JP5986612B2 - 六列ボールベアリングリニアガイドウエー - Google Patents
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Description
リニアガイドウエー10は主にボール13の列数を一般的な二列から四列に増加させ、四列のボール13はガイドウエー12の両側に対称に位置され、ボール13の列数が増加することでリニアガイドウエー10が耐えられる静定格荷重が高まる。しかしながら、リニアガイドウエー10の四列のボール13の配置方式では、リニアガイドウエー10の四列のボール13は均しく円弧の両点45°−45°が接触する方式であるため、ボールと接触するボール溝は全て接触角が45°となる。
このような接触角での配置方式は圧下方向、上への引張方向、及び横方向の負荷能力を均等に提供し、且つリニアガイドウエー10の歯形係数も完全に同じ歯形係数になり、リニアガイドウエー10の構造全体は圧下方向、上への引張方向、及び横方向への負荷能力を完全に均等に提供する。但し、圧下方向、上への引張方向、及び横方向への更に高い負荷を機械構造に求める場合、このような設計による静定格荷重では実現できなかった。
しかしながら、リニアガイドウエー20の四列のボール23の配置方式では、ガイドウエー22の上面に位置される二列のボール23は主に圧下方向の負荷に強く、横方向の負荷には弱く、両側に位置される二列のボールは上への引張方向の負荷能力が高く、横方向の負荷能力は低い。総合的に見ると圧下方向、上への引張方向、及び横方向の負荷能力を全面的に高めているとは言えず、局部的に圧下方向及び上への引張方向の負荷能力を高めることは困難であり、横方向の負荷能力も好ましくなく、このため負荷能力は不足しており多数の機構を適用している。
また、ガイドウエー22の上面及び側面にはボール23を納置させるためのボール溝が均しく設置され、これによりガイドウエー22の加工製造時には少なくとも1回の上方の研磨及び1回の横方向の研磨が必要になり、2度の加工行程が必要になるため加工コストが大幅に上昇すると同時に製造効率も落ち、経済効果も優れないという欠点がある。特に重大な点は、2度の加工行程の加工基準が同じでないため、上面及び側面のボール溝の正対する位置に誤差が生まれ、ボールガイドウエーの精度が低下する点である。また、リニアガイドウエーのサイズを大きくすると、同時に圧下方向、上への引張方向、及び横方向の負荷能力が増加するが、機構全体の空間も増加し、多くの実用例に使用出来なくなった。
また、上部滑動溝、中部滑動溝、及び下部滑動溝のボールは全て横方向の負荷に耐えられ、横方向の静定格荷重を高める。これにより、本発明は圧下方向、上への引張方向、及び横方向の静定格荷重を兼ね備える。且つ、本発明では、ボールが納置されるボール溝はガイドウエーのヘッド部の両側に対称に設置され、横方向の1回の研磨のみで加工が完了するため、加工工程が簡略化され、製造効率及び経済効果が高まる。また、2度の加工工程の加工基準が異なるために上面及び側面のボール溝の正対する位置の誤差が生まれ、ボールガイドウエーの精度に問題が出るのを回避させる。このほか、空間の設計及び最適化された設計により、サイズを増加させずに一般的な使用要求に符合することが可能になる。
以下、本発明の六列ボールベアリングリニアガイドウエーを図3〜8に基づいて説明する。本発明の六列ボールベアリングリニアガイドウエーは、以下の部材を備える。ガイドウエー30は、X方向に沿って長さが延長される長形ブロック体構造であり、X方向に垂直になる方向はY方向及びZ方向と定義され、且つY方向はZ方向に垂直になる。ガイドウエー30はX方向上の両端の端面から見ると、全体が対称軸Lに対して対称に設置される構造体となり、且つガイドウエー30のZ方向は順にヘッド部31、頚部32及び底部33と区分される。
ヘッド部31は底部33のZ方向に比べて上方向になり、底部33はヘッド部31のZ方向に比べて下方向になり、ヘッド部31のY方向の最大幅はヘッド部の幅W1であり、頚部32のY方向の最小幅は頚部の幅W2であり、底部33のY方向の最大幅は頚部の幅W3であり、頚部の幅W2はヘッド部の幅W1及び頚部の幅W3より小さい。このほか、ガイドウエー30の対称軸Lの両側には3つのボール溝がそれぞれ設置され、ガイドウエー30の両側のボール溝は対称軸Lに対して対称に設置される。
本実施形態に係るガイドウエー30のヘッド部31の対称軸Lの両側には上部滑動溝311、中部滑動溝312、及び下部滑動溝313がそれぞれ設置され、且つ各上部滑動溝311のガイドウエー30のZ方向の位置は各中部滑動溝312のガイドウエー30のZ方向の位置より高い。また、各中部滑動溝312のガイドウエー30のZ方向の位置は各下部滑動溝313のガイドウエー30のZ方向の位置より高い。本発明の各上部滑動溝311及び各中部滑動溝312はヘッド部31の上半部に設けられ、各下部滑動溝313はヘッド部31の下半部に設けられる。
各ボール50が各ボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313内に納置されると、本発明によるボール50とボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313とはヘルツの接触応力(Hertz contact theory)に符合するという仮説及び定義のため、ボール50と各ボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313とはそれぞれ接触点Tを発生させ、ボール50或いは各ボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313の接触面には接触点Tを通過する法線Nを有し、各上部滑動溝311及び各中部滑動溝312のボール50の法線NとZ方向の上方向の間の狭角はそれぞれ接触角αと定義され、各上部滑動溝311及び各中部滑動溝312とそれらに接触するボール50の接触角αは20〜70度である。
製造方向を鑑みると、接触角αは20度より小さい場合、ボール50或いは各ボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313の接触面が小さくなり、接触面の負荷能力が低下する。反対に、接触角αが70度より大きい場合、ボール50或いは各ボール溝311、ボール溝312、及びボール溝313のZ方向の負荷能力が低下し、本発明の高い圧下剛性を獲得するという目的は達成されなくなる。より好ましくは、不安定な製造による問題を回避し、本発明の高い圧下剛性という特色を強化するため、接触角αは30〜50度が好ましい。最も好ましい角度は40度である。また、同様に、各下部滑動溝313のボール50の法線NとZ方向の下方向の間の狭角はそれぞれ同様に接触角αと定義され、各前記下部滑動溝313とそれらに接触するボール50の接触角αは20〜70度であり、30〜50度がより好ましい。40度が最も好ましい。
接触角αの角度が小さくなると圧下方向の静定格荷重は向上するが、横方向の静定格荷重が更に大幅に低下し、図6に示す接触角αの角度が20度より小さくなった後、横方向負荷の静定格荷重は持続的に低下し、但し圧下方向の静定格荷重が高まる效果は減衰する。同様に、接触角αの角度が70度より大きくなった後、圧下方向の静定格荷重は持続的に低下し、但し横方向の負荷の静定格荷重が高まる效果も大きくなく、接触角αの角度が20度より小さいか、或いは70度より大きい場合、静定格荷重は理想よりも増加せず、反対に他の方向の静定格荷重が明確に減少してしまう。
一般的な運搬装置はリニアボールベアリングガイドウエーに対して圧下方向及び横方向の静定格荷重を兼ね備えるように要求しており、故に接触角αの角度設計は20〜70度が好ましい。さらに、図6に示す曲線から見ると、接触角αが50度の場合、圧下方向の静定格荷重は横方向の静定格荷重にほぼ等しく、本発明の圧下剛性を高める目的を考慮すると、接触角αを50度より小さくして圧下方向の静定格荷重を横方向の静定格荷重より大きくするのが更に好ましい。横方向の静定格荷重の曲線から見ると、接触角αの角度が30度の場合、横方向の静定格荷重値はすでに横方向の静定格荷重の最大値の半分以上に達しており、相当な横方向の静定格荷重を有していると言える。よって、接触角αの角度を30度より大きくして横方向の静定格荷重を兼ね備える効果を達成させる。このため設計上接触角αの角度は30度より大きいのが好ましく、接触角αの角度は30〜50度が更に好ましい。
最も好ましい実施形態では接触角αが40度であり、この状態では、圧下方向の静定格荷重が横方向の静定格荷重より明確に高く、圧負荷能力を明らかに高め、且つ優れた横方向の負荷能力を兼ね備え、高い圧下の静定格荷重の特性を備え、圧負荷に求められる高い要求に十分に応える。
図7は本発明の六列ボールベアリングリニアガイドウエーの下部滑動溝の歯形係数の改変と上への引張方向の静定格荷重との比較図である。図7の横軸は各下部滑動溝の歯形係数及び各上部滑動溝の歯形係数の特性値を表し、無単位量を1つの無単位量で割った結果であり、これも無単位量である。縦軸は上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値であり、これも無単位量である。図中では上部滑動溝の異なる歯形係数に対して分析を行っており、上部滑動溝の歯形係数は0.01のデータ点であり符号×で表示し、上部滑動溝の歯形係数は0.02のデータ点であり符号○で表示し、上部滑動溝の歯形係数は0.04のデータ点であり符号□で表示し、上部滑動溝の歯形係数は0.08のデータ点であり符号△で表示する。
図7の上部滑動溝の歯形係数は0.01〜0.08の異なるデータ点となり、曲線上に集中し、下部滑動溝の歯形係数は上部滑動溝の歯形係数の特性値に比べて小さくなるほど上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値が大きくなる。歯形係数の特性値が1より小さくなった後、曲線は明確に急カーブし、下部滑動溝の歯形係数が上部滑動溝の歯形係数より小さい場合、上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値が明確に加速上昇しており、上への引張方向の静定格荷重(圧下方向の静定格荷重は未改変)が増加していることを示す。このため、各下部滑動溝の歯形係数は各上部滑動溝の歯形係数より小さいのが好ましい。下部滑動溝の歯形係数が各前記上部滑動溝の歯形係数の0.8倍より小さくなった後、上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値が加速上昇する。本発明に係る六列ボールベアリングリニアガイドウエーの上への引張方向の静定格荷重が高速に上昇することで、上への引張方向の静定格荷重が強化される。このため、本発明に係る六列ボールベアリングリニアガイドウエーの下部滑動溝の歯形係数は各前記上部滑動溝の歯形係数の0.8倍より小さいのが好ましい。
図7によれば、下部滑動溝の歯形係数が上部滑動溝の歯形係数の0.5倍より小さくなった後、上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値は急速に上昇し、下部滑動溝の歯形係数が上部滑動溝の歯形係数の0.5倍の場合、上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値は約0.8に達し、即ち上への引張方向の静定格荷重が圧下方向の静定格荷重の0.8倍に上昇していることを示す。
下部滑動溝の歯形係数が上部滑動溝の歯形係数の0.4倍の場合、上への引張方向及び圧下方向の静定格荷重の特性値は1より大きく、即ち上への引張方向の静定格荷重が圧下方向の静定格荷重より大きいことを示す。この際、本発明に係る六列ボールベアリングリニアガイドウエーは極めて好ましい圧下方向の静定格荷重を有するのみならず、極めて好ましい上への引張方向の静定格荷重も有する。故に、本発明に係る六列ボールベアリングリニアガイドウエーの下部滑動溝の歯形係数は各前記上部滑動溝の歯形係数の0.5倍より小さいのが更に好ましい。製造難易度及び圧下方向の静定格荷重を考慮すれば、上部滑動溝の歯形係数は0.02〜0.04が最も好ましい。
図中の縦軸は圧下方向、上への引張方向、及び横方向の静定格荷重を表し、単位はkNである。データAは本発明であり、データBは同一の大きさの一般的なリニアガイドウエーであり、データCは圧下方向の静定格荷重が強化された従来のリニアガイドウエーである。
図8から分かるように、本発明の圧下方向、上への引張方向、及び横方向の静定格荷重の値は全て一般的なリニアガイドウエーよりはるかに高く、且つ圧下方向の静定格荷重が強化された従来のリニアガイドウエーの静定格荷重の値より明確に高い(同じサイズに制限しての比較)。特に、本発明の横方向の静定格荷重は圧下方向の静定格荷重が強化された従来のリニアガイドウエーの横方向の静定格荷重よりはるかに高い。
また、上部滑動溝、中部滑動溝、及び下部滑動溝のボールは皆横方向の負荷に耐えられ、横方向の静定格荷重が高まり、本発明は圧下方向、上への引張方向、及び横方向の静定格荷重を兼ね備える。
11 スライドブロック
12 ガイドウエー
13 ボール
20 リニアガイドウエー
21 スライドブロック
22 ガイドウエー
23 ボール
30 ガイドウエー
31 ヘッド部
311 上部滑動溝
312 中部滑動溝
313 下部滑動溝
32 頚部
33 底部
40 スライドブロック
41 係合間隙
411 滑動溝
50 ボール
X X方向
Y Y方向
Z Z方向
W1 ヘッド部の幅
W2 頚部の幅
W3 頚部の幅
L 対称軸
T 接触点
α 接触角
V 垂直線
R 円弧半径
D ボール径
Claims (5)
- X方向に沿って長さが延長される長形ブロック体構造であり、前記X方向に垂直になる方向はY方向及びZ方向と定義され、且つ前記Y方向は前記Z方向に垂直になり、またそれは前記X方向上の両端の端面から見ると、全体が対称軸に対して対称に設置される構造体であり、さらにその対称軸の両側には3つのボール溝がそれぞれ設置されるガイドウエーと、
係合間隙を有するスライドブロックであって、前記スライドブロックは前記係合間隙により前記ガイドウエー上に滑動するように覆設され、且つ前記係合間隙の各前記ボール溝に対応する位置には6つの滑動溝が設置されるスライドブロックと、
各ボール溝と前記滑動溝との間に回転するように納置される複数のボールを備える六列ボールベアリングリニアガイドウエーにおいて、
前記ガイドウエーの対称軸の両側には上部滑動溝、中部滑動溝、及び下部滑動溝がそれぞれ設置され、且つ各上部滑動溝の前記ガイドウエーの前記Z方向の位置は各中部滑動溝の前記ガイドウエーの前記Z方向の位置より高く、また各中部滑動溝の前記ガイドウエーの前記Z方向の位置は各前記下部滑動溝の前記ガイドウエーの前記Z方向の位置より高く、
前記下部滑動溝の歯形係数をC1、前記下部滑動溝の断面形状の曲率半径をR1とし、前記上部滑動溝の歯形係数をC2、前記上部滑動溝の断面形状の曲率半径をR2とし、前記ボールのそれぞれのボール径をDとして、それらがC1=(2R1−D)/D及びC2=(2R2−D)/Dの関係を満たし、且つ前記下部滑動溝の歯形係数は前記上部滑動溝の歯形係数より小さいことを特徴とする、
六列ボールベアリングリニアガイドウエー。 - 前記下部滑動溝の歯形係数はC1であり、前記上部滑動溝の歯形係数はC2であり、それらがC1/C2<0.8の関係を満たすことを特徴とする、請求項1記載の六列ボールベアリングリニアガイドウエー。
- 各ボール及び各ボール溝はそれぞれ接触点を形成させ、前記接触点は法線を有し、各上部滑動溝及び各前記中部滑動溝の前記法線とZ方向の上方向の間の狭角は20〜70度であり、且つ各下部滑動溝の前記法線とZ方向の下方向の間の狭角は20〜70度であることを特徴とする、請求項1記載の六列ボールベアリングリニアガイドウエー。
- 各上部滑動溝の歯形係数は0.01〜0.08であることを特徴とする、請求項1記載の六列ボールベアリングリニアガイドウエー。
- 前記ガイドウエーは前記Z方向に順にヘッド部、頚部、及び底部と区分され、前記ヘッド部は前記底部の前記Z方向に比べて上方向になり、前記底部は前記ヘッド部の前記Z方向に比べて下方向になり、且つ前記上部滑動溝及び前記中部滑動溝は前記ヘッド部の上半部に設けられ、前記下部滑動溝はヘッド部の下半部に設けられることを特徴とする、請求項1記載の六列ボールベアリングリニアガイドウエー。
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