JP4509855B2 - ボールジョイント - Google Patents

Description

本発明は、二部材を結合すると共に、一方の部材の他方の部材に対する三次元の首振り揺動運動（以下、単に「揺動運動」と称する）を許容するためのボールジョイントに関するものである。このボールジョイントは、自動車、建設機械、農業用機械、精密測定器、ロボットを始めとする産業機器、家庭用機器、あるいは医療機器等における、揺動運動装置の継手として広く利用することができる。

この種のボールジョイントでは、通常、一方の部材（雄部材）に球状体が形成されると共に、他方の部材（雌部材）にこの球状体が球面摺動する摺動面が設けられている。このボールジョイントでは、ガタのないスムーズな揺動運動を実現するため、その球状体表面と摺動面との間の球面隙間（内部隙間）を、極力小さくかつ高精度に形成することが望まれる。

この要望に応えるためには、球状体や摺動面の表面精度をできるたけ高める必要があるが、一般に機械加工で球面を精度よく仕上げることは困難であるから、機械加工に頼るだけでは加工コストの高騰が避けられない。また、仮に精度良く仕上げ加工を行ったとしても、凸球状の球状体を凹球状の摺動面に嵌合するためには、摺動面を最大径部で二分割し、球状体の組み込み後に摺動面を一体化するなど、特殊な構造や組立方法を採用する必要があり、組立工程が複雑化する。特に摺動面を二分割した場合には、摺動面に継ぎ目が残り、これが摺動性に悪影響を与える点が問題となる。

この他、従来では、組立性や摺動性の改善を目的として、球状体と摺動面との間に樹脂を介在させたボールジョイントも知られている（下記特許文献１および２）。
特開平５−１４９３２４号公報の図３ 特開２００２−２２１２１８号公報

しかしながら、何れの提案でも摺動面に樹脂を使用するため、耐摩耗性に不安があり、耐久寿命のさらなる向上を図ることは難しい。また、内部隙間の高精度化や極小化にも限度がある。

特に特許文献１においては、円筒状の他の部材中に一方の部材の球状体を配置し、樹脂を接着した他の部材をプレスで加圧して塑性変形をさせて、球状体に沿った球状摺動面を形成しているが、この方法では、樹脂の厚みが薄いと接着剤の厚みにより表面精度に影響を及ぼすとともに、接着が悪いと樹脂がはがれて摺動面の役目を果たさないことがあり、接着作業に細心の注意が必要となる。また、プレスで塑性変形させるため、精度の良い内部隙間を得るためにはプレスの圧力を細心の注意を払って設定しなければならない。

一方、特許文献２においては、一対の半円状の樹脂で覆った球状体を、球状摺動面を形成した他の部材の端面を押し拡げて圧入して取付けるものであるので、摺動面に樹脂の継目が存在し、動作の正確性や安定性に欠ける。

本発明は上記問題点に鑑み、円滑かつ正確な揺動運動が可能であり、かつ高い耐久寿命を備えるボールジョイントを提供するものである。

上記課題を達成するために本発明のボールジョイントは、球状体を有する雄部材と、球状体が球面摺動する球状の摺動面を備えた雌部材とを具備するボールジョイントにおいて、雄部材が電鋳加工後のマスターをそのまま用いたものであり、雌部材が、前記マスターから分離された電鋳部からなる摺動面を備えると共に、電鋳部をインサートした射出成形品であることを特徴とするものである。

一般に電鋳加工によって形成された電鋳部の内面には、マスターの表面形状が精度良く転写される。従って、球状体を有する雄部材をマスターとし、その球状体の表面精度を高めておけば、電鋳加工によりこれと同程度の表面精度を有する摺動面を簡単に形成することができる。また、雌部材が電鋳部をインサートした射出成形によって形成されるので、雌部材を二分割構造とする必要はなく、従って、摺動面となる電鋳部の内面での継ぎ目の発生を回避することができる。以上から、微小でかつ高精度の内部隙間を有するボールジョイントを低コストに製作することが可能となる。また、摺動面が電鋳金属で形成されるので、これを樹脂で形成する場合に比べて高い耐摩耗性を確保することができ、耐久寿命の向上を図ることができる。

本発明のボールジョイントは、球状体を有する雄部材を製作する工程と、雄部材をマスターとして、前記球状体の外周に電鋳部を形成する工程と、電鋳部を有する雄部材をインサートして雌部材を射出成形する工程と、射出成形後に雄部材と電鋳部とを分離する工程とを経て製作し、電鋳部を分離した後のマスターを、そのまま雄部材として使用することができる。

以上に述べたボールジョイントは、揺動運動を行う揺動運動装置として広く適用することができる。

本発明のボールジョイントは、ガタの少ない滑らかな揺動運動を行うことができ、かつ低コストに製作可能である。また、耐摩耗性に優れるので、高い耐久寿命を発揮することができる。

また、摺動面の固定に接着剤を使用しないので、摺動面の精度が接着剤の塗布状態に左右されることもない。さらには、摺動面の成形をプレスで行うものではないから、プレス圧力の厳密な管理も不要となる。

本発明のボールジョイントを示す実施の形態１を、図１〜図４を参考に説明する。

ボールジョイント１は、図１に示すように、軸部３ａおよび球状体２からなる雄部材３と、この雄部材３に球面嵌合された雌部材４とを主要な構成要素とする。雄部材３の球状体２は、軸部３ａの先端に設けられ、軸部３ａの径Ｌ１よりも大きな径Ｌ２の凸球面状をなす。球状体２は雄部材３の先端に形成する他、雄部材３の中間部に形成しても良い。

雌部材４には、凸球面状の球状体２と球面嵌合する凹球面状の摺動面６が形成される。この雌部材４は、電鋳部５と電鋳部５をモールドしたモールド部７とからなり、電鋳部５の内面が凹球面状の摺動面６を構成する。

このボールジョイント１は、雄部材３をマスターとして使用する電鋳加工で製作される。具体的には、雄部材３の所要箇所をマスキングする工程（マスキング工程：図２参照）、雄部材３の非マスク部に電鋳加工を行って電鋳部５を形成する工程（電鋳工程：図３参照）、雄部材３の電鋳部５を樹脂でモールドする工程（モールド工程：図４参照）、および雄部材３と電鋳部５とを分離する工程（分離工程）を経て製作される。

雄部材３は、導電性材料、例えば焼入れしたステンレス鋼で形成されている。もちろん焼入れしたステンレス鋼に限定されるものでなく、電鋳部５の成形性および分離性、さらにはボールジョイントに求められる機械的特性を満足する材料および熱処理がコストを勘案して適宜選択される。セラミック等の非金属材料でも、導電処理を施すことにより（例えば表面に導電性の金属被膜を形成することにより）、マスターとして使用することが可能となる。なお、雄部材３のうち、特に球状体２の表面には、球面摺動を行う際に電鋳部５との間の摩擦力を減じるための表面処理、例えばフッソ系の樹脂コーティングを施すのが望ましい。

雄部材３としては、球状体２と軸部３ａの一体成形品の他、両者を別部品として個々に製作した後、適宜の手段（接着、溶接等）で結合したものも使用可能である。この雄部材３の成形は、切削・研摩等の機械加工で行う他、鍛造、金属射出成形等の方法で行うこともできる。

雄部材３のうち、特に球状体２の外周面の表面精度は、球状摺動面６の表面精度を直接左右するので、球面度、表面粗さ等の球状摺動機能に必要とされる精度を予め高精度に仕上げておく必要がある。

マスキング工程では、雄部材３の外周面に、図２に示すように、電鋳部５の成形予定部を除き、マスキングが施されている。マスキング用の被覆材８（図２に網線で表している箇所）としては、非導電性、および電解質溶液に対する耐食性を有する既存品が選択される。

電鋳工程は、ＮｉやＣｕ等の金属イオンを含んだ電解質溶液に雄部材３を浸漬し、電解質溶液に通電して目的の金属を雄部材３の表面に析出させることにより行われる。電解質溶液には、カーボンなどの摺動材、あるいはサッカリン等の応力緩和材を必要に応じて含有させてもよい。電着金属の種類は、雌部材４の球状摺動面６に求められる硬度、静的強度、疲れ強さ等の機械的特性に応じて適宜選択される。

電鋳部５が厚すぎると球状体２からの剥離性が低下し、薄すぎると球状摺動面６の耐久性の低下等につながる。電鋳部５の最適厚さはボールジョイントのサイズや用途に応じて異なるが、概ね１０μｍ〜２００μｍの範囲に設定するのが好ましい。

以上の電鋳加工により、図３に示すように、雄部材３の非マスク部（球状体２）に電着した金属で凸球面状の電鋳部５が形成される。

電鋳部５を有する雄部材３は、図４に示すモールド工程に移送され、電鋳部５および雄部材３をインサート部品とする射出成形が行われる（インサート成形）。

このモールド工程では、雄部材３を、図４に示すように、上型９および下型１０からなる金型の内部に供給する。下型１０には、雄部材３の軸部３ａの外径寸法に適合した位置決め穴１１が形成され、さらに位置決め穴１１の周囲に電鋳部５の表面と面接触可能の受け部１３が形成されている。この位置決め穴１１に前工程から移送した雄部材３の軸部３ａを挿入し、さらに受け部１３で電鋳部５を支持することにより、雄部材３の位置決めがなされる。

以上の金型において、可動型（本実施形態でいえば上型９）を固定型（本実施形態でいえば下型１０）に接近させて型締めした後に、上型９のゲート１４を介してキャビテイ１２内に樹脂材料を射出し、インサート成形を行う。樹脂材料としては、結晶性および非晶性の何れもが使用可能で、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂等が使用可能である。もちろんこれらは例示にすぎず、既存の各種樹脂材料の中からボールジョイント１の用途等に適合した樹脂材料が選択され得る。必要に応じてベース樹脂に強化材（繊維状、粉末状等の形状は問わない）や潤滑材等の各種充填材を加えてもよい。雄部材３を上記のとおり金属材料やセラミック材料で形成しておけば、射出成形時の高温・高圧環境下においても雄部材３の変形を回避することができ、高精度の球状摺動面６を転写することができる。

射出成形後、金型９，１０から取り出された成形品は、雄部材３、電鋳部５、およびモールド部７が一体となった構造となる。

この成形品は、その後分離工程に移送され、電鋳部５およびモールド部７からなる雌部材４と、雄部材３とに分離される。

一般にマスターと分離する前の電鋳部５には、マスターとしての球状体２の表面から剥がれる方向の残留応力が蓄積されている。この残留応力は、例えば電鋳部５や雄部材３に衝撃を与えることにより解放され、この応力解放に伴って、電鋳部５が拡径して球状体２の表面から剥離する。そのため、球状体２の外周面と電鋳部５の内周面との間に、１μｍ〜数十μｍ程度の微少な内部隙間が均一幅で形成され、これにより雄部材３と雌部材４の間で相対的な三次元方向の揺動運動が可能となる。

応力解放だけでは電鋳部５を剥離できない場合には、電鋳部５と雄部材３とを加熱（又は冷却）し、両者間に熱膨張量差を生じさせることによって雄部材３と電鋳部５とを分離することもできる。応力解放に頼ることなく、熱膨張量差だけで両者を分離してもよい。

以上の工程により、図１に示すボールジョイント１が得られる。このボールジョイント１では、摺動面６がマスターとしての球状体２の表面精度に倣った高精度面となるので、摺動面６と球状体２の表面との間の隙間が微小でかつ高精度なものとなる。しかも摺動面６には継目がない。そのため、雄部材３と雌部材４との間の揺動運動を低トルクで滑らかに行うことができる。また、内部隙間が微小でかつ均一幅を有するからガタが少なく、雄部材３と雌部材４の相対的な位置や姿勢を精密に制御することが可能となる。さらには摺動面６の仕上げ加工が不要であり、かつ摺動面６と球状体２の表面精度をマッチングさせる必要もないので、組立工数の削減を通じて低コスト化を図ることができる。また、摺動面６が樹脂に比べて耐摩耗性に富む金属面となるので、高い耐久寿命が得られる。

また、電鋳加工の特性上、電鋳部５の外面は粗面に形成されるため、インサート成形時にはモールド部７を構成する材料が電鋳部外面の凹凸に入り込み、アンカー効果による強固な固着力が発揮される。従って、衝撃荷重を受けても電鋳部５とモールド部７とが分離しにくく、耐衝撃性に富むボールジョイント１を提供することが可能となる。

なお、以上の説明では、電鋳部５を樹脂材料でモールドしたが、樹脂に限らず、金属の射出成形、例えばマグネシウム合金やアルミニウム合金等の低融点金属を射出して電鋳部５をモールドすることもできる。その場合、樹脂を使用する場合に比べ、強度、耐熱性、または導電性等の面より、優れたボールジョイント１が得られる。

以上に説明したボールジョイント１は、二部材間で三次元の揺動運動を行う揺動運動装置に広く適用することができる。図５は揺動運動装置の一例として、二脚式のロボットや人形の足首部分の関節装置に適用したボールジョイント１を例示している。図示例の間接装置では、脚部２２側にボールジョイント１の雄部材３が配置されると共に、足部２１側に雌部材４が配置されている。脚部２２と足部２１との間に配置された一もしくは複数のシリンダ２３を駆動することにより、球状体２と電鋳部５の球面摺動を介して脚２２に対する足２１の上下揺動およびひねり動作が行われる。

この場合、本発明のボールジョイント１では、電鋳部５を保持するモールド部７が射出成形されるので、雌部材４を任意の形態に造形することができ、従って、図示のように雌部材４自体で足部２１を形成することもできる。これにより、足部２１の構成部品を大幅に削減することができ、この種の関節装置を始めとする揺動運動装置のさらなる低コスト化を図ることができる。

本発明の実施の形態１を示すボールジョイントの断面図である。 マスキングを施した雄部材を示す正面図である 電鋳部を形成した雄部材を示す断面図である。 金型内に雄部材３を収納した状態を説明する断面図である。 ボールジョイントを用いた関節装置の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ボールジョイント
２ 球状体
３ 雄部材
３ａ 軸部
４ 雌部材
５ 電鋳部
６ 摺動面
７ モールド部
８ 被覆材
９ 上型
１０ 下型
１２ キャビテイ
２１ ２脚式ロボットの足部
２２ ２脚式ロボットの脚部

Claims (4)

1. 球状体を有する雄部材と、球状体が球面摺動する球状の摺動面を備えた雌部材とを具備するボールジョイントにおいて、
   雄部材が電鋳加工後のマスターをそのまま用いたものであり、雌部材が、前記マスターから分離された電鋳部からなる摺動面を備えると共に、電鋳部をインサートした射出成形品であることを特徴とするボールジョイント。
2. 射出成形材料と密着する電鋳部の外面が粗面である請求項１記載のボールジョイント。
3. 球状体を有する雄部材と、球状体が球面摺動する球状の摺動面を備えた雌部材とを具備するボールジョイントを、
   球状体を有する雄部材を製作する工程と、雄部材をマスターとして、前記球状体の外周に電鋳部を形成する工程と、電鋳部を有する雄部材をインサートして雌部材を射出成形する工程と、射出成形後に雄部材と電鋳部とを分離する工程とを経て製作し、
   電鋳部を分離した後のマスターを、そのまま雄部材として使用することを特徴とするボールジョイントの製造方法。
4. 請求項１または２に記載のボールジョイントを備えた揺動運動装置。

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