JP4702347B2 - 直動案内軸受装置 - Google Patents

Description

本発明はボールの転がりを利用した直動案内軸受装置に係り、特に、ボール間にセパレータを介装した直動案内軸受装置の作動性の改良に関する。

ボールの転がりを利用した従来の直動案内軸受装置としては、例えば図７に示すように、軸方向に延設された案内レール１と、その上に移動可能に跨架されたスライダ２とを備えたいわゆるリニアガイド装置と呼ばれるものがある。その案内レール１の両側面にはそれぞれ軸方向にボール転動溝３が形成されている。一方、スライダ２のスライダ本体２Ａには、断面図である図８に示すように、その両袖部４の内側面にそれぞれ前記ボール転動溝３に対向するボール転動溝６が形成されている。

そして、これらの向き合った両ボール転動溝３，６で負荷ボール転動路Ａが形成され、多数の鋼球からなるボールＫが負荷を支えつつ転動することにより、スライダ２が案内レール１上を軸方向に沿って移動できるようになっている。この移動につれて、案内レール１とスライダ２との間に介在するボールＫは転動してスライダ２のスライダ本体２Ａの端部に移動するが、スライダ２を軸方向に継続して移動させていくためには、これらのボールＫを無限に循環させる必要がある。

そこで、スライダ本体２Ａの袖部４内に更に軸方向に貫通するボール戻り通路としての直線状の貫通孔７を形成すると共に、スライダ本体２Ａの前後両端にエンドキャップ５を設けて、これに上記両ボール転動溝３，６からなる負荷ボール転動路Ａと、ボール戻り通路７とを連通する半ドーナツ状に湾曲した曲線循環路であるボール循環路８を形成することにより、エンドレスのボール無限循環軌道を構成している。なお、前記ボール循環路８は、外側案内部材であるエンドキャップ５の内側端面に形成された半円弧状溝の溝面からなる外側案内面８ａと、スライダ本体２Ａの端面に固着された半円柱状の内側案内部材９（リターンガイドともいわれる）の外周面からなる内側案内面８ｂとで構成されている。

ところで、上記の図８では図示されていないが、前記ボール無限循環軌道の互いに隣合うボールＫ，Ｋ間に、図９に示すように、セパレータＴ（リテーニングピースともいわれる）が介装されている場合がある。セパレータＴに関して、その寸法，形状を特定することにより、作動性の向上を図ったものを、本出願人は先に出願した（特願平１１−１６６９００号）。このものは、図９に示されるように、セパレータＴの外周部Ｑが略円筒状で、その両側面にそれぞれボールＫと接触する凹面部Ｗを有し、その凹面部ＷにボールＫを接触させた状態で、セパレータの軸線Ｌと隣合うボールＫ，Ｋの中心点Ｏ，Ｏ同士を結ぶ直線とが一致しており、且つ前記ボールＫに接触する凹面部Ｗの曲率半径はボールＫの半径と略等しくなっている。

前記セパレータＴは、ボールの千鳥現象を抑制して作動性を向上させると共に、騒音を抑制して騒音特性を向上させる効果を有する。ボールの保持代が大きい程、すなわちセパレータＴの外径Ｌφが大きい程その効果も大きくなるが、最大外径寸法は内側案内部材９と干渉する寸法に規制される。図９は、ボールＫがボール循環路８の外側案内面８ａ及び内側案内面８ｂの双方に接触しつつ転動する状態、つまり「スキマ零でガタなし」の状態を示しており、この状態でのセパレータＴの外径寸法の最大値Ｌφは、三平方の定理に基づき次の（１）式で表すことができる。

Ｌφ＝２｛（Ｌ_R −Ｄａ／２）² −（Ｌ_SP／２）²｝^1/2 −２Ｌ_r ……（１）
ここに、
Ｌφ：セパレータＴのガタなし時の最大外径
Ｄａ：ボール径
Ｌ_SP：ボール間スパン
Ｌ_R ：外側案内面８ａの半径
Ｌ_r ：内側案内面８ｂの半径
もっとも、上記図９のようにボールＫがボール循環路８の内外の案内面８ａ，ｂに対し「スキマ零でガタなし」の状態では、ボールの転動が必ずしも円滑にいくとは限らないため、また製作上の許容寸法精度という点をも考慮して、通常、セパレータＴの有無に関わらず、ボール径の１０％程度のガタをボールＫとボール循環路８との間に設けているのが一般的である。

図１０は、ボールＫの転動に若干のガタを設けた一般的なボール循環路８の場合を示したもので、このときセパレータＴの最大外径寸法Ｌφ_max の値は、次式（２）で表わされることになり、前記ガタなしの最大外径Ｌφより大きくできる。
Ｌφ_max＝２｛（Ｌ_R −Ｄａ／２）²−（Ｌ_SP／２）² ｝^1/2 −２（Ｌ_R −
Ｄａ−Ｌ_d ） …… （２）
ここに、
Ｌφ_max ：セパレータＴの最大外径（若干ガタあり）
Ｌφ：セパレータＴのガタなし時の最大外径
Ｄａ：ボール径
Ｌ_SP：ボール間スパン
Ｌ_R ：外側案内面１０８ａの半径
Ｌ_r ：内側案内面１０８ｂの半径
Ｌ_d ：「ガタ」量

しかしながら、上記特願平１１−１６６９００号に示された直動案内軸受装置「ガタあり」状態（図１０）での最大外径寸法Ｌφ_max のセパレータＴは、ボールの保持代を大きくしてその効果を高めるべく外径を可及的に大きくしたことにより、スライダ本体２Ａとの干渉が発生してしまい、十分な作動性の向上効果が得にくいという問題点がある。つまり、図１０に示されるように、ボール循環路８内ではボールＫとの間に若干ガタのある方が好ましいのに対し、負荷を受ける負荷ボール転動路Ａ内のボールＫにはガタがあってはならない。そこで、ボール循環路８の内側案内部材９（リターンガイド）が取付けられているスライダ本体２Ａの負荷ボール転動路Ａ側の端面の角部Ｃは、必然的に負荷ボール転動路Ａ側に若干はみ出さざるを得ない。そのはみ出した角部ＣとセパレータＴとが干渉するのである。

更に、先の出願では、セパレータＴの最大外径Ｌφ_max を、ボール径Ｄａの６０〜８０％の範囲内に規制するのが効果的とされている。しかし、その上限に近い７０〜８０％程度の外径とされた可及的に大きなセパレータＴを使用する場合、干渉を避けるべく内側案内部材９の内側案内面８ｂを、単純な半円形ではなく、中心及び曲率半径の異なった複数の曲面からなる複合曲面としたため、内側案内部材９の形状が著しく複雑となり、コストアップを招くという問題もある。

そこで、本願発明者らは、このような従来技術の未解決の課題に着目して研究を重ねた結果、ボール循環路内でのボールとの間のガタがある程度大きくなっても、セパレータＴの外径を大きくしてボール保持機能を高める効果の方が大きく、結果として直動案内装置の作動性が向上することを見出して本発明をなすに至った。
よって本発明の目的とするところは、可及的に大きな外径のセパレータＴを使用しつつもボール循環路またはスライダ本体との干渉を回避できて、作動性，騒音特性，耐久性を向上させ得る、より安価な直動案内軸受装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、案内用のボールが案内部材によって規制された曲線循環路に沿って移動する部分を有し、隣合うボールの中心点同士を結ぶ直線とセパレータの軸線とが平行又は一致するようにして、隣合うボール同士の間にセパレータを介装し、そのセパレータの軸線方向両端の凹面部がそれぞれ、隣合うボールの球面に接触するようにした直動案内軸受装置において、当該セパレータの外径寸法を前記ボールが前記曲線循環路内を該曲線循環路の内側及び外側の両曲面に同時に接触しつつ転動するときのセパレータの最大外径寸法以上の外径寸法とし、且つセパレータの外径面に前記曲線循環路内の内側曲面との干渉を避ける凹部を設けたことを特徴とする。
また、請求項２に係る本発明は、案内用のボールが案内部材によって規制された曲線循環路に沿って移動する部分を有し、隣合うボールの中心点同士を結ぶ直線とセパレータの軸線とが平行又は一致するようにして、隣合うボール同士の間にセパレータを介装し、そのセパレータの軸線方向両端の凹面部がそれぞれ、隣合うボールの球面に接触するようにした直動案内軸受装置において、
当該セパレータの外径寸法を前記ボールが前記曲線循環路内を該曲線循環路の内側及び外側の両曲面に同時に接触しつつ転動するときのセパレータの最大外径寸法以上の外径寸法とし、且つセパレータの外周面に前記曲線循環路内の内側曲面と接触する小突起を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、セパレータの外径を可及的に大きくするとともに、曲線循環路と当該セパレータとの干渉を最小限におさえたため、セパレータを使用しない標準仕様の直動案内軸受装置よりも作動性・騒音特性を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、従来と同一または相当部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く。
図１は、本発明の直動案内軸受装置の第１実施形態を示すもので、エンドキャップと呼ばれる外側案内部材５と、リターンガイドと呼ばれる内側案内部材９とで構成される湾曲したボール循環路８部分の断面図である。

この実施形態では、円柱状のセパレータＴの軸線Ｌが隣合うボールＫの中心点Ｏを結ぶ直線に一致するようにして、当該セパレータＴを各ボールＫの間に介装している。セパレータＴの軸線方向両端の凹面部Ｗは、ボールＫの球面の曲率半径と略同等の曲率半径の球面凹部になっているが、セパレータＴの凹面形状は、少なくともその凹面部の外周部近傍がボールＫの球面に接触するようになっていればよい。このセパレータＴ本体の形状は、必ずしも円柱状に限定されるものではなく、中空の円筒状であってもよく、また球面状であってもよい。必要なのは、できるだけセパレータＴがボールＫを保持しやすいこと及び保持代が大きくできることであり、以上の観点からみて、セパレータＴの形状は、外周面が球状であるよりも円柱状の方が有利であり、また両端凹面部Ｗのより外周部で凹面とボールＫとが接触するような形状となる方が有利である。

ボールＫが無負荷で転動するボール循環路８では、先に述べたように円滑なボールの循環のためと、許容寸法精度といった面からボールに対して、或るクリアランスを設けることが一般的であるが、それによりボールの転動にガタが生じて作動性や騒音特性が損なわれる。本発明は、ボール循環路内でのボールのガタが大きくなることによるマイナス効果を、より大きな効果が得られるセパレータＴの外径を大きくしてボール保持機能を高めることにより補償し、結果として直動案内装置の作動性をより向上させる。

この実施形態では、セパレータＴの外径を内側案内部材であるリターンガイド９と干渉することなく可及的に大きくする一つの手段として、リターンガイド９の曲率半径Ｌｒｄを、ガタなしの場合Ｌｒ（図１に鎖線で表示）よりも縮小している。これにより、セパレータＴの外径Ｌφｄは、破線で示すガタなし時のセパレータ外径Ｌφより大きくでき、最大限外径Ｌφｄ_max まで拡大できる。このセパレータＴの外径増大により、リターンガイド９の曲率半径を縮小して生じるガタ量Ｌｄｄ増大のマイナス効果を上回るプラス効果を得ることができる。

ただし、リターンガイド９の曲率半径Ｌｒを縮小することでセパレータＴとの干渉を回避することはできても、セパレータＴの外径Ｌφｄとリターンガイド９の曲率半径Ｌｒｄとの間のすきまの大きさ如何では、図１（ｂ）に示すように、リターンガイド９が取付けられているスライダ本体２Ａの端面の角部Ｃが負荷ボール転動路Ａ側にはみ出した角部ＣとセパレータＴとが干渉してしまう。これを防止するには、スライダ本体２Ａの端面の当該角部Ｃに面取りを施すと良い。これにより、一層大きなセパレータＴを、円弧状など形状の単純なリターンガイドを使用して循環させることができるため、より安価に機能を向上させることができる。

前記ガタ量ＬｄｄとセパレータＴの外径Ｌφｄとの関係は、次式（３）により表すことができる。
Ｌｄｄ＝［（Ｌ_SP／２）² ＋｛（Ｌφｄ／２）＋Ｌｒｄ｝² ］^1/2−Ｌｒｄ
−Ｄａ／２ …… （３）
ここに、
Ｌｄｄ：ガタ量
Ｌφｄ：セパレータＴの外径
Ｄａ：ボール径
Ｌ_SP：ボール間スパン
Ｌ_r ｄ：縮小した内側案内面８ｂの半径
この式から、セパレータＴの外径Ｌφｄが大きいほどガタ量Ｌｄｄも大きくなることは明らかである。実測の結果から、ある程度のガタ量までは、セパレータＴによるボール保持効果の方がガタによるマイナス効果に勝り、作動性の向上がみられるが、ガタ量が大きくなり過ぎるとボールの千鳥現象を抑制できなくなる結果、作動性の向上が認められなくなることがわかった。

セパレータＴの許容最大外径寸法Ｌφｄ_maxは、案内部材のうちの特に内側案内部材９（リターンガイド）との干渉によって規制される。即ち、セパレータＴはその軸線が隣合うボールＫの中心点Ｏを結ぶ直線Ｌに一致するようにしてあるため、セパレータＫの外形寸法Ｌφｄを大きくすると、その外周部は内側案内部材９の方により接近することになり、大きくし過ぎると両者が干渉する。セパレータＴが内側案内部材９に干渉すると、ノイズや作動性、耐久性の低下原因となる。従って、セパレータＴの外径寸法の最大許容値Ｌφｄ_maxは、内側案内部材９と接触する値である。

そこで、リターンガイド９の内側案内面８ｂの曲率半径に応じて様々な外径のセパレータＴを用い、それらセパレータＴの外径寸法とボール直径との比を、０．６５（６５％），０．８０（８０％），０．８５（８５％），０．９５（９５％）にしたとき、ボール循環路８内をボールの転動とともに移動するセパレータＴの動摩擦力の変動を測定して、セパレータの外径寸法Ｌφｄによる作動性の評価を行った。実測結果を図２，図３に示す。また、セパレータのない標準品の直動案内軸受装置の動摩擦力を図２ｅに示す。いずれも、横軸の目盛りはセパレータＴの移動距離（ｍｍ）、縦軸の目盛りは動摩擦力（ｋｇｆ）である。これらの図に示す摩擦力変動のうち、図２ｅに示すように、先鋭的な変動をヒゲと呼ぶ。各セパレータ毎の最大ヒゲ成分の大きさを比較して図３に示した。セパレータがない標準品のときの最大ヒゲ成分の大きさは０．５ｋｇｆ程度（図３中に破線で示す）であることから、セパレータを使用するときの条件をそれ以下としたとき、セパレータＴの外径寸法Ｌφｄはボールの直径の０．９５（９５％）未満とするのが好ましいと言える。

上記のとおり、この第１実施形態の直動案内軸受装置は、ボール循環路８内の外側及び内側の両曲面８ａ，８ｂに同時に接触しつつボールＫが転動する状態、すなわちボール循環路８内でボールＫのガタが零となるように設定された状態におけるセパレータＴの外径寸法であるＬφ以上の外径Ｌφｄを有するセパレータＴを使用し、（また必要に応じてボール循環路８の内側曲面８ｂに連なるスライダ本体端面を面取りし、）且つボール循環路８の内側曲面８ｂの内側曲面の曲率半径を当該セパレータＴと接触しない大きさに縮小、または前記曲線循環路内の外側曲面の曲率半径を内側曲面とセパレータとが接触しない大きさに拡大して構成したものである。これにより、ボール循環路８とセパレータＴとの干渉が防止できて、標準サイズのリターンガイドを有する直動案内軸受装置に比し作動性及び騒音特性をより向上させたものが得られるという効果を奏する。

図４に、本発明の直動案内軸受装置の第２実施形態を示す。
このものは、セパレータＴの外周部Ｑに、ボール循環路８の内側案内面８ｂに沿わせて凹部１１を設けた点が、前記第１実施形態のものとは異なっている。このため、第１実施形態のセパレータＴと同様の外径寸法としたにもかかわらず、すなわち外周部Ｑが単純な円筒面とされた第１実施形態の場合と同等の大きさのボール接触凹部面積でありながら、ガタ量Ｌｄはより小さくできて、一層の低騒音化が達成できるという利点がある。

図５に、本発明の直動案内軸受装置の第３実施形態を示す。
このものは、セパレータＴの外周部Ｑをボール循環路８の内側案内面８ｂに接触させつつ摺動させるようにしたもので、ボールＫの千鳥現象を極力抑えることにより、一層の作動性・騒音特性の向上を図っている。
図６に、本発明の直動案内軸受装置の第４実施形態を示す。

このものは、セパレータＴの外周部Ｑに小突起１２を設けて、その小突起１２を介してボール循環路８の内側案内面８ｂに接触させた点が、前記各実施形態とは異なっている。セパレータＴと内側案内面８ｂとの接触面積を小さくしてすべり摩擦力を極力抑えることにより、作動性・騒音特性の向上を図っている。
ここで、ボールＫ，Ｋ間のスパンを規制するセパレータＴの厚みについて述べると、直動案内軸受装置の負荷容量の観点からは、セパレータＴの厚みは薄いほど好ましいが、セパレータＴの弾性変形や成形性を考慮すると、ボール径の３〜１０％程度に設定するのが適当である。特に、ボールに大きな負荷が作用する場合や、大きな予圧を負荷する場合には、強度を増すためにセパレータＴの厚みをできるだけ大きく設定する必要がある。しかし、そのためボールスパンＬ_SPが長くなり、セパレータ外径Ｌφｄ_max が小さくなってボール保持力が低下し、作動性・騒音特性に悪影響が生じる可能性がある。そのような場合にも、本発明を適用することによりセパレータＴのボール保持力を向上させることができ、作動性・騒音特性への悪影響を防止することが可能である。

なお、上記各実施形態では、内側案内面８ｂの形状のみでなく、ボール循環路８全体の形状が単一円弧からなる半ドーナツ形状のものについて説明したが、本発明を適用するボール循環路８の形状はこれに限定されない。その他、例えば楕円形状や複数の円弧形状を連成した形状、あるいは円弧形状と直線形状とを連成した形状等であっても良い。
また、セパレータＴの外径面が略円柱状のものを示したが、中心部に貫通孔を有する略円筒状であっても良い。

また、セパレータＴはそれぞれ独立しているものについてのみ説明したが、各セパレータを連結してあっても良い。また、直動案内軸受装置としてリニアガイド装置に適用した場合を示したが、本発明は同様の曲線循環路を有する例えばリニアボールベアリングのような他の直動案内軸受装置にも、好適に適用可能である。

本発明の直動案内軸受装置の第１実施形態を示す曲線軌道部分の断面図である。 セパレータの作動性をボール直径に対する外形寸法毎に評価するための摩擦力変動の説明図である。 ボール直径に対するセパレータの外形寸法の評価説明図である。 本発明の直動案内軸受装置の第２実施形態を示す曲線軌道部分の断面図である。 本発明の直動案内軸受装置の第３実施形態を示す曲線軌道部分の断面図である。 本発明の直動案内軸受装置の第４実施形態を示す曲線軌道部分の断面図である。 従来の直動案内軸受装置の一例を示す外観斜視図である。 図７の直動案内軸受装置の曲線軌道部分を含む軸方向の断面図である。 「スキマ零、ガタなし」の状態におけるセパレータの最大外径を示す曲線軌道部分の断面図である。 スキマを有する状態におけるセパレータの最大外径を示す曲線軌道部分の断面図である。

符号の説明

５ 外側案内部材（エンドキャップ）
８ 曲線循環路
８ａ 外側案内面
８ｂ 内側案内面
９ 内側案内部材（リターンガイド）
Ｃ 端面角部
Ｋ ボール
Ｔ セパレータ
Ｏ （ボールの）中心点
ＴＬ （セパレータの）軸線
Ｗ 凹面部

Claims (2)

1. 案内用のボールが案内部材によって規制された曲線循環路に沿って移動する部分を有し、隣合うボールの中心点同士を結ぶ直線とセパレータの軸線とが平行又は一致するようにして、隣合うボール同士の間にセパレータを介装し、そのセパレータの軸線方向両端の凹面部がそれぞれ、隣合うボールの球面に接触するようにした直動案内軸受装置において、
   当該セパレータの外径寸法を前記ボールが前記曲線循環路内を該曲線循環路の内側及び外側の両曲面に同時に接触しつつ転動するときのセパレータの最大外径寸法以上の外径寸法とし、且つセパレータの外径面に前記曲線循環路内の内側曲面との干渉を避ける凹部を設けたことを特徴とする直動案内軸受装置。
2. 案内用のボールが案内部材によって規制された曲線循環路に沿って移動する部分を有し、隣合うボールの中心点同士を結ぶ直線とセパレータの軸線とが平行又は一致するようにして、隣合うボール同士の間にセパレータを介装し、そのセパレータの軸線方向両端の凹面部がそれぞれ、隣合うボールの球面に接触するようにした直動案内軸受装置において、
   当該セパレータの外径寸法を前記ボールが前記曲線循環路内を該曲線循環路の内側及び外側の両曲面に同時に接触しつつ転動するときのセパレータの最大外径寸法以上の外径寸法とし、且つセパレータの外周面に前記曲線循環路内の内側曲面と接触する小突起を設けたことを特徴とする直動案内軸受装置。

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