JPWO2005010384A1 - 偏荷重防止機構を備えた直線案内装置 - Google Patents

偏荷重防止機構を備えた直線案内装置 Download PDF

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Abstract

前記負荷転走通路内を転走するローラに対して偏荷重が作用した場合であっても、かかる偏荷重を効果的に低減させ、軌道レールに対するスライダの運動の円滑化を図ることが可能であると共に、ローラの損耗を可及的に防止することが可能な直線案内装置を提供する。ローラが転走する負荷転走面を備えたベアリングレースを設け、スライダには軌道レール側の転走面と対向する位置に前記ベアリングレースが嵌合する収容溝を設け、前記ベアリングレース及び収容溝はローラの転走方向と直交する方向の断面が略半円状に形成され、ベアリングレースはその外周面が収容溝の内周面に摺接して該収容溝内を揺動するように構成され、前記収容溝内におけるベアリングレースの揺動中心は、互いに対向する軌道レール側の転走面とスライダ側の負荷転走面との間に位置している。

Description

本発明は、軌道レールとスライダが相対的に往復運動自在に組みつけられた直線案内装置に係り、特に、軌道レールとスライダとの間に多数のローラを配置し、これらローラが軌道レールとスライダの間に作用する荷重を負荷しながら転走するタイプの直線案内装置に関するものである。
特開昭58−128526号公報 特開昭62−024646号公報
従来、この種の直線案内装置としては、ベッドやコラム等の固定部上に設置された軌道レールと、ボール又はローラといった多数の転動体を介して前記軌道レールに組み付けられ、かかる軌道レールに沿って自在に往復運動可能なスライダとから構成されている。前記軌道レールには転動体の転走面が形成される一方、スライダにも軌道レールの転走面と対向する負荷転走面が形成されており、軌道レールの転走面とスライダの負荷転走面が互いに対向することによって、転動体の負荷転走通路が形成されている。この負荷転走通路には前記転動体が1列に配列されており、これら転動体が軌道レールとスライダとの間で荷重を負荷しながら転走することにより、前記スライダが軌道レールに沿って極めて小さな抵抗で自在に移動できるようになっている。
前記負荷転走通路は軌道レールとスライダとの間に一条のみ存在するのではなく、2条あるいは4条といった複数条の負荷転走通路が存在している。従って、各負荷転走通路における転動体と軌道レールの転走面との接触方向、転動体とスライダの負荷転走面の接触方向は互いに異なったものとなっており、前記スライダは軌道レールの長手方向と直交する面内において作用するあらゆる方向の荷重を負荷することができるようになっている。例えば、4条の負荷転走通路を具備する直線案内装置では、各負荷転走通路における転動体の負荷転走面との接触方向が水平方向に対して45度ずつ傾斜しており、ラジアル方向、逆ラジアル方向、水平方向の4方向からに作用する荷重を均等に負荷することができるようになっている。
前述の如く、この種の直線案内装置では軌道レールをベッド等の固定部に配設する一方、前記スライダをワークテーブル等の可動体に取り付けるのだが、固定部に対する軌道レールの取付精度、可動体に対するスライダの取付精度によっては、軌道レール上を走行するスライダが該軌道レールに対して傾いてしまい、負荷転走通路において軌道レール側の転走面とスライダ側の負荷転走面が正対しなくなってしまう。転動体がボールの場合には、かかるボールが軌道レールの転走面及びスライダの負荷転走面と点接触あるいは極小さな領域で面接触していることから、スライダの傾きに起因して負荷転走面が軌道レール側の転走面に対して僅かに変位しても、ボールが転走面上で変位し、軌道レールやスライダの取付誤差を比較的容易に吸収することが可能である。しかし、転動体がローラの場合には、かかるローラが軌道レールの転走面及びスライダの負荷転走面と線接触していることから、軌道レールやスライダの取付誤差を吸収することが困難であり、個々のローラにはその回転軸方向に沿って不均一な荷重、すなわち偏荷重が作用しやすい。ローラに対して偏荷重が作用すると、負荷転走通路内におけるローラの整列状態が崩れるスキューを生じ易くなり、負荷転走通路内でローラ同士が噛み合ってロックする等、軌道レールに対するスライダの円滑な運動が阻害される懸念がある。また、偏荷重によってローラに偏摩耗が生じ、偏荷重が作用しない場合に比べ、かかるローラが早期に損耗してしまう可能性が高かった。
このため、転動体としてローラを使用する直線案内装置では、ローラの回転軸方向の両端に対して僅かにクラウニング処理を施し、軌道レールやスライダの取付に僅かな取付誤差が存在しても、ローラに作用する偏荷重を軽減することができるようにしていた。しかし、クラウニング量の調整が難しく、手間がかかることから生産コストが嵩むといった問題点があった。
一方、特開昭58−128526号公報記載の直線案内装置では、ローラの負荷転走面を有するベアリングレースがスライダに装着されており、かかるベアリングレースがローラに対する荷重の作用方向に応じ、スライダに対して変位するように構成されている。前記ベアリングレースは円柱状に形成されており、その軸方向をローラの転走方向と合致させた状態でスライダに嵌合している。ローラはこのベアリングレースと軌道レールとの間で荷重を負荷しながら転走するのだが、前記ベアリングレースを円柱状に形成したことにより、ローラに対して偏荷重が作用した際に、ベアリングレースがその周方向へ僅かに変位し、ローラに作用する偏荷重を軽減する効果が期待されている。
しかし、ベアリングレースの回転中心が負荷転走面を転走するローラと無関係に設けられているため、スライダに対する荷重の作用方向によっては、固定部に対する軌道レールの取付精度や可動体に対するスライダの取付精度が十分に高精度であるにもかかわらず、ベアリングレースをその周方向へ変位させるモーメント荷重が発生し、却ってローラに偏荷重が作用してしまうことがあった。
また、特開昭62−024646号公報に記載された直線案内装置では、スライダに嵌合する円柱状のベアリングレースに対して、ローラの負荷転走面が2条形成されており、特開昭58−128526号公報記載の直線案内装置と同様に、前記ベアリングレースがローラに対する荷重の作用方向に応じ、スライダに対して周方向へ僅かに回転するように構成されている。しかし、ベアリングレースに形成された2条の負荷転走面は互いに異なる方向を向いていることから、一方の負荷転走面上のローラに作用している偏荷重と、他方の負荷転走面上のローラに作用している偏荷重は互いに異なるものとなってしまう。このため、ベアリングレースが一方のローラに作用する偏荷重に応じて周方向へ変位しようとしても、他方のローラに作用する偏荷重によって拘束されてしまい、各ローラの作用する偏荷重を十分に軽減することができなかった。
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、前記負荷転走通路内を転走するローラに対して偏荷重が作用した場合であっても、かかる偏荷重を効果的に低減させ、軌道レールに対するスライダの運動の円滑化を図ることが可能であると共に、ローラの損耗を可及的に防止することが可能な直線案内装置を提供することにある。
本発明は、スライダが多数のローラを介して軌道レールに組付けられ、かかるスライダが軌道レールに沿って往復自在に運動する直線案内装置に適用される。前記軌道レールにはその長手方向に沿ってローラの転走面が形成される一方、前記スライダには軌道レール側の転走面と対向する負荷転走面が形成されており、ローラはこれら転走面と負荷転走面によって形成された負荷転走通路内で荷重を負荷しながら転走する。前記負荷転走面はベアリングレースに形成されており、スライダにはこのベアリングレースが嵌合する収容溝が形成されている。ベアリングレースはローラの転走方向と直交する方向の断面が略半円状に形成されており、前記収容溝もこれと同じ形状に形成されている。これにより、ベアリングレースが収容溝内で揺動し、ベアリングレースの外周面が収容溝の内周面に摺接するように構成されている。そして、前記ベアリングレースの収容溝内における揺動中心は、互いに対向する軌道レール側の転走面とスライダ側の負荷転走面との間に位置している。
このように構成された本発明の直線案内装置において、前記軌道レールとしては、長手方向に沿って複数条のローラ転走面を有するものであれば、その条数は2条であっても、4条であっても、前記スライダの負荷荷重等に応じて適宜選択して差し支えない。また、軌道レールに対するこれらローラ転走面の配置に関しても、スライダに与える荷重負荷能力に応じて適宜設計変更することが可能であり、例えば、断面略矩形状に形成された軌道レールの両側面にのみ形成しても、軌道レールの上面及び両側面の夫々に形成しても差し支えない。
また、前記スライダとしては、ローラを介して前記軌道レールに組み付けられるものであれば、その形状は使用用途等に応じ、任意に設計変更しても差し支えない。また、前記スライダはローラの無限循環路を備えて、負荷転走通路の一端から他端へローラを循環させるタイプのものであっても良いし、ローラを循環させることなく、負荷転走通路の中だけで往復動させるタイプのものであっても良い。
更に、前記ローラとしては、直線案内装置の使用用途等に応じ、その幅や径を適宜設計変更しても差し支えない。また、前記ローラはそのまま負荷転走通路に充填され、隣接するローラと接触しながら転走するものであっても差し支えないし、ローラケージに配列され、かかるローラケージと共に負荷転走通路へ充填されたものであっても良い。
本発明を適用した案内装置の一部切欠き斜視図である。 図1に示す案内装置の縦断面図である。 図1に示す案内装置におけるローラの無限循環路の構成を示す縦断面図である。 無限循環路に組み込まれるローラケージを示す斜視図である。 ベアリングレースの曲率中心が負荷転走面よりもスライダ側に位置している例を示す拡大断面図である。 図5に示したベアリンングレースの構成においてローラに偏荷重が作用することを示す説明図である。 ベアリングレースの曲率中心が転走面よりも軌道レール側に位置している例を示す拡大断面図である。 ベアリングレースの曲率中心とローラ重心の距離に応じてローラが回転軸方向へ変位する問題点を示す図である。 ベアリングレースの曲率中心がローラの重心に合致している例を示す拡大断面図である。 図9の構成において、ベアリングレースが変位した際のローラの動きの例を示す図である。 ベアリングレースの曲率中心が軌道レールの転走面上に合致している例を示す拡大断面図である。
符号の説明
1…ローラ、2…ベアリングレース、3…転走面、4…収容溝、5…負荷転走面、10…軌道レール、11…スライダ、11a…スライダ本体、21…負荷転走通路、Q…曲率中心
以下、添付図面を参照しながら本発明の偏荷重防止機構を備えた直線案内装置を詳細に説明する。
図1及び図2は、本発明が適用された直線案内装置の実施例を示すものである。この直線案内装置は、ベッド、コラム等の固定部に配設される軌道レール10と、多数のローラ1を介して前記軌道レール10に組付けられ、かかる軌道レール10上を往復運動自在なスライダ11とから構成されている。
前記軌道レール10は長手方向に直交する断面が略矩形状に形成されると共に、その各側面には長手方向に沿ってローラの転走面3が2条ずつ、合計4条形成されている。軌道レール10の各側面に形成された2条の転走面3は水平に対して45度ずつ上向きあるいは下向きに形成されており、各転走面の法線が互いに交わるようになっている。また、軌道レール10には長手方向に沿って所定の間隔でボルト取付孔15が形成されており、このボルト取付穴に挿入したボルトを固定部に締結することにより、軌道レールを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。
一方、前記スライダ11は前記軌道レール10の上部が隙間を介して嵌合する案内溝を有してチャネル状に形成されており、金属製のスライダ本体11aと、このスライダ本体11aの両端に固定された一対のエンドプレート12とから構成されている。スライダ本体11aの上面はテーブル等の可動体の取付面14となっており、かかる取付面14にはタップ穴13が加工されている。従って、このタップ穴13にボルトを締結することで、可動体をスライダ11に固定することができるようになっている。
スライダ本体11aには、軌道レール10の各転走面3と対向する位置に収容溝4が形成されており、各収容溝4には棒状のベアリングレース2が嵌合するようになっている。ベアリングレース2には軌道レール10の転走面3と対向する負荷転走面5が形成されており、これら転走面3と負荷転走面5によってローラ1の負荷転走通路21が構成されている。各ローラ1は軌道レール10の転走面3とベアリングレース2の負荷転走面5に接し、可動体からスライダ11に対して作用する荷重を負荷しながら、前記負荷転走通路21内を転走する。
また、前記スライダ本体11aには各負荷転走通路21に対応して円形状のローラ戻し穴22が形成されており、これらローラ戻し穴22内には合成樹脂製のケージ保持部材24が挿入され、かかるローラ戻し穴22の内部を無負荷状態で転走するローラ1を一列に整列させるようになっている。
更に、図3に示すように、前記蓋体12には負荷転走通路21の一端とローラ戻し穴22の一端とを連結する方向転換路27が形成されており、一対の蓋体12をスライダ本体11aの端面に夫々固定することで、ローラ1の無限循環路が形成されるようになっている。ローラ1は負荷転走通路21内ではスライダ11に作用する荷重を負荷しながら転走し、かかる負荷転走通路21の端部において荷重から開放され、無負荷状態となって方向転換路27に入り込む。そして、無負荷状態のままローラ戻し穴22を転走し、逆側の方向転換路27を経て負荷転走通路21の他端へと循環する。
軌道レール10の側面に形成された2条の転走面3はそれぞれの法線が90度の角度で交わっているため、これら転走面3に対応する方向転換路27は蓋体12の内部で交差している。すなわち、図2に示すように、軌道レール10の側面に形成された上下2条の転走面3,3のうち、上側の転走面3を転走したローラ1は蓋体12の方向転換路27によって下側のローラ戻し穴22に導かれ、下側の転走面3を転走したローラ1は上側のローラ戻し穴22に導かれている。このように蓋体12の内部で交差する方向転換路27が互いに干渉することがないよう、図3に示すように、互いに交差する一対の方向転換路27,27はその一方が他方よりも大きな円弧で形成され、他方の方向転換路が円弧の内側を貫通するようになっている。
一方、ローラ1はスライダ11の無限循環路にそのまま配列されているのではなく、合成樹脂製のローラケージ30に所定の間隔で一列に配列され、かかるローラケージ30と共に無限循環路に組み込まれている。図4に示すように、かかるローラケージ30は複数のスペーサ31を連結部32で相互に結合してベルト状に形成されており、各スペーサ31にはローラ1を包持する曲面座が形成されている。すなわち、各ローラ1は前後に隣接する一対のスペーサ31によって回転自在に且つ所定の姿勢で保持されており、無限循環路内におけるスキューの発生を防止している。
このローラケージ30は無限循環路内をローラ1と共に循環するが、循環中におけるローラケージ30の捩れや蛇行を防止するため、ローラ1の無限循環路にはその全長にわたってケージ保持部材が設けられている。すなわち、ローラ戻し穴22の内部には合成樹脂製のケージ保持部材24が挿入される一方、負荷転走通路の両側にはケージ保持部材23が装着され、更に蓋体にはケージ保持部材25が嵌合している。これらのケージ保持部材にはローラケージ30の連結部32が入り込む案内溝28が形成されており、各ケージ保持部材23,24,25に形成された案内溝28は無限循環路に沿って連続している。このため、ローラケージ30は前記案内溝28に導かれ、一定の軌道で無限循環路内を循環することになる。これにより、スライダ11の内部におけるローラ1の循環の円滑化が図られている。
図2に示すように、前記ベアリングレース2は長手方向と直交する断面が略半円状に形成されており、長手方向に沿って連続する平面部に前記負荷転走面5が形成されている。また、このベアリングレース2が嵌合するスライダ本体11aの収容溝4も略同一の断面形状に形成されており、ベアリングレース2の外周面が収容溝4の内周面と摺接することにより、かかるベアリングレース2が収容溝4の内部で周方向へ僅かに揺動することが可能となっている。
以上のように構成された本実施例の直線案内装置では、負荷転走通路21内に位置するローラ1がスライダ11と軌道レール10との間に作用する荷重を負荷しながら転走することにより、可動体を搭載したスライダ11を軌道レール10に沿って固定部上で自在に往復運動させることが可能となっている。
このとき、固定部に対する軌道レール10の取付精度、あるいは可動体に対するスライダ11の取付精度によっては、軌道レール10側の転走面3とスライダ11側の負荷転走面5との間隔がローラ1の回転軸方向に沿って均一とならず、負荷転走面5を転走する各ローラ1に偏荷重が作用し、負荷転走通路21内におけるローラ1のスキューやローラ1の偏摩耗の原因となる。しかし、この実施例の直線案内装置ではローラ1に偏荷重が作用した際に、負荷転走面5を有するベアリングレース2がスライダ本体11aの収容溝4の内部で僅かに揺動することにより、ローラ1に作用する偏荷重を軽減することが可能となっている。
その一方、この直線案内装置では軌道レール10に形成されたローラ1の転走面3が固定部の取付面に対して45度ずつ上向きあるいは下向きに傾斜しており、例えばスライダ11に対して図2に示すようなラジアル荷重Wが作用した場合には、各ローラ1に対する荷重の作用方向が転走面3の法線方向と合致しないことになる。このため、軌道レール10の転走面3の法線方向と合致しない方向からスライダ11に対して荷重が作用した際に、ベアリングレース2の形状によっては、かかるベアリングレース2を収容溝4内で変位させるモーメント荷重が作用してしまうことがある。このようなモーメント荷重が発生すると、固定部に対する軌道レール10の取付精度あるいは可動体に対するスライダ11の取付精度が十分に高精度であるにもかかわらず、ベアリングレース2が収容溝4内で変位し、ローラ1に対して偏荷重が作用してしまう。
例えば、図5に示すように、ベアリンングレース2の外周面の曲率中心Qが負荷転走面5よりもスライダ本体110a側に位置している場合を想定する。ベアリングレース2に対してスライダ本体110aから下向きのラジアル荷重Wが作用したとすると、かかる荷重Wは軌道レール10の転走面3に垂直な分力W1と該転走面に平行な分力W2の合力なので、仮にベアリングレース2とローラ1を一つの剛体であるとみなすと、ベアリングレース2に対しては前記分力W2に反してローラ1を軌道レール10の転走面3上に止める反力Fが作用することになる。ベアリングレース2の外周面の曲率中心Qが負荷転走面5よりもスライダ本体110a側に位置していると、この反力Fがベアリングレース2に対して作用する図中で左回りのモーメント荷重M1を発生させ、このモーメント荷重M1によってベアリングレース2が収容溝4内で僅かに変位することになる。
このようなモーメント荷重M1がベアリングレース2に作用し、その結果として該ベアリングレース2が収容溝4内で変位すると、図6に示すように、ローラ1に対して作用する荷重fは該ローラ1の一端側(図6中の左端)で他端側よりも大きな偏荷重となってしまう。この偏荷重は前記モーメント荷重M1が大きいほど、すなわちベアリングレース2の曲率中心Qと負荷転走面5との距離Lが大きいほど顕著である。
一方、図7に示すように、ベアリンングレース2の外周面の曲率中心Qが転走面3よりも軌道レール10側に位置していると、図5の場合とは逆に、前記反力Fがベアリングレース2に対して作用する図中で右回りのモーメント荷重M2を発生させ、このモーメント荷重M2によってベアリングレース2が収容溝4内で僅かに変位することになる。このようなモーメント荷重M2がベアリングレース2に作用し、その結果として該ベアリングレース2が収容溝4内で変位すると、やはりローラ1に対して作用する荷重は該ローラ1の一端側で他端側よりも大きな偏荷重となってしまう。
また、ベアリングレース2の外周面の曲率中心Qとローラ1の重心Pとの距離Sが大きいと、ベアリングレース2が前記モーメント荷重M1又はM2によって収容溝4内で変位する際に、負荷転走面5を転走するローラ1に対してこれを転走方向と直交する方向へ移動させようとする力が作用することになる。すなわち、図8に示すように、ベアリングレース2が収容溝4の内部で外周面の周方向へ変位しようとすると、負荷転走面5を転走するローラ1も点Qを中心として半径Sの円弧を描くにように、1a、1bで示す位置に変位しようとする。もっとも、ローラ1は軌道レール10の転走面3とベアリングレース2の負荷転走面5との間で荷重を負荷している最中は、回転軸方向へ移動することが困難なので、ベアリングレース2の変位に伴ってスライダ11が変位してしまう可能性があり、固定部に対する軌道レール10の取付精度、可動体に対するスライダ11の取付精度を十分に高めたとしても、軌道レール10に対してスライダ11が変位してしまい、可動体の運動精度が損なわれる懸念がある。
このことから、本実施例の直線案内装置では、ベアリングレース2の外周面の曲率中心Qを該ベアリングレース2に形成された負荷転走面5と軌道レール10に形成された転走面3の間に設定されている。すなわち、曲率中心Qはローラ1が転走している負荷転走通路21内に位置している。
図9は、ベアリングレース2の曲率中心Qを負荷転走通路21内におけるローラ1の重心Pに合致させた例を示すものである。ベアリングレース2の曲率中心Qをこのように設定すると、ローラ1を負荷転走面5上に止めようとする反力Fとベアリングレース2の曲率中心Qとの距離は、かかるローラ1の半径Rと等しくなり、反力Fに起因して発生するモーメント荷重M1を小さくすることができるものである。特に、ニードルローラの如く直径の小さなローラ1を転動体として用いるのであれば、前記モーメント荷重M1は可及的に小さくすることが可能となる。これにより、ローラ1に対して偏荷重が作用するのを可及的に防止することができるものである。
また、このようにベアリングレース2の曲率中心をローラ1の重心P、すなわち転走時におけるローラ1の回転中心mとローラ1の長手方向の二等分線lの交点に合致させると、たとえベアリングレース2がモーメント荷重M1によって収容溝4内で変位したとしても、図10に示すように、ローラ1は自らの重心Pを中心として回転を試みるだけなので、ベアリングレース2の変位に伴ってスライダ11が変位してしまうことはない。従って、ローラ1に作用する偏荷重を取り除くべく、ベアリングレース2が収容溝4内で変位したとしても、スライダ11に取り付けた可動体の運動精度が損なわれることはない。
次に、図11は、ベアリングレース2の曲率中心Qを軌道レール10に形成されたローラ1の転走面3上に合致させた例を示すものである。ベアリングレース2の曲率中心Qをこのように設定すると、ローラ1を負荷転走面5上に止めようとする反力Fはベアリングレース2の曲率中心Qに対して直接作用することから、ベアリングレース2を収容溝4内で回転させようとするモーメント荷重は発生しない。このため、ローラ1に対して偏荷重が作用するのを略完全に防止することができるものである。
また、前記反力Fに起因するモーメント荷重がベアリングレース2に作用しないことから、固定部に対する軌道レール10の取付精度、可動体に対するスライダ11の取付精度が高いのであれば、ベアリングレース2が収容溝4内で変位することはなく、ローラ1をその回転軸方向へ変位させる力も発生しないので、軌道レール10に対するスライダ11の運動姿勢が損なわれることはなく、スライダ11に取り付けた可動体の運動精度が損なわれることもない。
このように本発明の直線案内装置によれば、ベアリングレース2の外周面の曲率中心を該ベアリングレース2の負荷転走面5と軌道レール10の転走面3との間に位置させることにより、負荷転走通路21内を転走するローラ1に対して偏荷重が作用した場合であっても、かかる偏荷重を効果的に低減させ、軌道レール10に対するスライダ11の運動の円滑化を図ることが可能であると共に、ローラ1の損耗を可及的に防止することが可能となる。

Claims (4)

  1. 長手方向に沿ってローラの転走面が形成された軌道レールと、前記転走面と対向する負荷転走面を有するスライダと、前記軌道レール側の転走面及び前記スライダ側の負荷転走面によって形成された負荷転走通路内で荷重を負荷しながら転走する複数のローラとから構成され、前記スライダが前記軌道レール上を往復運動自在な直線案内装置において、
    前記負荷転走面はベアリングレースに形成される一方、かかるスライダは軌道レール側の転走面と対向する位置に前記ベアリングレースが嵌合する収容溝を有し、
    前記ベアリングレース及び収容溝はローラの転走方向と直交する方向の断面が略半円状に形成され、ベアリングレースはその外周面が収容溝の内周面に摺接して該収容溝内を揺動するように構成され、
    前記収容溝内におけるベアリングレースの揺動中心は、互いに対向する軌道レール側の転走面とスライダ側の負荷転走面との間に位置していることを特徴とする直線案内装置。
  2. スライダの収容溝内におけるベアリングレースの揺動中心は、軌道レール側の転走面上に位置していることを特徴とする請求項1記載の直線案内装置。
  3. スライダの収容溝内におけるベアリングレースの揺動中心は、軌道レール側の転走面を転走するローラの重心と合致していることを特徴とする請求項1記載の直線案内装置。
  4. 前記軌道レールの両側面には長手方向に沿って夫々2条の転走面が形成される一方、各側面に形成された2条の転走面の法線は互いに交わっていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の直線案内装置。
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