JP2014163509A - 運動案内装置及び運動案内装置用のレール - Google Patents

Abstract

【課題】レールの弾性変形のし易さを確保しつつ、レールの中空部の四隅に発生する応力を抑制することができる運動案内装置用のレールを提供する。
【解決手段】平面上に配置したレール１を断面で見たとき、レール１は、水平面上に配置される底辺部１１、頂辺部１２、及び底辺部１１と頂辺部１２を繋ぐ左右一対の側壁部１４を備える。レール１の側壁部１４は、底辺部１１と鋭角をなす下辺部１６と、頂辺部１２と鋭角をなす上辺部１５と、を有してＶ字に形成される。レール１の中空部１７の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線４１は、レール１の側壁部１４の外形形状の最も窪んでいる位置を通る仮想の第二の垂直線４２よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レールに転動体を介して移動ブロックが移動可能に組み付けられる運動案内装置、及び運動案内装置用のレールに関する。

レールに転動体を介して移動ブロックが移動可能に組み付けられる運動案内装置が知られている。運動案内装置は、移動ブロックが取り付けられる案内対象が高精度に直線運動又は曲線運動するのを案内する。案内対象が直線運動又は曲線運動を案内するのに、転動体の転がり運動を利用しているので、軽快な動きが得られるという利点がある。

運動案内装置の軽量化を図るため、レールの内部を中空にする運動案内装置が提案されている（特許文献１参照）。レールは、その断面において、底辺部、底辺部と平行な頂辺部、底辺部と頂辺部を繋ぐ側壁部を有する。中空部は底辺部、頂辺部、側壁部によって画定される。底辺部及び頂辺部は互いに平行な直線状に形成される。側壁部は、底辺部と鋭角をなす下辺部と、頂辺部と鋭角をなす上辺部と、を有してＶ字に形成される。この運動案内装置によれば、レールの軽量化を図ることができるだけでなく、レールの側壁部に弾性を持たせることができる。レールがラジアル方向に弾性変形し易いので、レールが移動ブロックのラジアル方向の変位を吸収することができる。このため、移動ブロックがラジアル方向に変位しても、転動体に無理な力がかかるのを防止できる。

特開２０１０−６５７４３号公報

しかし、特許文献１に記載の中空レールにあっては、レールにラジアル荷重が作用したとき、レールの中空部の四隅（レールの頂辺部と側壁部との接続部分、レールの底辺部と側壁部との接続部分）に発生する応力が大きくなり易いという課題がある。特に、減面率（レールの断面における中空部の面積／レールの外形の面積）を高くして軽量化を図ったレールほど、レールの中空部の四隅に発生する応力が大きくなり易いという課題がある。

そこで、本発明は、レールの弾性変形のし易さを確保しつつ、レールの中空部の四隅に発生する応力を抑制することができる運動案内装置及び運動案内装置用のレールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、長手方向に伸びる転動体転走溝を有すると共に、内部に中空部を有する運動案内装置用のレールであって、水平面上に配置した前記レールを断面で見たとき、前記レールは、水平面上に配置される底辺部、前記底辺部に対向する頂辺部、及び前記底辺部と前記頂辺部を繋ぐ左右一対の側壁部を備え、前記レールの側壁部は、前記底辺部と鋭角をなす下辺部と、前記頂辺部と鋭角をなす上辺部と、を有してＶ字に形成され、前記レールの前記中空部の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線が、前記レールの前記側壁部の外形形状の最も窪んでいる位置を通る仮想の第二の垂直線よりも前記レールの中心線側に位置する運動案内装置用のレールである。

本発明によれば、レールの中空部の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線が、レールの側壁部の外形形状の最も窪んでいる位置を通る仮想の第二の垂直線よりも内側に収まるので、レールの側壁部の第一の垂直線と第二の垂直線との間に柱のような厚みが存在することになる。レールの側壁部が窪んでいても側壁部に柱のような厚みが存在するので、ラジアル荷重を受けることができ、レールの中空部の四隅に発生する応力を抑制することができる。

本発明の一実施形態の運動案内装置の斜視図（一部断面図を含む） 本実施形態の運動案内装置の断面図 本実施形態の中空レールの断面図 本実施形態の中空レールを比較例と比較した断面図 レールにラジアル荷重を作用させたときの応力解析結果を示す図（図５（ａ）は比較例を示し、図５（ｂ）は本実施例を示す） ボール転走溝の位置をレールの外側にずらしたときの応力解析結果を示す図（図６（ａ）−図６（ｃ）は比較例を示し、図６（ｄ），図６（ｅ）は本実施例を示す）

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態の運動案内装置を説明する。図１は、運動案内装置の斜視図を示し、図２は断面図を示す。運動案内装置は、長手方向に直線的に伸びるレール１と、このレール１に転動体として多数のボール３を介して長手方向に直線運動可能に組み付けられる移動部材としての移動ブロック２と、を備える。

レール１は内部に中空部を有する。中空部はレール１の全長に渡って伸びている。レール１の断面形状は長手方向において一定である。レール１には長手方向に沿って伸びる転動体転走溝としてのボール転走溝１ａ，１ｂが形成される。レール１は図２の中心線に対して左右対称である。ボール転走溝１ａ，１ｂはレール１の上面に二条、レール１の左右の側面それぞれに一条ずつ合計四条設けられる。ボール転走溝１ａ，１ｂの断面形状は、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状である。ボール転走溝１ａ，１ｂの曲率半径は、ボール３の半径よりも大きく、ボール転走溝１ａ，１ｂとボール３とは一点で接触する。レール１の構造は後述する。

図１に示すように、移動ブロック２は、レール１のボール転走溝１ａ，１ｂに対向する負荷ボール転走溝２ａ，２ｂ、負荷ボール転走溝２ａ，２ｂに平行な無負荷戻し路４が形成される移動ブロック本体２−１と、移動ブロック本体２−１の移動方向の両端部に設けられる一対のエンドプレート２−２と、を備える。移動ブロック本体２−１の上面には、ねじ５が加工される。テーブル等の案内対象は、ボルトを用いて移動ブロック本体２−１の上面のねじ５に取り付けられる。エンドプレート２−２には、移動ブロック本体２−１の負荷ボール転走溝２ａ，２ｂと無負荷戻し路４とを接続するＵ字状の方向転換路（図示せず）が設けられる。

移動ブロック本体２−１の負荷ボール転走溝２ａ，２ｂ、無負荷戻し路４、エンドプレート２−２の一対の方向転換路によって、ボール循環路が構成される。ボール循環路には、複数のボール３が配列・収容される。複数のボール３は、リテーナ１０に一連に回転自在に保持される。リテーナ１０は、ボール３間に介在するスペーサ８と、スペーサ８を連結する帯状のバンド９と、を備える。

ボール３は、レール１のボール転走溝１ａ，１ｂと移動ブロック２の負荷ボール転走溝２ａ，２ｂとの間の負荷ボール転走路で圧縮荷重を受ける。レール１に対して移動ブロック２が移動すると、ボール３が負荷ボール転走路を転がる。移動ブロック２の負荷ボール転走溝２ａ，２ｂの一端まで転がったボール３は、エンドプレート２−２のＵ字状の方向転換路内に掬い上げられ、方向転換路を経由した後、無負荷戻し路４に入る。方向転換路及び無負荷戻し路４内では、ボール３は無負荷状態になる。無負荷戻し路４を通過したボール３は、反対側の方向転換路を経由した後、再び負荷ボール転走路に入る。

移動ブロック２の移動方向の両端面には、レール１と移動ブロック２との間の隙間を塞ぐシール部材６が取り付けられる。シール部材６は、異物が移動ブロック２の内部に侵入するのを防止する。

図２に示すように、移動ブロック本体２−１は、レール１の上面に対向する中央部２１ａと、その中央部２１ａの幅方向の左右両側から下方に延びてレール１の左右側面に対向する袖部２１ｂと、を備える。移動ブロック本体２−１の中央部２１ａには、レール１の上面のボール転走溝１ａに対向する負荷ボール転走溝２ａが形成される。移動ブロック本体２−１の袖部２１ｂには、レール１の側面のボール転走溝１ｂに対向する負荷ボール転走溝２ｂが形成される。負荷ボール転走溝２ａ，２ｂの断面形状は、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状である。負荷ボール転走溝２ａ，２ｂの曲率半径は、ボール３の半径よりも大きく、負荷ボール転走溝２ａ，２ｂとボール３とは一点で接触する。

レール１の上面のボール転走溝１ａの接触角θ１は９０度である。接触角θ１は接触角線Ｌ１（ボール３とレール１のボール転走溝１ａの接触点とボール３と移動ブロック２の負荷ボール転走溝２ａの接触点を結んだ線Ｌ１）と水平方向のなす角度である。レール１の側面のボール転走溝１ｂの接触角θ２は約３０度である。レール１の上面のボール転走溝１ａの接触角θ１が９０度であるので、この実施形態の運動案内装置はラジアル荷重を受けるのに適している。

図３はレール１の長手方向に直交する断面図を示す。レール１を水平面上に配置したとき、レール１は、水平面上に配置される底辺部１１、頂辺部１２、及び底辺部１１と頂辺部１２を繋ぐ左右一対の側壁部１４を備える。レール１は中心線Ｃ１に関して左右対称である。底辺部１１及び頂辺部１２は、直線状に形成されており、互いに平行である。側壁部１４は、レール１の内側に向かって凹むようにＶ字に形成される。側壁部１４は、直線状の上辺部１５と、直線状の下辺部１６と、から構成される。上辺部１５は頂辺部１２に接続される。上辺部１５と頂辺部１２とのなす角度α１は鋭角である。下辺部１６は上辺部１５に接続されると共に、底辺部１１に接続される。下辺部１６と底辺部１１とのなす角度α２は鋭角である。上辺部１５と下辺部１６とのなす角度βは１８０°未満である。レール１の頂辺部１２の上面には、レール１の中心線Ｃ１の左右に一条ずつボール転走溝１ａが設けられる。

レール１の中空部１７は、底辺部１１、頂辺部１２、側壁部１４の内側によって画定される。側壁部１４の内側の上下方向の中央部１７ａは側壁部１４の外側の上下方向の中央部と同様に中空部１７はレール１の外形形状と同様に上下方向の中央部１７ａがレール１の内側に向かって窪んでいる。中空部１７の四隅（頂辺部１２と上辺部１５との接続部分、及び底辺部１１と下辺部１６との接続部分）には円弧部１７ｂ，１７ｃが設けられる。

レール１は、パイプ材の内側及び外側に内金型及び外金型を設け、パイプ材を金型に当てながら引抜き加工することで製造される。引抜き加工を複数回行うと、パイプ材から図３に示すレール１の断面を得ることができる。レール１の減面率（レール１の断面における中空部１７の面積／レール１の外形の面積）は３５％以上、望ましくは４０％以上である。

レール１の底辺部１１には、レール１をベースに固定するためのボルトが通される通し孔２４が長手方向に間隔を開けて開けられる。通し孔２４は、同心円に形成された座繰り孔２４ｂ及びねじ部通し孔２４ａと、を備える。座繰り孔２４ｂの座面には、ボルトの頭部が着座する。ねじ部通し孔２４ａには、ボルトのねじ部が通る。通し孔２４にボルトを通し、ボルトをベースにねじ込むと、ボルトの頭部が座繰り孔２４ｂの座面に着座し、レール１がベースに締結される。レール１の頂辺部１２には、底辺部１１の通し孔２４に対応した位置にボルトを通過させるための孔２５が開けられる。孔２５の内径はボルト頭部の外径よりも大きい。底辺部１１の通し孔２４及び頂辺部１２の孔２５は切削加工によって開けられる。

上述のようにレール１は側壁部１４が内側に凹んでおり、ラジアル荷重に対して弾性変形し易い形状になっている。このため、中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する面圧も大きくなり易い。本実施形態においては、中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する面圧を下げるために以下の工夫がなされている。

（１）図３に示すように、レール１の中空部１７の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線４１は、レール１の側壁部１４の外形形状の最も窪んでいる位置１４ａを通る仮想の第二の垂直線４２よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置する。このように第一の垂直線４１を第二の垂直線４２よりも内側に配置することで、レール１の側壁部１４の第一の垂直線４１と第二の垂直線４２との間に柱１８（図３中斜線で示す）のような厚みが存在するようになる。この柱１８のような厚みでラジアル荷重を受けることができるので、レール１の中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を低減することができる。応力の解析結果は後述する。

図４では、本実施形態のレールの形状と比較例のレールの形状とを重ね合わせている。図４の実線が本実施形態のレールの形状であり、図４の二点鎖線が比較例のレールの形状である。図４の比較例においては、中空部１７´の円弧部１７ｂ´，１７ｃ´（特に１７ｃ´）が外形形状の最も窪んでいる位置を通る仮想の第二の垂直線４２よりも外側に突き出ている。比較例のレール１´にラジアル荷重が負荷すると、中空部１７´の四隅の円弧部１７ｂ´，１７ｃ´が板ばねのようにより弾性変形し易くなるので、中空部１７´の四隅の円弧部１７ｂ´，１７ｃ´の応力が大きくなり易い。

本実施形態においては、さらに円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を低減するために、以下の（２）〜（６）の工夫がなされている。

（２）図４に示すように、レール１の中空部１７の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線４１は、レール１の頂辺部１２に設けられるボール転走溝１ａの左右方向の最も内側を通る仮想の第三の垂直線４３よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置する。レール１のボール転走溝１ａはラジアル荷重が作用する位置になる。第一の垂直線４１を第三の垂直線４３よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置させることで、側壁部１４と頂辺部１２との交差部、及び側壁部１４と底辺部１１との交差部が板ばねのように弾性変形するのを防止することができ、中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を低減することができる。図６の応力の解析結果も参照。

（３）円弧部１７ｂの最も外側を通る第四の垂直線４４は、円弧部１７ｃの最も外側を通る第五の垂直線（第一の垂直線４１と一致）よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置する。後述する応力解析結果に示すように、円弧部１７ｂには円弧部１７ｃよりも大きな応力が発生する。第四の垂直線４４を第五の垂直線（第一の垂直線４１と一致）よりも内側に納めることで、円弧部１７ｂに発生する応力を抑制することができる。

（４）中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃの曲率半径Ｒは全て等しく設定される。四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃの曲率半径Ｒを全て等しくすることで、四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃでバランスよくラジアル荷重を負荷できるようになり、四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力の差を低減することができる。

（５）中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃの肉厚は他の部分よりも厚い。円弧部１７ｂ，１７ｃの肉厚を厚くすることで、円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を低減することができる。

（６）頂辺部１２と底辺部１１との肉厚の差は、底辺部１１の肉厚の１０％以内に抑えられている。頂辺部１２と底辺部１１の厚みをそろえることで、頂辺部１２と底辺部１１で均等に荷重を受けることができる。

なお、上辺部１５と下辺部１６の交差部１９は外金型に接する部分であり、内金型に接する中空部１７の四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃほど発生する応力が問題になることはない。四隅の円弧部１７ｂ，１７ｃ付近では、頂辺部１２と上辺部１５が鋭角で交差し、底辺部１１と下辺部１６とが鋭角で交差しているのに対し、交差部１９の付近では、上辺部１５と下辺部１６とがこれらの鋭角を合算した１８０度未満の角度で交差していることも理由の一つである。

レール１のボール転走溝１ａにラジアル荷重を作用させたとき、レール１の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を計算した。解析条件は以下のとおりである。（１）荷重：０．５Ｃ（９８００Ｎ、Ｃ＝動定格荷重）のラジアル荷重をボール転動溝に負荷、（２）拘束条件：レール１の底面を全方向に固定。

図５は、レール１に柱のような厚みを存在させた場合と存在させない場合とで、レール１の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を比較した結果を示す。図５（ａ）はレール１に柱のような厚みを作用させない比較例で、図５（ｂ）はレールに柱１８のような厚みを存在させた本実施例を示す。図５（ｂ）に示すように、レールに柱１８のような厚みを存在せることで、上側の円弧部１７ｂに発生する応力を２２０ＭＰａから１９０ＭＰａに低減できた。また、下側の円弧部１７ｃに発生する応力を１００ＭＰａから９０ＭＰａに低減できた。柱１８のような厚みでラジアル荷重を受けることができるので、円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力が低減すると推測される。

次に、レール１に柱１８のような厚みを存在させた状態で、ボール転走溝１ａをレール１の中心線Ｃ１側から外側にずらし、そのときに円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力を計算した。図６において、ボール転走溝１ａはレール１の中心線Ｃ１側から外側にずれている。ここで、図６（ａ）―図６（ｃ）は、中空部１７の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線４１がボール転走溝１ａの左右方向の最も内側を通る仮想の第三の垂直線４３よりもレール１の外側に位置する比較例（比較例といっても柱１８のような厚みが存在するので発明の範囲には含まれる）を示し、図６（ｄ），図６（ｅ）は、第一の垂直線４１が第三の垂直線４３よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置する本実施例を示す。

図６に示すように、ボール転走溝１ａを外側にずらすことで、上側の円弧部１７ｂに発生する応力が１８０Ｍｐａ（図６（ａ））、１４０Ｍｐａ（図６（ｂ））、１００Ｍｐａ（図６（ｃ））、６０Ｍｐａ（図６（ｄ））、３０Ｍｐａ（図６（ｅ））に低減した。第一の垂直線４１を第三の垂直線４３よりもレール１の中心線Ｃ１側に位置させることが円弧部１７ｂの応力の低減に有効であることがわかった。下側の円弧部１７ｃに発生する応力はボール転走溝１ａを外側にずらすことで増加する傾向にあるが、その増加傾向は緩やかであった。図６（ｃ）から図６（ｄ）に至る過程で上側の円弧部１７ｂに発生する応力と下側の円弧部１７ｃに発生する応力が反転した。なお、図６（ａ）の円弧部１７ｂ，１７ｃに発生する応力が図５（ｂ）の円弧部１７ｂ，１７ｃよりも小さいのは、柱１８のような厚みが厚くなっていることに起因する。

本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、レールは直線的に伸びているが、円弧状に湾曲してもよい。

レールの上面に転動体転走溝を有するものであれば、接触角は荷重条件に応じて適宜変更可能である。

転動体としてはボールの替わりにローラを使用することもできる。

１…レール，１ａ，１ｂ…ボール転走溝（転動体転走溝），２…移動ブロック，２ａ，２ｂ…負荷ボール転走溝（負荷転動体転走溝），３…ボール（転動体），１１…底辺部，１２…頂辺部，１４…側壁部，１５…上辺部，１６…下辺部，１７…中空部，１７ｂ，１７ｃ…円弧部，４１…第一の垂直線（第五の垂直線と一致），４２…第二の垂直線，４３…第三の垂直線，４４…第四の垂直線，５１…レール，５１ａ，５１ｂ…ボール転走溝（転動体転走溝），６１…第一の垂直線，６２…第二の垂直線，７１…レール，７１ａ，７１ｂ…ボール転走溝（転動体転走溝），８１…第一の垂直線，８２…第二の垂直線

Claims (5)

1. 長手方向に伸びる転動体転走溝を有すると共に、内部に中空部を有する運動案内装置用のレールであって、
   水平面上に配置した前記レールを断面で見たとき、
   前記レールは、水平面上に配置される底辺部、前記底辺部に対向する頂辺部、及び前記底辺部と前記頂辺部を繋ぐ左右一対の側壁部を備え、
   前記レールの側壁部は、前記底辺部と鋭角をなす下辺部と、前記頂辺部と鋭角をなす上辺部と、を有してＶ字に形成され、
   前記レールの前記中空部の左右方向の最も外側を通る仮想の第一の垂直線が、前記レールの前記側壁部の外形形状の最も窪んでいる位置を通る仮想の第二の垂直線よりも前記レールの中心線側に位置する運動案内装置用のレール。
2. 前記仮想の第一の垂直線は、前記レールの前記頂辺部に設けられる前記転動体転走溝の左右方向の最も内側を通る仮想の第三の垂直線よりも前記レールの中心線側に位置することを特徴とする請求項１に記載の運動案内装置用のレール。
3. 前記中空部は四隅に円弧部を有し、
   四つの前記円弧部の曲率半径が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の運動案内装置用のレール。
4. 前記中空部は四隅に円弧部を有し、
   前記頂辺部と前記側壁部との間の前記円弧部の最も外側を通る第四の垂直線は、前記底辺部と前記側壁部との間の前記円弧部の最も外側を通る第五の垂直線よりも前記レールの中心線側に位置する請求項１ないし３のいずれかに記載の運動案内装置用のレール。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の運動案内用のレールと、
   前記レールに転動体を介して前記長手方向に移動可能に組み付けられる移動ブロックと、を備える運動案内装置。
   
   
   
   

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