(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な１対の摺動孔（３）を設けたボディ（２）と、
前記各摺動孔（３）の一方の開口を閉塞するように前記ボディ（２）に固定され、前記各摺動孔（３）の内方へ向けて突出するピストン（８）を一体成形した端部材（７）と、
前記各摺動孔（３）内に軸方向往復動自在に配置され、前記ピストン（８）を差し込む有底円筒孔（６）を設けたラック部材（４）と、
前記ピストン（８）および有底円筒孔（６）内面間をシールするシール部材（９）と、
前記端部材（７）およびピストン（８）に設けられ、前記有底円筒孔（６）に圧縮空気を供給する配管ポート（１１）および流路（１２）と、
前記ラック部材（４）の外面に設けられたラック（５）と、
前記ボディ（２）に回転自在に組み付けられ、前記ラック（５）と噛み合うピニオン（１６）を設けた出力軸（１５）と、を有し、
前記ピストン（８）と前記有底円筒孔（６）内面との径方向間隙を前記ラック部材（４）と前記摺動孔（３）内面との径方向間隙よりも大きく形成したことを特徴とする揺動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線的な往復運動をラックピニオンを介して揺動運動に変換するラックピニオン形揺動アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図９および図１０に示すように、ボディ５２に互いに平行な１対の摺動孔５３を形成し、この１対の摺動孔５３にそれぞれ外周の一部にラック５５を形成したラック部材５４を摺動自在に内挿し、ラック５５に噛み合うピニオン５７を一体成形した出力軸５６をボディ５２に配設したベアリング５８によって回動自在に支持し、ラック部材５４を圧縮空気の給排により往復動させることによって出力軸５６を回動させるようにしたラックピニオン形揺動アクチュエータ５１が知られている。
【０００３】
しかしながら、この従来の揺動アクチュエータ５１によると、外周の一部にラック５５を形成したラック部材５４の軸方向両端部にそれぞれ圧縮空気をシールするためのシール部材５９が装着されているために、ラック部材５４の軸方向長さをラック５５の必要歯数以上に長くしなければならず、よってアクチュエータ５１全体が軸方向に大型化する不都合がある。パッキン等のシール部材５９がピニオン室６０に干渉するとエア漏れを引き起こすことから、ラック部材５４の軸方向長さにはこの分の余裕も確保しなければならない。
【０００４】
また、ラック部材５４がそれぞれ中実の円柱状に形成されており、この円柱状のラック部材５４が所要の強度を得るために鋼などの高比重材料によって製作されているために、ラック部材５４の重量が重く、よってアクチュエータ５１全体の重量が重いという不都合がある。ラック部材５４が重いと、これを移動させるための作動圧力も大きくしなければならない。
【０００５】
この種の揺動アクチュエータをロボットのヘッド部に取り付ける場合等においては、ロボットの可搬質量やタクトタイム短縮の観点から特にアクチュエータの小型・軽量化が要求されており、ベーン形揺動アクチュエータと比較して重くて大きいラックピニオン形揺動アクチュエータは敬遠されがちである。一方、ベーン形揺動アクチュエータはエア漏れや動作の不安定さが指摘されており、よってラックピニオン形揺動アクチュエータを小型・軽量化することが望まれている。
【０００６】
また、この種の揺動アクチュエータにおいては、ラック部材５４が摺動孔５３内を摺動する際、発生する摺動摩耗粉（金属摩耗粉）が潤滑油を劣化させることがあり、上記従来の揺動アクチュエータ５１によると、シール部材５９の摺動面がラック部材５４の摺動面とオーバーラップしているために、劣化した潤滑油がシール部材５９の寿命に良くない影響を及ぼすこともある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点に鑑みて、上記従来技術と比較して小型・軽量化を実現することができるラックピニオン形の揺動アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００８】
また、シール部材の寿命を向上させることができるラックピニオン形の揺動アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１による揺動アクチュエータは、互いに平行な１対の摺動孔を設けたボディと、前記各摺動孔の一方の開口を閉塞するように前記ボディに固定され、前記各摺動孔の内方へ向けて突出するピストンを一体成形した端部材と、前記各摺動孔内に軸方向往復動自在に配置され、前記ピストンを差し込む有底円筒孔を設けたラック部材と、前記ピストンおよび有底円筒孔内面間をシールするシール部材と、前記端部材およびピストンに設けられ、前記有底円筒孔に圧縮空気を供給する配管ポートおよび流路と、前記ラック部材の外面に設けられたラックと、前記ボディに回転自在に組み付けられ、前記ラックと噛み合うピニオンを設けた出力軸と、を有し、前記ピストンと前記有底円筒孔内面との径方向間隙を前記ラック部材と前記摺動孔内面との径方向間隙よりも大きく形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
上記構成を備えた本発明の請求項１による揺動アクチュエータにおいては、ラックを有するラック部材の一端に有底円筒孔が形成されて、この有底円筒孔に端部材に一体成形したピストンが相対変位可能に挿入されるとともに、端部材およびピストンに配管ポートおよび有底円筒孔を連通する流路が形成されているために、有底円筒孔内すなわちラック部材の内部に圧力室が形成され、配管ポートから流路を介して圧力室に供給する圧縮空気をシールすべく、同じくラック部材の内部にシール部材が配置される。したがって、ラックがラック部材の外面に形成される一方で、シール部材がラック部材の内部に配置されるために、ラックとシール部材とを軸方向に直列に並べる必要がなく、よってラック部材の軸方向長さを短縮することが可能となる。ラック部材の軸方向長さはラックの必要歯数を確保することができる長さがあれば良い。また併せて上記構成のアクチュエータによると、ラック部材に有底円筒孔が形成されてラック部材が中空状に形成されているために、この分、ラック部材の重量を軽減することが可能となる。
【００１２】
また、上記構成によりシール部材の摺動面がラック部材の摺動面とオーバーラップしなくなるために、シール部材がラック部材の摺動によって発生する摺動摩耗粉の影響を受けるのを未然に防止することが可能となる。
【００１３】
またこれに加えて、上記構成を備えた本発明の請求項１によるアクチュエータにおいては、ピストンと有底円筒孔内面との径方向間隙がラック部材と摺動孔内面との径方向間隙よりも大きく形成されているために、ピストンと有底円筒孔内面とが接触せず、摺動摩耗粉が発生せず、よって有底円筒孔内の潤滑油を良好な状態に維持することが可能となる。また、ラックがピニオンに力を伝達する際に発生する反力がピストンに作用するのを抑えることが可能となり、ラック部材が摺動孔内面とピストンとの間でかじるのを抑えることも可能となる。
【００１４】
上記請求項１によるアクチュエータにおいて、その構成要素の一つであるピストンは、端部材に設けられて端部材を介してボディに固定されるものであるために、これを凸部と称することができ、また、有底円筒孔は、これをラック部材の一端面に開口するように設けられた中空部と称することができる。
【００１７】
また、本件提案は、上記目的に照らして、ボディの摺動孔に摺動自在に挿入されて圧縮空気の供給により移動するとともに揺動部材のピニオンに歯合するラックを設けたラック部材と、前記摺動孔の開口部を閉塞する端部材とを有するラックピニオン形の揺動アクチュエータにおいて、前記ラック部材にその一端面に開口する中空部を設け、前記端部材に前記中空部に摺動自在に挿入される凸部を設け、前記凸部の外面および前記中空部の内面の何れか一方に他方に摺動自在に密接するシール部材を設け、前記凸部の先端に流路を開口して前記流路から前記中空部へ圧縮空気を供給することを特徴とする揺動アクチュエータを提供するものであり、更にまた、ボディに互いに平行な１対の摺動孔を形成し、前記１対の摺動孔にそれぞれ外周の一部にラックを有するラック部材を摺動可能に内挿し、前記ラックに噛み合うピニオンが一体的に形成された出力軸を前記ボディに配設されたベアリングによって回動自在に支持し、前記ラック部材を圧縮空気の給排により往復動させることによって前記出力軸を回動させるラックピニオン形揺動アクチュエータであって、前記ボディの端面に前記摺動孔の一方の開口を塞ぐ端部材を配設し、前記摺動孔内で前記端部材から軸方向に延びるピストンを前記ラック部材に設けられた有底円筒孔に軸方向に相対変位可能に挿入するとともに、一方が前記端部材に設けられた配管ポートに、他方が前記有底円筒孔に連通する流路を前記ピストンに設けたことを特徴とする揺動アクチュエータを提供するものでもある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係るラックピニオン形揺動アクチュエータ１の正面図、図２は右側面図、図３は背面図、図４は一部切欠した平面図、図５は底面図をそれぞれ示している。また、図６は図１におけるＡ−Ａ線断面図、図７は図２におけるＢ−Ｂ線断面図、図８は斜視図をそれぞれ示している。
【００２０】
当該実施例に係るアクチュエータ１においては先ず、略箱形を呈するボディ２の内部に1対の摺動孔３が互いに平行に形成されており、この1対の摺動孔３にそれぞれラック部材４が軸方向に摺動可能に内挿されている。ラック部材４にはその外周面の一部にラック５が軸方向に沿って形成されるとともに、一方の端面から軸方向に延びる有底円筒孔（中空部）６が形成されている。
【００２１】
摺動孔３の一方の開口にはそれぞれ、端部材７がねじ込まれている。この端部材７には摺動孔３内で軸方向に突出するピストン（凸部）８が一体成形されており、このピストン８がラック部材４の有底円筒孔６に相対変位可能に挿入されており、ピストン８の先端部に装着されたリング状のシール部材９により気密が保持されることによって有底円筒孔６の内部に圧力室１０が形成されている。シール部材９はピストン８の外周に嵌着され、有底円筒孔６の内周面に対して摺動自在に密接している。端部材７の端面には配管ポート１１が形成されて、軸方向に貫通する流路１２に連通しており、この配管ポート１１および流路１２を介して圧力室１０に圧縮空気が給排される。
【００２２】
ピストン８と有底円筒孔６内面との径方向間隙は、ラック部材４と摺動孔３内面との径方向間隙よりも大きく形成されている。
【００２３】
ボディ２には、１対の摺動孔３間の壁部１３の中央において上下方向に貫通するベアリング１７のハウジング孔１４が摺動孔３に連通するように形成されており、このベアリング孔１４における上下位置にそれぞれ、ピニオン１６を一体成形した出力軸１５を回動自在に支持するボールベアリング１７の外輪１８が嵌着されている。
【００２４】
上下1対のベアリング１７はそれぞれ、その外輪１８から径方向外方へ向けて突出する係止部１９を有しており、この係止部１９によってボディ２の端面に係止している。また、ベアリング１７の内輪２０は、出力軸１５の上端に形成された拡径部２１と、出力軸１５の下端にねじ込まれた押しネジ２２によって挟み込まれている。したがって、押しネジ２２をねじ込むことによって軸方向の隙間を取り除くことができるために、出力軸１５が軸方向にガタつくことがない。この構成は、ベアリング１７の配列が背面取付けとなるために、荷重の作用点距離が大きく、よって比較的大きなモーメントを支えることができる。また、所要の予圧を加えることにより剛性を高くすることもできる。外輪１８に係止部１９を設けたベアリング１７は市販されており、この手のベアリング１７を用いることによってベアリング１７の配列を背面取付けにする際、ハウジング孔１４にベアリング１７を係止する座面を形成する必要がなくなるために、ハウジング孔１４をストレートに形成することができる。したがって、上下1対のベアリング１７の芯ずれがなく、ボディ２に対する出力軸１５の回転精度を向上させることができる。また、加工が容易なことから製作コストを低く抑えることができる。
【００２５】
出力軸１５の外周面に形成されたピニオン１６は、ラック部材４のラック５と噛み合っており、よってラック部材４の直線的な往復運動が出力軸１５の揺動運動に変換される。
【００２６】
出力軸１５には、その拡径部２１の上面にテーブル２３が設けられている。このテーブル２３の上面には複数の雌ネジ２４が形成されており、この雌ネジ２４を用いてワークやツール等をテーブル２３上に載置する。また、テーブル２３の上面には併せて、位置決めピンを嵌入するための丸孔２５や長孔２６が高精度に形成されており、これらによってワークやツール等の取付再現性が確保されている。尚、テーブル２３の代わりに拡径部２１をボディ２の外部まで延設し、割締め等によって他の部材と連結するようにしても良い。
【００２７】
ボディ２には、１対の調整ネジ２７が摺動孔３と平行に進退自在にねじ込まれており、それぞれナット部材２８によって固定されている。この調整ネジ２７は配管ポート１１とともにボディ２の同一面に設けられているために、作業性が頗る良い。
【００２８】
テーブル２３の側面には、その両揺動端において調整ネジ２７の先端部に当接するストッパ部材２９がネジ部材３０によって固定されている。ストッパ部材２９には凹部３１が形成されていて、この凹部３１がテーブル２３に形成した凸部３２に嵌め合わされているために、ストッパ部材２９に比較的大きな力が作用しても、ガタやズレ等が発生することはない。
【００２９】
上記したようにベアリング１７の配列を背面取付けとしたために、拡径部２１およびテーブル２３はこれを出力軸１５に一体成形することができる。したがって、テーブル２３と出力軸１５との偏心および傾きが加工精度だけで決まるために、ボディ２に対するテーブル２３の回転精度を向上させることができる。またテーブル２３と出力軸１５との間に連結部が存在しないため、その分、当該アクチュエータ１を小型・軽量化することができ、また製作コストを低く抑えることもできる。
【００３０】
ボディ２の外部正面には、複数のセンサ取付溝３３が摺動孔３と平行に形成されており、このセンサ取付溝３３にそれぞれ位置検出センサ３４が取り付けられている。位置検出センサ３４は固定具３５によってセンサ取付溝３３内で所望の位置に移動可能に固定されている。ラック部材４にはその外周の一部に縮径部３６が形成されており、この縮径部３６にリングの一部を切り欠いた形状の永久磁石３７が接着剤等によって固定されている。位置検出センサ３４は永久磁石３７の接近によって信号を出力し、この信号を所望の箇所へ伝達する。
【００３１】
ボディ２には、その上面から底面にかけて貫通する複数の取付孔３８が設けられており、底面には複数の雌ネジ３９が取付孔３８と同軸に形成されている。また、底面には位置決めピンを嵌入するための丸孔４０や長孔４１が高精度に形成されており、よってボディ２の取付再現性が確保されている。また、背面にも同様に複数の雌ネジ４２、丸孔４３および長孔４４が高精度に形成されており、ボディ２の取付再現性が確保されている。
【００３２】
ボディ２をロボットのヘッドや設備の架台等へ取り付ける手段としては、取付孔３８と雌ネジ３９，４２とを選択することができる。また、取付面としてボディ２の３面を選択することができるために、取付自由度が大きい。
【００３３】
つぎに上記構成のアクチュエータ1の作動は、以下のとおりである。
【００３４】
すなわち、図示しない圧縮空気供給源および切換弁から一方の配管ポート１１および流路１２を介して一方の圧力室１０に作動流体である圧縮空気を供給するとともに、他方の流路１２、配管ポート１１および切換弁を介して他方の圧力室１０を大気開放すると、一方のラック部材４が圧縮空気により押圧されて前進を開始し、この一方のラック部材４の移動によって出力軸１５が一回転方向に揺動する。また、他方のラック部材４は出力軸１５の回動によって後退する。出力軸１５の回動に伴ってテーブル２３が回動し、テーブル２３に設けられたストッパ部材２９が一方の調整ネジ２７の先端部に当接すると、揺動が終了する。調整ネジ２７の突出量を調整することによりテーブル２３の揺動角度を調整することができる。揺動端においてはボディ２に固定された一方の位置検出センサ３４が永久磁石３７の磁界を検出し、シーケンサ等に信号を送る。
【００３５】
つぎに、図示しない切換弁を切り換えて、他方の配管ポート１１および流路１２を介して他方の圧力室１０に作動流体である圧縮空気を供給するとともに、一方の流路１２、配管ポート１１および切換弁を介して一方の圧力室１０を大気開放すると、他方のラック部材４が圧縮空気により押圧されて前進を開始するとともに、テーブル２３が反対方向に回動し、ストッパ部材２９が他方の調整ネジ２７の先端部に当接すると、揺動が終了する。調整ネジ２７の突出量を調整することによりテーブル２３の揺動角度を調整することができる。揺動端においてはボディ２に固定された他方の位置検出センサ３４が磁石の磁界を検出し、シーケンサ等に信号を送る。
【００３６】
上記構成のアクチュエータ１によれば、以下の作用効果を奏することが可能である。
【００３７】
すなわち先ず、上記したように出力軸１５のピニオン１６と歯合するラック５がラック部材４の外周面に形成されるとともに、圧力室１０の圧縮空気をシールするシール部材９が有底円筒孔６に挿入されるピストン８の外周に嵌着されてラック部材４の内側に配置されているために、当該アクチュエータ１によれば、ラック５とシール部材９とを軸方向に直列に並べて配置する必要がなく、実際直列に並べて配置されておらず、よってラック部材４の軸方向長さを従来よりも短縮することができる。したがって、これに伴ってボディ２の軸方向長さを短縮することができ、アクチュエータ１全体を同方向について小型化することができる。また、ラック部材４に有底円筒孔６が形成されてラック部材４が中空状に形成されているために、この分、ラック部材４の重量を軽減することができる。ラック部材４は所要の強度を得るべく鋼等の高比重材料によって成形されるために、その重量の軽減分は比較的大きく、これに対してピストン８の追加による重量の増加分は、このピストン８が端部材７とともにアルミ合金等の低比重材量によって成形されるために、比較的小さなものである。したがって、トータルとしてアクチュエータ１全体を軽量化することができる。以上のことから、小型でかつ軽量の揺動アクチュエータ１を提供することができる。
【００３８】
また、上記構成によりシール部材９の摺動面がラック部材４の摺動面とオーバーラップしなくなるために、シール部材９がラック部材４の摺動によって発生する摺動摩耗粉の影響を受けるのを未然に防止することができ、よってシール部材９の寿命を向上させることができる。
【００３９】
また、ピストン８と有底円筒孔６内面との径方向間隙がラック部材４と摺動孔３内面との径方向間隙よりも大きく形成されているために、ピストン８と有底円筒孔６内面とが接触せず、摺動摩耗粉が発生せず、よって有底円筒孔６内の潤滑油を良好な状態に維持することができる。また、ラック５がピニオン１６に力を伝達する際に発生する反力がピストン８に作用するのを抑えることができ、更にラック部材４が摺動孔３内面とピストン８との間でかじるのを抑えることもできる。したがって、これらのことからもシール部材９の寿命を向上させることができ、揺動アクチュエータ１の動作を円滑にすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００４１】
すなわち先ず、上記構成を備えた本発明の請求項１による揺動アクチュエータにおいては、出力軸のピニオンと歯合するラックがラック部材の外面に形成されるとともに、圧力室の圧縮空気をシールするシール部材がラック部材の内部に配置されるために、ラックとシール部材とを軸方向に直列に並べて配置する必要がなく、よってラック部材の軸方向長さを従来よりも短縮することができる。したがって、ボディの軸方向長さを短縮することができ、アクチュエータ全体を同方向について小型化することができる。また、ラック部材に有底円筒孔が形成されてラック部材が中空状に形成されているために、この分、ラック部材の重量を軽減することができる。したがって、以上のことから小型でかつ軽量の揺動アクチュエータを提供することができる。
【００４２】
また、上記構成によりシール部材の摺動面がラック部材の摺動面とオーバーラップしないために、シール部材がラック部材の摺動によって発生する摺動摩耗粉の影響を受けるのを未然に防止することができ、よってシール部材の寿命を向上させることができる。
【００４３】
またこれに加えて、上記構成を備えた本発明の請求項１による揺動アクチュエータにおいては、ピストンと有底円筒孔内面との径方向間隙がラック部材と摺動孔内面との径方向間隙よりも大きく形成されているために、ピストンと有底円筒孔内面とが接触せず、摺動摩耗粉が発生せず、よって有底円筒孔内の潤滑油を良好な状態に維持することができる。また、ラックがピニオンに力を伝達する際に発生する反力がピストンに作用するのを抑えることができ、更にラック部材が摺動孔内面とピストンとの間でかじるのを抑えることもできる。したがって、これらのことからもシール部材の寿命を向上させることができ、揺動アクチュエータの動作を円滑にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る揺動アクチュエータの正面図
【図２】同アクチュエータの右側面図
【図３】同アクチュエータの背面図
【図４】同アクチュエータの一部切欠した平面図
【図５】同アクチュエータの底面図
【図６】図１におけるＡ−Ａ線断面図
【図７】図２におけるＢ−Ｂ線断面図
【図８】同アクチュエータの斜視図
【図９】従来例に係る揺動アクチュエータの横断面図
【図１０】同アクチュエータの縦断面図
【符号の説明】
１  揺動アクチュエータ
２  ボディ
３  摺動孔
４  ラック部材
５  ラック
６  有底円筒孔
７  端部材
８  ピストン
９  シール部材
１０  圧力室
１１  配管ポート
１２  流路
１３  壁部
１４  ベアリングハウジング孔
１５  出力軸
１６  ピニオン
１７  ベアリング
１８  外輪
１９  係止部
２０  内輪
２１  拡径部
２２  押しネジ
２３  テーブル
２４，３９，４２  雌ネジ
２５，４０，４３  丸孔
２６，４１，４４  長孔
２７  調整ネジ
２８  ナット部材
２９  ストッパ部材
３０  ネジ部材
３１  凹部
３２  凸部
３３  センサ取付溝
３４  位置検出センサ
３５  固定具
３６  縮径部
３７  永久磁石
３８  取付孔
【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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