(57)【要約】【課題】ロッドの円滑かつ高精度の移動や回転が可能で、そして簡単な構成の球面軸受を提供すること。【解決手段】球面上にロッドを備えた大球、この大球より大きな直径を持ち且つ狭窄域を介して開口面が形成されてなる、大球を収容している球状凹部を有するハウジング、上記の凹部内で大球の表面に沿って加圧状態で配設された小球群、そして上記大球の表面に沿って小球群を上下に隔離している少なくとも一つの揺動環状隔離具からなる球面軸受。【選択図】図１
2007092855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面上にロッドを備えた大球、該大球より大きな直径を持ち且つ狭窄域を介して開口面が形成されてなる、該大球を収容している球状凹部を有するハウジング、該凹部内で大球の表面に沿って加圧状態で配設された小球群、そして該大球の表面に沿って小球群を上下に隔離している少なくとも一つの揺動環状隔離具からなる球面軸受。
【請求項２】
揺動環状隔離具の小球と対向する面に、該隔離具の周方向に伸びる溝もしくは切り欠きが形成されている請求項１に記載の球面軸受。
【請求項３】
揺動環状隔離具の小球と対向する面に、各々該隔離具の径方向に伸びる複数本の溝が形成されている請求項１に記載の球面軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元位置決め装置あるいは産業用ロボットの部品として有利に用いられる球面軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
球面軸受は、三次元位置決め装置のステージ、あるいは産業用ロボットのアームと、その駆動装置との間に接続され、ステージやアームを多自由度で移動するために用いることが知られている。
【０００３】
従来の球面軸受は、表面で開口している球形の収容部を有するハウジング、この収容部に摺動可能に嵌め合わされている球体、そして球体に接続され、開口部を通ってハウジングの外部まで伸びるロッドから構成されている。このような球面軸受は、ハウジングと球体との隙間が広いとロッドの移動や回転の精度が低くなり、また上記の隙間を狭くするとロッドの円滑な移動や回転が難しくなるという問題を有している。このため従来の球面軸受は、例えば、高精度の三次元位置決め装置を構成するための部品としては十分に満足のできるものではなかった。
【０００４】
上記の事情を考慮して、特許文献１では、先端に大球を有するロッドの大球を、多数の転動体（例えば、小球）が組み込まれた保持器により包囲支持すると共に、この保持器を外周部材（ハウジング）内で支持して構成される球面軸受が提案されている。この球面軸受は、大球が保持器に拘束された多数の転動体を介してハウジングに隙間無く嵌め合わされているためにロッドの円滑かつ高精度の移動や回転が可能であり、精密位置決め装置等への利用に適した軸受であるとされている。
【特許文献１】特許第２６１４４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の球面軸受は、ロッドの大球が保持器に拘束された多数の転動体を介してハウジングに隙間無く嵌め合わされているためにロッドの円滑かつ高精度の移動や回転が可能であり、精密位置決め装置等への利用に適した軸受である。しかしながら、このような球面軸受は保持器を備えた複雑な構成を有しており、その製造には保持器に多数穴あけ加工をして、これらの多数の穴のそれぞれに転動体を組み込む手間のかかる作業が必要となる。
【０００６】
本発明の課題は、ロッドの円滑かつ高精度の移動や回転が可能で、そして簡単な構成の球面軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、球面上にロッドを備えた大球、この大球より大きな直径を持ち且つ狭窄域を介して開口面が形成されてなる、大球を収容している球状凹部を有するハウジング、上記の凹部内で大球の表面に沿って加圧状態で配設された小球群、そして上記大球の表面に沿って小球群を上下に隔離している少なくとも一つの揺動環状隔離具からなる球面軸受にある。
【０００８】
本発明の球面軸受の好ましい態様は、次の通りである。
（１）揺動環状隔離具の小球と対向する面に、隔離具の周方向に伸びる溝もしくは切り欠きが形成されている。
（２）揺動環状隔離具の小球と対向する面に、各々隔離具の径方向に伸びる複数本の溝が形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の球面軸受は、ハウジングの球状の凹部に、ロッドを備える大球が小球群を介して緊密に接触支持された状態で嵌め合わされているため、ロッドは円滑かつ高精度に移動や回転が可能である。そして本発明の球面軸受は、小球の保持器を備える必要がないために構成が簡単で、その製造が容易である。また、本発明の球面軸受は、ハウジング内に収容する小球の数を増加させることにより、その耐荷重を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の球面軸受を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の球面軸受の構成例を示す図であり、図２は、図１に記入した切断線II−II線に沿って切断した球面軸受１０の断面図であり、そして図３は、図１の球面軸受１０のロッド１１が傾斜した状態を示す図である。
【００１１】
図１の球面軸受１０は、球面上にロッド１１を備えた大球１２、大球１２より大きな直径を持ち且つ狭窄域１８を介して開口面１４が形成されてなる、大球１２を収容している球状凹部１５を有するハウジング１６、凹部１５の内部で大球１２の表面に沿って加圧状態で配設された小球群１７、そして大球１２の表面に沿って小球群１７を上下に隔離している三個の揺動環状隔離具２１ａ、２１ｂ、２１ｃから構成されている。
【００１２】
球面軸受１０では、ロッド１１が傾斜移動すると大球１２が回転し、この大球１２の回転に伴い大球１２の表面に沿って配設された小球群１７が転動する。この小球群１７の転動によって、球面軸受１０のロッド１１は、ハウジング１６に対して大きな摩擦抵抗を生じることなく滑らかに傾斜移動することが可能とされている。
【００１３】
球面軸受１０のハウジング１６の狭窄域１８においては、ハウジング１６の内側面と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも小さな間隔（例えば、小球の直径よりも２０〜５０μｍ程度小さな間隔）に設定されている。狭窄域１８は、ロッド１１の傾斜移動によって開口面１４の側に向かって転動する小球、例えば、図３に示す小球１７ａが、ハウジング１６の外部へと脱落することを防止する。
【００１４】
小球群１７は、ハウジング１６の球状凹部１５と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも僅かに小さな間隔（小球のサイズにも依存するが、例えば、小球の直径よりも１〜５μｍ程度小さな間隔）に設定されているため、ハウジング１６と大球１２との間に加圧状態で配設されている。このように、ハウジング１６の球状凹部１５には、大球１２が小球群１７を介して緊密に接触支持された状態で嵌め合わされているため、球面軸受１０は、特許文献１の球面軸受の場合と同様にロッド１１の円滑かつ高精度の移動や回転が可能であり、精密位置決め装置等への利用に適したものである。
【００１５】
また、球面軸受１０では、大球１２の表面に沿って小球群１７が保持器を用いずに配設されるため、大球の周囲には特許文献１の球面軸受の場合と比較してより多くの数の小球を配置することができる。ロッド１１を備える大球１２を、より多くの数の小球によって支持することにより、球面軸受１０の耐荷重を大きくすることができる。
【００１６】
次に、球面軸受１０に備えられている揺動環状隔離具２１ａ、２１ｂ、２１ｃについて説明する。
【００１７】
図１の球面軸受１０のロッド１１が傾斜移動すると、これにより球状凹部１５と大球１２との間にある複数個の小球の各々は大球とは逆向きに、すなわち前記複数個の小球の全ては同じ向きに回転しながら転動する。
【００１８】
そして、球面軸受１０に揺動環状隔離具２１ａ、２１ｂ、２１ｃが備えられていないと、ロッド１１が傾斜移動することで転動する小球群１７のうちの、例えば、一個の小球の回転移動が困難になり、この小球に別の一個もしくは二個以上の小球が強く接触すると、これらの複数個の小球が、その接触部において各々の小球の表面が逆向きに移動しながら擦れ合うために大きな摩擦を生じて、幾つかの小球の転動が停止する場合がある。このようにロッド１１が傾斜移動している最中に幾つかの小球の転動が停止すると、ロッドの傾斜移動に必要なトルクの大きさが急激に変動するためにロッドが滑らかに傾斜移動できなくなる。
【００１９】
特に、ハウジング１６の開口面１４の側にある小球、例えば、図３に示す小球１７ａが狭窄域１８に到達してハウジング１６との接触により回転移動が困難になると、この小球１７ａに小球１７ｂが強く接触し、さらに小球１７ｂに小球１７ｃが強く接触するというように、連鎖的に小球が強く接触していくために小球の転動が停止し易くなる。
【００２０】
図１から図３に示すように、揺動環状隔離具２１ａ、２１ｂ、２１ｃにより小球群１７を上下に隔離すると、転動方向に並ぶ複数個の小球、例えば、小球１７ａと小球１７ｂ、小球１７ｂと小球１７ｃ、そして小球１７ｃと小球１７ｄは各々上下に隔離されて互いに接触しないため、上記のような小球の転動の停止が抑制される。このため、球面軸受１０においては、小球群が保持器に保持されていないもののロッド１１は滑らかに傾斜移動することができる。なお、揺動環状離隔具２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれは、ロッド１１が傾斜移動を繰り返すことによりハウジング１６の内部にて上下に転動を繰り返す小球群１７に押圧されて揺動しながら小球群１７を上下に隔離する。なお、揺動環状隔離具は、小球群１７を上下に隔離するが、大球の周方向には隔離しない。
【００２１】
球面軸受１０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、ハウジング１６の本体１６ａの内部に隔離具２１ｃよりも下方に配置される複数個の小球を入れ、これらの小球の上に隔離具２１ｃを配置し、そして更に隔離具２１ｃの上に複数個の小球を置く。次いで、本体１６ａの内部に大球１２を押し込んでロッド１１を揺動させることにより、上記のようにして本体１６ａに収容した複数個の小球の配置を整えたのち、大球１２を本体１６ａの内部から引き出す。続いて、隔離具２１ｃの上に配置された複数個の小球の上に隔離具２１ｂを置いたのちに、大球１２を本体１６ａの内部に再び押し込む。そして本体１６ａと大球１２との間に更に複数個の小球を押し込み、これらの小球の上に隔離具２１ａを置いたのちに、更に複数個の小球を押し込む。最後に、本体１６ａに、例えば、ボルト（図示は略する）を用いて蓋１６ｂを固定することにより球面軸受１０を製造することができる。このように、球面軸受１０は、小球の保持器を備える必要がないために構成が簡単で、その製造が容易である。
【００２２】
球面軸受を構成する、ハウジング、ロッド、大球、小球、そして揺動環状隔離具の材料としては、通常、鋼、銅合金、あるいはステンレススチールなどの金属材料が用いられる。また、例えば、球面軸受が水中あるいは高温の環境下で使用される場合には、セラミック材料を用いることも好ましい。また、球面軸受を軽量化するために樹脂材料を用いることもできる。また、揺動環状隔離具は、隔離具との接触による小球の転動の停止を抑制するために、含油プラスチックや含油金属から形成することも好ましい。
【００２３】
ハウジング１６の内部に配置する揺動環状隔離具の数は、実用的には１〜５個（特に１〜３個）であることが好ましい。隔離具の数が多すぎると、球面軸受の製造に手間がかかるからである。また、隔離具の形状は、図１に示すように平面形状であることに限定されない。例えば、隔離具の形状は、隔離具の幅方向が大球の中心に向かうように表面が傾斜した漏斗状の形状であってもよい。
【００２４】
また、ハウジング１６の内部に入れる小球の数は、ハウジング１６の狭窄域１８よりも内側の空間に隔離具と共に収容可能である限り特に制限はないが、この空間に隔離具と共に収容できる小球の最大数の６５〜９５個数％の範囲内にあることが好ましく、７０〜８０個数％の範囲内にあることが更に好ましい。ハウジングに入れる小球の数が多すぎると小球同士が強く接触し易くなり、そして小球の数が少なすぎると球面軸受の耐荷重が小さくなるからである。
【００２５】
本発明の球面軸受においては、図１に示すようにハウジング１６の狭窄域１８と球状凹部１５との間に膨張域１３が形成されていることが好ましい。膨張域１３においては、ハウジング１６の内側面と大球１２の球面との間隔が小球の直径よりも僅かに大きな間隔（例えば、小球の直径よりも１０〜２０μｍ程度大きな間隔）に設定されている。このため、ロッド１１の傾斜移動に伴い小球が転動して膨張域１３まで到達すると、小球は加圧状態から開放される。これは、ロッド１１の傾斜移動によりハウジング１６の開口面１４の側に転動した小球が、ハウジングと大球とにより加圧された状態のまま上記の狭窄域１８にてハウジングに強く接触して停止すると、大球１２が回転し難くなってロッドが滑らかに傾斜移動できなくなることがあり、膨張域１３を形成することで、小球が加圧状態のまま狭窄域にてハウジングに強く接触することを防止できるからである。
【００２６】
また、ハウジング１６の球状凹部１５の底部（開口面１４の側とは逆側）に上記とは別の膨張域（以下、第二の膨張域という）を形成することも好ましい。このような第二の膨張域を形成することで、球面軸受１０のロッド１１に加わる荷重は、大球１２の底部、すなわち第二の膨張域にある加圧状態から解放された小球には付与されずに、第二の膨張域を除く球状凹部１５にある多数の小球に分散して付与される。このため、球面軸受１０の耐荷重を増大させることができる。
【００２７】
図４は、本発明の球面軸受の別の構成例を示す図である。図４の球面軸受４０の構成は、揺動環状隔離具２１ａ、２１ｂ、２１ｃの小球と対向する面に、隔離具の周方向に伸びる溝３１もしくは切り欠き３２が形成されていること以外は図１の球面軸受１０と同様である。このような溝３１や切り欠き３２に小球が嵌まることにより各々の隔離具の横方向への移動が規制されるため、各々の隔離具は、ハウジング１６の内側面に接触し難くなる。このため、各々の隔離具は、ロッドの傾斜移動により転動する小球と共に円滑に移動できるようになり、また上記の接触によるハウジング１６の内側面での傷の発生が抑制される。
【００２８】
図５は、本発明の球面軸受に用いる揺動環状隔離具の別の構成例を示す平面図である。図５の揺動環状隔離具２１には、隔離具２１の上に接触して配置される複数個の小球を二点鎖線で記入した。
【００２９】
図５に示すように、揺動環状隔離具２１の小球と対向する面には、各々隔離具２１の径方向に伸びる複数本の溝３３が形成されていることが好ましい。揺動環状隔離具２１に複数本の溝３３を形成することにより、隔離具２１に接して配置している複数個の小球（例えば、小球１７ａ）は、溝３３が形成された位置に安定に配置され易くなり、これらの小球が互いに強く接触することを抑制することができる。
【００３０】
なお、揺動環状隔離具の小球と対向する面には、隔離具の周方向に伸びる溝もしくは切り欠きと、隔離具の径方向に伸びる溝との両者を形成してもよい。また、このような溝や切り欠きに代えて、揺動環状隔離具の小球と対向する面に、隔離具の周方向に沿って互いに間隔をあけて窪みを形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の球面軸受の構成例を示す図である。
【図２】図１に記入した切断線II−II線に沿って切断した球面軸受１０の断面図である。
【図３】図１の球面軸受１０のロッド１１が傾斜した状態を示す図である。
【図４】本発明の球面軸受の別の構成例を示す図である。
【図５】本発明の球面軸受に用いる揺動環状隔離具の別の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０、４０  球面軸受
１１  ロッド
１２  大球
１３  膨張域
１４  開口面
１５  球状凹部
１６  ハウジング
１６ａ  ハウジングの本体
１６ｂ  ハウジングの蓋
１７  小球群
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ  小球
１８  狭窄域
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  揺動環状隔離具
３１  溝
３２  切り欠き
３３  溝                                                                              
【図１】
2007092855.tif 000003
【図２】
2007092855.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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