特許 7482516 撓み継手およびゴニオメータ

(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】2024-05-02

(45)【発行日】2024-05-14

(54)【発明の名称】撓み継手およびゴニオメータ

(51)【国際特許分類】

   F16D 3/74 20060101AFI20240507BHJP

【ＦＩ】

F16D3/74 D

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020204243

(22)【出願日】2020-12-09

(65)【公開番号】P2022091418

(43)【公開日】2022-06-21

【審査請求日】2023-09-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年１月２４日株式会社アールデック（茨城県つくば市二の宮１－１６－１０）にて譲渡

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】相浦 義弘

(72)【発明者】

【氏名】小林 知巳

【審査官】鈴木 貴晴

(56)【参考文献】

【文献】特表２０００－５１７４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６９３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０４７３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１４０１９０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平４－２８９４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第３７１９９００（ＤＥ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１００６０４２２（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｄ １／００－９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの回転軸との間に配置されトルクを伝達する円筒形状の撓み継手であって、
前記２つの回転軸の各々に接続可能な２つの端部を有する本体部を備え、
前記本体部は、複数のスリットを有し、各スリットは、外周面から半径方向に前記本体部の軸線を越える深さまで延びるとともに、他のスリットから該軸線方向に所定のピッチでかつ該外周面の周方向に所定の角度間隔で配置され、
前記スリット幅ｗと前記所定のピッチpとの比ｗ／ｐが０．６以上であり、
前記本体部の軸方向に対して垂直な断面積Ｓと前記スリットの底の接合部分の軸方向に対して垂直な断面積ｓとの比ｓ／Ｓが０．２０以下であり、
当該撓み継手の半径方向の機械的コンプライアンス値が３ｍｍ／Ｎ以上である、前記撓み継手。

【請求項2】

前記比ｗ／ｐと前記比ｓ／Ｓとの比（ｗ／ｐ）／（ｓ／Ｓ）が２．５以上である、請求項１記載の撓み継手。

【請求項3】

前記スリット幅ｗと前記スリットの深さｄとの比ｗ／ｄが０．０７以上である、請求項１または２記載の撓み継手。

【請求項4】

当該撓み継手は、前記スリットを１２個以上有する、請求項１～３のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項5】

前記比ｓ／Ｓが０．１３以下である、請求項１～４のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項6】

当該撓み継手の半径方向の機械的コンプライアンス値が５ｍｍ／Ｎ以上である、請求項１～５のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項7】

前記比ｗ／ｐが０．７以下である、請求項１～６のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項8】

前記比ｓ／Ｓが０．０７以上である、請求項１～７のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項9】

前記比ｗ／ｐと前記比ｓ／Ｓとの比（ｗ／ｐ）／（ｓ／Ｓ）が１０以下である、請求項１～８のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項10】

当該撓み継手の半径方向の機械的コンプライアンス値が１６ｍｍ／Ｎ以下である、請求項１～９のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項11】

前記軸方向に隣合うスリットは、前記所定の角度間隔が略９０°または略１８０°であり、前記スリットの底は平面である、請求項１～１０のうちいずれか一項記載の撓み継手。

【請求項12】

請求項１～１１のうちいずれか一項記載の撓み継手を備えるゴニオメータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転動力の伝達において接合された入力軸と出力軸との作動角を増加可能な撓み継手に関する。

【背景技術】

【0002】

入力回転軸と出力回転軸との作動角を自由に設定可能な機械要素として、自在継手が用いられている。自在継手は複数部品から構成されていることから、小型化が困難であることに加え、構成部品間のバックラッシュにより回転動力の伝達を高精度に行うことが困難である。さらに、真空中で用いた場合、使用可能な潤滑剤の制約により構成部品の摩耗および構成部品間の摩擦が増加し、バックラッシュの増加による回転精度の劣化および齧りによる機械的な破損が起きやすい。

【0003】

円筒体の外周面に直線や螺旋のスリットを複数入れた撓み継手もある程度の作動角を可変な機械要素として用いられている。撓み継手は、単一の機械要素からなることから、自在継手において問題となる構成部品間の隙間による回転精度の影響が無いことに加え、摩耗による回転精度の劣化および摩擦の増加による齧りによる機械的な破損が無い（例えば、特許文献１、２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭６３－４３０３０号公報

【文献】特許第４０８３２２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

既存技術の撓み継手、例えば、特許文献１の緩衝カップリングは、円筒体に複数のスリットを形成することにより、入力回転軸と出力回転軸との芯ずれの緩衝を目的としており、作動角が小さい。そのため、大きな作動角を必要とするような利用は想定されていない。

【0006】

本発明の目的は、可撓性に優れ、大きな作動角で動作可能な撓み継手およびそれを用いたゴニオメータを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、２つの回転軸との間に配置されトルクを伝達する円筒形状の撓み継手であって、上記２つの回転軸の各々に接続可能な２つの端部を有する本体部を備え、上記本体部は、複数のスリットを有し、各スリットは、外周面から半径方向に上記本体部の軸線を越える深さまで延びるとともに、他のスリットから該軸線方向に所定のピッチでかつ上記外周面の周方向に所定の角度間隔で配置され、上記スリット幅ｗと上記所定のピッチpとの比ｗ／ｐが０．６以上であり、上記本体部の軸方向に対して垂直な断面積Ｓと上記スリットの底の接合部分の軸方向に対して垂直な断面積ｓとの比ｓ／Ｓが０．２０以下であり、上記撓み継手の半径方向の機械的コンプライアンス値が３ｍｍ／Ｎ以上である、上記撓み継手が提供される。

【0008】

上記態様によれば、可撓性に優れ、大きな作動角で動作可能な撓み継手を提供できる。

【0009】

本発明の他の態様によれば、上記態様の撓み継手を備えるゴニオメータが提供される。上記他の態様によれば、撓み継手が可撓性に優れ、大きな作動角で動作可能であるので、回転動力を伝達する機械要素を小型化できるとともに、高い回転精度のゴニオメータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る撓み継手の概略構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る撓み継手の部分断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る撓み継手の部分拡大図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る撓み継手の機械的コンプライアンスの測定の説明図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る撓み継手の適用例である。

【図6】作製例の撓み継手の荷重と偏心量との関係を示す図である。

【図7】作製例の撓み継手の機械的コンプライアンスと断面積比ｓ／Ｓを示す図である。

【図8】本発明の一実施形態に係るゴニオメータの概略構成を示す図である。

【図9】本発明の一実施形態に係るゴニオメータ先端部の部分拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面に基づいて実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

【0012】

図１は、本発明の一実施形態に係る撓み継手の概略構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る撓み継手の部分断面図であり、（ａ）は図１のＡ－Ａ線矢視図、（ｂ）は図１のＢ－Ｂ線矢視図、（ｃ）は図１のＣ－Ｃ線矢視図、（ｄ）は図１のＤ－Ｄ線矢視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る撓み継手の部分拡大図である。なお、図３は、説明の便宜のために、軸線方向に拡大した図を示している。

【0013】

図１～図３を参照するに、撓み継手１０は、おおよそ円筒形の本体部１１を有する。本体部１１は、２つの端部１１ａ、１１ｂを有し、その端部１１ａ、１１ｂの軸線（Ｘ－Ｘ線）に沿った開口部（孔部）に各々回転軸を接続可能である。撓み継手１０は、回転トルクの入力側の回転軸ＲＳ１から回転トルクの出力側の回転軸ＲＳ２にトルクを伝達する。撓み継手１０は、図１では、軸線に沿って直線状に示しているが、可撓性に優れ、２つの回転軸１１ａ、１１ｂの角度がほぼ９０°でもトルクの伝達に用いることができる。

【0014】

本体部１１は、２つの端部１１ａ、１１ｂとの間に多数のスリット１２が形成される。本体部１１は、隣合うスリット１２との間に円盤状部分１３が形成され、スリット１２は、その底に隣合う円盤状部分１３を接続する接合部分１４を有する。接合部分１４が可逆的な範囲において撓むことで、撓み継手１０の偏位角や作動角が大きくすることができる。

【0015】

スリット１２は、本体部１１が直径Ｄを有し、本体部１１の外周面から半径方向に軸線（Ｘ－Ｘ線）を越える深さｄ（ｄ＜Ｄ）まで延びる。本体部１１の直径Ｄは、特に制限はないが、機器の制御用としては小型の撓み継手が狭い空間に配置されることが多く、６ｍｍ～１６ｍｍであることが好ましく、８ｍｍから１２ｍｍであることがさらに好ましい。スリット１２は、延びる方向が、隣合うスリット１２間で所定の角度間隔を形成する。所定の角度間隔は、本実施形態では、９０°または１８０°であり、略９０°または略１８０°であればよく、製造上容易でありかつ低コストの点で好ましい。スリット１２ａは、図２（ａ）に示す図１のＡ－Ａ線矢視図のように、紙面の上から下に延び、接合部分１４が下方に形成される。その隣のスリット１２ｂは、図２（ｂ）に示す図１のＢ－Ｂ線矢視図のように、紙面の下から上に延び、接合部分１４が上方に形成される。その隣のスリット１２ｃは、図２（ｃ）に示す図１のＣ－Ｃ線矢視図のように、紙面の右から左に延び、接合部分１４が左方に形成される。その隣のスリット１２ｄは、図２（ｄ）に示す図１のＤ－Ｄ線矢視図のように、紙面の左から右に延び、接合部分１４が右方に形成される。このように、スリット１２は、本実施形態では、隣り合う４個のスリット１２ａ～１２ｄが１つのセットを形成する。図１では、本体部１１は、６セットのスリット１２（合計２４個のスリット）形成されている。スリット１２は、１２個以上であることが、撓み継手１０の可撓性を高める点で好ましい。

【0016】

スリット１２は、所定の間隔（ピッチ）ｐ毎に形成され、スリット幅ｗを有する。スリット幅ｗとスリット１２のピッチpとの比ｗ／ｐは、良好な可撓性を確保するために０．５以上に設定される。比ｗ／ｐは大きい程可撓性が高まるが、撓み継手１０のねじり剛性が低下するので、比ｗ／ｐは、０．７以下であることが好ましい。

【0017】

図３に示すように円盤状部分１３の軸線方向に対して垂直な断面の面積（断面積）をＳとし、接合部分１４の軸方向に対して垂直な断面の面積（断面積）ｓとすると、その比ｓ／Ｓが０．２０以下に設定される。比ｓ／Ｓは小さいほど可撓性が高まり、撓み継手１０の入力側の回転軸ＲＳ１と出力側の回転軸ＲＳ２との作動角をより大きく確保できる点で好ましい。比ｓ／Ｓは、０．１３以下に設定されることが、可撓性が著しく高まる点で好ましい。比ｓ／Ｓが極めて小さくなると、撓み継手１０のねじり剛性が低下するので、比ｓ／Ｓは０．０７以上に設定されることが好ましい。

【0018】

比ｗ／ｐと比ｓ／Ｓとの比（ｗ／ｐ）／（ｓ／Ｓ）は、可撓性の点で、２．５以上であることが好ましい。比（ｗ／ｐ）／（ｓ／Ｓ）は、大きい程可撓性が高まるが、ねじり剛性が低下する。本実施形態の一適用例として、回転動力源が小型のステッピングモータ（例えば取付けサイズが２０ｍｍ×２０ｍｍのモータ）の場合、励磁最大静止トルクを加えた際の撓み継手１０のねじり角（入力側の回転軸ＲＳ１と出力側の回転軸ＲＳ２とのずれ角）が小型モータの単位基本ステップ角よりも小さくすることが好ましい。この観点から、比（ｗ／ｐ）／（ｓ／Ｓ）は、１０以下であることが好ましい。

【0019】

スリット１２は、スリット幅ｗとスリットの深さｄとの比ｗ／ｄが０．０７以上であることが好ましい。比ｗ／ｄは、スリット１個当たりの最大作動角を決める寸法パラメータのうちの一つであり、大きい程、スリット１個当たりの物理的な最大作動角が大きくなる。

【0020】

図４は、本発明の一実施形態に係る撓み継手の機械的コンプライアンスの測定の説明図である。図４を参照するに、撓み継手１０の一方の端部１１ｂを固定して他方の端部１１ａ側の外周面に、軸線に対して垂直方向に荷重をかける。荷重によって撓み継手１０が偏位して端部１１ａの軸線が加重をかけない場合の軸線の位置からずれる。この軸線のずれを偏心量として求める。加重の単位をＮ、偏心量の単位をｍｍとして、機械的コンプライアンス（単位：ｍｍ／Ｎ）が定義される。機械的コンプライアンス値は撓み継手の撓み易さを表し、数値が大きいほど撓み易いことを表す。本実施形態の撓み継手１０は、機械的コンプライアンス値が３ｍｍ／Ｎ以上に設定される。特許文献２に半径方向コンプライアンスとして記載された機械的コンプライアンス値は６４μｍ／Ｎであり、これに対して本実施形態の撓み継手１０は、機械的コンプライアンス値が約４７倍以上に設定される。撓み継手１０の機械的コンプライアンス値は、より高い可撓性と十分なねじり剛性を両立する点で５ｍｍ／Ｎ以上であることが好ましい。撓み継手１０の機械的コンプライアンス値は、ねじり剛性を確保する点で、１６ｍｍ／Ｎ以下であることが好ましい。

【0021】

なお、撓み継手１０は、３つの隣合うスリット１２を一つのセットとする場合は、隣合うスリット１２間で延びる方向が略１２０°であればよい。また、５つの隣合うスリット１２を一つのセットとする場合は、隣合うスリット１２間で延びる方向が略７２°であればよい。スリット１２が延びる方向は、一つの撓み継手１０では多いほど、例えば、スリットが２４個ある撓み継手１０では１５°刻みの方向を選択することが撓み易さの変動を軽減する点で好ましい。他方、スリット１２を形成する製造の容易さの点では、スリット１２が延びる方向は、９０°刻みの方向を選択することが好ましい。

【0022】

撓み継手１０は、アルミ合金、ステンレス、リン青銅、ベリリウム銅、チタン合金、コバルト基合金、インコネル等の金属材料、並びに、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリミド（ＰＩ）樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂等の長期間使用できる、耐衝撃性、耐摩耗性に優れたスーパーエンジニアリング樹脂を用いて、公知の製造方法により作製する。

【0023】

図５は、本発明の一実施形態に係る撓み継手の適用例であり、入力回転軸と出力回転軸とにずれがある場合に、２つの本実施形態の撓み継手１０Ａ、１０Ｂを用いた例である。図５を参照するに、入力回転軸ＲＳａと出力回転軸ＲＳｂとは平行であるが軸線に対して垂直方向にずれがある。２つの撓み継手１０Ａ、１０Ｂおよび軸受を用いて入力回転軸ＲＳａと出力回転軸ＲＳｂとを連結している。撓み継手１０Ａ、１０Ｂの各々は、作動角が約４５°であり従来と比較して極めて大きく撓ませて配置されている。このように本実施形態の撓み継手１０Ａ、１０Ｂを適用することで、狭所において入力回転軸ＲＳａと出力回転軸ＲＳｂとがずれがあってもコンパクトな機構により回転動力を伝達可能である。

【0024】

［作製例］
本実施形態の撓み継手１０について、以下の仕様の撓み継手を作製した。
外寸：長さ３０ｍｍ、直径Ｄ８ｍｍ
穴径：直径３ｍｍ
スリット寸法：
ピッチｐ：１ｍｍ
スリット幅ｗ：０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ
スリット深さｄ：６．０ｍｍ、６．５ｍｍ、７．０ｍｍ
スリット数ｎ：１６、２４、２４
材料：ベリリウム銅

【0025】

作製した撓み継手のうち、代表的なパラメータを有する撓み継手について、図４とその説明に示した手法で荷重と偏心量との関係を計測し、可撓性を表す機械的コンプライアンス値を求めた。

【0026】

図６は、作製例の撓み継手の荷重と偏心量との関係を示す図であり、スリット深さｄが７．０ｍｍ、スリット数ｎが２４個、スリット幅ｗが０．５ｍｍ、０．６ｍｍおよび０．７ｍｍの３種類の撓み継手について計測した結果を示す。図６の縦軸は荷重であり、横軸はその荷重に対する偏心量を示す。図６を参照するに、荷重に対してほぼリニアに偏心量に変化していることが分かる。このグラフの傾き（偏心量／荷重）が機械的コンプライアンス値である。スリット幅ｗとピッチｐとの比ｗ／ｐが０．５から０．７に高くなる程、傾き（偏心量／荷重）が大きくなることが分かる。すなわち、比ｗ／ｐが０．５から０．７に高くなる程、荷重に対する偏心量が増加し、撓み易くなることが分かる。

【0027】

図７は、作製例の撓み継手の機械的コンプライアンスと断面積比ｓ／Ｓを示す図であり、横軸が円盤状部分１３の軸線方向に対して垂直な断面の面積（断面積）をＳと接合部分１４の軸方向に対して垂直な断面の面積（断面積）ｓとの比であり、縦軸は機械的コンプライアンス（ｍｍ／Ｎ）である。図７を参照するに、比ｓ／Ｓが大きい程、機械的コンプライアンス値が低くなり、可撓性が低下する。比ｓ／Ｓが０．２０以下であり、比ｗ／ｐが０．６以上であると、機械的コンプライアンス値が３ｍｍ／Ｎ以上である撓み継手を得ることができる。さらに比ｓ／Ｓが０．１３以下であり、比ｗ／ｐが０．６以上であると、機械的コンプライアンス値が５ｍｍ／Ｎ以上である撓み継手を得ることができる。

【0028】

図８は、本発明の一実施形態に係るゴニオメータの概略構成を示す図である。図９は、本発明の一実施形態に係るゴニオメータ先端部の部分拡大図である。図８および図９を参照するに、本発明の一実施形態に係るゴニオメータ３０は、概略、大気側に配置される回転動力源である駆動モータ３１、３２と、回転導入部３３と、真空側に配置され試料ホルダ３４を含む先端部３５とを有する。回転導入部３３では、入力側の回転軸３６、３８と出力側の回転軸３９、４０とは、撓み継手４１、４２により接続されている。撓み継手４１、４２は、図１に示した実施形態に係る撓み継手１０を用いることができる。撓み継手４１、４２は可撓性に優れているので、入力側の回転軸３６、３８を出力側の回転軸３９、４０に対して傾けることが可能であり、入力側の回転軸３６、３８を取付けフランジ４３の面に対して、垂直方向から横に傾けて設けることができる。これにより、駆動モータ３１、３２を互いに接触しないように配置できる。これとともに、入力側の回転軸３６、３８と出力側の回転軸３９、４０とをギアにより接続する場合に比較して、取付けフランジ４３を小径化でき、回転導入部３３を小型化できる。このようにしてゴニオメータ３０は、駆動モータ３１、３２から回転導入部３３の撓み継手４１、４２を介して回転軸３９、４０によって先端部３５に回転動力が伝達される。

【0029】

回転軸３９は、試料ホルダ３４の面内回転のための回転動力を伝達し、回転軸４０は、試料ホルダ３４のチルト回転のための回転動力を伝達する。先端部３５において、回転軸３９は、撓み継手４４および４５により軸心を偏位させて回転軸４６に回転動力を伝達する。回転軸４６は、撓み継手４８および平歯車４９等を介して試料ホルダ３４の面内回転のための回転動力を伝達する。回転軸４０は、撓み継手５０および５１により軸心を偏位させてウォームギア５２等を介して試料ホルダ３４のチルト回転のための回転動力を伝達する。

【0030】

撓み継手４４、４５、４８、５０および５１は、図１に示した実施形態に係る撓み継手１０を用いることができる。撓み継手４４、４５、４８、５０および５１は可撓性に優れており、大きな作動角で屈曲することが可能であり、かつ屈曲による塑性変形を防止できる。例えば、撓み継手４８は、試料ホルダ３４がチルト回転によって試料載置面（不図示）の垂直方向が横方向から紙面上向きまたは紙面下向きに設定されると、それに応じて例えば４５°またはそれ以上の角度に屈曲できる。撓み継手４８は、屈曲した状態で試料ホルダ３４の面内回転のための回転動力を伝達できる。

【0031】

本実施形態のゴニオメータ３０は、大きな作動角で回転動力を伝達可能な撓み継手４１、４２、４４、４５、４８、５０および５１を備えているので、狭い空間でも回転軸の移動が容易である。これにより、機器設計の柔軟性が飛躍的に向上することができる。さらに、ゴニオメータ３０は、回転軸を撓み継手４１、４２、４４、４５、４８、５０および５１により接続しているので、真空中や極低温下でも高精度に回転動力を伝達可能であり、高い信頼性を有している。

【0032】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0033】

１０、１０Ａ、１０Ｂ、４１、４２、４４、４５、４８、５０、５１ 撓み継手
１１ 本体部
１２、１２ａ～１２ｃ スリット
１３ 円盤状部分
１４ 接合部分
３０ ゴニオメータ
３４ 試料ホルダ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】