JP2010203571A - 直動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールねじ部およびボールスプライン部を単一の軸体上に有する直動駆動装置において、無限循環されるボールが通過するときの微小な引っ掛かり（詰まり）を解消し得て、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に採用する上で好適な直動駆動装置等を提供する。
【解決手段】この直動駆動装置１は、ねじ溝３およびスプライン溝４が、相互が軸方向に重なり合わないように、単一の軸体２の一端側と他端側とにそれぞれ形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ部およびボールスプライン部を単一の軸体上に有する直動駆動装置に関する。

この種の直動駆動装置は、工作機械やスカラー型ロボットその他の産業機械装置用のアクチュエータとして好適に利用できるものであり、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の直動駆動装置は、単一の軸体の外周面にねじ溝とスプライン溝とを軸方向に重複させて形成し、ねじ溝に対して複数のボールを介してナットを外嵌するとともに、スプライン溝に対して複数のボールを介してスリーブを外嵌し、これにより、単一の軸体の回転運動、直線運動および回転運動と直線運動を組み合わせたスパイラル運動を可能としている。

特許第３１０６５０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の直動駆動装置では、単一の軸体の外周面にねじ溝とスプライン溝とを軸方向に重複して形成しているので、互いの溝の交差部を、無限循環されるボールが通過するときに微小な引っ掛かり（詰まり）が発生する。したがって、この種の直動駆動装置を、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に採用する上で未だ解決すべき課題が残されている。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ボールねじ部およびボールスプライン部を単一の軸体上に有する直動駆動装置において、無限循環されるボールが通過するときの微小な引っ掛かり（詰まり）を解消し得て、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に採用する上で好適な直動駆動装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、単一の軸体と、該単一の軸体の外周面に設けられた螺旋状のねじ溝およびこれに複数のボールを介して外嵌するナットを有するボールねじ部と、前記単一の軸体の外周面に並行に延設されたスプライン溝およびこれに複数のボールを介して外嵌するスリーブを有するボールスプライン部とを備える直動駆動装置であって、前記ねじ溝およびスプライン溝は、相互が軸方向に重なり合わないように前記単一の軸体の一端側と他端側とにそれぞれ形成されていることを特徴としている。

本発明に係る直動駆動装置によれば、単一の軸体上のねじ溝およびスプライン溝が、相互が軸方向に重なり合わないように単一の軸体の一端側と他端側とにそれぞれ形成されているので、互いの溝の交差部を有しない。そのため、無限循環されるボールが通過するときの微小な引っ掛かり（詰まり）を解消することができる。したがって、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に採用する上で好適である。

ここで、本発明に係る直動駆動装置において、前記ボールねじ部は、スキマ品または予圧品であり、予圧品のときは、この付与される予圧が、当該ボールねじ部の複数のボールが二点接触の範囲内となるオフセット予圧、もしくは溝Ｒ比が６０％以上であるオーバーサイズボール予圧のいずれかとすれば、ボールねじ部を低トルク型とすることができるため、直動駆動装置の高作動性を確保する上で一層好適である。

上述のように、本発明によれば、無限循環されるボールが通過するときの微小な引っ掛かり（詰まり）を解消し得て、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に採用する上で好適な直動駆動装置を提供することができる。

本発明に係る直動駆動装置の第一の実施形態の概要を示す図である。 本発明に係る直動駆動装置の第二の実施形態の概要を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図１は本発明に係る直動駆動装置の第一の実施形態の概要を示す図である。
同図に示すように、この直動駆動装置１は単一の軸体である主軸２を有し、この主軸２の外周面には、螺旋状のねじ溝３が一端側（同図での略中央から右側）に形成され、また、軸方向に沿って延びる直線状の３条のスプライン溝４が他端側（同図での略中央から左側）に形成されている。なお、スプライン溝４の数は３条に限らず、２条以上であれば使用する条件に応じて適宜選択可能である。

ここで、主軸２の略中央には、ねじ溝３およびスプライン溝４のいずれも形成されない部分を有する。つまり、このねじ溝３およびスプライン溝４は、相互が軸方向に重なり合わないように単一の主軸２の一端側と他端側とにそれぞれ形成されている。そして、このねじ溝３およびスプライン溝４に、円筒状のナット５およびスリーブ６がそれぞれ装着されている。

詳しくは、ナット５は、上記ねじ溝３に対応する不図示のねじ溝を内周面に有し、上記ねじ溝３に対して不図示の複数のボール（鋼球）を介して主軸２とは相対らせん回転自在に外嵌している。これにより、ねじ溝３およびこれに複数のボールを介して外嵌するナット５からボールねじ部が構成されている。一方、スリーブ６は、上記スプライン溝４に対応する不図示のスプライン溝を内周面に有しており、上記スプライン溝４に対して複数のボール（不図示）を介して主軸２とは相対的直線移動自在に外嵌している。これにより、スプライン溝４およびこれに複数のボールを介して外嵌するスリーブ６からボールスプライン部が構成されている。

ここで、本実施形態においては、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に好適に採用するために、上記ボールねじ部をスキマ品とするか、あるいは予圧品としている。そして、予圧品とするときは、ボールねじ部の複数のボールが二点接触の範囲内となるオフセット予圧、もしくは溝Ｒ比が６０％以上であるオーバーサイズボール予圧のいずれかを採用している。

つまり、一般に、ボールねじはスキマ品と予圧品とに大別されるが、ボールねじ部をスキマ品とすれば低トルク型とすることができる。また、予圧品とするときには、オフセット予圧（二点接触）とオーバーサイズボール予圧（四点接触）とに分類されるが、オフセット予圧では、一般的に単体スキマが小さく管理され、ボールの自転・公転によって２点接触から３点接触へと変化するため、反転時にトルクが重くなる。

そこで、本実施形態では、オフセット予圧とする場合においては、ボールねじ部の複数のボールが二点接触の範囲内となる単体スキマで管理して低トルク型を実現している。
より具体的には、主軸２のねじ溝３およびナット５のねじ溝が対向して形成される軌道とボールとの間に軸方向への予圧を付加する前の状態における前記軌道とボールとがつくる主軸２の軸方向での隙間である軸方向隙間を、ボールの直径Ｄｗの０．５％Ｄｗ以上５％Ｄｗ以下の範囲とし、ボールと前記軌道とに予圧をかけて、ボールを前記軌道に二点接触させることによって低トルク型を実現している。なお、ねじ溝をゴシックアーク溝とし、その円弧の曲率半径を、ボールの直径Ｄｗの５６％Ｄｗ以上の範囲とすれば低トルク型とする上でより好適である。

また、オーバーサイズボール予圧とする場合においては、ねじ溝３の溝曲率（溝Ｒ比＝溝の半径／鋼球径）を、６０％以上となるように大きくすることによって、ねじ溝３とボールとの接触領域を小さくし、低トルク型を実現している。
また、本実施形態の例では、ナット５の円筒状の外周面には、２条のベアリング内輪溝１０が軸方向に間隔を隔てて平行に形成されている。一方、スリーブ６の円筒状の外周面にも、２条のベアリング内輪溝１１が、軸方向に間隔を隔てて平行に形成されている。さらに、主軸２に装着されたナット５とスリーブ６の外周には、ハウジング７が被せてある。このハウジング７は、同図に示すように、スリーブ６側およびナット５側にそれぞれ配設された二つのインナハウジング７Ａおよび７Ｂと、これらインナハウジング７Ａ、７Ｂ相互を繋ぐ円筒状のアウタハウジング７Ｃとからなる。

詳しくは、ナット５側のインナハウジング７Ｂは、円環状のフランジ７ｆを有し、このフランジ７ｆがアウタハウジング７Ｃの端面（同図の右側の端面）に固定されている。そして、このインナハウジング７Ｂの内周面には、ナット５のベアリング内輪溝１０に対応するベアリング外輪溝１２が形成されている。一方、スリーブ６側のインナハウジング７Ａについても、円環状のフランジ７ｆを有し、このフランジ７ｆがアウタハウジング７Ｃの端面（同図の左側の端面）に固定されている。そして、このインナハウジング７Ａの内周面には、スリーブ６のベアリング内輪溝１１に対応するベアリング外輪溝１３が形成されている。

そして、上記ベアリング内輪溝１１とベアリング外輪溝１３とでなる溝空間、および上記ベアリング内輪溝１０とベアリング外輪溝１２とでなる溝空間に、それぞれ複数のベアリングボール１４が介装されている。このようにして、ハウジング７のインナハウジング７Ａおよび７Ｂは、ころがり軸受Ｂの外輪を構成し、また、ナット５とスリーブ６の外周面がころがり軸受Ｂの内輪を兼ねている。これにより、ベアリング内輪溝１０，ベアリング外輪溝１２およびベアリングボール１４、並びにベアリング内輪溝１１，ベアリング外輪溝１３およびベアリングボール１４によって、ころがり軸受Ｂがそれぞれ構成されている。

そして、上記ナット５およびスリーブ６の外周端部且つハウジング７の左右側面に対向する位置には、プーリ８，８がそれぞれ取付けられるようになっており、各プーリ８，８は、精密伝動用のタイミングベルト９，９を介して図外の駆動装置により回転駆動されるようになっている。
次に、この直動駆動装置の作用・効果について説明する。

この直動駆動装置１は、例えばハウジング７を工作機械やロボット等の取付部に固定して装着し、左右のタイミングベルト９，９を介してプーリ８，８を回転駆動させることで、主軸２を回転運動、直線運動およびスパイラル運動をさせることができる。
例えば、ナット５のみを回転させれば、主軸２は軸方向に直線運動する。また、スリーブ６のみを回転させれば、主軸２は回転運動を伴って軸方向に移動する。さらに、ナット５とスリーブ６とを共に同じ回転数で同方向に回転させれば、主軸２は軸方向の移動をせずに回転運動のみを行う。さらにまた、ナット５とスリーブ６とを異なる回転数で駆動すれば、主軸２は回転運動と軸方向運動との複合されたスパイラル運動となる。回転方向を逆とすれば、各運動も逆方向となる。

そして、上述したように、この直動駆動装置１によれば、単一の主軸２上のねじ溝３およびスプライン溝４が、相互が軸方向に重なり合わないように主軸２の一端側と他端側とにそれぞれ形成されているので、互いの溝の交差部を有しない。そのため、無限循環されるボールが通過するときに微小な引っ掛かり（詰まり）が発生することもない。したがって、高作動性を必要とする低トルク型の送り機構に好適である。

さらに、この直動駆動装置１によれば、ボールねじ部を、スキマ品または予圧品としており、予圧品とするときは、当該ボールねじ部の複数のボールが二点接触の範囲内となるオフセット予圧、もしくは溝Ｒ比が６０％以上であるオーバーサイズボール予圧のいずれかとしたので、ボールねじ部を低トルク型のボールねじとすることができる。そのため、低トルク型の送り機構に採用して高作動性の直動駆動装置とする上でより好ましい。

なお、本発明に係る直動駆動装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、図２に本発明に係る直動駆動装置の第二の実施形態の概要を示す。
同図に示すように、この第二の実施形態の直動駆動装置１は、上記第一の実施形態の直動駆動装置１に対して、ハウジング７に対するスリーブ６の相対回転を拘束して装着している点が異なっている。つまり、この第二の実施形態の直動駆動装置１では、スリーブ６側には、上記プーリ８、タイミングベルト９およびころがり軸受Ｂを有しておらず、スリーブ６は、その外周面に形成された円環状のフランジ６ｆが、円筒状のアウタハウジング７Ｃの端面に直接固定されている。このような構成であれば、ナット５側のタイミングベルト９を介してプーリ８を回転させてナット５を回転駆動させれば、主軸２を軸方向に移動させることができる（正作動使用）。また、主軸２を軸方向に移動させることによって、ナット５を回転駆動させることができる（逆作動使用）。

１ 直動駆動装置
２ 主軸（単一の軸体）
３ ねじ溝
４ スプライン溝
５ ナット
６ スリーブ
７ ハウジング
７Ａ、７Ｂ インナハウジング
７Ｃ アウタハウジング
８ プーリ
９ タイミングベルト
１０ （ナットの）ベアリング内輪溝
１１ （スリーブの）ベアリング内輪溝
１２ （ハウジングの）ベアリング外輪溝
１３ （ハウジングの）ベアリング外輪溝
１４ ベアリングボール

Claims (2)

1. 単一の軸体と、該単一の軸体の外周面に設けられた螺旋状のねじ溝およびこれに複数のボールを介して外嵌するナットを有するボールねじ部と、前記単一の軸体の外周面に並行に延設されたスプライン溝およびこれに複数のボールを介して外嵌するスリーブを有するボールスプライン部とを備える直動駆動装置であって、
   前記ねじ溝およびスプライン溝は、相互が軸方向に重なり合わないように前記単一の軸体の一端側と他端側とにそれぞれ形成されていることを特徴とする直動駆動装置。
2. 前記ボールねじ部は、スキマ品または予圧品であり、予圧品のときは、当該ボールねじ部の複数のボールが二点接触の範囲内となるオフセット予圧、もしくは溝Ｒ比が６０％以上であるオーバーサイズボール予圧のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の直動駆動装置。

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