JP2015207461A - ロータリージョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリージョイントにおいて摺動による摩耗を抑える技術を提供する。
【解決手段】固定体と回転体の電気接続を行うためのロータリージョイントにおいて、基部は、固定体および回転体のいずれか一方に電気接続される。回転軸１８は、固定体および回転体の他方に電気接続され、基部に対して相対回転可能である。第１板部２４は、回転軸１８に連設または係合し、回転軸１８に連動して基部に対して相対回転する。第２板部３０は、第１板部２４に対向する。複数のボール２６は、第１板部２４および第２板部３０に挟まれて、第１板部２４および第２板部３０を導通する。リング体３２は、基部および第２板部３０に当接して導通し、第２板部３０を第１板部２４に向かって付勢する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定体と回転体の電気接続を行うロータリージョイントに関する。

従来から回転している装置へ電源を供給したり、信号の受け渡しを行うロータリージョイントがある。特許文献１には、固定された外部入出力装置と回転する外部回転装置との電気接続を実現するロータリージョイントが開示される。このロータリージョイントは、固定体に接続する外輪筐体と、外輪筐体に対して回転自在に組み合わされて、回転体に接続する内輪筐体と、外輪筐体と内輪筐体との間に介在して固定体と回転体との電気接続を行うコイル電気接続体を有する。このコイル電気接続体は、導電性細径ワイヤを巻回してコイル体を形成した後、コイル体の両端を接続してリング体として形成される。

リング体は、高導電性能を備えるとともにバネ性を備えた素材であり、リング体の中心軸方向の上下から外輪筐体と内輪筐体に当接する。リング体を電気接続に用いることで、多数の接触点で接触でき、回転時の接触状態が安定して、チャタリングが低減されノイズ発生が抑制できる。

特開２００７−１６５１８４号公報

特許文献１に記載の技術では、ロータリージョイントの動作時に内輪筐体が回転体とともに回転し、リング体が内輪筐体に押圧されて当接するため、リング体は内輪筐体と摺動して摩耗する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータリージョイントにおいて摺動による摩耗を抑える技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のロータリージョイントは、固定体と回転体の電気接続を行うためのロータリージョイントであって、固定体および回転体のいずれか一方に電気接続される第１部材と、固定体および回転体の他方に電気接続され、第１部材に対して相対回転可能な第２部材と、第２部材に連設または係合し、第２部材に連動して第１部材に対して相対回転する第１板部と、第１板部に対向する第２板部と、第１板部および第２板部に挟まれて、第１板部および第２板部を導通する複数の転動体と、第１部材および第２板部に当接して導通し、第２板部を第１板部に向かって付勢する付勢部と、を備える。

この態様によると、第２部材から順に第１板部、転動体、第２板部、付勢部を通って第１部材に伝達される導電経路を形成することができる。また、相対回転する第１部材と第２部材の間に複数の転動体を設けることで、付勢部が当接する第２板部と第１部材の相対回転を抑え、付勢部の摺動による摩耗を抑えることができる。

本発明のロータリージョイントによれば摺動による摩耗を抑える。

実施形態のロータリージョイントの斜視図である。 ロータリージョイントの分解立体図である。 ロータリージョイントの内部構造を説明するための図である。 回転軸の側面図である。 第１板部および第２板部を説明するための図である。 スペーサを説明するための図である。 図１に示すロータリージョイントの線分Ａ−Ａの断面図である。 変形例のロータリージョイントを説明するための図である。

図１は、実施形態のロータリージョイント１０の斜視図である。ロータリージョイント１０は、外部入出力装置と外部回転装置との電気接続を実現するジョイントである。なお、実施形態のロータリージョイントは、電気接続を行うジョイントであるため、エレクトリカルロータリージョイントと呼ぶ場合もある。外部入出力装置としては、たとえば、電源装置や信号の授受を行う制御装置などを含む固定体であり、外部回転装置としては、たとえばセンサを備えた駆動装置を含む回転体であり、ターンテーブル、レーダーアンテナ、半導体製造装置、フィルム製造装置などがある。

実施形態のロータリージョイント１０は、外部入出力装置に接続可能な第１外部接続部２０を有する基部１６と、この基部１６に対して相対回転可能に設けられる、外部回転装置の回転体とともに回転可能な回転軸１８と、を備える。基部１６は、固定体に電気接続される第１部材として機能し、回転軸１８は、回転体に電気接続され、第１部材に対して相対回転可能な第２部材として機能する。

基部１６と回転軸１８とは、基部１６の内部にて所定の部材により導電経路が形成されて電気接続される。基部１６は、第１基部１２および第２基部１４により、有底筒状に形成された内部収容空間を有する。回転軸１８は、基部１６の開口４０から突出し、回転体に接続可能な第２外部接続部２２を有する。第２外部接続部２２には、回転体からトルクを受ける平面が形成される。

図２は、ロータリージョイント１０の分解立体図である。図３は、ロータリージョイント１０の内部構造を説明するための図である。図３（ａ）および（ｂ）は図１に示すロータリージョイント１０の線分Ａ−Ａの断面斜視図である。なお図３（ａ）では第１軸受部３４、第２軸受部３６および第１外部接続部２０は、そのまま斜視図として示し、図３（ｂ）では第１軸受部３４および第２軸受部３６を除いて示す。

図３（ｂ）に示すように、第１基部１２および第２基部１４は、ボルトにより固定されて一体であり、内部収容空間を有する。第１軸受部３４、第１板部２４、ボール２６、スペーサ２８、第２板部３０、リング体３２および第１軸受部３４は、回転軸１８を挿通した状態で、基部１６の内部収容空間に収容される。第１板部２４、ボール２６、第２板部３０およびリング体３２は、回転軸１８と基部１６とを電気接続する導電経路の構成部材として機能する。回転軸１８からの電流は、順に第１板部２４、複数のボール２６、第２板部３０、リング体３２を通って第２基部１４に伝達される。

第１基部１２は、第１軸受部３４を収容する第１軸受孔４２を有する。第２基部１４は、第１基部１２に連通する連通孔４４、連通孔４４を縮径するように形成された環状段部４６、第２軸受部３６を収容する第２軸受孔４８、および内部収容空間の底面４９を有する。有底筒状の第２基部１４が、貫通した筒状の第１基部１２に連通して、基部１６の内部収容空間が形成される。

図２に示すように、回転軸１８は、径方向外向きに張り出す円板状のフランジ部５６と、フランジ部５６から軸方向に延出して外部に突出する第１軸部５２と、フランジ部５６から第１軸部５２と同軸且つ逆向きに延出する第２軸部５４を有する。第１軸部５２は第１軸受部３４に挿通され、第２軸部５４は、第１板部２４、スペーサ２８、第２板部３０、リング体３２および第２軸受部３６に挿通される。各部材を回転軸１８に挿通させることで、組立時の各部材の位置合わせが容易となる。

図３（ａ）に示すように、第１軸受部３４および第２軸受部３６は、回転軸１８を回転可能に支持するラジアル軸受であり、基部１６に外周面が固定される。第１軸受部３４は、第１軸部５２を支持し、第２軸受部３６は第２軸部５４を支持する。２箇所で回転軸１８を支持することで回転軸１８の軸ぶれを抑えることができる。また、導電経路の構成部材を２つの軸受部の間に配置することで回転時の接触状態を安定させることができる。

図３（ｂ）に示すように第１板部２４および第２板部３０は、ボール２６およびスペーサ２８を挟んで配置される。ボール２６は、スペーサ２８により周方向に等間隔に離間して配置される。ボール２６は導体であり、スペーサ２８は絶縁体である。ボール２６は、第１板部２４と第２板部３０を導通させるための転動体である。

リング体３２は、導電性細径ワイヤを巻回してコイルを形成し、このコイルの両端を接続して形成される。図３（ｂ）に示すようにリング体３２は、第２基部１４の環状段部４６と、第２板部３０に挟まれた位置に設けられる。リング体３２は、中心軸方向の上下から第２基部１４の環状段部４６と第２板部３０とに押圧された状態で配設される。

リング体３２は、第２基部１４の環状段部４６と第２板部３０とに当接して、第２板部３０を第１板部２４に向かって付勢する付勢部として機能し、第２板部３０とボール２６と第１板部２４をフランジ部５６に向かって付勢する。また、リング体３２は、第２基部１４と第２板部３０を導通させるための部材である。この導電経路を構成する各部材について詳細に説明する。

図４は、回転軸１８の側面図である。回転軸１８は、棒状に形成され、第１軸部５２および第２軸部５４の間にフランジ部５６を有する。第１軸部５２には第１軸受部３４の内周面と嵌合する円柱状の第１支持部５８が形成され、第２軸部５４には第２軸受部３６の内周面と嵌合する円柱状の第２支持部６０が形成される。第１支持部５８は、回転軸１８の軸方向の中央部分に位置する。第１支持部５８は、第１軸部５２の先端側で外部に露出する第２外部接続部２２より大径に設けられ、フランジ部５６に連設する。大径の第１支持部５８を第１軸受部３４で支持することで、回転軸１８の回転時の軸ぶれを抑える。

フランジ部５６は、第２軸部５４側に第１板部２４と当接する当接面５６ａを有する。第２軸部５４は第１軸部５２より小径に形成される。これにより、第２軸部５４側に形成される当接面５６ａの面積を広くできる。

図５は、第１板部２４および第２板部３０を説明するための図である。図５（ａ）は第１板部２４および第２板部３０の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す第１板部２４および第２板部３０の線分Ｃ−Ｃの断面図である。図５（ｂ）では、第１板部２４および第２板部３０を図５（ａ）の第１板部２４および第２板部３０より拡大して示す。第１板部２４および第２板部３０は、同様の形状であり、第１板部２４と重複する第２板部３０の説明は省略する。

第１板部２４は、中央に挿通孔６２が形成された円板形状をなす。第１板部２４は、外径側に形成される複数の第１周溝６６と、内径側に形成される複数の第２周溝６８と、第１周溝６６と第２周溝６８の間に形成される第２凹部６４を有する。

第１周溝６６および第２周溝６８は、ロータリージョイント１０の組立時や経時的な使用で生じた摩耗粉を収めることができる。第２凹部６４は、湾曲するよう凹んで周状に形成され、ボール２６が離れないようにガイドするとともに、ボール２６の動きを安定させて摩耗を抑えることができる。

第２凹部６４の裏側の面には、周状突部７０が形成され、第２凹部６４より径方向外側に形成される。第１板部２４において、周状突部７０はフランジ部５６の当接面５６ａに当接する。周状突部７０により第１板部２４をフランジ部５６に確実に当接させて、回転軸１８とともに回転させることができる。

リング体３２は、周状突部７０の径方向内側で第２板部３０に当接する。第２板部３０において周状突部７０はリング体３２の位置決めとして機能し、リング体３２の径方向のズレを抑えるとともに、リング体３２の周方向の接触圧力を安定させることができる。

図６は、スペーサ２８を説明するための図である。図６（ａ）はスペーサ２８の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すスペーサ２８の線分Ｄ−Ｄの断面図である。

スペーサ２８は、中央に挿通孔７８が形成された円板形状をなす。スペーサ２８には周方向に等間隔に離れた複数のボール孔８０が形成される。図６（ｂ）に示すようにボール孔８０は、内周面の中央がボール２６に応じて凹んで形成され、回転するボール２６の接触による摩耗を抑える。

スペーサ２８の板厚はボール２６の直径より薄く、ボール孔８０に入れたボール２６はボール孔８０の開口からはみ出る。ボール孔８０の中央の内径は、ボール２６の直径より大きく、ボール孔８０の表裏の開口の直径は、ボール２６の直径より少しだけ小さくてよい。つまり、ボール２６がボール孔８０に遊嵌される。

図７は、図１に示すロータリージョイント１０の線分Ａ−Ａの断面図である。なお、回転軸１８と第１外部接続部２０とボール２６は側面を示す。回転軸１８は、第１軸受部３４および第２軸受部３６により基部１６に回転可能に支持されるが、基部１６に直接接触しておらず、回転軸１８と基部１６の摺動は生じない。

第２基部１４の環状段部４６と、第２板部３０は対向して配置され、その間にリング体３２が押圧された状態で設けられる。リング体３２のコイル外径は、環状段部４６と第２板部３０の対向間隔より大きく、リング体３２は、環状段部４６と第２板部３０に当接して付勢する。リング体３２は、第２板部３０を第１板部２４およびフランジ部５６に向かって付勢する。

リング体３２は、導電性細径ワイヤを複数回巻回して形成されるため、接触箇所をコイルの巻回数に対応し増大させることができる。接触箇所を多数確保することで接触状態を安定させることができる。

第２板部３０、ボール２６および第１板部２４はリング体３２に付勢されて、当接面５６ａに押しつけられる。第１板部２４、ボール２６、第２板部３０およびリング体３２は、導体であり順に接触して導電経路を形成する。具体的には、第１外部接続部２０から順に第２基部１４、第２基部１４の環状段部４６からリング体３２、第２板部３０、ボール２６、第１板部２４、回転軸１８の当接面５６ａから第２外部接続部２２という導電経路が形成されている。

回転時のロータリージョイント１０の動作について説明する。回転軸１８の回転に連動して、回転軸１８のフランジ部５６に係合する第１板部２４も回転する。複数のボール２６は、第１板部２４からの摩擦を受けて公転および自転をする。

第１板部２４が回転軸１８とともに回転しても、ボール２６を介することで第２板部３０はあまり回転しない状態となり、第２板部３０とリング体３２の摺動量を低減できる。これにより、付勢手段であるリング体３２が第２板部３０および環状段部４６と摺動により摩耗することを抑えることができる。複数のボール２６を用いて導通させることで、回転体と固定体の摺動による摩耗を抑えることができる。また、転動体として使用するボール２６は加工が容易であり、製造コストを低減できる。

第１板部２４とフランジ部５６の静摩擦係数は、第２板部３０とリング体３２の静摩擦係数より大きく、第１板部２４とボール２６の静摩擦係数より大きい。そのため、回転軸１８が回転する際に、第１板部２４とフランジ部５６は、第２板部３０とリング体３２より摺動しづらく、実際にはほぼ摺動しないように設けられる。第１板部２４とフランジ部５６とが摺動しないように、第１板部２４とフランジ部５６とを係止する手段を設けてもよい。

リング体３２は、複数のボール２６の中心２６ａを通る仮想的な円と、略同軸に配置される。これにより、リング体３２の付勢力を各ボール２６に均等に伝達することができ、ボール２６による第１板部２４および第２板部３０の導通を安定させることができる。

複数のボール２６の中心２６ａを通る仮想的な円の直径は、リング体３２の最外径Ｒ１から最内径Ｒ２の間に収まる。複数のボール２６とリング体３２が第２板部３０を挟んで対向する位置に配置される。これにより、ボール２６とリング体３２を通る導電経路を短くすることができ、電力の損失を抑え、ロータリージョイント１０の伝達効率を向上することができる。

図８は、変形例のロータリージョイント１００を説明するための図である。図８では、多極を有するロータリージョイント１００の断面を示す。この変形例のロータリージョイント１００は、５つの電極を有する。各導電経路を構成する部分は、回転軸１１８の軸方向に積層するように設けられ、絶縁されている。

基部は、第１基部１１２、第２基部１１４、第３基部１１５および第４基部を含んで一体に設けられる。第２基部１１４は導電性部材であり、第１基部１１２は絶縁部材である。回転軸１１８は、一端側が第１軸受部１３４に回動可能に軸支され、他端側が第２軸受部１３６に軸支される。回転軸１１８は、各基部に対して相対回転可能に設けられる。

第１軸受部１３４はラジアル軸受であり、第２軸受部１３６はスラスト軸受である。第１軸受部１３４は、第３基部１１５に保持され、第２軸受部１３６は、第４基部１１７に保持される。第２軸受部１３６の円板部１３６ａは、回転軸１１８に固定され、ロータリージョイント１００の一端に位置する。

第２基部１１４は、第１外部接続部１２０に連結される。回転軸１１８に形成された軸孔１１８ａには、各導電経路に電気接続される第２外部接続部１２２が配線される。第２外部接続部１２２は、表面が絶縁された導線部材であり、軸孔１１８ａから外部に引き出される。回転軸１１８は、径方向外向きに張り出す複数のフランジ部１５６を有し、フランジ部１５６は、第１軸受部３４や各導電経路の構成部材のストッパや位置決めとして機能する。

有底円柱形状の第１基部１１２の開口を支持盤１２３で区切って収容空間を画成し、その収容空間に導電経路の構成部材が収容される。導電経路の構成部材は、第１板部１２４、ボール１２６、スペーサ１２８、第２板部１３０およびリング体１３２を有し、それらの構成は図２に示すロータリージョイント１０と同様であるため説明を省略する。このように、第１基部１１２と支持盤１２３によりユニット化された導電経路の構成部材が軸方向に積層される。ロータリージョイント１００は、第１板部１２４、ボール１２６、スペーサ１２８、第２板部１３０およびリング体１３２と、それらを囲う第１基部１１２および支持盤１２３で構成されるユニットを軸方向に積層して互いに絶縁することで多極にすることができる。

第１板部１２４は、有底円筒形状の支持盤１２３により支持される。支持盤１２３は、絶縁体であり、フランジ部１５６に固定される。第２外部接続部１２２は、第１板部１２４に電気接続される。

リング体１３２は、第２基部１１４と第２板部１３０に当接して導通し、第２板部１３０を第１板部１２４に向かって付勢する。隣り合う導電経路の構成部材と第２基部１１４との間に位置する第１基部１１２の底部１１２ａは、軸方向に対向する他の導電経路の構成部材と絶縁をする。

図８に示す矢印１０２は、第１外部接続部１２０から第２外部接続部１２２までの導電経路を示す。第１外部接続部１２０から第２基部１１４、リング体１３２、第２板部１３０、ボール１２６、第１板部１２４を通り、第２外部接続部１２２に伝達される。これらの動作は、図７で説明した１極のロータリージョイント１０と同様である。多極のロータリージョイント１００であっても、複数のボール１２６を用いて導通させることで、回転体と固定体の摺動による摩耗を抑えることができる。

また、別の変形例として、導電経路の構成部材を径方向に積層して多極のロータリージョイントを構成することも可能である。軸方向に積層して多極のロータリージョイント１００を構成することで細長い形状にすることができるのに対し、径方向に積層して多極のロータリージョイントを構成することで、薄型に形成することができる。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。

例えば、実施形態では回転軸１８が回転体に接続され、基部１６が固定体に接続される態様を示したが、この態様に限られない。基部１６および回転軸１８のうち、いずれが回転側であっても固定側であってもよく、基部１６が回転体、回転軸１８が固定体に接続されてよい。

また、実施形態のスペーサ２８は環状の円板部材に複数のボール孔８０を形成した態様を示したが、この態様に限られない。複数のボール２６を周方向に離間させて、互いに非接触である態様であればよく、例えば、各ボール２６の間に絶縁体のボールを配置して複数のボール２６を互いに絶縁してもよい。スペーサとして絶縁体のボールを用いても、リング体３２から付勢された荷重を周方向に偏りを抑えることができる。

また、実施形態では、第１板部２４および第２板部３０に挟まれる複数の転動体としてボール２６を用いる態様を示したが、この態様に限られない。例えば、第１板部２４と第２板部３０を相対回転させる複数の転動体として円柱を用いてよい。複数の円柱は、その軸が放射状になるように、周方向に等間隔に離れて配置される。円柱を遊嵌可能なスペーサが用いられる。

また、実施形態では第２板部３０を第１板部２４に向かって付勢する付勢部としてリング体３２を用いる態様を示したが、この態様に限られない。例えば、円環状のバネ座金や皿バネにより第２基部１４の環状段部４６と第２板部３０を付勢しつつ、導通してよい。

また、実施形態では、回転軸１８がフランジ部５６から延出する第２軸部５４を有する態様を示したが、この態様に限られない。例えば、回転軸１８は、第１軸部５２およびフランジ部５６を有するが、第２軸部５４を有しない態様であってよい。この場合、第１板部２４、スペーサ２８、第２板部３０は挿通孔の無い円板形状に形成される。また、回転軸１８は、基部１６に対して回転可能であれば棒状体に限られず、円板状であってもよい。

また、実施形態では、別体の第１板部２４を設ける態様を示したが、この態様に限られず、第１板部２４はフランジ部５６と一体であってもよい。つまり、第１板部２４は、回転軸１８に連設され、回転軸１８に連動して回転する。

１０ ロータリージョイント、 １２ 第１基部、 １４ 第２基部、 １６ 基部、 １８ 回転軸、 ２０ 第１外部接続部、 ２２ 第２外部接続部、 ２４ 第１板部、 ２６ ボール、 ２８ スペーサ、 ３０ 第２板部、 ３２ リング体、 ３４ 第１軸受部、 ３６ 第２軸受部、 ４０ 開口、 ４２ 第１軸受孔、 ４４ 連通孔、 ４６ 環状段部、 ４８ 第２軸受孔、 ４９ 底面、 ５０ ネジ孔、 ５２ 第１軸部、 ５４ 第２軸部、 ５６ フランジ部、 ５６ａ 当接面、 ５８ 第１支持部、 ６０ 第２支持部、 ６２ 挿通孔、 ６４ 第２凹部、 ６６ 第１周溝、 ６８ 第２周溝、 ７０ 周状突部、 ７８ 挿通孔、 ８０ ボール孔。

Claims (6)

1. 固定体と回転体の電気接続を行うためのロータリージョイントであって、
   固定体および回転体のいずれか一方に電気接続される第１部材と、
   固定体および回転体の他方に電気接続され、前記第１部材に対して相対回転可能な第２部材と、
   前記第２部材に連設または係合し、前記第２部材に連動して前記第１部材に対して相対回転する第１板部と、
   前記第１板部に対向する第２板部と、
   前記第１板部および前記第２板部に挟まれて、前記第１板部および前記第２板部を導通する複数の転動体と、
   前記第１部材および前記第２板部に当接して導通し、前記第２板部を前記第１板部に向かって付勢する付勢部と、を備えることを特徴とするロータリージョイント。
2. 前記付勢部は、導電性ワイヤを巻回したコイルにより形成され、前記コイルの両端を接続したリング体であることを特徴とする請求項１に記載のロータリージョイント。
3. 前記複数の転動体は周方向に離間して配置され、
   前記リング体は、前記複数の転動体の中心を通る仮想的な円と略同軸に配置されることを特徴とする請求項２に記載のロータリージョイント。
4. 前記複数の転動体の中心を通る仮想的な円の直径は、前記リング体の最外径から最内径の間に収まることを特徴とする請求項２または３に記載のロータリージョイント。
5. 前記第２部材および前記第１部材が相対回転する際、前記複数の転動体は、前記第１板部および前記第２板部から摩擦を受けて公転および自転が可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロータリージョイント。
6. 前記第２部材は、径方向外向きに張り出して前記第１板部に当接する板状のフランジ部と、前記フランジ部から延出して外部に突出する第１軸部と、前記フランジ部から前記第１軸部と同軸に延出して前記第１板部と前記第２板部とを貫通する第２軸部と、を有し、
   前記第１部材には、前記第１軸部を回転可能に支持する第１軸受部と、第２軸部を回転可能に支持する第２軸受部が設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のロータリージョイント。

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