JP2003083324A - 回転支持機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度の変化に対する予圧の変動を抑えて常に安
定して動作させることができる回転支持機構を提供す
る。 【解決手段】軸受１１を介して互いに相対的に回転する
支軸１５とハウジング１６を有し、その回転側のハウジ
ング１６が軽量で熱膨張係数の大きな材料（アルミニウ
ム）で形成され、軸受１１に予圧を付与する軸受押え１
９がハウジング１６に固定ボルト２０を介して締結固定
され、ハウジング１６には固定ボルト２０の挿入部分に
所定の深さの座ぐり２３が形成され、固定ボルト２０の
座ぐり２３の区間の部分がハウジング１６と螺合しない
非接触状態に保持され、軸受押え１９および固定ボルト
２０が軸受１１の構成材料と同じ材料で形成されている
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、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Δ_１とＢ点の
位置での熱膨張量Δ_２とはほぼ同じで、Ｃ点の位置での
熱膨張量Δ_３はそれより小さくなる（Δ_１≒Δ_２＞
Δ_３）。 【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１
６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１
７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１
９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２
０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２
３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１
６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１
１の軸方向についての伸びを考えるとき、ハウジング１
６に座ぐり２３がなく、固定ボルト２０のハウジング１
６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Δ_１と、固定ボルト２０の中心軸上のＢ点の位置で
の熱膨張量Δ_２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Δ_３との関係は、Δ_１≒
Δ_２＞Δ_３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Δ_２が前記の場合より小さくなり、Δ_１＞Δ_２＞Δ _３
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Ｌ_１ Ｂ−Ｃ間の距離Ｌ_２ 座ぐり２３の深さをＨ_１ ハウジング１６の下端面と軸受１１の上端面との間の距
離Ｈ_２ 第１の接触部１９ａの第２の接触部１９ｂに対する突出
の高さＨ_３ ハウジング１６（アルミニウム材料）の熱膨張係数ρ_１ 軸受１１（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ_２ 軸受押え１９（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ_３ 固定ボルト２０（鉄鋼材料）の熱膨張係数ρ_４ 温度変化量ｔ としたときに、 Ａ点の位置での熱膨張量Δ_１は、 Δ_１＝Ｈ_２・ρ_１・ｔ＋Ｈ_３・ρ_３・ｔ Ｂ点の位置での熱膨張量Δ_２は、 Δ_２＝（Ｈ_２−Ｈ_１）・ρ_１・ｔ＋（Ｈ_１＋Ｈ_３）・ρ
_４・ｔ Ｃ点の位置での熱膨張量Δ_３は、 Δ_３＝（Ｈ_２＋Ｈ_３）・ρ_２・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、 Ｌ_１：Ｌ_２＝（Δ_１−Δ_２）：（Δ_２−Δ_３） となる。 【００３２】したがって、このＬ_１：Ｌ_２＝（Δ_１−Δ
_２）：（Δ_２−Δ_３）の条件を満たすように、座ぐり２
３の深さＨ_１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、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｈ_２、Ｈ_３、
ρ_１、ρ_２、ρ_３、ρ_４が既知の値で、Ｈ_１のみが未知
の値であるとすると、 Ｈ_１＝｛Ｌ_１・Ｈ_２・ρ_１−Ｌ_１・（Ｈ_２＋Ｈ_３）・ρ
_２−Ｌ_２・Ｈ_３・ρ _３＋（Ｌ_１＋Ｌ_２）・Ｈ_３・ρ_４｝
／｛（Ｌ_１＋Ｌ_２）・（ρ_１−ρ_４）｝ となり、Ｈ_１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、 ρ_１＝ρ_ａ ρ_２＝ρ_３＝ρ_４＝ρ Ｈ_３＝０ Ｈ_２＝Ｈ Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌ である場合においては、 Ｈ_１＝（Ｌ・Ｈ・ρ_ａ−Ｌ・Ｈ・ρ）／｛（２・Ｌ）・（ρ_ａ−ρ）｝ ＝Ｌ・Ｈ・（ρ_ａ−ρ）／｛（２・Ｌ）・（ρ_ａ−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１
３ａ，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１
１ａを用いるような場合であってもよい。この玉軸受１
１ａ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１
３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１
６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

Claims (1)

1. 【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。