JP2017061017A - 把持機構 - Google Patents

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佑介 柏木
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Abstract

【課題】 温度変化によって、ワークを把持するスクロール型チャックの爪が熱で膨張しても、ワークへの締め付けが緩まない把持機構を提供する。
【解決手段】 チャックボディと、チャック爪を開閉する駆動機構と、被把持体を把持する爪とを備えるスクロール型チャックにおいて、爪全体の開閉を担う駆動機構と噛みあう第１の爪と、該第１の爪へ取付けて被把持体を直接把持する第２の爪を有し、前記第１の爪の熱膨張係数がα1であり、前記第２の爪の熱膨張係数がα2であり、被把持体の熱膨張係数をαwとしたときに、αw < α1 < α2なる関係を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度変化が大きい環境下で、ワークを把持するチャック爪の熱膨張による締め付け力の緩みを防止する把持機構に関する。
ワークを把持するスクロール型チャックの規格としてJIS B 6151-1993が定められており、広く一般的に用いられている。
スクロール型チャックの爪には、駆動機構への噛みあいと把持部が一体となったワンピースジョーと、駆動部への噛みあいと把持部が分離したツーピースジョーとに分類される。JIS B 6151-1993によると、ジョーの材質は、55 HRC以上の硬さを持つものと規定され、一般構造用鋼や、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼などが使用されている。これら鉄鋼材料の熱膨張係数は10〜13×10-6 /Ｋであることが知られている。また、駆動機構やチャックボディ及びその周辺を構成する部材も、鋳鋼品あるいは鍛造品で構成されており、同様の熱膨張係数を有する。
このような鉄鋼材料で構成されるスクロール型チャックの問題点として、温度変化が高い環境下で、チャック爪より熱膨張係数が著しく低い材質からなるワーク、例えば、合成石英やインバー材などを把持した際に、チャック爪がワークに対して相対的に大きく膨張することにより、ワークへの締め付け力が低下してしまうことが挙げられる。チャック爪の締め付け力が低下してワークが落下すると、ワーク自体の破損や機械本体への損傷が懸念される。
例えば、合成石英からなるワークに沿ってバーナを往復運動させて、該ワーク上に多孔質ガラス微粒子を堆積させ、光ファイバ用ガラス母材を製造する装置においては、バーナの位置に応じて合成石英ガラス製のワークを把持するチャック爪に温度変化が生じ、バーナが接近してチャック爪が膨張するとワークへの締め付け力が低下し、ワークが落下して破損することがあった。
このような温度変化が高い環境下において、ワークへの締め付け力が緩む問題は、スクロール型チャックとは構造が異なるコレット型チャックでも発生する。特許文献1では、熱膨張によって緩む締め付け用の部材を、バネの復元力を利用することによって改善している。また、ワークを把持する部材の熱膨張係数を相対的にホルダの熱膨張係数より大きくすることによって締め付けが緩まない構造にしている。
特開2008-178956号公報
本発明は、温度変化によって、ワークを把持するスクロール型チャックの爪が熱で膨張しても、ワークへの締め付けが緩まない把持機構を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、チャック爪の把持部分を厚み方向で２つに分割し、熱膨張係数が異なる材質でチャック爪を構成することで、締め付けが緩まないことを見出し、本発明を達成した。
本発明の把持機構は、チャックボディと、チャック爪を開閉する駆動機構と、被把持体を把持する爪とを備えるスクロール型チャックにおいて、爪全体の開閉を担う駆動機構と噛みあう第１の爪と、該第１の爪へ取付けて被把持体を直接把持する第２の爪を有し、前記第１の爪の熱膨張係数がα1であり、前記第２の爪の熱膨張係数がα2であり、被把持体の熱膨張係数をαwとしたときに、αw < α1 < α2なる関係を有することを特徴としている。
なお、前記チャックボディおよびチャック爪を開閉する駆動機構は、前記第1の爪と略等しい熱膨張係数α1とするのが好ましい。
被把持体の外径がDwであり、前記第２の爪の厚さがdであるときに、厚さdが下記の数１式を満たすのが好ましい。
Figure 2017061017
 また、前記第1の爪の熱膨張係数α1を0.5〜19.0×10-6 /Ｋとし、前記第２の爪の熱膨張係数α2を16.0〜24.0×10-6 /Ｋとするのが好ましい。
本発明の把持機構を用いることにより、温度変化が大きい環境下において、スクロール型チャックのジョーや把持されたワークが熱で膨張しても、ワークへの締め付け力が緩まない状態を維持することができる等の優れた効果を奏する。
本発明の把持機構による第1の実施形態に係る概略断面図である。 本発明の把持機構による第2の実施形態に係る概略断面図である。 数１式を用いて計算した被把持体Dwと第２の爪の厚さdとの関係を示す。
本発明の把持機構は、チャックボディと、チャック爪を開閉する駆動機構と、被把持体を把持する爪を備えるスクロール型チャックにおいて、チャックボディと、チャック爪を開閉する駆動機構と、被把持体を把持する爪とを備えるスクロール型チャックであって、爪全体の開閉を担う駆動機構と噛みあう第１の爪と、該第１の爪へ取付けて被把持体を直接把持する第２の爪を備え、第１の爪の熱膨張係数をα1とし、前記第２の爪の熱膨張係数をα2とし、被把持体の熱膨張係数をαwとしたときに、αw <α1 <α2なる関係を有している。
また、チャックボディとチャック爪を開閉する駆動機構の熱膨張係数は略等しく、チャックボディとチャック爪を開閉する駆動機構の熱膨張係数をα0としたとき、これは第1の爪の熱膨張係数α1と略等しくするのが好ましい。これにより、チャック本体と第1の爪の熱膨張量も略等しくなる。
被把持体の外径をDwとし、第２の爪の厚さをdとする。チャック本体と第1の爪の熱膨張量が略等しいとき、第１の爪の内側間距離の単位温度変化当たりの変化量はα1(2d+Dw)となる。第２の爪の厚さdの単位温度変化当たりの変化量はα2dとなる。
これより、第２の爪内側間距離の単位温度当たりの変化量は2d(α1−α2)+α1Dwとなる。一方、被把持体の単位温度変化当たりの外径変化量はαwDwでされ、この数値が第２の爪内側間距離の単位温度変化当たりの変化量より大きければ、締め付け力は低下しない。すなわち、2d(α1−α2)+α1Dw ≦αwDwであれば締め付け力は低下しない。
この不等式をdについて求めると、下記の数１式となる。
Figure 2017061017
 この関係を満たすように第2の爪の厚さdを設計し、及び又は第1と第２の爪の材質を選定する。
次に、第１と第２の爪の材質は、それらの熱膨張係数α1とα2の差の絶対値が大きいほど、設計可能な第２の爪の厚さdが広がり、かつ締め付け力が低下せずに把持できる外径の範囲も広がる。
工業的に利用可能な金属材料の熱膨張係数を考慮すると、第１の爪の熱膨張係数α1が0.5〜19.0×10-6 /Ｋの範囲にあり、第２の爪の熱膨張係数α2が16.0〜24.0×10-6 /Ｋの範囲にあることが好ましい。
以下に、本発明に係る把持機構について、図面を用いてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明に係る把持機構の第1の実施形態に係る概略断面図である。厚さdの第２の爪２は、取り付けボルト4によって第1の爪３へ固定されている。また、第1の爪３は、チャックボディ5の内部に設けられた駆動機構と噛みあっている。外径Dwのワーク1は、第２の爪２に把持されることによって固定される。
図２は、本発明に係る把持機構の第２の実施形態に係る概略断面図である。
第２の実施形態において、第1の爪は、駆動部と噛みあう部材16と第２の爪12を固定する部材13に分割されている。駆動部と噛みあう部材16は、チャックボディ15や駆動部と同じ熱膨張係数α０を有し、取付けネジ14bによってチャックボディ15に固定されている。第２の爪12は、取付けネジ14aによって部材13に固定されている。第２の爪を固定する部材13及び第２の爪12が、それぞれα1とα2の熱膨張係数を有することによって、図１に示した第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図1及び図2の把持機構において、第1の爪と第2の爪を構成する材質には、表1に示すようなものが挙げられる。これらの材質を使用する環境や把持するワーク外径に応じて組み合わせることによって、幅広い厚さを持つ第２の爪の設計が可能となる。
Figure 2017061017
図1及び図2に示す把持機構において、第1の爪を表1に示す機械構造用炭素鋼のS45C（α1:12.1×10-6 /Ｋ）、第２の爪を表1に示すアルミニウム合金のA5052（α2:23.8×10-6 /Ｋ）で製作することを想定した。被把持体はDw：80mmの合成石英（αw:0.6×10-6 /Ｋ）とした。これらの熱膨張係数から数１式により、第２の爪の厚さdと被把持体Dwとの関係を計算し、その結果を図３に示した。
図３から、非把持体の外径を80mmとしたとき、被把持体が緩まない第２の爪の厚さdは39.3mmが最小であった。よって、第２の爪の厚さdを40mmとしてチャックの設計を実施した。
前記材質のものを使用し、第２の爪の厚さを40mmとして、実際にチャックを製作し評価した。評価に際し、外径80mmの合成石英ワークは、チャック全体と合成石英ワークが常温（298Ｋ）の状態で固定した。合成石英ワークへの締め付けトルクは、合成石英ワークを手で持ってチャック周方向へ回転させる力を掛けても、ワークが回転しない限界程度のトルクとした。この状態でチャック全体と合成石英ワークを498Ｋまで温度変化させた。温度変化後に締め付け力に緩みが生じていないか、ワークを手で持って周方向へ回転させる力をチャック固定時と同程度の力で掛けたが、ワークは周方向へ回転せず、緩んでいなかった。
1 ワーク（被把持体）、
2 第２の爪、
3 第１の爪、
4 取付けネジ、
5 チャックボディ、
11 ワーク（被把持体）、
12 第２の爪、
13 第２の爪を固定する部材、
14 取付けネジ、
15 チャックボディ、
16 駆動部と噛みあう部材。

Claims (4)

  1. チャックボディと、チャック爪を開閉する駆動機構と、被把持体を把持する爪とを備えるスクロール型チャックにおいて、爪全体の開閉を担う駆動機構と噛みあう第１の爪と、該第１の爪へ取付けて被把持体を直接把持する第２の爪を有し、前記第１の爪の熱膨張係数がα1であり、前記第２の爪の熱膨張係数がα2であり、被把持体の熱膨張係数をαwとしたときに、αw < α1 < α2なる関係を有することを特徴とする把持機構。
  2. 前記チャックボディおよび前記チャック爪を開閉する駆動機構が、前記第1の爪と略等しい熱膨張係数α1を有する請求項1に記載の把持機構。
  3. 被把持体の外径がDwであり、前記第２の爪の厚さがdであるときに、厚さdが下記の数1式を満たす請求項1に記載の把持機構。
    Figure 2017061017
  4. 前記第1の爪の熱膨張係数α1が0.5〜19.0×10-6 /Ｋで、前記第２の爪の熱膨張係数α2が16.0〜24.0×10-6 /Ｋである請求項1に記載の把持機構。

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