JP2008286323A - 直動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】公知のボール式直動機構よりも高い剛性を発揮できる直動機構を提供する。
【解決手段】本直動機構は、円柱状の軸１と、この軸１に挿通された筒体２と、軸１と筒体２との間隙に予圧状態に介在されたボール３とを備える。そして、軸１の外周面１１には多数の小穴５が設けられ、これら小穴５に転動体としてのボール３が回動可能に配置される。ボール３は、小穴５の位置に保持されて、小穴５内ではすべり接触し、筒体２の内周面２１とは転がり接触するように構成される。これにより、ボール３は、小穴５に包み込まれるように面当りとなるので、ボール３と軸１との間の接触面積が大きくなり、直動機構の剛性を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸と筒体との間隙に多数の転動体が介在されて軸と筒体とを相対的に軸線方向に移動自在に組み付けられた直動機構に関する。

従来、直動機構として、図９に示すように、軸１０１とこれに挿通する筒体１０２との間隙に、リテーナ１０７に保持したボール１０３を介在させて、ボール１０３を軸１０１の平滑な外周面１１１と筒体１０２の平滑な内周面１２１との間に転がり接触させたボール式の直動機構が知られている。この直動機構は、ボール１０３によって軸１０１と筒体１０２との間の摺動抵抗が低く抑えられて直動往復移動することができる。

また、図１０に示すように、ボールネジ式の直動機構として、ネジ軸２０１の外周面とナット２０２の内周面とに設けられたネジ溝２０５，２０６間にボール２０３を転がり接触させて、ネジ軸２０１とナット２０２との間の摺動抵抗を抑えたものがある。
特公昭６２−４８０８９号公報

ところで、上記ボール式直動機構（図９）は、ボール１０３が軸１０１の外周面１１１及び筒体１０２の内周面１２１に対してそれぞれに点当りとなって接触面積が小さいため、剛性が低いという問題があった。
また、軸１２１と筒体１０２との相対移動に伴ってボール１０３も移動するため、この際、ボール１０３が微小なスリップを起こしてリテーナ１０７が徐々に軸線方向へ位置ズレを起こすことがある。そのため、軸１０１と筒体１０２とに対するボール１０３の接触部分が減少してさらに剛性を低下させる。

一方、上記ボールネジ式直動機構（図１０）においても、ボール２０３は各ネジ溝２０５，２０６に対して点当りとなって接触面積が小さいため、このものも剛性が低いものである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上記従来の直動機構よりも高い剛性を発揮できる直動機構を提供することを課題とする。

（１）本発明に係る直動機構は、
軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体が予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に直動自在に組み付けられた直動機構であって、
軸の外周面又は筒体の内周面に多数の小穴が設けられ、
転動体が各小穴に回動可能に配置されて小穴とこれに対向する周面との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。
上記構成より、転動体は、小穴に嵌り込んで包み込まれるように面当りとなるので、転動体における接触面積が大きくなる。
また、転動体は、各小穴の位置に保持され位置ズレすることがない。従って、転動体の位置ズレによって軸と筒体とに対する転動体の接触部分が減少して剛性を低下させることもない。

（２）本発明に係る直動機構は、
軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体が予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に直動自在に組み付けられた直動機構であって、
軸の外周面又は筒体の内周面のいずれか一方には、多数の小穴が、軸線方向に直線状に整列され、且つ周方向に複数列に設けられ、
他方には、凹溝が、小穴の列に対応して軸線方向に直線状に延び、且つ周方向に複数列に設けられ、
転動体が各小穴に回動可能に配置されて小穴と凹溝との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。
上記構成より、転動体は、小穴に嵌り込んで包み込まれるように面当りとなり、且つ、凹溝にも嵌り込んで面当りとなるので、転動体における接触面積が大きくなる。
また、転動体は、各小穴の位置に保持され位置ズレすることがない。従って、転動体の位置ズレによって軸と筒体とに対する転動体の接触部分が減少して剛性を低下させることもない。

（３）上記凹溝の断面形状は、サーキュラーアーク形状又はゴシックアーク形状とすることができる。
凹溝をサーキュラーアーク形状とすることで、凹溝の底部にて転動体が転がり接触される。
一方、凹溝をゴシックアーク形状とすることで、凹溝の各円弧面にて転動体が転がり接触され、荷重が加わっても軸と筒体との間のガタ付きを抑えることができる。

（４）本発明に係る直動機構は、
円柱状の軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体となるボールが予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に回転して直動自在に組み付けられた直動機構であって、
軸の外周面又は筒体の内周面のいずれか一方には、多数の小穴が、軸線方向に螺旋状に並べて設けられ、
他方には、凹溝が、小穴に対応して軸線方向に螺旋状に設けられ、
ボールが各小穴に回動可能に配置されて小穴と凹溝との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。
上記構成より、ボールは、小穴に嵌り込んで包み込まれるように面当りとなり、且つ、凹溝にも嵌り込んで面当りとなるので、ボールにおける接触面積が大きくなる。

（５）上記転動体は、軸と筒体との間隙に挿通されたリテーナによって回動可能に保持されていてもよい。
これにより、軸と筒体との間の相対的なストロークが長く、転動体が筒体から露出されても、転動体が軸の小穴から脱落することを防止できる。

（６）上記小穴は、軸の外周面に設けられ、
軸の内部に油溜め用の中心穴が設けられると共に、この中心穴と各小穴とを連通する連通路が設けられ、
中心穴と各連通路には、潤滑剤を浸み込ませる繊維質材料が充填されて、中心穴の潤滑剤が各小穴の転動体に注油されるように構成されてもよい。
上記構成より、転動体における摩擦抵抗が抑制され、転動体の回動を円滑に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、軸又は筒体に設けた多数の小穴に転動体を配置することにより、転動体における接触面積が大きくなり、その結果、直動機構の剛性を高くすることができる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）に示すように、実施の形態１による直動機構は、円柱状の軸１と、この軸１に挿通された筒体２と、軸１と筒体２との間隙に予圧状態に介在されたボール（転動体）３とを備え、軸１が筒体２に対して軸線方向に相対的に直動自在に組み付けられたものである。特に、この直動機構では、軸１の外周面１１に多数の小穴５が設けられ、ボール３がこれら小穴５に回動可能に配置されて軸１と筒体２との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。ボール３は、スチール、ステンレス、セラミック等の球体が使用される。

上記小穴５は、軸１の外周面１１において、軸線方向に対して角度αに傾けた直線状に整列され、且つ周方向に複数列に配列されている。これにより、軸１の外周面１１に多くの小穴５を設けて、ボール３を多く配置することができる。また、各小穴５は、隣の列の小穴５と互い違いとなるように千鳥状に配列され、これにより、多くのボール３が軸１の外周面１１に均等に配列される。

図２に示すように、軸１に設けられた各小穴５は、ボール３よりやや大き目の概略半球状を有し、ボール３の一部が嵌り込む大きさに形成されている。この小穴５の形状は、同じＲ（曲率半径）を有する２つの球状凹面５０ａ，５０ｂで形成された、いわばゴシックアーク穴となっている。そして、各球状凹面５０ａ，５０ｂは、ボール３に対して軸１の半径方向より約４５度の角度から接触される。各球状凹面５０ａ，５０ｂのＲ（曲率半径）は、ボール３のＲ（曲率半径）よりも僅かに大きく設定され、例えば、ボール３が０．５Ｒとすると０．５３Ｒ〜０．６Ｒの範囲に設定される。また、小穴５の深さは、ボール３が上記４５度位置に接触される範囲で適宜に設定され、この実施の形態１では、ボール３の約１／３程度が埋め込まれる深さとなっている。そして、ボール３は、予圧状態で小穴５内に嵌り込むので、小穴５の各球状凹面５０ａ，５０ｂに対して面当りとなってすべり接触される。

一方、筒体２の内周面２１は、平滑面となっており、軸１の各小穴５に配置したボール３が点当りとなって転がり接触される。そして、軸１の小穴５底部と筒体２の内周面２１との間隙は、ボール３の直径よりも僅かに狭く設定されるので、軸１に筒体２を挿通すると、各ボール３に予圧が付与される。このボール３への予圧量としては、例えば、３μｍ〜１０μｍの範囲で設定できる。

なお、ボール３を組み込む際は、潤滑剤でボール３を小穴５に付着させるか、冶具等でボール３を小穴５に保持させる等して、筒体２を軸１に挿通させる。あるいは、後述するリテーナによってボール３を保持させて、筒体２を軸１に挿通させて組み付けてもよい。

また、図３に示すように、軸１には、潤滑剤の給油構造として、軸１の中心部に比較的大きな油溜め用の中心穴４が設けられると共に、この中心穴４と各小穴５とを連通する連通路４１が設けられ、そして、この中心穴４と各連通路４１には、潤滑剤を浸み込ませるフエルト（繊維質材料）Ｆ１，Ｆ２が充填されている。この連通路４１に充填するフエルトＦ２は、小穴５の底部に有するボール３と非接触の微小空間５１に露出させてボール３と接触され（図２参照。）、毛管現象によって中心穴４の潤滑剤が少しずつ各ボール３に注油されるようにしている。なお、連通路４１に充填するフエルトＦ２は、潤滑剤が小穴５内に注油されるのであれば、必ずしもボール３に接触されなくてもよい。このようにして各ボール３に潤滑剤を注油することで、ボール３における摩擦抵抗が抑制され、ボール３の回動が円滑に行われる。

以上の構成の直動機構によれば、軸１と筒体２とが相対的に直動すると、ボール３は、軸１の各小穴５の位置に保持されて、小穴５内ではすべり状態で回動し、筒体２の内周面２１上では転がる。
この際、ボール３は、軸１の小穴５に嵌り込んで球状凹面５０ａ，５０ｂに包み込まれるように面当りとなっているので、従来例のボール式直動機構のようなボール１０３と軸１０１の外周面１１１とが凸面同士の小さな点当りとなったものと比べ、ボール３と軸１との間の接触面積が大きくなるから、直動機構の剛性を格段に高くすることができる。
また、ボール３は、各小穴５の位置に保持され位置ズレすることがない。従って、ボール３の位置ズレによって軸１と筒体２とに対するボール３の接触部分が減少して剛性を低下させることもない。

また、各ボール３は、軸１の小穴５内に埋め込まれるので、従来例のボール式直動機構と同じ外径サイズ（筒体２の外径）を保ち、径の大きいボール３を使用することができる。これにより、径の小さいボールを使用したときと比べ、ボール３の１個当りの表面積が大きくなって軸１の小穴５との接触面積が大きくなるから（小穴５も大きくなる）、さらに直動機構の剛性を高くすることができる。
さらに、この直動機構は、剛性が高くなるから、従来例よりも予圧量を小さくすることでボール３の接触部での摩耗を低減して耐久性を向上することができる。

なお、各ボール３は、必要に応じてリテーナ（図示せず）によって回動可能に保持するようにしてもよい。このリテーナとしては、例えば、周壁にボール３を回動可能に保持する窓孔が設けられた樹脂製等の筒部材で構成される。これにより、軸１と筒体２との相対的な直動ストロークが長く、ボール３が筒体２から露出されても、軸１の小穴５からボール３が脱落することを防止できる。なお、軸１と筒体２との相対的な直動ストロークが短くボール３が筒体２から露出されない場合は、必ずしもリテーナを設ける必要はない。

（実施の形態２）
図４（ａ）（ｂ）に示すように、実施の形態２の直動機構は、軸１の外周面１１における多数の小穴５が、軸線方向に直線状に整列され、且つ周方向に複数列に配列されており、一方、筒体２の内周面２１には、凹溝６が、軸１の小穴５の列に対応して、軸線方向に直線状に延び、且つ周方向に複数列に設けられている。ボール３は、予圧状態に各小穴５と各凹溝６との間に配置されて軸１と筒体２との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。なお、各ボール３は、必要に応じてリテーナ（図示せず）によって回動可能に保持されてもよい。

図５に示すように、筒体２の凹溝６の断面形状は、ボール３の一部が嵌り込む円弧状のサーキュラーアーク溝となっており、この凹溝６のＲ（曲率半径）は、例えば、ボール３のＲ（曲率半径）よりも１〜５％程度大きく設定される。そして、この凹溝６の底部にボール３が広く接触される。ボール３は、予圧状態で小穴５と凹溝６との間に嵌り込むので、凹溝６に対し円弧状に面当りとなって転がり接触される。その他の構成は、上記実施の形態１と同様である。

この実施の形態２の直動機構によれば、軸１と筒体２とは回転が規制されて相対的に直動し、ボール３は、軸１の各小穴５の位置に保持されて、小穴５内ではすべり状態で回動し、筒体２の凹溝６内では転がる。
この実施の形態２では、上記実施の形態１と同様に、ボール３は、軸１の小穴５に包み込まれるように面当りとなり、ボール３と軸１との間の接触面積が大きい。

加えて、ボール３は、筒体２の凹溝６に対し円弧状に面当りとなっているので、ボール３と筒体２との間の接触面積も大きくなり、さらに直動機構の剛性を高くすることができる。因みに、筒体２の凹溝６のＲをボール３のＲよりも１〜５％程度大きくしてボール３を凹溝６に面接触させることで、上記実施の形態１のものと比べ、直動機構の剛性を数倍程度高くすることが可能となる。その他の作用効果は、上記実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
図６（ａ）（ｂ）に示すように、実施の形態３の直動機構は、上記実施の形態２において、筒体２の内周面２１に設けた凹溝６の断面形状を、同じＲ（曲率半径）を有する２つの円弧面６０ａ，６０ｂで形成されたゴシックアーク溝としたものである。各円弧面６０ａ，６０ｂのＲ（曲率半径）は、ボール３のＲ（曲率半径）よりも僅かに大きく設定され、例えば、ボール３が０．５Ｒに対して０．５１Ｒ〜０．５５Ｒの範囲に設定される。そして、各円弧面６０ａ，６０ｂは、ボール３に対して軸１の半径方向より約４５度の角度で接触される。ボール３は、予圧状態で小穴５と凹溝６との間に嵌り込むので、凹溝６に対し円弧状に面当りとなって転がり接触される。その他の構成は、上記実施の形態２と同様である。

この実施の形態３の直動機構によれば、軸１と筒体２とは回転が規制されて相対的に直動し、ボール３は、軸１の各小穴５の位置に保持されて、小穴５内ではすべり状態で回動し、筒体２の凹溝６内では転がる。
この実施の形態３では、上記実施の形態２と同様に、ボール３と軸１の小穴５及び筒体２の凹溝６との間の接触面積が大きくなるから、直動機構としての剛性が格段に高くなる。

そして、直動に際し、軸１と筒体２との間に回転力（ねじれ）が作用しない場合は、ボール３と小穴５及び凹溝６との間で、軸１の半径方向と平行位置で負荷が受け止められる。従って、ガタ付くことなく高精度に直動することができる。
一方、軸１と筒体２との間に回転力（ねじれ）が作用する場合は、ボール３と小穴５及び凹溝６との間で、軸１の半径方向に対し４５度位置で負荷が受け止められる。これにより、スプライン荷重に対してガタ付くことなく、高精度にトルク伝達することも可能となる。

ところで、既存のすべり案内式のスプライン軸受機構では、スプライン溝を研削したものでも僅かにガタがあり、高度に直動精度が要求されるものには不向きである。また、既存のボールスプライン軸受機構では、ボール３を循環させるための構造が複雑で高価となる。
これに対して、実施の形態３の直動機構では、上述のとおり、スプライン荷重に対してもガタ付きがなく、しかも簡単な構造で高剛性が発揮され、高精度に直動及びトルク伝達できるスプライン軸受機構が得られる。その他の作用効果、上記実施の形態１と同様である。

（実施の形態４）
図７（ａ）（ｂ）に示すように、この実施の形態４の直動機構は、ボールネジ式の直動機構を構成するものであって、軸１の外周面１１には、多数の小穴５が、軸線方向に螺旋状に配列され、一方、筒体２の内周面２１には、凹溝６が、軸１の小穴５に対応して軸線方向に螺旋状に設けられている。そして、ボール３は、リテーナ７によって保持され、各小穴５と各凹溝６との間に予圧状態に介在されて軸１と筒体２との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている。なお、軸１と筒体２との相対的なストロークが短く、ボール３が筒体２から露出されない場合には、上記リテーナ７は、設けなくてもよい。

図８に示すように、筒体２の内周面２１に設ける凹溝６の断面形状は、同じＲ（曲率半径）を有する２つの円弧面６０ａ，６０ｂで形成されたゴシックアーク溝となっており、各円弧面６０ａ，６０ｂは、軸１の小穴５の各球状凹面５０ａ，５０ｂと対面されている。そして、ボール３は、各円弧面６０ａ，６０ｂに対して約４５度の角度で転がり接触され、各球状凹面５０ａ，５０ｂに対して約４５度の角度ですべり接触される。その他の構成は、上記実施の形態１，３と同様である。

この実施の形態４の直動機構によれば、ボールネジとして例えば軸１が回転されて筒体２が直動すると、ボール３は、軸１の各小穴５の位置に保持され、小穴５内ではすべり状態で回動し、筒体２の凹溝６内では転がる。
この際、ボール３は、予圧が付与され軸１の小穴５に嵌り込んで包み込まれるように面当りとなってボール３と軸１との間の接触面積が大幅に大きくなるから、従来のボールネジ（図１０）のように、ボール２０３が、軸２０１のネジ溝２０５に対して点当りで転がり接触されるものと比べ、直動機構の剛性を格段に高くすることができる。

また、ボール３と軸１の小穴５及び筒体２の凹溝６とは約４５度の角度で接触されている。従って、軸１の直動に際し軸１と筒体２との間に作用するスラスト力に対して、ボール３と軸１の小穴５及び筒体２の凹溝６との間で４５度位置に負荷が受け止められる。これにより、スラスト荷重に対してガタ付くことなく高剛性が発揮され、高精度に直動可能なボールネジ機構が得られる。その他の作用効果は、上記実施の形態１と同様である。

以上のとおり、本発明は、上記各実施の形態として示されるが、これら実施の形態のみに限定されず、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、上記小穴５は、筒体２の内周面２１に設けるようにしてもよい。この場合、実施の形態２〜４では、凹溝６を軸１の外周面１１に設けることとなる。
また、上記小穴５は、ボール３のＲよりも僅かに大きいＲを有する、いわばサーキュラーアーク穴としてもよい。
また、実施の形態１〜３では、ボール３に代えて、各種のローラ（円柱状、太鼓状、鼓状などのローラ）を用いてもよい。この場合、小穴５や凹溝６は、ローラの形状と合わせる必要がある。
また、本直動機構は、例えば、半導体製造装置の昇降機、金型ダイセット、ロボットアーム、テーブル搬送装置などの各種機械設備の直動機構に適用することができる。

実施の形態１による直動機構の構成を示す断面図である。 実施の形態１の直動機構において、ボールを配置する小穴を示す拡大断面図である。 実施の形態１の直動機構における給油構造を示す断面図である。 実施の形態２による直動機構の構成を示す断面図である。 実施の形態２の直動機構において、ボールを配置する小穴及び凹溝を示す拡大断面図である。 実施の形態３の直動機構において、ボールを配置する小穴及び凹溝を示す拡大断面図である。 実施の形態４による直動機構の構成を示す断面図である。 実施の形態４の直動機構において、ボールを配置する小穴及び凹溝を示す拡大断面図である。 従来のボール式直動機構の構成を示す断面図である。 従来のボールネジ式直動機構の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 軸
２ 筒体
３ ボール（転動体）
４ 中心穴
５ 小穴
６，６Ｘ 凹溝
７ リテーナ
１１ 外周面
２１ 内周面
４１ 連通孔
５０ａ，５０ｂ 球状凹面
６０ａ，６０ｂ 円弧面
Ｆ１，Ｆ２ フエルト（繊維質材料）

Claims (6)

1. 軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体が予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に直動自在に組み付けられた直動機構であって、
   軸の外周面又は筒体の内周面に多数の小穴が設けられ、
   転動体が各小穴に回動可能に配置されて小穴とこれに対向する周面との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている直動機構。
2. 軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体が予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に直動自在に組み付けられた直動機構であって、
   軸の外周面又は筒体の内周面のいずれか一方には、多数の小穴が、軸線方向に直線状に整列され、且つ周方向に複数列に設けられ、
   他方には、凹溝が、小穴の列に対応して軸線方向に直線状に延び、且つ周方向に複数列に設けられ、
   転動体が各小穴に回動可能に配置されて小穴と凹溝との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている直動機構。
3. 請求項２に記載の直動機構において、
   上記凹溝の断面形状は、サーキュラーアーク形状又はゴシックアーク形状とする直動機構。
4. 円柱状の軸とこの軸に挿通された筒体との間隙に、転動体となるボールが予圧状態に介在されて軸が筒体に対し相対的に回転して直動自在に組み付けられた直動機構であって、
   軸の外周面又は筒体の内周面のいずれか一方には、多数の小穴が、軸線方向に螺旋状に並べて設けられ、
   他方には、凹溝が、小穴に対応して軸線方向に螺旋状に設けられ、
   ボールが各小穴に回動可能に配置されて小穴と凹溝との間ですべり接触及び転がり接触するように構成されている直動機構。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の直動機構において、
   上記転動体は、軸と筒体との間隙に挿通されたリテーナによって回動可能に保持されている直動機構。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の直動機構において、
   上記小穴は、軸の外周面に設けられ、
   軸の内部に油溜め用の中心穴が設けられると共に、この中心穴と各小穴とを連通する連通路が設けられ、
   中心穴と各連通路には、潤滑剤を浸み込ませる繊維質材料が充填されて、中心穴の潤滑剤が各小穴の転動体に注油されるように構成されている直動機構。

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