JP5890514B2

JP5890514B2 - ローラ及びこのローラを用いた転がり案内装置

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Publication number: JP5890514B2
Application number: JP2014502410A
Authority: JP
Inventors: 高橋　徹; 徹高橋; 啓介川名; 喜大濱田
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JPWO2013129645A1; WO2013129645A1; TW201400721A

Description

本発明は、ローラ及びこのローラを用いて軌道部材に沿って移動自在に組み付けられた移動部材を備えた転がり案内装置に関する。

従来より、長手方向に沿って転走面が形成された軌道部材と、転走面に対向する負荷転動体転走面が形成され、軌道部材に対して移動可能に組み付けられた移動部材と、転走面と負荷転動体転走面の間を転走する複数の転動体、例えばボールや円筒状のローラを備えた転がり案内装置が知られている。また、単一の回転軸を有する円筒状のローラに関し、このような円筒状のローラは転走面と線接触をすることにより荷重を負荷することができることから、ボールよりも許容荷重を大きく設定できるという利点を有している。

特開２００５−１６３８８２号公報

しかし、このような円筒状のローラを用いた転がり案内装置では、移動部材に、例えば過大なモーメントが付与されると、転走面とローラが平行ではなくなり、ローラの軸方向に分力が生じる。そのため、ローラが偏当りの状態となり転がり案内装置の機能を十分に発揮できないおそれがある。ここで、ローラの偏当りとは、ローラの軸方向の端部の応力が中央部の応力を越えた状態をいう。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、過大なモーメントが付与された場合であっても偏当りを起こすことのないローラ及び、このローラを組み込んだ転がり案内装置を提供することを目的とする。

本発明に係るローラは、単一の回転軸を有するローラであって、該ローラは、その回転軸方向の両端面からローラ中心へ前記回転軸に沿って徐々に縮径するように転走面が形成され、前記両端面には、ローラ中心に向かう凹部が形成され、前記ローラの径と前記凹部の深さの比と前記ローラの偏当りが発生しない範囲の許容荷重の関係において、前記ローラの径と前記凹部の深さの比が前記ローラの許容荷重のピークを示す値以上となるように前記凹部の深さが設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ローラが鼓形に形成されると共に、回転軸方向の両端面に凹部が形成されているので、ローラ端部を変形させて、偏当りを起こすことがないローラと、そのローラを円滑に無限循環できる転がり案内装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る転がり案内装置を示す斜視図。本発明の第１の実施形態に係る転がり案内装置に用いられるローラを示す正面図。本発明の第１の実施形態に係るローラの断面図。本発明の第１の実施形態に係るローラの凹部の形状を説明するための拡大断面図。本発明の第１の実施形態に係るローラの変形状態を示す概念図。本発明の第１の実施形態に係るローラの端部の接触面圧を示す解析結果。本発明の第１の実施形態に係るローラの変形例を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係るローラの断面図。本発明の第３の実施形態に係るローラの断面図。本発明の第１の実施形態に係るローラの凹部の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比とローラの偏当りの発生しない範囲の許容荷重の関係を示した解析結果。本発明の第１の実施形態に係るローラの凹部の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比と斜面３４の角度θとの関係を示した解析結果。図１０で用いたローラのローラ径とローラの長さを１．５倍に変更したローラの凹部の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比とローラの偏当りの発生しない範囲の許容荷重の関係を示した解析結果。図１１で用いたローラのローラ径とローラの長さを１．５倍に変更したローラの凹部の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比と斜面３４の角度θとの関係を示した解析結果。

［第１の実施形態］
以下、本発明に係る転がり案内装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る転がり案内装置を示す斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る転がり案内装置に用いられるローラを示す正面図であり、図３は、本発明の第１の実施形態に係るローラの断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る転がり案内装置１は、長手方向に沿って複数の転走面１１がその外表面に形成された軌道部材１０と、転走面１１に対向する負荷転動体転走面２３が形成され、複数のローラ３０を介して軌道部材１０に対して往復運動可能に組み付けられた移動部材２０とを備えている。

図２に示すようにローラ３０は単一の回転軸Ａを有するローラであって、軸方向の両端面３１ａ，３１ｂから中央部に向かって徐々に縮径する鼓状に形成されており、その軸方向と垂直方向からみたローラ３０の転走面３０ａは曲率半径Ｒの曲線状に形成されている。

軌道部材１０には、複数のボルト孔１２が上面から底面に向かって穿孔されている。本実施形態に係る転がり案内装置１は、軌道部材１０に形成されたこれら複数のボルト孔１２にボルトを挿通し基台に締結されている。この軌道部材１０は、断面略矩形状に形成された長尺部材であり、左右両側に２条ずつの転走面１１が対称的に合計４条形成されている。

移動部材２０は、軌道部材１０の上面及び左右両側面に跨るように、断面略コ字状をしており、移動部材本体２１と、この移動部材本体２１の往復運動方向である両端面に取り付けられた一対の側蓋２２とを備えている。

移動部材本体２１及び側蓋２２は、軌道部材１０の上面に対向する中央部と、軌道部材１０の左右両側面に対向する一対の脚部とを有している。移動部材本体２１には、軌道部材１０の転走面１１と対向するように軌道部材１０の長手方向に延びる例えば合計４条の負荷転動体転走面２３が形成されている。

また、移動部材本体２１には、負荷転動体転走面２３と平行に延びる転動体戻し通路２４が合計４条形成されている。

また、側蓋２２には、負荷転動体転走面２３の一端と転動体戻し通路２４の一端とを繋ぐＵ字形状の方向転換路２９が形成されている。転走面１１と負荷転動体転走面２３からなる負荷転動体転走路，一対の方向転換路２９及び転動体戻し通路２４とからなる無限循環路を形成している。

本実施形態に係る転がり案内装置１は、転走面１１と負荷転動体転走面２３との間にローラ３０が介在されているので、移動部材２０を軌道部材１０の長手方向に沿って移動させると、転がり運動を行わせることができる。負荷転動体転走路の一端まで転走したローラ３０は、側蓋２２に形成された掬上部で掬い上げられ、一方の方向転換路２９に導かれる。方向転換路２９で進行方向を転換させたローラ３０は、転動体戻し通路２４を転走して、他方の方向転換路２９を経由した後、再び負荷転動体転走路に戻される。このようにローラ３０が転走することで無限循環を実現している。

また、複数のローラ３０は、隣り合うローラ３０間に配置された間座部と、ローラ３０の両端面を介してその間座部を繋ぐ帯状の連結帯３２とからなる帯状リテーナにより保持されている。このように、ローラ３０間に配置された間座部によりローラ３０同士の衝突を防止することができる。また、ローラ３０は、連結帯３２によって一連に連結保持されているので、ローラ３０を整列させたまま転走させることができる。

なお、転走面１１及び負荷転動体転走面２３の断面形状は、ローラ３０の鼓形に対応するように負荷転動体転走面２３又は転走面１１に向かって凸となる円弧状に形成されている。また、ローラ３０を介する転走面１１及び負荷転動体転走面２３は、例えば、接触各線が接触角４５°に形成されたアンギュラコンタクト構造を成している。なお、接触角線とは、転走面１１及び負荷転動体転走面２３がローラ３０を介して接触する点を結んだ線をいう。

次に、図３を参照して本実施形態に係るローラ３０の形状について説明を行う。図３に示すように、本実施形態に係るローラ３０の回転軸Ａ方向の両端面３１ａ，３１ｂには、回転軸Ａ方向に沿って形成された凹部３１が形成されている。

また、図３に示すように、凹部３１は、例えば、両端面３１ａ，３１ｂから回転軸に沿って所定の深さＤの位置に形成された底面３３を有し、開口端が凹部径φ２に形成された円錐台形状に形成されている。凹部３１はローラ３０の両端面３１ａ，３１ｂに形成されるので、凹部３１によってローラ３０が長手方向に貫通しないように、凹部３１の深さＤは、ローラ３０の長手方向の長さの半分未満に形成される。

凹部径φ２は、端面３１ａ，３１ｂにおける転動体径φ１よりも小さく形成されており、ローラ３０の端面３１ａ，３１ｂには、外縁部３２が形成されている。なお、凹部径φ２は、転動体径φ１よりも１ｍｍ程度小さく形成されており、これによって、外縁部３２の厚みは約０．５ｍｍに形成されている。外縁部３２の厚みは転動体径φ１の大きさに依存しておらず、約０．５ｍｍに形成されていればよいことが発明者らの解析から得られている。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るローラの凹部の形状を説明するための拡大断面図であり、図４に示すように、凹部３１の内側面３５は、回転軸に対して所定の角度だけ傾いた斜面の延長線である仮想線Ｓと、底面３３の延長線Ｂとの連続する位置において、仮想線Ｓと底面３３の延長線Ｂとからなる最大円弧Ｒｍａｘに形成されている。

このように形成されたローラ３０は、径方向に荷重を受けると、荷重に応じて転走面１１との接触部において弾性変形を生じる。図５は、本発明の第１の実施形態に係るローラの変形状態を示す概念図であり、具体的には図５に示すように、ローラ３０に荷重Ｆが負荷されると、ローラ３０の端面３１ａ，３１ｂでは、転走面１１及びローラ３０の側面の円弧形状に相対する回転モーメントによってローラ３０をＭ方向に弾性変形が生じる。

それと同時に、本実施形態に係るローラ３０は、回転軸方向の端部に凹部３１が形成されているので、外縁部３２がローラ３０の側面の円弧方向Ｍｙにも弾性変形を生じる。この円弧方向Ｍｙに沿った弾性変形によって、ローラ３０の端部は転走面１１との接触部外に弾性変形することとなる。この弾性変形によって、応力集中の緩和を実現しており、端部での応力集中やこれに応じたローラ３０の偏当りが生じることはない。

図６は、本発明の第１の実施形態に係るローラの端部の接触面圧を示す解析結果であり、本実施形態に係るローラ３０が荷重を負荷した場合の回転軸方向に沿った接触面圧（実施例１）は、図６に示すような解析結果となった。なお、本解析は、回転軸方向の一端面から多端面までの距離（軸方向長さ）が７ｍｍ，ローラ径Ｄｗが４ｍｍのローラを用いた。図６に示すように、接触部の端部に向かって徐々に接触面圧は下がっていき、端部で接触面圧が上昇していることがわかる。しかし、上昇した接触面圧は、回転軸方向の中央部の接触面圧を超えておらず、ローラ端部での偏当りが生じていない。また、本実施形態に係るローラ３０の接触面圧は、従来例１として記載した円柱状ローラの端部にクラウニングを形成した場合の端部の接触面圧と同様に接触面圧が４０００ＭＰａを超えておらず、偏当りを起こしていないことがわかる。

さらに、図６の下段（実施例２及び従来例２）は、本実施形態に係るローラ３０と円柱状のローラの端部にクラウニングを形成した場合のローラを転がり案内装置に組み込んだ場合の転がり案内装置の基本動定格荷重に対して、実際にローラが受ける負荷としてその１０％を想定したときの其々の応力分布を示している。従来例２では、ローラ端部で接触面圧が落ち込んでおり、ローラ端部まで接触せずに接触面積が小さくなることで応力値は全般に高くなっている。また、接触部位置の６０％近傍から接触面圧が落ち始めているが、当該部分はクラウニングが形成されたクラウニング開始点であり、直線部とクラウニング開始点で必ず応力値が高くなる箇所が存在してしまう。これに対し、実施例２では、端部まで応力が均一に分布している。ローラは端部まで接触しており接触面積は大きくなることで応力値は全般に低くなっていることがわかる。このように、本実施形態に係るローラ３０は、従来例と比較して応力値が全般に低くなっていることから、ローラの寿命が長くなり、転がり案内装置等に組み込んだ場合、製品寿命やメンテナンスの期間を延ばすことが可能となる。

このように、本実施形態に係るローラ３０は、転走面３０ａが鼓形に形成されると共に、回転軸方向の両端面３１ａ，３１ｂに凹部３１が形成されているので、ローラ３０が荷重を負荷した場合に、偏当りが生じる外縁部３２を変形させて、偏当りの発生を確実に抑制することができる。

また、本実施形態に係るローラ３０は、円錐台形状の凹部３１の内側面３５を最大円弧Ｒｍａｘに形成した場合について説明したが、図７に示すように内側面３５を最大円弧Ｒｍａｘで形成せず、仮想線Ｓと同じ角度で傾斜した斜面３４として形成しても構わない。なお、図７は、本発明の第１の実施形態に係るローラの変形例を示す断面図である。

［第２の実施形態］
以上説明した第１の実施形態に係る転がり案内装置１では、凹部３１を円錐台形状に形成した場合について説明を行った。次に説明する第２の実施形態に係るローラは、第１の実施形態とは異なる形態を有する凹部の実施例について説明を行うものである。なお、上述した第１の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図８は、第２の実施形態に係るローラ３０´を示す断面図である。図８に示すように第２の実施形態に係るローラ３０´は、凹部３１´の形状が第１の実施形態に係るローラ３０と異なっている。具体的には、第２の実施形態に係るローラ３０´は、凹部３１´の形状が円錐形状に形成されている。

凹部３１´は、回転軸から所定の角度傾斜した斜面３４を有しており、円錐形状の先端部は、互いに交差する斜面３４からなる最大円弧Ｒｍａｘに形成されている。なお、凹部３１´は、ローラ３０´の端面３１ａ，３１ｂから深さＤ２の深さで形成されている。

また、凹部３１´のローラ３０´の端面３１ａ，３１ｂ側の開口端は、端面３１ａ，３１ｂの外径よりも小さな径に形成され、端面３１ａ，３１ｂに外縁部３２を形成している。

このように本実施形態に係るローラ３０´は、円錐形状に凹部３１´を形成しているので、凹部３１´の外縁部３２における変形を大きくすることができ、より確実に偏当りの発生を抑制することができる。

［第３の実施形態］
以上説明した第２の実施形態に係るローラ３０´では、凹部３１´を円錐形状に形成した場合について説明を行った。次に説明する第３の実施形態に係るローラは、第２の実施形態とは異なる形態を有する凹部の実施例について説明を行うものである。なお、上述した第１及び第２の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図９は、第３の実施形態に係るローラ３０´´を示す断面図である。図９に示すように第３の実施形態に係るローラ３０´´は、凹部３１´´の形状が第１及び第２の実施形態に係るローラ３０，３０´と異なっている。具体的には、第３の実施形態に係るローラ３０´´は、凹部３１´´の形状が深さＤ３を有する半楕円形状に形成されている。

また、凹部３１´´のローラ３０´´の端面３１ａ，３１ｂ側の開口端は、端面３１ａ，３１ｂの外径よりも小さな径に形成され、端面３１ａ，３１ｂに外縁部３２を形成している。

このように本実施形態に係るローラ３０´´は、半楕円形状に凹部３１´´を形成しているので、凹部３１´´を容易に加工することができる。

次に、図１０及び１１を参照して、第１の実施形態に係るローラ３０の凹部の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比とローラの偏当りの発生しない範囲の許容荷重の関係、及び深さＤｄとローラ径Ｄｗの比と斜面３４の角度θとの関係を解析した解析結果について説明を行う。

その結果、ローラ３０の凹部３１の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比とローラ３０の偏当りが発生しない範囲の許容荷重Ｐとの関係において、Ｄｄ／Ｄｗが許容荷重Ｐのピーク値である最大許容荷重を示す値Ｘ以上となるようにローラの凹部３１の深さＤｄが設定されると、ローラの偏当りを発生させず、且つ許容荷重を大きくとれるという結果を得た。

また、図１１に示すような使用可能領域において、外縁部３２を弾性変形させて偏当りを生じさせないことが分かった。このうち、図１０に示すように、凹部を円錐台形状に形成した第１の実施形態に係るローラ３０の場合、斜面３４の角度θのうち許容荷重が最も大きくとれる値をプロットした結果、深さＤが下記数式から導かれるＤｄ／Ｄｗよりも大きくなるように角度θを形成した場合がローラの偏当りを発生させず、且つ許容荷重も大きくとれるという結果を得た。

次に、図１２及び１３に示す解析結果は、上記図１０及び１１で解析を行ったローラの径と長さをともに１．５倍に大きくしたローラについて解析を行った解析結果である。なお、外縁部３２の厚みについては、図１０及び１１で解析を行ったローラと同様の厚みとなるように凹部の径を大きく形成した。

この解析結果からわかるように、ローラの径や長さを変更しても、ローラ３０の凹部３１の深さＤｄとローラ径Ｄｗの比とローラ３０の偏当りが発生しない範囲の許容荷重Ｐとの関係において、Ｄｄ／Ｄｗが許容荷重Ｐのピーク値である最大許容荷重を示す値Ｘ以上となるようにローラの凹部３１の深さＤｄが設定されると、ローラの偏当りを発生させず、且つ許容荷重を大きくとれるという結果を得た。

また、図１３に示すように、斜面３４の角度θのうち許容荷重が最も大きくとれる値をプロットした結果、深さＤが下記数式から導かれるＤｄよりも大きくなるように角度θを形成した場合がローラの偏当りを発生させず、且つ許容荷重も大きくとれるという結果を得た。この数式が示すように、ローラの径や長さを変更すると、角度θと凹部深さＤｄ／Ｄｗの関係に変化が生じることがわかる。

このように、凹部の形状に合わせて深さや斜面角度を設定することで、許容荷重を大きく設定し、ローラ端部での偏当りを生じさせないローラを得ることができる。具体的には、凹部の深さＤｄは、斜面の角度をθとすると、上記数１を満たす数以上に形成した場合に許容荷重を大きく設定し、ローラ端部での偏当りを生じさせないことはわかる。

以上説明した本実施形態に係る運動案内装置は、工作機械を始め半導体・液晶製造装置（例えば、実装機）や、ロボットなどの産業機械分野から、免震装置、システムキッチン、各種ゲーム機、医療機械、食品機械、搬送装置といった民生分野まで、幅広い分野に要素部品として組み込むことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々の変更が可能である。例えば、本実施形態では、軌道部材は断面矩形に形成した場合について説明したが、軌道部材の形状はこれに限られず、求められる剛性や加工性に応じて適宜変更することが可能である。また、本実施形態に係る転がり案内装置１は帯状リテーナを適用した場合について説明をしたが、これに限られず、帯状リテーナを適用しない総ローラとして構成しても構わないし、隣り合うローラ間にスペーサを介在させることもできる。さらに、本発明は転がり案内装置以外にも例えば、外面に軌道面を有する内方部材と、内方部材の軌道面に対向する負荷軌道面を有して該内方部材の外側に配置された外方部材とを備えた転がり案内装置における前記軌道面と前記負荷軌道面の間に転動自在に配置したことを特徴とする回転ベアリングなどの転がり案内装置に適用することも可能である。

また、転走面１１は合計４条形成した場合について説明したが、転走面１１の数はこれに限られず、求められる剛性や荷重に応じて適宜変更することが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１転がり案内装置，１０軌道部材，２０移動部材，３０，３０´，３０´ ローラ，３１，３１´，３１´´ 凹部，３１ａ，３１ｂ端面，３２外縁部，３３底面，３４斜面，Ａ回転軸，Ｄ深さ。

Claims

単一の回転軸を有するローラであって、
該ローラは、その回転軸方向の両端面からローラ中心へ前記回転軸に沿って徐々に縮径するように転走面が形成され、
前記両端面には、ローラ中心に向かう凹部が形成され、
前記ローラの径と前記凹部の深さの比と前記ローラの偏当りが発生しない範囲の許容荷重の関係において、前記ローラの径と前記凹部の深さの比が前記ローラの許容荷重のピークを示す値以上となるように前記凹部の深さが設定されていることを特徴とするローラ。
請求項１に記載のローラを、
外面に軌道面を有する内方部材と、
前記内方部材の軌道面に対向する負荷軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材とを備えた転がり案内装置における前記軌道面と前記負荷軌道面の間に転動自在に配置したことを特徴とする転がり案内装置。
請求項１に記載のローラを、転走面を有するとともに長手方向に延びる軌道部材と、前記軌道部材に対して移動可能に組み付けられた移動部材との間に介在させたことを特徴とする転がり案内装置。