JP2004301135A - 直線駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷容量化または高速化のいずれかが可能で、長手方向にコンパクトな構成とでき、設置も簡単に行える直線駆動装置を提供する。
【解決手段】直動出力部となるねじ軸２を、ハウジング１４に軸方向移動自在で回転不能に支持する。ねじ軸２の外周に中間ナット３を設け、その外周に外側ナット４を設ける。ねじ軸２と中間ナット３の対向するボールねじ溝５，６間、および外側ナット４と中間ナット３の対向するボールねじ溝７，８間に複数のボール９，１０をそれぞれ介在させる。ハウジング１４にモータ１３を設置し、中間ナット３に相対的に軸方向移動自在に係合してモータ１３の回転出力を中間ナット３に伝達する回転伝達手段２２を設ける。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、短いストロークで駆動される高負荷容量が必要な駆動装置、例えば推力が必要な油圧シリンダの代わりに用いられる電動駆動装置や、自動車用の各種電動駆動装置、あるいは高速位置決めの用途などに適用できる直線駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータを利用して回転を直線運動に変換するアクチュエータとして、例えばボールねじや滑りねじを用いるものが多数ある。これらのねじ式のアクチュエータで、モータとねじとを減速機構を介さず連結すると、１リード／１回転の直線駆動が可能となる。
このアクチュエータが大きな荷重を受けるとすると、大荷重に耐えるために、モータの負荷容量を上げるか、ボールねじとモータの間に、各種歯車、プーリー等の減速機構を設ける必要がある。ボールねじのリードを小さくすると、モータの回転数を上げることができ、モータの最大トルクが発生する領域で仕事を行うことができるが、リードが小さいと、ボールねじに使用できるボールは必然的にリードより小さいものとなり、ボールの負荷容量が足りなくなるという問題が起きる。
また、上記アクチュエータで高速動作を行わせようとした場合、リードを大きくする必要があるが、軸径を変えずにリードを大きくしようとした場合、ねじ溝の軸方向に対する傾き角度が大きくなり過ぎ、円滑な動作が得られなくなる。
【０００３】
この解決策として、２つのナットを有する差動ボールねじを利用した直線駆動装置が提案されている（特許文献１）。ここに示されている直線駆動装置は、短いストロークで高い負荷容量を得ることが可能で、見かけ上のリード（１回転当たりに進む距離）を２種類のナットのリード差によって任意に変えられる。これにより、ボールねじに使用されるボール径に制約が無くなり、高い負荷容量仕様のボールねじを使用することができる。また、２つのナットのねじ溝の方向を互いに逆向きとすることで、高速動作を行わせることもできる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１０１９号公報
【特許文献２】
特開平９−３２４８４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記提案例の直線駆動装置では、長手方向に２個のナットが並ぶために長手方向寸法が長くなり、取付スペースが大きくなってしまう。また、その設置にハウジングが必要であり、しかもモータ自体が直線運動するために、モータユニット部にスライド機構が必要になる。さらに、ナットに回転止め機構が無いため、別途に設けることが必要となる。
【０００６】
なお、粗動と微動の切換を可能としたボールねじとしては、ねじ軸の外周に中間ナットを設け、このナットの外周にさらに外側ナットを設けて２階層のナット構造としたものが提案されている（例えば特許文献２）。中間ナットの内周と外周のねじ溝は、リードが異なるものとされる。これによれば、中間ナットに連結したモータを駆動するか、ねじ軸に連結したモータを駆動するかを選択することで、粗動と微動の切換が行える。
しかし、この提案例のものは、粗動と微動の切換使用を目的としたものであって、その動作は粗動用の部分と微動用の部分が選択的に使用され、単独のボールねじの場合と変わりがない。そのため、単独のボールねじに比べて、高負荷容量化も、高速化も行えない。また、モータが２個必要で、それぞれの制御が複雑となり、装置自体も大きくなってコスト高になるという課題もある。
【０００７】
この発明の目的は、高負荷容量化または高速化のいずれかが可能で、長手方向にコンパクトな構成とでき、設置も簡単に行える直線駆動装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の直線駆動装置は、ハウジング、ねじ軸、中間ナット、外側ナット、複数のボール、モータ、および回転機構を備える。ねじ軸は直動出力部となる部品であり、外径面にボールねじ溝を有し上記ハウジングに軸方向移動自在で回転不能に支持される。中間ナットは、ねじ軸の外周に遊嵌し、内径面に上記ねじ軸の上記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を有し、かつ外径面に他のボールねじ溝を有する。ねじ軸および中間ナットの対向するボールねじ溝間には複数のボールを介在させる。外側ナットは、上記ハウジングに設けられて上記中間ナットの外周に遊嵌するものであり、内径面に中間ナットの外径面のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を有する。外側ナットおよび中間ナットの対向するボールねじ溝間にも複数のボールを介在させる。上記モータは、上記ハウジングに設置される。上記回転伝達手段は、上記中間ナットに相対的に軸方向移動自在に係合して上記モータの回転出力を上記中間ナットに伝達するものである。
上記中間ナットの内径面のねじ溝と外径面のねじ溝の巻き方向は、互いに同じ方向であっても、逆方向であっても良いが、同じ方向である場合は、リードを互いに異ならせる。逆方向の場合は、リードが同じであっても、異なっていても良い。
この構成の直線駆動装置によると、モータの回転により、回転伝達手段を介して中間ナットが回転させられる。中間ナットは、外周のねじ溝でボールを介して外側ナットのねじ溝に螺合しており、外側ナットは固定であるため、中間ナットはその回転によって外周のねじ溝のリード分だけ直線移動する。すなわち、中間ナットは回転および直線移動の組み合わせ運動である螺進を行う。この螺進する中間ナットに対して、ねじ軸は中間ナットの内周のねじ溝にボールを介して螺合しており、またハウジングに対して軸方向移動自在で回転不能に支持されているため、中間ナットに対してその内周のねじ溝のリード分だけ相対的な直線移動を行う。したがって、直動出力部となるねじ軸は、内外のねじ溝の巻き方向の関係により、中間ナットの外周のリード分と、内周のリード分の差または和の距離だけ直線移動する。
【０００９】
中間ナットの内外のねじ溝の巻き方向が同じである場合は、ねじ軸の中間ナットに対する相対移動の方向は、中間ナットの移動方向とは逆方向になる。したがって、直動出力部であるねじ軸は、中間ナットの１回転で内外のねじ溝のリード差だけ移動することになる。このため、個々のねじ溝のリードによらずに、負荷ボール径を大きくでき、原理的には負荷容量をいくらでも大きく設定できる。また、このようにリード差分の移動となるため、減速機構としての機能を備えることになり、モータの１回転当たりに直動出力部が進む距離をいくらでも小さくできる。そのためモータを、モータトルクの高い、効率の良い高速回転域で使用することができる。
上記と逆に、中間ナットの内外のねじ溝の巻き方向を逆方向とした場合は、ねじ軸は中間ナットの内外のねじ溝のリードの和だけ移動することになる。したがって、ねじ溝の傾きを極度に大きくなることなく、大きなリードが得られ、高速移動が可能になる。
【００１０】
また、この発明の直線駆動装置は、２つのねじ溝を組み合わせるが、中間ナットの外周に外側ナットを設ける２階層の構造であるため、ナットを軸方向に２個並べる場合に比べて軸方向にコンパクトな構成にでき、設置スペースを小さくできる。さらに、この直線駆動装置はハウジングおよび回転止めを備えているため、適用機器への設置時に別途にハウジングや回転止めを設ける必要がなく、設置作業が簡単に行える。
【００１１】
この発明において、上記モータが上記ハウジングに内蔵されたものであって、上記ねじ軸と同心で回転するロータを有し、上記回転伝達手段は、上記ロータおよび上記中間ナットの一方に設けられた軸方向溝および他方に設けられて上記軸方向溝に摺動自在に係合する係合部材とでなるものとしても良い。
このように中間ナットとロータとを軸方向溝と係合部材との係合により直接に結合した場合、外径寸法も小さくすることができ、全体としてより一層コンパクトにできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この直線駆動装置は、図１に示すボールねじ１を使用したものであって、図２のように構成される。ボールねじ１は、１本のねじ軸２と、２つのナット３，４とを備える。ねじ軸２は直動出力部となる部材であって、その外径面にボールねじ溝５を有すると共に、直動対象部品取付用のフランジ２ａを一端（図１の左端）の外周に有している。２つのナット３，４のうちの１つは、ねじ軸２の外周に遊嵌する中間ナット３であって、その内径面と外径面とに２種類のボールねじ溝６，７を有する。すなわち、中間ナット３の内径面にはねじ軸２のボールねじ溝５に対向するボールねじ溝６が形成され、中間ナット３の外径面には上記ボールねじ溝６と巻き方向が同じでリードの異なる他のボールねじ溝７が形成されている。２つのナット３，４のうちの他の１つは、中間ナット３の外周に遊嵌する外側ナット４であって、その内径面に、中間ナット３の外径面に形成されたボールねじ溝７に対向するボールねじ溝８を有する。ねじ軸２のボールねじ溝５と中間ナット３の内径面のボールねじ溝６との間、および中間ナット３の外径面のボールねじ溝７と外側ナット４の内径面のボールねじ溝８との間には、それぞれ多数のボール９，１０が介在している。中間ナット３は、ねじ軸２との間でボール９を無限に循環させる循環部１１を有している。また、外側ナット４は、中間ナット３との間でボール１０を循環させる循環部１２を有している。これらの循環部１１，１２には、例えばコマ式やエンドキャップ式等のものが用いられる。また、外側ナット４は、他の部品への取付用のフランジ４ａを一端（図１の左端）の外周に有している。中間ナット３の内周側のボールねじ溝５，６のリードＬ１は、外周側のボールねじ溝７，８のリードＬ２よりも大きくされており、Ｌ１＞Ｌ２である。
【００１３】
外側ナット４の外周部には、図２に示すようにモータ１３が一体に設けられている。すなわち、ねじ軸２と同心状の筒部１４ａと、この筒部１４ａの一端（図２の右端）開口を閉じる蓋部１４ｂとからなるハウジング１４が、外側ナット４の外周に嵌合するように配置され、その筒部１４ａの一端がボルト等の締結具により外側ナット４のフランジ４ａに固定されている。ハウジング１４はモータハウジングとなるものである。このハウジング１４は外側ナット４に一体形成しても良い。ハウジング１４内には、モータ１３が中間ナット３の一端側（図２の右端側）外周に遊嵌するように支持される。モータ１３は、ハウジング筒部１４ａの内壁に支持されるステータ１５と、その内周側で中間ナット３の外周側に、ねじ軸２と同心状に配置される円筒状のロータ１６とを備える。ロータ１６は、軸受１７，１８を介してハウジング１４に回転自在に支持されている。
【００１４】
中間ナット３の外径面の一端側部分は、円周方向の複数箇所に軸方向溝１９をを形成したスプライン軸部３ａとされ、ロータ１６に内周側へ突出して設けられた複数の係合部材２０が各軸方向溝１９に摺動自在に係合する。スプライン軸部３ａは、例えばインボリュートスプラインとされる。上記複数の軸方向溝１９および係合部材２０により、モータ１３の回転出力を中間ナット３に伝達する回転伝達手段２２が構成される。なお、回転伝達手段２２は、上記とは逆に軸方向溝１９をロータ１６に設け、係合部材２０を中間ナット３に設けても良い。
【００１５】
ハウジング１４にはそのハウジング蓋部１４ｂの内面側に、ねじ軸２と同心状のガイド筒部２１が一体に形成され、ねじ軸２の他端（図２の右端）に形成されたガイドロッド部２ｂがガイド筒部２１に摺動自在に嵌合する。ガイド筒部２１の内面およびガイドロッド部２ｂの断面形状は、ねじ軸２が軸方向移動自在でかつ回転不能となるように、角形断面等の非円形とされ、または円形とされて溝とこれに噛み合う係合突部（図示せず）とが形成されている。ハウジング１４と共に、外側ナット４はそのフランジ４ａを介して、機械ベース等となる固定側部材（図示せず）に固定する。
【００１６】
上記構成の動作を説明する。モータ１３を駆動すると、ロータ１６の回転が係合部材２０を介して中間ナット３に伝達される。ロータ１６の１回転により、中間ナット３は外径側ボールねじ溝７のリードＬ２だけ軸方向に移動する。ここではモータ１３の正方向回転により中間ナット３が図中右方向に移動するものとする。このとき、軸方向にのみ移動自在に支持されているねじ軸２は、中間ナット３の１回転につきねじ軸２のボールねじ溝５のリードＬ１だけ、中間ナット３に対して左方向に移動する。これにより、直動出力部であるねじ軸２は、モータ１３の１回転につき、そのリード差（Ｌ１−Ｌ２）だけ左方向に移動する。
【００１７】
図３は、図２の状態からモータ１３をｎ回転させて、ねじ軸２を左方向に移動させた状態を示している。このとき、ねじ軸２はボールねじ溝７，８とボールねじ溝５，６とのリード差（Ｌ１−Ｌ２）と回転数ｎの積である（Ｌ１−Ｌ２）×ｎだけ左方向に移動することになる。
例えばＬ１＝１０、Ｌ２＝８とすると、ねじ軸２はモータ１３の１回転あたり２（１０−８）×１だけ移動する。
ちなみに、中間ナット３のみのボールねじを用いた場合、１回転あたり１０移動することになるので、この直線駆動装置では中間ナット３のみのボールねじに１／５の減速機構を内蔵したものと等価の機能を有することになる。
また、リード２の単体ナットのボールねじを用いても同率の減速比とすることができるが、この場合のボールねじに使用できるボールの径は２未満と小さいものとなるので、負荷容量に制約が出てくることになる。
これに対して、この実施形態の直線駆動装置では、リード８のナットのボール（ボール径８未満）を使用でき、負荷容量を大きく設定できる。なお、リード差を２とするリードＬ１，Ｌ２の組み合わせは任意に設定できるため、ボール径（負荷容量）が制約を受けることもない。
【００１８】
このように、この実施形態の直線駆動装置では、中間ナット３と外側ナット４を有するボールねじ１を用いて等価的に減速機構を内蔵した構造としているので、小さいモータ１３で高負荷を得ることができる。また、２種類の仕様のボールねじ溝５，６，７，８を、ねじ軸２、中間ナット３、外側ナット４に形成したので、リードとボール径を任意に設定でき、ボールねじ１の負荷容量を大きくすることができる。これにより、短いストロークで、より高荷重の直線駆動装置を実現することができる。
【００１９】
また、モータ１３はモータハウジング１４に内蔵されたものであって、ねじ軸２と同心で回転するロータ１６を有し、係合部材２０および軸方向溝１９からなる回転伝達手段２２を中間ナット３およびロータ１６に設けているので、ボールねじ１とモータ１３をコンパクトに一体化させた状態で、モータ１３の回転をボールねじ１の中間ナット３に伝達できる。
【００２０】
なお、上記実施形態では、２種類のボールねじ溝５，６，７，８の巻き方向を同方向としたが、内周側のボールねじ溝５，６と外周側のボールねじ溝７，８とは巻き方向を互いに逆方向としても良い。その場合、モータ１３の１回転当たりのねじ軸２の移動量を、２種類のボールねじ溝のリードＬ１，Ｌ２の和とすることができる。そのため直動出力部となるねじ軸２の高速移動が行える。
【００２１】
また、上記実施形態では、駆動源としてロータ１６が短い円筒状のモータ１３を使用しているが、ロータが長い中空軸状となる中空モータを使用して、軸全長を長くするようにしても良い。その場合、外径を大きくすることなく、モータ１３に大出力が得られ、進退駆動力の大きな直線駆動装置とできる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明の直線駆動装置は、直動出力部となるねじ軸と外側ナットとの間に中間ナットを介在させ、中間ナットの内外のねじ溝とねじ軸と外側ナットとの間にボールを介在させたものとし、中間ナットを回転駆動させるようにしたため、内外２種類のボールねじのリードの組み合わせで動作が定まる。内外のねじ溝の巻き方向を同じ方向としてリード差を持たせた場合は、ボールねじの負荷容量を大きくできて、短いストロークで済む高荷重の直線駆動装置が実現できる。内外のボールねじのねじ溝巻き方向を逆方向とした場合は、高速移動が可能になる。また、この発明の直線駆動装置は、ねじ軸と外側ナットとの間に中間ナットを介在させた２階層構造であるため、軸方向にコンパクトに構成できる。さらにハウジングおよび回転止め手段を有するため、設置が簡単に行える。
モータとロータを同心に配置した場合は、外径寸法も小さくでき、全体としてコンパクト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる直線駆動装置におけるボールねじの断面図である。
【図２】同直線駆動装置の断面図である。
【図３】同直線駆動装置の作動状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ボールねじ
２…ねじ軸
３…中間ナット
４…外側ナット
５〜８…ボールねじ溝
９，１０…ボール
１３…モータ
１４…モータハウジング
１６…ロータ
１９…軸方向溝
２０…係合部材
２２…回転伝達手段

Claims (5)

1. ハウジングと、外径面にボールねじ溝を有し上記ハウジングに軸方向移動自在で回転不能に支持されて直動出力部となるねじ軸と、このねじ軸の外周に遊嵌し内径面に上記ねじ軸の上記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を有しかつ外径面に他のボールねじ溝を有する中間ナットと、上記ねじ軸および中間ナットの対向するボールねじ溝間に介在した複数のボールと、上記ハウジングに設けられて上記中間ナットの外周に遊嵌し内径面に中間ナットの外径面のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を有する外側ナットと、この外側ナットおよび上記中間ナットの対向するボールねじ溝間に介在した複数のボールと、上記ハウジングに設置されたモータと、上記中間ナットに相対的に軸方向移動自在に係合して上記モータの回転出力を上記中間ナットに伝達する回転伝達手段とを備えた直線駆動装置。
2. 請求項１において、上記中間ナットの内径面のねじ溝と外径面のねじ溝の巻き方向が互いに同じ方向であって、リードが互いに異なる直線駆動装置。
3. 請求項１において、上記中間ナットの内径面のねじ溝と外径面のねじ溝の巻き方向が互いに逆方向である直線駆動装置。
4. 請求項３において、上記中間ナットの内径面のねじ溝と外径面のねじ溝のリードが互いに異なる直線駆動装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記モータが上記ハウジングに内蔵されたものであって、上記ねじ軸と同心で回転するロータを有し、上記回転伝達手段は、上記ロータおよび上記中間ナットの一方に設けられた軸方向溝および他方に設けられて上記軸方向溝に摺動自在に係合する係合部材とでなる直線駆動装置。

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