(57)【要約】【課題】モーターの耐久寿命が向上するロボットアームを提供できる。【解決手段】ロボットアームは、複数のアーム部と、アーム部を連結して回動させる関節駆動機構を含む関節部と、を有し、関節駆動機構は、冷却手段５２を伴ったモーター８０Ｍを有し、冷却手段５２は、関節部に固定されるモーター８０Ｍの固定面５４に配置される。【選択図】図４
2015182182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアーム部と、
前記アーム部を連結して回動させる関節駆動機構を含む関節部と、
を有し、
前記関節駆動機構は、冷却手段を伴ったモーターを有し、
前記冷却手段は、前記関節部に固定される前記モーターの固定面に配置されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットアームにおいて、
複数の前記冷却手段は、前記モーターの軸受を中心として配置されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロボットアームにおいて、
前記冷却手段は、熱電半導体素子であることを特徴とするロボットアーム。
【請求項４】
請求項３に記載のロボットアームにおいて、
複数の前記熱電半導体素子は、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とが千鳥模様に配置されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットアームを備えることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアーム及びロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば各種産業用ロボットのアクチュエーターとして用いられているＡＣサーボモーターの一般的な冷却方法として金属体を通じた電機子の放熱方法が知られている。ＡＣサーボモーターは、例えばローター側に界磁の永久磁石を備え、ステーター側に電機子を備えており、電機子は、電機子コイルが巻かれた電機子コアが、永久磁石と対向する面を除いて樹脂で全体的にモールドされて構成されている。また、電機子は、軸方向の両側の樹脂部を負荷側ブラケットと反負荷側ブラケットとで挟み込む構造となっており、これらを通じた熱伝導による空気層への放熱が一般的に行われている。
【０００３】
例えば、モーターのケーシングの側面に冷却素子を配置した構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この構造のモーターをロボットアームに適用した場合、モーターの回転軸周辺特に隣在するロボットアームに近い領域を効率よく冷却素子によって冷却できない。このモーターの回転軸周辺には熱に弱い軸受の潤滑系等があり、ロボットの長期稼働を妨げるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係るロボットアームは、複数のアーム部と、前記アーム部を連結して回動させる関節駆動機構を含む関節部と、を有し、前記関節駆動機構は、冷却手段を伴ったモーターを有し、前記冷却手段は、前記関節部に固定される前記モーターの固定面に配置されることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、モーターの固定面（負荷面）に冷却手段の放熱面を配置したことで、モーターの発熱温度が低減する。これにより、モーターの軸受の潤滑グリースの酸化劣化が遅延することで、軸受の金属摩耗が低減する。その結果、軸受の耐久性が向上し、モーターの耐久寿命が向上するロボットアームを提供できる。
【０００９】
また、もう一つの金属摩耗遅延化の作用効果として、軸受の金属（内輪）の熱膨張が低減することで、軸受ボール部への過剰負荷及び圧力が低下し、軸受の金属摩耗が低減する。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に記載のロボットアームにおいて、複数の前記冷却手段は、前記モーターの軸受を中心として配置されることを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、軸受の発熱温度を容易に低減できる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に記載のロボットアームにおいて、前記冷却手段は、熱電半導体素子であることを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、電流の印加に対する応答性に優れており、迅速かつ正確に被処理面を所定温度とすることができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に記載のロボットアームにおいて、複数の前記熱電半導体素子は、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とが千鳥模様に配置されることを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、発熱温度を均一に低減できる。
【００１６】
［適用例５］本適用例に係るロボットは、上記に記載のロボットアームを備えることを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、上記に記載のロボットアームによる効果を有するロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係るロボットの概略構成を模式的に示す斜視図。
【図２】本実施形態に係るロボットのジョイントに対してリンクを屈伸回動させる駆動伝達部の構造を模式的に示す斜視図。
【図３】本実施形態に係るモーターの要部を示す断面図。
【図４】本実施形態に係る熱電半導体素子の配置と熱源体発熱の吸熱〜放熱とを示す図。
【図５】本実施形態に係るモーターのハウジング部への熱電半導体素子の配置図。
【図６】本実施形態に係る密封玉軸受のグリース寿命を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るロボットの一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。
【００２０】
まず、本実施形態に係るロボットの概略構成について説明する。
図１は、本実施形態に係るロボットの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、実施形態における「回動」とは、正転及び逆転を意味する。
【００２１】
図１に示すロボット１０は、基本的な駆動軸である回動軸を６つ有する６軸の垂直型多関節ロボットであり、人間の腕の構造を模して高さ方向（Ｚ軸）に複数のアーム部材としてのリンク（アーム部）が複数のアーム部材としてのジョイント（関節部）によって直列に接続された構成であるため、自由度が高く複雑な作業を行うことが可能である。
【００２２】
ロボット１０は、基底部７０及び本体部７１と、制御部７２と、ジョイント７３、リンク７４、ジョイント７５、リンク７６、ジョイント７７、リンク７８、ジョイント７９、リンク８０、及びエンドエフェクター（不図示）が取り付けられるリンク８１を有し、隣り合うリンク及び／又はジョイント同士が関節機構により回動可能に連結された多関節アーム（ロボットアーム）と、を有している。
基底部７０は、ロボット１０の台座であり、工場内の作業スペースの床や、作業台などの平面に複数本のボルト（ネジ）によって強固に固定される。なお、固定場所は、水平面（Ｘ軸及びＹ軸を含む面）に限定するものではなく、ロボット１０の重量、及び振動に耐え得る強度があれば、移動可能な台車上や、壁面、天井、あるいは後述するようなロボットユニットに設けられたアーム連結部などであっても良い。
【００２３】
制御部７２には、図示はしないが、ロボット１０を操作するための操作パネルに加えて、動作プログラムを入力するためのＲＳ２３２Ｃや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインターフェイス端子が設けられている。又は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）端末や、赤外線送受信機などのインターフェイス装置を備えた構成であっても良い。なお、制御部７２は、ロボット本体とは別体に設けられていても良い。
【００２４】
本体部７１の上には、ジョイント７３、リンク７４が、この順番に配置されている。
まず、ロボット１０のジョイント７３からリンク８０までの多関節アーム構造（腕から手まで）は、本体部７１をＺ軸方向に貫く肩軸９１を中心にして水平方向に旋回する。即ち、ジョイント７３は、本体部７１の多関節アームが連結される表面に対して交差する回転軸のことをいい、本実施形態では、本体部７１の表面に対して略直交する回転軸になっている。
また、エンドエフェクターが取り付けられるリンク８１が、多関節アーム構造における一端（末端）であり、本体部７１（基底部７０側）に取り付けられたジョイント７３がロボットアーム構造における他端（根元）に相当する。なお、以降の説明において、ロボットアーム構造におけるリンク８１に近い側を「末端側」、基底部７０に近い側を「根元側」という表現も用いる。
また、本体部７１には、ロボットアーム構造を回転駆動するためのモーター、及び複数のギヤを含む減速機構などが組み込まれている。また、以降説明する各回動軸の近傍にも、該当するリンクやエンドエフェクターを駆動するためのモーター、及び減速機構などが組み込まれている。
【００２５】
ジョイント７３の末端側に延在するように配置されたリンク７４の末端側には、ジョイント７５が組み合わされている。ジョイント７５は、肩軸９１と略直交する一の回動軸であって、リンク７４をＸ軸方向に貫く第１番目の一の回動軸９２を中心にして回動するように駆動される。第１番目の一の回動軸９２は、リンク７４の末端側に位置している。ここで、「略直交」とは、完全に直交する構成に加えて、１０°以内の範囲で交差している構成を含むものと定義する。
なお、本実施形態の多関節アームにおいて、第１番目の一の回動軸９２と略平行な一の回動軸は、本体側から順に第１〜第ｎ番目の一の回動軸と、追番にて名称を付す。ここで、「略平行」とは、完全に平行である構成に加えて、１０°以内の範囲で交差している構成を含むものと定義する。
また、回動軸の延在方向は、ロボット１０が動作すると変化する（例えば、肩軸９１を中心に旋回した場合）ため、図１に示す多関節アームの態様を初期状態と定義し、この初期状態に設置された状態を前提として説明する。
【００２６】
リンク７６は、ジョイント７５の末端側に延在するように配置されている。リンク７６の末端側にはジョイント７７が組み合わされており、さらにこのジョイント７７の末端側にはリンク７８が組み付けられている。リンク７８は、ジョイント７７の末端側に延在するように配置されている。リンク７８が組み付けられたジョイント７７は、リンク７６の末端側をＸ軸方向に貫く第２番目の一の回動軸９３を中心にして駆動される。
そして、リンク７８の末端側には、駆動伝達部（関節駆動機構）５０と電装部６０とを有するジョイント７９が組み合わされている。ジョイント７９は、一の回動軸と略直交する二の回動軸９４であってリンク７８の末端側をＹ軸方向に貫く二の回動軸９４を中心にしてジョイント７９がリンク７８に対して捻れ方向に回動するように駆動される。
また、ジョイント７９の末端側には、リンク８０が組み合わされており、このリンク８０は、ジョイント７９の末端側をＸ軸方向に貫く第３番目の一の回動軸９５を中心にして駆動される。
【００２７】
上記したように、本実施形態のロボット１０の多関節アームの一の回動軸は、本体部７１から順に、第１番目の一の回動軸９２、第２番目の一の回動軸９３、及び第３番目の一の回動軸９５を有している。
【００２８】
リンク８０の末端側には、このリンク８０に延在するようにリンク８１が配置されている。リンク８１は、リンク８０の末端側をリンク８０からリンク８１の延在方向に沿うＹ軸方向、即ち、円柱状をなしたリンク８１の略中心を貫く二の回動軸９６を中心にしてリンク８１がリンク８０に対して捻れ方向に回動するように駆動される。
【００２９】
上述したように、多関節アームの末端側には、ロボット１０が行う所定の作業を実行する機構としてのエンドエフェクターが組み合わされる（不図示）。エンドエフェクターは、ロボット１０の用途により種々の形態のものを用いることができる。例えば、製造物の部品などを把持するロボットハンドなどの把持機構や、半田付けや溶接のような加工を行うツールをリンク８１の末端側に取り付けることにより、種々の作業を実施するロボット１０として用いることができる。
【００３０】
次に、本実施形態のロボット１０の多関節アームにおいて、最末端側の一の回動軸である第３番目の一の回動軸９５の関節駆動機構である駆動伝達部５０について、図面に沿って説明する。
図２は、本実施形態に係るロボット１０のジョイント７９に対してリンク８０を屈伸回動させる駆動伝達部５０の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図２では、駆動伝達部５０以外の部材を一部省略するとともに、ジョイント７９内部の駆動伝達部５０の構造を説明する便宜上、一部を透視して示す。
【００３１】
上記したように、複数のリンクやジョイントなどのアーム部材が、二の回動軸及び一の回動軸により連結された複数の関節駆動機構を有するロボット１０の多関節アームにおいて、最末端側の一の回動軸である第３番目の一の回動軸９５を回動軸とした関節駆動機構としての駆動伝達部５０はジョイント７９に設置されている（図１を参照）。さらに詳細には、駆動伝達部５０は、ジョイント７９の第３番目の一の回動軸９５と略直交する方向の側面のうちの一方の側面に配置されている。
【００３２】
その第３番目の一の回動軸９５を含む駆動伝達部５０の詳細を示す図２において、ジョイント７９には、第３番目の一の回動軸９５を回動軸として回動する従動輪としての従動プーリー８６と、第３番目の一の回動軸９５の駆動回転源としてのモーター８０Ｍと、そのモーター８０Ｍにより第３番目の一の回動軸９５と同じ回動軸回りに回動する駆動軸９７と、駆動軸９７を介してモーター８０Ｍにより回動する駆動輪としての駆動プーリー８５とを有している。また、モーター８０Ｍ近傍には、回転位置検出部８０Ｄが設けられるが、設ける位置は図示された位置以外でもよい。回転位置検出部８０Ｄは、ユニット構造を使用してもよいし、モジュール構造を使用してもよい。
そして、駆動プーリー８５と従動プーリー８６とは無縁の動力伝達索条としてのタイミングベルト８７を介して連結されている。また、駆動プーリー８５と従動プーリー８６との間には、タイミングベルト８７のテンションを調整するためにタイミングベルト８７の動きに従って回動可能に接触させたプーリーを有するアイドラー８８が配置されている。
以上、説明した構成のジョイント７９に備わる駆動伝達部５０によれば、第３番目の一の回動軸９５に駆動用回転源としてのモーターを直接接続する構造よりも、第３番目の一の回動軸９５を設置するジョイント７９の小型化が図れる。具体的には、第３番目の一の回動軸９５の軸方向にモーターが配置されることによる多関節アームの延伸方向と直交するアーム幅方向へのジョイント７９の幅の増大が抑えられる。
【００３３】
図３は、本実施形態に係るモーター８０Ｍの要部を示す断面図である。
本実施形態に係るモーター８０Ｍは、図３に示すように、ハウジング４０と、回転軸４２と、ステーター４４と、ローター（回転子）４６とを有している。なお、モーター８０Ｍとしては、特に限定されず、例えば、サーボモーター、ステッピングモーター等が挙げられる。
【００３４】
ハウジング４０の右壁及び左壁には軸受４８，４９が設けられている。そして、この軸受４８，４９には回転軸４２が回転可能に軸支されている。又はハウジング４０内において、回転軸４２にはローター４６が固定されている。また、ローター４６の周囲にはステーター４４が配置されている。
【００３５】
モーター８０Ｍはジョイント７９内に設けられている。モーター８０Ｍはジョイント７９に設けられた熱伝導板５６に固定されている。モーター８０Ｍは冷却手段としての熱電半導体素子５２を備えている。熱電半導体素子５２は、熱伝導板５６に対向するモーター８０Ｍの固定面５４に配置されている。
【００３６】
複数の熱電半導体素子５２は、モーター８０Ｍの軸受４８，４９を中心として配置されていてもよい。これによれば、軸受４８，４９の発熱温度を容易に低減できる。
【００３７】
ここで、図４及び図５を用いて、熱電半導体素子５２について説明する。
図４は、本実施形態に係る熱電半導体素子５２の配置と熱源体発熱の吸熱〜放熱とを示す図である。図５は、本実施形態に係るモーター８０Ｍのハウジング４０への熱電半導体素子５２の配置図である。
【００３８】
図示するように、熱電半導体素子５２は、ジョイント７９に固定されるモーター８０Ｍの固定面５４に複数配置されている。ジョイント７９に固定されるモーター８０Ｍの固定面５４には、複数の熱電半導体素子５２が配置されている。ハウジング４０の表面（固定面５４）内には、軸受４８を取り囲むように、熱電半導体素子５２が配設されている。熱電半導体素子５２としては、例えば、ペルチェ素子が用いられる。かかる熱電半導体素子５２は、モーター８０Ｍの固定面５４が冷却されるように構成されており、これにより、モーター８０Ｍの固定面５４が冷却され、モーター８０Ｍの発熱温度が低減する。これにより、モーター８０Ｍの軸受４８，４９の潤滑グリースの酸化劣化が遅延することで、軸受４８，４９の金属摩耗が低減する。このため、軸受４８，４９の耐久性が向上し、モーター８０Ｍの耐久寿命が向上する多関節アームを提供できる。
【００３９】
なお、冷却手段は、熱電半導体素子５２に限定されない。例えば、内部を冷媒が循環する冷却管により被処理面を冷却するように構成してもよい。
【００４０】
モーター８０Ｍの負荷側ブラケット（固定面５４）内に熱電半導体素子５２（Ｐ型半導体ブロック（Ｐ型半導体素子）５２ｐ、Ｎ型半導体ブロック（Ｎ型半導体素子）５２ｎ）と電極（銅電極）５８ｂ，５８ｃとをセラミック基板５９上に配置している。電極５８ｂ，５８ｃに直流電流を印加する。熱電半導体素子５２は、ステーター４４の発熱を吸熱し、負荷（ジョイント７９）側に放熱する。ジョイント７９は空洞化されていてもよい。これによれば、アームスイング時の空気接触で発生する風を取り込み、モーター８０Ｍの熱伝導板５６を冷却することができる。
【００４１】
熱電半導体素子５２は、いずれもシリコン等からなるＮ型半導体ブロック５２ｎ及びＰ型半導体ブロック５２ｐを、第１電極５８ｂと、２枚の第２電極５８ｃ，５８ｃとにより挟持した構成を備えており、２枚の第２電極５８ｃから導出された配線５８ａを介して電源５７に接続されている。熱電半導体素子５２を電源５７に接続して動作させると、Ｐ型半導体ブロック５２ｐとＮ型半導体ブロック５２ｎとの間に、第１電極５８ｂ及び第２電極５８ｃ，５８ｃを介して電源５７の極性に応じた一方向の電流が流れるようになっており、図４のごとく接続した場合には、第１電極５８ｂ側は温度が上昇して加熱され、反対側の第２電極５８ｃ，５８ｃ側は温度が低下して冷却される。熱電半導体素子５２は、このようにして電極５８ｂ，５８ｃ間に生じる温度差を利用して、対象物の冷却を行うようになっている。なお、図４において電源５７の極性を逆向きにすると、第１電極５８ｂが冷却され、第２電極５８ｃが加熱される。
【００４２】
複数の熱電半導体素子５２は、図５に示すように、Ｐ型半導体ブロック５２ｐとＮ型半導体ブロック５２ｎとが千鳥模様に配置されていてもよい。これによれば、発熱温度を均一に低減できる。
【００４３】
（実施例）
次に、熱移動によるモーター８０Ｍの冷却効果を示す。
（前提条件）
（１）熱源のモーター８０Ｍの熱ロスは、１００Ｗ（入力２００Ｗ、出力１００Ｗ）である。
（２）熱電半導体素子５２の吸熱量は、２０Ｗである。
モーター８０Ｍの負荷側のハウジング４０に熱電半導体素子５２を図４のとおり配置した。Ｐ型半導体ブロック５２ｐ、Ｎ型半導体ブロック５２ｎの熱電半導体素子５２を各々約１５０個配置した。Ｐ型半導体ブロック５２ｐの熱電半導体素子５２を入力側とし直流電流を印加する。
（３）雰囲気温度は、２５℃である。
（４）定格動作ハウジング４０の温度は、９０℃である。
（５）定格動作ステーター４４の温度は、１３０℃である。
【００４４】
上記前提とした熱移動によるモーター８０Ｍの冷却効果は、以下の計算から約１０％強の温度低下が見込める。
【００４５】
ステーター４４〜ハウジング４０間の熱抵抗は、（ステーター４４の温度−ハウジング４０の温度）／熱ロス＝０．４ｋ／Ｗとなる。
【００４６】
ハウジング４０〜雰囲気間の熱抵抗は、（ハウジング４０の温度−雰囲気温度）／熱ロス＝０．６５ｋ／Ｗとなる。
【００４７】
ハウジング４０〜雰囲気間の放熱量は、熱ロス−吸熱量＝８０Ｗとなる。
【００４８】
ハウジング４０の温度は、熱抵抗（ハウジング４０〜雰囲気間）＊放熱量（ハウジング４０〜雰囲気間）＋雰囲気温度＝７７℃となる。
【００４９】
ステーター４４の温度は、総熱抵抗（（ステーター４４〜ハウジング４０間）＋（ハウジング４０〜雰囲気間））＊放熱量（ハウジング４０〜雰囲気間）＋雰囲気温度＝１０９℃となる。
【００５０】
図６は、本実施形態に係る密封玉軸受のグリース寿命を示す図である。なお、横軸は軸受４８，４９の回転速度を示し、縦軸は平均グリース寿命（ｈ）を示している。Ｔは軸受４８，４９の運転温度（℃）である。
上記の冷却効果（約１０％強の温度低下）によるモーター８０Ｍの耐久寿命の律速となる軸受４８，４９の耐久性向上は、図６より３３％向上する。以下にその具体例を示す。
【００５１】
グリース潤滑での軸受４８，４９の許容回転速度における軸受４８，４９の回転速度の割合が０．４を前提とした場合、
Ｔ８０（℃）時のグリース平均寿命＝約７，５００ｈ・・・ａ
Ｔ９０（℃）時のグリース平均寿命＝約５，０００ｈ・・・ｂ
前記ａ−ｂ＝約２，５００ｈ・・・ｃ
グリース酸化劣化遅延率ｃ／ａ＝０．３３となる。
【００５２】
本実施形態によれば、モーター８０Ｍの固定面５４（負荷面）に熱電半導体素子５２の排熱面を配置したことで、モーター８０Ｍの発熱温度が低減する。これにより、モーター８０Ｍの軸受４８，４９の潤滑グリースの酸化劣化が遅延することで、軸受４８，４９の金属摩耗が低減する。その結果、軸受４８，４９の耐久性が向上し、モーター８０Ｍの耐久寿命が向上する多関節アームを提供できる。
【００５３】
また、もう一つの金属摩耗遅延化の作用効果として、軸受４８，４９の金属（内輪）の熱膨張が低減することで、軸受ボール部への過剰負荷及び圧力が低下し、軸受４８，４９の金属摩耗が低減する。また、上記に記載の多関節アームによる効果を有するロボットを提供できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０…ロボット  ４０…ハウジング  ４２…回転軸  ４４…ステーター  ４６…ローター  ４８，４９…軸受  ５０…駆動伝達部（関節駆動機構）  ５２…熱電半導体素子（冷却手段）  ５２ｐ…Ｐ型半導体ブロック  ５２ｎ…Ｎ型半導体ブロック  ５４…固定面  ５６…熱伝導板  ５７…電源  ５８ａ…配線  ５８ｂ…第１電極  ５８ｃ…第２電極  ５９…セラミック基板  ６０…電装部  ７０…基底部  ７１…本体部  ７２…制御部  ７３，７５，７７…部材としてのジョイント  ７４，７６，７８，８１…リンク  ７９…第１部材としてのジョイント  ８０…第２部材としてのリンク  ８０Ｄ…回転位置検出部  ８０Ｍ…モーター  ８１…リンク  ８５…駆動プーリー  ８６…従動プーリー  ８７…タイミングベルト  ８８…アイドラー  ９１…肩軸  ９２…第１番目の一の回動軸  ９３…第２番目の一の回動軸  ９４，９６…二の回動軸  ９５…第ｎ番目の一の回動軸としての第３番目の一の回動軸  ９７…駆動軸。
【図１】
2015182182.tif 000003
【図２】
2015182182.tif 000004
【図３】
2015182182.tif 000005
【図４】
2015182182.tif 000006
【図５】
2015182182.tif 000007
【図６】
2015182182.tif 000008