(57)【要約】【課題】部材を揺動するトルクを低下させることなく小型の関節機構を実現する揺動機構を提供する。【解決手段】回転部材と、回転部材と連結して揺動する揺動部材と、他の外部部材に固定され、回転部材の回転を支持する軸受孔および揺動部材の揺動運動をガイドするスリットが形成された支持部材とを備える。回転部材は、支持部材の軸受孔に貫通して回転可能に配置される軸部と、軸部の一方端部に固設され、その表面に軸部の回転軸を中心とした螺旋状の案内路が形成された凸球形状の凸球部とを含む。揺動部材は、凸球部と遊嵌し、スリットに沿って移動可能な遊嵌部と、遊嵌部内周面に設けられ、凸球部と遊嵌部とが遊嵌した状態で案内路と滑合する滑合子と、遊嵌部の外側面に固設され、遊嵌部の移動に応じてスリットが形成された方向に揺動することによって所定部材を揺動させる揺動部とを含む。【選択図】図１
2009079632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から受ける回転駆動力に応じて所定部材を揺動する揺動機構であって、
前記回転駆動力を受けて所定の回転方向に回転する回転部材と、
前記回転部材と連結して所定の揺動方向に揺動する揺動部材と、
他の外部部材に固定され、前記回転部材の回転を支持する軸受孔および前記揺動部材の揺動運動をガイドするスリットが形成された支持部材とを備え、
前記回転部材は、
前記回転駆動力が入力され、前記支持部材の軸受孔に貫通して回転可能に配置される軸部と、
前記軸部の一方端部に固設され、その表面に前記軸部の回転軸を中心とした螺旋状の案内路が形成された凸球形状の凸球部とを含み、
前記揺動部材は、
前記凸球部の外周面と遊嵌する凹形状内周面を有し、前記スリットに沿って移動可能な遊嵌部と、
前記凹形状内周面に設けられ、前記凸球部と前記遊嵌部とが遊嵌した状態で当該凸球部に形成された前記案内路と滑合する滑合子と、
前記遊嵌部の外側面に固設され、前記遊嵌部の移動に応じて前記スリットが形成された方向に揺動することによって前記所定部材を揺動させる揺動部とを含む、揺動機構。
【請求項２】
前記支持部材は、前記軸部の回転軸に平行な平面に沿って前記スリットが形成され、
前記揺動部は、前記遊嵌部が前記スリットに沿って移動することによって前記軸部の回転軸に平行な平面に沿った方向に揺動する、請求項１に記載の揺動機構。
【請求項３】
前記支持部材は、前記軸受孔および前記スリットと連通して前記凸球部を配置する球状空間がその内部に形成され、
前記凸球部は、前記球状空間内に配置された状態で所定の隙間を介して前記支持部材内壁と遊嵌する、請求項１または請求項２に記載の揺動機構。
【請求項４】
前記凸球部は、前記案内路と前記滑合子との静止摩擦係数μに対して、リード角γが
γ≦ｔａｎ-1（μ）
で形成された螺旋状の前記案内路が形成される、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項５】
前記遊嵌部は、前記案内路と同時に嵌合する複数の前記滑合子が前記凹形状内周面に設けられる、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項６】
前記凸球部は、その表面に前記軸部の回転軸を中心として螺旋の進行方向が異なる螺旋状の２つの案内路が形成され、
前記複数の滑合子は、前記２つの案内路に沿ってそれぞれ嵌合する、請求項５に記載の揺動機構。
【請求項７】
前記遊嵌部は、少なくとも前記凹形状内周面側に開口する筒孔が形成され、
前記滑合子は、前記筒孔に遊挿される硬質部材であり、
前記遊嵌部は、前記硬質部材に対して前記遊嵌部の外側面側となる前記筒孔内に配され、当該硬質部材を当該筒孔に沿って前記案内路へ向かう方向に付勢する弾性体を含む、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項８】
前記筒孔は、前記遊嵌部の凹形状内周面側から外側面まで貫通して形成され、
前記硬質部材および前記弾性体は、前記筒孔の外側面側開口部から付替可能に構成される、請求項７に記載の揺動機構。
【請求項９】
前記案内路は、前記凸球部表面に対して一定深さで彫設された螺旋状の条溝であり、
前記滑合子は、前記遊嵌部の凹形状内周面に突設され、前記条溝に嵌合可能な突起である、請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項１０】
前記凹形状内周面は、所定の隙間を介して前記凸球部の凸球面を包み込む球面である、請求項９に記載の揺動機構。
【請求項１１】
前記凹形状内周面は、所定の隙間を介して前記凸球部の凸球面と遊嵌する直円柱面である、請求項９に記載の揺動機構。
【請求項１２】
前記案内路は、前記凸球部表面に対して一定高さで突出した螺旋状の突条であり、
前記滑合子は、前記遊嵌部の凹形状内周面に突設され、前記突条に嵌合可能な凹部を有する突起である、請求項１に記載の揺動機構。
【請求項１３】
前記外部部材に対して前記支持部材を所定の方向に回動させ、任意の角度で当該支持部材を固定する支持部材回動機構を、さらに備える、請求項１乃至請求項１２の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項１４】
前記回転部材は、前記軸部の開放端から前記凸球部の表面まで貫通する第１貫通孔を有し、
前記揺動部材は、前記遊嵌部の凹形状内周面から前記揺動部の開放端まで貫通する第２貫通孔を有し、
前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とは、互いに連通して配置される、請求項１乃至請求項１３の何れか１つに記載の揺動機構。
【請求項１５】
前記凸球部の外周面および前記遊嵌部の凹形状内周面の少なくとも一方側の一部に、潤滑剤を含む潤滑剤含有部材が設けられ、
前記潤滑剤含有部材は、対向する面に摺接する、請求項１乃至請求項１４の何れか１つに記載の揺動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から受ける回転駆動力に応じて所定部材を揺動する揺動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットには、連結部を介して２つのアーム部それぞれの一方端部同士を連結する関節機構が設けられている。一般的に、上記関節機構は、一方のアーム部の中心軸線に対して他方のアーム部の揺動軸線が直交し、上記連結部を中心に、屈折するように揺動させる機能を有している。なお、以下では上記の一方のアーム部を第１アーム部と呼称し、他方のアーム部を第２アーム部と呼称する。
【０００３】
上記関節機構を実現する第１の方法として、モータ等の原動機を上記連結部に取付ける方法がある。具体的には、原動機本体を第１アーム部の一方端部付近に固設する。そして、第１アーム部の長手方向に対して垂直となる方向に原動機の回転駆動軸を設け、当該回転駆動軸と第２アーム部の一方端部とを固設する。つまり、第２アーム部を揺動させたい方向と原動機の回転駆動軸の回転方向とが一致するように、原動機が第１アーム部に装着されることになる。このような関節機構では、原動機の回転駆動軸の回転角度に応じて、第２アーム部が第１アーム部に対して屈折するように揺動する。
【０００４】
また、上記関節機構を実現する第２の方法として、傘歯車機構などを上記連結部に用いる方法が挙げられる。例えば、第２アーム部の一方端部に被動傘歯車が固設される。一方、第１アーム部の一方端部には、駆動傘歯車が一端に固定された駆動軸が内部に設けられる。そして、上記駆動傘歯車と上記被動傘歯車とが互いに直交して噛合うように、第１アーム部と第２アーム部とが所定の回転軸を介して連結される。また、第１アーム部に設けられた駆動軸の他端は、モータ等の原動機の回転駆動軸に接続され、当該回転駆動軸の回転動作に応じて当該駆動軸が回転する。このように、第１アーム部と第２アーム部との連結部は、駆動傘歯車と被動傘歯車とが噛合しており、原動機の駆動動作に応じて駆動傘歯車が回転する。このような関節機構では、原動機の回転駆動軸の回転に応じて上記駆動傘歯車が回転し、当該駆動傘歯車に噛合う被動傘歯車が回転して、第２アーム部が第１アーム部に対して屈折するように揺動する。
【０００５】
また、上記関節機構を実現する第３の方法として、特許文献１では、連結部に内蔵された球面体にアクチュエータ機能を持たせたロボット関節が開示されている。上記特許文献１にて開示されるロボット関節では、上記第２アーム部に相当する腕６を連結する方向に開口した凹型球状を成す受部１が第１アーム部に相当する本体に取付けられる。そして、腕６の本体側に凸球形状を成す端部４が腕６に一体形成され、端部４と受部１の凹部とが組み合わせられる。上記受部１の凹部の内表面２には、電気制御で極性を変更可能な複数の磁石７が列設されている。一方、端部４の外表面５には、磁石８が列設されている。そして、受部１と端部４とは、内表面２と外表面５との間に間隙を空けて遊嵌し、上記連結部を構成する。そして、磁石７の極性を順次変化させることによって、磁石７と磁石８との間に生じる反発力が順次変化し、当該反発力に応じて端部４が受部１の凹部内部で回転して腕６が本体に対して屈折するように揺動する。
【特許文献１】特開昭６１−２８８９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上述した関節機構の用途によっては、小型の関節機構が必要となることがある。しかしながら、上記第１および第２の方法を用いた関節機構では、原動機、軸受、および歯車等の多数の部品が連結部に設けられているため、アーム部内において当該部品が占有する領域が増大して連結部が大きくなってしまう。したがって、上記第１および第２の方法を用いた関節機構では、小型の関節機構を得ることが困難となる。
【０００７】
また、上記第３の方法による関節機構を小型化する場合にも、連結部を小さくする必要がある。即ち、受部１と端部４とを小型化する必要があり、結果的に内表面２および外表面５の面積が小さくなる。これに伴い、内表面２および外表面５にそれぞれ列設される磁石７および磁石８の列設数をそれぞれ減少させる、または磁石７および磁石８をそれぞれ小型にすることが必要となる。しかしながら、磁石７および磁石８の列設数を減少させる場合も、磁石７および磁石８を小型にする場合も、磁石７および磁石８それぞれの磁力が低下する。つまり、磁石７と磁石８との間に生じる反発力が低下するため、腕６を揺動させるトルクが低下してしまう。従って、上記特許文献１にて開示されるロボット関節を用いた場合、腕６を揺動させるために伝達されるトルクを低下させずに、関節機構を小型化することは困難である。
【０００８】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、部材を揺動するトルクを低下させることなく従来の関節機構と比較して小型の関節機構が実現可能な揺動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下に述べるような特徴を有している。
【００１０】
第１の発明は、外部から受ける回転駆動力に応じて所定部材を揺動する揺動機構である。揺動機構は、回転部材、揺動部材、および支持部材を備える。回転部材は、回転駆動力を受けて所定の回転方向に回転する。揺動部材は、回転部材と連結して所定の揺動方向に揺動する。支持部材は、他の外部部材に固定され、回転部材の回転を支持する軸受孔および揺動部材の揺動運動をガイドするスリットが形成される。回転部材は、軸部および凸球部を含む。軸部は、回転駆動力が入力され、支持部材の軸受孔に貫通して回転可能に配置される。凸球部は、軸部の一方端部に固設され、その表面に軸部の回転軸を中心とした螺旋状の案内路が形成された凸球形状である。揺動部材は、遊嵌部、滑合子、および揺動部を含む。遊嵌部は、凸球部の外周面と遊嵌する凹形状内周面を有し、スリットに沿って移動可能である。滑合子は、凹形状内周面に設けられ、凸球部と遊嵌部とが遊嵌した状態で当該凸球部に形成された案内路と滑合する。揺動部は、遊嵌部の外側面に固設され、遊嵌部の移動に応じてスリットが形成された方向に揺動することによって所定部材を揺動させる。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、支持部材は、軸部の回転軸に平行な平面に沿ってスリットが形成される。揺動部は、遊嵌部がスリットに沿って移動することによって軸部の回転軸に平行な平面に沿った方向に揺動する。
【００１２】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、支持部材は、軸受孔およびスリットと連通して凸球部を配置する球状空間がその内部に形成される。凸球部は、球状空間内に配置された状態で所定の隙間を介して支持部材内壁と遊嵌する。
【００１３】
第４の発明は、上記第１乃至第３の何れか１つの発明において、凸球部は、案内路と滑合子との静止摩擦係数μに対して、リード角γがγ≦ｔａｎ-1（μ）で形成された螺旋状の案内路が形成される。
【００１４】
第５の発明は、上記第１乃至第４の何れか１つの発明において、遊嵌部は、案内路と同時に嵌合する複数の滑合子が凹形状内周面に設けられる。
【００１５】
第６の発明は、上記第５の発明において、凸球部は、その表面に軸部の回転軸を中心として螺旋の進行方向が異なる螺旋状の２つの案内路が形成される。複数の滑合子は、２つの案内路に沿ってそれぞれ嵌合する。
【００１６】
第７の発明は、上記第１乃至第６の何れか１つの発明において、遊嵌部は、少なくとも凹形状内周面側に開口する筒孔が形成される。滑合子は、筒孔に遊挿される硬質部材である。遊嵌部は弾性体を含み、弾性体は硬質部材に対して遊嵌部の外側面側となる筒孔内に配され、当該硬質部材を当該筒孔に沿って案内路へ向かう方向に付勢する。
【００１７】
第８の発明は、上記第７の発明において、筒孔は、遊嵌部の凹形状内周面側から外側面まで貫通して形成される。硬質部材および弾性体は、筒孔の外側面側開口部から付替可能に構成される。
【００１８】
第９の発明は、上記第１乃至第８の何れか１つの発明において、凸球部表面に対して一定深さで彫設された螺旋状の条溝である。滑合子は、遊嵌部の凹形状内周面に突設され、条溝に嵌合可能な突起である。
【００１９】
第１０の発明は、上記第９の発明において、凹形状内周面は、所定の隙間を介して凸球部の凸球面を包み込む球面である。
【００２０】
第１１の発明は、上記第９の発明において、凹形状内周面は、所定の隙間を介して凸球部の凸球面と遊嵌する直円柱面である。
【００２１】
第１２の発明は、上記第１の発明において、案内路は、凸球部表面に対して一定高さで突出した螺旋状の突条である。滑合子は、遊嵌部の凹形状内周面に突設され、突条に嵌合可能な凹部を有する突起である。
【００２２】
第１３の発明は、上記第１乃至第１２の何れか１つの発明において、支持部材回動機構を、さらに備える。支持部材回動機構は、外部部材に対して支持部材を所定の方向に回動させ、任意の角度で当該支持部材を固定する。
【００２３】
第１４の発明は、上記第１乃至第１３の何れか１つの発明において、回転部材は、第１貫通孔を有する。第１貫通孔は、軸部の開放端から凸球部の表面まで貫通する。揺動部材は、第２貫通孔を有する。第２貫通孔は、遊嵌部の凹形状内周面から揺動部の開放端まで貫通する。第１貫通孔と第２貫通孔とは、互いに連通して配置される。
【００２４】
第１５の発明は、上記第１乃至第１４の何れか１つの発明において、凸球部の外周面および遊嵌部の凹形状内周面の少なくとも一方側の一部に、潤滑剤を含む潤滑剤含有部材が設けられる。潤滑剤含有部材は、対向する面に摺接する。
【発明の効果】
【００２５】
上記第１の発明によれば、外部から回転駆動力を受けて回転部材が回転して揺動部材を揺動させるため、機構全体の大きさに関わらず、回転駆動力に応じた力で揺動部材を揺動することが可能となる。また、回転部材の回転角度に対して揺動部材の揺動角度が小さくなるため、外部から受ける回転駆動力のトルクよりも高いトルクで揺動部材を揺動し、トルク増幅機能を兼ね備えることができる。
【００２６】
上記第２の発明によれば、揺動部材が軸部の回転軸に平行な平面に沿った方向に揺動する関節機構を得ることができる。
【００２７】
上記第３の発明によれば、凸球部が球状空間内に配置されて支持部材と遊嵌するため、回転部材がスラスト方向およびラジアル方向への外力を受けても何れの方向へも移動せず球面軸受として機能する。したがって、球面軸受を実現するための他の機構や部材が不要となる。また、回転部材の回転軸および揺動部材の揺動軸も、それぞれ軸受されているため、これらの軸を安定させるための軸受機構や軸受部材も不要となる。したがって、低コストで小型の揺動機構を得ることができる。
【００２８】
上記第４の発明によれば、揺動部材がその揺動方向に外力が加えられても、案内路および滑合子の間の摩擦力によってその揺動位置で当該揺動部材が固定されるため、セルフロック機能を兼ね備えることができる。
【００２９】
上記第５および第６の発明によれば、駆動中に滑合子や案内路に加わる荷重が分散されるため、滑合子や案内路の摩耗が低減して揺動機構の耐久性が向上する。また、案内路と何れかの滑合子との間に隙間が生じる場合にも、他の滑合子が適切に滑合することが期待できるため、揺動動作のトルクの低下を防ぐことができる。
【００３０】
上記第７の発明によれば、滑合子が案内路へ向け付勢されつつ筒孔に沿って移動可能である。したがって、案内路と滑合子との距離がばらついても案内路と滑合子との隙間を埋めるように滑合子が移動するため、案内路と滑合子とが適切に滑合してバックラッシが低減する。また、滑合子が案内路上を摺動する際に、滑合子と案内路との間に過大な抵抗力が生じることが防止されるため、揺動機構の動作がスムーズとなり、エネルギーロスも低減されて、揺動機構の耐久性が向上する。
【００３１】
上記第８の発明によれば、滑合子や弾性体が交換可能となるため、消耗部材を交換することによる揺動機構の耐久性向上が図れる。
【００３２】
上記第９の発明によれば、案内路が単純な条溝で構成されるため、凸球部表面に容易に形成することができる。
【００３３】
上記第１０の発明によれば、前後、左右、および上下の全方向に対して遊嵌部と凸球部とを適切なクリアランスで遊嵌することができる。
【００３４】
上記第１１の発明によれば、遊嵌部の凹形状内周面が直円柱形状であるので、加工形成することが容易となる。また、遊嵌部と凸球部とを遊嵌させることが容易となる。
【００３５】
上記第１２の発明によれば、突条が形成されている部位以外の凸球部表面を彫り下げることによって、凸球部を軽量化することが可能である。
【００３６】
上記第１３の発明によれば、支持部材を外部部材に対して所定の方向へ回動して固定することが可能であるので、揺動部材の揺動方向の自由度を増すことができる。
【００３７】
上記第１４の発明によれば、連通する第１貫通孔および第２貫通孔にフレキシブルシャフト等を貫装することによって、当該フレキシブルシャフトと連結されて動作制御される各種機器を揺動機構に搭載して、当該機器を制御することができる。
【００３８】
上記第１５の発明によれば、揺動機構が揺動する過程で、潤滑剤含有部材が摺接する部材の表面に潤滑剤が塗布されるため、凸球部と遊嵌部とが滑らかに摺動して耐摩耗性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る揺動機構１について説明する。なお、図１（ａ）は、当該揺動機構の一例である揺動機構１ａの斜視図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のα−α線に沿って共回り防止ガイド１６および揺動アーム１４のみを切断した揺動機構１ａの断面斜視図である。
【００４０】
図１に示すように、揺動機構１ａは、大略的に、駆動軸１２、揺動アーム１４、および共回り防止ガイド１６から構成される。駆動軸１２および揺動アーム１４は、それぞれの端部に形成される凸球部１２１および凹球部１４１が回転摺動可能に遊嵌して互いに連結される。共回り防止ガイド１６は、駆動軸１２の軸部１２２および凸球部１２１をそれぞれ回転摺動可能に支持する。そして、軸部１２２の端部が、モータ等の原動機の回転駆動力が伝達される部材に連結されており、当該原動機の回転駆動に応じてその軸心を中心に駆動軸１２が回転する。また、共回り防止ガイド１６は、揺動アーム１４の凹球部１４１の両側面を挟持して、揺動アーム１４を上下に揺動可能に支持する。なお、駆動軸１２、揺動アーム１４、および共回り防止ガイド１６が、それぞれ本発明における回転部材、揺動部材、および支持部材の一例に相当する。また、凹球部１４１が、本発明における遊嵌部の一例に相当する。
【００４１】
以下、これらの構成部材について詳細に説明する。なお、上記の構成部品は、揺動機構１ａの用途に応じて、所望の剛性や加工性を得られる部材や硬化成形部材で構成され、典型的にはジュラルミン等の金属や樹脂等で構成される。また、上記構成部品は、異なる部材を組み合わせてもかまわない。
【００４２】
図２を参照して、駆動軸１２について説明する。なお、図２は、駆動軸１２の側面図である。
【００４３】
図２において、駆動軸１２は、軸部１２２および凸球部１２１を有している。軸部１２２は、所定長さの円柱状の棒材である。凸球部１２１は、軸部１２２の軸径より大きな直径の凸球形状を成す。凸球部１２１は、軸部１２２の一方端部に接合または一体成形されており、凸球部１２１の球体中心が軸部１２２の軸心と一致している。そして、軸部１２２は、他方端部が上述したモータ等の原動機の回転駆動力が伝達される部材に連結されているため、当該原動機の回転駆動に応じて軸部１２２および凸球部１２１が軸心を中心に回転する。
【００４４】
凸球部１２１の表面である凸球面１２１Ｅには、螺旋状溝１２１ＦＬが形成される。この螺旋状溝１２１ＦＬは、駆動軸１２の軸心を中心として、凸球面１２１Ｅに対して一定の溝深さで螺旋状に彫設される。図２では、螺旋状溝１２１ＦＬの螺旋形成方向および螺旋長さは、一例として、軸部１２２側から見て凸球部１２１側へ左回り方向に巻き数約４回で彫設されている。なお、螺旋状溝１２１ＦＬの螺旋形成方向および螺旋長さは、逆方向に彫設しても良いし、４回未満または４回以上の巻き数で彫設してもかまわない。また、螺旋状溝１２１ＦＬの溝断面形状は、一例として半円であるが、Ｕ字やＶ字等の溝断面形状で彫設してもかまわない。ここで、螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状および溝幅や溝深さ等の寸法は、一定であることが好ましい。また、螺旋状溝１２１ＦＬは、溝断面形状の溝底頂点が凸球部１２１の球体中心を向いて彫設されることが望ましい。これにより、駆動軸１２の回転運動を揺動アーム１４へスムーズに伝達することが可能となるが、詳細については後述する。なお、螺旋状溝１２１ＦＬが、本発明の案内路の一例に相当する。
【００４５】
次に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、揺動アーム１４について説明する。なお、図３（ａ）は、揺動アーム１４の斜視図である。図３（ｂ）は、揺動アーム１４の側面図である。
【００４６】
揺動アーム１４は、揺動部１４２および凹球部１４１を有している。揺動部１４２は、円柱や角柱等の長軸部材で構成される。凹球部１４１は、環状部材の一部が開口した所定厚さのＣ型形状部材で構成され、当該Ｃ型形状部材の外周側面に相当する外周面１４１Ｅと揺動部１４２の端部とが接合または一体成形されている。なお、凹球部１４１は、所定厚さのＣ型形状部材で構成されており、上述した外周側面に相当する外周面１４１Ｅの他、Ｃ型形状部材の内周側面と、外周側面および内周側面を挟んで形成されるＣ型形状の一対の側面と、Ｃ型形状開口部を形成する一対の端面とを有している。以下、これらの面を区別するために、上記内周側面を内周面１４１Ｉ、上記一対の側面を側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒ、上記一対の端面を端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂとして説明する。
【００４７】
側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒは、互いに平行に配置され、揺動部１４２の延設方向と平行に形成される。一例として、側面１４１Ｌおよび側面１４１ＲのＣ型形状は、一定の距離で平行な２つの円弧と、２つの円弧の端点を結ぶ２直線とによって囲まれた形状である。そして、側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒの上記円弧の中心角は、例えば２７０°である。なお、側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒの円弧の中心角は、１８０°以上であれば他の角度であってもかまわない。内周面１４１Ｉは、凹球面状に形成される。具体的には、内周面１４１Ｉは、凸球部１２１の外径より所定のクリアランス分だけ大きい内径を有する凹形状の球面で形成されている。外周面１４１Ｅは、例えば内周面１４１Ｉと同心の凸球面状に形成されるが、円柱や角柱等の、他の側面形状で形成されてもかまわない。端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂは、互いの最短距離Ｗが少なくとも凸球部１２１の外径より短くなる位置に形成される。
【００４８】
なお、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂの形状は、揺動アーム１４の揺動範囲を阻害しない形状であれば、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂが平面でなくても良い。このように、凹球部１４１は、一例として、中空球体を当該中空球体の球心を中心として側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒで輪切りにし、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂで輪の一部を開口させた形状になっている。この場合、輪切りにされた中空球体の内側球面が内周面１４１Ｉに相当し、外側側面が外周面１４１Ｅに相当する。
【００４９】
凹球部１４１の内周面１４１Ｉには、螺旋状溝１２１ＦＬと嵌合する滑合球体１４４が設けられる。以下、滑合球体１４４の構造および螺旋状溝１２１ＦＬとの嵌合の様子について図４を用いて説明する。なお、図４は、図１（ｂ）における滑合球体１４４近傍を拡大した側面図である。
【００５０】
滑合球体１４４は、本発明の滑合子の一例であり、例えば球形状の硬質部材で構成される。滑合球体１４４は、孔１４１Ｈの孔内面に沿って、ばね１４５、ばね押さえピン１４６、および介在部材１４７によって摺動可能に支持される。孔１４１Ｈは、滑合球体１４４が所定のクリアランスを介して遊挿可能な円柱形状の孔であり、好ましくは孔１４１Ｈの中心が内周面１４１Ｉの球中心を通るように、外周面１４１Ｅから内周面１４１Ｉまで貫通して形成される。介在部材１４７は、孔１４１Ｈ内部で所定クリアランスを介してばね１４５および滑合球体１４４の間に挟持される。例えば、介在部材１４７は、円盤状の部材で、その一方面に滑合球体１４４と当接する凹球面が形成される。例えば、滑合球体１４４および介在部材１４７は、グリス等の潤滑剤が注入されて、孔１４１Ｈ内部にそれぞれ遊挿される。介在部材１４７なお、滑合球体１４４および、介在部材１４７が孔１４１Ｈ内部でそれぞれ摺動自在であれば潤滑剤を使用しなくても良い。孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側開口部は、ばね押さえピン１４６が圧入されて閉口される。そして、孔１４１Ｈ内の介在部材１４７とばね押さえピン１４６との間に、本発明の弾性体の一例であるばね１４５が設けられる。ばね１４５は、その一方端がばね押さえピン１４６と当接し、その他方端が介在部材１４７の他方面と当接する。このばね１４５の付勢力によって、介在部材１４７を介して、滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬ方向へ付勢され、孔１４１Ｈの内周面１４１Ｉ側開口部からその一部が突出し、突出部分で螺旋状溝１２１ＦＬと滑合する。なお、孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側開口部をばね押さえピン１４６で圧入して閉口する一例を説明したが、他の方式で外周面１４１Ｅ側開口部を閉口してもかまわない。例えば、孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側開口部付近をねじ加工して、当該ねじに螺合する頭無しねじなどの部材によって外周面１４１Ｅ側開口部を閉口してもかまわない。この場合、当該部材の内部端面とばね１４５とが孔１４１Ｈ内部で当接することになる。
【００５１】
螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状は、例えば半円形状である。この場合、螺旋状溝１２１ＦＬとして、滑合される滑合球体１４４の外径と同等の直径を有する半円形状の条溝が凸球面１２１Ｅに形成される。なお、螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状は、滑合球体１４４の外径と同じまたは小さい直径を有する半円形状でもいいし、半円形状より浅い円弧形状の断面形状でもかまわない。そして、滑合球体１４４および螺旋状溝１２１ＦＬの間にはグリス等の潤滑剤が注入され、この潤滑剤の層を介して滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬに滑合される。なお、滑合可能であれば、潤滑剤の注入はなくてもかまわない。
【００５２】
なお、滑合球体１４４の形状は、螺旋状溝１２１ＦＬと滑合可能で、孔１４１Ｈ内部を摺動可能ならば、球体に限らず、楕円球体や先端が球形の円柱体等であって良い。また、螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状が半円形状でない場合、滑合球体１４４を螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状に応じた形状で形成してもかまわない。例えば、螺旋状溝１２１ＦＬがＶ字形状である場合、滑合球体１４４の形状は、円錐形状やくさび形状等の、螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状に応じた形状で構成すればよい。また、ばね押さえピン１４６は、ばね１４５の一方端を孔１４１Ｈ内で固定可能であれば、螺子やノックピン等の部材を用いて良い。また、ばね１４５は、上記のように孔１４１Ｈ内部で、滑合球体１４４およびばね押さえピン１４６の間に弾設可能な弾性部材であれば、例えば、ゴム性の棒状部材など、他の材質や形状の弾性体で構成してもかまわない。
【００５３】
次に、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、共回り防止ガイド１６について説明する。なお、図５（ａ）は、図１（ａ）のβ−β線に沿って切断した共回り防止ガイド１６の断面斜視図である。図５（ｂ）は、図１（ａ）のβ−β線に沿って切断した共回り防止ガイド１６をε方向から見た断面図である。
【００５４】
共回り防止ガイド１６は、一対の頭部１６１および主部１６２により構成される。一対の頭部１６１は、それぞれ主部１６２の一端面に固定され、当該頭部１６１および主部１６２に囲まれる内部に凹球面状の凸球部支持面１６Ｓが形成される。そして、共回り防止ガイド１６の内部に、凸球部支持面１６Ｓで囲まれた球状空間が形成される。凸球部支持面１６Ｓは、凸球部１２１の球外径より所定のクリアランス分だけ大きい球内径を有している。主部１６２の内部には、上記球状空間と連通する軸受孔１６２Ｈが形成される。これによって、共回り防止ガイド１６は、駆動軸１２の凸球部１２１（図２等参照）を凸球部支持面１６Ｓで支持し、軸部１２２を軸受孔１６２Ｈで支持して、当該駆動軸１２を回転可能に支持する。
【００５５】
また、共回り防止ガイド１６は、頭部１６１および主部１６２に囲まれる内部に頭部１６１側から主部１６２の軸受孔１６２Ｈ方向へ向けて、上記球状空間および軸受孔１６２Ｈと連通するスリット空間１６Ｄが形成される。上記スリット空間１６Ｄは、上記球状空間の中心および軸受孔１６２Ｈの一部を横断して重なる方向に、側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒ（図３（ａ）等参照）の間隔より所定のクリアランス分広い幅で形成される。頭部１６１と主部１６２とに跨って形成される上記スリット空間１６Ｄを形成する一対の平面をそれぞれスリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒと称する。
【００５６】
次に、図１〜図６を参照して、駆動軸１２、揺動アーム１４、および共回り防止ガイド１６を組み合わせる方法について説明する。なお、図６は、揺動機構１ａの組立図である。
【００５７】
まず、駆動軸１２および揺動アーム１４を組み合わせる方法について説明する。駆動軸１２および揺動アーム１４は、凸球部１２１および凹球部１４１を遊嵌して連結する。しかしながら、内周面１４１Ｉが球面で、図３（ｂ）に示す凹球部１４１の開口長さにおける最短距離Ｗが凸球部１２１の外径より短い場合、凹球部１４１に凸球部１２１を嵌め合わせることができない。このような場合、揺動アーム１４の凹球部１４１を分割可能に構成する。例えば、揺動アーム１４を図１（ａ）中α−α方向に分割可能に構成し、図６に示すように揺動アーム１４を分割した状態で凸球部１２１を凹球部１４１内部に配し、その配置状態で揺動アーム１４を分割面で接合する。これによって、凸球部１２１および凹球部１４１を遊嵌して駆動軸１２および揺動アーム１４を連結することができる。なお、揺動アーム１４の分割方向は、上記方向に限らず、凹球部１４１に凸球部１２１が嵌る分割構成にして良い。また、凸球面１２１Ｅおよび内周面１４１Ｉの間隙には、他のクリアランス部と同様にグリス等の潤滑剤を注入し、それらの摺動を滑らかにする。なお、注入する潤滑剤は、グリス以外のものを使用しても良いし、凸球面１２１Ｅおよび内周面１４１Ｉが潤滑剤の塗布無しでも滑らかに摺動する場合には潤滑剤を注入しなくても良い。
【００５８】
滑合球体１４４を凹球部１４１の孔１４１Ｈに遊挿する際（図４等参照）は、上述したように凹球部１４１および凸球部１２１を遊嵌させた後、孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側開口部から滑合球体１４４を遊挿し、続いてばね１４５を遊挿し、ばね押さえピン１４６で当該開口部を閉口する。そして、滑合球体１４４および螺旋状溝１２１ＦＬの間隙、並びに滑合球体１４４および孔１４１Ｈとの間隙には、上述したようにグリス等の潤滑剤が塗布され摺動を滑らかにする。なお、ばね押さえピン１４６の固定方法は問わないが、孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側開口部から取り外し可能に構成するのが好ましい。ばね押さえピン１４６を孔１４１Ｈから取り外し可能とすることで、ばね１４５および滑合球体１４４も共に外周面１４１Ｅ側で凹球部１４１から取り外し可能となる。
【００５９】
上述したように、連結した駆動軸１２および揺動アーム１４は、共に共回り防止ガイド１６により支持される。駆動軸１２および揺動アーム１４が、各々共回り防止ガイド１６に支持される様子について説明する。
【００６０】
まず、共回り防止ガイド１６を、一例として頭部１６１および主部１６２に分割した状態にする。そして、駆動軸１２および揺動アーム１４が連結された状態で、主部１６２のスリット空間１６Ｄ側から駆動軸１２の軸部１２２を軸受孔１６２Ｈに挿入する。そして、揺動アーム１４の凹球部１４１が主部１６２のスリット空間１６Ｄ内部でスリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒの間に挟持され、凸球部１２１の凸球面１２１Ｅの一部が主部１６２の凸球部支持面１６Ｓと当接する状態まで、揺動アーム１４を主部１６２に挿入する。そして、一対の頭部１６１を主部１６２に取付ける。このとき、凹球部１４１の側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒが、それぞれ頭部１６１のスリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒと当接する状態となって、凹球部１４１が一対の頭部１６１に挟まれる状態となる。また、凸球部１２１の凸球面１２１Ｅが頭部１６１のそれぞれの凸球部支持面１６Ｓと当接する状態となる。そして、上述したように各構成部材のクリアランス部に、それぞれグリス等の潤滑剤を注入する。このように、駆動軸１２は、軸部１２２の外周面が軸受孔１６２Ｈの内周面で、凸球面１２１Ｅが主部１６２および頭部１６１の凸球部支持面１６Ｓで、それぞれ所定のクリアランスを介して支持される。また、揺動アーム１４は、駆動軸１２と連結された状態で、凹球部１４１が共回り防止ガイド１６のスリット空間１６Ｄ内に所定のクリアランスを介して配置される。ここで、上述した一例では、共回り防止ガイド１６が頭部１６１および主部１６２に分割される態様を示したが、駆動軸１２を上記の所定位置に配置することが可能であれば、共回り防止ガイド１６の分割箇所を他の分割位置に設定してもかまわない。
【００６１】
なお、図１（ｂ）および図３（ａ）等に図示されているように、凹球部１４１の内周面１４１Ｉにフェルト１４３を固定してもかまわない。フェルト１４３は、所定の潤滑剤を含有しており、凸球部１２１の凸球面１２１Ｅと摺動可能に接する。そして、後述する揺動機構１ａの揺動動作において、凸球部１２１が凹球部１４１の内部で回転すると、フェルト１４３に含有される潤滑剤が凸球面１２１Ｅに塗布されていく。これにより、凸球面１２１Ｅと内周面１４１Ｉとの隙間が常に潤滑剤で満たされ、凸球面１２１Ｅと内周面１４１Ｉとが滑らかに摺動可能となる。
【００６２】
なお、フェルト１４３の配置される位置およびフェルト１４３の形状は、凸球面１２１Ｅと摺接可能であれば図示された態様に限らない。また、フェルト１４３は、潤滑剤を含有可能な部材であれば、どのような部材で構成してもかまわない。また、上記した例では、凹球部１４１の内周面１４１Ｉにフェルト１４３を設けたが、フェルト１４３を凸球部１２１の凸球面１２１Ｅに設けてもいいし、凹球部１４１の内周面１４１Ｉおよび凸球部１２１の凸球面１２１Ｅの両面にそれぞれ設けても良い。
【００６３】
次に、図７を参照して、揺動機構１ａにおいて駆動軸１２の回転により揺動アーム１４が揺動する様子について説明する。なお、図７（ａ）〜（ｄ）は、駆動軸１２を回転させて揺動アーム１４を揺動させる各段階の揺動機構１ａの部分断面図である。
【００６４】
典型的には、図７（ａ）に示すように、揺動機構１ａは、筐体やロボット本体などの当該揺動機構１ａを搭載する対象物に、共回り防止ガイド１６が固定されて搭載される。
【００６５】
揺動機構１ａが搭載された状態で、軸部１２２に連結された原動機を回転駆動させて軸部１２２を回転させると、凸球部１２１が同方向へ回転する。凸球部１２１の回転に応じて、螺旋状溝１２１ＦＬに滑合している滑合球体１４４は、螺旋状溝１２１ＦＬとの嵌合部からの反力を受けつつ、螺旋状溝１２１ＦＬに沿って移動する。ここで、凹球部１４１は滑合球体１４４の移動に応じて移動する。
【００６６】
ここで、図６に示すように、凹球部１４１の両側面である側面１４１Ｌおよび側面１４１Ｒは、共回り防止ガイド１６の頭部１６１および主部１６２に跨って形成されるスリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒと係合している。そのため、凹球部１４１は、スリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒと平行な方向、すなわち、共回り防止ガイド１６のスリット空間１６Ｄが形成されている平面方向へのみ移動可能である。また、凹球部１４１は、凸球面１２１Ｅと遊嵌しているため、凸球部１２１と同心に回動可能である。すなわち、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように揺動アーム１４は、スリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒに平行に、凸球部１２１の中心を揺動中心として揺動可能である。
【００６７】
したがって、螺旋状溝１２１ＦＬが駆動軸１２を軸部１２２側から見て凸球部１２１側へ左回り方向に彫設されている場合、図７（ａ）に示す状態で駆動軸１２を軸部１２２側から見て右回りのＡ矢印方向に回転させると、図７（ａ）〜（ｄ）の順に示すように、滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬに沿って共回り防止ガイド１６の頭部１６１側へ移動して、凹球部１４１が凸球面１２１Ｅに沿って図示Ｃ矢印方向へと回動する。これによって、揺動部１４２も図示Ｃ矢印方向に揺動する。
【００６８】
そして、図７（ｄ）に示すように、Ｃ矢印方向へ揺動する揺動アーム１４は、凹球部１４１の開口部の端部である端面１４１Ａａが軸部１２２に当接した場合、或いは滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬの一方終端に到達した場合、その揺動動作を停止する。一方、図７（ａ）に示すように、Ｄ矢印方向へ揺動する揺動アーム１４は、端面１４１Ａｂが軸部１２２に当接した場合、或いは滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬの他方終端に到達した場合、その揺動動作を停止する。このように、凹球部１４１の開口部の開口広さや螺旋状溝１２１ＦＬを形成する長さが、揺動アーム１４の揺動角度に影響する。つまり、揺動アーム１４の揺動可能角度を大きくするためには、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂの開口角度が大きくなるように凹球部１４１の開口部を広げ、且つ、十分な長さの螺旋状溝１２１ＦＬを形成することが必要となる。
【００６９】
上記に示した揺動アーム１４の揺動可能角度を拡大する他の方法として、例えば、凹球部１４１の開口部に切り込み１４１Ｄを形成する方法がある。以下、図８および図９を参照して、切り込み１４１Ｄについて説明する。なお、図８は、切り込み１４１Ｄが形成された揺動アーム１４の斜視図を示す。図９は、切り込み１４１Ｄが形成された揺動アーム１４を備える揺動機構１ａの断面斜視図である。
【００７０】
図８および図９に示すように、切り込み１４１Ｄは、端面１４１Ａａ側から揺動部１４２側へ所定長さ切れ込んで形成され、凹球部１４１の外周面１４１Ｅおよび内周面１４１Ｉ側にも開口するスリット状の空間である。ここで、切り込み１４１Ｄのスリット幅は、駆動軸１２の軸部１２２が通過可能に形成される。
【００７１】
凹球部１４１に上述した切り込み１４１Ｄが形成されている場合、揺動アーム１４が揺動する過程において、軸部１２２は端面１４１Ａａに当接せず、切り込み１４１Ｄの内部まで進入する。そして、揺動アーム１４は、切り込み１４１Ｄの揺動部１４２側終端と軸部１２２とが当接するまで揺動可能である。このように、凹球部１４１に切り込み１４１Ｄが形成される場合、揺動アーム１４が切り込み１４１Ｄの終端まで進入可能であるため、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂの開口角度以上に揺動アーム１４を揺動することができる。すなわち、切り込み１４１Ｄが形成される場合、凹球部１４１は、端面１４１Ａａおよび端面１４１Ａｂの開口角度を揺動角度より小さくすることができるため、凹球部１４１と凸球部１２１とが外れにくくなる効果を得られる。但し、切り込み１４１Ｄが形成される場合においても、凸球部１２１には揺動角度に対して十分な長さの螺旋状溝１２１ＦＬが形成されるものとする。
【００７２】
図７に戻り、図７（ｄ）の状態から駆動軸１２をＡ矢印方向からＢ矢印方向へ逆回転させると、揺動アーム１４はＤ矢印方向へ揺動する。なお、螺旋状溝１２１ＦＬが彫設される螺旋方向が軸部１２２側から凸球部１２１側へ向けて右回りである場合、駆動軸１２をＡ矢印方向へ回転させると揺動アーム１４がＤ矢印方向へ揺動し、駆動軸１２をＢ矢印方向へ回転させると揺動アーム１４がＣ矢印方向へ揺動する。
【００７３】
揺動機構１ａは、当該揺動機構１ａを搭載する対象物に対して、共回り防止ガイド１６が回動可能に構成されてもかまわない。この場合、上記対象物に対して共回り防止ガイド１６を任意の角度まで回動させて固定するモータ等が、さらに設けられる。この共回り防止ガイド１６を回動させるモータが、本発明の支持部材回動機構の一例に相当する。このようなモータを設けることによって、共回り防止ガイド１６を回動させると、スリット側面１６Ｒおよびスリット側面１６Ｌの向きが変化して揺動アーム１４の揺動方向も変化するため、揺動アーム１４の揺動方向の自由度が飛躍的に向上する。
【００７４】
上記に説明した揺動機構１ａが揺動する過程で、螺旋状溝１２１ＦＬおよび滑合球体１４４の滑合にがたつきがあると、揺動アーム１４が滑らかに揺動できなくなる。このような螺旋状溝１２１ＦＬおよび滑合球体１４４の滑合のがたつきは、一例として滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬに沿って移動する過程で螺旋状溝１２１ＦＬおよび滑合球体１４４の滑合状態が変化することによって発生する。そこで、好ましくは、螺旋状溝１２１ＦＬは、全ての溝底頂点が凸球部１２１の球体中心を向いた形状で彫設される。これによって、滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬのどの部分で滑合しても、滑合状態が安定して、上記がたつきの発生を防止することができる。
【００７５】
但し、螺旋状溝１２１ＦＬの溝幅の加工および成形時に発生するばらつきや、滑合球体１４４の摩耗による形状変化を要因とする滑合状態の変化によりがたつきが発生する場合は、螺旋状溝１２１ＦＬを溝断面形状の溝底頂点が凸球部１２１の球体中心を向くように彫設するのみではがたつきを防止できないことがある。このような問題を解決すべく、滑合球体１４４は、ばね１４５により螺旋状溝１２１ＦＬへ向けて付勢され、溝幅や溝深さに応じて内周面１４１Ｉから突出または孔１４１Ｈ内部に退避することが可能である。例えば、溝幅が狭くなったり溝深さが浅くなったりした場合には滑合球体１４４が孔１４１Ｈ内部側に退避し、溝幅が広くなったり溝深さが深くなったりした場合には滑合球体１４４が内周面１４１Ｉから突出する。
【００７６】
なお、滑合球体１４４が極度に摩耗して螺旋状溝１２１ＦＬとの滑合できなくなる場合、または滑合にがたつきが発生する場合等には、摩耗した滑合球体１４４を孔１４１Ｈから取り外して新しい滑合球体１４４と交換することができる。上述したように、滑合球体１４４は、ばね押さえピン１４６およびばね１４５が孔１４１Ｈの外周面１４１Ｅ側から取り外し可能にしておくことにより、容易に交換することが可能である。
【００７７】
上記に説明した揺動機構１ａは、駆動軸１２および揺動アーム１４を軸受する軸受機能を有する。以下、揺動機構１ａの軸受機能について説明する。駆動軸１２は、軸部１２２の外周面で軸受孔１６２Ｈと係合し、共回り防止ガイド１６により支持される。また、駆動軸１２は、凸球面１２１Ｅが凸球部支持面１６Ｓと遊嵌し、共回り防止ガイド１６により支持されている。したがって、駆動軸１２は、軸部１２２のスラスト方向およびラジアル方向への外力を受けても凸球面１２１Ｅと凸球部支持面１６Ｓとが当接して、駆動軸１２が同方向へ移動しない。したがって、共回り防止ガイド１６は、駆動軸１２の球面軸受の機能を有していることが分かる。そのため、揺動機構１ａは、駆動軸１２の球面軸受を実現するために、別の部品を追加して構成することが不要となる。
【００７８】
また、凹球部１４１と凸球部１２１とが遊嵌することによって、凹球部１４１および凸球部１２１が球面軸受として機能する。また、凹球部１４１は、スリット側面１６Ｌと側面１４１Ｌとが対向し、スリット側面１６Ｒと側面１４１Ｒとが対向して共回り防止ガイド１６のスリット内に挟持されるため、揺動アーム１４は、スリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒと平行な方向にのみ移動可能である。さらに、凸球面は、共回り防止ガイド１６の凸球部支持面１６Ｓにより支持される。したがって、揺動アーム１４は、スリット側面１６Ｌおよびスリット側面１６Ｒに垂直で凸球部１２１の球体中心を通る直線を揺動中心として揺動する。つまり、凹球部１４１および凸球部１２１は、揺動アーム１４の揺動軸受機能を有している。したがって、揺動アーム１４の揺動軸受を実現するために、別の部品を追加して構成することが不要となる。このように、揺動機構１ａは、大略して駆動軸１２、揺動アーム１４、および共回り防止ガイド１６の３つの部品で構成されながら、様々な軸受機能を兼ね備えており、機構自体の小型化が容易である。
【００７９】
上記に説明した揺動機構１ａは、更に、駆動軸１２に入力されたトルクを増幅して揺動アーム１４を揺動する、トルク増幅機能を有する。以下、揺動機構１ａのトルク増幅機能について説明する。図２で示すように凸球部１２１の球心を中心とした螺旋状溝１２１ＦＬの１ピッチ当りの中心角をθ°とした場合、駆動軸１２が３６０°回転する間に、凹球部１４１および揺動部１４２は中心角θ°だけ揺動する。したがって、駆動軸１２の回転運動が減速して揺動アーム１４の揺動運動として伝達される。すなわち揺動機構１ａは、駆動軸１２へ入力されるトルクを増幅して揺動アーム１４へ伝達する機能を有している。具体例として、θ＝２２．５であるとすると、駆動軸１２が３６０°回転する間に揺動アーム１４が２２．５°揺動する。この場合の減速比ｎは、ｎ＝３６０／θ＝３６０／２２．５＝１６である。したがって、摩擦を無視すれば揺動アーム１４では駆動軸１２に入力されるトルクの１６倍のトルクを得ることができる。このように、揺動アーム１４は、駆動軸１２に入力されたトルクを減速比に応じて増幅させた出力トルクを得ることができる。
【００８０】
上記に説明した揺動機構１ａは、更に、揺動アーム１４に外力をかけても揺動アーム１４が移動しないセルフロック機能を有する。以下、揺動機構１ａのセルフロック機能について説明する。螺旋状溝１２１ＦＬおよび滑合球体１４４が滑合する箇所の静止摩擦係数がμである場合、螺旋状溝１２１ＦＬの螺旋のリード角γを
γ≦ｔａｎ-1（μ）
を満たすよう形成すると、揺動アーム１４に対して揺動部１４２の揺動方向へ荷重を加えても揺動アーム１４は当該揺動方向へ揺動せず、当該揺動アーム１４に連結された駆動軸１２も回転しない。このような機能は、一般的にはウォームギヤとホイールギヤを嵌合して得られるセルフロック機能として知られており、揺動機構１ａもセルフロック機能を有していると言える。ここで、揺動機構１ａにおいては、凸球部１２１をウォームギヤ、凹球部１４１を内歯式のホイールギヤとみなすことができる。
【００８１】
以上のように、揺動機構１ａは、例えば、ロボットに搭載される小型の関節機構に用いることが可能である。揺動機構１ａの用途として、特に小型で高い出力や保持力を求められる人型ロボットの指関節等に最適である。また、揺動機構１ａは、大型の工作機械や土木機械のアームの関節にも利用することができる。更に、揺動機構１ａに原動機を連結したものを１つの関節とし、当該関節を複数連結することによって、多関節アームを構成することができる。この多関節アームは、各関節を遠隔操作で屈曲させれば入り口の狭い空間内部の任意の場所まで到達できるため、その先端に照明、カメラ、および小型マニュピレータ等の機器を搭載することによって、ファイバースコープやレスキューロボット等の様々な用途に利用することができる。
【００８２】
図１０に示すように、駆動軸１２および揺動アーム１４は、その内部に貫通孔が形成されてもかまわない。図１０は、駆動軸１２および揺動アーム１４の内部に中空空間が形成された揺動機構１ａの側断面図である。
【００８３】
図１０において、駆動軸１２は、軸部１２２の開放端から凸球部１２１の表面まで貫通する貫通孔１２Ｈが形成される。また、揺動アーム１４は、凹球部１４１の内周面１４１Ｉから揺動部１４２の開放端まで貫通する貫通孔１４Ｈが形成される。そして、貫通孔１２Ｈと貫通孔１４Ｈとは、所定の揺動角度において連通可能に形成されている。例えば、揺動機構１ａが図１０（ａ）の状態から図１０（ｂ）の状態になるまでの揺動角度においては、貫通孔１２Ｈと貫通孔１４Ｈとが連通状態にある。このように、駆動軸１２および揺動アーム１４の内部に互いに連通する貫通孔１２Ｈおよび貫通孔１４Ｈを形成すれば、フレキシブルシャフトや電源ケーブル等を当該貫通孔１２Ｈおよび貫通孔１４Ｈに挿入することが可能となる。したがって、貫通孔１２Ｈおよび貫通孔１４Ｈに挿入した部品を用いて、上記機器の動作制御が可能となるため、上記の機器を搭載しながら容易に制御することができる。
【００８４】
（第１の変形例）
上記に説明した揺動機構１ａにおいて、揺動アーム１４の凹球部１４１の内周面１４１Ｉは、直円柱面で構成されてもかまわない。このような、直円柱状の内周面３４１Ｉを有する揺動軸を揺動アーム３４とする。以下、本実施形態の第１の変形例として、揺動アーム３４ついて図１１を参照して説明する。なお、図１１は、揺動アーム３４の斜視図である。
【００８５】
図１１において、揺動アーム３４は、上述した揺動アーム１４の凹球部１４１に代えて、円筒部３４１を備える。揺動アーム３４の他の構成については揺動アーム１４と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００８６】
円筒部３４１は、凹球部１４１と同様の環状部材の一部が開口した所定厚さのＣ型形状を成す部材で構成される。そして、円筒部３４１の内周面３４１Ｉは、直円柱面で構成される。内周面３４１Ｉは、凸球部１２１の外径より所定のクリアランス分だけ大きな直径の直円柱面であり、凹球部１４１と同様にして図６に示すように凸球部１２１の凸球面１２１Ｅと遊嵌する。ここで、内周面３４１Ｉは、直円柱面で形成されるため、球面で形成される凹球部１４１の内周面１４１Ｉと比較すると加工が容易である。また、円筒部３４１と凸球部１２１とを連結する場合、図１１においてＧ矢印方向で示す円筒部３４１の左右方向から凸球部１２１を挿入することが可能であるため、双方の連結が容易であり連結のために円筒部３４１を分解可能に構成することも不要となる。
【００８７】
（第２の変形例）
上記に説明した揺動機構１ａにおいては、本実施形態の案内路の一例として条溝で構成される螺旋状溝１２１ＦＬを用いたが、他の態様の案内路を駆動軸に設けてもかまわない。例えば、駆動軸の球体表面から螺旋状に突出した突条を本実施形態の案内路として設けてもかまわない。以下、図１２〜図１４を参照して、本実施形態の第２の変形例に係る揺動機構１ｂについて説明する。なお、図１２は、螺旋状の突条を案内路とした揺動機構１ｂの部分断面図である。図１３は、螺旋状の突条を案内路が形成された駆動軸２２の側面図である。図１４は、螺旋状の突条との滑合部近傍を拡大した側断面図である。
【００８８】
図１２において、揺動機構１ｂは、上述した揺動機構１ａの駆動軸１２が駆動軸２２に変更された態様であり、他の構成要素については、揺動機構１ａと同様であるため、詳細な説明は省略する。同様に、図１３において、駆動軸２２は、駆動軸１２の凸球部１２１が凸球部２２１に変更された態様であり、他の構成要素については、駆動軸１２と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８９】
凸球部２２１は、軸部１２２の軸径より大きな直径を有する凸球体である。凸球部２２１の表面である凸球面２２１Ｅには、螺旋状凸条２２１Ｍが付設される。この螺旋状凸条２２１Ｍは、駆動軸２２の軸心を中心として、凸球面２２１Ｅに対して一定の高さで螺旋状に付設される。螺旋状凸条２２１Ｍの凸条断面形状は、一例として半円であるが、台形等の、他の断面形状の凸条を付設してもかまわない。なお、凸条断面形状が台形である場合、強度の向上等の効果が期待できる。ここで、螺旋状凸条２２１Ｍの断面形状および条幅や条高さ等の寸法は、一定であることが好ましい。また、螺旋状凸条２２１Ｍは、凸条断面形状の条頂点が凸球部２２１の球体中心から放射する方向へ付設されることが望ましい。これにより、駆動軸２２の回転運動を揺動アーム１４へスムーズに伝達することが可能となる。なお、螺旋状凸条２２１Ｍが、本発明の案内路の他の例に相当する。
【００９０】
図１４において、揺動機構１ｂにおける凹球部１４１の内周面１４１Ｉには、螺旋状凸条２２１Ｍと嵌合する切欠き部材２４４が設けられる。切欠き部材２４４は、本発明の滑合子の他の例であり、例えば螺旋状凸条２２１Ｍと嵌合可能な切欠きを一方端面に形成した円柱部材で構成される。切欠き部材２４４は、上述の螺旋状溝１２１ＦＬに対する滑合球体１４４と同様に、孔１４１Ｈの孔内面およびばね１４５によって支持される。切欠き部材２４４は、ばね１４５の付勢力によって螺旋状凸条２２１Ｍ方向へ付勢され、孔１４１Ｈの内周面１４１Ｉ側開口部から、切欠きが形成されている端面側の一部が突出し、突出部分で螺旋状凸条２２１Ｍと滑合する。
【００９１】
切欠き部材２４４の切欠き形状は螺旋状凸条２２１Ｍに断面形状に応じた形状で形成され、切欠き部材２４４と螺旋状凸条２２１Ｍと嵌合する。例えば、螺旋状凸条２２１Ｍの断面形状が半円形状である場合、滑合される切欠き部材２４４の切欠き形状も半円形状が望ましく、螺旋状凸条２２１Ｍの断面形状と同等の直径を有する半円形状の切欠きが切欠き部材２４４の一方端面に形成される。
【００９２】
なお、図１２に示すように、駆動軸２２および揺動アーム１４を組み合わせる方法や、連結された駆動軸２２および揺動アーム１４を共回り防止ガイド１６に組み込む方法は、揺動機構１ａと同様であるため、詳細な説明を省略する。ここで、図１２から明らかであるが、駆動軸２２の凸球部２２１は、螺旋状凸条２２１Ｍで凹球部１４１の内周面１４１Ｉと所定のクリアランスを介して遊嵌される。したがって、凸球部２２１は、螺旋状凸条２２１Ｍが形成されている部位以外の凸球面２２１Ｅを彫り下げることによって、凸球部２２１を軽量化することが可能である。
【００９３】
（第３の変形例）
上記に説明した揺動機構１ａにおいては、凹球部１４１の内周面１４１Ｉに滑合球体１４４が複数設けられてもかまわない。滑合球体１４４を複数設けると、滑合球体１４４を１個設ける場合に比べて滑合球体１４４の１個当りに加わる負荷が軽減される。そのため滑合球体１４４や螺旋状溝１２１ＦＬの摩耗を低減する効果を得られる。なお、滑合球体１４４を複数設けることにより、何れかの滑合球体１４４と螺旋状溝１２１ＦＬとの間に隙間が生じていても、他の滑合球体１４４が滑合するため、揺動アーム１４を揺動させるトルクの低下を防ぐことができる。
【００９４】
但し、凹球部１４１において滑合球体１４４が配設される位置によって、凹球部１４１が滑合球体１４４から受ける力の方向が異なり、凹球部１４１が回動する方向が異なる。具体的には、図７（ａ）において、揺動アーム１４の揺動軸と駆動軸１２の回転軸とを含む平面をωと呼称し、平面ωにより分断される一方の空間に含まれる凹球部１４１の領域を領域ζ、他方の空間に含まれる領域を領域ηと呼称する。複数の滑合球体１４４が領域ζおよび領域ηの両方の領域でそれぞれ同じ螺旋状溝１２１ＦＬに滑合するよう凹球部１４１に配設され、駆動軸がＡ方向へ回転すると、凹球部１４１は、領域ζおよび領域ηに配置された各滑合球体１４４から相反するＣ方向およびＤ方向へ揺動する力を同時に受けて、何れの方向へも揺動できなくなる。したがって、凹球部１４１に滑合球体１４４を複数設ける場合には、領域ζまたは領域ηの何れか一方の領域内において、全ての滑合球体１４４が、螺旋状溝１２１ＦＬに滑合するよう凹球部１４１に配設される必要がある。
【００９５】
しかしながら、上記のように領域ζまたは領域ηの何れか一方に滑合球体１４４を複数設けられる場合、滑合球体１４４を１つ設けられる場合に比べ、揺動アーム１４の揺動可能な範囲が小さくなることがある。これは、滑合球体１４４が１つ設けられる場合は、１つの滑合球体１４４が螺旋状溝１２１ＦＬの始点から終点まで移動可能であるが、滑合球体１４４が複数設けられる場合は、螺旋状溝１２１ＦＬの始点および終点に到達する滑合球体１４４が異なり、螺旋状溝１２１ＦＬ上における滑合球体１４４の移動範囲が小さくなるためである。
【００９６】
以下では、図１５〜図１７を参照し、複数の箇所から回動するための力を受け、且つ揺動の範囲を広く構成できる揺動アーム４４を備える揺動機構１ｃについて説明する。なお、図１５は、第３の変形例に係る揺動機構１ｃの断面図である。図１６および図１７は、各々、Ｔ型部材３４４ａを備える揺動機構１ｃの該部材近傍を拡大した一部透視斜視図およびＴ型部材３４４ａを備える揺動機構１ｃの該部材近傍を拡大した断面図である。
【００９７】
図１５において、揺動機構１ｃは、凸球面３２１Ｅに螺旋状溝１２１ＦＬと螺旋状溝１２１ＦＲとが形成された駆動軸３２を有する。螺旋状溝１２１ＦＲは、螺旋状溝１２１ＦＬと逆回りに進行し、螺旋状溝１２１ＦＬとピッチ角が同じ螺旋状の溝である。このような螺旋状溝１２１ＦＲおよび螺旋状溝１２１ＦＬそれぞれに異なる滑合子が滑合すれば、滑合子の移動範囲が小さくならないため、揺動アーム４４の揺動範囲が小さくなることがない。但し、螺旋状溝１２１ＦＲおよび螺旋状溝１２１ＦＬは、互いに交差して凸球面３２１Ｅに形成されるため、球形状の滑合子が交差する箇所で滑合すべき螺旋状溝と異なる螺旋状溝側へ滑合してしまい、揺動できなくなる場合がある。そこで、凹球部４４１は、滑合子としてＴ型部材３４４ａおよびＴ型部材３４４ｂを備える。
【００９８】
図１６および図１７を参照して、Ｔ型部材３４４ａについて説明する。Ｔ型部材３４４ａは、螺旋状溝１２１ＦＬと滑合する滑合部３４４Ｔａと、円柱部３４４Ｃａとを有する。滑合部３４４Ｔａは、螺旋状溝１２１ＦＬと溝方向に所定の長さで滑合して凹球部４４１と凸球部３２１との間に配置される。そして、滑合部３４４Ｔａは、螺旋状溝１２１ＦＬの断面形状に応じた形状を底面とし、例えば長手方向に対して円弧状に曲成された柱形状を成す。なお、滑合部３４４Ｔａは、螺旋状溝１２１ＦＬが螺旋状溝１２１ＦＲと交差している長さよりも長い長手長さを有する。一方、円柱部３４４Ｃａは、円柱状を成す。円柱部３４４Ｃａは、一方端部で滑合部３４４Ｔａの一部に接合または一体成形される。
【００９９】
次に、図１７を参照して、Ｔ型部材３４４ａが凹球部４４１及び凸球部３２１と系合する様子について説明する。Ｔ型部材３４４ａは、孔１４１Ｈａに円柱部３４４Ｃａが遊挿されて支持される。孔１４１Ｈａの内周面４４１Ｉ側開口部は、滑合部３４４Ｔａが遊挿される凹空間が形成される。そして、滑合部３４４Ｔａは、当該凹空間の内部で孔１４１Ｈａ方向に摺動可能に支持される。なお、上記凹空間は、その内部でＴ型部材３４４ａが孔１４１Ｈａ方向に摺動するための所定の移動代を含む深さで形成される。孔１４１Ｈａの外周面４４１Ｅ側開口部は、外周面４４１Ｅに沿って固定される板ばね４４５により塞がれる。板ばね４４５は、所定のねじ４４６により凹球部４４１の外周面４４１Ｅに固設される。ここで、Ｔ型部材３４４ａは、滑合部３４４Ｔａと螺旋状溝１２１ＦＬとが滑合する際、必ず円柱部３４４Ｃａの一方端部が板ばね４４５と当接する長さで形成される。そのため、Ｔ型部材３４４ａは、板ばね４４５により螺旋状溝１２１ＦＬへ向けて付勢され、上記に説明した滑合球体１４４と同様のバックラッシを低減する効果を得られる。
【０１００】
図１５において、Ｔ型部材３４４ｂも上記に説明したＴ型部材３４４ａと同様にして螺旋状溝１２１ＦＲと滑合する。ここで、滑合部３４４Ｔａは領域ζで、滑合部３４４Ｔｂは領域ηで、それぞれ螺旋方向の異なる螺旋状溝１２１ＦＬおよび螺旋状溝１２１ＦＲと滑合している。そのため、駆動軸３２が回転すると、揺動アーム４４に対してＴ型部材３４４ａおよびＴ型部材３４４ｂの何れからも、揺動アーム４４を同じ方向へ揺動させる力が働く。したがって、本変形例によれば、揺動機構１ｃは、揺動アーム４４の揺動範囲を確保しながら、複数のＴ型部材３４４ａおよびＴ型部材３４４ｂを設けることができる。なお、Ｔ型部材３４４ａおよびＴ型部材３４４ｂを付勢するために、板ばね４４５の代りに上記の実施形態に示したばね１４５およびばね押さえピン１４６等が用いられても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係る揺動機構は、任意のトルクで所定部材を揺動可能であり、小型のロボット関節や大型の機械等、様々な揺動機構として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る揺動機構１ａの斜視図、（ｂ）は揺動機構１ａの断面斜視図
【図２】駆動軸１２の側面図
【図３】（ａ）は揺動アーム１４の斜視図、（ｂ）は揺動アーム１４の側面図
【図４】図１（ｂ）における滑合球体１４４近傍を拡大した側面図
【図５】（ａ）は共回り防止ガイド１６の断面斜視図、（ｂ）は共回り防止ガイド１６の断面図
【図６】揺動機構１ａの組立図
【図７】図１の駆動軸１２を回転させて揺動アーム１４を揺動させる各段階の揺動機構１ａの部分断面図
【図８】開口部に切り込み１４１Ｄが形成された揺動アーム１４の斜視図
【図９】開口部に切り込み１４１Ｄが形成された揺動アーム１４を備える揺動機構１ａの断面斜視図
【図１０】駆動軸１２および揺動アーム１４の内部に中空空間が形成された揺動機構１ａの側断面図
【図１１】揺動アーム３４の斜視図
【図１２】螺旋状の突条を案内路とした揺動機構１ｂの部分断面図
【図１３】螺旋状の突条を案内路として形成された駆動軸２２の側面図
【図１４】螺旋状の突条との滑合部近傍を拡大した側断面図
【図１５】第３の変形例に係る揺動機構１ｃの断面図
【図１６】Ｔ型部材３４４を備える揺動機構１ｃの該部材近傍を拡大した一部透視斜視図
【図１７】Ｔ型部材３４４を備える揺動機構１ｃの該部材近傍を拡大した断面図
【符号の説明】
【０１０３】
１  揺動機構
１２、２２、３２  駆動軸
１４、３４、４４  揺動アーム
１６    共回り防止ガイド
１２１、２２１、３２１  凸球部
１２２  軸部
１４１、４４１  凹球部
１４２  揺動部
１４３  フェルト
１４４  滑合球体
１４５  ばね
１４６  ばね押さえピン
１４７  介在部材
１６１  頭部
１６２  主部
２４４  切欠き部材
３４１  円筒部
３４４  Ｔ型部材
４４５  板ばね
４４６  ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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