JP4851716B2 - ピボットジョイント - Google Patents

Description

本発明は、ピボットジョイント、特に、ボールジョイントに関する。

脚上のボールを含むピボットジョイントは、知られている。そのようなピボットジョイントにおいて、そのボールは、その脚がソケットから突出した状態でソケット内に配置されている。

これらのピボットジョイントは、特にボール部品が正確な球体ではないので高精度ではないという短所を有している。さらなる短所は、摩耗した場合、部品が安価に交換できないということである。そのようなジョイントが摩耗したとき、それらの位置精度は、低下し、枢支点で不所望な移動をもたらす。

正確な球体（即ち、ボールベアリング）は、研磨処理により大変精密に作られている。

本発明に係るピボットジョイントは、レセプタクル内に保持されるボールを含む第１の構造と、該第１の構造に対して移動可能とされ支持面を介して該ボールに接触し、該接触が枢支点を形成する第２の構造と、を含むピボットジョイントにおいて、前記支持面は、前記ボールを収容するように形作られ、該支持面が摩耗したとき、前記枢支点がその形成された位置に実質的に維持されることを特徴とする。

本発明に従うピボットジョイントの利点は、ピボットジョイントの平面内の望ましくない移動が軽減され、従って、そのジョイントは、最小の縦方向の移動を有し、そのピボットジョイントを介し接続される構造の全長が実質的に長期に同一のままであることである。これは、そのジョイントが摩耗の影響を被らないものであり、また、公差基準内のままで
そのジョイントの寿命やジョイントの部品の取替え期間がより長く向上することを意味する。

好ましい実施例において、前記第２の構造は、前記支持面で前記ボールに接触し付勢される。その付勢力は、スプリング、磁力、圧力差（例えば、真空）または例えば、ゴムバンドによりもたらされてもよい。

付勢力を使用することは、そのボールが、支持面上に第２の構造により適正な位置で少なくとも部分的に確実に収容されることを手助けする。これは、実質的にその形成される位置で枢支点を維持するために要望される場所で生じる支持面における摩耗作用をもたらす。

そのボールは、好ましくは、高精度のボール、例えば、ボールベアリングのような研磨されたボールである。そのレセプタクルに保持される場合でさえ、ボールは自由であり、
即ち、ネジ、スタッド、またはボールの真球度に影響を及ぼす他の手段によりある場所に固定されず、従って、正確である。そのような自由なボールは、高精度のボールとして作用し、加えて、ジョイントの位置決め箇所をもたらす。そのボールは、留め具、接着、溶接、またはブレージング（ｂｒａｉｓｉｎｇ）により，レセプタクル内に保持される。また、例えば、ボールの形状を変形させない他の方法が、適切である。

好ましい実施例においては、前記第１および第２の構造に対して移動可能な第３の構造が設けられており、それにより、該第３の構造は、さらなる支持面を介して前記ボールと接触し、該接触が、前記支え面が摩耗したとき、その形成される位置に実質的に維持される枢支点の位置を形成する。

その支持面は、空気軸受、ローラベアリング、または平面支承を含むものでもよい。従って、支持面は、第１（および第３）の構造の表面によりもたらされ得る。代替的に、例えば、レースの中に多くのボールベアリングを含む独立のベアリングは、その構造相互間に接触をもたらす。

本発明の実施例は、添付図を参照して一例として説明されるだろう。図中

図１は、二つのピボットジョイントの等角投影図である。第１の構造は、ボールのためのレセプタクルとボールとによりもたらされる。プラットホーム１２は、構造的切開部３０（レセプタクル）を備えている。ピボットジョイントのボール３２は、切開部３０の周囲を形成する面により切開部３０内に支持されている。二つの切開部３０が、図１に示され、一方は、所定位置にボールジョイントの他の部品を有し、他方は、有していない。

ボール３２は、切開部３０における二つの相対向する面３４、３６により支持されている。第１の曲面３４は、ボールの面に接触し、第２の曲面３６は、２箇所の接点３６Ａ，３６Ｂでボール３２の下面に接触している。ボール３２の位置は、これらの３箇所の接点３４、３６Ａ，３６Ｂ、およびクランプ３８、４２によりもたらされる第４の接点により形成されている。従って、そのボールは、その切開部内に運動学的におよび再現可能に配置される。

この例において、そのクランプは、ワッシャー３８、および、ねじまたはボルトのような固定具４２を含んでいる。ワッシャー３８は、上部ステージ１２における切開部３０に設けられる棚４１に置かれ、その下面端でボール３２に接触している。プラットホーム１２は、ボール３２に対しワッシャー３８を保持する固定具４２を収容するようにワッシャー３８の中心と同心の孔４０を備えている。従って、ボール３２は、第１の曲面３４、第２の曲面３６における二つの接点３６Ａ，３６Ｂ、ワッシャー３８により、その表面の回りの４箇所で動かない固定位置の状態に保持される。

第２の構造２０は、部分的に収容し各ジョイントのボール３２に嵌め合う孔４５を備えている。

そのボールは、レセプタクルに保持され、支持面の中心についての精密面として作用し、加えて、そのボールがジョイントの二つの部分の相互間にリンクをもたらす。

図２ａ，図２ｂ，および図３は、平面支承を有する第２の構造の構成を示す。図２ａにおいて、孔４５は、二つの支え面４６Ａ，４６Ｂだけを有する楕円形である。その支え面が摩耗したとき、それらは、さらに、ボールの表面上に座り、従って、支え面とボールとの間のガタつきを低減する。この構成は、支え面の力が支え面の平面と直角をなす軸に対し平行な場合（例えば、そのボールジョイントがジャッキに使用される場合）、特に適している。

図３は、支え面の代替的な構成を示す。各孔４５は、１２０°間隔で３つの支え面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを有するように形作られる。３つの支え面だけが、ボール３２に接触している。これらの支え面は、その表面相互間の摺動を最大にするようにボール３２との小さな接触部位を有している。

その支え面は、好ましくは、浅い角度で傾斜されており、ボールが表面（図２ｂ参照）に位置する。支え面の平面に対して直角な線に対し約１５°から約４５°までの角度が適している。従って、ボールを収容するようになっている孔の各面は、円錐に描いている。
その表面は、単一の円錐、または各円錐の接触半径がそのボールの半径よりも大である異なる非同心円錐を描いても良い。

約１５°未満の角度は、その孔内で詰まるようになる場合がある。勿論、ジョイントの移動性に影響を及ぼす。約４５°よりも大きい角度であると、そのボールを孔に強制的収容させるいっそう大きな荷重が要される。好ましい角度は、約１３〜３０°であり、この浅い角度として最も好ましい約１５〜２０°の範囲の場合、ボールに対する支え面の摺動動作とボールが孔に収容されることについての容易性とをうまく満足させることをもたらす。その支え面がスプリングにより一緒に付勢される場合、より急傾斜の角度が使用される場合よりもより弱いスプリングが使用され得るので浅い角度は、有効である。

図２について、二つの支え面は、二次元で曲げられている。第１に、第２の構造の厚さの中にボールを部分的に収容し（図２ｂ）、また、第２に、その構造（図２）の縦方向において、支え面の幅が、ボール(この場合、これが楕円孔の中心をなす)を取り付けるように要求される位置で最大となる。従って、この要求される位置の両側を先細にする。この先細が、ボールが要求される位置に取り付くように助長させる。

図３について、３つの支え面は、その構造の厚み内の平面であり、その支え面により形成される表面を有する円錐の一部を描くようにその構造の平面内で曲げられており、即ち、それらが円錐形である。そのボールは、これらの３つの小さな接触部位に置かれている。

その例は、ボール３２を取り囲む第２の構造１４、２０を示すが、これは、絶対に必要なことではない。従って、第２の構造は、構造内に隙間をもってボールを実質的に取り囲むものでもよい（いずれの隙間の制約の大きさは、ボールの直径と、第２の構造の支え面の位置とに関係している）。

その構造の一方の支え面を使用することの代案として、個別のベアリングがその構造の相互間に収容される。この例においては、これを実現するように形作られたボールを収容する支え面に加えて、他の支え面と第２の構造の連通する表面の双方もまたそのように形作られることが好ましい。この形状が、ピボットジョイントをその位置に維持するうえで
手助けとなる。それから、もしベアリングが空気軸受ならば、二つの構造相互間の距離が、実質的に一定の値に維持されるべきである。従って、協働する第１および第２の構造の表面は、協働形状（ｃｏ−ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｏｒｍｓ）を有することが必要とされる。従って、ある実施例において、ボールは、レセプタクルと第２の構造との間に遊動し、双方に対し自由に回転し得る。

使用されるベアリングの形式に関わらず、第１および第２の構造は、互いに相対的に製造されることが好ましい。

高精度ジョイントについては、付勢力が第２の構造をボールに強制的に接触させるように使用され得る。低級の精度の用途については、これは、支え面の角度を慎重に選択することにより不要とされ得る。

支え面をボール３２に付勢するひとつの方法は、第２の構造１４、２０を付勢することによるものである。これは、第２の構造１４、２０に留められる一端と、ボール３２に対して押圧する他端とを有するプレートを設けることにより実現され得る。従って、そのプレートは、板ばねのように作用する。その留め具は、ボール３２の取り外しが、保守、または交換のために可能となるように、好ましくは、例えば、ネジにより取り外し可能に固定される。プレートという文言は、ワッシャーのような付勢力をもたらすのに適したすべての様々な形状および構造を含むことを意図している。そのようなプレートは、ワッシャー３８とともに使用可能とされ、または代用品として使用される。

付勢力が使用される場合、ボールと第２の構造（または第３の構造）との間のすべての接点は、等しく剛性があり負荷され、それゆえ、すべての接触が、等しい摩耗率を有することを確実する。

図４ａおよび図４ｂは、それぞれピボットジョイント１００および１０１の等角投影図を示す。第１の構造は、ボールのためのレセプタクル１０６およびボール１１４によりもたらされる。

第２および第３の構造は、部分的に収容しボール１１４に嵌めあう端部近傍に孔１２２、１２４をそれぞれ備える二つの支柱１０２、１０４によりもたらされる。二つの支柱１０２、１０４は、ボール１１４における互いに正反対の位置に配される。また、第２および第３の構造の末端部は、ピボットジョイントを備えている。これらの末端のピボットジョイントは、同一の二つの支柱、またはこれらの支柱の一方と異なる支柱とが重なる
単一支柱タイプまたはダブル支柱ジョイントであってもよい。

支柱における孔１２２、１２４は、ボールに接触する３つの支え面１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃ−その三角形構造の各辺のひとつ−を設けるためにそれぞれ、丸みのある三角形のように形作られている（図４ｃ参照）。その支え面は、その支柱の縦軸線１２８に対し直角でない角度で傾斜している。これにより、ボール１１４が孔１２２、１２４内に配置（部分的に）可能とされる。

二つの支柱１０２、１０４がそれぞれ３つの支え面でボールに接触することを確実にするために、二つの支柱が一緒に付勢される。図４ａは、支柱の両側に作用する二つのＵ形のスプリング１０８を示す。各スプリング１０８は、支柱のラグ１１２相互間に接続され、複数の支柱とともにボール表面上の支え面を引っ張る。図４ｂは、二つのコイルスプリング１１０が二つの支柱のラグ１１２に渡して接続される（第２のコイルスプリングは、不図示）代替的な構成を示す。

代替的に、そのスプリングは、支柱の向かい合う面の間であって支柱の孔近傍、あるいは、より強いスプリングが使用される場合、支柱の全長に沿った半ばに配置される（これは、１つのスプリングを使用して支柱の両端を付勢することが可能となる）。

ボール表面に接触する支え面を付勢するようにスプリングを使用することとは対照的に、磁力が使用され得る。ここで、各支柱のラグが、磁石を収容、即ち含む。その磁石は、両極が二つの支柱の相互間の隙間に向かい合うように位置決められ、従って、その二つの支柱が磁気的に引き付けられ、ボールの回りに正確に配置される。

互いに向かって引っ張られる支柱の代案としては、レセプタクルにおける付勢力（弾力、磁力、圧力差等）によりその支柱がそれぞれ支え面に向けて互いに押され得る。ボール１１４は、そのボールにおけるほぼ正反対の位置で、レセプタクル１０６ａ（図４ｄ参照）と、レセプタクル１０６ｂ内に回転可能に取り付けられるグラブネジ１３０とによる
一方の面に設けられる二つの受け面１３２、１３４相互間の締め付けにより、レセプタクル１０６内に支持されている。１つの可動可能な受け面１３４の使用により、二つの支柱１０２、１０４およびレセプタクル１０６ａ，１０６ｂに対するボール１１４の位置決めが容易にできる。明確にするためにレセプタクルおよびボールだけが、図４ｄに示されている。

代替的に、ボールは、レセプタクルにおける対応する大きさの隙間内に押し込みばめされてもよい。または、そのボールは、ボールの中心を貫通しその両側でレセプタクル１０６内に入る中央のロッド（不図示）に取り付けられても良い。そのロッドは、一方の面（不図示）におけるレセプタクルにあり、ボール１１４がレセプタクル１０６に固定されるように締め付けられる。説明されたように二つの支柱式ピボットジョイントは、多くの用途を有し、これらのうちの１つは、三次元座標測定機である。そのような機械は、変更可能な長さの少なくとも３本の支柱により連結される二つのプラットホームを含んでいる。一例は、国際特許出願ＷＯ９５／２０７４７に十分に説明される６脚である。

図５は、本発明に従うピボットジョイントを使用した三次元座標測定機である。その三次元座標測定機は、下部固定ステージ１０および上部可動ステージ１２を含んでなる。その上部ステージおよび下部ステージは、伸縮式支柱１４により連結されている。各支柱は、ピボットジョイントにより各上端および下端で上部ステージおよび下部ステージに連結されている。各支柱は、その長さを拡張または縮小するためのモータ１６を有している。

上部ステージ１２は、ピボットジョイントにより上部ステージおよび下部ステージに連結される３本の伸縮式支柱１４だけにより支持されるのでこのステージは、下部ステージ１０に対し３本の垂直軸の回りに回転し得る。これを防止するために３個の回転防止装置２０が設けられており、並進運動を可能としながらこれらの３回転自由度を無くする。その装置は、受動装置であり、即ち、それらはモータまたは他のアクチュエータを有していない。また、回転防止装置２０と上部ステージ１２および下部ステージ１０との間のジョイントもピボットジョイントである。上部ステージ１２は、レセプタクルおよび多くのピボットジョイントのためのボール（第１の構造）を含んでなる。各支柱１４および回転防止装置２０は、第２の構造を形成する（すべてのジョイントが本発明に従うものであることは極めて重要とはされない）。

支柱１４および回転防止装置２０は、リン青銅のような優れた軸受物質で形成される。
支柱１４は、エッチングにより製造され、それから、孔４５の長さおよび形状寸法を正確に制御するように孔４５を機械加工または型打ち抜きしてもよい。

振動の場合、支え面は、ボールを跳ね、固定当り止め（ｓｏｌｉｄ ｓｔｏｐ）に衝突させ（即ち、切開構造３０の端部）、また、ボール上のそれらの位置に戻す。従って、そのボールジョイントは、自己防衛である。

高精度ボールジョイントが要求される場合、コイルスプリングが例えば、二つの回転防止装置２０相互間に設けられてもよく、単一または複数の支え面をボール３２に付勢する。そのようなスプリングは、任意の振動後、支え面をボール上に戻す手助けをするだろう。また、そのようなスプリングは、支え面に対してボールの位置を維持する手助けをするだろう。従って、支え面が摩耗したとき、そのボールは、所定位置に（擬似）運動学的に配置されたままであり、支柱の一定の長さを維持するだろう。

この実施例において、ボールが保持され、その切開部により支持される場合、支柱（即ち、第２の構造）が支持面でボールに係合されていないとき、ボールは、ジョイントに対し配置されたままである。

付勢力を利用することは、適正な位置で繰り返し支え面に接触し、その支え面の形状に従い、支え面が摩耗したとき、第２の構造に対しボールの横方向の移動を最小にすることを確実にする。従って、支柱１４または回転防止装置２０の有効長が、ある期間にわたり、かつ、機械の摩耗とともに安定したままである。その有効長は、構造１４、２０における各端部においてピボットジョイントの中心相互間の長さである。この有効長が維持されないならば、それから、使用期間後、その機械は、各ジョイントについて同一でないその構造において横方向の移動があるのでその機械のモータにより決まるそのもの自体の位置とはならないだろう。支柱１４については、これは、ｘ，ｙ，またはｚ方向において上部ステージ１２の位置に影響を及ぼすだろう。回転防止装置２０については、これは、下部固定ステージ１０に対する上部ステージ１２の回転、および、その二つのステージ相互間において実現される平行度に影響を及ぼす。このピボットジョイントは、製造費用の安価および組み立て容易性双方の利点を有している。

ボールを保持する切開構造は、機械加工が容易である。この構造内の自由なボールの再現可能な（キネマティック）位置により、ボールが容易に取り替えできる。また、これにより、機械の組み立てにおける部品の幾何学的な位置決めを直すことができる。さらにまた、その構造における正確な位置決めにより結合される市販の正確な球体（例えば、ボールベアリング）の使用が、第２の構造の開口内のボールの良好な着座位置を確実にする高精度のボールジョイントを作ることとなる。そのボールは、留め具、接着、溶接または、球体としてのボールの完全性を維持する他の方法により所定位置に保持されてもよい。

この明細書全体にわたり、ピボットジョイントという語句におけるピボットという用語の使用は、１自由度、２自由度、および３自由度のピボットジョイント、ならびに、２自由度、または３自由度を有するユニバーサルジョイントを含むものと定義される。

そのピボットジョイントに使用されるボールは、いずれかの強い／弱い摩擦材料、または代替的に、強い／弱い摩擦材料で被覆されたいずれかの物質で作られてもよい。

上述の例は、三次元測定機におけるピボットジョイントの使い方を説明したが、このピボットジョイントは、そのような機械による使用に限られることなく、他の用途に使用されてもよい。他の用途の例は、ロボット、工作機械、測長機、または、ノンカーテシアン（ｎｏｎ−ｃａｒｔｅｓｉａｎ）機構、および他のパラレルキネマティックマシン（ｐａｒａｌｌｅｌ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍａｃｈｉｎｅｓ）のような位置決め機械を含む。

本発明に従うピボットジョイントの等角投影図である。 ピボットジョイントの一部の図である。 ピボットジョイントの一部の図である。 ピボットジョイントにおける代替的な部分の平面図である。 本発明に従う代替的なピボットジョイントの等角投影図である。 本発明に従う代替的なピボットジョイントの等角投影図である。 本発明に従う代替的なピボットジョイントの等角投影図である。 図４ａに示されるピボットジョイントの平面Ａ−Ａを通して切断した断面図を示す。 本発明のピボットジョイントを使った三次元座標測定機の等角投影図である。

Claims (11)

1. レセプタクル（３０、１０６）内に保持されるボール（３２、１１４）を含む第１の構造（１０、１２）と、該第１の構造に対して移動可能とされ支持面（４３、４６、１２６）を介して該ボールの表面に接触し、該接触が枢支点の位置を画定する第２の構造（１４、２０、１０２、１０４）と、を含む三次元測定機または位置決め装置のためのピボットジョイントにおいて、
   前記支持面は、前記ボールを収容するように形作られ、該支持面が摩耗したとき、前記枢支点がその画定された位置に維持され、
   前記ピボットジョイントは、前記第１および第２の構造に対して移動可能な第３の構造をさらに含み、それにより、該第３の構造は、さらなる支持面を介して前記ボールと接触し、該接触が、前記支え面が摩耗したとき、その画定される位置に維持される枢支点の位置を画定し、
   前記第２の構造（１４、２０、１０２）および前記第３の構造が、スプリングまたは磁石により、前記ボール（３２、１１４）に接触し付勢されることを特徴とするピボットジョイント。
2. 前記第２の構造（１４、２０、１０２）が、前記支持面を備える請求項１記載のピボットジョイント。
3. 前記支持面（４３、４６、１２６）は、２つまたは３つの支え面（４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４６Ａ，４６Ｂ，１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃ）を含む請求項１または請求項２記載のピボットジョイント。
4. 各支え面（４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４６Ａ，４６Ｂ，１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃ）は、該支え面の平面に対し直角をなす直線に対し約１５°と約４５°との間の角度で傾斜されている請求項３記載のピボットジョイント。
5. 前記さらなる支持面は、前記第３の構造により設けられる請求項４記載のピボットジョイント。
6. 前記ボールは、少なくとも２つの地点で前記レセプタクルに接触することにより該レセプタクル内に保持される請求項１乃至５のいずれかに記載のピボットジョイント。
7. 二つの接触点は、前記ボールにおいて略正反対の位置に設けられる請求項６記載のピボットジョイント。
8. 前記ボールは、高精度のボールである請求項１乃至７のいずれかに記載のピボットジョイント。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のピボットジョイントを含む位置決め装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載のピボットジョイントを含む測長機。
11. 請求項１乃至８のいずれかに記載のピボットジョイントを含むパラレルキネマティックマシン。

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