(57)【要約】【課題】ボール転走溝の曲率半径をボールの半径に近づけることなく、負荷容量の増大を図ることができる運動案内装置を提供する。【解決手段】リニアガイドの軌道レール及び移動ブロックに、前記軌道部材と前記移動部材との間に介在されるボールが転がる際の軌道となるボール転走溝を形成する。ボール転走溝の接点付近にボール転走溝が伸びる方向に伸びる複数条の突起を形成し、ボールに作用する荷重によってボールと複数条の突起とが接触するようにする。ボールへの負荷はそれぞれの点に分散して負荷され、特定の一点での高い応力集中を抑制することができる。したがって、ボール転走溝の曲率半径をボールの半径に近づけることなく、負荷容量の増大を図ることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道部材及び移動部材の少なくとも一方に、前記軌道部材と前記移動部材との間に介在されるボールが転がる際の軌道となるボール転走溝が形成される運動案内装置において、
前記ボール転走溝には、ボール転走溝が伸びる方向に一様に伸びる複数条の突起が形成され、
前記軌道部材と前記移動部材との間で荷重を受ける前記ボールは、前記複数条の突起間の窪みに接触する前に前記複数条の突起に接触することを特徴とする運動案内装置。
【請求項２】
前記荷重によって、前記突起が弾性変形して前記ボールが前記窪みに接触することを特徴とする請求項１に記載の運動案内装置。
【請求項３】
前記運動案内装置は、直線的若しくは曲線的に伸びる軌道部材に移動部材がスライド可能に取り付けられた直線若しくは曲線運動案内装置、又は環状の軌道部材に環状の移動部材が回転可能に組みつけられた転がり軸受けであることを特徴とする請求項１又は２に記載の運動案内装置。
【請求項４】
ねじ軸及びナットに、前記ねじ軸と前記ナットとの間に介在されるボールが転がる際の軌道となる螺旋状のボール転走溝が形成されるボールねじにおいて、
前記ボール転走溝には、螺旋状のボール転走溝が伸びる方向に一様に伸びる複数条の突起が形成され、
前記軌道部材と前記移動部材との間で荷重を受ける前記ボールは、前記複数条の突起間の窪みに接触する前に前記複数条の突起に接触することを特徴とするボールねじ。
【請求項５】
軌道部材及び移動部材の少なくとも一方に、軌道部材と移動部材との間に介在されるボールが転がる際の軌道となるボール転走溝を形成するボール転走溝の製造方法において、
前記ボールの半径よりも半径が小さな円盤状の刃物又は砥石を前記ボール転走溝の伸びる方向に移動させ、前記刃物又は砥石の外周形状を前記ボール転走溝に転写する工程と、
前記刃物又は砥石を前記ボール転走溝が伸びる方向と直交する面内で移動させる工程と、
前記刃物又は砥石を前記ボール転走溝の伸びる方向に移動させ、前記刃物又は砥石の外周形状を前記ボール転走溝に転写する工程とを備え、
前記ボール転走溝には、前記ボール転走溝が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されることを特徴とするボール転走溝の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道部材と移動部材との間に転がり運動する複数のボールが介在され、案内対象の直線運動又は回転運動を案内する運動案内装置、又はねじ軸とナットとの間に転がり運動する複数のボールが介在されるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
運動案内装置の軌道部材及び移動部材には、転がり運動するボールの軌道となるボール転走溝が形成される。ボール転走溝には目的とする荷重の受け方によって様々な形態が適用されている。
【０００３】
図１２はボール転走溝の断面を示す。ボール転走溝の二大形状には、サーキュラーアーク溝とゴシックアーチ溝がある。図中（Ａ）に示すように、サーキュラーアーク溝の断面形状は１つの円弧でできていて、サーキュラーアーク溝を持った軌道部材と移動部材とでボールを挟むと、ボールの接点が２点になるので２点接触と呼ばれる。図中（Ｂ）に示すように、ゴシックアーチ溝の断面形状は、２つの円弧でできているため、通常ボールの接点が４つの４点接触構造になる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
２点接触では、ボールとボール転走溝との接点がボールを挟んで対峙し、４点接触では、ボール中心に対して概ね９０°ずれた方向に合計４つの接点が形成される。また、まれに３点で接触させる場合にも、ボール中心に対して概ね等間隔に配置されるのが常である。これらいずれの場合でも、それぞれの接点ではボールと平滑な曲面とが接する点接触になる。
【０００５】
【非特許文献１】
清水、他９名、「リニアシステム事始め」、リニアシステム編集委員会、２０００年６月１５日発行、ｐ．４０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の平滑なボール転走溝を有する運動案内装置では、各ボールの負荷容量は、ボール及びボール転走溝の幾何学的形状と材質とで一義的に定まる。そのため同一材質及び同一寸法のボールを用いて負荷容量の増大を図るには、ボール転走溝の曲率半径をボールの半径に近づける方法が採られてきた。しかしながら、ボールとボール転走溝の曲率半径を近づけることは加工での要求精度を高めることにつながり、コスト増等の産業上の不利益を併発した。
【０００７】
そこで本発明は、ボール転走溝の曲率半径をボールの半径に近づけることなく、負荷容量の増大を図ることができる運動案内装置、ボールねじ、及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。上記課題を解決するために本発明者は、ボール転走溝の接点付近にボール転走溝が伸びる方向に伸びる複数条の突起を形成し、荷重を受けるボールと複数条の突起とが接触するようにした。
【０００９】
すなわち請求項１の発明は、軌道部材及び移動部材の少なくとも一方に、前記軌道部材と前記移動部材との間に介在されるボールが転がる際の軌道となるボール転走溝が形成される運動案内装置において、前記ボール転走溝には、ボール転走溝が伸びる方向に一様に伸びる複数条の突起が形成され、前記軌道部材と前記移動部材との間で荷重を受ける前記ボールは、前記複数条の突起間の窪みに接触する前に前記複数条の突起に接触することを特徴とする運動案内装置により、上述した課題を解決する。
【００１０】
この発明によれば、ボールとボール転走溝との接点が一点ではなく、複数の点で接触するようになるので、ボールへの負荷はそれぞれの点に分散して負荷され、特定の一点での高い応力集中を抑制することができる。また複数の突起は、ボール転走溝の伸びる方向に一様に伸びているので、ボールが転がる際にボールの回転軸の方向を変化させ、ボールの回転を変えてしまうような力が働かない。したがって一点で接触しても多数点で接触しても、ボールが転がる際の抵抗には影響が少ない。
【００１１】
前記荷重によって、前記突起が弾性変形して前記ボールが前記窪みに接触するのが望ましい。
【００１２】
この発明によれば、突起が弾性変形して、ボールとボール転走溝との広い接触面積が確保されるので、ボール転走溝に広い負荷領域が確保される。
【００１３】
本発明の運動案内装置は、直線的若しくは曲線的に伸びる軌道部材に移動部材がスライド可能に取り付けられた直線若しくは曲線運動案内装置、又は環状の軌道部材に環状の移動部材が回転可能に組みつけられた転がり軸受けに好適に用いることができる。
【００１４】
また本発明は、ねじ軸及びナットに、前記ねじ軸と前記ナットとの間に介在されるボールが転がる際の軌道となる螺旋状のボール転走溝が形成されるボールねじにおいて、前記ボール転走溝には、螺旋状のボール転走溝が伸びる方向に一様に伸びる複数条の突起が形成され、前記軌道部材と前記移動部材との間で荷重を受ける前記ボールは、前記複数条の突起間の窪みに接触する前に前記複数条の突起に接触することを特徴とするボールねじとして構成してもよい。
【００１５】
さらに本発明は、軌道部材及び移動部材の少なくとも一方に、軌道部材と移動部材との間に介在されるボールが転がる際の軌道となるボール転走溝を形成するボール転走溝の製造方法において、前記ボールの半径よりも半径が小さな円盤状の刃物又は砥石を前記ボール転走溝の伸びる方向に移動させ、前記刃物又は砥石の外周形状を前記ボール転走溝に転写する工程と、前記刃物又は砥石を前記ボール転走溝が伸びる方向と直交する面内で移動させる工程と、前記刃物又は砥石を前記ボール転走溝の伸びる方向に移動させ、前記刃物又は砥石の外周形状を前記ボール転走溝に転写する工程とを備え、前記ボール転走溝には、前記ボール転走溝が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されることを特徴とするボール転走溝の製造方法により、上述する課題を解決する。
【００１６】
この発明によれば、複数条の突起間の窪みがボールの半径よりも小さな曲率半径になるので、ボールとボール転走溝との接点が一点ではなく、複数の点で接触するようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態における運動案内装置の斜視図を示す。この図は直線運動案内装置としてリニアガイドを示している。リニアガイドは軌道部材としての軌道レール１と、軌道レール１に多数のボール２…を介してスライド可能に取り付けられた移動部材としての移動ブロック３とを備えている。軌道レール１はその長手方向と直交する断面が概略矩形状に形成された長尺の部材であり、その上面及び両側面にはボールが転がる際の軌道になるボール転走溝１ａ…が軌道レール１の全長に渡って形成されている。
【００１８】
ここで軌道レール１は、直線的に伸びるように形成されることもあるし、曲線的に伸びるように形成されることもある。またボール転走溝１ａ…の本数は左右で２条ずつ合計４条設けられているが、その条数はリニアガイドの用途等に応じて種々変更され得る。
【００１９】
移動ブロック３にも、ボール転走溝１ａ…とそれぞれ対向するボール転走溝３ａ…が設けられている。軌道レール１のボール転走溝１ａ…と移動ブロック３のボール転走溝３ａ…との間で負荷転走路１２…が形成され、複数のボール２…が挟まれている。さらに移動ブロック３には、各ボール転走溝１ａと平行に伸びる４条の戻し路１３…と、各戻し路１３…と各負荷転走路１２…を結ぶ方向転換路が設けられている。１つの方向転換路５及び戻し路１３と、それらを結ぶ一対の方向転換路５との組合せによって１つの無限循環路が構成される（図２参照）。
【００２０】
図２は無限循環路の伸びる方向に沿った無限循環路の断面図を示す。各無限循環路には、多数のボール２…が連結体８により相互に連鎖した状態で装填されている。連結体８は、所定間隔で設けられた多数の間座部４…と、それらの間座部４…をその両側で結ぶ一対のベルト部１０，１０とを有しており、間座部４，４同士の間にボール２が収容・保持される。間座部４のボール２との対向面はボール２に合わせて球面状に凹んでいる。これにより、ボール２，２同士の接触を防止することができるとともに、無限循環路内でのボール２…のスムーズな循環が可能になる。
【００２１】
移動ブロック３が軌道レール１に沿って移動するのに伴って、ボール２…は荷重を受けつつ負荷転走路１２をその一端から他端まで転がり運動し、その後一方の方向転換路５に掬い上げられて戻し路１３へ導かれ、さらに反対側の方向転換路５を経由して負荷転走路１２の一端に戻される。
【００２２】
図３はボール転走溝１ａの伸びる方向と垂直な面内におけるボール転走溝１ａの断面図を示す。通常ボール２が転がる際の軌道となるボール転走溝１ａは、滑らかな表面であり、限りなく幾何学的な円弧に近い形状にされる。これに対して本実施形態では、ボール２とボール転走溝１ａとの接点付近において、ボール転走溝１ａが伸びる方向に伸びる複数条の突起７…が形成される。この突起７…は粗さのようにランダムな凹凸ではなく、ボール２が進む方向（紙面と直交する方向）に対しては一様な形状をなし、ボール２が進む方向と直交する面内においてボール２と複数点で接触する。突起７…が形成されるボール転走溝１ａのアウトラインは、サーキュラーアーク溝に形成されてもよく、ゴシックアーチ溝に形成されてもよく、また平滑な平面に形成されてもよい。
【００２３】
軌道レール１と移動ブロック３との間に介在されるボール２には荷重が作用する。荷重を受けるボールは図中（Ａ）に示すように、突起７，７間の窪み３９に接触する前に複数条の突起７…に接触する。すなわちボール転走溝にボールを載せただけの状態（すなわち荷重が作用していない状態）では、ボール２は一対の突起７，７のみに接触して突起７，７間の窪み３９に接触することがない。ボールに荷重が加わると、図中（Ｂ）に示すように、複数条の突起７，７が弾性変形してボール２が突起７，７間の窪み３９にも接触する。ボール２が突起７，７間の窪み１３に接触するとき、突起７…は弾性変形するが、塑性変形することがない。このため、ボール２から荷重が取り除かれると、再び突起７…は図中（Ａ）に示すように復元する。
【００２４】
突起７…のピッチは例えば以下のように決定される。想定された負荷、例えば基本静定格荷重の中で予想されるボール２とボール転走溝１ａとの接触領域がある。この接触領域において３〜４条の突起７…とボール２とが接触するように突起７…のピッチが設定される。ここで基本静定格荷重とは、最大応力を受けている接触部において、ボール２の永久変形量とボール転走溝１ａの永久変形量との和が、ボール２の直径の１／１００００倍になるような方向と大きさの一定した静止荷重をいう。
【００２５】
複数条の突起７…がレールのような役割をなし、ボール２がレールの上を転がっていくようになる。ボール２がボール転走溝１ａを転がる際、ボール２は移動する方向と直交する方向に回転軸１４を持つ。この回転軸１４を拘束するような力が掛かったときにボール２とボール転走溝１ａの接触点に摩擦が働く。ボール２が完全な円弧状のボール転走溝１ａと一点で接触する場合でも、本実施形態のように一対の突起７，７と二点で接触する場合であっても、その回転軸１４を拘束するような力は働かない。したがって、突起７…があったとしてもボール２が転がる方向における抵抗に与える影響は少ない。
【００２６】
またボール２に加わる荷重に対しては一点で受けるよりも多数点で受けるようになるので、荷重の割には接触面積の拡大が早くなり、負荷容量を接触面積の拡大に見合う分大きくすることができる。
【００２７】
図４乃至図７はボールと平滑面が一点で接触する場合と、二点で接触する場合とで発生する応力及びせん断力をＦＥＭ（有限要素法）で解析した結果を示す。ここでは、１２．７ｍｍのボールにある荷重をかけて５μｍ強制的に平滑面あるいは３μｍ〜５μｍ程度の高さの突起に押し付けている。またこれらの図はボール及び平滑面の接触部分を拡大して示している。
【００２８】
図４及び図５は発生する応力（Ｖｏｎ  Ｍｓｅｓ応力）の分布を示す。図４は通常どおり、ボールと平滑面が一点で接触する場合を示し、図５はボールと突起が二点で接触する場合を示す。応力の大きさが等しい部分には同一のハッチングが施してある。
【００２９】
図５に示すように、二点で接触する場合、少し離れている二点で接触しはじめ、二点の中間部分は空いている状態になっている。ボール２に荷重を加えると離れた二点で荷重を受けはじめ、ボールと平滑面との接触領域が突起の内側にも外側にも広がっていくのがわかる。このため応力も全体に分散していき、大きな応力も発生しにくくなる。
【００３０】
図６及び図７は発生するせん断力（ＸＹ  ｓｈｅａｒ）の分布を示す。図６は通常どおり、ボールと平滑面が一点で接触する場合を示し、図７はボールと突起が二点で接触する場合を示す。せん断力の大きさが等しい部分には同一のハッチングが施してある。
【００３１】
ボールの破壊を考慮するときに一番問題になるのは、最大せん断応力である。ボールが荷重を受けたときに、最大せん断応力が働く部分はボールの接触点よりもわずか内側であり、最大せん断応力が働く部分ですべりを生じさせる力が働くために材料が破壊する。
【００３２】
図７に示すように、二点で接触する場合は、せん断力が大きくなる範囲も少なくなるし、またせん断力も全体に分散するのがわかる。
【００３３】
図８はボール転走溝１ａの製造方法を示す。まずボール２の半径よりも半径が小さな円盤状の砥石１５を用意する。次に砥石１５を回転させつつ、ボール転走溝１ａが伸びる方向（紙面と直交する方向）に移動させ、砥石１５の外周面でボール転走溝１ａを粗加工面から転走面まで研削し、砥石１５の外周形状をボール転走溝１ａに転写する。次に砥石１５の位置を例えばＮｏ．９の砥石位置からＮｏ．１０の砥石位置というように、ボール転走溝１ａが伸びる方向と直交する面内で一定の間隔を保って移動させる。再び砥石１５をボール転走溝１ａの伸びる方向に移動させ、砥石１５の外周形状を前記ボール転走溝１ａに転写する。これにより例えば、Ｎｏ．９の砥石の円弧とＮｏ．１０の砥石の円弧との境目に突起７が形成される。この図では突起７の形状を実際のものより大きく示している。
【００３４】
なお砥石１５をボール転走溝１ａが伸びる方向に直線的に移動させれば、直線運動案内装置用のボール転走溝を形成でき、円形に移動させれば転がり軸受け用のボール転走溝を形成でき、螺旋状に移動させればボールねじ用のボール転走溝を形成できる。
【００３５】
またこのボール転走溝の製造方法の他に、ＮＣ（数値制御）技術によって砥石の外周面に凹凸を形成し、この砥石をボール転走溝の伸びる方向に移動させ、凹凸の砥石の外周形状をボール転走溝に転写し、これによりボール転走溝に複数条の突起を形成してもよい。さらに砥石の代わりに切削用の刃物を用いてもよい。
【００３６】
図９は本発明の第２の実施形態における運動案内装置の斜視図を示す。この図は、直線運動案内装置としてボールスプラインを示している。ボールスプラインは軌道部材としてのスプライン軸２１と、そのスプライン軸２１に多数のボール２２…を介して移動自在に取り付けられた移動部材としての外筒２３とを有している。
【００３７】
スプライン軸２１の表面には、ボール２２の軌道となり、スプライン軸２１の軸線方向に延びるボール転走溝２１ａ…が形成される。スプライン軸２１に取り付けられる外筒２３には、ボール転走溝２１ａに対応するボール転走溝が形成される。これらのボール転走溝２１ａ…に、ボール転走溝２１ａ…が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成される。
【００３８】
外筒２３に形成したボール転走溝とスプライン軸２１に形成したボール転走溝２１ａとの間でボール転走路が形成される。ボール転走路の隣には荷重から解放されたボール２２…が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒２３には、複数のボール２２…をサーキット状に整列・保持する保持器２４が組み込まれる。
【００３９】
図１０は本発明の第３の実施形態におけるボールねじの斜視図を示す。ねじ軸３１には、その周囲に螺旋状の一定のリードを備えた略断面半円状のボール転走溝３１ａが形成される。ナット３２の内周面には、ねじ軸３１のボール転走溝３１ａに対向する略断面半円状のボール転走溝３２ａが形成される。これらのボール転走溝３１ａ，３２ａに、ボール転走溝３１ａ，３２ａが伸びる方向に伸びる螺旋状の複数条の突起が形成される。
【００４０】
ねじ軸３１のボール転走溝３１ａとナット３２のボール転走溝３２ａとの間のボール転走路には、複数のボール３４…が収容される。ナット３２には循環部品３３，３３が取り付けられる。循環部品３３，３３は、ボール転走路の一端と他端を連結する無負荷戻し通路を構成し、複数のボール３４…をねじ軸３１に対するナット３２の相対運動に併せて循環させる。
【００４１】
図１１は本発明の第４の実施形態におけるラジアル型の転がり軸受けの断面図を示す。環状の軌道部材としての外輪４１には環状の移動部材としての内輪４２が回転可能に組み付けられている。外輪４１及び内輪４２それぞれにはボール転走溝４１ａ，４２ａが形成され、これらのボール転走溝４１ａ，４２ａの間にボール４３が挟まれている。これらのボール転走溝４１ａ，４２ａに、ボール転走溝が伸びる方向に伸びる環状の複数条の突起が形成される。なおこの実施形態では、ラジアル型の転がり軸受について説明したが、複数条の突起が形成されるボール転走溝はスラスト型の転がり軸受に用いられてもよい。
【００４２】
なお本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば複数条の突起が形成されるボール転走溝は、軌道部材と移動部材の双方に形成されなくても、どちらか一方に形成されてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ボール転走溝の接点付近にボール転走溝が伸びる方向に伸びる複数条の突起を形成し、ボールに作用する荷重によってボールと複数条の突起とが接触するようにしたので、ボールへの負荷はそれぞれの点に分散して負荷され、特定の一点での高い応力集中を抑制することができる。したがって、ボール転走溝の曲率半径をボールの半径に近づけることなく、負荷容量の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における運動案内装置（リニアガイド）の斜視図（一部断面を含む）。
【図２】上記運動案内装置の無限循環路の伸びる方向に沿った無限循環路の断面図。
【図３】ボール転走溝の伸びる方向と垂直な面内におけるボール転走溝の断面図。
【図４】発生する応力（Ｖｏｎ  Ｍｓｅｓ応力）の分布を示す図（ボールと平滑面が一点で接触する場合）。
【図５】発生する応力（Ｖｏｎ  Ｍｓｅｓ応力）の分布を示す図（ボールと平滑面が二点で接触する場合）。
【図６】発生するせん断力（ＸＹ  ｓｈｅａｒ）の分布を示す図（ボールと平滑面が一点で接触する場合）。
【図７】発生するせん断力（ＸＹ  ｓｈｅａｒ）の分布を示す図（ボールと平滑面が二点で接触する場合）。
【図８】ボール転走溝の製造方法を示す図（ボール転走溝と直交する方向の断面図）。
【図９】本発明の第２の実施形態における運動案内装置（ボールスプライン）の斜視図。
【図１０】本発明の第３の実施形態におけるボールねじの斜視図。
【図１１】本発明の第４の実施形態におけるラジアル型の転がり軸受けの断面図。
【図１２】従来の一般的なボール転走溝の断面図（図中（Ａ）はサーキュラーアーク溝を示し、図中（Ｂ）はゴシックアーチ溝を示す）。
【符号の説明】
１ａ，３ａ，２１ａ，３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ…ボール転走溝
１…軌道レール（軌道部材）
２，２２，３４，４３…ボール
３…移動ブロック（移動部材）
７…突起
１５…砥石
２１…スプライン軸（軌道部材）
２３…外筒（移動部材）
３１…ねじ軸
３２…ナット
４１…外輪（軌道部材）
４２…内輪（移動部材）
【図１】
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【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】
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【図１２】
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