JP2000230546A - 回転体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】移動ステージ等の回転・揺動・旋回運動する軸
の支持に用いることができかつ運動精度の低下及びコス
トの高騰を抑制できる回転体装置を提供する。 【解決手段】回転体装置としての球面転がり軸受１は内
輪２と外輪３と球体としての玉４と保持器５を備えてい
る。内輪２は内周に支持軸６が嵌合する。外輪３は内周
面８が断面円弧状に形成されている。外輪３はその幅Ｏ
が内輪２の幅Ｉより大きく形成されている。外輪３の端
面３ａから支持軸６が突出する。外輪３の内周面８の曲
率の中心Ｃは軸線Ｐ上でかつ外輪３の幅を二等分する位
置またはこの位置から端面３ａよりに位置している。外
輪３の軸線Ｐと支持軸６とのなす角をθ0とし外輪３の
内周面８の曲率半径をｒ2とし支持軸６の直径をｄとす
ると曲率の中心Ｃと端面３ａとの間の間隔ＢはＢ≦−ta
nθ0×ｒ2＋((tan²θ0＋２)ｒ2 ²−(ｄ／cosθ0)ｒ2)^1/2
を満たしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば複数脚を伸
縮させて駆動する移動ステージ（パラレルリンク機構を
用いた移動ステージ）などの回転・揺動・旋回運動に用
いられる回転体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の軸方向、およびこれらの軸線回り
の運動を実現するために、特開平８−１１０８０号公報
「空間３自由度の駆動装置」や、特開平８−１１０８１
号公報「空間３及び空間４自由度の駆動装置」等に記載
された移動ステージ１００（図５に参照）が用いられて
きた。

【０００３】図５に例示された移動ステージ１００は、
駆動テーブル１０１と、これら駆動テーブル１０１を支
持する複数のシリンダ機構１０２と、床部材１０３など
を備えている。移動ステージ１００は、シリンダ機構１
０２をそれぞれ伸縮することによって、駆動テーブル１
０１を前述した複数の軸方向及びこれらの軸回りに運動
させる。

【０００４】移動ステージ１００は、それ自体の駆動速
度の高速化、前記駆動テーブル１０１を位置決めする際
の位置決め精度などの高精度化及び、前記高速化及び高
精度化にともなう前述したシリンダ機構１０２などの高
剛性化などが要求されている。

【０００５】移動ステージ１００では、従来、駆動テー
ブル１０１とシリンダ機構１０２とを互いに連結する際
及びシリンダ機構１０２と床部材１０３とを互いに連結
する際に、図６に示すようなボール型自在継手５１が用
いられてきた。ボール型自在継手５１は、中空球体５２
と、この中空球体５２内に揺動自在に収容される球体５
３と、この球体５３に取付けられる支持軸５４などを備
えている。

【０００６】中空球体５２は、その一部にその内周側と
外周側とを貫通する貫通孔５５が形成されている。前記
支持軸５４は、貫通孔５５を通ってその一端部が球体５
３に連結している。このボール型自在継手５１を、移動
ステージ１００に用いる際には、前記中空球体５２と支
持軸５４とのうち一方を、駆動テーブル１０１または床
部材１０３と、前記シリンダ機構１０２とのうちの一方
に取付ける。中空球体５２と支持軸５４とのうち他方
を、駆動テーブル１０１または床部材１０３と、前記シ
リンダ機構１０２とのうちの他方に取付ける。

【０００７】また、前記移動ステージ１００において、
駆動テーブル１０１とシリンダ機構１０２とを連結する
際及びシリンダ機構１０２と床部材１０３とを互いに連
結する際に、複数の転がり軸受を組み合せて用いること
もあった。

【０００８】この場合、一つのシリンダ機構１０２と床
部材１０３を互いに連結する際に、転がり軸受が３つ必
要となるとともに、一つのシリンダ機構１０２と駆動テ
ーブル１０１とを互いに連結する際にも、転がり軸受が
３つ必要となる。このようにシリンダ機構１０２一つに
対し合計６つの転がり軸受が必要であった。

【０００９】さらに、駆動テーブル１０１とシリンダ機
構１０２とを互いに連結する際に、図７に示す自動調心
玉軸受６１を用いることが考えられる。自動調心玉軸受
６１は、内輪６２と、外輪６３と、玉６４などを備えて
いる。外輪６３は、円環状に形成されており、その内周
面６８が断面円弧状に形成されている。内輪６２は、外
輪６３の内径より小径な外径を有する円環状に形成され
ている。

【００１０】玉６４は、内輪６２の外周面６７と、外輪
６３の内周面６８との間に転動自在に複数設けられてい
る。玉６４は、内輪６２と外輪６３の周方向に沿って略
等間隔に配されている。玉６４は、内外輪６２，６３の
軸線Ｐ２に沿って二列配されている。また、外輪６３の
軸線Ｐ２に沿った幅と、内輪６２の軸線Ｐ２に沿った幅
とは、互いに略同寸法に形成されている。

【００１１】前述した構成の自動調心玉軸受６１を、移
動ステージ１００に用いる際には、内輪６２の内周に軸
６６を嵌合させるなどして取付け、前記外輪６３と軸６
６とのうち一方を、駆動テーブル１０１または床部材１
０３と、シリンダ機構１０２とのうちの一方に取付け
る。前記外輪６３と軸６６とのうち他方を、駆動テーブ
ル１０１または床部材１０３と、シリンダ機構１０２と
のうちの他方に取付ける。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述したボール型自在
継手５１は、比較的低価格で入手しやすいが、前記中空
球体５２が中空に形成されているため、比較的剛性が低
くなっている。このため、シリンダ装置１０２が伸縮す
る際に生じる荷重や、駆動テーブル上に支持される物体
の質量などによって、ステージ全体が変形しやすく、重
量物の移動には適していなかった。

【００１３】また、前記中空球体５２や球体５３は、主
に鍛造加工によって成形されるため、寸法精度が比較的
低くなる傾向であった。このため、ボール型自在継手５
１を移動ステージ１００に用いると、駆動テーブル１０
１の移動軌跡などに誤差が生じるとともに、前記駆動テ
ーブル１０１を所定の位置に位置決めする際の位置決め
精度が低下するなどの運動精度が低下する傾向となって
いた。

【００１４】さらに、前記ボール型自在継手５１を移動
ステージ１００に用いると、このボール型自在継手５１
は、支持軸５４に沿って比較的長く形成されているの
で、シリンダ機構１０２との接続部が長くなって、この
接続部が前述した荷重によって、曲がり易くなるという
問題が生じる。

【００１５】このボール型自在継手５１は、球体５３と
中空球体５２との内周面とが互いに摺動して前記支持軸
５４が揺動する。このため、支持軸５４が揺動する際の
摩擦力が増大する傾向となって、移動ステージ１００の
移動速度が低下する傾向となっていた。

【００１６】また、複数の転がり軸受を移動ステージ１
００に用いると、これらの転がり軸受を互いに取付ける
際の隙間などの調整が困難である。このため、シリンダ
機構１０２毎に揺動する際の反力がばらつく傾向となっ
て、シリンダ機構１０２毎の伸縮する際の動作がばらつ
く傾向となっていた。

【００１７】一つのシリンダ機構１０２に合計６つの転
がり軸受を用いるため、大型化する傾向となっていた。
このため、質量が増加して、移動ステージ１００の移動
速度が低下するとともに駆動テーブル１０１の位置決め
精度が低下する傾向となっていた。また、構造が複雑で
かつ価格が高騰する傾向となっていた。

【００１８】また、前述した自動調心玉軸受６１は、玉
６４が外輪６３の内周面６８を転動することによって、
内輪６２が外輪６４に対して傾いてもこの内輪６２が回
転できる構造となっている。しかし、この自動調心玉軸
受６１は、その取付け誤差を吸収できる程度までしか、
内輪６２の傾きを許容することができない。

【００１９】このため、このため、移動ステージ１００
に必要とされる角度まで、内輪６２が傾くと、内輪６２
と外輪６３との間から玉６４が抜け出してしまい、シリ
ンダ機構１０２などを支持できなくなる。

【００２０】従って、本発明の目的は、複数の軸方向及
びこれらの軸回りの運動を実現できる移動ステージに確
実に用いることができ、この移動ステージの運動精度の
低下を抑制できるとともに、コストの高騰を抑制できる
回転体装置を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の回転体装置は、円環状または
直方体状に形成されかつ内周面が断面円弧状に形成され
た外輪と、前記外輪に対し全方向に揺動自在に支持され
た支持軸と、前記外輪内に設けられかつ前記外輪の内周
面とともに前記支持軸を全方向に揺動自在に支持する球
体と、を備え、前記外輪の軸線と支持軸との間のなす回
転角θ0に対し、Ｂ≦−tanθ0×ｒ2＋((tan²θ0＋２)ｒ
2²−(ｄ／cosθ0)ｒ2)^1/2と、Ｃ≧(ｄ／２)／cosθ0＋
ｒsinθ0と、のうち少なくとも一方の関係を満たすこと
を特徴としている。

【００２２】ただし、ｒ2：外輪の内周面の曲率半径、
Ｂ：外輪の水平軸から支持軸が突出した側に位置する端
面までの幅、Ｃ：外輪の支持軸が突出した側に位置する
端面における内径、ｄ：支持軸の直径、ｒ：球体の外径
である。

【００２３】すなわち、以下に示す式１を満たす場合に
は、 Ｂ≦−tanθ0×ｒ2＋((tan²θ0＋２)ｒ2²−(ｄ／cosθ0)ｒ2)^1/2……式１ 回転体装置１は、図３に示すように、内輪２と外輪３と
これら内輪２と外輪３との間に転動自在に設けられた球
体としての玉４と、図中に二点鎖線で示す支持軸６を備
えている。外輪３は、円環状に形成されかつその内周面
８が断面円弧状に形成されている。外輪３の内周面８の
曲率の中心Ｃは、外輪３の軸線Ｐ上に位置している。前
記内輪２は、支持軸６の外周に嵌合する。内輪２の幅Ｉ
より外輪３の幅Ｏの方が大きく形成されている。

【００２４】玉４は、内輪２と外輪３との間に周方向に
沿って互いに等間隔となる位置に複数配されている。玉
４は、内輪２の外周面によって転動自在に支持されてい
る。玉４は、内輪２の幅方向に沿って二列配されてい
る。玉４は、前記外輪３の内周に潤滑剤によって潤滑さ
れた状態で設けられている。

【００２５】支持軸６は、移動ステージ１００のシリン
ダ機構１０２などと連結する。支持軸６は、外輪３の内
周穴２７を通って外部に突出している。支持軸６は、玉
４などによって外輪３の軸線Ｐに対して全方向に揺動自
在に支持されている。回転体装置１は、玉４が外輪３の
内周面８を転動することによって、内輪２が外輪３に対
して傾いても内輪２が回転できるようになっている。

【００２６】図１に示した回転体装置１において、例え
ば内輪２が支持軸６の外周に嵌合しかつ支持軸６に沿っ
た荷重を支持する際には、例えば内輪２が外輪３に対し
て傾いた状態では、玉４のうち支持軸６及びこの支持軸
６に連結した移動ステージ１００のシリンダ機構１０２
から離れた側の外輪３の端面３ｂの近傍に位置する玉４
が、前述した荷重を支持するとともに、支持軸６に連結
した移動ステージ１００のシリンダ機構１０２に近い外
輪３の端面３ａの近傍に位置する玉４は前述した荷重を
ほとんど支持しないか極めて小さい荷重しか支持しな
い。なお、前記外輪３の端面３ａは、支持軸６が突出し
た側に位置する端面をなしている。

【００２７】このため、前記玉４は、内輪２などが回転
する際に、外輪３の端面３ｂの近傍に位置した場合には
前記内輪２の外周面と外輪３の内周面８とによって保持
されているのが望ましく、前記外輪３の端面３ａの近傍
に位置した場合には必ずしも内輪２の外周面と外輪３の
内周面８とによって保持されなくても良い。

【００２８】図３に示した回転体装置１では、外輪３の
幅Ｏが内輪２の幅Ｉより大きく形成されているととも
に、前記外輪３の内周面８の曲率の中心Ｃが、外輪３の
幅方向の中心、またはこの中心より荷重が作用する側つ
まり端面３ａ側に寄っている。このため、外輪３の幅方
向に沿った内周面８の曲率の中心Ｃと端面３ｂとの間の
間隔Ａと、外輪３の幅方向に沿った内周面８の曲率の中
心Ｃと端面３ａとの間の間隔Ｂとは、以下に示す式２を
満たしている。なお、中心Ｃを通りかつ外輪３の径方向
に沿う軸線Ｓは外輪３の水平軸をなしている。間隔Ｂ
は、外輪３の水平軸Ｓから端面３ａまでの幅をなしてい
る。

【００２９】Ａ≧Ｂ………式２ また、図３に示した回転体装置１は、外輪３に対し内輪
２が回転角θ0傾いた際に、すなわち外輪３の軸線Ｐと
支持軸６とのなす角度が回転角θ0となった際には、外
輪３の曲率半径をｒ2とすると、前記外輪３の端面３ａ
における内径ｒは以下に示す式３を満たす。

【００３０】ｒ＝（ｒ2²−Ｂ²）^1/2………式３ このとき、前記外輪３の端面３ａ上において、前記外輪
３の軸線Ｐと、内輪２の軸線Ｒとの間の間隔Ｓ1は、以
下の式４を満たす。

【００３１】Ｓ1＝Ｂ×ｔａｎθ0………式４ また、内輪２の内径すなわち支持軸６の外径をｄとする
と、前記外輪３の端面３ａ上において、内輪２の軸線Ｒ
と、支持軸６の外周面すなわち内輪２の内周面のうち最
も外輪３の内周縁３ｃに近接する部分２ａとの間の間隔
Ｓ2は、以下の式５を満たす。

【００３２】Ｓ2＝（ｄ／２）／ｃｏｓθ0………式５ 図３に示すように、内輪２が外輪３に対して回転角θ0
傾いた際に、支持軸６と外輪３とが互いに干渉しないた
めには、前記内径ｒと間隔Ｓ1と間隔Ｓ2とが以下に示す
式６に関係を満たさなければならない。

【００３３】ｒ≧Ｓ1＋Ｓ2………式６ すなわち、以下の式７が得られる。

【００３４】 （ｒ2²−Ｂ²）^1/2≧Ｂ×ｔａｎθ0＋（ｄ／２）／ｃｏｓθ0………式７ この式７をＢに関して解くと、前述した式１が得られ
る。

【００３５】このため、本発明の回転体装置は、支持軸
を回転角θ0の範囲内で外輪の軸線に対し全方向に揺動
させても、支持軸が外輪などと干渉しないとともに、球
体が外輪と内輪との間から抜け出すことがない。このた
め、確実に移動ステージに用いることができる。また、
中空球体などと比較して剛性の高い外輪と内輪と球体な
どを用いるので、移動ステージのシリンダ機構などの揺
動トルクなどによって変形することを抑制できる。この
ため、移動ステージの運動精度の低下を抑制することが
できる。

【００３６】また、外輪と内輪と球体などから構成され
ているので、移動ステージへの取付けが容易であるとと
もに、部品点数を抑制することができる。さらに、回転
装置自体の小型化を図ることが可能となる。このため、
コストの高騰を抑制できる。

【００３７】また、前記式１によれば、間隔Ｂを小さく
するほうが、支持軸の揺動を妨げないことが明らかにな
る。このため、回転体装置は、前記式２の関係を満たす
ことによって、支持軸の揺動を確保できるとともに、球
体が内外輪の間から抜け出ることを防止できる。

【００３８】さらに、前述した回転装置において、以下
に示す式８の関係を満たしているのが望ましい。

【００３９】 Ｂ≦−０．５７７ｒ2＋((２．３３ｒ2²−１．１５ｄｒ2)^1/2……式８ この式８は、前記式１において、回転角θ0＝３０度と
した時に得られる。一方、移動ステージでは、シリンダ
機構を揺動自在に支持する際に最大３０度までの角度で
の揺動が要求されている。このため、前記式８を満たし
た回転体装置は、より確実に移動ステージに用いること
ができる。

【００４０】図３に示す回転体装置の剛性及び揺動トル
クは、球体としての玉の寸法を変えることで調整が可能
である。玉軸受用鋼球は、呼び寸法に対してμｍ単位で
寸法が異なる玉が複数用意されているので、組み込む玉
の寸法を変えることにより、容易に剛性及び揺動トルク
を変えることができるとともに、管理することができ
る。

【００４１】また、本発明の回転体装置は、通常油やグ
リース等の潤滑剤しい潤滑されて使用されるが、使用さ
れる装置によっては、玉と内外輪の潤滑、防塵が重要に
なると考えられる。この両方の機能を満たすためには、
固形油潤滑やそれを含んだシール、例えばルブガード、
Ｋ１シール（共に日本精工株式会社）等を用いると省ス
ペース、メンテナンスにおいて有効である。

【００４２】上記回転体装置は、図３に示した球面転が
り軸受について記載している。しかし、本発明では回転
体装置としての図４に示す球面形流体軸受においては、
以下に示す式９を満たすのが望ましい。

【００４３】Ｃ≧(ｄ／２)／cosθ0＋ｒsinθ0……式９ 回転体装置１１は、図４に示すように、外輪としての一
対の球面摺動部１３ａ，１３ｂと、球体１４と、支持軸
１６などを備えている。一対の球面摺動部１３ａ，１３
ｂは、それぞれ円環状または直方体状に形成されてお
り、互いの軸線Ｐ１が同軸となるように配される。

【００４４】球面摺動部１３ａ，１３ｂは、互いの軸線
Ｐ１が同軸となる位置に配された際に、内周面１８ａ，
１８ｂが、互いに同じ中心Ｃを中心とした断面円弧状に
形成されている。内周面１８ａ，１８ｂの曲率の中心Ｃ
は、軸線Ｐ１上に位置している。一対の球面摺動部１３
ａ，１３ｂの内周には、外部から圧縮空気などの圧縮流
体が供給されるようになっている。また、球面摺動部１
３ａ，１３ｂのうち一方の球面摺動部１３ｂは、支持軸
１６が通ることのできる貫通穴２７を備えている。

【００４５】球体１４は、その半径が、球面摺動部１３
ａ，１３ｂに内周面１８ａ，１８ｂの曲率半径と略等し
く形成されている。球体１４は、球面摺動部１３ａ，１
３ｂの内周面１８ａ，１８ｂによって挟み込まれた状態
で設けられている。

【００４６】支持軸１６は、球体１４に取付けられてい
る。支持軸１６は、一方の球面摺動部１３ｂの貫通穴２
７を通って外部に突出している。支持軸１６には、移動
ステージ１００のシリンダ機構１０２などに接続する。

【００４７】この回転体装置１１は、球体１４が球面摺
動部１３ａ，１３ｂの内周面１８ａ，１８ｂを摺動す
る。このため、支持軸１６は、球体１４などによって球
面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１に対し全方向に揺動
自在に支持されている。

【００４８】図４に示した回転体装置１１において、例
えば支持軸１６がシリンダ機構１０２に接続して支持軸
１６に沿った荷重を支持する際には、外部から球面摺動
部１３ａ，１３ｂ内に圧縮空気などの圧縮流体が供給さ
れる。そして、球体１４の表面には、薄い空気膜などの
供給された圧縮流体からなる流体膜が形成される。そし
て、流体膜が、前述した荷重を球面摺動部１３ａ，１３
ｂの内周面１８ａ，１８ｂとともに保持する。

【００４９】また、図４に示した回転体装置１１は、球
面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１に対し支持軸１６が
回転角θ0傾いた際に、球面摺動部１３ａ，１３ｂの内
周面１８ａ，１８ｂの曲率半径をｒとすると、球面摺動
部１３ｂの支持軸１６の近傍に位置しかつ前記貫通穴２
７が形成された端面２８における支持軸１６の軸線Ｒと
球面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐとの間の間隔Ｓ3は
以下に示す式１０を満たす。なお、前記端面２８は、球
面摺動部１３ｂの支持軸１６が突出した側に位置する端
面をなしている。

【００５０】Ｓ3＝ｒｓｉｎθ0………式１０ このとき、前記球面摺動部１３ｂの端面２８上におい
て、前記球面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１と、支持
軸１６の外周面のうち最も球面摺動部１３ｂの貫通穴１
８を形成する内周縁２８ｃに近接する部分２２ｃとの間
の間隔Ｓ4は、以下の式１１を満たす。

【００５１】Ｓ4＝（ｄ／２）／ｃｏｓθ0………式１１ 前記端面２８における球面摺動部１３ｂの内径をＣとす
ると、支持軸１６が球面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ
１に対して回転角θ0傾いた際に、支持軸１６と球面摺
動部１３ａ，１３ｂとが互いに干渉しないためには、前
記間隔Ｓ３と間隔Ｓ４とが以下に示す式１２の関係を満
たさなければならない。

【００５２】Ｃ≧Ｓ３＋Ｓ４………式１２ すなわち、前述した式９が得られる。

【００５３】このため、本発明の回転体装置は、支持軸
を回転角θ0の範囲内で外輪の軸線に対し全方向に揺動
させても、支持軸が外輪としての球面摺動部などと干渉
しないため、確実に移動ステージに用いることができ
る。

【００５４】また、球面摺動部内に圧縮空気などの圧縮
流体を供給し、この圧縮流体によって、球体の表面に流
体膜が形成されて、この流体膜が球面摺動部の内周面と
ともに、移動ステージのシリンダ機構などの揺動トルク
に伴う荷重を支持する。このため、球面摺動部の変形を
抑制できるとともに、球体の形状の誤差の影響が緩和さ
れる。したがって、移動ステージの運動精度の低下を抑
制することができる。

【００５５】また、球面摺動部と球体と支持軸などから
構成されているので、移動ステージへの取付けが容易で
あるとともに、部品点数を抑制することができる。ま
た、球体の表面に流体膜が形成されているので、支持軸
が揺動する際の摩擦力が抑制される。このため、シリン
ダ機構の駆動力を抑制でき、このシリンダ機構の小型化
を図ることが可能となる。このため、コストの高騰を抑
制できる。

【００５６】さらに、前述した回転装置において、以下
に示す式８の関係を満たしているのが望ましい。

【００５７】Ｃ≧０．５７７３ｄ＋０．５ｒ……式１４ この式１４は、前記式９において、回転角θ0＝３０度
とした時に得られる。一方、移動ステージでは、シリン
ダ機構を揺動自在に支持する際に最大３０度までの角度
での揺動が要求されている。このため、前記式１４を満
たした回転体装置は、より確実に移動ステージに用いる
ことができる。

【００５８】なお、本発明の回転体装置は、外輪との間
に支持された軸は、一方向に回転あるは旋回するもので
あっても、両方向に揺動するものであっても良く、それ
らが組み合わされた運動をするものであっても良い。

【００５９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
ついて図１及び図５を参照して説明する。

【００６０】図１に示す回転体装置としての球面転がり
軸受１は、図５に示す移動ステージ１００に用いられ
る。移動ステージ１００は、駆動テーブル１０１と、複
数のシリンダ機構１０２と、床部材１０３などを備えて
いる。複数のシリンダ機構１０２は、それぞれ、一端部
が床部材１０３に接続しているとともに、他端部が駆動
テーブル１０１に接続している。シリンダ機構１０２
は、それぞれ伸縮自在となっている。

【００６１】移動ステージ１００は、シリンダ機構１０
２を伸縮することによって、複数の軸方向と、これらの
軸回りの方向と、に駆動テーブル１０１を移動する。図
示例において、移動ステージ１００は、シリンダ機構１
０２を６つ備えており、互いに直交する３軸の方向と、
これら３軸回りの方向とに駆動テーブル１０１を移動す
る。

【００６２】球面転がり軸受１は、それぞれのシリンダ
機構１０２の両端部と、駆動テーブル１０１または床部
材１０３と、の間を連結する。球面転がり軸受１は、前
述した駆動テーブル１０１が複数の軸方向とこれらの軸
回りの方向とに移動する際に、この駆動テーブル１０１
の移動を妨げないように、シリンダ機構１０２の揺動を
妨げないようになっている。

【００６３】球面転がり軸受１は、図１に示すように、
内輪２と外輪３とこれら内輪２と外輪３との間に転動自
在に設けられた球体としての玉４と、保持器５と、図中
二点鎖線で示す支持軸６と、を備えている。

【００６４】内輪２は、円環状に形成されている。内輪
２の内周には、支持軸６が嵌合するなどして取付けられ
る。内輪２の外周面には、断面円弧状の軌道溝７が全周
に亘って形成されている。内輪２は、軌道溝７をその幅
方向に沿って二つ形成している。それぞれの軌道溝７
は、互いに平行に配されている。

【００６５】外輪３は、内輪２の外径より内径が大きな
軸線Ｐ回りに円環状に形成されている。外輪３は、その
内周面８が断面円弧状に形成されている。外輪３の内周
面８の曲率の中心Ｃは、外輪３の軸線Ｐ上に位置してい
る。内輪２の幅Ｉより外輪３の幅Ｏの方が大きく形成さ
れている。支持軸６は、内輪２の内周に嵌合しかつ外輪
３の一方の端面３ａから球面転がり軸受１の外方向に突
出した格好で取付けられる。なお、外輪３の端面３ａ
は、支持軸６が突出した側に位置する端面をなしてい
る。

【００６６】また、前記外輪３の断面円弧状の内周面８
の曲率の中心Ｃは、外輪３の幅方向の中心、又はこの中
心より支持軸６が突出した前記端面３ａ側に寄って配さ
れている。内周面８の曲率の中心Ｃと端面３ａとの間の
外輪３の幅方向に沿った間隔Ｂと、内周面８の曲率の中
心Ｃと前記他方の端面３ｂとの間の外輪３の幅方向に沿
った間隔Ａとは、前述した式２を満たしている。なお、
中心Ｃを通りかつ外輪３の径方向に沿う軸線Ｓは、外輪
３の水平軸をなしている。間隔Ｂは、外輪３の水平軸Ｓ
から端面３ａまでの幅をなしている。

【００６７】玉４は、内輪２と外輪３との間に周方向に
沿って互いに等間隔となる位置に複数配されている。玉
４は、内輪２の軌道溝７それぞれの内に配されている。
玉４は、内輪２の幅方向に沿って二列配されている。玉
４は、前記内輪２の外周側や外輪３の内周側に、油やグ
リースなどの潤滑剤によって潤滑された状態で設けられ
ている。保持器５は、ぞれぞれの玉４を内輪２の軌道溝
７と外輪３の内周面８との間に、転動自在に保持してい
る。

【００６８】前述した構成によって、支持軸６は、玉４
などによって外輪３の軸線Ｐに対して全方向に揺動自在
に支持されている。球面転がり軸受１は、玉４が外輪３
の内周面８を転動することによって内輪２が外輪３に対
して傾いても内輪２が回転できるようになっている。

【００６９】さらに、前記間隔Ｂは、支持軸６の外径を
ｄ、外輪３の内周面８の曲率半径をｒ2、支持軸６と外
輪３の軸線Ｐとのなす角をθ0とすると、前述した式１
で示した関係を満たしている。また、図示例において、
図中に一点鎖線Ｑで示す内輪２及び玉４が揺動する際の
軌跡の曲率半径ｒ1は、外輪３の内周面８の曲率半径ｒ2
と略等しくなっている。

【００７０】前記球面転がり軸受１が移動ステージ１０
０に用いられる際には、外輪３が、駆動テーブル１０１
または床部材１０３に固定され、支持軸６の外輪３の端
面３ａから突出した端部がシリンダ機構１０２と固定さ
れる。このため、シリンダ機構１０２が伸縮すると、支
持軸６に沿って、球面転がり軸受１に荷重が作用する。

【００７１】前記球面転がり軸受１は、支持軸６を外輪
３の軸線Ｐとのなす角が回転角θ0までの範囲内で、こ
の外輪３の軸線Ｐに対し全方向に揺動させても、支持軸
６が外輪３などと干渉しないとともに、玉４が外輪３と
内輪２との間から抜け出すことがない。このため、確実
に移動ステージ１００に用いることができる。

【００７２】また、球面転がり軸受１は、内輪２の幅方
向に沿って玉４を二列配している。このため、シリンダ
機構１０２から作用した荷重は、図１中の矢印α，βに
示すように、内輪２の幅方向に沿って配された玉４とそ
れぞれに向かう方向に分離する。さらに、中空球体など
と比較して剛性の高い外輪３と内輪２と球体としての玉
４などを用いるので、シリンダ機構１０２などの荷重に
対する剛性を確保することができる。このため、移動ス
テージ１００の運動精度の低下を抑制することができ
る。

【００７３】また、球面転がり軸受１は、外輪３と内輪
２と玉４などから構成されており、シリンダ機構１０２
の端部それぞれに一つのみ取付けるだけで、シリンダ機
構１０２を支持することができる。このため、移動ステ
ージ１００への取付けが容易となるとともに、部品点数
を抑制することができる。さらに、小型化を図ることが
可能となる。したがって、コストの高騰を抑制できる。

【００７４】さらに、前述した球面転がり軸受１におい
て、前述した式８の関係を満たしているのが望ましい。
この式８は、前記式１において、回転角θ0＝３０度と
した時に得られる。移動ステージ１００では、シリンダ
機構１０２を揺動自在に支持する際に最大３０度までの
角度での揺動が要求されている。このため、前記式８を
満たした球面転がり軸受１は、より確実に移動ステージ
１００に用いることができる。

【００７５】以下、本発明の第２の実施形態について図
２及び図５を参照して説明する。

【００７６】図１に示す回転体装置としての球面形流体
軸受１１は、図５に示す移動ステージ１００に用いられ
る。

【００７７】球面形流体軸受１１は、図２に示すよう
に、ハウジング１２と、外輪としての一対の球面摺動部
１３ａ，１３ｂと、球体１４と、支持軸１６などを備え
ている。ハウジング１２は、第１のケース部材１２ａ
と、第２のケース部材１２ｂと、スペーサ部材１５と、
を備えている。

【００７８】第１及び第２のケース部材１２ａ，１２ｂ
及びスペーサ部材１５は、それぞれ円環状に形成されて
いる。第１のケース部材１２ａは、スペーサ部材１５を
介して第２のケース部材１２ｂとボルト１７などによっ
て固定される。第１のケース部材１２ａ、スペーサ部材
１５及び第２のケース部材１２ｂは、互いに同軸となる
位置に配されている。第１のケース部材１２ａ、スペー
サ部材１５及び第２のケース部材１２ｂは、内周側に球
面摺動部１３ａ，１３ｂ及び球体１４などを収容する。

【００７９】第１のケース部材１２ａは、外部からその
内周面１９ａ及びスペーサ部材１５に相対する端面１９
ｂに亘って、圧縮空気などの流体を導く第１の流体導入
路２０を備えている。第１の流体導入路２０は、内周面
１９ａに開口する内周面開口部２０ａと、端面１９ｂに
開口する端面開口部２０ｂと、を備えている。

【００８０】スペーサ部材１５は、第１のケース部材１
２ａに相対する端面１５ａと、第２のケース部材１２ｂ
に相対する端面１５ｂとに亘って貫通した貫通孔２１を
備えている。この貫通孔２１は、第１の流体導入路２０
につながっている。

【００８１】第２のケース部材１２ｂは、スペーサ部材
１５に相対する端面２２ｂからその内周面２２ａに亘っ
て、前述した圧縮空気などの流体を導く第２の流体導入
路２３を備えている。第２の流体導入路２３は、端面２
２ｂに開口する端面開口部２３ｂと、内周面２２ａに開
口する内周面開口部２３ａと、を備えている。第２の流
体導入路２３は、スペーサ部材２５の貫通孔２１とつな
がっている。

【００８２】一対の球面摺動部１３ａ，１３ｂは、それ
ぞれ軸線Ｐ１回りに円環状に形成されている。球面摺動
部１３ａ，１３ｂのうち一方の球面摺動部１３ａは、第
１のケース部材１２ａの内周に嵌合するなどして配され
る。他方の球面摺動部１３ｂは、第２のケース部材１２
ｂの内周に嵌合するなどして配される。球面摺動部１３
ａ，１３ｂは、互いに同軸的に配される。

【００８３】球面摺動部１３ａ，１３ｂは、互いの軸線
Ｐ１が同軸となる位置に配された際に、内周面１８ａ，
１８ｂが、互いに同じ中心Ｃ１を中心とした断面円弧状
に形成されている。内周面１８ａ，１８ｂの曲率の中心
Ｃ１は、軸線Ｐ１上に位置している。内周面１８ａ，１
８ｂの曲率の中心Ｃ１は、軸線Ｐ１に沿って球面摺動部
１３ａ，１３ｂ間の距離を二等分する位置でも良く、ま
た、球面摺動部１３ａ，１３ｂ間の距離を二等分する位
置から、支持軸１６が突出する球面摺動部１３ｂ側に寄
っていても良い。このため、軸線Ｐ１に沿ったスペーサ
部材１５の幅において、前記曲率の中心Ｃ１から前記端
面１５ａまでの間隔Ｅと、前記曲率の中心Ｃ１から端面
１５ｂまでの間隔Ｆとは、以下に示す式１５を満たして
いる。

【００８４】Ｅ≧Ｆ………式１５ 球面摺動部１３ａ，１３ｂは、それぞれの外周面２４
ａ，２４ｂに、これらの外周面２４ａ，２４ｂから凹に
形成された凹溝２５ａ，２５ｂを、全周に亘って形成し
ている。これらの凹溝２５ａ，２５ｂは、球面摺動部１
３ａ，１３ｂが第１及び第２のケース部材１２ａ，１２
ｂ内に取付けられた際に、内周面開口部２０ａ，２０ｂ
と相対する。

【００８５】球面摺動部１３ａ，１３ｂは、多孔質焼結
部材から構成されている。球面摺動部１３ａ，１３ｂ
は、それぞれ、凹溝２５ａ，２５ｂから内周面１８ａ，
１８ｂに亘って貫通したオリフィス状の流体供給孔２６
ａ，２６ｂを多数備えている構造のものでも良い。球体
供給孔２６ａ，２６ｂは、球面摺動部１３ａ，１３ｂの
それぞれの内周面１８ａ，１８ｂにおいて互いに略等間
隔となる位置に開口している。

【００８６】前述した構成によって、球面摺動部１３
ａ，１３ｂの内周に、外部から圧縮空気などの圧縮流体
が第１の流体導入路２０、貫通孔２１、第２の流体導入
路２３、凹溝２５ａ，２５ｂ及び流体供給孔２６ａ，２
６ｂを介して、供給されるようになっている。

【００８７】また、球面摺動部１３ａ，１３ｂのうち第
２のケース部材１２ａ内に嵌合して取付けられる球面摺
動部１３ａの内周穴２７には、支持軸１６が通るように
なっている。球面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１に対
し支持軸１６が回転角θ0傾いた際に、球面摺動部１３
ａ，１３ｂの曲率半径をｒとすると、球面摺動部１３ｂ
の外側に位置するすなわち支持軸１６が突出した側に位
置する端面２８における内径Ｃは、式９を満たしてい
る。

【００８８】球体１４は、その半径が、球面摺動部１３
ａ，１３ｂに内周面１８ａ，１８ｂの曲率半径と略等し
いか、または前記内周面１８ａ，１８ｂの曲率半径より
若干小さく形成されている。球体１４は、球面摺動部１
３ａ，１３ｂの内周面１８ａ，１８ｂによって挟み込ま
れた状態で配されている。

【００８９】支持軸１６は、球体１４に取付けられてい
る。支持軸１６は、一方の球面摺動部１３ｂの内周穴２
７を通って外部に突出している。支持軸１６には、移動
ステージ１００のシリンダ機構１０２などが接続する。

【００９０】この球面形流体軸受１１は、球体１４が球
面摺動部１３ａ，１３ｂの内周面１８ａ，１８ｂを摺動
する。このため、支持軸１６は、球体１４などによって
球面摺動部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１に対して全方向に
揺動自在に支持されている。

【００９１】図２に示した球面形流体軸受１１におい
て、例えば、支持軸１６がシリンダ機構１０２などに取
付けられて支持軸１６に沿った荷重を支持する際には、
外部から球面摺動部１３ａ，１３ｂ内に圧縮空気などの
圧縮流体が供給される。そして、球体１４の表面には、
薄い空気膜などの供給された圧縮流体からなる流体膜が
形成される。そして、流体膜が、前述した荷重を球面摺
動部１３ａ，１３ｂの内周面１８ａ，１８ｂとともに保
持する。

【００９２】また、球面形流体軸受１１は、前記支持軸
１６が通った球面摺動部１３ｂの端面２８の内径Ｃは、
前述した式９を満たしている。このため、球面形流体軸
受１１は、支持軸１６を回転角θ0の範囲内で球面摺動
部１３ａ，１３ｂの軸線Ｐ１に対して全方向に揺動させ
ても、支持軸１６が球面摺動部１３ａ，１３ｂなどと干
渉しないため、確実に移動ステージ１００に用いること
ができる。

【００９３】また、球面摺動部１３ａ，１３ｂ内に圧縮
空気などの圧縮流体を供給し、この圧縮流体によって、
球体１４の表面に流体膜が形成されて、この流体膜が球
面摺動部１３ａ，１３ｂの内周面１８ａ，１８ｂととも
に、移動ステージ１００のシリンダ機構１０２などの揺
動トルクに伴う荷重を支持する。このため、球面摺動部
１３ａ，１３ｂの変形を抑制できるとともに、球体１４
の形状の誤差の影響を緩和できる。したがって、移動ス
テージ１００の運動精度の低下を抑制することができ
る。

【００９４】また、球面摺動部１３ａ，１３ｂと球体１
４と支持軸１６などから構成されているので、移動ステ
ージ１００への取付けが容易であるとともに、部品点数
を抑制することができる。また、球体１４の表面に流体
膜が形成されているので、支持軸１６が揺動する際の摩
擦力が抑制される。このため、シリンダ機構１０２の駆
動力を抑制でき、このシリンダ機構１０２の小型化を図
ることが可能となる。このため、コストの高騰を抑制で
きる。

【００９５】前記球面形流体軸受１１は、前述した式１
４の関係を満たしているのが望ましい。この場合、この
式１４は、前記式９において、回転角θ0＝３０度とし
た時に得られる。移動ステージ１００では、シリンダ機
構１０２を揺動自在に支持する際に最大３０度までの角
度での揺動が要求されている。このため、前記式１４を
満たした球面形流体軸受１１は、より確実に移動ステー
ジ１００に用いることができる。

【００９６】なお、本発明は、移動ステージ用の支持に
最も適するものであるが、この用途に限らず、従来の自
動調心玉軸受が適用できない回転・揺動・旋回運動を行
う機構の支持装置としても適している。

【００９７】

【発明の効果】本発明によると、支持軸を回転角θ0の
範囲内で外輪の軸線に対し全方向に揺動させても、支持
軸が外輪などと干渉しないため、確実に移動ステージに
用いることができる。また、移動ステージの運動精度の
低下を抑制することができ、かつ移動ステージへの取付
けが容易であるとともに部品点数を抑制することができ
るため、コストの高騰を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の球面転がり軸受を示
す断面図。

【図２】本発明の第２の実施形態の球面形流体軸受を示
す断面図。

【図３】本発明の球面転がり軸受が揺動した状態を模式
的に示す断面図。

【図４】本発明の球面形流体軸受が揺動した状態を模式
的に示す断面図。

【図５】移動ステージを模式的に示す斜視図。

【図６】従来のボール型自在継手を示す断面図。

【図７】従来の自動調心玉軸受を示す断面図。

【符号の説明】

１…球面転がり軸受 ２…内輪 ３…外輪 ４…玉（球体） ６…支持軸 ８…内周面 １１…球面形流体軸受 １３，１３ａ…球面摺動部（外輪） １４…球体 １６…支持軸 １８ａ，１８ｂ…内周面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円環状に形成されかつ内周面が断面円弧状
   に形成された外輪と、 前記外輪に対し全方向に揺動自在に支持された支持軸
   と、 前記外輪内に設けられかつ前記外輪の内周面とともに前
   記支持軸を全方向に揺動自在に支持する球体と、を備
   え、 前記外輪の軸線と支持軸との間のなす回転角θ0に対
   し、 Ｂ≦−tanθ0×ｒ2＋((tan²θ0＋２)ｒ2²−(ｄ／cosθ
   0)ｒ2)^1/2と、 Ｃ≧(ｄ／２)／cosθ0＋ｒsinθ0と、 のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特徴とする
   回転体装置。ただし、ｒ2：外輪の内周面の曲率半径、
   Ｂ：外輪の水平軸から支持軸が突出した側に位置する端
   面までの幅、Ｃ：外輪の支持軸が突出した側に位置する
   端面における内径、ｄ：支持軸の直径、ｒ：球体の外径
   である。