JP7374738B2 - クランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を利用したクランプ装置に関する。

特許文献１に、積層型圧電素子を用いて可撓性の筒部を半径方向に撓めることにより回転軸に作用しているクランプ力あるいはブレーキ力が解除されるクランプ装置が記載されている。また、特許文献２に、オフ状態においてはサーボモータのモータ軸などの回転軸が回転しないようにブレーキ力を加え、オン状態に切り替わるとブレーキ力を解除するブレーキ装置が記載されている。

特許第５０５２６２６号公報 特開２００９－２６４５４４号公報

従来技術によれば、複数の圧電素子が必要となり、又は、クランプ力を制御するために部品の加工精度、組付け精度を高くする必要があると考えられる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、必要とされる圧電素子の数が比較的少なく、かつ要求される部品の加工精度、組付け精度を比較的抑えたクランプ装置を提供することにある。

本発明に係るクランプ装置は、クランプ対象の軸が通される挿通孔と、前記挿通孔と連通し、前記挿通孔との連通方向及び前記軸の軸方向と交差するスリット幅を有するスリットとが形成された本体部を有するクランピングハブと、圧電素子と、前記圧電素子と前記スリットとの間に設けられた第１作用体とを有するクランプ力制御機構とを備える。前記圧電素子に電圧が印加されると、前記圧電素子が伸長し、前記作用体が前記スリットに押し込まれ、クランプが解除される。前記クランピングハブはさらに、前記スリットのスリット幅が狭くなるように前記本体部を付勢する付勢手段を備え、前記付勢手段は、ばねと、前記ばねの端部を押し、全長を変えることで付勢力を調整する第１のねじとを有する。前記クランプ力制御機構はさらに、フレーム部と前記フレーム部に締結された第２のねじとを有し、前記圧電素子は前記圧電素子の伸長方向において前記第１作用体と前記第２のねじの先端部とに挟まれて位置している。

本発明によれば、必要とされる圧電素子の数が比較的少なく、かつ要求される部品の加工精度、組付け精度を比較的抑えたクランプ装置が提供される。

クランプ装置の全体構成を示す斜視図である。 クランピングハブを示す拡大斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

図１及び図２に示すように、軸１をクランプするクランプ装置１００は、クランピングハブ２００とクランプ力制御機構３００とを備えている。軸１が回転軸又は直動軸である場合、クランプ装置１００によって軸１がクランプされると、軸１の回転運動又は直線運動が停止する。

［クランピングハブ２００］
クランピングハブ２００は、クランプ用ねじ（第１のねじ）３とコイルばね４と本体部５とを備えている。略直方体状の本体部５には、対向する２つの面の一方から他方へ向かって本体部５を貫く挿通孔５ａが形成されている。この挿通孔５ａには軸１が通される。挿通孔５ａの径は軸１の径よりも少し大きく、すきま嵌め相当である。

挿通孔５ａの周面にはスリット５ｂが形成されている。スリット５ｂは、挿通孔５ａと連通しているとともに、本体部５の外部とも連通している。スリット５ｂのスリット幅方向Ｄは、挿通孔５ａに通される軸１の軸方向と交差し、かつ挿通孔５ａとの連通方向とも交差している。

スリット５ｂが形成されていることにより、スリット幅方向Ｄに沿って対向する第１端部５１及び第２端部５２が形成されている。第１端部５１には、スリット幅方向の貫通孔（不図示）が形成され、第２端部５２には、上記貫通孔と対向するようにスリット幅方向のねじ穴（不図示）が形成されている。

クランプ用ねじ３は、コイルばね４の内部と第１端部５１の貫通孔とを順に貫通して、第２端部５２のねじ穴に締結されている。コイルばね４は、クランプ用ねじ３の頭部３１と第１端部５１とに挟まれている。このようなクランプ用ねじ３及びコイルばね４により本体部５が変形し、変形前に比べて、スリット５ｂのスリット間隔が狭くなるとともに、挿通孔５ａの断面積が小さくなる。すなわち、クランプ用ねじ３及びコイルばね４は本体部５が変形するように本体部５を付勢する付勢手段であり、この付勢手段による付勢を受けて変形した本体部５により軸１がクランプされる。

［クランプ力制御機構３００］
他方、クランプ力制御機構３００においては、スリット５ｂの軸方向一方向（矢印Ａ１）側に位置する第１作用体６ａと、同スリットの軸方向他方向（矢印Ａ２）側に位置する第２作用体６ｂとが設けられている。第１作用体６ａと第２作用体６ｂとは対になっている。さらに、第１作用体６ａの軸方向一方向側に位置し、電圧が印加されると軸方向の長さが伸びる積層型圧電素子７が設けられている。加えて、頭部８１及び先端部８２を有し、軸方向に配置されているとともに、積層型圧電素子７の軸方向一方向側の端部に先端部８２が接触しているねじ（第２のねじ）８が備えられている。

クランプ力制御機構３００はさらに、フレーム部２を備えている。このフレーム部２は、全体として略Ｕ字状であり、軸方向に延びる本体部２１と、本体部２１の軸方向両端部から本体部２１と交差するように同方向に延び出ている第１延出部２２及び第２延出部２３とを備えている。第１延出部２２及び第２延出部２３は対になっており、第１延出部２２は第２延出部２３よりも軸方向一方向側に位置している。

そして、第１延出部２２と第２延出部２３との間において、第２延出部２３から第１延出部２２へと向かうにつれて、第２作用体６ｂと、クランピングハブ２００のスリット５ｂと、第１作用体６ａと、積層型圧電素子７と、ねじ８とが、軸方向に順に配置されている。第２作用体６ｂは第２延出部２３に固定されている。ねじ８は、フレーム部２の第１延出部２２に設けられたねじ穴２ａに締結され、かつねじ８の先端部８２は積層型圧電素子７に接触している。

第２作用体６ｂとねじ８の先端部８２との間隔は、ねじ８により調整可能である。

スリット５ｂは一対の作用体６ａ及び６ｂに挟まれている。各作用体は、軸方向に沿って基端部及び先端部を有し、基端部よりも先端部がスリット５ｂに近い位置にある。各作用体は、基端部から先端部に向かって厚さ（すなわちスリット幅方向の寸法）が小さくなるように形成されている。このように各作用体は楔形である。各作用体の先端部における２つの傾斜面は鈍角をなしている。各作用体の先端部は、クランピングハブ５の両端部すなわち第１端部５１及び第２端部５２に接している。

［電圧印加］
積層型圧電素子７に電圧が印加されると、軸方向の長さが伸びる。その結果、第１作用体６ａがクランピングハブ２００に向かって押され、第１作用体６ａと第２作用体６ｂとの軸方向の間隔が狭まる。その結果、両作用体はスリット５ｂに押し込まれ、スリット５ｂのスリット間隔が押し広げられる。

スリット５ｂが押し広げられることにより、挿通孔５ａの断面積が拡大し、クランピングハブ２００による軸１のクランプが解除される。このクランプ解除状態において、スリット５ｂには、スリット間隔を狭めようとするばね４の力と、作用体６ａ及び６ｂによりスリット間隔を押し広げようとする力とが拮抗しており、クランプ状態（すなわち積層型圧電素子７に電圧が印加されていない状態）におけるスリット間隔よりも大きいスリット間隔が保たれている。

前述のとおり、作用体６ａ及び６ｂの先端部は鈍角の傾斜面を有している。そのため、逆楔効果が得られる。すなわち、スリット５ｂのスリット間隔の変化量は、積層型圧電素子７の軸方向長さの変化量よりも大きい。

一般的に、積層型圧電素子の変位量は、全長の１／１０００程度で、数μｍ～数十μｍである。その一方で、全長の寸法精度は±０．１ｍｍ程度である。すなわち、変位量は全長の製造ばらつきより小さい。

本実施形態では、ねじ８により、適切な位置に調整すると、積層型圧電素子７に電圧が印加されていないときにクランプ状態となり、電圧が印加されるとクランプ解除状態となるようにすることができる。

［効果］
以上の実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
・使用する積層型圧電素子は１個で済む。コスト低下が図られる。
・単純な構造であり、かつ、部品の寸法精度が低い場合でも対応できる。積層型圧電素子７の寸法ばらつきは、ねじ８による調整で対応可能である。
・クランプ力は、ばね４が巻かれたねじ３により調整可能である。
・機構の剛性が高く、積層型圧電素子の変位及び力を有効に利用することができる。

［他の実施例］
上記の実施形態において、作用体６ａ及び６ｂは楔形であるとしたが、これに限られない。作用体の先端部を角張った形状または丸みを帯びた形状とし、クランピングハブのスリット形成面を傾斜面としてもよい。

あるいは、作用体の先端部と、クランピングハブのスリット形成面との双方に、傾斜面が設けられていてもよい。

積層型圧電素子の変位量が拡大され、その拡大された変位量に等しいスリット幅の変位量が得られればよい。

さらに、対をなす２個の作用体に代えて、単一の作用体を設けてもよい。その場合、軸１が通される挿通孔５ａと、スリット５ｂと、上記単一の作用体と、積層型圧電素子７とを、軸１の軸方向と交差する方向に沿って配置することができる。

本体部５が変形するように本体部５を付勢する付勢手段の具体例として、クランプ用ねじ３とコイルばね４とを挙げたが、その他の任意の付勢手段を用いることができる。

本発明の特定の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づく種々の変更は本発明の概念に含まれる。

１ 軸
１００ クランプ装置
２００ クランピングハブ
３ クランプ用ねじ
４ コイルばね
５ 本体部
５ａ 挿通孔
５ｂ スリット

３００ クランプ力制御機構
２ フレーム部
２１ 本体部
２２、２３ 延出部
６ａ、６ｂ 作用体
７ 積層型圧電素子
８ ねじ

Claims (3)

1. クランプ対象の軸が通される挿通孔と、前記挿通孔と連通し、前記挿通孔との連通方向及び前記軸の軸方向と交差するスリット幅を有するスリットとが形成された本体部を有するクランピングハブと、
   圧電素子と、前記圧電素子と前記スリットとの間に設けられた第１作用体とを有するクランプ力制御機構と
   を備え、
   前記圧電素子に電圧が印加されると、前記圧電素子が伸長し、前記第１作用体が前記スリットに押し込まれ、クランプが解除され、
   前記クランピングハブはさらに、前記スリットのスリット幅が狭くなるように前記本体部を付勢する付勢手段を備え、前記付勢手段は、ばねと、前記ばねの端部を押し、全長を変えることで付勢力を調整する第１のねじとを有し、
   前記クランプ力制御機構はさらに、フレーム部と前記フレーム部に締結された第２のねじとを有し、前記圧電素子は前記圧電素子の伸長方向において前記第１作用体と前記第２のねじの先端部とに挟まれて位置している、
   クランプ装置。
2. 前記第１のねじは、前記ばねの内部と、前記本体部において前記スリットのスリット幅方向に対向する２つの端部のうち、一方の端部とを順に貫通し、他方の端部に設けられたねじ穴に締結される、請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記クランプ力制御機構はさらに、前記第１作用体と前記スリットを挟んで前記軸の軸方向に対向する第２作用体を有し、
   前記第２のねじは、前記圧電素子と前記軸方向に隣接し、かつ前記軸方向に配置され、
   前記フレーム部は、前記軸方向に延びるフレーム本体部と、前記フレーム本体部の軸方向両端部から前記フレーム本体部と交差するように延びる一対の延出部とを有し、
   前記一対の延出部のうち、一方の延出部から他方の延出部へと向かうにつれて、前記第２作用体と前記スリットと前記第１作用体と前記圧電素子と前記第２のねじとが順に配置され、
   前記他方の延出部に前記第２のねじが締結されるねじ穴が設けられている、請求項１又は２に記載のクランプ装置。