JP2017067197A - 直動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動部に対して作用する任意の方向からの荷重に対して剛性が高く、直線移動に対する案内機能の向上を実現できる直動装置を提供すること。【解決手段】直動装置1は、ねじ軸2と、ねじ軸2が挿通されたナット部材3と、を備え、ねじ軸2の回転によってナット部材3がねじ軸2の軸線方向に進退駆動される。直動装置1は、ねじ軸2の軸線方向と平行に配置された３つ以上の作動ロッド4であって、それぞれの基端部がナット部材3に固定された、３つ以上の作動ロッド4と、３つ以上の作動ロッド4のそれぞれの先端部が固定された作動部5と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直線方向の駆動力を生成するための直動装置、特にロボットのリンク部材などの駆動に使用される直動装置に関する。

従来から、ボールねじを利用して直線方向の駆動力を生成する直動装置が実用化されている（例えば、特許文献１乃至３）。

従来の直動装置は、一般に、ケーシング内に、ねじ軸と、ねじ軸に螺合するナット部材とが配設されている。ナット部材には、その内部にねじ軸が挿通された中空状の１本の作動ロッド（中空管）が取り付けられている。

そして、モータによってねじ軸を回転させると、ねじ軸に螺合されたナット部材がねじ軸の軸線方向に進退駆動され、このナットの移動に伴い、作動ロッドが直線移動される構造となっている。

この従来の構造においては、作動ロッドの直線移動を確保するために、作動ロッドを貫通させ、その直線移動を案内するための案内機構がケーシングに設けられていた。

しかし、これら従来の直動装置においては、作動ロッド（中空管）が１本であるため、案内機構等は単純ないし簡単なもので足りる一方、ねじ軸の軸線方向と作動ロッドの軸線方向にズレを生じて位置決め精度の確保が困難となり、また、作動ロッド（中間管）が、その内部にねじ軸を挿通させているため、その外径が大きく、案内機構が大型・複雑化するという問題があった。

これに対して、特許文献４における作動ロッドは、上述した従来の単一の大径の作動ロッド（中空管）に代えて、２本の小径の作動ロッドを設けることにより、ねじ軸と作動ロッドの軸線方向を一致させて、作動ロッドの案内機能の向上、ひいては直動装置の精度向上を図っている。

特開２００４−３２６４１７ 特開平７−３０５７５３ 特開２００１−１２４１７５ 特開平８−５３２９５

しかしながら、この従来技術（特許文献４）の直動装置においては、作動部に作用する荷重が、２本の作動ロッドの両軸線を含む平面に平行な方向、若しくは平行に近い斜め方向に作用する場合には剛性が高いが、荷重が同平面に垂直な方向、若しくは垂直に近い斜め方向に作用する場合には、剛性が十分ではなく、案内機能が不足するという問題があった。

例えば、ボールねじを用いた直動装置を、ロボット、例えば人間型ロボットのリンク部材の駆動系へ適用するためには、軽量・小型であり、かつ動作時においてリンク部材先端（作動部）へ任意の方向から作用する荷重に対して、十分な剛性や機能を要求されるところ、前記のような従来技術では、それらの要求に対して十分に応えることができなかった。

本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、作動部に対して作用する任意の方向からの荷重に対して剛性が高く、直線移動に対する案内機能の向上を実現できる直動装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、ねじ軸と、前記ねじ軸が挿通されたナット部材と、を備え、前記ねじ軸の回転によって前記ナット部材が前記ねじ軸の軸線方向に進退駆動されるように構成された直動装置であって、前記ねじ軸の前記軸線方向と平行に配置された３つ以上の作動ロッドであって、それぞれの基端部が前記ナット部材に固定された、３つ以上の作動ロッドと、前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれの先端部が固定された作動部と、を備えた、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記作動部は、前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれが挿通される３つ以上のロッド通し孔が形成されたロッド拘束部材と、前記３つ以上のロッド通し孔に挿通された前記３つ以上の作動ロッドの先端部が取り付けられるロッド取付部材と、を有し、前記ロッド拘束部材と前記ロッド取付部材とが別部材として形成されている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記ロッド通し孔は、前記作動ロッドの半径方向の移動を規制して、前記３つ以上の作動ロッド同士の間隔と平行度を確保するように形成されている、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２または第３の態様において、前記ロッド取付部材は、前記３つ以上の作動ロッドの先端部が当接され、前記３つ以上の作動ロッドの先端部が面一状態に位置決めされるように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記作動部は、前記作動ロッドを前記ロッド取付部材に取り付けるための第一のボルトと、前記ロッド拘束部材を前記ロッド取付部材に連結するための第二のボルトと、を有し、前記第一のボルトの挿通方向と前記第二のボルトの挿通方向とが逆である、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１乃至第５のいずれかの態様において、前記３つ以上の作動ロッドは、前記ねじ軸の軸心を中心とする仮想円上に等角度間隔で配置されている、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第１乃至第６のいずれかの態様において、前記ねじ軸を内包するケーシングをさらに備え、前記ケーシングに、前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれの直動動作を案内するための３つ以上の軸受が設けられている、ことを特徴とする。

本発明によれば、作動部に対して作用する任意の方向からの荷重に対して剛性が高く、直線移動に対する案内機能の向上を実現できる直動装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による直動装置を示した斜視図。 図１に示した直動装置の内部構造を示した断面図（図３における２−２断面）。 図２に示した直動装置の左側面図（図２において紙面左方向から見た図）。 図２に示した直動装置の右側面図（図２において紙面右方向から見た図）。 図２に示した直動装置において、作動ロッドを伸長させた状態を示した断面図。 図５の６−６矢視図。 図５の７−７矢視断面図。 図５の８−８矢視断面図。 図１に示した直動装置の作動部を一部切り欠いて示した分解斜視図。 作動部およびその周辺における構成物の相互関係を示す斜視図。 作動ロッド先端をロッド取付部材に当接した状態を示す斜視図。 作動ロッドおよびロッド拘束部材をともにロッド取付部材に当接した状態を示す斜視図。 拘束部材連結ボルトによりロッド拘束部材をロッド取付部材に連結した状態を示す斜視図。 ロッド取付ボルトにより作動ロッドをロッド取付部材に取り付けた状態を示す斜視図。

以下、本発明の一実施形態による直動装置について、図面を参照して説明する。

本実施形態による直動装置１おいては、図１乃至図３に示すように、円筒形状のケーシング１２の内部に、ケーシング１２の両端部において回転軸受１３と回転軸受１４により回転自在に支持されたねじ軸２と、ねじ軸２が挿通されたナット部材３が配置されている。ねじ軸２およびナット部材３は、ボールねじ機構を構成している。

ねじ軸２の周囲には、ねじ軸２の軸線方向に平行な６本の作動ロッド４が、ねじ軸２の軸心を中心とする仮想円上に等角度間隔に配置されている。

なお、ケーシング１２は、円筒形状に限定されるものではなく、断面を四角形、六角形、その他の多角形とする筒状のものでもよい。

６本の作動ロッド４は、それぞれの基端部がナット部材３に取り付けられ、それぞれの先端部が作動部５に取り付けられている。図６、図７、図９に示されているように、作動部５は、ロッド取付部材２１およびロッド拘束部材２２を有する。作動部５の詳細な構造については後述する。

図１、図２、図５および図８に示されているように、ケーシング１２の先端部には、ねじ軸２の軸心を中心として、等角度間隔にて軸受（直動軸受）１５が６つ設けられている。軸受１５は、ケーシング１２の先端部に設けた軸受保持部２８によって保持されている。各作動ロッド４は、各軸受１５を貫通しており、軸受１５に案内されてその軸線方向に摺動自在に移動できる。

軸受保持部２８は、ねじ軸２の軸線方向に２列、周方向に中心角にて１２０度ごとに配置された６本の位置決めボルト２９（図２、図３）を用いて、ケーシング１２の外周側から、ケーシング１２に穿孔した通し孔を通して、ケーシング１２に固定される。位置決めボルト２９の押し込み量を調整することにより、ねじ軸２の中心軸に直交する断面におけるケーシング１２内の軸受保持部２８の位置を調整することが可能である。

直動装置１を、例えばロボットに適用する場合には、作動部５にロボットのリンク部材を連結し、或いは作業に応じて適切なエンドエフェクタを取り付ける。

図２および図４に最も良く示されているように、ケーシング１２の外部には、モータ８、モータ側プーリ９、ねじ軸側プーリ１０、およびプーリベルト１１が配置されている。

モータ８の回転動力が、モータ側プーリ９、プーリベルト１１、およびねじ軸側プーリ１０を介してねじ軸２に伝達され、ねじ軸２が回転する。ねじ軸２が回転すると、その回転方向に応じて、ねじ軸２が螺合されたナット部材３が、ねじ軸２の軸線方向に沿って前進または後退する。ナット部材３の進退動作に連動して、ナット部材３に連結された作動ロッド４が、ねじ軸２の中心軸に平行に進退動作する。

なお、本実施形態による直動装置１は、特にロボットのリンク部材等への適用を図ることから、正確な位置決めなどの動作制御を行うために、モータ８には、電動サーボモータを使用することが望ましい。また、同様に、プーリ（モータ側プーリ９およびねじ軸側プーリ１０）およびプーリベルト１１には、それぞれタイミングプーリおよびタイミングベルトを使用することが望ましい。モータ８からねじ軸２への動力伝達機構としては、プーリ機構に限らず、歯車機構、チェーン機構その他の機構であってもよい。

本実施形態による直動装置１においては、特に人間型ロボットへの適用も対象としているため、ワークなどのハンドリングに際して、作動部５に対して作動ロッド４の軸線方向とは異なる方向（任意の方向）から荷重が作用することが少なくなく、それらの荷重に対しても十分な剛性を有していることが必要となる。すなわち、作動部５に対して任意な方向から作用する荷重に対しても、作動ロッド４を含む作動機構が、必要な剛性や強度を有することが必要となる。

しかし、作動ロッド４の本数が２本（例えば、特許文献４）では、２本の作動ロッド４で形成される平面に垂直な方向の荷重に対する剛性が不足する可能性がある。

そこで、本実施形態による直動装置１では、ねじ軸２の軸線方向に平行な作動ロッド４を、ねじ軸２の軸心を中心とする仮想円の円周上に等角度間隔（６０度間隔）で６つ設けている。

ケーシング１２の先端部に設けられた軸受１５は、作動ロッド４の直線移動に対する案内機能を重要な機能としているので、作動ロッド４と軸受１５との間の嵌め合い精度は重要であり、高度な嵌め合い精度が要求されている。一般に、案内機構の数が増加するほど、案内機構同士の間の軸心間距離や角度の調整が困難となる。

この点に関し、本実施形態においては、作動ロッド４の本数が６つとなっているため、これらの作動ロッド４の軸心間距離や角度を高精度に管理できる構造の実現が重要である。

そこで、本実施形態による直動装置１においては、作動部５の構造を工夫することにより、その課題の解決を図っているものであり、この点について、図９乃至図１４を参照して、以下に詳細に説明する。なお、図９乃至図１４においては、内部の構造や構成についての理解の容易のために、構造の一部を切り欠いて示している。

本実施形態による直動装置１においては、６本の作動ロッド４のそれぞれを、ケーシング１２に設けた各軸受１５に貫通させることから、作動ロッド４同士の間隔（ピッチ）と平行度を正確に確保できる構造が必要となる。

本実施形態における作動部５は、作動ロッド４の先端部が当接されて取り付けられるロッド取付部材２１に加えて、作動ロッド４同士の間隔および平行度を正確に確保するためのロッド拘束部材２２を備えている。そして、ロッド取付部材２１とロッド拘束部材２２とが、互いに別部材として形成されている。

図２に示したように、作動ロッド４の先端部には、その中心部に、ロッド取付ボルト（第一のボルト）２３が螺合するねじ穴が形成されている。また、作動ロッド４の後端部には、ロッド取付ボルト２４が螺合するねじ穴が形成されている。

図１１に示したように、作動ロッド４は、ロッド拘束部材２２に穿孔されたロッド通し孔２６（図９、図１０）に挿通され、その先端部がロッド取付部材２１の後面（ナット部材３の存在する側の面）に当接される。そして、ロッド取付部材２１に穿孔した段付き孔２７（図９、図１０））に前面側から挿入したロッド取付ボルト２３を、前記ねじ穴に嵌合し締め付けることにより、作動ロッド４の先端部がロッド取付部材２１に連結される。

なお、段付き孔２７の段の高さは、ロッド取付ボルト２３の頭部の高さとほぼ同じかまたはそれより大きく形成されており、ロッド取付ボルト２３の締め付けが完了した状態において、ロッド取付ボルト２３の頭部の表面がロッド取付部材前面より低くなるようになっている。

ロッド取付部材２１には、ロッド拘束部材２２を連結する表面側から拘束部材連結ボルト（第二のボルト）２５が嵌合するねじ穴が、６つ形成されている。また、ロッド拘束部材２２には、拘束部材連結ボルト２５のねじ部が通過する通し孔が６つ形成されている。

ロッド拘束部材２２は、後面側から拘束部材連結ボルト２５をロッド拘束部材２２に設けた前記通し孔に挿通し、ロッド取付部材２１に形成された前記ねじ穴に嵌合し締め付けることにより、ロッド取付部材２１に固定される。

拘束部材連結ボルト２５のねじ部が挿通される通し孔についても、ロッド取付部材２１に設けた段付き孔２７と同様に、段の高さが拘束部材連結ボルト２５の頭部の高さとほぼ同じかまたはそれより大きく形成されており、拘束部材連結ボルト２５の締め付けが完了した状態において、拘束部材連結ボルト２５の頭部の表面が、ロッド拘束部材２２の後面より低くなるようになっている。

なお、本実施形態において、後面側から差し込んだ拘束部材連結ボルト２５によりロッド拘束部材２２をロッド取付部材２１に固定することとしたのは、作動部５を小型化するためである。すなわち、ロッド取付部材２１の前面から拘束部材連結ボルト２５を挿入する構造とすると、お互いに隣接するロッド取付ボルト２３と拘束部材連結ボルト２５のボルト頭部同士の干渉を避けるために、作動部５の外形を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態のように各ボルト２３、２５の挿入方向を逆向きとすることにより、上述した干渉回避のための空間的制約がなくなり、作動部５の大型化を回避して小型の作動部５を実現することができる。

図１２は、作動ロッド４の先端部およびロッド拘束部材２２の前面の双方を、ロッド取付部材２１の後面に当接した状態を示している。図１３は、さらに、ロッド拘束部材２２を拘束部材連結ボルト２５によりロッド取付部材２１に固定した状態を示している。図１４は、さらに、ロッド取付ボルト２３により作動ロッド４をロッド取付部材２１に固定した状態を示している。

なお、図１４の状態が、作動部５およびその周辺部の最終的な完成状態となるが、図面の順序（図１０→図１１→図１２→図１３→図１４）は、説明の便宜のためのものであり、各構成要素が分離した組み立て前の初期状態（図１０）から完成状態（図１４）に至る組み立ての順序はこれに限られるものではなく、適宜、必要に応じ適切な順序で組み立てられる。

ロッド取付部材２１、ロッド拘束部材２２、および作動ロッド４は、機械加工により製造するため、特にロッド拘束部材２２における６つのロッド通し孔２６のそれぞれの内径寸法、ロッド通し孔２６同士の間隔（ピッチ）および平行度、並びに作動ロッド４の外径寸法は非常に精度高く製造できる。ロッド拘束部材２２の内径寸法および作動ロッド４の外径寸法を所望の精度に設定することにより、作動ロッド４のそれぞれの間隔および平行度を正確に設定することが可能である。

また、６つの作動ロッド４が、ロッド通し孔２６との高精度の嵌め合いによりロッド拘束部材２２に連結されるため、作動部５に外部荷重が作用した場合には、６つの作動ロッド４が、その外部荷重をほぼ均等に分散して負担することが可能である。

また、特に、横荷重（作動ロッド４の軸線方向に直交する方向からの荷重）が作用した場合、作動ロッド４のロッド拘束部材２２との取付境界においては、作動ロッド４に対してせん断力として作用することになるところ、作動ロッド４の断面積はロッド取付ボルト２３の断面積よりはるかに大きいため、ロッド拘束部材２２を備えずにロッド取付ボルト２３のみで作動ロッド４を固定するよりも、せん断応力をはるかに小さくすることができ、強度が向上する。

さらに、ボルトを使用して複数の部材を連結する構造においては、ねじ加工その他の製造上および組み立て上の便宜等から、ボルトの通し孔は、その内径が、ボルトの外径よりも少し大きくなるようにされることが一般的である。このため、ロッド拘束部材２２を備えずにロッド取付ボルト２３のみで作動ロッド４を固定すると、作動ロッド４のそれぞれの間隔および平行度を確保することが困難となる。

また、ロッド拘束部材２２を備えずにロッド取付ボルト２３のみで作動ロッド４を固定し、かつロッド取付部材２１に形成するボルト通し孔の内径をロッド取付ボルト２３の外径よりも少し大きくなるように設定した場合には、作動部５が受けた横荷重に対して、ロッド取付ボルト２３の頭部の底面とその対向面とのすべり摩擦で横荷重による動きを抑制することになる。

ここで、ボルトは一般に時間の経過とともに緩むことが多いため、すべり摩擦力が低下して、横変位する可能性が高くなる。このため、初期製作時には、作動ロッド４のそれぞれの間隔および平行度を高精度に組み立てることができたとしても、直動装置の使用に伴い、それらに変位が生ずる可能性がある。特に、ボルトの緩みは、繰り返し荷重が作用する場合に発生することが多いため、ロボット、特に人間型ロボットへ適用する場合には、発生する可能性が高くなる。

これに対して、本実施形態における作動部５においては、前記のとおり、ロッド取付ボルト２３は、作動部５への作動ロッド４の連結・固定が主たる機能であり、外部荷重、特に横荷重に対する剛性は、特にロッド拘束部材２２により確保されるので、直動装置１としての性能維持が可能となっている。

以上述べたように、本実施形態による直動装置１によれば、ねじ軸２の軸線方向と平行に６本の作動ロッド４を設けたので、作動部５に対して、作動ロッド４の軸線方向に垂直な力成分を有する荷重が作用した場合でも、作動ロッド４の円滑な直線動作を維持する上で十分な剛性を確保することができる。これにより、直線移動に対する案内機能の向上を実現できる
また、本実施形態による直動装置１によれば、別部材として形成したロッド取付部材２１およびロッド拘束部材２２により作動部５を構成したので、ロッド拘束部材２２においてロッド通し孔２６を機械加工により精度良く形成できると共に、ロッド取付部材２１によって６本の作動ロッド４の先端部を面一状態にて位置決めすることができる。これにより、直動装置１の組立作業時において、６本の作動ロッド４同士の間隔（ピッチ）と平行度を簡易かつ正確に確保できると共に、６本の作動ロッド４の軸線方向の位置決めを簡易かつ正確に行うことができる。

１ 直動装置
２ ねじ軸
３ ナット部材
４ 作動ロッド
５ 作動部
７ 案内部
８ モータ
９ モータ側プーリ
１０ ねじ軸側プーリ
１１ プーリベルト
１２ ケーシング
１３、１４ ねじ軸の回転軸受
１５ 作動ロッドの軸受（直動軸受）
２１ ロッド取付部材
２２ ロッド拘束部材
２３ 先端側のロッド取付ボルト（第一のボルト）
２４ 後端側のロッド取付ボルト
２５ 拘束部材連結ボルト（第二のボルト）
２６ ロッド通し孔
２７ 段付き孔
２８ 軸受保持部
２９ 位置決めボルト

Claims (7)

1. ねじ軸と、前記ねじ軸が挿通されたナット部材と、を備え、前記ねじ軸の回転によって前記ナット部材が前記ねじ軸の軸線方向に進退駆動されるように構成された直動装置であって、
   前記ねじ軸の前記軸線方向と平行に配置された３つ以上の作動ロッドであって、それぞれの基端部が前記ナット部材に固定された、３つ以上の作動ロッドと、
   前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれの先端部が固定された作動部と、を備えた、直動装置。
2. 前記作動部は、
   前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれが挿通される３つ以上のロッド通し孔が形成されたロッド拘束部材と、
   前記３つ以上のロッド通し孔に挿通された前記３つ以上の作動ロッドの先端部が取り付けられるロッド取付部材と、を有し、
   前記ロッド拘束部材と前記ロッド取付部材とが別部材として形成されている、請求項１記載の直動装置。
3. 前記ロッド通し孔は、前記作動ロッドの半径方向の移動を規制して、前記３つ以上の作動ロッド同士の間隔と平行度を確保するように形成されている、請求項２記載の直動装置。
4. 前記ロッド取付部材は、前記３つ以上の作動ロッドの先端部が当接され、前記３つ以上の作動ロッドの先端部が面一状態に位置決めされるように構成されている、請求項２または３に記載の直動装置。
5. 前記作動部は、
   前記作動ロッドを前記ロッド取付部材に取り付けるための第一のボルトと、
   前記ロッド拘束部材を前記ロッド取付部材に連結するための第二のボルトと、を有し、
   前記第一のボルトの挿通方向と前記第二のボルトの挿通方向とが逆である、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の直動装置。
6. 前記３つ以上の作動ロッドは、前記ねじ軸の軸心を中心とする仮想円上に等角度間隔で配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の直動装置。
7. 前記ねじ軸を内包するケーシングをさらに備え、
   前記ケーシングに、前記３つ以上の作動ロッドのそれぞれの直動動作を案内するための３つ以上の軸受が設けられている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の直動装置。
   

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