JP5683678B1

JP5683678B1 - 回転球体支持装置

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Publication number: JP5683678B1
Application number: JP2013239209A
Authority: JP
Inventors: 儀三郎近藤
Original assignee: 西部自動機器株式会社
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP2015098071A

Abstract

【課題】表面に凹凸が存在する球体の回転を特定の軸回りに安定して行わせる回転球体支持装置を提供する。【解決手段】回転球体支持装置１は、球体Ｗを回転させて加工する加工装置４において球体を保持するために使用される。回転球体支持装置は、加工装置に直接的または間接的に一体化されるウォブルシュー保持部２１と、揺動軸３１を介して揺動自在にウォブルシュー保持部に支持されるウォブルシュー２２と、を有する。ウォブルシューは、一対のローラ軸３０，３０と、ローラ軸回りにそれぞれ回転自在に支持されたローラ２７と、を有する。一対のローラ軸は、揺動軸を挟んで配されかつ揺動軸に直交し、およびそれぞれの軸心が同一平面内に存在して軸心の延長が鈍角で交わる。【選択図】図２

Description

本発明は、その表面に凹凸が存在する球体を一定方向に回転させる際に使用される回転球体支持装置に関する。

回転する機器における軸受け等には、摩擦による回転ロスを低減させるために、例えばボールベアリングが使用される。
ボールベアリングにおけるボールは、一般にステンレス鋼またはクロム鋼が材料として使用される。このような金属によるボールは、電動機に使用された場合に電蝕が生じ易く、屋外に設置される機器等においては、その導電性によって落雷で機器等が破損するという問題がある。

このような電蝕、通電による機器破損を防ぐために、近年、セラミックスを材料とするボールが使用される。
セラミックス製ボールは、セラミックス粉末、焼結補助剤および添加物を原料とし、一対の半球凹状の型を使用して、型の合わせ部分に生じ表面を一周する凸状の帯を有する略球形のボール（グリーンボール）がはじめに成形される（特許文献１，２）。

グリーンボールは、焼結された後に、バレル研磨機を使用して成形時に生じた凸状の帯等を削り取り、表面を研磨することにより真球に加工される（特許文献２）。

特開２０１１−１５３０７１号公報特開２００３−１３７６４０号公報

特許文献２に提示された凸状の帯の除去（切削）は、多数のボールを研磨剤および水等とともに容器（バレル）に収容し、容器を回転させて行われる。凸状の帯が除去されたボールは、ボール研磨機によってその表面が研磨される。また、比較的大きなグリーンボールは、焼結された後にラップ盤により凸状の帯を取り除くことも行われている。
バレル研磨では、凸状の帯の選択的な除去が期待できるが、この帯以外の部分も一定の割合で削り取られる。また、ラップ盤による凸状の帯の除去については、焼結後のセラミックスの硬度が高いために、作業に長時間を要する。

ところで、前述したセラミックスにより成形された略球状のグリーンボールは、焼結後の（セラミックス製）ボールに比べて軟らかいことから、グリーンボールの段階で凸状の帯を除去するのが加工性等において好ましい。しかし、特許文献２に記載されたバレル研磨では、バレル内で硬度の低い柔らかなグリーンボール自体の欠けが発生する。また、径の大きなグリーンボールはバレル研磨を行うことが困難である。

大型のグリーボールを通常のボール研磨機で個別に研磨しようとすると、グリーンボール表面の凹凸によって、回転するグリーンボールの回転軸が不規則に変化して凸状の帯を砥石の位置に維持することができず、研磨により凸状の帯を除去することが困難であった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、表面に凹凸が存在する球体の回転を特定の軸回りに安定して行わせる回転球体支持装置を提供することを目的とする。

本発明に係る回転球体支持装置は、球体を回転させて加工する加工装置において球体を保持するために使用される回転球体支持装置である。ここで「加工」とは、表面の研磨、凸状物の除去のほか、表面の塗装、模様の刻み等の多様な処理をいう。
回転球体支持装置は、加工装置に直接的または間接的に一体化されるウォブルシュー保持部と、揺動軸を介して揺動自在にウォブルシュー保持部に支持されるウォブルシューと、を有する。

ウォブルシューは、一対のローラ軸と、ローラ軸回りにそれぞれ回転自在に支持されたローラと、を有する。
一対のローラ軸は、揺動軸を挟んで配されかつ揺動軸に直交し、およびそれぞれの軸心が同一平面内に存在して軸心の延長が鈍角で交わる。
好ましくは、ウォブルシューにおける一対のローラは、面対称に配される。面対称の対称面は、ローラ軸の軸心を含む平面に直交しかつ揺動軸の軸心を含む平面である。

本発明によると、表面に凹凸が存在する球体の回転を特定の軸回りに安定して行わせる回転球体支持装置を提供することができる。

図１は研磨装置に組み入れられた回転球体支持装置の側面図である。図２はウォブルシュー部材の図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図３は図１におけるＢ−Ｂ矢視図である。図４は研磨装置に組み入れられた回転球体支持装置の平面図である。図５は回転球体支持装置の動作を説明する図である。図６はウォブルシューを有しない回転球体支持装置の動作を示す図である。

図１は研磨装置４に組み入れられた回転球体支持装置１の側面図、図２はウォブルシュー部材３の図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ矢視図、図４は研磨装置４に組み入れられた回転球体支持装置１の平面図である。
回転球体支持装置１は、基部２およびウォブルシュー部材３で構成される。
回転球体支持装置１は、例えば、一対の半球凹状の型を使用してセラミックス粉末等から球体（グリーンボール）を成形する際に球体の表面に生じた凸状の帯を砥石により除去する研磨装置４に、一体化されて使用される。

基部２は、基台１１および支持部１２からなる。
基台１１は、例えば研磨装置４に固定されて基部２を研磨装置４に一体化させる。基台１１は、研磨装置４と支持部１２との間を占め、研磨装置４から支持部１２が所定の高さに配されるように、適切な厚さを有する。
支持部１２は、厚板で形成され一端が基台１１に連続して上方に延びている。支持部１２は、前から見たとき「Ｌ」字状となるように、全体の高さの３分の１に満たない部分から上方の範囲でその厚さが略半分になっている。

ここで、「前」とは便宜的に図１における左をいい、「後（うしろ）」とは「前」の逆（図１の右）をいうものとする。「前方」および「後方」は、前述した「前」および「後」の意から導かれる方向である。
支持部１２は、高さの３分の１で厚さが略半分となったことによりその下の部分に上方を向く平面が形成され、この平面は、前方から後方に傾斜する。以下この傾斜する面を「傾斜面１３」という。傾斜面１３は、基部２が固定される研磨装置４の表面４１（平面である）に対して１７．５度傾斜する。

支持部１２には、厚さが略半分の部分にその厚さ方向に貫通する、雌ねじが設けられた２つのネジ孔１４，１４を有する。２つのネジ孔１４，１４の軸心は平行であって、これらの軸心を含む平面は、傾斜面１３に直交し、研磨装置４の表面４１に対して７２．５度傾斜する。研磨装置４の表面４１に対する、ネジ孔１４，１４の軸心を含む平面の傾斜角度と傾斜面１３の傾斜角度とは、互いに余角の関係である。

ウォブルシュー部材３は、ウォブルシュー保持部２１およびウォブルシュー２２からなる。
ウォブルシュー保持部２１は、支持部１２における傾斜面１３から上の部分の厚さに略等しい幅の厚板により、全体として細長く形成されている。以下、ウォブルシュー保持部２１について、図２，３における横方向を「幅方向」といい、図１における（１７．５度で）傾斜する横方向を「厚さ方向」という。参考までに、ウォブルシュー保持部２１の厚
さ方向とは支持部１２の厚さ方向に直交する方向である。

ウォブルシュー保持部２１は、長手方向の一方の側に偏って、長手方向に並んで厚さ方向に直交して貫通する２つの挿通孔２３，２３を有する。挿通孔２３はいずれも、断面形状が長円であり、半円部分の直径はネジ孔１４の直径よりも大きい。２つの挿通孔２３，２３の中心（長円両側の半円の円弧中心を結ぶ線の中点）の距離は、支持部１２の２つのネジ孔１４，１４の軸心の距離に略等しい。

ウォブルシュー保持部２１は、長手方向における他方の側（挿通孔２３，２３の偏り側の反対側）におけるその厚さ方向の中間に、側面視（図１）において「コ」字状の切り欠きを有する。切り欠きによる空間を挟んで対向する２つの部分を挟持部２４ａ，２４ｂという。挟持部２４ａ，２４ｂは、ウォブルシュー保持部２１を厚さ方向から見たとき、その形状が端に向かって幅が狭くなる等脚台形である。挟持部２４ａ，２４ｂには、互いが対向する方向に延びる軸孔２５ａ，２５ｂが軸心を一致させて貫通する。

２つの挿通孔２３，２３の中心軸および挟持部２４ａ，２４ｂの対向方向における間隙の中間点は、１つの平面上に存在する（図１の７２．５度傾斜する一点鎖線を参照）。
ウォブルシュー２２は、ローラ保持部２６および２つのローラ２７，２７で構成される。
ローラ保持部２６は、形状が、挟持部２４ａ，２４ｂと同じ大きさの底辺両端の内角を有する等脚台形であり、挟持部２４ａ，２４ｂの間隙よりもやや小さな厚さを有する。ローラ保持部２６は、面対称である等脚台形の対称面にその軸心が一致する貫通孔２８を備える。

ローラ保持部２６は、台形の脚に相当する２つの側面２９，２９のそれぞれから、ローラ軸３０，３０がこの側面２９，２９に直交して突出している。
ローラ２７は、外形が径に比べて高さが小さな円柱（の円板）であり、ローラ軸３０の回りをわずかな力で回転するようにベアリングを介してローラ保持部２６に取り付けられている。

台形の脚に相当する２つの側面２９，２９にそれぞれが直交するローラ軸３０，３０は、その軸心の延長が鈍角を形成して交わる。そのため、ローラ軸３０，３０に取り付けられた２つのローラ２７，２７は、等脚台形である挟持部２４ａ，２４ｂの上底から一部が上方に飛び出しており、飛び出した側で互いの間隔が狭まる、「ハ」字状となっている。
ウォブルシュー２２は、その形状が、ローラ保持部２６の対称面をその対称面とする面対称である。

ウォブルシュー２２は、挟持部２４ａ，２４ｂの間隙にその等脚台形の下底を奥にして収容され、挟持部２４ｂの軸孔２５ｂ、ローラ保持部２６の貫通孔２８および挟持部２４ａの軸孔２５ａを貫通する揺動軸３１により、ウォブルシュー保持部２１と一体化されている。
貫通孔２８は、ウォブルシュー２２の重心または重心近くに設けられ、また、揺動軸３１にはニードルベアリングが組み込まれて、ウォブルシュー２２は容易に揺動する。ローラ保持部２６における等脚台形の下底に相当する下側面３２は、挟持部２４ａ，２４ｂにより形成された切り欠きの底面（挟持部２４ａ，２４ｂ間の空間の奥底の面であり平面である）３３から距離を有する。下側面３２と底面３３との距離の大小によりウォブルシュー２２の揺動範囲が意図的に決められる。

ウォブルシュー部材３は、挿通孔２３を貫通させた６角穴付きボルト３４が支持部１２のネジ孔１４にねじこまれて基部２に固定される。挿通孔２３は断面形状が長円であるため、６角穴付きボルト３４の締め付け前には、ウォブルシュー部材３は、挿通孔２３の長円の範囲内で支持部１２（基部２）との相対位置、つまりローラ２７，２７の高さを調節することができる。

基部２の支持部１２における傾斜面１３には、傾斜面１３に直交させて支持部１２の雌ネジに螺合させた（ナット付き）スラストボルト３５が突出している。ウォブルシュー部材３は、その下方側面がスラストボルト３５の頭に支えられて、その高さを安定させる。
図１，３，４には、焼結前のセラミックス粉末等によるグリーンボールＷから、表面の
凸状の帯Ｗｂを除去する研磨装置４の一部が示される。

回転球体支持装置１は、ウォブルシュー部材３が、研磨装置４の表面４１から一方の側に傾斜して上方に延びている。
研磨装置４において、一対のテーパローラ４２，４２およびプレッシャローラ４３が、回転球体支持装置１の機能を補助する。
一対のテーパローラ４２，４２は、研磨対象であるグリーンボールＷを回転させるためのものである。一対のテーパローラ４２，４２は、それぞれの回転軸の軸心が一致するようにかつ互いに間隔を有して配され、回転駆動装置に連結されて同じ回転数で回転する。テーパローラ４２，４２は、いずれも回転中心Ｏ−Ｏの一方の側が端に向かって徐々に径が小さくなっており、それぞれの径が小さい側の端面が対向している。一対のテーパローラ４２，４２は形状が面対称である。また、一対のテーパローラ４２，４２は、その面対称の対称面が、面対称であるローラ保持部２６の対称面に一致するように配される。なお、回転球体支持装置１のローラ２７，２７は、グリーンボールＷとの接点がテーパローラ４２の回転中心Ｏ−Ｏよりも低くなるように調整される。

プレッシャローラ４３は、回転球体支持装置１を挟んでテーパローラ４２，４２の反対側に位置する。プレッシャローラ４３は、ローラ２７と同様に、外観が径に比べて高さが小さな円柱状である。プレッシャローラ４３は、円柱の軸心回りに回転可能に支持部材４４に支持される。支持部材４４は、テーパローラ４２，４２からのプレッシャローラ４３の距離、およびプレッシャローラ４３の高さ（研磨装置４の表面４１からの距離）を変更可能なように、研磨装置４に一体化されている。プレッシャローラ４３はベアリングを介して支持部材４４に支持され、わずかな力で回転する。

好ましくは、回転球体支持装置１は、２つのローラ軸３０，３０の軸心を含む平面（図１の７２．５度に傾く線参照）が、グリーンボールＷが球体と仮定した場合の重心を含むように、テーパローラ４２，４２との位置関係を考慮してウォブルシュー部材３の高さが決められる。つまり、回転球体支持装置１のウォブルシュー２２は、ローラ軸３０，３０の軸心に直交しローラ２７，２７とグリーンボールＷとの支持点Ｐ１，Ｐ２を含む平面がグリーンボールＷの重心を含むように構成されるのが好ましい。

テーパローラ４２の回転中心Ｏ−Ｏは、グリーンボールＷの重心よりも低く設定される。この設定は、ウォブルシュー保持部２１を支持部１２に対して上下させて行う。回転球体支持装置１およびテーパローラ４２，４２は、これらのみでグリーンボールＷを保持する。
プレッシャローラ４３は、グリーンボールＷの重心よりも上方でグリーンボールＷをテーパローラ４２，４２側に押圧する。プレッシャローラ４３のグリーンボールＷへの押圧は、支持部材４４が有する付勢手段により行われる。

グリーンボールＷの凸状の帯Ｗｂの除去には、円筒状の砥石５１が使用される。円柱状の砥石を使用してもよい。
凸状の帯Ｗｂの除去は、次のようにして行われる。
グリーンボールＷを、凸状の帯Ｗｂがテーパローラ４２，４２の対称面と平行になるようにローラ２７，２７のあいだに位置させ、回転球体支持装置１（ローラ２７，２７）、および２つのテーパローラ４２，４２に保持させる。

グリーンボールＷは、ローラ２７，２７およびテーパローラ４２，４２のいずれにも点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で保持され、グリーンボールＷの重心は、平面視において、ローラ２７，２７による支持点Ｐ１，Ｐ２とテーパローラ４２，４２による支持点Ｐ３，Ｐ４とで囲まれた範囲に位置する（図４参照）。
支持部材４４に支持されたプレッシャローラ４３を、グリーンボールＷの重心よりも高い位置でグリーンボールＷに押圧させる。円筒状の砥石５１は、その軸心の延長が球体と仮定した場合のグリーンボールＷの重心を通り、かつ面対称であるウォブルシュー２２の対称面に含まれる姿勢で、グリーンボールＷの上方に押しつけられる。砥石５１の押しつけは、エアシリンダ装置、バネ等の付勢力により行われる。

その後、テーパローラ４２，４２は、例えば接するグリーンボールＷを下方に向かわせ
るように（図１の矢印参照）、所定の回転数で回転される。
図５は回転球体支持装置１の動作を説明する図、図６はウォブルシュー２２を有しない回転球体支持装置の動作を示す図である。
大きなボールベアリングに用いられる径の大きなグリーンボールＷは、一対の半球凹状の型により成形され、凸状の帯Ｗｂのほかに、表面に小さな凹凸が無数に存在する。例えば、グリーンボールＷの回転軸Ｃ−Ｃの一方の側に凸部分Ｗｐが存在するとき（図５（ａ）には説明用に大きく誇張された凸部分Ｗｐが示される）、回転球体支持装置１は、そのウォブルシュー２２が、揺動軸３１を中心として凸部分Ｗｐが存在する側に揺れ、凸部分Ｗｐに接するローラ２７が下降する。同時に、凸部分Ｗｐに接しない側のローラ２７は持ち上げられ、グリーンボールＷの姿勢が維持されて回転軸Ｃ−Ｃと帯Ｗｂとの位置関係が変化することなくグリーンボールＷは回転を持続する。

図５の（ｂ）は凸状の帯Ｗｂを挟んだ両側にそれぞれ大きな凸部分Ｗｐ、小さな凸部分Ｗｑが存在する場合の回転球体支持装置１の動作、および図５の（ｃ）は凸状の帯Ｗｂを挟んだ両側のいずれにも同じ大きさの凸部分Ｗｐが存在する場合の回転球体支持装置１の動作である。（ｂ）ではウォブルシュー２２は小さな凸部分Ｗｑが存在する側に揺れ、（ｃ）ではウォブルシュー２２に揺れが生じないが、その回転軸Ｃ−Ｃの方向は変化しない。また、図５（ａ）〜（ｃ）によれば、凸部分Ｗｐ，Ｗｑの大きさに応じてグリーンボールＷは押し上げられるが、実際のグリーンボールＷ表面の凹凸の程度は図５における凸部分Ｗｐ，Ｗｑに比べてきわめて小さく、グリーンボールＷの上下動は無視できる程度、または砥石５１の付勢装置により相殺される。

一方、図６に示される、ウォブルシュー２２を有しない固定されたローラ９１ａ，９１ｂを有する回転球体支持装置では、凸部分Ｗｐが一方のローラ９１ａを通過すると、砥石に押圧されたグリーンボールＷは、他方のローラ９１ｂ側に傾く。一対のテーパローラ４２，４２は同じ速度で回転するので、グリーンボールＷは、傾いたままでテーパローラ４２，４２の回転軸Ｏ−Ｏに平行な回転軸Ｃ−Ｃ回りに回転する。グリーンボールＷ表面の無数の凹凸は絶えずローラ９１ａ，９１ｂを通過し、その都度グリーンボールＷの姿勢が不規則に変化する。回転開始時に、凸状の帯Ｗｂの幅中央におけるグリーンボールＷの断面Ｓ−Ｓに直交したグリーンボールＷの回転軸Ｃ−Ｃは、グリーンボールＷの表面の凹凸がローラ９１ａ，９１ｂを通過するごとに、断面Ｓ−Ｓに対する回転軸Ｃ−Ｃの角度（傾き）を変化させ、帯Ｗｂが砥石の位置から外れて、帯Ｗｂの除去処理を安定して行うことが困難である。

回転球体支持装置１は、困難であった表面に凹凸のある球体の回転軸Ｃ−Ｃの安定化を、ウォブルシュー２２が球体表面の凹凸に応じて揺動軸３１回りに揺動することにより、実現することができる。
回転球体支持装置１は、ウォブルシュー保持部２１を基部２（支持部１２）に固定せず、バネ、エアシリンダ装置等を介して上方に付勢された状態で基部２（支持部１２）に一体化してもよい。

上述の実施形態において、回転球体支持装置１は、セラミックス製の帯Ｗｂ付きグリーンボールＷのほかに、凸状の帯付きの鉄等による金属球、帯Ｗｂを有しない金属、非金属等の球体を、一定の回転軸回りに回転させることができる。回転球体支持装置１において、ウォブルシュー保持部２１を、基部２に取り付けるのではなく、研磨装置４に直接に取り付けてもよい。

また、一対のローラ２７，２７は、同じものでなく、大きさ、形状が異なるものとしてもよい。その場合、ウォブルシュー２２は、ローラ２７，２７とグリーンボールＷとの支持点Ｐ１，Ｐ２が同一高さとなるように設計されるのが好ましい。
ウォブルシュー部材３は、ウォブルシュー２２の揺動を制限する手段を設けないのが好ましいが、図５に示される動作を妨げない条件で、面対称であるウォブルシュー２２の対称面が垂直となる姿勢に戻すための付勢手段を付属させてもよい。

その他、回転球体支持装置１、および回転球体支持装置１の各構成または全体の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、表面に凹凸が存在する球体を回転させて表面を研磨する装置において、球体の回転軸を変化させず一定に維持する必要がある場合に利用することができる。

１回転球体支持装置
４研磨装置（加工装置）
２１ウォブルシュー保持部
２２ウォブルシュー
２７ローラ
３０ローラ軸
３１揺動軸
Ｗグリーンボール（球体）

Claims

球体を回転させて加工する加工装置において前記球体を保持するために使用される回転球体支持装置であって、
前記加工装置に直接的または間接的に一体化されるウォブルシュー保持部と、
揺動軸を介して揺動自在に前記ウォブルシュー保持部に支持されるウォブルシューと、を有し、
前記ウォブルシューは、
一対のローラ軸と、
前記ローラ軸回りにそれぞれ回転自在に支持されたローラと、を有し、
前記一対のローラ軸は、前記揺動軸を挟んで配されかつ前記揺動軸に直交し、およびそれぞれの軸心が同一平面内に存在して前記軸心の延長が鈍角で交わる
ことを特徴とする回転球体支持装置。
前記ウォブルシューにおける一対の前記ローラが面対称に配されており、
前記面対称の対称面が、前記ローラ軸の軸心を含む平面に直交しかつ前記揺動軸の軸心を含む平面である
請求項１に記載の回転球体支持装置。