(57)【要約】【課題】モータにより駆動される機械装置の状態を計測するセンサは、可動部に配置されるためその情報は無線で伝送されることで多くのメリットがある。しかしセンサや無線回路に供給する電源にバッテリを使用すると容量不足や高頻度のバッテリ交換が問題となる。  【解決手段】機械装置１０２の状態を測定するロボットセンサ装置１１１において運動エネルギーを電力に変換する発電モジュール１０４を用いることでセンサ１０３および無線回路１０６の電力供給を行う。またバッテリ１０５を併用することで生成される電力不足を補う。供給源を切り替える手段を持つことで電源の切り忘れや電力不足に対応することができ、安定的な供給や動作を実現することが可能となる 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータで駆動する機械装置に用いるセンサ装置において、
前記機械装置の状態を測定するセンサと、
センサ情報を機械装置コントローラに無線により伝送する無線回路と、
前記機械装置に付加された運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電モジュールとを備え、
前記発電モジュールで生成された電力により前記センサと前記無線回路の必要電力を供給することを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記発電モジュールを、圧電素子を用い構成したことを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記圧電素子を用いた発電モジュールは圧電セラミクス板と鋼球と、前記鋼球を転動可能に収納する支持部材とからなり、前記鋼球が転動して前記圧電セラミクス板へ衝突することにより前記圧電セラミクス板が変形し、前記圧電セラミクス板の両面に取り付けた電極間に電荷を発生させる構成であることを特徴とする請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記機械装置は多関節ロボットであることを特徴とした請求項１〜３のいずれか1項記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記発電モジュールと共に電力供給手段としてバッテリを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記センサ装置上のセンサ情報から機械装置の運動の状態を計測し、
この運動の状態により電力供給方法を切替る手段を有することを特徴とする請求項５記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記機械装置コントローラにおける機械装置の運動指令と機械装置の各軸モータの位置信号及びトルク指令値から機械装置の運動状態を推定し、
この運動状態の推定値により電力供給方法を切替る手段を有することを特徴とする請求項５記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記発電モジュールの出力電圧の大きさにより電力供給方法を切替る手段を有する請求項５記載のセンサ装置。
【請求項９】
機械装置の運動状態により前記発電モジュールで発生する電力を前記バッテリに充電することを特徴とする請求項５〜７のいずれか1項記載のセンサ装置。
【請求項１０】
バッテリの充電効率を向上するために、前記発電モジュールと前記バッテリの間に変圧器を入れたことを特徴とする請求項９記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット、工作機械、ＸＹテーブルなどの機械装置に取り付けられたセンサ及びセンサからの情報を無線により伝送する無線回路、これらを駆動する発電モジュールおよびバッテリから構成されるセンサ装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来の機械装置に用いるセンサ装置の一例としてはウェーハ移載ロボットに用いられたフィンガ衝突検知装置がある。（特許文献１参照）。
図８の装置は、衝突検知手段１０と、別に設置されている制御装置に設けられた受信器１１とから成り、衝突検知手段１０には検知回路１２、無線発信回路１３、アンテナ１３ａ、バッテリ１４から構成される。フィンガ４がキャリア、ボート、又はウェーハ等に衝突すると、弾性部材であるばね８ａが押されてリミットスイッチ８ｂが作動し検知回路１２を経て無線発信回路１３のアンテナ１３ａから信号が送られ、別に設置される制御装置の受信器１１で受信し、この信号により制御装置によってロボットが停止される。
このように、図８のセンサ装置では、電力供給はバッテリ単体により行い、センサ信号出力は無線通信により行うようにしている。
【特許文献１】特開平６−３４９９３０号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述の従来のセンサ装置ではセンサと無線を機能させるためにはバッテリが必要となる。通信に要する電力が大きなものであるため、単体のバッテリで全ての電力を供給しようとするとバッテリに要求される容量は大きなものとなる。バッテリ交換の頻度を少なくするためにはバッテリ体積を増加させれば良いが、アーム先端に取り付けることが困難になる。バッテリ体積を抑えるとバッテリ寿命（交換間隔）が短くなり、頻繁にバッテリ交換をする必要がある。バッテリ寿命（交換間隔）はバッテリ容量で決まる。また、電源スイッチの切り忘れなどがあるとバッテリ寿命（交換間隔）が極端に短くなり、異常検出などセンサ情報を用いた制御では安全上の問題が生じる。
また、前記図８における検知回路１２及び無線発信器１３の電源は常時投入され、コントローラ電源が落とされてロボットが動作していない時でもバッテリ１４が消費される。そのため、ロボットが動作する時に電源スイッチを投入し、ロボットが動作しない時に電源スイッチを切断できるようにしてロボットの起動／停止のたびに電源スイッチを投入／切断できる構成とすることが考えられるが、制御回路が複雑になり、またスイッチの投入及び切断を行う工数が大きく、切断し忘れた場合バッテリが消耗してしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、センサ装置に取り付けた発電モジュールによってセンサ及び無線回路の消費電力を供給するとともに、付加されたバッテリの消耗を低減するセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成する。
請求項１に記載の発明は、モータで駆動する機械装置において、機械装置の状態を測定するセンサおよびセンサ情報を機械装置コントローラに無線により伝送する無線回路から構成され、機械装置に付加された運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電モジュールを有し、発電モジュールで生成された電力によりセンサと無線回路の必要電力を供給するセンサ装置とすることを特徴とする。
請求項２，３に記載の発明は、発電モジュールを圧電素子を用い構成したことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、機械装置が多関節ロボットであることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、発電モジュールと共に電力供給手段としてバッテリを有することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、センサ装置上のセンサ情報から機械装置の運動の状態を計測し、この運動の状態により電力供給方法を切替る手段を有することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、機械装置の運動指令と機械装置の各軸モータの位置信号及びトルク指令値から機械装置の運動状態を推定し、この運動の状態の推定値により電力供給方法を切替る手段を有することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、発電モジュールの出力電圧の大きさにより電力供給方法を切替る手段を有することを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、機械装置の動作状態によりセンサ装置への電源供給源の選択とともに発電モジュールで発生した電力がセンサ装置の消費電力より大きい場合余剰電力をバッテリに充電することを可能とすることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、発電モジュールと充電するバッテリの間に変圧器を入れ、発電モジュールとバッテリのインピーダンス整合をとることによりバッテリの充電効率を向上することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、電源を発電モジュール１０４とし、信号出力を無線回路１０６と機械装置コントローラ１０１の間で無線により行うのでセンサ装置と機械装置コントローラを無配線で接続でき、機械装置が多回転の旋回動作を行う場合でも機械装置先端のセンサ情報を測定できる。
電力は発電モジュールから供給されるので、無線付きセンサ装置全体を小型軽量に構成することができる。また無配線にすることができるため、センサ装置の配置の自由度が向上し、多自由度で動き回るロボットのような機械でも必要部分に容易に取り付けることが可能となりセンサ信号を得ることができる。
請求項２，３に記載の発明によると、圧電素子を用いた発電モジュールを用いることにより、機械装置の運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが出来、発電モジュール単独でもセンサ及び無線回路に電力を供給することができる。
請求項４に記載の発明によると、機械装置として多関節ロボットにセンサ装置を搭載することによって発電モジュールでロボット動作の運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができ、センサおよび無線回路に電力を供給することができる。
請求項５に記載の発明によると、発電モジュールで不足する電力をバッテリから供給することができるので、機械の動き初めや低速・低加速時など発電をする上で条件が悪い場合でも安定して電力を供給することができる。
請求項６に記載の発明によると、機械装置に取り付けたセンサからの情報を元に電力供給源を発電モジュールまたはバッテリ、あるいは両者を共用する方法を切替ることができるので、機械装置の運動状態に応じて適切な電力供給源を選択することができ、バッテリの消耗を最低限に抑えることができる。また機械装置の運動状態に依存せず、より安定した電力供給を行うことが可能になる。
請求項７に記載の発明によると、機械装置コントローラの運動指令と機械装置の各軸モータの位置信号及びトルク指令値から推定される機械装置の運動状態を元に電力供給源を発電モジュールまたはバッテリ、あるいは両者を共用する方法を切替ることができ、運動状態に応じて適切な電力供給源を選択することができ、バッテリの消耗を最低限に抑えることができる。また機械装置の運動状態に依存せず、より安定した電力供給を行うことが可能になる。
請求項８に記載の発明によると、発電モジュールの出力電圧の大きさを元に電力供給源を発電モジュールまたはバッテリ、あるいは両者を共用する方法を切替ることができるので、簡単な回路構成により電力供給源を選択することができ、バッテリの消耗を最低限に抑えることができる。また機械装置の運動状態に依存せず、より安定した電力供給を行うことが可能になる。
請求項９に記載の発明によると、発電モジュールにおいてセンサ装置の消費電力より大きい電力が発生する場合、余剰電力をバッテリに充電できるのでバッテリの消耗を抑えることができる。
請求項１０に記載の発明によると、発電モジュールと充電されるバッテリの間に変圧器を挿入することにより、発電モジュールとバッテリの間のインピーダンス整合をとることが可能となり、発電モジュールで発生する電力を効率よくバッテリに充電できるのでバッテリの消耗を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１に原理図を示す。図で１０１は機械装置コントローラであり、運動指令をもとにモータに対する位置指令や速度指令などを発生させる。指令によりモータが駆動されるが、モータを内蔵した機械装置１０２は運動を発生する。機械装置にはセンサ１０３が付加される。例えば加速度や振動センサがその一例である。測定されたセンサ情報は情報伝達手段を用いて機械装置コントローラに伝送され、フィードバック制御や安全機能を実現することができる。図では情報伝送手段として無線による方法を示している。センサ装置１１１は機械装置１０２にとってできるだけ負荷とならないように小型軽量が望まれる。また、モータの数が増加すると機械装置自体が複雑化するため、センサ装置１１１と機械装置コントローラ１０１を結ぶ配線は極力無配線化が望ましい。信号の配線が無くなると、必然的にセンサや無線で消費される電力供給手段も配線レスとすることが望まれる。配線レスで電力供給する方法として一般的にはバッテリなどで電力供給されるが、本発明ではモータにより機械装置１０２に運動が生成される特徴を用いて運動エネルギーを電力に変換する発電モジュール１０４を付加することで、必要となる電力をシステム内部で自ら生成することを特徴としている。
実施例では機械装置の具体的な例としてロボットを用いた場合を説明する。
【実施例１】
【０００７】
図２に本考案の第１の実施例であるロボットセンサ装置のブロック図を示す。
センサ１０３と無線回路１０６の給電が、発電モジュール１０４とバッテリ１０５を含むモジュールから供給されている。発電モジュール１０４の構成の一例を図７に示す。発電モジュールは鋼球３０２、圧電セラミック板３０１及び支持部材３０３から構成される。鋼球３０２は発電モジュールが速度変化を受けるとき支持部材３０３のパイプ内部を転がり圧電セラミック板３０１に衝突する。この衝撃により圧電セラミック板３０１は変形され歪み量に応じた電荷を圧電セラミック板３０１の両表面に貼られた電極間に発生する。発生される電荷を配線３０４により外部回路に取り出し、整流回路で整流して発電電力を外部回路に供給するように構成している。
【０００８】
図２のセンサ装置１１１はセンサ１０３、発電モジュール１０４、バッテリ１０５及び無線回路１０６から構成される。センサ装置１１１は多関節ロボット２０４に取り付けられ、内蔵されるセンサ１０３によりロボットのアーム先端や作業ツール２０５の加速度や振動などの状態量が測定され、測定データを無線回路１０６を介して無線によりセンサ無線信号１０７としてロボットコントローラ２０１に伝送する。
ロボットコントローラ２０１はロボット用多軸制御演算装置２０２とロボット用多軸アンプ２０３から構成される。本発明においては従来のロボット用多軸制御演算装置２０２に無線回路１０６との無線交信機能が付け加えられており、受け取ったセンサ情報に基づきロボットの制御性能の向上が図られる。ロボット動作プログラムはロボット用多軸制御演算装置２０２において実行されロボット用多軸アンプ２０３が多関節ロボット２０４の各軸に取り付けたモータに電流を流してロボットアームの位置及び速度を制御する。
【０００９】
センサ１０３と無線回路１０６の電源には発電モジュール１０４及びバッテリ１０５が使われる。発電モジュール１０４が発電しない場合はバッテリ１０５の電力がセンサ装置１１１の消費電力として用いられ、発電モジュール１０４が十分な発電電力を発生する場合は発電モジュール１０４の発電電力をセンサ装置１１１の消費電力として用いてセンサ１０３と無線回路１０６を動作させる。センサ装置の電源に用いられる発電モジュール１０４とバッテリ１０５の切替は発電モジュールの発電状態により自動的に行われる。
センサ１０３が例えばアーム先端や作業ツール２０５の加速度や振動の情報を取得する場合、センサ情報をロボット用多軸制御演算装置２０２のロボット制御演算に用いて、アーム先端の振動を抑制したり、ロボットが周辺環境に衝突して緊急停止するための検出信号に利用する。
【００１０】
多関節ロボット２０４はモータが配置されたアームがシリーズに結合された構成であるため、配線の取り回しが難しい。ロボットが作業するポイントは通常はシリーズに結合された最終端にあるため、配線レスの要求が高い。またセンサ１０３の取り付けには作業を行う先端の作業ツール２０５の形状や作業のための複雑な運動方向に対応するため、取り付け自由度も高いことが要求事項の一つとしてある。
これらの機能的な要求を満足させると共に信頼性を高めるためには配線レスは大きなメリットを有するポイントとなる。
一方多関節ロボット２０４は開放型のリンク構成を有するため、ロボット先端は大きな運動領域と頻繁な加減速の運動を行う。この特徴はその運動エネルギーを電力に変換して利用しようとする場合に有効な特性となる。このことはバッテリの小型化・軽量化に有利な条件となる。
【実施例２】
【００１１】
図３は、本発明のセンサ装置の第２の実施例を示す回路ブロック図である。
本実施例ではセンサトリガ発生回路１２０と切替スイッチ４０１が設けられている。センサトリガ発生回路１２０はセンサ１０３の信号の大きさに応じて切替用トリガ信号４０２を出力する。切替用トリガ信号４０２ではセンサ１０３と無線回路１０６の電力供給源として、発電モジュール１０４、バッテリ１０５、発電モジュール１０４及びバッテリ１０５の両方の３つの状態のどれを選択するかが示される。切替スイッチ４０１は切替用トリガ信号４０２に基づいてセンサ１０３と無線回路１０６の電力供給源を選択する。
【００１２】
センサ１０３として振動センサが使用される場合、ロボットの振動状態がモニタできる。    
ロボットの動作が小さい場合や姿勢変化が小さい場合、ロボット本体に取り付けられた振動センサ１０３と発電モジュール１０４に加わる振動は小さい。センサ１０３の出力電圧は小さく発電モジュール１０４の発電電力は小さい。センサ１０３と無線回路１０６の消費電力を発電モジュール１０４から供給できないため電力供給源にバッテリ１０５が選択される。センサトリガ発生回路１２０は切替用トリガ信号４０２にバッテリ１０５を選択する信号を出力して、切替スイッチ４０１は電力供給源としてバッテリ１０５を接続する。
ロボットの動作や姿勢変化が大きな場合、センサ１０３と発電モジュール１０４に加わる振動が大きくなる。センサ１０３の出力電圧が大きくなり、発電モジュール１０４の発電電力も大きくなる。センサ１０３の出力電圧が一定値を超える場合発電モジュール１０４による電力供給が可能となったとして、センサトリガ発生回路１２０は切替トリガ信号４０２として発電モジュール１０４を選択する信号を出力して、切替スイッチ４０１は電力供給源として発電モジュール１０４を選択する。
発電モジュール１０４のみで電力供給できない場合、電力供給源を発電モジュール１０４とバッテリ１０５の両方としてバッテリ１０５の消費電力を低減させる回路構成としている。この場合切替スイッチ４０１では電力供給源として発電モジュール１０４とバッテリ１０５の両方が選択される。
【実施例３】
【００１３】
図４は、本発明のセンサ装置の第３の実施例を示す回路ブロック図である。
多関節ロボットの位置指令、位置信号及びトルク指令から計算によりロボットの動作速度及びロボットの姿勢を推定して推定される動作速度が小さい場合や姿勢が変化しない場合は発電モジュール１０４の発電量は小さいとしてセンサ装置の電源をバッテリ１０５から供給する。推定される動作速度が一定値以上になる場合や姿勢の変化が大きい場合に発電モジュール１０４がセンサ装置の電源を供給できるとして切替スイッチ４０１を発電モジュール１０４側の電力を使用するように切替る。電力供給源を切替る信号はロボットコントローラ２０１において生成され、この信号を無線回路１０６に伝送し無線回路で切替用トリガ信号４０２に変換して切替スイッチ４０１の切替を行う。
センサ情報を、無線回路１０６を介してロボットコントローラ２０１に伝送しセンサ情報、コントローラ情報を組み合わせてロボットの動作速度及びロボットの姿勢を推定して切替用トリガ信号４０２を生成する構成としても良い。
【実施例４】
【００１４】
図５は、本発明のセンサ装置の第４の実施例を示す回路ブロック図である。
発電モジュール１０４の出力電圧と基準電圧４０４の比較器４０３による比較結果を切替スイッチ４０１に入力して電力供給源を切替る。発電モジュール１０４の出力電圧が小さい時は、発電量は小さいとしてセンサ装置の電源をバッテリ１０５から供給し、出力電圧が一定値以上のときは発電モジュール１０４から供給する。
【００１５】
実施例２〜４の発電モジュール１０４がバッテリ１０５を充電する回路構成とすることもできる。切替スイッチ４０１はロボットの動作状態に応じてセンサ装置１１１の電源を発電モジュール１０４またはバッテリ１０５、あるいは両方から供給するとともに発電モジュール１０４がセンサ装置１１１の消費電力より大きい電力を発生するロボット動作状態の場合、発電モジュール１０４がバッテリ１０５を充電する回路構成をしているのでバッテリ１０５の寿命を延ばすことが可能となる。
発電モジュール１０４で発生した電力のすべてを一旦バッテリ１０５に充電する回路構成とすることもできる。この回路構成により発電モジュール１０４で発生する電力の多くをセンサ１０３と無線回路１０６の消費電力として使用することが可能となり、バッテリ１０５の電力消費を低減することが可能となる。
【実施例５】
【００１６】
図６は、本発明のセンサ装置の第５の実施例を示すブロック図である。発電モジュール１０４の発電部分は振動などの運動エネルギーにより発電する構成をしている。本実施例では発電モジュール１０４とバッテリ１０５を含めた充電回路の間に変圧器１１０を挿入して発電モジュールと充電回路の間のインピーダンス整合をとり発電モジュール１０４で発生する電力のバッテリへの充電効率を上げる。バッテリ１０５への充電効率の向上により発電モジュール１０４が発生する電力のセンサ装置への利用を増加させることができバッテリの寿命を延ばすことが可能となる。
【００１７】
発電モジュール１０４によりロボットセンサ装置１１１の電源を供給する構成としているので、バッテリ１０５として高容量のバッテリを必要とせず低重量かつ低容積とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明のセンサ装置を、姿勢の変化が大きく配線を引き出すことができない機械装置や配線により状態が変化する機械装置に取り付けて、その測定値を機械装置コントローラに送信することにより、機械装置の運動状態がモニタでき、制御性能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の原理を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施例を示すロボットセンサ装置のブロック図
【図３】本発明の第２の実施例を示すセンサ装置のブロック図
【図４】本発明の第３の実施例を示すセンサ装置のブロック図
【図５】本発明の第４の実施例を示すセンサ装置のブロック図
【図６】本発明の第５の実施例を示すセンサ装置のブロック図
【図７】本発明の圧電素子を用いた発電モジュールの例
【図８】従来のセンサ装置
【符号の説明】
【００２０】
１０１  機械装置コントローラ
１０２  モータおよび機械装置
１０３  センサ
１０４  発電モジュール
１０５  バッテリ
１０６  無線回路
１０７  センサ無線信号
１０８  運動指令
１０９  整流回路
１１０  変圧器
１１１  センサ装置
１２０  センサトリガ発生回路
２０１  ロボットコントローラ
２０２  ロボット用多軸制御演算装置
２０３  ロボット用多軸アンプ
２０４  多関節ロボット
２０５  作業ツール
３０１  圧電セラミック板
３０２  鋼球
３０３  支持部材
３０４  配線
３０５  接着剤
３０６  クッション材
４０１  切替スイッチ
４０２  切替用トリガ信号
４０３  比較器
４０４  基準電圧
【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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【図８】
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