JP5326494B2 - 直動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ一体型直動案内ユニット等の案内レールの断面がＵ字状に形成された直動装置に関する。

案内レールの断面がＵ字状に形成された直動装置の従来例としては、例えば特許文献１に記載されたものが挙げられる。
特許文献１の直動装置は、ねじ軸とナットを有するボールねじと、案内レールとスライダを有するリニアガイドとが一体化され、スライダにナットが形成され、案内レールの長手方向に垂直な断面は凹状（Ｕ字状）で、スライダをこの凹部に収納した状態でねじ軸の軸方向に沿って案内するものである。案内レールは、スライダの各側面と対向配置される各袖部の内側面に、転動体の転動通路を構成する転動面を有し、スライダは、案内レールの転動面に対向配置されて前記転動通路を構成する転動面を有する。特許文献１の直動装置は、転動体としてボールを組み込んでいる。また、転動通路内のボール列に対して予圧が付与されている。

案内レールの断面がＵ字状に形成された直動装置では、付与する予圧が大きいほど、袖部（スライダの各側面と対向配置される側部）が幅方向に開く変形量が大きい。これに伴って、案内レールの底面の幅方向中央部が盛り上がって反った状態となる。この状態のままで案内レールを平らな被取付面に固定すると、袖部が閉じる方向の変形が生じる。この変形に伴って、予圧が設定値より大きく作用する、転動面が傾いて面圧分布に偏りが生じて寿命が低下する、などの問題が生じる。これを避けるためには、研削により案内レールの底面を、反った状態から平らな状態にしてから被取付面に固定する必要があるが、広範囲に渡って研削を行うことは困難であり、生産コストがかさむ。

通常、予圧は作用する荷重に応じた値に設定されるが、案内レールの断面がＵ字状に形成された直動装置では、上述のように、大きな予圧を付与しての使用には困難が伴う（生産性が低下する）ため、高荷重（予圧効果のある荷重範囲から外れる荷重）が作用する用途では使用されていない。
特許文献２には、案内レールの断面がＵ字状に形成され、ボールねじとリニアガイドとが一体化された直動装置として、リニアガイドを構成する案内レールとスライダの間に、転動体としてころを組み込んだ直動装置が記載されている。転動体としてころを使用することで、ボールを使用した場合よりも負荷容量や剛性を増すことができる。特許文献２には、転動通路内のころ列に対する予圧をどのように設定するかについての記載はない。
特公平８−１８２０９号公報 特開２００２−２２７８３９号公報の第２４図

本発明の課題は、断面がＵ字状に形成された案内レールと、この案内レールのＵ字状の凹部内に配置されたスライダとを有する直動装置において、生産性を低下させずに、高荷重が作用する用途で使用できるようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明は、断面がＵ字状に形成された案内レールと、前記案内レールのＵ字状の凹部内に配置されたスライダと、複数個の転動体と、を有し、前記案内レールは、前記スライダの各側面と対向配置される各袖部の内側面に、前記転動体の転動通路を構成する転動面を有し、前記スライダは、案内レールの前記転動面に対向配置されて前記転動通路を構成する転動面を有し、前記転動体がころであり、前記転動通路内のころ列に対する予圧が動定格荷重の１〜５％に設定され、前記案内レールに対してスライダが相対的に直線運動する直動装置を提供する。

本発明の直動装置によれば、前記転動通路内のころ列に対する予圧が動定格荷重の１〜５％（低予圧）に設定されているため、高予圧（動定格荷重の６〜１０％）に設定されている場合よりも案内レールの袖部が幅方向に開く変形量が小さい。よって、案内レールの底面を研削せずに被取付面に固定しても、前述の問題（予圧が設定値より大きく作用する、転動面が傾いて面圧分布に偏りが生じて寿命が低下する、など）が生じないため、案内レールの底面を組み立て後に研削する工程が不要となるから、生産性が低下しない。

前記予圧の設定値が動定格荷重の１％未満では、ころが転動通路内でガタついて振動や騒音が発生する恐れがある。
また、本発明の直動装置では、転動体としてころを組み込んでいるため、予圧を低く設定しても、転動体としてボールを組み込んで予圧を高く設定した場合と同等の剛性が得られる。よって、本発明の直動装置は、予圧効果のある荷重範囲から外れる荷重、例えば、予圧荷重の２Z 倍（ただしＺ＝１０／９）以上の荷重が作用する条件で使用することができる。

本発明の直動装置は、断面がＵ字状に形成された案内レールと、この案内レールのＵ字状の凹部内に配置されたスライダとを有する直動装置において、生産性を低下させずに、高荷重が作用する用途で使用できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に相当する直動装置を示す断面図である。
この直動装置は、ねじ軸とナットを有するボールねじと、案内レールとスライダを有するリニアガイドとが一体化され、スライダにナットが形成されたボールねじ一体型直動案内ユニットである。

このボールねじ一体型直動案内ユニットは、案内レール１と、スライダ２と、ねじ軸３と、ボール４と、ころ５とを備えている。
案内レール１の長手方向に垂直な断面は、開口側を上にしたコの字状（Ｕ字状）で、この凹部１１にスライダ２が収納されている。スライダ２には、直動方向に貫通するナット２１が形成されている。ナット２１内にねじ軸３が配置されている。ナット２１内のねじ軸３との間にボール４が配置されている。ねじ軸３の長さ方向両端が、案内レール１の長手方向両端に回転自在に支持されている。ねじ軸３の長さ方向一端をモータに取り付けて使用される。

案内レール１には、スライダ２の各側面と対向配置される各袖部１２の内側面に、ころ（転動体）５の転動通路を構成する転動面１２ａが形成されている。スライダ２の各側面の案内レール１の転動面１２ａと対向する位置に、転動面２２ａが形成されている。両転動面１２ａ，２２ａが、ころ５の転動通路を構成する。
この転動通路を二対四列有し、各袖部１２の二列の転動通路を転動するころ列の荷重作用線Ｌ１，Ｌ２の交点Ｃが、幅方向で転動通路の内側に存在している。交点Ｃを通る水平線ＬＣは、ねじ軸３の中心の高さ（ラインＬ３）より寸法Ｋだけ下方に配置されている。ねじ軸３の中心の高さ（ラインＬ３）は、ボールねじ一体型直動案内ユニット全体の高さＨの約１／２の高さである。水平線ＬＣと荷重作用線Ｌ１，Ｌ２との角度（接触角）は４５°である。また、スライダ本体２に戻し通路５１が形成されている。

案内レール１には、また、両袖部１２で挟まれた底部１３に、取付ボルトを挿入するための貫通穴１５が形成されている。貫通穴１５は、幅方向で底部１３の各袖部１２との境界位置に形成されている。案内レール１の底部１３の底面には、両貫通穴１５間に肉盗み部１６が形成されている。そして、底部１３の底面は、幅方向の両貫通穴１５の位置で、テーブル（被取付面）６と接触している。この底部１３のテーブル６との接触面を、図１に符合１３ｂで示す。すなわち、案内レール１の底面は、幅方向で各貫通穴１５とその両側部分（符号１３ｂで示す部分）のみが平坦化されている。

案内レール１は、取り付け穴１５を利用したボルト止めでテーブル６に固定される。そして、モータを作動してねじ軸３を回転させることにより、ボールねじ機構（ナット２１、ねじ軸３、ボール４）とリニアガイド機構（転動面１２ａ，２２ａ、ころ５）を介して、スライダ２が案内レール１に対して軸方向に沿って移動する。
このボールねじ一体型直動案内ユニットは、転動通路内のころ列に対する予圧が３５０Ｎ（動定格荷重の１％）に設定されている。また、スライダ２には、予圧効果のある荷重範囲から外れる荷重に相当する４０００Ｎの引張り荷重が作用する。

この実施形態のボールねじ一体型直動案内ユニットによれば、転動通路内のころ列に対する予圧が動定格荷重の１％（低予圧）に設定されているため、案内レールの袖部が幅方向に開く変形量が、高予圧（動定格荷重の６〜１０％）に設定されている場合より小さくなる。また、その変形量は僅かであり、組み立て後に案内レール１の底面を研削加工する必要がないため、生産性が低下しない。

また、二列の転動通路の接触角を４５°としたため、上下方向および水平方向の荷重をバランスよく受けることができる。
また、二列の転動通路の中心の高さ（ラインＬＣ）が、ねじ軸３の中心の高さ（ラインＬ）より下方に配置されていることによっても、袖部１２が幅方向に開く変形量が少なくなる。

また、転動体としてころ５を用いることでボールを用いた場合よりも直動装置の負荷容量を大きくでき、エッジロードの発生が防止されて、寿命が長くなるという効果が得られる。
図２は、図１のボールねじ一体型直動案内ユニットのスライダに作用する引張り荷重と変位量との関係を示すグラフである。図２のグラフは、ころ５として、直径が３．４ｍｍで長さ（軸方向寸法）が４．２ｍｍのものを用い、予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合（Ａ）と２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合（Ｂ）の結果を示している。

図３は、図１のボールねじ一体型直動案内ユニットでころ５の代わりにボールを使用した場合（剛性比較のための従来例）の、スライダに作用する引張り荷重と変位量との関係を示すグラフである。図３のグラフは、ボールとして、ころ５の対角線長さに対応する直径（約４．８ｍｍ）のものを用い、予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合（Ｃ）と２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合（Ｄ）の結果を示している。

図２のグラフにおいて、ラインＬａ，Ｌｂは予圧効果のある範囲での荷重−変位直線に対応するラインであり、ラインＡは荷重ＰａでラインＬａから外れ、ラインＢは荷重ＰｂでラインＬｂから外れている。すなわち、転動体がころで予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合には、荷重Ｐａが予圧効果の得られる荷重の最大値であり、転動体がころで予圧を２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合には、荷重Ｐｂが予圧効果の得られる荷重の最大値である。

図３のグラフにおいて、ラインＬｃ，Ｌｄは予圧効果のある範囲での荷重−変位直線に対応するラインであり、ラインＣは荷重ＰｃでラインＬｃから外れ、ラインＤは荷重ＰｄでラインＬｄから外れている。すなわち、転動体がボールで予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合には、荷重Ｐｃが予圧効果の得られる荷重の最大値であり、転動体がボールで予圧を２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合には、荷重Ｐｄが予圧効果の得られる荷重の最大値である。

図２のグラフと図３のグラフとの比較から、同じ予圧の場合の「予圧効果の得られる荷重の最大値」がＰａ＜Ｐｃ、Ｐｂ＜Ｐｄであり、予圧効果の得られる荷重範囲は転動体がボールである方が大きいことが分かる。
図４は、図２のグラフのラインＡと図３のグラフのラインＤをそのまま載せたグラフである。このグラフでは、引張り荷重４０００Ｎが作用する際に、転動体がころで予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した実施形態のボールねじ一体型直動案内ユニット（Ａ）は、転動体がボールで２１００Ｎ（高予圧）に設定したボールねじ一体型直動案内ユニット（Ｄ）と同等レベルの剛性となっている。この結果から、転動体がころの場合には接触部の剛性が高くなるため、転動体としてころを組み込んで予圧を低く設定しても、転動体としてボールを組み込んで予圧を高く設定した場合（高荷重の場合の一般的な設定）と同等の剛性が得られることが分かる。

なお、この実施形態では、ボールねじ機構を有するボールねじ一体型直動案内ユニットについて説明しているが、ボールねじ機構を有さず、Ｕ字状断面の案内レールにスライダを配置したリニアガイド機構のみで構成された直動装置に対しても、本発明は適用できる。

本発明の一実施形態に相当する直動装置を示す断面図である。 図１のボールねじ一体型直動案内ユニットのスライダに作用する引張り荷重と変位量との関係を示すグラフであって、予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合（Ａ）と２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合（Ｂ）の結果を示す。 図１のボールねじ一体型直動案内ユニットでころの代わりにボールを使用した場合の、スライダに作用する引張荷重りと変位量との関係を示すグラフであって、予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した場合（Ｃ）と２１００Ｎ（高予圧）に設定した場合（Ｄ）の結果を示す。 スライダに作用する引張荷重りと変位量との関係を示すグラフであって、転動体がころで予圧を３５０Ｎ（低予圧）に設定した実施形態のボールねじ一体型直動案内ユニット（Ａ）と、転動体がボールで２１００Ｎ（高予圧）に設定したボールねじ一体型直動案内ユニット（Ｄ）の結果を示す。

１ 案内レール
１１ 凹部
１２ 袖部
１２ａ 案内レールの転動面
１２ｂ 袖部のテーブルとの接触面
１３ 底部
１３ｂ 底部のテーブルとの接触面（平坦化されている面）
１５ 取り付け穴
１６ 肉盗み部
２ スライダ
２１ ナット
２２ａ スライダの転動面
３ ねじ軸
４ ボール
５ ころ（転動体）
５１ 戻し通路
６ テーブル（被取付面）

Claims (1)

1. 断面がＵ字状に形成された案内レールと、
   前記案内レールのＵ字状の凹部内に配置されたスライダと、
   複数個の転動体と、
   を有し、
   前記案内レールは、前記スライダの各側面と対向配置される各袖部の内側面に、前記転動体の転動通路を構成する転動面を有し、
   前記スライダは、案内レールの前記転動面に対向配置されて前記転動通路を構成する転動面を有し、
   前記転動体がころであり、
   前記転動通路内のころ列に対する予圧が動定格荷重の１〜５％に設定され、
   予圧効果のある荷重範囲から外れる荷重が作用する条件で使用され、
   前記案内レールに対してスライダが相対的に直線運動する直動装置。

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