JP2013136119A - 球面関節およびマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】凸球の可動部が摩擦の影響を強く受けることなく、且つ凸球の表面粗さが極めて滑らかでない場合であっても大きなガタを生じることがない球面関節等を提供する。
【解決手段】内円筒１のリング状の端面ＳＩと外円筒２のリング状の端面ＳＯとの間に内方向へ段差Ｄが設けられている。小球７等は端面ＳＩ上に等間隔で彫られたＶ字型溝１４等上に設けられ、球面関節３０は第１リンク３と第２リンイク６とが小球７等を介しワイヤ１０等の引張により結合されている。ワイヤ１０等は一端が軸５に接続され凸球４に掛けられつつ、他端は通し穴１７等を通して第１リンク３および第２リンク６外に設置された所定の張力調節機構に接続されている。凸球４は外円筒２と内円筒１とは接触点を有さず３つの小球７等とのみ接触点を有している。小球７等は各々設置されたＶ字型溝１４等と外円筒２の段差Ｇにおける内周面と凸球４とによって拘束されている。
【選択図】図１

Description

本発明は球面関節に関し、特に外円筒および内円筒を有する第１リンクと凸球および凸球の軸を有する第２リンクとを連結した球面関節等に関する。

球面関節（または球関節）は２つの支持具の接合部分が球状をしており、自由度の高い運動が可能である。従来の球面関節は、凸球と凹球との嵌め合わせ型（特許文献１参照）か、またはワイヤ等による凸球と支持部との連結型（特許文献２参照）に大別される。特許文献１の場合は同図１に示されるように凹球面関節部３の凹球面で凸球面４を有する球関節部２を支持している。一方、特許文献２の場合は同図１に示されるように端板部１０の面または線で凸球状の球面軸受１１を支持している。

特許文献１の場合、凸球の可動部が接触する箇所（支持面としての凹球面）が広いため、凸球（球関節部２）は摩擦の影響を強く受けるという問題があった。さらに、凸球の表面粗さが極めて滑らかでない限り、球関節は大きなガタが生じるという問題があった。特許文献２の場合も同様に、凸球の可動部が接触する箇所（支持面または支持線としての端板部１０の面または線）が広いため、凸球は摩擦の影響を強く受けるという問題があった。さらに、支持面または支持線の表面粗さが極めて滑らかでない限り、球関節は大きなガタが生じるという問題があった。

そこで、本発明の目的は上記問題を解決するためになされたものであり、凸球の可動部が摩擦の影響を強く受けることなく、且つ凸球の表面粗さが極めて滑らかでない場合であっても大きなガタを生じることがない球面関節を提供することにある。

本発明の第２の目的は、本発明の球面関節を回転動作機構に用いたマニピュレータを提供することにある。

この発明の球面関節は、外円筒と該外円筒の内周面に接する内円筒とを有する第１リンクと、凸球と該凸球の一端側に中心軸に沿って設けられた軸とを有する第２リンクとを連結した球面関節であって、前記内円筒の端面は前記外円筒の端面から内方向へ段差を有し、該内円筒の端面上には、等間隔で設けられた少なくとも３つのＶ字型溝と、該Ｖ字型溝とは異なる位置に等間隔で設けられた４つの通し穴であって該内円筒の肉厚内部を他の端面まで貫通するものとが設けられており、前記３つのＶ字型溝の各々に設置された同一半径の３つの小球と、一端が前記軸に接続され前記凸球に掛けられつつ他端が前記通し穴の一つを通して第１リンク及び第２リンク外に設置された所定の張力調節機構に接続された４本のワイヤとを備え、前記凸球は前記外円筒と前記内円筒とは接触点を有さず前記３つの小球とのみ接触点を有して支持され、３つの前記小球は設置されたＶ字型溝と該外円筒と該凸球とによって拘束されることにより第１リンクと第２リンクとを連結したことを特徴とする。

ここで、この発明の球面関節において、前記所定の張力調節機構から前記４本のワイヤに対し不均一且つ第１リンク及び第２リンクの連結を保つ張力を与えることによって該４本のワイヤが掛けられた前記凸球を前記３つの小球と接触を保持しつつ回転させることにより、第１リンクと第２リンクとの間の相対角度を変化させることができる。

ここで、この発明の球面関節において、前記通し穴の数及び前記ワイヤの本数を３つとすることができる。

この発明のマニピュレータは、本発明の球面関節を並進方向３軸と回転方向２軸との動作を行う回転動作機構に用い、エンドエフェクタとして微小部品の把持動作可能なグリップを備えたことを特徴とする。

ここで、この発明のマニピュレータにおいて、前記微小部品は光ファイバアレイと集光レンズが直線状に並んだマイクロレンズアレイとをアセンブルする際の該マイクロレンズアレイとすることができる。

本発明の球面関節によれば、内円筒のリング状の端面と外円筒のリング状の端面との間に内方向へ段差が設けられている。小球は端面上に１２０°程度の等間隔で彫られた３つのＶ字型溝上に設けられており、球面関節は第１リンクと第２リンクとが３個の小球を介し４本のワイヤの引張により結合（連結）される構造を有している。４本のワイヤは一端が軸に接続され凸球に掛けられつつ、他端は通し穴の一つを通して第１リンクおよび第２リンク外に設置された所定の張力調節機構に接続されている。凸球は外円筒と内円筒とは接触点を有さず３つの小球とのみ接触点を有して支持されている。３つの小球は各々設置されたＶ字型溝と外円筒の段差における内周面と凸球とによって拘束されており、その場回転以外の動作はできない。凸球の可動部は３つののみと接触するため、従来の球面関節と比較しても極めて小さい接触面積を有している。この結果、従来の球面関節と比較して凸球の可動部における摩擦は小さい。さらに、凸球が３つの小球により支持されている点と、凸球の回転が４本のワイヤによる押し付け力を利用している点とにより、可動時のガタは小さい。以上により、凸球の可動部が摩擦の影響を強く受けることなく、且つ凸球の表面粗さが極めて滑らかでない場合であっても大きなガタを生じることがない球面関節を提供することができる。この結果、凸球の可動部が摩擦の影響を強く受けることなく、且つ凸球の表面粗さが極めて滑らかでない場合であっても大きなガタを生じることがない球面関節を提供することができるという効果がある。さらに、本発明の球面関節を回転動作機構に用いたマニピュレータを提供することができるという効果もある。

本発明の実施例１における球面関節３０の斜視図である。 球面関節３０の図１に示されるＸＸ’断面図である。 球面関節３０の平面図である。 球面関節３０と第1アーム部４１とを連結した場合の図１における上下方向の断面図である。 本発明の実施例３におけるマニピュレータ４０を示す図である。 図５に示される状態のマニピュレータ４０のＸＺ平面に平行な面による断面図である。 顕微鏡下で把持および位置制御されるマニピュレータ・システムを示す図である。 本発明の実施例４でマニピュレータ４０が適用される分野の一例である光通信システムの概要を示す図である。 合波モジュール８０の拡大図である。 光ファイバアレイ８１を示す図である。 マイクロレンズアレイ８２を示す図である。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における球面関節３０の斜視図である。図１において、符号２は外円筒、１は外円筒２の内周面に接する内円筒、３は内円筒１と外円筒２とを有する第１リンク、４は凸球、５は凸球４の一端側（図１の上側）に凸球４の中心軸に沿って設けられた軸、６は凸球４と軸５とを有する第２リンク、７、８および９は第１リンク３と第２リンク６との間に配置された同一半径の３個の小球、１０、１１、１２および１３は軸５に接続された４本のワイヤ、Ｇは内円筒１のリング状の端面ＳＩと外円筒２のリング状の端面ＳＯとの間に内方向（図1の下側）へ設けられた段差である。図１に示されるように、小球７乃至９は端面ＳＩ上に１２０°程度の等間隔で設けられており、球面関節３０は第１リンク３と第２リンイク６とが３個の小球７乃至９を介し４本のワイヤ１０乃至１３の引張により結合（連結）される構造を有している。小球７等の数は３個に限定されるものではなく、少なくとも３個あればよい。

図２は、球面関節３０の図１に示されるＸＸ’断面図である。図２で図１と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図２で、符号１４、１５および１６は内円筒１のリング状の端面ＳＩ上に１２０°程度の等間隔で彫られた３つのＶ字型溝、１７、１８、１９および２０はＶ字型溝１４乃至１６とは異なる位置に９０°程度の等間隔で設けられた４つの通し穴であり内円筒１の肉厚内部を内円筒１の他の端面（不図示）まで貫通している。図１および図２に示されるように、小球７乃至９は各々３つのＶ字型溝１４乃至１６の各々に設置されている。

図３は、球面関節３０の平面図である。図３で図１と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１乃至図３に示されるように、４本のワイヤ１０乃至１３は一端が軸５に接続され凸球４に掛けられつつ、他端は通し穴１７乃至２０の一つを通して第１リンク３および第２リンク６外に設置された所定の張力調節機構（後述）に接続されている。

図１乃至図３に示されるように、凸球４は外円筒２と内円筒１とは接触点を有さず３つの小球７乃至９とのみ接触点を有して支持されている。３つの小球７乃至９は各々設置されたＶ字型溝１４乃至１６と外円筒２の段差Ｇにおける内周面と凸球４とによって拘束されており、その場回転以外の動作はできない。以上のように拘束された３つの小球７乃至９を介して第１リンク３と第２リンク６とが連結されている。

図４は、球面関節３０と第1アーム部４１（後述）とを連結した場合の図１における上下方向の断面図である。図４で図1と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図４に示されるように、凸球４の内部は軸５を嵌め込むために中空構造となっており、段差Ｄの長さは例えば０．２５ｍｍ、凸球４の中心ＣＶと小球７等の中心ＣＳとの間の軸方向の距離は例えば１．５８ｍｍ、外円筒２の第１アーム部４１との接合部ＳＴの軸方向の長さは１ｍｍ、外円筒２の端面ＳＯと第１アーム部４１の図４上の右端との間の距離は例えば１５６ｍｍとすることが好適である。

所定の張力調節機構から４本のワイヤ１０乃至１３に対し不均一且つ第１リンク３および第２リンク６の連結を保つ張力を与えることによって、４本のワイヤ１０乃至１３が掛けられた凸球４を３つの小球７乃至９と接触を保持しつつ回転させることにより、第１リンク３と第２リンク６との間の相対角度を変化させることができる。この回転動作中に、小球７乃至９はＶ字型溝１４乃至１６と外円筒２の段差Ｇにおける内周面と凸球４との間の摩擦力に応じたその場回転を行う。

以上より、本発明の実施例１によれば、内円筒１のリング状の端面ＳＩと外円筒２のリング状の端面ＳＯとの間に内方向へ段差Ｄが設けられている。小球７乃至９は端面ＳＩ上に１２０°程度の等間隔で彫られた３つのＶ字型溝１４乃至１６上に設けられており、球面関節３０は第１リンク３と第２リンク６とが３個の小球７乃至９を介し４本のワイヤ１０乃至１３の引張により結合（連結）される構造を有している。４本のワイヤ１０乃至１３は一端が軸５に接続され凸球４に掛けられつつ、他端は通し穴１７乃至２０の一つを通して第１リンク３および第２リンク６外に設置された所定の張力調節機構に接続されている。凸球４は外円筒２と内円筒１とは接触点を有さず３つの小球７乃至９とのみ接触点を有して支持されている。３つの小球７乃至９は各々設置されたＶ字型溝１４乃至１６と外円筒２の段差Ｇにおける内周面と凸球４とによって拘束されており、その場回転以外の動作はできない。凸球４の可動部は３つの小球７乃至９のみと接触するため、背景技術で説明した従来の球面関節のどちらと比較しても極めて小さい接触面積を有している。この結果、従来の球面関節と比較して凸球４の可動部における摩擦は小さい。さらに、凸球４が３つの小球７乃至９により支持されている点と、凸球４の回転が４本のワイヤ１０乃至１３による押し付け力を利用している点とにより、可動時のガタは小さい。以上により、凸球４の可動部が摩擦の影響を強く受けることなく、且つ凸球４の表面粗さが極めて滑らかでない場合であっても大きなガタを生じることがない球面関節を提供することができる。

実施例１ではワイヤ１０等の数を４本としたが、３本であってもよい。この場合、例えば図１または３に示されるワイヤ１３を取り除き、３本のワイヤ１０乃至１２を１２０°程度の等間隔に設置すればよい。これに応じて図１または２に示される通し穴２０を取り除き、３つの通し穴１７乃至１９を１２０°程度の等間隔に設置すればよい。

以上より、本発明の実施例２によれば、球面関節３０の通し穴１７等の数およびワイヤ１０等の本数を３つとすることができる。この結果、実施例１と同様の効果を得ながらコストを軽減し製造の手間を省くことができる球面関節を提供することができる。

図５は、本発明の実施例３におけるマニピュレータ４０を示す。図５で、符号４１はマニピュレータ４０の第１アーム部、４２はマニピュレータ４０の第２アーム部、３０は第１アーム部４１と第２アーム部４２とを接続する実施例１または２で説明した球面関節、４３はマニピュレータ４０のエンドエフェクタとして微小部品５０を把持動作可能なグリップである。図５に示されるように、球面関節３０はマニピュレータ４０が並進方向３軸（Ｘ、ＹおよびＺ軸）と回転方向２軸（αおよびβ方向）との動作を行うための回転動作機構として用いることができる。

図６は、図５に示される状態のマニピュレータ４０のＸＺ平面に平行な面による断面図である。図６で図１および図５と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図６に示されるように、ワイヤ１１等は通し穴１７等を通して第１リンク３および第２リンク６外に設置されたステッピングモータ６０（所定の張力調節機構）のモータ軸６１に接続されている。

図７は、顕微鏡下で把持および位置制御されるマニピュレータ・システムを示す。図７で図１、５および６と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図７で、符号７４は微小部品５０をアセンブルするアセンブル対象、６０ａ、６０ｂおよび６０ｃはステッピングモータ、７０はステッピングモータ６０ａ、６０ｂおよび６０ｃを制御するモータコントローラ、７１は顕微鏡７３を介してカメラ７２により撮影された画像に基づきモータコントローラ７０を制御するコンピュータＰＣである。図７に示されるように、ＰＣ７１は顕微鏡７３を介してカメラ７２により撮影された微小部品５０とアセンブル対象７４との相互の位置関係に基づきモータコントローラ７０を制御して、ステッピングモータ６０ａ等のモータ軸６１（図６参照）を適宜回転させる。これにより球面関節３０のワイヤ１１等が適宜引張られて、球面関節３０に並進方向３軸（Ｘ、ＹおよびＺ軸）と回転方向２軸（αおよびβ方向）との動作を行わせる。この結果、グリップ４３に把持された微小部品５０の位置を制御してアセンブル対象７４にアセンブルすることができる。

以上より、本発明の実施例３によれば、球面関節３０をマニピュレータ４０が並進方向３軸（Ｘ、ＹおよびＺ軸）と回転方向２軸（αおよびβ方向）との動作を行うための回転動作機構として用いることができる。この結果、顕微鏡７３下におけるグリップ４３の把持・位置制御を容易に行うことができ、且つ小型で軽量化されたマニピュレータを提供することができる。

実施例４では実施例３で説明したマニピュレータ（・システム）の応用例について説明する。図８は、本発明の実施例４でマニピュレータ４０が適用される分野の一例である光通信システムの概要を示す。図８に示されるように、光通信における波長分割多重（ＷＤＭ）では、複数の波長λｉ（ｉ＝１〜ｎ）を合波モジュール８０により合波して伝送路へ送り出し、分波モジュール９０により元の複数の波長λｉ（ｉ＝１〜ｎ）へ戻している。図９は、合波モジュール８０の拡大図を示す。図９で、符号８１は光ファイバアレイ（アセンブル対象７４に相当）、８２は集光レンズが直線状に並んだマイクロレンズアレイ（微小部品５０に相当）である。図９に示されるように、実施例３のマニピュレータ（・システム）において、微小部品５０は光ファイバアレイ８１と集光レンズが直線状に並んだマイクロレンズアレイ８２とをアセンブルする際のマイクロレンズアレイ８２とすることができる。図１０は、光ファイバアレイ８１を示す。図１０に示されるように、光ファイバアレイ８１の直径は約２．５ｍｍであり、光ファイバ８３の直径は約８１μｍである。図１１は、マイクロレンズアレイ８２を示す。図１１に示されるように、マイクロレンズ８４の直径は約８０μｍであり、グリップ４３により把持されたマイクロレンズアレイ８２を図１０に示される光ファイバアレイ８１にアセンブルする。

以上より、本発明の実施例４によれば、実施例３のマニピュレータ（・システム）において、微小部品５０は光ファイバアレイ８１と集光レンズが直線状に並んだマイクロレンズアレイ８２とをアセンブルする際のマイクロレンズアレイ８２とすることができる。

本発明の活用例として、球面関節３０をマニピュレータ４０が並進方向３軸（Ｘ、ＹおよびＺ軸）と回転方向２軸（αおよびβ方向）との動作を行うための回転動作機構として用いることができる。好適には当該マニピュレータ４０を顕微鏡７３下における微小部品５０のアセンブル対象７４へのアセンブルに用いることができる。

１ 内円筒、 ２ 外円筒、 ３ 第１リンク、 ４ 凸球、 ５ 軸、 ６ 第２リンク、 ７、８、９ 小球、 １０、１１、１２、１３ ワイヤ、 １４、１５、１６ Ｖ字型溝、 １７、１８、１９、２０ 通し穴、 ３０ 球面関節、 ４０ マニピュレータ、 ４１ 第１アーム部、 ４２ 第２アーム部、 ４３ グリップ、 ５０ 微小部品、 ６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ ステッピングモータ、 ６１ モータ軸、 ７０ モータコントローラ、 ７１ ＰＣ、 ７２ カメラ、 ７３ 顕微鏡、 ７４ アセンブル対象、 ８０ 合波モジュール、 ８１ 光ファイバアレイ、 ８２ マイクロレンズアレイ、 ８３ 光ファイバ、 ８４ マイクロレンズ、 ９０ 分波モジュール。

特開２００４−２３９０７号公報 特開２００４−１７２６６号公報

Claims (5)

1. 外円筒と該外円筒の内周面に接する内円筒とを有する第１リンクと、凸球と該凸球の一端側に中心軸に沿って設けられた軸とを有する第２リンクとを連結した球面関節であって、
   前記内円筒の端面は前記外円筒の端面から内方向へ段差を有し、該内円筒の端面上には、等間隔で設けられた少なくとも３つのＶ字型溝と、該Ｖ字型溝とは異なる位置に等間隔で設けられた４つの通し穴であって該内円筒の肉厚内部を他の端面まで貫通するものとが設けられており、
   前記３つのＶ字型溝の各々に設置された同一半径の３つの小球と、
   一端が前記軸に接続され前記凸球に掛けられつつ他端が前記通し穴の一つを通して第１リンク及び第２リンク外に設置された所定の張力調節機構に接続された４本のワイヤとを備え、
   前記凸球は前記外円筒と前記内円筒とは接触点を有さず前記３つの小球とのみ接触点を有して支持され、３つの前記小球は設置されたＶ字型溝と該外円筒と該凸球とによって拘束されることにより第１リンクと第２リンクとを連結したことを特徴とする球面関節。
2. 請求項１記載の球面関節において、前記所定の張力調節機構から前記４本のワイヤに対し不均一且つ第１リンク及び第２リンクの連結を保つ張力を与えることによって該４本のワイヤが掛けられた前記凸球を前記３つの小球と接触を保持しつつ回転させることにより、第１リンクと第２リンクとの間の相対角度を変化させることを特徴とする球面関節。
3. 請求項１又は２記載の球面関節において、前記通し穴の数及び前記ワイヤの本数を３つとしたことを特徴とする球面関節。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の球面関節を並進方向３軸と回転方向２軸との動作を行う回転動作機構に用い、エンドエフェクタとして微小部品の把持動作可能なグリップを備えたことを特徴とするマニピュレータ。
5. 請求項４記載のマニピュレータにおいて、前記微小部品は光ファイバアレイと集光レンズが直線状に並んだマイクロレンズアレイとをアセンブルする際の該マイクロレンズアレイであることを特徴とするマニピュレータ。