(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道輪およびこの軌道輪に沿って配列する複数の転動体を備える転がり軸受と、この転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材と、前記二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料とは熱膨張係数の異なる材料で形成された一方の軸受結合部材に取り付けられた前記転がり軸受に対する予圧付与機構とを具備し、
前記予圧付与機構は、前記転がり軸受の軌道輪を軸方向に押圧する軸受押えを有し、この軸受押えは前記一方の軸受結合部材に螺挿された固定ボルトによりその軸受結合部材に締結され、前記一方の軸受結合部材には前記固定ボルトの挿入部分に所定の深さの切欠部が形成され、前記固定ボルトは前記切欠部の区間では前記一方の軸受結合部材と螺合しない非接触状態に保持され、前記固定ボルトが前記一方の軸受結合部材の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成されていることを特徴とする回転支持機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用ロボットやマニピュレータ等の回転機構部に用いられる回転支持機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の回転支持機構はクロスローラ軸受等の転がり軸受を用いて構成されている。
【０００３】
図５には、クロスローラ軸受を用いて構成された従来の回転支持機構の構造を示してあり、クロスローラ軸受１は軌道輪としての内輪２および外輪３を備え、これら内輪２と外輪３との間に複数の転動体としての円筒ころ４が介装されている。そして外輪３は軸方向に分割された一対の分割輪３ａ，３ｂとで構成されている。
【０００４】
内輪２の内周には軸受結合部材としての支軸５が嵌合され、外輪３の外周には軸受結合部材としてのハウジング６が嵌合され、これら二つの軸受結合部材すなわち支軸５とハウジング６とがこのクロスローラ軸受１を介して互いに相対的に回転するようになっている。図５の例では支軸５が固定され、ハウジング６が外輪３と一体に回転するものとなっている。
【０００５】
支軸５の上端部には内輪用の軸受押え７が設けられ、この軸受押え７は支軸５に螺挿された固定ボルト８によりその支軸５に締結固定され、この軸受押え７で内輪２が軸方向に押圧され、その圧力で内輪２が支軸５に固定されている。
【０００６】
ハウジング６の下側には予圧付与機構として外輪用の軸受押え９が設けられ、この軸受押え９はハウジング６に螺挿された固定ボルト１０によりそのハウジング６に締結固定され、この軸受押え９で外輪３が軸方向に押圧され、軸受１に対し予圧が付与されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような回転支持機構においては、その動作時に温度が上昇して各構成部材が膨張する。軸受１や固定ボルト１０の材料は一般に鉄鋼材料であるが、ハウジング６が回転する部材である場合、その軽量化のためにハウジング６の材料としてアルミニウム材料が用いられることが多い。
【０００８】
この場合、アルミニウム材料は鉄鋼材料に比べその熱膨張係数が大きく、このため回転支持機構の部分的な位置での熱膨張量に差が生じ、この熱膨張差で軸受１にかかる予圧が変動してしまう。
【０００９】
すなわち、外輪用の軸受押え９とハウジング６とが接触する部分での水平方向の中間点の位置をＡ、固定ボルト１０の中心軸の位置をＢ、軸受押え９と軸受１の外輪３とが接触する部分での水平方向の中間点の位置をＣとし、これらＡ，Ｂ，Ｃの各位置での軸受１の軸方向についての熱膨張量を考えると、ハウジング６がアルミニウム材料で、軸受１および軸受押え９が鉄鋼材料である場合、Ａ点の位置での熱膨張量Δ１とＢ点の位置での熱膨張量Δ２とはほぼ同じで、Ｃ点の位置での熱膨張量Δ３はそれより小さくなる（Δ１≒Δ２＞Δ３）。
【００１０】
この結果、軸受１にかかる予圧（Ｃ点の位置に加わる力）が変動（この場合では減少）してしまう。そして予圧が変動すると、軸受１の起動トルクが変化し、動作が不安定となってしまう。
【００１１】
すなわち、予圧が変動すると、回転支持機構の回転摩擦トルクが変化し、スムーズに回転させることができなくなり、特に回転支持機構が複数同軸上に配された状態では、温度が変化すると互いの回転摩擦トルクの変化で影響を及ぼし合う結果となり、さらに動作が不安定となってしまう。
【００１２】
また、温度変化があまりない場合でも、軸受としてクロスローラ軸受を用いている場合、回転支持機構の回転トルクのばらつきが大きくなりやすいという問題がある。これは、クロスローラ軸受は剛性が高くコンパクトである点で回転支持機構で用いるのに好適であるが、回転トルクの絶対値が大きいため、各部材の寸法の狂い等によって回転トルクの値に大きな影響を及ぼすためである。
【００１３】
本発明はこのような点に着目してなされたもので、その目的とするところは、常に安定して所望の予圧を得ることができる回転支持機構を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転支持機構においては、軌道輪およびこの軌道輪に沿って配列する複数の転動体を備える転がり軸受と、この転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材と、前記二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料とは熱膨張係数の異なる材料で形成された一方の軸受結合部材に取り付けられた前記転がり軸受に対する予圧付与機構とを具備し、前記予圧付与機構は、前記転がり軸受の軌道輪を軸方向に押圧する軸受押えを有し、この軸受押えは前記一方の軸受結合部材に螺挿された固定ボルトによりその軸受結合部材に締結され、前記一方の軸受結合部材には前記固定ボルトの挿入部分に所定の深さの切欠部が形成され、前記固定ボルトは前記切欠部の区間では前記一方の軸受結合部材と螺合しない非接触状態に保持され、前記固定ボルトが前記一方の軸受結合部材の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成されていることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
【００１６】
図１には第１の実施形態を示してあり、この実施形態は転がり軸受としてクロスローラ軸受を用いた回転支持機構の例である。クロスローラ軸受１１は軌道輪としての内輪１２および外輪１３を備え、これら内輪１２と外輪１３との間に複数の転動体としての円筒ころ１４が介装されている。
【００１７】
外輪１３はその軸方向に分離する一対の分割輪１３ａ，１３ｂにより構成され、また円筒ころ１４は交互にほぼ９０°ずつその軸方向の向きを変えるクロス配置状態に配列され、図示しない環状の保持器で互いに所定の間隔を保つように支持されている。
【００１８】
このクロスローラ軸受１１は前記円筒ころ１４のクロス配置によりラジアル荷重およびスラスト荷重の複合荷重に対して有効に対応することができる構造となっている。
【００１９】
内輪１２の内周には軸受結合部材としての円筒状の支軸１５が嵌合され、外輪１３の外周には軸受結合部材としての円環状のハウジング１６が嵌合されている。そしてこの実施形態においては、ハウジング１６が外輪１３と一体に回転する部材で、このハウジング１６がその軽量化のためにアルミニウム材料で形成されている。
【００２０】
支軸１５の上端部には内輪用の軸受押え１７が設けられ、この軸受押え１７は支軸１５に螺挿された固定ボルト１８によりその支軸１５に締結固定され、この軸受押え１７で内輪１２が軸方向に押圧され、その圧力で内輪１２が支軸１５に固定されている。
【００２１】
ハウジング１６の下側には予圧付与機構として外輪用の軸受押え１９が設けられ、この軸受押え１９はハウジング１６に螺挿された固定ボルト２０によりそのハウジング１６に締結固定されている。
【００２２】
固定ボルト２０は軸受１１の軸方向に沿ってハウジング１６に螺挿され、この固定ボルト２０で締結された前記軸受押え１９で外輪１３が軸方向に押圧され、予圧が付与されている。
【００２３】
ハウジング１６には固定ボルト２０を挿入するための切欠部、例えば座ぐり２３が形成され、この座ぐり２３の深さ方向の先方に固定ボルト２０を螺合させるためのねじ孔２４が形成されている。座ぐり２３の内径は固定ボルト２０の外径より大きく、固定ボルト２０はこの座ぐり２３を遊挿してねじ孔２４に螺挿されている。
【００２４】
すなわちこの固定ボルト２０は、座ぐり２３の区間ではハウジング１６と螺合しない非接触状態に保たれ、ねじ孔２４に螺合する部分のみがハウジング１６に接触する状態となっている。
【００２５】
軸受１１の外輪１３の下端面は、ハウジング１６の下端面より僅かにその下方側に突出している。そして前記軸受押え１９はハウジング１６の下端面に接触する第１の接触部１９ａと、外輪１３の下端面に接触する第２の接触部１９ｂとを有し、これら第１の接触部１９ａと第２の接触部１９ｂとの間の位置に固定ボルト２０が挿入されている。
【００２６】
ハウジング１６はその軽量化のためにアルミニウム材料で形成されているが、前記軸受１１、軸受押え１９、固定ボルト２０の材料はその強度上の点から鉄鋼材料により形成されている。
【００２７】
したがって、温度が上昇したときの軸受１１の軸方向についての伸びを考えるとき、ハウジング１６に座ぐり２３がなく、固定ボルト２０のハウジング１６に挿入された全長部分がハウジング１６に対して螺合している場合には、前述の通り、軸受押え１９の第１の接触部１９ａの水平方向の中間点のＡ点の位置での熱膨張量Δ１と、固定ボルト２０の中心軸上のＢ点の位置での熱膨張量Δ２と、第２の接触部１９ｂの水平方向の中間点のＣ点の位置での熱膨張量Δ３との関係は、Δ１≒Δ２＞Δ３となる。
【００２８】
これに対し、本実施形態においては、ハウジング１６に対する固定ボルト２０の挿入部分に座ぐり２３が形成されており、このためこの座ぐり２３の深さの部分での固定ボルト２０の熱膨張量は座ぐり２３がない場合と比べて小さくなるので、Ｂ点の位置での熱膨張量Δ２が前記の場合より小さくなり、Δ１＞Δ２＞Δ３の関係となる。
【００２９】
そしてこの関係により、軸受押え１９に加わるＢ−Ｃ間での曲げ応力の減少が小さくなり、したがって軸受１１に対する予圧の変動（減少）を小さく抑えることができる。
【００３０】
さらに説明すると、
Ａ−Ｂ間の距離Ｌ１
Ｂ−Ｃ間の距離Ｌ２
座ぐり２３の深さをＨ１
ハウジング１６の下端面と軸受１１の上端面との間の距離Ｈ２
第１の接触部１９ａの第２の接触部１９ｂに対する突出の高さＨ３
ハウジング１６（アルミニウム材料）の熱膨張係数ρ１
軸受１１（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ２
軸受押え１９（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ３
固定ボルト２０（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ４
温度変化量ｔ
としたときに、
Ａ点の位置での熱膨張量Δ１は、
Δ１＝Ｈ２・ρ１・ｔ＋Ｈ３・ρ３・ｔ
Ｂ点の位置での熱膨張量Δ２は、
Δ２＝（Ｈ２−Ｈ１）・ρ１・ｔ＋（Ｈ１＋Ｈ３）・ρ４・ｔ
Ｃ点の位置での熱膨張量Δ３は、
Δ３＝（Ｈ２＋Ｈ３）・ρ２・ｔ
となる。
【００３１】
ここで、軸受１１の外輪１３を押圧する力（予圧）を一定にするためには、軸受押え１９の固定ボルト２０を隔てた両側の熱膨張量がバランスの取れた状態に保たれればよいから、
Ｌ１：Ｌ２＝（Δ１−Δ２）：（Δ２−Δ３）
となる。
【００３２】
したがって、このＬ１：Ｌ２＝（Δ１−Δ２）：（Δ２−Δ３）の条件を満たすように、座ぐり２３の深さＨ１を定めれば、温度の変化に対する軸受１１の予圧の変動をほぼなくすことができるので、より好ましい。
【００３３】
すなわち、Ｌ１、Ｌ２、Ｈ２、Ｈ３、ρ１、ρ２、ρ３、ρ４が既知の値で、Ｈ１のみが未知の値であるとすると、
Ｈ１＝｛Ｌ１・Ｈ２・ρ１−Ｌ１・（Ｈ２＋Ｈ３）・ρ２−Ｌ２・Ｈ３・ρ３＋（Ｌ１＋Ｌ２）・Ｈ３・ρ４｝／｛（Ｌ１＋Ｌ２）・（ρ１−ρ４）｝
となり、Ｈ１がこれを満足すれば、軸受押え１９が外輪１３を押圧する力（予圧）は温度が変化しても変わらないことになる。
【００３４】
例えば、
ρ１＝ρａ
ρ２＝ρ３＝ρ４＝ρ
Ｈ３＝０
Ｈ２＝Ｈ
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ
である場合においては、
Ｈ１＝（Ｌ・Ｈ・ρａ−Ｌ・Ｈ・ρ）／｛（２・Ｌ）・（ρａ−ρ）｝
＝Ｌ・Ｈ・（ρａ−ρ）／｛（２・Ｌ）・（ρａ−ρ）｝
＝Ｈ／２
となる。
【００３５】
一方、本実施形態においては、転がり軸受としてクロスローラ軸受１１を用いている。このクロスローラ軸受１１は、ラジアル方向（径方向）およびスラスト方向（軸方向）の荷重を共に支持でき、しかも転動体として円筒ころ１４を使用しているから剛性が高く、さらにコンパクトであるという利点がある。
【００３６】
しかし、製造工程上、外輪１３の分割輪１３ａ，１３ｂの外周面の軸心と、その各分割輪１３ａ，１３ｂの内側の軌道面１３ａ′，１３ｂ′の軸心とを同時に完全に一致させることは困難である。
【００３７】
このため二つの分割輪１３ａ，１３ｂの外周面を共にハウジング１６の内周面に密着させると、両分割輪１３ａ，１３ｂの軌道面１３ａ′，１３ｂ′が互いにずれて一致しなくなりやすく、これが起動トルクのばらつきの原因となる。
【００３８】
そこで、本実施形態においては、一対の分割輪１３ａ，１３ｂの一方の分割輪１３ａの外周面のみをハウジング１６の内周面に密着させて拘束し、他方の分割輪１３ｂは外周面をハウジング１６の内周面に密着させずにその間に僅かな隙間Ｓを設けて非拘束状態に保持し、これにより一方の分割輪１３ａの軌道面１３ａ′の軸心と他方の分割輪１３ｂの軌道面１３ｂ′の軸心とが一致するようにしてある。
【００３９】
一方の分割輪１３ａの外周面をハウジング１６の外周面に密着させるのは、ハウジング１６の回転中心を軸受１１の回転中心に一致させるための基準面とするためであるが、そのために要求される精度は、両分割輪１３ａ，１３ｂの軌道面１３ａ′，１３ｂ′同士の軸心合わせに要求される精度より緩やかである。
【００４０】
本発明は前記実施形態に限らず、図２に第２の実施形態として示すように、ハウジング１６の固定ボルト挿入部に座ぐり２３を形成すると共に、さらに転がり軸受１１の内輪１２に嵌合した支軸１５においても、固定ボルト挿入部に座ぐり２３を形成し、この座ぐり２３を通してねじ孔２４に螺挿された固定ボルト１８で内輪用の軸受押え１７を支軸１５に締結固定し、この軸受押え１７で軸受１１の内輪１２を押圧して固定するような構成とすることも可能である。このような構造によれば、温度が変化したときの内輪１２を押圧する力の変動も抑えることができる。
【００４１】
また、図３に第３の実施形態として示すように、転がり軸受として玉軸受、例えば組合せ玉軸受１１ａを用いるような場合であってもよい。この玉軸受１１ａは軌道輪としての内輪１２および外輪１３と、転動体としての複数の玉１４ａとで構成されている。
【００４２】
そして外輪１３の外周に嵌合したハウジング１６に固定ボルト２０を介して軸受押え１９が締結固定され、この軸受押え１９により玉軸受１１ａの外輪１３が軸方向に押圧され、予圧が付与されている。
【００４３】
前記各実施形態においては、ハウジング１６に切欠部として座ぐり２３を形成し、この座ぐり２３で固定ボルト２０の所定の区間をハウジング１６と螺合しない非接触状態に保持するようにしたが、その座ぐり２３に代えて図４に第４の実施形態として示すように、ハウジング１６に切欠部として段差状に凹む凹部２３ａを形成し、この凹部２３ａにより固定ボルト２０の所定の区間をハウジング１６と螺合しない非接触状態に保持するようにしてもよい。
【００４４】
図５に示す構成の従来品と、図１〜図４に示す構成の本発明品とをそれぞれ複数ずつ製作し、常温（２５℃）と高温（６０℃）の状態のもとでの回転起動トルクを測定したところ、従来品では各温度状態のもとでの１台ごとの起動トルクのばらつきが大きく、また常温と高温との間での起動トルクの変化が小さいものもあったが大きいものもあり、所望のトルク値を得ることが困難であった。
【００４５】
本発明品においては、各温度状態のもとでの１台ごとの起動トルクのばらつきが小さく、所望のトルク値を得ることができ、また常温と高温との間での起動トルクの変化を抑制することができた。
【００４６】
なお、前記各実施形態においては、転がり軸受の外輪１３がその外周に嵌合した軸受結合部材（ハウジング１６）と一体に回転する場合の例であるが、外輪１３の外周に嵌合した一方の軸受結合部材（ハウジング１６）を固定し、内輪１２に嵌合した他方の軸受結合部材（支軸１５）を回転させる場合であってもよい。
【００４７】
この場合には、その回転する部材である支軸１５を軽量化のために例えばアルミニウム材料とし、固定の部材であるハウジング１６を軸受１１と同じ鉄鋼材料とする。そしてアルミニウム材料からなる支軸１５の熱膨張を考慮してその支軸１５に座ぐりや段差状の凹部等からなる切欠部を形成する。
【００４８】
また、転がり軸受としてクロスローラ軸受１１を用いる場合、図１、図２、図３においてはその外輪１３を分割構造としているが、内輪１２を分割構造とし、その分割構造の内輪１２を予圧付与機構で押圧するように構成することも可能である。
【００４９】
この場合、内輪１２の分割輪のいずれか一方の内周面のみを支軸の外周面に密着させて拘束し、他方は非拘束状態にすると、起動トルクのばらつきを抑えることができる。そしてより好ましいのは外輪を分割構造とする場合と同様とする場合である。
【００５０】
さらに、転がり軸受の軌道輪としての内輪１２および外輪１３は単体の部品として構成する場合に限らず、例えば内輪１２とこれに結合する部材（支軸）とが同じ材料のときにはその部材（支軸）の一部で内輪１２を構成したり、あるいは外輪１３とこれに結合する部材（ハウジング１６）とが同じ材料のときにはその部材（ハウジング１６）の一部で外輪１３を構成するようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成された一方の軸受結合部材に座ぐりや凹部等の切欠部を形成し、この切欠部を通して固定ボルトを前記一方の軸受結合部材に螺挿し、この固定ボルトで予圧付与用の軸受押えを前記軸受結合部材に締結して固定するようにしたから、温度の変化に対する軸受の予圧の変動を抑えて常に安定して動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す断面図。
【図５】従来技術を示す断面図。
【符号の説明】
１１…クロスローラ軸受（転がり軸受）
１１ａ…玉軸受（転がり軸受）
１２…内輪（軌道輪）
１３…外輪（軌道輪）
１４…円筒ころ（転動体）
１４ａ…玉（転動体）
１５…支軸（軸受結合部材）
１６…ハウジング（軸受結合部材）
１９…軸受押え
２０…固定ボルト
２３…座ぐり（切欠部）
２３ａ…凹部（切欠部）
２４…ねじ孔
【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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