(57)【要約】【課題】小型、軽量化が可能であり、外乱ノイズによる影響を受け難く、ロボットや工作機械の関節部分などを構成するための第１の部材と、この第１の部材を回転可能に支持する第２の部材との間で情報伝達を行うための回転体の光ロータリトランスを提案すること。【解決手段】ロボット用関節部材１を構成する第１の部材２と第２の部材３との間で信号を送受信するための光ロータリトランス４では、第２の部材３に発光素子４３が設けられている一方、第１の部材２に受光素子４４が設けられている。ここで、第１の部材２および第２の部材３の回転中心軸線Ｌを発光素子４３から受光素子４４に到る光軸と一致させてあるので、部材２、３の回転中も発光素子４３と記受光素子４４との結合状態を維持することができる。【選択図】　　　図１
2004103686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方が回転する第１の部材と第２の部材との間で信号を送受信するためのロータリトランスであって、
前記第１の部材および前記第２の部材のうちの一方側に発光素子が設けられている一方、他方側には受光素子が設けられ、
前記第１の部材および前記第２の部材のうち、回転する部材の回転中心軸線を前記発光素子から前記受光素子に到る光軸の少なくとも一部と一致させて、前記部材の回転中も前記発光素子と前記受光素子との結合状態が維持されることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の部材および前記第２の部材はいずれも回転可能であることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項３】
請求項２において、前記第１の部材と前記第２の部材の回転中心軸線が一致していることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記発光素子と前記受光素子とは、対向して配置されていることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記発光素子から前記受光素子に到る光路上には、前記発光素子から前記受光素子に到る光軸を折り曲げる反射部材が配置されていることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第１の部材には、第１の発光素子が配置されている一方、前記第２の部材には、前記第１の発光素子の出射光を受光する第１の受光素子が設けられ、
前記第２の部材には、第２の発光素子が配置されている一方、前記第１の部材には、前記第２の発光素子の出射光を受光する第２の受光素子が設けられ、
前記第１の発光素子から前記第１の受光素子に到る第１の光軸と、前記第２の発光素子から前記第２の受光素子に到る第２の光軸とは一部が重なって共通の光路が構成されているとともに、当該共通の光路上には、前記第１の光軸と、前記第２の光軸とを分岐させるビームスプリッタが配置されていることを特徴とする光ロータリトランス。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記発光素子から前記受光素子に到る光路には、光の伝達損失を抑える導光部材が配置されていることを特徴とする光ロータリトランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対回転する第１の部材と第２の部材との間で信号を光により送受信する光ロータリトランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットや工作機械における関節部分では、相対的に回転する第１の部材と第２の部材との間で制御信号などを送受信する場合がある。このような場合、第１の部材と第２の部材との間の信号の送受信は、関節の動きに対して余裕を持った長さの接続ケーブルで２つの部材を結んで行うこともできるが、接続ケーブルは関節の動きの邪魔になるので、本来は接続ケーブルを使用しない結線レスの信号伝達が望ましい。
【０００３】
このような結線レスでの信号の送受信に適した方法としては、第１の部材および第２の部材の部材の双方にコイルを搭載し、コイルでの誘導電流を利用する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１６１５５７号公報（第２頁、第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットでは、人間型ロボットのように、腕や足や腰、さらには指など、多数の関節部分を備えたものがあり、このような関節部分で用いるロータリトランスは小型、軽量であることが求められる。しかしながら、コイルを用いたロータリトランスでは、このような要求に対応することができないという問題点がある。
【０００６】
また、ロボットや工作機械は、電磁誘導などの外乱ノイズが発生しやすい場所で使用されることもあるため、関節部分に用いるロータリトランスは外乱ノイズに対する影響を受けに難いものにする必要があり、かつ、ロータリトランス自身も電磁ノイズを発生させないことが求められるが、このような要求にも、コイルを用いたロータリトランスは対応することができないという問題点がある。
【０００７】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、小型、軽量化が可能であり、かつ、外乱ノイズによる影響を受け難い一方、それ自身も電磁ノイズを発生させることのない光ロータリトランスを提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも一方が回転する第１の部材と第２の部材との間で信号を送受信するためのロータリトランスであって、前記第１の部材および前記第２の部材のうちの一方側に発光素子が設けられている一方、他方側には受光素子が設けられ、前記第１の部材および前記第２の部材のうち、回転する部材の回転中心軸線を前記発光素子から前記受光素子に到る光軸の少なくとも一部と一致させて、前記部材の回転中も前記発光素子と前記受光素子との結合状態が維持されることを特徴とする。すなわち、ロータリトランスを光ロータリトランスとして構成することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、第１の部材と第２の部材との間での信号伝達に接続ケーブルを用いることなく、光通信を利用する。このため、コイルでの誘導電流を利用したロータリトランスと比較して小型、軽量化を図ることができるので、ロボットの関節部分を構成する部材間などでの信号の送受信に適している。また、光通信は、電磁誘導などの外乱ノイズによる影響を受けず、かつ、それ自身も電磁ノイズを発生させない。しかも、光通信の場合、光が直進するため、回転する部材との信号の送受信が困難であるところ、本発明では、第１の部材および第２の部材のうち、回転する部材の回転中心軸線を発光素子から受光素子に到る光軸の少なくとも一部と一致させてあるため、部材の回転中も発光素子と受光素子との結合状態を維持することができる。それ故、部材の回転中も部材間で信号の送受信を確実に行うことができる。
【００１０】
本発明において、前記第１の部材および前記第２の部材の一方のみが回転可能な構成であってもよいが、前記第１の部材および前記第２の部材の双方が回転可能な場合に本発明を適用してもよい。
【００１１】
本発明において、前記第１の部材および前記第２の部材の双方が回転可能な場合、前記第１の部材の回転中心軸線と、前記第２の部材の回転中心軸線が一致している構成であってもよいが、双方の回転中心軸線がずれている場合に本発明を適用してもよい。
【００１２】
本発明において、前記発光素子と前記受光素子とは、例えば、対向して配置される。
【００１３】
本発明において、前記発光素子と前記受光素子が対向配置されていない場合、前記発光素子から前記受光素子に到る光路上に、前記発光素子から前記受光素子に到る光軸を折り曲げる反射部材を配置すればよい。
【００１４】
反射部材のうち、部分反射面を備えたものを利用すれば、例えば、第１の部材と第２の部材との間で双方向の信号の送受信を行うことが可能な光ロータリトランスを構成できる。すなわち、前記第１の部材には、第１の発光素子が配置されている一方、前記第２の部材には、前記第１の発光素子の出射光を受光する第１の受光素子が設けられ、前記第２の部材には、第２の発光素子が配置されている一方、前記第１の部材には、前記第２の発光素子の出射光を受光する第２の受光素子が設けられ、前記第１の発光素子から前記第１の受光素子に到る第１の光軸と、前記第２の発光素子から前記第２の受光素子に到る第２の光軸とは一部が重なって共通の光路が構成されているとともに、当該共通の光路上には、前記第１の光軸と、前記第２の光軸とを分岐させるビームスプリッタが配置されている光ロータリトランスを構成することができる。
【００１５】
本発明において、前記発光素子から前記受光素子に到る光路には、光の伝達損失を抑える導光部材が配置されていることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の回転体の光ロータリトランスをロボット用関節部材に適用した実施の形態を説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
（ロボット用関節部材）
図１（ａ）および（ｂ）は、本例の光ロータリトランスを備えたロボット用関節部材を示す斜視図および縦断面図である。
【００１８】
図１に示すように、ロボット用関節部材１は、ロボットの腕など回転する側に取付けられる第１の部材２と、この第１の部材２に対して相対回転可能に連結された状態でロボットの肩などに取付けられる第２の部材３とから構成されており、これらの第１の部材２および第２の部材３の間で信号の送受信が可能なロータリトランス機能を有している。
【００１９】
第１の部材２は、円筒状の胴部２１を備えた部材であり、この胴部２１の上端開口には、光ロータリトランス４を構成する部品を取付けるための第１の取付板４１が取付けられている。
【００２０】
第２の部材３は、円筒状の支軸部３１と、支軸部３１の下端側から外側に広がるフランジ部３２とを備えている。支軸部３１およびフランジ部３２の中心部分は、同径のパイプ部分３３となっている。フランジ部３２の下面には、光ロータリトランス４を構成する部品を取付けるための第２の取付板４２が取付けられている。
【００２１】
また、第１の部材２の胴部２１には、その下端開口から、第２の部材３の支軸部３１が嵌め込まれている。胴部２１と支軸部３１の間には、複数のベアリングボール５が挟まれており、第１の部材２と第２の部材３とは、各々、支軸部３１の中心軸線を共通の回転中心軸線Ｌとして回転可能な状態にある。
【００２２】
（光ロータリトランスの構成）
本形態の光ロータリトランス４は、第２の部材３から第１の部材２に信号を伝達するためのものであり、第２の部材３のパイプ部分３３には、取付板４２を介して発光ダイオード、半導体レーザなどの発光素子４３が第１の部材２に向けて取り付けられ、第１の部材２には、発光素子４３と対向する位置に、フォトダイオード、あるいはフォトダイオードを制御回路に集積化したＰＤＩＣなどの受光素子４４が取り付けられている。従って、支軸部３１の内部（パイプ部分３３）は、発光素子４３から受光素子４４に向かう光路として利用される。このため、支軸部３１の内部は空洞であってもよいが、径方向に沿って内周ほど屈折率が高く、外周ほど屈折率が低くなっているガラス製あるいは樹脂製の導光部材４９などを配置して、発光素子４３から受光素子４４への信号伝達損失を抑えてもよい。
【００２３】
ここで、発光素子４３から受光素子４４に向かう光軸は、第１の部材２および第２の部材３の回転中心軸線Ｌと完全に一致している。このため、第１の部材２、および第２の部材３の一方、あるいは双方が回転しているときでも、発光素子４３と受光素子４４とは光結合している状態にある。それ故、本形態の光ロータリートランス４によれば、第２の部材３から第１の部材２へ制御信号などを送信することができる。
【００２４】
また、本形態の光ロータリトランス４は、光通信を利用しているため、小型、軽量化を図ることができるので、ロボットの関節部分を構成する部材間などでの信号の送受信に適している。また、光通信は、電磁誘導などの外乱ノイズによる影響を受けず、かつ、それ自身も電磁ノイズを発生させない。
【００２５】
［実施の形態２］
図２は、本例の光ロータリトランスを備えたロボット用関節部材を示す縦断面図である。なお、本形態、および後述する形態３の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付して図示することにして、それらの説明を省略する。
【００２６】
図２において、本形態の光ロータリトランス４も、実施の形態１と同様、第２の部材３から第１の部材２に信号を伝達するためのものであり、第２の部材３には、発光素子４３が第１の部材２に向けて取り付けられ、第１の部材２には、発光素子４３と対向する位置に受光素子４４が取り付けられている。
【００２７】
但し、実施の形態１では、第２の部材３のフランジ部３２に発光素子４３が取り付けられていたのに対して、本形態では、第２の部材３の支軸部３１の先端部に対して、受光素子４４と対向するように発光素子４３が取り付けられている。
【００２８】
このように構成した光ロータリトランス４でも、発光素子４３から受光素子４４に向かう光軸は、第１の部材２および第２の部材３の回転中心軸線Ｌと完全に一致している。このため、第１の部材２、および第２の部材３の一方、あるいは双方が回転しているときでも、発光素子４３と受光素子４４とは光結合している状態にある。それ故、本形態の光ロータリートランス４によれば、第２の部材３から第１の部材２へ制御信号などを送信することができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００２９】
［実施の形態３］
図３は、本例の光ロータリトランスを備えたロボット用関節部材を示す縦断面図である。
【００３０】
図３において、本形態の光ロータリトランス４は、第１の部材２から第２の部材３に信号を伝達するとともに、第２の部材３から第１の部材２にも信号を伝達するためのものである。
【００３１】
第１の部材２において、第１の取付板４１は、第１の部材２の回転中心軸線Ｌと同心状に形成された円筒部４１ａを備えており、この円筒部４１ａの側面には開口４１ｂが形成されている。
【００３２】
同様に、第１の部材３において、第２の取付板４２は、第１の部材２と共通の回転中心軸線Ｌと同心状に形成された円筒部４２ａを備えており、この円筒部４２ａの側面には開口４２ｂが形成されている。
【００３３】
ここで、第１の部材２の円筒部４１ａの端部には、第１の発光素子４３ａが取付けられている一方、第２の部材３の円筒部４２ａの端部には、第２の発光素子４３ｂが取り付けられている。
【００３４】
また、第２の部材３の円筒部４２ａの側面部において、開口４２ｂに相当する位置には、第１の発光素子４３ａから出射された光信号を受光する第１の受光素子４４ａが取り付けられ、第１の部材２の円筒部４１ａの側面部において、開口４１ｂに相当する位置には、第２の発光素子４３ｂから出射された光信号を受光する第２の受光素子４４ｂが取り付けられている。
【００３５】
第１の発光素子４３ａと第２の発光素子４３ｂとは対向しており、第１の発光素子４３ａから第１の受光素子４４ａに到る第１の光軸、および第２の発光素子４３ｂから第２の受光素子４４ｂに到る第２の光軸は、第２の部材３の支軸部３１の内部を共通の光路としている。
【００３６】
そこで、本形態では、第２の部材３には、第１の発光素子４３ａから第１の受光素子４４ａに到る第１の光軸を共通の光路から分岐させるための第１のビームスプリッタ４８ａが取り付けられている。また、第１の部材２には、第２の発光素子４３ｂから第２の受光素子４４ｂに到る第２の光軸を共通の光路から分岐させるための第２のビームスプリッタ４８ｂが取り付けられている。
【００３７】
また、第２の部材３のパイプ部分３３には、径方向に沿って内周ほど屈折率が高く、外周ほど屈折率が低い導光部材４９が配置され、この部分での光の伝達損失を抑えている。
【００３８】
ここで、第１の部材２と第２の部材３の共通の回転中心軸線Ｌは、第１の発光素子４３ａから第１の受光素子４４ａに到る第１の光軸と、第２の発光素子４３ｂから第２の受光素子４４ｂに到る第２の光軸とが一致する部分と一致している。
【００３９】
このため、第１の部材２および第２の部材３が回転している状態にあっても、第１の部材２の側において第１の発光素子４３ａから出射された光は、共通の光路を通って第１のビームスプリッタ４８ａに到達し、この第１のビームスプリッタ４８ａの部分反射面で反射して第１の受光素子４４ａに到達する。また、第１の部材２および第２の部材３が回転している状態にあっても、第２の部材３の側において第２の発光素子４３ｂから出射された光は、共通の光路を通って第２のビームスプリッタ４８ｂに到達し、この第２のビームスプリッタ４８ｂの部分反射面で反射して第２の受光素子４４ｂに到達する。
【００４０】
それ故、実施の形態１、２と同様、回転する部材２、３との間で信号の送受信を行うことができるなどの効果を奏する。また、本形態によれば、回転する部材２、３との間で信号を双方向で送受信することができる。
【００４１】
なお、第１および第２の発光素子４３ａ、４３ｂから出射された信号光が、近傍側の第１および第２の発光素子４４ａ、４４ｂで検出されて混信を招くおそれがある場合、あるいは光の伝達損失を抑えたい場合には、第１および第２の発光素子４３ａ、４３ｂから出射される光の波長を異ならせるとともに、第１および第２のビームスプリッタ４８ａ、４８ｂの部分反射面の光学特性を異ならせておけばよい。
【００４２】
［その他の実施の形態］
なお、上記形態では、第１の部材２と第２の部材３とが共通の回転中心軸線Ｌ周りに回転する構成であったが、図４に示すように、第１の部材２と第２の部材３が、各々別の回転中心軸線Ｌ１、Ｌ２周りに回転する場合に、例えば、反射部材４９ａ、４９ｂによって、発光素子４３から出射された光を受光素子４４に導く構成とすればよい。このような場合も、発光素子４３から受光素子４４に向かう光軸の少なくとも一部分と、第１の部材２の回転中心軸線Ｌ１、および第２の部材３の回転中心軸線Ｌ２とが一致しているので、第１の部材２および第２の部材３が回転中であっても、発光素子４３と受光素子４４との光結合状態を維持することができる。
【００４３】
また、上記形態では、第１の部材２と第２の部材３が双方とも回転する部材であったが、一方が回転部材で他方が固定部材の場合に本発明を適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、回転する部材の回転中心軸線を発光素子から受光素子に到る光軸の少なくとも一部と一致させて、部材の回転中も発光素子と受光素子との結合状態が維持されるように構成してある。このため、接続ケーブルを用いることなく、光通信を利用して信号の送受信を行うことができる。また、本発明に係る光ロータリトランスは、コイルの誘導電流を利用したロータリトランスと比較して小型、軽量化を図ることができるので、ロボットの関節部分を構成する部材間などでの信号の送受信に適している。また、光通信は、電磁誘導などの外乱ノイズによる影響を受けず、かつ、それ自身も電磁ノイズを発生させない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明の実施の形態１に係る光ロータリトランスを備えたロボット用関節部材を示す説明図、および縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る光ロータリトランスの縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る光ロータリトランスの縦断面図である。
【図４】本発明のさらに別の光ロータリトランスの縦断面図である。
【符号の説明】
１　ロボット用関節部材
２　第１の部材
３　第２の部材
４　光ロータリトランス
５　ベアリングボール
２１　胴部
３１　支軸部
３２　フランジ部
３３　パイプ部分
４１　第１の取付板
４１ａ　円筒部
４１ｂ　開口
４２　第２の取付板
４２ａ　円筒部
４２ｂ　開口
４３　発光素子
４３ａ　第１の発光素子
４３ｂ　第２の発光素子
４４　受光素子
４４ａ　第２の発光素子
４４ｂ　第２の受光素子
４８ａ　第１のビームスプリッタ
４８ｂ　第２のビームスプリッタ
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２　回転中心軸線
【図１】
2004103686.tif 000003
【図２】
2004103686.tif 000004
【図３】
2004103686.tif 000005
【図４】
2004103686.tif 000006