(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる帯状の底板と、前記底板の両側部から垂直に立設された側壁とからなり前記両側壁の内側面にそれぞれ転動体転動溝が軸方向に形成された断面略凹字状の案内レールと、前記案内レールの内側に軸方向に対して平行に配設され螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記案内レールに取り付けられ前記ねじ軸を回転可能に支持するサポートユニットと、前記案内レールの転動体転動溝に対向する転動体転動溝を有し、前記ねじ軸に螺合されたスライダと、対向する前記案内レールの転動体転動溝と前記スライダの転動体転動溝との間に、転動自在に介在された複数の転動体と、を備え、前記スライダが前記転動体の転動を介して前記案内レールに沿って軸方向に移動可能とされた一軸アクチュエータにおいて、
前記案内レールの前記転動体転動溝の内周面及び前記スライダの前記転動体転動溝の内周面の少なくとも一方に、強化繊維のフィラメント束とバインダー樹脂とからなる成形体、強化繊維のフィラメントのシートとバインダー樹脂とからなる成形体、または前記フィラメント束からなる層と前記シートとの積層体とバインダー樹脂とからなる成形体からなる転走部材が接合しており、
前記シートは強化繊維をシート状に編み、バインダー樹脂で結着してシート状としたプリプレグであり、かつ、
前記転走部材と前記転動体との接触角が４５°±１５°であることを特徴とする一軸アクチュエータ。
【請求項２】
前記転走部材が、前記転動体転動溝の上側の内周面に接合される板状の上レールと、前記転動体転動溝の下側の内周面に接合される板状の下レールとで構成されるとともに、
前記上レールの平面部下端に前記下レールの側面が当接して、断面Ｖ字状を呈していることを特徴とする請求項１記載の一軸アクチュエータ。
【請求項３】
前記上レールの平面部下端に形成した段状凹部に、前記下レールの側面が係合していることを特徴とする請求項２記載の一軸アクチュエータ。
【請求項４】
前記上レール及び前記下レールの平面部下側がそれぞれ段状凹部を有し、前記段状凹部同士が係合していることを特徴とする請求項２記載の一軸アクチュエータ。
【請求項５】
前記案内レールの前記転動体転動溝の両端縁または前記スライダの前記転動体転動溝の両端縁に、前記転送部材側に延出するフック部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の一軸アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直動案内軸受とねじ式送り装置とを一体化してなる一軸アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一軸アクチュエータは、断面が凹字状で、相対する内側面に軸方向に延びる転動体転動溝を有する案内レールと、この案内レールの幅方向のほぼ中央部に軸方向に対して平行に配設されたねじ軸と、案内レールの転動体転動溝に対向する転動体転動溝を有しねじ軸に多数のボールを介して螺合されたスライダと、案内レールの両端にそれぞれ取り付けられねじ軸を回転可能に支持する２つのサポートユニットと、を備える。そして、ねじ軸を回転させると、これに螺合するスライダが、ボールの転動を介して軸方向に滑らかに移動する。
【０００３】
従来、一軸アクチュエータは、案内レールやねじ軸、スライダ及びボールは金属製であり、高重量になっている。そのため、例えばロボット等による多軸構成になると、モータの負荷容量が大きくなり、装置全体が大型化する。軽量金属で部材を作製したり、案内レールに穴を開ける等して軽量化を図ることも行われているが、材料コストの上昇や強度低下をもたらすおそれがある。
【０００４】
また、軽量化のために、特許文献１では、案内レールを繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製とし、転動体転動溝に金属部材を接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８１３３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で案内レールに使用されているＦＲＰは、強化繊維を樹脂中に分散させたものであり、金属製の案内レールに比べて機械的強度が低くなると予想される。
【０００７】
そこで本発明は、金属製の案内レールを用いて従来と同等の機械的強度を確保するとともに、軽量化を図った一軸アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、下記の一軸アクチュエータを提供する。
（１）軸方向に延びる帯状の底板と、前記底板の両側部から垂直に立設された側壁とからなり前記両側壁の内側面にそれぞれ転動体転動溝が軸方向に形成された断面略凹字状の案内レールと、前記案内レールの内側に軸方向に対して平行に配設され螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記案内レールに取り付けられ前記ねじ軸を回転可能に支持するサポートユニットと、前記案内レールの転動体転動溝に対向する転動体転動溝を有し、前記ねじ軸に螺合されたスライダと、対向する前記案内レールの転動体転動溝と前記スライダの転動体転動溝との間に、転動自在に介在された複数の転動体と、を備え、前記スライダが前記転動体の転動を介して前記案内レールに沿って軸方向に移動可能とされた一軸アクチュエータにおいて、
前記案内レールの前記転動体転動溝の内周面及び前記スライダの前記転動体転動溝の内周面の少なくとも一方に、強化繊維のフィラメント束とバインダー樹脂とからなる成形体、強化繊維のフィラメントのシートとバインダー樹脂とからなる成形体、または前記フィラメント束からなる層と前記シートとの積層体とバインダー樹脂とからなる成形体からなる転走部材が接合しており、かつ、前記転走部材と前記転動体との接触角が４５°±１５°であることを特徴とする一軸アクチュエータ。
（２）前記転走部材が、前記転動体転動溝の上側の内周面に接合される板状の上レールと、前記転動体転動溝の下側の内周面に接合される板状の下レールとで構成されるとともに、
前記上レールの平面部下端に前記下レールの側面が当接して、断面Ｖ字状を呈していることを特徴とする上記（１）記載の一軸アクチュエータ。
（３）前記上レールの平面部下端に形成した段状凹部に、前記下レールの側面が係合していることを特徴とする上記（２）記載の一軸アクチュエータ。
（４）前記上レール及び前記下レールの平面部下側がそれぞれ段状凹部を有し、前記段状凹部同士が係合していることを特徴とする上記（２）記載の一軸アクチュエータ。
（５）前記案内レールの前記転動体転動溝の両端縁または前記スライダの前記転動体転動溝の両端縁に、前記転送部材側に延出するフック部が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の一軸アクチュエータ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一軸アクチュエータは、案内レールが金属製であり、従来と同等の機械的強度を有するとともに、転動体転動溝を加工して、フィラメントワインディグ法やシートワインディング法による特定のＦＲＰ製の転走部材を接合したため、加工の分だけ金属材料が削減されて軽量になる。しかも、案内レールは、従来の金属製の案内レールの転動体転動溝を加工するだけでよいため、既存の金属製の案内レールを使用することができ、低コストでもある。また、特定のＦＲＰは、強化繊維を樹脂中に分散させたＦＲＰに比べて機械的強度や耐摩耗性に優れ、更にはこの特定のＦＲＰ製の転走部材と転動体とが異種材料同士の接触になるため、凝着を起こすこともなく、転動体表面の剥離を防止することができる。
【００１０】
また、スライダの転動体転動溝の内周面にも、案内レールと同様の転走部材を接合することにより、スライダの機械的強度を確保した上で、一軸アクチュエータ全体として更なる軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一軸アクチュエータの全体構造を示す一部切欠斜視図である。
【図２】案内レール側の転走部材の一例を、案内レールの転動体転動溝の周辺を含めて示す断面図である。
【図３】図２に従い、案内レール側の転走部材の他の例を示す断面図である。
【図４】図２に従い、案内レール側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図５】図２に従い、案内レール側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図６】図２に従い、案内レール側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図７】フック部を備える、案内レール側の転動体転動溝を示す断面図である。
【図８】スライダ側の転走部材の一例を、スライダの転動体転動溝の周辺を含めて示す断面図である。
【図９】図８に従い、スライダ側の転走部材の他の例を示す断面図である。
【図１０】図８に従い、スライダ側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図１１】図８に従い、スライダ側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図１２】図８に従い、スライダ側の転走部材の更に他の例を示す断面図である。
【図１３】フック部を備える、スライダ側の転動体転動溝を示す断面図である。
【図１４】フィラメントワインディング法を説明するための装置構成を示す模式図である。
【図１５】フィラメントワインディング法におけるフィラメント束の巻き方を説明する模式図であり、同図（ａ）はヘリカル巻き、同図（ｂ）はパラレル巻きをそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明において一軸アクチュエータの種類は制限はなく、ここでは図１に示す一軸アクチュエータを例示する。図示されるように、軸方向に延びる案内レール１１は、帯状の底板の両側部から垂直に立設された側壁３０，３０を備え、軸方向に垂直な面の断面は略凹字状を呈している。また、案内レール１１の内側の幅方向中央部には、螺旋状のねじ溝１３ａを外周面に有するねじ軸１３が配設されている。そして、ねじ軸１３は、案内レール１１の両端に取り付けられたサポートユニット１７，１７によって、正逆両方向に回転可能に支持されている。
【００１４】
案内レール１１の内側には直方体状のスライダ１２が配されていて、多数の転動体１４を介してねじ軸１３に螺合されている。スライダ１２の中央部には、ねじ軸１３を挿通する貫通孔が設けられており、貫通孔の内周面には螺旋状に連続するねじ溝１２ａが形成されている。そして、ねじ溝１２ａはねじ軸１３のねじ溝１３ａと対向しており、両ねじ溝１２ａ，１３ａで形成される転動体転動路２１には、多数の転動体１４が転動自在に装填されている。なお、スライダ１２は、スライダ本体１２Ａと、その軸方向両端部に着脱可能に取り付けられたエンドキャップ１２Ｂ，１２Ｂとで構成されている。
【００１５】
また、案内レール１１の両側壁３０，３０の相対する内側面には、軸方向に延びる転動体転動溝１１ａ，１１ａが形成されている。また、スライダ１２の両側面には、案内レール１１の転動体転動溝１１ａ，１１ａに対向する転動体転動溝１２ｂ，１２ｂが備えられており、対向する案内レール１１の転動体転動溝１１ａとスライダ１２の転動体転動溝１２ｂとで転動体転動路を形成している。また、スライダ１２の内部には、転動体転動路と平行をなして軸方向に貫通する転動体戻し路１６，１６が形成されている。そして、転動体戻し路１６と、その両端に連続して設けられた湾曲路（図示せず）とで転動体循環路を形成しており、この転動体循環路内に多数の転動体１５が転動自在に装填されている。
【００１６】
更に、サポートユニット１７，１７には貫通孔が設けられており、この貫通孔の内周面に図示しない転がり軸受が嵌合されている。そして、この転がり軸受の内径部にねじ軸１３が挿通されるとともに嵌合され、この転がり軸受によってねじ軸１３が回転可能とされている。
【００１７】
このように構成される一軸アクチュエータでは、ねじ軸１３を回転させると、これに螺合するスライダ１２が、転動体転動路内の転動体１５の転動を介して案内レール１１に沿って軸方向に滑らかに移動する。このスライダ１２の移動時には、転動体転動路内の転動体１５は転動体循環路を転動しつつ無限循環する。
【００１８】
本発明では、案内レール１１を金属製とし、従来の金属製の案内レールと同等の機械的強度を確保するとともに、案内レール１１の転動体転動溝１１ａの内周面に、後述するフィラメントワインディング法やシートワインディング法による特定のＦＲＰ製の転走部材１００を接合している。そのため、転走部材１００の分だけ金属材料を削減でき、案内レール１１の軽量化が図られる。また、案内レール１１の転動体転動溝１１ａを転動する転動体１５は金属製であり、転動体転動溝１１ａが金属製であると金属接触になり、凝着による剥離を起こしやすいが、特定のＦＲＰ製の転走部材１００にすることにより、異種材料同士の接触になるため凝着が起り難くなる。更には、この転走部材１００を形成する特定のＦＲＰは、強化繊維を樹脂中に分散させたＦＲＰに比べて高強度で、耐摩耗性にも優れる。
【００１９】
図２は転走部材１００の一例を示す図であり、一方の案内レール１１をその軸方向に対して垂直な断面で示している。図示されるように、案内レール１１の転動体転動溝の内周面を、転走部材１００の板厚分だけ削り取り、そこへ転走部材１００を埋め込み、接着剤で接合する。転走部材１００の断面形状を、図示されるようにＶ字状にすることにより、転動体１５とは点接触になり、接触面積を最小限にすることができる。また、転動体１５との接触角αは、４５°±１５°（３０〜６０°）とする。接触角αをこの範囲にすることにより、転走部材１００と転動体１５との接触面圧を安定に保つことができる。尚、転動体転動溝も、転走部材１００に合わせて断面Ｖ字状に形成する。
【００２０】
図２では転走部材１００が断面Ｖ字状の一体物であるが、成形時の応力が屈曲部位に残留している。そこで、図３に示すように、転走部材１００を、それぞれ板状の上レール１０１と下レール１０２とで構成することもできる。その際、図示されるように、下レール１０２の側面１０２ａを上レール１０１の平面部下端１０１ａに当接して、全体としてＶ字状断面を呈するように連結する。下レール１０２は、転動体１５の通過により熱膨張して上レール１０１の平面部下端１０１ａを押圧するため、両レール１０１，１０２の接合状態が良好になる。
【００２１】
また、図４に示すように、上レール１０１の平面部下端１０１ａに、下レール１０２の板厚に相当する段状凹部１０１ｂを形成し、段状凹部１０１ｂに下レール１０２の側面１０２ａを係合させてもよい。これにより、上レール１０１の下レール１０２との接触面積が増し、上レール１０１の段状凹部１０１ｂの段部上面１０１ｃが、板レール１０２の側面１０２ａ近傍の上面を押圧して、下レール１０２の動きをより抑えることができる。
【００２２】
上レール１０１と下レール１０２との接触面積を更に増やすために、図５及び図６に示すように、段状凹部の段数を増やすこともできる。図５では、下レール１０２の側面１０２ａを、平面から図４に示した上レール１０１の段状凹部１０１ｂに係合する段状凹部１０２ｂに加工し、両段状凹部１０１ｂ、１０２ｂを係合させている。また、図６では、上レール１０１の段状凹部１０１ｄを２段にし、図５に示した段状凹部１０２ｂを有する下レール１０１を係合している。何れの場合も、両段状凹部１０１ｂ、１０１ｄ、１０２ｂ同士が押圧し合い、両レール１０１，１０２の係合が安定化する。
【００２３】
また、図２に示すように、転走部材１００は案内レール１１の転動体転動溝の内周面に接合されるが、図７に示すように、案内レール１１に、転動体転動溝の両端縁から転走部材１００の両端に延出するフック部２０を形成することにより、転走部材１００が転動体転動溝から脱離しないようにすることもできる。尚、図示は省略するが、転走部材１００として図３〜図６に示した上レール１０１と下レール１０２とを用い、上レール１０１及び下レール１０２の端部をフック部２０で抑えることもできる。
【００２４】
上記は案内レール１１の転動体転動溝１１ａの内周面に転走部材１００を接合した場合であるが、スライダ１２の転動体転動溝１２ｂの内周面にも同様の転走部材を接合することもでき、それによりスライダ１２の機械的強度を確保しつつ、一軸アクチュエータ全体としての更なる軽量化を図ることができる。
【００２５】
即ち、図８は図２に対応するものであり、スライダ１２の転動体転動溝１２ｂを断面Ｖ字状に加工し、その内周面に図２に示した一体型の転走部材１００と同様の転走部材２００を接合することができる。尚、図示は省略するが、転走部材２００と転動体１５とは、同様に接触角４５°±１５°で点接触する。また、転走部材を上レールと下レールとで構成することもできる。図９は図３に対応するが、上レール２０１の平面部下端２０１ａに下レール２０２の側面２０２ａを係合している。図１０〜図１２は図３〜図５に対応するが、上レール２０１の段状凹部２０１ｂ、２０１ｄと、下レール２０２の段状凹部２０２ｂとを係合させることもできる。
【００２６】
更に、図１３に示すように、図７と同様に、スライダ１２の転動体転動溝の両端縁から転走部材２００の両端に延出するフック部２５を形成して転走部材２００の脱離を防止することもできる。
【００２７】
転走部材１００，２００は、強化繊維をバインダー樹脂で結着したＦＲＰ製の成形体であるが、本発明ではこのＦＲＰをフィラメントワインディグ法やシートワインディング法により作製した基材を、上記したように断面Ｖ字状、または上レール１０１と下レール１０２とにプレス成形する。フィラメントワインディング法やシートワインディング法を用いたことにより、強化繊維を樹脂中に分散させた繊維強化樹脂に比べて高強度で、耐摩耗性に優れるようになる。
【００２８】
図１４は、フィラメントワインディング法を説明するための装置構成を示す模式図であるが、複数本の強化繊維フィラメントを、液状のバインダー樹脂が貯蔵された樹脂槽に通してバインダー樹脂を塗布または含浸させながら束ねて一本のフィラメント束とし、この強化繊維フィラメント束を回転するマンドレル（芯棒）に所定の角度で巻き付ける。強化繊維フィラメント束は、トラバース装置により、マンドレル上を往復して移動する。
【００２９】
尚、強化繊維フィラメント束の巻き方は、図１５（ａ）に示すように、下層のフィラメント束に対してある角度（図の例ではθ＝１５°）で交差するように巻き付けるヘリカル巻き、図１５（ｂ）に示すように、マンドレルに対して垂直となるように巻き付けるパラレル巻きとに大別することができるが、強度的にはヘリカル巻きの方が優れており好ましい。尚、ヘリカル巻きにおける交差角度（θ）は１０°〜８５°が好適であり、４５°が特に好ましい。
【００３０】
そして、目的の巻付厚になった時点で、マンドレルごと装置から取り外し、バインダー樹脂が未硬化または半硬化状態でマンドレルを抜き取り、マンドレルを抜き取った後のフィラメント束の巻回物を折り畳み、平板状にしてプレス成形機に装着し、加熱加圧して断面Ｖ字状または板状に成形する。その際、マンドレルの引き抜きを容易にするために、予めマンドレルに離形剤を塗布してもよい。
【００３１】
尚、上レール１０１の段状凹部１０１ｂ，１０１ｄ、下レール１０２の段状凹部１０２ｂは、これらの段状凹部を有する成形型を用いてプレス成形してもよいし、板状の成形物とした後に段状凹部に加工してもよい。
【００３２】
また、シートワインディング法では、図示は省略するが、強化繊維をシート状に編み、バインダー樹脂で結着してシート状としたプリプレグを作製する。そして、このプリプレグを複数枚積層して所定の厚さとし、プレス成形機に装着し、断面Ｖ字状または平板状に成形する。
【００３３】
更には、フィラメントワインディング法によるフィラメント束の巻回物を平板状に折り畳んだものと、シートワインディング法によるプリプレグとを積層し、プレス成形してもよい。
【００３４】
フィラメント束及びシートを形成する強化繊維は、引張強度５００ＭＰａ以上、好ましくは３９２０ＭＰａ以上で、引張弾性率が３０ＧＰａ以上、好ましくは２３５ＧＰａ以上の有機繊維または無機繊維である。具体的には、下記表に示す繊維を挙げることができるが、中でも、軽量で、高強度であることから炭素繊維（ＣＦ）が好ましい。尚、炭素繊維はＰＡＮ系、ピッチ系の何れも使用可能である。
【００３５】
【表１】
0006747076.tif 000002
【００３６】
その他、好ましい強化繊維としては、ガラス繊維（ＧＦ）、アラミド繊維（ＡＦ）、ボロン繊維（ＢＦ）、ポリアリレート繊維（ＰＡＲＦ）、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール繊維（ＰＢＯＦ）、超高分子量ポリエチレン繊維（ＵＨＰＥＦ）等を挙げることができる。
【００３７】
また、強化繊維は、バインダー樹脂との接着性を高めるために、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等のサイジング剤で表面処理することも好ましい。
【００３８】
強化繊維の平均直径は、５〜２１μｍが好ましく、７〜１５μｍがより好ましい。平均直径が５μｍよりも細くなると、１本当たりの強度が低く安定した製造が困難になり、大幅なコストアップになるので実用性が低い。平均直径が２１μｍよりも太くなると、１本当たりの強度が高まるものの、フィラメント束が太くなりすぎて緻密な巻き付けが困難になる。
【００３９】
尚、繊維には短繊維と長繊維があるが、長繊維は短繊維に比べて強度、耐衝撃、寸法精度、導電性等に優れるため好ましい。
【００４０】
バインダー樹脂は、エポキシ樹脂やビスマレイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等を使用でき、強化繊維との接着性を考慮して選択される。例えば、炭素繊維の場合、エポキシ樹脂を用いることができる。また、バインダー樹脂の塗布または含浸量は、強化繊維のフィラメント束またはシートとの合計量に対して、１５〜４５質量％が好ましく、２０〜４０質量％がより好ましく、２４〜３３質量％が更に好ましい。バインダー樹脂量が１５質量％より少なくなるとフィラメント束やシートの結着が十分ではなく、４５質量％より多くなると強化繊維量が少なすぎて十分な強度が得られない。尚、バインダー樹脂量が、得られるねじ軸中の樹脂量になり、残部が強化繊維量、あるいはサイジング剤との合計量になる。
【００４１】
本発明は種々の変更が可能であり、例えば転走部材１００，２００と転動体１５との接触角αが４５°±１５°であれば、上記したような断面Ｖ字状である必要はなく、断面形状がゴシックアーチ状等、他の断面形状であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１１  案内レール
１１ａ，１２ｂ  転動体転動溝
１２  スライダ
１３  ねじ軸
１４，１５  転動体
１７  サポートユニット
２０，２５  フック部
３０  側壁
１００，２００  転走部材
１０１，２０１  上レール
１０２，２０２  下レール
１０１ｂ，１０１ｄ，１０２ｂ，２０１ａ，２０１ｄ，２０２ｂ  段状凹部
【図１】
0006747076.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0006747076.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
0006747076.tif 000015
【図１４】
0006747076.tif 000016
【図１５】
0006747076.tif 000017