JP2023176924A - 直動案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレッチング摩耗を抑制するための構造的な対策を施した直動案内装置を提供する。【解決手段】直動案内装置（１）は、軸部材（１０）、ケーシング（２０）、案内軸受手段（３０）及びカムクラッチ機構（４０）を備える。案内軸受手段（３０）は、二重に配置されるインナーボールブッシュ（３１）及びアウターボールブッシュ（３２）と、これらの間に挟持される可動スリーブ（３３）とを備える。カムクラッチ機構（４０）は、ケーシング（２０）の前後部に設けられた第１及び第２カムクラッチ機構（４１、４２）とからなり、軸部材（１０）の往復によりそれらが交互に作動して可動スリーブ（３３）を一方向に回動させる。それによりボール（３１２、３２２）が同一軌道上で転動を繰り返すことがなくなり、グリースの追い出しに起因するフレッチング摩耗を効果的に抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、軸部材を、その長手方向の軸線上で往復移動可能に案内するよう構成された直動案内装置に関する。

従来、軸部材を、その長手方向の軸線上で往復移動可能に案内するよう構成された直動案内装置が知られている。図１２は、従来技術による直動案内装置９０の構造を例示する分解斜視図である。同図に示されるように、直動案内装置９０は、軸部材９１と、軸部材９１が挿通される外筒部材９２と、軸部材９１及び外筒部材９２との間に介装される案内軸受９３とを備えて構成される。案内軸受９３は、一般的なベアリング又は摺動ブッシュの他、特に円滑かつ精密な案内動作が要求される用途向けに、例えば図１２に示されるようなボールブッシュ（又はボールガイド）タイプのものが好適に用いられている。

図示される従来のボールブッシュ９３は、金属製の円筒体であるボールケージ９３１に多数のポケット９３１ａ、９３１ａ、・・・が設けられ、各ポケット９３１ａ内に金属製のボール９３２が、それぞれ転動可能かつ抜け止めされた状態で嵌装されている。

ボールケージ９３１の内径は、軸部材９１の挿通を可能とするために、軸部材９１の外径よりも僅かに大きく形成されている。また、ボールケージ９３１の外径は、外筒部材９２への挿入を可能とするために、外筒部材９２の内径よりも僅かに小さく形成されている。軸部材９１、ボールケージ９３１及び外筒部材９２の間には潤滑用のグリースが充填されている。ボール９３２がグリースを介して軌道面（軸部材９１の外周面及び／又は外筒部材９２の内周面）上を転動することで、直動案内装置９０における円滑な案内動作が実現されている。

このようなボールブッシュを案内軸受として有する直動案内装置を、特に短ストロークの往復案内に用いた場合、ボールが同じ軌道上で繰り返し往復することでグリースがその軌道面から追い出され、その結果、ボールと軌道面との間で金属接触が生じ、それがフレッチング摩耗（微小摩耗による表面損傷・腐食）を引き起こすといった課題が指摘されていた。

このような課題に関連し、例えば特許文献１には、特定のグリース組成物の選択により、ボールベアリングにおける耐フレッチング摩耗性を向上させる解決策が提案されている。また、特許文献２には、ガイド軸に沿って可動体が往復案内移動する送り装置において、ガイド軸を適宜回動させることで、ガイド軸及びそれを受けるガイドブッシュのボールとの間で潤滑油を保持し、それによりフレッチング摩耗を防止することが示唆されている。

国際公開第２０２０／０５９３４６号 特開２００４－２０４９９４号公報

特許文献１に開示されたボールベアリングは、グリース組成物の最適選択により比較的長期にわたりフレッチング摩耗を抑制することができるが、機械的又は物理的にグリースの枯渇を防ぐ構造的な対策を施したものではなかった。また、特許文献２に示唆された対策では、ガイド軸を回動させるための形状記憶合金等の駆動機構が別途必要となり、またその回動範囲にも限界がある。更に特許文献２の技術は、軸部材の回動が許容できない用途には不適である。

そこで、本発明は、フレッチング摩耗を抑制する等の構造的な対策を施した直動案内装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、長手方向に軸線を有する軸部材と、該軸部材が挿通される外筒部材と、前記軸部材及び前記外筒部材との間に介装される案内軸受手段とを備え、前記軸部材及び前記外筒部材が前記案内軸受手段を介して前記軸線に沿って相対的に往復移動可能に案内されるよう構成された直動案内装置であって、前記往復移動に伴って前記案内軸受手段を前記軸線周りに回動させるカムクラッチ機構を備えている、直動案内装置である。

直動案内装置は、前記案内軸受手段が、前記軸部材の外周面上を接触転動するインナーボールブッシュと、前記外筒部材の内周面上を接触転動するアウターボールブッシュと、前記インナーボールブッシュ及び前記アウターボールブッシュの間にあり、該インナーボールブッシュ及び該アウターボールブッシュの双方が接触転動する可動スリーブとを含み構成され、前記カムクラッチ機構部が、前記往復移動に伴って、前記可動スリーブに対し前記軸線周りの一方向のみ回動させる力成分を生じさせるよう構成されていることが好ましい。

また、直動案内装置は、前記カムクラッチ機構部が、前記外筒部材の一端側に固定され、周方向において鋸歯状の複数の第１カム歯が前記軸線を中心に放射状に配列形成された第１カム面を有する第１リング部材と、前記可動スリーブの一端側に形成され、前記第１カム面に対向して前記第１カム歯のそれぞれと当接摺動するように適合された複数の第１従動歯とを含む第１カムクラッチ機構、及び前記外筒部材の他端側に固定され、前記複数の第１カム歯とは対称関係にある複数の第２カム歯が前記軸線を中心に放射状に配列形成された第２カム面を有する第２リング部材と、前記可動スリーブの他端側に形成され、前記第２カム面に対向して前記第２カム歯のそれぞれと当接摺動するように適合された複数の第２従動歯とを含む第２カムクラッチ機構を備えて構成されていることが好ましい。

また、直動案内装置は、前記第１カム歯及び前記第２カム歯の周方向における配列ピッチが同一であり、かつ、前記第１カムクラッチ機構における当接摺動位置と前記第２カムクラッチ機構における当接摺動位置との間に、前記配列ピッチの半分相当の位相差が設けられている、ことが好ましい。

本発明の直動案内装置によれば、軸部材及び外筒部材の往復移動に伴って、案内軸受手段を軸線周りに回動させるカムクラッチ機構を備えたことで、軸受部が同一軌道上で直線運動を繰り返すことがなくなり、フレッチング摩耗の発生を効率的に抑制することができる。

本発明の一実施形態による直動案内装置をその一部を破断して示す斜視図である。 図１の直動案内装置の構造を説明するための分解斜視図である。 インナーボールブッシュの側面図である。 アウターボールブッシュの側面図である。 可動スリーブの側面図である。 図１の直動案内装置の一部を破断して示す側面図である。 図１の直動案内装置の一部を破断して更に示す側面図である。 ワンウェイ・カムクラッチ機構の一例を示す図である。 ワンウェイ・カムクラッチ機構の他の例を示す図である。 案内軸受手段の直動動作を説明するための断面図である。 案内軸受手段の回動動作を説明するための断面図である。 本実施形態によるボールブッシュのボールの軌道線を例示する図である。 従来技術によるボールブッシュのボールの軌道線を例示する図である。 本実施形態によるボールブッシュのボールの疲労面を例示する図である。 従来技術によるボールブッシュのボールの疲労面を例示する図である。 従来技術による直動案内装置の構造を説明するための分解斜視図である。

以下、本発明に係る直動案内装置の好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において「上」、「下」、「前（フロント）」、「後（エンド）」等の方向を示す語は、相対的な意味において用いているのに過ぎず、絶対的な方向を示す意味においては解釈されない。また、「長手方向」とは、特に断りがない限り、軸部材が延びるその中心軸線の方向を指すものとする。

図１は本発明の一実施形態による直動案内装置１をその一部を破断して示す斜視図、図２は直動案内装置１の分解斜視図である。これらの図に示されるように、直動案内装置１は、軸部材１０と、軸部材１０が挿通される外筒部材としてのケーシング２０と、軸部材１０及びケーシング２０との間に介装される案内軸受手段３０とを備えている。軸部材１０及びケーシング２０は、案内軸受手段３０を介して、軸部材１０が延びるその中心軸線（以下、単に「軸線」という。）１Ａに沿って相対的に往復移動可能に案内される。

軸部材１０は、例えば図１等に示される円柱状の金属製部材であるが、軸線１Ａに直交する横断面が円形であれば、例えば中空の管状部材等であってもよい。軸部材１０の外周面１０ａは、後述するインナーボールブッシュ３１を円滑に接触転動させるよう、例えば表面粗さＲａ３．２以下程度の研削ないし鏡面加工が施されている。

ケーシング２０は本体を軸線１Ａ方向に貫く円筒状の内部空間（以下、「円筒空間」という。）２１を有する金属加工部材である。円筒空間２１の内周面２１ａは、後述するアウターボールブッシュ３２を円滑に接触転動させるよう、例えば表面粗さＲａ３．２以下程度の研削ないし鏡面加工が施されている。なお、図１及び２には、外形が円筒状のケーシング２０が例示されているが、ケーシング２０の形状は特に限定されるものではなく、例えば直動案内装置１が適用される用途や目的等に応じて、矩形・方形等の他の任意、適宜の外形形状とすることができる。

本実施形態による案内軸受手段３０は、例えば図２に示されるように軸線１Ａを同心として二重に配置されるインナーボールブッシュ３１及びアウターボールブッシュ３２と、インナーボールブッシュ３１及びアウターボールブッシュ３２の間に挟持される可動スリーブ３３とを備えて構成されている。

図３はインナーボールブッシュ３１の側面図である。インナーボールブッシュ３１は金属製の円筒体であるボールケージ３１１を備えている。ボールケージ３１１には多数のポケット３１１ａ、３１１ａ、・・・が設けられ、各ポケット３１１ａ内に鋼鉄製のボール３１２が、それぞれ転動可能かつ抜け止めされた状態で嵌装されている。ボールケージ３１１の内径は、軸部材１０の挿通を可能とするために、軸部材１０の外径よりも僅かに大きい。また、ボールケージ３１１の外径は、可動スリーブ３３への挿入を可能とするために、可動スリーブ３３の内径よりも僅かに小さい。すなわち、インナーボールブッシュ３１は、その内側でボール３１２が軸部材１０上を接触転動し、その外側では可動スリーブ３３に対し接触転動するよう配置構成されている。

図４はアウターボールブッシュ３２の側面図である。アウターボールブッシュ３２は、上述のインナーボールブッシュ３１と同様に、金属製の円筒体であるボールケージ３２１と、ボールケージ３２１に多数形成されたポケット３２１ａ、３２１ａ、・・・内に転動可能かつ抜け止めされた状態で嵌装される鋼鉄製のボール３２２、３２２、・・・とを備えて構成されている。ボールケージ３２１の内径は、可動スリーブ３３の挿通を可能とするために、可動スリーブ３３の外径よりも僅かに大きい。また、ボールケージ３２１の外径は、ケーシング２０への挿入を可能とするために、ケーシング２０の円筒空間２１の内径よりも僅かに小さい。すなわち、アウターボールブッシュ３２は、その内側でボール３２２が可動スリーブ３３上を接触転動し、その外側ではケーシング２０の円筒空間２１上を接触転動するよう配置構成されている。

図５は可動スリーブ３３の側面図である。可動スリーブ３３は金属製の円筒部材であり、上述したようにインナーボールブッシュ３１及びアウターボールブッシュ３２の間に挿入可能なように、インナーボールブッシュ３１のボールケージ３１１よりも僅かに大きい内径と、アウターボールブッシュ３２のボールケージ３２１よりも僅かに小さい外径とを有している。すなわち、可動スリーブ３３は、その内周面上をインナーボールブッシュ３１が接触転動し、その外周面上をアウターボールブッシュ３２が接触転動する。インナーボールブッシュ３１及びアウターボールブッシュ３２の円滑な接触転動のために、可動スリーブ３３の内周面及び外周面は滑らかな鏡面加工が施されている。

可動スリーブ３３の前端部には、周方向に沿って複数の従動歯３３１、３３１、・・・が鋸歯状（ランプ波状）に形成されている。同様に、可動スリーブ３３の後端部には、同じく周方向に沿って複数の従動歯３３２、３３２、・・・が鋸歯状（ランプ波状）に形成されている。

上述したインナーボールブッシュ３１、可動スリーブ３３及びアウターボールブッシュ３２は潤滑油であるグリースを媒介として、軸部材１０及びケーシング２０の内筒空間２１で画成される空間内で円滑に直動及び回動自在に保持されている。

本実施形態による直動案内装置１は、軸部材１０及びケーシング２０が軸線１Ａに沿って相対的に往復移動した際に、案内軸受手段３０特に可動スリーブ３３を軸線１Ａの周りに一方向に回動させる、ワンウェイ・カムクラッチ機構４０を備えることを特徴としている。より詳細に、ワンウェイ・カムクラッチ機構４０は、図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、ケーシング２０の前方部側に設けられる第１カムクラッチ機構４１と、ケーシング２０の後方部側に設けられる第２カムクラッチ機構４２とを含む。

第１カムクラッチ機構４１は、ケーシング２０の円筒空間２１の前端側に固定され、内側に第１カム面４１１ａを有するフロントリング４１１（第１リング部材）と、可動スリーブ３３の前端部側でその周方向において鋸歯状に形成された複数の従動歯３３１、３３１、・・・とを含む。

第１カム面４１１ａには、フロントリング４１１の周方向において鋸歯状の複数のカム歯４１１ｂ、４１１ｂ、・・・が、軸線１Ａを中心に放射状に連続して配列形成されている。可動スリーブ３３の前端部側に形成される従動歯３３１、３３１、・・・は、フロントリング４１１の第１カム面４１１ａに対向し、そして第１カム面４１１ａの各カム歯４１１ｂと当接摺動可能なように、相互に同一ピッチかつ同一傾斜角にて適合して形成されている。

第２カムクラッチ機構４２は、上述した第１カムクラッチ機構４１とは軸線１Ａ方向において左右対称の構造を有している。すなわち、第２カムクラッチ機構４２は、ケーシング２０の円筒空間２１の後端側に固定され、内側に第２カム面４２１ａを有するエンドリング４２１（第２リング部材）と、可動スリーブ３３の後端部側でその周方向において鋸歯状に形成された複数の従動歯３３２、３３２、・・・とを含む。

第２カム面４２１ａには、エンドリング４２１の周方向において鋸歯状の複数のカム歯４２１ｂ、４２１ｂ、・・・が、軸線１Ａを中心に放射状に連続して配列形成されている。第２カム面４２１ａの各カム歯４２１ｂは、上述した第１カム面４１１ａの各カム歯４１１ｂと左右対称の関係にある。可動スリーブ３３の後端部側に形成される従動歯３３２、３３２、・・・は、エンドリング４２１の第２カム面４２１ａに対向し、そして第２カム面４２１ａの各カム歯４２１ｂと当接摺動可能なように、相互に同一ピッチかつ同一傾斜角にて適合して形成されている。

なお、フロントリング４１１及びエンドリング４２１間の軸線１Ａ方向における距離は可動スリーブ３３の長さよりも長く、その差分は可動スリーブ３３の可動長（ストローク）を規定している。

また、本実施形態のワンウェイ・カムクラッチ機構４０によれば、第１カムクラッチ機構４１及び第２カムクラッチ機構４２は左右対称の構造であることから、第１のカム歯４１１ｂ、４１１ｂ、・・・と、第２のカム歯４２１ｂ、４２１ｂ、・・・の周方向における各配列ピッチＰも同一となっている。更に、図７Ａ又は図７Ｂに示されるように、第１カムクラッチ機構４１のカム歯４１１ｂ及び従動歯３３１が当接摺動する位相位置と、第２カムクラッチ機構４２のカム歯４２１ｂ及び従動歯３３２が当接摺動する位相位置との間に、上述の配列ピッチＰの半分相当の位相差が設けられている。

この左右に位相差を設けることは、フロントリング４１１の第１のカム歯４１１ｂの位相と、エンドリング４２１の第１のカム歯４２１ｂの位相とが半ピッチ（１／２）Ｐずれた態様であってもよいし（図７Ａ）、可動スリーブ３３の第１従動歯３３１と第２従動歯３３２の各位相が半ピッチ（１／２）Ｐずれた態様であってもよい（図７Ｂ）。

次に、上述した構成の直動案内装置１の動作を説明する。図８は、ケーシング２０の位置を固定し、軸部材１０を軸線１Ａに沿って往復移動させたときの各案内軸受要素３１、３２、３３の移動量を例示している。なお、図８に示される実施形態は、インナーボールブッシュ３１のボール３１２とアウターボールブッシュ３２のボール３２２とが同一の直径であることを前提としている。

本実施形態において、軸部材１０が、ケーシング２０に対し前方に微小長さＬだけ移動すると、可動スリーブ３３はそれに連動してケーシング２０に対し前方に（１／２）Ｌだけ移動する。逆に、軸部材１０が、ケーシング２０に対し後方に－Ｌだけ移動すると、可動スリーブ３３はそれに連動してケーシング２０に対し後方に－（１／２）Ｌだけ移動する。

可動スリーブ３３の可動域（フロントリング４１１及びエンドリング４２１で制限される。）を超えて軸部材１０が更に前方に移動すると、フロントリング４１１の第１カム面４１１ａに可動スリーブ３３の前端部が到達する（第１カムクラッチ機構４１が接続した状態）。このとき、第１カム面４１１ａのカム歯４１１ｂ、４１１ｂ、・・・と可動スリーブ３３の従動歯３３１、３３１、・・・の各斜面同士が当接し、軸部材１０の移動に伴う可動スリーブ３３の軸線１Ａ方向への移動により、従動歯３３１、３３１、・・・とカム歯４１１ｂ、４１１ｂ、・・・とが摺動し、その結果、可動スリーブ３３には、軸線１Ａ周りの一方向（図６Ａでは下方向）に向かう力（トルク）成分が生じることとなる。

次に、軸部材１０が後方に移動した場合には、エンドリング４２１の第２カム面４２１ａに可動スリーブ３３の後端部が到達し、第２カム面４２１ａのカム歯４２１ｂ、４２１ｂ、・・・と、可動スリーブ３３の従動歯３３２、３３２、・・・の各斜面同士が当接する。このとき、同じく可動スリーブ３３の後方移動により従動歯３３２、３３２、・・・とカム歯４２１ｂ、４２１ｂ、・・・とが摺動し、可動スリーブ３３には、軸線１Ａ周りの同じ方向（図６Ｂでは下方向）に向かう力（トルク）成分が生じる。

なお、図９に示されるように、可動スリーブ３３が軸線１Ａ周りで回動することにより、それに伴いインナーボールブッシュ３１及びアウターボールブッシュ３２も同方向にそれぞれ半分の量（角度）だけ回動する。

このように、本実施形態の直動案内装置１は、上述した構造のワンウェイ・カムクラッチ機構４０を備えたことにより、軸部材１０の往復移動が繰り返されることに伴って第１及び第２カムクラッチ機構４１、４２が交互に作動し、それより案内軸受手段３０（インナーボールブッシュ３１、アウターボールブッシュ３２、可動スリーブ３３）を軸線１Ａ周りの一方向に徐々に回動させることができる。

このようなワンウェイ・カムクラッチ機構４０により、軸部材１０の往復移動に伴い案内軸受手段３０を一方向に回動させることは、直動案内装置１におけるフレッチング摩耗を抑制する効果をもたらすことができる。

例えば、ボールブッシュを用いた従来の直動案内装置９０の場合（図１２参照）、例えば図１０Ｂに示されるように、軸部材９１が微小ストロークで往復動すると、ボール９３２が軌道面９１、９２の同一の軌道線Ｔ´上で往復運動を繰り返すこととなり、軌道線Ｔ´からグリースが追い出される可能性が高まる。なお、図１０Ｂにおいて二点鎖線で囲われた領域は、グリースが枯渇し得る領域を示す。

一方、本実施形態による直動案内装置１の場合、図１０Ａに示されるように、軸部材１０の移動が反転する付近でカムクラッチ機構４１、４２が作動し、その都度、軌道面１０ａ、２１ａ上におけるボール３１２、３２２の軌道線Ｔが所定の周方向に変移する。すなわち、軸部材１０の往復動が繰り返されたとしても、ボール３１２、３２２が同一線上で繰り返し転動することはなく、軌道面１０ａ、２１ａからのグリースの追い出しも殆どない。その結果、ボール３１２、３２２と軌道面１０ａ、２１ａとの間の十分な潤滑が確保され、グリースの枯渇に起因するフレッチング摩耗を効果的に抑制することができる。

また、図１１Ｂに示されるように、従来のボールブッシュ９３のボール９３２の疲労面は、軌道面と接触する一線上の周面に集中していたが、本実施形態の場合、図１１Ａに示されるように、ボール３１２、３２２の疲労面は、ボールブッシュ３１、３２が周方向に回動するに従って分散させることができる。したがって、ボールブッシュ３１、３２自体の耐久性も従来よりも向上させることができる。

１ 直動案内装置 １Ａ 中心軸線
１０ 軸部材 １０ａ 外周面
２０ ケーシング（外筒部材）
２１ 円筒空間 ２１ａ 内周面
３０ 案内軸受手段
３１ インナーボールブッシュ ３２ アウターボールブッシュ
３３ 可動スリーブ
４０ ワンウェイ・カムクラッチ機構
４１ 第１カムクラッチ機構 ４２ 第２カムクラッチ機構
３１１ ボールケージ ３１２ ボール
３２１ ボールケージ ３２２ ボール
３３１ 第１従動歯 ３３２ 第２従動歯
４１１ フロントリング（第１リング部材）
４１１ａ 第１カム面 ４１１ｂ カム歯
４２１ エンドリング（第２リング部材）
４２１ａ 第２カム面 ４２１ｂ カム歯

Claims (4)

1. 長手方向に軸線を有する軸部材と、該軸部材が挿通される外筒部材と、前記軸部材及び前記外筒部材との間に介装される案内軸受手段とを備え、前記軸部材及び前記外筒部材が前記案内軸受手段を介して前記軸線に沿って相対的に往復移動可能に案内されるよう構成された直動案内装置であって、
   前記往復移動に伴って前記案内軸受手段を前記軸線周りに回動させるカムクラッチ機構を備えている、直動案内装置。
2. 前記案内軸受手段が、前記軸部材の外周面上を接触転動するインナーボールブッシュと、前記外筒部材の内周面上を接触転動するアウターボールブッシュと、前記インナーボールブッシュ及び前記アウターボールブッシュの間にあり、該インナーボールブッシュ及び該アウターボールブッシュの双方が接触転動する可動スリーブとを含み構成され、
   前記カムクラッチ機構部が、前記往復移動に伴って、前記可動スリーブに対し前記軸線周りの一方向のみ回動させる力成分を生じさせるよう構成されている、請求項１に記載の直動案内装置。
3. 前記カムクラッチ機構部が、
   前記外筒部材の一端側に固定され、周方向において鋸歯状の複数の第１カム歯が前記軸線を中心に放射状に配列形成された第１カム面を有する第１リング部材と、前記可動スリーブの一端側に形成され、前記第１カム面に対向して前記第１カム歯のそれぞれと当接摺動するように適合された複数の第１従動歯とを含む第１カムクラッチ機構、及び
   前記外筒部材の他端側に固定され、前記複数の第１カム歯とは対称関係にある複数の第２カム歯が前記軸線を中心に放射状に配列形成された第２カム面を有する第２リング部材と、前記可動スリーブの他端側に形成され、前記第２カム面に対向して前記第２カム歯のそれぞれと当接摺動するように適合された複数の第２従動歯とを含む第２カムクラッチ機構
   を備えて構成されている、請求項２に記載の直動案内装置。
4. 前記第１カム歯及び前記第２カム歯の周方向における配列ピッチが同一であり、かつ、前記第１カムクラッチ機構における当接摺動位置と前記第２カムクラッチ機構における当接摺動位置との間に、前記配列ピッチの半分相当の位相差が設けられている、請求項３に記載の直動案内装置。

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