特許 7396854 直動機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-04

(45)【発行日】2023-12-12

(54)【発明の名称】直動機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 18/02 20060101AFI20231205BHJP

【ＦＩ】

B25J18/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019197858

(22)【出願日】2019-10-30

(65)【公開番号】P2021070092

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2022-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 邦保

【審査官】稲垣 浩司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－９７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２０５５８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相互に移動自在であって、多段入れ子構造に組まれた複数の筒状体と、
前記筒状体の内部に収容される複数のシャフトと、
前記複数のシャフトにそれぞれ移動自在に係合される複数のスライダと、を具備し、
前記複数の筒状体のうち隣り合う筒状体の一方に前記シャフトが固定され、
前記隣り合う筒状体の他方に前記スライダが固定され、
前記複数のシャフトは前記筒状体の内部であって、前記筒状体の円筒中心線からずれた位置にまとめて配置される、直動機構。

【請求項2】

前記筒状体の内部の、前記円筒中心線を挟んで前記円筒中心線からずれた位置の反対側には前記複数の筒状体の移動を駆動する駆動機構が収容される、請求項１記載の直動機構。

【請求項3】

前記複数の筒状体は、前記複数のシャフトと前記複数のスライダとにより水平方向に沿って移動自在であり、
前記複数のシャフトは、前記筒状体の内部の上半分の範囲内にまとめて配置される、
請求項１又は請求項２記載の直動機構。

【請求項4】

前記複数の筒状体のうち最後段の筒状体に固定される特定のシャフトは、他のシャフトよりも径が太く、且つ前記他のシャフトよりも上側に配置される、請求項３記載の直動機構。

【請求項5】

前記シャフトは前記スライダとともにボールスプライン機構を構成する請求項１乃至４のいずれか一項記載の直動機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直動機構に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボット装置に伸縮性に富むテレスコピック構造のアームが採用されることがある。テレスコピック構造アームは、径の異なる複数の円筒部材が入れ子構造に組まれてなる。テレスコピック構造アームには小型、軽量、高剛性、防塵・防滴性が求められている。

【0003】

円筒部材が相対的に移動するテレスコピック構造アームでは、伸縮時の摺動抵抗を低く抑えるため、摺動部に隙間が必要とされる。この隙間は摺動性を確保するために不可欠である一方でアーム全体の剛性を低下させる。またテレスコピック構造アームは多段の直動レールと、この外周をカバーで覆う構造が一般的である。この構造で剛性を高めるためには直動レールを太くする必要があり、これに合わせて外周のカバー外径も大きくなり、従ってアーム全体が大きく、重くなる課題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ロボットアームなどに適用可能な直動機構において、剛性の向上を、機構の大型化を抑えながら実現することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係る直動機構は、相互に移動自在に縦続される複数の直動要素と、複数の直動要素のうち隣り合う直動要素の一方に固定されるシャフトと、シャフトに対して移動自在に係合され、隣り合う直動要素の他方に固定されるスライダとを具備する。

【発明の効果】

【0006】

一態様によれば、ロボットアームなどに適用可能な直動機構において、剛性の向上を、機構の大型化を抑えながら実現され得る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、一実施形態に係る収縮時の直動機構の斜視図である。

【図2】図２は、伸長時の直動機構の斜視図である。

【図3】図３は、図２の直動機構の正面図である。

【図4】図４は、図３のＡ－Ａ´断面図である。

【図5】図５は、図４の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【図6】図６は、図３のＢ－Ｂ´断面図である。

【図7】図７は、図６の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【図8】図８は、図３のＣ－Ｃ´断面図である。

【図9】図９は、図８の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【図10】図１０は、図１のアーム構造の変形例を示す斜視図である。

【図11】図１１は、図１０の直動機構の伸長時を示す斜視図である。

【図12】図１２は、図１１の直動機構の正面図である。

【図13】図１３は、図１２のＤ－Ｄ´断面図である。

【図14】図１４は、図１３の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【図15】図１５は、図１２のＥ－Ｅ´断面図である。

【図16】図１６は、図１５の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【図17】図１７は、図１２のＦ－Ｆ´断面図である。

【図18】図１８は、図１７の直動機構の収縮時の状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る直動機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。本実施形態に係る直動機構は、それ単独で使用することができるし、ロボットアーム機構の直動伸縮関節のアーム部（可動部）としても使用することができるものである。

【0009】

図１、図２に示すように、直動機構１は板状のベース部９０とベース部９０に支持される伸縮自在なアーム部１０とを有する。アーム部１０は、相互に移動自在に縦続される複数の直動要素からなる。本実施形態では直動要素として円筒体を例に説明する。アーム部１０は、テレスコピック構造（多段入れ子構造）に強固に組まれた複数、ここでは４つの円筒体１１，１３，１５，１７により構成される。なお、アーム部１０を構成する筒体は角筒形状であってもよい。

【0010】

図４乃至図９に示すように、ベース部９０には、最後尾の円筒体１１がその後端フランジにおいて固定される。最後尾の円筒体１１には、その先端の内周面に設けられたすべり軸受２１を介して円筒体１３が移動自在に接続される。円筒体１３には、その先端の内周面に設けられたすべり軸受２３を介して円筒体１５が移動自在に接続される。円筒体１５には、その先端の内周面に設けられたすべり軸受２５を介して先頭の円筒体１７が接続される。隣接する２つの円筒体をすべり軸受を介して接続する構造を採用することにより、アーム部１０の全体が太くなるのを抑制するとともに、アーム部１０の防水、防塵機能を向上させる効果を奏する。

【0011】

上記のテレスコピック構造をなすアーム部１０は、円筒中心線ＣＬ１に沿って前後に伸縮することができる。テレスコピック構造を採用しているため、アーム部１０は、それ自体でもある程度の剛性を有する。しかしながら、例えば、長い伸縮長が要求される場合や、重量物をピッキングするロボットアーム機構に採用される場合など、アーム部１０には、さらなる剛性向上が要求される。本実施形態では、テレスコピック構造をなすアーム部１０の剛性をさらに向上させるための補強構造を備える。典型的には、補強構造はボールスプライン機構により構成される。ボールスプライン機構は、隣接する２つの円筒体の間に介在される。なお、本実施形態では、剛性確保の観点から、補強構造としてボールスプライン機構を採用したが、レールとレールに係合するスライダからなる直動機構など他の直動機構を採用することができる。

【0012】

具体的には、図４に示すように、第１ボールスプライン機構を構成する第１スプラインシャフト４１は、円筒中心線ＣＬ１と平行な向きにその後端がベース部９０に固定され、第１スプラインシャフト４１に挿入される第１スプラインナット４２は円筒体１３の後端縁に連結された第１連結板３３に固定される。それにより、円筒体１１に対する円筒体１３の移動に従動して、第１スプラインナット４２は第１スプラインシャフト４１に対して移動することができる。

【0013】

図６に示すように、第２ボールスプライン機構を構成する第２スプラインシャフト４３は、円筒中心線ＣＬ１と平行な向きにその後端が第１連結板３３に固定され、第２スプラインシャフト４３に挿入される第２スプラインナット４４は円筒体１５の後端縁に連結された第２連結板３５に固定される。それにより、円筒体１３に対する円筒体１５の移動に従動して、第２スプラインナット４４は第２スプラインシャフト４３に対して移動することができる。

【0014】

図８に示すように、第３ボールスプライン機構を構成する第３スプラインシャフト４５は、円筒中心線ＣＬ１と平行な向きにその後端が第２連結板３５に固定され、第３スプラインシャフト４５に挿入される第３スプラインナット４６は円筒体１７の後端縁に連結された第３連結板３７に固定される。それにより、円筒体１５に対する円筒体１７の移動に従動して、第３スプラインナット４６は第３スプラインシャフト４５に対して移動することができる。

【0015】

図５、図７、図９に示すように、アーム部１０を収縮させたときに、第１ボールスプライン機構を第２連結板３５、第３連結板３７に衝突させないために、図４に示すように、第２連結板３５と第３連結板３７とには、開孔３５１、３７１がそれぞれあけられている。開孔３５１、３７１は、第１スプラインシャフト４１の中心線上の位置に、第１ボールスプライン機構を通過させるために必要な大きさにそれぞれ形成される。アーム部１０を収縮させたときに、第２ボールスプライン機構を第３連結板３７に衝突させないために、図６に示すように、第３連結板３７には他の開孔３７２があけられている。他の開孔３７２は、第２スプラインシャフト４３の中心線上の位置に、第２ボールスプライン機構を通過させるために必要な大きさに形成される。

【0016】

なお、図３に示すように、第１、第２、第３スプラインシャフト４１，４３，４５は、円筒中心線ＣＬ１からずれた位置にまとめて配置されることが望ましい。それにより空いたスペースにアーム部１０の伸縮動作を実現する駆動機構を収容することができ、アーム部１０の大型化を抑えることができる。アーム部１０の駆動機構としては、ブロック列の送り出し／引き戻し機構、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構など任意の機構が採用される。

【0017】

なお、図４、図６、図８に示すように、アーム部１０の根本側のベース部９０に固定された第１スプラインシャフト４１の径Ｒ１は、第２、第３スプラインシャフト４３，４５の径Ｒ２，Ｒ３よりも太く構成することが望ましい。アーム部１０に対して最も負荷がかかるベース側の第１スプラインシャフト４１を太くすることは、アーム部１０の根本部分の剛性を向上させることに寄与する。同様に、アーム部１０の先端側の第３スプラインシャフト４５の径Ｒ３は、第１、第２スプラインシャフト４１，４３の径Ｒ１，Ｒ２よりも細く構成することが望ましい。アーム部１０に対して最も負荷がかからない先端側の第３スプラインシャフト４５を細くすることは、直動機構の軽量化に寄与する。

【0018】

以上説明した直動機構１によれば、アーム部１０にかかる負荷をテレスコピック構造をなす複数の円筒体１１，１３，１５，１７と複数のボールスプライン機構との２種類の機構に分散させることができ、また、複数のボールスプライン機構はアーム部１０の内部に収容することができるため、テレスコピック構造のアーム部１０を大型化することなく剛性の向上を実現することができる。もちろん、アーム部１０の補強として追加したボールスプライン機構はテレスコピック構造と同様に直動機構であるため、アーム部１０の直動運動を阻害することはない。

【0019】

なお、直動機構のアーム部の構造はテレスコピック構造に限定されることはない。例えば、アーム部を構成する直動要素は円筒体ではなくリニアガイドとリニアガイドに沿って移動する移動体からなるものであってもよい。変形例では、リニアガイドとして円柱形状のポール、移動体として板状の移動板を例に説明する。

【0020】

図１０、図１１に示すように、変形例に係る直動機構２は板状のベース部１００とベース部１００に支持される伸縮自在なアーム部５０とを有する。アーム部５０は、複数、ここでは４本のポール５１，５３，５５，５７と隣接する２つのポールを接続する複数の移動板７３，７５，７７からなる。

【0021】

図１３乃至図１８に示すように、複数のポール５１，５３、５５，５７のうち、最後尾のポール５１は、特定の軸（移動軸）ＣＬ２と平行な向きにその後端がベース部１００に固定される。最後尾のポール５１にはすべり軸受６３を介して第１移動板７３が移動自在に接続される。この第１移動板７３には、ポール５３の後端が移動軸ＣＬ２と平行な向きに固定される。ポール５３にはすべり軸受６５を介して第２移動板７５が移動自在に接続される。この第２移動板７５にはポール５５の後端が移動軸ＣＬ２と平行な向きに固定される。ポール５５にはすべり軸受６７を介して第３移動板７７が移動自在に接続される。この第３移動板７７には先頭のポール５７の後端が移動軸ＣＬ２と平行な向きに固定される。

【0022】

上記のように構成されたアーム部５０は、移動軸ＣＬ２に沿って前後に伸縮することができる。ポールと移動板との間にはすべり軸受が介在されているため、アーム部５０は、それ自体でもある程度の剛性を有する。直動機構２は、アーム部５０の剛性をさらに向上させるための補強構造として複数のボールスプライン機構を備える。ボールスプライン機構は、隣接する２つの移動板の間に介在される。

【0023】

図１３に示すように、第１ボールスプライン機構を構成する第１スプラインシャフト８１は、移動軸ＣＬ２と平行な向きにその後端がベース部１００に固定され、第１スプラインシャフト８１に挿入される第１スプラインナット８２は第１移動板７３に固定される。図１５に示すように、第２ボールスプライン機構を構成する第２スプラインシャフト８３は、移動軸ＣＬ２と平行な向きにその後端が第１移動板７３に固定され、第２スプラインシャフト８３に挿入される第２スプラインナット８４は第２移動板７５に固定される。図１７に示すように、第３ボールスプライン機構を構成する第３スプラインシャフト８５は、移動軸ＣＬ２と平行な向きにその後端が第２移動板７５に固定され、第３スプラインシャフト８５に挿入される第３スプラインナット８６は第３移動板７７に固定される。

【0024】

図１４、図１６、図１８に示すように、アーム部５０を収縮させたときに、第１ボールスプライン機構とポール５１とを第２移動板７５、第３移動板７７に衝突させないために、図１３に示すように、第２移動板７５には開孔７５１，７５２があけられ、第３移動板７７には開孔７７１、７７２があけられている。開孔７５２、７７２は、第１スプラインシャフト８１の中心線上の位置に、第１ボールスプライン機構を通過させるために必要な大きさにそれぞれ形成される。開孔７５１，７７１は、ポール５１の中心線上の位置に、ポール５１を通過させるために必要な大きさにそれぞれ形成される。アーム部５０を収縮させたときに、第２ボールスプライン機構とポール５３とを第３移動板７７に衝突させないために、図１５に示すように、第３移動板７７には他の開孔７７３，７７４があけられている。開孔７７４は、第２スプラインシャフト８３の中心線上の位置に、第２ボールスプライン機構を通過させるために必要な大きさに形成される。他の開孔７７３は、ポール５３の中心線上の位置に、ポール５３を通過させるために必要な大きさに形成される。

【0025】

なお、図１２に示すように、第１、第２、第３スプラインシャフト８１，８３，８５は、移動軸ＣＬ２を中心とした円周上に等間隔に配置されている。それにより、アーム部５０の重量バランスを取りながら、ねじり剛性を向上させることができる。また、図１２に示すように、移動軸ＣＬ２に近接してポール及びボールスプライン機構を配置することで、アーム部５０の大型化を抑えることができる。

【0026】

もちろん、アーム部５０の剛性を向上させるためにアーム部５０の根本に相当するベース部１００に固定された第１スプラインシャフト８１は第２、第３スプラインシャフト８３，８５よりも太く構成されることが望ましい。また、直動機構を軽量化するために、アーム部５０の先端に相当する第３スプラインシャフト８５は第１、第２スプラインシャフト８１，８３よりも細く構成されることが望ましい。

【0027】

以上説明した直動機構２によれば、アーム部５０にかかる負荷を縦続される複数の直動要素（ポールと移動板）と複数のボールスプライン機構との２種類の機構に分散させることができ、また、複数のボールスプライン機構を移動軸ＣＬ２に近接して配置することができるため、アーム部５０を大型化することなく剛性の向上を実現することができる。

【0028】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0029】

１…直動機構、１０…アーム部、１１，１３，１５，１７…円筒体、４１，４３，４５…スプラインシャフト、４２，４４，４６…スプラインナット、９０…ベース部、ＣＬ１…円筒中心線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】