JPH06147378A - ロータリジョイントのシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロータリジョイントにおいて、固定軸と回転
軸との間のシールによる回転トルクの負荷の増大を抑
え、しかも潤滑油膜によって回転軸と固定軸との焼き付
き等の障害を無くすこと。 【構成】 ロボットのアームに装着する回転軸とその周
りに配置されて絶対静止の姿勢を維持する固定軸とを備
え、回転軸に備えるアクチュエータへの作動油の供給路
を固定軸から回転軸に向けて備えたロータリジョイント
において、回転軸の周りに設けた保持溝に固定軸の内周
に密着する少なくとも二つ割り状のパッキンを備え、保
持溝側に封入した潤滑油を作動油からの圧力を利用して
パッキン側に付勢し、この作動油の圧力をパッキンのシ
ール圧の補助として利用すると共に潤滑油をシール面に
膨潤させて潤滑油膜を形成可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットのアー
ムの先端に装着するロータリジョイントに係り、特に負
荷を小さくしたシール構造によってロボットの運動性能
の向上を図るようにした装置構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットのアームはその動きが複
雑なため、アームの先端に連接するアクチュエータへの
配線や配管等が絡み付かないように、アームとアクチュ
エータとの継手としてロータリジョイントが用いられ
る。

【０００３】このロータリジョイントは、静止した姿勢
を保った静止部材とその内部又は周りで回転自由とした
可動部材とを備え、ロボットアームの動きに応じて可動
部材のみが姿勢を変えるようにしたものがその基本的な
構造である。そして、ロータリジョイントによって連接
されるアクチュエータに作動流体を給排するための流路
をこれらの静止部材と可動部材に設け、部材どうしの摺
動部からの作動油のリークがないように、シール構造が
設けられる。

【０００４】静止部材の外周に可動部材を被せてその軸
線周りに回転可能とする場合のシール構造としては、メ
カニカルシールが一般的である。これは、耐摩耗性の合
成樹脂，金属，セラミックス等のシール材をＯリングや
スプリング等によって加圧しながらシール圧を発生させ
るというものである。

【０００５】しかしながら、メカニカルシールはその構
成の面から大きな力でシール面を拘束するため、シール
圧を高くできる一方で、シール抵抗も大きくなる。この
ため、ロボットの運動に対する負荷や抵抗が問題とな
り、ロボットの運動性能に影響を与えやすい。

【０００６】このようなメカニカルシールに代えて、ゴ
ムを素材としたＯリングをシール面に直接押し当てるよ
うにすれば、シールも良好で抵抗も或る程度に抑えられ
ると考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のロー
タリジョイントでは、ジョイントの回転が不定期でその
回転量も様々に変化するので、そのシール面に潤滑油を
唯単に補給するだけでは、十分な潤滑油膜を形成するこ
とは不可能である。また、このジョイントの回転が定期
的なものであっても、潤滑油を継続的に供給するもので
ない限り、潤滑油膜を形成することはできない。

【０００８】このため、Ｏリングをシール材として選択
したとき、潤滑油を適正に供給して潤滑油膜を形成する
ものでなければ、短時間の動作で焼き付けを生じてしま
い、シール分部分の破損を招きやすい。

【０００９】このような理由から、シール性は劣るが耐
摩耗性の高い合成樹脂やセラミックス等が利用されてい
るのが現状である。したがって、シール不良による事故
の発生度の点や、摺動抵抗によるロボットの運動性能へ
の障害の問題のほか、潤滑油を継続して摺動面に供給で
きないことから焼付けの発生の問題も依然として残って
いる。

【００１０】本発明において解決すべき課題は、固定軸
と回転軸との間のシールによる回転トルクの負荷の増大
を抑え、しかも潤滑油膜によって回転軸と固定軸との焼
き付き等の障害を無くすことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットアー
ムの回転出力軸に対してその軸線周りに絶対静止可能な
中空の固定軸と、該固定軸の内部に回転自在に組み込ま
れ軸線方向の一端を前記回転出力軸に結合し且つ他端面
を作業用のアクチュエータの装着面とした回転軸とを備
え、前記固定軸及び回転軸に前記アクチュエータへの作
動油の給排のための流路を形成し且つ前記作動油をシー
ルするためのシール構造を前記固定軸と回転軸との間に
備えたロータリジョイントであって、前記回転軸の外周
面に保持溝を凹ませて全周に設けると共に該保持溝に前
記固定軸の内周壁に密着可能なパッキンを設け、前記保
持溝を前記回転軸に設けた前記作動油の流路に連通接続
すると共に該流路に潤滑油を封入し、前記作動油の圧力
を前記潤滑油を介して前記パッキンに伝達可能とし、更
に、前記パッキンを、前記潤滑油が前記固定軸とのシー
ル面に膨潤可能な少なくとも二つ割り構造としたことを
特徴とする。

【００１２】また、保持溝と前記回転軸に設けた作動油
の流路との間に異径のシリンダボアを設け、このシリン
ダボアの大径チャンバを作動油の流路側に連通接続する
と共に小径チャンバを保持溝側に連通させ、シリンダボ
アに組み込むピストンによって潤滑油の圧力を増幅して
前記パッキンに伝達可能とすることもできる。

【００１３】

【作用】回転軸の保持溝に設けたパッキンは、アクチュ
エータ用の作動油の油圧を利用してシール面側に膨出す
るように加圧されるので、適正なシール圧を発生する。
そして、二つ割りのパッキンの中を潤滑油が抜け出て摺
動面に供給されるので、シール面に潤滑油膜が形成さ
れ、固定軸と回転軸との間での焼き付きの発生が防止さ
れる。

【００１４】また、シリンダボアとピストンとによっ
て、作動油の圧力を増幅させて潤滑油に伝達することに
より、シール圧を更に高めることも可能となる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明のロータリジョイントの一実施
例であってその内部構造の概略を示す縦断面図である。

【００１６】図において、固定軸１に設けた円形断面の
中空部の中に回転軸２が挿入され、軸受１ｂによって回
転軸２をその軸線周りに回転可能としている。

【００１７】固定軸１は、ロボットハンドのアームに対
して絶対静止する姿勢を維持可能としたものである。ま
た、回転軸２は図において下端部にカプラー２ａを一体
化し、このカプラー２ａの下面を各種の工具等のアクチ
ュエータの装着面とし、回転軸２の上端面をロボットア
ームとの結合面としたものである。そして、カプラー２
ａに一体化したハウジング２ｂをシール材２ｃを介して
固定軸１側のハウジング１ａに連接している。

【００１８】なお、固定軸１側のハウジング１ａにはロ
ボット側からのコードを接続したコネクタ（図示せず）
を備え、回転軸２側のハウジング２ｂにはアクチュエー
タへのコードを接続するためのコネクタ（図示せず）を
設けるものとする。

【００１９】図２はハウジング１ａ，２ｂ内の組み込む
ロータリコネクタ及びアクチュエータへの作動油の給排
流路を示すためのロータリジョイントの要部の縦断面図
である。

【００２０】固定軸１の周りには、アクチュエータの動
力用電気の接続のための動力用ロータリコネクタ３と、
アクチュエータを制御する信号接続のための信号用ロー
タリコネクタ４を設ける。

【００２１】動力用ロータリコネクタ３は、固定軸１周
りに同軸上に配置した固定側動力コネクタ３ａと回転側
動力コネクタ３ｂとを組み合わせたものである。また、
信号用ロータリコネクタ４も、同様に固定軸１周りに同
軸上に設けた固定側信号コネクタ４ａと回転側信号コネ
クタ４ｂとを備えたものである。

【００２２】固定側動力コネクタ３ａと固定側信号コネ
クタ４ａは、それぞれ共通のボルト５ａによって固定軸
１に一体化されている。また、回転側信号コネクタ４ｂ
は、固定側信号コネクタ４ａとの間に軸受５ｂを介装し
て固定側信号コネクタ４ａ周りで回転自在に組み込ま
れ、ボルト５ｃによって回転側信号コネクタ４ｂと一体
化されている。

【００２３】これらの部材から構成される動力用及び信
号用ロータリコネクタ３，４は、回転軸２が回るときで
も、固定側と回転側のそれぞれのコネクタ３ａ〜４ｂの
接触子が接触し、ロボット側から固定側の動力及び信号
コネクタ３ａ，４ａから回転側の動力及び信号コネクタ
３ｂ，４ｂに電流及び信号が伝達され、アクチュエータ
へと送られる。

【００２４】更に、図２において、カプラー２ａに装着
したアクチュエータに作動用の空気や水等の流体を給排
するため、固定軸１から回転軸２を経由してカプラー２
ａに至る流体の流路系を設ける。この流路系は、作動流
体をアクチュエータ側に送るものとして、固定軸１に形
成した供給路６ａ，回転軸２の外周面に軸線方向に間隔
をおいて刻んだ複数の流路溝６ｂ，この流路溝６ｂの一
つに連通するように回転軸２の中に形成した連絡路６ｃ
及びこの連絡路６ｃに連通してカプラー２ａに設けたア
クチュエータとの接続路６ｄをそれぞれ設ける。また、
アクチュエータから作動流体を回収するものとして、カ
プラー２ａに設けた回収路７ａ，回転軸２に形成した連
絡路７ｂ及び流路溝６ｂを経由して連絡路７ｂに連通す
る還流路７ｃをそれぞれ設ける。

【００２５】また、回転軸２の内部には、下端をカプラ
ー２ａによって閉じたシリンダボア８を同軸上に設け、
図１に示すようにその内部にピストン９を設ける。シリ
ンダボア８は、下側を大径チャンバ８ａとすると共に上
側を小径チャンバ８ｂとした異径状であり、ピストン９
はそれぞれの断面積に対応する受圧面をその端部に形成
している。そして、シリンダボア８に作動油を供給する
ための供給口１０ａを設けて、ピストン９の上端と小径
チャンバ８ｂによって創成される空間に潤滑油を封入す
る。また、大径チャンバ８ｂの上端には、空気抜き流路
１０ｂを連通させてこれを大気に開放する。

【００２６】シリンダボア８に内蔵したピストン９はそ
の上端を封入した潤滑油によって圧下される。これに対
し、アクチュエータに供給する作動油の圧力を利用して
ピストン９を図１において上昇させるため、連絡路６ｃ
とシリンダボア８の大径チャンバ８ａとを連通孔１１に
よって連通させる。

【００２７】一方、回転軸２の外周には固定軸１の内周
面との間を密封するためのシール構造を設け、これによ
ってアクチュエータへ給排される作動油のリークを防止
する。このシール構造は、図１及び図２に示すように、
回転軸２の外周面に複数条配置したシール環１２を備え
たものであり、シリンダボア８に封入された潤滑油を利
用して高シール圧で潤滑も可能としたものである。

【００２８】図３はシール環１２の要部を拡大して示す
縦断面図である。

【００２９】シール環１２は、回転軸２の外周面の全周
に設けた保持溝１２ａの中に一対のパッキン１２ｂを組
み込み、これらのパッキン１２ｂの間にスペーサ１２ｃ
を介装したものである。スペーサ１２ｃは薄い肉厚の環
状体として回転軸２に一体化されたもので、パッキン１
２ｂはこのスペーサ１２ｃに対して断面が対称となる形
状及び姿勢として組み込まれている。そして、パッキン
１２ｂは、図においてスペーサ１２ｃの上側に位置する
ものがほぼ「２」状の断面形状を持ち、固定軸１の内周
側に突き当たる部分の上側へ向けての弾性変形を可能と
している。そして、スペーサ１２ｃの下側に位置するも
のは、同様に下に向けて弾性変形可能である。

【００３０】ここで、パッキン１２ｂによるシール圧を
高めることとシール面に潤滑油を供給して潤滑油膜を形
成することを目的として、保持溝１２ａをシリンダボア
８の小径チャンバ８ｂに連通させる。すなわち、図１に
示すように、小径チャンバ８ｂに流路孔１３を連通させ
てこれを回転軸２の周壁に沿うように形成し、各保持溝
１２ａに分岐路１３ａを接続し、封入した潤滑油がパッ
キン１２ｂの基端部に至るようにする。

【００３１】以上の構成において、ロボットアームの出
力軸に回転軸２が連結され、カプラー２ａに各種の工具
類のアクチュエータ（図示せず）を装着する。このと
き、アクチュエータを作動させる作動流体を内部流路に
供給して給排させるため、接続路６ｄと回収路７ａをそ
れぞれアクチュエータの内部流路に接続する。

【００３２】なお、ロータリジョイントをロボットハン
ドのアームに装着するとき、ロボットアームとの間にス
トッパ機構等を設けておき、ロボットアームの出力軸に
対して固定軸１が旋回しないようにする。

【００３３】ロボットアームへの装着後には、アクチュ
エータへの作動油の供給の他、動力用ロータリコネクタ
３及び信号用ロータリコネクタ４によって、アクチュエ
ータに給電と制御信号の伝達が行われ、ロボットアーム
の動きとアクチュエータの作動の合成によって各種の加
工等の作業が行われる。

【００３４】アクチュエータへの作動油が供給されると
き、シリンダボア８は連通孔１１によって連絡路６ｃに
連通しているので、作動油の圧力が大径チャンバ８ａ内
に位置しているピストン９に作用する。このため、図１
においてシリンダボア８内の左半分で示すピストン９が
下降している状態から、右半分で示すようにピストン９
が上に押され、大径チャンバ８ａ内の空気は空気抜き流
路１０ｂから排出される。

【００３５】一方、小径チャンバ８ｂから分岐路１３ａ
まで封入されている潤滑油は、このピストン９の移動に
よって圧縮される。そして、アクチュエータ側への作動
油による大径チャンバ８ａ内のピストン９の受圧面積
は、小径チャンバ８ｂ内のそれよりも大きいため、この
面積比によって潤滑油を作動油側よりも大きく加圧する
ことができる。

【００３６】このように加圧された潤滑油は、分岐路１
３ａからパッキン１２ｂに圧力を加え、図３のようにス
ペーサ１２ｃに密着していたパッキン１２ｂが、図４の
ようにこれから離れるようになる。すなわち、潤滑油が
パッキン１２ｂとスペーサ１２ｃの中に入り込むように
なって、パッキン１２ｂを押し広げ、先端部を保持溝１
２ａの内周壁側へ開くように弾性変形させる。

【００３７】このようなパッキン１２ｂの変形によっ
て、分岐路１３ａから潤滑油が図の寸法Ａの範囲で固定
軸１の内周面に分布可能となり、この範囲内で潤滑油膜
を形成する。そして、潤滑油自体も加圧されているの
で、これによって押されるパッキン１２ｂによるシール
圧も高くなる。したがって、固定軸１と回転軸２との摺
動面は良好にシールされてアクチュエータ側への作動油
のリークが防止されると同時に、潤滑によって焼き付け
の発生がなくなる。

【００３８】更に、アクチュエータ側への作動油の給排
が間欠的に行われて大径チャンバ８ａに伝達される圧力
が上下に変動する場合では、その圧力が高いときは図４
の状態及び圧力が低いときは図３の状態となるようにパ
ッキン１２ｂが繰り返し変形する。そして、圧力が低い
ときでも、ピストン９による加圧によってパッキン１２
ｂにはシール方向への作用力が働くので、良好なシール
が維持される。

【００３９】このように、固定軸１と回転軸２との間の
摺動面に潤滑油を継続して供給することによって、シー
ル環１２の弾性変形によって、この摺動面に常に潤滑油
膜を形成することができる。したがって、回転軸２が様
々な回転速度で長い時間回転を続けても、焼付けの発生
が防止される。

【００４０】図５は別の実施例であって、ロータリジョ
イントをアクチュエータの作動流体の流路系と共に示す
要部の縦断面図である。

【００４１】この例は、アクチュエータとして複動シリ
ンダ１４を装着する場合に、その作動油を固定軸だけで
なく回転軸２の中に循環させてシール面の潤滑と高シー
ル圧を可能としたものである。

【００４２】回転軸２のシリンダボア８は、先の例と同
様に連通孔１１によって連絡路６ｃに連通している。そ
して、空気抜流路１０ｂを設けるのに代えて、大径チャ
ンバ８ａには還流路７ｃとの間を接続する連通路１５を
設ける。また、固定軸の供給路６ａと還流路７ｃをそれ
ぞれ切換え弁１６に接続し、この切換え弁１６の操作に
よって複動シリンダ１４を作動可能とする。

【００４３】この構成においてもパッキン１２ｂの弾性
変形によって作動油を潤滑油としてシール面に供給で
き、潤滑油膜を形成することができ、焼き付けの発生を
防止することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明では、たとえばゴム製のパッキン
をシール用として用いることができ、アクチュエータを
作動させるための作動油の圧力を利用してシール圧を高
く維持できるほか、シール面に潤滑油を供給できるので
潤滑油膜を形成でき、固定軸と回転軸との間の焼き付き
の発生も防止できる。

【００４５】また、従来のメカニカルシールに比べる
と、パッキンによるシール抵抗だけでありしかもこの抵
抗は潤滑油膜によって低減されるので、回転軸の駆動ト
ルクも小さくできる。したがって、ロボットアームの運
動性能を損ねることなくアクチュエータを作動させるこ
とができ、精度の高い作業が可能となる。

【００４６】更に、パッキンの加圧及びその変形を利用
した潤滑油のシール面への供給は、アクチュエータの作
動用の作動油を利用しているので、特別の加圧源を必要
とせず、装置容量も大型化することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロータリジョイントの概略を示す縦断
面図である。

【図２】動力用及び信号用のロータリコネクタの構造及
びアクチュエータへの作動油の給排系を示すための概略
縦断面図である。

【図３】回転軸の周りに設けるシール環及び潤滑油の供
給路を示す要部の拡大縦断面図である。

【図４】加圧された潤滑油によるパッキンの変形時を示
す要部の縦断面図である。

【図５】アクチュエータとして複動シリンダを使うとき
に最適な作動油の循環系を備えたロータリジョイントの
例を示す概略縦断面図である。

【符号の説明】

１ 固定軸 １０ａ 供
給口 ２ 回転軸 １０ｂ 空
気抜き流路 ３ 動力用ロータリコネクタ １１ 連
通孔 ４ 信号用ロータリコネクタ １２ シ
ール環 ６ａ 供給路 １２ａ 保
持溝 ６ｂ 流路溝 １２ｂ パ
ッキン ６ｃ 連絡路 １２ｃ ス
ペーサ ６ｄ 接続路 １３ 流
路孔 ７ａ 回収路 １３ａ 分
岐路 ７ｂ 連絡路 １４ 複
動シリンダ ７ｃ 還流路 １５ 連
通路 ８ シリンダボア １６ 切
換え弁 ８ａ 大径チャンバ ８ｂ 小径チャンバ ９ ピストン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットアームの回転出力軸に対してそ
   の軸線周りに絶対静止可能な中空の固定軸と、該固定軸
   の内部に回転自在に組み込まれ軸線方向の一端を前記回
   転出力軸に結合し且つ他端面を作業用のアクチュエータ
   の装着面とした回転軸とを備え、前記固定軸及び回転軸
   に前記アクチュエータへの作動油の給排のための流路を
   形成し且つ前記作動油をシールするためのシール構造を
   前記固定軸と回転軸との間に備えたロータリジョイント
   であって、前記回転軸の外周面に保持溝を凹ませて全周
   に設けると共に該保持溝に前記固定軸の内周壁に密着可
   能なパッキンを設け、前記保持溝を前記回転軸に設けた
   前記作動油の流路に連通接続すると共に該流路に潤滑油
   を封入し、前記作動油の圧力を前記潤滑油を介して前記
   パッキンに伝達可能とし、更に、前記パッキンを、前記
   潤滑油が前記固定軸とのシール面に膨潤可能な少なくと
   も二つ割り構造としたことを特徴とするロータリジョイ
   ントのシール構造。
2. 【請求項２】 前記保持溝と前記回転軸に設けた作動油
   の流路との間に異径のシリンダボアを設け、該シリンダ
   ボアの大径チャンバを前記作動油の流路側に連通接続す
   ると共に小径チャンバを前記保持溝側に連通させ、前記
   シリンダボアに組み込むピストンによって前記潤滑油の
   圧力を増幅して前記パッキンに伝達可能としたことを特
   徴とする請求項１記載のロータリジョイントのシール構
   造。