JP5188675B2 - 球面軸受 - Google Patents

Description

本発明は、撓みを生じ易い長さの長い軸を回転可能に支持するために有利に用いることができる球面軸受に関する。

図１２に示す従来の球面軸受１は、自動調心玉軸受とも呼ばれており、内輪２の外側面に周方向に沿って形成された二本の溝３、３のそれぞれの内部に、互いに間隔をあけた状態にて保持器４に拘束されている複数個の小球５を配置して、これを内側面６が球面状に形成された外輪７の内側に嵌め合わせた構成を有している（非特許文献１参照）。この球面軸受１は、内輪２の内側に軸を挿入して固定し、この軸を回転可能に支持するために用いることが知られている。なお、自動調心玉軸受については、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ １５２３−１９９３）に詳しい記載がある。

球面軸受１は、内輪２が、外輪７の球面状の内側面６に沿って傾斜移動することができるように構成されているため、内輪に対して軸が僅かに傾いた状態で固定された場合でも、上記内輪の傾斜移動により軸をその中心に対して正確に回転可能な状態で支持することができる。このため、球面軸受１は、例えば、撓みを生じ易く中心を正確に判別することが難い長さの長い軸を回転可能に支持するために用いられている。上記の保持器４は、内輪２が傾斜移動した際に小球５が内輪の溝から脱落することを防止するために用いられている。また、このような構成の球面軸受は、各種の電気製品や機械製品の製造装置や、これらの製品の製造に用いる部品の搬送装置などに組み込まれている、各種の駆動対象物とこの対象物を駆動する装置とを結合するジョイントとしても用いることも知られている。
ＳＫＦ総合カタログ，日本エスケイエフ株式会社，１９９９年発行

上記の球面軸受を用いることで、例えば、撓みを生じ易い長さの長い軸を、その中心に対して正確に回転可能な状態で支持することができる。しかしながら、このような球面軸受は保持器を備えた複雑な構成を有しており、その製造には保持器に多数の穴あけ加工をして、これらの多数の穴のそれぞれに転動体を組み込む手間のかかる作業が必要となる。
本発明の課題は、簡単な構成の球面軸受を提供することにある。

本発明は、上下の各々に開口を有する透孔を中央に備えた金属材料製の大球、この大球よりも大きな直径を持ち且つ上下のそれぞれに下記の要件を満たすように形成された膨張域を介して開口面が形成された、大球を収容している球状凹部を有する金属材料製のハウジング、上記の凹部内で大球の表面に沿って加圧状態で配設された金属材料製の小球群、そして大球の各々の開口の周囲に固定状態で付設された、大球の回転により上記小球群を押圧することのできる環状押圧具からなり、上記の小球群が、保持器を用いることなく、これにより隣接する小球同士の接触が発生する状態で配置され、そして上記の膨張域が、ハウジングの内側面と大球の球面との間隔が小球の直径よりも大きな間隔となるように形成された領域である球面軸受にある。

上記の本発明の球面軸受の好ましい態様は、次の通りである。
（１）大球の表面に沿って小球群を、隣接する小球同士の接触が発生する状態で配置された上側の小球群と下側の小球群とに隔離する揺動環状隔離具を備える。
（２）揺動環状隔離具の小球と対向する面に、隔離具の周方向に伸びる溝もしくは切り欠きが形成されている。
（３）揺動環状隔離具の小球と対向する面に、各々隔離具の径方向に伸びる複数本の溝が形成されている。

本発明の球面軸受は、小球の保持器を備える必要がないために構成が簡単で、その製造が容易である。また、本発明の球面軸受は、ハウジング内に収容する小球の数を増加させることにより、その耐荷重を大きくすることができる。

本発明の球面軸受を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の球面軸受の構成例を示す図であり、そして図２は、図１の球面軸受１０の大球１２が傾斜移動した状態を示す図である。また図３は、図１の球面軸受１０の使用の態様を示す図であり、そして図４は、図３に示す球面軸受１０に取り付けられたロッド１１が傾斜した状態を示す図である。

図１から図４に示す球面軸受１０は、上下の各々に開口１９ａ、１９ｂを有する透孔１９を中央に備えた大球１２、大球１２よりも大きな直径を持ち且つ上下のそれぞれに膨張域１３ａ、１３ｂを介して開口面１４ａ、１４ｂが形成されてなる、大球１２を収容している球状凹部１５を有するハウジング１６、上記の凹部１５の内部で大球１２の表面に沿って加圧状態で配設された小球群１７、そして大球１２の各々の開口の周囲に付設され、大球１２の回転により上記小球群１７を押圧することのできる環状押圧具２１ａ、２１ｂから構成されている。

球面軸受１０の大球１２の透孔１９には、例えば、図３に示すように各々の端部の側にネジ２５が形成されたロッド１１が挿入される。このロッド１１は、大球１２の上下を各々座金２６を介して一対のナット２７、２７により締め付けることで大球１２に固定されている。そして、ロッド１１の一方の端には、例えば、駆動装置の回転軸が連結される。

そして、上記の小球群１７は、ハウジング１６の球状凹部１５と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも僅かに小さな間隔（小球のサイズにも依存するが、例えば、小球の直径よりも１〜５μｍ程度小さな間隔）に設定されているため、ハウジング１６と大球１２との間に加圧状態で配設されている。このように、ハウジング１６の球状凹部１５には、大球１２が小球群１７を介して緊密に接触支持された状態で嵌め合わされているため、球面軸受１０の大球１２に取り付けられたロッド１１は、円滑かつ高精度に移動や回転をすることができる。

また、球面軸受１０の大球１２は、小球群１７が転動することで自由に回転することができるため、大球１２に取り付けられたロッド１１は、その長さ方向を軸として自由に回転することができ、また図４に示すように自由に傾斜移動することもできる。従って、球面軸受１０を用いることにより、上記の従来の球面軸受の場合と同様に、例えば、ロッド１１に連結された長さが長くて撓み易い軸を、その中心に対して正確に回転可能な状態で支持することができる。

また、球面軸受１０では、大球１２の表面に沿って小球群１７が保持器を用いずに配設されるため、大球の周囲には非特許文献１の球面軸受の場合と比較してより多くの数の小球を配置することができる。ロッド１１を備える大球１２を、より多くの数の小球によって支持することにより、球面軸受１０の耐荷重を大きくすることができる。

次に、球面軸受１０に備えられているハウジング１６の膨張域１３ａ、１３ｂと、環状押圧具２１ａ、２１ｂとについて説明する。

球面軸受１０では、図４に示すようにロッド１１が最大の角度まで傾斜移動した場合であっても、このロッドの傾斜移動により開口面の側に向かって転動する小球、例えば、開口面１４ｂの側に向かって転動する小球１７ａは、ハウジング１６の球状凹部１５の端部近傍の部位にまで移動するだけで凹部１５の外側にまで移動することはない。また、ロッド１１が前後左右に繰り返して傾斜移動した場合であっても、小球群１７はハウジング１６の球状凹部１５において上下方向に転動を繰り返すだけで、ロッドが垂直の状態に配置されれば小球群１７は図３に示す配置に復帰する。すなわち、球面軸受１０においては、ロッド１１の傾斜移動により回転する大球１２に小球群１７が完全に追従して理想的な転動をする場合には、小球がハウジング１６の外部へと脱落することはない。

ところが、小球群１７は、ハウジング１６の球状凹部１５あるいは大球１２の球面の寸法の精度あるいは重力の影響を受けるなどして、必ずしも上記のような理想的な転動をするわけではない。例えば、図４に示すように、ハウジング１６の内部で最も下側に配置されている小球１７ａは、ロッド１１が繰り返して傾斜移動すると、小球群１７が重力の影響を受けて次第に球状凹部１５の下方において上下に転動を繰り返すようになるため、ハウジング１６の開口面１４ｂから外部へと脱落し易くなる。

一方で、図１の球面軸受１０のロッド１１が傾斜移動すると、これにより球状凹部１５と大球１２との間にある複数個の小球の各々は大球とは逆向きに、すなわち前記複数個の小球の全ては同じ向きに回転しながら転動する。

そして、球面軸受１０のロッド１１が傾斜移動することで転動する小球群１７のうちの、例えば、一個の小球の回転移動が困難になり、この小球に別の一個もしくは二個以上の小球が強く接触すると、これらの複数個の小球が、その接触部において各々の小球の表面が逆向きに移動しながら擦れ合うために大きな摩擦を生じて、幾つかの小球の転動が停止する場合がある。このようにロッド１１が傾斜移動している最中に幾つかの小球の転動が停止すると、ロッドの傾斜移動に必要なトルクの大きさが急激に変動するためにロッドが滑らかに傾斜移動できなくなる場合がある。

特に、ハウジング１６の開口面１４ｂの側にある小球、例えば、図４に示す小球１７ａの回転移動が困難になると、この小球１７ａに小球１７ｂが強く接触し、さらに小球１７ｂに小球１７ｃが強く接触するというように、連鎖的に小球が強く接触していくために小球の転動が停止し易くなる。従って、ハウジング１６の球状凹部１５において開口面１４ａ、１４ｂの各々の側にある小球、例えば、図４に示す小球１７ａの円滑な回転移動を妨げることなく、ハウジングの外部への小球の脱落を防止ことが望ましい。

図１〜図４に示す本発明の球面軸受１０のハウジング１６に形成された膨張域１３ａ、１３ｂの各々においては、ハウジング１６の内側面と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも大きな間隔に設定されている。このため、例えば、図４に示すようにハウジング１６の開口面１４ｂの側にある小球１７ａが転動して膨張域１３ｂに到達すると、小球１７ａは加圧状態から解放され、そして環状押圧具２１ｂに接触してハウジング１６の外部への脱落が防止される。これにより、上記のように球状凹部１５において開口面の側を転動する小球の円滑な回転移動を妨げることなく、小球の脱落を防止することができる。

一方で、環状押圧具２１ｂは、ロッド１１が図３に示すように垂直に配置された状態に復帰する際には、上記のように膨張域１３ｂに到達した小球１７ａを押圧して球状凹部１５へと移動させる。これは、上記のように膨張域１３ｂに到達した小球１７ａを球状凹部１５へと移動させないと、この膨張域１３ｂに残された小球１７ａに、ロッド１１が傾斜移動を繰り返すことで次第に球状凹部１５の下方にて上下に転動を繰り返すようになった小球１７ｂ、そして小球１７ｃが次々に強く接触して小球の転動が停止し易くなり、ロッド１１が滑らかに傾斜移動することができなくなる場合があるからである。

すなわち、本発明の球面軸受１０は、ハウジング１６の球状凹部１５において開口面１４ｂ（あるいは開口面１４ａ）の側にある小球が膨張域１３ｂ（あるいは膨張域１３ａ）に到達して加圧状態から解放された状態で、この小球を環状押圧具２１ｂ（あるいは押圧具２１ａ）に接触させることでハウジングの外部への小球の脱落を防止して、更にロッド１１が垂直な状態へと復帰する際には、膨張域１３ｂ（あるいは膨張域１３ａ）に到達した小球を、環状押圧具２１ｂ（あるいは押圧具２１ａ）で押圧して球状凹部１５へと移動させることによって、小球の保持器を用いなくとも複数個の小球の強い接触の発生が抑制され、ロッド１１が滑らかに傾斜移動することができるように構成されている。

球面軸受１０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、環状押圧具２１ｂを、大球１２の開口１９ｂの周囲に形成された凹部に圧入する。このようにして開口１９ｂの周囲に環状押圧具２１ｂが付設された大球１２を、ハウジング１６の内部に収容する。そして、ハウジング１６と大球１２との間に開口面１４ａの側から小球群１７を押し込み、最後に環状押圧具２１ｂと同様にして大球１２の開口１９ａの周囲に押圧具２１ａを付設することにより球面軸受１０を製造することができる。このように、球面軸受１０は、小球の保持器を備えていないために構成が簡単で、その製造が容易である。

球面軸受を構成する、ハウジング、大球、そして小球の材料としては、鋼、銅合金、あるいはステンレススチールなどの金属材料が用いられる。球面軸受の環状押圧具の材料としては、通常、鋼、銅合金、あるいはステンレススチールなどの金属材料が用いられ、例えば、球面軸受が水中あるいは高温の環境下で使用される場合には、セラミック材料を用いることもでき、また球面軸受を軽量化するために樹脂材料を用いることもできる。

また、ハウジング１６の内部に入れる小球の数は、ハウジング１６、大球１２、そして環状押圧具２１ａ、２１ｂから形成される空間の内部に収容可能である限り特に制限はないが、この空間に収容できる小球の最大数の６５〜９５個数％の範囲内にあることが好ましく、７０〜８０個数％の範囲内にあることが更に好ましい。ハウジングに入れる小球の数が多すぎると小球同士が強く接触し易くなり、そして小球の数が少なすぎると球面軸受の耐荷重が小さくなるからである。

図５は、本発明の球面軸受の別の構成例を示す図である。図５の球面軸受５０の構成は、大球１２の表面に沿って小球群１７を上下に（上側の小球群と下側の小球群とに）隔離する揺動環状隔離具４１が備えられていること以外は図１の球面軸受１０と同様である。図５に示すように、揺動環状隔離具４１により小球群１７を上下に隔離すると、転動方向に並ぶ複数個の小球、例えば、小球１７ｂと小球１７ｃとが上下に隔離されて互いに強く接触することがなくなるため、これらの小球の転動が停止し難くなる。なお、揺動環状離隔具４１は、ロッド１１が傾斜移動を繰り返すことによりハウジング１６の内部にて上下に転動を繰り返す小球群１７に押圧されて揺動しながら小球群１７を上下に隔離する。

球面軸受５０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、図１の球面軸受１０を製造する場合と同様にして、大球１２の下側の開口の周囲に環状押圧具２１ｂ付設する。この環状押圧具２１ｂを備える大球２１を、ハウジング１６の本体１６ａの内部に収容する。次いで、本体１６ａと大球１２との間に揺動環状隔離具４１よりも下方に配置される複数個の小球を押し込み、その上に隔離具４１を置く。そして本体１６ａに、例えば、ボルト（図示は略する）を用いて蓋１６ｂを固定して、この蓋１６ｂと大球１２との間に開口面１４ａの側から複数個の小球をさらに押し込み、最後に大球１２の上側の開口の周囲に隔離具２１ａを付設することにより球面軸受５０を製造することができる。

揺動環状隔離具４１の材料としては、通常、鋼、銅合金、あるいはステンレススチールなどの金属材料が用いられる。また、例えば、球面軸受が水中あるいは高温の環境下で使用される場合には、セラミック材料を用いることも好ましい。また、球面軸受を軽量化するために樹脂材料を用いることもできる。また、揺動環状隔離具は、隔離具との接触による小球の転動の停止を抑制するために、含油プラスチックや含油金属から形成することも好ましい。

図６は、本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。図６の球面軸受６０の構成は、小球群１７を上下に隔離する揺動環状隔離具が二つ備えられていること以外は図５の球面軸受５０と同様である。これらの二つの揺動環状隔離具４１ａ、４１ｂにより小球群１７を上下に隔離すると、転動方向に並ぶ複数個の小球、例えば、小球１７ａと小球１７ｂ、そして小球１７ｂと小球１７ｃはそれぞれ上下に隔離されて互いに強く接触することがなくなるため、これらの小球の転動が停止し難くなる。

球面軸受６０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、図５の球面軸受５０を製造する場合と同様にして、ハウジング１６の本体１６ａの内部に、押圧具２１ｂが付設された大球１２を収容し、本体１６ａと大球１２との間に揺動環状隔離具４１ｂの下方に配置される複数個の小球を押し込み、その上に隔離具４１ｂを置く。次いで、本体１６ａと大球１２との間に更に複数個の小球を押し込んだのち、本体１６ａの上に、揺動環状隔離具４１ａが収容された蓋１６ｂを置いて本体１６ａに固定する。そして、蓋１６ｂと大球１２との間に開口面１４ａの側から複数個の小球を押し込み、最後に大球１２の上側の開口の周囲に押圧具２１ａを付設することにより球面軸受６０を製造することができる。

本発明の球面軸受において、ハウジングの内部に配置する揺動環状隔離具の数は、実用的には１〜５個（特に１〜３個）であることが好ましい。隔離具の数が多すぎると、球面軸受の製造に手間がかかるからである。また、隔離具の形状は、図１に示すように平面形状であることに限定されない。例えば、隔離具の形状は、隔離具の幅方向が大球の中心に向かうように表面が傾斜移動した漏斗状の形状であってもよい。

図７は、本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。図７の球面軸受７０の構成は、大球の上下の開口の各々の周囲に形成された凸部に、環状押圧具２１ａ、２１ｂのそれぞれが圧入により固定されていること以外は図６の球面軸受６０と同様である。大球と環状押圧具との固定方法に特に制限はなく、これらは互いにネジ止め、溶接、あるいは接着剤により固定されていてもよい。

図８は、本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。図８の球面軸受８０の構成は、揺動環状隔離具４１の小球と対向する面に、隔離具４１の周方向に伸びる溝５１が形成されていること以外は図５の球面軸受５０と同様である。このような溝５１に小球が嵌まることにより揺動環状隔離具４１の横方向への移動が規制され、隔離具４１は、ハウジング１６の内側面に接触し難くなる。このため揺動環状隔離具４１は、ロッド１１の傾斜移動により転動する小球群１７と共に円滑に移動できるようになり、また上記の接触によるハウジング１６の内側面での傷の発生が抑制される。なお、揺動環状隔離具の小球と対向する面に、上記の溝５１に代えて隔離具の周方向に伸びる切り欠きを形成することによっても、この切り欠きに小球が嵌まることで隔離具の横方向への移動を規制することができる。

図９は、揺動環状隔離具の別の構成例を示す平面図である。図９の揺動環状隔離具４１には、隔離具４１の上に接触して配置される複数個の小球を二点鎖線で記入した。

図９に示すように、揺動環状隔離具４１の小球と対向する面には、各々隔離具４１の径方向に伸びる複数本の溝５２が形成されていることが好ましい。揺動環状隔離具４１に複数本の溝５２を形成することにより、隔離具４１に接して配置している複数個の小球（例えば、小球１７ａ）は、溝５２が形成された位置に安定に配置され易くなり、これらの小球が互いに強く接触することを抑制することができる。

なお、揺動環状隔離具の小球と対向する面には、隔離具の周方向に伸びる溝もしくは切り欠きと、隔離具の径方向に伸びる溝との両者を形成してもよい。また、このような溝や切り欠きに代えて、揺動環状隔離具の小球と対向する面に、隔離具の周方向に沿って互いに間隔をあけて窪みを形成することもできる。

図１０は、本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図であり、そして図１１は、図１０の球面軸受１００の大球１２が傾斜移動した状態を示す図である。図１０及び図１１に示す球面軸受１００の構成は、ハウジング１６が、上下のそれぞれに膨張域２３ａ、２３ｂ、更に狭窄域１８ａ、１８ｂを介して開口面１４ａ、１４ｂが形成された球状凹部１５を有していること以外は図１の球面軸受１０と同様である。

図１０の球面軸受１００のハウジング１６の狭窄域１８ａ、１８ｂの各々においては、ハウジング１６の内側面と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも小さな間隔（例えば、小球の直径よりも２０〜５０μｍ程度小さな間隔）に設定されている。

球面軸受１００は、ハウジング１６の球状凹部１５において開口面１４ａ（あるいは開口面１４ｂ）の側にある小球が膨張域２３ａ（あるいは膨張域２３ｂ）に到達して加圧状態から解放された状態で、この小球を狭窄域１８ａ（あるいは狭窄域１８ｂ）にてハウジング１６の内側面に接触させることでハウジングの外部への小球の脱落を防止して、更にロッド１１が垂直な状態へと復帰する際には、膨張域２３ａ（あるいは膨張域２３ｂ）に到達した小球を、環状押圧具３１ａ（あるいは押圧具３１ｂ）で押圧して球状凹部１５へと移動させることによって、小球の保持器を用いなくとも複数個の小球の強い接触の発生が抑制され、ロッド１１が滑らかに傾斜移動することができるように構成されている。

球面軸受１００は、例えば、次のようにして製造される。先ず、図５の球面軸受５０を製造する場合と同様にして、ハウジング１６の蓋１６ｂの内側に、押圧具３１ｂが付設された大球１２を置き、ハウジングの蓋１６ｂに本体１６ａを固定する。次いで、本体１６ａと大球１２との間に小球群１７を押し込み、そして大球１２の開口１９ａの周囲に押圧具２１ａを付設して、最後に本体１６ａに蓋１６ｃを固定することにより球面軸受１００を製造することができる。

本発明の球面軸受の構成例を示す図である。 図１の球面軸受１０の大球１２が傾斜移動した状態を示す図である。 図１の球面軸受１０の使用の態様を示す図である。 図３に示す球面軸受１０に取り付けられたロッド１１が傾斜した状態を示す図である。 本発明の球面軸受の別の構成例を示す図である。 本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。 本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。 本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。 揺動環状隔離具の別の構成例を示す平面図である。 本発明の球面軸受のさらに別の構成例を示す図である。 図１０の球面軸受１００の大球１２が傾斜移動した状態を示す図である。 従来の球面軸受の構成例を示す一部切り欠き斜視図である。

符号の説明

１ 球面軸受
２ 内輪
３ 溝
４ 保持器
５ 小球
６ 外輪の内側面
７ 外輪
１０、５０、６０、７０、８０、１００ 球面軸受
１１ ロッド
１２ 大球
１３ａ、１３ｂ 膨張域
１４ａ、１４ｂ 開口面
１５ 球状凹部
１６ ハウジング
１６ａ ハウジングの本体
１６ｂ、１６ｃ ハウジングの蓋
１７ 小球群
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 小球
１８ａ、１８ｂ 狭窄域
１９ 透孔
１９ａ、１９ｂ 開口
２１ａ、２１ｂ 環状押圧具
２３ａ、２３ｂ 膨張域
２５ ネジ
２６ 座金
２７ ナット
３１ａ、３１ｂ 環状押圧具
４１、４１ａ、４１ｂ 揺動環状隔離具
５１ 溝
５２ 溝

Claims (2)

1. 上下の各々に開口を有する透孔を中央に備えた金属材料製の大球、該大球よりも大きな直径を持ち且つ上下のそれぞれに下記の要件を満たすように形成された膨張域を介して開口面が形成された、該大球を収容している球状凹部を有する金属材料製のハウジング、該球状凹部内で大球の表面に沿って加圧状態で配設された金属材料製の小球群、そして大球の各々の開口の周囲に固定状態で付設された、大球の回転により上記膨張域にある小球を押圧して上記球状凹部に移動させることができ、そして小球の脱落防止機能も有する環状押圧具からなり、上記の小球群が、保持器を用いることなく、これにより隣接する小球同士の接触が発生する状態で配置され、そして上記の膨張域が、ハウジングの内側面と大球の球面との間隔が小球の直径よりも大きな間隔となるように形成された領域である球面軸受。
2. 大球の表面に沿って小球群を、隣接する小球同士の接触が発生する状態で配置された上側の小球群と下側の小球群とに隔離する揺動環状隔離具を備える請求項１に記載の球面軸受。

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