TW201925651A - 滾珠螺桿花鍵 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種滾珠螺桿花鍵，其可謀求小型化及輕量化。一種滾珠螺桿花鍵，其具備：軸(1)，其以相互交叉之方式形成有螺旋狀之滾珠螺桿溝槽(1a)及直線狀之滾珠花鍵溝槽(1b)；滾珠螺桿螺帽(2)，其具有與軸(1)之滾珠螺桿溝槽(1a)對向之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽(24b)，而可使卡合於軸(1)之滾珠螺桿溝槽(1a)之螺桿用滾珠(27)循環；及滾珠花鍵外筒(3)，係具有與軸(1)之滾珠花鍵溝槽(1b)對向之直線狀之滾珠花鍵溝槽(34b)，而可使卡合於軸(1)之滾珠花鍵溝槽(1b)之花鍵用滾珠(37)循環。將軸(1)之滾珠螺桿溝槽(1a)之深度設為軸(1)之滾珠花鍵溝槽(1b)之深度以上，而將螺桿用滾珠(27)之直徑設為較花鍵用滾珠(37)之直徑小。

Description

滾珠螺桿花鍵
本發明係關於一種例如利用於工業機器人之Zθ致動器之滾珠螺桿花鍵。
為了因應高功能化、高精度化之需求，例如於使用在工業機器人之前端軸之Zθ致動器上，採用有滾珠螺桿花鍵。該滾珠螺桿花鍵，具備軸、組裝於軸上之滾珠螺桿螺帽、及組裝於軸上之滾珠花鍵外筒。對滾珠螺桿螺帽及滾珠花鍵外筒分別提供旋轉輸入來控制旋轉量，藉此使軸進行任意之直線運動(Z)、旋轉運動(θ)及螺旋運動(Z+θ)。
於軸上相互交叉地形成有螺旋狀之滾珠螺桿溝槽及直線狀之滾珠花鍵溝槽。組裝於軸上之滾珠螺桿螺帽，係具有與軸之滾珠螺桿溝槽對向之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽，並且使卡合於軸之滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠循環。組裝於軸上之滾珠花鍵外筒，係具有與軸之滾珠花鍵溝槽對向之直線狀之滾珠花鍵溝槽，並且使卡合於軸之滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠循環。
為了使滾珠螺桿花鍵平滑地運作，需要使滾動於滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠不會於軸之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽與直線狀之滾珠花鍵溝槽之交叉部分進入滾珠花鍵溝槽。此外，需要使滾 動於滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠不會進入滾珠螺桿溝槽。因此，於習知之滾珠螺桿花鍵中，將軸之滾珠螺桿溝槽之深度設為較滾珠花鍵溝槽之深度更深(參照專利文獻1)。這是為了防止滾動於滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠越過滾珠螺桿溝槽與滾珠花鍵溝槽之間之段差而轉移至滾珠花鍵溝槽之情況。另一方面，花鍵用滾珠係被保持於滾珠花鍵外筒之保持器上，例如，即使自軸上取下滾珠花鍵外筒，仍不會自滾珠花鍵外筒脫落。因此，滾動於滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠，不會於交叉部分轉移至滾珠螺桿溝槽。
此外，於習知之滾珠花鍵中，滾珠之直徑主要取決於溝槽之深度，因此隨著將軸之滾珠螺桿溝槽之深度設為較滾珠花鍵溝槽之深度更深，也會將螺桿用滾珠之直徑設為較花鍵用滾珠之直徑大。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開昭62-165057號公報
近年來，越來越要求滾珠螺桿花鍵之低慣性化、即要求滾珠螺桿花鍵更加小型化、輕量化。例如，若能實現使用於工業機器人之前端軸之滾珠螺桿花鍵之小型化、輕量化，則使工業機器人以高速運動、或者可使馬達小型化。
然而，於習知之滾珠螺桿花鍵中，由於需要滿足軸之滾珠螺桿溝槽與滾珠花鍵溝槽之交叉部分之上述條件，因此存在有 在滾珠螺桿花鍵之小型化、輕量化上具有限制之課題。
爰此，本發明之目的在於提供一種滾珠螺桿花鍵，其可謀求小型化及輕量化。
為了解決上述課題，本發明之一態樣係一種滾珠螺桿花鍵，其具備：軸，其以相互交叉之方式形成有螺旋狀之滾珠螺桿溝槽及直線狀之滾珠花鍵溝槽；滾珠螺桿螺帽，其具有與上述軸之上述滾珠螺桿溝槽對向之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽，而可使卡合於上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠循環；及滾珠花鍵外筒，係具有與上述軸之上述滾珠花鍵溝槽對向之直線狀之滾珠花鍵溝槽，而可使卡合於上述軸之上述滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠循環；將上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之深度設為上述軸之上述滾珠花鍵溝槽之深度以上，將上述螺桿用滾珠之直徑設為較上述花鍵用滾珠之直徑小。
根據本發明，儘管軸之滾珠螺桿溝槽之深度為滾珠花鍵溝槽之深度以上，但仍將螺桿用滾珠之直徑設為較花鍵用滾珠之直徑小。於滾珠螺桿螺帽與滾珠花鍵外筒上，由於其等之循環構造不同，因此滾珠螺桿螺帽更容易將外徑設為較滾珠花鍵外筒之外徑大。這是因為於滾珠螺桿螺帽中，使滾動於軸之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠朝切線方向偏向，與此相對，於花鍵螺帽中，可使滾動於軸之直線狀之滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠於軸之附近偏向。根據本發明，由於將螺桿用滾珠之直徑設為較花鍵用滾珠之直徑小，因此可均衡性良好地減小滾珠螺桿螺帽及滾珠花鍵外筒兩者 之外徑，因此可謀求滾珠螺桿花鍵之小型化及輕量化。
1‧‧‧軸
1a‧‧‧軸之滾珠螺桿溝槽
1a1‧‧‧螺桿溝槽之邊緣
1a2‧‧‧螺桿溝槽之底部
1b‧‧‧軸之滾珠花鍵溝槽
1b1‧‧‧滾珠滾動部
1b2‧‧‧保持器對向部
1c‧‧‧軸線
2‧‧‧滾珠螺桿螺帽
3‧‧‧滾珠花鍵外筒
20‧‧‧負載滾動道
21‧‧‧外輪
21a‧‧‧外輪溝槽
21b‧‧‧凸緣
21c‧‧‧密封件
22a、22b‧‧‧軸承滾珠
23、33‧‧‧軸承
24‧‧‧螺帽本體
24a‧‧‧內輪溝槽
24b‧‧‧滾珠螺桿螺帽之滾珠螺桿溝槽
24e‧‧‧凹部
25a、25b‧‧‧循環零件
26a、26b‧‧‧蓋構件
27‧‧‧螺桿用滾珠
28‧‧‧方向轉換道
29‧‧‧貫通孔
30‧‧‧鎖固構件
31‧‧‧外輪
31a‧‧‧外輪溝槽
31b‧‧‧凸緣
31c‧‧‧密封件
32a、32b‧‧‧軸承滾珠
34‧‧‧外筒本體
34a‧‧‧內輪溝槽
34b‧‧‧外筒之滾珠花鍵溝槽
35a、35b‧‧‧循環零件
36‧‧‧負載滾動道
37‧‧‧花鍵用滾珠
38‧‧‧方向轉換道
39‧‧‧返回道
41‧‧‧保持器
A‧‧‧交叉部分
d1、d2‧‧‧深度
d3‧‧‧直徑
O‧‧‧軸之中心
O1‧‧‧滾珠中心
P1、P2‧‧‧點
r1、r2‧‧‧谷徑(半徑)
圖1為組入本發明之一實施形態之螺桿螺帽及花鍵螺帽之滾珠螺桿花鍵之立體圖(將螺桿螺帽配置於前面側之例子)。
圖2為組入本實施形態之螺桿螺帽及花鍵螺帽之滾珠螺桿花鍵之立體圖(將花鍵螺帽配置於前面側之例子)。
圖3為本實施形態之軸之外觀立體圖。
圖4(a)為本實施形態之軸之軸直角剖視圖，圖4(b)為圖4(a)之b部放大圖。
圖5為本實施形態之滾珠螺桿螺帽及軸之放大立體圖(滾珠螺桿螺帽之一部分被剖切)。
圖6為本實施形態之滾珠螺桿螺帽之放大立體圖(蓋構件之一部分被剖切)。
圖7(a)為沿本實施形態之螺帽本體與軸之軸線之剖視圖，圖7(b)為圖7(a)之b部放大圖。
圖8為本實施形態之滾珠花鍵外筒及軸之放大立體圖(滾珠花鍵外筒之一部分被剖切)。
圖9為本實施形態之滾珠花鍵外筒及軸之軸直角剖視圖。
以下，參照所附圖式，對本發明之實施形態之滾珠螺桿花鍵詳細地進行說明。惟，本發明之滾珠螺桿花鍵，可以各種之形態具體實施，而不侷限於本說明書記載之實施形態。本實施形態係為了藉由使說明書之揭示充分以使熟悉本發明相關技藝者能充 分地理解本發明之範圍之目的而被提供。
圖1及圖2為顯示本發明之一實施形態之滾珠螺桿花鍵之立體圖(局部剖視圖)。圖1為將滾珠螺桿螺帽2(以下，簡稱為螺帽2)配置於前面側之例子，圖2為將滾珠花鍵外筒3(以下，簡稱為外筒3)配置於前面側之例子。於圖1及圖2中，符號1為軸，2為螺帽，3為外筒。23為旋轉自如地支撐螺帽2之軸承，33為旋轉自如地支撐外筒3之軸承。軸承23、33係安裝於Zθ致動器之外殼。於螺帽2及外筒3上以可對螺帽2及外筒3提供旋轉輸入之方式安裝有例如未圖示之滑輪。以下依序對軸1、螺帽2及外筒3進行說明。
如圖1所示，於軸1之外表面形成有具有既定導程之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽1a(以下，簡稱為螺桿溝槽1a)。此外，於軸1之外表面形成有軸向延伸之直線狀之滾珠花鍵溝槽1b(以下，簡稱為花鍵溝槽1b)。再者，本實施形態之螺桿溝槽1a之條數為1條，花鍵溝槽1b之條數為4條，但其等之條數可對應於規格而適宜設定。
圖3為顯示軸之外觀立體圖。螺桿溝槽1a之溝槽直角剖面形狀為哥德式拱狀。花鍵溝槽1b具有與花鍵用滾珠37(參照圖2)對向之滾珠滾動部1b1、及滾珠滾動部1b1近旁之與保持器41(參照圖9)對向之保持器對向部1b2。
圖4顯示軸直角剖視圖。自軸直角剖面觀察，螺桿溝槽1a係大致直線狀。符號1a1為螺桿溝槽1a之邊緣，1a2為螺桿溝槽1a之底部。此外，花鍵溝槽1b之滾珠滾動部1b1之剖面形狀為圓弧形。花鍵溝槽1b之保持器對向部1b2之剖面形狀為大致L 字狀。再者，也可將保持器對向部1b2設為較滾珠滾動部1b1深或淺。也可僅由滾珠滾動部1b1構成花鍵溝槽1b。
如圖3所示，螺桿溝槽1a與花鍵溝槽1b，係於A部分交叉。於該交叉部分A，螺桿溝槽1a係較花鍵溝槽1b深，螺桿溝槽1a係位於較花鍵溝槽1b靠軸1之內側。換言之，如圖4所示，螺桿溝槽1a之谷徑r1(自軸1之中心O至螺桿溝槽1a之底部1a2之半徑r1)，係較花鍵溝槽1b之谷徑r2(自軸1之中心O至花鍵溝槽1b之底部之半徑r2)小。
如圖3所示，由於螺桿溝槽1a係較花鍵溝槽1b深，因此可防止滾動於螺桿溝槽1a之螺桿用滾珠27(參照圖1)越過螺桿溝槽1a與花鍵溝槽1b之間之段差而轉移至花鍵溝槽1b。另一方面，花鍵用滾珠37係保持於外筒3之保持器41(參照圖9)，例如，即使自軸1取下外筒3，仍不會自外筒3脫落。因此，滾動於花鍵溝槽1b之花鍵用滾珠37，不會於交叉部分A轉移至螺桿溝槽1a。
圖5為顯示螺帽2之放大立體圖(包含局部剖視圖)。螺帽2係旋轉自如地被支撐於軸承23。軸承23具備外輪21及2排之軸承滾珠22a、22b。外輪21係大致圓筒狀，並且於其軸向之一端部具有凸緣21b。外輪21係經由凸緣21b而被安裝於Zθ致動器之外殼。於外輪21之內表面形成有例如2條之外輪溝槽21a。於螺帽2之外表面形成有與外輪溝槽21a對向之例如2條之內輪溝槽24a。於外輪溝槽21a與內輪溝槽24a之間可滾動運動地介設有2排軸承滾珠22a、22b。於外輪21安裝有填塞外輪21與螺帽本體24之間之間隙之密封件21c。
螺帽2具備：筒狀之螺帽本體24；循環零件25a、25b， 其設於螺帽本體24之軸向之端部；及蓋構件26a、26b，其覆蓋循環零件25a、25b。如圖6所示，循環零件25a、25b係被收容於螺帽本體24之軸向之端面之凹部24e。循環零件25a、25b，係由環狀之蓋構件26a、26b覆蓋且固定。蓋構件26a、26b係藉由螺絲等鎖固構件30而被鎖固於螺帽本體24。
如圖5所示，於螺帽本體24之內表面形成有與軸1之螺桿溝槽1a對向之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽24b(以下，簡稱為螺桿溝槽24b)(亦參照圖7)。於螺帽本體24之螺桿溝槽24b與軸1之螺桿溝槽1a之間可滾動運動地介設有螺桿用滾珠27。
於循環零件25a、25b形成有用以使螺桿用滾珠27循環之大致圓弧狀之方向轉換道28。於螺帽本體24形成有軸向貫通之直線狀之貫通孔29。方向轉換道28連接於螺帽本體24之螺桿溝槽24b及貫通孔29。
螺桿溝槽24b與軸1之螺桿溝槽1a之間的螺旋狀之負載滾動道20、大致圓弧形之方向轉換道28、直線狀之貫通孔29，係構成循環道。循環零件25a之方向轉換道28，係使滾動於螺旋狀之負載滾動道20之螺桿用滾珠27朝切線方向偏向，進而朝貫通孔29導引。被導向貫通孔29之螺桿用滾珠27，經由相反側之循環零件25b之方向轉換道28之後，再度返回負載滾動道20。
圖7為顯示沿軸線1c之螺帽本體24之剖視圖。於普通之滾珠螺桿中，將軸1之螺桿溝槽1a之深度d1與螺帽本體24之螺桿溝槽24b之深度d2設為相等。與此相對，於本實施形態中，將軸1之螺桿溝槽1a之深度d1設為較螺帽本體24之螺桿溝槽24b之深度d2深。這是為了減小具備軸1、螺帽2、螺桿用滾珠27之 滾珠螺桿之BCD(Ball Center Diameter；滾珠中心直徑、自軸向觀察之滾珠中心O1之直徑)。
圖7(b)所示之螺桿溝槽1a之剖面形狀，係哥德式拱狀。螺桿用滾珠27係以既定之接觸角且於2點P1接觸於螺桿溝槽1a。此外，螺桿溝槽24b之剖面形狀也為哥德式拱狀。螺桿用滾珠27係以既定之接觸角且於2點P2接觸於螺桿溝槽24b。若將BCD減小，螺桿溝槽24b之深度d2變淺，則有可能產生邊緣負載。為了避免此現象，將BCD設為較軸1之直徑d3大，防止螺桿溝槽24b變得過淺。
圖8為顯示外筒3之放大立體圖(包含局部剖視圖)。外筒3係旋轉自如地被支撐於軸承33。軸承33具備外輪31、及2排之軸承滾珠32a、32b。外輪31係大致圓筒狀，並且於其軸向之一端部具有凸緣31b。外輪31係經由凸緣31b而被安裝於例如Zθ致動器之外殼。於外輪31之內表面形成有例如2條之外輪溝槽31a。於外筒3之外表面形成有與外輪溝槽31a對向之例如2條之內輪溝槽34a。於外輪溝槽31a與內輪溝槽34a之間可滾動運動地介設有2排軸承滾珠32a、32b。於外輪31安裝有填塞外輪31與外筒本體34之間之間隙之密封件31c。
外筒3具備：筒狀之外筒本體34；及環狀之循環零件35a、35b，其安裝於外筒本體34之軸向之端部。圖9為顯示外筒3之軸直角剖視圖。如圖9所示，於外筒本體34之內表面，與軸1之花鍵溝槽1b對向地形成有軸向延伸之直線狀之滾珠花鍵溝槽34b(以下，簡稱為花鍵溝槽34b)。花鍵溝槽1b、34b之剖面形狀，皆為圓弧形狀。於花鍵溝槽1b與花鍵溝槽34b之間可滾動運動地 介設花鍵用滾珠37。花鍵用滾珠37係於一點分別接觸於花鍵溝槽1b、34b。花鍵用滾珠37之接觸角係以可以4排之花鍵用滾珠37負載順時針方向及逆時針方向之力矩之方式設定。
於外筒本體34形成有與花鍵溝槽34b平行且軸向貫通外筒本體34之直線狀之返回道39。為了減小外筒本體34之直徑，返回道39不是配置於花鍵溝槽34b之徑向(即、連結軸1之軸線1c與花鍵溝槽34b之線上)，而是配置於軸1之附近。
於外筒本體34之內表面組入有保持器41。保持器41係以即使將外筒3自軸1取下仍不會使花鍵用滾珠37脫落之方式保持花鍵用滾珠37。
如圖8所示，於循環零件35a、35b形成有用以使花鍵用滾珠37循環之U字狀之方向轉換道38。圖8雖顯示移動於U字狀之方向轉換道38之花鍵用滾珠37，但方向轉換道38實際上被形成於循環零件35a、35b。方向轉換道38連接於外筒3之花鍵溝槽34b及返回道39。
花鍵溝槽1b與花鍵溝槽34b之間之直線狀之負載滾動道36、U字狀之方向轉換道38、直線狀之返回道39，係構成循環道。循環零件35a之方向轉換道38，係使滾動於直線狀之負載滾動道36之花鍵用滾珠37大致呈U字狀偏向，而朝軸1附近之返回道39導引。被導向返回道39之花鍵用滾珠37，經由相反側之循環零件35b之方向轉換道38之後，再度返回至負載滾動道36。
根據本實施形態，儘管軸1之螺桿溝槽1a之深度較花鍵溝槽1b之深度更深，但仍將螺桿用滾珠27之直徑設為較花鍵用滾珠37之直徑小。於螺帽2與外筒3上，由於其等之循環構造 不同，因此螺帽2更容易將外徑設為較外筒3之外徑大。這是因為於螺帽2中，使滾動於軸1之螺旋狀之螺桿溝槽1a之螺桿用滾珠27朝切線方向偏向，與此相對，於外筒3中，使滾動於軸1之直線狀之花鍵溝槽1b之花鍵用滾珠37於軸1之附近偏向。根據本實施形態，由於將螺桿用滾珠27之直徑設為較花鍵用滾珠37之直徑小，因此可均衡性良好地減小螺帽2及外筒3兩者之外徑，因此可謀求滾珠螺桿花鍵之小型化及輕量化。
為了增加軸1之螺桿溝槽1a之深度，需要增大螺桿用滾珠27之直徑或減小BCD中之任一者。根據本實施形態，由於軸1之螺桿溝槽1a之深度d1係較螺帽2之螺桿溝槽24b之深度d2深，因而滾珠螺桿之BCD變小。因此，不用增大螺桿用滾珠27之直徑，即可增加軸1之螺桿溝槽1a之深度。
由於滾珠螺桿之BCD係較軸1之直徑d3大，因而可防止螺帽2之螺桿溝槽24b變得過淺而於螺帽2之螺桿溝槽24b產生邊緣負載。
由於軸1之滾珠螺桿溝槽1a之剖面形狀為哥德式拱狀，軸1之花鍵溝槽1b之剖面形狀之至少一部分為圓弧狀，因而可將軸1之螺桿溝槽1a設為較花鍵溝槽1b深。
再者，本發明不侷限於上述實施形態所具體實施者，只要於不變更本發明之實質內容之範圍內，即可變更為其他之實施形態。
於上述實施形態中，雖然將軸之螺桿溝槽之深度設為較軸之花鍵溝槽之深度更深，但也可將軸之螺桿溝槽之深度設為與軸之花鍵溝槽之深度相同。螺桿用滾珠不僅僅是被朝軸之螺桿溝槽 導引，而且還被朝螺帽之螺桿溝槽導引，因此，即使將其等設為相同，仍可防止螺桿用滾珠於交叉部分自螺桿溝槽轉移至花鍵溝槽。
於上述實施形態中，雖然將軸與外筒之花鍵溝槽之剖面形狀設為圓弧狀，但也可設為哥德式拱狀。此外，雖然將軸與螺帽之螺桿溝槽之剖面形狀設為哥德式拱狀，但也可設為圓弧狀。
本說明書係基於2017年11月28日提出申請之日本專利特願2017-227937。其內容皆包含於本說明書中。

Claims (4)

  1. 一種滾珠螺桿花鍵，其具備：軸，其以相互交叉之方式形成有螺旋狀之滾珠螺桿溝槽及直線狀之滾珠花鍵溝槽；滾珠螺桿螺帽，其具有與上述軸之上述滾珠螺桿溝槽對向之螺旋狀之滾珠螺桿溝槽，而可使卡合於上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之螺桿用滾珠循環；及滾珠花鍵外筒，係具有與上述軸之上述滾珠花鍵溝槽對向之直線狀之滾珠花鍵溝槽，而可使卡合於上述軸之上述滾珠花鍵溝槽之花鍵用滾珠循環；將上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之深度設為上述軸之上述滾珠花鍵溝槽之深度以上，將上述螺桿用滾珠之直徑設為較上述花鍵用滾珠之直徑小。
  2. 如請求項1之滾珠螺桿花鍵，其中，將上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之深度設為較上述滾珠螺桿螺帽之上述滾珠螺桿溝槽之深度更深。
  3. 如請求項2之滾珠螺桿花鍵，其中，將具備上述軸、上述滾珠螺桿螺帽、及上述螺桿用滾珠之滾珠螺桿之BCD設為較上述軸之直徑大。
  4. 如請求項1至3中任一項之滾珠螺桿花鍵，其中，上述軸之上述滾珠螺桿溝槽之剖面形狀為哥德式拱狀，上述軸之上述滾珠花鍵溝槽之剖面形狀之至少一部分為圓弧狀。
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