JPWO2004113031A1 - ロボットアームカップリング装置用マスタプレート及びツールプレート、ロボットアームカップリング装置 - Google Patents

Abstract

ロボットアームに取り付けられたマスタプレート１と、ツール等が取り付けられるツールプレート２と、両プレート１，２を一体的に連結してロック固定するロック機構２７とを有するロボットアームカップリング装置において、そのロック機構２７にボール部材４４を用いながら、ロボットアームカップリング装置の薄型化を図ることを目的とする。そのために、ロック機構２７のカム部材２８外周面に、ボール部材４４を収容可能な複数の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝２９を、またツールプレート２のボール受け５８に、ボール部材４４を収容可能な複数の断面円弧状のツール側ボール収容溝６３をそれぞれカム部材２８の略スライド方向に沿って延びるように形成し、このマスタ側ボール収容溝２９内面にマスタ側第１傾斜部３０を、またツール側ボール収容溝６３内面にマスタ側第１傾斜部３０と逆向きに傾斜するツール側傾斜部６４をそれぞれ設け、カム部材２８がロック位置に位置付けられた状態でマスタ側第１傾斜部３０がボール部材４４を押圧してツール側傾斜部６４に当接させるようにする。

Description

本発明は、ロボットアームカップリング装置用のマスタプレート及びツールプレート並びにそれらを組み合わせたロボットアームカップリング装置に関するものである。

一般に、ロボットのアームに対してツール等の脱着を行うことができるようにしたカップリング装置として、ロボットアームに取り付けられたマスタプレート（インナアッセンブリ）と、ツール等が取り付けられるツールプレート（アウタアッセンブリ）と、これら両プレートを連結してロックするロック手段とを有するカップリング装置は知られている。
このような装置として、従来、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとの連結及び連結解除を素早く行うことができるようにしたものとして、例えば米国特許第４，６９６，５２４号明細書及び図面に記載されるように、ロック手段が、インナアッセンブリによってロック位置とロック解除位置との間をスライド可能に支持されるピストン部材と、このピストン部材の周囲に配設され、インナアッセンブリに支持される複数のボール部材と、上記アウタアッセンブリに配設され、ボール部材とテーパ面で接触可能で、ピストン部材がロック位置に移動したとき、ボール部材と協働して両プレートを連結保持するボール受けとを有するものが知られている。この装置によれば、ピストン部材がロック位置に移動したとき、ボール部材がテーパ面を介してアウタアッセンブリを上方に押し上げ、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとが連結されるようになっている。
しかし、上記従来のカップリング装置においては、ピストン部材がロック位置にあるときに、ボール部材に接触するのは、ピストン部材の摺動方向に平行に延びる円筒状面であるため、インナアッセンブリやアウタアッセンブリ等について加工のばらつきがあると、ボール部材をロック位置に完全に移動させることができず、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとの連結の際、連結面が一致しないという虞れがあり、連結位置の再現性に劣る。
このような問題を解決するために、従来、特開平４−６３６８８号公報に示されるように、マスタプレートとツールプレートとを一体的に連結してロック固定するロック手段として、マスタプレートにロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持された円板形状のカム部材と、このカム部材の周囲に配設され、上記マスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に支持される複数のボール部材と、上記ツールプレートに配設され、上記カム部材がロック位置に移動したときに両プレートを連結保持するようにボール部材と係合するリング形状のボール受けとを設け、カム部材の外周にマスタ側テーパ面（カム面）を、またボール受けの内周にマスタ側テーパ面と逆方向に傾斜するツール側テーパ面（カム面）をそれぞれ形成し、カム部材がロック位置に位置付けられた状態でマスタ側テーパ面がボール部材をツール側テーパ面に当接させるように押圧することにより、マスタプレートとツールプレートとの連結時に両プレートの連結面に隙間が生じないようにして、連結位置の再現性を向上させたものが提案されている。
ところで、この種のロボットアームカップリング装置においては、近年、以下に列記する理由から、そのマスタプレートとツールプレートとの結合状態での結合方向に沿った厚さ（大きさ）を薄くする薄型化の要求が生じている。
（１） すなわち、まず、例えば自動車生産ラインのプレス工程において、プレス機から他のプレス機にワークをロボットでハンドリングする場合、プレス機に対するワークの取出し及び投入を行うために、そのプレス機の開いた金型の間にロボットによりカップリング装置がワーク及びその保持装置と共に挿入される。このとき、金型の開くストロークに制限があるので、ロボットアームカップリング装置の厚さは極力薄くしておく必要がある。
（２） また、ロボットの手首フランジとワークを把持するハンドとの間にカップリング装置が装着される構造では、上記フランジからハンドの重心までの距離が長いと、その分、ロボットにかかる負荷（モーメント）が大きくなる。この負荷を軽減させるには、カップリング装置の厚さを薄くして上記フランジからハンド重心までの距離を可及的に短くすることが要求される。
（３） さらに、同様に、ロボットの手首フランジとワークを把持するハンドとの間にカップリング装置が装着される構造では、そのカップリング装置の厚さの影響でロボットの作業が困難又は不可能になるエリアが生じることから、このエリアを小さくし又はなくすには、カップリング装置の厚さを薄くせねばならない。
このような要求の下で上記提案例の構造を考察したとき、この提案例のものでは、カム部材の円弧状外周部のマスタ側テーパ面とボール部材との接触、及び該ボール部材とボール受けの円弧状内周部のツール側テーパ面との接触により両プレートを締結して外部からの負荷を支えているので、各接触点での面圧の増大を抑えるには大きな直径のボール部材を使用する必要がある。つまり、この大径のボール部材の分だけ、カップリング装置の厚さが厚くなるばかりでなく、ボール部材を半径方向外側に押し出すためにカム部材のカップリング装置厚さ方向の動作ストロークをも大きくせねばならず、その動作ストロークの増加分によってもカップリング装置の厚さが厚くなり、上記薄型化を十分に満たし得ない難がある。
尚、上記接触点での面圧を低減させるために、ボール部材をローラ部材に置き換えてもよく、その場合、カム部材外周のマスタ側テーパ面とローラ部材との接触、及び該ローラ部材とボール受け（ローラ受け）内周のテーパ面との接触面積がボール部材に比べて大きくなって面圧は小さくなる。
しかしながら、接触点の面圧を左右する４方向の曲率半径のうち、ローラ軸方向の１つが直線となるだけで効果は小さく、このことから、ローラ部材の直径自体を大きくすることが必然となり、カップリング装置の厚さを極力薄くできる有効な手段とはなり得ない。
しかも、ローラ部材にあってはボール部材と異なり、それを押し出す際に傾かず（こじらず）に転動できる構造にする必要があり、そのためには、部品点数が増加するばかりのみならず、ローラ部材を収容する機械加工の難易度も高く、コストアップするのが避けられない問題もある。
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的は、上述した如きロボットアームカップリング装置の構造に改良を加えることで、ボール部材を用いながら、そのロボットアームカップリング装置の薄型化を図ることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、ボール部材をカム部材及びボール受けの双方において断面略円弧状のボール収容溝内に配置し、その各ボール収容溝の内面をボール部材と接触させて、接触面積を増大させるようにした。
具体的には、この発明では、ロボットアームに取り付けられたマスタプレートと、ツール等が取り付けられるツールプレートと、これら両プレートを一体的に連結してロック固定するロック手段とを有し、このロック手段が、上記マスタプレートにロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持されたカム部材と、このカム部材の周囲に配設され、上記マスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に支持される複数のボール部材と、上記ツールプレートに配設され、上記カム部材がロック位置に移動したときに両プレートを連結保持するようにボール部材に係合されるボール受けとを備えたロボットアームカップリング装置が前提である。
そして、上記カム部材には、カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されている一方、上記ボール受けには、上記カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝がボール受けの周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されている。
また、上記マスタ側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側第１傾斜部が形成され、上記ツール側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記マスタ側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が形成されており、上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態で上記マスタ側第１傾斜部がボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧する構成されていることを特徴とする。
この構成により、カム部材がロック位置に移動した状態で、カム部材はそのマスタ側ボール収容溝内におけるマスタ側第１傾斜部によってボール部材をボール受けのツール側ボール収容溝内におけるツール側傾斜部に当接するように押圧し、そのマスタ側第１傾斜部による楔効果によりボール部材が半径方向外側に押圧付勢される。それから、このボール部材はツール側傾斜部を介してボール受け及びツールプレートを押圧してマスタプレート側に付勢し、このことで両プレートが隙間なく連結される。
そのとき、上記ボール部材がカム部材における断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝及びボール受けにおける同様のツール側ボール収容溝に収容されているので、ボール部材はマスタ側ボール収容溝及びツール側ボール収容溝の各内面（基本的に溝底面）に接触することとなり、両者の接触形態はボール部材の外周面とボール収容溝の内面とによる、同じ方向に湾曲した円弧面同士の接触となり、ボール部材がカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造に比べ接触面積が増加する。換言すれば、小径のボール部材を用いながら、接触面積を増加させて接触面圧を低減させることができる。このことで、ボール部材の直径を小さくし、そのカム部材の動作ストロークを小さくして、ロボットアームカップリング装置の厚さを薄くすることができる。
また、上記マスタ側ボール収容溝の内面には、マスタ側第１傾斜部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向と平行な形状とされたストレート部が連設されている構造としてもよい。
こうすれば、カム部材のスライド位置が所定位置に保持されず、ボール部材が半径方向内側に変位してカム部材をロック解除位置側たる後退側に戻しても、マスタ側第１傾斜部のカム部材のロック位置側にストレート部が連設されているので、その部位でボール部材からカム部材に該カム部材を後退させる力が作用しなくなり、マスタプレートとツールプレートとの分離は規制される。
上記マスタ側ボール収容溝の内面には、上記ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と同方向に傾斜する形状とされたマスタ側第２傾斜部が形成され、上記ストレート部とマスタ側第２傾斜部とは、溝長さ方向の断面が円弧形状とされた円弧部を介して連続している構成としてもよい。
またこの他、マスタ側ボール収容溝の内面には、ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と略同方向に傾斜する形状とされた円弧部が連設されている構成としてもよい。
上記マスタ側ボール収容溝及び／又はツール側ボール収容溝の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ２倍以下とするのが好ましい。さらに、マスタ側ボール収容溝及び／又はツール側ボール収容溝の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ１．５倍以下としてもよい。
上記カム部材がマスタプレートに対し、カム部材のスライド方向に沿った軸線回りに相対的に回転するのを阻止する回り止め機構を設けることが好ましい。このようにカム部材の回転を阻止することで、カム部材がロック位置にあるときは勿論、ロック解除位置にあるときでも、常にカム部材のマスタ側ボール収容溝とボール部材を対応させて、そのボール部材をマスタ側ボール収容溝に収容させることができ、安定した動作が得られる。
上記マスタプレートは、ロボットアームに第１締結部材により取り付けられるマスタボディと、このマスタボディに上記第１締結部材とは異なる第２締結部材により固定され、ボール部材を収容するボール収容部を有するシリンダヘッドとを備えてなる構成としてもよい。
こうすると、マスタボディのみをロボットアームに第１締結部材により取り付けることができ、マスタボディ及びシリンダヘッドを共に共通の締結部材によりロボットアームに取り付ける構造に比べ、ロボットアームカップリング装置の薄型化を図りつつ、その強度を大に保持することができる。
また、ロボットアームに取り付けられ、ボール受けを備えたツールプレートに対し連結されるロボットアームカップリング装置用マスタプレートとして、以下のように構成してもよい。すなわち、上記ボール受けには複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝が形成されて、このツール側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が設けられている。
そして、マスタプレートは、ロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、このカム部材の周囲にカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記ボール受けのツール側傾斜部に接触してツールプレートを連結保持する複数のボール部材とを備えている。さらに、上記カム部材には、カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設され、上記マスタ側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記ツール側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされかつ上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態でボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧するマスタ側傾斜部が形成されているものとする。
一方、内面に、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側傾斜部が形成された複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝を有し、かつロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、このカム部材周囲のマスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動する複数のボール部材とを備えてなるマスタプレートに連結されるロボットアームカップリング装置用ツールプレートとして、以下のように構成してもよい。すなわち、ツールプレートは、内面に、溝長さ方向の断面が上記マスタ側傾斜部と反対方向に傾斜する形状とされ、かつマスタプレートのボール部材と接触可能なツール側傾斜部が形成された複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝を有するボール受けが設けられており、上記カム部材がロック位置に移動したときに、上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動するボール部材を上記ボール受けのツール側傾斜部に接触させることにより、マスタプレートに連結保持されるように構成されているものとする。

図１は、本発明の実施形態におけるロボットアームカップリング装置を両プレートの連結状態で示す縦断面図である。
図２は、マスタプレートの縦断面図である。
図３は、ツールプレートの縦断面図である。
図４は、図５のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
図５は、マスタ側ボール収容溝をカム部材の側方から見た拡大正面図である。
図６は、マスタ側ボール収容溝をカム部材の下側から見た拡大平面図である。
図７は、図９のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
図８は、カム部材の斜視図である。
図９は、カム部材を下側から見た平面図である。
図１０は、ボール受けを下側から見た平面図である。
図１１は、ボール受けの斜視図である。
図１２は、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
図１３は、ツール側ボール収容溝をボール受けの内側から見た拡大正面図である。
図１４は、ツール側ボール収容溝をボール受けの下側から見た拡大平面図である。
図１５は、図１３のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
図１６は、マスタシリンダを下側から見た平面図である。
図１７は、ボール収容孔の拡大断面図である。
図１８は、他の実施形態を示す図４相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
図１は本発明の実施形態に係るロボットアームカップリング装置Ａの主要部を示す。このロボットアームカップリング装置Ａは、図示しないロボットアームにツール等を交換可能に装着するためのもので、図２に示すマスタプレート１と、図３に示すツールプレート２とを備え、マスタプレート１はロボットアームに取り付けられる一方、ツールプレート２にツール等が取り付けられ、これら両プレート１，２はロック機構２７により互いに素早く連結及び連結解除がなされるように構成されている。
尚、図示しないが、マスタプレート１にはマスタコネクタが、またツールプレート２にはツールコネクタがそれぞれ取り付けられており、両プレート１，２の連結時にマスタコネクタとツールコネクタとが電気的に接続されて、その接続によりツールを制御する電気制御系が構成される。また、以下の説明では、説明の便宜上、マスタプレート１を上側（ロボットアーム側）に、またツールプレート２を下側にそれぞれ配置されているものとして説明する。
上記マスタプレート１は、ロボットアームに第１ボルト２０（第１締結部材）により取り付けられるマスタボディ４と、このマスタボディ４の下側に上記第１ボルト２０とは異なる第２ボルト２１（第２締結部材）により一体的に固定され、複数のボール部材４４，４４，…を収容するボール収容孔１５，１５，…を有するシリンダヘッド１０とを備えてなる。
上記マスタボディ４は、上側の小径孔５と、この小径孔５に同心状で段差状に連続する下側の大径孔６とが中心部に貫通形成されたリング状のもので、その小径孔５及び大径孔６間の段差部に相当する部分には、複数（例えば８つ）の第１ボルト挿通孔７，７，…と複数（例えば８つ）の第２ボルト挿通孔８，８，…とが円周方向に交互に配置された状態で貫通形成され、後者の第２ボルト挿通孔８のマスタボディ４上面での開口には他の部分よりも大径のボルトヘッド収容部８ａが形成されている。
一方、シリンダヘッド１０は、図１６にも示すように、下側に開口する有底円筒状のもので、その底部の中心にはロッド部挿通孔１１が貫通形成されている。シリンダヘッド１０の上端外周部には、上記マスタボディ４の大径孔６に下面がマスタボディ４下面と面一となるように嵌装されるフランジ部１０ａが一体に形成され、このフランジ部１０ａには、上記マスタボディ４の第１ボルト挿通孔７に対応した位置に第１ボルト挿通孔７よりも大径のボルトヘッド収容孔１２が、またマスタボディ４の第２ボルト挿通孔８，８，…のうち直径方向に対向する所定の１対の第２ボルト挿通孔８，８に対応した位置にボルト挿通孔１３，１３が、さらに残りの各第２ボルト挿通孔８に対応した位置にボルト螺合孔１４がそれぞれ貫通形成され、上記各ボルト挿通孔１３のシリンダヘッド１０下面での開口には他の部分よりも大径のピン収容部１３ａが形成されている。
そして、シリンダヘッド１０のフランジ部１０ａをマスタボディ４の大径孔６に嵌装し、その状態で、フランジ部１０ａにおけるボルトヘッド収容孔１２及びマスタボディ４の第１ボルト挿通孔７に第１ボルト２０をシリンダヘッド１０下側から挿通して、その先端部（上端部）をマスタボディ４上側に突出させ、その突出部をロボットアームに螺合締結させることで、マスタボディ４をロボットアームに一体的にかつ気密状に取付固定する。一方、マスタボディ４の各第２ボルト挿通孔８に第２ボルト２１をマスタボディ４上側から挿通し、その中の１対の第２ボルト２１，２１にあっては、先端部（下端部）をフランジ部１０ａのボルト挿通孔１３を通してフランジ部１０ａ下側に突出させて、その突出部に位置決めピン２２を螺合締結させる。また、残りの各第２ボルト２１にあっては、先端部（下端部）をフランジ部１０ａのボルト螺合孔１４に螺合締結する。このことで、シリンダヘッド１０をマスタボディ４に第２ボルト２１によって一体的にかつ気密状に取付固定するようにしている。尚、各第２ボルト２１のヘッド部はマスタボディ４の第２ボルト挿通孔８におけるボルトヘッド収容部８ａ内にマスタボディ４上面から、また各第１ボルト２０のヘッド部はシリンダヘッド１０のボルトヘッド収容孔１２内にフランジ部１０ａ下面からそれぞれ突出しないように収容される。また、マスタボディ４のロボットアームへの取付けにより小径孔５の上側開口が気密状に閉塞され、この小径孔５、シリンダヘッド１０上面及びロボットアームにより密閉状のシリンダ空間が形成される。
上記１対の第２ボルト２１，２１（第２締結部材）の各下端部に螺合される位置決めピン２２は、締結ナットを兼ねるもので、上端部がフランジ部１０ａのボルト挿通孔１３のピン収容部１３ａに収容されかつ下端部がフランジ部１０ａ下面から突出した状態で第２ボルト２１に螺合される。この位置決めピン２２は、下端部の角部が円弧面とされた比較的大径でかつ短い円筒状に形成されている。
尚、上記大径孔５外側のマスタボディ４下面には、マスタシリンダの直径方向に対向する位置に、先端部（下端部）が先細りテーパ形状とされたロボットティーチング用の１対のガイドピン２４，２４がその下部をマスタボディ４下面から突出させた状態で取り付けられ、この各ガイドピン２４はマスタボディ４にそれを上下に貫通する取付ボルト２５により固定されている。
シリンダヘッド１０の下部には、円周方向に等間隔をあけた位置に上記複数（例えば８つ）のボール収容孔１５，１５，…が、また所定のボール収容孔１５，１５間の位置に１つのピン孔１６がそれぞれシリンダヘッド１０の内外を半径方向に貫通するように形成され、上記ピン孔１６には回り止めピン１７が一部（係合部）をシリンダヘッド１０内側に突出させるように挿入されて固定されている。尚、図１７に拡大して示すように、各ボール収容孔１５のシリンダヘッド１０外周面の開口端部は部分的に他の部分よりも小径となっていて、ボール収容孔１５内のボール部材４４がシリンダヘッド１０外周側へ抜け止さないようになっている。
上記ロック機構２７は、マスタプレート１にロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持されたカム部材２８と、このカム部材２８の周囲に配設され、マスタプレート１にカム部材２８のスライド方向（上下方向）と略直交する方向（半径方向）に移動可能に支持される上記複数のボール部材４４，４４，…と、上記ツールプレート２に配設され、上記カム部材２８がロック位置に移動したときに両プレート１，２を連結保持するようにボール部材４４と係合するボール受け５８とを備えている。
すなわち、上記各ボール部材４４は、例えば直径１２．７ｍｍ（半径ｒ＝６．３５ｍｍ）の鋼球からなるもので、上記シリンダヘッド１０のボール収容孔１５にマスタプレート１の半径方向に移動可能に収容支持されている。
また、上記マスタボディ４の小径孔５内（シリンダ空間内）にはピストン４０がスライド可能に嵌挿されている。このピストン４０は、小径孔５内をＯリングからなるシール材４１を介して摺動可能に摺動する円板状のもので、その下面の中心部には、上記シリンダヘッド１０のロッド部挿通孔１１を摺動可能に気密状に貫通するロッド部４０ａが一体に突設されている。ピストン４０はマスタボディ４の小径孔５内（シリンダ空間内）を上下２室に区画しており、マスタボディ４に形成された空気通路（図示せず）を通じて両室の一方に選択して加圧エアを供給することで、ピストン４０を小径孔５内で往復動させるようになっている。
シリンダヘッド１０内に上記カム部材２８が下降端のロック位置及び上昇端のロック解除位置の間をスライド可能に配置されている。図７〜図９に示すように、このカム部材２８は円板状のもので、その中心部にて上記ピストン４０のロッド部４０ａの先端部（下端部）に連結ボルト４２により移動一体に締結されており、このピストン４０の往復動によりカム部材２８が駆動されてシリンダヘッド１０内をロック位置及びロック解除位置間をスライドする。
上記カム部材２８の外周面には、複数（例えば８つ）の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝２９，２９，…がカム部材２８の周方向において上記ボール部材４４の位置（シリンダヘッド１０のボール収容孔１５の位置）に対応して配設されている。この各マスタ側ボール収容溝２９は、図４〜図６に拡大詳示するように、カム部材２８の外周下端隅角部を部分的に円弧溝状に切り欠いた形状のもので、基本的にカム部材２８のスライド方向（上下方向）に沿って延び、その上端部はカム部材２８の上面ではなくて外周面の上端近傍に位置しており、この各マスタ側ボール収容溝２９内に各ボール部材４４を収容可能となっている。尚、マスタ側ボール収容溝２９はその上端部がカム部材２８の上面まで達するように形成してもよい。
各マスタ側ボール収容溝２９の内面（基本的に溝底面）には、マスタ側第１傾斜部３０と、このマスタ側第１傾斜部３０よりもカム部材２８のロック位置側（下側）に連続するストレート部３１と、このストレート部３１よりもカム部材２８のロック位置側（下側）に連続するマスタ側第２傾斜部３２とが形成され、マスタ側第１傾斜部３０とストレート部３１とは上側円弧部３３を介して連続し、ストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とは下側円弧部３４を介して連続している。これら第１傾斜部３０、ストレート部３１、第２傾斜部３２及び円弧部３３，３４は、いずれもマスタ側ボール収容溝２９の内面（溝底面）に位置し、各々の位置での溝の半径ｒ１は同じであるが、その円弧中心を変えることによって形成される。このような段差状の溝底面を有する円弧半径ｒ１のマスタ側ボール収容溝２９を形成する場合、図４に仮想線にて示すように、先端半径ｒ１を持つエンドミルＭを用い、その中心Ｏを所定の軌跡Ｌで移動させながらカム部材２８を切削することで、容易に形成することができる。
上記マスタ側第１傾斜部３０及びマスタ側第２傾斜部３２はいずれも、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向に対し下側に向かってカム部材２８中心側（図４右側）に向かうように後述のツール側傾斜部６４の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされ、その第１傾斜部３０の上下方向（鉛直軸線）に対する傾斜角度θ１は第２傾斜部３２の同傾斜角度θ２と同じ（θ１＝θ２）であってもよいが、第２傾斜部３２による楔効果を高め、ロボットアームの急激な動きに対しても確実に連結状態を維持できるようにするために、本実施形態では第１傾斜部３０の傾斜角度θ１の方が第２傾斜部３２の傾斜角度θ２よりも小さく（θ１＜θ２）なるように設定されている。例えば第１傾斜部３０の傾斜角度θ１がθ１＝１５°であるのに対し、第２傾斜部３２の傾斜角度θ２はθ２＝４５°としている。
また、ストレート部３１は、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向と平行な形状とされており、その上下方向（鉛直軸線）に対する傾斜角度は０となっている。さらに、上記上側円弧部３３及び下側円弧部３４は、いずれも溝長さ方向の断面が面取り状の円弧形状とされている。上側円弧部３３はカム部材２８の中心側に、また下側円弧部３４はカム部材２８の外周側にそれぞれ膨出していて、これら円弧部３３，３４の膨出方向は互いに逆向きとなっており、上側円弧部３３によってマスタ側第１傾斜部３０とストレート部３１とが、また下側円弧部３４によってストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とがそれぞれ滑らかに連続している。
上記カム部材２８の外周面において、上記シリンダヘッド１０のピン孔１６に対応する位置には、カム部材２８のスライド方向に沿って延びる例えば断面矩形状の係合溝３６がカム部材２８の上下面間に亘り形成され、この係合溝３６には上記ピン孔１６に挿入された回り止めピン１７の係合部が摺動可能に係合されており、この回り止めピン１７及び係合溝３６により、カム部材２８がマスタプレート１に対し、カム部材２８のスライド方向に沿った鉛直軸線回りに相対的に回転するのを阻止する回り止め機構３７が構成されている。
これに対し、上記ツールプレート２は、ツール等に取り付けられるツールボディ５０と、このツールボディ５０の上側に固定され、上記ロック機構２７の一部をなすボール受け５８とを備えている。上記ツールボディ５０は、上側の大径孔５１と、この大径孔５１に同心状で段差状に連続する下側の小径孔５２とが中心部に貫通形成されたリング状のもので、その大径孔５１及び小径孔５２間の段差部に相当する部分には、複数（例えば１６）のボルト挿通孔５３，５３，…が円周方向に所定間隔をあけた状態で貫通形成され、この各ボルト挿通孔５３のツールボディ５０下面での開口には他の部分よりも大径のボルトヘッド収容部５３ａが形成されている。
また、大径孔５１外側のツールボディ５０上面には、ツールボディ５０の直径方向に対向する位置に１対の段状のピン挿通孔５４，５４が上記マスタボディ４の各ガイドピン２４の位置に対応して貫通形成され、この各ピン挿通孔５４の上端部内にはガイドピン２４よりも大きい内径を有するブッシュ５５が嵌合固定されており、ロボットにティーチングする際に、ガイドピン２４が対応するピン挿通孔５４のブッシュ５５内に嵌挿されるようになっている。
一方、図１０〜図１２にも示すように、上記ボール受け５８は、ツールボディ５０の小径孔５２よりも小さい内径を有するリング状のもので、ツールボディ５０の大径孔５１に上面がツールボディ５０下面と面一となるように嵌装される。このボール受け５８には、上記ツールボディ５０のボルト挿通孔５３に対応した位置にボルト螺合孔５９が貫通形成されており、ボール受け５８をツールボディ５０の大径孔５１に嵌装して、ツールボディ５０のボルト挿通孔５３に締結ボルト６０をツールボディ５０下側から挿通し、その先端部（上端部）をボール受け５８のボルト螺合孔５９に螺合締結することで、ボール受け５８をツールボディ５０に一体的に取付固定している。
また、ボール受け５８の上面には直径方向に対向する位置に、上記マスタプレート１側の位置決めピン２２が嵌合可能な浅い有底穴からなる１対の位置決め嵌合穴６１が形成されており、ツールプレート２をマスタプレート１に連結するときに、この位置決め嵌合穴６１に位置決めピン２２を嵌合させると、マスタプレート１におけるシリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５内にあるボール部材４４（カム部材２８のマスタ側ボール収容溝２９）がボール受け５８の後述するツール側ボール収容溝６３に円周方向に対応して位置決めされるようにしている。
そして、上記ボール受け５８の内周面下部には、複数（例えば８つ）の断面円弧状のツール側ボール収容溝６３，６３，…がボール受け５８の周方向において上記マスタプレート１側の各ボール部材４４の位置（カム部材２８のマスタ側ボール収容溝２９の位置）に対応して配設されている。この各ツール側ボール収容溝６３は、図１３〜図１５に拡大詳示するように、ボール受け５８の内周下端隅角部を部分的に円弧溝状に切り欠いた形状のもので、基本的に上記カム部材２８のスライド方向（上下方向）に沿って延び、その上端部はボール受け５８の上面ではなくてその外周面の上端近傍に位置しており、この各ツール側ボール収容溝６３内に各ボール部材４４を収容可能となっている。このツール側ボール収容溝６３の円弧半径ｒ１は、マスタ側ボール収容溝２９の円弧半径ｒ１と同じである（尚、これら両ボール収容溝６３，２９の円弧半径を互いに異ならせてもよい）。尚、ツール側ボール収容溝６３をその上端部がボール受け５８の上面まで達するように形成してもよい。
上記各ツール側ボール収容溝６３の内面（基本的に溝底面）にはツール側傾斜部６４が形成され、このツール側傾斜部６４は、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向に対し上記マスタ側ボール収容溝２９におけるマスタ側第１傾斜部３０の傾斜方向と反対方向に、つまり上側に向かってボール受け５８の中心側に向かうように傾斜する形状とされている。このツール側ボール収容溝６３においても、上記マスタ側ボール収容溝２９と同様に、その各位置での溝の半径ｒ１は同じで、その円弧中心を変えることによって形成される。また、このような溝底面を有する円弧半径ｒ１のツール側ボール収容溝６３は、マスタ側ボール収容溝２９の場合と同様に、エンドミルを用いてボール受け５８を切削することで容易に形成できる。
上記マスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の半径ｒ１はボール部材４４の半径ｒの０．０５ｍｍ（直径の０．１ｍｍ）以上でかつ２倍以下であることがよい（０．０５ｍｍ＋ｒ≦ｒ１≦２ｒ）。その理由は、ｒ１＜０．０５ｍｍ＋ｒであると、ボール収容溝２９，６３でのホール部材４４のスムーズで滑らかな転動が確保できなくなる一方、ｒ１＞２ｒであると、ボール収容溝２９，６３の溝内面とボール部材４４の外面との間の面圧低減効果が良好に得られなくなるからである。そして、より好ましくは、ボール収容溝２９，６３の半径ｒ１の上限はボール部材４４の半径ｒの１．５倍以下であることがよい（０．０５ｍｍ＋ｒ≦ｒ１≦１．５ｒ）。
そして、上記マスタプレート１のシリンダヘッド１０をツールプレート２におけるボール受け５８の内部ないしツールボディ５０の小径孔５２内に嵌挿するとともに、位置決めピン２２の位置決め嵌合穴６１への嵌合によりマスタプレート１の各ボール部材４４がボール受け５８の各ツール側ボール収容溝６３に対応した状態で、ピストン４０の駆動によりカム部材２８がロック位置に位置付けられたときに、マスタ側ボール収容溝２９上端のマスタ側第１傾斜部３０がボール部材４４を上記ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４に当接させるように押圧し、このことでツールプレート２をマスタプレート１に一体的に連結してロック固定するようになっている。
次に、上記実施形態の作用について説明する。まず、ツールプレート２をマスタプレート１に締結する場合、ロボットアームの操作によりマスタプレート１のシリンダヘッド１０がツールプレート２におけるボール受け５８の内部ないしツールボディ５０の小径孔５２内に嵌挿される。また、マスタプレート１の１対の位置決めピン２２，２２がツールプレート２の１対の位置決め嵌合穴６１，６１へそれぞれ嵌合される。この状態では、シリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５内に支持されているボール部材４４がボール受け５８の各ツール側ボール収容溝６３に円周方向において対応する。また、この各ボール部材４４は、回り止め機構３７によりカム部材２８におけるカム部材２８の各マスタ側ボール収容溝２９に円周方向において対応している。
この状態で、ピストン４０上側の室に加圧エアが供給されて、ピストン４０がそれまでの上昇位置から下降し、このピストン４０の駆動によりカム部材２８が上昇端のロック解除位置から下降移動する。このカム部材２８の下降により、上記マスタ側ボール収容溝２９内にボール部材４４が入り込み、そのボール収容溝２９内面下端のマスタ側第２傾斜部３２がボール部材４４を半径方向外側に押してシリンダヘッド１０の外周面から突出させる。このことでボール部材４４の突出部が上記ツール側ボール収容溝６３内に入る。さらにカム部材２８が下降すると、上記マスタ側第２傾斜部３２上側のストレート部３１がボール部材４４を押圧するようになる。その後、カム部材２８が下降端のロック位置に位置付けられると、上記ストレート部３１上側でマスタ側ボール収容溝２９上端にあるマスタ側第１傾斜部３０がボール部材４４を押圧するようになり、ボール部材４４は上記ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４に当接する。この状態では、各ボール部材４４は、マスタ側ボール収容溝２９のマスタ側第１傾斜部３０と、ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４と、ボール収容孔１５の内面下部とに当接してこれらにより移動不能に押圧保持され、このことでツールプレート２がマスタプレート１に一体的に連結されてロック固定される。
すなわち、このとき、ピストン４０上面にエア圧が作用して、ピストン４０と一体のカム部材２８も下方に押され、マスタ側ボール収容溝２９内上端のマスタ側第１傾斜部３０によってボール部材４４の外周面が押されるので、このマスタ側第１傾斜部３０によるいわゆる楔効果により、ボール部材４４が所定位置となるまで半径方向外側に移動される。しかも、上記マスタ側第１傾斜部３０の傾斜角度θ１が小さいので、上記楔効果がさらに高められる。そのため、ボール受け５８のツール側ボール収容溝６３におけるツール側傾斜部６４にボール部材４４より作用する押圧力によってツールプレート２が上方に付勢され、ツールプレート２の上面がマスタプレート１の下面に接触するまで移動することとなる。このことで、両プレート１，２の間に加工のばらつきにより隙間が生じるとしても、そのばらつきは、上記マスタ側ボール収容溝２９内のマスタ側第１傾斜部３０によりボール部材４４を半径方向外側に積極的に押圧付勢してツールプレート２を上方に変位させることで吸収され、両プレート１，２が常に隙間を生じない状態で連結されることとなり、連結位置の再現性が良くなる。
また、ピストン４０上面に対しては常時エア圧が作用しているが、何等かの原因でピストン４０上面にエア圧が作用しなくなると、ツールを含めたツールプレート２の重量によりボール部材４４が半径方向内側に押されて変位し、ピストン４０が持ち上げられるようになる。こうなったとしても、上記マスタ側第１傾斜部３０下側にストレート部３１が連設されているので、その部位までボール部材４４が移動するのに伴い、その移動後はボール部材４４からピストン４０に該ピストン４０を上昇させる方向の力は作用しなくなり、よって両プレート１，２の不用意な分離を規制することができる。
尚、上記ツールプレート２とマスタプレート１との連結を解除する場合には、ピストン４０下側の室に加圧エアを供給してピストン４０を上昇させることで、上記連結時とは逆の動作が行われ、ボール部材４４が半径方向内側に移動して両プレート１，２の連結が解除される。
したがって、この実施形態においては、各ボール部材４４がカム部材２８における断面円弧状のマスタ側ボール収容溝２９及びボール受け５８における同様のツール側ボール収容溝６３に収容された状態で移動するので、図６及び図１４に示すように、ボール部材４４はマスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の各内面（基本的に溝底面）に接触することとなり、両者の接触形態はボール部材４４の外周面とボール収容溝２９，６３の内面とによる、同じ方向に湾曲した円弧面同士の接触となる。この円弧面同士の接触では、ボール部材４４が従来のカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造に比べ接触面積が増加するので、小径のボール部材４４を用いながら、接触面積を増加させて接触面圧を低減させることができる。よって、ボール部材４４の直径を小さくし、そのカム部材２８の動作ストロークを小さくして、ロボットアームカップリング装置Ａの厚さ（上下高さ）を薄くすることができる。
また、上記マスタボディ４をロボットアームに取り付ける第１ボルト２０と、このマスタボディ４にシリンダヘッド１０を取り付ける第２ボルト２１とは互いに異なっているものを用いているので、マスタボディ４のみをロボットアームに第１ボルト２０により取り付けることができ、マスタボディ４及びシリンダヘッド１０を共に兼用した共通のボルトによりロボットアームに取り付ける構造に比べ、ロボットアームカップリング装置Ａの薄型化を図りつつ、その強度を大に保持することができる。
さらに、上記カム部材２８の回転が回り止め機構３７により規制されているので、カム部材２８がロック位置にあるときは勿論、ロック解除位置にあるときでも、常にカム部材２８の各マスタ側ボール収容溝２９を各ボール部材４４（シリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５）に対応させて、そのボール部材４４をマスタ側ボール収容溝２９に収容させることができ、安定した動作が維持できる。
また、上記マスタプレート１の各位置決めピン２２として、短くて大径の円筒状のものを用いているので、この位置決めピン２２に捩りモーメントが作用しても、大きく変位することはなく、位置決めを安定して行うことができる。また、ツールプレート２側の位置決め嵌合穴６１は浅い有底穴であるので、位置決め機構として大きな強度を確保することができる。
また、上記のように位置決めピン２２が短いと、ロボットのティーチングが難しくなるが、この位置決めピン２２とは別個に、マスタボディ４にティーチング用のガイドピン２４が設けられているので、このガイドピン２４によりロボットのティーチングは容易である。
（他の実施形態）
尚、上記実施形態では、各マスタ側ボール収容溝２９内において、ストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とを面取り状の円弧部３４を介して滑らかに連続させているが、図１８に示すように、このマスタ側第２傾斜部３２をなくし、ストレート部３１よりもカム部材２８のロック位置側に、マスタ側第１傾斜部３０と略同方向に傾斜する面取り状の円弧部３４を滑らかに連設してもよく、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
また、上記実施形態では、各マスタ側ボール収容溝２９内に第１傾斜部３０、ストレート部３１、第２傾斜部３２及び円弧部３３，３４を形成しているが、第１傾斜部３０のみを設けて、その他は省略することもできる。

下記表１は、マスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒに対し所定の関係で変化させたときに、そのボール部材４４外周面とボール収容溝２９，６３の溝面との間の面圧の減少変化を測定したものであり、比較例１を１００％としたときの面圧減少率を表している。本発明例１はｒ１＝ｒ＋０．０５ｍｍ、本発明例２はｒ１＝１．２５ｒ、本発明例３はｒ１＝１．５０ｒ、本発明例４はｒ１＝１．７５ｒ、本発明例５はｒ１＝２．００ｒである。また、比較例１は、ボール部材がカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造のものであり、比較例２は、ボール部材が円弧面ではなくて平面（但し、傾斜状のカム面をなしている）に接触する接触構造のものである。

この表１の結果を考察すると、本発明例１〜５はいずれも、比較例１に比べ、ボール部材のボール収容溝の内面との間の面圧が減少しており、ボール収容溝の半径ｒ１は小さいほど面圧が大きく減少し、本発明例１のようにｒ１＝ｒ＋０．０５ｍｍが最小となっている。また、本発明例５のようにｒ１＝２．００ｒとすれば面圧は８４％まで減少しており、特に、本発明例３のようにｒ１＝１．５０ｒとするのが実用的に好適となっている。
また、表２は、上記表１の面圧から逆算して比較例１と同じ面圧になるときのボール部材に対する押圧負荷の増加率を調べたものである。

この表２によると、ボール収容溝２９，６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒの１．５倍（ｒ１＝１．５ｒ）としたときには、比較例１に比べ約２５０％の力でボール部材４４を押圧する（負荷をかける）ことが可能となることが判る。
さらに、ボール収容溝２９，６３に接触するボール部材４４の面圧が比較例１と同じ面圧となるときの該ボール部材４４の半径ｒの減少率を調べたところ、表３に示す結果が得られた。

この表３によると、ボール収容溝２９，６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒの１．５倍（ｒ１＝１．５ｒ）とした場合、比較例１のものと同じ面圧で約６５％の小さいボール部材４４を使用できることが判る。
以上の結果、本発明の技術によれば、ロボットロボットアームカップリング装置の薄型化を有効に達成できることが判明した。

本発明は、ボール部材を用いながら、ロボットアームカップリング装置の薄型化を促進できる点で産業上の利用可能性は高い。

本発明は、ロボットアームカップリング装置用のマスタプレート及びツールプレート並びにそれらを組み合わせたロボットアームカップリング装置に関するものである。

一般に、ロボットのアームに対してツール等の脱着を行うことができるようにしたカップリング装置として、ロボットアームに取り付けられたマスタプレート（インナアッセンブリ）と、ツール等が取り付けられるツールプレート（アウタアッセンブリ）と、これら両プレートを連結してロックするロック手段とを有するカップリング装置は知られている。

このような装置として、従来、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとの連結及び連結解除を素早く行うことができるようにしたものとして、例えば特許文献１に記載されるように、ロック手段が、インナアッセンブリによってロック位置とロック解除位置との間をスライド可能に支持されるピストン部材と、このピストン部材の周囲に配設され、インナアッセンブリに支持される複数のボール部材と、上記アウタアッセンブリに配設され、ボール部材とテーパ面で接触可能で、ピストン部材がロック位置に移動したとき、ボール部材と協働して両プレートを連結保持するボール受けとを有するものが知られている。この装置によれば、ピストン部材がロック位置に移動したとき、ボール部材がテーパ面を介してアウタアッセンブリを上方に押し上げ、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとが連結されるようになっている。

しかし、上記従来のカップリング装置においては、ピストン部材がロック位置にあるときに、ボール部材に接触するのは、ピストン部材の摺動方向に平行に延びる円筒状面であるため、インナアッセンブリやアウタアッセンブリ等について加工のばらつきがあると、ボール部材をロック位置に完全に移動させることができず、インナアッセンブリとアウタアッセンブリとの連結の際、連結面が一致しないという虞れがあり、連結位置の再現性に劣る。

このような問題を解決するために、従来、特許文献２に示されるように、マスタプレートとツールプレートとを一体的に連結してロック固定するロック手段として、マスタプレートにロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持された円板形状のカム部材と、このカム部材の周囲に配設され、上記マスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に支持される複数のボール部材と、上記ツールプレートに配設され、上記カム部材がロック位置に移動したときに両プレートを連結保持するようにボール部材と係合するリング形状のボール受けとを設け、カム部材の外周にマスタ側テーパ面（カム面）を、またボール受けの内周にマスタ側テーパ面と逆方向に傾斜するツール側テーパ面（カム面）をそれぞれ形成し、カム部材がロック位置に位置付けられた状態でマスタ側テーパ面がボール部材をツール側テーパ面に当接させるように押圧することにより、マスタプレートとツールプレートとの連結時に両プレートの連結面に隙間が生じないようにして、連結位置の再現性を向上させたものが提案されている。
米国特許第４，６９６，５２４号明細書及び図面 特開平４―６３６８８号公報

ところで、この種のロボットアームカップリング装置においては、近年、以下に列記する理由から、そのマスタプレートとツールプレートとの結合状態での結合方向に沿った厚さ（大きさ）を薄くする薄型化の要求が生じている。

(1) すなわち、まず、例えば自動車生産ラインのプレス工程において、プレス機から他のプレス機にワークをロボットでハンドリングする場合、プレス機に対するワークの取出し及び投入を行うために、そのプレス機の開いた金型の間にロボットによりカップリング装置がワーク及びその保持装置と共に挿入される。このとき、金型の開くストロークに制限があるので、ロボットアームカップリング装置の厚さは極力薄くしておく必要がある。

(2) また、ロボットの手首フランジとワークを把持するハンドとの間にカップリング装置が装着される構造では、上記フランジからハンドの重心までの距離が長いと、その分、ロボットにかかる負荷（モーメント）が大きくなる。この負荷を軽減させるには、カップリング装置の厚さを薄くして上記フランジからハンド重心までの距離を可及的に短くすることが要求される。

(3) さらに、同様に、ロボットの手首フランジとワークを把持するハンドとの間にカップリング装置が装着される構造では、そのカップリング装置の厚さの影響でロボットの作業が困難又は不可能になるエリアが生じることから、このエリアを小さくし又はなくすには、カップリング装置の厚さを薄くせねばならない。

このような要求の下で上記提案例の構造を考察したとき、この提案例のものでは、カム部材の円弧状外周部のマスタ側テーパ面とボール部材との接触、及び該ボール部材とボール受けの円弧状内周部のツール側テーパ面との接触により両プレートを締結して外部からの負荷を支えているので、各接触点での面圧の増大を抑えるには大きな直径のボール部材を使用する必要がある。つまり、この大径のボール部材の分だけ、カップリング装置の厚さが厚くなるばかりでなく、ボール部材を半径方向外側に押し出すためにカム部材のカップリング装置厚さ方向の動作ストロークをも大きくせねばならず、その動作ストロークの増加分によってもカップリング装置の厚さが厚くなり、上記薄型化を十分に満たし得ない難がある。

尚、上記接触点での面圧を低減させるために、ボール部材をローラ部材に置き換えてもよく、その場合、カム部材外周のマスタ側テーパ面とローラ部材との接触、及び該ローラ部材とボール受け（ローラ受け）内周のテーパ面との接触面積がボール部材に比べて大きくなって面圧は小さくなる。

しかしながら、接触点の面圧を左右する４方向の曲率半径のうち、ローラ軸方向の１つが直線となるだけで効果は小さく、このことから、ローラ部材の直径自体を大きくすることが必然となり、カップリング装置の厚さを極力薄くできる有効な手段とはなり得ない。

しかも、ローラ部材にあってはボール部材と異なり、それを押し出す際に傾かず（こじらず）に転動できる構造にする必要があり、そのためには、部品点数が増加するばかりのみならず、ローラ部材を収容する機械加工の難易度も高く、コストアップするのが避けられない問題もある。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的は、上述した如きロボットアームカップリング装置の構造に改良を加えることで、ボール部材を用いながら、そのロボットアームカップリング装置の薄型化を図ることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、ボール部材をカム部材及びボール受けの双方において断面円弧状のボール収容溝内に配置し、その各ボール収容溝の内面をボール部材と接触させて、接触面積を増大させるようにした。

具体的には、この発明では、ロボットアームに取り付けられたマスタプレートと、ツールが取り付けられるツールプレートと、これら両プレートを一体的に連結してロック固定するロック手段とを有し、このロック手段が、上記マスタプレートにロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持されたカム部材と、このカム部材の周囲に配設され、上記マスタプレートにカム部材のスライド方向と直交する方向に移動可能に支持される複数のボール部材と、上記ツールプレートに配設され、上記カム部材がロック位置に移動したときに両プレートを連結保持するようにボール部材に係合されるボール受けとを備えたロボットアームカップリング装置が前提である。

そして、上記カム部材には、カム部材のスライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されている一方、上記ボール受けには、上記カム部材のスライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面円弧状のツール側ボール収容溝がボール受けの周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されている。

また、上記マスタ側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側第１傾斜部が形成され、上記ツール側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記マスタ側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が形成されており、上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態で上記マスタ側第１傾斜部がボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧する構成されていることを特徴とする。

この構成により、カム部材がロック位置に移動した状態で、カム部材はそのマスタ側ボール収容溝内におけるマスタ側第１傾斜部によってボール部材をボール受けのツール側ボール収容溝内におけるツール側傾斜部に当接するように押圧し、そのマスタ側第１傾斜部による楔効果によりボール部材が半径方向外側に押圧付勢される。それから、このボール部材はツール側傾斜部を介してボール受け及びツールプレートを押圧してマスタプレート側に付勢し、このことで両プレートが隙間なく連結される。

そのとき、上記ボール部材がカム部材における断面円弧状のマスタ側ボール収容溝及びボール受けにおける同様のツール側ボール収容溝に収容されているので、ボール部材はマスタ側ボール収容溝及びツール側ボール収容溝の各内面（基本的に溝底面）に接触することとなり、両者の接触形態はボール部材の外周面とボール収容溝の内面とによる、同じ方向に湾曲した円弧面同士の接触となり、ボール部材がカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造に比べ接触面積が増加する。換言すれば、小径のボール部材を用いながら、接触面積を増加させて接触面圧を低減させることができる。このことで、ボール部材の直径を小さくし、そのカム部材の動作ストロークを小さくして、ロボットアームカップリング装置の厚さを薄くすることができる。

また、上記マスタ側ボール収容溝の内面には、マスタ側第１傾斜部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向と平行な形状とされたストレート部が連設されている構造としてもよい。

こうすれば、カム部材のスライド位置が所定位置に保持されず、ボール部材が半径方向内側に変位してカム部材をロック解除位置側たる後退側に戻しても、マスタ側第１傾斜部のカム部材のロック位置側にストレート部が連設されているので、その部位でボール部材からカム部材に該カム部材を後退させる力が作用しなくなり、マスタプレートとツールプレートとの分離は規制される。

上記マスタ側ボール収容溝の内面には、上記ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と同方向に傾斜する形状とされたマスタ側第２傾斜部が形成され、上記ストレート部とマスタ側第２傾斜部とは、溝長さ方向の断面が円弧形状とされた円弧部を介して連続している構成としてもよい。

またこの他、マスタ側ボール収容溝の内面には、ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と同方向に傾斜する形状とされた円弧部が連設されている構成としてもよい。

上記マスタ側ボール収容溝及びツール側ボール収容溝の少なくとも一方の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ２倍以下とするのが好ましい。さらに、マスタ側ボール収容溝及びツール側ボール収容溝の少なくとも一方の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ１．５倍以下としてもよい。

上記カム部材がマスタプレートに対し、カム部材のスライド方向に沿った軸線回りに相対的に回転するのを阻止する回り止め機構を設けることが好ましい。このようにカム部材の回転を阻止することで、カム部材がロック位置にあるときは勿論、ロック解除位置にあるときでも、常にカム部材のマスタ側ボール収容溝とボール部材を対応させて、そのボール部材をマスタ側ボール収容溝に収容させることができ、安定した動作が得られる。

上記マスタプレートは、ロボットアームに第１締結部材により取り付けられるマスタボディと、このマスタボディに上記第１締結部材とは異なる第２締結部材により固定され、ボール部材を収容するボール収容部を有するシリンダヘッドとを備えてなる構成としてもよい。

こうすると、マスタボディのみをロボットアームに第１締結部材により取り付けることができ、マスタボディ及びシリンダヘッドを共に共通の締結部材によりロボットアームに取り付ける構造に比べ、ロボットアームカップリング装置の薄型化を図りつつ、その強度を大に保持することができる。

また、ロボットアームに取り付けられ、ボール受けを備えたツールプレートに対し連結されるロボットアームカップリング装置用マスタプレートとして、以下のように構成してもよい。すなわち、上記ボール受けには複数の断面円弧状のツール側ボール収容溝が形成されて、このツール側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が設けられている。

そして、マスタプレートは、ロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、このカム部材の周囲にカム部材のスライド方向と直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記ボール受けのツール側傾斜部に接触してツールプレートを連結保持する複数のボール部材とを備えている。さらに、上記カム部材には、カム部材のスライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設され、上記マスタ側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記ツール側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされかつ上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態でボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧するマスタ側傾斜部が形成されているものとする。

一方、内面に、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側傾斜部が形成された複数の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝を有し、かつロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、このカム部材周囲のマスタプレートにカム部材のスライド方向と直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動する複数のボール部材とを備えてなるマスタプレートに連結されるロボットアームカップリング装置用ツールプレートとして、以下のように構成してもよい。すなわち、ツールプレートは、内面に、溝長さ方向の断面が上記マスタ側傾斜部と反対方向に傾斜する形状とされ、かつマスタプレートのボール部材と接触可能なツール側傾斜部が形成された複数の断面円弧状のツール側ボール収容溝を有するボール受けが設けられており、上記カム部材がロック位置に移動したときに、上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動するボール部材を上記ボール受けのツール側傾斜部に接触させることにより、マスタプレートに連結保持されるように構成されているものとする。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は本発明の実施形態に係るロボットアームカップリング装置Ａの主要部を示す。このロボットアームカップリング装置Ａは、図示しないロボットアームにツール等を交換可能に装着するためのもので、図２に示すマスタプレート１と、図３に示すツールプレート２とを備え、マスタプレート１はロボットアームに取り付けられる一方、ツールプレート２にツール等が取り付けられ、これら両プレート１，２はロック機構２７により互いに素早く連結及び連結解除がなされるように構成されている。

尚、図示しないが、マスタプレート１にはマスタコネクタが、またツールプレート２にはツールコネクタがそれぞれ取り付けられており、両プレート１，２の連結時にマスタコネクタとツールコネクタとが電気的に接続されて、その接続によりツールを制御する電気制御系が構成される。また、以下の説明では、説明の便宜上、マスタプレート１を上側（ロボットアーム側）に、またツールプレート２を下側にそれぞれ配置されているものとして説明する。

上記マスタプレート１は、ロボットアームに第１ボルト２０（第１締結部材）により取り付けられるマスタボディ４と、このマスタボディ４の下側に上記第１ボルト２０とは異なる第２ボルト２１（第２締結部材）により一体的に固定され、複数のボール部材４４，４４，…を収容するボール収容孔１５，１５，…を有するシリンダヘッド１０とを備えてなる。

上記マスタボディ４は、上側の小径孔５と、この小径孔５に同心状で段差状に連続する下側の大径孔６とが中心部に貫通形成されたリング状のもので、その小径孔５及び大径孔６間の段差部に相当する部分には、複数（例えば８つ）の第１ボルト挿通孔７，７，…と複数（例えば８つ）の第２ボルト挿通孔８，８，…とが円周方向に交互に配置された状態で貫通形成され、後者の第２ボルト挿通孔８のマスタボディ４上面での開口には他の部分よりも大径のボルトヘッド収容部８ａが形成されている。

一方、シリンダヘッド１０は、図１６にも示すように、下側に開口する有底円筒状のもので、その底部の中心にはロッド部挿通孔１１が貫通形成されている。シリンダヘッド１０の上端外周部には、上記マスタボディ４の大径孔６に下面がマスタボディ４下面と面一となるように嵌装されるフランジ部１０ａが一体に形成され、このフランジ部１０ａには、上記マスタボディ４の第１ボルト挿通孔７に対応した位置に第１ボルト挿通孔７よりも大径のボルトヘッド収容孔１２が、またマスタボディ４の第２ボルト挿通孔８，８，…のうち直径方向に対向する所定の１対の第２ボルト挿通孔８，８に対応した位置にボルト挿通孔１３，１３が、さらに残りの各第２ボルト挿通孔８に対応した位置にボルト螺合孔１４がそれぞれ貫通形成され、上記各ボルト挿通孔１３のシリンダヘッド１０下面での開口には他の部分よりも大径のピン収容部１３ａが形成されている。

そして、シリンダヘッド１０のフランジ部１０ａをマスタボディ４の大径孔６に嵌装し、その状態で、フランジ部１０ａにおけるボルトヘッド収容孔１２及びマスタボディ４の第１ボルト挿通孔７に第１ボルト２０をシリンダヘッド１０下側から挿通して、その先端部（上端部）をマスタボディ４上側に突出させ、その突出部をロボットアームに螺合締結させることで、マスタボディ４をロボットアームに一体的にかつ気密状に取付固定する。一方、マスタボディ４の各第２ボルト挿通孔８に第２ボルト２１をマスタボディ４上側から挿通し、その中の１対の第２ボルト２１，２１にあっては、先端部（下端部）をフランジ部１０ａのボルト挿通孔１３を通してフランジ部１０ａ下側に突出させて、その突出部に位置決めピン２２を螺合締結させる。また、残りの各第２ボルト２１にあっては、先端部（下端部）をフランジ部１０ａのボルト螺合孔１４に螺合締結する。このことで、シリンダヘッド１０をマスタボディ４に第２ボルト２１によって一体的にかつ気密状に取付固定するようにしている。尚、各第２ボルト２１のヘッド部はマスタボディ４の第２ボルト挿通孔８におけるボルトヘッド収容部８ａ内にマスタボディ４上面から、また各第１ボルト２０のヘッド部はシリンダヘッド１０のボルトヘッド収容孔１２内にフランジ部１０ａ下面からそれぞれ突出しないように収容される。また、マスタボディ４のロボットアームへの取付けにより小径孔５の上側開口が気密状に閉塞され、この小径孔５、シリンダヘッド１０上面及びロボットアームにより密閉状のシリンダ空間が形成される。

上記１対の第２ボルト２１，２１（第２締結部材）の各下端部に螺合される位置決めピン２２は、締結ナットを兼ねるもので、上端部がフランジ部１０ａのボルト挿通孔１３のピン収容部１３ａに収容されかつ下端部がフランジ部１０ａ下面から突出した状態で第２ボルト２１に螺合される。この位置決めピン２２は、下端部の角部が円弧面とされた比較的大径でかつ短い円筒状に形成されている。

尚、上記大径孔５外側のマスタボディ４下面には、マスタシリンダの直径方向に対向する位置に、先端部（下端部）が先細りテーパ形状とされたロボットティーチング用の１対のガイドピン２４，２４がその下部をマスタボディ４下面から突出させた状態で取り付けられ、この各ガイドピン２４はマスタボディ４にそれを上下に貫通する取付ボルト２５により固定されている。

シリンダヘッド１０の下部には、円周方向に等間隔をあけた位置に上記複数（例えば８つ）のボール収容孔１５，１５，…が、また所定のボール収容孔１５，１５間の位置に１つのピン孔１６がそれぞれシリンダヘッド１０の内外を半径方向に貫通するように形成され、上記ピン孔１６には回り止めピン１７が一部（係合部）をシリンダヘッド１０内側に突出させるように挿入されて固定されている。尚、図１７に拡大して示すように、各ボール収容孔１５のシリンダヘッド１０外周面の開口端部は部分的に他の部分よりも小径となっていて、ボール収容孔１５内のボール部材４４がシリンダヘッド１０外周側へ抜け止さないようになっている。

上記ロック機構２７は、マスタプレート１にロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持されたカム部材２８と、このカム部材２８の周囲に配設され、マスタプレート１にカム部材２８のスライド方向（上下方向）と略直交する方向（半径方向）に移動可能に支持される上記複数のボール部材４４，４４，…と、上記ツールプレート２に配設され、上記カム部材２８がロック位置に移動したときに両プレート１，２を連結保持するようにボール部材４４と係合するボール受け５８とを備えている。

すなわち、上記各ボール部材４４は、例えば直径１２．７ｍｍ（半径ｒ＝６．３５ｍｍ）の鋼球からなるもので、上記シリンダヘッド１０のボール収容孔１５にマスタプレート１の半径方向に移動可能に収容支持されている。

また、上記マスタボディ４の小径孔５内（シリンダ空間内）にはピストン４０がスライド可能に嵌挿されている。このピストン４０は、小径孔５内をＯリングからなるシール材４１を介して摺動可能に摺動する円板状のもので、その下面の中心部には、上記シリンダヘッド１０のロッド部挿通孔１１を摺動可能に気密状に貫通するロッド部４０ａが一体に突設されている。ピストン４０はマスタボディ４の小径孔５内（シリンダ空間内）を上下２室に区画しており、マスタボディ４に形成された空気通路（図示せず）を通じて両室の一方に選択して加圧エアを供給することで、ピストン４０を小径孔５内で往復動させるようになっている。

シリンダヘッド１０内に上記カム部材２８が下降端のロック位置及び上昇端のロック解除位置の間をスライド可能に配置されている。図７〜図９に示すように、このカム部材２８は円板状のもので、その中心部にて上記ピストン４０のロッド部４０ａの先端部（下端部）に連結ボルト４２により移動一体に締結されており、このピストン４０の往復動によりカム部材２８が駆動されてシリンダヘッド１０内をロック位置及びロック解除位置間をスライドする。

上記カム部材２８の外周面には、複数（例えば８つ）の断面円弧状のマスタ側ボール収容溝２９，２９，…がカム部材２８の周方向において上記ボール部材４４の位置（シリンダヘッド１０のボール収容孔１５の位置）に対応して配設されている。この各マスタ側ボール収容溝２９は、図４〜図６に拡大詳示するように、カム部材２８の外周下端隅角部を部分的に円弧溝状に切り欠いた形状のもので、基本的にカム部材２８のスライド方向（上下方向）に沿って延び、その上端部はカム部材２８の上面ではなくて外周面の上端近傍に位置しており、この各マスタ側ボール収容溝２９内に各ボール部材４４を収容可能となっている。尚、マスタ側ボール収容溝２９はその上端部がカム部材２８の上面まで達するように形成してもよい。

各マスタ側ボール収容溝２９の内面（基本的に溝底面）には、マスタ側第１傾斜部３０と、このマスタ側第１傾斜部３０よりもカム部材２８のロック位置側（下側）に連続するストレート部３１と、このストレート部３１よりもカム部材２８のロック位置側（下側）に連続するマスタ側第２傾斜部３２とが形成され、マスタ側第１傾斜部３０とストレート部３１とは上側円弧部３３を介して連続し、ストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とは下側円弧部３４を介して連続している。これら第１傾斜部３０、ストレート部３１、第２傾斜部３２及び円弧部３３，３４は、いずれもマスタ側ボール収容溝２９の内面（溝底面）に位置し、各々の位置での溝の半径ｒ１は同じであるが、その円弧中心を変えることによって形成される。このような段差状の溝底面を有する円弧半径ｒ１のマスタ側ボール収容溝２９を形成する場合、図４に仮想線にて示すように、先端半径ｒ１を持つエンドミルＭを用い、その中心Ｏを所定の軌跡Ｌで移動させながらカム部材２８を切削することで、容易に形成することができる。

上記マスタ側第１傾斜部３０及びマスタ側第２傾斜部３２はいずれも、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向に対し下側に向かってカム部材２８中心側（図４右側）に向かうように後述のツール側傾斜部６４の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされ、その第１傾斜部３０の上下方向（鉛直軸線）に対する傾斜角度θ１は第２傾斜部３２の同傾斜角度θ２と同じ（θ１＝θ２）であってもよいが、第２傾斜部３２による楔効果を高め、ロボットアームの急激な動きに対しても確実に連結状態を維持できるようにするために、本実施形態では第１傾斜部３０の傾斜角度θ１の方が第２傾斜部３２の傾斜角度θ２よりも小さく（θ１＜θ２）なるように設定されている。例えば第１傾斜部３０の傾斜角度θ１がθ１＝１５°であるのに対し、第２傾斜部３２の傾斜角度θ２はθ２＝４５°としている。

また、ストレート部３１は、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向と平行な形状とされており、その上下方向（鉛直軸線）に対する傾斜角度は０となっている。さらに、上記上側円弧部３３及び下側円弧部３４は、いずれも溝長さ方向の断面が面取り状の円弧形状とされている。上側円弧部３３はカム部材２８の中心側に、また下側円弧部３４はカム部材２８の外周側にそれぞれ膨出していて、これら円弧部３３，３４の膨出方向は互いに逆向きとなっており、上側円弧部３３によってマスタ側第１傾斜部３０とストレート部３１とが、また下側円弧部３４によってストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とがそれぞれ滑らかに連続している。

上記カム部材２８の外周面において、上記シリンダヘッド１０のピン孔１６に対応する位置には、カム部材２８のスライド方向に沿って延びる例えば断面矩形状の係合溝３６がカム部材２８の上下面間に亘り形成され、この係合溝３６には上記ピン孔１６に挿入された回り止めピン１７の係合部が摺動可能に係合されており、この回り止めピン１７及び係合溝３６により、カム部材２８がマスタプレート１に対し、カム部材２８のスライド方向に沿った鉛直軸線回りに相対的に回転するのを阻止する回り止め機構３７が構成されている。

これに対し、上記ツールプレート２は、ツール等に取り付けられるツールボディ５０と、このツールボディ５０の上側に固定され、上記ロック機構２７の一部をなすボール受け５８とを備えている。上記ツールボディ５０は、上側の大径孔５１と、この大径孔５１に同心状で段差状に連続する下側の小径孔５２とが中心部に貫通形成されたリング状のもので、その大径孔５１及び小径孔５２間の段差部に相当する部分には、複数（例えば１６）のボルト挿通孔５３，５３，…が円周方向に所定間隔をあけた状態で貫通形成され、この各ボルト挿通孔５３のツールボディ５０下面での開口には他の部分よりも大径のボルトヘッド収容部５３ａが形成されている。

また、大径孔５１外側のツールボディ５０上面には、ツールボディ５０の直径方向に対向する位置に１対の段状のピン挿通孔５４，５４が上記マスタボディ４の各ガイドピン２４の位置に対応して貫通形成され、この各ピン挿通孔５４の上端部内にはガイドピン２４よりも大きい内径を有するブッシュ５５が嵌合固定されており、ロボットにティーチングする際に、ガイドピン２４が対応するピン挿通孔５４のブッシュ５５内に嵌挿されるようになっている。

一方、図１０〜図１２にも示すように、上記ボール受け５８は、ツールボディ５０の小径孔５２よりも小さい内径を有するリング状のもので、ツールボディ５０の大径孔５１に上面がツールボディ５０下面と面一となるように嵌装される。このボール受け５８には、上記ツールボディ５０のボルト挿通孔５３に対応した位置にボルト螺合孔５９が貫通形成されており、ボール受け５８をツールボディ５０の大径孔５１に嵌装して、ツールボディ５０のボルト挿通孔５３に締結ボルト６０をツールボディ５０下側から挿通し、その先端部（上端部）をボール受け５８のボルト螺合孔５９に螺合締結することで、ボール受け５８をツールボディ５０に一体的に取付固定している。

また、ボール受け５８の上面には直径方向に対向する位置に、上記マスタプレート１側の位置決めピン２２が嵌合可能な浅い有底穴からなる１対の位置決め嵌合穴６１が形成されており、ツールプレート２をマスタプレート１に連結するときに、この位置決め嵌合穴６１に位置決めピン２２を嵌合させると、マスタプレート１におけるシリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５内にあるボール部材４４（カム部材２８のマスタ側ボール収容溝２９）がボール受け５８の後述するツール側ボール収容溝６３に円周方向に対応して位置決めされるようにしている。

そして、上記ボール受け５８の内周面下部には、複数（例えば８つ）の断面円弧状のツール側ボール収容溝６３，６３，…がボール受け５８の周方向において上記マスタプレート１側の各ボール部材４４の位置（カム部材２８のマスタ側ボール収容溝２９の位置）に対応して配設されている。この各ツール側ボール収容溝６３は、図１３〜図１５に拡大詳示するように、ボール受け５８の内周下端隅角部を部分的に円弧溝状に切り欠いた形状のもので、基本的に上記カム部材２８のスライド方向（上下方向）に沿って延び、その上端部はボール受け５８の上面ではなくてその外周面の上端近傍に位置しており、この各ツール側ボール収容溝６３内に各ボール部材４４を収容可能となっている。このツール側ボール収容溝６３の円弧半径ｒ１は、マスタ側ボール収容溝２９の円弧半径ｒ１と同じである（尚、これら両ボール収容溝６３，２９の円弧半径を互いに異ならせてもよい）。尚、ツール側ボール収容溝６３をその上端部がボール受け５８の上面まで達するように形成してもよい。

上記各ツール側ボール収容溝６３の内面（基本的に溝底面）にはツール側傾斜部６４が形成され、このツール側傾斜部６４は、溝長さ方向の断面がカム部材２８のスライド方向に対し上記マスタ側ボール収容溝２９におけるマスタ側第１傾斜部３０の傾斜方向と反対方向に、つまり上側に向かってボール受け５８の中心側に向かうように傾斜する形状とされている。このツール側ボール収容溝６３においても、上記マスタ側ボール収容溝２９と同様に、その各位置での溝の半径ｒ１は同じで、その円弧中心を変えることによって形成される。また、このような溝底面を有する円弧半径ｒ１のツール側ボール収容溝６３は、マスタ側ボール収容溝２９の場合と同様に、エンドミルを用いてボール受け５８を切削することで容易に形成できる。

上記マスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の半径ｒ１はボール部材４４の半径ｒの０．０５ｍｍ（直径の０．１ｍｍ）以上でかつ２倍以下であることがよい（０．０５ｍｍ＋ｒ≦ｒ１≦２ｒ）。その理由は、ｒ１＜０．０５ｍｍ＋ｒであると、ボール収容溝２９，６３でのボール部材４４のスムーズで滑らかな転動が確保できなくなる一方、ｒ１＞２ｒであると、ボール収容溝２９，６３の溝内面とボール部材４４の外面との間の面圧低減効果が良好に得られなくなるからである。そして、より好ましくは、ボール収容溝２９，６３の半径ｒ１の上限はボール部材４４の半径ｒの１．５倍以下であることがよい（０．０５ｍｍ＋ｒ≦ｒ１≦１．５ｒ）。

そして、上記マスタプレート１のシリンダヘッド１０をツールプレート２におけるボール受け５８の内部ないしツールボディ５０の小径孔５２内に嵌挿するとともに、位置決めピン２２の位置決め嵌合穴６１への嵌合によりマスタプレート１の各ボール部材４４がボール受け５８の各ツール側ボール収容溝６３に対応した状態で、ピストン４０の駆動によりカム部材２８がロック位置に位置付けられたときに、マスタ側ボール収容溝２９上端のマスタ側第１傾斜部３０がボール部材４４を上記ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４に当接させるように押圧し、このことでツールプレート２をマスタプレート１に一体的に連結してロック固定するようになっている。

次に、上記実施形態の作用について説明する。まず、ツールプレート２をマスタプレート１に締結する場合、ロボットアームの操作によりマスタプレート１のシリンダヘッド１０がツールプレート２におけるボール受け５８の内部ないしツールボディ５０の小径孔５２内に嵌挿される。また、マスタプレート１の１対の位置決めピン２２，２２がツールプレート２の１対の位置決め嵌合穴６１，６１へそれぞれ嵌合される。この状態では、シリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５内に支持されているボール部材４４がボール受け５８の各ツール側ボール収容溝６３に円周方向において対応する。また、この各ボール部材４４は、回り止め機構３７によりカム部材２８におけるカム部材２８の各マスタ側ボール収容溝２９に円周方向において対応している。

この状態で、ピストン４０上側の室に加圧エアが供給されて、ピストン４０がそれまでの上昇位置から下降し、このピストン４０の駆動によりカム部材２８が上昇端のロック解除位置から下降移動する。このカム部材２８の下降により、上記マスタ側ボール収容溝２９内にボール部材４４が入り込み、そのボール収容溝２９内面下端のマスタ側第２傾斜部３２がボール部材４４を半径方向外側に押してシリンダヘッド１０の外周面から突出させる。このことでボール部材４４の突出部が上記ツール側ボール収容溝６３内に入る。さらにカム部材２８が下降すると、上記マスタ側第２傾斜部３２上側のストレート部３１がボール部材４４を押圧するようになる。その後、カム部材２８が下降端のロック位置に位置付けられると、上記ストレート部３１上側でマスタ側ボール収容溝２９上端にあるマスタ側第１傾斜部３０がボール部材４４を押圧するようになり、ボール部材４４は上記ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４に当接する。この状態では、各ボール部材４４は、マスタ側ボール収容溝２９のマスタ側第１傾斜部３０と、ツール側ボール収容溝６３のツール側傾斜部６４と、ボール収容孔１５の内面下部とに当接してこれらにより移動不能に押圧保持され、このことでツールプレート２がマスタプレート１に一体的に連結されてロック固定される。

すなわち、このとき、ピストン４０上面にエア圧が作用して、ピストン４０と一体のカム部材２８も下方に押され、マスタ側ボール収容溝２９内上端のマスタ側第１傾斜部３０によってボール部材４４の外周面が押されるので、このマスタ側第１傾斜部３０によるいわゆる楔効果により、ボール部材４４が所定位置となるまで半径方向外側に移動される。しかも、上記マスタ側第１傾斜部３０の傾斜角度θ１が小さいので、上記楔効果がさらに高められる。そのため、ボール受け５８のツール側ボール収容溝６３におけるツール側傾斜部６４にボール部材４４より作用する押圧力によってツールプレート２が上方に付勢され、ツールプレート２の上面がマスタプレート１の下面に接触するまで移動することとなる。このことで、両プレート１，２の間に加工のばらつきにより隙間が生じるとしても、そのばらつきは、上記マスタ側ボール収容溝２９内のマスタ側第１傾斜部３０によりボール部材４４を半径方向外側に積極的に押圧付勢してツールプレート２を上方に変位させることで吸収され、両プレート１，２が常に隙間を生じない状態で連結されることとなり、連結位置の再現性が良くなる。

また、ピストン４０上面に対しては常時エア圧が作用しているが、何等かの原因でピストン４０上面にエア圧が作用しなくなると、ツールを含めたツールプレート２の重量によりボール部材４４が半径方向内側に押されて変位し、ピストン４０が持ち上げられるようになる。こうなったとしても、上記マスタ側第１傾斜部３０下側にストレート部３１が連設されているので、その部位までボール部材４４が移動するのに伴い、その移動後はボール部材４４からピストン４０に該ピストン４０を上昇させる方向の力は作用しなくなり、よって両プレート１，２の不用意な分離を規制することができる。

尚、上記ツールプレート２とマスタプレート１との連結を解除する場合には、ピストン４０下側の室に加圧エアを供給してピストン４０を上昇させることで、上記連結時とは逆の動作が行われ、ボール部材４４が半径方向内側に移動して両プレート１，２の連結が解除される。

したがって、この実施形態においては、各ボール部材４４がカム部材２８における断面円弧状のマスタ側ボール収容溝２９及びボール受け５８における同様のツール側ボール収容溝６３に収容された状態で移動するので、図６及び図１４に示すように、ボール部材４４はマスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の各内面（基本的に溝底面）に接触することとなり、両者の接触形態はボール部材４４の外周面とボール収容溝２９，６３の内面とによる、同じ方向に湾曲した円弧面同士の接触となる。この円弧面同士の接触では、ボール部材４４が従来のカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造に比べ接触面積が増加するので、小径のボール部材４４を用いながら、接触面積を増加させて接触面圧を低減させることができる。よって、ボール部材４４の直径を小さくし、そのカム部材２８の動作ストロークを小さくして、ロボットアームカップリング装置Ａの厚さ（上下高さ）を薄くすることができる。

また、上記マスタボディ４をロボットアームに取り付ける第１ボルト２０と、このマスタボディ４にシリンダヘッド１０を取り付ける第２ボルト２１とは互いに異なっているものを用いているので、マスタボディ４のみをロボットアームに第１ボルト２０により取り付けることができ、マスタボディ４及びシリンダヘッド１０を共に兼用した共通のボルトによりロボットアームに取り付ける構造に比べ、ロボットアームカップリング装置Ａの薄型化を図りつつ、その強度を大に保持することができる。

さらに、上記カム部材２８の回転が回り止め機構３７により規制されているので、カム部材２８がロック位置にあるときは勿論、ロック解除位置にあるときでも、常にカム部材２８の各マスタ側ボール収容溝２９を各ボール部材４４（シリンダヘッド１０の各ボール収容孔１５）に対応させて、そのボール部材４４をマスタ側ボール収容溝２９に収容させることができ、安定した動作が維持できる。

また、上記マスタプレート１の各位置決めピン２２として、短くて大径の円筒状のものを用いているので、この位置決めピン２２に捩りモーメントが作用しても、大きく変位することはなく、位置決めを安定して行うことができる。また、ツールプレート２側の位置決め嵌合穴６１は浅い有底穴であるので、位置決め機構として大きな強度を確保することができる。

また、上記のように位置決めピン２２が短いと、ロボットのティーチングが難しくなるが、この位置決めピン２２とは別個に、マスタボディ４にティーチング用のガイドピン２４が設けられているので、このガイドピン２４によりロボットのティーチングは容易である。

（他の実施形態）
尚、上記実施形態では、各マスタ側ボール収容溝２９内において、ストレート部３１とマスタ側第２傾斜部３２とを面取り状の円弧部３４を介して滑らかに連続させているが、図１８に示すように、このマスタ側第２傾斜部３２をなくし、ストレート部３１よりもカム部材２８のロック位置側に、マスタ側第１傾斜部３０と略同方向に傾斜する面取り状の円弧部３４を滑らかに連設してもよく、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。

また、上記実施形態では、各マスタ側ボール収容溝２９内に第１傾斜部３０、ストレート部３１、第２傾斜部３２及び円弧部３３，３４を形成しているが、第１傾斜部３０のみを設けて、その他は省略することもできる。

（実施例）
下記表１は、マスタ側ボール収容溝２９及びツール側ボール収容溝６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒに対し所定の関係で変化させたときに、そのボール部材４４外周面とボール収容溝２９，６３の溝面との間の面圧の減少変化を測定したものであり、比較例１を１００％としたときの面圧減少率を表している。本発明例１はｒ１＝ｒ＋０．０５ｍｍ、本発明例２はｒ１＝１．２５ｒ、本発明例３はｒ１＝１．５０ｒ、本発明例４はｒ１＝１．７５ｒ、本発明例５はｒ１＝２．００ｒである。また、比較例１は、ボール部材がカム部材外周のマスタ側テーパ面及びボール受け内周のツール側テーパ面と接触する、逆方向に湾曲した円弧面同士の接触構造のものであり、比較例２は、ボール部材が円弧面ではなくて平面（但し、傾斜状のカム面をなしている）に接触する接触構造のものである。

この表１の結果を考察すると、本発明例１〜５はいずれも、比較例１に比べ、ボール部材のボール収容溝の内面との間の面圧が減少しており、ボール収容溝の半径ｒ１は小さいほど面圧が大きく減少し、本発明例１のようにｒ１＝ｒ＋０．０５ｍｍが最小となっている。また、本発明例５のようにｒ１＝２．００ｒとすれば面圧は８４％まで減少しており、特に、本発明例３のようにｒ１＝１．５０ｒとするのが実用的に好適となっている。

また、表２は、上記表１の面圧から逆算して比較例１と同じ面圧になるときのボール部材に対する押圧負荷の増加率を調べたものである。

この表２によると、ボール収容溝２９，６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒの１．５倍（ｒ１＝１．５ｒ）としたときには、比較例１に比べ約２５０％の力でボール部材４４を押圧する（負荷をかける）ことが可能となることが判る。

さらに、ボール収容溝２９，６３に接触するボール部材４４の面圧が比較例１と同じ面圧となるときの該ボール部材４４の半径ｒの減少率を調べたところ、表３に示す結果が得られた。

この表３によると、ボール収容溝２９，６３の各半径ｒ１をボール部材４４の半径ｒの１．５倍（ｒ１＝１．５ｒ）とした場合、比較例１のものと同じ面圧で約６５％の小さいボール部材４４を使用できることが判る。

以上の結果、本発明の技術によれば、ロボットロボットアームカップリング装置の薄型化を有効に達成できることが判明した。

本発明は、ボール部材を用いながら、ロボットアームカップリング装置の薄型化を促進できる点で産業上の利用可能性は高い。

図１は、本発明の実施形態におけるロボットアームカップリング装置を両プレートの連結状態で示す縱断面図である。 図２は、マスタプレートの縱断面図である。 図３は、ツールプレートの縦断面図である。 図４は、図５のIV−IV線断面図である。 図５は、マスタ側ボール収容溝をカム部材の側方から見た拡大正面図である。 図６は、マスタ側ボール収容溝をカム部材の下側から見た拡大平面図である。 図７は、図９のVII−VII線断面図である。 図８は、カム部材の斜視図である。 図９は、カム部材を下側から見た平面図である。 図１０は、ボール受けを下側から見た平面図である。 図１１は、ボール受けの斜視図である。 図１２は、図１０のXII−XII線断面図である。 図１３は、ツール側ボール収容溝をボール受けの内側から見た拡大正面図である。 図１４は、ツール側ボール収容溝をボール受けの下側から見た拡大平面図である。 図１５は、図１３のXV−XV線断面図である。 図１６は、マスタシリンダを下側から見た平面図である。 図１７は、ボール収容孔の拡大断面図である。 図１８は、他の実施形態を示す図４相当図である。

Claims (10)

1. ロボットアームに取り付けられたマスタプレートと、ツール等が取り付けられるツールプレートと、上記両プレートを一体的に連結してロック固定するロック手段とを有し、
   上記ロック手段が、上記マスタプレートにロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能に支持されたカム部材と、該カム部材の周囲に配設され、上記マスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に支持される複数のボール部材と、上記ツールプレートに配設され、上記カム部材がロック位置に移動したときに両プレートを連結保持するようにボール部材に係合されるボール受けとを備えたロボットアームカップリング装置において、
   上記カム部材には、カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されている一方、
   上記ボール受けには、上記カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝がボール受けの周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設されており、
   上記マスタ側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側第１傾斜部が形成され、
   上記ツール側ボール収容溝の内面に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記マスタ側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が形成され、
   上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態で上記マスタ側第１傾斜部がボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧する構成とされていることを特徴とするロボットアームカップリング装置。
2. 請求項１記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタ側ボール収容溝の内面には、マスタ側第１傾斜部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向と平行な形状とされたストレート部が連設されているロボットアームカップリング装置。
3. 請求項２記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタ側ボール収容溝の内面には、ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と同方向に傾斜する形状とされたマスタ側第２傾斜部が形成され、
   上記ストレート部とマスタ側第２傾斜部とは、溝長さ方向の断面が円弧形状とされた円弧部を介して連続しているロボットアームカップリング装置。
4. 請求項２記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタ側ボール収容溝の内面には、ストレート部よりもカム部材のロック位置側に、溝長さ方向の断面がマスタ側第１傾斜部と略同方向に傾斜する形状とされた円弧部が連設されているロボットアームカップリング装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つ記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタ側ボール収容溝及び／又はツール側ボール収容溝の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ２倍以下であるロボットアームカップリング装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１つ記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタ側ホール収容溝及び／又はツール側ボール収容溝の半径は、ボール部材の半径の０．０５ｍｍ以上でかつ１．５倍以下であるロボットアームカップリング装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つ記載のロボットアームカップリング装置において、
   カム部材がマスタプレートに対し、カム部材のスライド方向に沿った軸線回りに相対的に回転するのを阻止する回り止め機構が設けられているロボットアームカップリング装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つ記載のロボットアームカップリング装置において、
   マスタプレートは、ロボットアームに第１締結部材により取り付けられるマスタボディと、該マスタボディに上記第１締結部材とは異なる第２締結部材により固定され、ボール部材を収容するボール収容部を有するシリンダヘッドとを備えてなるロボットアームカップリング装置。
9. ロボットアームに取り付けられ、ボール受けを備えたツールプレートに対し連結されるロボットアームカップリング装置用マスタプレートであって、
   上記ボール受けには複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝が形成されて、該ツール側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたツール側傾斜部が設けられており、
   ロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、
   上記カム部材の周囲にカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記ボール受けのツール側傾斜部に接触してツールプレートを連結保持する複数のボール部材とを備え、
   上記カム部材には、カム部材の略スライド方向に沿って延びかつ上記ボール部材を収容可能な複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝がカム部材の周方向において上記ボール部材の位置に対応して配設され、
   上記マスタ側ボール収容溝の内面には、溝長さ方向の断面がカム部材のスライド方向に対し上記ツール側傾斜部の傾斜方向と反対方向に傾斜する形状とされかつ上記カム部材がロック位置に位置付けられた状態でボール部材を上記ツール側傾斜部に当接させるように押圧するマスタ側傾斜部が形成されていることを特徴とするロボットアームカップリング装置用マスタプレート。
10. 内面に、溝長さ方向の断面が所定方向に傾斜する形状とされたマスタ側傾斜部が形成された複数の断面略円弧状のマスタ側ボール収容溝を有し、かつロック位置及びロック解除位置の間をスライド可能なカム部材と、該カム部材周囲のマスタプレートにカム部材のスライド方向と略直交する方向に移動可能に配設され、カム部材がロック位置に移動したときに上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動する複数のボール部材とを備えてなるマスタプレートに連結されるロボットアームカップリング装置用ツールプレートであって、
    内面に、溝長さ方向の断面が上記マスタ側傾斜部と反対方向に傾斜する形状とされ、かつマスタプレートのボール部材と接触可能なツール側傾斜部が形成された複数の断面略円弧状のツール側ボール収容溝を有するボール受けが設けられており、
    上記カム部材がロック位置に移動したときに、上記マスタ側傾斜部に押圧されて移動するボール部材を上記ボール受けのツール側傾斜部に接触させることにより、マスタプレートに連結保持されるように構成されていることを特徴とするロボットアームカップリング装置用ツールプレート。

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