JP5566128B2 - 有限ストローク型運動案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、固定側部材と移動側部材との間にボールやローラといった転動体を配列した転動体ケージが配置され、この転動体ケージの移動に伴って前記移動側部材が固定側部材に対して往復運動する有限ストローク型運動案内装置に関する。

各種産業機械においてテーブル等の可動体の直線移動を支承する運動案内装置のうち、前記移動側部材の移動距離が短い場合には、転動体ケージを用いた有限ストローク型のものが用いられることがある。例えば、ＷＯ２００６／０２８１４３Ａ１に開示される有限ストローク型運動案内装置は、ボールの転走溝が形成された固定側部材と、この固定側部材の転走溝と対向する位置にボールの転走溝を有する移動側部材と、これら固定側部材と移動側部材との間で荷重を負荷しながら転走する多数のボールと、前記固定側部材と移動側部材との隙間に介在する薄板状の転動体ケージとから構成されている。また、前記ＷＯ２００６／０２８１４３Ａ１に開示される有限ストローク型運動案内装置では固定側部材が断面略矩形状に形成され、前記移動側部材が断面略チャネル状に形成されているが、固定側部材が筒状に形成される一方、移動側部材が固定側部材を貫通する軸として形成され、これら両者の間に樹脂から成形された円筒状の転動体ケージが配置されている例もある。

いずれの場合でも、従来の転動体ケージには個々のボールを回転自在に保持するための転動体保持孔がボール数だけ配列されており、各転動体保持孔には個々のボールが独立して収容されるようになっている。また、各転動体保持孔は該転動体ケージの内周面と外周面との間を貫通している。これにより、各転動体保持孔に保持されたボールが固定側部材及び移動側部材の転走溝に対して接触し得るようになっている。

また、前記転動体ケージの移動方向長さは固定側部材及び移動側部材の転走溝の長さよりも短く形成されており、固定側部材に対して移動側部材を移動させると、ボールの転走に伴って転動体ケージが移動側部材と固定側部材の隙間をボールの転走方向へ移動するように構成されている。このため、移動側部材の移動方向における前後両端面にはストッパ部材が夫々設けられており、ボールの転走と共に移動した転動体ケージが移動側部材と固定側部材との隙間から離脱するのを防止している。

ＷＯ２００６／０２８１４３Ａ１

しかし、このような従来の有限ストローク型運動案内装置では、転動体ケージに対して個々のボールを独立して収容する転動体保持孔が複数設けられており、互いに隣接する転動体保持孔は隔てられているので、ボールとボールとの中心間距離はボール直径以上に大きくならざるを得ない。その一方、転動体ケージの大きさは、固定側部材及び移動側部材における転走溝の長さ、要求される移動側部材のストローク量による制約を受けざるを得ない。このため、ボールを個々に独立して収容する転動体ケージでは、同一の転走溝を転走するボール数をそれほど多く設定することができないといった課題があった。特に、運動案内装置の小型化を図る場合、小型化のためにボールの直径を小さく設定すると、その分だけボール数を増やさなければ同じ程度の大きさの荷重を負荷することができないため、そのような従来の転動体ケージは運動案内装置の小型化に障害となってしまう。

また、転動体ケージを備えた従来の有限ストローク型運動案内装置では、前記固定部材から移動部材を離間させた際に、前記転動体ケージの転動体保持孔からボールが脱落しないようにするため、前記転動体保持孔の開口径が前記ボールの直径よりも僅かに小さく設定されている。

このように、前記転動体保持孔の開口径をボールの直径よりも僅かに小さく設定するにあたって、前記固定側部材及び移動側部材に形成された転走溝が単一の円弧状曲面からなるサーキュラーアーク状に形成されている場合には、当該転走溝の深さが浅いため、前記固定側部材と移動側部材との隙間が大きくなる。その結果、固定側部材と移動側部材との隙間に配置される転動体ケージを肉厚に形成することができるため、前記転動体ケージによってボールの球面を可及的に広い範囲で包み込むことができ、もってボールを十分に保持することが可能となる。

これに対して、前記固定側部材及び移動側部材に形成された転走溝が二つの円弧状曲面からなるゴシックアーチ状に形成されている場合には、ボールと各曲面との理想的な接触角を確保することを考慮すると、当該転走溝の深さが深くなるため、前記固定側部材と移動側部材との隙間が小さくなってしまい、この隙間に配置される転動体ケージを薄肉に形成せざるを得ない。それ故、転動体ケージによってボールの球面を可及的に広い範囲で包み込むことができず、結果としてボール保持代を十分に確保することができないといった課題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、固定側部材及び移動側部材に形成された転走溝の深さに関係なく、転動体ケージからの転動体の脱落を防止することが可能であり、且つ、固定側部材に対する移動側部材のストローク量や荷重の負荷能力を犠牲にすることなく、小型化を達成することが可能な有限ストローク型運動案内装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の有限ストローク型運動案内装置は、転動体の転走溝を有する固定側部材と、この固定側部材の転走溝と対向する位置に転動体の転走溝を有すると共に当該転走溝を転走する多数の転動体を介して前記固定側部材に組つけられた移動側部材と、前記固定側部材と移動側部材との間に配置されて前記転動体を整列させる転動体ケージとを備えている。

そして、前記転動体ケージには同一の転走溝を転走する二個の転動体が一組となって回転自在に収容される長孔状の転動体保持孔が所定の間隔で貫通形成されると共に、かかる転動体保持孔の前記固定側部材側又は移動側部材側に面した一方の開口の長手方向の開口幅が転動体二個分の直径よりも小さく設定されている。

このように構成された本発明によれば、前記転動体ケージには長孔状の転動体保持孔が設けられており、この転動体保持孔には同一の転走溝を転走する二個の転動体が一組となって回転自在に収容されるので、個々の転動体を独立した状態で転動体保持孔に収容していた従来の転動体ケージと比較すると、転動体ケージの移動方向の長さが同一であれば、かかる転動体ケージに配列する転動体の個数を増やすことが可能となる。これにより、転動体の直径を小さくしつつも、使用する転動体の個数を増強することで荷重の負荷能力の減少を回避することができ、転動体の直径を小さくしたことにより、運動案内装置の小型化を達成することが可能となる。

また、前記転動体保持孔は、前記固定側部材側又は移動側部材側に面した一方の開口の長手方向の開口幅が転動体二個分の直径よりも小さく設定されているため、かかる開口からいずれか一方の転動体が抜け出ようとすると、他方の転動体と干渉することになる。その結果、一方の転動体が前記転動体保持孔から浮き上がらない限り、二個の転動体は前記転動体保持孔の開口から抜け落ちることはない。従って、前記固定側部材及び移動側部材に形成された転走溝が深溝に、例えば、ゴシックアーチ状に形成され、かかる固定側部材と移動側部材との間に配置される転動体ケージを薄肉に形成せざるを得ない場合であったとしても、転動体保持孔から転動体が脱落するのを防止することが可能となる。

本発明を適用した有限ストローク型のボールスプライン装置の一実施形態を示す半断面側面図である。 図１に示したボールスプライン装置の転動体ケージを示す斜視図である。 ボールのスプライン軸及びナット部材に対する接触状態をボールの転走方向から観察した拡大断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の有限ストローク型運動案内装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用した有限ストローク型のボールスプライン装置１を示すものである。このボールスプライン装置１は転動体としてボール２を使用しており、長手方向に沿って前記ボール２の転走溝３０が形成されたスプライン軸３と、多数のボール２を介して前記スプライン軸３に組つけられた円筒状のナット部材４と、これらスプライン軸３とナット部材４との間に配置されて前記ボール２を所定の状態に整列させる転動体ケージとしてのボールケージ５とから構成されている。前記ボール２がスプライン軸３とナット部材４との間を転動することで、スプライン軸３に対してナット部材４が軸方向へ自在に移動することが可能となっている。

但し、スプライン軸３に対するナット部材４の移動は相対的なものであり、このボールスプライン装置１の使用にあたっては、固定されたスプライン軸３に対してナット部材４を移動させても、あるいは固定されたナット部材４に対してスプライン軸３を移動させても良い。従って、前記スプライン軸３又はナット部材４のいずれか一方が本発明の固定側部材に、他方が本発明の移動側部材に相当する。

前記スプライン軸３は断面略円形状に形成されており、その外周面には前記転走溝３０が２条形成されている。これら転走溝３０はスプライン軸３の外周面を周方向に二分するように等間隔で設けられている。一方、前記ナット部材４は、中空部を有して略円筒状に形成されており、前記スプライン軸３が中空部を貫通している。前記中空部の内周面にはスプライン軸３の転走溝３０と対向する位置に前記ボールの転走溝４０が形成されており、図３に示すように、ボール２はスプライン軸３の転走溝３０とナット部材４の転走溝４０との間に挟まれるようにして配置されている。従って、スプライン軸３に対してナット部材４を軸方向へ移動させると、前記ボール２がスプライン軸３の転走溝３０及びナット部材４の転走溝４０の上を転走することになる。

前記スプライン軸３の転走溝３０は長手方向に垂直な断面がゴシックアーチ状に形成されている。このゴシックアーチ状の転走溝３０は円弧状をなす二つの曲面が略９０°の角度で交わって形成されており、ボール２は前記転走溝３０に対して２点で接触している。また、前記ナット部材４に形成された転走溝４０も同様に長手方向に垂直な断面がゴシックアーチ状に形成されている。尚、スプライン軸３の転走溝３０及びナット部材４の転走溝４０の形状は必ずしもゴシックアーチ状に形成する必要はなく、例えば単一の円弧状曲面からなるサーキュラーアーク状であっても差し支えない。

図２に示すように、前記ボールケージ５は略円筒状に形成され、その内径は前記スプライン軸３の外径よりも僅かに大きく設定される一方、その外径は前記ナット部材４の中空部の内径よりも僅かに小さく設定されている。すなわち、前記ボールケージ５はスプライン軸３とナット部材４の隙間に配置されている。

ボールケージ５がスプライン軸３とナット部材４との間から抜け出るのを防止するため、図１に示すように、ナット部材４の軸方向の両端には当該ナット部材４とスプライン軸３との隙間を閉塞するストッパ部材４１、４２が設けられている。一方のストッパ部材４１はナット部材４と一体に設けられる一方、他方のストッパ部材４２はナット部材４の中空部に対する前記ボールケージ５の挿入を可能とすべく、かかるボールケージ５の挿入後にナット部材４に固定されるようになっている。また、これらストッパ部材４１、４２の内周縁はスプライン軸３と僅かな隙間を残して対向し、ナット部材４の内部に対して外部から塵芥が侵入するのを防止する機能も発揮している。

前記ボールケージ５には、長手方向に沿って等間隔で複数の転動体保持孔５０が貫通形成されている。かかる転動体保持孔５０はスプライン軸３の転走溝３０と対向する位置に設けられており、１条の転走溝３０に対して三つの転動体保持孔５０が直列に配置されている。各転動体保持孔５０は転走溝３０と平行な長孔状に形成されており、図１に示すように、同一の転走溝３０を転走する二個のボール２が一つの転動体保持孔５０に対して一緒に収容されるようになっている。尚、長手方向に沿って配列された複数の転動体保持孔は、必要に応じて不均等な間隔で配置されていても差し支えない。

ボールケージ５の移動方向に沿った前記転動体保持孔５０の長さは、当該転動体保持孔５０に収容されるボール二個分の直径と略同一、あるいはそれよりも若干大きい程度であり、同じ転動体保持孔５０に収容された二個のボール２は互いに近接し、離散することなくスプライン軸３の転走溝３０を転走するようになっている。従って、スプライン軸３又はナット部材４に対するボールケージ５の移動距離は、これらスプライン軸３又はナット部材４に対するボール２の転走距離と略合致している。

一方、前記ボールケージ５には隆起保持部５１が形成されている。当該隆起保持部５１はボールケージ５の内周面及び外周面から略半円状に突出しており、前記転動体保持孔５０は当該隆起保持部５１を分断するように形成されている。かかる隆起保持部５１は、図３に示すように、前記スプライン軸３の転走溝３０及びナット部材４の転走溝４０に入り込むようにして前記ボールケージ５の表裏面に形成されている。この隆起保持部５１の高さは、前記スプライン軸３の転走溝３０及びナット部材４の転走溝４０に接触せず、それでいてボール２の球面を可及的に広くカバーする高さに形成されている。すなわち、前述の転動体保持孔５０は当該隆起保持部５１と相まって、前記ボール２の球面を可及的に広い範囲で包み込んでいる。

尚、ナット部材４側に突出する隆起保持部５１の構成は省略しても差し支えない。但し、前記ボールケージ５を薄肉に形成せざるを得ない場合には、当該隆起保持部５１を設けることによってボールケージ５の強度を向上させることが可能である。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線断面図である。当該図４に示すように、前記転動体保持孔５０のスプライン軸３側の開口幅、すなわち、スプライン軸３側に面した開口５２の長手方向の開口幅Ｌは、前記転動体保持孔５０に収容されるボール二個分の直径２ｄよりも小さく、且つ、ボール直径ｄよりも大きく設定されている。その一方で、前記転動体保持孔５０の長手方向に直交する方向の開口幅はボール直径ｄと略同一又はそれよりも大きく設定されており、この開口幅に関しては前記ボール２が通過可能となっている。

このボールスプライン装置１の組み立てに当たって、先ずは、前記スプライン軸３の代用となる棒状の治具にボールケージ５を遊嵌させ、この状態から前記転動体保持孔５０に対して二個のボール２を収容する。次に、二個のボール２を前記転動体保持孔５０に配列したボールケージ５をナット部材４の中空部に挿入する。続いてストッパ部材４１をナット部材４に固定して前記ボールケージ５を当該ナット部材４の中空部に封じ込め、最後に前記治具を抜き取ってから代わりに前記スプライン軸３をボールケージ５の中空部に挿入することにより、ボールスプライン装置１が完成する。

以上のように構成されたボールスプライン装置１では、前記ボールケージ５が一方のストッパ部材４１に接している状態で、ナット部材４に対してスプライン軸３を軸方向へ移動させると、ボールケージ５に配列されたボール２がナット部材４の転走溝４０及びスプライン軸３の転走溝３０上を転走し、かかるボールケージ５が他方のストッパ部材４２に向けて移動することになる。そして、前記ボールケージ５はストッパ部材４２に突き当たるまでスプライン軸３を移動させることが可能となる。

このとき、前記ボールケージ５では転動体保持孔５０の長手方向に直交する方向の開口幅がボール直径と略同一又はそれよりも大きく設定されているため、本来ならば前記ボール２が転動体保持孔５０の開口から抜け落ちてしまう。しかし、前記ボールスプライン１では、前記転動体保持孔５０のスプライン軸３側に面した開口５２の長手方向の開口幅が前記転動体保持孔５０に収容されるボール二個分の直径よりも小さく、且つ、ボール直径よりも大きく設定されているため、同じ転動体保持孔５０に収容された二個のボール２のうち、いずれか一方がスプライン軸３側に面した開口５２から抜け出ようとしても、他方のボール２と干渉することになる。それ故、前記転動体保持孔５０に収容される二個のボール２のうち、一方のボール２が転動体保持孔５０から浮き上がらない限り、かかる転動体保持孔５０に収容された二個のボール２はスプライン軸３側に面した開口５２から当該スプライン軸３方向へ抜けないようになっている。

そして、ボールケージ５をナット部材４に組み付けた状態では、前記転動体保持孔５０に収容された二個のボール２はナット部材４の転走溝４０によって当該ナット部材４方向へ抜けないように、すなわち、各ボール２が転動体保持孔５０から浮き上がらないようになっているので、前記ボールスプライン装置１では、前記ボール２を前記転動体保持孔５０に対して確実に保持することが可能となる。

このような本発明を適用した前述のボールスプライン装置１によれば、ボールケージ５に対して長孔状の転動体保持孔５０を形成し、同一の転走溝３０を転走する二個のボール２を当該転動体保持孔５０に一緒に配列すように構成したので、転動体ケージ５０の軸方向長さが同一であれば、個々のボールに対して独立した転動体保持孔を設けていた従来の転動体ケージに比べ、より多くのボール２を配列することが可能となる。これにより、従来と同等あるいはそれ以上の荷重負荷能力を確保しつつ、ボール２の小径化、ひいてはナット部材４の小径化を図ることが可能となり、ボールスプライン装置１の小型化を達成することができる。

また、前記ボールスプライン装置１では、前記転動体保持孔５０の前記スプライン軸３側に面した開口５２の長手方向の開口幅がボール二個分の直径よりも小さく、且つ、ボール直径よりも大きく設定されているため、転動体保持孔５０の開口からいずれか一方のボール２が抜け出ようとすると、他方のボール２と干渉することになる。それ故、一方のボール２が前記転動体保持孔５０から浮き上がらない限り、二個の転動体２が転動体保持孔５０の開口から抜け落ちることはない。従って、本発明を適用した前述のボールスプライン装置１によれば、前記転動体保持孔５０に対してボール２を確実に保持すること、すなわち、当該転動体保持孔５０からボール２が脱落するのを防止することが可能となる。

このような本発明は前記スプライン軸３及びナット部材４に形成された転走溝３０、４０がサーキュラーアーク状に形成されていても、又はゴシックアーチ状に形成されていても適用可能である。

前記転走溝３０、４０がゴシックアーチ状に形成される場合には、スプライン軸３とナット部材４との隙間が小さくなり、ボールケージ５を薄肉に形成せざるを得ないことから、かかるボールケージを周方向に沿って均一な肉厚とした場合には、前記転動体保持孔５０のスプライン軸３に面した開口５２の長手方向の開口幅をボール二個分の直径よりも小さく設定することが困難となる。しかし、上記実施形態のように、前記ボールケージ５に対して前記スプライン軸３及びナット部材４の転走溝３０、４０に入り込む隆起保持部５１を設けることで、転動体保持孔５０の形成部位ではボールケージ５を厚く形成することが可能となる。これにより、前記転動体保持孔５０のスプライン軸３側に面した開口５２の長手方向の開口幅をボール二個分の直径よりも小さく設定することが可能となるため、前記ボールケージ５にボール２を確実に保持させることができ、もって前記転動体保持孔５０からボール２が脱落するのを防止することが可能となる。

一方、前記スプライン軸３及びナット部材４に形成された転走溝３０、４０がサーキュラーアーク状に形成されている場合には、スプライン軸３とナット部材４との隙間が転走溝３０、４０をゴシックアーチ状に形成する場合に比べて大きく、その分だけボールケージを肉厚に形成することができるため、前記隆起保持部５１を設けずとも、本発明の転動体保持孔を形成することが可能である。

尚、前述の実施形態では前記転動体保持孔５０のスプライン軸３側に面した開口５２の長手方向の開口幅がボール二個分の直径よりも小さく、且つ、ボール直径よりも大きく設定される一方、前記ナット部材４側に面した開口の長手方向の開口幅がボール二個分の直径と略同一、又はそれより大きく設定されているが、逆の構成であっても差し支えない。

また、前述の実施形態では本発明をボールスプライン装置に適用した例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、相対的な往復運動を行う一対のベアリングレース間に転動体ケージを介在させたリニアガイド装置等に適用することが可能である。

更に、転動体はボールに限られるものではなく、ローラを使用しても良い。その場合、転動体の転走面の断面形状は使用するローラの形状に応じ、ボールの場合と同様な曲面状の転走溝としても良いし、単なる平面状の転走面としても良い。

１…ボールスプライン装置、２…ボール、３…スプライン軸、４…ナット部材、５…ボールケージ、５０…転動体保持孔

Claims (3)

1. 転動体の転走溝を有する固定側部材と、この固定側部材の転走溝と対向する位置に転動体の転走溝を有すると共に当該転走溝を転走する多数の転動体を介して前記固定側部材に組つけられた移動側部材と、前記固定側部材と移動側部材との間に配置されて前記転動体を整列させる転動体ケージと、を備えた有限ストローク型運動案内装置において、
   前記転動体ケージには同一の転走溝を転走する二個の転動体が一組となって回転自在に収容される長孔状の転動体保持孔が所定の間隔で貫通形成され、
   前記転動体保持孔は、前記固定側部材側又は移動側部材側に面した一方の開口の長手方向の開口幅が転動体二個分の直径よりも小さく設定される一方、前記長手方向に直交する方向の開口幅は前記転動体の直径と同一又はそれよりも大きく設定され、
   前記転動体保持孔に収容された転動体のいずれか一方が当該開口から抜け出ようとした際、これら転動体同士が互いに干渉し合って前記転動体保持孔からの転動体の抜け落ちを防止することを特徴とする有限ストローク型運動案内装置。
2. 前記転動体ケージには、前記固定側部材及び移動側部材の転動溝に入り込む隆起保持部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の有限ストローク型運動案内装置。
3. 一条の転走溝に対して複数の転動体保持孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の有限ストローク型運動案内装置。

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