JP7430584B2 - アクチュエータ及びブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及びブレーキに関する。

特許文献１には、可動ディスクが中間ディスクを挟み込むことで制動力を発生させ、コイルが通電されることで上記の挟み込みが解除されて制動力が解放される電磁摩擦ブレーキが示されている。特許文献１の電磁摩擦ブレーキは、コイルの内側に可動ディスク、固定ディスク及び中間ディスクを配置することで、軸方向の厚みを小さくしている。

特開平８－２１９１９４号公報

コイルに通電することで動作するブレーキは、通電によりコイルが発熱する。したがって、コイルケースを大きくして放熱作用を高めるなど大型化する傾向にあった。

本発明は、薄型でかつ正常な温度範囲での使用が可能なブレーキ、並びに、このようなブレーキを有するアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、
モータと、ブレーキと、前記モータの構成部材を収容するモータケーシングと、前記ブレーキの構成部材を収容するブレーキケーシングとを備え、前記モータケーシングと前記ブレーキケーシングとが連結されたアクチュエータであって、
前記ブレーキは、コイル及びコイルケースを含むステータと、前記コイルと軸方向に対向する摩擦板とを有し、
前記コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下であり、かつ、前記摩擦板における前記コイルケースから軸方向に最も遠い側の第１端面から、前記コイルケースにおける前記第１端面とは反対側の第２端面までの距離を、前記最小外径で除算した値が０．２以下である。

本発明に係るブレーキは、
コイル及びコイルケースを含むステータと前記コイルと軸方向に対向する摩擦板とを備えるブレーキであって、
前記コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下であり、かつ、前記摩擦板における前記コイルケースから軸方向に最も遠い側の第１端面から、前記コイルケースにおける前記第１端面とは反対側の第２端面までの距離を、前記最小外径で除算した値が０．２以下である。

本発明によれば、薄型でかつ正常な温度範囲での使用が可能なブレーキ、並びに、そのブレーキを有するアクチュエータを提供できる。

本発明の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図である。 本発明の実施形態に係るブレーキを固定摩擦板側から見た図（Ａ）とコイルケース側から見た図（Ｂ）である。 図２（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面図（Ｂ）とＢ－Ｂ線断面図（Ｂ）である。 実施形態のアクチュエータを搭載した協働ロボットを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図である。以下、中心軸Ｏ１に沿った方向を軸方向、中心軸Ｏ１から垂直な方向を径方向、中心軸Ｏ１を中心とする回転方向を周方向と呼ぶ。中心軸Ｏ１は、出力部材１６の軸部１６ｃ及びロータ軸１３の回転中心軸である。さらに、軸方向において、出力部材１６がある方（図１の左方）を出力側、その反対側（図１の右方）を反出力側又は入力側と呼ぶ。

本実施形態のアクチュエータ１は、回転動力を出力する装置であり、装置外の支持部材２０１に連結されるケーシング１１と、回転動力を発生するモータ（電動モータ）１２と、モータ１２からトルクを受けるロータ軸１３と、ロータ軸１３に制動力を付与可能なブレーキ１４と、ロータ軸１３の回転運動を減速する減速機１５と、減速機１５により減速された回転運動を装置の外部（相手部材２０２）へ出力する出力部材１６と、電気回路が搭載された回路部１７と、ロータ軸１３及び出力部材１６の回転を検出する検出部１８とを備える。回路部１７には、モータ１２の駆動回路が搭載されたモータドライバ基板と、検出部１８の検出回路が搭載されたエンコーダ基板とが含まれる。検出部１８には、ロータ軸１３の回転を検出する入力側回転検出器１８Ａと出力部材１６の回転を検出する出力側回転検出器１８Ｂとが含まれる。減速機１５、モータ１２、ブレーキ１４、検出部１８、並びに、回路部１７が、この順で出力側から反出力側へ並んで配置されている。

ケーシング１１と回転軸部（ロータ軸１３、起振体１５ａ又は軸部１６ｃ）との間には、検出部１８の構成部材を収容する検出部収容空間Ｗ１と、ブレーキ１４の構成部材を収容するブレーキ収容空間Ｗ２と、モータ１２の構成部材を収容するモータ収容空間Ｗ３とが設けられる。アクチュエータ１は、さらに、検出部収容空間Ｗ１とブレーキ収容空間Ｗ２との間に、異物の流通を阻害する第１阻害壁３１を備え、ブレーキ収容空間Ｗ２とモータ収容空間Ｗ３との間に、異物の流通を阻害する第２阻害壁３２を備える。

ケーシング１１は、互いに連結された中空筒状又は環状の部材である。ケーシング１１は、反出力側ケーシング１１ａ、基板ケーシング１１ｂ、中継ケーシング１１ｃ、ブレーキケーシング１１ｄ、モータケーシング１１ｅ、中継ケーシング１１ｆ、減速機ケーシング（第１内歯歯車１５ｄの外周部）、並びに、出力側ケーシング１１ｇを含む。以下、ケーシング１１の具体的な構造例について説明するが、本発明に係るケーシングはこの具体例に限られるものではない。

反出力側ケーシング１１ａは、反出力側において軸部１６ｃの一端部周辺を覆う。反出力側ケーシング１１ａは、軸方向に貫通する貫通孔を有し、反出力側ケーシング１１ａの貫通孔が軸部１６ｃの貫通孔と連通する。反出力側ケーシング１１ａは、軸受２１の外輪に軸方向から当接する。反出力側ケーシング１１ａは、基板ケーシング１１ｂにボルト（連結部材）を介して連結される。

基板ケーシング１１ｂは、回路部１７を径方向及び軸方向の反出力側から覆い、軸受２１の外輪を内嵌し、中継ケーシング１１ｃにボルトを介して連結される。

中継ケーシング１１ｃは、検出部１８の径方向外方に位置し、検出部１８を径方向から覆う。中継ケーシング１１ｃは、基板ケーシング１１ｂ及びブレーキケーシング１１ｄとボルトを介して連結される。中継ケーシング１１ｃは、周方向の一部において、モータ１２及びブレーキ１４の配線を引き出す配線引出孔１１ｃ１を有する。

ブレーキケーシング１１ｄは、ブレーキ１４の径方向外方に位置し、ブレーキ１４を径方向から覆い、ブレーキ１４の構成部材を収容する。ブレーキケーシング１１ｄは、コイルケース１４ｇを内嵌及び支持する。ブレーキケーシング１１ｄは、反出力側に突出した環状突出部１１ｄｔを有する。環状突出部１１ｄｔは、ブレーキケーシング１１ｄの最大外径よりも小径であり、中継ケーシング１１ｃに嵌入（インロー嵌合）される。ブレーキケーシング１１ｄは、反出力側において周方向の複数箇所にフランジ部１１ｄ１を有し、フランジ部１１ｄ１がボルトを介して中継ケーシング１１ｃに連結される。さらに、ブレーキケーシング１１ｄは、出力側において周方向の複数箇所にフランジ部１１ｄ２を有し、フランジ部１１ｄ２がボルトを介してモータケーシング１１ｅに連結される。ブレーキケーシング１１ｄは、フランジ部１１ｄ１、１１ｄ２以外の外周部に配置された複数のフィン１１ｄ３を備える。各々のフィン１１ｄ３は、径方向と周方向とに延在する。複数のフィン１１ｄ３において、フランジ部１１ｄ１、１１ｄ２のボルト穴に対応する箇所（ボルト穴を軸方向に延長したときにボルト穴と重なる箇所）には、ボルト及び工具の先を通す貫通孔１１ｄ４、１１ｄ５が設けられている。

モータケーシング１１ｅは、モータ１２の径方向外方に位置し、モータ１２を径方向から覆い、モータ１２の固定側の部材を支持する。モータケーシング１１ｅは、反出力側に突出した環状突出部１１ｅｔ１と、出力側に突出した環状突出部１１ｅｔ２とを有する。反出力側の環状突出部１１ｅｔ１は、モータケーシング１１ｅの最大外径よりも小径であり、ブレーキケーシング１１ｄに嵌入（インロー嵌合）される。出力側の環状突出部１１ｅｔ２は、モータケーシング１１ｅの最大外径よりも小径であり、中継ケーシング１１ｆに嵌入（インロー嵌合）される。モータケーシング１１ｅは、周方向における複数箇所にフランジ部１１ｅ１を有し、フランジ部１１ｅ１がボルトを介してブレーキケーシング１１ｄ及び中継ケーシング１１ｆと連結される。モータケーシング１１ｅは、フランジ部１１ｅ１以外の外周部に配置された複数のフィン１１ｅ２を備える。各々のフィン１１ｅ２は、径方向及び周方向に延在する。当該フィン１１ｅ２と、上述したブレーキケーシング１１ｄのフィン１１ｄ３とは隣接し、複数のフィン１１ｅ２には、フィン１１ｄ３の貫通孔１１ｄ４に連続する位置（貫通孔１１ｄ４を延長したときに重なる位置）に、ボルト及び工具を通す貫通孔１１ｅ３が設けられている。

中継ケーシング１１ｆは、モータ１２の出力側を覆い、減速機１５の反出力側に配置された軸受２３の外輪が内嵌される。中継ケーシング１１ｆは、軸受２３を介して起振体１５ａを回転自在に支持する。中継ケーシング１１ｆは、隣接するモータケーシング１１ｅのフランジ部１１ｅ１に対応する位置にフランジ部１１ｆ１を有し、隣接するフランジ部１１ｆ１、１１ｅ１がボルトを介して連結される。フランジ部１１ｆ１、１１ｅ１において、中継ケーシング１１ｆとモータケーシング１１ｅを連結するためのボルト穴と、それよりも反出力側においてモータケーシング１１ｅとブレーキケーシング１１ｄを連結するためのボルト穴とは、同軸上に配置されてもよい。中継ケーシング１１ｆは、さらに、減速機１５の構成部材（第１内歯歯車１５ｄ）とボルトを介して連結される。中継ケーシング１１ｆは、出力側に突出した環状突出部１１ｆｔを有する。環状突出部１１ｆｔは、中継ケーシング１１ｆの最大外径よりも小径であり、第１内歯歯車１５ｄに嵌入（インロー嵌合）される。

第１内歯歯車１５ｄの外周部は、減速機ケーシングとして機能し、減速機１５の構成部材を収容する。

出力側ケーシング１１ｇは、出力側の端部で出力部材１６を径方向から覆い、軸受２２の外輪及びシール２５を内嵌する。出力側ケーシング１１ｇは、軸受２２を介して出力部材１６を回転自在に支持する。出力側ケーシング１１ｇは、径方向に張り出したフランジ部１１ｇ１を有し、フランジ部１１ｇ１が、減速機１５の構成部材（第１内歯歯車１５ｄ）とボルトを介して連結され、さらに、第１内歯歯車１５ｄを共締めした状態で、支持部材２０１にボルトを介して連結される。第１内歯歯車１５ｄは、第２内歯歯車１５ｅの径方向外側を覆うように第２内歯歯車１５ｅよりも出力側まで張り出した部位を有し、この部位が出力側ケーシング１１ｇと連結される。第１内歯歯車１５ｄの出力側まで張り出し部位には、出力側に突出した環状突出部１５ｄｔが設けられる。環状突出部１５ｄｔは、第１内歯歯車１５ｄの最大外径よりも小径であり、出力側ケーシング１１ｇに嵌入（インロー嵌合）される。出力側ケーシング１１ｇのフランジ部１１ｇ１において、周方向に異なる複数の位置には、減速機１５の構成部材に設けられたネジ穴に連通するボルト挿通孔１１ｇ５と、減速機１５の構成部材に設けられたボルト挿通孔に連通するネジ穴１１ｇ４とを有する。ボルト挿通孔１１ｇ５を介した出力側ケーシング１１ｇ及び第１内歯歯車１５ｄの直接の連結と、ネジ穴１１ｇ４を介した第１内歯歯車１５ｄを共締めした出力側ケーシング１１ｇ及び支持部材２０１の連結とを合わせて、出力側ケーシング１１ｇと第１内歯歯車１５ｄとの規定の連結強度が達成される。

さらに、出力側ケーシング１１ｇは、径方向内方に突出して、軸受２２の軸方向位置及びシール２５の軸方向位置を決める位置決め突起（リング部）１１ｇ２を有する。さらに、出力側ケーシング１１ｇは、軸方向に延在してシール２５を収容する筒状延在部１１ｇ３を有する。筒状延在部１１ｇ３は、軸受２２の出力側で、フランジ部１１ｇ１より出力側に延在している。

出力部材１６は、互いに連結された部材１６ａ、１６ｂ及び軸部１６ｃを含み、ケーシング１１に軸受２１、２２を介して回転可能に支持されている。出力部材１６は、ホロー構造（中空筒状）を有している。出力部材１６は、出力側に一部が露出され、露出された部分が、相手部材２０２に連結される。より具体的には、軸部１６ｃは、減速機１５を貫通して検出部１８及び回路部１７が配置される反出力側まで延在する。軸部１６ｃには、出力側回転検出器１８Ｂの回転部１８Ｂａが固定されている。軸部１６ｃは、出力側において部材１６ａに締まり嵌めされている。部材１６ｂは、減速機１５の第２内歯歯車１５ｅとボルトにより連結され、減速機１５の出力側の軸受２４の外輪を内嵌する。部材１６ｂは、減速機１５から減速された回転運動を導入し、軸受２４を介して起振体１５ａを回転自在に支持する。

部材１６ａは、部材１６ｂの出力側に配置され、軸部１６ｃを内嵌し、かつ、軸受２２の内輪を外嵌する。部材１６ａは、ボルトの軸部を通しかつボルトの頭部を収容するボルト挿通孔１６ａ１と、ボルトの軸部を通すボルト挿通孔１６ａ２とを有する。ボルト挿通孔１６ａ１、１６ａ２は、隣接する部材１６ｂの複数のネジ穴１６ｂ１のいずれかに連通する。部材１６ｂは、ボルト挿通孔１６ａ１に挿通されたボルトを介して部材１６ｂに直接に連結（仮止め）される。さらに、部材１６ａは、ボルト挿通孔１６ａ２に挿通されたボルトを介して、相手部材２０２と部材１６ｂとの間で共締めされる。すなわち、相手部材２０２は、ボルト挿通孔１６ａ２を介して部材１６ｂのネジ穴に螺合されたボルトを介して出力部材１６に連結される。部材１６ａは、上記の部材１６ｂへの直接の連結（周方向に位置が異なる４本のボルトによる連結）と、部材１６ｂと相手部材２０２とに挟まれた共締め（周方向に位置が異なる８本のボルトによる連結）とにより、部材１６ｂに対する規定の連結強度が達成される。

部材１６ａは、ケーシング１１の筒状延在部１１ｇ３と径方向に対向する筒状部１６ａ３を有する。筒状部１６ａ３は、ボルト挿通孔１６ａ１よりも出力側に配置されている。筒状部１６ａ３には、シール２５のリップ部が接触するスリーブ２６が外嵌され、スリーブ２６とケーシング１１の筒状延在部１１ｇ３との間にシール２５が配置される。

モータ１２は、ステータ１２ａと、中空筒状のロータ１２ｂとを有する。ロータ１２ｂは、永久磁石により構成され、ステータ１２ａは電磁石により構成される。ロータ軸１３は、ホロー構造を有し、出力部材１６の軸部１６ｃに間隙を挟んで外嵌されている。ロータ軸１３は、モータ１２のロータ１２ｂと連結されている。モータ１２及びロータ軸１３は、減速機１５の反出力側に配置されている。ロータ軸１３には、反出力側において、入力側回転検出器１８Ａの回転部１８Ａａがハブ部材１８ｃを介して固定されている。

減速機１５は、筒型の撓み噛合式歯車機構であり、起振体１５ａと、起振体軸受１５ｂと、起振体１５ａの回転により撓み変形する外歯歯車１５ｃと、外歯歯車１５ｃと噛み合う第１内歯歯車１５ｄ及び第２内歯歯車１５ｅとを備える。なお、減速機構は、筒型の撓み噛合い式歯車機構に限定されるものではなく、各種の減速機構を採用でき、例えばカップ型やシルクハット型の撓み噛合い式歯車機構、偏心揺動型減速機構、単純遊星型減速機構であってもよい。また、アクチュエータ１は減速機を有さなくてもよい。起振体１５ａは、ホロー構造を有し、間隙を挟んで出力部材１６の軸部１６ｃに外側に配置される。起振体１５ａは、ロータ軸１３に連結（例えばスプライン連結）され、ロータ軸１３と一体的に回転する。起振体１５ａは、その軸部が軸受２３、２４を介してケーシング１１及び出力部材１６に回転可能に支持されている。起振体１５ａは、軸部における軸方向に垂直な断面外形が中心軸Ｏ１を中心とする円形であり、起振体軸受１５ｂが接触する部分における軸方向に垂直な断面外形が例えば楕円状である。外歯歯車１５ｃは可撓性を有する。第１内歯歯車１５ｄは、ケーシング１１に連結され、外歯歯車１５ｃの軸方向における反出力側の範囲に噛み合う。第２内歯歯車１５ｅは、出力部材１６に連結され、外歯歯車１５ｃの軸方向における出力側の範囲に噛み合う。

アクチュエータ１の各部材は異なる複数種類の材質から構成されてもよい。例えば中継ケーシング１１ｃ、ブレーキケーシング１１ｄ、モータケーシング１１ｅ、出力側ケーシング１１ｇ、並びに、出力部材１６の部材１６ａ、１６ｂは、アルミなどの軽金属から構成されてもよい。中継ケーシング１１ｆ、並びに、第１内歯歯車１５ｄ及び第２内歯歯車１５ｅは、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）などの樹脂材料から構成されてもよい。樹脂材料としては、その他、ＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastic）などの繊維強化樹脂を適用できる。シール２５が摺動するスリーブ２６は、スチールなどの鉄系金属から構成されてもよい。

検出部１８は、ロータ軸１３の回転を検出する入力側回転検出器１８Ａと出力部材１６の回転を検出する出力側回転検出器１８Ｂとを含む。入力側回転検出器１８Ａは、ロータ軸１３と一体的に回転する回転部１８Ａａと、回転部１８Ａａの近傍に配置され、回転部１８Ａａの回転量を検出するセンサ１８Ａｂとを有する。出力側回転検出器１８Ｂは、出力部材１６と一体的に回転する回転部１８Ｂａと、回転部１８Ｂａの近傍に配置され、回転部１８Ｂａの回転量を検出するセンサ１８Ｂｂとを有する。入力側回転検出器１８Ａ及び出力側回転検出器１８Ｂは、例えば回転部の回転の変位をデジタル信号として出するロータリーエンコーダであるが、アナログ信号として出力するレゾルバであってもよいし、それ以外の回転検出器であってもよい。ロータリーエンコーダは、光学式の検出部を有する構成であってもよいし、磁気的な検出部を有する構成であってもよい。入力側回転検出器１８Ａと出力側回転検出器１８Ｂとは異なる種類の検出器であってもよい。

入力側回転検出器１８Ａ及び出力側回転検出器１８Ｂにおいて、２つのセンサ１８Ａｂ、１８Ｂｂは回路部１７のエンコーダ基板に搭載されており、２つの回転部１８Ａａ、１８Ｂａは回路部１７に対して出力側から対向するように配置されている。より具体的には、出力部材１６への回転部１８Ｂａの設置位置と、ロータ軸１３への回転部１８Ａａの設置位置とは、軸方向においてほぼ同一位置であり、同様に、２つのセンサ１８Ａｂ、１８Ｂｂは、軸方向におけるほぼ同一位置に配置されている。つまり、回転部１８Ａａと回転部１８Ｂａとは、径方向から見て重なる位置に配置され、回転部１８Ａａが径方向外側に配置されている。また、センサ１８Ａｂとセンサ１８Ｂｂは、径方向から見て重なる位置に配置され、センサ１８Ａｂが径方向外側に配置されている。

＜ブレーキの構成＞
図２は、本発明の実施形態に係るブレーキを固定摩擦板側から見た図（Ａ）とコイルケース側から見た図（Ｂ）である。図３は、図２（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面図（Ｂ）とＢ－Ｂ線断面図（Ｂ）である。

ブレーキ１４は、中心軸Ｏ１を中心とする環状の形態を有し、中央の貫通孔にロータ軸１３が通される。ブレーキ１４は、ロータ軸１３を内嵌するキー溝付きのハブ部材１４ａと、ハブ部材１４ａに係合される回転摩擦板１４ｂと、回転摩擦板１４ｂに向かって変位可能な可動摩擦板（アーマチュア）１４ｃと、可動摩擦板１４ｃの反対側で回転摩擦板１４ｂに対向する固定摩擦板１４ｅと、可動摩擦板１４ｃをコイルケース１４ｇ側へ引き付ける磁力を発生させるコイル１４ｄと、可動摩擦板１４ｃを固定摩擦板１４ｅの方へ付勢するバネ材１４ｈ（図３（Ｂ））と、ブレーキケーシング１１ｄに支持されてコイル１４ｄを保持するコイルケース１４ｇとを備える。コイル１４ｄとコイルケース１４ｇとが組み合わさった構成が、ステータとして機能する。コイルケース１４ｇはブレーキケーシング１１ｄに接触しており、コイルケース１４ｇからブレーキケーシング１１ｄへ熱が直接に移動可能である。ハブ部材１４ａはキー溝を有し、ロータ軸１３はハブ部材１４ａのキー溝に嵌まるキーを有する。ロータ軸１３は、キーを介してハブ部材１４ａに大きなトルクが伝わるようにハブ部材１４ａと接続される。

可動摩擦板１４ｃ、回転摩擦板１４ｂ及び固定摩擦板１４ｅは、中央が貫通したディスク状の摩擦板であり、互いに接触することで摩擦力を発生させる。ブレーキ１４は、摩擦板の摩擦力により制動トルクを発生させる。可動摩擦板１４ｃ、回転摩擦板１４ｂ、固定摩擦板１４ｅは、この順で、コイルケース１４ｇ側から軸方向に並んでいる。

固定摩擦板１４ｅは、間隔を挟んでコイルケース１４ｇに連結されている。具体的には、固定摩擦板１４ｅは、カラーを挟んでコイルケース１４ｇにボルト締めされている。回転摩擦板１４ｂは、スプライン結合など、相対的な回転が抑止されるように、かつ、軸方向の変位が可能なようにハブ部材１４ａと係合されている。回転摩擦板１４ｂは、ハブ部材１４ａと共に回転する。可動摩擦板は１４ｃは、回転方向に抑止されかつ軸方向に変位可能に支持されている。固定摩擦板１４ｅ及び可動摩擦板１４ｃには、回転摩擦板１４ｂと接触する部位にライニング（摩耗材）１４ｆが設けられている。

なお、摩擦板の構成は、上記の例に限られず、摩擦板の枚数は特に限定されないし、回転摩擦板１４ｂがハブ部材１４ａに固定される一方、固定摩擦板１４ｅを有さない構成であってもよい。さらに、ライニング１４ｆは、可動摩擦板１４ｃの接触部位に設けられていてもよい。また、ライニング１４ｆは、回転摩擦板１４ｂの接触部位、固定摩擦板１４ｅの接触部位、又はこれら両方には設けられていなくてもよい。

コイルケース１４ｇは、中心軸Ｏ１を中心とする環状の凹部１４ｇ１を有する。凹部１４ｇ１は、軸方向に凹み、可動摩擦板１４ｃ側に開口している。コイル１４ｄは、環状の凹部１４ｇ１に沿って巻回され、凹部１４ｇ１内に保持される。コイルケース１４ｇは鉄系の素材から構成される磁性体であり、コイル１４ｄの通電により発生する磁気を増幅させ、可動摩擦板１４ｃに磁力を作用させる。可動摩擦板１４ｃは、鉄系の素材から構成される磁性体であり、コイル１４ｄの発生する磁力に吸引される。

＜アクチュエータ及びブレーキの動作＞
モータ１２が駆動してロータ軸１３及び起振体１５ａが回転すると、起振体１５ａの運動が外歯歯車１５ｃに伝わる。このとき、外歯歯車１５ｃは、起振体１５ａの外周面に沿った形状に規制され、軸方向から見て、長軸部分と短軸部分とを有する楕円形状に撓んでいる。さらに、外歯歯車１５ｃは、固定された第１内歯歯車１５ｄと長軸部分で噛合っている。このため、外歯歯車１５ｃは起振体１５ａと同じ回転速度で回転することはなく、外歯歯車１５ｃの内側で起振体１５ａが相対的に回転する。そして、この相対的な回転に伴って、外歯歯車１５ｃは長軸位置と短軸位置とが周方向に移動するように撓み変形する。この変形の周期は、起振体１５ａの回転周期に比例する。外歯歯車１５ｃが撓み変形する際、その長軸位置が移動することで、外歯歯車１５ｃと第１内歯歯車１５ｄとの噛み合う位置が回転方向に変化する。ここで、外歯歯車１５ｃの歯数が１００で、第１内歯歯車１５ｄの歯数が１０２だとする。すると、噛み合う位置が一周するごとに、外歯歯車１５ｃと第１内歯歯車１５ｄとの噛み合う歯がずれていき、これにより外歯歯車１５ｃが回転（自転）する。上記の歯数であれば、起振体１５ａの回転運動は減速比１００：２で減速されて外歯歯車１５ｃに伝達される。一方、外歯歯車１５ｃは第２内歯歯車１５ｅとも噛合っているため、起振体１５ａの回転によって外歯歯車１５ｃと第２内歯歯車１５ｅとの噛み合う位置も回転方向に変化する。ここで、第２内歯歯車１５ｅの歯数と外歯歯車１５ｃの歯数とが同数であるとすると、外歯歯車１５ｃと第２内歯歯車１５ｅとは相対的に回転せず、外歯歯車１５ｃの回転運動が減速比１：１で第２内歯歯車１５ｅへ伝達される。これらによって、起振体１５ａの回転運動が減速比１００：２で減速されて、第２内歯歯車１５ｅへ伝達され、第２内歯歯車１５ｅから出力部材１６を介して相手部材２０２に出力される。

上記の回転運動の伝達中、ロータ軸１３の回転位置は入力側回転検出器１８Ａにより検出され、出力部材１６の回転位置は出力側回転検出器１８Ｂにより検出される。

モータ１２の駆動が停止し、回転運動を停止する際には、ブレーキ１４に制動力を発生させため、コイル１４ｄが通電状態から非通電に切り替えられる。この切替えにより、コイル１４ｄの磁力が低下し、可動摩擦板１４ｃがバネ材１４ｈの付勢力により固定摩擦板１４ｅの方へ移動し、固定摩擦板１４ｅとの間に回転摩擦板１４ｂを挟み込む。この挟み込みにより回転摩擦板１４ｂに摩擦力が生じ、回転摩擦板１４ｂと相対的な回転が規制されたハブ部材１４ａ及びロータ軸１３に回転方向の制動力が生じる。ロータ軸１３の回転が停止されることで、出力部材１６の回転も停止され、この回転停止状態が保持される。つまり、相手部材２０２の自重などにより出力部材１６が回転してしまうことなく、ブレーキ１４により回転停止状態が保持される。ブレーキ１４の静摩擦トルクは、バネ材１４ｈの付勢力に依存する。

モータ１２が駆動する際には、ブレーキ１４の静動力を解除するため、先ず、コイル１４ｄに、可動摩擦板１４ｃをバネ材１４ｈの付勢力に抗してコイルケース１４ｇ側に引き付けるための第１の通電が行われる。第１の通電により、コイル１４ｄ及びコイルケース１４ｇに磁力が発生し、この磁力により可動摩擦板１４ｃがコイルケース１４ｇ側に移動する。この移動により、回転摩擦板１４ｂの挟み込みが解除され、回転摩擦板１４ｂ、ハブ部材１４ａ及びロータ軸１３の制動が解除される。制動が解除されたら、コイル１４ｄに、可動摩擦板１４ｃの位置を保持するための第２の通電が行われる。第１の通電が可動摩擦板１４ｃを変位させる作用を与えるのに対して、第２の通電は可動摩擦板１４ｃの静止を維持するものなので、第２の通電は第１の通電よりも低い電圧（小さな電力）の出力となる。モータ１２の駆動中、コイル１４ｄには第２の通電が継続されることで、制動力の解除が維持される。

第２の通電電流は、バネ材１４ｈの付勢力に抗する磁力を発生する電流であるため、ブレーキ１４の静摩擦トルクに関係する。ブレーキ１４の構成が同一であれば、ブレーキ１４の静摩擦トルクが大きくなるほど、バネ材１４ｈの付勢力は大きくされ、第２の通電電流も大きくなる。すなわち、ブレーキ１４の静摩擦トルクが大きいほど、コイル１４ｄの通電電流が大きくなり、コイル１４ｄの発熱量が大きくなる。第２の通電が継続される際、コイル１４ｄで生じる熱は、コイルケース１４ｇ、ブレーキケーシング１１ｄ、フィン１１ｄ３、並びに、ケーシング１１の他の部材（モータケーシング１１ｅ、フィン１１ｅ２、中継ケーシング１１ｃ、１１ｆ、減速機ケーシングとして機能する第１内歯歯車１５ｄの外周部など）へと伝わり外部に放出される。

＜ブレーキの熱設計＞
続いて、ブレーキ１４の寸法の一例を説明する。ただし、本発明に係るブレーキは以下の形態に限定されない。なお、図１及び図３においてはブレーキ１４を実際と異なる縦横比で示している。従来、外径が大きく余裕のある設計が可能なブレーキにおいては、薄型化したものも存在したが、外径が小さい場合には、発熱が問題となり薄型化が困難であった。発明者が調べた限り、コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下の小型ブレーキにおいて、十分な薄型化（後述する厚みＤ１／最小外径（Ｒ１×２）が０．２以下）を実現したものは存在しない。所定値（０．１Ｎｍ）以上の静止摩擦トルクを確保しつつ薄型化を実現するのは特に困難であった。本実施形態においては、ブレーキ単体で放熱を考えるのではなく、ブレーキケーシングおよびモータケーシングへの放熱を考慮することで、コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下の小型ブレーキにおいて、所望の薄型化を実現したものである。

コイルケース１４ｇの最小外径（最小外半径Ｒ１×２）は７０ｍｍ以下、本実施形態では５５ｍｍである。コイルケース１４ｇの外周部は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、主に凹部１４ｇ１の外周壁として機能する部分が占める範囲Ｈ１と、ボルト又はバネ材１４ｈが位置するフランジ部が占める範囲Ｈ２とを有する。コイルケース１４ｇは、範囲Ｈ１において外径が小さく、範囲Ｈ２において外径が大きい。上記のコイルケース１４ｇの最小外径（Ｒ１×２）とは、ハブ部材１４ａの回転中心（中心軸Ｏ１）からコイルケース１４ｇの範囲Ｈ１における外周面までの半径Ｒ１を２倍した長さに相当する。

ブレーキ１４の要部の厚みＤ１は、コイルケース１４ｇの最小外径の０．２倍以下、本実施形態では１０ｍｍである。要部の厚みとは、図２及び図３に示すように、摩擦板（固定摩擦板１４ｅ、回転摩擦板１４ｂ、可動摩擦板１４ｃ）におけるコイルケース１４ｇから軸方向に最も遠い側の第１端面Ｓ１から、コイルケース１４ｇにおける第１端面Ｓ１とは反対側の第２端面Ｓ２までの距離を意味する。第１端面Ｓ１は、本実施形態においては、固定摩擦板１４ｅの反コイルケース側端面である。

上記の最小外径及び要部の厚みにより、ブレーキ１４が小型かつ薄型になり、アクチュエータ１のコンパクト化に貢献する。

ブレーキ１４の静摩擦トルクは０．１Ｎｍ以上であり、本実施形態では０．１６Ｎｍである。静摩擦トルクは、摩擦板の摩擦が生じる部位の半径及び静止摩擦力に依存し、静止摩擦力はバネ材１４ｈの付勢力に依存する。コイル１４ｄの巻き数、配線太さ及び通電電流は、バネ材１４ｈの付勢力に抗する磁力を発生できるように設定される。

＜ブレーキの温度上昇試験＞
一般に、コイルの通電により動作するブレーキは、規定の温度上昇試験（例えば日本工業規格JIS B 1404-2）に準じて、コイルに通電したときのコイルの温度上昇値（通電前の初期温度から熱平衡状態に達したときの飽和温度までの上昇値）が測定される。規定の温度上昇試験では、断熱材の上にブレーキ単体を放置した状態で、コイルに定格電圧を加えて連続通電するという測定条件が採用される。そして、測定された温度上昇が生じたときでも、ブレーキの所定の性能試験で正常な結果が得られるよう、ブレーキの熱設計がなされる。例えば、コイルの温度上昇が高すぎる場合には、コイルケースを大きくして放熱作用を大きくするなどの熱設計がなされる。

一方、本実施形態のブレーキ１４の温度上昇試験では、ブレーキ１４の実際の使用状態に則した測定条件で、コイルに通電したときのコイルの温度上昇値（通電前の初期温度から熱平衡状態に達したときの飽和温度までの上昇値）が測定される。そして、この温度上昇試験で測定されたコイル１４ｄの温度上昇値が生じたときでも、ブレーキ１４の所定の性能試験で正常な結果が得られるように、ブレーキ１４の熱設計がなされる。ブレーキ１４の実際の使用状態に則した測定条件とは、ブレーキ１４がアクチュエータ１に組み込まれることが決まっている場合には、アクチュエータ１に組み込まれた状態が測定条件として採用される。さらに、アクチュエータ１がロボットなど上位装置に組み込まれることが決まっている場合には、アクチュエータ１が上位装置に組み込まれた状態が測定条件として採用されてもよい。さらに、上記の測定条件では、連続通電時にコイル１４ｄに出力される電圧として、定格電圧が採用されてもよいし、バネ材１４ｈに抗して変位した可動摩擦板１４ｃの位置を維持する電圧（前述した第２の通電の電圧）が採用されてもよい。

本実施形態のブレーキ１４について、JISの規定条件と実施形態の測定条件とで温度上昇試験を行った例を示す。

試験結果表に示すように、本実施形態のブレーキ１４についてＪＩＳの規定条件で試験を行うと、常温２５℃においてブレーキ１４の飽和温度は５７℃となり、ブレーキの性能試験の結果が異常となる恐れのある温度に達した。このような場合、例えばコイルケース１４ｇの最小外径、並びに、ブレーキ１４の要部厚みを増すような、放熱性を高める再設計が必要となる。

一方、本実施形態のブレーキ１４について、実施形態の測定条件で温度上昇試験を行うと、常温２５℃においてブレーキ１４の飽和温度は３６℃となり、ブレーキ１４の性能試験で正常な結果が得られる温度に留まった。低い温度上昇値は、実際の使用状態を測定条件としたことで、コイル１４ｄで発生した熱が、コイルケース１４ｇからアクチュエータ１のブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅへと伝わり、外部に効率的に放熱されたことにより得られている。このような試験結果により、上記の試験結果表に示されたブレーキ１４の要部厚み及びコイルケース１４ｇの最小外径が採用されても、実使用上、ブレーキ１４の性能に異常が生じないことが検証される。本実施形態の温度上昇試験が採用されることで、ブレーキ１４の小型化及び薄型化を実現しつつ、試験に裏付けられた高い信頼性を持ってブレーキ１４の正常な温度範囲で使用することが可能となる。なお、上記試験結果における飽和温度５７℃、３６℃という数値自体は特別重要なものではなく（本発明の技術的範囲を限定するものではなく）、ブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅへの放熱が行われる状態で試験したときの発熱が、ブレーキ単体試験での発熱よりも小さいことが実証されたことが重要である。つまり、ブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅへの放熱を考慮すれば、外径の小さいブレーキにおいても薄型化が可能であるという本発明の着想が裏付けられたことが重要である。

＜アクチュエータの仕様＞
図４は、実施形態のアクチュエータを搭載した協働ロボットを示す図である。ここでは、アクチュエータ１の用途及び使用の一例を説明する。なお、本発明に係るアクチュエータの用途及び仕様は下記の例に限定されない。

アクチュエータ１は、人と協働して作業を行う協働ロボット１００の関節部１０１の駆動装置として使用される。この場合、支持部材２０１は関節部１０１の基端側アームであり、相手部材２０２は先端側アームとなる。協働ロボット１００は、人との接触を検知する検知部を有する。アクチュエータ１は、協働ロボット１００の関節部１０１の駆動装置として組み込まれた場合の稼働率が２０％ＥＤ以下の仕様を有する。稼働率とは、アクチュエータ１が組み込まれる協働ロボットの稼働時間ＴＲに対するアクチュエータ１の稼働時間ＴＪの割合を意味し、（ＴＪ／ＴＲ）×１００［％ＥＤ］で表わされる。なお、協働ロボット自体の稼働時間ＴＲとは、協働ロボットの電源がＯＮされている時間、あるいは各関節を駆動する駆動源（サーボモータ）の電源がＯＮされている時間と定義することができる。したがって、協働ロボットがあるワークに対して作業を行い、次のワークがセットされるのを待っている待機時間も協働ロボット自体の稼働時間ＴＲに含まれる。また、アクチュエータ１の稼働時間ＴＪは、アクチュエータ１を駆動するモータ１２が回転している（回転制御されている）時間と定義することができる。

以上のように、本実施形態のアクチュエータ１によれば、モータ１２及びブレーキ１４を備え、ブレーキ１４は、コイルケース１４ｇの最小外径“Ｒ１×２”が７０ｍｍ以下であり、要部厚みＤ１が最小外径の０．２倍以下である。このような寸法により、小型かつ薄型のブレーキ１４が実現され、アクチュエータ１のコンパクト化に寄与できる。さらに、本実施形態のアクチュエータ１によれば、互いに連結されたモータケーシング１１ｅ及びブレーキケーシング１１ｄを備え、ブレーキ１４の熱はケーシング１１を介してアクチュエータ１の外部へ放出される。従来のブレーキの熱設計の思想では、ブレーキ１４が装置に組み込まれた実使用時の放熱性が考慮されずに熱設計が行われたため、上記のような小型かつ薄型のブレーキ１４が成立することがなかった。しかしながら、本実施形態の熱設計の思想では、コイル１４ｄの熱がコイルケース１４ｇ、ブレーキケーシング１１ｄ、モータケーシング１１ｅへと伝わり放出されるという実使用に即した測定条件で、ブレーキ１４の温度上昇試験が行われ、測定された温度上昇が生じても正常な動作が得られるように、ブレーキ１４の性能の検証が行われている。したがって、従来の熱設計の思想では成し得なかった小型かつ薄型のブレーキ１４でありながら、高い信頼性を持って正常な温度範囲で動作して制動及びその解除を実現できるブレーキ１４を備えたアクチュエータ１を実現できる。さらに、本実施形態のアクチュエータ１においては、ブレーキ１４の静摩擦トルクは０．１Ｎｍ以上であるので、アクチュエータ１において必要十分な停止保持力を発揮することができる。

さらに、本実施形態のアクチュエータ１によれば、コイルケース１４ｇの外周面にブレーキケーシング１１ｄが接触している。したがって、コイル１４ｄの熱は高い伝導率でコイルケース１４ｇからブレーキケーシング１１ｄへ移動し、アクチュエータ１の外部へ放出できる。すなわち、ブレーキ１４の放熱性が向上する。従来のブレーキの熱設計の思想では、このような実使用上の放熱性は考慮されないため、上記の放熱性があってもブレーキの小型化及び薄型化は実現しなかった。しかし、本実施形態のブレーキ１４の熱設計の思想では、実使用上の放熱性を反映してブレーキ１４の寸法設計ができるので、上記の放熱性の向上により、ブレーキ１４をより小型化及び薄型化できる。

さらに、本実施形態のアクチュエータ１によれば、ブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅにフィン１１ｄ３、１１ｅ２を有するので、ブレーキ１４の放熱性がより向上し、ブレーキ１４を更に小型化及び薄型化できる。さらに、アクチュエータ１は減速機１５と減速機１５の構成部材を収容する減速機ケーシング（第１内歯歯車１５ｄの外周部）を有し、第１内歯歯車１５ｄがブレーキケーシング１１ｄに連結されている。したがって、ブレーキ１４の放熱性がより向上し、ブレーキ１４を更に小型化及び薄型化できる。なお、アクチュエータ１は、フィン１１ｄ３、１１ｅ２のいずれか一方を有する構成であってもよく、その場合でも、放熱性の向上によりブレーキ１４の更なる小型化及びより薄型化を図ることができる。

さらに、本実施形態のアクチュエータ１は、協働ロボット１００の関節部１０１を駆動する装置として採用され、その稼働率は２０％ＥＤ以下である。協働ロボット１００の関節部１０１の駆動装置には、２０％ＥＤ以下のように低い稼働率が仕様とされることが多い。本実施形態のブレーキ１４では、稼働時にコイル１４ｄに継続的に通電がなされる。したがって、低い稼働率の仕様を有する場合、コイル１４ｄへの通電時間も短く、発熱も小さくなるため、ブレーキ１４の更なる小型化及びより薄型化を図ることができる。

さらに、本実施形態のブレーキ１４によれば、コイルケース１４ｇの最小外径“Ｒ１×２”が７０ｍｍ以下であり、要部厚みＤ１が最小外径の０．２倍以下である。したがって、従来の熱設計の思想では成し得なかった小型かつ薄型の構成が実現されている。さらに、このような小型かつ薄型の構成であっても、実使用に即した測定条件で行われる温度上昇試験に基づき、正常な温度範囲でブレーキ１４が動作し、ブレーキ１４の正常な性能を維持できることを検証することができる。したがって、従来の熱設計の思想では成し得なかった小型かつ薄型のブレーキ１４でありながら、高い信頼性を持って正常な性能を発揮できるブレーキ１４を提供できる。具体的には、互いに連結されたブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅを有するアクチュエータ１に搭載されることが決まっているブレーキ１４に対しては、ブレーキケーシング１１ｄ及びモータケーシング１１ｅを介してコイル１４ｄの熱が放出される実使用に即した温度上昇試験に基づき、小型かつ薄型でありながら正常な温度範囲で動作し正常な性能を維持できることが検証されたブレーキ１４を提供できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、ブレーキケーシング１１ｄとモータケーシング１１ｅとの連結が、直接的な連結である例を示したが、本発明に係るブレーキケーシング及びモータケーシングの連結は、中継部材を介した連結であってもよい。この場合でも、中継部材を介して高い放熱性が得られる。本発明に係るブレーキケーシングと減速機ケーシングとの連結についても同様である。また、上記実施形態では、コイルケース１４ｇの外周面がブレーキケーシング１１ｄに接触していると説明したが、接触の態様には、ブレーキケーシング１１ｄにコイルケース１４ｇが締まり嵌めされた態様、あるいは、隙間嵌めされた態様などが含まれてもよい。また、コイルケース１４ｇとブレーキケーシング１１ｄを径方向に接触させるのではなく、軸方向に接触させてもよい。また、上記実施形態では、ブレーキ１４をアクチュエータ１に組み込んだ例を示したが、ブレーキ１４が組み込まれる装置はアクチュエータ以外であってもよい。その他、アクチュエータ１の用途、アクチュエータ１におけるモータ１２及びブレーキ１４以外の構成要素の有無、減速機１５の種類など、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ アクチュエータ
１１ ケーシング
１１ｄ ブレーキケーシング
１１ｅ モータケーシング
１１ｄ３、１１ｅ２ フィン
１２ モータ
１２ａ ステータ
１２ｂ ロータ
１３ ロータ軸
１４ ブレーキ
１４ａ ハブ部材
１４ｂ 回転摩擦板
１４ｃ 可動摩擦板
１４ｄ コイル
１４ｅ 固定摩擦板
１４ｆ ライニング
１４ｇ コイルケース
１４ｈ バネ材
Ｓ１ 第１端面
Ｓ２ 第２端面
Ｒ１ 最小外半径
Ｄ１ 要部の厚さ
１５ 減速機
１５ｄ 第１内歯歯車（減速機ケーシング）
１６ 出力部材
１７ 回路部
２０１ 支持部材
２０２ 相手部材

Claims (8)

1. モータと、ブレーキと、前記モータの構成部材を収容するモータケーシングと、前記ブレーキの構成部材を収容するブレーキケーシングとを備え、前記モータケーシングと前記ブレーキケーシングとが連結されたアクチュエータであって、
   前記ブレーキは、コイル及びコイルケースを含むステータと、前記コイルと軸方向に対向する摩擦板とを有し、
   前記コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下であり、かつ、前記摩擦板における前記コイルケースから軸方向に最も遠い側の第１端面から、前記コイルケースにおける前記第１端面とは反対側の第２端面までの距離を、前記最小外径で除算した値が０．２以下である、
   アクチュエータ。
2. 前記ブレーキの静摩擦トルクが０．１Ｎｍ以上である、
   請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記コイルケースの外周面に前記ブレーキケーシングが接触している、
   請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記モータケーシング及び前記ブレーキケーシングの少なくとも一方は、外周にフィンを有する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記モータから伝達される回転運動を減速する減速機と、前記減速機の構成部材を収容する減速機ケーシングとを更に備え、
   前記ブレーキケーシングと前記減速機ケーシングとが連結されている、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 人と協働して作業を行う協働ロボットの関節部を駆動し、稼働率が２０％ＥＤ以下である、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. コイル及びコイルケースを含むステータと前記コイルと軸方向に対向する摩擦板とを備えるブレーキであって、
   前記コイルケースの最小外径が７０ｍｍ以下であり、かつ、前記摩擦板における前記コイルケースから軸方向に最も遠い側の第１端面から、前記コイルケースにおける前記第１端面とは反対側の第２端面までの距離を、前記最小外径で除算した値が０．２以下である、
   ブレーキ。
8. モータと、前記モータの構成部材を収容するモータケーシングと、前記ブレーキの構成部材を収容するブレーキケーシングとを有し、前記モータケーシングと前記ブレーキケーシングとが連結されたアクチュエータに搭載される請求項７記載のブレーキ。

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