JP5228772B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受装置に関し、より詳細には、大きな負荷容量および剛性を備えると共に、薄肉且つ狭幅で小型化され、組付け性に優れた、例えば、ロボットアームの回動部に用いるのに好適な軸受装置に関する。

ラジアル荷重およびスラスト荷重を共に負荷することができる軸受として、内輪または外輪の少なくとも一方において、軌道面に隣接する溝肩の軸方向一方側を落してカウンタボアを形成したアンギュラ玉軸受が知られている（ 例えば、特許文献１参照）。このようなアンギュラ玉軸受は、１対のアンギュラ玉軸受が正面組合せ、背面組合せ、または並列組合せされて使用されるのが一般的であり、特に、背面組合せは、荷重負荷性能の高さからロボットの関節部などに多用されている。ロボットの台座や関節等の相対回転部の荷重を支持する荷重支持装置に、背面組合せ型アンギュラ玉軸受を組み込んだものが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−１００８６３号公報 特開２００８−１８５０６２号公報

ロボットアームの関節部などに用いられる軸受の軸は、配線や減速機構などの構造上の制約から中空軸が使用されることが多く、軸受断面積が極力小さいものが好ましい。また、構造の簡便さからグリース潤滑が多用されている。しかしながら、軸受断面積を小さくすると密封構造とすることが困難であり、更にもともと封入可能容量が少ないグリースが漏れ出す問題があり、潤滑不良が発生する虞があった。

特許文献１に記載の密封型アンギュラ玉軸受は、グリース漏れを防止するためのシール構造を備えるが、シールの環状基部を、外輪の固定溝へ容易に嵌め込み可能としたものであり、軸受断面積についての格別の配慮はされておらず、ロボットアームの関節部などに用いる軸受としては改善の余地があった。また、特許文献２の荷重支持装置は、一対の単列アンギュラ玉軸受を背面組合せで配置し、ロボットの相対回転部の荷重を支持しているが、軸受断面積について同様に考慮されていなかった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大きな負荷容量および剛性を備えると共に、薄肉且つ狭幅で小型化されて組付け性に優れ、例えば、ロボットアームの回動部に用いるのに好適な軸受装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 外輪と、内輪と、前記外輪の外輪軌道面と前記内輪の内輪軌道面との間に接触角を持って配置される複数の玉と、をそれぞれ備え、互いに並んで配置される一対のアンギュラ玉軸受を有する軸受装置であって、
軸受寸法は、玉径×玉数／（（外径−内径）／２）＞１５、且つ、玉径×玉数／軸受幅＞１４となるように設定され、
前記接触角は、１５°〜５５°に設定されることを特徴とする軸受装置。
（２） 前記一対のアンギュラ玉軸受は、前記外輪と前記内輪との間で、互いに並んで配置される状態において、前記玉に対して軸方向外側にのみ、シール部材又はシールド部材をそれぞれ有することを特徴とする上記（１）に記載の軸受装置。
（３） 前記一対のアンギュラ玉軸受には、合成炭化水素油からなる基油に、増ちょう剤としてウレアが配合されたグリースが封入されることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の軸受装置。
（４） ロボットアームに使用されることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の軸受装置。

本発明の軸受装置によれば、互いに並んで配置される一対のアンギュラ玉軸受の寸法が、玉径×玉数／（（外径−内径）／２）＞１５、且つ、玉径×玉数／軸受幅＞１４となるように設定されているので、アンギュラ玉軸受の厚さおよび幅、即ち、軸受断面積が比較的小さくなって軽量化されると共に、負荷容量、剛性を大きくすることができる。

また、一対のアンギュラ玉軸受の接触角が、１５°〜５５°に設定されているので、ラジアル荷重だけでなく、大きなスラスト荷重も負荷することができ、例えば、ロボットアームの関節部、医療機器、半導体／液晶基盤搬送装置など、高負荷容量、高剛性、低トルクが要求される回動部に用いることができる。特に、ロボットアームの関節部などには、接触角が略４０°のアンギュラ玉軸受が好ましい。

また、外輪、内輪間には、玉に対して軸方向外側にのみ、シール部材又はシールド部材が設けられているで、１対のアンギュラ玉軸受を並んで配置することにより、軸受の内部容量を大きくとることができ、多量のグリース封入が可能となると共に、シール部材又はシールド部材によってグリース漏れを防止することができる。これによって、潤滑不足に起因する損傷を低減し、軸受装置を長寿命化することができる。

更に、軸受内には、合成炭化水素油を基油とし、ウレア系増ちょう剤を含有するグリースが封入されているので、酸化安定性、熱安定性、低温流動性に優れると共に、耐熱性、耐水性を備え、磨耗を防止して軸受装置を長寿命化することができ、ロボットアームの回動部に用いるのに好適である。

以下、本発明に係る軸受装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態に係る軸受装置の縦断面図、図２は軸受寸法と剛性との関係を示すグラフである。

図１に示すように、軸受装置１０は、背面組合せされた一対の単列アンギュラ玉軸受１１を備える。単列アンギュラ玉軸受１１は、内周面に外輪軌道面１２ａが形成された外輪１２と、外周面に内輪軌道面１３ａが形成された内輪１３と、外輪軌道面１２ａおよび内輪軌道面１３ａ間に接触角１５°〜５５°の接触角を持って転動自在に配設された複数の転動体である玉１４と、玉１４を円周方向に所定の間隔で保持する保持器１５と、を備える。接触角は、アキシャル負荷容量を考慮すると３０°以上、回転速度を考慮すると５０°以下が好ましく、４０°が好適である。

単列アンギュラ玉軸受１１の寸法は、玉径ｄ×玉数Ｎ／（（外径Ｄｏ−内径ｄｉ）／２）＞１５、且つ、玉径ｄ×玉数Ｎ／軸受幅Ｗ＞１４となるように設定されている。これによりアンギュラ玉軸受１１の厚さおよび幅が比較的小さくなり、アンギュラ玉軸受１１の中心軸を含む縦断面での軸受断面積を小さくすることができ、軸受装置１０の小型化、軽量化が可能となる。

また、図２に示すように、アンギュラ玉軸受１１の剛性は、玉径ｄ×玉数Ｎ／（（外径Ｄｏ−内径ｄｉ）／２）、および玉径ｄ×玉数Ｎ／軸受幅Ｗの値が略１５以上で急激に大きくなることが実験的に実証されており、上式を満足する軸受寸法に設定することによって負荷容量を大きくすることができる。

背面組合せされた一対の単列アンギュラ玉軸受１１は、玉１４に対して軸方向外側（外輪１２のカウンタボア側）にのみ、外輪１２および内輪１３間にシール部材１６が配設されて、封入されるグリースの漏洩と共に、外部からの異物侵入を防止している。

両端がシール部材１６によって封止された一対の単列アンギュラ玉軸受１１内には、合成炭化水素油を基油とし、ウレア系増ちょう剤を含有するグリースが封入されている。ウレア系増ちょう剤としては、ジウレア、トリウレア、テトラウレア、ウレア、ウレタン化合物などが例示されるが、音響を考慮するとジウレアが好ましい。グリースのちょう度は、２４０〜２５０、好ましくは２４３である。ちょう度が２４０未満では、飛散量、初期漏洩が多くなり、２５０を超えると、音響、トルク、初期始動性が悪い。また、動粘度は、４０℃において３０〜４００ｍｍ^２／ｓであり、音響やトルクを考慮すると４０〜１８０ｍｍ^２／ｓが好ましい。

背面組合せされた一対の単列アンギュラ玉軸受１１は、軸方向外側にのみシール部材１５が配設されているので一対の軸受１１の内部空間Ｓが大きく、多量のグリースを封入することができる。また、グリースは、基油による酸化安定性、熱安定性、低温流動性と、ウレア系増ちょう剤による耐熱性、耐水性によって効果的に摩耗を防止し、アンギュラ玉軸受１１の長寿命化に寄与する。

一対の単列アンギュラ玉軸受１１の各外輪１２には締結用外方部材２０が外嵌され、各内輪１３には締結用内方部材３０が内嵌される。締結用外方部材２０、および締結用内方部材３０は、チタン、アルミニウム、プラスチックのいずれかから形成されて軽量化されており、ロボットアームなどのそれぞれ相対回転する一方の部材、および他方の部材（いずれも図示せず）に締結される。

締結用外方部材２０は、構成部品として、各外輪１２に外嵌される円筒状本体２１と、この円筒状本体２１の軸方向両側に配置される一対の円環板状の側板２２、２３とから構成されている。一対の側板２２、２３の内径は、円筒状本体２１の内径より小さく、各外輪１２の軸方向端面と当接して、各外輪１２を軸方向に規制する。円筒状本体２１は、各外輪１２にすきま嵌めで外嵌されて接着によって固定されてもよく、或いは、圧入によって固定されてもよい。また、これら円筒状本体２１と一対の円環板状の側板２２、２３は、圧入やねじ締結や接着によって固定されている。これにより、外輪１２は、締結用外方部材２０に固定される。

また、一方の側板２２には、ボルトなどの締結具（図示せず）を挿通するための複数個の貫通穴２４が円周方向に離間して所定の間隔で設けられている。円筒状本体２１には、これら複数個の貫通孔２４に対応する位置に軸方向に沿って逃げ溝２５が形成されており、また、他方の側板２３は、逃げ溝２５の最も深い部分より小さな外径を有する。尚、貫通穴２４は、相手部品の形状に合わせてねじ穴などとすることもできる。

締結用内方部材３０は、構成部品として、各内輪１３に内嵌される円筒状本体部３１と、この円筒状本体部３１の軸方向両側に配置される一対の円環板状の側板３２、３３とから構成されている。円筒状本体部３１は、軸芯を通る軸穴３４と、軸穴３４の半径方向外方に設けられて軸方向に貫通する締結用の貫通穴３５と、を備える。一対の円環板状の側板３２、３３の外径は、本体部３１の外径より大きく、各内輪１３の軸方向端面と当接して、各内輪１３を軸方向に規制する。また、一対の側板３２、３３の内径は、軸方向から見て貫通穴３５と重ならないように設定される。円筒状本体部３１は、各内輪１３にすきま嵌めで内嵌されて接着によって固定されてもよく、或いは、圧入によって固定されてもよい。これら円筒状本体部３１と一対の円環板状の側板３２、３３とは、圧入やねじ締結や接着によって固定されている。これにより、内輪１３は、締結用内方部材３０に固定される。また、外輪１２が締結用外方部材２０に、内輪１３が締結用内方部材３０に固定される際に、一対の玉軸受１１の予圧調整が行なわれる。

このような構成の軸受装置１０は、内輪回転で使用される場合、締結用外方部材２０の貫通穴２４にボルトなどの締結具が挿通されて、相対回転する一方の部材として、例えば、ロボットアーム、歯車、モータ、プーリ、減速機、歯付ベルト機構が締結され、締結用内方部材３０の貫通穴３５には、相対回転する他方の部材として、例えば、ロボットアーム、歯車、モータ、プーリ、減速機、歯付ベルト機構が締結されて使用される。また、外輪回転で使用される場合、締結用内方部材３０の貫通穴３５にボルトなどの締結具が挿通されて、相対回転する他方の部材として、例えば、ロボットアーム、歯車、モータ、プーリ、減速機、歯付ベルト機構が締結され、締結用外方部材２０の貫通穴２４には、相対回転する一方の部材として、例えば、ロボットアーム、歯車、モータ、プーリ、減速機、歯付ベルト機構が締結されて使用される。

上記したように、本発明の軸受装置１０によれば、互いに並んで配置される一対のアンギュラ玉軸受１１の寸法が、玉径ｄ×玉数Ｎ／（（外径Ｄｏ−内径ｄｉ）／２）＞１５、且つ、玉径ｄ×玉数Ｎ／軸受幅Ｗ＞１４となるように設定されているので、アンギュラ玉軸受１１が薄肉、且つ狭幅となって軽量化されると共に、負荷容量、剛性を大きくすることができる。

また、一対のアンギュラ玉軸受１１の接触角が１５°〜５５°、更に好ましくは４０°に設定されているので、ラジアル荷重だけでなく、大きなスラスト荷重も負荷することができ、例えば、ロボットアームの関節部、医療機器、半導体／液晶基盤搬送装置など、高負荷容量、高剛性、低トルクが要求される回動部に用いることができる。

また、外輪１２、内輪１３間には、玉１４に対して軸方向外側にのみ、シール部材１６が設けられているで、軸受１１の内部容量Ｓが大きくなり、多量のグリース封入が可能となって潤滑不足に起因する損傷を低減し、軸受装置１０を長寿命化することができる。グリースは、酸化安定性、熱安定性、低温流動性に優れる合成炭化水素油を基油とし、耐熱性、耐水性を備えるウレア系増ちょう剤を含有するグリースとすることが好ましい。

（実施例）
玉径ｄ×玉数Ｎ／（（外径Ｄｏ−内径ｄｉ）／２）＞１５、且つ、玉径ｄ×玉数Ｎ／軸受幅Ｗ＞１４となるアンギュラ玉軸受１１の具体的な実施例を（表１）に示す。（表１）に示すように、上式を満足する実施例１から実施例５のアンギュラ玉軸受１１は、径方向厚さ（（外径Ｄｏ−内径ｄｉ）／２）が６〜９ｍｍと薄肉であり、且つ幅が７〜１０ｍｍと狭幅となっている。これにより、厚さが８．５〜１７．５、幅が９〜１８の従来例１〜従来例１０のアンギュラ玉軸受と比較して軸受断面積が小さくなり、小型化、軽量化されていることが分かる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

また、本発明においては、軸受装置は一対の単列アンギュラ玉軸受を背面組合せしたものとして説明したが、これに限定されるものではなく、正面組合せや、並列組合せとすることもできる。但し、ラジアル荷重容量を高くとることができる背面組合せとすることが好ましい。

本発明の一実施形態に係る軸受装置の縦断面図である。 軸受寸法と剛性との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 軸受装置
１１ 単列アンギュラ玉軸受
１２ 外輪
１２ａ 外輪軌道面
１３ 内輪
１３ａ 内輪軌道面
１４ 玉
１６ シール部材

Claims (4)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪の外輪軌道面と前記内輪の内輪軌道面との間に接触角を持って配置される複数の玉と、をそれぞれ備え、互いに並んで配置される一対のアンギュラ玉軸受を有する軸受装置であって、
   軸受寸法は、玉径×玉数／（（外径−内径）／２）＞１５、且つ、玉径×玉数／軸受幅＞１４となるように設定され、
   前記接触角は、１５°〜５５°に設定されることを特徴とする軸受装置。
2. 前記一対のアンギュラ玉軸受は、前記外輪と前記内輪との間で、互いに並んで配置される状態において、前記玉に対して軸方向外側にのみ、シール部材又はシールド部材をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記一対のアンギュラ玉軸受には、合成炭化水素油からなる基油に、増ちょう剤としてウレアが配合されたグリースが封入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受装置。
4. ロボットアームに使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸受装置。

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