JP7414264B2

JP7414264B2 - 描画装置

Info

Publication number: JP7414264B2
Application number: JP2020020321A
Authority: JP
Inventors: 琢也筒井; 耕平石井; 伸宏津守; 翼大浦
Original assignee: 株式会社Tkg
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: JP2021124195A; JP2023174707A

Description

本発明は、描画装置、移動装置および駆動機構に関する。さらに詳しくは、砂絵などを描画できる描画装置、物体を搬送したり移動したりできる移動装置および、描画装置や移動装置に使用できる駆動機構に関する。

工作機械等において加工物等を位置決めして移動させるテーブル等の駆動には直交する２軸を有するアクチュエータが使用されている。つまり、テーブル等をＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ移動させるアクチュエータを備えている。このため、２つのアクチュエータを独立して移動させることによって、テーブル等をその表面に沿った方向に自由に移動させることができ、テーブル等に載せられた加工物等を所望の位置に配置することができる。

しかし、これらのアクチュエータの場合、Ｘ軸方向のアクチュエータとＹ軸方向のアクチュエータとを上下に重ねて配置しなければならず、アクチュエータ自体が大型化するという問題がある。

かかる問題を解決する技術が特許文献１～３に開示されている。特許文献１～３には、一対の駆動歯車と、表面に一対の歯車に噛み合う歯を有する平板等の従動部材とを有する駆動機構が開示されている。
特許文献１、２の技術では、一対の駆動歯車の回転軸を交差した状態とすれば、一対の駆動歯車の回転を調整することによって、従動部材を２次元的に移動させることができる旨が記載されている。
また、特許文献３の技術では、一対の駆動歯車として歯すじ方向が回転軸方向に対して斜交した歯車を使用しており、一対の駆動歯車が平行に配置されていても、従動部材を２次元的に移動させることができる旨が記載されている。

特開２０１１-１９６４８７号公報特開２０１８-１０５４１３号公報特開２０１９-１１３０９６号公報

しかるに、特許文献１～３の技術は平板等の従動部材を移動させるものであり、一対の駆動歯車自体は移動しないか、移動しても限定された範囲でしか移動できない。つまり、特許文献１～３の技術は、あくまでも従動部材をある程度決められた範囲で移動させることしかできないので、特許文献１～３の技術を使用できる用途は限定されている。

本発明は上記事情に鑑み、従動体を自由に移動させることができる駆動機構を提供することを目的とする。
また、駆動機構を使用して砂絵などを描くことができる描画装置や、駆動機構を使用して物体を搬送することができる移動装置を提供することを目的とする。

＜描画装置＞
本発明の描画装置は、上面に描画媒体が載せられる透磁性を有するテーブルと、該テーブルの上面に沿って移動可能に載せられた磁性体で形成された移動部材と、前記テーブルの下方に設けられ前記移動部材を移動させる移動機構と、を備え、該移動機構が、複数の突起を有するベース部材と、該ベース部材上に配置される移動体と、を有する駆動機構と、該駆動機構の移動体に設けられた磁石と、を有しており、前記駆動機構の移動体が、歯すじ方向が回転軸に対して傾斜した第一歯車と、歯すじ方向が回転軸に対して傾斜した第二歯車と、前記第一歯車および前記第二歯車を回転可能となるように保持するフレームと、前記第一歯車および前記第二歯車を駆動する駆動部と、を備えており、前記駆動機構のベース部材は、前記複数の突起が、隣接する突起によって前記移動体の前記第一歯車および前記第二歯車の歯と噛み合うラックが形成されるように配設されていることを特徴とする。

＜描画装置＞
本発明の描画装置によれば、移動体を移動させれば、移動体の移動に伴って移動部材が移動するので、テーブル上の描画媒体に移動部材の移動軌跡が形成される。したがって、移動体の移動を調整すれば、テーブル上の描画媒体に所望の図柄を描くことができる。

本実施形態の描画装置１の概略説明図であって、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は平面図である。本実施形態の描画装置１における移動機構５の移動体１０の単体概略説明図であって、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は底面図である。本実施形態の描画装置１における移動機構５の移動体１０の単体概略説明図であって、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。本実施形態の描画装置１における移動機構５のベース部材６の概略説明図であって、（Ａ）は単体平面図であり、（Ｂ）部分拡大図であり、（Ｃ）は第一歯車１２とベース部材６の突起６ｐの噛合せの説明図である。他の実施形態の移動機構５のベース部材６の移動体１０の単体概略説明図である。移動体１０に摺動機構３０を設けた移動機構５の概略説明図である。

本実施形態の描画装置は、テーブル上の描画媒体に図柄などを描くことができる装置である。本実施形態の描画装置に使用される描画媒体は、磁力線を透過することができ、かつ、移動部材の移動に伴って移動部材の移動軌跡を形成することができるものであればよく、とくに限定されない。描画媒体としては、例えば、砂やなどの粉体や、ある程度の粘性を有する流体等を挙げることができる。
以下では、描画媒体３として砂を採用した場合を説明する。

＜描画装置１＞
図１に示すように、本実施形態の描画装置１は、テーブル２と、このテーブル２の上面に配置された描画媒体である砂３と、この砂３の上、言い換えれば、テーブル２の上面に載せられた移動部材である球４と、備えている。

図１に示すように、テーブル２は、その上面が平坦面であり水平になるように設置されている。このテーブル２は、例えば、ステンレスやガラス、アルミ、ジェラルミン等の透磁性を有する素材によって形成されている。なお、テーブル２は、透磁性を高める上では厚さが薄いものが望ましく、厚さを薄くしてもある程度の強度を有する素材で形成することが望ましい。

テーブル２の上面には、鉄等の強磁性体で形成された球４が載せられている。この球４は、テーブル２の上面に配置されている砂３の上に載せられており、砂３の上で移動（転動）できるようになっている。

このテーブル２の下方には、移動機構５が設けられている。この移動機構５は、複数の突起６ｐを有するベース部材６（図４参照）と、ベース部材６の移動面６ａに沿って移動する移動体１０と、を備えている。ベース部材６は、テーブル２の上面と平行な移動面６ａを備えており（図４（Ｃ）参照）、移動体１０は、駆動部１５によって第一歯車１２および第二歯車１３を駆動することによってベース部材６の移動面６ａに沿って移動できるようになっている。

この移動体１０は磁石７を備えている。この磁石７は、発生する磁力線がテーブル２および砂３を透過し磁力によって移動体１０に追従して鉄球４を移動させることができるように移動体１０に設けられている。つまり、磁石７は、その磁力やテーブル２および砂３の厚さに応じて、上述した機能（鉄球４を移動させる機能）を発揮させることができるように移動体１０に設けられている。

かかる構成であるので、駆動部１５による第一歯車１２および第二歯車１３の駆動を制御すれば、移動体１０をベース部材６の移動面６ａに沿って所望の経路で移動させることができる。言い換えれば、移動体１０をテーブル２の上面に沿って所望の経路で移動させることができる。すると、テーブル２の上面に載せられている鉄球４も、磁石７の磁力によって移動体１０と同じ経路でテーブル２の上面を移動する。テーブル２の上面には砂３が載せられているので、鉄球４がテーブル２の上面を移動すると、鉄球４によって移動体１０の経路に沿った溝ＴＲが形成され、溝ＴＲによって砂３に砂絵を描くことができる（図１（Ｂ））。

＜移動機構５＞
以下、図２～図４に基づいて移動機構５を詳細に説明する。
なお、この描画装置１の移動機構５（磁石７を除く）が、特許請求の範囲にいう駆動機構に相当する。

＜ベース部材６＞
ベース部材６は、その素材が摩擦抵抗の小さい素材によって形成されており、第一歯車１２および第二歯車１３と接触した際の摩擦抵抗が小さくなるようになっている。例えば、ベース部材６は、ポリアセタール等の樹脂などによって形成されている。また、ベース部材６を金属で形成し、油などの潤滑剤をその表面に供給して摩擦抵抗を低下させてもよい。

図４に示すようにこのベース部材６は、その上面６ａに複数の突起６ｐが設けられている。この複数の突起６ｐは、隣接する突起６ｐによって移動体１０の第一歯車１２および第二歯車１３の歯と噛み合う二次元的にラックが形成されるように配設されている。具体的には、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すＡ方向とこのＡ方向と直交するＢ方向とに沿って並ぶ複数の突起６ｐによってそれぞれラックが形成されるように、複数の突起６ｐは配設されている。また、この複数の突起６ｐは、全ての突起６ｐが同じ高さで同じ断面形状に形成されている。例えば、断面が正方形や円形に形成されている。そして、Ａ方向およびＢ方向では、隣接する突起６ｐ間に形成された溝６ｈの幅Ｗ１、Ｗ２が同じ長さになるように配設されている。なお、複数の突起６ｐが正方形の場合であれば、Ａ方向およびＢ方向と突起６ｐの側面とが直交するように複数の突起６ｐは設けられている。
なお、第一歯車１２および第二歯車１３と突起６ｐとが接触した際の摩擦抵抗を小さくするのであれば、突起６ｐはベアリングを備えていてもよい。

＜移動体１０＞
図２および図３に示すように、移動体１０は、フレーム１１と、このフレーム１１に回転可能に取り付けられた第一歯車１２および第二歯車１３と、この第一歯車１２および第二歯車１３を駆動する駆動部１５と、を備えている。

＜フレーム１１＞
フレーム１１は、板状の天板１１ａと、この天板１１ａから下方に延びる一対の側板１１ｂ，１１ｂとを有している。このフレーム１１には、上述した磁石７が設けられている。この磁石７は、天板１１ａの上面に設置されている。

なお、フレーム１１は、第一歯車１２および第二歯車１３を回転可能に保持でき、駆動部１５や磁石７を設置できるものであればよく、その形状や素材はとくに限定されない。しかし、天板１１ａの下面や天板１１ａに埋め込まれた状態で磁石７を設置する場合には、少なくとも天板１１ａを透磁性の素材によって形成したり、天板１１ａに磁力線を透過できる貫通孔を設けたりすることが必要である。

また、磁石７は、天板１１ａの下面や天板１１ａに埋め込まれた状態で設置されていてもよい。

＜第一歯車１２および第二歯車１３＞
フレーム１１の天板１１ａの下方であって、一対の側板１１ｂ，１１ｂ間には、第一歯車１２および第二歯車１３が回転可能に取り付けられている。この第一歯車１２および第二歯車１３は、回転軸１２ａおよび回転軸１３ａに対して歯すじが傾斜した螺旋状の歯１２ｔ，１３ｔを備えるウォーム歯車である。この第一歯車１２および第二歯車１３は、ベース部材６と接触した際の摩擦抵抗が小さくなるようになっている。例えば、第一歯車１２および第二歯車１３は、ポリアセタール等の樹脂などによって形成されていてもよい。また、第一歯車１２および第二歯車１３を金属で形成し、油などの潤滑剤をベース部材６との間に供給して摩擦抵抗を低下させてもよい。

第一歯車１２および第二歯車１３は、その歯１２ｔ，１３ｔの厚みＴが溝６ｈの幅Ｗ１，Ｗ２とほぼ同じであり、歯溝の長さＧが突起６ｐの幅Ｄ１とほぼ同じ幅になるように形成されている。この第一歯車１２および第二歯車１３は、その回転軸１２ａおよび回転軸１３ａが互いに平行となるように設けられている。しかも、第一歯車１２および第二歯車１３は、その回転軸１２ａおよび回転軸１３ａの方向からみると、螺旋状の歯１２ｔ，１３ｔが逆方向に旋回するように設けられている。言い換えれば、天板１１ａの上方から見ると、回転軸１２ａおよび回転軸１３ａの中間線ＣＬに対して、第一歯車１２の歯１２ｔと第二歯車１３の歯１３ｔが左右対称になるように、第一歯車１２および第二歯車１３の歯１２ｔ，１３ｔは形成されている。かかる構成とすれば、第一歯車１２と第二歯車１３を以下のように作動させれば、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿って所望の方向に移動させることができる。なお、図２～図３では、第一歯車１２の歯１２ｔは右ネジの螺旋となっており、第二歯車１３の歯１３ｔは左ネジの螺旋となっている。

例えば、図２（Ｂ）に示すＸ方向およびＹ方向に第一歯車１２および第二歯車１３が回転した場合を、第一歯車１２および第二歯車１３の正転方向とする。この場合、図４（Ａ）のベース部材６上に移動体１０を載せて、第一歯車１２および第二歯車１３の両方を正転させると移動体１０は図４（Ａ）の上方に移動し、第一歯車１２および第二歯車１３の両方を逆転させると移動体１０は図４（Ａ）の下方に移動する。また、第一歯車１２を正転し第二歯車１３を逆転させると移動体１０は図４（Ａ）の右方に移動し、第一歯車１２を逆転し第二歯車１３を正転させると移動体１０は図４（Ａ）の右方に移動する。さらに、第一歯車１２を正転し第二歯車１３が回転しないようにすると移動体１０は図４（Ａ）の右斜め上方に移動し、第一歯車１２を逆転し第二歯車１３が回転しないようにすると移動体１０は図４（Ａ）の右斜め下方に移動する。さらに、第一歯車１２が回転しないようにした状態で第二歯車１３を正転させると移動体１０は図４（Ａ）の左斜め上方に移動し、第一歯車１２が回転しないようにした状態で第二歯車１３を逆転させると移動体１０は図４（Ａ）の左斜め上方に移動する。したがって、第一歯車１２および第二歯車１３の回転方向、および、第一歯車１２および第二歯車１３が回転を開始・停止するタイミング等を調整すれば、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿って所望の方向に移動させることができる。

なお、第一歯車１２および第二歯車１３は、必ずしも第一歯車１２の回転軸１２ａと第二歯車１３の回転軸１３ａが互いに平行となっていなくてもよい。フレーム１１の天板１１ａ側からみたとき、言い換えれば、第一歯車１２および第二歯車１３の回転軸１２ａ，回転軸１３ａと直交する方向から見たときに、第一歯車１２の歯すじ方向と第二歯車１３の歯すじ方向とが交差するようにフレーム１１に取り付けられていればよい。この場合でも、

例えば、図５（Ａ）に示すように、第一歯車１２の回転軸１２ａと第二歯車１３の回転軸１３ａとは、互いに直交するように設けられていてもよい。この場合でも、第一歯車１２および第二歯車１３の回転方向、および、第一歯車１２および第二歯車１３が回転を開始・停止するタイミング等を調整すれば、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿って所望の方向に移動させることができる。なお、図５（Ａ）では、第一歯車１２の歯１２ｔは左ネジの螺旋となっており、第二歯車１３の歯１３ｔも左ネジの螺旋となっている。

また、図５（Ｂ）に示すように、第一歯車１２の回転軸１２ａと第二歯車１３の回転軸１３ａとが同軸になるように設けられていてもよい。この場合でも、第一歯車１２および第二歯車１３の回転方向、および、第一歯車１２および第二歯車１３が回転を開始・停止するタイミング等を調整すれば、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿って所望の方向に移動させることができる。なお、図５（Ｂ）では、第一歯車１２の歯１２ｔは左ネジの螺旋となっており、第二歯車１３の歯１３ｔが右ネジの螺旋となっている。

＜駆動部１５＞
駆動部１５は、第一歯車１２および第二歯車１３を回転させる機能を有するものである。この駆動部１５は、第一歯車１２を駆動する第一駆動源であるモータ１６と、第二歯車１３を駆動する第二駆動源であるモータ１７と、を備えている。また、駆動部１５は、モータ１６,１７の各主軸と第一歯車１２の回転軸１２ａおよび第二歯車１３の回転軸１３ａとを連結する、ベルト機構からなる伝達機構１９ａ，１９ｂを備えている。つまり、駆動部１５のモータ１６,１７の主軸を回転させると、第一歯車１２および第二歯車１３をそれぞれ回転させることができるようになっている。

なお、第一駆動源および第二駆動源は、第一歯車１２および第二歯車１３を回転させる駆動力を発生させるものであればよく、とくに限定されない。また、伝達機構１９ａ，１９ｂも、第一駆動源および第二駆動源が発生する駆動力を第一歯車１２および第二歯車１３に伝達できるものであればよく、とくに限定されない。例えば、歯車機構によってモータ１６,１７が発生する駆動力を第一歯車１２および第二歯車１３に伝達するようにしてもよい。

制御部１８は、モータ１６,１７の駆動を制御するものである。この制御部１８には、移動体１０を移動させるための移動情報が記憶されている。移動情報とは、移動体１０を移動させる経路と、その経路に沿って移動体１０を移動させるために必要なモータ１６,１７の回転速度や回転方向、回転を開始・停止するタイミング等に関する情報である。なお、移動情報は、外部から無線等によって制御部１８に供給するようにしてもよい。

移動機構５が以上のような構造であるので、移動情報に基づいて制御部１８によってモータ１６,１７を駆動させれば、第一歯車１２および第二歯車１３の回転に応じて、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿って所望の方向に移動させることができる。

＜摺動機構３０＞
移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿ってスムースに移動させる上では、フレーム１１とベース部材６の複数の突起６ｐとの間に摺動機構３０を設けることが望ましい。

例えば、図６（Ａ）に示すように、ベース部材６に、下面が平坦面に形成された摺動部材３１を設けて、この摺動部材３１によって移動体１０がベース部材６上に載せられた状態となるようにする。言い換えれば、この摺動部材３１によって移動体１０が複数の突起６ｐ上に載せられた状態となるようにする。つまり、摺動部材３１の下面から第一歯車１２および第二歯車１３の歯１２ｔ，１３ｔの下端までの距離Ｌが突起６ｐの高さＨよりも低くなるようにする。すると、第一歯車１２および第二歯車１３の歯１２ｔ，１３ｔは、ベース部材６の上面６ａ（溝６ｈの底面）に接触しない状態で移動できるので、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿ってスムースに移動させることができる。この場合、ベース部材６の複数の突起６ｐの上端面は、全ての突起６ｐの上面が同一平面に位置する平坦面や、頂点が同一平面に位置する球面等に形成されていることが望ましい。すると、移動体１０のベース部材６の上面６ａに沿った移動をよりスムースにすることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、摺動部材３１に複数の球体３２を回転自在に設けておき、球体３２の下端から第一歯車１２および第二歯車１３の歯１２ｔ，１３ｔの下端までの距離Ｌ２が突起６ｐの高さＨよりも低くなるようにしてもよい。この場合も、第一歯車１２および第二歯車１３の歯１２ｔ，１３ｔは、ベース部材６の上面６ａ（溝６ｈの底面）に接触しない状態で移動できるので、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿ってスムースに移動させることができる。この場合、ベース部材６の複数の突起６ｐの上端面は、全ての突起６ｐの上面が同一平面に位置する平坦面に形成されていることが望ましい。なお、摺動部材３１を設けずに直接フレーム１１に球体３２を設けてもよいし、ベース部材６の突起６ｐの先端に球体３２を設けてもよい。

かかる摺動機構３０を設ければ、移動体１０をベース部材６の上面６ａに沿ってスムースに移動させることができるし、移動体１０をベース部材６上に安定して配置できる。とくに、図５（Ｂ）に示すように、第一歯車１２の回転軸１２ａと第二歯車１３の回転軸１３ａとが同軸になるように設けた場合には、摺動機構３０を設けることによって、移動体１０をベース部材６上に安定して配置できる。

＜移動装置＞
また、上述した描画装置１の移動機構５は、移動機構５だけを他の用途に使用することができる。例えば、移動機構５の移動体１０のフレーム１１に、被移動物が配置される保持部を設ければ、移動機構５を移動装置として使用することができる。この場合、ベース部材６を設置する場所を調整すれば、移動機構５の移動体１０によって所望の場所に被移動物を搬送することが可能となる。例えば、移動機構５の移動体１０を、倉庫などにおいて被移動物を所望の場所に搬送する移動体として機能させることができる。そして、複数の移動体１０を設ければ、複数の物品等を同時に搬送することもできる。

また、工作機械のテーブルに代えて移動機構５を設け、移動体１０の保持部に加工物（被移動物に相当する）を保持させれば、加工物を所望の位置まで搬送して位置決めできるし、切削工具などに対する加工物の送りを移動体１０の移動によって行うことができる。

逆に、移動体１０の保持部として駆動源を有する駆動装置等を採用しこの駆動装置に切削工具等の工具を取り付ければ、移動体１０によって工具を加工物に接触させることによって加工物を加工することができる。例えば、エンドミルを移動体１０に設けられた駆動装置に取り付ければ、移動体１０によって所定の位置までエンドミルを移動させれば、移動させながら加工物をエンドミルによって切削できる。また、エンドミルが切削している状態で移動体１０を移動させれば、移動体１０の移動軌跡に沿った溝などを加工物に形成することができる。

そして、駆動装置等を備えた複数の移動体１０を設ければ、複数の工具を加工物に所望のタイミングで所望の位置に接触させることが可能になる。すると、複数の工具によって一つの加工物を同時に加工することができる。また、加工物を保持した複数の移動体１０と、駆動装置等を備えた複数の移動体１０を設ければ、複数の加工物を同時に複数の工具で加工することも可能になる。

本発明の駆動機構は、工作機械における加工物の移動や倉庫などにおける物体の搬送、砂絵を描く描画装置等に使用する機構として適している。

１移動装置
２テーブル
３砂
４鉄球
６ベース部材
６ｈ溝
６ｐ突起
１０移動体
１１フレーム
１２第一歯車
１２ａ回転軸
１２ｈ歯溝
１２ｔ歯
１３第二歯車
１３ａ回転軸
１３ｈ歯溝
１３ｔ歯
１５駆動部
３０摺動機構
３１摺動部材
３２球体

Claims

上面に描画媒体が載せられる透磁性を有するテーブルと、
該テーブルの上面に沿って移動可能に載せられた磁性体で形成された移動部材と、
前記テーブルの下方に設けられ前記移動部材を移動させる移動機構と、を備え、
該移動機構が、
複数の突起を有するベース部材と、該ベース部材上に配置される移動体と、を有する駆動機構と、
該駆動機構の移動体に設けられた磁石と、を有しており、
前記駆動機構の移動体が、
歯すじ方向が回転軸に対して傾斜した第一歯車と、
歯すじ方向が回転軸に対して傾斜した第二歯車と、
前記第一歯車および前記第二歯車を回転可能となるように保持するフレームと、
前記第一歯車および前記第二歯車を駆動する駆動部と、を備えており、
前記駆動機構のベース部材は、
前記複数の突起が、隣接する突起によって前記移動体の前記第一歯車および前記第二歯車の歯と噛み合うラックが形成されるように配設されている
ことを特徴とする描画装置。
前記移動機構が、
前記移動体を複数備えている
ことを特徴とする請求項１記載の描画装置。
前記第一歯車および前記第二歯車の回転軸と直交する方向から見たときに、
前記第一歯車は、
その歯すじ方向が前記第二歯車の歯すじ方向と交差するように前記フレームに取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の描画装置。
前記第一歯車および／または前記第二歯車がウォーム歯車である
ことを特徴とする請求項１記載の描画装置。
前記移動体のフレームと前記ベース部材の複数の突起との間に摺動機構が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の描画装置。
前記摺動機構が、
前記移動体のフレームまたは前記ベース部材の複数の突起に回転自在に設けられた球体を備えている
ことを特徴とする請求項５記載の描画装置。