JP7343892B2

JP7343892B2 - 加工機構

Info

Publication number: JP7343892B2
Application number: JP2019107548A
Authority: JP
Inventors: 淳史田中
Original assignee: Ａｃｓ株式会社
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2023-09-13
Anticipated expiration: 2039-06-10
Also published as: JP2020199576A

Description

本発明は、加工ツールを取り付けたヘッドを移動させて材料に対して所定の加工を施す加工機構に関するものである。

例えばインクジェット等の描画ツール、レーザー射出器や切断刃等の切断ツールのような加工ツールを取り付け可能であって、この加工ツールを取り付けたヘッドを移動させることによって、材料に対して所定の加工を施すことが可能な加工機構が知られている。このような加工機構として本件出願人は、特許文献１に示される装置を提案している。この装置は、加工ツールとしての切断刃を使用して材料に対して所定の切断加工を施すものである。この装置では、切断刃を傾倒させるための傾倒駆動機構をヘッドに設けていて、材料に対して切断刃を傾倒させた状態でヘッドを移動させることによって、材料を斜めに切断することが可能である。

特開２０１４－２３７２１５号公報

ところで上記の傾倒駆動機構は、ヘッド本体に対して切断刃を取り付ける装着部が揺動軸を介して回動可能に支持されていて、この揺動軸をモータ等で回動させることによって、切断刃を傾倒させるものである。すなわち切断刃が傾倒できる向きは、揺動軸で回動可能な方向に限られているため、切断可能な形状には制限がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであって、例えば切断刃のような加工ツールをより自由な向きに傾倒させることができ、これによって材料に多様な加工を施すことが可能な加工機構を提供することを目的とする。

本発明の加工機構は、本体と、材料に加工を施す加工ツールが取り付けられる装着部を備えるヘッドと、を含んで構成され、前記ヘッドは、前記本体に対し、前記材料に接近、離反する向きに延在する第１軸に沿って移動可能に支持されるとともに、該第１軸に対して交差する向きに延在する第２軸回りに回動可能であって、且つ該第１軸と該第２軸のそれぞれに対して交差する第３軸回りに回動可能である支持部と、前記支持部を基準として前記装着部の逆側に位置する球状のジョイント部と、を備え、前記本体は、前記第１軸に沿って延在する複数の軌道部と、前記軌道部の各々に案内されて移動する複数のスライド部と、一端部が前記スライド部の各々に連結する複数のロッドと、内周面が凹球状の受け部を有し、前記ロッドの各々の他端部に連結するとともに該受け部が前記ジョイント部に連結し、前記スライド部の移動に応じて前記第１軸に直交する所定の基準面に沿って移動して前記ヘッドの姿勢を変更する移動体と、を備える。

このような加工機構においては、前記支持部は、前記軌道部に支持されることが好ましい。

またこのような加工機構において、前記ヘッドは、前記加工ツールを前記第１軸回りに回動可能な回動駆動部を備えることが好ましい。

また、前記支持部と前記ジョイント部との距離を変更可能に構成することが好ましい。

そして前記本体は、前記軌道部を３つ備えるとともに、これらの軌道部を前記基準面に向かって正対視した際に略正三角形を構成する位置に配置することが好ましい。

なお、本明細書等において材料に加工を施すとは、切断刃のように材料を除去する加工に限られず、例えば３次元プリンタのように、元の材料に対して新たな材料を積層する加工も含む。

本発明の加工機構によれば、本体に設けた複数のスライド部の移動量に応じて、移動体を所定の基準面に沿って任意の位置に移動させることができる。ここでヘッドは、材料に加工を施す加工ツールが取り付けられる装着部を備えるとともに支持部によって本体部に支持されるものであって、また支持部を基準として装着部の逆側には、移動体に連結するジョイント部を備えている。また支持部は、第２軸と第３軸回りに回動可能である。従って移動体とともにジョイント部が移動すると、それに伴い、ヘッドとともに加工ツールを第１軸に対して任意の向きに傾倒させることができる。また支持部は本体に対して第１軸に沿って移動可能に支持されているため、スライド部の移動に伴って、ヘッドとともに加工ツールを、材料に接近、離反する向きにも移動させることができる。このように本発明の加工機構によれば、ヘッドとともに加工ツールを、材料に接近、離反する向きに移動させることも、任意の向きに傾倒させることも可能であるため、材料に多様な加工を施すことができる。

ここで、支持部を本体に支持させるにあたっては、スライド部を案内する軌道部とは別異に軌道部を設けてもよいが、スライド部の軌道部と兼用することによって、構成の簡素化とコストの削減を図ることができる。

またヘッドに、加工ツールを第１軸回りに回動させることが可能な回動駆動部を設ける場合は、加工ツールの回転の自由度が３となって、加工ツールを何れの向きにも指向させることができるため、更に多様な加工を材料に施すことができる。

そして、支持部とジョイント部との距離を変更可能に構成する場合は、移動体の移動量は変わらなくてもヘッドの傾倒角度を変えることができる。このため、例えば移動体の移動量に制限がある場合でもヘッドを大きく傾倒させることが可能となる。

本発明に従う加工機構の一実施形態である切断機構を模式的に示した斜視図である。図１に示した切断機構の平面図である。図１に示した切断機構における移動体の断面図である。図１に示した切断機構における移動体の位置とヘッドの傾きを示した説明図である。図１に示した切断機構で材料を切断するにあたり、切断可能な形状の一例を示した図である。

以下、本発明に従う加工機構の一実施形態である切断機構について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に従う切断機構の一実施形態を模式的に示した図である。本実施形態の切断機構１は、切断刃Ｓが装着されるヘッド２と、ヘッド２を移動可能な本体３で構成されていて、本体３に対してヘッド２を移動させることによって、切断刃Ｓで材料Ｗを切断するものである。本実施形態では、材料ＷはＸＹＺ直交座標系におけるＸＹ平面に平行な面上に載置されているものとする。またヘッド２は、Ｚ軸に対して平行に指向しているものとする。ここで図示したＸＹＺ直交座標系は、ＸＹ平面は水平方向を指向し、Ｚ軸は垂直方向を指向しているものとする。なお、本明細書等における第１軸、第２軸、第３軸とは、それぞれ本実施形態におけるＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に対応する。

まず切断刃Ｓについて説明する。本実施形態の切断刃Ｓは、上端部がヘッド２に取り外し可能に保持されるものであって、下端部（切先Ｓ１）に向かって比較的長く延在するとともに、平坦な延在面Ｓ２を有して平刃状になるものである。延在面Ｓ２における両側の側縁部には、材料Ｗを切断するための刃先Ｓ３が設けられている。

ヘッド２は、全体的に長軸状に形成されるものであって、その下端部には、切断刃Ｓの上端部が取り付けられる装着部１０が設けられている。装着部１０は、切断刃Ｓを一旦取り付けるとこれを装着部１０に対して一体的に保持する一方、解除の操作を行うことによって、切断刃Ｓを取り外すことができるよう構成されている。装着部１０は、種々の構成が採用可能であって、一般にメカニカルチャックと称される機械的な力を利用するものでもよいし、マグネットチャックと称される磁気を利用するものでもよい。

またヘッド２の内部には、ヘッド２をＺ軸に対して平行に指向させた状態において、装着部１０をＺ軸回りに回動させることが可能な回動駆動部１１が設けられている。これにより装着部１０に取り付けられた切断刃Ｓを、Ｚ軸回りに回動させることができる。回動駆動部１１は、例えばサーボモータを含んで構成されるものであって、サーボモータに与えられる指令に応じて切断刃ＳをＺ軸回りの任意の角度に動かすことができる。

ヘッド２の長手方向中間部には、円板状に形成されたフランジ１２が設けられていて、フランジ１２の径方向外側には、本体３に対してヘッド２を支持する支持部１３が設けられている。図２に示すように本実施形態の支持部１３は、フランジ１２の径方向外側に隣接して設けられる円環状の内側支持部１４と、内側支持部１４の径方向外側に隣接して設けられる円環状の外側支持部１５を備えている。またフランジ１２と内側支持部１４は、内側支持部１４に対してフランジ１２をＸ軸回りに回動させることが可能なＸ軸回転部１６を介して連結している。そして内側支持部１４と外側支持部１５は、外側支持部１５に対して内側支持部１４をＹ軸回りに回動させることが可能なＹ軸回転部１７を介して連結している。これにより、外側支持部１５に対してヘッド２を、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して任意の向きに傾倒させることができる。

そして、図３に示すようにヘッド２の上端部には、円柱状に設けられた部位を介して連結するジョイント部１８が設けられている。本実施形態のジョイント部１８は、球状に形成されている。

次に本体３について説明する。本体３は、Ｚ軸に沿って延在する基部１９を備えている。図２に示すように本実施形態の基部１９は、平面視において略正三角形の頂点に配置される位置関係で合計３つ設けられている。

基部１９において、略正三角形に配置された際の内面には、Ｚ軸に沿って延在する軌道部２０と、軌道部２０に案内されてＺ軸方向に移動するスライド部（第１スライド部２１）が設けられている。本実施形態では、図１に示したように、それぞれの基部１９に対して２本の軌道部２０を平行に配置し、これらの軌道部２０に跨がるようにして第１スライド部２１を設けているが、軌道部２０及び第１スライド部２１の構成はこれに限定されるものではない。なお図示は省略するが、第１スライド部２１には、例えばサーボモータとボールねじとを組み合わせた駆動機構が接続されていて、サーボモータに与えられる指令に応じて第１スライド部２１をＺ軸方向の任意の位置に移動させることが可能である。

またそれぞれの軌道部２０には、第１スライド部２１とは別異に設けられるスライド部（第２スライド部２２）を備えている。各第２スライド部２２は、図２に示すように外側支持部１５に連結していて、外側支持部１５は、第２スライド部２２とともにＺ軸方向に沿って移動する。なお第２スライド部２２には、第１スライド部２１が備える駆動機構は設けられていない。

第１スライド部２１には、図１に示すようにロッド２３が取り付けられる。本実施形態では、１つの第１スライド部２１に対して平行に並ぶ２本のロッド２３が設けられている。なお各ロッド２３の一端部と他端部には、自在継手２４が設けられていて、第１スライド部２１とロッド２３は、自在継手２４を介して連結している。

そしてロッド２３の他端部に設けられた自在継手２４には、ＸＹ平面に沿って延在する平板状の移動体２５が連結している。図示したように本実施形態の移動体２５は、合計３つの第１スライド部２１に対して合計６本のロッド２３で連結している。また図３に示すように移動体２５の中央部には、内周面がジョイント部１８に対応する凹球状であって、ジョイント部１８を回転可能に保持する受け部２６が設けられている。本実施形態の受け部２６は、球状をなすジョイント部１８の中心部付近に位置していて、ジョイント部１８を上下方向に抜け出し不能に保持している。

このような構成になる本体３によれば、移動体２５をＸＹ平面に沿う面内の任意の位置に移動させることができる。図４（ａ）に示すように、例えば１つの第１スライド部２１（図４（ａ）における左側に位置する第１スライド部２１）をＺ軸方向の上方に移動させる一方、他の１つの第１スライド部２１（図４（ａ）における右側に位置する第１スライド部２１）をＺ軸方向の下方に移動させることによって、移動体２５を、図４（ａ）における左側の第１スライド部２１に近づくように、ＸＹ平面に沿って移動させることができる。また図４（ｂ）に示すように第１スライド部２１を、図４（ａ）で示した状態に対して逆側に大きく移動させれば、移動体２５もＸＹ平面に沿って逆側に大きく移動させることができる。このように、３つの第１スライド部２１の移動量を個別に変えることによって、移動体２５は、ＸＹ平面に沿う面内の任意の位置に移動する。

このようにして移動体２５を移動させる際、移動体２５の受け部２６にはヘッド２のジョイント部１８が保持されていて、またヘッド２は、外側支持部１５に対してＸ軸及びＹ軸の両方に対して傾倒させることができるため、移動体２５が移動する位置に応じてヘッド２を任意の向きに傾倒させることができる。

また、３つの第１スライド部２１をＺ軸方向に一緒に移動させれば、図４（ａ）や図４（ｃ）に示すように、移動体２５をＺ軸方向に上昇させたり、下降させたりすることができる。

ここでジョイント部１８は、受け部２６に対して抜け出し不能に取り付けられているため、移動体２５がＺ軸方向に上昇、下降するのに合わせて、ヘッド２も上昇、下降させることができる。

このように本実施形態の切断機構１によれば、本体３に対してヘッド２を、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して傾倒させることができるため、ヘッド２に取り付けた切断刃Ｓも、同様に傾倒させることができる。また回動駆動部１１によって、切断刃ＳをＺ軸回りの任意の角度に動かすことができる。従って切断刃Ｓを、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に対して何れの向きにも指向させることができる。また切断機構１は、ヘッド２を、Ｚ軸方向の任意の位置に上昇、下降させることもできるため、切断刃Ｓを材料Ｗに向けて接近、離反させることができる。このように本発明の切断機構によれば、切断刃Ｓを、材料Ｗに接近、離反する向きに移動させることも、任意の向きに傾倒させることも可能であるため、例えば図５に示すように、水平面に載置された材料Ｗに対し、Ｚ軸方向に対して傾くような中心軸を持つ円形の穴をあける加工も可能である。

以上、本発明の切断機構について具体的な実施形態を示して説明したが、本発明はこれまでに述べた実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に従う範疇で種々の変更を加えたものも含まれる。例えば本体３の基部１９、軌道部２０、第１スライド部２１は、平面視において略正三角形の頂点に配置される位置関係で合計３つ設けていたが、正三角形以外の配置を採用してもよい。またこれらの数は３つに限られず、複数であればよい。また第２スライド部２２は、第１スライド部２１と同じ軌道部２０に沿って移動するものであったが、軌道部２０とは異なる軌道部で案内させてもよい。

また本実施形態では、図１に示すように移動体２５よりも第１スライド部２１を上方に位置させ、ロッド２３は、第１スライド部２１から移動体２５に向かって斜め下向きに指向していたが、移動体２５よりも第１スライド部２１を下方に位置させ、ロッド２３を、第１スライド部２１から移動体２５に向かって斜め上向きに指向させてもよい。

またフランジ１２を、ヘッド２に対してその軸線に沿って移動可能とし、フランジ１２とジョイント部１８との距離を変えることができるように構成してもよい。これにより、移動体２５の移動量は変わらなくてもヘッド２の傾倒角度を変えることができる。従って、例えば移動体２５の移動量に制限がある場合でも、ヘッド２を大きく傾倒させることが可能となるため、材料Ｗに対する加工可能な範囲を広げることができる。

また受け部２６は、球状をなすジョイント部１８の中心部付近に位置していて、ジョイント部１８を上下方向に抜け出し不能に保持するものであったが、ジョイント部１８の中心部よりも上方に位置させるようにしてもよい。なおこの場合は、例えば支持部１３を上方に向けて付勢する弾性体を設けておくこととする。すなわちこの構成では、本体３に対して支持部１３が移動体２５を上方に移動させても、受け部２６でジョイント部１８を引き上げることはできないものの、支持部１３を上方に向けて付勢する弾性体によって、受け部２６とジョイント部１８は上下方向に一体的に移動する。よってこの構成でも、切断刃Ｓを、材料Ｗに接近、離反する向きに移動させることも、任意の向きに傾倒させることも可能である。

また上述した実施形態では、加工ツールとして切断刃Ｓを取り付けて材料を切断できるように構成していたが、切断刃Ｓに替えてレーザー射出器を設け、レーザーによって材料に加工を施すようにしてもよい。また加工ツールは材料を切断するものに限られず、インクジェットや筆記用具（筆やペン等）のような描画ツールを取り付けるよう構成し、材料に所定の描画を施すようにしてもよい。また段ボール等に罫線を設けるための罫線ツールが取り付けられるように構成してもよい。更に、元の材料に新たな材料を積層する３次元プリンタのような積層ツールを取り付けるよう構成してもよい。

１：切断機構（加工機構）
２：ヘッド
３：本体
１０：装着部
１１：回動駆動部
１２：フランジ
１３：支持部
１４：内側支持部
１５：外側支持部
１６：Ｘ軸回転部
１７：Ｙ軸回転部
１８：ジョイント部
１９：基部
２０：軌道部
２１：第１スライド部（スライド部）
２２：第２スライド部
２３：ロッド
２４：自在継手
２５：移動体
２６：受け部
Ｓ：切断刃（加工ツール）
Ｓ１：切先
Ｓ２：延在面
Ｓ３：刃先
Ｗ：材料

Claims

本体と、
材料に加工を施す加工ツールが取り付けられる装着部を備えるヘッドと、を含んで構成され、
前記ヘッドは、
前記本体に対し、前記材料に接近、離反する向きに延在する第１軸に沿って移動可能に支持されるとともに、該第１軸に対して交差する向きに延在する第２軸回りに回動可能であって、且つ該第１軸と該第２軸のそれぞれに対して交差する第３軸回りに回動可能である支持部と、
前記支持部を基準として前記装着部の逆側に位置する球状のジョイント部と、を備え、
前記本体は、
前記第１軸に沿って延在する複数の軌道部と、
前記軌道部の各々に案内されて移動する複数のスライド部と、
一端部が前記スライド部の各々に連結する複数のロッドと、
内周面が凹球状の受け部を有し、前記ロッドの各々の他端部に連結するとともに該受け部が前記ジョイント部に連結し、前記スライド部の移動に応じて前記第１軸に直交する所定の基準面に沿って移動して前記ヘッドの姿勢を変更する移動体と、を備える加工機構。
前記支持部は、前記軌道部に支持される請求項１に記載の加工機構。
前記ヘッドは、前記加工ツールを前記第１軸回りに回動可能な回動駆動部を備える請求項１又は２に記載の加工機構。
前記支持部と前記ジョイント部との距離を変更可能に構成してなる請求項１～３の何れか一項に記載の加工機構。
前記本体は、前記軌道部を３つ備えるとともに、これらの軌道部を前記基準面に向かって正対視した際に略正三角形を構成する位置に配置してなる請求項１～４の何れか一項に記載の加工機構。