(57)【要約】【課題】  安価かつ小型な構成で高速な信号を伝送可能なスリップリング装置を提供すること【解決手段】  第一の外部端子と導通したブラシ（１）と、回転軸（４）に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリング（２）とを備えるスリップリング装置であって、前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器（１０）を備え、前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置。【選択図】  図１
2015078876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の外部端子と導通したブラシと、回転軸に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリングとを備えるスリップリング装置であって、
前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器を備え、
前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置。
【請求項２】
前記リングは円形の導電体材料からなり、前記摺動接点から前記電気接点へと至る一方の弧長と他方の弧長とが略等長である前記相対位置で前記信号伝達が行われることを特徴とする請求項１記載のスリップリング装置。
【請求項３】
データを蓄積する記憶部をさらに有すること特徴とする請求項１ないし請求項２いずれか一項記載のスリップリング装置
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のスリップリング装置を搭載したロボットアーム。
【請求項５】
前記角度検出器はロボットアームの回転部の角度検出器であることを特徴とする請求項４記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スリップリング装置およびスリップリング装置を備えたロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スリップリングは、例えばロボットアームの関節部などの回転部に設置されて静止系から回転系へ電力および信号を伝達する手段として広く用いられている。
【０００３】
回転軸には、導電体材料からなるリングが挿通されて、回転軸に対して同軸に取り付けられて、リングには配線が連結されている。その回転軸に対して一定の距離をおいて、同じく導電体材料からなるブラシを固定するブラシ固定部材が配置されていて、ブラシがリングに接触するように固定されている。
【０００４】
リングとブラシとが接触しつつ、相対的に摺動可能にそれぞれ保持されることで、リング側、ブラシ側のどちらか一方から入力された電力または信号が、接点を介して他方に伝達される。
【０００５】
近年、ロボット技術が発達するにつれて精密な組立動作が要求されている。その精密な組立を実現するために位置センサ、力センサ、カメラ等の各種センサが数多く使用されるようになり高速かつ大容量な信号伝送が必要になってきている。特に多関節ロボットに関しては、ふたつのリンクをつなぐ関節部にスリップリングを配して、上記の信号伝送を行うことが求められている。
【０００６】
一方で、スリップリングは構造的に高速な信号（単位時間あたりの信号伝達量が多い、すなわち信号周波数ｆが大きな信号）の伝送が難しい場合がある。図８に従来のスリップリングの模式図を示す。
【０００７】
信号送信側のブラシから摺動接点を介して供給された電気信号は、リングに設けられた信号受信器側の電気接点に向かって伝達する。そして図８に描かれたように、ブラシの摺動接点（送信端）からリングに設けられた受信側の電気接点（受信端）への経路は、リング上では長弧と短弧の二つの経路が存在する。このように電気信号がリング上で２方向に分かれて電送されるため、受信側では２つの信号が合成された信号を受信することとなる。その結果、２つの信号の伝送距離の差が信号の位相差となって現れる。そのため、合成された信号は所望の信号品質を満たさないという問題が生じる。
【０００８】
高速な信号の信号伝搬速度は光速ｃ（一定）であり、ｖ＝ｆλ（信号伝搬速度ｖ、信号周波数ｆ、信号波長λ）の関係から信号波長は短い。そのため、スリップリングの伝送路の長さに比して、短い信号波長の信号を伝送する際には、伝送距離の長さの違いによって信号品質に悪影響を及ぼすことがある。
【０００９】
なお、低速な信号、すなわち信号周波数ｆが比較的小さくそのため信号波長さが例えば１ｍなど長い場合は、スリップリング上の二つの経路の差（数ｍｍ〜数ｃｍ）による位相差はほとんどない。よって２つの信号の伝送距離の差が信号の位相差による信号品質の低下はほぼ無視できていた。
【００１０】
従来、高速な信号を高品質に伝達する目的で、リングとブラシが接する摺動接点を複数箇所に形成し、２方向の伝送距離の差を小さくすることで高速な信号伝送に伴う信号品質の低下を低減する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、摺動接点を従来の１個から３個に増やすことで、伝送距離の差は従来の１／３になるため、３倍の高速な信号が伝送できるとしている。
【００１１】
しかしながら、上記の従来の技術では、新たに複数の摺動接点が必要となるためコストの増加、小型化に不利という問題がある。その上、さらなる高速信号の伝達を行う際には信号速度に対応して摺動接点をますます増やす必要があり、コスト増や大型化はより深刻となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１−１１５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、高速信号の伝達を行う際に信号品質の低下を抑制することができるコンパクトなスリップリング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、第一の外部端子と導通したブラシと、回転軸に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリングとを備えるスリップリング装置であって、
前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器を備え、
前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスリップリング装置によれば、高速信号の伝達を行う際に信号品質の低下を抑制することができるコンパクトなスリップリング装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１のスリップリング装置の概要図である
【図２】実施例１のスリップリング装置の斜視図である
【図３】実施例１の計算のフローチャート図である
【図４】実施例１の計算結果の一例を示した図である。
【図５】実施例３のスリップリング装置の概要図である
【図６】実施例４のスリップリング装置を備えたロボット装置の概要図である
【図７】実施例５のスリップリング装置を備えたロボット装置の概要図である
【図８】従来のスリップリングの模式図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施例１）
以下、本発明の具体的な実施例を、図１に示したスリップリング装置の概要図を用いて説明する。図２はスリップリングのリングとブラシ部を取りだした斜視図である。
【００１８】
まず図１、図２を用いて本実施形態のスリップリング装置の構成を説明する。
【００１９】
回転軸４には、導電体材料からなるリング２が挿通されて、回転軸４に対して同軸に取り付けられており、リング２には配線３１が連結されている。
【００２０】
その回転軸４に対して一定の距離をおいて、同じく導電体材料からなるブラシ１を固定するブラシ固定部材３が配置されていて、ブラシがリングに接触し摺動可能に配置されている。
【００２１】
ブラシ１は一方をブラシ固定部材３が連結して第一の外部端子と導通しており、他方がリング２と接触している。
【００２２】
ブラシ１はブラシ固定部材３側に配線３０が連結され、配線３０は送信器１２と接続されている。送信器１２と受信器１３はリング２とブラシ１の接点（摺動接点）を介して信号伝送を行う。この接点を送信端とする。また、リング２の配線３１は受信器１３と接続されておりさらには第二の外部端子と導通している。このリング２と配線３１との電気接点を受信端とする。受信器１３は信号伝送の機能以外に記憶機能を有する。
【００２３】
以下説明のため、「送信」、「受信」の語を用いるが、もちろん通信は双方的なものであり、送受信が逆であってもよい。
【００２４】
送信器１２と受信器１３は、送信器１２がリング２側で受信器１３がブラシ１側でもよい。受信器１３は計算器１１と配線３２で接続されており、計算器１１は計算、判定、記憶、信号送受信器の制御、それぞれの機能を有する。
【００２５】
さらに本実施例のスリップリングは回転軸４の回転角度を検出するためのエンコーダ等で構成される角度検出器１０を有する。角度検出期１０は特定の基準方位からの回転軸４の回転角が検出されるように構成されている。角度検出器はロータリー・エンコーダ、レゾルバやポテンショメータで構成するとよい。
【００２６】
検出された回転角θ［ｒａｄ］とリング２の半径ｒを用いることで、２方向の伝送距離をそれぞれ算出する。なお一般的に、スリップリングにおけるリング２は円形であるので、以下実施例ではリング２は円形として説明する。例えば、受信端の位置を基準にして送信端の位置までの一方の伝送距離（弧長）はｒθと表すことができ、他方の伝送距離（弧長）はｒ（２π−θ）と表すことができる。
【００２７】
計算器１１は回転軸４の角度を検出するロータリー・エンコーダである角度検出器１０と配線３３で接続されている。
【００２８】
リングは回転軸に挿通して固定されているので、回転軸４の角度を検出することでリングとブラシの摺動接点と、リングの電気接点との相対位置を検知することができる。
【００２９】
また、本実施例では角度検出器１０と計算器１１がリング２側に記載しているが、角度検出器１０と計算器１１がブラシ１側にあっても良い。
【００３０】
以下では上述の構成を踏まえて角度検出および信号の送信について順を追って説明する。
【００３１】
ブラシ１とリング２の接点とリング２と配線３１の連結点（受信端）の角度θ［ｄｅｇ］を検出し、θ＝０［ｄｅｇ］を原点とする。
【００３２】
リング２の半径と信号周波数から予め伝送可能な角度θを求め、高速信号の伝送をスリップリングで実現する。一度計算で求めておけば再度計算する必要はない。しかし、送信信号波形が変わる、またはスリップリングの半径が変わる場合には再度計算が必要である。
【００３３】
以下、送信信号として正弦波を例にとり、計算式を説明する。
【００３４】
リング２の半径をｒ、送信器１２で伝送する信号を正弦波Ｖｉｎ、リング上の信号伝搬速度をｖ、角度θのときのθ方向のリング距離をｄ１、θ逆方向のリング距離はｄ２とする。
【００３５】
Ｖｉｎ，ｄ１，ｄ２はそれぞれ以下のようにあらわす。
【００３６】
【数１】
2015078876.tif 000003
【００３７】
【数２】
2015078876.tif 000004
【００３８】
【数３】
2015078876.tif 000005
である。
【００３９】
もちろんｄ１＋ｄ２はリング一周分の長さだから、ｄ１＋ｄ２＝２πｒである。
【００４０】
ブラシ１から接点を介して供給された信号はリング２上を２方向にわかれて伝送する。θ方向の信号をＶ１、θ逆方向の信号をＶ２とすると、
【００４１】
【数４】
2015078876.tif 000006
である。
【００４２】
リング２上を伝送する信号は、ｄ１、ｄ２の配線距離の差から信号の位相差が発生する。その位相差によって信号が干渉し、減衰が発生する。この合成した信号波形が受信器１３で観測される。
【００４３】
受信器１３で観測される信号Ｖｏｕｔは、
【００４４】
【数５】
2015078876.tif 000007
であらわせる。
【００４５】
Ｖｏｕｔの最大振幅Ｖｏｕｔｍａｘがある電圧閾値より低い時には信号品質が保てなくなり、信号エラーが出てしまう。この閾値は信号の規格によって異なる。ここでは、例として送信信号振幅Ａｉｎの６０％以下で信号エラーになるとする。
【００４６】
信号伝送が可能な条件は
【００４７】
【数６】
2015078876.tif 000008
である。
【００４８】
リング１周分（θ＝０〜３６０［ｄｅｇ］）をＮ個に分割すると
【００４９】
【数７】
2015078876.tif 000009
である。
【００５０】
このθｎの角度に送信端と受信端とが配置される位置にリング２が位置した際の最大振幅Ｖｏｕｔｍａｘを求める。最大振幅を求めるためには伝送する信号の１周期を評価する必要がある。
【００５１】
（６）式のｔを信号の１周期分（０〜Ｔ＝０〜１／ｆ）をＭ個に分割すると
【００５２】
【数８】
2015078876.tif 000010
である。
【００５３】
（６）式をθｎとｔｍで（１０）式に表すと、
【００５４】
【数９】
2015078876.tif 000011
である。
【００５５】
送信端と受信端の配置が、ある角度θｎのとき、（１０）式で表す振幅Ｖｏｕｔ（ｎ，ｍ）をＭ個求め、θｎのときの最大振幅Ｖｏｕｔｍａｘ＿ｎが（７）式を満たすかを判定する。
【００５６】
このθｎをＮ個の角度で評価して、信号エラーにならない角度θを求める。また（７）式を満たさない角度では信号の伝送はしない。伝送の可否は受信器１３で記憶する。
【００５７】
以下、図３の計算フローを用いて説明する。まず、ｎ＝１，ｍ＝１を代入し（Ａ１）、（１０）式のＶｏｕｔ（ｎ，ｍ）を計算器１１で行い、受信器１３で記憶する（Ａ２）。
【００５８】
次にｍ＝ｍ＋１を計算し（Ａ３）、ｍ＞Ｍが成立しなければ再度Ａ１に戻り、ｍ＝ｍ＋１の場合のＶｏｕｔ（ｎ，ｍ＋１）を計算するループ処理を行う。
【００５９】
このような計算を行うことで、特定の角度θｎのときにおける、信号の一周期分に対応するｍ（１，２，３・・ｍ）値におけるＶｏｕｔを算出できる。
【００６０】
ｍ＞Ｍが成立すれば、すなわち特定の角度θｎのときにおける１周期分のＶｏｕｔ  の値の計算が終了したら、Ａ５に移行する（Ａ４）。振幅Ｖｏｕｔ（ｎ，ｍ）から振幅Ｖｏｕｔ（ｎ，Ｍ）までの振幅最大値をＶｏｕｔｍａｘ＿ｎとする（Ａ５）。
【００６１】
Ｖｏｕｔｍａｘ＿ｎ＞０．６が成立するか計算器１１で判定し、成立すればＡ７に移行、そうでなければＡ８に移行する（Ａ６）。
【００６２】
Ａ７ではθｎは伝送可能と受信器１３で記憶し（Ａ７）、Ａ８であればθｎは伝送不可と受信器１３で記憶する（Ａ８）。ここまでで、ある一つの角度θｎにおける高速信号の伝達の可否の評価が完了する。
【００６３】
次に送信端と受信端の別の配置に対応する、ｎ＝ｎ＋１を計算する（Ａ９）、θｎがＮ個に分割した角度全てで完了しているか判定する（Ａ１０）。ｎ＞Ｎが成立すればＡ１１に移行し、スリップリングの高速信号の伝達の可否の評価が終了する。
【００６４】
そうでなければ、Ａ１に戻り、他の角度θｎでの評価を行う。このような評価を行うことで、当該スリップリングの送信端と受信端の配置に対応する角度θにおいて、送信可能なタイミングが存在するかを評価したことなる。評価の後はその評価データを記憶し、信号伝達に用いる。
【００６５】
図４に横軸を角度θ＝０〜３６０°で、縦軸に最大振幅Ｖｏｕｔｍａｘをプロットした参考の結果図を示す。図内に０．６Ａｉｎの電圧閾値に横線が引いているが、この線より、Ｖｏｕｔｍａｘが上に超えている角度θの範囲内では、信号品質を確保しつつ高速信号の伝達が可能であることを示している。
【００６６】
本実施例では、正弦波を例に説明したが、ＵＳＢ規格、ＣＡＮ規格など他の信号規格でも、所望の信号波形式を数式（１）に、電圧閾値を数式（７）に適用すれば、伝達可能なθの範囲を割り出すことが可能であり、本実施例の技術を適用可能である。
【００６７】
伝送可能な角度θにスリップリングが回転すると、受信器から送信器に伝送可能の通知をし、送信器は通知を受けた後に信号を伝送開始する。
【００６８】
この通知信号は低周波の信号を使用すればよい。低周波の信号とは、リング２の全ての角度で所望の電圧閾値を超えるような信号周波数ｆの信号のことである。
【００６９】
こうすることで、伝送不可の角度θで信号伝送を行わないため、信号エラーにならない。
【００７０】
本実施例によれば、リング上における電気信号の送信端または受信端の位置を算出するための検出手段により２方向の配線距離の影響をあらかじめ算出しておいてから信号伝達するため、スリップリングを介しての高速な信号の信号品質の低下を抑えた伝送が可能である。
【００７１】
そのため、リングとブラシが接する接点を増やすことなくスリップリングを安価かつ小型に製造できる。
【００７２】
（実施例２）
以下、実施例２を具体的に図１を用いて説明する。
実施例１と同様の構成において、ｄ１，ｄ２が等長配線になるときに信号伝送を行うように受信器１３に記憶させる。円形のリングであれば角度θが１８０［ｄｅｇ］となるときである。以下実施例１と同じくリング２は円形として説明する。
【００７３】
受信器１３は角度検出器１０の検出した角度θが１８０［ｄｅｇ］となった場合に送信器１２と信号伝送を行う。他の角度では、信号伝送は行わないとする。
【００７４】
角度θが１８０［ｄｅｇ］の位置であれば、ｄ１とｄ２が等長配線になるため、配線距離の差がないため、信号の位相差が現れることなく、合成された信号は送信信号と等しい。
【００７５】
よって、実施例１ではリング２の半径と信号周波数ｆが既知である必要があったが、本実施例では、リング２の半径と信号周波数が未知な値でもｄ１＝ｄ２となるため、Ｖｏｕｔが原理的に減衰することはない。
【００７６】
式を用いて、θ＝１８０［ｄｅｇ］のとき信号劣化が起きないことを説明する。
【００７７】
θ＝１８０［ｄｅｇ］のとき（６）式におけるＶ１とＶ２は、
【００７８】
【数１０】
2015078876.tif 000012
となる。
【００７９】
Ｖ１とＶ２は互いに（πｒ）／ｖの遅延がある波形になり、Ｖ１とＶ２は相対的に位相がずれることはない。このため、位相ずれによる減衰が発生しない。
【００８０】
なお、ｄ１＝ｄ２は完全に一致する必要はない。
【００８１】
すなわち、摺動接点（送信端）から電気接点（受信端）へと至る一方の弧長と他方の弧長とが略等長である相対位置で信号伝達が行われるとよい。
【００８２】
以上より、リング上を２方向にわかれる信号の位相差をほぼ無視することが出来る為、スリップリングを介しての高速な信号の伝送が可能である。
【００８３】
（実施例３）
以下実施例３を、具体的に図５を用いて説明する。
【００８４】
実施例１ないし実施例２では、図４のＶｏｕｔｍａｘが０．６Ａｉｎ以下になり、リング２の位置によって伝送不可となる角度が存在する。するとデータ伝送不可の角度では、送信器側でデータ取得が出来ないという課題があった。
【００８５】
実施例３では送信器１２側に記憶部２０を設け、取得データを一時的に記憶部２０に記憶、蓄積することで、データ取得とデータ伝送のタイミングがずらすことが可能となる。言いかえると、データ取得のタイミングがリング２の角度に制限が緩和される。
【００８６】
構成を説明する。送信器１２は記憶部２０と配線３５で接続されており、データ取得部４０は記憶部２０と配線３６で接続されていて、データ取得部４０は計算器、映像撮影部、制御部などで構成される。
【００８７】
使用方法を説明する。まず、任意のタイミングでデータ取得部でデータを取得し、記憶部２０に蓄える。その後、リング２が高速伝送可能な角度に移動したときに、受信器１３から通知信号を送信器１２に送信し、送信器１２は記憶部２０に蓄えたデータを送信する。このような伝達はリアルタイム通信を行う必要のない信号伝達に利用可能である。
【００８８】
（実施例４）
以下、実施例４を具体的に図６を用いて説明する。
【００８９】
実施例４は実施例１ないし実施例３で説明したスリップリング装置をロボットアームに搭載したロボット装置である。
【００９０】
アーム５２ａの内部にアームモータ５３とアーム角度検出器５４、ベアリング５６が設置されており、それぞれ配線を通すため中空構造を取っている。
【００９１】
ロボット制御処理部５０にロボット制御部５１と受信機１３と格納されている。ロボット制御部５１によって電源と信号が配線３７を介してアームモータ５３とアーム角度検出器５４に供給されている。アームモータ回転軸５５はアーム５２ｂに接続されており、アーム５２ｂは回転できる。アーム５２ａとアーム５２ｂはベアリング５６で接続されており、アーム５２ｂが回転する際に相対的にアーム５２ａが固定側になる。
【００９２】
リング２と角度検出器１０が連結している回転軸４は固定側であるアーム５２ａと連結しており、ブラシ１はリング２と接触するようにブラシ固定部材３で固定され、ブラシ固定部材は回転側のアーム５２ｂと連結している。
【００９３】
アーム５２ａと回転軸４が接続されており、回転軸４内部から配線３１がリング２に連結されてさえいればよく、アームモータ５３とアーム角度検出器５４、ベアリング５６は中空構造でなくても良い。
【００９４】
以上の構成で、リング２の半径と信号周波数ｆと実施例１で書いた式（１）〜（１０）を用いて、信号伝送可能な角度θを求める。求めた角度θを受信器１３に記憶させ伝送可能な角度であれば、送信器に伝送可能であることを通知し、送信器１２と受信器１３の信号伝送を行う。
【００９５】
以上より、ロボット装置のアーム関節間の高速な信号の伝送をスリップリングを介して行う事が可能となる。
【００９６】
（実施例５）
以下、実施例５を具体的に図７を用いて説明する。
【００９７】
実施例５は実施例１ないし実施例３で説明したスリップリング装置をロボットアームに搭載したロボット装置である。
【００９８】
実施例４におけるリング２の角度検出用に角度検出器１０を持たずに、アームモータ角度検出器５４の角度データをリング２の角度θとする。
【００９９】
この角度θを用いて、数式（１）〜数式（１０）で求めた角度で信号伝送を行うことを受信器１３で記憶させ、伝送可能な角度であれば、送信器に伝送可能であることを通知し、送信器１２と受信器１３の信号伝送を行う。
【０１００】
つまりアームモータ角度検出器５４がスリップリング用の角度検出器を兼ねることで、角度検出器を複数持たずに、アームモータの制御とスリップリングの伝送可否の制御を行うことでできることとなる。
【０１０１】
よって、ロボット装置のアーム関節間の高速な信号の伝送をスリップリングを介して行う事が可能となり、加えて、小型で安価な構成で実施可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明のスリップリング装置はロボットアームの関節部などの回転部に設置されて、静止系から回転系への高速信号伝送を行うために好適に利用できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１  ブラシ
２  リング
３  ブラシ固定部材
４  回転軸
１０  角度検出器
１１  計算器
１２  送信器
１３  受信器
２０  記憶部
３０、３１、３２、３３、３４，３５，３６、３７  配線
４０  データ取得部
５０  ロボット制御処理部
５１  ロボット制御部
５２ａ、５２ｂ  ロボットアーム
５３  アームモータ
５４  アームモータ角度検出器
５５  アームモータ回転軸
５６  ベアリング
【図１】
2015078876.tif 000013
【図２】
2015078876.tif 000014
【図３】
2015078876.tif 000015
【図４】
2015078876.tif 000016
【図５】
2015078876.tif 000017
【図６】
2015078876.tif 000018
【図７】
2015078876.tif 000019
【図８】
2015078876.tif 000020