JP2010216637A

JP2010216637A - 産業用機器の回転連結構造

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Publication number: JP2010216637A
Application number: JP2009067461A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博司山口
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP5152057B2

Abstract

【課題】貫通キーを用いてシャフトの長さ寸法の短縮化を図り、キーと貫通孔との間、及びキーと凹溝部との間の磨耗を少なく抑え、キー周囲のがたを生じにくくする。
【解決手段】シャフト１２に直径方向に貫通する貫通孔１５を設け、フランジ１３の円筒部１６の内周面に２箇所の凹溝部１７を設ける。貫通孔１５を貫通する貫通キー１４を打込み、その両端部を各凹溝部１７に夫々嵌合させることにより、シャフト１２とフランジ１３とを連結する。貫通キー１４を、直径方向に２分割した形態の第１キー部材１９及び第２キー部材２０から構成する。第１キー部材１９の先端部に断面台形状の凸部２１を形成すると共に、第２キー部材２０の先端部に凹部２２を形成する。凸部２１の傾斜面２１ａの立上り傾斜角度θ１に対し、凹部２２の傾斜面２２ａの立下り傾斜角度θ２を数°程度だけ大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャフトと、このシャフトの外周に嵌合する円筒部を有する回転部材とを、キーによって結合するための産業用機器の回転連結構造に関する。

産業用機器例えば産業用ロボットにおいては、サーボモータの駆動力を、減速機やベルト伝達機構等を介してアームに伝達するようにしたものがある。この場合、サーボモータ（あるいは減速機）の出力軸（シャフト）には、円筒部を有する回転部材例えばプーリ部材が連結されるのであるが、従来では、一般に、図９に示すようなキーによる回転連結構造が採用されていた。

即ち、サーボモータ１（減速機）のシャフト２の外周の一部には、該シャフト２の軸方向に延びるキー溝２ａが形成されている。一方、プーリ部材３は、前記シャフト２の外周に嵌合する円筒部４を有し、その円筒部４の内周面に、前記キー溝２ａに対応するキー溝４ａが設けられている。そして、それらキー溝２ａ及びキー溝４ａの形成する隙間に、断面が正方形状又は長方形状をなすキー５を打込むことにより、シャフト２とプーリ部材３とを連結する構造となっている。

ところで、上記のようなキー５を用いた連結構造における回転（トルク）の伝達能力は、キーとプーリ部材３（円筒部４）との接触面積に比例して決まってくる。このため、回転伝達能力を高めるためには、キー５を軸方向に長くする必要があるが、それでは、図９に示すシャフト２の長さ寸法Ｌ０がどうしても大きくなる不都合が生ずる。特に、例えば産業用ロボットに採用されるような場合には、シャフト２の長さ寸法Ｌ０の増大が、ロボットの小型化（省スペース化）を図る際の障害となる虞がある。これに対し、例えば特許文献１では、シャフトと連結筒とを連結する構造において、上記したようなキー５を用いずに、両者を直径方向に貫通する貫通孔にボルトを挿通し、ナットの締付けによって連結する構成が開示されている。

特開平７−７１４６５号公報

本発明者は、従来の一般的なキーを用いる連結構造に代えて、シャフト側に形成されるキー溝を直径方向に貫通する貫通孔とすると共に、回転部材（円筒部）の内周面の貫通孔の両側部分に凹溝部を形成し、前記貫通孔を貫通する形状の貫通キーを用いて、シャフトと回転部材とを連結する構成を考えた。これによれば、同等の回転伝達能力を得ながらも、キーの軸方向の長さ寸法（ひいてはシャフトの長さ寸法）を短くする（単純計算で半分にする）ことが可能となる。

しかしながら、このような貫通キーを用いた構成では、キーを貫通孔の一方から挿入して貫通状態にする必要があり、キーの外面と貫通孔の内面との間の摺動量が大きくなってそれらの間の磨耗が大きくなる虞がある。また、キーを貫通孔に挿入した後に、キー付きシャフトを回転部材に挿入する際にも、キーの外面と凹溝部の内面との間に磨耗が生じ、全体として、キー周囲における摩耗が大きくなっていわゆるがたが生じやすくなる不具合が予測される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、いわゆる貫通キーを用いることによってシャフトの長さ寸法の短縮化を可能としたものであって、キーと貫通孔との間、及びキーと凹溝部との間の磨耗を少なく抑えることができ、キー周囲のがたの生じにくい産業用機器の回転連結構造を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の産業用機器の回転連結構造は、シャフトと、このシャフトの外周に嵌合する円筒部を有する回転部材とを、キーによって結合するための構造であって、前記シャフトには、該シャフトの直径方向に貫通し且つ軸方向に延びる貫通孔が形成されており、前記回転部材の円筒部の内周面の前記貫通孔に対応する２箇所に凹溝部が形成されており、前記キーは、直径方向に２分割された形態の第１キー部材及び第２キー部材からなり、それら２個のキー部材が前記貫通孔内で互いに相手側のキー部材と先端部同士が接触すると共に、それら両キー部材の前記先端部とは反対側の基端部が夫々前記凹溝部に嵌合するように構成されており、前記第１キー部材の先端部には、両側が先端側に行くに従って細くなるような傾斜面とされた断面台形状の凸部が形成されており、前記第２キー部材の先端部には、前記凸部に対応して断面台形状に凹む凹部が形成されており、前記第１キー部材の凸部の傾斜面の立上り傾斜角度に対し、前記第２キー部材の凹部の傾斜面の立下り傾斜角度の方が大きく構成されているところに特徴を有する。

これによれば、キーは、全体としてシャフトの貫通孔を貫通した形態に配置されるので、回転伝達能力を確保しながら、キーの軸方向の長さ寸法ひいてはシャフトの長さ寸法を短くすることができる。そして、キーは、直径方向に第１キー部材及び第２キー部材に２分割された形態で設けられるので、両キー部材をシャフトの貫通孔に挿入する際には、互いに貫通孔の反対側から夫々挿入すれば良い。従って、挿入時のキー部材と貫通孔内面との間の摺動量ひいては磨耗量を少なく抑えることができる。

さらに、第１キー部材の先端部と第２キー部材の先端部との接触が、断面台形状の凸部の傾斜面と、断面台形状の凹部の傾斜面とが突き当たる状態でなされるのであるが、それら傾斜面の傾斜角度が相違していることによって、２つのキー部材の先端同士が弾性変形しながら互いに押付けられる形態となり、それら接触部分にばね弾性を付与することができる。このため、両キー部材を貫通孔に挿入した後に、キー付きシャフトを回転部材に挿入する際にも、両キー部材を相互に貫通孔内に押込んでキー全体の直径方向長さ寸法を縮めた如き状態として、各キー部材の基端部を凹溝部に嵌合させることができ、各キー部材の基端部と凹溝部の内面との間の磨耗を抑えることができる。しかも、両キー部材間のばね力つまり押込み後の反力によって、各キー部材の基端部と凹溝部との嵌合を、がたつきなく行うことができる。

尚、請求項１の記載中の、「（断面台形状の）凸部の傾斜面の立上り傾斜角度」とは、上底、この上底よりも長い下底、一対の斜辺からなる等脚台形を考えたときに、下底と一方の斜辺とのなす角度のことをいう。同様に、「（断面台形状に凹む）凹部の傾斜面の立下り傾斜角度」とは、上記等脚台形を上下にひっくり返した、上底の方が下底よりも長い等脚台形の、上底と一方の斜辺とのなす角度のことをいう（図２（ｃ）参照）。

本発明においては、上記請求項１の構成に加えて、前記第１キー部材及び第２キー部材の基端部に、軸方向に見て両側が基端側に行くに従って細くなる傾斜面とされた断面台形状の基端側凸部を形成すると共に、前記回転部材の円筒部の内周面の凹溝部の底面部に、前記基端側凸部に対応して前記軸方向に見て断面台形状に凹む溝側凹部を形成し、前記基端側凸部の傾斜面と前記溝側凹部の傾斜面とが面接触するように構成することもできる（請求項２の発明）。

これによれば、第１キー部材及び第２キー部材の基端部が、夫々回転部材の各凹溝部に嵌合したときに、基端側凸部の傾斜面と溝側凹部の傾斜面とが面接触することによって、傾斜面がない場合に比べて、それらの接触面積を大きくすることができ、回転伝達性能をより高めることができる。

本発明の第１の実施例を示すもので、シャフト、フランジ、貫通キーの結合構造を示す縦断正面図（ａ）及びそのＢ部の拡大図（ｂ）並びにＣ部の拡大図（ｃ）キー部材の挿入の様子を示す縦断正面図で、キー部材の挿入前（ａ）及び挿入後（ｂ）並びにそのＤ部の拡大図（ｃ）第１キー部材及び第２キー部材の斜視図フランジの正面図キー付きシャフトとフランジとの嵌合時の様子を示す縦断側面図モータにフランジを取付けた様子を示す横断平面図本発明の第２の実施例を示すもので、図１（ａ）、（ｂ）相当図図３相当図従来例を示す図６相当図

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図６を参照しながら説明する。本実施例では、産業用機器として、例えば可搬重量が５〜７ｋｇ程度の小型〜中型程度の産業用ロボットを具体例としている。図６に示すように、この産業用ロボットにおいては、例えばサーボモータ１１の駆動力を、減速機やベルト伝達機構等を介してアームに伝達するようになっており、前記サーボモータ（減速機）１１のシャフト（出力軸）１２には、回転部材としてのフランジ（プーリ部材）１３が連結される。

以下、前記シャフト１２とフランジ１３とを、キー１４（以下貫通キー１４という）によって結合するための本実施例に係る回転連結構造について述べる。図２、図５等にも示すように、前記シャフト１２には、該シャフト１２の直径方向（図２等で上下方向）に貫通し且つ軸方向（図５で左右方向）に延びる貫通孔１５が形成されている。この貫通孔１５は、例えば全体が均一の幅寸法（例えば３ｍｍ程度）となるように形成されている。

一方、記フランジ１３は、図１、図４、図５に示すように、前記シャフト１２の外周に嵌挿される（シャフト１２が貫通する）円筒部１６を有して構成されている。前記円筒部１６の内周面には、前記貫通孔１５に対応する２箇所（図で上下２箇所）に位置して、凹溝部１７，１７がこの場合軸方向全体に延びて形成されている。このとき、本実施形態では、図１（ｃ）及び図４に示すように、各凹溝部１７の底部には、軸方向に見て両側が傾斜面１８ａ，１８ａとされた断面台形状（等脚台形状）に窪む溝側凹部１８が形成されている。

さて、前記貫通キー１４は、前記シャフト１２の貫通孔１５を貫通するように打込まれ、貫通孔１５から突出した両端部が前記各凹溝部１７に夫々嵌合することにより、シャフト１２とフランジ１３とを連結する機能を果たすものである。この貫通キー１４は、例えばＳ４５Ｃ等の炭素鋼から、全体として、前記貫通孔１５に対応した均等な幅寸法（例えば３ｍｍ）を有する矩形板状に構成されているのであるが、図２、図３等に示すように、全体を直径方向（図で上下）に２分割した形態の、第１キー部材１９及び第２キー部材２０の２部品から構成される。

これら第１キー部材１９及び第２キー部材２０は、前記貫通孔１５内に、互いに逆方向（上下方向）から挿入され、貫通孔１５内の中間部で、先端部同士が接触するように設けられる。これら第１キー部材１９及び第２キー部材２０においては、貫通孔１５に挿入されて相手側と接触する側を先端部、それとは反対側を基端部としている。従って、第１キー部材１９の基端部及び第２キー部材２０の基端部が、夫々前記各凹溝部１７に嵌合するようになっている。

さて、図１〜図３に示すように、前記第１キー部材１９の先端部には、例えば前記軸方向に見て両側が先端側に行くに従って細くなるような傾斜面２１ａ、２１ａとされた断面台形状（等脚台形状）の凸部２１が形成されている。これに対し、前記第２キー部材２０の先端部には、端縁部を除いた位置に前記凸部２１に対応して、例えば前記軸方向に見て断面台形状（等脚台形状）に凹む凹部２２が形成されている。

このとき、図では誇張して表示しているが、図２（ｃ）に示すように、前記第１キー部材１９の凸部２１の傾斜面２１ａの立上り傾斜角度θ１に対し、前記第２キー部材２０の凹部２２の傾斜面２２ａの立下り傾斜角度θ２の方が数°程度だけ大きく構成されている。具体例をあげると、傾斜角度θ１が例えば８°、傾斜角度θ２が例えば１５°、凸部２１の突出高さ寸法が、例えば０．０９３ｍｍ、凹部２２の凹み深さ寸法が、例えば０．２ｍｍとされている。尚、この場合の傾斜角度θ１，θ２の差は、例えば１０°以下とすることが望ましい。

さらに本実施形態では、図１（ｃ）等に示すように、前記第１キー部材１９及び第２キー部材２０の基端部に、軸方向に見て両側が基端側に行くに従って細くなる傾斜面２３ａとされた断面台形状の基端側凸部２３が形成されている。この基端側凸部２３は、前記フランジ１３の凹溝部１７の底部に設けられた溝側凹部１８対応して（傾斜面の角度が同等となるように）形成されており、この基端側凸部２３の傾斜面２３ａと前記溝側凹部１８の傾斜面１８ａとが面接触するように構成されているのである。

次に、上記構成において、シャフト１２とフランジ１３とを、貫通キー１４（第１キー部材１９及び第２キー部材２０）によって結合（連結）する手順について述べる。結合にあたっては、まず、シャフト１２の貫通孔１５に、第１キー部材１９及び第２キー部材２０を挿入する作業が行われる。この挿入作業は、図２（ａ）に示すように、第１キー部材１９を貫通孔１５に対し上方から挿入し、第２キー部材２０を貫通孔１５に対し下方から挿入するといったように、互いに貫通孔１５の反対側から夫々挿入することにより行われる。従って、挿入時の各キー部材１９，２０と貫通孔１５内面との間の摺動量ひいては磨耗量を少なく抑えることができる。

第１キー部材１９及び第２キー部材２０を貫通孔１５に挿入した状態では、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１キー部材１９と第２キー部材２０との接触が、凸部２１の傾斜面２１ａと、凹部２２の傾斜面２２ａとが突き当たる状態でなされる。それら傾斜面２１ａの傾斜角度θ１と、傾斜面２２ａの傾斜角度θ２とが相違していることによって、２つのキー部材１９，２０を相互に押込むことにより、それらの先端同士が弾性変形しながら互いに押付けられる形態となり、それら接触部分にばね弾性が付与されるようになるのである。

前記第１キー部材１９及び第２キー部材２０を貫通孔１５に挿入した後、図５に示すように、貫通キー１４付きシャフト１２を、フランジ１３の円筒部１６内に対し、貫通キー１４と凹溝部１７との位置合せ状態で、軸方向に挿入する作業を行う。この際にも、図１（ｂ）に示すように、両キー部材１９，２０を相互に貫通孔１５内に押込んで貫通キー１４全体の直径方向長さ寸法を縮めた如き状態とすることにより、摺動抵抗を小さくすることができ、各キー部材１９，２０の基端部を凹溝部１７，１７に対し、比較的小さな力で容易に嵌合させることができる。

このときには、各キー部材１９，２０の基端部と凹溝部１７，１７の内面との間の嵌合時における磨耗を抑えることができ、しかも、両キー部材１９，２０間のばね力つまり押込み後の反力によって、各キー部材１９，２０の基端部と凹溝部１７，１７との嵌合を、がたつきなく行うことができる。また、上記したキー部材１９，２０と貫通孔１５内面との間の磨耗量を少なく抑えることと併せて、全体としてのがたの発生を僅かに抑えることができる。

このように本実施例の回転連結構造によれば、貫通キー１４は、全体としてシャフト１２の貫通孔１５を貫通した形態に配置されるので、従来例（図９）で述べたような一般的なキー構造に比べて、回転伝達能力を確保しながら、貫通キー１４の軸方向の長さ寸法ひいてはシャフト１２の長さ寸法Ｌ１（図６参照）を短くすることができる。ひいては、ロボット全体の小型化（省スペース化）を図ることにつながるのである。ちなみに、図９に示したシャフト２の長さ寸法Ｌ０が、例えば３８．５ｍｍであったのに対し、本実施例のシャフト１２の長さ寸法Ｌ１を、例えば２２ｍｍと約半分にすることができた。

また、特に本実施例では、第１キー部材１９の基端部及び第２キー部材２０の基端部に、夫々基端側凸部２３，２３を設けると共に、各凹溝部１７，１７の底部に、溝側凹部１８、１８を設けるようにしたので、基端側凸部２３の傾斜面２３ａと溝側凹部１８の傾斜面１８ａとが面接触することによって、傾斜面がない場合に比べて、それらの接地面積を大きくすることができる。このとき、第１キー部材１９の基端部及び第２キー部材２０の基端部の端面（先端）は、その形状に係わらず凹溝部１７に接しない（図１（ｃ）参照）。よって、それら基端部の先端が直角な辺を持っている場合には、凹溝部１７に接するのは、基端部の側面のみとなる。これに対し、基端部が基端側凸部２３の傾斜面２３ａを持っている場合には、凹溝部１７に接するのは、基端部の側面と傾斜面２３ａになる。そして、傾斜面２３ａは、角度が付いている分だけ、基端部先端までの表面積が単に直線となる側面のみの場合に比べて大きくなる。そのため、凹溝部１７への接地面積も、基端部先端が直角な辺を持っている場合よりも多くなることから、回転伝達性能をより高めることができるといった利点も得ることができる。

そして、本実施例では、貫通キー１４を、直径方向に第１キー部材１９及び第２キー部材２０に２分割された形態で設けると共に、それら第１キー部材１９の先端（凸部２１）と第２キー部材２０の先端（凹部２２）との接触部分にばね弾性を付与することができるように構成したので、組立時等の、貫通キー１４と貫通孔１５との間、及び貫通キー１４と凹溝部１７，１７との間の磨耗を少なく抑え、貫通キー１４周囲のがたを生じにくくすることができたのである。

図７及び図８は、本発明の第２の実施例を示すものであり、以下、上記第１の実施例と異なる点についてのみ説明する。この第２の実施例では、シャフト１２の貫通孔１５に挿入される貫通キー３１を構成する第１キー部材３２及び第２キー部材３２の構成（形状）、及び、フランジ１３の円筒部１６の内周面に形成される凹溝部３４，３４の形状が上記第１の実施例と異なっている。

即ち、第１キー部材３２は、先端部に凸部２１を有しているのであるが、基端部には基端側凸部２３を設けることなく、基端面をフラットな形状としている。また、第２キー部材３３についても、先端部に凹部２２を有しているのであるが、基端部には基端側凸部２３を設けることなく、基端面をフラットな形状としている。そして、凹溝部３４，３４は、それら第１キー部材３２及び第２キー部材３３の基端部形状に合せて、溝側凹部１８をも設けることなく、底面がフラットな形状に形成されている。

このような第２の実施例によっても、いわゆる貫通キー３１を用いることによってシャフト１２の長さ寸法の短縮化を可能とすることができ、貫通キー３１と貫通孔１５との間、及び貫通キー３１と凹溝部３４との間の磨耗を少なく抑えることができ、貫通キー３１周囲のがたの生じにくいものとすることができる。また、上記第１の実施例に比べて、形状が単純になるので、各キー部材３２，３３や凹溝部３４の加工をより簡単に済ませることができる。

尚、上記各実施例では、本発明を産業用ロボットに適用するようにしたが、シャフトと回転部材とをキーにより連結する構造を備える産業用機器全般に適用することができる。また、上記実施例に記載した角度や寸法等の具体的な数値についても、あくまでも一例を示したに過ぎないなど、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１１はサーボモータ、１２はシャフト、１３はフランジ（回転部材）、１４，３１はキー、１５は貫通孔、１６は円筒部、１７，３４は凹溝部、１８は溝側凹部、１８ａは傾斜面、１９、３２は第１キー部材、２０，３３は第２キー部材、２１は凸部、２１ａは傾斜面、２２は凹部、２２ａは傾斜面、２３は基端側凸部、２３ａは傾斜面、θ１，θ２は傾斜角度を示す。

Claims

シャフトと、このシャフトの外周に嵌合する円筒部を有する回転部材とを、キーによって結合するための産業用機器の回転連結構造であって、
前記シャフトには、該シャフトの直径方向に貫通し且つ軸方向に延びる貫通孔が形成されており、
前記回転部材の円筒部の内周面の前記貫通孔に対応する２箇所に凹溝部が形成されており、
前記キーは、前記直径方向に２分割された形態の第１キー部材及び第２キー部材からなり、それら２個のキー部材が前記貫通孔内で互いに相手側のキー部材と先端部同士が接触すると共に、それら両キー部材の前記先端部とは反対側の基端部が夫々前記凹溝部に嵌合するように構成されており、
前記第１キー部材の先端部には、両側が先端側に行くに従って細くなるような傾斜面とされた断面台形状の凸部が形成されており、
前記第２キー部材の先端部には、前記凸部に対応して断面台形状に凹む凹部が形成されており、
前記第１キー部材の凸部の傾斜面の立上り傾斜角度に対し、前記第２キー部材の凹部の傾斜面の立下り傾斜角度の方が大きく構成されていることを特徴とする産業用機器の回転連結構造。
前記第１キー部材及び第２キー部材の基端部には、前記軸方向に見て両側が基端側に行くに従って細くなる傾斜面とされた断面台形状の基端側凸部が形成されており、
前記回転部材の円筒部の内周面の凹溝部の底部には、前記基端側凸部に対応して前記軸方向に見て断面台形状に凹む溝側凹部が形成されており、
前記基端側凸部の傾斜面と前記溝側凹部の傾斜面とが面接触するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の産業用機器の回転連結構造。