JP6481239B2 - 中空軌道体、アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、中空軌道体、アクチュエータに関する。
本願は、２０１３年１２月２４日に、日本に出願された特願２０１３−２６５６５４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

リニアガイド等の運動案内装置は、軌道体、支持体及び転動体を備える。
軌道体と支持体の間には、循環経路が形成される。この循環経路を転動体が循環（転走）することにより、軌道体と支持体は、相対的に運動する。
軌道体の軽量化を目的として、軌道レールに、その軸方向に延びる貫通孔（中空部）を設けた運動案内装置がある（特許文献１）。

軌道体の軽量化は、運動案内装置をロッド形アクチュエータ等に組み込むときに有効である。軌道体の軽量化により慣性モーメントが小さくなって、軌道体の移動速度や応答性が向上する。これにより、アクチュエータを用いた生産設備の生産性を向上させることができる。

特開２０１０−１４４８９７号公報

運動案内装置をアクチュエータに組み込むときは、軌道体にラック歯列を設けて、ピニオン歯車に噛み合わせることにより、軌道体を回転モータで駆動可能にする。
軌道体の外表面には、転動体が転走する転動体走行面が複数形成されるため、ラック歯列の歯を大きく設定することができない可能性がある。特に、特許文献１のように、軌道体が矩形断面形状を有する場合には、軌道体の上面（特許文献１におけるスライダ側の面５４）にラック歯列を形成することができない可能性がある。

軌道体の外表面に形成されたラック歯列が小さな歯の場合には、軌道体に大きな駆動力を伝達することができない。また、ラック歯列の耐久性が低くなり、アクチュエータの製品寿命が短くなる。

本発明は、外表面に耐久性が高いラック歯列を形成することができる中空軌道体、及びこれを用いたアクチュエータを提供する。

本発明の第一の態様によれば、中空軌道体は、中空軸の外表面に軸方向に沿う複数の転動体走行部が形成され、前記複数の転動体走行部に沿って転走可能な複数の転動体を介して支持体に支持される中空軌道体であって、前記複数の転動体走行部同士の間に形成される円弧形部に、歯元が前記中空軸の中空部に貫通するラック歯列が軸方向に沿って形成される。

本発明の第二の態様によれば、第一の態様に係る中空軌道体において、前記ラック歯列を複数有し、前記ラック歯列同士は、前記中空軸の中心軸を基準にして点対称に形成される。

本発明の第三の態様によれば、第一又は第二の態様に係る中空軌道体において、前記複数の転動体走行部は、前記転動体同士の配置が背面組合せとなる一対の転動体走行面を有する。

本発明の第四の態様によれば、アクチュエータは、外表面にラック歯列が軸方向に沿って配置された軌道体と、前記軌道体を複数の転動体を介して支持する支持体と、前記ラック歯列に噛み合うピニオン歯車と、前記支持体に配置されて前記ピニオン歯車を回転駆動する回転モータと、を備え、前記軌道体として、第一から第三の態様のうちいずれか一つの態様に係る中空軌道体を用いる。

本発明の第五の態様によれば、中空軌道体は、中空軸の外表面に軸方向に沿う複数の転動体走行部が形成され、前記複数の転動体走行部に沿って転走可能な複数の転動体を介して支持体に支持される中空軌道体であって、前記複数の転動体走行部は、前記外表面のみを押圧して形成される。

上記した中空軌道体およびアクチュエータは、外表面に耐久性が高いラック歯列を形成することができる中空軌道体、及びこれを用いたアクチュエータを実現できる。

本発明の第一実施形態のロッド形アクチュエータの主要部を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態のロッド形アクチュエータの主要部を示す正面図である。 本発明の第一実施形態のロッド形アクチュエータの主要部を示す側面図である。 本発明の第一実施形態のロッド形アクチュエータの主要部を示すｃ−ｃ断面図である。 中空ロッドを示す正面図である。 中空ロッドを示す上面図である。 中空ロッドを示す側面図である。 中空ロッドを示すｄ−ｄ断面図である。 中空ロッドの製造工程を示す図である。 中空ロッドの製造工程を示す図である。 中空ロッドの製造工程を示す図である。 中空ロッドの製造工程を示す図である。 本発明の第二実施形態のロッド形アクチュエータを示す斜視図である。

〔第一実施形態〕
本発明の実施形態に係るロッド形アクチュエータ１、中空ロッド２１について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係るロッド形アクチュエータ１の主要部を示す斜視図である。
図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、ロッド形アクチュエータ１の主要部を示す図であって、それぞれ、正面図、側面図、ｃ−ｃ断面図である。
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは、中空ロッド２１を示す図であって、それぞれ、正面図、上面図、側面図、ｄ−ｄ断面図である。

ロッド形アクチュエータ（アクチュエータ）１は、回転力を発生するモータ部５、モータ部５により駆動されて直線運動を行う本体部６等を備える。
モータ部５と本体部６を連結することにより、ラック・ピニオン機構７（ピニオン歯車１２、ラック歯列２５）が噛み合う。

本体部６の長手方向をＸ方向、モータ部５の長手方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向（ロッド形アクチュエータ１の厚み方向）をＺ方向と呼ぶ。Ｚ方向のうち、本体部６側を−Ｚ方向、モータ部５側を＋Ｚ方向と呼ぶ。

モータ部５と本体部６の中心軸５Ｃ，６Ｃは、９０°に交差（直交）するように配置される。モータ部５と本体部６の中心軸５Ｃ，６Ｃは、交わらないように配置される。つまり、本体部６とモータ部５の中心軸５Ｃ，６Ｃは、ねじれの位置の関係にある。本体部６とモータ部５は、不図示の連結部材を介して連結される。

モータ部５は、回転モータ１１、回転モータ１１の出力軸に取り付けられたピニオン歯車１２等を備える。
回転モータ１１は、ＤＣモータであり、不図示の制御部からの指令により駆動される。

本体部６は、直線運動を行う直線運動機構部２０、駆動力を伝達するラック歯列２５等を備える。
直線運動機構部２０は、モータ部５の−Ｚ方向側に配置される。直線運動機構部２０は、ガイドタイプであり、中空ロッド２１、支持ブロック３１及びボール４０等を備える。
ラック歯列２５は、直線運動機構部２０の中空ロッド２１に形成される。このラック歯列２５は、モータ部５のピニオン歯車１２に噛み合って、回転モータ１１の駆動力を直線運動機構部２０（中空ロッド２１）に伝達する。

中空ロッド（中空軌道体）２１は、Ｘ方向に沿って延びる細長い円筒形の鉄鋼部材である。中空ロッド２１は、中心軸６Ｃに沿って延びる中空部２１ｈを有する。
中空ロッド２１は、Ｘ方向に直交する断面形状が、Ｚ方向の両端部（上部２１ａ、下部２１ｂ）が円弧形に膨らみ、Ｚ方向の中央（中央部２１ｃ）がそれぞれ中空部２１ｈに向かって窪む形状を有する。
中空ロッド２１の外表面２１ｓのうち、２つの中央部２１ｃには、それぞれ転動体走行部２２が形成される。転動体走行部２２は、ボール４０を介して支持ブロック３１に支持される部位である。

各転動体走行部２２には、ボール４０が転走する２つのボール転走溝（転動体走行面）２３がＸ方向に沿って並列に形成される。この２つのボール転走溝２３は、中心軸６Ｃを挟んで、−Ｚ方向側と＋Ｚ方向側に対称に配置される。
２つボール転走溝２３は、互いに向き合う方向に傾いて形成される。このため、２つボール転走溝２３を転走するボール４０同士は、いわゆる背面組合せの配置となる。

中空ロッド２１の外表面２１ｓには、４つのボール転走溝２３が形成される。４つのボール転走溝２３は、中心軸６Ｃを基準にして、点対称に形成される。

中空ロッド２１には、２つのラック歯列２５がＸ方向に沿って形成される。各ラック歯列２５は、上部（円弧形部）２１ａと下部（円弧形部）２１ｂに形成される。言い換えると、各ラック歯列２５は、中空ロッド２１の円弧形に膨らむ部位、すなわち２つの転動体走行部２２（中央部２１ｃ）の間に形成される。

ラック歯列２５を構成するそれぞれのラック歯２６は、歯元が中空ロッド２１の中空部２１ｈに貫通する。各ラック歯２６は、円弧形に膨らむ上部２１ａと下部２１ｂに形成される。
このため、図３Ｄに示す様に、歯幅方向（Ｙ方向）の中央において歯元が中空ロッド２１の中空部２１ｈに貫通する。つまり、各ラック歯２６は、歯幅方向の中央では歯元が存在しない。言い換えれば、各ラック歯２６は、歯幅方向（Ｙ方向）の両端にのみ歯元を有する。
一方、図３Ｄに示す様に、各ラック歯２６は、歯幅方向の両端では歯先が存在しない。各ラック歯２６は、歯幅方向（Ｙ方向）の中央にのみ歯先を有する。
すなわち、中空ロッド２１は、円弧形に形成された複数のラック歯２６からなるラック歯列２５を有する。

このように、各ラック歯２６は、歯幅方向中央の歯元が中空ロッド２１の中空部２１ｈに貫通する。そして、各ラック歯２６は、歯幅方向両端の歯元が２つの転動体走行部２２に近接する。つまり、各ラック歯２６は、２つの転動体走行部２２の間に形成可能な最大の大きさを有する歯である。

歯元を中空部２１ｈに貫通させない場合には、ラック歯列の歯の大きさを小さくする必要がある（例えばモジュールが１．０以下）。
これに対して、ラック歯列２５は、歯元が中空部２１ｈに貫通するので、ラック歯２６の歯の大きさを大きく設定することができる（例えばモジュールが２．５以上）。このため、ラック歯列２５（ラック歯２６）の強度が高くなり、耐久性が向上する。また、大きな歯であるラック歯２６が形成されるので、中空ロッド２１の軽量化に寄与できる。

支持ブロック（支持体）３１は、分割形の支持ブロックであって、同一形状の２つのブロック３２を備える。各ブロック３２は、中空ロッド２１の転動体走行部２２に対して僅かな隙間を隔てて対向配置される。２つのブロック３２は、不図示の連結部材を介して連結される。
支持ブロック３１は、複数のボール４０を保持する。支持ブロック３１の内部には、無端の長円環状又は楕円環状をなす無限循環路３５が４つ形成される。複数のボール４０は、４つの無限循環路３５の内部において転走可能に保持される。

支持ブロック３１（ブロック３２）の内面には、Ｘ方向に沿って延びるボール転走溝３６が形成される。各ブロック３２の内面には、２つのボール転走溝３６が形成される。このため、支持ブロック３１には、４つのボール転走溝３６が形成される。

中空ロッド２１の４つのボール転走溝２３と支持ブロック３１の４つのボール転走溝３６は、それぞれの対向するように配置される。ボール転走溝２３とボール転走溝３６の間に形成される空間（Ｘ方向に延在する空間）は、負荷ボール転走路３７となる。このため、中空ロッド２１と支持ブロック３１の間には、４つの負荷ボール転走路３７が形成される。

支持ブロック３１には、４つの無負荷ボール転走路３８と４つのボール方向転換路（不図示）が形成される。各ブロック３２には、それぞれ２つの無負荷ボール転走路３８と２つのボール方向転換路がそれぞれ形成される。
無負荷ボール転走路３８は、支持ブロック３１（ブロック３２）の内部においてボール転走溝３６（負荷ボール転走路３７）に対して並行に形成される。ボール方向転換路は、支持ブロック３１（ブロック３２）のＹ方向の両端において、ボール転走溝３６（負荷ボール転走路３７）とボール方向転換路を連結する。

ボール（転動体）４０は、例えば金属材料からなる球形部材である。複数のボール４０は、中空ロッド２１と支持ブロック３１（ブロック３２）の間に介在して、支持ブロック３１に対する中空ロッド２１の移動を円滑にする。
複数のボール４０は、無限循環路３５の内部にほぼ隙間無く配設されて、無限循環路３５を循環する。複数のボール４０を介して、中空ロッド２１が支持ブロック３１に対して往復移動可能に支持される。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、中空ロッド２１の製造工程を示す図である。中空ロッド２１の製造工程を工程順に説明する。
中空ロッド２１の製造工程は、転動体走行部形成工程Ａ、ラック歯形成工程Ｂ、熱処理工程Ｃ及びボール転走溝形成工程Ｄを有する。

まず、素材である円筒形の軸体Ｐを用意する（図４Ａ）。円筒形の軸体Ｐは、既成のパイプ材でもよい。また、円筒形の軸体Ｐは、引き抜き加工又は押し出し加工してもよい。円筒形の軸体Ｐは、例えば炭素鋼（Ｓ５５Ｃ等）から形成される。

（転動体走行部形成工程Ａ）
最初に、円筒形の軸体Ｐに２つの転動体走行部２２を形成する。円筒形の軸体Ｐの外表面（外表面２１ｓ）のみを治具Ｇで押圧して、外表面の一部を窪ませる。具体的には、プレス加工又はロールフォーミング加工により、円筒形の軸体Ｐの外表面の一部を押圧して窪ませる（図４Ｂ）。引き抜き加工によっても転動体走行部２２の形成は可能であるが、製造コストが高くなるため、プレス加工やロールフォーミング加工が特に適している。
転動体走行部形成工程Ａは、円筒形の軸体Ｐの中空部（中空部２１ｈ）に治具類を挿入しないで行われる。このように、本実施形態の転動体走行部形成工程Ａでは、ダイスとプラグを用いた引き抜き加工等を行わないので、２つの転動体走行部２２を容易に形成することができる。したがって、製造コストを抑えることができる。

（ラック歯形成工程Ｂ）
次に、円筒形の軸体Ｐにラック歯列２５を形成する。円筒形の軸体Ｐのうち、２つの転動体走行部２２の間の部位（上部２１ａ及び下部２１ｂ）にラック歯２６を形成する（図４Ｃ）。ラック歯２６の形成は、既知の歯切り加工により行われる。

（熱処理工程Ｃ）
さらに、円筒形の軸体Ｐに熱処理を施す。浸炭焼入や高周波焼入れ、焼戻し等が施される。円筒形の軸体Ｐの材料や、中空ロッド２１の使用用途に応じて、任意の熱処理を施すことができる。
円筒形の軸体Ｐ（中空ロッド２１）は、中心軸６Ｃを基準にして、点対称な形状を有するので、均一な焼き入れが可能である。このため、ラック歯列２５（ラック歯２６）の強度や耐久性が高くなる。

（ボール転走溝形成工程Ｄ）
最後に、転動体走行部２２に２つのボール転走溝２３を形成する。ボール転走溝２３は、研削加工により形成される（図４Ｄ）。
ボール転走溝形成工程Ｄに加えて、ラック歯２６の研削加工を行ってもよい。

以上の工程を経て、中空ロッド２１が製造される。
中空ロッド２１の製造方法によれば、ダイスとプラグを用いた引き抜き加工等を行わないので、転動体走行部２２（ボール転走溝２３）を容易に形成することができる。したがって、製造コストを抑えることができる。
円筒形の軸体Ｐの外表面の一部を押圧して窪ませた部分（転動体走行部２２）を研削加工するだけで、ボール４０同士の配置が背面組合せとなる２つのボール転走溝２３を容易に形成できる。

ロッド形アクチュエータ１の動作について説明する。
ロッド形アクチュエータ１を動作させる場合には、不図示の制御部からの指令によりモータ部５の回転モータ１１を駆動する。回転モータ１１に取り付けられたピニオン歯車１２が中心軸５Ｃ周りに回転すると、ピニオン歯車１２に噛み合うラック歯列２５に駆動力が伝達される。

ピニオン歯車１２とラック歯列２５からなるラック・ピニオン機構７は、回転運動を直線運動に変換する。つまり、ピニオン歯車１２が中心軸６Ｃ周りに回転すると、ラック歯列２５が形成された中空ロッド２１がＸ方向に移動する。
このように、回転モータ１１を駆動することにより、中空ロッド２１をＸ方向に移動させることができる。つまり、直線運動機構部２０を伸縮させることができる。

これにより、ロッド形アクチュエータ１の中空ロッド２１の端部に連結した部材等をＸ方向に移動させたり、中空ロッド２１の端部に当接する部材に押圧力や引張力を与えたりすることができる。
例えば、ロッド形アクチュエータ１をパーキングゲートに適用した場合には、中空ロッド２１の端部に遮断機を連結して揺動させることができる。
例えば、ロッド形アクチュエータ１をチップマウンタに適用した場合には、中空ロッド２１の端部に吸引ノズルを取り付けて電子部品を吸着保持等することができる。

ロッド形アクチュエータ１は、ラック歯列２５（ラック歯２６）の歯元が中空ロッド２１の中空部２１ｈに貫通する。このため、２つの転動体走行部２２の間に、最大の大きさを有する歯（ラック歯２６）を形成できる。したがって、従来に比べて、歯の大きさを大きく設定することができるので、ラック歯列２５（ラック歯２６）の強度が高くなり、耐久性が向上する。また、ラック歯２６が大きな歯に形成されるので、中空ロッド２１をさらに軽量化することができる。

〔第二実施形態〕
図５は、本発明の第二実施形態に係るロッド形アクチュエータ５１を示す外観斜視図である。第一実施形態に係るロッド形アクチュエータ１と同一の部材等には、同一の符号を付してその説明を省略する。

ロッド形アクチュエータ（アクチュエータ）５１は、モータ部５、本体部６等を備える。本体部６は、直線運動機構部２０、ラック歯列２５等を備える。
本体部６の直線運動機構部２０は、スプラインタイプであり、中空ロッド２１、支持ブロック６１及びボール４０等を備える。

支持ブロック（支持体）６１は、支持ブロック３１とは異なって、中空ロッド２１の外表面を全周に亘って覆うように配置される。
支持ブロック６１の内部には、支持ブロック３１と同様に、無端の長円環状又は楕円環状をなす無限循環路３５が４つ形成される。複数のボール４０は、４つの無限循環路３５の内部において転走可能に保持される。
支持ブロック６１の内面には、Ｘ方向に沿って延びる４つのボール転走溝３６が形成される。中空ロッド２１の４つのボール転走溝２３と支持ブロック６１の４つのボール転走溝３６は、それぞれの対向するように配置される。

このように、ロッド形アクチュエータ５１は、ロッド形アクチュエータ１と同様に、中空ロッド２１を備えているので、ロッド形アクチュエータ１と同様の効果を奏する。

上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

転動体は、ボール４０に限らず、ローラでもよい。

中空ロッド２１の上部２１ａと下部２１ｂにそれぞれラック歯列２５を設ける場合について説明したが、これに限らない。上部２１ａと下部２１ｂのいずれか一方にのみラック歯列２５を設ける場合でもよい。
上部２１ａに形成したラック歯列２５と下部２１ｂに形成したラック歯列２５は、同一形状に限らない。２つのラック歯列２５を異なる形状（モジュール）にしてもよい。

上記した中空軌道体およびアクチュエータは、外表面に耐久性が高いラック歯列を形成することができる中空軌道体、及びこれを用いたアクチュエータを実現できる。

１ ロッド形アクチュエータ（アクチュエータ）
１１ 回転モータ
１２ ピニオン歯車
２１ 中空ロッド（中空軌道体）
２１ａ 上部（円弧形部）
２１ｂ 下部（円弧形部）
２１ｈ 中空部
２１ｓ 外表面
２２ 転動体走行部
２３ ボール転走溝（転動体走行面）
２５ ラック歯列
２６ ラック歯
３１ 支持ブロック（支持体）
４０ ボール（転動体）
５１ ロッド形アクチュエータ（アクチュエータ）
６１ 支持ブロック（支持体）

Claims (4)

1. 中空軸の外表面に軸方向に沿う複数の転動体走行部が形成され、前記複数の転動体走行部に沿って転走可能な複数の転動体を介して支持体に支持される中空軌道体であって、
   前記複数の転動体走行部同士の間に形成される円弧形部に、歯元が前記中空軸の中空部に貫通するラック歯列が軸方向に沿って形成される中空軌道体。
2. 前記ラック歯列を複数有し、
   前記ラック歯列同士は、前記中空軸の中心軸を基準にして点対称に形成される請求項１に記載の中空軌道体。
3. 前記複数の転動体走行部は、前記転動体同士の配置が背面組合せとなる一対の転動体走行面を有する請求項１又は２に記載の中空軌道体。
4. 外表面にラック歯列が軸方向に沿って配置された軌道体と、
   前記軌道体を複数の転動体を介して支持する支持体と、
   前記ラック歯列に噛み合うピニオン歯車と、
   前記支持体に配置されて前記ピニオン歯車を回転駆動する回転モータと、
   を備え、
   前記軌道体として、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の中空軌道体を用いたアクチュエータ。

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