JP6923770B2 - シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、シール構造に関するものである。

従来、ロボットの機構内部においてケーブルを処理するために、相対的に回転する２つの部材の間に配置されたアクチュエータを中空に形成した中空アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の中空アクチュエータは、モータと減速機とを同軸に、中心軸に沿う方向に並べて配列し、減速機として中空構造を構成容易な波動歯車減速機を採用し、減速機の入力軸にモータの回転力を伝達するシャフトとして、中心軸回りに回転駆動される中空シャフトを用いている。中空シャフトによれば、径方向の内側の空間を、ケーブル等を配線するための空間として利用し、中空シャフトの径方向外側に配置されるグリスが封入された減速機の空間とを容易に区画することができる。また、中空シャフトは、動力を伝達するための強度を保持している必要があるため、鉄などの強度の高い金属によって構成されている。

特許第５２６３１６２号公報

しかしながら、中心軸回りに回転駆動されるシャフトによって回転力を入力する必要のない減速機構、例えば、歯車減速機構を備えた駆動ユニットの場合、中空シャフトは、ケーブル等を配線するための空間とグリスを封入する空間とを径方向に区画するための部材として専ら利用されるため、鉄などの強度の高い金属によって構成するとロボットの重量が増大するとともに、形状によってはコストが高く付くという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットの軽量化を図ることができるシール構造を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、駆動力の出力に伴って相対回転するハウジングとシャフト本体とを有するロボット用駆動ユニットの前記ハウジングと前記シャフト本体との間を密封するシール構造であって、前記シャフト本体が、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されると共に前記シャフト本体の少なくとも一部が前記ハウジングの外部に露出し、前記ハウジングに設けられた回転体シール部材と、前記シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、前記シャフト本体と一体的に回転し、前記回転体シール部材と接触し、前記非鉄材料よりも表面硬度が高い接触面部材と、前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材と、を備えるシール構造である。

本発明の参考態様は、ハウジングと、駆動力の出力に伴って前記ハウジングに対して所定の軸線回りに相対回転させられる出力軸部材と、前記軸線と同軸に配置され、前記ハウジングまたは前記出力軸部材の一方に固定され、他方に前記軸線回りに回転可能に支持された円筒状の中空構造のシャフトと、前記ハウジングと前記出力軸部材との間および前記ハウジングまたは前記出力軸部材の前記他方と前記シャフトとの間を、それぞれ前記軸線回りの相対回転を許容しつつ密封する回転体シール部材とを備え、前記シャフトが、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されたシャフト本体と、該シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、該シャフト本体よりも表面硬度の高い材質からなり、前記回転体シール部材と接触する接触面を構成する接触面部材とを備え、前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材を備え、前記シャフトの少なくとも一部が前記ハウジングおよび前記出力軸部材の前記他方の外部に露出しているロボット用駆動ユニットである。

本参考態様によれば、第１部材に固定されたハウジングに対して、第２部材に固定された出力軸部材を回転駆動することにより、第１部材と第２部材とを所定の軸線回りに相対回転させることができる。この場合に、相対回転の軸線と同軸に配置された円筒状の中空シャフトが、第１部材または第２部材の一方に固定され、他方に軸線回りに回転可能に支持されているので、ハウジングに対する出力軸部材の軸線回りの回転が許容されるとともに、中空シャフトの内側に軸線近傍を軸線に沿う方向に貫通する空間が形成される。

したがって、この空間を利用して、互いに相対回転する第１部材内部から第２部材内部へのケーブル等の線条体を敷設することができる。
そして、ハウジングと出力軸部材との間およびハウジングまたは出力軸部材の他方と中空シャフトとの間にそれぞれ配置された回転体シール部材により、ハウジング、出力軸部材および中空シャフトにより囲まれた空間が密封される。すなわち、この囲まれた空間に潤滑材により潤滑される減速機構等を配置することができる。

この場合において、中空シャフトを構成するシャフト本体を非鉄材料、すなわち、樹脂あるいはアルミニウム等の軽金属によって構成することにより、ロボットの軽量化を図ることができる。そして、非鉄材料を用いることにより表面硬度が低下しても、回転体シール部材と接触する接触面については非鉄材料より表面硬度の高い材質からなる接触面部材によって構成することにより、高い密封性能を達成することができる。
更に中空シャフトを樹脂製とすることで、中空穴を通過する線条体等との摩擦を低減し、線条体の健全性を維持することができる。

上記参考態様においては、前記ハウジングまたは前記出力軸部材の前記他方に対して前記中空シャフトを回転可能に支持する軸受を備えていてもよい。
この構成により、シャフト本体を非鉄材料によって構成したことによる中空シャフトの剛性の低下を軸受により補って、中空シャフトの芯ブレによるシール性能の低下を防止することができる。

また、上記参考態様においては、前記軸受が前記接触面部材の前記軸線に沿う方向の少なくとも一部にかかる位置に配置されていてもよい。
この構成により、中空シャフトの回転を支持する軸受が接触面部材を直接支持して、シール部材との接触面の振れをより確実に防止し、安定したシール性能を確保することができる。

また、上記参考態様においては、前記接触面部材が、前記シャフト本体の前記軸線に沿う方向の一部の外周面を全周にわたって被覆する円筒状に形成されていてもよい。
この構成により、接触面部材を比較的薄く構成して、軽量化を図ることができる。

また、上記参考態様においては、前記接触面部材の内周面と前記シャフト本体の外周面との間を密封するシール部材を備えていてもよい。
この構成により、接触面部材の内周面とシャフト本体の外周面との間を通過して、内部の潤滑材等が漏洩することを防止することができる。
また、上記態様においては、前記シール部材が前記軸線方向に複数配列されていてもよい。

また、上記参考態様においては、前記接触面部材が、円筒状に形成され、前記シャフト本体の先端を前記軸線に沿う方向に延長する位置に配置されていてもよい。
この構成により、中空シャフト全体を鉄により構成する場合と比較して軽量化を図ることができる。

また、上記参考態様においては、前記接触面部材の内周面が、高分子化合物からなる被覆部材によって被覆されていてもよい。
この構成により、接触面部材の内周面を被覆する被覆部材によって、中空シャフトの中空穴内を通過する線条体等との摩擦を低減し、線条体の健全性を維持することができる。

また、本発明の他の参考態様は、所定の軸線回りに相対回転させられる第１部材および第２部材と、第１部材に対して第２部材を相対的に回転駆動する上記いずれかのロボット用駆動ユニットとを備えるロボットである。

本発明によれば、ロボットの軽量化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボット用駆動ユニットおよびロボットを示す部分的な縦断面図である。 図１のロボット用駆動ユニットの中空シャフトの先端部を拡大して示す部分的な縦断面図である。 図１のロボット用駆動ユニットの変形例を示す中空シャフトの先端部の斜視図である。 図１のロボット用駆動ユニットの他の変形例を示す中空シャフトの横断面図である。 図１のロボット用駆動ユニットの変形例を示す中空シャフトの先端部を拡大して示す部分的な縦断面図である。 図１のロボット用駆動ユニットの他の変形例を示す部分的な縦断面図である。

本発明の一実施形態に係るシール構造、ロボット用駆動ユニット１０およびロボット１００について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１００は、図１に示されるように、中空の第１部材１１０と、第１部材１１０に対して所定の軸線Ａ回りに回転可能に支持された中空の第２部材１２０と、第１部材１１０に対して第２部材１２０を回転駆動する本実施形態に係るロボット用駆動ユニット１０とを備えている。

ロボット用駆動ユニット１０は、第１部材１１０に固定されるハウジング１１と、ハウジング１１内部に軸線Ａ回りに回転可能に支持されるとともに第２部材１２０に固定される出力軸部材１２と、出力軸部材１２に固定されるとともにハウジング１１に回転可能に支持された中空シャフト１３と、ハウジング１１と出力軸部材１２との間を密封する第１シール部材（回転体シール部材）１４と、ハウジング１１と中空シャフト１３との間を密封する第２シール部材（回転体シール部材）１５とを備えている。

ハウジング１１は、筒状の外周部１６と、該外周部１６の軸線Ａ方向の一端から径方向内方に延び中央に軸線Ａに沿う方向に貫通する貫通孔１７を備える端板１８とを備えている。また、出力軸部材１２は、中央に板厚方向に貫通する貫通孔１９を備える円形のリング板状に形成され、ハウジング１１の外周部１６の他端の内周面に軸受２０によって回転可能に支持されている。

中空シャフト１３は、樹脂あるいはアルミニウム等の軽金属等の非鉄材料により形成された円筒状のシャフト本体２１と、該シャフト本体２１の一端の外周面の一部を被覆する位置に嵌合された円筒状のカラー（接触面部材）２２とを備えている。カラー２２はシャフト本体２１よりも表面硬度の高い材質、例えば、鉄により構成されている。カラー２２の表面硬度は、ＨＲＣ３０以上であることが好ましい。

シャフト本体２１とカラー２２とは、摩擦により一体化されているとともに、シャフト本体２１とカラー２２との間には、両者の嵌合面を密封するＯリング等のシール部材２３が配置されている。
シャフト本体２１およびカラー２２は、シャフト本体２１の外径寸法、カラー２２の内径寸法およびカラー２２の厚さ寸法を精度よく管理することにより、シャフト本体２１とカラー２２の外表面との同軸度公差を小さく設定している。

また、図２に示されるように、シャフト本体２１の先端部に、カラー２２の内径寸法より若干大きい大径部３８と、大径部３８からシャフト本体２１の先端側に向かって先細になるテーパ面３９とが設けられている。これにより、カラー２２をシャフト本体２１の先端側からシャフト本体２１に嵌合させる際に、大径部３８を弾性変形により縮径させ、嵌合が終了した時点でシャフト本体２１の弾性復元力によって大径部３８を拡径させる、いわゆるスナップフィット方式で簡易に組み付けることができる。

シャフト本体２１の他端には径方向外方に延びる鍔部２４が備えられている。中空シャフト１３はシャフト本体２１を出力軸部材１２の貫通孔１９に嵌合させた状態で、鍔部２４を出力軸部材１２の軸方向の端面に突き当てて、図示しないボルトによって出力軸部材１２に固定されている。中空シャフト１３と出力軸部材１２との嵌合面はＯリング等のシール部材２５によって密封されている。

第２シール部材１５は、図１および図２に示されるように、ハウジング１１の端板１８の貫通孔１７の内面と中空シャフト１３の他端との間に配置されている。第２シール部材１５に対して、中空シャフト１３の軸線Ａに沿う方向の基端側に隣接する位置には、ハウジング１１に対して中空シャフト１３を軸線Ａ回りに回転可能に支持する軸受２６が配置されている。軸受２６は、その内輪の内周面にカラー２２の一部が接触する位置に配置されている。すなわち、軸受２６とカラー２２とは軸線Ａに沿う方向に重複する位置関係に配置されている。

これにより、ハウジング１１、出力軸部材１２および中空シャフト１３によって囲まれるリング状の空間は、第１シール部材１４および第２シール部材１５によって、ハウジング１１に対する出力軸部材１２および中空シャフト１３の回転を許容しながら密封されている。この密封された空間には、図示しないモータからの駆動力を減速しつつ出力軸部材１２に伝達する図示しない減速機構が配置されている。減速機構は潤滑材によって潤滑されている。モータは、例えば、端板１８の外部に取り付けられ、端板１８を板厚方向に貫通して、密封された空間内部にモータシャフトを挿入している。

中空シャフト１３は、ハウジング１１の一端の端板１８と、ハウジング１１の他端の出力軸部材１２とに掛け渡される位置に配置されており、中空シャフト１３の内部空間は、ロボット用駆動ユニット１０を軸線Ａに沿う方向に貫通して両端に開口している。
これにより、中空シャフト１３の内部空間は、第１部材１１０の内部空間と第２部材１２０の内部空間とを連絡しており、この内部空間を利用して、図１に示されるように、第１部材１１０内部を導かれてきたケーブル等の線条体１３０を、軸線Ａ近傍を通して第２部材１２０内部に配線することができる。
図中、符号２７は、線条体１３０を第１部材１１０および第２部材１２０にそれぞれ固定するための固定金具である。

このように構成された本実施形態に係るロボット用駆動ユニット１０およびロボット１００の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット用駆動ユニット１０によれば、中空シャフト１３によって、ハウジング１１に対する出力軸部材１２の回転の回転中心となる軸線Ａ近傍に線条体１３０を貫通させるための空間を形成することができる。

この空間を通過する線条体１３０は、回転によって主として捩られるだけであるため、大きな繰り返し曲げを受けないので、耐久的に健全な状態に維持される。
この場合において、本実施形態によれば、中空シャフト１３を非鉄材料によって構成することにより、鉄によって構成する場合と比較して大幅な軽量化を図ることができる。

特に、本実施形態においては、中空シャフト１３は、主として減速機構および潤滑材を封入するリング状の空間を画定するものであり、トルクを伝達する必要がないので、大きな機械的強度が要求されない。したがって、強度の低い非鉄材料によって構成しても強度上の問題は生じない。

また、シャフト本体２１がハウジング１１の端板１８に対して軸受２６によって回転可能に支持されているので、機械的強度の低い非鉄材料によって構成されていても、中空シャフト１３の回転による芯ブレが抑制される。したがって、軸受２６に隣接して配置されている第２シール部材１５のシール面の変動が抑制され、安定して密封状態を維持することができる。

そして、本実施形態によれば、シャフト本体２１よりも表面硬度の高い材料からなるカラー２２がシャフト本体２１の先端外周面に配置され、カラー２２の外表面と貫通孔１７との間に第２シール部材１５が配置されているので、シャフト本体２１の表面に直接第２シール部材１５を接触させる場合と比較して、摩耗を防止して、カラー２２と第２シール部材１５との間の密封状態を耐久的に維持することができるという利点がある。

また、本実施形態に係るロボット１００によれば、第１部材１１０にハウジング１１を固定し、出力軸部材１２に第２部材１２０を固定するだけで、第１部材１１０内部を経由して配線されてきた線条体１３０を中空シャフト１３の内部空間を経由して第２部材１２０内部に導くことができる。これにより、線条体１３０を外部に露出させることなく敷設することができる。

そして、ロボット用駆動ユニット１０の作動により第１部材１１０に対して第２部材１２０を軸線Ａ回りに回転させても、内部に敷設されている線条体１３０に大きな繰り返し曲げ応力を作用させずに済み、ロボット１００を耐久的に動作させることができる。さらに、樹脂等の軟性な材質によりシャフト本体２１を構成することにより、線条体１３０とシャフト本体２１との摩擦による摩耗を低減し、線条体１３０の健全性を維持することもできる。
また、ロボット用駆動ユニット１０を軽量化することによりロボット１００自体の軽量化を図ることができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、シャフト本体２１とカラー２２とが摩擦により一体的に動作することとしたが、これに代えて、図３に示されるように、シャフト本体２１に凹部２８が設けられ、カラー２２に、凹部２８に周方向に係合する凸部２９が設けられていてもよい。凹部２８と凸部２９との係合により、シャフト本体２１とカラー２２とを軸線Ａ回りに一体的に回転させることができる。

凹部２８と凸部２９との係合を隙間なく実施するために、シャフト本体２１側に設けられている凹部２８を周方向に広げる方向に弾性変形させながらカラー２２の凸部２９を係合させることにしてもよい。
また、シャフト本体２１に凸部２９、カラー２２に凹部２８が設けられていてもよい。この場合には、シャフト本体２１側に設けられている凸部２９を周方向に圧縮する方向に弾性変形させながらカラー２２の凹部２８に係合させればよい。
凸部２９と凹部２８とは２以上設けられていてもよい。

また、凹部２８と凸部２９との係合に代えて、図４に示されるように、シャフト本体２１およびカラー２２の嵌合面にそれぞれ設けたキー溝３０にキー３１を挿入状態に配置することにしてもよい。キー３１は単一でもよいし、周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。また、シャフト本体２１とカラー２２との間にスプライン継手あるいはセレーション継手を採用してもよい。

また、カラー２２をシャフト本体２１にスナップフィット方式で組み付ける場合を例示したが、これに代えて、インサート成形により一体成形することにしてもよい。
また、シャフト本体２１とカラー２２との間に単一のＯリング等のシール部材２３を配置した場合を例示したが、これに代えて、図５に示されるように、シャフト本体２１の長手軸方向（軸線Ａ方向）に複数のＯリング等のシール部材２３を配置することにしてもよい。これにより、シャフト本体２１とカラー２２との間の摩擦を増大させて、回り止め効果を向上することができる。

また、本実施形態においては、接触面部材として、シャフト本体２１の一部の外周面を被覆するカラー２２を例示したが、これに代えて、図６に示されるように、シャフト本体２１の先端部に接続され、シャフト本体２１を軸線Ａに沿う方向に延長する円筒状の部材３２によって構成してもよい。シャフト本体２１の先端および接触面部材３２の基端にはそれぞれ軸線Ａに沿う方向に突き当てられ、ボルト３３によって密着させられるフランジ３４，３５が設けられている。シャフト本体２１と接触面部材３２とは位置決めピン３６によって位置決めされている。なお、シャフト本体２１と接触面部材３２との接合面にシール部材を挿入し、シール機能を持たせる必要がある。

この場合において、接触面部材３２は、シャフト本体２１よりも表面硬度の高い材質、例えば、鉄により構成され、内周面が４フッ化エチレン等の高分子化合物からなるライナー（被覆部材）３７によって覆われていることが好ましい。
これにより、シャフト本体２１と接触面部材３２とを一体化させて、位置ズレをより確実に防止することができる。また、ライナー３７によって内部の線条体１３０との摩擦による摩耗を低減し、線条体１３０の健全性を維持することができる。

また、本実施形態においては、中空シャフト１３を出力軸部材１２に固定し、ハウジング１１との間を第２シール部材１５によって回転可能に密封したが、これに代えて、中空シャフト１３をハウジング１１の端板１８に固定し、出力軸部材１２との間を第２シール部材１５によって回転可能に密封してもよい。
また、第１部材１１０および第２部材１２０としては、任意の形式のロボット１００を構成している任意の関節の構成部品を採用してもよい。例えば、垂直多関節ロボットの場合には、旋回胴と第１アームとの間の関節、第１アームと第２アームとの間の関節等に適用してもよい。

１０ ロボット用駆動ユニット
１１ ハウジング
１２ 出力軸部材
１３ 中空シャフト
１４ 第１シール部材（回転体シール部材）
１５ 第２シール部材（回転体シール部材、シール構造）
２０，２６ 軸受
２１ シャフト本体
２２ カラー（接触面部材、シール構造）
２３ シール部材（シール構造）
３２ 接触面部材
３７ ライナー（被覆部材）
１１０ 第１部材
１２０ 第２部材
Ａ 軸線

Claims (6)

1. 駆動力の出力に伴って相対回転するハウジングとシャフト本体とを有するロボット用駆動ユニットの前記ハウジングと前記シャフト本体との間を密封するシール構造であって、前記シャフト本体が、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されると共に前記シャフト本体の少なくとも一部が前記ハウジングの外部に露出し、
   前記ハウジングに設けられた回転体シール部材と、
   前記シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、前記シャフト本体と一体的に回転し、前記回転体シール部材と接触し、前記非鉄材料よりも表面硬度が高い接触面部材と、
   前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材と、を備えるシール構造。
2. 前記接触面部材が、前記シャフト本体の長手方向における該シャフト本体の一部の外周面を全周にわたって被覆する円筒状に形成されている請求項１に記載のシール構造。
3. 前記シール部材が、前記接触面部材の内周面と前記シャフト本体の外周面との間を密封する請求項２に記載のシール構造。
4. 前記シール部材が前記長手方向に複数配列される請求項３に記載のシール構造。
5. 前記接触面部材が、円筒状に形成され、前記シャフト本体の先端を前記長手方向に延長する位置に配置されている請求項１に記載のシール構造。
6. 前記接触面部材の内周面が、高分子化合物からなる被覆部材によって被覆されている請求項５に記載のシール構造。

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