JPH07314374A - 関節部用軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ロボットアームなどとされる二つのリンクの関
節部において関節部用軸受装置のみを簡単に脱着交換で
きるようにし、メンテナンス費を低減できるようにする
こと。 【構成】ロボットアームなどの二つ一対のリンク１、２
に対して関節部用軸受装置３をボルト３８、ナット４０
により結合することにより、脱着作業を簡略化させてい
る。また、関節部用軸受装置３の構成要素（ハウジング
３１、シャフト３２、アンギュラ玉軸受３３の内・外輪
３３１、３３２）を線膨張係数の近似する材料で形成す
ることにより、高温時に関節部用軸受装置３の内部での
各はめ合い隙間が変化するのを回避させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばロボットアーム
などの関節部に着脱自在に設けられる軸受装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットアームの関節部として、
例えば特開昭６３−２１０４１６号公報や特開平５−６
０１４３号公報に示すように、二つの転がり軸受と軸と
を用いた構造が知られている。すなわち、これらの従来
例では、二つのリンクの各一端にそれぞれ設けられる貫
通孔それぞれに一つずつ転がり軸受を内嵌装着して、こ
れら両転がり軸受の内周部それぞれに一本の軸の両端部
分を内嵌装着した構造になっている。

【０００３】ところで、一般産業機械用のロボットアー
ムでは、使用環境も室温の場合がほとんどであって、関
節部に用いる転がり軸受をグリースなどで潤滑できるよ
うになっているため、関節部の転がり軸受については比
較的寿命が長くなっていて頻繁に交換する必要がない。
このような理由により、関節部の構造は、おおむね前述
したようにリンクの貫通孔に転がり軸受を直接組み込む
形態が採用されているのである。

【０００４】このような歴史の古い一般産業機械用のロ
ボットアームの関節部の構造が、例えばスパッタ装置の
チャンバ内部に設置されるような特殊なロボットアーム
においても、そのまま受け継がれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したような特殊な
ロボットアームでは、使用空間を清浄に保つ必要がある
ために、ロボットアームに用いる転がり軸受はほとんど
固体潤滑剤を利用するとともにその密封構造に工夫がこ
らされているが、その他にも、チャンバ内部が真空、高
温となるような苛酷な環境であるために、転がり軸受の
潤滑状態が短期間で悪化しやすく、ロボットアームの位
置決め精度が低下するなど動きに悪影響を及ぼすので、
比較的短いサイクルでの転がり軸受の交換が必要とな
る。

【０００６】この転がり軸受の交換は、ロボットアーム
のリンクの貫通孔から取り外して、新しいものを装着す
るのであるが、その作業そのものが面倒で手間がかかり
過ぎる他、リンクの貫通孔の寸法が転がり軸受の脱着に
よって変化することになり、それが原因でロボットアー
ムの傾きが大きくなるおそれがあるため、従来では、転
がり軸受が使用限界になると、ロボットアームの全体を
新しいものに交換するようになっており、メンテナンス
費が高くついている。

【０００７】なお、一般産業機械用のロボットアームの
場合でも、関節部の転がり軸受の交換が必要な場合に
は、前述と同様のことが言える。

【０００８】また、ロボットアームでは、揺動自在に結
合される二つのリンクをアルミニウム合金として軽量化
されることがあるが、このような材料からなるリンクで
あっても、その関節部に装着される転がり軸受の軌道輪
は、一般的に、ステンレス鋼などとされており、リンク
と転がり軸受の軌道輪との線膨張係数の差が大きくなる
ために、環境温度が高温（例えば３５０℃）になると、
リンクと転がり軸受とのはめ合い隙間が拡がることにな
り、リンクの傾きが大きくなるなど、リンクによる位置
決め精度が低下することになる。

【０００９】したがって、本発明は、ロボットアームな
どとされる二つのリンクの関節部において関節部用軸受
装置のみを簡単に脱着交換できるようにし、メンテナン
ス費を低減できるようにすることを課題とする。また、
本発明は、高温環境で使用するときでもリンクの傾きを
無くせるようにすることを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、二つのリンク
の各一端に設けられる貫通孔それぞれを同軸状に合わせ
て、これら両貫通孔に対して着脱自在に装着されること
により、該二つのリンクを揺動自在に連結する関節部用
軸受装置であって、軸方向中間に径方向外向きに延出す
る鍔が設けられかつ該鍔の一側面に前記第１リンクの一
端の貫通孔の周囲の端面を当接させるように前記第１リ
ンクの貫通孔内に内嵌された状態で鍔と第１リンクとが
連結手段により結合される筒形のハウジングと、このハ
ウジングの内孔に同心状に挿入された状態で二つの転が
り軸受を介して相対回転自在に支持されかつ軸方向一端
が前記第２リンクの貫通孔に挿入されて連結手段により
結合されるシャフトと、このシャフトとハウジングとの
間に形成される環状空間の軸方向両端に設けられる密封
装置とを備え、前記転がり軸受の軌道輪、シャフトおよ
びハウジングが、線膨張係数の近似する金属材料で形成
されている。

【００１１】

【作用】上記の構成では、関節部用軸受装置の交換が必
要な場合には、関節部用軸受装置を連結手段により各リ
ンクから取り外せばよい。つまり、この交換では、連結
手段を操作するだけと作業が簡単になるとともに、この
交換作業によってリンクが傷まずに済むので、このリン
クについてはそのまま使用できる。

【００１２】また、転がり軸受の軌道輪、シャフトおよ
びハウジングが、線膨張係数の近似する金属材料に設定
されているから、高温環境でも関節部用軸受装置の各構
成要素の熱膨張が相殺されることになるから、関節部用
軸受装置の内部での各はめ合い隙間がほとんど変化せず
に一定に保たれることになる。

【００１３】さらに、リンクが関節部用軸受装置の材料
と線膨張係数の差が大きい材料であっても、第１リンク
と前記関節部用軸受装置のハウジングとが、いわゆるフ
ランジ結合とされて連結手段により結合されており、ま
た、第２リンクと関節部用軸受装置のシャフトとが連結
手段により結合されているから、第１リンクと関節部用
軸受装置との間に熱膨張に伴うがたつきが発生せずに済
む。

【００１４】

【実施例】本発明の詳細を図１および図２に示す実施例
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例の関節部
用軸受装置で、図２の（１）−（１）線に沿う半断面
図、図２はロボットアームの関節部の平面図である。図
中、１、２は二本一対の帯状のリンク、３は関節部用軸
受装置である。

【００１５】二つのリンク１、２の各一端には、円形膨
出部１１、２１が形成されており、この円形膨出部１
１、２１の中心には、円形の貫通孔１２、２２が設けら
れている。この二つのリンク１、２の各一端に設けられ
る貫通孔１２、２２それぞれを同軸状に合わせた部位に
関節部用軸受装置３が着脱自在に装着されるようになっ
ており、これにより、二つのリンク１、２が揺動自在に
連結される。このリンク１、２は、軽量化を図るために
アルミニウム合金などで形成される。

【００１６】関節部用軸受装置３は、円筒形のハウジン
グ３１と、中空のシャフト３２と、転がり軸受としての
二つのアンギュラ玉軸受３３、３３と、スペーサ３４
と、密封装置としてのシールド板３５および押さえ蓋３
６と、波ワッシャ３７とを備えており、これらは下記す
るような構成になっている。

【００１７】ハウジング３１は、外周の軸方向中間に径
方向外向きに延出する鍔３１１が設けられているととも
に、内周の軸方向両端に径大の軸受嵌合面３１２、３１
２がそれぞれ設けられており、内周の軸方向中間で上側
の軸受嵌合面３１２との境には、径方向内向きに延出す
る鍔３１３が設けられている。このハウジング３１は、
その鍔３１１の一側面に第１リンク１の円形膨出部１１
の端面を当接させるように第１リンク１の貫通孔１２内
に圧入内嵌された状態で鍔３１１と第１リンク１とが連
結手段としてのボルト３８により掌合結合されるように
なっている。なお、このハウジング３１と、第１リンク
１の貫通孔１２との両はめ合い面は、研磨により高精度
に仕上げられている。また、前述の径方向内向きの鍔３
１３を設けているのは、ハウジング３１の上側の軸受嵌
合面３１２と軸方向中間部との段壁面３１４の径方向長
さを長くし、下記する波ワッシャ３７の当たり幅を可及
的に大きくするためである。

【００１８】シャフト３２は、その上端に大径部３２１
が、下端外周にねじ部３２２がそれぞれ形成されてい
る。このシャフト３２は、ハウジング３１の内孔３１５
に同心状に挿入された状態で、二つのアンギュラ玉軸受
３３、３３を介して相対回転自在に支持される。そし
て、シャフト３２の下端が第２リンク２の貫通孔２２に
その下側開口から突出する状態に挿入され、この突出す
る下端のねじ部３２２に連結手段としてのナット４０が
平ワッシャ４２を介して螺合されている。このナット４
０を締め込むと、シャフト３２の上端の大径部３２１、
上側のアンギュラ玉軸受３３の内輪３３１、スペーサ３
４、下側のアンギュラ玉軸受３３の内輪３３１および押
さえ蓋３６を介して、第２リンク２の両側をナット４２
と押さえ蓋３６とで挟む圧力が高められることになり、
シャフト３２が第２リンク２に対して傾くことなく強固
に結合されることになる。

【００１９】アンギュラ玉軸受３３、３３は、内輪３３
１、３３１と、外輪３３２、３３２と、複数の玉３３
３、３３３とからなり、玉３３３の使用数を増やして耐
荷重能力を可及的に高めるために保持器を用いない構造
となっている。内・外輪３３１、３３２は、ＪＩＳ規格
ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０、ＳＵＪ−２あるいはＳ
ＡＥ規格５１２０材などで、適宜焼き入れ硬化、浸炭焼
き入れ硬化などを施して使用される。玉３３３は、セラ
ミックス（例えば窒化けい素を主体とするもの）で形成
されており、軌道輪と玉とが異材質となるために凝着を
おこすことがなくなり、無潤滑で使用できるようにな
る。

【００２０】スペーサ３４は、円筒形に形成されてお
り、アンギュラ玉軸受３３、３３の両内輪３３１、３３
１間でシャフト３２の外周に外嵌される。

【００２１】シールド板３５は、比較的薄肉の環状板か
らなり、その外周がハウジング３１の上側の軸受嵌合面
３１２の上端に設けられてある溝（符号省略）に嵌入さ
れ、内周がシャフト３２の大径部３２１の外周面に微小
隙間を介して近接される。このシールド板３５は、ハウ
ジング３１とシャフト３２との間の環状空間を閉塞する
ものである。

【００２２】押さえ蓋３６は、第２リンク２の円形膨出
部２１とほぼ同一外径に設定された比較的厚肉の環状板
からなり、下側のアンギュラ玉軸受３３と第２リンク２
の上端面との間に介装された状態でシャフト３２に圧入
外嵌されている。この押さえ蓋３６の上面において、下
側のアンギュラ玉軸受３３の内輪３３１のみに当接し
て、外輪３３２に微小隙間を介して非接触となるよう
に、径方向ほぼ中間位置から外周までの範囲が凹まされ
ている。つまり、この押さえ蓋３６は、下側のアンギュ
ラ玉軸受３３の内・外輪３３１、３３２間の対向空間を
閉塞するものであるとともに、内輪３３１を第２リンク
２に対して直接接触させないようにする座金の役割りを
なすものである。ここでの押さえ蓋３６のようにその外
径寸法を第２リンク２の円形膨出部２１とほぼ同一にと
大きく設定することにより、第２リンク２に対する当接
面積を大きく設定していれば、第２リンク２のかじりを
防止するのに効果的である他、第２リンク２とシャフト
３２との結合強度を高めるのにも効果的である。

【００２３】波ワッシャ３７は、上側のアンギュラ玉軸
受３３の外輪３３２とハウジング３１の上側の段壁面３
１４との間に介装されており、上下のアンギュラ玉軸受
３３、３３に対して予圧を付加するものである。

【００２４】そして、ハウジング３１、シャフト３２、
スペーサ３４、シールド板３５、押さえ蓋３６および波
ワッシャ３７は、アンギュラ玉軸受３３、３３の内・外
輪３３１、３３２と線膨張係数の近似する金属材料例え
ばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４で形成されている。したがっ
て、高温環境でも、関節部用軸受装置３の各構成要素の
熱膨張が相殺されることになるから、関節部用軸受装置
３の内部での各はめ合い隙間がほとんど変化することな
く一定に保たれる。

【００２５】一方、アルミニウム合金からなるリンク
１、２と、ステンレス鋼からなる関節部用軸受装置３と
の線膨張係数の差は大きくなっているけれども、第１リ
ンク１とハウジング３１との間の結合や、第２リンク２
とシャフト３２との結合が強固に設定されていて温度変
化の影響を受けないように設定されているので、高温時
において二つのリンク１、２の関節部でのがたつきがほ
とんどなくなり、リンク１、２の傾きは発生せずに済
む。

【００２６】また、上述したように、リンク１、２と関
節部用軸受装置３との連結をボルト３８やナット４０で
行うようにしていれば、この関節部用軸受装置３の交換
時期には、ボルト３８やナット４０を操作するだけで、
関節部用軸受装置３だけをリンク１、２に対して簡単に
脱着できるようになる。また、リンク１、２については
傷みが発生せずに済むので、交換する必要がなくなる。

【００２７】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ない。例えば、関節部用軸受装置３のアンギュラ玉軸受
３３は、深溝型玉軸受や各種のころ軸受などで代用する
こともできる。また、上記実施例においては、アンギュ
ラ玉軸受を無潤滑（ドライ）で使用するようにしている
が、真空度および環境温度によっては、真空用グリース
あるいは銀イオンプレーティング、鉛、金、銅などの軟
質金属膜、さらには二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）など
の固体潤滑剤の使用も可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明の関節部用軸受装置は、ロボット
アームを構成する二つのリンクに対して連結手段を介し
て脱着自在な構成になっているから、当該関節部用軸受
装置の交換が必要なときには連結手段を操作するだけの
簡単な作業でもってリンクに対する脱着を行うことがで
きて、交換後もリンクのがたつきを発生させないように
できる。したがって、関節部用軸受装置の脱着は熟練度
が不要となる。しかも、この関節部用軸受装置の脱着時
には従来のようにリンクが傷むことがないので、リンク
についてはもとからのものを半永久的に使用できるなど
無駄を無くせるから、メンテナンス費を大幅に削減でき
るようになる。

【００２９】また、高温環境でも関節部用軸受装置の各
構成要素の熱膨張が相殺されるように転がり軸受の軌道
輪、シャフトおよびハウジングの形成材料を設定してい
るから、関節部用軸受装置の内部での各はめ合い隙間を
ほとんど変化させずに一定に保つことができる。さら
に、リンクが関節部用軸受装置の材料と線膨張係数の差
が大きい材料で形成されていても、第１リンクと前記関
節部用軸受装置のハウジングとが、いわゆるフランジ結
合とされて連結手段により結合されており、また、第２
リンクと関節部用軸受装置のシャフトとが連結手段によ
り結合されているから、第１リンクと関節部用軸受装置
との間に熱膨張に伴うがたつきが発生せずに済む。これ
らのことから、高温でのリンクの傾きを防止することが
でき、位置決め精度の向上に貢献できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の関節部用軸受装置の一実施例に係り、
図２の（１）−（１）線に沿う半断面図。

【図２】ロボットアームの関節部の平面図。

【符号の説明】

１ 第１リンク ２ 第２リンク １２ 第１リンクの貫通孔 ２２ 第２リンクの貫通孔 ３ 関節部用軸受装置 ３１ ハウジング ３２ シャフト ３３ アンギュラ玉軸受 ３３１ アンギュラ玉軸受の内輪 ３３２ アンギュラ玉軸受の外輪 ３５ シールド板 ３６ 押さえ蓋 ３８ ボルト ４０ ナット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つのリンクの各一端に設けられる貫通
   孔それぞれを同軸状に合わせて、これら両貫通孔に対し
   て着脱自在に装着されることにより、該二つのリンクを
   揺動自在に連結する関節部用軸受装置であって、 軸方向中間に径方向外向きに延出する鍔が設けられかつ
   該鍔の一側面に前記第１リンクの一端の貫通孔の周囲の
   端面を当接させるように前記第１リンクの貫通孔内に内
   嵌された状態で鍔と第１リンクとが連結手段により掌合
   結合される筒形のハウジングと、 このハウジングの内孔に同心状に挿入された状態で二つ
   の転がり軸受を介して相対回転自在に支持されかつ軸方
   向一端が前記第２リンクの貫通孔に挿入されて連結手段
   により結合されるシャフトと、 このシャフトとハウジングとの間に形成される環状空間
   の軸方向両端に設けられる密封装置とを備え、 前記転がり軸受の軌道輪、シャフトおよびハウジング
   が、線膨張係数の近似する金属材料で形成されている、
   ことを特徴とする関節部用軸受装置。