(57)【要約】【課題】ハウジング内に収容した大ボールを複数の回転する小ボールで自転可能に支持する形式のフリーボールベアリング装置において、大ボールの回転状態を検知可能とする。【解決手段】２つの開口１０ａ，１０ｂを有するハウジング１０内のボール収容部１１に大ボール２０を収容し、かつ、大ボール２０とボール案内面１２との間に複数の小ボール３０を回転自在に配列させたベアリング５と、ハウジング１０の一方の開口１０ｂから露出する大ボール２０の開放面に対向させて配設し、大ボール２０の回転状態を検知する検知手段６との組み合わせでフリーボールベアリング装置を構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面がボール案内面に形成されたボール収容部を有し、かつ、複数の開口を有するハウジングと、
該ハウジングの前記案内面に沿って回転自在に配列される複数の小ボールと、
前記ハウジングの前記ボール収容部に、一の前記開口から突出する状態に収容されるとともに前記小ボールによって回転自在に支持され、接触する移動体を自身の回転によって移動可能に支持する大ボールと、
前記ハウジングにおける他の前記開口から露出する前記大ボールの開放面に対向して配設され、該大ボールの回転状態を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とするフリーボールベアリング装置。
【請求項２】
前記ハウジングの前記複数の開口のうち、移動体を支持する前記一の開口以外の開口から露出する前記大ボールのハウジング開放面に出力伝達部材が接続されることを特徴とする請求項１に記載のフリーボールベアリング装置。
【請求項３】
他の前記開口に、前記大ボールと前記小ボールを回転自在に保持する蓋体が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のフリーボールベアリング装置。
【請求項４】
前記小ボールは、前記ボール収容部内においてリテーナにより回転自在に保持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフリーボールベアリング装置。
【請求項５】
前記大ボールは、セラミック、金属、樹脂、ゴムのうちのいずれかの材質であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフリーボールベアリング装置。
【請求項６】
中空の殻構造を有する略球体状の外側部材の内部に、該外側部材に設けられるフリーボールベアリング装置を介して前記移動体として略球体状の内側部材が相対回転自在に収容され、これら外側部材と内側部材とにそれぞれ磁極が設けられた球面モータであって、
該フリーボールベアリング装置として、請求項１〜５のいずれかに記載のフリーボールベアリング装置が、前記ハウジングを、前記一の前記開口から突出する前記大ボールが前記内側部材側に向く状態で該大ボールにより内側部材を回転自在に支持するよう装着されていることを特徴とする球面モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジング内に収容した一つの大ボールを複数の回転する小ボールで自転可能に支持する形式のフリーボールベアリング装置およびそれを用いた球面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の移動体を全方位に円滑に移動可能に支持するためのフリーボールベアリング装置が提供されている（特許文献１）。この種のフリーボールベアリング装置は、ハウジングに形成した凹所の球面状の内面に複数の小ボールが回転自在に配列され、大ボールが、小ボールに接触し、かつ一部が凹所の開口から突出する状態に凹所内に収容され、大ボールの自転が小ボールの回転により惹起されて、移動体を全方位に移動可能に支持する構成となっている。この種のフリーボールベアリング装置は、例えば球面モータのステータに配設することにより、ステータ内のロータを回転自在に支持するものとして適用される場合がある。また、球面モータにおいてステータ内のロータを回転自在に支持する手段としては、圧縮空気を用いてベアリングボールを浮上させて非接触状態とし、摩擦損失を低減させる形式のものがある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５２７５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６００１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１記載のフリーボールベアリング装置にあっては、ハウジングには一方向にしか開口がなく、その開口から露出する大ボールの開放面で移動体を支持する構造となっている。このため、大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態を検知したい場合には、検知手段を大ボールの開口側、すなわち大ボールが移動体に接触するハウジングの片側に設置する必要があるが、その部分のスペースは狭隘であるため、回転状態を検知する手段の設置が困難であるといった問題があった。また、上記特許文献２記載の球面モータでは、圧縮空気を生成する手段としてコンプレッサ・レギュレータ等が必要になるため、装置の大型化を招くおそれがあるとともに、そのコンプレッサ駆動時においては騒音が問題となる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ハウジング内に収容した一つの大ボールを複数の回転する小ボールで自転可能に支持する形式のフリーボールベアリング装置において、大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態を検知することができるフリーボールベアリング装置およびそれを用いた球面モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のフリーボールベアリング装置は、内面がボール案内面に形成されたボール収容部を有し、かつ、複数の開口を有するハウジングと、該ハウジングの前記案内面に沿って回転自在に配列される複数の小ボールと、前記ハウジングの前記ボール収容部に、一の前記開口から突出する状態に収容されるとともに前記小ボールによって回転自在に支持され、接触する移動体を自身の回転によって移動可能に支持する大ボールと、前記ハウジングにおける他の前記開口から露出する前記大ボールの開放面に対向して配設され、該大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態を検知する検知手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明のフリーボールベアリング装置では、ハウジングの複数の開口のうち、一の開口から突出する大ボールで移動体を支持する。そして、ハウジングの他の開口から露出する大ボールの開放面に対向して配設した検知手段が大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態を検知することができる。ハウジングの他の開口が複数ある場合には、それら開口のうちの少なくとも一つに対応させて検知手段を配設する。本発明では、ハウジングが複数の開口を有していることにより、支持する移動体の形状・外観に干渉されることなく大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態を検知することができる。また、ハウジング内の複数の小ボールで大ボールを回転自在に支持する構造であるため、装置は簡素であり大型化を招くことがないとともに、他の機器（例えばコンプレッサ）を用いた場合の騒音問題といったものは生じない。
【０００８】
本発明では、前記ハウジングの前記複数の開口のうち、移動体を支持する前記一の開口以外の開口から露出する前記大ボールのハウジング開放面に出力伝達部材が接続される形態を含む。この形態では、移動体を支持する大ボールの回転速度、回転角度、回転方向といった回転出力情報を一の開口以外の開口から一の開口以外の他方面に出力を伝達することができる。
【０００９】
また、本発明では、他の前記開口に、前記大ボールと前記小ボールを回転自在に保持する蓋体が設けられている形態を含む。この形態によれば、蓋体により小ボールをハウジング内に保持することができる。
【００１０】
また、本発明では、前記小ボールは、前記ボール収容部内においてリテーナにより回転自在に保持されている形態を含む。この形態によれば、小ボールどうしを非接触の状態で保持することができ、回転する小ボールどうしが接触することによる摩擦抵抗を抑えることができる。
【００１１】
また、本発明の前記大ボールは、セラミック、金属、樹脂、ゴムのうちのいずれかの材質であることを特徴とする。
【００１２】
次に、本発明の球面モータは、中空の殻構造を有する略球体状の外側部材の内部に、該外側部材に設けられるフリーボールベアリング装置を介して前記移動体として略球体状の内側部材が相対回転自在に収容され、これら外側部材と内側部材とにそれぞれ磁極が設けられた球面モータであって、該フリーボールベアリング装置として、上記本発明のフリーボールベアリング装置が、前記ハウジングを、前記一の前記開口から突出する前記大ボールが前記内側部材側に向く状態で該大ボールにより内側部材を回転自在に支持するよう装着されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ハウジング内に収容した大ボールを複数の回転する小ボールで自転可能に支持する形式のフリーボールベアリング装置において、大ボールの回転状態を検知することができるフリーボールベアリング装置が提供されるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフリーボールベアリング装置の平面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図２のIII部拡大図である。
【図４】第１実施形態に係るフリーボールベアリング装置の使用形態の一例（搬送用支持体）を示す斜視図である。
【図５】同使用形態を示す拡大側面図である。
【図６】第１実施形態のフリーボールベアリング装置が適用される球面モータの正面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るフリーボールベアリング装置の平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（１）第１実施形態
図１および図２は、それぞれ本発明の第１実施形態に係るフリーボールベアリング装置１を示しており、図１は平面図、図２は図１のII−II断面図である。
【００１６】
第１実施形態のベアリング装置１は、ベアリング５と、検知手段６とから構成される。ベアリング５は、環状に形成されたハウジング１０と、ハウジング１０内に収容される大ボール２０および複数の小ボール３０と、蓋体４０とを備えている。ハウジング１０は外周面が円筒状で、その中心にはボール収容部１１が貫通形成されている。すなわち、ハウジング１０は２つの開口１０ａ，１０ｂを有している。ボール収容部１１の内周面はボール案内面１２の一部を構成し、図２で上側の開口１０ａ側が同一径の円筒状（円筒面１２ａ）に形成され、下側の開口１０ｂ側は下方に向かうにしたがって縮径する逆円錐状（逆円錐面１２ｂ）に形成されている。
【００１７】
ハウジング１０の下側の開口１０ｂの周囲には、内周側に延びる環状板部１３が形成されており、さらにこの環状板部１３の先端縁には、ボール収容部１１の内部方向に延びながら若干外周側に傾斜する環状の返し部１４が形成されている。
【００１８】
ハウジング１０内のボール収容部１１の中心には、開口１０ｂよりも大径、かつ、開口１０ａよりも小径の大ボール２０が収容され、大ボール２０の周囲には、複数の小ボール３０が配列されている。この場合、複数の小ボール３０は大ボール２０とボール案内面１２との間において軸方向に上段、中段、下段の３段の状態で環状に、かつ、中段の小ボール３０が上下の段の小ボール３０に対して周方向にずれるとともに軸方向には重畳配列されている。
【００１９】
いずれの小ボール３０もボール案内面１２と大ボール２０とに接触し、大ボール２０の全方位への回転に応じて回転、かつ転動するように収容されている。換言すると、小ボール３０は大ボール２０とボール案内面１２との間に回転自在に配列され、大ボール２０を全方位に回転自在に支持している。
【００２０】
開口１０ａ側の上段の小ボール３０は、ボール案内面１２の円筒面１２ａに接触しており、さらに、開口１０ａを塞いでハウジング１０の端面に固定された蓋体４０に回転自在に接触している。また、開口１０ｂ側の下段の小ボール３０は、ボール案内面１２の逆円錐面１２ｂから環状板部１３に移行するＲ状に形成された凹状の内隅部１５と、返し部１４の先端縁１４ａとに保持される。ボール案内面１２は、上記円筒面１２ａ、逆円錐面１２ｂおよび内隅部１５とから構成される。図３に示すように、返し部１４の先端縁１４ａは直角状のエッジに形成されており、この先端縁１４ａに下段の小ボール３０が点接触するようになされている。
【００２１】
大ボール２０は、双方の開口１０ａ，１０ｂから一部が突出しており、蓋体４０には、開口１０ａ側から突出する大ボール２０を突出させる孔４１が形成されている。蓋体４０により、大ボール２０と小ボール３０はボール収容部１１に回転自在に保持され、かつ、開口１０ａ側への抜け止めが確実になされ封止されている。
【００２２】
図２に示すように、本実施形態では、上段および下段に配列される小ボール３０の中心Ｂの間であって、その間隔のほぼ中央に、大ボール２０の中心Ａが位置している。また、大ボール２０は、ステンレス等の金属製が好ましく用いられるが、他の金属、あるいはセラミック、樹脂、ゴムのうちのいずれかの材質のものが適宜に選択される。また、ハウジング１０および小ボール３０に関しては、同様の金属または別の金属、あるいはセラミック、樹脂等の他の材質が、使用目的等に応じて適宜に選択される。
【００２３】
上記ベアリング５の下方であって、開口１０ｂから露出する大ボール２０の開放面に対向する位置に、大ボール２０の回転状態を検知する上記検知手段６が配設されている。検知手段６は、発光ダイオードあるいはレーザ光等の発光素子６ａとフォトトランジスタ（フォトリフレクタ・反射型フォトインタラプタ）等の受光素子６ｂとを備えた一般周知（例えばトラックボール型のポインティングデバイス等）の回転検知手段である。
【００２４】
検知手段６には、回転情報取得部７が接続されている。回転情報取得部７には、検知手段６から出力される検知信号が供給され、回転情報取得部７はその検知信号に基づき、大ボール２０の回転速度、回転角度、回転方向といった回転状態に関する情報を演算により取得する。この検知手段６は、適宜な支持手段によって図２に示すような配置状態に、ベアリング５に対して設置される。
【００２５】
以上が第１実施形態のベアリング装置１の構成であり、このベアリング装置１は、例えば図４および図５に示すように、物品（図示例では板状の物品）Ｍを搬送するための搬送ボード８０の表面に複数が配列されて使用される。各ベアリング装置１は格子状に配列され、搬送ボード８０の表面にベアリング５が蓋体４０を上側に配して大ボール２０が上方に突出する状態に設置される。例えば、搬送ボード８０の表面に凹所を設け、その凹所にベアリング５が埋め込まれるようにして設置され、下方の開口１０ｂから露出する大ボール２０の開放面を検知する検知手段６は、該凹所の底部に設置される。
【００２６】
この使用形態では、物品Ｍがベアリング５の大ボール２０によって支持されるとともに、大ボール２０上を転がるようにして搬送される。すなわちベアリング装置１は、物品Ｍの搬送用支持体として用いられる。ベアリング５においては、大ボール２０が物品Ｍから荷重を受けながら自転してその物品Ｍを支持し、大ボール２０が自転するに伴い、各小ボール３０が大ボール２０とボール案内面１２との間において転動し、大ボール２０が自転して物品Ｍが搬送される。
【００２７】
本実施形態のベアリング装置１では、ベアリング５のハウジング１０が２つの開口１０ａ，１０ｂを有しており、一方の上側の開口１０ａから突出する大ボール２０で物品Ｍを搬送可能に支持することができ、他方の下側の開口１０ｂから突出する大ボール２０の開放面に対向して配設した検知手段６によって大ボール２０の回転状態を回転情報取得部７の演算値に基づいて知ることができる。そしてその大ボール２０の回転状態から、物品Ｍの搬送状態、すなわち物品Ｍの搬送速度、搬送方向といった搬送情報を知ることが可能である。これにより物品Ｍの搬送状態を、目視することなく把握・モニターすることができる。下側の開口１０ｂに対応して配設される検知手段６は物品Ｍの形状による干渉を受けないため、設置が容易であるという利点がある。
【００２８】
また、小ボール３０は返し部１４の接触部１４ａに点接触の状態で接触しながら回転するため、小ボール３０の摩擦抵抗を軽減することができる。なお、リテーナによって小ボール３０を一つずつ回転自在に保持する形態を採用してもよく、その場合には、小ボール３０どうしを非接触の状態で保持することができ、回転する小ボール３０どうしが接触することによる摩擦抵抗を抑えることができる。また、ハウジング１０に固定された蓋体４０に直接小ボール３０が回転自在に接触し、この蓋体４０により、小ボール３０をハウジング１０内の所定位置に回転自在に保持することができる。また、ハウジング１０内の複数の小ボール３０で大ボール２０を回転自在に支持する構造であるため、装置は簡素であり大型化を招くことがないとともに、他の機器（例えばコンプレッサ）を用いた場合の騒音問題といったものは生じない。
【００２９】
本実施形態のベアリング装置１の使用形態は、図４および図５に示した物品の搬送用支持体に限定されず、様々な移動体を移動自在あるいは回転自在に支持し、大ボール２０の回転状態からその移動体の移動状態を検知手段６で把握・モニターするといった実施形態に適用される。
【００３０】
例えば、ステータ（外側部材）の内部に球体状のロータ（内側部材）が収容された球面モータにおいて、ベアリング装置をステータに複数取り付けてロータを回転自在に支持する場合、ベアリング装置として上記実施形態のベアリング装置１を少なくとも１つステータに配設した球面モータを構成することができる。このような球面モータでは、大ボール２０の動きを通じてロータの回転速度、回転方向などを検知することができる。この場合のベアリング装置１は、ハウジング１０の開口１０ａから突出する大ボール２０がロータ側に向く状態として大ボール２０によりロータを回転自在に支持するようにハウジング１０をステータに固定して用いられる。
【００３１】
また、本実施形態のベアリング装置１には、検知手段６が配設される側の開口１０ｂから露出する大ボール２０の開放面に、出力伝達部材を接続するといった形態を採ることができる。この形態では、大ボール２０の回転を開口２０ｂから、必要に応じて他方面に伝達することができる。例えば、開口１０ｂ側の大ボール２０の開放面に出力伝達部材（例えばロッド）を接続することにより、大ボール２０の回転出力情報を外部に伝達することができる。
【００３２】
図６は、球体状のステータ（外側部材）９５の内部に球体状の図示せぬロータ（内側部材）が収容された球面モータ９０の具体例を示している。ステータ９５にはステータ側の複数の磁極９６が所定箇所に配置されて固定されており、内部のロータは、複数の上記ベアリング５で回転自在に支持されている。ベアリング５は、ハウジング１０が、開口１０ａから突出する大ボール２０がロータ側に向くようにステータ８に固定され、大ボール２０がロータの外周面に接触して回転自在に支持している。そして、複数のベアリング５のうち少なくとも１つのベアリング５に対して上記検知手段６を配置してベアリング装置１を構成することにより、ロータの回転状態を検知することができる。また、他のベアリング５の外側すなわち開口１０ｂ側の大ボール２０の開放面に、ロッド等の出力伝達部材を接続することにより、大ボール２０の回転出力情報を外部に伝達することができる。
【００３３】
（２）第２実施形態
図７および図８は本発明の第２実施形態に係るフリーボールベアリング装置２を示しており、図７は平面図、図８は図７のVIII−VIII断面図である。
【００３４】
第２実施形態のベアリング装置２は、ベアリング８と、上記検知手段６との組み合わせで構成されている。ベアリング８は、外側ハウジング５０の内部に内側ハウジング６０が２段の状態で収容されており、各内側ハウジング６０内のボール収容部６１に小ボール３０が環状に配列され、２段の小ボール３０によって大ボール２０が回転自在に支持された構成となっている。
【００３５】
内側ハウジング６０は、環状のベース部６２と、ボール案内面６３および開口６４ａを有するカバー部６４との組み合わせからなり、２段の内側ハウジング６０は、ベース部６２どうしを対面させた状態で外側ハウジング５０に収容されている。小ボール３０は内側ハウジング６０内においてベース部６２とカバー部６４との間に挟まれ、かつ、カバー部６４に形成された上記返し部１４と同様の返し部６５によって回転自在に保持されている。
【００３６】
外側ハウジング５０の図８で上側には蓋体５１が固定され、蓋体５１には、大ボール２０の直径よりも大きい開口５１ａが形成されている。図８で上下の内側ハウジング６０の各開口６４ａからは大ボール２０が突出しており、大ボール２０は、蓋体５１の開口５１ａからも僅かに露出している。外側ハウジング５０の図８で下側には開口５０ｂが形成されており、この開口５０ｂには、同図で下側の内側ハウジング６０のカバー部６４の段部６６が嵌合して突出している。
【００３７】
図８で上側の内側ハウジング６０のカバー部６４の段部６６の両側には、外側ハウジング５０との間に空間が形成されており、この空間には、内側ハウジング６０を下方に付勢する付勢部材（例えばウエーブワッシャ、板ばね、ゴム等の弾性体等）７０が設けられる。付勢部材７０は蓋体５１と内側ハウジング６０との間で弾発状態となり、この付勢部材７０により２段の内側ハウジング６０は外側ハウジング５０内に保持されるとともに、大ボール２０に対し図８で下側への予圧がかけられる。
【００３８】
第２実施形態のベアリング装置２にあっては、例えば図８で上側の開口６４ａ、５１ａから突出するベアリング８の大ボール２０によって移動体を回転自在に支持するように使用される。その場合には、図８に示すように、下側の開口６４ａから露出する大ボール２０の開放面に対向する位置に、大ボール２０の回転状態を検知する上記検知手段６が配設される。
【００３９】
第２実施形態のベアリング装置２も、使用形態は第１実施形態と同様である。この第２実施形態によっても、ハウジング（外側ハウジング５０と内側ハウジング６０の組み合わせ）が２つの開口６４ａを有することにより、移動体を支持しながら大ボール２０の回転状態を検知することができる。また、大ボール２０の回転を一方の開放面から他方の開放面に伝達することができたり、返し部６５により小ボール３０を摩擦抵抗が少ない状態で支持することができたりする作用効果も、同様に得ることができる。
【００４０】
なお、検知手段６で大ボール２０の回転状態をより明確、かつ高精度に検知するために、大ボール２０の表面に検知マークを施してもよい。検知マークとしては、例えば、二次元バーコード、トラテープを格子状に描いたもの、地球儀で言うところの舟型多円錐図法表示などが挙げられる。
【符号の説明】
【００４１】
１，２…フリーボールベアリング装置、５，８…ベアリング、６…検知手段、１０…ハウジング、１０ａ，１０ｂ，６４ａ…開口、１１，６１…ボール収容部、１２，６３…ボール案内面、１４，６５…返し部、２０…大ボール、３０…小ボール、４０，５１…蓋体、５０…外側ハウジング、６０…内側ハウジング、９０…球面モータ、Ｍ…物品（移動体）。
【図１】
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【図２】
2013072544.tif 000004
【図３】
2013072544.tif 000005
【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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