JP2015113870A

JP2015113870A - リニアアクチュエーター・ボールスプライン装置

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Publication number: JP2015113870A
Application number: JP2013254588A
Authority: JP
Inventors: 張哲▲網▼; Che Kang Chang; 江宗憲; Zong Sian Jiang
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: JP6180912B2

Abstract

【課題】リニアアクチュエーター・ボールスプライン装置を提供する。【解決手段】スプライン軸1と移動体とを備え、スプライン軸1の表面には複数本の軸方向に延伸設置された転動溝11が設けられ、前記移動体は本体2、2つの回転子3及び複数の転動体4を含み、本体2にはスプライン軸1とセットになった貫通孔21があり、この貫通孔21の内縁面にはこの転動溝と相対する転動槽211があり、この転動溝と転動槽は一つの負荷通路を構成し、且つ、この貫通孔の両端にはそれぞれ一つの装着孔22があり、2つの回転子3はそれぞれ2つの装着孔に収納されていて、回転子には転動槽と対応する回流路があり、この回流路の輪郭はU字形であり、その両端はそれぞれ負荷通路及び回流孔と繋がり、一つの循環通路を構成していて、この複数の転動体はこの循環通路に設置されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明はリニアアクチュエーターユニットに係り、特にリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置に関する。

本発明は多数のボールを介してスプライン軸とナット部材が組み合わされ相対的な直線運動を行う伝導ユニットで、工作機械又は各種産業機械の直線ガイド部又は産業用ロボットのトルク伝達部等のボールスプライン装置に使用される。

既知の通り、この種のボールスプライン装置は特許文献１〜２に開示されたボールスプライン装置が知られている。当該ボールスプライン装置は長手方向に沿って伸びる複数本のボール転送溝を備えたスプライン軸と多数のボールを介して前記のスプライン軸に組み付けられるとともに、前記ボールの無限循環路を備えたナット部材とから構成されており、ボールの無限循環に伴って前記ナット部材をスプライン軸の周囲でその長手方向に沿って自在に移動させることが出来る。

また、ナット部材に具備されたボールの無限循環路は、ボールに設置されたナット部材のボール転動溝とスプライン軸のボール転動溝から構成された負荷通路であり、この負荷通路と並行して形成されたボール戻し通路と、これ等の負荷通路とボールの戻し通路とを連結するU字形の方向転換路とから構成されている。そして、負荷通路とボールの戻し通路の両端に前記方向転換路を配置することで、ボールの無限循環路が形成されている。

前記文献のボールスプライン装置は、円筒状に形成されたナット部材の内周面とこの内周面を貫通するスプライン軸との隙間に合成樹脂製の保持器を取付け、この保持器とナット部材の協働を利用して、ボール戻し通路と方向転換路を形成している。

また前記負荷通路のボールを、方向転換を経てボール戻し通路に移動させるために、このボールをスプライン軸のボール転送溝から離脱させることが必要となる。このため、従来のボールスプライン装置は前記の保持器に前記方向転換路に連続するボール掬い上げ部が設けられており、前記ボール転送溝で転送してきたボールはこの掬い上げ部を超えてこのボール転送溝から離脱し、保持器とナット部材の協働によって形成される方向転換路内に収容されるようになっている。

しかし、前記説明の従来のボールスプライン装置では、保持器とナット部材でボール戻し通路が形成されているため、ボール戻し通路は少なくともスプライン軸からその半径方向に保持器の厚さ分が突出している。また、保持器に前記方向転換路又はボール戻し通路が形成されていて、この複雑な形状を実現するために金型を用いて合成樹脂の射出成形で製作される。このため、慣用のボールスプライン装置には以下の問題点がある。

ナット部材の内周面に装着した保持器が変形した場合、保持器はスプライン軸に接触し、ナット部材の運動が阻害されてしまうので、保持器を極端に薄く形成することは困難であった。このため、スプライン軸とナット部材の間に保持器を収容した従来のボールスプライン装置では、ナット部材の外径が保持器の厚みの影響を受けることになり、ナット部材の外径寸法が大きく成る結果となっている。

従来のボールスプライン装置では、前記保持器を利用してボールを無限循環させるが、この保持器はプラスチック射出成型で製作されているので、その長さ寸法は全て固定してしまっている。因って、異なる長さのナットには適用できず、汎用性が低い。

実開昭61-179414号公報特開昭58-137616号公報

本発明は前記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、本来の機能を十分発揮しつつも、ナット部材の外径を極限まで小型化することができ、しかも組みたてにマン・アワーがかからず、安価に且つ簡便に製造が可能で、また品質の維持可能な信頼性のあるボールスプライン装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一種のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置には下記を含んでいる。

スプライン軸。それはその一方向に伸ばした長条状構造をしており、この延伸方向が軸方向であると定義し、このスプライン軸の表面には複数本の軸方向に沿って延伸された装置のボール転送溝がある。

移動体。それには本体、2つの回転子及び複数の転動体が含まれ、この本体にはスプライン軸にセットされた貫通孔があり、この貫通孔の内縁面にはこのボール転送溝と相対するボール転送槽がある。このボール転送溝とボール転送槽が負荷通路を構成し、且つ、この貫通孔の両端にそれぞれ設置孔を設け、この設置孔の直径はこの貫通孔の直径より大きくし、両方は相互に通じている。この本体には、相対するボール転送槽があり、かつこのボール転送槽に平行して設けられた回流孔がある。この回流孔の両端は装着孔とつながっていて、回流孔の断面は円形である。この二つの回転子はそれぞれ2つの装着孔に収容され、この回転子には相対するボール転送槽の回流路がある。この回流路の輪郭はU字形で、その両端にはそれぞれ負荷通路及び回流孔と繋がり循環通路を構成している。この複数のボール転送体はこの循環通路に設置されている。

前記構造より、スプライン軸と本体の間には保持器を設置していないので、この本体の外径を縮小することが可能である。また、この回転子は本体の両端の装着孔に設置されていて、本体は軸方向の長さが変化したときでも、回転子は本体で依然として通用可能である。このため、回転子の汎用性が高められている。

更に、ボール転送体を循環通路で移動させる場合、より良い円滑度が得られる。本発明は、ボール転送体の移動が最も簡単に円滑でなくなる回流道に対して、特殊な通路の設計を行うことが出来るものであり、その説明は以下の通りである。

この回流路は四つの部分に区分され、この四つの部分はそれぞれ順番につながって上昇部、第一回転部、第二回転部及び接続部となっている。この回流通路の幅はボール転送体の直径より大きい。上昇部は一部がこのボール転送溝に収容されていて、上昇部は一定の上昇高と上昇長を持っている。上昇高は上昇長より小さく、且つこの上昇長は次の関係式に合致する。ボール転送体の直径の0.25倍≦上昇長≦ボール転送体直径の0.5倍。この第一回転部と第二回転部は一つの回転部分を構成している。この回転部分の内輪郭の半径は次の関係式に合致する。第二アーク部の長さの0.5倍＜第一アーク部の長さ＜第二アーク部の長さの0.8倍。また、この第一アーク部の半径は第二アーク部の半径より小さい。

本発明は回転子を装着孔に固定し安定させるために、この装着孔の内縁面のへこみに環状の固定溝を設け、回転子をこの装着孔に設置したときに、この回転子の端面は固定溝の内側溝壁と接設する。固定体はこの固定溝に設置され、この固定体はこの回転子の端面に抵触している。

本発明のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置の系統図である。本発明のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置のアセンブリ図である。図２のA-Aの断面図である。本発明のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置の回転子の立体図である。本発明の回転子の回流路の構成概略図である。本発明の回転子の回流路の構成概略図で、軸方向から見たものである。図５のB-Bの断面図で、回流路の上昇部の細部設計を説明している。

本発明の特徴および技術内容のよりよい理解のために、本発明の実施方式の説明及び図面を参照していただきたい。ただし、この実施方式及び図面は説明及び参考用のものであり、これらにより本発明に対するいかなる制限も加えられるものではない。

図１から図３に示している本発明の比較的良い実施例を参照して、本発明は一種のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置であり、スプライン軸（1）、移動体、回転子（3）を含む。

スプライン軸（1）は、一方向に延伸した長条状構造で、この延伸方向を軸方向（X）であると定義し、このスプライン軸（1）の表面に複数本の軸方向（X）に沿って設置されたボール転動溝（11）がある。

移動体は本体（2）、2つに回転子（3）、及び複数のボール転動体（4）を含む。本体（2）にはスプライン軸（1）とセットになっている貫通孔（21）がある。この貫通孔の内縁面にはこのボール転動溝（11）と相対するボール転動槽（211）があり、このボール転動溝（11）とボール転動槽（211）は一つの負荷通路（90）を構成し、且つ、貫通孔（21）の両端にはそれぞれ装着孔（22）があり、この装着孔（22）の直径（D2）は貫通孔（21）の直径（D1）より大きく、且つ、両方は相互に通じている。本体（2）には相対するボール転動槽（211）があり、且つこの転動槽（211）に平行して設置された回流孔（24）がある。この回流孔（24）の両端はこの装着孔（22）と通じている。この回流孔（24）の断面は円形である。つまり、この回流孔（24）の径方向は密閉形態となっている。2つのこの回転子（3）はそれぞれ2つの装着孔（22）に収容されている。この回転子（3）には相対するボール転動槽（211）の回流路（31）がある。この回流路（31）の輪郭はU字形である。その両端はそれぞれ負荷通路（90）と回流孔（24）とつながり、循環通路（100）を構成している。この複数のボール転動体（4）はこの循環通路に設置されている。

本実施例は回転子（3）を固定するために、装着孔（22）の内縁面のくぼみに環状の固定溝（23）を設けてある。この回転子（3）を装着孔（22）に設置するとき、回転子（3）の端面（32）は固定溝（23）の内側溝壁（231）と相設されている。固定体（5）が固定溝（23）に設置された後、固定体（5）はこの回転子（3）の端面（32）に抵触する。これにより回転子（3）の軸方向（X）の自由度が制限される。また、固定体（5）は本実施例では金属製のC型留め金である。それによって、回転子（3）は任意方向に全て金属材質でカバーされている。図２と図３に示すように、回転子（3）を経方向は装着孔（22）によりカバーされ、回転子（3）の軸方向（X)の一端は、固定体（5）で端面（32）が一部分カバーされている。そのカバー範囲は端面（32）の二分の一を超えるのが最適である。もう一方の端は貫通孔（21）に面して設置され、スプライン装置の不適切使用等の要因を避けることができる。また、ボール転動体（4）が回流路（31）に衝撃を与える力が大きすぎるときは、回転子（3）の破裂損壊をもたらす（註：回転子の大部分はプラスチック射出成形で製造されているため）。そのとき、回転子（3）の周囲に金属ストッパーがあり、転動体（4）が回流路（31）より離脱するのを避けることが出来る。たとえ、スプライン装置の設備を設置することを避けることができても、転動体（4）が本体（2）とスプライン軸（1）から完全に離脱し、設備をして元来の制限された自由度を失わせるので、設備の関連部品が互いにぶつかり損壊することになる。因って、本発明では回転子（3）の特殊な固定構造の設計を行うことで、ボール（ボール転動体を指す）の破裂を自発的に防止する安全効果を備え、更に大きな損害の発生を避ける。

図３から図７を参照して言えば、ボール転動体（4）が循環通路（100）を移動時により良い円滑度を得るために、本発明は回流路（31）を四つの部分に区分し、この四つの部分の区分は順序に従って繋がり上昇部（A）、第一回転部（B）、第二回転部（C）及び接続部（D）となっている。そのうち、上昇部（A）は負荷通路（90）と繋がり、接続部（D）は回流孔（24）と繋がっている。図７図を参照して言えば、この上昇部（A）は一部がボール転動溝（11）に格納されている。上昇部（A）には上昇高（H）と上昇長（C）がある。上昇高（H）は上昇長（C）より小さく、且つ、上昇長（C）は以下の関係式に合致する。転動体の直径の0.25倍≦上昇長（C）≦転動体の直径の0.5倍。第一回転部（B）と第二回転部（C）は一つの回転部分を構成しており、この回転部分の内輪郭の半径（R3）は以下の関係式に符合する。転動体の直径の0.5倍≦内輪郭半径（R3）≦転動体の直径。またこの回流路（31）の幅はこの転動体（4）の直径より大きい。

図６を参照して言えば、この第一回転部（B）と第二回転部（C）は軸方向(X)より見て、第一回転部（B）第二回転部（C）の底部輪郭はそれぞれ第一アーク部(B1)と第二アーク部（C1）が相互につながって構成していて、それは相切点（Q）を有している。第一アーク部(B1)と第二アーク部(C1)の円心（B2、C2）は異なり、且つ第一アーク部(B1)の長さは以下の関係式に合致する。第二アーク部(C1)の0.5倍＜第一アーク部(B1)の長さ＜第二アーク部(C1)の長さの0.8倍。

なお、転動体（4）が第一回転部(B)の前段に至ったとき、なお継続して上昇するので、第一アーク部(B1)の長さは第二アーク部（C1）の長さより大きくなければならず、第一回転部(B)の前段の上昇幅をやや平坦である。したがって転動体(4)は円滑に第二回転部（C）まで移動し、比較的平坦な転動体（4）の回転路（T）を得ることが出来る。しかも第一アーク部(B1)の半径（R1）は第二アーク部（C1）の半径（R２）より小さい。

本発明は前記の通路設計により、特に転動体（4）が転動溝（11）を離脱したときに必要な上昇高度の設計では、その上昇高度を上昇部（A）及び第一回転部（B）の前段まで分散し、転動体（4）は上昇部（A）の上昇高度を従来の設計と比べて低くしている。相対的にその上昇抵抗力は下がり、転動体（4）が転動溝（11）を離脱するときに円滑に移動できる。ここで、前段は上昇部と第一回転部の接続点から起算し第一回転部の総長の二分の一未満の範囲とする。

1：スプライン軸
11：転動溝
2：本体
21：貫通孔
211：転動槽
22：装着孔
23：固定槽
231：内側槽壁
24：回流孔
3：回転子
31：回流路
32：端面
A：上昇部
B：第一回転部
C：第二回転部
D：接続部
B1：第一回転部の底部輪郭
C1：第二回転部の底部輪郭
Q：相切点
T：転動体回転通路
R1：第一アーク部の半径
R2：第二アーク部の半径
R3：回転部分の内輪郭半径
U：回転路の幅
H：上昇高度
C：上昇長さ
90：負荷通路
100：循環通路
X：軸方向
4：転動体
5：固定体
D1：貫通孔の直径
D2：装着孔の直径
B2、C2：円心

Claims

リニアアクチュエーター・ボールスプライン装置であって、
スプライン軸と、移動体と、を備え、
前記スプライン軸は、一方向に延伸された長条状構造で、この延伸方向が軸方向であると定義し、このスプライン軸の表面には複数本の軸方向に延伸設置された転動溝が設けられ、
前記移動体は本体、2つの回転子及び複数の転動体を含み、本体にはスプライン軸とセットになった貫通孔があり、この貫通孔の内縁面にはこの転動溝と対応する転動槽があり、この転動溝と転動槽は一つの負荷通路を構成し、且つ、この貫通孔の両端にはそれぞれ一つの装着孔があり、この装着孔の直径は貫通孔の直径より大きく、且つ両方は相互に通じていて、本体には更にこの転動槽に相対し、かつこの転動槽に平行して設置された回流孔があり、この回流孔の両端は装着孔と通じており、回流孔の断面は円形であり、2つの回転子はそれぞれ2つの装着孔に収納されていて、回転子には転動槽と相対する回流路があり、この回流路の輪郭はU字形であり、その両端はそれぞれ負荷通路及び回流孔と繋がり、一つの循環通路を構成していて、この複数の転動体はこの循環通路に設置されていることを特徴とする、リニアアクチュエーター・ボールスプライン装置。
前記回流路は四つの部分に区分されていて、この四つの部分は順番につながって上昇部、第一回転部、第二回転部及び接続部となっていて、幅が転動体の直径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置。
前記上昇部は転動溝に収納されると共に、一定の上昇高度と上昇長さを持っていて、この上昇高度は上昇長さより小さく、且つ、上昇長さは転走体の直径の0.25倍以上、且つ転走体直径の0.5倍以下であることを特徴とする、請求項２に記載のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置。
前記第一回転部と前記第二回転部が一つの回転部分を構成しており、この回転部分の内輪郭の半径は転動体直径の0.5倍以上、且つ転動体の直径以下であることを特徴とする、請求項２に記載のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置。
前記第一回転部と前記第二回転部の軸方向より見て、第一回転部と第二回転部の底部の輪郭はそれぞれ第一アーク部と第二アーク部が相互に相接し構成されており、第一アーク部と第二アーク部の円心は異なり、この第一アーク部の長さは第二アーク部の長さの0.5倍より大きく、且つ第二アーク部の長さの0.8倍より小さく、しかもこの第一アーク部の半径は第二アーク部の半径より小さいであることを特徴とする、請求項２に記載のリニアアクチュエーター・ボールスプライン装置。