JP4997121B2 - 電動回転継手 - Google Patents

Description

この発明は、２つのフレームを回動可能に連結する電動回転継手に関するものである。

例えば、多関節型ロボットなどの産業用ロボットにおいては、一方のフレームと他方のフレームとを回動自在に連結する連結部に電動回転継手を設けたものがある。
この種の電動回転継手は、各フレームを駆動させるための電動モータを有し、この電動モータの駆動力を減速機を介して一方のフレーム、または他方のフレームの何れかに伝達するように構成されている。

電動モータは、ケーシングと、このケーシングに固定されている固定子と、固定子に対して回転自在に設けられた回転子とを備えている。固定子には複数のティースが放射状に突設されており、各ステータにコイルが巻装されている。回転子はケーシングに回転自在に支持されている回転軸を有し、この回転軸に回転子本体が外嵌固定されている。回転子本体には、固定子のティースに対向する部位に永久磁石が設けられている。

また、電動モータは、ケーシングを一方のフレームに固定すると共に、回転軸を減速機を介して他方のフレームに連係してある。このように電動モータを取付けることで、電動モータを駆動させた際、各フレームを回動軸を中心にして回動させることができる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平６−３１５８７９号公報 特開２００２−３３５６６４号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、電動モータのケーシングをフレームに固定する必要があるため、ケーシングの設置スペースを確保する分、フレーム同士を連結する連結部が大型化してしまうという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、２つのフレームを互いに回動可能に連結し、両者を電動モータを用いて駆動させる連結部分を小型化することができると共に、連結部分を軽量化することができる電動回転継手を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、一方のフレームと他方のフレームとを電動モータ、および減速機を介して回動可能に連結した電動回転継手において、前記電動モータは、ケーシングと、前記ケーシングに固定された固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられ中空状の回転軸および回転子本体を有する回転子とを備え、前記ケーシングは、フロントブラケットおよびリヤブラケットからなり、これらフロントブラケットおよびリヤブラケットを互いに重ね合わせることによって前記固定子を固定し、前記減速機は、前記回転軸の外周面に取付けられたウェーブジェネレータと、このウェーブジェネレータの外周に配置され前記他方のフレームに取付けられたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周に配置され前記ケーシングに取付けられたサーキュラスプラインとで構成され、前記フレクスプラインと前記サーキュラスプラインとが噛合され、前記一方のフレームと前記フロントブラケットとを一体成形し、前記他方のフレームと前記フレクスプラインとを一体化し、前記回転子本体の外周面に永久磁石を設け、前記回転子本体の径方向中央に前記回転軸を内嵌固定するための軸孔を形成し、前記回転子本体の軸線方向両端面であって前記永久磁石と前記軸孔との間に、それぞれ環状の凹部を形成したことを特徴とする。
このように構成することで、一方のフレームを電動モータのケーシングと共有することができる。
また、回転軸を中空状に形成することで、電動モータの質量を低減することができると共に、回転軸の内部に配線などを配索させることが可能になる。
さらに、回転子本体に環状の凹部を形成することで、回転子の軽量化を図ることができると共に、凹部に回転子の回転角度を検出するセンサを配置することができる。
そして、減速機の径方向中心に空間を確保することができるので、この空間に配線などを配索することが可能になる。

請求項１に記載した発明によれば、一方のフレームを電動モータのケーシングと共有することができる。このため、一方のフレームと他方のフレームとの連結部分を小型することができると共に、軽量化することが可能になる。
また、回転軸を中空状に形成することで、電動モータの質量を低減することができると共に、回転軸の内部に配線などを配索させることが可能になる。このため、さらに一方のフレームと他方のフレームとの連結部分を小型することができる。
さらに、回転子本体に環状の凹部を形成することで、回転子の軽量化を図ることができると共に、凹部に回転子の回転角度を検出するセンサを配置することができる。このため、電動モータを軽量化できるだけでなく、センサの設置スペースを回転子の内側に設定することができるので、電動モータの扁平化を図ることができる。
そして、減速機の径方向中心に空間を確保することができるので、この空間に配線などを配索することが可能になる。このため、さらに一方のフレームと他方のフレームとの連結部分を小型することができる。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、電動回転継手１は、例えば、多関節型ロボットなどの産業用ロボットの関節部分に用いられるものであって、第一フレーム２と第二フレーム３とを回動可能に連結している。第一フレーム２、および第二フレーム３は、両端が閉塞された筒状を有しており、断面略四角形状に形成されている。また、第一フレーム２、および第二フレーム３は、互いに同一直線上に並設された状態になっており、この直線に交差する軸線Ｊを中心に回動するようになっている。

電動回転継手１は、電動モータ４と、この電動モータ４の回転軸５に取付けられた減速機６とで構成されている。この回転軸５の軸心が軸線Ｊに一致している。
電動モータ４は、ケーシング９と、ケーシング９に固定された固定子１０と、固定子１０の径方向内側に回転自在に設けられている回転子１１とを備えた所謂インナーロータ型のブラシレスモータである。
ケーシング９は、互いに有底筒状に形成されているフロントブラケット７、およびリヤブラケット８で構成され、これらフロントブラケット７、およびリヤブラケット８を互いに重ね合わせることによって固定子１０を固定している。

フロントブラケット７は、第一フレーム２と一体成形されており、第一フレーム２の一部がフロントブラケット７を兼ねた状態になっている。フロントブラケット７の固定子１０に対応する部位には、段差によって拡径された拡径部１２が形成されており、ここに固定子１０の外周部が圧入固定されている。
フロントブラケット７の径方向中央には、軸受けハウジング１３が形成されており、ここに回転軸５の一端側を回転自在に支持する軸受け１４が設けられている。
このように、第一フレーム２とフロントブラケット７を一体成形することにより、第一フレーム２の一部をフロントブラケット７とする構成により、第一フレーム２に固定子１０および回転軸５を保持する機能を備えることができる。

一方、リヤブラケット８は樹脂で形成されている。リヤブラケット８の径方向中央には、軸受けハウジング１６が形成されており、ここに回転軸５の他端側を回転自在に支持する軸受け１７が設けられている。
リヤブラケット８の内側には、軸受けハウジング１６よりも径方向外側にホール素子（磁気検出素子）１８が設けられている。このホール素子１８は、回転子１１の回転角度を検出する磁気式エンコーダ２０の一方を構成するものである。

また、リヤブラケット８には、固定子１０に対応する部位に段差によって拡径された拡径部１５が形成されている。この拡径部１５にも固定子の外周部が圧入固定されている。すなわち、固定子１０は、それぞれフロントブラケット７、およびリヤブラケット８に内嵌固定された状態になっている。
なお、各ブラケット７，８を互いに重ね合わせたときの拡径部１２，１５の軸線方向の長さは、固定子１０の厚さと略一致するように設定されている。これによって、各ブラケット７，８を互いに重ね合わせて固定子１０を内嵌固定した際、両者７，８の合わせ面から内部への塵埃の侵入を防止できる。

固定子１０は、磁性を有する金属板を軸方向に積層したり、軟磁性粉体を加圧したりすることで形成されたものであって、略円筒状の固定子鉄心２１を有している。固定子鉄心２１の外周部は、フロントブラケット７、およびリヤブラケット８に圧入されている。
固定子鉄心２１の内周側には、径方向内側に向かって突出する複数のティース部２２が周方向に等間隔で設けられている。ティース部２２は、軸方向平面視略Ｔ字状に形成されている。また、各ティース部１７には、不図示のインシュレータが装着され、このインシュレータを介してコイル２３が巻装されている。コイル２３は、不図示の配電板などを介して外部電源に電気的に接続されている。

回転子１１は、回転軸５と、この回転軸５に外嵌固定されたロータコア２４とを有している。回転軸５は中空状に形成され、この中空部５ａに配線（不図示）などが配索可能になっている。
ロータコア２４は、鉄などの磁性材料によって略円盤状に形成されたものであって、径方向略中央に回転軸５を圧入するための軸孔２５が形成されている。一方、ロータコア２４の外周面には、円筒状のリングマグネット２６が設けられている。このリングマグネット２６は、周方向に沿って複数の磁極が着磁されている。

また、ロータコア２４の軸線方向両端面には、軸孔２５とリングマグネット２６との間にそれぞれ円環状の凹部２７ａ，２７ｂが形成されている。これら凹部２７ａ，２７ｂのうち、リヤブラケット８側の凹部２７ａには、ホール素子１８に対応する部位にリング状のセンサマグネット１９が収納されている。このセンサマグネット１９は、磁気式エンコーダ２０の他方を構成するものである。

回転軸５の一端（図２における左側端）は、フロントブラケット７から突出した状態になっており、この突出した回転軸５の一端に減速機６が取付けられている。
減速機６は、スラスト方向、およびラジアル方向の両方向の荷重を受けることのできるクロスローラベアリング２８とハーモニックドライブ（登録商標）とを一体化したものである。すなわち、減速機６は、回転軸５に外嵌固定されているウェーブジェネレータ２９と、このウェーブジェネレータ２９の外周に配置されたフレクスプライン３０とを有し、フレクスプライン３０の外周にクロスローラベアリング２８を配置してある。そして、クロスローラベアリング２８の内輪（インナーレース）２８ａがハーモニックドライブ（登録商標）のサーキュラスプライン３１も兼ねている。

ウェーブジェネレータ２９は、平面視楕円状のカム３２と、この外周に設けられたボールベアリング３３とで構成されている。カム３２の径方向中央には、回転軸５とカム３２とを連結するための軸孔４７が形成されており、これによって回転軸５とカム３２とが一体となって回転する。

ウェーブジェネレータ２９のボールベアリング３３の外周面に設けられたフレクスプライン３０は弾性を有する歯車であって、筒状の歯車本体３４と、この歯車本体３４の外側端に一体成形された外フランジ部３５とで構成されている。
歯車本体３４はウェーブジェネレータ２９によって楕円状に変形しており、この内周面は、ウェーブジェネレータ２９と摺動可能に形成されている。また、歯車本体３４の外周面には、歯部３６が形成されている。

フレクスプライン３０の外フランジ部３５には、外周部に肉厚部３７が全周に渡って形成されている。この肉厚部３７の径方向の幅は、クロスローラベアリング２８の外輪（アウターレース）２８ｂの径方向の幅と略一致するように設定されている。また、肉厚部３７には複数のボルト孔３８が形成されている。このボルト孔３８にボルト３９が螺入されることによって、外フランジ部３５と第二フレーム３とがクロスローラベアリング２８の外輪（アウターレース）２８ｂに共締めされた状態になっている。

すなわち、クロスローラベアリング２８の外輪２８ｂには、フレクスプライン３０のボルト孔３８に対応する部位に雌ネジ部４０が刻設されており、ここにボルト３９が螺入されるようになっている。
また、第二フレーム３の電動回転継手１側端であって、フレクスプライン３０に対応する部位には、板状の取付けステー４１が一体的に設けられている。このステー４１のボルト孔３８に対応する部位に、ボルト３９を螺入するボルト孔４２が形成されている。これによって、第二フレーム３、フレクスプライン３０、およびクロスローラベアリング２８の外輪２８ｂが一体となる。

クロスローラベアリング２８の内輪２８ａには、内周面側にフレクスプライン３０の歯部３６と噛合う歯部４３が形成されている。フレクスプライン３０の歯車本体３４はウェーブジェネレータ２９によって楕円状に変形しているので、フレクスプライン３０の楕円の長軸部分では歯車本体３４の歯部３６と内輪２８ａの歯部４３、つまり、サーキュラスプライン３１とが噛合った状態になっている。一方、フレクスプライン３０の楕円の短軸部分では、互いの歯部３６，４３が完全に離反した状態になる。

また、クロスローラベアリング２８の内輪２８ａ（サーキュラスプライン３１）の歯部４３の歯数は、フレクスプライン３０に形成されている歯部３６の歯数よりも多く設定されている。
さらに、クロスローラベアリング２８の内輪２８ａに複数のボルト孔４４が形成されていると共に、第一フレーム２のボルト孔４４に対応する部位に雌ネジ部４６が刻設されている。これによって、第一フレーム２にクロスローラベアリング２８の内輪２８ａがボルト４５によって締結固定されている。

次に、電動回転継手１の動作について説明する。
まず、回転軸５が例えば時計回り（図３における矢印Ｂ方向）に回転すると、この回転軸５と一体となって減速機６のウェーブジェネレータ２９が回転する。
すると、フレクスプライン３０の歯車本体３４がウェーブジェネレータ２９の回転に追随するように弾性変形し、フレクスプライン３０の歯部３６とサーキュラスプライン３１（内輪２８ａ）の歯部４３との噛合い位置が順次移動する。

このとき、サーキュラスプライン３１（クロスローラベアリング２８の内輪２８ａ）は、ボルト４５によって第一フレーム２に締結固定されていると共に、フレクスプライン３０の歯部３６の歯数がサーキュラスプライン３１の歯部４３の歯数よりも少なく設定されているので、フレクスプライン３０が反時計回り（図３における矢印Ｃ方向）に歯数が少ない分だけ回転する。

すると、フレクスプライン３０の外フランジ部３５にボルト３９によって共締めされている第二フレーム３、およびクロスローラベアリング２８の外輪２８ｂがフレクスプライン３０と一体になって反時計回りに回転する。これによって、第二フレーム３が第一フレーム２に対して軸線Ｊ（図２参照）を中心に回動する。

したがって、上述の実施形態によれば、電動モータ４のフロントブラケット７を第一フレーム２と一体成形し、第一フレーム２の一部がフロントブラケット７を兼ねた状態、つつまり、フロントブラケット７と第一フレーム２の一部とを共有した状態にすることができる。このため、電動回転継手１の占有スペースを小さくすることができ、結果的に第一フレーム２と第二フレーム３との連結部分（関節部分）を小型化できると共に、軽量化することができる。

また、電動モータ４の回転軸５が中空状に形成されているので、電動モータ４の質量を低減することができると共に、回転軸５の内部に配線などを配索させることが可能になる。このため、さらに第一フレーム２と第二フレーム３との連結部分を小型化できる。
さらに、回転子１１は、回転軸５に外嵌固定されたロータコア２４の軸線方向両端面に円環状の凹部２７ａ，２７ｂを形成している。このため、ロータコア２４を薄肉形状として回転子１１の軽量化を図ることができる。また、リヤブラケット８側の凹部２７ａに磁気式エンコーダ２０を構成するセンサマグネット１９を収納できるので、磁気式エンコーダ２０を電動モータ４の内部に配置することが可能になり、電動モータ４の扁平化を図ることができる。よって、より第一フレーム２と第二フレーム３との連結部分を小型化できる。

そして、電動モータ４の駆動力を減速機６を介して第二フレーム３に伝達するにあたって、減速機６をクロスローラベアリング２８とハーモニックドライブ（登録商標）とで構成している。このため、減速機６を構成する各部品、つまり、クロスローラベアリング２８、ウェーブジェネレータ２９、フレクスプライン３０、およびサーキュラスプライン３１を回転軸５の外周側に配置することが可能になる。よって、減速機６を用いても電動回転継手１に軸線方向に貫通する空間を形成することができ、配線（不図示）などの配索経路を妨げるおそれがないので、さらに第一フレーム２と第二フレーム３との連結部分を小型化できる。

また、クロスローラベアリング２８の内輪２８ａに歯部４３を形成することで、クロスローラベアリング２８の内輪２８ａにサーキュラスプライン３１の役割を兼ねさせている。このため、減速機６を小型化することが可能になると共に、軽量化を図ることができる。
さらに、リヤブラケット８を樹脂で形成することで、電動モータ４の軽量化を図ることが可能になる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、回転子１１のロータコア２４に、円環状の凹部２７ａ，２７ｂを形成し、ここに回転子１１の回転角度を検出するための磁気式エンコーダ２０を構成するセンサマグネット１９を収納した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子１１の回転角度を検出するセンサとして、磁気式エンコーダ２０に代わって光学式エンコーダやレゾルバでもよく、またセンサレスによる駆動でもよい。

本発明の実施形態における電動回転継手の斜視図である。 本発明の実施形態における電動回転継手の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ 電動回転継手
２ 第一フレーム（一方のフレーム）
３ 第二フレーム（他方のフレーム）
４ 電動モータ
５ 回転軸
５ａ 中空部
６ 減速機
７ フロントブラケット（ケーシング）
８ リヤブラケット（ケーシング）
９ ケーシング
１０ 固定子
１１ 回転子
１８ ホール素子
１９ センサマグネット
２０ 磁気式エンコーダ
２４ ロータコア（回転子本体）
２５ 軸孔
２６ リングマグネット（永久磁石）
２７ａ，２７ｂ 凹部
２８ クロスローラベアリング
２９ ウェーブジェネレータ
３０ フレクスプライン
３１ サーキュラスプライン
３２ カム
３３ ボールベアリング
３４ 歯車本体
３５ 外フランジ部
３６，４３ 歯部

Claims (1)

1. 一方のフレームと他方のフレームとを電動モータ、および減速機を介して回動可能に連結した電動回転継手において、
   前記電動モータは、ケーシングと、前記ケーシングに固定された固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられ中空状の回転軸および回転子本体を有する回転子とを備え、
   前記ケーシングは、
   フロントブラケットおよびリヤブラケットからなり、これらフロントブラケットおよびリヤブラケットを互いに重ね合わせることによって前記固定子を固定し、
   前記減速機は、
   前記回転軸の外周面に取付けられたウェーブジェネレータと、このウェーブジェネレータの外周に配置され前記他方のフレームに取付けられたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周に配置され前記ケーシングに取付けられたサーキュラスプラインとで構成され、
   前記フレクスプラインと前記サーキュラスプラインとが噛合され、
   前記一方のフレームと前記フロントブラケットとを一体成形し、
   前記他方のフレームと前記フレクスプラインとを一体化し、
   前記回転子本体の外周面に永久磁石を設け、
   前記回転子本体の径方向中央に前記回転軸を内嵌固定するための軸孔を形成し、
   前記回転子本体の軸線方向両端面であって前記永久磁石と前記軸孔との間に、それぞれ環状の凹部を形成したことを特徴とする電動回転継手。

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