回転運動変換装置
【課題】負荷に応じて減速比が変化する回転運動変換装置を提供する。
【解決手段】回転運動変換装置を用いた把持装置１００は、ネジ山を有する主軸１３０と、主軸１３０を支持する軸受であって、主軸１３０と接する面にネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受１５０と、を備えている。そして、軸受１５０は、主軸１３０の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、主軸１３０を回転させたときに主軸１３０の軸方向に直動する。
【解決手段】回転運動変換装置を用いた把持装置１００は、ネジ山を有する主軸１３０と、主軸１３０を支持する軸受であって、主軸１３０と接する面にネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受１５０と、を備えている。そして、軸受１５０は、主軸１３０の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、主軸１３０を回転させたときに主軸１３０の軸方向に直動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転運動変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの機械は、モータ等の回転運動を直線運動に変換する回転運動変換装置を備えている。一般に、モータは高速回転しているため、モータの回転運動を効果的に直線運動に変換するためには、適切な減速比の減速機を使用する必要がある。特許文献１には、減速比が一定の減速機を使用したロボットハンドが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のロボットハンドで物を把持する場合、必要とする力が大きいほど大きな減速比の減速機を使用する必要がある。しかしながら、減速比において、力と速度はトレードオフの関係にあるため、減速比を大きくして高負荷に対応しようとすると、指に負荷がかかっていない状態（例えば、把持対象まで指を動かしている状態）までも指の動きが遅くなるという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、負荷に応じて減速比が変化する回転運動変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の回転運動変換装置は、
ネジ山を有する主軸と、
該主軸を支持する軸受であって、前記主軸と接する面に前記ネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、該内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受と、を備え、
前記軸受は、前記主軸の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、前記主軸を回転させたときに前記主軸の軸方向に直動する、
ことを特徴とする。
【０００７】
傾斜角度を変化可能に、前記軸受を傾斜させる軸受傾斜機構、を備えていてもよい。
【０００８】
前記主軸と交差する交差方向を軸に前記軸受を回転可能に支持する軸受支持体、を備え、
前記軸受傾斜機構は、前記軸受と前記軸受支持体との間に配置される弾性体、を有し、
前記軸受は、前記軸受支持体または前記主軸に加わる軸方向の力によって、前記弾性体の弾性力に抗して前記交差方向を軸に回転してもよい。
【０００９】
前記弾性体はバネであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、負荷に応じて減速比が変化する回転運動変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る把持装置の構成を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の側面図、（Ｂ）は把持装置の断面図、（Ｃ）は把持装置が備える移動体を主軸方向から見た図である。
【図２】図１に示す把持装置が備える軸受の構成を説明するための図であり、（Ａ）は内輪のネジ溝と主軸のネジ山との関係を説明するための図、（Ｂ）は軸受の斜視図、（Ｃ）は軸受の断面図である。
【図３】移動体に負荷がかかっていない状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図４】移動体に負荷がかかった状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図５】移動体に大きな負荷がかかった状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図６】軸受が一定量以上回転しないように筐体部にストッパを設けた様子を示す図であり、（Ａ）は主軸に小さな負荷がかかったときの軸受の断面図であり、（Ｂ）は主軸に大きな負荷がかかったときの軸受の断面図である。
【図７】回転運動変換装置を用いたクレーン装置を説明するための図である。
【図８】実施例で使用した斜旋回送りネジを示す図である。
【図９】斜旋回送りネジを実装したロボットグリッパを示す図である。
【図１０】適切なストッパ位置を検証するための実験環境を示す図である。
【図１１】適切なストッパ位置の検証結果を示す図である。
【図１２】負荷と減速比の関係を検証するための実験環境を示す図である。
【図１３】負荷と減速比の関係を示す図である。
【図１４】モータに印加する電流と出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態にかかる回転運動変換装置を用いた把持装置について、図面を参照しながら説明する。
把持装置１００は、強い力で把持対象を把持するための装置であり、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、基体１１０と、モータ１２０と、主軸１３０と、移動体１４０と、軸受１５０と、から構成される。
【００１３】
基体１１０は、鉄等の重く頑丈な素材から構成され、モータ１２０、主軸１３０等の各種部品が設置されている。また、基体１１０は、主軸１３０の軸方向（以下、「主軸方向」という。）に平面を向けた平板状の把持部１１１を有している。把持部１１１は、後述の移動体１４０と共に把持対象を把持する。
【００１４】
モータ１２０は、回転軸１２１を有する電気モータから構成される。回転軸１２１は、図１（Ｂ）に示すように、主軸１３０の一端に固定されている。
【００１５】
主軸１３０は、金属製の棒状体から構成され、その表面には螺旋状のネジ山が形成されている。主軸１３０の両端は基体１１０に回転可能に固定されており、主軸１３０は、モータ１２０によって自在に回転するようになっている。なお、主軸１３０のネジ山のピッチは、図２（Ａ）に示すように、内輪１５１のネジ溝のピッチＰと同じピッチとなっている。また、主軸１３０のネジ山の直径ｒは、内輪１５１のネジ溝の直径Ｒ１より小さく、内輪１５１のネジ山の直径Ｒ２より大きくなっている。
【００１６】
移動体１４０は、鉄等の頑丈な素材から構成され、図１（Ｂ）に示すように、平板状の把持部１４１と、円柱状の穴が開いた筐体部１４２と、から構成される。なお、筐体部１４２の底面および両側面は、図１（Ｃ）に示すように、油膜を介して基体１１０に接触している。そのため、移動体１４０は、把持部１４１に大きな負荷が加わったとしても、直立姿勢を維持したまま前進できるようになっている。
【００１７】
軸受１５０は、主軸１３０を支持する玉軸受であり、内輪１５１と、球体１５２と、外輪１５３と、横軸１５４と、弾性体１５５と、から構成される。軸受１５０は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、筐体部１４２の円柱状の穴の内部に設置されている。
【００１８】
内輪１５１は、円筒体から構成され、その内周面には、図２（Ａ）に示すように、主軸１３０のネジ山の直径より若干大きい直径のネジ溝が形成されている。内輪１５１は、ネジ山とネジ溝との摩擦によって、主軸１３０と共に回転するようになっている。なお、内輪１５１は、図１（Ｂ）に示すように、主軸方向から若干傾いた状態で設置されている。内輪１５１のネジ溝の中心軸は、移動体１４０に対象物から力が加わっていない状態で、例えば、主軸方向に対して１°〜３０°程度の傾斜角度で傾いている。
【００１９】
球体１５２は、内輪１５１と外輪１５３との間に配置される金属製の玉であり、内輪１５１が回転することに伴う、内輪１５１と外輪１５３との間で発生する摩擦を低減させている。
【００２０】
外輪１５３は、内輪１５１より一回り大きい円筒体から構成され、球体１５２を介して内輪１５１を回転可能に支持している。外輪１５３は、図１（Ｃ）に示すように、横軸１５４を介して、移動体１４０に固定されている。
【００２１】
横軸１５４は、軸受１５０を支持する２本の軸から構成され、主軸１３０と直交する方向（以下、「横軸方向」という。）にそれぞれ設置されている。軸受１５０は、横軸１５４を中心に回転することによって、主軸１３０に対する傾斜角度を変更できるようになっている。
【００２２】
弾性体１５５は、一定のばね定数を有するバネから構成され、図２（Ｂ）に示すように、主軸方向および横軸方向の双方と直交する方向（以下、「縦軸方向」という。）に設置されている。また、弾性体１５５は、図２（Ｃ）に示すように、横軸１５４から主軸方向に若干偏った位置に設置されており、その弾性力によって軸受１５０を傾斜させている。
【００２３】
次に、このような構成を有する把持装置１００の動作について説明する。
【００２４】
軸受１５０は、図３（Ａ）に示すように、若干傾いた状態で主軸１３０と接している。そのため、主軸１３０のネジ山と内輪１５１のネジ溝とは、図３（Ｂ）に示す（ａ）と（ｂ）の部分において、深く噛み合っている。この状態は、言い換えると、小さな直径の主軸１３０と、大きな内径の内輪１５１とが、図３（Ｂ）に示す（ｃ）のように、偏心して接している状態ということができる。
【００２５】
主軸１３０を回転させると、内輪１５１は主軸１３０とともに回転するが、上述したように、内輪１５１の内径は主軸１３０の直径より大きいため、主軸１３０が一回転したからといって、内輪１５１は一回転しない。内輪１５１は、図３（Ｂ）に示す（ｄ）のように、主軸１３０が一回転したときに、３６０°−θ１だけ回転する。これは、内輪１５１を回転しないように固定して、主軸１３０をθ１だけ回転させたのと同じことであるので、軸受１５０は、この回転角度の差θ１分だけ、主軸方向へ移動する。
【００２６】
主軸１３０を高速回転させると、移動体１４０は、主軸方向に直動していき、最終的に、把持対象と接触する。そうすると、移動体１４０には、図４（Ａ）に示すように、把持対象からの反作用力としての負荷Ｆが働く。移動体１４０に加わった負荷Ｆは、横軸１５４を介して軸受１５０に伝わり、最終的に、図４（Ａ）に示すように、主軸１３０からの押圧力となって現れる。
【００２７】
この押圧力によって、軸受１５０は、弾性体１５５の弾性力に抗して、横軸１５４を中心に回転する。そうすると、軸受１５０の傾斜角度は、図４（Ｂ）に示すように、当初の傾斜角度より幾分緩やかになる。そうなると、ネジ山とネジ溝は、比較的浅く噛み合うことになり、その結果、主軸１３０と内輪１５１のそれぞれの中心軸から接触点までの距離の差は、図４（Ｂ）に示すように、小さくなる。
【００２８】
接触点までの距離の差が小さくなると、図４（Ｂ）に示す（ａ）のように、主軸１３０と内輪１５１との直径の差は縮まったと見ることができるので、図４（Ｂ）に示す（ｂ）のように、回転角度の差θ２は、当初の回転角度の差θ１より小さくなる。その結果、移動体１４０の移動速度は、当初の移動速度より遅くなる。移動速度と把持力はトレードオフの関係にあるから、移動速度が低下していくとともに、移動体１４０は、大きな力を発揮する（即ち、モータ１２０の１回転に対する移動体１４０の移動距離が短いほど、モータ１２０のトルクが大きな把持力に変換される）。
【００２９】
移動体１４０をさらに移動させると、図５（Ａ）に示すように、把持対象から受ける負荷は、さらに大きくなる。そうすると、ネジ山とネジ溝に働く押圧力も大きくなって、最終的に、軸受１５０の傾斜は、図５（Ｂ）に示すように、消滅する。そうなると、ネジ山とネジ溝は、３６０°完全に噛み合った状態になり、図５（Ｂ）に示すように、主軸１３０と内輪１５１の中心軸から接触点までの距離は完全に一致する。その結果、主軸１３０と内輪１５１は、完全に同期して回転することになり、移動体１４０は、主軸方向に全く移動しなくなる。その結果、把持対象に対する把持力の印加は停止される。
【００３０】
本実施形態によれば、移動体１４０にかかる負荷に応じて、減速比を変化させることができる。すなわち、移動体１４０に負荷がかかっていないときは、移動体１４０の把持力を弱くするかわりに、移動体１４０を早く移動させることができる。また、移動体に大きな負荷がかかっているときは、移動体の移動速度を遅くするかわりに、移動体１４０の把持力を大きくすることができる。そのため、物を把持していない状態では、把持対象まで素早く移動体１４０を移動させることができ、物を把持し始めたら、強い力で把持対象を把持することができる
【００３１】
また、把持装置１００は、減速比を変更するために、油圧装置、磁石等の専用のアクチュエータを使用していないので、装置を容易に小型化することができる。
【００３２】
また、把持力がある一定以上になると、軸受１５０の傾斜角度が０°となって、移動体１４０の移動が停止されるので、モータ１２０への過負荷を抑制することができる。
【００３３】
なお、筐体部１４２の内部には、軸受１５０が傾斜角度を保持し続けるためのストッパ１４３が設置されていてもよい。例えば、ストッパ１４３は、図６（Ａ）に示すように、横軸１５４を中心に弾性体１５５と対向する位置に、筐体部１４２の内壁から突出するように設置されていてもよい。移動体１４０に負荷が加わっても、図６（Ｂ）に示すように、軸受１５０の傾斜角度が０°とならないので、強い把持力を出力し続けることができる。
【００３４】
また、弾性体１５５は、バネに限らず、例えば、ゴム等の大きな弾性を示す素材から構成される物体であってもよい。
【００３５】
また、本実施形態では、対象物から移動体１４０に加わる負荷を使って軸受１５０の傾斜角度を変化させているが、例えば、主軸１３０を主軸方向に僅かに移動できるように構成して、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、主軸１３０に対し、主軸方向に負荷を加えることによって軸受１５０の傾斜角度を変化させてもよい。
【００３６】
また、軸受１５０の傾斜角度は１〜３０°に限られない。軸受１５０は、主軸方向に対し、０°より大きく９０°より小さいあらゆる角度に傾斜可能である。
【００３７】
また、本実施形態では、主軸１３０と直交する方向（横軸方向）に横軸１５４を設置したが、軸受１５０が傾斜可能なのであれば、主軸１３０と交差するあらゆる方向に設置可能である。なお、弾性体１５５の設置位置も、縦軸方向に限られず、主軸１３０および横軸１５４と交差するあらゆる方向に設置可能である。
【００３８】
また、本実施形態では、回転運動変換装置を把持装置に用いたが、例えば、図７に示すように、基体１１０の一端に滑車２１０を設け、さらに、滑車２１０を通したワイヤー２２０の一端を、移動体１４０に固定することによって、対象物を持ち上げるクレーン装置として構成してもよい。対象物の重さに応じて、対象物の上昇速度を変化させることができる。
【実施例】
【００３９】
本発明の回転運動変換装置（以下、「斜旋回送りネジ」という）によって回転運動を直線運動に変換できることを検証した。
【００４０】
製作した斜旋回送りネジを図８に示す。全質量は１３．８ｇである。雌ネジはＭ４並目を用いており、ピッチは０．７ｍｍである。雄ネジもＭ４並目を用いているが、ダイスを調節して成形することで少し細くなっており、山の先端にて計測した直径は３．６ｍｍである。また、外輪の直径は１４ｍｍと小型である。ばねのばね定数は１．８Ｎ／ｍである。この斜旋回送りネジを実装したロボットグリッパを図９に示す。全質量は１８４ｇである。挟み口が（ａ）の方向に動くことにより把持を行うことができる。モータにはブラシレスモータを用いた。モータのトルク定数は２．７ｍＮｍ／Ａで質量は１３ｇである。
【００４１】
ストッパの位置よって、どのように出力される力が変化するかを検証した。ストッパの位置は厚さ０．０５ｍｍの座金を挟むことにより調節した。座金の枚数を増やすと図６で示したストッパの長さが短くなる。モータに１．５Ａの一定の電流を流し、座金の枚数を変化させたときに出力される力を図１０のように力センサを用い計測した。実験結果を図１１に示す。この実験結果から、座金の枚数が2枚のときのストッパの位置が最も適切であることが分かる。
【００４２】
次に、提案する機構が負荷に応じて減速比が変化することを検証した。図１２のように出力に紐を取り付け、錘によって負荷を加えた。減速比を求めるために、モータの回転数と出力の速度を計測した。モータの回転数はホールセンサを用いて計測し、出力の速度は図１２のように紐をプーリに経由させ、プーリの回転をエンコーダで計測することにより求めた。実験結果を図１３に示す。ストッパに接触する２．０ｋｇまでは減速比Ｒｒが２０から４５まで増加し、その後はほぼ一定になっていることが分かる。なお、減速比Ｒｒは、雄ネジを半径ｒの円筒、雌ネジを半径Ｒの円筒として考えたとき、下記式（１）により求まる値である。
【００４３】
Ｒｒ＝Ｒ／（Ｒ−ｒ） ・・・（式１）
【００４４】
次に、モータに流す電流に応じて、出力される力が変化することを検証した。モータに電流を１．０Ａから２．０Ａまで０．２５Ａおきに流したときの力を図１４に示す。電流に応じて力が変化しており、２．０Ａのとき１３４Ｎとなることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
産業用ロボットをはじめ、回転運動を直線運動に変換する機構を備えた多くの装置で利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 把持装置
１１０ 基体
１１１ 把持部
１２０ モータ
１２１ 回転軸
１３０ 主軸
１４０ 移動体
１４１ 把持部
１４２ 筐体部
１４３ ストッパ
１５０ 軸受
１５１ 内輪
１５２ 球体
１５３ 外輪
１５４ 横軸
１５５ 弾性体
２１０ 滑車
２２０ ワイヤー
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転運動変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの機械は、モータ等の回転運動を直線運動に変換する回転運動変換装置を備えている。一般に、モータは高速回転しているため、モータの回転運動を効果的に直線運動に変換するためには、適切な減速比の減速機を使用する必要がある。特許文献１には、減速比が一定の減速機を使用したロボットハンドが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のロボットハンドで物を把持する場合、必要とする力が大きいほど大きな減速比の減速機を使用する必要がある。しかしながら、減速比において、力と速度はトレードオフの関係にあるため、減速比を大きくして高負荷に対応しようとすると、指に負荷がかかっていない状態（例えば、把持対象まで指を動かしている状態）までも指の動きが遅くなるという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、負荷に応じて減速比が変化する回転運動変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の回転運動変換装置は、
ネジ山を有する主軸と、
該主軸を支持する軸受であって、前記主軸と接する面に前記ネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、該内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受と、を備え、
前記軸受は、前記主軸の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、前記主軸を回転させたときに前記主軸の軸方向に直動する、
ことを特徴とする。
【０００７】
傾斜角度を変化可能に、前記軸受を傾斜させる軸受傾斜機構、を備えていてもよい。
【０００８】
前記主軸と交差する交差方向を軸に前記軸受を回転可能に支持する軸受支持体、を備え、
前記軸受傾斜機構は、前記軸受と前記軸受支持体との間に配置される弾性体、を有し、
前記軸受は、前記軸受支持体または前記主軸に加わる軸方向の力によって、前記弾性体の弾性力に抗して前記交差方向を軸に回転してもよい。
【０００９】
前記弾性体はバネであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、負荷に応じて減速比が変化する回転運動変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る把持装置の構成を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の側面図、（Ｂ）は把持装置の断面図、（Ｃ）は把持装置が備える移動体を主軸方向から見た図である。
【図２】図１に示す把持装置が備える軸受の構成を説明するための図であり、（Ａ）は内輪のネジ溝と主軸のネジ山との関係を説明するための図、（Ｂ）は軸受の斜視図、（Ｃ）は軸受の断面図である。
【図３】移動体に負荷がかかっていない状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図４】移動体に負荷がかかった状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図５】移動体に大きな負荷がかかった状態の把持装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は把持装置の断面図、（Ｂ）は軸受の断面図である。
【図６】軸受が一定量以上回転しないように筐体部にストッパを設けた様子を示す図であり、（Ａ）は主軸に小さな負荷がかかったときの軸受の断面図であり、（Ｂ）は主軸に大きな負荷がかかったときの軸受の断面図である。
【図７】回転運動変換装置を用いたクレーン装置を説明するための図である。
【図８】実施例で使用した斜旋回送りネジを示す図である。
【図９】斜旋回送りネジを実装したロボットグリッパを示す図である。
【図１０】適切なストッパ位置を検証するための実験環境を示す図である。
【図１１】適切なストッパ位置の検証結果を示す図である。
【図１２】負荷と減速比の関係を検証するための実験環境を示す図である。
【図１３】負荷と減速比の関係を示す図である。
【図１４】モータに印加する電流と出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態にかかる回転運動変換装置を用いた把持装置について、図面を参照しながら説明する。
把持装置１００は、強い力で把持対象を把持するための装置であり、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、基体１１０と、モータ１２０と、主軸１３０と、移動体１４０と、軸受１５０と、から構成される。
【００１３】
基体１１０は、鉄等の重く頑丈な素材から構成され、モータ１２０、主軸１３０等の各種部品が設置されている。また、基体１１０は、主軸１３０の軸方向（以下、「主軸方向」という。）に平面を向けた平板状の把持部１１１を有している。把持部１１１は、後述の移動体１４０と共に把持対象を把持する。
【００１４】
モータ１２０は、回転軸１２１を有する電気モータから構成される。回転軸１２１は、図１（Ｂ）に示すように、主軸１３０の一端に固定されている。
【００１５】
主軸１３０は、金属製の棒状体から構成され、その表面には螺旋状のネジ山が形成されている。主軸１３０の両端は基体１１０に回転可能に固定されており、主軸１３０は、モータ１２０によって自在に回転するようになっている。なお、主軸１３０のネジ山のピッチは、図２（Ａ）に示すように、内輪１５１のネジ溝のピッチＰと同じピッチとなっている。また、主軸１３０のネジ山の直径ｒは、内輪１５１のネジ溝の直径Ｒ１より小さく、内輪１５１のネジ山の直径Ｒ２より大きくなっている。
【００１６】
移動体１４０は、鉄等の頑丈な素材から構成され、図１（Ｂ）に示すように、平板状の把持部１４１と、円柱状の穴が開いた筐体部１４２と、から構成される。なお、筐体部１４２の底面および両側面は、図１（Ｃ）に示すように、油膜を介して基体１１０に接触している。そのため、移動体１４０は、把持部１４１に大きな負荷が加わったとしても、直立姿勢を維持したまま前進できるようになっている。
【００１７】
軸受１５０は、主軸１３０を支持する玉軸受であり、内輪１５１と、球体１５２と、外輪１５３と、横軸１５４と、弾性体１５５と、から構成される。軸受１５０は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、筐体部１４２の円柱状の穴の内部に設置されている。
【００１８】
内輪１５１は、円筒体から構成され、その内周面には、図２（Ａ）に示すように、主軸１３０のネジ山の直径より若干大きい直径のネジ溝が形成されている。内輪１５１は、ネジ山とネジ溝との摩擦によって、主軸１３０と共に回転するようになっている。なお、内輪１５１は、図１（Ｂ）に示すように、主軸方向から若干傾いた状態で設置されている。内輪１５１のネジ溝の中心軸は、移動体１４０に対象物から力が加わっていない状態で、例えば、主軸方向に対して１°〜３０°程度の傾斜角度で傾いている。
【００１９】
球体１５２は、内輪１５１と外輪１５３との間に配置される金属製の玉であり、内輪１５１が回転することに伴う、内輪１５１と外輪１５３との間で発生する摩擦を低減させている。
【００２０】
外輪１５３は、内輪１５１より一回り大きい円筒体から構成され、球体１５２を介して内輪１５１を回転可能に支持している。外輪１５３は、図１（Ｃ）に示すように、横軸１５４を介して、移動体１４０に固定されている。
【００２１】
横軸１５４は、軸受１５０を支持する２本の軸から構成され、主軸１３０と直交する方向（以下、「横軸方向」という。）にそれぞれ設置されている。軸受１５０は、横軸１５４を中心に回転することによって、主軸１３０に対する傾斜角度を変更できるようになっている。
【００２２】
弾性体１５５は、一定のばね定数を有するバネから構成され、図２（Ｂ）に示すように、主軸方向および横軸方向の双方と直交する方向（以下、「縦軸方向」という。）に設置されている。また、弾性体１５５は、図２（Ｃ）に示すように、横軸１５４から主軸方向に若干偏った位置に設置されており、その弾性力によって軸受１５０を傾斜させている。
【００２３】
次に、このような構成を有する把持装置１００の動作について説明する。
【００２４】
軸受１５０は、図３（Ａ）に示すように、若干傾いた状態で主軸１３０と接している。そのため、主軸１３０のネジ山と内輪１５１のネジ溝とは、図３（Ｂ）に示す（ａ）と（ｂ）の部分において、深く噛み合っている。この状態は、言い換えると、小さな直径の主軸１３０と、大きな内径の内輪１５１とが、図３（Ｂ）に示す（ｃ）のように、偏心して接している状態ということができる。
【００２５】
主軸１３０を回転させると、内輪１５１は主軸１３０とともに回転するが、上述したように、内輪１５１の内径は主軸１３０の直径より大きいため、主軸１３０が一回転したからといって、内輪１５１は一回転しない。内輪１５１は、図３（Ｂ）に示す（ｄ）のように、主軸１３０が一回転したときに、３６０°−θ１だけ回転する。これは、内輪１５１を回転しないように固定して、主軸１３０をθ１だけ回転させたのと同じことであるので、軸受１５０は、この回転角度の差θ１分だけ、主軸方向へ移動する。
【００２６】
主軸１３０を高速回転させると、移動体１４０は、主軸方向に直動していき、最終的に、把持対象と接触する。そうすると、移動体１４０には、図４（Ａ）に示すように、把持対象からの反作用力としての負荷Ｆが働く。移動体１４０に加わった負荷Ｆは、横軸１５４を介して軸受１５０に伝わり、最終的に、図４（Ａ）に示すように、主軸１３０からの押圧力となって現れる。
【００２７】
この押圧力によって、軸受１５０は、弾性体１５５の弾性力に抗して、横軸１５４を中心に回転する。そうすると、軸受１５０の傾斜角度は、図４（Ｂ）に示すように、当初の傾斜角度より幾分緩やかになる。そうなると、ネジ山とネジ溝は、比較的浅く噛み合うことになり、その結果、主軸１３０と内輪１５１のそれぞれの中心軸から接触点までの距離の差は、図４（Ｂ）に示すように、小さくなる。
【００２８】
接触点までの距離の差が小さくなると、図４（Ｂ）に示す（ａ）のように、主軸１３０と内輪１５１との直径の差は縮まったと見ることができるので、図４（Ｂ）に示す（ｂ）のように、回転角度の差θ２は、当初の回転角度の差θ１より小さくなる。その結果、移動体１４０の移動速度は、当初の移動速度より遅くなる。移動速度と把持力はトレードオフの関係にあるから、移動速度が低下していくとともに、移動体１４０は、大きな力を発揮する（即ち、モータ１２０の１回転に対する移動体１４０の移動距離が短いほど、モータ１２０のトルクが大きな把持力に変換される）。
【００２９】
移動体１４０をさらに移動させると、図５（Ａ）に示すように、把持対象から受ける負荷は、さらに大きくなる。そうすると、ネジ山とネジ溝に働く押圧力も大きくなって、最終的に、軸受１５０の傾斜は、図５（Ｂ）に示すように、消滅する。そうなると、ネジ山とネジ溝は、３６０°完全に噛み合った状態になり、図５（Ｂ）に示すように、主軸１３０と内輪１５１の中心軸から接触点までの距離は完全に一致する。その結果、主軸１３０と内輪１５１は、完全に同期して回転することになり、移動体１４０は、主軸方向に全く移動しなくなる。その結果、把持対象に対する把持力の印加は停止される。
【００３０】
本実施形態によれば、移動体１４０にかかる負荷に応じて、減速比を変化させることができる。すなわち、移動体１４０に負荷がかかっていないときは、移動体１４０の把持力を弱くするかわりに、移動体１４０を早く移動させることができる。また、移動体に大きな負荷がかかっているときは、移動体の移動速度を遅くするかわりに、移動体１４０の把持力を大きくすることができる。そのため、物を把持していない状態では、把持対象まで素早く移動体１４０を移動させることができ、物を把持し始めたら、強い力で把持対象を把持することができる
【００３１】
また、把持装置１００は、減速比を変更するために、油圧装置、磁石等の専用のアクチュエータを使用していないので、装置を容易に小型化することができる。
【００３２】
また、把持力がある一定以上になると、軸受１５０の傾斜角度が０°となって、移動体１４０の移動が停止されるので、モータ１２０への過負荷を抑制することができる。
【００３３】
なお、筐体部１４２の内部には、軸受１５０が傾斜角度を保持し続けるためのストッパ１４３が設置されていてもよい。例えば、ストッパ１４３は、図６（Ａ）に示すように、横軸１５４を中心に弾性体１５５と対向する位置に、筐体部１４２の内壁から突出するように設置されていてもよい。移動体１４０に負荷が加わっても、図６（Ｂ）に示すように、軸受１５０の傾斜角度が０°とならないので、強い把持力を出力し続けることができる。
【００３４】
また、弾性体１５５は、バネに限らず、例えば、ゴム等の大きな弾性を示す素材から構成される物体であってもよい。
【００３５】
また、本実施形態では、対象物から移動体１４０に加わる負荷を使って軸受１５０の傾斜角度を変化させているが、例えば、主軸１３０を主軸方向に僅かに移動できるように構成して、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、主軸１３０に対し、主軸方向に負荷を加えることによって軸受１５０の傾斜角度を変化させてもよい。
【００３６】
また、軸受１５０の傾斜角度は１〜３０°に限られない。軸受１５０は、主軸方向に対し、０°より大きく９０°より小さいあらゆる角度に傾斜可能である。
【００３７】
また、本実施形態では、主軸１３０と直交する方向（横軸方向）に横軸１５４を設置したが、軸受１５０が傾斜可能なのであれば、主軸１３０と交差するあらゆる方向に設置可能である。なお、弾性体１５５の設置位置も、縦軸方向に限られず、主軸１３０および横軸１５４と交差するあらゆる方向に設置可能である。
【００３８】
また、本実施形態では、回転運動変換装置を把持装置に用いたが、例えば、図７に示すように、基体１１０の一端に滑車２１０を設け、さらに、滑車２１０を通したワイヤー２２０の一端を、移動体１４０に固定することによって、対象物を持ち上げるクレーン装置として構成してもよい。対象物の重さに応じて、対象物の上昇速度を変化させることができる。
【実施例】
【００３９】
本発明の回転運動変換装置（以下、「斜旋回送りネジ」という）によって回転運動を直線運動に変換できることを検証した。
【００４０】
製作した斜旋回送りネジを図８に示す。全質量は１３．８ｇである。雌ネジはＭ４並目を用いており、ピッチは０．７ｍｍである。雄ネジもＭ４並目を用いているが、ダイスを調節して成形することで少し細くなっており、山の先端にて計測した直径は３．６ｍｍである。また、外輪の直径は１４ｍｍと小型である。ばねのばね定数は１．８Ｎ／ｍである。この斜旋回送りネジを実装したロボットグリッパを図９に示す。全質量は１８４ｇである。挟み口が（ａ）の方向に動くことにより把持を行うことができる。モータにはブラシレスモータを用いた。モータのトルク定数は２．７ｍＮｍ／Ａで質量は１３ｇである。
【００４１】
ストッパの位置よって、どのように出力される力が変化するかを検証した。ストッパの位置は厚さ０．０５ｍｍの座金を挟むことにより調節した。座金の枚数を増やすと図６で示したストッパの長さが短くなる。モータに１．５Ａの一定の電流を流し、座金の枚数を変化させたときに出力される力を図１０のように力センサを用い計測した。実験結果を図１１に示す。この実験結果から、座金の枚数が2枚のときのストッパの位置が最も適切であることが分かる。
【００４２】
次に、提案する機構が負荷に応じて減速比が変化することを検証した。図１２のように出力に紐を取り付け、錘によって負荷を加えた。減速比を求めるために、モータの回転数と出力の速度を計測した。モータの回転数はホールセンサを用いて計測し、出力の速度は図１２のように紐をプーリに経由させ、プーリの回転をエンコーダで計測することにより求めた。実験結果を図１３に示す。ストッパに接触する２．０ｋｇまでは減速比Ｒｒが２０から４５まで増加し、その後はほぼ一定になっていることが分かる。なお、減速比Ｒｒは、雄ネジを半径ｒの円筒、雌ネジを半径Ｒの円筒として考えたとき、下記式（１）により求まる値である。
【００４３】
Ｒｒ＝Ｒ／（Ｒ−ｒ） ・・・（式１）
【００４４】
次に、モータに流す電流に応じて、出力される力が変化することを検証した。モータに電流を１．０Ａから２．０Ａまで０．２５Ａおきに流したときの力を図１４に示す。電流に応じて力が変化しており、２．０Ａのとき１３４Ｎとなることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
産業用ロボットをはじめ、回転運動を直線運動に変換する機構を備えた多くの装置で利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 把持装置
１１０ 基体
１１１ 把持部
１２０ モータ
１２１ 回転軸
１３０ 主軸
１４０ 移動体
１４１ 把持部
１４２ 筐体部
１４３ ストッパ
１５０ 軸受
１５１ 内輪
１５２ 球体
１５３ 外輪
１５４ 横軸
１５５ 弾性体
２１０ 滑車
２２０ ワイヤー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジ山を有する主軸と、
該主軸を支持する軸受であって、前記主軸と接する面に前記ネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、該内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受と、を備え、
前記軸受は、前記主軸の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、前記主軸を回転させたときに前記主軸の軸方向に直動する、
ことを特徴とする回転運動変換装置。
【請求項２】
傾斜角度を変化可能に、前記軸受を傾斜させる軸受傾斜機構、を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転運動変換装置。
【請求項３】
前記主軸と交差する交差方向を軸に前記軸受を回転可能に支持する軸受支持体、を備え、
前記軸受傾斜機構は、前記軸受と前記軸受支持体との間に配置される弾性体、を有し、
前記軸受は、前記軸受支持体または前記主軸に加わる軸方向の力によって、前記弾性体の弾性力に抗して前記交差方向を軸に回転する、
ことを特徴とする請求項２に記載の回転運動変換装置。
【請求項４】
前記弾性体はバネである、
ことを特徴とする請求項３に記載の回転運動変換装置。
【請求項１】
ネジ山を有する主軸と、
該主軸を支持する軸受であって、前記主軸と接する面に前記ネジ山の直径より大きい直径のネジ溝が形成された内輪と、該内輪を回転可能に支持する外輪と、を有する軸受と、を備え、
前記軸受は、前記主軸の軸方向に対して所定の傾斜角度で傾斜しており、前記主軸を回転させたときに前記主軸の軸方向に直動する、
ことを特徴とする回転運動変換装置。
【請求項２】
傾斜角度を変化可能に、前記軸受を傾斜させる軸受傾斜機構、を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転運動変換装置。
【請求項３】
前記主軸と交差する交差方向を軸に前記軸受を回転可能に支持する軸受支持体、を備え、
前記軸受傾斜機構は、前記軸受と前記軸受支持体との間に配置される弾性体、を有し、
前記軸受は、前記軸受支持体または前記主軸に加わる軸方向の力によって、前記弾性体の弾性力に抗して前記交差方向を軸に回転する、
ことを特徴とする請求項２に記載の回転運動変換装置。
【請求項４】
前記弾性体はバネである、
ことを特徴とする請求項３に記載の回転運動変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４６９５４（Ｐ２０１２−２４６９５４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７０９９（Ｐ２０１１−１１７０９９）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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