口端部分は楕円状に撓められ、当該楕円状における長軸方向の両端において内歯４１ｂと噛み合っている。

ここで、可撓性外歯歯車４２の内側において、ボス４２ｃには同軸状態にモータ軸３５の側に開口しているカップ状の軸受部材４４が固定されている。この軸受部材４４に取り付けた軸受３７によって、モータ軸３５の内側の軸端部３５ｂが回転自在の状態で支持されている。

この構成の旋回アクチュエータ１の動作を説明する。モータ３０を駆動してモータ軸３５を回転させると、モータ軸３５に連結されている波動歯車減速機４０の波動発生器４３が一体回転する。これにより、可撓性外歯歯車４２と剛性内歯歯車４１の噛み合い位置が円周方向に移動する（回転する）。可撓性外歯歯車４２は剛性内歯歯車４１よりも歯数が２ｎ枚（ｎ：正の整数）、通常は２枚少ない。したがって、噛み合い位置が移動すると、歯数差に応じた相対回転が両歯車４１、４２の間に発生する。剛性内歯歯車４１が固定側であるので、可撓性外歯歯車４２が減速回転する。すなわち、これに連結されている回転出力軸８が回転し、これに連結されている旋回腕９が円筒状ハウジング２の円形外周面３に沿って旋回する。

旋回腕９の旋回位置は光学式のロータリエンコーダ１３によって検出される。不図示のモータ駆動制御装置では、旋回腕９の旋回位置およびモータ３０の磁極位置に基づき、モータ３０を駆動制御して、旋回腕９を目標とする旋回位置に位置決めすることができる。本例では、円筒状ハウジング２の円形外周面３に貼り付けたスケールを用いている。すなわち、他の部分にスケールを配置する場合に比べて、旋回腕９の旋回半径が最も大きい部分にスケールが配置されている。したがって、検出機構の分解能を高くとることができる。

（応用例）
本例の旋回アクチュエータ１はロボットの関節ユニット、例えば、ロボットアームの肘関節ユニット、手首関節ユニット、ロボットハンドの指関節ユニット等として用いることができる。この場合、多関節の指を構成するためには、本例の旋回アクチュエータからなる指関節ユニットをタンデムに連結して多段化できるようにすることが望ましい。

そのためには、例えば、図３に示すように、旋回アクチュエータ１の円筒状ハウジング２の円形外周面３に取付け用フランジ６（ハウジング側連結部）を配置しておくと共に、旋回腕９の対峙部１０の外周面に腕側連結部１６を取り付ける。そして、腕側連結部１６を、取付け用フランジ６（ハウジング側連結部）に連結可能な構造としておく。このようにすれば、図において想像線で示すように、旋回アクチュエータ１を多段に連結して多関節指ユニットを構成することができる。

１ 検出機構付き旋回アクチュエータ
２ 円筒状ハウジング
３ 円形外周面
４ 第１外側端面
５ 第２外側端面
６ 取付け用フランジ
７ 固定支軸
８ 回転出力軸
９ 旋回腕
９Ａ 中立位置
９Ｂ、９Ｃ 旋回位置
１０ 対峙部
１１ 第１腕端部
１２ 第２腕端部
１３ 光学式のロータリエンコーダ
１４ スケール
１５ 位置検出器
１６ 腕側連結部
１９ 軸受
２１ 円筒状胴部
２２ 第１端板部
２３ 第２端板部
２４ 軸受
３０ モータ
３１ ステータコイル
３２ モータステータ
３３ ロータマグネット
３４ モータロータ
３４ａ 円筒部
３４ｂ 円盤部
３５ モータ軸
３５ａ、３５ｂ 軸端部
３６、３７ 軸受
３８ ホール素子
４０ 波動歯車減速機
４１ 剛性内歯歯車
４１ａ 円筒部分
４１ｂ 内歯
４２ 可撓性外歯歯車
４２ａ 可撓性円筒状胴部
４２ｂ ダイヤフラム
４２ｃ ボス
４２ｄ 外歯
４３ 波動発生器
４３ａ 剛性カム板
４３ｂ ウエーブベアリング
４４ 軸受部材

Claims (7)

1. 円筒状ハウジングと、
   前記円筒状ハウジングの両端面から外方に向けて同軸状に突出している固定支軸および回転出力軸と、
   前記固定支軸および前記回転出力軸の間に架け渡されていると共に前記円筒状ハウジングの円形外周面に対峙している対峙部を備え、前記円形外周面に沿って有限角度範囲を旋回可能な旋回腕と、
   前記旋回腕の旋回位置を検出するために、前記円形外周面上においてその円周方向に沿って形成されたスケールと、
   前記スケールを読み取るために前記旋回腕の前記対峙部に搭載されている位置検出器と、
   前記円筒状ハウジングの内部に同心状態に組み込まれているモータと、
   前記モータの出力回転を減速して前記回転出力軸に出力するために、前記円筒状ハウジングの内部において前記モータの内側に同心状態に組み込まれている減速機とを有しており、
   前記旋回腕の一方の端は前記固定支軸によって回転自在に支持され、他方の端は前記回転出力軸に連結されていることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
2. 請求項１において、
   前記スケールは、前記円周方向に沿って所定の間隔で光反射面が形成されているものであり、
   前記位置検出器は、前記スケールに検出光を出射する発光素子と、前記スケールの反射面で反射した検出光成分を受光する受光素子とを備えた反射型ホトセンサであることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
3. 請求項１において、
   前記円筒状ハウジングは、前記円形外周面が形成されている円筒状胴部と、この円筒状胴部の一方の端を封鎖している第１端板部と、前記円筒状胴部の他方の端を封鎖している第２端板部とを備えており、
   前記固定支軸は前記第１端板部に一体形成されており、
   前記回転出力軸は、前記第２端板部に形成した貫通穴を貫通して延びており、当該貫通穴の内周面に取り付けた軸受によって回転自在の状態で支持されていることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
4. 請求項３において、
   前記モータは、
   前記円筒状胴部の内周面に取り付けた円筒状のモータステータと、
   このモータステータの内側に一定のギャップを開けて同心状に配置されており、円筒部および当該円筒部における前記第１端板部の側の端を封鎖している円盤部を備えたカップ形状のモータロータと、
   前記モータロータにおける前記円盤部の中心部に同心状に固定され、当該円盤部を貫通して延びているモータ軸と、
   前記モータロータの磁極位置を検出するために、前記第２端板部の内側端面に取り付けられている磁気検出素子とを備えており、
   前記モータ軸における前記第１端板部の側の軸端部は、前記第１端板部の内側端面の中心部に取り付けた軸受によって回転自在の状態で支持されていることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
5. 請求項４において、
   前記減速機は、剛性内歯歯車、可撓性外歯歯車および波動発生器を備えた波動歯車減速機であり、
   前記剛性内歯歯車は前記第２端板部に一体形成されている円筒部分を備え、この円筒部分は前記モータロータの前記円筒部の内側に同心状態に配置され、その先端が前記モータロータの前記円盤部の近傍位置まで延び、当該先端内周面部分に内歯が形成されており、
   前記可撓性外歯歯車は、半径方向に撓み可能な可撓性円筒部分と、この可撓性円筒部分の一方の端を封鎖しているダイヤフラムと、このダイヤフラムの中心部分に形成されたボスと、前記可撓性円筒部分の開口端の外周面部分に形成した外歯とを備えたカップ形状のものであり、前記剛性内歯歯車の内側において、前記ボスが前記第２端板部の側を向く状態で同心状態に配置され、前記ボスが前記回転出力軸に同軸状態に連結され、前記外歯が前記内歯に対峙しており、
   前記波動発生器は、前記モータ軸における前記円盤部から内側に突出している軸部分に同心状態に形成されている楕円形輪郭の剛性カム板と、この剛性カム板の外周面に装着したウエーブベアリングとを備え、当該波動発生器によって前記可撓性外歯歯車の前記可撓性円筒部分における前記外歯が形成されている開口端部分は楕円状に撓められ、当該楕円状における長軸方向の両端において前記内歯と噛み合っており、
   前記モータ軸の内側の軸端部は、前記可撓性外歯歯車の前記ボスに同軸状態に取り付けられている軸受によって回転自在の状態で支持されていることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれかの項において、
   前記円筒状ハウジングの円形外周面にはハウジング側連結部が形成されており、
   前記旋回腕の前記対峙部の外周面には腕側連結部が形成されており、
   前記ハウジング側連結部と前記腕側連結部は、前記円筒状ハウジングの前記円形外周面の半径方向から相互に連結可能な構成となっていることを特徴とする検出機構付き旋回アクチュエータ。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載の検出機能付き旋回アクチュエータから構成したことを特徴とするロボットの関節ユニット。
   

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