JP2004534189A - ピボットジョイント - Google Patents

Abstract

ピボットジョイントは、第１構造（３０）に対して取り付けられ、所定位置に保持されるボール（３２）と、ボール上に取り付けられ、これに対して可動の第２構造（２０）とを有する。第２構造は、ボールに対してその位置を定めるベアリング表面（３１，３６）を有している。ボールは第１構造に対し少なくとも２つの接触位置で所定位置に保持されるものとすることができ、これらの位置を反対側とすることで、第２構造が第１構造とボールとの間に捉えられるようにすることができる。接触位置を調節可能とすることができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピボットジョイント、特に高精密のボールジョイントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸（stalk）上にボールを具えたピボットジョイントが知られている。かかるピボットジョイントにおいては、ソケット内にボールが配置され、ソケットからは軸が突出している。これらのピボットジョイントには、特にボール部が正確な球でないために、精度が高くないという不利な点を有している。さらに、ボール部が磨耗したとき、廉価に交換できないという不利な点もある。
【０００３】
正確な球（すなわちボールベアリング）はラッピングプロセスによって非常に精密に作製することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、
第１構造に取り付けられたボールであって、その位置が第１構造に対して保持される当該ボール、および
該ボールに対し可動に取り付けられた第２構造であって、前記ボールに対してその位置を定める少なくとも１つのベアリング表面を有する当該第２構造、
を具えたピボットジョイントを提供する。
【０００５】
好ましくは、前記ボールは少なくとも２つの位置で前記第１構造に接触することにより所定位置に保持される。
【０００６】
前記少なくとも２つの接触位置は好ましくはボールの反対側にある。それらは正反対の位置であってもよいが、これは必須ではなく、いくつかの状況、例えば精密ジョイントが要求される場合には、中心がボールを通る三角形の頂点に接触位置が形成されることが好ましい。
【０００７】
好ましくは、第２構造は第１構造およびボール間に捉えられる。よって、第１および第２構造はボールを介して相互接続される。この構成においては、少なくとも一つの接点が第２構造の一方の側にある。すなわち、少なくとも一つの接点がベアリング表面の各側部にあり、これがボールに対する第２構造の位置を定める。
【０００８】
好適な実施形態では、接触位置の少なくとも一つは調整可能である。
【０００９】
好ましくは、少なくとも接触の４点でボールは第１構造に対し定位置に保持または固定される。
【００１０】
ボールが定位置に保持されたとき、それは第２と同様に第１構造に対しても可動なものであってもよい。しかし高精密ジョイントが要求される場合には、第１構造に対してボールが不動であるべきであり、よって位置が固定される。少なくとも一つの接触位置を調節可能とすることで、必要に応じ、これらの状態のいずれをも用いることができる。
【００１１】
あるいは、ボールは第１構造に対して定位置に保持され、または、円錐形の窪みによっておよび少なくとも一つの接触位置で固定される。
【００１２】
好ましくは、第２構造は３つのベアリング表面を有する。あるいは、第２構造は２つのベアリング表面を有するものであってもよい。
【００１３】
好適な実施形態においては、第２構造はボールと接触するようバイアスされている。かかるバイアスはばね、磁石、真空あるいはゴムバンド（elastic band）によって行うことができる。
【００１４】
本発明の第２の形態は、構造に対するボールの位置を保持する方法を提供するものであり、ここで、ボールは構造に少なくとも２つの位置で接触することによって上記位置に設置される。
【００１５】
好ましくは、その少なくとも２つの位置はボールの反対側にある。
【００１６】
好適な実施形態では、ボールは少なくとも接触の４点で、あるいは、円錐形の窪みによりおよび少なくとも一つの接触位置で、定位置に保持または固定される。
【００１７】
本発明の第３の形態は、ボール上に構造を配置する方法を提供するものであり、ここで、構造はボールに対して可動であり、この構造はボールを受容するための周面をもつ開口を具え、その周面の少なくとも一領域がボールに摺接するように形成されている。
【００１８】
好ましくは、周面の少なくとも２領域がボールに摺接するように形成され、当該少なくとも２領域の間の領域はボールに摺接しないように形成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るピボットジョイントによれば、（高）精密ジョイントを廉価に製造できる。高い球面性をもつボールベアリングを用いて、２構造間の円滑かつ精密な運動を生じさせることができ、高価な精密加工プロセスを受けることもない。その理由の一つは、ボール表面およびジョイントの移動の滑らかさおよび真球度に悪影響を与え得るねじ止め（screw stud）を使用することなく、ボールが定位置に保持または固定されることで、これらボールジョイントが正確である、ということである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
添付の図面を参照し、本発明の実施形態を例として説明する。
【００２１】
図１に座標測定機が示されている。座標測定機は固定された下部ステージ１０および可動の上部ステージ１２を具える。上部および下部ステージは入れ子式の支柱１４によって連結され、それぞれの支柱は各々の上端および下端においてピボットジョイントにより上部および下部ステージに接続されている。各支柱はその長さを増加および減少させるためのモータ１６を有する。
【００２２】
ピボットジョイントを介して上部および下部ステージに接続されている３つの入れ子式支柱１４によってのみ上部ステージ１２が支持されていると、上部ステージは下部ステージ１０に対し３つの直交軸の周りに相対回転し得る。これを防ぐため、３つの回転防止装置（anti-rotational devices）２０が設けられ、これらの回転の３自由度を除去する一方、並進（translational movement）を許容している。この装置は受動的なものであって、すなわちモータその他のアクチュエータを有していない。回転防止装置２０と、上部および下部ステージ１２,１０との間のジョイントもまた、ピボットジョイントである。
【００２３】
図２、図４および図５には、上部ステージ１２と回転止め装置２０との間のピボットジョイントがより詳細に示されている。上部ステージ１２には構造化されたカットアウト（structured cut-out）３０が設けられている。ピボットジョイントのボール３２は、カットアウト３０の周囲を限界する表面により、カットアウト３０内に支持される。図２においては２つのカットアウト３０が、一方はボールジョイントの他の要素とともに、他方はそれを含まずに、示されている。
【００２４】
ボール３２はカットアウト３０の２つの対向表面３４,３６によって支持される。第１の曲面３４はボール３２の一側に接触し、第２の曲面３６はボール３２の下側表面と２つの接点３６Ａ，３６Ｂで接触する。ボール３２の位置はこれら３つの接点３４，３６Ａ，３６Ｂと、クランプ３８,４２によって提供される第４の接点とによって定められる。
【００２５】
本例において、クランプはワッシャ３８と、ねじまたはボルトなどの固定具４２とを具えている。ワッシャ３８は上部ステージ１２におけるカットアウト３０内に設けられた棚４１上に配置され、その下側面の縁がボール３２と接触する。上部ステージ１２にはワッシャ３８の中心に一致して穴４０が設けられ、ここに固定具４２を受容して、ボール３２に対しワッシャ３８が保持されるようにしている。従ってボール３２は、第１曲面３４、第２曲面の２接点３６Ａ，３６Ｂ、およびワッシャ３８によって、その表面の周りの４箇所で固定位置に剛に保持される。
【００２６】
図９には上部ステージ１２および支柱１４間の他の例によるピボットジョイントが示されている。上部ステージ１２には構造化されたカットアウト１３０が設けられている。ピボットジョイントのボール３２は、カットアウト１３０の周囲を限界する表面により、カットアウト１３０内に支持される。図９においては２つのカットアウト１３０が、一方はボールジョイントの他の要素とともに、他方はそれを含まずに、示されている。
【００２７】
ボール３２はカットアウト１３０の２つの対向表面１３４,１３６によって支持される。第１の曲面１３４はボール３２の一側に接触し、第２の曲面１３６はボール３２の下側表面と２つの接点１３６Ａ，１３６Ｂで接触する。ボール３２の位置はこれら３つの接点１３４，１３６Ａ，１３６Ｂと、クランプ３８,４２によって提供される第４の接点とによって定められる。
【００２８】
カットアウト１３０についての接触面の向きは、支柱１４の向きが回転防止装置２０に対して回転しているので、カットアウト３０に対して回転している。これは図１に見ることができる。
【００２９】
入れ子式支柱１４および回転防止装置２０のそれぞれの各端部には穴４５が設けられ、これは各ピボットジョイントのボール３２に嵌り合う。それぞれの穴４５は、図３に示すように、１２０度の間隔をおいたベアリング表面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを有するように形成されている。この３つのベアリング表面のみがボール３２に接触する。これらのベアリング表面はボール３２との接触面積が小さく、表面間の摺動を最大限にする。これらのように接触面積を小とすることで、ボール３２に対する回転防止装置２０または支柱１４の反復位置決めも提供される。
【００３０】
この例ではボール３２を囲繞する第２構造１４，２０を示したが、これは必須ではない。従って、第２構造は構造内にギャップをもって、ボールを実質的に囲繞するものであってもよい（どのようなギャップでもその限界寸法は、ボールの直径および第２構造のベアリング表面の位置の関数である）。
【００３１】
支柱１４および回転防止装置２０の双方が本発明に係るピボットジョイントを有することが好ましいけれども、これは必須ではないことに注意すべきである。
【００３２】
図６はベアリング表面の他の構成を示している。この構成においては、穴４５は２つのベアリング表面４６Ａ，４６Ｂのみを有した楕円形である。ベアリング表面が磨耗すると、それらはボールの表面にさらに着座するので、ベアリング表面およびボール間のがたつき（rattle）が少なくなる。この構成は、ベアリング表面に作用する力がベアリング表面の面に直交する軸に平行である場合（例えばボールジョイントがジャッキ（jack）に用いられる場合）に特に好適である。
【００３３】
支柱１４および回転防止装置２０はベアリング性の良好な材料、例えばリン青銅で形成される。支柱１４は、エッチングおよびその後の機械加工または打抜き（stamping）で穴４５を形成し、穴４５の長さおよび幾何学形状を正確に調整することで作製される。
【００３４】
図５は、ピボットジョイントに取り付けられる回転防止装置２０をもつ上部ステージ１２を示す側面図であり、これは図４のＡ−Ａ線断面である。ボール３２は４つの接点のうち３つで所定位置に保持されていることがわかる。これらは、第２ステージ１２に設けられた第１曲面３４、および第２曲面３６の２接点、並びにワッシャ３８の表面３７である。これらの表面はボール３２の周囲に沿って間隔をおいて示されている。ボール３２に接触するワッシャ３８の表面３７は、ワッシャ３８の下面および側面間の面取り端であり、これはワッシャ３８の全周に延在している。これによって、ワッシャ３８の向きによらず、表面３７がボール３２に提供される。
【００３５】
この図において、回転防止装置２０は所定位置にあり、一方のベアリング表面４３がボール３２に接触して示されている。他の２つのベアリング表面はこの図には示されていない。
【００３６】
ボール３２と上部ステージ１２およびワッシャ３８との間に４つの接点を配置することによって、回転防止装置２０の端部に、ボール３２についての移動を行うに十分な空間を取ることができるようになる。加えて、構造化されたカットアウト３０の各々はボール３２の一方の側部にカットアウト突出部（lobe）３１を有し、回転防止装置２０の端部に、操作を行うに充分な空間を取ることができるようにしている。３つのベアリング表面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃはボール上を動いてもボールに接触したままとなることで、回転防止装置２０のアームがボール３２に関して回転できるようになる。
【００３７】
衝撃（jolt）が発生すると、ベアリング表面はボールから跳ね上がり、剛の係止部（すなわちカットアウト構造３０の縁）に当たってから、ボール上の位置に復帰する。よってボールジョイントは自らを保護する。高精密のボールジョイントが必要な場合には、例えば回転防止装置２０の２つの部分間にコイルばねを設け、１または複数のベアリング表面をボール３２に対し付勢するようにしてもよい。かかるばねは、いかなる衝撃の後でもベアリング表面がボールに復帰する助けとなり、構造に剛性を付加することになる。当業者であれば、本発明に係るボールジョイントを含む装置の他の部位へのバイアス手段の配設が有効であることが理解できよう。
【００３８】
ボールに対しベアリング表面を付勢する他の方法は、第２構造１４，２０をバイアスすることで行われる。これを実現するための一方法は、第２構造１４，２０にクランプされる一端と、ボール３２を押圧する他端とを有するプレートを備えることである。すなわちプレートは板ばねのように作用する。クランプは、例えばねじによって取り外し可能に固定されることが好ましく、これによればメンテナンスや交換のためにボール３２を取り外すことができるようになる。プレートという語は、ワッシャ等バイアスを提供するために適した種々の形状および構造のすべてを含むものである。かかるプレートは、ワッシャ３８とともに、あるいはこれに代えて用いることができるものである。
【００３９】
ピボットジョイントに用いるボールは、硬質／低摩擦の材料で作製されたものとすることもできるし、あるいは硬質／低摩擦の材料でコーティングされた材料で作製されたものでもよい。
【００４０】
上例は座標測定機におけるピボットジョイントの使用について述べたものであるが、このピボットジョイントはかかる機械とともに用いられる場合に限られることはなく、他の用途に用いることもできる。
【００４１】
さらに本発明は、上述のようなボール配置方法に限られることはない。実施形態ではボールに対し１つを調節可能とした４つの接点について述べたが、ボールに対し総計５以上の接点を設けることもできる。加えて、調節可能な接点を２以上設けることもでき、例えば４接点のすべてを調節可能としてもよい。
【００４２】
図７には正しい位置にボールを剛にクランプする他の方法が示されている。ボール３２は円錐形の窪み４８に配置され、１つの接点５４をもつ固定具５２（例えばねじ）によってボール３２に対し所定位置に保持される。固定具５２はボール３２に対する２以上の接点を有するもの（例えばＶ溝）であってもよいのは勿論である。
【００４３】
図８は正しい位置にボールを剛にクランプする別の方法が示されている。ボール３２は平坦な表面５０に配置され、ボール３２の表面と接触する円錐形の窪み５６を有する固定具５２によって所定位置に保持される。
【００４４】
接着、ブレージングおよび溶接などの恒久的な方法によってボールが所定位置に保持されていてもよい。しかしこれらの方法には、ボールが交換可能なものではなくなってしまうという不利な点がある。
【００４５】
このピボットジョイントは、廉価に製造でき、容易に組立てできるという２つの利点がある。
【００４６】
ボールを保持するカットアウト構造は機械加工が容易である。この構造内で分離型（free）のボールを繰り返し位置決め可能とすることによって、交換も容易となる。さらに、市販の正確な球（例えばボールベアリング）を構造内の正確な位置決めに組み合わせることによって、高精密のボールジョイントが作製される。
【００４７】
本明細書および特許請求の範囲を通じて使用される、語句「ピボットジョイント」におけるピボットという語は、２または３の自由度を有するユニバーサルジョイントと同様、１、２および３自由度をもつピボットジョイントを含むものとして定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のピボットジョイントを用いた座標測定機の斜視図である。
【図２】座標測定機の上部ステージの斜視図であり、ピボットジョイントを示している。
【図３】座標測定機の支柱の一端の平面図である。
【図４】座標測定機の上部ステージの平面図であり、ピボットジョイントを示している。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】座標測定機の他の例による支柱の一端の平面図である。
【図７】ピボットジョイントにおけるボールの他の例によるクランプ構成を示す模式図である。
【図８】ピボットジョイントにおけるボールの他の例によるクランプ構成を示す模式図である。
【図９】座標測定機の上部ステージの斜視図であり、他の例によるピボットジョイントを示している。

Claims (16)

1. 第１構造に取り付けられたボールであって、その位置が第１構造に対して保持される当該ボール、および
   該ボールに対し可動に取り付けられた第２構造であって、前記ボールに対してその位置を定める少なくとも１つのベアリング表面を有する当該第２構造、
   を具えたピボットジョイント。
2. 前記ボールは少なくとも２つの位置で前記第１構造に接触することにより所定位置に保持される請求項１に係るピボットジョイント。
3. 前記少なくとも２つの接触位置は前記ボールの反対側にある請求項２に係るピボットジョイント。
4. 前記第２構造は前記第１構造と前記ボールとの間に捉えられる請求項３に係るピボットジョイント。
5. 前記接触位置の少なくとも１つが調節可能である請求項２ないし請求項４のいずれかに係るピボットジョイント。
6. 前記ボールは、少なくとも４つの接点により、前記第１構造に対して所定位置に保持または固定される請求項１ないし請求項５のいずれかに係るピボットジョイント。
7. 前記ボールは、円錐形の窪みおよび少なくとも１つの接点により、第１構造に対して所定位置に保持または固定される請求項１ないし請求項５のいずれかに係るピボットジョイント。
8. 前記第２構造は、３つのベアリング表面を有する請求項１ないし請求項７のいずれかに係るピボットジョイント。
9. 前記第２構造はバイアスされて前記ボールに接触する請求項１ないし請求項８のいずれかに係るピボットジョイント。
10. 構造に対するボールの位置を保持する方法であって、少なくとも２位置で前記構造に接触させることで前記位置にボールを設置する方法。
11. 前記少なくとも２つの位置は前記ボールの反対側にある請求項１０に係る方法。
12. 前記ボールは、４つの接点で前記構造に接触することにより前記位置に設置される請求項１０または請求項１１に係る方法。
13. 前記ボールは、円錐形の窪み内と、少なくとも１つの接点とにより第１構造に接触することによって前記位置に設置される請求項１０または請求項１１に係る方法。
14. ボール上に構造を配置する方法であって、前記構造を前記ボールに対して可動とし、前記構造が前記ボールを受容する周面をもつ開口を具え、前記周面の少なくとも一領域がボールに摺接するように形成されている方法。
15. 前記周面の少なくとも２領域がボールに摺接するように形成され、当該少なくとも２領域の間の領域はボールに摺接しないように形成されている請求項１４に係る方法。
16. 第１構造に取り付けられたボールであって、その位置が、前記ボールの反対側にある少なくとも２つの位置で第１構造に対して保持される当該ボール、および
    該ボールに対し可動に取り付けられた第２構造であって、前記ボールに対してその位置を定める少なくとも１つのベアリング表面を有するとともに、前記第１構造と前記ボールとの間に捉えられる当該第２構造、
    を具えたピボットジョイント。

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