3Dプリンタで作るネジ締めコレット式ボールジョイントの設計

2026-11-02

前回製作したアームジョイントにより、10mm角パイプを用いた前後の折りたたみや高さ調整は強固に固定できるようになりました。しかし、根元が完全に固定された状態では、アームを斜め方向に引き出したり、作業スペースのレイアウトに合わせて左右に振ったりする柔軟性が不足していました。

USB顕微鏡を基板作業で快適に使うには、アームの根元部分である程度の傾きや回転を逃がせる関節が必要です。市販の金属製自由雲台を追加する方法もありますが、10mm角パイプとの結合部が長くなり剛性が落ちるため、根元に直結できる専用のボールジョイントを3Dプリンタで自作することにしました。

土台側で角度を微調整できる球体関節の構想

今回の目的は、アームの土台部分にコンパクトなボールジョイントを配置し、作業台の状況に合わせてアーム全体の立ち上がり角度を自在に微調整できるようにすることです。

将来的な拡張として、この土台部分にDINクイックシューを取り付け、三脚やクランプのソケットにワンタッチで着脱できる構造へと発展させる構想を持っています。そのため、今回の試作ではまず、ボールを確実に保持できる強固なコレットチャック機構を成立させることに集中します。

手締めで確実にロックできる球体関節の仕様

設計にあたって設定した目標は以下の通りです。

• 保持力の目標：アーム全体の重量および先端の顕微鏡を取り付けた状態で、作業中に角度がずり落ちない十分な摩擦力を確保すること。
• 可動範囲の目標：アーム根元の傾き調整として、干渉なくスムーズに動かせる角度として約50度の可動範囲を確保すること。
• 操作性の目標：六角レンチなどの工具を一切使わず、外周のリングナットを手で締め込むだけで完全に固定・解除ができること。

コレットチャック構造と3Dプリント製ボールの設計

CADソフトのFreeCADを使用し、PLAフィラメントを用いて各部品を設計・出力しました。課題を解決するために採用したアプローチは以下の通りです。

割り溝（スリット）を入れたコレットスリーブ

ボールを保持するハウジングの外周に台形形状のオネジを切り、縦方向に深いスリットを複数箇所設けました。外側からリングナットを締め込むと、スリットが狭まることで内径が均等に縮径し、ボール全体を均一な力で包み込むコレットチャック構造を採用しています。これにより、一点に無理な応力を集中させることなく、高い締め付けトルクを摩擦力へと効率よく変換できます。

3Dプリント製ボールと角パイプの締結

挟み込まれるボール部分も3Dプリンタで球体を出力しました。ボールの根元には10mm角パイプが嵌合する形状を設け、M4ネジとナットを用いて貫通固定しています。金属球などを流用せず一体でモデリングすることで、パイプとの強固な結合と適切なクリアランスを両立させました。

ネジピッチの選定と試作形状

外周ネジは手締めで素早く締め込めるよう、粗めのネジピッチで設計しました。リングナット側には手で握りやすい突起を設け、指先の力だけで十分なトルクがかかるようにしています。 なお、今回の試作品には壁面固定用のフランジ（ネジ止め用の耳）がついていますが、これは当初の壁面固定想定の名残です。今後はこの土台形状を改良し、DINクイックシュー構造と一体化させる予定です。