JP3670663B2 - 線形運動ベアリング - Google Patents

Description

〔産業上の利用分野〕
本発明は減摩（アンチフリクション）線形運動（リニアモーション）ベアリングに関し、さらに詳しくは、回転部材に対する接触角を最適に保ちながら、製造と装着とを容易にする線形運動ベアリング・アセンブリーに関するものである。
〔従来の技術〕
線形運動ベアリング・アセンブリーは当業者によく知られ、機械要素が互いに動く広範な機械・道具・変換システムおよび他の設備で広く使われている。これらのアセンブリーは一般に、変形Ｙビーム・Ｉビーム・Ｔビーム状レールに沿って動くように設けられたベアリング・キャリッジ（往復台）を有している。このキャリッジに結合して、たとえばボールやローラーのような複数の再循環回転要素に対し、ロード・ベアリングと戻りトラックが設けられている。これらの回転要素は、ベアリング・キャリッジがレールに沿って最小の摩擦で動けるように、ロード・ベアリング・トラックと戻りトラックを通って交互に運動する。
エンド・キャップが通常、ベアリング・キャリッジの両端に設けられ、ロード・ベアリング・トラックから戻りトラックへ回転要素を移動させるため、その中に方向転換部（ターンアラウンヅ）を形成している。その方向転換部内で回転要素を円滑に動かせるため、セミ・トロイド（準環状体）の中心に内部ガイドが設けられることがある。
〔従来技術の問題点〕
戻りトラックは一般に、ベアリング・キャリッジの垂脚の中に切削または穿孔される回転要素の寸法と一致する内腔（ボア）または溝の形を取る。たとえば、Ｐｅｓｔｅｒらの米国特許第４，９３２，０６７号を参照せよ。このタイプの線形運動ベアリング・アセンブリーの全体の構造は一般に、十分な強度と寿命のベアリングにするため、高品質ベアリング鋼を広範に使うことを要する。このことは少なくとも一部、ロード・ベアリング・部分がベアリング鋼の強度と剛性を要し、通常ベアリング・キャリッジまたはレールの構造に直接、一体的に形成されるという事実に強制されている。たとえば、服部の米国特許第４，６３７，７３９号を参照せよ。このような鋼からなるレールやキャリッジの構成（組み立て）は、たとえばロード・ベアリング・トラックのキャリッジおよびレール双方の接触部のような指示エリアを硬化させるプロセスと同様の多数の精密な機械加工ステップを要する。このプロセスは極めて高価で、ベアリング・アセンブリーの構造に依存し、多大な労力と高価な加工設備を必要とする。さらに、高品質ベアリング鋼の一つの特性はその剛性である。この特性により、ロード・ベアリング・トラックを研削するのに非常な精密さを要し、接触部に荷重がかかり過ぎるのを避けるため線形運動ベアリング・アセンブリーを据えるのに極めて正確にやらなければならない。
従来のレールやキャリッジ構造に装着される内挿物を備えることにより、非常に荷重のかかった接触部を線形運動ベアリング・アセンブリー内に隔離するために、過去多くの試みがなされた。たとえば、Ｔｈｏｍｓｏｎの米国特許第３，９００，２３３号と第４，０２５，９９５号を参照せよ。ロード・ベアリング・トラック内挿物はまた、寺町の米国特許第４，５１５，４１３号・第４，５２７，８４１号・第４，５３１，７８８号および第４，５７６，４２１号、およびＬｅｈｍａｎｎらの米国特許第４，５７６，４２０号に開示されている。しかし、これらの線形運動ベアリングは高品質ベアリング鋼の固有の剛性問題特性を克服し得ない。こうして、非常に精密かつ正確に加工しなければならないという問題が依然として、線形運動ベアリング・アセンブリーの動作と寿命に悪影響を及ぼす要因である。
また、全体を高品質ベアリング鋼で形成された構造体のこの固有の剛性を減らすため、過去多くの試みがなされた。たとえば、Ｓｃｈｒａｅｄｅｒの米国特許第５，２１７，３０８号は線形運動ベアリング・アセンブリーための内部キャリッジ構造を開示している。このキャリッジは、フレームに設けられた４つの内向き鋼レース（溝）によってフレーム内に支持されるように作られている。このフレームはアルミニウムからなり、アセンブリー内でクリアランス（隙間）をふさぐため、上部レース（溝）のたわみを許容するように形成されている。
したがって、ロード・ベアリング・トラックで回転要素の接触角を最適化するため、荷重がかかったときに高度にたわむことのできるベアリング・アセンブリーを与えながら、キャリッジおよびレールとの接触面を高度に正確に穿孔したり、硬化させたり、研削したりする必要性を減らす線形運動ベアリング・アセンブリーを容易に製造することが極めて望ましい。
それゆえ、本発明の目的は、回転要素とロード・ベアリング・トラックの接触角を最適にすることを可能にしながら、高価な高品質ベアリング鋼の使用を最小限にする、容易に作られる線形運動ベアリング・アセンブリーを提供することにある。
また、本発明の目的は、キャリッジとレールの接触ロード・ベアリング部分が、屈曲性のあるキャリア構造に相対的に嵌合する高品質鋼内挿物からなる線形運動ベアリングを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、キャリッジ・ブロックまたはレール上に直接、正確に研削・硬化する必要なく、最小のベアリング鋼を使って容易に作ることのできる、信頼性の高い線形運動ベアリング・アセンブリーを提供することにある。
これら、および他の極めて望ましい目的は、ベアリング・キャリッジおよびレールの垂脚に嵌合したベアリング鋼トラック内挿体を有する線形運動ベアリングにおける本発明によって達成される。このベアリング・アセンブリーの平衡は、線形運動ベアリング・アセンブリーの組み立てを容易かつ正確にするさらに屈曲性のある物質、たとえば機械グレードのアルミニウムやプラスチック、あるいはもっと低グレードの鋼から構成される。これらのパーツは、キャリッジやレール上に直接、トラックを正確に研削したり硬化したりする必要なく、組み立てられる。
本発明の目的と効果は、一部はここで述べられ一部はこれから明らかになり、あるいは請求の範囲に示されている部材と組合せを使って達成される本発明を実施することにより分かるだろう。本発明は新規なパーツ・構成・装置・組合せ・ステップおよびここで開示される改善点からなっている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、ベアリング・キャリッジ・アセンブリーおよびレール・アセンブリーに装着される高品質ベアリング鋼ロード・ベアリング・トラック内挿物からなるロード・ベアリング・トラックをもつ線形運動ベアリングが提供される。荷重下で回転要素の接触角を最適化するため、軸溝もベアリング・キャリッジ・アセンブリーおよびレール・アセンブリー双方に形成される。この構成により製造が簡単になり、ベアリング・キャリッジとレールに直接、困難で高価なロード・ベアリング・トラックの研削と硬化をする必要をなくす。
さらに、内挿物を装着するのに、もっと安価な構成物、たとえばアルミニウムやプラスチック、非ベアリング鋼が用いられる。構成物はまた、相対的に剛性の高い高品質ベアリング鋼を使うことなく、望ましいたわみ特性に基づいて、選ぶこともできる。
この構造により、製造し、組み合わせ、据えるのが容易な、安価で信頼できる線形運動ベアリング・アセンブリーが提供される。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の線形運動ベアリング・アセンブリーの斜視図である。
図２は端キャップの一方を取り去った、図１のアセンブリーの斜視図である。
図３は図１のアセンブリーのキャリッジの分解斜視図である。
図４は図１のアセンブリーのレール・アセンブリーの分解斜視図である。
図５は図１のアセンブリーの端キャップを取り去った正面図である。
以下、図を用いて詳細に説明する。まず図１、図２に、本発明による十分にアセンブルされた線形運動ベアリング・アセンブリー２０を示す。アセンブリーは回転要素２５上でレール・アセンブリー２４に沿って動くように形成され寸法を取られた逆Ｕ字状ベアリング・キャリッジ２２を有している。２５はここではボールとして示されているが、ローラーのような他の回転要素も考え得る。端キャップ２６はベアリング・キャリッジ２２の軸方向の両端に設けられている。端キャップ２６は、準環状転回部２９を有している。これらの転回部２９は、各端キャップ２６に形成され、端キャップ２６は、ベアリング・キャリッジ２２の垂脚３２にそれぞれ位置するロード・ベアリング・トラック２８および戻りトラック３０を接続すると共に、ロード・ベアリング・トラック２８および戻りトラック３０を囲んでいる。図２に最もよく示すように、戻りトラック３０はベアリング・キャリッジ２２の垂脚３２を軸方向に貫いて穿孔された平行な軸方向の内腔からなっている。装着穴３４はベアリング・キャリッジ２２の上平面に穿孔され、ベアリング・アセンブリーを所望の機械部材と結合するのを容易にする。軸方向装着穴３６はベアリング・キャリッジ２２の各軸方向端面に形成され、端キャップ２６を取り付けるのに用いられる。内部ガイド２７はロード・ベアリング・トラック２８と戻りトラック３０の間に位置している。これらの内部ガイド２７は各トラックの間にある回転要素２５の運動を容易にする。
図３はベアリング・キャリッジ２２の個々の部材を示している。ベアリング・キャリッジ２２は好ましくは、たとえばアルミニウム、プラスチックあるいは鋼のような比較的可撓性のある機械グレードの素材から作られる。垂脚３２の内面部３８はロード・ベアリング・トラック内挿体４０と嵌合する大きさに形成されている。これらの内挿体４０は、高品質ベアリング鋼からなり、内面部４４に形成された一対の平行溝４２を有している。これらの溝４２はロード・ベアリング・トラック２８の一部をふさぎ、ベアリング・アセンブリー２０に用いられる回転要素２５に一致させるため、適切な断面形状に形成され、そのような大きさにさせられている。
ロード・ベアリング・トラック内挿体４０は公知の冷延伸法で長手（軸）方向に容易にかつ効果的に形成された後、組み立てられる前に所定の長さに切られる。製造を容易にするため、この内挿体の断面部は厚みが実質的に均一であることが好ましい。垂脚３２はさらに、外面側に軸方向凹部６６を有し、この凹部は垂脚３２とキャリッジ２２の残りの部分が交わるところに隣接している。凹部６６はさらに、後述するように垂脚３２にたわみ特性を付与する。
図４に、機械グレードのアルミニウムで形成され、公知の製造技術で押出し成形されたＵ字状ベース部材４６を有する本発明の好ましい実施例からなるレール・アセンブリー２４を示す。ベース部材４６は、長手方向に沿って軸溝５０を区画する一対の平行な垂直アーム４８を有している。この構造により垂直アーム４８に可撓性が付与されている。
鳩尾溝５２が軸溝５０と実質的に平行に、垂直アーム４８の外側に対向して設けられている。ロード・ベアリング・トラック内挿体５４は各鳩尾溝５２に嵌合するような形状および大きさに作られ、ロード・ベアリング・トラック２８の一部を画成している。前に、キャリッジ・ロード・ベアリング・トラック内挿体４０で述べたように、レール・ロード・ベアリング・トラック内挿体５４は公知の冷延伸法を用いて、高品質可硬化ベアリング鋼から作られる。この内挿体は公知技術、たとえば誘導加熱・急冷法によりラインで硬化される。
内挿体５４は内面に軸方向凹部５６を形成されることが好ましい。この凹部５６は、レールへの最終組み立てを容易にする可撓性を内挿体５４に与える。内挿体５４は、実質的に均一の厚みの断面をもって、平行なロード・ベアリング鋼５８を有することが好ましい。
ロード・ベアリング・トラック内挿体５４は、あるクリアランスをもって溝に嵌合するように、鳩尾溝５２と内挿体５４の相対的な大きさを合わせることにより、ベース部材４６に容易に装着される。溝５２の上部フランジ６０は内挿体５４の最上部に可撓的に嵌合し、内挿体５４をベース部材４６内に効果的にロックする。この嵌合プロセスの間、内挿体５４は軸方向凹部５６の形状によってばねのようにたわむ。内挿体５４が元の応力のかかっていない形状に戻ろうとすることにより、内挿体５４とベース部材４６との結合が確立する。
図５にベアリング・キャリッジの好ましい形状を示す。矢印の向きに力（荷重）Ｆを加えることにより、キャリッジ２２、ロード・ベアリング・トラック２８および回転要素を通して荷重が固定レール・アセンブリー２４に伝えられる。ベース部材４６に形成されている軸溝５０がこの荷重に対応してレール・アセンブリーをたわませる。これにより、各垂直アーム４８を正しく応答・変形させ、キャリッジ・ロード・ベアリング・トラック中心線６２を変移させる。この中心線６２が動くとき、接触角が初期値Ａから荷重時の値Ｂに変わる。この最終接触角Ｂは加えられる荷重によってさらに調整され、最適化される。
逆向きに荷重される、すなわち「持ち上げ」力がかかるとき、同様のことが起こる。キャリッジが比較的可撓性のある素材たとえばアルミニウムからなるので、垂脚３２は再び接触角を最適にするように外側にたわむ。さらに、凹部６６が垂脚３２とキャリッジ２２の間の交接部で垂脚３２の外面部に形成される。この凹部６６が、内挿体４０に形成されたキャリッジ・ロード・ベアリング・トラック部の再配列のためのたわみ線を与える。
この構造による接触角の最適化に加え、この線形運動ベアリング・アセンブリーの製造と組立が従来技術よりもはるかに簡単になる。これは、既存の製造技術よりも安価に素材とプロセスを用いることを可能にする最適コンプライアンスから得られる。
まだ開示していない範囲に対し、当業者には、これまで開示した実施例により他の実施態様を考えつくことは容易であることが理解されるだろう。
本発明はここに開示した実施例に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく、請求の範囲内で変形することは可能である。

Claims (12)

1. それぞれ内面部と外面部とを有し、ベース部材に対してたわむことのできる一対の垂直アームをもつ細長いベース部材を有するレール・アセンブリーと、
   ベアリング・キャリッジ、および、このベアリング・キャリッジから伸び、前記レール・アセンブリーを収容するための軸方向溝を形成する内面部と外面部とからなる一対の垂脚であって、前記ベアリング・キャリッジに対してたわむことのできる一対の垂脚を有するベアリング・キャリッジ・アセンブリーと、
   前記垂直アームと垂脚との間に複数のロード・ベアリング・トラックを形成するために、前記垂脚の内面部に位置し、それぞれ少なくとも１つのロード・ベアリング・トラックの一部を形成する複数のロード・ベアリング内挿体と、
   前記垂直アームと垂脚との間に複数のロード・ベアリング・トラックを形成するために、前記垂直アームの外面部に位置する複数のロード・ベアリング内挿体と、
   前記ロード・ベアリング・トラックに設けられる複数の回転要素とからなることを特徴とする線形運動ベアリング・アセンブリー。
2. 前記ロード・ベアリング内挿体がそれぞれ複数のロード・ベアリング・トラックの一部を形成する複数の平行溝を有することを特徴とする請求項１記載のアセンブリー。
3. さらに、前記垂脚のたわみを容易にするため、前記垂脚の断面を狭める一対の軸方向凹部を前記垂脚に隣接して設けたことを特徴とする請求項１記載のアセンブリー。
4. 前記ベアリング・キャリッジが、アルミニウム・プラスチックおよび鋼の群から選択された素材から形成されてなることを特徴とする請求項１記載のアセンブリー。
5. 前記レール・アセンブリーのベース部材が、アルミニウム・プラスチックおよび鋼の群から選択された素材から形成されてなることを特徴とする請求項１記載のアセンブリー。
6. 前記ロード・ベアリング内挿体の２つが前記ベアリング・キャリッジに組み付けられ、前記ロード・ベアリング内挿体の２つが前記レール・アセンブリーに組み付けられることを特徴とする請求項１記載のアセンブリー。
7. 前記レール・アセンブリーに組み付けられる２つのロード・ベアリング内挿体の各々が、前記垂直アームの外面部に隣接する面に形成された軸方向溝を有し、該軸方向溝が、当該ロード・ベアリング内挿体に対する横断たわみを増強することを特徴とする請求項５記載のアセンブリー。
8. 長手方向に伸びる一対の平行なアーム部材を備えたアルミニウム・ベース部材からなり、前記アーム部材は、それぞれ軸方向溝を形成する内面部と、レール・アセンブリー内挿体受け構造を形成する外面部とを具備する細長いレール・アセンブリーと、
   内面部と複数のロード・ベアリング・トラックの一部を形成する複数の平行溝をもつ外面部とからなる複数のレール・アセンブリー・ロード・ベアリング内挿体であって、平行な前記アーム部材の外面部に形成された前記レール・アセンブリー内挿体受け構造に組み付けられた複数のレール・アセンブリー・ロード・ベアリング内挿体と、
   アルミニウム・ベアリング・キャリッジ、および、このアルミニウム・ベアリング・キャリッジから伸び、前記レール・アセンブリーを収容するための軸方向溝を形成すると共に、キャリッジ・アセンブリー内挿体受け構造を有する内面部と外面部とを有する一対の垂脚からなるベアリング・キャリッジ・アセンブリーと、
   複数のキャリッジ・ロード・ベアリング内挿体であって、ぞれぞれのキャリッジ・ロード・ベアリング内挿体は、複数のロード・ベアリング・トラックの一部を形成する複数の平行溝を有し、前記垂脚の内面部に形成したキャリッジ・アセンブリー内挿体受け構造に組み付けられる複数のキャリッジ・ロード・ベアリング内挿体と、
   前記ロード・ベアリング・トラックに設けられた複数の回転要素とからなり、
   前記ベアリング・キャリッジ・アセンブリーへ荷重をかけた時、前記ロード・ベアリング内挿体が、前記回転要素に対して、最適接触角にたわむように構成したことを特徴とする線形運動ベアリング・アセンブリー。
9. 前記レール・アセンブリー・ロード・ベアリング内挿体が、その内面部に形成された軸方向溝を有し、該軸方向溝が、前記レール・アセンブリー・ロード・ベアリング内挿体のたわみを増強することを特徴とする請求項８記載のアセンブリー。
10. 前記回転要素がボールであることを特徴とする請求項８記載のアセンブリー。
11. 前記レール・アセンブリー内挿体受け構造が、前記レール・アセンブリー・ロード・ベアリング内挿体を受けて保持するように形成された大きさの軸方向溝であることを特徴とする請求項８記載のアセンブリー。
12. 前記ベアリング・キャリッジ・アセンブリーが、前記レール・アセンブリーを囲むことを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載のアセンブリー。

Images