JP5186242B2

JP5186242B2 - 揺動装置

Info

Publication number: JP5186242B2
Application number: JP2008043228A
Authority: JP
Inventors: 健一柳; 弘安藤
Original assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP2009196070A

Description

本発明は、揺動装置、特にテーブルなどの板部材を、水平面を基準としてユニバーサルに大きな角度まで傾斜回転させることが可能な揺動装置に関するものである。

従来の揺動装置としては、例えば、ジンバル機構と呼ばれるものがあり、この機構の一事例としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この機構は、図４に示すような機構である。図４はジンバル機構の概略構成を示す平面図であり、この図において、符号１はジンバル機構の全体構造を示す。このジンバル機構１は、試験装置のフレームなどに回転可能に取り付けられた環状構造の枠体２と、この枠体２の内部に配置され枠体２に回転可能に支持されたテーブル３とを有して成る。枠体２は、図４で見て左右の側の部位に枠体２自身が装置のフレーム４に支持されるための取付ブロック５を有し、この取付ブロック５に設けられたピン６及びフレーム４に設けられた軸受７を介してフレーム４に取り付けられている。ピン６は環状構造の枠体２の１８０度対向位置に対にして２本設けられている。また、枠体２は、図４で見て上下の側の部位にテーブル３を支持するための支持ブロック８を有している。テーブル３は支持ブロック８に隣接する直径方向両端の部分に２本のピン９を対にして有している。一方支持ブロック８の略中央部分には軸受１０が設けられ、この軸受にピン９を挿入して支持することにより、テーブル３が枠体２に回転可能に取り付けられる。また、枠体２とテーブル３を水平状態にしたとき、両部材２，３はほぼ同一の平面になる。ピン６とピン９は互いに直角の関係になるように延びており、ピン６が延びる方向にＸ軸、ピン９が延びる方向にＹ軸をとることによりＸ−Ｙ直交座標が形成される。また、２本のピン６のうち一方のピンの先端部は回転駆動部材としてのＸ軸モータ１１に連結されている。さらに、２本のピン９のうち一方のピンの先端部は他の回転駆動部材としてのＹ軸モータ１２に連結されている。Ｘ軸モータ１１とピン６との間には減速機１３が設けられる一方、Ｙ軸モータ１２とピン９との間には減速機１４が設けられている。

このような構成を有するジンバル機構において、Ｘ軸モータ１１を作動させると、枠体２全体がＸ軸を中心として回転する。これにともなってテーブル３もまたＸ軸を中心として回転する。さらに、Ｙ軸モータ１２を作動させると、テーブル３がＹ軸を中心として回転する。このとき枠体２は回転しない。このようにＸ軸モータ１１を作動させたときは枠体２及びテーブル３の全体がＸ軸を中心として回転するが、Ｙ軸モータ１２を作動させたときはテーブル３のみがＹ軸を中心として回転する。したがって、Ｘ軸モータ１１及びＹ軸モータ１２をコントローラに接続しそれぞれの回転動作を制御すれば、テーブル３を種々の方向へ傾斜運動、すなわち揺動運動させることができる。各種の用途に適用させることが可能である。
特開２００３−３４４２５４号公報

上述したように、揺動装置の例としてジンバル機構を採用し、各種の作業に適用することは可能である。しかしながら、ジンバル機構は、テーブル３及びＹ軸モータ１２を支持するのに十分な剛性を持った枠体２がテーブルの周囲を包囲するような構造で設けられているため、実際に揺動運動に使われるテーブル３に対してジンバル機構全体の占める面積が大きくなる（余分の面積が大きい）。よって、揺動運動を行わせるためには、枠体が動くためのスペース空間（３次元空間）も確保しなければならず、無駄が生じたり、或いは小さなスペースでの揺動装置の実現に困難がともなう。またジンバル機構は、図４からも明らかなように、Ｘ軸モータ１１は装置フレーム、すなわち基体に取り付けられているものの、Ｙ軸モータ１２は可動部材である枠体２に取り付けられているため、枠体２を駆動するのに大きな駆動力が必要となる。その上、枠体２を駆動して停止動作する際には、上記Ｙ軸モータ１２が質量体として作用するため、慣性力が働き、作動停止し難いという状況が生じ、これらが相俟って迅速、且つ俊敏なる駆動及び駆動停止の実現が困難であるという不具合がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、テーブルを揺動させる装置本体が軽量であり、迅速、且つ俊敏なる駆動及び駆動停止が行える揺動装置を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、テーブルの傾斜角度を大きくとることが可能な揺動装置を提供することである。

本願の請求項１記載の発明は、中心を揺動回転自在に支持され、当該回転中心を原点とし基準面に対して平行な平面上のＸ−Ｙ直交座標の２軸において回転作動を受ける板部材と、前記板部材の外側のＸ軸上に配置された第１の回転駆動部材と、前記板部材の外側のＹ軸上に、前記第１の回転駆動部材に対し直交して配置された第２の回転駆動部材と、前記第１の回転駆動部材に一端が結合され、他端が前記板部材に結合されて前記第１の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第１のアーム部材と、前記第２の回転駆動部材に一端が連結され、他端が前記板部材に連結されて前記第２の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第２のアーム部材とを備え、前記回転中心をＯ、前記第１の回転駆動部材の位置をＭ１、前記板部材と第１のアーム部材の結合点をＡとすると、Ｏ−Ｍ１とＯ−Ａは直交し、また、前記第２の回転駆動部材の位置をＭ２、前記板部材と第２のアーム部材の連結点をＢとすると、Ｏ−Ｍ２とＯ−Ｂは直交するように設定されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材は回転中心部分で支持されるため、第１及び第２のアーム部材には板部材の重量の一部しか加わらず、しかもアーム部材にはモータの重量が加わらないため、アーム部材は軽快に作動でき、迅速な運動ができる。

本願の請求項２記載の発明は、前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａ、または前記板部材と第２のアーム部材の結合点をＢのうち、一方は板部材とアーム部材が回転可能に固定結合され、他方は板部材とアーム部材が回転可能で且つ相対的に移動可能に連結されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材は回転中心部分で支持された状態で第１および第２のアーム部材を回転させることにより、これら第１及び第２のアーム部材と板部材との結合点が相対的に変位しても、この変位を吸収して板部材を円滑に揺動運動させることができる。

本願の請求項３記載の発明は、前記板部材の回転中心Ｏの位置には球体が取り付けられ、板部材が設置されるベース部には凹状球面座を有する支柱部材が立設され、前記球体が支柱部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が揺動回転自在に支持されることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材は回転中心部分に設けられた球体と凹状球面座の接合により全方位への回転が可能であるから板部材をあらゆる方向へ傾斜させるように揺動運動させることができる。

本願の請求項４記載の発明は、前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａにおいて、板部材には球体が取り付けられ、第１のアーム部材には凹状球面座を有する第１の腕木部材が立設され、前記球体が第１の腕木部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が結合点Ａにおいて回転自在に支持され、また、前記板部材と第２のアーム部材の結合点Ｂにおいて、板部材には球体が取り付けられ、第２のアーム部材には凹状球面座を有する第２の腕木部材が立設され、前記球体が第２の腕木部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が結合点Ｂにおいて回転自在に支持されることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材は回転中心部分以外の結合点においても、板部材に設けられた球体とアーム部材側に設けられた凹状球面座の接合により全方位への回転が可能となり板部材をあらゆる方向へ傾斜させるように揺動運動させることができる。

本願の請求項５記載の発明は、前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａ、または前記板部材と第２のアーム部材の結合点をＢのうち、一方は板部材とアーム部材が球体及び腕木部材を介して回転可能に固定結合され、他方は板部材の球体取り付け部に円弧状の軌道部が設けられ、この軌道部に沿って球体が移動可能に取り付けられることにより板部材とアーム部材が球体及び腕木部材を介して回転可能で且つ相対的に移動可能に連結されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材は回転中心部分で支持された状態で第１および第２のアーム部材を回転させることにより、これら第１及び第２のアーム部材と板部材との結合点が相対的に変位しても、板部材の球体取り付け部に設けられた円弧状の軌道部に一方の結合点をなす球体が移動可能に取り付けられることにより変位を吸収して板部材を円滑に揺動運動させることができる。

本願の請求項６記載の発明は、前記軌道部は回転中心を中心として円弧状に形成された溝からなり、この溝に対応するアーム部材が係合していることを特徴とするものである。

この構成によれば、板部材の球体取り付け部に設けられた円弧状の軌道部を溝とすることにより、対応する球体と板部材との結合を容易に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、中心を揺動回転自在に支持され、当該回転中心を原点とし基準面に対して平行な平面上のＸ−Ｙ直交座標の２軸において回転作動を受ける板部材と、前記板部材の外側のＸ軸上に配置された第１の回転駆動部材と、前記板部材の外側のＹ軸上に、前記第１の回転駆動部材に対し直交して配置された第２の回転駆動部材と、前記第１の回転駆動部材に一端が結合され、他端が前記板部材に結合されて前記第１の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第１のアーム部材と、前記第２の回転駆動部材に一端が連結され、他端が前記板部材に連結されて前記第２の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第２のアーム部材とを備えたため、第１及び第２のアーム部材には回転中心部分で支持される板部材の重量の一部しか加わらず、しかもアーム部材にはモータの重量が加わらないため、アーム部材は軽快に作動でき、迅速な運動ができるという効果がある。

図１乃至図３は本発明の一実施の形態を示す図である。これらの図のうち、図１は、第１及び第２のアーム部材の両方をいずれも水平位置から所定の角度だけ下方へ回転させたときの状態を斜め上方からみた斜視図である。図２はＸ軸上に配置された第１の回転駆動部材に連結された第１のアームはほぼ水平位置に固定した状態で第２のアーム部材を水平位置から所定の角度だけ下方へ回転させたときの状態をＹ軸方向の斜め上方からみた斜視図である。図３は、図１と同様の状態を斜め下方（板部材の裏側）からみた斜視図である。これらの図において、符号２１は本実施の形態に係る揺動装置が載置されるベース部を示す。ベース部２１の上には当該ベース部２１から直立する支柱部材２２と、支柱部材２２の頂部に配置された球体２５と、球体２５にほぼ中心部が結合された板部材としてのテーブル２３とが設けられている。球体２５とテーブル２３とを結合するために、球体２５には先端にネジ部を有するロッド４５が取り付けられ、このロッド４５にテーブル２３がナット２６により締結されることにより球体２５とテーブル２３とが結合される（図２及び図３参照）。支柱部材２２の頂部には凹状の球面座２４が形成されており、この凹状球面座２４に球体２５が嵌合することにより、球体２５およびテーブル２３は、球体２５を中心として支柱部材２２に対して全方位に回転運動（ユニバーサル運動）することができる。

テーブル２３を支柱部材２２上で水平になるように設定したときの当該テーブル２３の外側においては、ベース部２１の上に支持部材２７が立設され、この支持部材２７には第１の回転駆動部材としての第１モータ２８が、テーブル２５の方へ出力軸３０を向けた状態で固定取り付けされている。第１モータ２８の出力側には第１モータ２８の回転を低減させるための減速機２９が設けられている。
他方、テーブル２３の回転中心（球体２５の中心に相当する）からみて、第１モータ２８の配置位置とは直角の方向の位置には第２モータ３２が配置されている。この第２モータ３２を配置するために、ベース部２１の上に支持部材３１が立設され、この支持部材３１には第２の回転駆動部材としての第２モータ３２が、テーブル２５の方へ出力軸３４を向けた状態で固定取り付けされている。第２モータ３２の出力側には第２モータ３２の回転を低減させるための減速機３３が設けられている。

上述のような、テーブル２３、第１モータ２８、第２モータ３２の配置関係により、第１モータ２８の出力軸はテーブル２３の回転中心に向かって延び、第２モータ３２の出力軸は、第１モータ２８の位置とは直角方向の位置からテーブル２３の回転中心に向かって延びている。したがってこの実施の形態においては、第１モータ２８の出力軸の延びる方向をＸ軸、第２モータ３２の出力軸の延びる方向をＹ軸とすると、テーブル２３の回転中心を通りベース部２１に平行な面上にＸ−Ｙ直交座標が設定される。そして、テーブル２３の回転中心に相当する球体２５の中心をこのＸ−Ｙ直交座標の原点Ｏとする。この位置は支柱部材２２とテーブル２３の結合点でもある。また上述のテーブル２３、第１モータ２８、第２モータ３２の配置関係において、第１モータ２８の配置位置をＭ１、第２モータ３２の配置位置をＭ２とする。

さらに、第１モータの出力軸には第１のアーム部材３５が固定取り付けされている。この第１のアーム部材３５は第１モータ２８の出力軸先端からさらに先方へ湾曲して延びており、その先端部には腕木３６が取り付けられている。第１のアーム部材３５上における腕木３６の取り付け位置は、第１のアーム３５を水平位置に定置したとき当該第１のアーム部材３５がＹ軸と交差する位置である（概略位置関係は図２に現れている）。そして、この条件を満足すれば、第１のアーム部材３５の構造は湾曲構造でなくてもよく、カギ形構造や直線構造（Ｘ軸に対して開脚構造をなす）であってもよい。同様に、第２モータの出力軸には第２のアーム部材３９が固定取り付けされている。この第２のアーム部材３９は第２モータ３２の出力軸先端からさらに先方へ湾曲して延びており、その先端部には腕木４０が取り付けられている。第２のアーム部材３９上における腕木４０の取り付け位置は、第２のアーム３９を水平位置に定置したとき当該第２のアーム部材３９がＸ軸と交差する位置である。そして、この条件を満足すれば、第２のアーム部材３９の構造は湾曲構造でなくてもよく、カギ形構造や直線構造（Ｙ軸に対して開脚構造をなす）であってもよい。

第１のアーム部材３５側において、腕木３６の頂部には凹状の球面座３７が形成されており、この凹状球面座３７には球体３８が嵌合し、この球体３８はさらにテーブル２３に結合されている。球体３８とテーブル２３とを結合するために、球体３８には先端にネジ部を有するロッド４６が取り付けられ、このロッド４６にテーブル２３がナット５４により締結されることにより球体３８とテーブル２３とが結合される（図２及び図３参照）。腕木３６に設けられた凹状の球面座３７に球体３８が嵌合することにより、第１のアーム部材３８とテーブル２３の結合部分においても、テーブル２３は、球体３８を中心として腕木３６に対して全方位に回転運動（ユニバーサル運動）することができる。この実施の形態において球体３８の中心を第１のアーム部材３５とテーブル２３の結合点Ａとする。

第２のアーム部材３９側において、腕木４０の頂部には凹状の球面座４１が形成されており、この凹状球面座４１には球体４２が嵌合し、この球体４２はさらにテーブル２３に連結されている。球体４２とテーブル２３とを結合するために、球体４２には先端にネジ部を有するロッド４７が取り付けられ、このロッド４７にテーブル２３がナット４４により締結されることにより球体４２とテーブル２３とが連結される（図２及び図３参照）。球体４２とテーブル２３との連結部分において、テーブル２３にはロッド４７を収容する軌道部としての溝４３が形成され、この溝４３にロッド４７を通してナット４４が締結される。溝４３は回転中心を中心とする円弧状に延びている。上記腕木４０に設けられた凹状の球面座４１に球体４２が嵌合することにより、第２のアーム部材３９とテーブル２３の連結部分においても、テーブル２３は、球体４２を中心として腕木４０に対して全方位に回転運動（ユニバーサル運動）することができる。この実施の形態において球体４２の中心を第２のアーム部材３９とテーブル２３の結合点Ｂとする。

以上の構成により、テーブル２３は回転中心Ｏにおいて支柱部材２２に結合され、結合点Ａにおいて第１のアーム部材３５に結合され、結合点Ｂにおいて第２のアーム部材３９に連結されている形の３点支持構造となっている。そして、回転中心Ｏは移動しないが、結合点Ａ、Ｂはそれぞれ第１及び第２のアーム部材３５，３９の回転により移動可能である。しかも、回転中心Ｏ、第１モータ２８の配置位置Ｍ１、第２モータ３２の配置位置Ｍ２、および結合点Ａ、Ｂの位置関係が上述のようになっているため、Ｏ−Ｍ１とＯ−Ａは直交し、また、Ｏ−Ｍ２とＯ−Ｂは直交することになる。

さらに本実施の形態に係る揺動装置には、第１モータ２８及び第２モータ３２に電力を供給する電源部材５５と、コントロールレバー４９、５０を有し第１モータ２８及び第２モータ３２の動作を制御するコントロ４８とを備えている。電源部材５５には例えばバッテリーが用いられる。この電源部材５５とコントローラ４８は配線５１により接続され、コントローラ４８と第１モータは配線５２により接続され、コントローラ４８と第２モータ３２は配線５３により接続されている。コントローラ４８に取り付けられたコントロールレバー４９は例えば第１モータ２８の動作を制御するために用いられ、コントロールレバー５０は例えば第２モータ３２の動作を制御するために用いられる。

かかる構成において、電源部材５５がオンの状態で、コントロールレバー４９、５０を操作して第１モータ２８および第２モータ３２を回転動作させると、各モータ２８，３２はそれぞれＸ軸（第１モータ２８の場合）、Ｙ軸（第２モータ３２の場合）を回転軸として概略的にＸ−Ｙ平面座標に対して−１８０度から＋１８０度まで回転動作する（実際には支柱部材２２や球体２５，３８，４２の存在により１８０度までは回転できない）。これにより第１のアーム部材３５及び第２のアーム部材３９が回転して球体３８、４２で規定される結合点Ａ、Ｂが円周運動、すなわち、回転中心Ｏに対して公転運動をするため、テーブル２３は回転中心Ｏに対して全方位に回転運動（ユニバーサル運動）することができる。この運動の間中心点Ｏは不動である。上述の動作の間において、第１のアーム部材３５及び第２のアーム部材３９が回転して球体３８、４２が各種公転運動をする際、当該球体３８、４２は相対的に近接したり離間したりする。この近接、離間運動は、球体４２とテーブル２３が軌道部材である溝４３を介して連結されており、球体４２がテーブル２３に対しては溝４３に沿って相対的に移動することにより吸収される。

これにより、本実施の形態に係る揺動装置では、テーブル２３をあらゆる傾斜面の方向をとらせることができる。また、上述の動作を行うに当たり、テーブル２３は回転中心Ｏ部分で支柱部材２２により支持されるため、第１及び第２のアーム部材３５、３９にはテーブル２３の重量の一部しか加わらず、しかもアーム部材３５、３９にはモータの重量が加わらないため、これらのアーム部材３５、３９は軽快に作動でき、迅速な運動ができる。

なお、本実施の形態においては、回転中心Ｏは、回転自在であるが不動の（移動しない）構造としているが、支柱部材に上下運動を実現する昇降部材を組み込むことによりＺ軸方向に移動可能とすることも可能である。

本発明による揺動装置によれば、揺動運動のための可動部材であるアーム部材にテーブルや駆動機構の重量が加わらず、しかもテーブルの周囲に大掛かりな構造物を配置することなくテーブルを揺動させることができるため、テーブルの傾斜角度を大きくとることが可能であり、また、アーム部材は軽快に作動でき、迅速な運動ができる。この機構は、磨耗試験機やその他テーブルを揺動させる必要がある各種装置や設備において、大きな傾斜を実現した場面で適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る揺動装置の第１及び第２のアーム部材の両方をいずれも水平位置から所定の角度だけ下方へ回転させたときの状態を斜め上方からみた斜視図である。本発明の一実施の形態に係る揺動装置のＸ軸上に配置された第１の回転駆動部材に連結された第１のアームはほぼ水平位置に固定した状態で第２のアーム部材を水平位置から所定の角度だけ下方へ回転させたときの状態をＹ軸方向の斜め上方からみた斜視図である。本発明の一実施の形態において、図１と同様の状態を斜め下方（板部材の裏側）からみた斜視図である。従来の揺動装置の一例を示す平面図である。

２１ベース部
２２支柱部材
２３テーブル
２４
２５、３８、４２球体（結合点Ｏ、Ａ、Ｂ）
２８第１モータ（第１の回転駆動部材）
３０出力軸
３２第２モータ（第１の回転駆動部材）
３５第１のアーム部材
３９第２のアーム部材
４８コントローラ
５５電源部材

Claims

中心を揺動回転自在に支持され、当該回転中心を原点とし基準面に対して平行な平面上のＸ−Ｙ直交座標の２軸において回転作動を受ける板部材と、
前記板部材の外側のＸ軸上に配置された第１の回転駆動部材と、
前記板部材の外側のＹ軸上に、前記第１の回転駆動部材に対し直交して配置された第２の回転駆動部材と、
前記第１の回転駆動部材に一端が結合され、他端が前記板部材に結合されて前記第１の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第１のアーム部材と、
前記第２の回転駆動部材に一端が連結され、他端が前記板部材に連結されて前記第２の回転駆動部材の回転動作を板部材に伝達する第２のアーム部材とを備え、
前記回転中心をＯ、前記第１の回転駆動部材の位置をＭ１、前記板部材と第１のアーム部材の結合点をＡとすると、Ｏ−Ｍ１とＯ−Ａは直交し、また、
前記第２の回転駆動部材の位置をＭ２、前記板部材と第２のアーム部材の連結点をＢとすると、Ｏ−Ｍ２とＯ−Ｂは直交するように設定されていることを特徴とする揺動装置。
前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａ、または前記板部材と第２のアーム部材の結合点をＢのうち、一方は板部材とアーム部材が回転可能に固定結合され、他方は板部材とアーム部材が回転可能で且つ相対的に移動可能に連結されていることを特徴とする請求項１記載の揺動装置。
前記板部材の回転中心Ｏの位置には球体が取り付けられ、板部材が設置されるベース部には凹状球面座を有する支柱部材が立設され、前記球体が支柱部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が揺動回転自在に支持されることを特徴とする請求項２記載の揺動装置。
前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａにおいて、板部材には球体が取り付けられ、第１のアーム部材には凹状球面座を有する第１の腕木部材が立設され、前記球体が第１の腕木部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が結合点Ａにおいて回転自在に支持され、また、前記板部材と第２のアーム部材の結合点Ｂにおいて、板部材には球体が取り付けられ、第２のアーム部材には凹状球面座を有する第２の腕木部材が立設され、前記球体が第２の腕木部材の凹状球面座に嵌合することにより板部材が結合点Ｂにおいて回転自在に支持されることを特徴とする請求項３記載の揺動装置。
前記板部材と第１のアーム部材の結合点Ａ、または前記板部材と第２のアーム部材の結合点をＢのうち、一方は板部材とアーム部材が球体及び腕木部材を介して回転可能に固定結合され、他方は板部材の球体取り付け部に円弧状の軌道部が設けられ、この軌道部に沿って球体が移動可能に取り付けられることにより板部材とアーム部材が球体及び腕木部材を介して回転可能で且つ相対的に移動可能に連結されていることを特徴とする請求項４記載の揺動装置。
前記軌道部は回転中心を中心として円弧状に形成された溝からなり、この溝に対応するアーム部材が係合していることを特徴とする請求項５記載の揺動装置。