ボールスプラインとは
ボールスプラインとは、直動ベアリングの1つであり、主に滑らかな直線運動を行いたい箇所に用いられる機械要素です。
ボールスプラインには、スプラインという直線移動の軸になるシャフトの長手方向に連続して掘られた溝があります。シャフトの上からスプラインナットと呼ばれる外筒部品によって挟むことで、軸方向のなめらかな動作と、回転動作を1軸で実現できます。
ボールスプラインには類似した機械要素がいくつかありますが、それらの中でも比較的大きな荷重を受けながら、滑らかな直線移動と軸回りの回転動作も伝えたい場合には最適な機械要素です。
ボールスプラインの使用用途
ボールスプラインは、さまざまな産業用機械において、回転動作と垂直動作が同時に必要な場面で用いられます。例えば、ロボットのアーム先端の動作、回転研磨装置のように、回転と被加工物への押しつけを同時に行う必要がある場面もボールスプラインの使用用途の1つです。
さらに、搬送装置など滑らかな長ストロークの1軸動作が必要な場面でも用いられます。
ボールスプラインの原理
ボールスプラインは、ボールの転動とスプラインによる嵌合によって回転トルクが伝達されます。まず転動はガイドとなるシャフト外部には複数のガイド溝と、スプラインナットと呼ばれる外筒部品の内側に、任意の曲率を持った楕円軌道の間で、複数の鋼球が転がる構造です。
鋼球には潤滑油が塗布されており、スプラインナットとスプラインシャフト間を非常に小さな摩擦力で転がります。一方で、シャフトが回転すると、鋼球はスプライン溝で嵌合しているため、シャフトとスプラインナットは回転方向にずれません。この2つの仕組みによって、スプライン軸に沿った直線運動と、回転運動が1軸で実現できます。
ボールスプラインの選び方
どのボールスプラインも、内部構造はほぼ同じです。しかし、対応できる荷重やトルクは、スプライン軸サイズなどによって異なります。そのため、使用する装置の設計にしたがって、適切なスプライン軸のサイズを選定することが重要です。
また、腐食性のガスや湿気のある空間での使用が予想される場合は、素材をステンレス製にしたり、高清浄度が求められるような場面では、ボールの潤滑油を専用の潤滑油に変更したりと、使用環境に即したオプションを検討することも欠かせません。
ボールスプラインのその他情報
1. ロータリーボールスプライン
ロータリーボールスプラインは、1つのアセンブリで直線的および、回転的な運動を行うことができる機構を有している機械要素です。一般的なボールスプラインにさらに独立して、滑らかな回転運動をするためのクロスローラー という機構が追加されているのが特徴です。
スプライン部と回転部が一体であることにより、従来の機構と比べて大幅に部品点数を削減でき、取付の累積誤差を減らすことができます。また、ボールスプラインの外筒に直接クロスローラーが配置されているので、軽量かつコンパクトに構成できるのが特徴です。従来機構よりも、軽量かつ取付性も改善します。
ロータリーボールスプラインは、スカラロボットと呼ばれる水平多関節型の産業用ロボットを含む組立機、ローダー、レーザーフライス加工などに使用されます。
2. ボールスプラインとリニアブッシュとの違い
リニアブッシュは転がり案内の直動機構であり、リニアシャフトと組み合わせて使用され、鋼球の転がりを利用して無限直線運動をします。外見からの一番の違いは、シャフトにスプライン溝があるものがボールスプライン、シャフトに溝がないものがリニアブッシュです。
リニアブッシュは、ボールがブッシュに対して直線状に配列されており、ボールと軸とが点接触で摺動します。これに対して、ボールスプラインは、ボールがスプライン軸の溝の上を転動するため、ボールと軸の接触面積が大きく、さらに回転方向へのずれることもないため、同時にトルクも伝達できます。
参考文献
https://www.nipponbearing.com/product/lineup/ballspline/ball_spline.html
http://www.thk-niigata.com/profile/techno.html
https://www.mekasys.jp/series/detail/id/NB_0071
https://jp.misumi-ec.com/special/linearbushing/about/