(57)【要約】【課題】ブレーキとして逆入力遮断クラッチを組み込んだアクチュエータにおいて、回転方向の反転時にも被駆動部材を正確に位置決めできるようにする。【解決手段】回転方向を反転させた場合、逆入力遮断クラッチでは、モータ軸（入力側部材）８の係合部８ａと中間軸（出力側部材）９の係合穴９ａ内面との間の回転方向隙間がバックラッシとなって、回転開始時に、モータ軸８のみが回転する状態となり、その後にモータ軸８が中間軸９に係合して中間軸９が回転し始めても、中間軸９およびこれに連結された出力軸のモータ軸８に対する回転遅れが残るため、モータを制御する制御装置が、出力軸の回転方向位置から目標位置までの回転角度と、予め設定された反転時の出力軸の回転遅れ角度との合計に基づいて、必要なモータ軸８の回転回数を求めて制御を行うことにより、出力軸の回転遅れを吸収して、被駆動部材を正確に位置決めできるようにした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、前記モータのモータ軸から回転を伝達される出力軸と、前記出力軸の回転方向位置を目標位置に一致させるのに必要なモータ軸の回転回数を求め、その回転回数分だけモータ軸が回転するようにモータを制御する制御装置とを備え、
前記モータが停止したときに前記出力軸の回転方向位置を保持するブレーキとして、前記モータ軸と出力軸との間に、前記モータ軸の回転を出力軸に伝達し、前記出力軸に加えられる逆入力トルクに対しては出力軸を停止させる逆入力遮断クラッチが組み込まれているアクチュエータにおいて、
前記制御装置は、前記モータ軸および出力軸の回転方向を反転させるときに、前記出力軸の回転方向位置から目標位置までの回転角度と、予め設定された反転時の出力軸の回転遅れ角度との合計に基づいて、前記モータ軸の回転回数を調整するものであることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記出力軸は、その出力軸に連結される被駆動部材の自重によって逆入力トルクを加えられるものであり、
前記制御装置は、前記モータの駆動中に、前記被駆動部材の自重によって出力軸に加えられる逆入力トルクの方向が、前記モータによってモータ軸に加えられる入力トルクと逆の向きから同じ向きに変わる際に、前記モータ軸の回転回数を予め設定された出力軸の回転進み角度に対応する分だけ少なくし、前記逆入力トルクの方向が入力トルクと同じ向きから逆の向きに変わる際に、前記モータ軸の回転回数を予め設定された出力軸の回転遅れ角度に対応する分だけ多くすることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記逆入力遮断クラッチは、前記モータ軸から入力トルクを受ける入力側部材と前記出力軸から逆入力トルクを受ける出力側部材が同一軸線のまわりに回転する状態で配されており、前記入力側部材と出力側部材との間に、入力側部材の回転を出力側部材に伝達するトルク伝達手段が設けられており、前記出力側部材の径方向外側に固定の外輪が配され、前記出力側部材の外周面に複数のカム面が設けられて、前記外輪の内周円筒面と出力側部材の各カム面との間に周方向両側で次第に狭小となる楔形空間が形成されており、これらの各楔形空間に一対のころとその一対のころに挟まれて各ころを楔形空間の狭小部へ押し込む弾性部材が組み込まれており、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有するロック解除片が、前記入力側部材に相対回転不能に連結されているものであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータが停止したときに被駆動部材の位置を保持するブレーキを備えたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの関節部等に用いられ、モータ駆動によって被駆動部材を作動させるアクチュエータでは、停電等によってモータが停止してしまったときに、被駆動部材が重力等の外力を受けて位置（姿勢）を変えることによって種々のトラブルが生じるおそれがある。このため、通常は、モータ停止時に被駆動部材の位置を保持するブレーキ（以下、これと同じ機能を有するものを単に「ブレーキ」ともいう。）を備えている。
【０００３】
上記のようなアクチュエータのブレーキとしては、非通電状態になったときに作動する無励磁作動型の電磁ブレーキを用いることが多い。しかし、無励磁作動型電磁ブレーキを組み込んだアクチュエータでは、モータ回転中はブレーキがかからないように常時電磁ブレーキに電力を供給する必要があり、電力消費量が大きくなるという問題がある。
【０００４】
これに対し、入力側部材に入力トルクが加えられたときは、その回転を出力側部材に伝達し、出力側部材に逆入力トルクが加えられたときは、出力側部材を停止させる逆入力遮断クラッチ（逆入力遮断機構）をブレーキとして用いたアクチュエータ（例えば、特許文献１参照。）では、モータ回転中にブレーキがかからないようにするための電力を必要としないので、無励磁作動型電磁ブレーキを組み込んだものに比べて電力消費量の低減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２０６４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のようにアクチュエータのブレーキとして用いられている逆入力遮断クラッチは、同一軸心のまわりに回転する入力側部材と出力側部材との間に、入力側部材の回転を出力側部材に伝達するトルク伝達手段を設け、出力側部材の径方向外側に固定の外輪を配し、出力側部材の外周面に複数のカム面を設けて、外輪の内周円筒面と出力側部材の各カム面との間に周方向両側で次第に狭小となる楔形空間を形成し、これらの各楔形空間に一対のころとその一対のころを楔形空間の狭小部へ押し込むばねを組み込むとともに、各楔形空間の周方向両側（ころを挟んでばねに周方向で対向する位置）に、入力側部材と一体回転するロック解除片の柱部を挿入した構成のものが多い。
【０００７】
この構成によれば、出力側部材に逆入力トルクが加えられても、回転方向後側のころが外輪および出力側部材に係合することにより出力側部材がロックされる。一方、入力側部材に入力トルクが加えられたときは、入力側部材と一体回転するロック解除片の柱部が回転方向後側のころをばねの弾力に抗して楔形空間の広大部へ押し出すことにより、そのころと外輪および出力側部材との係合が解除されて、出力側部材がロック状態から解放された後、トルク伝達手段によって入力側部材から出力側部材に回転が伝達される。
【０００８】
しかしながら、上記のように入力トルクに対して出力側部材のロック解除後に出力側部材への回転伝達を行うためには、入力側部材と出力側部材との間に僅かな回転方向隙間を設ける必要があり、この回転方向隙間がバックラッシとなって、回転方向を反転させた場合に出力側部材の入力側部材に対する回転遅れが生じることが避けられない。
【０００９】
このため、上記構成の逆入力遮断クラッチを組み込んだアクチュエータでは、回転方向を反転させた場合に、モータの制御を行う制御装置が、被駆動部材が目標位置に達する前にモータを停止させてしまい、被駆動部材の位置決め誤差が生じるという難点がある。
【００１０】
そこで、本発明は、ブレーキとして逆入力遮断クラッチを組み込んだアクチュエータにおいて、回転方向の反転時にも被駆動部材を正確に位置決めできるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、モータと、前記モータのモータ軸から回転を伝達される出力軸と、前記出力軸の回転方向位置を目標位置に一致させるのに必要なモータ軸の回転回数を求め、その回転回数分だけモータ軸が回転するようにモータを制御する制御装置とを備え、前記モータが停止したときに前記出力軸の回転方向位置を保持するブレーキとして、前記モータ軸と出力軸との間に、前記モータ軸の回転を出力軸に伝達し、前記出力軸に加えられる逆入力トルクに対しては出力軸を停止させる逆入力遮断クラッチが組み込まれているアクチュエータにおいて、前記制御装置は、前記モータ軸および出力軸の回転方向を反転させるときに、前記出力軸の回転方向位置から目標位置までの回転角度と、予め設定された反転時の出力軸の回転遅れ角度との合計に基づいて、前記モータ軸の回転回数を調整するものである構成を採用した。
【００１２】
上記の構成によれば、モータ軸および出力軸の回転方向を反転させるときには、モータ軸を、出力軸の回転方向位置から目標位置までの回転角度に対応する分に加えて、予め設定された反転時の出力軸の回転遅れ角度に対応する分も回転させるので、ブレーキとして組み込まれている逆入力遮断クラッチのバックラッシ等に起因する被駆動部材の位置決め誤差を少なくすることができる。
【００１３】
また、上記の構成において、前記出力軸が、その出力軸に連結される被駆動部材の自重によって逆入力トルクを加えられるものである場合には、前記制御装置は、前記モータの駆動中に、前記被駆動部材の自重によって出力軸に加えられる逆入力トルクの方向が、前記モータによってモータ軸に加えられる入力トルクと逆の向きから同じ向きに変わる際に、前記モータ軸の回転回数を予め設定された出力軸の回転進み角度に対応する分だけ少なくし、前記逆入力トルクの方向が入力トルクと同じ向きから逆の向きに変わる際に、前記モータ軸の回転回数を予め設定された出力軸の回転遅れ角度に対応する分だけ多くする構成とするとよい。このようにすれば、モータの駆動中に被駆動部材の自重によって逆入力トルクを加えられる場合にも、被駆動部材の位置決めが正確にできるようになる。
【００１４】
前記逆入力遮断クラッチとしては、前記モータ軸から入力トルクを受ける入力側部材と前記出力軸から逆入力トルクを受ける出力側部材が同一軸線のまわりに回転する状態で配されており、前記入力側部材と出力側部材との間に、入力側部材の回転を出力側部材に伝達するトルク伝達手段が設けられており、前記出力側部材の径方向外側に固定の外輪が配され、前記出力側部材の外周面に複数のカム面が設けられて、前記外輪の内周円筒面と出力側部材の各カム面との間に周方向両側で次第に狭小となる楔形空間が形成されており、これらの各楔形空間に一対のころとその一対のころに挟まれて各ころを楔形空間の狭小部へ押し込む弾性部材が組み込まれており、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有するロック解除片が、前記入力側部材に相対回転不能に連結されているものを採用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のアクチュエータは、上述したように、出力軸の回転方向位置を目標位置に一致させるようにモータを制御する制御装置が、ブレーキとして組み込まれている逆入力遮断クラッチのバックラッシ等による出力軸の回転遅れを考慮して、必要なモータ軸の回転回数を調整するものであるから、モータ軸および出力軸の回転方向を反転させるときにも、出力軸に連結される被駆動部材の位置決めを正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態のアクチュエータの縦断正面図
【図２】図１のII−II線に沿った要部拡大断面図
【図３】図１のIII−III線に沿った要部拡大断面図
【図４】ａ、ｂは、それぞれ図３に対応してモータの駆動を開始したときの動作を説明する断面図
【図５】ａ、ｂは、それぞれ図３に対応して回転方向を反転させたときの動作を説明する断面図
【図６】図３に対応してモータ駆動中に逆入力トルクの方向が入力トルクと逆の向きから同じ向きに変わるときの動作を説明する断面図
【図７】図３に対応してモータ駆動中に逆入力トルクの方向が入力トルクと同じ向きから逆の向きに変わるときの動作を説明する断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。このアクチュエータは、図１に示すように、モータ１の出力側にブレーキとしての逆入力遮断クラッチ２と、減速機構としての波動歯車装置３と、クロスローラ軸受４とを組み込み、モータ１の外側に取り付けたエンコーダ（回転検出器）５と図示省略したコントローラからなる制御装置でモータ１の制御を行うもので、クロスローラ軸受４の内周に嵌合固定された出力軸６にモータ１の駆動によって作動する被駆動部材（図示省略）が連結されるようになっている。
【００１８】
前記モータ１は、そのモータハウジング７が図示省略した外部部材に固定されて、後述するように前記逆入力遮断クラッチ２、波動歯車装置３およびクロスローラ軸受４を一体に支持するようになっている。そして、モータハウジング７から一部を突出させたモータ軸８が逆入力遮断クラッチ２の入力側部材となっている。
【００１９】
前記逆入力遮断クラッチ２は、図１および図２に示すように、入力側部材となるモータ軸８と、出力側部材となる中間軸９と、中間軸９の径方向外側に配される固定の外輪１０と、中間軸９と外輪１０との間に挿入される複数の柱部１１ａを有するロック解除片１１と、中間軸９と外輪１０との間に組み込まれるころ１２およびコイルばね（弾性部材）１３と、外輪１０が一体形成されたブレーキハウジング１４とで構成されている。なお、入力側部材としては、モータ軸８と別体でモータ軸８から入力トルクを受ける軸状部材を組み込むようにしてもよい。また、コイルばねは、板ばね等の他の弾性部材に代えることもできる。
【００２０】
前記モータ軸８は、外周に二面幅が形成された係合部８ａが中間軸９に設けられた係合穴９ａに挿入されるとともに、係合部８ａの端面から突出する小径円筒部が中間軸９の係合穴９ａの底に設けられた円形穴に摺動自在に嵌め込まれて、中間軸９と同一軸線のまわりに回転するようになっている。一方、中間軸９は、その一端部（出力側の端部）が断面半円状に形成され、この断面半円状の一端部で後述するように波動歯車装置３の入力側に連結されている。
【００２１】
ここで、図３に示すように、中間軸９の係合穴９ａはモータ軸８の係合部８ａを挿入したときに僅かな回転方向の隙間が生じるように形成され、これによりモータ軸８の回転を僅かな角度遅れをもって中間軸９に伝達するトルク伝達手段が構成されている。その中間軸９の外周にはカム面９ｂが周方向に複数設けられ、外輪１０の内周円筒面と中間軸９の各カム面９ｂとの間に周方向両側で次第に狭小となる楔形空間１５が形成されている。これらの各楔形空間１５には前記ころ１２が一対ずつ組み込まれ、前記コイルばね１３がその一対のころ１２に挟まれるように組み込まれて各ころ１２を楔形空間１５の狭小部へ押し込んでいる。
【００２２】
そして、図２および図３に示すように、前記各楔形空間１５の周方向両側（ころ１２を挟んでコイルばね１３と周方向で対向する位置）に、前記ロック解除片１１の柱部１１ａが挿入されており、そのロック解除片１１は、モータ軸８の係合部８ａの外周に隙間なく嵌め込まれて、モータ軸８と一体回転するようになっている。
【００２３】
この逆入力遮断クラッチ２は、各ころ１２がコイルばね１３の弾力で楔形空間１５の狭小部に押し込まれているので、中間軸９に逆入力トルクが加えられても、回転方向後側のころ１２が外輪１０および中間軸９に係合することにより中間軸９がロックされて回転しない。
【００２４】
一方、モータ軸８に入力トルクが加えられたときは、まず、図４（ａ）に示すように、モータ軸８の回転に伴って、モータ軸８と一体のロック解除片１１の柱部１１ａが回転方向後側のころ１２をコイルばね１３の弾力に抗して楔形空間１５の広大部へ押し出すことにより、そのころ１２と外輪１０および中間軸９との係合が解除されて、中間軸９がロック状態から解放される。そして、図４（ｂ）に示すように、モータ軸８がさらに回転して、モータ軸８の係合部８ａが中間軸９の係合穴９ａと係合すると、モータ軸８の回転が中間軸９に伝達されるようになる（このとき、回転方向前側のころ１２は楔形空間１５の広大部に相対移動するので、外輪１０および中間軸９と係合することはない）。
【００２５】
前記波動歯車装置３は、その入力側で逆入力遮断クラッチ２の中間軸９に連結される回転伝達軸１６と、回転伝達軸１６のフランジ部１６ａにボルト結合されるウェイブジェネレータ１７と、ウェイブジェネレータ１７の径方向外側に配されるサーキュラースプライン１８と、ウェイブジェネレータ１７とサーキュラースプライン１８との間に大径部が挟まれるフレックススプライン１９とを備えている。
【００２６】
前記回転伝達軸１６は、入力側端にフランジ部１６ａが形成されており、その入力側端面に設けられている断面半円状の連結穴に逆入力遮断クラッチ２の中間軸９の一端部が嵌め込まれることにより、中間軸９と相対回転不能に連結されている。
【００２７】
前記ウェイブジェネレータ１７は、径方向断面が楕円形に形成されたカム１７ａの外周に玉軸受１７ｂの内輪を嵌合固定したものである。サーキュラースプライン１８は、その内周に歯が設けられた円環状の部品であり、後述するように外周部をブレーキハウジング１４と一体化されている。また、フレックススプライン１９は、金属弾性体で形成された薄肉カップ状の部品であり、その大径部外周にサーキュラースプライン１８内周の歯と噛み合う歯が設けられ、小径部でクロスローラ軸受４の内輪２０とボルト結合されている。
【００２８】
そして、逆入力遮断クラッチ２の中間軸９から回転伝達軸１６に回転が伝達され、回転伝達軸１６と一体にウェイブジェネレータ１７が回転すると、ウェイブジェネレータ１７の玉軸受１７ｂの外輪に大径部内周を押圧されたフレックススプライン１９が、弾性変形してサーキュラースプライン１８との噛合位置を変えていくことにより、サーキュラースプライン１８との歯数の差分だけクロスローラ軸受４の内輪２０と一体に回転し、大きな減速比が得られるようになっている。
【００２９】
前記クロスローラ軸受４は、波動歯車装置３のフレックススプライン１９小径部とボルト結合される内輪２０と、サーキュラースプライン１８とボルト結合される外輪２１との間に、複数のローラ２２を周方向で隣り合うものどうしが互いに直交するように配したものであり、その内輪２０とフレックススプライン１９小径部の内周に出力軸６が嵌合固定されている。
【００３０】
そして、クロスローラ軸受４の外輪２１とモータハウジング７が、ブレーキハウジング１４と波動歯車装置３のサーキュラースプライン１８を貫通するボルト２３で結合されることにより、逆入力遮断クラッチ２と波動歯車装置３とクロスローラ軸受４がモータハウジング７で一体に支持されている。
【００３１】
また、前記制御装置は、そのコントローラで出力軸６の回転方向位置を目標位置に一致させるのに必要なモータ軸８の回転回数を求め、その回転回数分だけモータ軸８が回転するように、エンコーダ５を用いてモータ１を制御するもので、後述するように逆入力遮断クラッチ２のバックラッシ等も考慮した制御を行うようになっている。
【００３２】
このアクチュエータは上記の構成であり、次に、このアクチュエータの動作と制御装置の機能について説明する。
【００３３】
まず、図３に示した初期状態からモータ１を駆動してモータ軸８を回転させたときは、図４で説明したようにモータ軸８の回転が逆入力遮断クラッチ２の中間軸９に伝達され、中間軸９の回転が波動歯車装置３で減速された後、クロスローラ軸受４を介して出力軸６に伝達され、出力軸６に連結された被駆動部材が駆動される。
【００３４】
そして、図４（ｂ）に示した状態でモータ１を停止させた後、再度モータ１を駆動するときに、モータ軸８を停止前と同じ方向に回転させた場合は、図４（ｂ）の状態が継続されて中間軸９および出力軸６がモータ軸８に遅れることなく回転する。しかし、モータ軸８を停止前と逆の方向に回転させた場合は、モータ軸８の係合部８ａと中間軸９の係合穴９ａ内面との間の回転方向隙間がバックラッシとなって、回転開始時に、図５（ａ）に示すように、モータ軸８のみが回転して中間軸９および出力軸６は回転しない状態となり、その後、図５（ｂ）に示すようにモータ軸８の係合部８ａが中間軸９の係合穴９ａに係合して中間軸９および出力軸６が回転し始めても、出力軸６のモータ軸８に対する回転遅れが残ることになる。
【００３５】
そこで、制御装置は、モータ軸８および出力軸６の回転方向を反転させるときには、出力軸６の回転方向位置から目標位置までの回転角度と、逆入力遮断クラッチ２のバックラッシ等を考慮して予め設定した反転時の出力軸６の回転遅れ角度との合計に波動歯車装置３の減速比を乗じてモータ軸８の回転角度を求め、これをモータ軸８の回転回数に換算するようにしている。これにより、出力軸６の回転遅れが吸収され、出力軸６を精度よく目標位置に一致させることができる。
【００３６】
また、モータ１駆動中にも被駆動部材の自重によって出力軸６に逆入力トルクが加えられる場合は、制御装置が以下のような制御も行う。
【００３７】
すなわち、出力軸６に加えられる逆入力トルクの方向が、モータ１によってモータ軸８に加えられる入力トルクと逆の向きから同じ向きに変わる際には、逆入力遮断クラッチ２の中間軸９が、出力軸６からクロスローラ軸受４および波動歯車装置３を介して伝達される逆入力トルクによって、図４（ｂ）に示した状態から図６に示すようにモータ軸８よりも速く回転してしまう先進み現象が生じ（図６では説明上、中間軸９のモータ軸８に対する相対回転のみを矢印で記載）、出力軸６もモータ軸８の回転回数に対応する角度よりも多く回転してしまう。このため、制御装置は、モータ軸８の回転回数を予め設定された出力軸６の回転進み角度に対応する分だけ少なくすることにより、出力軸６の目標位置からのずれが小さくなるようにしている。
【００３８】
一方、逆入力トルクの方向が入力トルクと同じ向きから逆の向きに変わる際は、逆入力遮断クラッチ２の中間軸９が、逆入力トルクによって、図６に示した状態（実際にはモータ軸８も回転）から図７に示すようにモータ軸８よりも遅くなる遅れ現象が生じ（図７では説明上、モータ軸８の中間軸９に対する相対回転のみを矢印で記載）、出力軸６もモータ軸８の回転回数に対応する角度よりも回転が少なくなってしまう。このため、制御装置は、モータ軸８の回転回数を予め設定された出力軸６の回転遅れ角度に対応する分だけ多くすることにより、出力軸６を目標位置に近づけるようにしている。
【００３９】
また、このアクチュエータでモータ１が停止しているときは、逆入力トルクが加えられても、逆入力遮断クラッチ２の中間軸９が外輪１０とロックして回転しないので、中間軸９から被駆動部材までの各部材の回転方向位置が保持される。すなわち、停電等によってモータ１が停止してしまったときに、逆入力遮断クラッチ２がブレーキとしての役割を果たすようになっている。
【００４０】
このアクチュエータは、上述したように、制御装置が逆入力遮断クラッチ２のバックラッシ等による出力軸６の回転遅れや回転進みを考慮して、モータ軸８の回転回数を調整することにより、出力軸６の目標位置からのずれが小さくなるようにしたので、回転方向を反転させるときや、モータ１駆動中に被駆動部材の自重によって加えられる逆入力トルクの方向が変わるときにも、被駆動部材の位置決めを正確に行うことができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  モータ
２  逆入力遮断クラッチ（ブレーキ）
３  波動歯車装置
４  クロスローラ軸受
５  エンコーダ（回転検出器）
６  出力軸
７  モータハウジング
８  モータ軸（逆入力遮断クラッチの入力側部材）
９  中間軸（逆入力遮断クラッチの出力側部材）
９ｂ  カム面
１０  外輪
１１  ロック解除片
１１ａ  柱部
１２  ころ
１３  コイルばね（弾性部材）
１４  ブレーキハウジング
１５  楔形空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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