JP2004293599A

JP2004293599A - 球ジョイント

Info

Publication number: JP2004293599A
Application number: JP2003084340A
Authority: JP
Inventors: Yukitatsu Kashimura; 幸辰樫村; Hidehisa Takada; 英久高田
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP4353458B2

Abstract

【課題】転動体の飛び出しやこじれを無くしつつ、３自由度で４５°の揺動角を可能にした。
【解決手段】ケース１２の内部に中心球１４が配置され、中心球１４の外周面とケース１２の転動面２２Ａ、２４Ａとの間に、上下２列に並んだ形で複数の転動体１８が配置される。ケース１２は、上ケース２２と下ケース２４とで構成され、上ケース２２に上側の列の転動体１８と接する上部転動面２２Ａが形成され、下ケース２４に下側の列の転動体１８と接する下部転動面２４Ａが形成される。上ケース２２の上部転動面２２Ａと、下ケース２４の下部転動面２４Ａとで、転動面が形成する円弧の中心位置が相互に異なっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は球ジョイントに係り、特に３軸マシニングセンタ用の加工テーブルに用いられるパラレルリンク機構の支持軸受に適用可能な球ジョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、新しい駆動機構として、複数本の脚を伸縮、回転及び並進させることで、ステージや工具の姿勢及び運動を制御するパラレルリンク機構が、工作機械分野を中心に注目されている。このパラレルリンク機構は、直線運動を組み合わせた従来の機構と比較して、高速運動、高剛性及び、高精度位置決めが可能とされている。そして、このパラレルリンク機構に期待される性能を達成する上で、最も重要な要素として支持軸受が挙げられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１２５２３７号公報
【特許文献２】
特開平８−３３８４２２号公報
【特許文献３】
特開平７−３１７７５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような用途の支持軸受には、３自由度を有することが求められるだけでなく、高剛性、高精度、広い揺動角及び、低トルクなどの諸性能が求められており、例えば滑り方式のボールジョイントや滑り球面軸受を、支持軸受として従来より用いていた。しかし、滑り方式のボールジョイントや滑り球面軸受は、中心球とこの中心球を支持する支持壁との間に隙間がある為、十分な剛性や回転（揺動）精度が得られなかった。
【０００５】
この為、測定機、工作機械、位置決め機構及び、シュミレータ等の機械の関節部に用いられて、これら機械の動きを支配する部品要素である転がり方式の球ジョイントを支持軸受として採用することが考えられた。そして、この球ジョイントの基本構造を図３に示す。
【０００６】
しかし、この図３に示す球ジョイントは、球状の転動体１０１及びこの転動体１０１を保持する二つの保持器１０３Ａ、１０３Ｂを内蔵しているものの、ケース１０４の開口部１０５から転動体１０１の飛び出しや、中心球１０２と転動体１０１、保持器１０３Ａ、１０３Ｂのこじれが生じることによって、４５°に満たない狭い揺動角しか得られず、球ジョイントが大型化する欠点を有していた。
【０００７】
従って、転動体が開口部から飛び出さないようにすると共に揺動角４５°を満たす為、転動面を研削して球型に近づけた図４に示すような多数の転動体１１５を内蔵した球ジョイントが開発された。この図４に示す球ジョイントは、中心球１１４の周りに配置した多数の転動体１１５を二つの保持器１１６Ａ、１１６Ｂでそれぞれ保持した構造となっていて、軸材１１０を揺動すると、転動体１１５がケース１１１の転動面１１２を転がるように動作する。
【０００８】
しかし、この図４に示す球ジョイントは、高価なだけでなく、軸材１１０の揺動量に比較して転動体１１５の移動量が大きく、軸材１１０が保持器１１６Ａ、１１６Ｂを強制的に押してケース１１１の開口部１１３の内壁面に当たるまで傾くものの、長期間の使用に伴ってこじれが生じて、軸材１１０を揺動させるのに大きな力が必要になることがある。
【０００９】
本発明は上記事実を考慮し、転動体の飛び出しやこじれを無くしつつ、３自由度で４５°の揺動角を可能にした球ジョイントを提供することが目的である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の球ジョイントは、軸材の一端が連結され且つ球状に形成された中心球と、
円弧状の断面とされた転動面を内側に有し且つ、中心球を内部に配置したケースと、
軸材の一端が内側に位置する形のリング状で２列それぞれ中心球と転動面との間に配置された複数の転動体と、
を有する球ジョイントであって、
複数の転動体の介在によって、ケースの転動面が形成する円弧の中心に対して中心球の中心が位置ずれした状態で、中心球が配置されることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る球ジョイントの作用を以下に説明する。
本請求項に係る球ジョイントは、球状に形成された中心球が、円弧状の断面とされた転動面を内側に有したケースの内部に配置された構成を有している。そして、この中心球には軸材の一端が連結されており、また、中心球とケースとの間には、この軸材の一端が内側に位置する形のリング状に、転動体が２列配置されている。
【００１２】
さらに、本請求項では、これら中心球とケースとの間に複数の転動体が介在されることで、ケースの転動面が形成する円弧の中心に対して中心球の中心が位置ずれした状態で、中心球が配置されることになる。これに伴って、本請求項の球ジョイントにおいては、中心球と転動体との間の接点と、転動体とケースの転動面との間の接点とを結んだ直線が、中心球の中心を通らないようになる。
【００１３】
この一方、図４に示す従来の球ジョイントは、前述のように軸材１１０の揺動量に比較して転動体１１５の移動量が大きく、軸材１１０の揺動に伴って転動体１１５が保持器１１６Ａ、１１６Ｂを強制的に押して、軸材１１０がケース１１１を貫通する為の開口部１１３の内壁面に当たる角度まで傾くが、使用に伴って軸材１１０を揺動させるのに大きな力が必要になる構造となっている。
【００１４】
これに対して本請求項の球ジョイントでは、上記の構成より軸材を揺動するように傾けると、転動体が転動面を転がるものの、従来の球ジョイントよりも軸材の揺動量に比べて転動体の移動量が小さくなり、ケースの開口部の内壁面に軸材が当たるまで、大きな力を必要とせずに軸材を揺動するように傾けることができる。
【００１５】
具体的には、例えば球ジョイントの中心球の直径を小さくすると共に、転動体の直径を大きくした形とし、中心球の外周に転動体を２列配置した。そして、ケースの内壁面となる転動面が形成する中心に対して、中心球の中心が位置ずれした状態で、この中心球を配置した。
この結果として、本請求項に係る球ジョイントによれば、ケースの開口部からの転動体の飛び出しや、中心球と転動体、保持器のこじれが生じるという不具合が解消され、軸材の揺動角が大きくなって３自由度で少なくとも４５°の揺動角を有するようになった。
【００１６】
請求項２に係る球ジョイントの作用を以下に説明する。
本請求項に係る球ジョイントは請求項１と同一の作用を奏する。但し、本請求項では、中心球と転動面との間に保持器が配置され、２列配置された転動体の内の軸材の一端寄りに位置する列の転動体をこの保持器が保持するという構成を有している。
【００１７】
つまり、図４に示す従来の球ジョイントは複数の転動体１１５を内蔵し、これら転動体１１５を保持する二つの保持器１１６Ａ、１１６Ｂを用いた構造とされているのに対して、本請求項の球ジョイントでは、転動体を中心球の外周上に２列配置しているものの、軸材の一端寄りに位置する列の転動体のみを保持器で保持した構造となっている。但し、本請求項によれば、軸材の揺動量に比較して転動体の移動量が小さくなっているので、軸材を揺動した際にも、軸材が保持器に接触しない構造になる。
【００１８】
この結果として、本請求項に係る球ジョイントによれば、保持器により開口部からの転動体の飛び出しを防止しつつ、この球ジョイントの構成部品を減らして製造コストの低減を図ることが可能となった。
【００１９】
請求項３に係る球ジョイントの作用を以下に説明する。
本請求項に係る球ジョイントは請求項１と同一の作用を奏する。但し、本請求項では、２列配置された転動体の内の一方の列の転動体が接する転動面と、２列配置された転動体の内の他方の列の転動体が接する転動面とで、転動面が形成する円弧の中心位置が相互に異なるという構成を有している。
【００２０】
つまり、ケースの転動面が形成する円弧の中心位置を上記のような配置とすることで、この転動面が形成する円弧の中心に対して中心球の中心が位置ずれした状態で、この中心球が配置されるようになる。この結果として前述のような不具合を解消し、軸材の揺動角を大きくして少なくとも４５°の揺動角を有するという請求項１の作用効果をより確実に達成可能となった。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る球ジョイントの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施の形態に係る転がり方式の球ジョイント１０の基本構造を示す断面図であり、図２は図１の球ジョイント１０の要部を拡大して表す断面図である。
【００２２】
図１に示すように本実施の形態に係る球ジョイント１０は、円弧状の断面とされた一対の転動面２２Ａ、２４Ａを内側に有した鋼製のケース１２を外枠としており、このケース１２の内部に、同じく鋼製で球状に形成された中心球１４が配置されている。この中心球１４の上部には、リンクとなる軸材１６の一端が連結されており、ケース１２内外を連通する為にケース１２の上部に形成された開口部１２Ａを、この軸材１６が貫通している。
【００２３】
また、中心球１４の外周面とケース１２の転動面２２Ａ、２４Ａとの間には、図１において上下２列に並んだ形で、それぞれ鋼製で球状に形成された複数の転動体１８が、介在されるように配置されている。つまり、上記の軸材１６の一端が内側に位置する形のリング状で、２列同軸状にそれぞれ転動体１８が、配置されている。
【００２４】
一方、上記のケース１２は、このケース１２の上部を形成する上ケース２２とこのケース１２の下部を形成する下ケース２４とで構成されており、これらが図示しないねじ等によって相互に締結された構造になっている。そして、上ケース２２に、軸材１６の一端側寄りに位置する上側の列の転動体１８と接する上部転動面２２Ａが形成されており、下ケース２４に、下側の列の転動体１８と接する下部転動面２４Ａが形成されている。つまり、上部転動面２２Ａに上側の列の転動体１８のみが接触し、下部転動面２４Ａに下側の列の転動体１８のみが接触する構造となっており、またこの上部転動面２２Ａの転動体１８と接触しない下側寄りの部分は直線状に形成されている。
【００２５】
さらに、中心球１４と上部転動面２２Ａとの間には、転動体１８を保持する為の保持器２０が配置されており、２列配置された転動体１８の内の軸材１６の一端寄りに位置する列である図１における上側の列の転動体１８をこの保持器２０が保持している。
【００２６】
ここで、図２に示すこの中心球１４の直径Ｄは、９．５３ｍｍであり、転動体１８の直径Ｄ１は、６ｍｍであり、上ケース２２の上部転動面２２Ａ及び下ケース２４の下部転動面２４Ａが形成するそれぞれの円弧の半径Ｒは、７ｍｍである。つまり、従来の球ジョイントでは上下のケースをボルト等で締め付けた際に転動面が球型になるのに対して、本実施の形態に係る球ジョイント１０では、転動面２２Ａ、２４Ａの半径Ｒが小さく且つ円周方向に沿って延びる円弧状の溝形状になっており、さらに、従来の球ジョイントと比較して、中心球１４の直径が小さくなると共に転動体１８の直径が大きくなっている。
【００２７】
そして、この上部転動面２２Ａが形成する円弧の中心Ｃ１は、上ケース２２と下ケース２４との間を仕切る接合線ＰＬから上側に１．９９ｍｍの位置であって、中心球１４の中心Ｏを通って図２の上下方向に延びる中心線ＣＬから３．７７ｍｍの位置に存在している。また、下部転動面２４Ａが形成する円弧の中心Ｃ２は、この接合線ＰＬから下側に１．７ｍｍの位置であって、この中心線ＣＬから２．３６ｍｍの位置に存在している。
【００２８】
つまり、２列配置された転動体１８の内の一方の列である図２における上側の列の転動体１８が接する上ケース２２の上部転動面２２Ａと、２列配置された転動体１８の内の他方の列である図２における下側の列の転動体１８が接する下ケース２４の下部転動面２４Ａとで、転動面が形成する円弧の中心位置が、相互に異なっていることになる。
【００２９】
そして、以上のような位置関係で転動面２２Ａ、２４Ａがそれぞれ形成する円弧の中心Ｃ１、Ｃ２が位置し、また複数の転動体１８が中心球１４の外周面とケース１２の一対の転動面２２Ａ、２４Ａとの間に介在して配置されているので、これら転動面２２Ａ、２４Ａがそれぞれ形成する円弧の中心Ｃ１、Ｃ２に対して中心球１４の中心Ｏが位置ずれした状態で、この中心球１４がケース１２内に配置されることになる。
【００３０】
次に、本実施の形態に係る球ジョイント１０の作用を詳細に説明する。
本実施の形態に係る球ジョイント１０は、球状に形成された中心球１４が、円弧状の断面とされた一対の転動面２２Ａ、２４Ａを内側に有したケース１２の内部に配置された構造となっている。そして、この中心球１４には軸材１６の一端が連結されており、また中心球１４とケース１２との間には、この軸材１６の一端が内側に位置する形のリング状に、転動体１８が２列配置されている。これら中心球１４と上部転動面２２Ａとの間には、転動体１８を保持する為の保持器２０が配置されており、２列配置された転動体１８の内の軸材１６の一端寄りに位置する上側の列の転動体１８をこの保持器２０が保持している。
【００３１】
さらに、本実施の形態では、これら中心球１４とケース１２との間に複数の転動体１８が介在されることで、ケース１２の転動面２２Ａ、２４Ａがそれぞれ形成する円弧の中心Ｃ１、Ｃ２に対して、中心球１４の中心Ｏが位置ずれした状態で、中心球１４がケース１２内に配置されることになる。
【００３２】
つまり、本実施の形態では、２列配置された転動体１８の内の一方の列である図１及び図２における上側の列の転動体１８が接する上ケース２２の上部転動面２２Ａと、２列配置された転動体１８の内の他方の列である図１及び図２における下側の列の転動体１８が接する下ケース２４の下部転動面２４Ａとで、転動面が形成する円弧の中心位置が相互に異なり、これらの中心位置に対して中心球１４の中心Ｏが位置ずれした状態となっている。
【００３３】
これに伴い、本実施の形態の球ジョイント１０においては、従来の球ジョイントと比較して、中心球１４の直径を小さくすると共に転動体１８の直径を大きくした構造とするだけでなく、図２に示すように、中心球１４と転動体１８との間の接点Ａと、転動体１８とケース１２の上部転動面２４Ａとの間の接点Ｂとを結んだ直線Ｌが、中心球１４の中心Ｏを通らない形になる。
【００３４】
すなわち、リテーナである保持器を用いた球ジョイントでは、揺動を繰り返した場合、こじれが生じて保持器が元の位置に戻らないような不具合が起きるおそれがあるが、上記の構造によれば保持器２０の動きが小さくなるので、転動体１８を保持し易くなると共に転動体１８に差動滑りを生じ易くなる。
【００３５】
以上より、従来の球ジョイントと比較して、球ジョイント１０の中心球１４の直径を小さくすると共に転動体１８の直径を大きくしたことと合わせて、本実施の形態の球ジョイント１０では、軸材１６を揺動するように傾けた場合、転動体１８が転動面２２Ａ、２４Ａを転がるものの、従来の球ジョイントよりも軸材１６の揺動量に比べて転動体１８の移動量が小さくなる。
【００３６】
この為、軸材１６の一端寄りに位置する上側の列の転動体１８を保持器２０で保持した構造となっている本実施の形態の球ジョイント１０でも、ケース１２の開口部１２Ａの内壁面に軸材１６が当たるまで、軸材１６を傾けることができる。尚、下側の列の転動体１８は保持器２０で保持されていないが、図２に示す直径Ｄ、半径Ｒの大きさや中心Ｃ１、Ｃ２の位置関係から、この下側の列の転動体１８の位置が大きく変わることはない。
【００３７】
以上の結果として、本実施の形態に係る球ジョイント１０によれば、ケース１２の開口部１２Ａからの転動体１８の飛び出しや、中心球１４と転動体１８、保持器２０のこじれが生じるという不具合が解消され、軸材１６の揺動角が大きくなって３自由度で４５°の揺動角を有するだけでなく、この球ジョイント１０の構成部品を減らして製造コストの低減を図ることが可能となった。
【００３８】
つまり、本実施の形態の球ジョイント１０は、球状に形成された中心球１４を有していることから、図１に示すＸ方向への揺動、Ｙ方向への揺動及び、Ｚ方向への回転が可能な３自由度を有しており、さらにＸ方向及びＹ方向の揺動の際の揺動角θが４５°の角度を満たすことになる。
【００３９】
尚、本実施の形態に係る球ジョイントは、例えば３軸マシニングセンタのテーブル上に設置して６軸加工を行う為の加工テーブルを支持するパラレルリンク機構に適用できるが、他の用途に適用することにしても良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の上記構成によれば、転動体の飛び出しやこじれを無くしつつ、３自由度で４５°の揺動角を可能にした球ジョイントを提供できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る球ジョイントの基本構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る球ジョイントの要部を拡大して表す断面図（但し、保持器は図示を省略する）である。
【図３】第１の従来例に係る球ジョイントを示す部分断面図である。
【図４】第２の従来例に係る球ジョイントを示す断面図である。
【符号の説明】
１０球ジョイント
１２ケース
１４中心球
１６軸材
１８転動体
２０保持器
２２上ケース
２２Ａ上部転動面
２４下ケース
２４Ａ下部転動面

Claims

軸材の一端が連結され且つ球状に形成された中心球と、
円弧状の断面とされた転動面を内側に有し且つ、中心球を内部に配置したケースと、
軸材の一端が内側に位置する形のリング状で２列それぞれ中心球と転動面との間に配置された複数の転動体と、
を有する球ジョイントであって、
複数の転動体の介在によって、ケースの転動面が形成する円弧の中心に対して中心球の中心が位置ずれした状態で、中心球が配置されることを特徴とする球ジョイント。
中心球と転動面との間に保持器が配置され、２列配置された転動体の内の軸材の一端寄りに位置する列の転動体をこの保持器が保持することを特徴とする請求項１記載の球ジョイント。
２列配置された転動体の内の一方の列の転動体が接する転動面と、２列配置された転動体の内の他方の列の転動体が接する転動面とで、転動面が形成する円弧の中心位置が相互に異なることを特徴とする請求項１記載の球ジョイント。