(57)【要約】【課題】コンパクトで簡単な構成でありながら半球面動作が可能な関節アクチュエータを提供すること。【解決手段】２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータであって、凸球面４を有する球関節部２と、球関節部２の外周部に滑り嵌合又は転がり嵌合する凹球面を有する凹球面関節部３と、球関節部２と凹球面関節部３の所定方向の第１軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータ４１と、球関節部２と凹球面関節部３との間に設けられ、球関節部２と凹球面関節部３の、第１軸線と直交する方向の第２軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータ４２とを備えたこと。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１関節軸と第２関節軸との間で、２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータにおいて、
前記第１関節軸の一端部に設けられ、凸球面を有する球関節部と、
前記第２関節軸の一端部に設けられ、前記球関節部の外周部に滑り嵌合あるいは転がり嵌合する凹球面を有する凹球面関節部と、
前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と凹球面関節部の、所定方向の第１軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、
前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と凹球面関節部の、前記第１軸線と直交する方向の第２軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータと、
を備えたことを特徴とする関節アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１モータ及び第２モータは、前記球関節部および前記凹球面関節部の一方の表面に設けられ、前記第１軸線及び第２軸線方向の多数の溝の列から成るステータと、前記球関節部および前記凹球面関節部の他方に設けられ、前記ステータに対向してその溝列方向に可動な歯列から成るロータと、から構成されるリニアステップモータであることを特徴とする請求項１記載の関節アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１モータの前記溝列の溝長さは、前記第２モータの溝列方向の前記ロータの可動距離よりも大きく設定され、前記第２モータの溝列の溝長さは、前記第１モータの溝列方向の前記ロータの可動距離よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項２記載の関節アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置あるいは産業用ロボット等に用いられ、第１関節軸と第２関節軸との間で２自由度の旋回動作が可能な関節アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置あるいは産業用ロボット等に用いられる、従来の関節アクチュエータは、図４に示すように、円筒型の２個の電磁モータ６０，６１を直交した形で積み重ねたような構成であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記関節アクチュエータは、２個の電磁モータ６０，６１を重ねているため、コンパクト性に欠けるという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述した従来例の有する不都合を改善し、コンパクトで簡単な構成でありながら半球面動作が可能な関節アクチュエータを提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１の発明では、第１関節軸と第２関節軸との間で、２軸方向周りの旋回動作を可能とする関節アクチュエータにおいて、前記第１関節軸の一端部に設けられ、凸球面を有する球関節部と、前記第２関節軸の一端部に設けられ、前記球関節部の外周部に滑り嵌合、あるいは転がり嵌合する凹球面を有する凹球面関節部と、前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と前記凹球面関節部の所定方向の第１軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と前記凹球面関節部の、前記第１軸線と直交する方向の第２軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータと、を備えたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２の発明では、前記第１モータ及び第２モータは、前記球関節部および前記凹球面関節部の一方の表面に設けられ、前記第１軸線及び第２軸線方向の多数の溝の列から成るステータと、前記球関節部および前記凹球面関節部の他方に設けられ、前記ステータに対向してその溝列方向に可動な歯列から成るロータと、から構成されるリニアステップモータであることを特徴としている。
【０００７】
請求項３の発明では、前記第１モータの前記溝列の溝長さは、前記第２モータの溝列方向の前記ロータの可動距離よりも大きく設定され、前記第２モータの溝列の溝長さは、前記第１モータの溝列方向の前記ロータの可動距離よりも大きく設定されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば２軸方向周りの旋回動作のための第１及び第２モータを一つの球面（球関節部）上に設けたため、関節本体の第１軸線方向のサイズが小さくなる。
請求項２の発明の場合、第１及び第２モータをリニアステップモータとしたので、非接触で容易に２自由度の旋回動作が得られる。
また、請求項３の発明の場合、第１又は第２モータの駆動範囲において、それぞれ他方のモータ（第２又は第１モータ）も駆動可能な構成とされているため、コンパクトでありながら、第２関節軸の第１関節軸に対する比較的大きな旋回角が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図、図２は図１の球関節部を示す斜視図、図３はリニアステップモータの駆動原理を示す説明図である。
【００１０】
本発明の一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。本発明の関節アクチュエータは、図示しない装置本体側に固定された第１関節軸である凸球面アーム１、この凸球面アーム１に一体的に形成され、その表面が凸球面の滑り軸受面４とされた球関節部２、この球関節部２の外周部に滑り嵌合する凹球面を有する凹球面関節部３、この凹球面関節部３に一体的に固定された第２関節軸である可動アーム５、等から成っている。
【００１１】
球関節部２の軸を凸球面アーム１の軸と同心とし、この球関節部２の軸（球の中心を通る第１軸線）を基準にして、この軸に直角な平面と球関節部２の表面との交わる円の円弧方向を経度方向、球関節部２上の経度方向に直交する方向を緯度方向とすると、球関節部２には、緯度方向に延びる溝が経度方向に多数配列されたステータである経度方向球面溝列２１と、経度方向に延びる溝が緯度方向に多数配列されたステータである緯度方向球面溝列２２が形成されている。
【００１２】
一方、この球関節部２の滑り軸受面４に外嵌する凹球面関節部３の内周面側には、経度方向球面溝列２１に近接・対向する位置に、緯度方向に所定幅があって経度方向に並ぶギヤ歯形状のロータである経度方向可動子極辺歯列３１が設けられている。又、緯度方向球面溝列２２に近接・対向する位置に、経度方向に所定幅があって緯度方向に並ぶギヤ歯形状のロータである緯度方向可動子極辺歯列３２が形成されている。
【００１３】
この経度方向球面溝列２１と経度方向可動子極辺歯列３１により第１モータである経度方向リニアステップモータ４１が、又、緯度方向球面溝列２２と緯度方向可動子極辺歯列３２により第２モータである緯度方向リニアステップモータ４２がそれぞれ構成されている。
【００１４】
したがって、経度方向可動子極辺歯列３１は経度方向球面溝列２１に対して経度方向に任意に変位可能とされ、緯度方向可動子極辺歯列３２は緯度方向球面溝列２２に対して緯度方向に任意に変位可能とされている。このため、この経度方向リニアステップモータ４１を任意に駆動させることにより、凹球面関節部３を球関節部２に対して前記第１軸線を中心として旋回させることができる。又、緯度方向リニアステップモータ４２を任意に駆動させることにより、凹球面関節部３を球関節部２に対して第１軸線に直交する第２軸線（球の中心を通る）を中心として回動させることができる。即ち、凹球面関節部３は球関節部２に対して半球面運動が可能となっている。
【００１５】
この凹球面関節部３の半球面運動を可能とするためには、経度方向可動子極辺歯列３１が経度方向球面溝列２１の移動可能な範囲の限界部分に位置した場合でも、緯度方向可動子極辺歯列３２が緯度方向球面溝列２２上を駆動可能な程、円弧長さＬは緯度方向運動を十分カバーできる大きさに設定する。
【００１６】
同様に、緯度方向可動子極辺歯列３２が緯度方向球面溝列２２の限界部分に位置した場合でも、経度方向可動子極辺歯列３１が経度方向球面溝列２１上を駆動可能な程、円弧長さＨは経度方向運動を十分カバーできる大きさに設定する。
【００１７】
このように、第１モータ４１及び第２モータ４２を一つの球面である滑り軸受面４（球関節部２）上に設けたため、関節アクチェータ本体の第１軸線方向のサイズをコンパクト化することができる。
【００１８】
上記構成におけるリニアステップモータ２０の原理については、図３に示すように、例えば、２相の経度方向可動子極辺歯列３１側に巻かれたそれぞれのコイル５２に周期的に変化する電圧を位相を９０度異ならせて付与することにより当該歯列３１の各歯毎の磁界を順次変化させ、この磁界により最も強く引き付け合う経度方向可動子極辺歯列３１側の歯と経度方向球面溝列２１側の歯との組合せを次々に切り換えることにより、経度方向可動子極辺歯列３１側が経度方向球面溝列２１に対して相対的に移動する。
【００１９】
このような動作原理に基づく関節アクチュエータの動作について説明する。図１に示すように、経度方向可動子極辺歯列３１のコイルに電圧を印加すると、経度方向可動子極辺歯列３１が経度方向球面溝列２１に対して経度方向に変位するのに伴って凹球面関節部３が矢印Ａ方向に回動する。これにより、可動アーム５は矢印Ａ′方向に旋回する。同様に、緯度方向可動子極辺歯列３２のコイルに電圧を印加すると、緯度方向可動子極辺歯列３２が緯度方向球面溝列２２に対して緯度方向に変位するのに伴って凹球面関節部３が矢印Ｂ方向に回動する（図２参照）。これにより、可動アーム５は矢印Ｂ′方向に屈曲する。
【００２０】
このように、可動アーム５の矢印Ａ′方向の旋回動作と、矢印Ｂ′方向の屈曲動作の組み合わせにより、可動アーム５は凸球面アーム１に対して半球面運動をすることができる。
【００２１】
尚、この実施形態では、第１関節軸１を固定側アーム、第２関節軸２を可動側アームとしたが、これは相対的であり、この構成に限らず、固定側と可動側を逆にしても良い。又、この実施形態では、凹球面関節部３のロータを通電する磁極としたが、球面関節部２のステータ側を通電する磁極としても良い。又、球面関節部２の凸球面側をステータとしたが、凹球面関節部３側をステータとしても良い。
【００２２】
また、球面関節部２と凹球面関節部３とは滑り嵌合するようにしたが、その一形態として例えば静圧軸受、あるいは磁気軸受を両者間に設けるようにしても良い。あるいは、滑り嵌合に代え転がり嵌合にしても良い。この場合、両者の対向面間に空間を設け、複数の球体（例えば鋼球）を介在させる、などのようにすればよい。
【００２３】
また、本実施形態では、第１及び第２モータをリニアステップモータとしたので、非接触で容易に２自由度の旋回動作を得ることができる。
【００２４】
さらに、本実施形態では、第１又は第２モータの駆動範囲において、それぞれ他方のモータ（第２又は第１モータ）も十分に駆動可能な構成としたので、コンパクトでありながら関節の比較的大きな旋回角を得ることができる。
したがって、コンパクトで簡単な構成でありながら半球面動作が可能な関節アクチェータを提供することができる。
【００２５】
なお、第１および第２モータとしてオープンループの位置決め制御が可能で、数値制御も容易な点を考慮し、リニアステップモータを用いたが、これに限らず、リニア誘導モータ、リニア同期モータに代えても良い。また、リニアステップモータとして２相のものを用いたがこれに限るものではない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１関節軸の一端部に設けられ、凸球面を有する球関節部と、第２関節軸の一端部に設けられ、球関節部の外周部に滑り嵌合、あるいは転がり嵌合する凹球面を有する凹球面関節部と、前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と前記凹球面関節部の所定方向の第１軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第１モータと、前記球関節部と前記凹球面関節部との間に設けられ、当該球関節部と前記凹球面関節部の、前記第１軸線と直交する方向の第２軸線周りの相対的な旋回動作を付与する第２モータとを備えたので、関節本体の第１軸線方向のサイズを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す関節アクチュエータの部分断面図。
【図２】図１の球関節部を示す斜視図。
【図３】リニアステップモータの動作原理を示す説明図。
【図４】従来の関節アクチュエータを示す概略斜視図。
【符号の説明】
１　　　第１関節軸（凸球面アーム）
２　　　球関節部
３　　　凹球面関節部
４　　　滑り軸受面
５　　　第２関節軸（可動アーム）
２１　　経度方向球面溝列
２２　　緯度方向球面溝列
３１　　経度方向可動子極辺歯列
３２　　緯度方向可動子極辺歯列
４１　　第１モータ（経度方向リニアステップモータ）
４２　　第２モータ（緯度方向リニアステップモータ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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