JP2016080510A - 円形部材の位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度の位置決めを高い再現性で実現することができる円形部材の位置決め装置を提供する。
【解決手段】 基台５の開口周縁部に載置されるケース本体１１内に、その軸線と平行に変位自在に蓋体１２が嵌合し、ケース本体１１と蓋体１２との間に配設されるばね部材１３によって、蓋体１２は軸線方向一方Ｃ１にばね付勢される。ケース本体１１内には、蓋体１２の少なくとも３つの角度位置に押圧片２がそれぞれ配設され、蓋体１２をばね部材１３のばね力に抗して軸線方向他方Ｃ２へ移動させることによって、各押圧片２のケース本体１１から軸線方向他方Ｃ２に突出部２ａによって、載置面６上に載置される円形部材７を押圧する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば人工関節のセラミック骨頭の静的圧縮試験の治具において被検体としてのセラミック骨頭を載置する銅リング、また、たとえばプレス加工等によって塑性加工されるその他の機械加工部品などの外周が円形の円形部材を、逆円錐台状の載置面に高い繰り返し再現性で高精度に位置決めすることができる円形部材の位置決め装置に関する。

人工股関節に用いられるセラミック骨頭は、製品としての機械的特性および安全性を確保するため、疲労試験や摩耗試験などの多種の試験が行われ、その１つである静的圧縮試験によって破壊強度測定が実施されている。このような静的圧縮試験は、国際標準化機構 (International Organization for Standardization；略称ＩＳＯ）の規格ＩＳＯ7206-10:2003によって規定されており、この規定に準拠して実施される。

上記の静的圧縮試験では、略球状のセラミック骨頭の嵌合孔に、テーパコーンと呼ばれる、ステムのネック部を模擬した棒状部材のテーパ状の先端部を挿入して軽く嵌合させ、棒状部材の基端部を板状のベース部材に開けられた孔に挿入する。こうして組立てられたセラミック骨頭、棒状部材およびベース部材の組立て体を、万能試験機の荷重軸の中心に目視で配置し、セラミック骨頭上にナイロン製のシートを乗載し、セラミック骨頭の上部を前記シートの上から万能試験機のアクチュエータ部に接触させ、荷重を加えて嵌合させる。

こうしてセラミック骨頭と棒状部材とを完全に嵌合させた状態で、リングベースと呼ばれる基台の逆円錐台状の収容空間を規定する載置面に、外周が円形の円形部材である銅リングを載置し、この銅リング上に、上下を反転した上記の組立て体のセラミック骨頭を載置して、万能試験機のアクチュエータ部の荷重軸の中心軸線上に組立て体が配置させるように位置決めし、加圧荷重を加えてセラミック骨頭を破壊させ、破壊荷重を測定する。

このように従来では、セラミック骨頭の静的圧縮試験において、基台の載置面に試験者が銅リングを手作業で載置し、銅リングを前記基台の収容空間を形成する収容凹部の軸線と同軸を成すように、載置面に対して目視で位置決めしている。そのため、銅リングの載置面に対する位置決め誤差によって、破壊荷重の繰り返し試験の測定精度にばらつきが生じる恐れがあり、これが測定精度の向上に対する課題であった。そのため、従来から、銅リングなどの円形部材を基台の載置面上に高精度で位置決めすることができる円形部材の位置決め装置が求められていた。

本発明の目的は、高精度を高い再現性で実現することができる円形部材の位置決め装置を提供することである。

本発明は、開口した逆円錐台状の収容空間を有する基台の、前記収容空間に臨む内周面上に載置される、外周が円形の円形部材を、前記基台の軸線に対して垂直となるように位置決めするための円形部材の位置決め装置であって、
略円筒状の嵌合空間を有する、前記基台の開口周縁部に載置されるケース本体と、
前記ケース本体の前記嵌合空間内に、前記ケース本体に一端が支持されて設けられたばね部材と、
前記ケース本体に嵌合する蓋体であって、前記ばね部材の他端に支持され、前記ケース本体の軸線方向一方にばね付勢された状態で、前記ばね部材のばね力に抗して前記ケース本体の軸線方向他方に変位自在に嵌合する蓋体と、
前記蓋体の、該蓋体の軸線に関して少なくとも３つの異なる角度位置に、それぞれ配設される押圧片であって、
前記蓋体が前記ばね部材のばね力に抗して前記ケース本体の軸線方向他方へ変位することによって、前記ケース本体の前記軸線方向他方側の端部から突出する突出部を有し、この突出部によって、前記内周面上に載置された前記円形部材を押圧する押圧片と、を含むことを特徴とする円形部材の位置決め装置である。

また本発明は、前記ケース本体は、前記嵌合空間に臨む内周部に、前記ケース本体の軸線方向に延びる案内溝部を有し、
前記蓋体は、該蓋体の外周部から突出し、前記案内溝部に移動自在に嵌まり込む案内突部を有することを特徴とする。

また本発明は、前記ケース本体は、前記ケース本体が前記基台の開口周縁部に載置された状態で、前記基台の収容空間に嵌合して、前記内周面に接触する嵌合部を有することを特徴とする。

また本発明は、前記各押圧片の前記突出部は、前記軸線方向他方に臨み、かつ前記軸線に垂直な押圧面を有することを特徴とする。

本発明によれば、ケース本体は基台の開口周縁部に載置され、ケース本体の嵌合空間内には、その軸線と平行に変位自在に嵌合する蓋体が収容される。ケース本体と蓋体との間には、ばね部材が配設され、ばね部材によって蓋体がケース本体から軸線方向一方にばね付勢される。ケース本体の嵌合空間には、少なくとも３つの角度位置に押圧片がそれぞれ配設される。これらの押圧片は、蓋体をばね部材のばね力に抗して軸線方向他方へ移動させることによって、ケース本体の軸線方向他方に突出する突出部を有し、各押圧片の突出部によって、載置面上に載置される円形部材を押圧し、載置された円形部材を軸線に対して垂直となるように位置決めし、高精度の位置決めを高い再現性で実現できる位置決め装置を提供することができる。

また本発明によれば、ケース本体の内周部に、軸線と平行に延びる案内溝部を有し、蓋体は、その外周部から突出し、案内溝部に変位自在に嵌まり込む案内突部を有するので、蓋体をばね部材のばね力に抗して押圧したとき、およびこの押圧状態の蓋体から手を離して押圧状態が解除されたとき、案内溝部に沿って案内突部が移動し、蓋体のケース本体に対する回転が防がれ、各押圧片に突出部が円形部材に均等に接触して押圧することができる。これによって円形部材に各押圧片から作用する押圧力の大きさおよび押圧方向が変動せず、円形部材への各押圧片による押圧状態のばらつきを可及的に少なくし、高精度の位置決めに対する再現性をさらに向上することができる。

また本発明によれば、ケース本体は嵌合部を有するので、ケース本体を基台の開口周縁部に載置するだけで、ケース本体を基台に対して正確に位置決めして配置することができる。これによって、ケース本体の基台への高精度の位置決めに対する再現性を向上することができる。

また本発明によれば、各押圧片のケース本体から突出部は、軸線方向他方に臨み、ケース本体の軸線に垂直な押圧面を有するので、円形部材に押圧面を接触させて押圧することができ、これによって円形部材の傾きが大きい場合であっても、押圧面を円形部材の傾きの大きい部位から接触させて押圧を開始し、円滑に円形部材の傾きが矯正されるように押圧することができる。

本発明の一実施形態の円形部材の位置決め装置１の押圧状態を示す、図４の対称中心を通る切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。 位置決め装置１の非押圧状態を示す、図４の対称中心を通る切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。 本発明の一実施形態の円形部材の位置決め装置１の、図４において対称中心から半径の略４分の１離れた位置を通る切断面線Ｂ１−Ｂ１から見た断面図である。 位置決め装置１を図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。 位置決め装置１の平面図である。 位置決め装置１の外観を示す正面図である。 押圧片２の平面図である。 押圧片２の底面図である。 押圧片２を図７の右方から見た右側面図である。 押圧片２を図７の下方から見た正面図である。 蓋体１２の断面図である。 蓋体１２の平面図である。 蓋体１２の正面図である。 蓋体１２を図１３の下方から見た底面図である。 ケース本体１１の断面図である。 ケース本体１１の平面図である。 ケース本体１１の正面図である。 ケース本体１１を図１７の下方から見た底面図である。

図１は本発明の一実施形態の円形部材の位置決め装置１の押圧状態を示す断面図であり、図２は位置決め装置１の非押圧状態を示す断面図であり、図３は位置決め装置１の別の位置の切断面線から見た断面図である。図４は位置決め装置１を図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図であり、図５は位置決め装置１の平面図であり、図６は位置決め装置１の外観を示す正面図である。なお、図１および図２は、図４の切断面線Ｂ−Ｂから見た断面を示し、図３は、図４の切断面線Ｂ１−Ｂ１から見た断面を示すものである。

本実施形態では、人工股関節に用いられるセラミック骨頭の機械的特性および安全性を確保するため、疲労試験や摩耗試験などの多種の試験のうちの１つである静的圧縮試験によって、セラミック骨頭を検体として破壊強度を測定する場合を想定して説明する。このような静的圧縮試験は、国際標準化機構(International Organization for Standardization；略称ＩＳＯ）の規格ＩＳＯ7206-10:2003によって規定されており、この規定に準拠して実施される。

本実施形態の円形部材の位置決め装置（以下、単に「位置決め装置」と記す場合がある）１は、逆円錐台状の収容空間３を形成する収容凹部４を有する基台５の、収容凹部４の収容空間３に臨む内周面である載置面６上に、外周が円形でリング状の円形部材７が載置され、載置された円形部材７を、該円形部材７の外周を含む仮想平面が収容凹部４の軸線に対して垂直となるように位置決めするために用いられる。

位置決め装置１は、基台５における収容空間３の開口の周囲の開口周縁部８に載置され、略円筒状の嵌合空間９を形成する嵌合凹部１１ａを有するケース本体１１と、ケース本体１１の嵌合凹部１１ａ内に、嵌合凹部１１ａの軸線と平行に変位自在に嵌合する蓋体１２と、ケース本体１１と蓋体１２との間に配設され、蓋体１２をケース本体１１から軸線方向一方Ｃ１にばね付勢するばね部材１３と、ケース本体１１の嵌合空間９内における、蓋体１２の軸線に関して軸対称となる３つの角度位置１２０°毎にそれぞれ配設され、蓋体１２をばね部材１３のばね力に抗して軸線方向他方Ｃ２へ移動させることによって、ケース本体１１から軸線方向他方Ｃ２に突出する突出部２ａを有する押圧片２とを含む。

ケース本体１１、蓋体１２および３つの押圧片２は、耐摩耗性を有する合成樹脂、たとえばアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ樹脂）、アクリル系樹脂、ナイロン系樹脂、ポリエチレン樹脂（ＰＥ樹脂）、またはポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）から成り、たとえば３Ｄプリンタや切削加工等によって形成される。また、円形部材７は、銅または銅合金から成る。基台５は、円形部材７よりも機械強度の高い材料、たとえばステンレス鋼から成り、好ましくはステンレス鋼ＳＵＳ６３０から成る。

各押圧片２のケース本体１１から突出部２ａは、軸線方向他方Ｃ２に臨み、ケース本体１１の軸線に垂直な押圧面２ｂを有する。ばね部材１３は、本実施形態では圧縮コイルばねによって実現されているが、ゴム部材や空気バネ、磁石による反発力の利用等であってもよい。ばね部材１３は、一端部がケース本体１１に支持され、他端部が蓋体１２に支持される。

ケース本体１１は、各押圧片２を、軸線方向他方Ｃ２に向うにつれて半径方向内方に移動するように案内する押圧片案内部１４と、嵌合凹部１１ａの内周部に形成され、嵌合凹部１１ａの軸線と平行に延びる案内溝部１５と、ケース本体１１が基台５の開口周縁部８に載置された状態で、収容空間３内に着脱自在に嵌合して、載置面６に外周面が接触する円錐台状の嵌合部１６とを有する。蓋体１２は、蓋体１２の外周部から突出し、案内溝部１５に変位自在に嵌まり込む案内突部１７を有する。

図７は押圧片２の平面図であり、図８は押圧片２の底面図であり、図９は押圧片２を図７の右方から見た右側面図であり、図１０は押圧片２を図７の下方から見た正面図である。各押圧片２は、蓋体１２に両端部が固定されるピン１８によって、蓋体１２に該蓋体１２の軸線に垂直な仮想平面上において、蓋体１２の軸線を中心とする仮想円を周方向に３等分する位置を通る半径線に垂直な直線、すなわち接線を軸線とし、この軸線まわりに角変位自在にそれぞれ取付けられる。

各押圧片２は、ピン１８が挿通する、正面視で略Ｖ字状の案内孔２ｃが厚み方向に貫通してそれぞれ形成される。案内孔２ｃは、軸線に平行な第１案内孔部分２ｃ１と、第１案内孔部分２ｃ１の下端に連なり、基台５の載置面６に略垂直に延びている第２案内孔部分２ｃ２とを有する。

蓋体１２を作業者が手で軸線方向他方Ｃ２へ押下すると、第２案内孔部分２ｃ２に挿通されるピン１８が、押圧片２の該第２案内孔部分２ｃ２に下方から臨む下面を押下し、これによって各押圧片２は下方へ押し下げられるに従って半径方向内方へ変位し、円形部材７に部分２ａが当接し、円形部材７を基台５の軸線に垂直となるように位置決めすることができる。

図１１は蓋体１２の断面図であり、図１２は蓋体１２の平面図であり、図１３は蓋体１２を図１２の下方から見た正面図であり、図１４は蓋体１２を図１３の下方から見た底面図である。蓋体１２は、その軸線を含む平面で切断した断面が大略的に逆Ｕ字状であり、ケース本体１１の嵌合凹部１１ａ内に該嵌合凹部１１ａの軸線方向に変位自在に嵌着される。

蓋体１２には、各押圧片２が前述のようにピン１８によって角変位自在にそれぞれ収容される３つの押圧片収容部１９が形成される。各押圧片収容部１９は、蓋体１２の周壁１２ａに開口部から底部１２ｂに向って切欠かれて、互いに平行に形成される。

図１５はケース本体１１の断面図であり、図１６はケース本体１１の平面図であり、図１７はケース本体１１を図１６の下方から見た正面図であり、図１８はケース本体１１を図１７の下方から見た底面図である。ケース本体１１は、前述した蓋体１２を収容可能な略円筒状の嵌合空間を形成する嵌合凹部１１ａと、嵌合凹部１１ａの底部１１ｂに該嵌合凹部１１ａの軸線と同軸に立設されるスタッド１１ｃとを有する。

底部１１ｂには、基台５の収容空間３に着脱自在に嵌合して、載置面６に外周面が接触する嵌合部１１ｄを有する。ばね部材１３の一端は、ケース本体１１の底部１１ｂに支持され、蓋体１２はばね部材１３の他端によって支持され、蓋体１２を作業者が軸線方向他方へ押圧することによって、蓋体１２をケース本体１１の嵌合空間９内で同方向へ変位させ、各押圧片２をケース本体１１から突出させることができる。なお、ケース本体１１の外側に設けられた凹凸部１１ｅは、ケース本体１１を手指にて保持する際の滑り止めである。

以上のように本実施形態の位置決め装置によれば、ケース本体１１の嵌合空間内に蓋体１２が収容され、ケース本体１１と蓋体１２との間にばね部材１３が配設され、蓋体１２をばね部材１３のばね力に抗して軸線方向他方Ｃ２へ移動させることによって、ケース本体１１から軸線方向他方Ｃ２に突出部２ａによって、載置面６上に載置される円形部材７を押圧し、載置された円形部材７を、円形部材７の外周を含む仮想平面が収容凹部４の軸線に対して垂直となるように位置決めし、高精度の位置決めを高い再現性で実現することができる。

前記従来技術の手作業によって円形部材７を位置決めした場合に比べて、本実施形態の位置決め装置１を用いて円形部材７を位置決めした場合には、次の表１に示されるように、円形部材７の基台５への設置完了までの時間を、１つの円形部材７あたりの位置決め作業に要する時間を約１０秒／個短縮することができた。また、円形部材７の設置精度を平均で約０．５度向上することができた。表１は、本件発明者によって、８個の円形部材７の設置に要する時間をストップウオッチによって測定した時間と、その際の円形部材７の設置精度を角度にて示したもの、および各々の平均値を示したものである。

表１において、角度（degree）とは、設置後の円形部材７の表面を含む平面と、基台５の開口周縁部８の表面を含む平面との間の角度であり、両平面が平行、すなわち０度に近いほど設置精度が優れていると言える。角度の測定には、円形部材７の表面と開口周縁部８の表面をそれぞれ接触式の三次元位置測定機（たとえば株式会社ミツトヨ製CNC三次元測定機Crysta Apexシリーズ）にて計測し、各平面の間の角度を計算した。

また、ケース本体１１は各押圧片２を、軸線方向他方Ｃ２に向うにつれて半径方向内方に移動するように案内する押圧片案内部１４を有するので、外径が異なる円形部材７であっても、各押圧片２の突出部２ｄを半径方向へも移動させ、載置面６上に載置される円形部材７を押圧して、円形部材７の外周を含む仮想平面が収容凹部４の軸線に対して垂直となるように位置決めすることができる。

また、ケース本体１１は、嵌合凹部１１ａの内周部に、嵌合凹部１１ａの軸線と平行に延びる案内溝部１５を有し、蓋体１２は、その外周部から突出し、案内溝部１５に変位自在に嵌まり込む案内突部１７を有するので、蓋体１２をばね部材１３のばね力に抗して押圧したとき、およびこの押圧状態の蓋体１２から手を離して押圧状態が解除されたとき、案内溝部１５に沿って案内突部１７から移動し、蓋体１２のケース本体１１に対する回転が防がれ、各押圧片２に突出部２ａが円形部材７に均等に接触して押圧することができる。これによって円形部材７に各押圧片２から作用する押圧力の大きさおよび押圧方向が変動せず、円形部材７への各押圧片２による押圧状態のばらつきを可及的に少なくし、高精度の位置決めに対する再現性をさらに向上することができる。

また、各押圧片２のケース本体１１から突出部２ａは、軸線方向他方Ｃ２に臨み、ケース本体１１の軸線に垂直な押圧面２ｂを有するので、円形部材７に押圧面２ｂを接触させて押圧することができ、これによって円形部材の傾きが大きい場合であっても、押圧面を円形部材７の傾きの大きい部位から接触させて押圧を開始し、円滑に円形部材７の傾きが矯正されるように押圧することができる。

前述の実施形態では、各押圧片２は、ケース本体１１の嵌合空間内における、蓋体１２の軸線に関して少なくとも３つの角度位置にそれぞれ配設され、蓋体１２をばね部材１３のばね力に抗して軸線方向他方Ｃ２へ移動させることによって、ケース本体１１から軸線方向他方Ｃ２に突出部２ａを有するように構成されたが、本発明の他の実施形態では、４以上の押圧片２をケース本体１１の軸線に関して軸対称に設けるように構成されてもよい。このような構成によっても、上記と同様な効果を達成し、高精度の位置決めを高い再現性で実現することができる。

また前述の実施形態では、円形部材７はセラミック骨頭を載置する銅リングであったが、本発明の他の実施形態では、銅リング以外の部材、たとえばプレス加工によって外周が円形に打ち抜かれた円板状の機械部材であってもよい。このような円形部材を対象とする場合であっても、上記と同様な効果を達成し、高精度の位置決めを高い再現性で実現することができる。

本発明のさらに他の実形態では、４以上の押圧片２が軸対称に配設された蓋体１２を備えた位置決め装置を用いるようにしてもよい。

１ 円形部材の位置決め装置
２ 押圧片
２ａ 突出部
２ｂ 押圧面
２ｃ 案内孔
２ｄ 突出部
３ 収容空間
４ 収容凹部
５ 基台
６ 載置面
７ 円形部材
８ 開口周縁部
９ 嵌合空間
１１ ケース本体
１１ａ 嵌合凹部
１１ｂ 底部
１１ｃ スタッド
１１ｄ 嵌合部
１１ｅ 凹凸部
１２ 蓋体
１３ ばね部材
１４ 押圧片案内部
１５ 案内溝部
１６ 嵌合部
１７ 案内突部
１８ ピン
１９ 押圧片収容部
Ｃ１ 軸線方向一方
Ｃ２ 軸線方向他方

Claims (4)

1. 開口した逆円錐台状の収容空間を有する基台の、前記収容空間に臨む内周面上に載置される、外周が円形の円形部材を、前記基台の軸線に対して垂直となるように位置決めするための円形部材の位置決め装置であって、
   略円筒状の嵌合空間を有する、前記基台の開口周縁部に載置されるケース本体と、
   前記ケース本体の前記嵌合空間内に、前記ケース本体に一端が支持されて設けられたばね部材と、
   前記ケース本体に嵌合する蓋体であって、前記ばね部材の他端に支持され、前記ケース本体の軸線方向一方にばね付勢された状態で、前記ばね部材のばね力に抗して前記ケース本体の軸線方向他方に変位自在に嵌合する蓋体と、
   前記蓋体の、該蓋体の軸線に関して少なくとも３つの異なる角度位置に、それぞれ配設される押圧片であって、
   前記蓋体が前記ばね部材のばね力に抗して前記ケース本体の軸線方向他方へ変位することによって、前記ケース本体の前記軸線方向他方側の端部から突出する突出部を有し、この突出部によって、前記内周面上に載置された前記円形部材を押圧する押圧片と、を含むことを特徴とする円形部材の位置決め装置。
2. 前記ケース本体は、前記嵌合空間に臨む内周部に、前記ケース本体の軸線方向に延びる案内溝部を有し、
   前記蓋体は、該蓋体の外周部から突出し、前記案内溝部に移動自在に嵌まり込む案内突部を有することを特徴とする請求項１に記載の円形部材の位置決め装置。
3. 前記ケース本体は、前記ケース本体が前記基台の開口周縁部に載置された状態で、前記基台の収容空間に嵌合して、前記内周面に接触する嵌合部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の円形部材の位置決め装置。
4. 前記各押圧片の前記突出部は、前記軸線方向他方に臨み、かつ前記軸線に垂直な押圧面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の円形部材の位置決め装置。

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