JP6385384B2 - 転がり案内装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械のワークテーブルや各種搬送装置のテーブルを軌道レールに沿って自在に案内する転がり案内装置に関する。
この種の転がり案内装置としては特許文献1に開示されるものが知られている。この転がり案内装置は、ベッド等の固定部に敷設される軌道レールと、この軌道レールに沿って自在に移動可能であると共に案内対象であるテーブル等の可動体を固定可能な移動ブロックとを備えている。前記移動ブロックはボール又はローラといった複数の転動体を介して前記軌道レールに組み付けられており、前記軌道レールには長手方向に沿って転動体の転走面が形成されている。前記移動ブロックには、前記軌道レールの転走面と対向する転動体の転走面が設けられると共に、当該転走面の一端から他端へ前記転動体を循環させる無限循環路が設けられており、前記転動体が当該無限循環路内を循環することにより、前記移動ブロックが前記軌道レールに沿って自在に運動を行うことが可能となっている。
また、前記無限循環路内には前記転動体の間隔を一定に保持するための保持ベルトが当該転動体と共に組み込まれている。前記保持ベルトは合成樹脂等の可撓性を有する材料から成形されており、当該保持ベルトには転動体を収容するポケットが一定の間隔で配列されている。また、保持ベルトはその全長が無限循環路の経路長よりも短く設定されており、無限循環路に組み込んだ際に、両端部が当該無限循環路内で間隔を空けて互いに向かい合っている。転動体はこの保持ベルトのポケット内で回転しながら前記軌道レールの転走面及び前記移動ブロックの転走面を転走し、ボールが無限循環路内を循環するのに伴い、当該保持ベルトも前記無限循環路内を循環する。
前記移動ブロックが有する転動体の無限循環路は、負荷通路と、この負荷通路と平行に設けられた戻し通路と、前記負荷通路と戻し通路の端部同士を接続する円弧状に形成された一対の方向転換路とから構成されている。前記負荷通路は前記軌道レールの転走面と前記移動ブロックの転走面とが対向する領域であり、前記転動体は軌道レールと移動ブロックとの間で荷重を負荷しながら当該負荷通路を転走する。一方、前記戻し通路及び前記一対の方向転換路は前記転動体を前記負荷通路の終端から始端へ戻すための無負荷通路であり、前記転動体は当該通路において何ら荷重を負荷していない。
このため、前記軌道レールと前記移動ブロックとの間に相対的な運動が生じると、前記負荷通路内の転動体は強制的に転がされて当該通路内を進行することになるが、前記戻し通路及び前記一対の方向転換路内の転動体は自ら転動せず、前記保持ベルトを介して負荷通路内の転動体に引っ張られ、あるいは押されて当該戻し通路及び一対の方向転換路を進行することになる。
特許第3243415号
前述したように、前記保持ベルトは両端部が互いに向かい合うようにして前記無限循環路内に組み込まれているので、このような無限循環路内における転動体の動きに起因し、前記保持ベルトにはその端部が前記負荷通路に出入りする際に循環方向に沿った引っ張り力が繰り返し作用することになる。これに伴い、当該保持ベルトが方向転換路に設けられたベルト案内溝に対して部分的に強く擦れて偏摩耗が促進される懸念があり、特に前記移動ブロックを前記軌道レールに対して高速で移動させる際の課題であった。
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、保持ベルトが転動体と共に無限循環路内を循環する際に、当該保持ベルトに対して作用する引っ張り力を軽減し、保持ベルトの偏摩耗を防止することが可能な転がり案内装置を提供することにある。
すなわち、本発明の転がり案内装置は、軌道レールと、前記軌道レールを転走する多数の転動体と、前記転動体の無限循環路を有すると共に前記軌道レールに沿って運動自在な移動ブロックと、所定間隔で前記転動体を収容するポケットが形成されると共に前記無限循環路に組み込まれて前記転動体と共に当該無限循環路内を移動する可撓性の保持ベルトとを備えており、前記無限循環路は、前記転動体が前記軌道レールと前記移動ブロックとの間で荷重を負荷しながら転動する負荷通路と、前記負荷通路と平行に設けられた戻し通路と、前記負荷通路と戻し通路とを連結する一対の方向転換路とを含んでいる。
前記無限循環路には当該無限循環路内における前記保持ベルトの移動を案内する案内溝が形成され、前記無限循環路内で互いに向かい合う前記保持ベルトの両端部の最大すき間をtmax、前記負荷通路内の前記保持ベルトと前記戻し通路内の保持ベルトとの間隔を2c、前記方向転換路における前記案内溝の外周面の円弧頂点までの深さをA、前記方向転換路における前記案内溝の内周面の円弧頂点までの深さをB、前記保持ベルトの厚みをd、a=(A−d/2)、b=(B+d/2)とし、
Figure 0006385384

と表現されるδに対して、tmax<δを満たすものである。
本発明によれば、前記無限循環路内で互いに向かい合う前記保持ベルトの両端部の最大すき間tが、前記数式で規定される量δよりも小さければ、負荷通路における転動体の転がりに起因して無負荷通路内の保持べルトが引っ張られたとしても、当該保持ベルトが方向転換路内の案内溝に対して強く擦れる以前に、当該保持ベルトの進行方向の先端が後端に接触してこれを押圧するので、前記保持ベルトの循環に伴って当該保持ベルトに作用する引っ張り力が軽減され、当該保持ベルトの偏摩耗を防止することが可能となる。
本発明を適用した転がり案内装置の実施形態の一例を示す斜視図である。 図1に示す転がり案内装置に利用可能な保持ベルトの一例を示す側面図である。 図2に示す保持ベルトの平面図である。 図1に示す転がり案内装置の移動ブロックに具備された無限循環路を示す断面図である。 図4のV−V線断面図である。 保持ベルトの結合ベルト部が方向転換路における案内溝の外周面に接している状態を示す概略図である。 保持ベルトの結合ベルト部が方向転換路における案内溝の内周面に接している状態を示す概略図である。
以下、添付図面を用いて本発明の転がり案内装置を詳細に説明する。
図1は本発明を適用可能な転がり案内装置の一例を示す斜視図である。この転がり案内装置は、直線状に延びる軌道レール1と、転動体としての多数のボール3を介して前記軌道レール1に組付けられた移動ブロック2とから構成されており、固定部に前記軌道レール1を敷設し、前記移動ブロック2に対して各種の可動体を搭載することで、かかる可動体を軌道レール1に沿って往復移動自在に案内することができるようになっている。
前記軌道レール1は略断面四角形状の長尺体に形成されている。この軌道レール1には長手方向に所定の間隔をおいて上面から底面に貫通するボルト取付け孔12が複数形成されており、これらボルト取付け孔12に挿入した固定ボルトを用いて、軌道レール1をベッド、コラム等の固定部に対して強固に固定することができるようになっている。前記軌道レール1の左右両側面には長手方向に沿って突部がそれぞれ設けられると共に、これら突部の上下にはボールの転走面11が1条ずつ設けられ、軌道レール全体としては4条の転走面11が設けられている。尚、前記軌道レール1に設けられる転走面11の条数はこれに限られるものではない。
一方、前記移動ブロック2は、大きく分けて、金属製のブロック本体21と、このブロック本体21の移動方向の両端に装着される一対の合成樹脂製のエンドプレート22とから構成されている。この移動ブロック2は前記軌道レールの各転走面11に対応してボール3の無限循環路を複数備えており、かかる無限循環路は前記移動ブロック2の両端に前記一対のエンドプレートを固定することによって完成している。各無限循環路には可撓性の保持ベルト30が組み込まれており、かかる保持ベルト30には多数のボール3が一列に配列されている。従って、前記移動ブロックが2前記軌道レール1の長手方向へ動かされ、前記ボール3が前記軌道レール1の転走面を転がると、前記保持ベルト30がボール3と一緒に前記無限循環路を循環する。
また、前記移動ブロックには当該移動ブロックと軌道レールとの隙間を密閉する各種シール部材4,4a,4bが固定されており、軌道レール1に付着した塵芥などが前記無限循環路の内部に侵入するのを防止している。尚、図1は前記無限循環路内におけるボール3及び保持ベルト30の存在を把握できるように、前記移動ブロック2の全体の1/4を切り欠いて描いてある。
図2及び図3は前記ボール3が配列された前記保持ベルト30の一部を示すものであり、当該保持ベルト30の長手方向の端部を含んでいる。前記保持ベルト30は、一定間隔で一列に配列された複数のスペーサ部31と、これらスペーサ部31を連結する一対の結合ベルト部32とから構成され、これらスペーサ部31と結合ベルト部32は合成樹脂の射出成形によって製作されている。前記保持ベルト30は前述のごとく可撓性を備え、前記無限循環路内をボール3と一緒に循環する際に、伸展と湾曲を繰り返すことになる。この際、可撓性を発揮しているのは専ら前記結合ベルト部32であり、当該結合ベルト部32は前記スペーサ部31に比べて自由に撓むことが可能である。
各スペーサ部31には前記ボール3の球面に近似した曲率の凹面座33が設けられており、互いに隣接するスペーサ部の間が前記ボールを収容するポケット34になっている。また、前記保持ベルト30の端部に位置する末端スペーサ部31aは、前記ボール3と対向する面にだけ前記凹面座33が設けられており、末端面33aは平面に形成されている。
前記保持ベルト3に設けたボール3の収容ポケット34の直径はボール3の直径よりも僅かに大きく設定されており、当該収容ポケット内でのボールの自転に作用する抵抗の軽減が図られている。但し、互いに隣接するスペーサ部31の間の距離はボール3の直径よりも小さく設定されており、前記ポケット34に収容されたボール3は両側に位置するスペーサ部31の間から抜け落ちることがない。
尚、図2乃至図3を用いて説明した実施形態では本発明の転動体としてボールを用いたが、当該転動体はローラであってもよい。その場合、前記スペーサ部31に形成する凹面座33はローラの外周面に近似した曲率の凹面座となる。また、前記スペーサ部31に形成された凹面座33は必須のものではなく、転動体同士の直接の接触を回避するという観点からすれば、当該スペーサ部31は単なる平板状のものであっても差し支えない。
図4は前記無限循環路6を示す断面図である。前記無限循環路6は、負荷通路60、戻し通路61及び一対の方向転換路62で構成されている。前記移動ブロック2を構成するブロック本体21には、前記軌道レール1の転走面11と対向する転走面23が形成されており、ボール3は軌道レール1の転走面11とブロック本体21の転走面23との間で荷重を負荷しながら転がる。前記無限循環路6のうち、このようにボール3が荷重を負荷しながら転動している通路部分が前記負荷通路60である。また、前記ブロック本体21には前記負荷通路60と平行に前記戻し通路61が形成されている。通常、この戻し通路61は前記ブロック本体21を貫通して設けられており、その内径はボール3の直径よりも僅かに大きく設定されている。一方、前記一対の方向転換路62は略U字状に形成された曲線路であり、前記負荷通路60の長手方向の両側に位置して、当該負荷通路60の端部と前記戻し通路61の端部とを接続している。各方向転換路62は前記エンドプレート22に設けられており、一対のエンドプレート22を前記ブロック本体21の両端の所定の位置に固定することにより、前記方向転換路62が前記負荷通路60と前記戻し通路61とを接続し、前記ボール3が循環可能な無限循環路6が完成する。
前記無限循環路6にはボール3を前記ポケット34に収容した前記保持ベルト30が組み込まれる。前記保持ベルト30の両端部は当該無限循環路6の内部で互いに対向し、それらの間には周方向隙間tが意図的に設けられている。また、図4には示されていないが、前記無限循環路6には前記保持ベルト30の結合ベルト部32を収容する一対の案内溝が設けられており、前記保持ベルト30は前記案内溝に前記結合ベルト部32を挿入した状態で無限循環路6内を移動する。これら案内溝は前記無限循環路6の周方向に沿って設けられており、前記負荷通路60、前記戻し通路61及び前記方向転換路62のそれぞれに形成されている。これにより、無限循環路6内における前記保持ベルト30のねじれや蛇行が防止され、当該保持ベルト30を前記軌道レール1に対する前記移動ブロック2の運動に合わせて円滑に循環させることが可能となっている。
図5は前記無限循環路6における案内溝5の概略を示すものであり、前記負荷通路60と前記戻し通路61をそれらの長手方向と垂直な面で切断した断面の例示である。同図に示されるように、前記負荷通路60及び前記戻し通路61の双方とも、前記保持ベルト30の結合ベルト部32を収容する案内溝5が設けられている。前記案内溝5の幅xは前記結合ベルト部32の厚みyよりも大きく設定されており、当該案内溝5と結合ベルト部32の間には隙間が存在している。図5には示されていないが、前記方向転換路62においても、前記案内溝5と結合ベルト部32の間には隙間が存在している。
このため、前記結合ベルト部32は前記案内溝5内において前記隙間分だけ変位可能である。前記負荷通路及び戻し通路は直線状に形成されているが、前記方向転換路は曲線状に形成されているため、前記隙間の存在に起因して方向転換路62内における結合ベルト部32の軌道が変化すると、前述した前記無限循環路6の内部における前記保持ベルト30の周方向隙間tが増減することになる。具体的には、前記結合ベルト部32が方向転換路62における案内溝5の外周面に接している状態の際に、前記保持ベルト30の周方向隙間tは最大となり、前記結合ベルト部32が方向転換路62における案内溝5の内周面に接している状態の際に、前記保持ベルト30の周方向隙間tは最小となる。
図6及び図7は前記方向転換路62内における前記案内溝5と前記保持ベルト30の結合ベルト部32との関係を示す概略図であり、図6は前記結合ベルト部32が方向転換路62における案内溝5の外周面に接している状態、図7は前記結合ベルト部32が方向転換路62における案内溝5の内周面に接している状態を示している。尚、説明の便宜上、図6及び図7では前記案内溝5内における前記結合ベルト32の状態を判り易くするため、当該案内溝5の幅を前記結合ベルト部32の厚さに対して誇張して描いてある。
図4から把握されるように、前記保持ベルト30がボール3と共に無限循環路6内を循環すると、前記保持ベルト30の両端部は互いに対向した状態で当該無限循環路6の内部を移動する。前記無限循環路6内における前記保持ベルト30の推進力は前記負荷通路60におけるボール3の転走に起因しているから、図4の如く前記保持ベルト30の両端部が前記無限循環路6の負荷通路60に存在している際、前記方向転換路62及び前記戻し通路61に存在する保持ベルト30は、当該負荷通路60に存在する循環方向の先端部によって前から引っ張られると共に、同じように負荷通路60に存在する循環方向の後端部によって後ろから押圧されることになる。
図4に示される状態よりも以前であって、前記保持ベルト30の循環方向の先端部が前記無限循環路6の負荷通路60に進入する直前の状態では、前記方向転換路62及び前記戻し通路61に存在する保持ベルト30は、当該負荷通路60に存在する循環方向の先端部によって引っ張られることはなく、当該負荷通路60に存在する循環方向の後端部による押圧力のみによって前記無限循環路6内を移動する。従って、この状態では、前記方向転換路62内における前記保持ベルト30の挙動に着目すると、図6に示すように前記保持ベルト30の結合ベルト部32は案内溝5内で最も外側の軌道を移動し、当該案内溝5の外周面5aに摺接している。
一方、図4に示される状態よりも後であって、前記保持ベルト30の循環方向の後端部が前記無限循環路6の負荷通路60から抜け出した直後の状態では、前記方向転換路62及び前記戻し通路61に存在する保持ベルト30は、当該負荷通路60に存在する循環方向の後端部によって押されることはなく、当該負荷通路60に存在する循環方向の先端部による引っ張り力のみによって前記無限循環路6内を移動する。従って、この状態では、前記方向転換路62内における前記保持ベルト30の挙動に着目すると、図7に示すように前記保持ベルト30の結合ベルト部32は案内溝5内で最も内側の軌道を移動し、当該案内溝5の内周面5bに摺接している。
本願発明者らは、前記軌道レール1に対する走行距離が一定以上に達した前記移動ブロック2を分解し、前記保持ベルト30の結合ベルト部32の摩耗状態を確認したところ、当該結合ベルト部32の内側、すなわち前記方向転換路62内の案内溝5の内周面5bと接している側に偏摩耗が確認された。このことから、前記保持ベルト30の結合ベルト部32が方向転換路62内の案内溝5の外周面5aに擦れている状態(図6の状態)と内周面5bに擦れている状態(図7の状態)とを比較した場合、後者の状態、すなわち前記保持ベルト30が引っ張り力のみによって前記無限循環路6内を移動している状態で、前記結合ベルト部32が案内溝5とより強く擦れていることが判明した。
前記結合ベルト部32の偏摩耗の発生を抑えるため、本願発明者らは前記無限循環路6の内部における前記保持ベルト30の周方向隙間tに着目した。前述の如く、周方向隙間tは前記結合ベルト部32が案内溝5の外周面5aに接している際に最大のtmaxとなり、内周面5bに接している際に最小のtminとなる。従って、前記結合ベルト部32が方向転換路6内の案内溝5の内周面5bに接する直前に、前記保持ベルト30の周方向隙間tが消失すれば、循環方向における前記保持ベルト30の最先端が最後端に接してこれを押圧することになり、前記結合ベルト部32と案内溝5の内周面5bとの摺接を緩和することができる。
前記保持ベルト30の先端が無限循環路6の負荷通路60に進入する際は、当該保持ベルト30は後端から押されることによって無限純循環路6内を進行しており、前記一対の方向転換路62の双方における案内溝5と結合ベルト部32の関係は図6に示したもの、すなわち案内溝5の外周面5aと結合ベルト部32とが摺接した状態となっている。その後、前記保持ベルト30の先端及び後端は前記負荷通路60内を進行し、当該後端が前記負荷通路60を抜けると、前記保持ベルト30に対して引っ張り力のみが作用し、方向転換路62における案内溝5と結合ベルト部32の関係は図6に示したものから図7に示したものに変化する。但し、一対の方向転換路62の双方において一度に図6から図7の状態に変化するのではなく、一方の方向転換路のみにおいて図7の状態に移行し、次いで他方の方向転換路において図7の状態に移行する。
従って、一方の方向転換路62において、前記保持ベルト30の結合ベルト部32が案内溝5の外周面5aに接した状態(図6)から内周面5bに接した状態(図7)に移行するまでの間に、tmaxであった無限循環路6内における保持ベルト30の周方向隙間が消失すれば、循環方向における前記保持ベルト30の最先端が最後端に接してこれを押圧し、前記結合ベルト部32と案内溝5の内周面5bとの摺接が緩和される。すなわち、方向転換路62の案内溝5内における前記結合ベルト部32の長さの変化が、無限循環路6内における保持ベルト30の周方向隙間の最大値tmaxよりも大きければ、当該結合ベルト部32が案内溝5の内周面5aに擦れる以前に、前記保持ベルト30の最先端が最後端を押圧することになる。
前記方向転換路62の案内溝5において前記保持ベルト30の結合ベルト部32が楕円軌道をとると仮定する。前記負荷通路30内の結合ベルト部32と前記戻し通路31内の結合ベルト部32との間隔を2cとすると、前記結合ベルト部32の楕円軌道は、図6に示すように、前記結合ベルト部32が案内溝5の外周面5aに接している際には短軸a、長軸cの楕円、図7に示すように、前記結合ベルト部32が案内溝5の内周面5bに接している際には短軸b、長軸cの楕円と考えることができる。
ここで、方向転換路62における前記案内溝5の外周面5aの円弧頂点までの深さをA、前記方向転換路62における前記案内溝5の内周面5bの円弧頂点までの深さをBとした場合、前記保持ベルトの厚みをdとすると、前記結合ベルト部32が案内溝5の外周面5aに接している際の楕円軌道の短軸aはa=(A−d/2)と表すことができ、前記結合ベルト部32が案内溝5の内周面5bに接している際の短軸bはb=(B+d/2)と表現することができる。
前記結合ベルト部32が前記案内溝5内を外周面5aから内周面5bに移動することによる前記周方向隙間tの減少量δは、これら楕円の周長の差として考えることができ、以下の式で表される。この式の第1項は前記結合ベルト部32が案内溝5の外周面5aに接している際の楕円軌道の半周長を、第2項は前記結合ベルト部32が案内溝5の内周面5bに接している際の楕円軌道の半周長を表している。
Figure 0006385384
従って、無限循環路6内における保持ベルト30の周方向隙間の最大値tmaxと前記δを比較した場合に、
max<δ
であれば、前記結合ベルト部32が案内溝5の内周面5aに擦れる以前に、前記保持ベルト30の最先端が最後端を押圧し、前記保持ベルトは先端部からの引っ張り力だけではなく、後端部からの押圧力も伴って、前記無限循環路内を移動することになる。これにより、前記結合ベルト部32と案内溝5の内周面5bとの摺接が緩和されて、当該保持ベルト30の偏摩耗の発生を防止することができる。
楕円の周長を表す関数は、前記式に示したように一般に楕円積分であり、初等関数で表すことができない。このため、近似式を用いて楕円の周長の差、すなわち前記結合ベルト部32が前記案内溝5内を外周面5aから内周面5bに移動することによる前記周方向隙間tの減少量δを表してみる。
この近似式としては、関孝和の近似式を用いる。楕円の長軸をm、短軸をnとすると、関孝和の近似式において楕円の周長Lは以下で表すことができる。
Figure 0006385384
従って、前記結合ベルト部32が前記案内溝5内を外周面5aから内周面5bに移動することによる前記周方向隙間tの減少量δは以下の近似式で表すことができる。
Figure 0006385384
以上説明してきたように、本発明によれば、無限循環路6内における前記保持ベルト30の周方向隙間の最大値tmaxを方向転換路62の案内溝5内における前記結合ベルト部32の挙動との関係から制限することにより、当該結合ベルト部32が前記方向転換路62の内周面5bに強く擦れる以前に、無限循環路6内における保持ベルト30の周方向隙間tが消失し、当該保持ベルト30の先端が後端を押圧することになる。従って、前記保持ベルト30の前記結合ベルト部32は案内溝5の内周面5bと強く擦れることがなく、当該保持ベルト30の偏摩耗の発生を防止することができ、特に、前記保持ベルト30を内蔵した移動ブロック2を前記軌道レール1に対して繰り返し高速で移動させる際に、前記保持ベルトの耐久性確保に貢献するものである。
尚、本発明はボールを転動体とした転がり案内装置だけでなく、ローラを転動体とした転がり案内装置にも適用可能である。また、図1を用いて具体的に示した転がり案内装置はあくまでも一例であり、本発明を適用可能な転がり案内装置の形状はこれに限定されるものではない。
1…軌道レール、2…移動ブロック、3…ボール(転動体)、6…無限循環路、30…保持ベルト、32…結合ベルト部、60…負荷通路、61…戻し通路、62…方向転換路

Claims (1)

  1. 軌道レールと、
    前記軌道レールを転走する多数の転動体と、
    前記転動体の無限循環路を有すると共に前記軌道レールに沿って運動自在な移動ブロックと、
    所定間隔で前記転動体を収容するポケットが形成されると共に、前記無限循環路に組み込まれて前記転動体と共に当該無限循環路内を移動する可撓性の保持ベルトと、を備え、
    前記無限循環路は、前記転動体が前記軌道レールと前記移動ブロックとの間で荷重を負荷しながら転動する負荷通路と、前記負荷通路と平行に設けられた戻し通路と、前記負荷通路と戻し通路とを連結して円弧状に形成された一対の方向転換路と、を含み、
    前記無限循環路には当該無限循環路内における前記保持ベルトの移動を案内する案内溝が形成された転がり案内装置において、
    前記無限循環路内で互いに向かい合う前記保持ベルトの両端部の最大すき間をtmax
    前記負荷通路内の前記保持ベルトと前記戻し通路内の保持ベルトとの間隔を2c、
    前記方向転換路における前記案内溝の外周面の円弧頂点までの深さをA、
    前記方向転換路における前記案内溝の内周面の円弧頂点までの深さをB、
    前記保持ベルトの厚みをd、
    a=(A−d/2)、b=(B+d/2)とし、
    前記案内溝によって案内される前記保持ベルトの前記方向転換路内での長さが楕円の半周長に相当すると仮定し、
    楕円の軸2c方向をy軸方向、楕円の軸2a方向又は2b方向をx軸方向とし、θをx軸からの角度とし、
    Figure 0006385384

    と表現されるδに対して、tmax<δを満たすことを特徴とする転がり案内装置。
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