JP2010270828A

JP2010270828A - 球面軸受

Info

Publication number: JP2010270828A
Application number: JP2009123161A
Authority: JP
Inventors: Sosaku Kimura; 壮作木村
Original assignee: MECHA CELL CO Ltd; MECHA-CELL CO Ltd
Current assignee: MECHA CELL CO Ltd; MECHA-CELL CO Ltd
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】ロボットや多自由度ステージ等に用いられる球面軸受に要求される、広い揺動角度と高い軸受剛性とを有し、回転揺動方向の平滑な動作と微小な角度の位置決めとを可能にし、且つ、長期間にわたって高精度を維持できる高い耐久性の全てを満足する球面軸受を提供する。
【解決手段】軸部と球体部とを有する回転揺動体と、この回転揺動体の球体部に外嵌する凹面部を有する軸受体とから構成される球面軸受において、前記軸受体の凹面部を半球若しくはそれより浅い球面状に形成し、且つ、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方を磁石として、この磁石の吸引力によって前記揺動回転体と前記軸受体とを一体に保持すると共に、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方に静圧ポケットを刻設して、該静圧ポケットに圧油を供給して静圧軸受とすることを特徴とする球面軸受によって達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸部と球体部とを有する回転揺動体と、この回転揺動体の球体部に外嵌する凹面部を有する軸受体とから構成される球面軸受に関するものであり、特に、広い揺動角度と高い軸受剛性とを有し、回転揺動方向の平滑な動作と微小な角度の位置決めとを可能にし、且つ、長期間にわたって高精度を維持できる高い耐久性が求められる球面軸受に関するものである。

軸部と球体部とを有する回転揺動体と、この回転揺動体の球体部に外嵌する凹面部を有する軸受体とから構成され、回転揺動体を回転、揺動させる球面軸受は公知となっており、特許文献１の図１、特許文献２の図７に示されているように、回転揺動体（特許文献１では内輪１、特許文献２ではボールシャンク１）の球体部を軸受体（特許文献２では外輪３、特許文献２では樹脂ライナ３）の凹面部で包み込んで保持するように構成されている。

このように、回転揺動体の球体部を軸受体の凹面部で包み込んで一体に保持するためには、軸受体の凹面部は、回転揺動体の球体部の最大径を挟む両側を同時に包み込んで保持することが必要であり、組み付ける際には、軸受体の凹面部を回転揺動体の球体部の最大径よりわずかに超えた深さにして、軸受体の凹面部に回転揺動体の球体部を無理に押し込むことによって組み付けるか、軸受体の凹面部を２個以上に分割して、これを組み合わせて回転揺動体の球体部を包み込まなければならない。

尚、引用文献２に記載されている発明は、前者の構造の球面軸受の変形例であって、回転揺動体に相当するボールシャンク１の球体部（ボール部１０）に樹脂ライナ３を射出成型し、更にその外側にホルダ２をダイカスト鋳造して一体とするもので、特殊な製造方法を採用することによって、回転揺動体の球体部のより広い面積を軸受体の凹面部で包み込んで保持しようとするものである。

前者の構造の球面軸受は、分解することは不可能であって、組み立てた後は、回転揺動体の球体部と軸受体の凹面部との接触面を見ることは全く出来ず、接触面の仕上り状況や片当たりの有無などを確認することは出来ない。

このため、従来技術では、軸受体の凹面部を軟質の金属やプラスチックで形成して、回転揺動体の球体部と軸受体の凹面部との接触部に片当たりが生じても焼付きなどが生じないように構成されていた。このことは、逆にいうと、磨耗が生じやすいことであり、このため、長期間にわたって高精度を維持することは困難であった。

また、後者の構造の球面軸受では、分解して接触面の仕上り状況や片当たりの有無などを確認することは可能であるが、分解して再組立するたびに微妙に組み立て位置が変動するので、分解前の状態に完全に復旧することは不可能であり、どうしても片当たりなどが生じやすくなることは避けられない。

このため、特許文献３に記載されている発明では、酸化物超電導体と永久磁石とを組み合わせることによって、軸受面が相互に接触しない非接触の球面軸受を構成し、片当たりや磨耗が発生することを防止しようとしているが、マイスナー効果で磁気浮上させるためには、通常ではあまり取り扱わない程度の低温環境が必要であり、このような冷却環境にするためには、高価な液体ヘリウムなどの冷媒が必要となって、実際にこのような球面軸受を使用することは、非常に限定的な用途のみとならざるを得ない。

また、このように、回転揺動体の球体部を軸受体の凹面部で包み込んで保持する球面軸受は、例えば特許文献２の図７に示すように、軸受体の開口部を回転揺動体の軸部が貫通する構造となっているので、軸受体の開口部の大きさにもよるが、回転揺動体の軸部の揺動角度は、大きいもので６０度〜３０度、一般には１５度以下の微小な揺動角度が限度となっているものが普通である。

回転揺動体の揺動角度を大きくするために、特許文献４の図２に示すように、軸受体の凹面部を半球より浅い球面状に形成し、軸受体の半球状の凹面部を永久磁石として、この磁石の吸引力によって回転揺動体と軸受体とを一体に保持するものが知られている。しかしながら、この構造では、磁石の吸引力によって吸引され、回転揺動体と軸受体とが相互に接触して一体に保持されるので、回転揺動体を回転、揺動することは困難となり、特許文献４の実施例のように、回転揺動体と軸受体とを一体に固定する用途以外には用いることが困難であった。

以上に述べたように、従来技術の球面軸受では、ロボットや多自由度ステージ等に用いられる球面軸受に要求される、広い揺動角度と高い軸受剛性とを有し、回転揺動方向の平滑な動作と微小な角度の位置決めとを可能にし、且つ、長期間にわたって高精度を維持できる高い耐久性の全てを満足することはできなかった。

特開平１０−２１３１３５号公報図１特開２００５−２６５１３５号公報図７特開平１−２４２８２０号公報第２図特開平１１−１８２５２９号公報図２

本発明は、上記の従来技術の問題点を解消して、ロボットや多自由度ステージ等に用いられる球面軸受に要求される、広い揺動角度と高い軸受剛性とを有し、回転揺動方向の平滑な動作と微小な角度の位置決めとを可能にし、且つ、長期間にわたって高精度を維持できる高い耐久性の全てを満足する球面軸受を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、軸部と球体部とを有する回転揺動体と、この回転揺動体の球体部に外嵌する凹面部を有する軸受体とから構成される球面軸受において、前記軸受体の凹面部を半球若しくはそれより浅い球面状に形成し、且つ、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方を磁石として、この磁石の吸引力によって前記揺動回転体と前記軸受体とを一体に保持すると共に、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方に静圧ポケットを刻設して、該静圧ポケットに圧油を供給して静圧軸受とすることを特徴とする球面軸受を提供するものである。

そして、前記磁石が永久磁石であって、前記軸受体の半球状の凹面部が磁化され、前記回転体の球体部が強磁性体で形成されていることが望ましい。或いは、前記静圧ポケットが、前記軸受体の半球状の凹面部に刻設されていることが望ましく、更に、前記静圧軸受は、アルミナ又はジルコニア製の絞りを有することが望ましい。

本発明は、このように構成されているので、ロボットや多自由度ステージ等に用いられる球面軸受に要求される、広い揺動角度と高い軸受剛性とを有し、回転揺動方向の平滑な動作と微小な角度の位置決めとを可能にし、且つ、長期間にわたって高精度を維持できる高い耐久性の全てを満足する球面軸受を提供することできるという効果を有するものである。

本発明の球面軸受をジョイント装置に採用した例を示す断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は、本発明の球面軸受をジョイント装置に採用した例を示す断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

図に示すように、この実施例のジョイント装置１の球面軸受２は、軸部３ａと球体部３ｂとを有する回転揺動体３と、この回転揺動体３の球体部３ｂに外嵌する凹面部４ａを有する軸受体４とから構成されている。この軸受体４の凹面部４ａは、半球状若しくはそれより浅い球面状（図１では半球状）に形成されている。

そして、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の半球状の凹面部４ａとの少なくとも一方（本実施例では軸受体４の凹面部４ａ）を磁石として、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の半球状の凹面部４ａとがこの磁石の作用によって吸引され、回転揺動体３の球体部３ｂが軸受体４の凹面部４ａに吸着された状態で保持されている。

この磁石は、球面軸受に加えられる負荷や後述する静圧軸受の支持力に対応するように吸引力を制御するために電磁石とすることもできるが、通常は、取扱いを容易にするために永久磁石とすることが望ましく、回転揺動体３が大きく揺動しても磁石の作用が変動しないように、軸受体４の半球状の凹面部４ａが磁化され、回転体３の球体部３ｂが強磁性体で形成されていることが望ましい。

この磁石の磁極の位置と数は、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の半球状の凹面部４ａとが相互に吸引して保持するに適した任意の位置に任意の数だけ配置すれば良く、軸受体４の軸方向に沿ってＮ極とＳ極を配置しても良く、或いは、円周方向に沿って配置しても良い。

本発明では、このように、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の半球状の凹面部４ａとの少なくとも一方を磁石として、この磁石の吸引力によって回転揺動体３と軸受体４とが吸着されて一体に保持されているので、回転揺動体３と軸受体４とが分離することはなく、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の凹面部４ａとの間に異物が混入するようなことは生じない。そして、この磁石は、所要の吸引力を得るためには高い磁力を有することが好ましいので、この点を勘案すると、加工が難しくなるが、ＮｄＦｅＢ系焼結磁石を採用することが望ましい。

回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の凹面部４ａとの間には、静圧軸受が形成されている。即ち、回転揺動体３の球体部３ｂと軸受体４の半球状の凹面部４ａとの少なくとも一方（本実施例では軸受体４の半球状の凹面部４ａ）に静圧ポケット４ｂ、４ｃが刻設されており、この静圧ポケット４ｂ、４ｃに圧油を供給して静圧軸受が構成されている。静圧ポケット４ｂ、４ｃは、圧油を供給する配管等を考慮すると、回転、揺動しない軸受体４の側に設けることが望ましい。

静圧軸受のための圧油は、軸受体４に外嵌するケース５に配置された給油口５ａ（端子を取り付ける管用ねじのみを示す）に接続するリング状の給油溝６ａから、静圧ポケット４ｂ、４ｃに連通する給油孔６ｂ、６ｃを穿設し、この給油孔６ｂ、６ｃに絞り７ａ、７ｂを挿入して配置し、この給油路を通して圧油が供給される。

この絞り７ａ、７ｂは、アルミナ又はジルコニア製とすることが望ましい。絞り７ａ、７ｂをアルミナ又はジルコニア製とすることによって、絞りの寸法を高精度に仕上げることができるので静圧軸受の理論値と実際の軸受の特性の差異を小さくすることができる共に、絞り７ａ、７ｂの内面を鏡面加工とすることが容易で、圧油として使用される潤滑油の中の不純物等による目詰まりを防止することができる。

本実施例では、図２に示すように、静圧ポケット４ｂはリング状の溝として、静圧ポケット４ｃは４個に分割された円弧状の溝として形成されている。しかし、静圧ポケット４ｂ、４ｃの形状はこれに限定されるものではなく、必要に応じて、任意の形状とすることができることは勿論である。また、溝の断面形状は、明瞭に図示するために、拡大した形状で図示したものであって、静圧ポケットとして必要な任意の形状にすることができることは当然である。

静圧ポケット４ｂ、４ｃは、絞り７ａ、７ｂによって所定の圧力に制御された圧油によって回転揺動体３の球体部３ｂを支持する。一方、回転揺動体３と軸受体４とは、前述したように、磁石の吸引力によって吸引されているので、静圧軸受としては、球面軸受２に掛かる負荷と磁石の吸引力との双方を支持することになる。

静圧ポケット４ｂ、４ｃからランド４ｄ、４ｅ、４ｆに溢流した油は、軸受体４の凹面部４ａと回転揺動体３の球体部３ｂの間を潤滑しながら流れて、ランド部の潤滑油として作用し、軸受体４の上面に位置する上面カバー８に設けられた回収溝９と、この回収溝９に回収孔１０で連通する軸受体４の最奥部に位置する凹部１１とによって還流し、回収溝９に連通する回収口５ｂ（端子を取り付ける管用ねじのみを示す）から回収される。

回収孔１０は、回収溝９から穿孔された縦孔１０ａと、この縦穴１０ａに連通し、口元部が端栓１０ｃで閉塞され、軸受体４の最奥部に位置する凹部１１に連通する横孔１０ｂとからなっている。

上面カバー８は、前述したように、リング状の回収溝９を有しており、この回収溝９から回転揺動体３の球体部３ｂに沿って使用済みの油が外部に漏洩しないように、球体部３ｂに密着して配置されたＵパッキング１２が設けられている。そして、軸受体４の給油溝６ａの上部にも、圧油として作用する潤滑油が外部に漏洩しないようにＯリング１３が配置されており、上面カバー８は、２個の固定ボルト１４でケース５に固定されている。更に、上面カバー８からケース５を貫通して、このジョイント装置１を固定するための取付ボルト１５が４個配置されている。

以上に述べた実施例の回転揺動体３では、軸部３ａと球体部３ｂとが一体に構成されているが、球体部３ｂに軸部３ａを通す孔を設け、この孔に軸を通して固定し、軸部３ａとしても良いことは明らかであり、更に、この軸が球面軸受を貫通する構造としても良い。

以上のように構成されている球面軸受２では、軸受部が静圧軸受となっているので、軸受体４の凹面部４ａと回転揺動体３の球体部３ｂとの間の静圧ポケット４ｂ、４ｃに常に圧油が存在し、軸受体４の凹面部４ａと回転揺動体３の球体部３ｂとが接触することはなく、回転揺動体３と軸受体４とが滑らかに回転、揺動することのでき、且つ、軸受体４が硬質の金属であっても、焼付きや磨耗が生じることなく、長期間にわたって高い精度を維持することが可能な球面軸受を提供することができる。

また、図から明らかなように、本実施例では、回転揺動体３の軸部３ａの揺動角度が９０度であり、従来技術の軸受体の開口部に回転揺動体の軸部が貫通する構造のものの揺動角度が最大でも３０度〜６０度程度であることに比較すれば、非常に大きい揺動角度を得ることができる。そして、この揺動角度は、上面カバー８の形状を工夫することによって更に大きくすることができることは明らかである。

この構成の球面軸受は、回転揺動体３の球体部３ｂの直径を２５．４ｍｍとし、軸受体３にＮｄＦｅＢ系焼結磁石を使用したときに、磁石の吸引力を計算すると、静圧軸受の隙間（圧油の厚さ）が０．０１ｍｍのときに１６．４ｋｇｆであり、静圧軸受のためのポケットや凹部に磁石を設けたときには、その深さが０．５ｍｍのときに１４．０ｋｇｆ、１ｍｍのときに１１．７ｋｇｆの吸引力を生じることになる。この数値は、主として、一方向の軸方向の力を支持する場合には、球面軸受が分離しないために吸着させる吸引力としては十分なものであるが、限られたスペースのなかでより効果的な吸引力を得るためには、凹部又はポケット深さは０．５ｍｍ程度が好ましい。

また、静圧軸受の剛性は、供給油の圧力を1MPaとしたとき、約１ｋｇｆ／ミクロンであり、回転揺動体３の球体部３ｂの直径を２５．４ｍｍとしたときの負荷容量は、約１０ｋｇｆ程度となる。尚、これは供給油の圧力を上げることで初期条件に合った適正隙間を維持するとともに負荷容量を上げることも可能である。

本発明は、以上のように構成されているので、回転揺動体の軸部の揺動角度を大きくすることが可能であり、回転体と軸受体とが滑らかに回転、揺動することのでき、且つ、長期間にわたって高い精度を維持することが可能な球面軸受を提供することができるという効果を有するものである。

１ジョイント装置
２球面軸受
３回転揺動体
３ａ軸部
３ｂ球体部
４軸受体
４ａ凹面部
４ｂ，４ｃ静圧ポケット
４ｄ，４ｅ，４ｆランド
５ケース
５ａ給油口
５ｂ回収口
６ａ給油溝
６ｂ，６ｃ給油孔
７ａ，７ｂ絞り
８上面カバー
９回収溝
１０回収孔
１０ａ縦孔
１０ｂ横孔
１０ｃ端栓
１１凹部
１２Ｕパッキング
１３Ｏリング
１４固定ボルト
１５取付ボルト

Claims

軸部と球体部とを有する回転揺動体と、この回転揺動体の球体部に外嵌する凹面部を有する軸受体とから構成される球面軸受において、前記軸受体の凹面部を半球若しくはそれより浅い球面状に形成し、且つ、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方を磁石として、この磁石の吸引力によって前記揺動回転体と前記軸受体とを一体に保持すると共に、前記回転揺動体の球体部と前記軸受体の半球状の凹面部との少なくとも一方に静圧ポケットを刻設して、該静圧ポケットに圧油を供給して静圧軸受とすることを特徴とする球面軸受。
前記磁石が永久磁石であって、前記軸受体の半球状の凹面部が磁化され、前記回転体の球体部が強磁性体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の球面軸受。
前記静圧ポケットが、前記軸受体の半球状の凹面部に刻設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の球面軸受。
前記静圧軸受は、アルミナ又はジルコニア製の絞りを有することを特徴とする請求項３に記載の球面軸受。