(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に貫通孔が設けられた二つのアルミニウム合金製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、内孔を有す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、かつ、ハウジング両端に設けた二つのアンギュラ玉軸受を介して相対回転自在に支持されるシャフトと、
前記アンギュラ玉軸受に予圧を付加する波ワッシャと、
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、
前記第１リンクの貫通孔に前記ハウジングを内嵌させ、前記鍔の一側面に前記第１リンクを連結手段により掌合結合し、前記第２リンクの貫通孔に前記シャフトの軸方向一端を挿入させ、前記第２リンクと前記シャフトを連結手段により結合し、
前記二つのアンギュラ玉軸受の軌道輪、シャフトおよびハウジングが、線膨張係数の近似するステンレス鋼で形成されているとともに、前記両軸受が予圧付加された状態で介装されている、ことを特徴とする関節部用軸受装置。
【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５−６０１４３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】
本発明の関節部用軸受装置は、一端に貫通孔が設けられた二つのアルミニウム合金製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、内孔を有す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、かつ、ハウジング両端に設けた二つのアンギュラ玉軸受を介して相対回転自在に支持されるシャフトと、前記アンギュラ玉軸受に予圧を付加する波ワッシャと、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、前記第１リンクの貫通孔に前記ハウジングを内嵌させ、前記鍔の一側面に前記第１リンクを連結手段により掌合結合し、前記第２リンクの貫通孔に前記シャフトの軸方向一端を挿入させ、前記第２リンクと前記シャフトを連結手段により結合し、前記二つのアンギュラ玉軸受の軌道輪、シャフトおよびハウジングが、線膨張係数の近似するステンレス鋼で形成されているとともに、前記両軸受が予圧付加された状態で介装されている。
【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１１、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３６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、３１２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３１３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４０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３４、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の両側を平ワッシャ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３３１、３３１と、外輪３３２、３３２と、複数の玉３３３、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ＳＡＥ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、３３１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３１４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
【図１】
0003588697.tif 000002
【図２】
0003588697.tif 000003