JP6605530B2 - ボールジョイントのシール部材 - Google Patents

Description

本発明は、工業用ロボットのリンクモーション機構等の各種リンク装置に用いられるボールジョイントにおいて、ホルダとボールシャンクとの間に設けられるシール部材に関する。

この種のボールジョイントは二つの機械要素を揺動自在に連結して、各種リンク装置を構成する目的で多用されている。当該ボールジョイントは、一般的に、シャンク部の先端にボール部が形成されたボールシャンクと、前記ボール部を包持するボール受け部が形成されたホルダとから構成されている。そして、前記ボールシャンクのボール部が前記ホルダのボール受け部に摺接することにより、当該ボールシャンクが前記ホルダに対して一定の角度以内で自由に揺動することが可能となっている。

前記ボールシャンクのボール部と前記ホルダのボール受け部との間に塵芥が侵入すると、これら両者の摺接面が傷つき、ホルダに対するボールシャンクの円滑な運動が損なわれることから、ボールジョイントの実際の使用にあたっては、前記ボール部と前記ボール受け部との隙間を密封するシール部材を設ける必要がある。

前記シール部材としては、前記ボールシャンクと前記ホルダとの間に設けられる可撓性のブーツシールが知られている。前記ブーツシールは両端に開口部を有する略筒状に形成されており、一方の開口部は前記ボールシャンクのシャンク部が挿通されて当該シャンク部に固定され、他方の開口部は前記ホルダのボール受け部の周囲に固定される。また、前記ブーツシールは撓んだ状態で前記シャンク部と前記ボール受け部との間に取り付けられており、前記ホルダに対する前記ボールシャンクの揺動に追従して自在に変形可能となっている。

一方、前記ブーツシール以外の他のシール部材としては、前記ホルダに固定されるリング状のシール体が特許文献１に開示されている。前記シール体は前記ボールシャンクのシャンク部が挿通される開口部を有してリング状に形成されており、外周部が前記ホルダのボール受け部に固定されている。前記シール体が前記ボール受け部に固定された状態で、当該シール体は前記ボールシャンクのボール部から押し上げられるようにして撓み、当該シール体の内周縁は前記ボール部の球面に圧接している。このため、前記ボールシャンクが前記ホルダに対して揺動すると、前記シール体の内周縁は前記ボール部の球面に対して離れることなく摺接し、それによって前記ボール部と前記ボール受け部との隙間が密封されるようになっている。

実開昭４９−１３０２７９号公報

前述した二つのシール部材のうち、前者のブーツシールは両端の開口部が前記ボールシャンクのシャンク部及び前記ホルダのボール受け部に固定されるので、密封性に優れているという特質がある。その反面、前記ボールシャンクの揺動に追従して変形することから、当該ボールシャンクが高速で繰り返し揺動する場合には、前記ブーツシールには高度な耐久性が求められる他、前記ボールシャンクに大きな揺動角が求められる場合には適用し難いといった課題がある。

一方、後者のリング状のシール体は前記ボールシャンクの揺動にかかわらず、一定の姿勢で前記ボール部の球面に圧接しているので、前記ブーツシールに比べて耐久性を確保し易いといった特質がある。その反面、前記シール体の内周縁は前記ボールシャンクのボール部に押し上げられるようにして撓んでいることから、前記ボールシャンクの揺動角が広角度になった際に、当該ボールシャンクのシャンク部と前記シール体の内周縁とが干渉し易く、前記ボール部と前記シール体との間に隙間が生じて、密封性が損なわれてしまう懸念があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ボールシャンクがホルダに対して大きな揺動角度で且つ高速で繰り返し揺動する使用条件下にあっても、長期にわたって前記ボールシャンクのボール部と前記ホルダのボール受け部との間の密封性を良好に維持することが可能なボールジョイントのシール部材を提供することにある。

すなわち、本発明は、ボールシャンクとホルダが揺動自在に結合したボールジョイントに用いられ、当該ボールジョイントのホルダとボールシャンクのボール部との隙間を密封するシール部材であって、前記ホルダに対して固定される円環状のベース部と、前記ベース部の内周側で当該ベース部と一体に設けられると共に前記ホルダに向けて円錐形に窪んだ保持部と、前記保持部の内周縁に設けられて前記ボールシャンクのボール部の球面又は前記ボールシャンクの首元部に摺接するリップ部と、を有している。

本発明のシール部材は、前記ボールシャンクのボール部の球面に摺接するリップ部を有しているが、当該リップ部は円錐型に窪んだ保持部を介して円環状のベース部と接続されている。このため、前記保持部が当該シール部材と前記ボールシャンクのシャンク部との干渉を回避する空間を形成しており、前記ボールシャンクの前記ホルダに対する揺動角が広角度の場合であっても、前記リップ部と前記ボール部の球面との接触状態を維持し続けることが可能となる。

また、本発明のシール部材は前記ボールシャンクの揺動に追従して変形するのではなく、当該ボールシャンクが揺動しても前記リップ部が前記ボール部の球面に摺接するのみなので、たとえ前記ボールシャンクが高速で揺動を繰り返したとしても、前記リップ部と前記ボール部との接触状態が不安定になることはなく、高い耐久性をもって前記ボール部と前記ホルダとの隙間を確実に密封することが可能となる。

従って、本発明のボールジョイントのシール部材によれば、ボールシャンクがホルダに対して大きな揺動角度で且つ高速で繰り返し揺動する使用条件下にあっても、長期にわたって前記ボールシャンクのボール部と前記ホルダのボール受け部との間の密封性を良好に維持することが可能である。

本発明のシール部材が適用可能なボールジョイントの一例を示す斜視図である。 図１に示すボールジョイントの断面図である。 本発明を適用したシール部材の第一実施形態を示す断面図である。 第一実施形態に係るシール部材の要部を示す拡大断面図である。 ボールシャンクが揺動範囲の中央付近に位置している場合のシール部材の挙動を示す拡大断面図である。 ボールシャンクが最大揺動角まで傾斜した場合のシール部材の挙動を示す拡大断面図である。 本発明を適用したシール部材の第二実施形態を示す断面図である。

以下、添付図面を用いながら本発明のボールジョイントのシール部材を詳細に説明する。

図１は本発明のシール部材を装着したボールジョイントの一例を示すものである。このボールジョイントは、シャンク部１１の先端にボール部１０を備えたボールシャンク１と、前記ボール部１０を包持するボール受け部２０を有するホルダ２と、から構成されている。

前記ボールシャンク１はホルダ２に対して揺動自在に結合しており、その揺動中心は前記ボールシャンク１のボール部１０である。従って、前記ボールシャンク１に第一の機械要素を、前記ホルダ２に第二の機械要素をそれぞれ固定することにより、前記ボール部１０を揺動中心としてこれら機械要素を揺動自在に連結することが可能となっている。また、前記ホルダ２には前記ボールシャンク１の中心軸と直交する方向に延びる揺動支軸５が設けられている。前記揺動支軸５は第三の機械要素の連結に使用することができ、当該揺動支軸５を第二の揺動中心として、前記ホルダ２と第三の機械要素とを揺動自在に連結することも可能である。

図２は前記ボールシャンク１と前記ホルダ２のボール受け部２０との結合状態を示す断面図である。前記ボールシャンク１は、例えば、ボール部１０となる真球度の高い軸受用鋼球に対して棒状のシャンク部１１を電気抵抗溶接して形成される。または、前記ボール部１０とシャンク部１１とが一体となったボールシャンク１を冷間鍛造などの塑性加工によって成形することも可能である。前記シャンク部１１にはリンク部材等の第一の機械要素を固定するための座面を備えた鍔部１２が形成される一方、かかる鍔部１２を挟んでボール部１０と反対側には雄ねじ１３が形成されている。また、前記鍔部１２は六角ナットの形状に形成されており、スパナレンチを用いることで前記ボールシャンク１の雄ねじ１３を第一の機械要素に締結することが可能となっている。

前記ボール部１０と前記シャンク部１１との接続部、すなわち前記ボールシャンク１の首元部14は曲面に加工されており、前記ボール部１０の球面と前記シャンク部１１の外周面が滑らかに連続している。これにより、後述するシール部材４のリップ部４２が前記ボールシャンク１のボール部１０の球面から前記首元部１４にかけて、隙間なく当接するようになっている。

前記ホルダ２のボール受け部２０と前記ボールシャンク１のボール部１０との間には樹脂摺接部材３が設けられている。前記樹脂摺接部材３は前記ボール部１０の最大直径部を覆う環状に形成され、ボール部１０の球面の略２／３程度を覆っている。前記樹脂摺接部材３は前記ボール受け部２０に固定されており、前記ボール部１０が前記樹脂摺接部材３の内部で回転することにより、前記ボールシャンク１が前記ホルダ２に対して自在に揺動することが可能となっている。

一方、前記ホルダ２は、前記樹脂摺接部材３を覆うようにしてその周囲に設けられた前記ボール受け部２０と、このボール受け部２０をリンク部材等の第二の機械要素に結合するための固定部２１（図１参照）とを備え、これらボール受け部２０及び固定部２１がアルミニウム合金又は亜鉛合金のダイカスト鋳造により一体に成形されている。前記揺動支軸５は切削加工や鍛造加工によって形成された円柱状の部材であり、前記ホルダ２のダイカスト鋳造の際に金型内にインサートされ、前記ホルダ２の鋳造によって前記固定部２１と一体化する。

前記ホルダ２のボール受け部２０は前記樹脂摺接部材３の外側に環状に成形されており、二つの開口部２２，２３が形成されている。一方の開口部２２は前記ボールシャンク１の揺動範囲を区画しており、他方の開口部２３は閉塞キャップ２４によって閉じられている。前記ボール受け部２０はボールシャンク１のボール部１０とは非接触であり、いずれの開口部２２，２３においても、当該ボール受け部２０とボール部１０との間には前記樹脂摺接部材３が僅かに露出している。尚、前記閉塞キャップ２４で塞がれた前記開口部２３はグリース溜まり２５として利用されている。

前記開口部２２の内周面は前記ボール部１０の球面を囲む円錐状に形成されている。このため、前記ホルダ２に対する前記ボールシャンク１の最大揺動角θを大きく設定しても、前記ボールシャンク１のシャンク部１１と前記ホルダ２のボール受け部２０とが干渉し難くなっている。

次に、本発明を適用したシール部材の第一実施形態について説明する。

シール部材４は前記ホルダ２のボール受け部２０に装着され、前記ボール受け部２０と前記ボールシャンク１のボール部１０との隙間に対して埃やごみ等が侵入するのを防止している。前記シール部材４は中央に貫通孔を有するリング状に形成されており、図１及び図２に示されるように、前記貫通孔には前記ボールシャンク１のシャンク部１１が挿通されている。このシール部材４は前記ボール受け部２０の開口部２２を覆うようにして当該ボール受け部２０に固定される一方、前記貫通孔の内周縁が前記ボールシャンク１のボール部１０の球面に接している。

図３は前記シール部材４を直径位置で切断した断面図、図４は前記シール部材４を半径方向で切断した拡大断面図である。前記シール部材４は、前記ボール受け部２０の外周縁に固定される円環状のベース部４０と、前記ベース部４０の内径側に当該ベース部４０から延びる保持部４１と、前記保持部４１の内周縁に設けられて前記ボールシャンク１のボール部１０の球面に当接するリップ部４２とを備えている。このシール部材は例えば水素化ニトリルゴムにより成形されている。

前記ベース部４０は、前記ホルダ２のボール受け部２０に固定される環状の係止部４０ａと、前記係止部４０ａの内径側に当該係止部４０ａから延びる鍔部４０ｂと、から構成されている。前記係止部４０ａは断面略矩形状に形成されており、前記シール部材４を前記ホルダ２に装着する際には、当該ホルダ２のボール受け部２０に設けられた環状溝に押し込まれ、当該ボール受け部２０を外側から締め付けるようにして前記ホルダ２に固定される。また、前記係止部４０には金属製又は合成樹脂製の保持リング４３が内蔵されており、この保持リング４３によって当該ベース部４０の前記ホルダ２に対する締め付け力が強化され、前記シール部材４が前記ボール受け部２０の環状溝に確実に固定されるようになっている。

前記鍔部４０ｂは板状に形成され、前記係止部４０ａの内径側に当該係止部４０ａと一体的に設けられている。前記係止部４０ａを前記ホルダ受け部２０の環状溝に押し込む際に、前記鍔部４０ｂと前記ホルダ受け部２０とが干渉することがないよう、当該鍔部４０ｂは断面矩形状に形成された前記係止部４０ａの角部から延びている。この鍔部４０ｂは、前記シール部材４をホルダ２に装着した際に、前記ボール受け部２０を覆うように位置し、前記係止部４０ａに対して前記保持部４１を片持ち梁のように支持する機能を果たす。従って、前記鍔部４０ｂは前記ホルダ２のボール受け部２０には何ら固定されていない。

尚、前記鍔部４０ｂの半径方向の長さは前記ホルダ受け部２０に対する前記係止部４０ａの固定位置に応じて適宜設計変更して差し支えなく、例えば、鍔部４０ｂを設けることなく前記係止部４０ａに対して後述する保持部４１を設けることも可能である。

一方、前記保持部４１は円錐状に形成されて、前記係止部４０ａの基底面４０ｃに向けて窪んでいる。前記保持部は前記鍔部４０ｂの内径側に当該鍔部４０ｂと一体的に設けられている。前記シール部材４を前記ホルダ２に装着すると、円錐状に形成された前記保持部４１は前記ボール受け部２０に形成された開口部２２の内周面に沿うように位置し、前記ボールシャンク１を最大揺動角θで傾けた際に、前記ボールシャンク１のシャンク部１１と前記ボール受け部２０の開口部２２との間に存在する。前記保持部４１は前記鍔部４０ｂよりも薄い肉厚で形成されており、外力を受けた際に前記鍔部４０ｂよりも撓み易くなっている。

また、前記保持部４１の内周縁には前記リップ部４２が形成され、リング状に形成された前記シール部材４の内径を区画している。前記リップ部４２によって区画された前記シール部材４の内径は前記ボール部１０に接続される前記シャンク部１１の先端の軸径よりも大きく設定されており、前記リップ部４２が前記ボール部１０の球面に接触するようになっている。前記リップ部４２は先端にかけて厚みが小さくなる先細り状に形成されており、前記ボール部１０に接触していない状態で、当該シール部材４の内径を狭めるように、当該シール部材４の中心に向けて前記保持部４１から延びている。また、先細り状に形成された前記リップ部４２は当該シール部材４の中心に向けて真っ直ぐに延びるのではなく、先端部が僅かに上向きとなるように設けられている。このため、前記リップ部４２は前記ボール部１０の球面に対して斜めに接触し、僅かな撓みを伴って高い面圧で前記ボール部の球面に接触する。

また、前記リップ部４２と前記保持部４１との境界には、これら両者よりも肉厚が薄い連結部４２ａが設けられており、前記リップ部４２が前記保持部４１に対して柔軟に変形可能となっている。このため、図４中に一転鎖線で示すように、前記リップ部４２の先端を押圧する外力が作用すると、当該リップ部４２及び前記保持部４１が弾性変形し、前記ボール部１０の球面に対してリップ部４２を適度な接触圧で確実に接触させることが可能となっている。

図５及び図６はボール部１０の球面に対する前記シール部材４の挙動を示しており、図５は前記ボールシャンク１が揺動範囲の中央付近に位置している場合、図６は前記ボールシャンク１が最大揺動角θまで傾斜した場合を示している。

前記ボールシャンク１が揺動範囲の中央付近に存在している場合、図５に示すように、前記シール部材４のリップ部４２は前記ボールシャンク１のボール部１０の球面に接触している。前記ボール部１０は真球度の高い球体なので、前記シール部材４の周方向のどの位置においても前記リップ部４２は同じように前記ボール部１０の球面に接触している。このとき、前記シール部材４の保持部４１と前記ボール受け部２０の開口部２２の内周面との間には隙間が存在している。この状態から前記ボールシャンク１を前記ホルダ２に対して揺動させても、前記ボールシャンク１のボール部１０は前記ホルダ２のボール受け部２０の中で回転するだけであり、前記シール部材４のリップ部４２と前記ボール部１０の位置関係は変化することがない。このため、前記ボールシャンク１を高速で繰り返し揺動させても、前記リップ部４２は安定した状態で前記ボール部１０の球面に摺接し続け、ボール部１０とリップ部４２とが非接触となることはない。

また、前記ボールシャンク１を前記ホルダ２に対して最大揺動角θで傾けた場合、図６に示すように、前記シール部４のリップ部４２は前記ボールシャンク１のボール部１０とシャンク部１１との接続部、すなわち前記ボールシャンク１の首元部１４に達する。このとき、前記リップ部４２は前記ボールシャンク１の首元部１４に押圧されることになるが、前記シール部４の保持部４１が前記首元部１４の押圧力を受けて撓み、且つ、前記リップ部４２が前記保持部４１に対して柔軟に変形することにより、前記シール部材４の周方向のどの位置においても前記リップ部４２はボールシャンク１の球面又は当該ボールシャンク１の首元部に接触し続け、前記リップ部４２が前記ボール部１０と非接触になることはない。

従って、前記シール部材４は前記ボールシャンク１が前記ホルダ２に対して大きな揺動角度で且つ高速で繰り返し揺動する使用条件下にあっても、長期にわたって前記ボールシャンク１のボール部１０と前記ホルダ２のボール受け部２０との間の密封性を良好に維持することが可能である。

図７は本発明を適用したシール部材の第二実施形態を示す断面図である。

この第二実施形態のシール部材６は前述した第一実施形態のシール部材４と略同じ構成を有している。但し、前記鍔部４０ｂ及び前記保持部にリング状の補強部材６０が内蔵されている点において第一実施形態のシール部材４と相違する。前記補強部材６０以外の構成は前述した第一実施形態と同一なので、図７中に第一実施形態と同一符号を付し、ここでは詳細な説明は省略する。

前記補強部材６０は前記鍔部４０ｂと前記保持部４１の接続部に設けられており、当該補強部材６０の内径側の端部は前記保持部４１の円錐形状に合わせて屈曲している。このため、前記鍔部４０ｂに対する前記保持部４１の変形が第一実施形態のシール部材４に比較して抑えられている。前記補強部材６０は例えば金属や合成樹脂から形成することができる。

この第二実施形態のシール部材６では、前記補強部材６０によって前記鍔部４０ｂに対する前記保持部４１の変形が適度に抑えられた結果、前記ボール部の球面に対する前記リップ部の接触面圧が前述の第一実施形態に比べて高まり、その分だけ前記リップ部を前記ボール部の球面に対して確実に摺接させることが可能である。従って、このシール部材６においても、前記ボールシャンク１が前記ホルダ２に対して大きな揺動角度で且つ高速で繰り返し揺動する使用条件下にあっても、前記ボールシャンク１のボール部１０と前記ホルダ２のボール受け部２０との間の密封性を良好に維持することが可能である。

１…ボールシャンク、２…ホルダ、４…シール部材、１０…ボール部、１１…シャンク部、４０…ベース部、４１…保持部、４２…リップ部

Claims (5)

1. ボールシャンクとホルダが揺動自在に結合したボールジョイントに用いられ、前記ホルダのボール受け部と前記ボールシャンクのボール部との隙間を密封するシール部材であって、
   前記ボール受け部を外側から締め付けるようにして当該ボール受け部に固定される環状の係止部と、
   前記係止部の内径側に当該係止部と一体的に設けられ、当該係止部を前記ホルダに装着した際に前記ボール受け部を覆うように位置する板状の鍔部と、
   前記鍔部の内径側に当該鍔部と一体に設けられると共に、当該鍔部よりも薄い肉厚で形成され、前記ホルダに向けて円錐形に窪んだ保持部と、
   前記保持部の内周縁に設けられて前記ボールシャンクのボール部の球面又は前記ボールシャンクの首元部に摺接するリップ部と、
   を有することを特徴とするボールジョイントのシール部材。
2. 前記リップ部は、当該シール部材の内径を狭めるように、当該シール部材の中心に向けて前記保持部から伸びていることを特徴とする請求項１記載のボールジョイントのシール部材。
3. 前記保持部と前記リップ部との間には当該保持部及びリップ部よりも肉厚の薄い連結部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のボールジョイントのシール部材。
4. 前記鍔部と前記保持部との接続部には円板状の補強部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボールジョイントのシール部材。
5. 軸部の先端にボール部が設けられたボールシャンクと、
   前記ボールシャンクのボール部と揺動自在に結合したホルダと、
   前記ホルダと前記ボールシャンクのボール部との隙間を密封するシール部材と、を備え、
   前記シール部材は、
   前記ボール受け部を外側から締め付けるようにして当該ボール受け部に固定される環状の係止部と、
   前記係止部の内径側に当該係止部と一体的に設けられ、当該係止部を前記ホルダに装着した際に前記ボール受け部を覆うように位置する板状の鍔部と、
   前記鍔部の内径側に当該鍔部と一体に設けられると共に、当該鍔部よりも薄い肉厚で形成され、前記ホルダに向けて円錐形に窪んだ保持部と、
   前記保持部の内周縁に設けられて前記ボールシャンクのボール部の球面又は前記ボールシャンクの首元部に摺接するリップ部と、
   を有することを特徴とするボールジョイント。

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