JP7807828B1 - 球体回転保持装置及び球体駆動式移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトでありながら騒音を低減する球体回転保持装置及び球体駆動式移動装置を提供すること。【解決手段】一の仮想平面に平行な第１回転軸を有する複数のローラと、複数のローラを保持する保持部材と、第１回転軸と直交する第２回転軸を中心に、保持部材及びローラを回転させる回転機構と、から構成され、複数のローラのうち少なくとも１つが球体に接触しており、回転機構による回転により、球体と接触するローラが変化する、ことを特徴とする球体回転保持装置及び、それを用いた球体駆動式移動装置。【選択図】図１

Description

本発明は、回転する球体を保持する球体回転保持装置及びそれを用いた球体駆動式移動装置に関する。

球体を回転駆動させて全方向に移動可能な球体駆動式移動装置がある。球体駆動式移動装置は、全方向に移動できることから、例えば、ロボット、電動車いす、自走式台車、搬送用台車等に使用することができる。

特許文献１では、３つの球体とそれら球体を３つのモータがロータを介して移動させる台車を提供する球体駆動式全方向移動装置が開示されている。特許文献１の球体駆動式全方向移動装置では、３つの駆動用球体を３つの支持用ボール型キャスタと３つの車輪型キャスタ（アイドラ）が支持している。各支持用ボール型キャスタは、それぞれ駆動用球体の頂点位置に接触している。車輪型キャスタは、駆動用球体の回転中心と同一高さ位置で駆動用球体の側面に接触し、駆動用球体をロータに対して押し付けるように設けられている。

特許文献２では、３つの球体とそれら球体を３つのモータが回転体を介して移動させる台車を提供する球体駆動式全方向移動装置が開示されている。具体的には平面視して三角形の頂点位置に配置される同一形状の３つの駆動用球体に対し、それぞれ２点で接触する３つの回転体を駆動手段であるモータが駆動することにより、全方向に移動できる。この球体駆動式全方向移動装置は、３つの駆動用球体の中心よりも外側に形成される三角形の頂点に位置するボールキャスタが駆動用球体に接触して支持している。また、特許文献２には、ボールキャスタの代わりにオムニホイールを採用してもよいと記載されている。

特開２０１０－３０３６０号公報 国際公開２０２０－１１０６５１号公報

特許文献１の発明では、車輪型キャスタとロータは、駆動用球体の回転中心と同一高さ位置で対面配置しなければならないという制約がある。このため、駆動球体の頂点位置に各支持用ボール型キャスタを配置し、球体の車輪型キャスタとロータを配置するためのスペースの確保が必要となる。
また、特許文献１及び特許文献２に開示された球体駆動式移動装置に使われているボールキャスタの構造は１つの大きな球であるメインボールとそれを支える小さい複数の球であるサブボールとそれらを囲み固定する治具で構成されている。これにより、大きい球が回転した際に小さい球が逆回転し治具内を移動することで大きい球の回転力を逃がしている。しかしながら、回転時に複数の小さい球同士が接触することにより、音が同時または連続的に発生し合成されることで騒音が発生するおそれがある。
また、ボールキャスタの代わりに使われうるオムニホイールは、ボールキャスタのように小さい球同士が接触する騒音は発生しないが、駆動用球体の上方向に大きなスペースを確保する必要があるため、球体駆動式移動装置全体が大きくなってしまう。

本発明の目的は、コンパクトでありながら騒音を低減する駆動用球体の保持機構を提供することにある。

（１）上記課題を解決するための本発明は、一の仮想平面に平行な第１回転軸を有する複数のローラと、複数の前記ローラを保持する保持部材と、前記第１回転軸と直交する第２回転軸を中心に、前記保持部材及び前記ローラが回転する回転機構と、から構成され、複数の前記ローラのうち少なくとも１つが球体に接触しており、前記球体の回転力を受けて前記回転機構が回転することにより、前記球体と接触するローラが変化する、ことを特徴とする球体回転保持装置である。
（２）上記課題を解決するための他の発明は、前記球体から受ける力として少なくとも前記第２回転軸と並行の成分を有する、ことを特徴とする、請求項１に記載の球体回転保持装置である。
（３）上記課題を解決するための他の発明は、複数の前記ローラはラジアルベアリングであり、前記回転機構はスラストベアリングである、請求項１に記載の球体回転保持装置である。
（４）上記課題を解決するための他の発明は、前記回転機構は、複数の前記ローラの配置の内側または直下に、前記スラストベアリングが構成されている、請求項３に記載の球体回転保持装置である。
（５）上記課題を解決するための他の発明は、前記ローラと前記球体との接点と前記球体の中心とを結ぶ仮想線と、前記第２回転軸とがなす角度は９０°未満である、
請求項１に記載の球体回転保持装置である。
（６）上記課題を解決するための他の発明は、複数のローラは、第２回転軸を中心として放射状に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の球体回転保持装置である。（７）上記課題を解決するための他の発明は、請求項１乃至６何れか１項に記載の球体回転保持装置と、前記球体を駆動する駆動装置と、を備えることを特徴とする球体駆動式移動装置。

本発明によれば、コンパクトでありながら騒音を低減する駆動用球体の保持機構を提供することができる。

本実施の形態が適用される球体駆動式移動装置を示す底面図である。 駆動用球体、静音キャスタ、ロータの位置関係を説明するための図である。 本実施の形態が適用される球体駆動式移動装置を示す側面図である。 （Ａ）は球体回転保持装置の斜視図であり、（Ｂ）は球体回転保持装置の断面斜視図である。 （Ａ）は球体回転保持装置と駆動用球体の動きを説明する図であり、（Ｂ）は球体回転保持装置と駆動用球体の平面図である。 （Ａ）から（Ｃ）は、球体回転保持装置と駆動用球体との位置の違いにより応力の伝達が変化することを説明する図である。 （Ａ）は球体回転保持装置のラジアルベアリングの配置例を示す図であり、（Ｂ）は、球体回転保持装置のラジアルベアリングの別の配置例を示す図である。 （Ａ）は、ラジアルベアリングの別の配置例を有する静音キャスタの斜視図であり、（Ｂ）は、ラジアルベアリングの別の配置例を有する静音キャスタの断面斜視図である。 （Ａ）は従来の球体駆動式移動装置の裏面を示す図であり、（Ｂ）は従来の球体駆動式移動装置の球体とボールキャスタとの位置関係を示す側面図であり、（Ｃ）はボールキャスタの断面図である。

球体駆動式移動装置においては、モータの動力をロータが駆動用球体に伝えることにより駆動用球体を回転させて球体駆動式移動装置を移動させている。
図９（Ａ）は従来の球体駆動式移動装置の裏面を示す図である。駆動用球体１１０はロータ１４０ａ、１６０ｂに接触しており、モータ１８０、２２０が駆動するロータ１４０ａ、１６０ｂの回転により、駆動用球体１１０は回転する。駆動用球体１１０は、ベース部材２７０に取り付けられたボールキャスタ２４０に支持されている。なお、駆動用球体１１０は、補助支持機構３００、３１０とは常時接触しておらず、駆動用球体１１０の位置がずれた場合に、補助支持機構３００、３１０が駆動用球体１１０を支持する。補助支持機構３００、３１０も、ボールキャスタ２４０よりもサイズの小さいボールキャスタである。

図９（Ｂ）は従来の球体駆動式移動装置の球体とボールキャスタとの位置関係を示す側面図である。図９（Ｂ）においては、駆動用球体１１０は、ロータ１６０ｂと、図９（Ｂ）には見えないロータ１４０ａ、ボールキャスタ２４０と、走行面Ｇと、４点で接している。

図９（Ｃ）は従来の球体駆動式移動装置に使われているボールキャスタ２４０の断面図である。ボールキャスタ２４０は、メインボール２１０、複数のサブボール２１１、防塵シール２１２、受座２１３、ケース２１４、およびキャップ２１５を含んで構成される。複数のサブボール２１１は、メインボール２１０と受座２１３との隙間空間に敷き詰められている。外部からのメインボール２１０に対する応力は、内部の複数のサブボール２１１が支持し、メインボール２１０の回転とともに、複数のサブボール２１１も回転し、移動する。このとき複数のサブボール２１１同士が接触することにより、音が同時または連続的に発生し合成されることで騒音が発生する。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される球体駆動式移動装置１を示す底面図である。球体駆動式移動装置１は、駆動用球体１１、１２、１３、ロータ１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、モータ１８、２０、２２、静音キャスタ２４、２５、２６、ベース部材２７、補助支持機構３０、３１、３２、３３、３４、３５などを組み合わせて構成されている。球体駆動式移動装置１は、走行面Ｇ（図３参照）に接している駆動用球体１１、１２、１３が回転することにより走行面Ｇ（図３参照）上を移動する装置である。例えば、球体駆動式移動装置１は、ベース部材２７の上に荷物が積載され、荷物を搬送する台車として利用されうる。

ロータ１４ａ、１４ｂは、モータ１８の回転力が軸や動力伝達ベルトを介して伝達されることにより回転駆動する。ロータ１５ａ、１５ｂは、モータ２０の回転力が軸や動力伝達ベルトを介して伝達されることにより回転駆動する。ロータ１６ａ、１６ｂは、モータ２２の回転力が軸や動力伝達ベルトを介して伝達されることにより回転駆動する。ロータ１４ａ及びロータ１６ｂは接触している駆動用球体１１を回転駆動させる。ロータ１４ｂ及びロータ１５ａは接触している駆動用球体１２を回転駆動させる。ロータ１５ｂ及びロータ１６ａは接触している駆動用球体１３を回転駆動させる。

本実施の形態では、駆動用球体１１、１２、１３は、全て同じ大きさ（径）の球体であり、正三角形の頂点の位置に配置されている。ただし、駆動用球体１１、１２、１３は、大きさ（径）がそれぞれ異なり、駆動用球体１１、１２、１３それぞれの中心を頂点とする三角形の３つの辺がそれぞれ異なる長さであってもよい。駆動用球体１１は、ロータ１４ａ、１６ｂと接触した状態で回転駆動力を受けて回転することにより球体駆動式移動装置１を移動させる。駆動用球体１２は、ロータ１４ｂ、１５ａと接触した状態で回転駆動力を受けて回転することにより球体駆動式移動装置１を移動させる。駆動用球体１３は、ロータ１５ｂ、１６ａと接触した状態で回転駆動力を受けて回転することにより球体駆動式移動装置１を移動させる。

駆動用球体１１、１２、１３は、それぞれ静音キャスタ２４、２５、２６と接触している。つまり、駆動用球体１１は、ロータ１４ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４、および走行面Ｇ（図３参照）と接触している。駆動用球体１２は、ロータ１４ｂ、１５ａ、静音キャスタ２５、および走行面Ｇ（図３参照）と接触している。駆動用球体１３は、ロータ１５ｂ、１６ａ、静音キャスタ２６、および走行面Ｇ（図３参照）と接触している。

なお、本実施の形態のように、駆動用球体が３つある球体駆動式移動装置の場合、駆動用球体とロータとの空回りを抑制できる条件が、国際公開２０２０－１１０６５１号に記載されている。
静音キャスタ２４、２５、２６は、平面視において、３つの駆動用球体１１、１２、１３が形成する三角形の頂点の外側周辺に配置されることが好ましい。さらに、駆動用球体１１と、ロータ１４ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４との３つの接点は、駆動用球体１１の中心Ｐ１よりも上部にあることが望ましい。同様に、駆動用球体１２と、ロータ１４ｂ、１５ａ、静音キャスタ２５との３つの接点は駆動用球体１２の中心Ｐ２よりも上部にあることが望ましい。同様に、駆動用球体１３と、ロータ１５ｂ、１６ａ、静音キャスタ２６との３つの接点は駆動用球体１３の中心Ｐ３よりも上部にあることが望ましい。

上述の構成をとることにより、ベース部材２７やベース部材２７に載せられた重量物等の自重を利用して、ロータ１４ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４の３つの接点で、駆動用球体１１を上から押し付けることができる。同様に、ロータ１４ｂ、１５ａ、静音キャスタ２５の３つの接点で、駆動用球体１２を上から押し付けることができる。同様に、ロータ１５ｂ、１６ａ、静音キャスタ２６の３つの接点で、駆動用球体１３を上から押し付けることができる。
上部からの荷重が大きいほど、駆動用球体１１、１２、１３は、それぞれロータ１４ａ及び１６ｂ、１４ｂ及び１５ａ、１５ｂ及び１６ａとの空回りが抑制される。すなわち、駆動用球体１１、１２、１３に強力なトルクを発生させることができる。つまり、駆動用球体１１、１２、１３は、それぞれ上部からの３つの接点により押し付けられることで、強力なトルクをもった推進力を発生させることができる。

補助支持機構３０、３１は、通常、駆動用球体１１とは接触していないが、駆動用球体１１の位置がずれた場合にのみ、駆動用球体１１が外れないように駆動用球体１１に接触し位置ずれを修正する機構を有する。同様に、補助支持機構３２、３３は、駆動用球体１２に対し、補助支持機構３４、３５は、駆動用球体１３に対し、位置ずれを修正する機構を有する。補助支持機構３０、３１、３２、３３、３４、３５は、ボールベアリングであってもよく、アイドラであってもよい。

静音キャスタ２４、２５、２６は、回転する球体を保持する球体回転保持装置であり、本実施の形態においては、従来のボールキャスタ２４０（図９参照）に代わる静音性の高い球体回転保持装置である。本実施の形態においては、静音キャスタ２４、２５、２６は、全て同じ構造、大きさを有し、ベース部材２７において、駆動用球体１１、１２、１３をそれぞれ支持するように固定される。静音キャスタ２４の構造の詳細については後述するので、ここでは、静音キャスタ２４の主な特徴について図２を用いて簡潔に説明する。

図２は、駆動用球体、静音キャスタ、ロータの位置関係を説明するための図である。図２において、駆動用球体１１は、ロータ１４ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４と接触している。補助支持機構３０、３１とは、駆動用球体１１が位置ずれをして外れることを防止するものであり、通常、駆動用球体１１とは接触していない。

静音キャスタ２４は、複数のローラを含み、１つまたは２つのローラが駆動用球体１１と接触している。ローラは、ローラの回転軸（第１回転軸）を中心として、Ｒ１の矢印が示す方向に回転する。そして、複数のローラを支持する保持部材４４は、Ｒ２の矢印が示すように、保持部材４４の中心を通り保持部材４４に直交する回転軸（第２回転軸）を中心として回転動作をすることができる。第２回転軸を中心とする保持部材４４の回転とともに、駆動用球体１１と接触していたローラは駆動用球体１１から離れ、これまで非接触であった他のローラの１つが接触するという動作を繰り返す。つまり、保持部材４４の回転により、球体と接触するローラが変化する。
静音キャスタ２４は、従来のボールキャスタ２４０（図９参照）と異なり、複数のサブボールが接触して騒音を発生するおそれがない。このため、静音キャスタ２４は、騒音を低減することができる球体回転保持装置として利用される。

図３は、本実施の形態が適用される球体駆動式移動装置１を示す側面図である。駆動用球体１１は、ロータ１４ａ、ロータ１６ｂ（図１参照）、静音キャスタ２４、及び走行面Ｇと接触している。駆動用球体１２は、ロータ１４ｂ、ロータ１５ａ（図１参照）、静音キャスタ２５、及び走行面Ｇと接触している。
ロータ１４ａ、ロータ１４ｂは、駆動用球体１１の中心Ｐ１及び駆動用球体１２の中心Ｐ２より高い位置でそれぞれ駆動用球体１１、１２に接触している。同様に、図示されていないが、ロータ１５ａ、ロータ１５ｂ、は、駆動用球体１２の中心Ｐ２及び駆動用球体１３の中心Ｐ３より高い位置でそれぞれ駆動用球体１２、１３に接触している。同様に、図示されていないが、ロータ１６ａ、ロータ１６ｂは、駆動用球体１３の中心Ｐ３及び駆動用球体１１の中心Ｐ１より高い位置でそれぞれ駆動用球体１３、１１に接触している。本実施の形態では、さらに静音キャスタ２４、２５、２６が、駆動用球体１１、１２、１３の中心Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３よりも高い位置でそれぞれ駆動用球体１１、１２、１３に接触している。

このため、駆動用球体１１にはロータ１４ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４を通じて鉛直成分の力が作用し、駆動用球体１２にはロータ１４ｂ、１５ａ、静音キャスタ２５を通じて鉛直成分の力が作用し、駆動用球体１３にはロータ１５ｂ、１６ａ、静音キャスタ２６を通じて鉛直成分の力が作用する。従って、ベース部材２７やベース部材２７に載せられた重量物等の自重を利用して、ロータ１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、静音キャスタ２４、２５、２６が駆動用球体１１、１２、１３を押し付けることができ、上記ロータの空回りを抑制することができる。

図４（Ａ）は球体回転保持装置の斜視図であり、（Ｂ）は球体回転保持装置の断面斜視図である。球体回転保持装置としての静音キャスタ２４は、ローラ４１、支持部材４２、締付け部材４３、保持部材４４、スラストベアリング４６ａ、４６ｂ、キャスタ固定台５１から構成される。

静音キャスタ２４は、複数のローラ４１で構成され、例えば、図４（Ａ）においては、静音キャスタ２４は、１３個のドーナッツ状のローラ４１から構成されている。複数のローラ４１の中心には、リング状の支持部材４２が貫通している。ローラ４１は、支持部材４２を回転の中心として回転Ｒ１する。複数のローラ４１のそれぞれの回転軸（第１回転軸）の方向は異なるものの、それぞれの回転軸は支持部材４２の中心を貫く線Ｌ５に直交する仮想平面に平行である。つまり、複数の第１回転軸は、一の仮想平面に平行である。
ローラ４１は、駆動用球体との接点において径方向から力に対する耐性のあるラジアルベアリングであってもよい。「ラジアルベアリング」とは、回転軸に対して垂直にかかる力に耐性のあるベアリングである。

ローラ４１は、回転軸である支持部材４２の周囲に複数の転動体としてボール（玉）が組み込まれたボールベアリングであってもよい。さらに、ローラ４１は、回転軸である支持部材４２の周囲に複数の転動体として「ころ」が組み込まれたローラーベアリングであってもよい。さらに、ローラ４１は、無給油で使用できる自己潤滑性を保持したすべり軸受、すなわち無給油ベアリングであってもよい。

複数のローラ４１と支持部材４２は、締付け部材４３により、保持部材４４に固定されている。締付け部材４３は、複数のローラ４１や支持部材４２を保持部材４４に固定できるものであればよく、公知のボルト、ネジなどを用いることができる。また、保持部材４４は、ローラ４１の配置位置に溝が形成されている。ローラ４１の溝は、円形の保持部材４４の外周に達している構造であるため、ローラ４１の回転により、ローラ４１の周囲にゴミがたまらずに、静音キャスタ２４の外部にゴミが排出される。このように、ローラ４１を配置するための溝が保持部材４４の外周に達していることにより、ゴミや粉塵を容易に排出することができる。

保持部材４４は、板状で中心付近に穴を有する。保持部材４４の中心には、軸部材４５が貫通し、保持部材４４は軸部材４５を第２回転軸として回転Ｒ２する。軸部材４５は、キャスタ固定台に保持部材４４を回転可能に固定している。また、軸部材４５を中心として回転するスラストベアリング４６ａが保持部材４４の表面に、スラストベアリング４６ｂが保持部材４４の裏面に配置されている。そして、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂは、複数のローラ４１及び支持部材４２のリングの内側の空間に設けられている。つまり、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂが、複数のローラ４１及び支持部材４２のリングの内側の空間に、第２回転軸である仮想線Ｌ５の方向に２段に積層されるように配置されている。このように複数のローラ４１の配列の内側の空間を有効に活用して、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂを配置することにより、静音キャスタ２４を仮想線Ｌ５の方向に関してコンパクト化することができる。

スラストベアリング４６ａ及び４６ｂは、複数の転動体としてボール（玉）が組み込まれたボールベアリングであってもよく、複数の転動体として「ころ」が組み込まれたローラーベアリングであってもよい。さらに、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂは、無給油で使用できる自己潤滑性を保持したすべり軸受、すなわち無給油ベアリングであってもよい。

上述のように、球体回転保持装置としての静音キャスタ２４は、一の仮想平面上に平行な第１回転軸を有する複数のローラ４１と、複数のローラ４１を保持する保持部材４４と、第１回転軸と直交する軸部材４５の第２回転軸を中心に、保持部材４４及びローラ４１を回転させる回転機構と、から構成されている。そして、静音キャスタ２４が球体駆動式移動装置の走行に使われる際には、複数のローラ４１のうち少なくとも１つが駆動用球体に接触しており、第２回転軸を中心とする回転により、駆動用球体と接触するローラが変化する。

上述のように、図４（Ａ）の球体回転保持装置は、複数のラジアルベアリングと、複数のラジアルベアリングを保持する保持部材と、複数のラジアルベアリングの第１回転軸に直交する第２回転軸を有するスラストベアリングと、第２回転軸を中心としたスラストベアリングの回転とともに、複数の前記ラジアルベアリング及び前記保持部材が回転する、軸受であると言える。本軸受は、回転や往復運動する相手部品に接して荷重を受け、軸などを支持することに適した部品である。

図５（Ａ）は球体回転保持装置と駆動用球体１１の動きを説明する断面図であり、（Ｂ）は球体回転保持装置と駆動用球体１１の平面図である。
図５（Ａ）では、静音キャスタ２４を構成する複数のローラは全部が駆動用球体１１に接触しているのではなく、ローラ４１ａが接触しており、ローラ４１ｅは接触していない。そして、駆動用球体１１の回転ｒ１に応じて、接触しているローラ４１ａは回転Ｒ１する。この際、駆動用球体１１とローラ４１ａとは、ローラ４１ａが駆動用球体１１の回転ｒ１に合わせて回転Ｒ１するため摩擦力はほぼゼロに近い。

また、駆動用球体１１の回転ｒ２に応じて、複数のローラを保持している保持部材４４が回転Ｒ２する。図５（Ｂ）の示す図では、駆動用球体１１に接触している１つのローラ４１ａと、駆動用球体１１に接触していないローラ４１ｂ～４１ｈが記載されている。そして、回転Ｒ２に応じて、駆動用球体１１と接触していたローラ４１ａは、非接触状態となり、ローラ４１ａの隣のそれまで非接触であったローラ４１ｂが接触するという工程を繰り返す。この際、接触していた１つのローラ４１ａのＲ１回転方向とは直角の方向に駆動用球体１１と擦れることはなく、駆動用球体１１からローラ４１ａが離れて次のローラ４１ｂに接触する工程を繰り返す。したがって、回転Ｒ２の場合であっても、駆動用球体１１とローラ４１との間の摩擦力は非常に小さい。

以上の説明のように、ローラ４１ａが駆動用球体１１の回転ｒ１に合わせて回転Ｒ１する場合も、回転Ｒ２による駆動用球体１１とローラ４１ａとの接触・非接触の繰り返し動作の場合であっても、駆動用球体１１とローラ４１との間の摩擦力は非常に小さい。このため、静音キャスタ２４は、従来のボールキャスタに比べ、耐摩耗性能も向上している。

図６（Ａ）から（Ｃ）は、球体回転保持装置と駆動用球体との位置の違いにより応力の伝達が変化することを説明する図である。
静音キャスタ２４は、図４（Ｂ）で説明したように、スラストベアリング４６を備える。
図６（Ａ）では、駆動用球体１１の中心Ｐ１、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接点とを結ぶ仮想線Ｌ６と、スラストベアリング４６の回転軸Ｓ１とが平行である。この場合、駆動用球体１１からの応力をすべてスラストベアリング４６が受け止めることができる。つまり、スラストベアリング４６の応力吸収の効果が最大限に発揮されている状態といえる。静音キャスタ２４は、駆動用球体１１から（あるいはローラ４１ａを介して）回転軸Ｓ１と並行の成分の力を受けている。

図６（Ｂ）では、駆動用球体１１の中心Ｐ１と、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接点とを結ぶ仮想線Ｌ６と、スラストベアリング４６の回転軸Ｓ１とのなす角度αは、０°以上９０°未満である。この場合、駆動用球体１１からの応力は、スラストベアリング４６の回転軸方向の成分ｆ１とそれに直交する方向の成分ｆ２とに分解され、スラストベアリング４６の回転軸方向の成分ｆ１をスラストベアリング４６が受け止めることができる。静音キャスタ２４は、駆動用球体１１から（あるいはローラ４１ａを介して）少なくとも回転軸Ｓ１と並行の成分の力を受けている。

図６（Ｃ）では、駆動用球体１１の中心Ｐ１と、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接点とを結ぶ仮想線Ｌ６と、スラストベアリング４６の回転軸Ｓ１とは直交している。この状態では、駆動用球体１１からの応力は、スラストベアリング４６の回転軸方向成分がゼロであるので、スラストベアリング４６が受け止める力成分はない。つまり、スラストベアリング４６の応力吸収の効果が発揮されていない状態といえる。静音キャスタ２４は、駆動用球体１１から（あるいはローラ４１ａを介して）回転軸Ｓ１と並行の成分の力は受けていない。

図６（Ｄ）では、駆動用球体１１の中心Ｐ１と、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接点とを結ぶ仮想線Ｌ６と、スラストベアリング４６の回転軸Ｓ１とのなす角度αは０°以下（マイナス）となっている。この場合、駆動用球体１１からの応力は、スラストベアリング４６の回転軸方向の成分ｆ１とそれに直交する方向ｆ２とに分解され、スラストベアリング４６の回転軸方向の成分ｆ１をスラストベアリング４６が受け止めることができる。静音キャスタ２４は、駆動用球体１１から（あるいはローラ４１ａを介して）少なくとも回転軸Ｓ１と並行の成分の力を受けている。

なお、図６（Ｄ）の状態よりもさらに角度αをマイナス側に広げすぎると、ローラ４１ｅが駆動用球体１１に触れてしまうのを避けるため、スラストベアリングの直径が大きくなってしまう。スラストベアリングの直径が大きくなると静音キャスタ２４がコンパクトにならないおそれがある。また、ローラ４１ｅが駆動用球体１１に触れた状態とは、静音キャスタ２４の全てのローラが駆動用球体１１に接触している状態である。本発明の球体回転保持装置は、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接触はローラ４１ａのみでローラ４１ｅは非接触であることで、静音キャスタ２４と駆動用球体１１との摩擦を小さくすることができる。このため、ローラ４１ａのみが駆動用球体１１に触れ、ローラ４１ｅは非接触であることが、静音キャスタ２４の使用状態として好ましい。

以上より、スラストベアリング４６の応力吸収の効果及び静音キャスタ２４と駆動用球体１１との接触点の観点を考慮すると、ローラ４１ａと駆動用球体１１との接点と駆動用球体１１の中心Ｐ１とを結ぶ仮想線Ｌ６と、スラストベアリング４６の回転軸Ｓ１とがなす角度は、９０°未満であり、かつ、静音キャスタ２４の全てのローラと駆動用球体１１とが接触しない範囲であることが望ましい。

図７（Ａ）は球体回転保持装置のラジアルベアリングの配置例を示す底面図であり、（Ｂ）は、球体回転保持装置のラジアルベアリングの別の配置例を示す底面図である。
図７（Ａ）は静音キャスタ２４のラジアルベアリングが８個配置されていることを示す底面図である。ローラ４１ａ～４１ｈまで８個が円形の保持部材４４の中心Ｃ１を中心に放射状に等間隔に配置されている。ローラ４１ａ～４１ｈのそれぞれの移動方向を示す矢印は、円形の保持部材４４の中心Ｃ１に集まるように配置されている。そして、ローラ４１ａ～４１ｈのそれぞれの回転軸は、１つの仮想平面（紙面）上に存在している。

さらに、図７（Ａ）では図示しないが、図４（Ｂ）で説明したスラストベアリングが複数のラジアルベアリングの配置の内側に形成されている。「内側」とは、平面において、保持部材４４の中心Ｃ１からローラ４１ａ～４１ｈのいずれかに最も近い点までの半径で形成される領域Ａ１であり、図４（Ａ）では、円形の領域Ａ１の内側を意味する。

本発明の静音キャスタ２４は、ラジアルベアリングのローラ４１は複数であればよく、ローラの数は特に限定されない。また、複数のローラ４１は、中心に向かって放射状に配置されている必要はない。
本発明の別の実施の形態として、図７（Ｂ）のような複数のローラ４１の配列を有する静音キャスタであってもよい。図７（Ｂ）では、ローラ４１ａ～４１ｈのそれぞれの移動方向を示す矢印は、円形の保持部材４４の中心Ｃ１には集まらず、すこしずつ傾きをもって配列されている。ただし、ローラ４１ａ～４１ｈのそれぞれの回転軸は、１つの仮想平面（紙面）上に存在している。

さらに、図７（Ｂ）では図示しないが、図４（Ｂ）で説明したスラストベアリングが複数のラジアルベアリングの配置の内側に形成されている。「内側」とは、平面において、保持部材４４の中心Ｃ１からローラ４１ａ～４１ｈのいずれかに最も近い点までの半径で形成される領域であり、図４（Ｂ）では、円形の領域Ａ２の内側を意味する。

図８（Ａ）は、ラジアルベアリングの別の配置例を有する静音キャスタ２４の斜視図であり、図８（Ｂ）は、その断面斜視図である。

図８（Ａ）の静音キャスタ２４は、ラジアルベアリングとして、保持部材４４の円形の縁まで達しているローラ４１１と、保持部材４４の円形の内側に配置されているローラ４１２と、を有する。本発明の別の実施の形態として、図８（Ａ）のように、ローラ４１１とローラ４１２とが交互に配置される千鳥状に複数のローラが配置されていてもよい。図８（Ａ）の例では、ローラ４１１が５つとローラ４１２が５つの合計１０個のローラが設けられているが、もっと多くのローラを配置しても構わない。特に、ローラを密に配置することにより、複数のローラの隣り合う距離の間隔を短くすることで、駆動用球体がよりスムーズにベアリング間を移動することが可能になる。

図４（Ａ）の例では、複数のローラ４１は、リング状の支持部材４２で支持されていたが、図８（Ａ）の例では、ローラ４１１、４１２のそれぞれのローラにそれぞれの軸を設けて保持する機構となっている。また、図８（Ａ）の例では、ローラ４１１とローラ４１２の径は、同じであり、ローラ４１１とローラ４１２の回転軸は、同一平面上にある。しかし、ローラ４１１とローラ４１２の径は、同じでなくてもよく、ローラ４１１とローラ４１２の回転軸は、同一平面なく、上下に配置されてもよい。例えば、ローラ４１１がローラ４１２よりも径が大きい場合、ローラ４１１の回転軸４２１の中心からスラストベアリングの回転軸の中心である仮想線Ｌ９への垂線と、ローラ４１２の回転軸４２２の中心から仮想線Ｌ９への垂線とは、同一点で交わらず、仮想線Ｌ９の方向にずれを生じる。ただし、ローラ４１１の回転軸もローラ４１２の回転軸も、１つの仮想平面（仮想線Ｌ９に垂直な仮想平面）に平行になるように配置されている。つまり、複数の第１回転軸は、一の仮想平面に平行である。

保持部材４４は、ローラ４１１、４１２の配置位置に溝が形成されている。ローラ４１１、４１２の溝は保持部材４４の外周まで達している構造であるため、ローラ４１１、４１２の回転により、ローラ４１１、４１２の周囲にゴミがたまらずに、静音キャスタ２４の外部にゴミが排出される。このように、複数のローラ４１１，４１２を配置するための溝が保持部材４４の外周に達していることにより、ゴミや粉塵を容易に排出することができる。

図８（Ｂ）は、ラジアルベアリングの別の配置例を有する静音キャスタ２４の断面斜視図である。図８（Ｂ）に示されるように、本実施の形態の静音キャスタ２４は、スラストベアリング４６ｃ及び４６ｄを備えている。静音キャスタ２４は、軸部材４５の周囲を囲むようにボールが配置されたスラストベアリング４６ｃを備える。さらに、静音キャスタ２４は、スラストベアリング４６ｃの外周に複数のボールが配置されたスラストベアリング４６ｄを備える。

図４（Ｂ）の例では、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂが、軸部材４５の軸方向に対して２段に積層されるように配置されていた。図８（Ｂ）の例では、軸部材４５の軸に直交する方向に径の異なるスラストベアリング４６ｃ及び４６ｄが配置されている。

さらに、図４（Ｂ）の例では、スラストベアリング４６ａ及び４６ｂが、ラジアルベアリングの配置の内側にコンパクトに配置されていた。一方、図８（Ｂ）の例では、ラジアルベアリングであるローラ４１１、４１２が千鳥状に密に配置され、スラストベアリング４６ｃ及び４６ｄはラジアルベアリングの直下に配置されている。このように、ラジアルベアリングの直下にスラストベアリングを配置にすることで、静音キャスタの剛性及び耐荷重性を向上させることができる。ここで、「直下」とは、スラストベアリングの回転軸の中心である仮想線Ｌ９において、ラジアルベアリングであるローラ４１１及び４１２が接する駆動用球体とは反対方向を指す。

また、スラストベアリング４６ｄに使われている転動体であるボールが、内側のスラストベアリング４６ｃに使われている転動体であるボールよりも大きい。このように、外側のベアリングを大きくすることで、ラジアルベアリングからの荷重負荷の直下面で力を受けるので、剛性が高くなる。

上述のラジアルベアリングであるローラ４１１、４１２、スラストベアリング４６ｃ、４６ｄは、いずれも、ボールベアリングで構成されてもよく、ローラーベアリングで構成されてもよく、無給油ベアリングで構成されてもよい。

上述のように、球体回転保持装置の発明を適用する実施の形態として、球体駆動式移動装置における静音キャスタについて説明をしたが、本発明の球体回転保持装置は、移動装置だけでなく、ロボット、マニュプレータなどの球体のある関節にも適用できる。また、球体駆動式移動装置としては、例えば、球体を回転駆動させて全方向に移動可能な、移動ロボット、電動車いす、自走式台車、搬送用台車などの用途に使用することができる。

さらに、図８（Ａ）の球体回転保持装置は、複数のラジアルベアリングと、複数のラジアルベアリングを保持する保持部材と、複数のラジアルベアリングの第１回転軸に直交する第２回転軸を有するスラストベアリングと、第２回転軸を中心としたスラストベアリングの回転とともに、複数の前記ラジアルベアリング及び前記保持部材が回転する、軸受であると言える。本軸受は、回転や往復運動する相手部品に接して荷重を受け、軸などを支持することに適した部品である。

１…球体駆動式移動装置、１１、１２、１３、１１０…駆動用球体、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、１４０ａ、１６０ｂ…ロータ、１８、２０、２２、１８０、２２０…モータ、２４、２５、２６…静音キャスタ、２７、２７０…ベース部材、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３００、３１０…補助支持機構、４１、４１ａ、４１ｂ、４１１、４１２…ローラ、４２、４２１、４２２…支持部材、４３…締付け部材、４４…保持部材、４５…軸部材、４６、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ…スラストベアリング、５１…キャスタ固定台、２１０…メインボール、２１１…サブボール、２１２…防塵シール部材、２１３…受座、２１４…ケース、２１５…キャップ、２４０…ボールキャスタ、Ｃ１…保持部材の中心、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…駆動用球体の中心、Ｇ…走行面、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ９…仮想線

Claims (7)

1. 一の仮想平面に平行な第１回転軸を有する複数のローラと、
   複数の前記ローラを保持する保持部材と、
   前記第１回転軸と直交する第２回転軸を中心に、前記保持部材及び前記ローラが回転する回転機構と、から構成され、
   複数の前記ローラのうち少なくとも１つが球体に接触しており、前記球体の回転力を受けて前記回転機構が回転することにより、前記球体と接触するローラが変化する、
   ことを特徴とする球体回転保持装置。
2. 前記球体から受ける力として少なくとも前記第２回転軸と並行の成分を有する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の球体回転保持装置。
3. 複数の前記ローラはラジアルベアリングであり、前記回転機構はスラストベアリングである、
   請求項１に記載の球体回転保持装置。
4. 前記回転機構は、複数の前記ローラの配置の内側または直下に、前記スラストベアリングが構成されている、
   請求項３に記載の球体回転保持装置。
5. 前記ローラと前記球体との接点と前記球体の中心とを結ぶ仮想線と、前記第２回転軸とがなす角度は９０°未満である、
   請求項１に記載の球体回転保持装置。
6. 複数のローラは、第２回転軸を中心として放射状に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の球体回転保持装置。
7. 請求項１乃至６何れか１項に記載の球体回転保持装置と、
   前記球体を駆動する駆動装置と、
   を備えることを特徴とする球体駆動式移動装置。