JP2011012735A - ボールねじ駆動機構および産業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】振れ取り機構を備えていてもボールねじの固有振動数の低下を防ぐことができ、スライダを高速駆動させることができるボールねじ駆動機構を提供すること。
【解決手段】ボールねじ２と、ボールねじナット３と、ボールねじ２の軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられたスライダ５と、ボールねじナット３の振れ回りを吸収する振れ取り機構６と、ボールねじナット３をボールねじ２の軸方向に沿って案内するとともに少なくともボールねじナット３の軸方向と異なる１方向へのボールねじナット３の移動を規制するナット案内機構８とを備える。ナット案内機構８により、少なくともボールねじナット３の軸方向と異なる１方向へのボールねじナット３の移動を規制することができるので、ボールねじ２の直径を太くすること無くボールねじ２の固有振動数の低下を防ぐことができ、スライダ５を高速駆動させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボールねじ駆動機構および産業機械に関する。

従来、三次元測定機や工作機械等の産業機械では、所定の部材（スライダ）を精密に直線駆動させるための機構としてボールねじ駆動機構を用いることがある。例えば、三次元測定機では、スライダを移動させるための機構にボールねじ駆動機構を用いることがある（例えば、特許文献１）。このようなボールねじ駆動機構では、スライダの直線的幾何運動精度を良好にするために、振れ取り機構を設けることがある（例えば、特許文献２）。

図５は、特許文献２に記載のボールねじ駆動機構１０Ｂの要部を示す平面図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。
特許文献２に記載のボールねじ駆動機構１０Ｂは、図示しないモータにより回転駆動するボールねじ２と、ボールねじ２に螺合するボールねじナット３と、ボールねじ２と平行に設けられたガイドレール４１と、ボールねじナット３に連結されガイドレール４１に沿って直線移動するスライダ５と、ボールねじナット３およびスライダ５を連結する振れ取り機構６とを備えている。

振れ取り機構６は、トラニオン機構となっており、スライダ５上に立設された一対のナットホルダ６１と、ナットホルダ６１に挿通しボールねじナット３を回転可能に支持する一対の支軸６２とを備えている。特許文献２に記載のボールねじ駆動機構１０Ｂでは、この振れ取り機構６により、ボールねじ２の曲がりなどに起因して生じるボールねじナット３の振れ回りを吸収することができ、スライダ５の直線的幾何運動精度を良好にすることができる。

特開平５−１５７５０４号公報 特開昭５８−１８７６４２号公報

しかしながら、特許文献２に記載のボールねじ駆動機構１０Ｂでは、振れ取り機構６を設けることにより、ボールねじナット３の推進方向以外の自由度が増えるとともにボールねじナット３の質量が増加してしまうので、ボールねじ２の固有振動数、すなわち、共振が生じてしまうボールねじ２の回転数が低下してしまい、スライダ５を高速駆動させることができなくなるという問題がある。そこで、ボールねじ２の固有振動数を高めるため、ボールねじ２の直径を太くすることが考えられるが、この場合、エネルギー損失が増大してしまうという問題がある。

本発明の目的は、振れ取り機構を備えていても、ボールねじの直径を太くすること無くボールねじの固有振動数の低下を防ぐことができ、スライダを高速駆動させることができるボールねじ駆動機構を提供することにある。

本発明のボールねじ駆動機構は、ボールねじと、前記ボールねじを回転駆動する駆動手段と、前記ボールねじに螺合するボールねじナットと、前記ボールねじの軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられたスライダと、前記スライダと前記ボールねじナットとを連結するとともに、前記ボールねじナットの振れ回りを吸収する振れ取り機構と、前記ボールねじナットを前記ボールねじの軸方向に沿って案内するとともに、少なくとも前記ボールねじナットの軸方向と異なる１方向への前記ボールねじナットの移動を規制するナット案内機構とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ナット案内機構により、少なくともボールねじナットの軸方向と異なる１方向へのボールねじナットの移動を規制することができるので、ボールねじナットの推進方向以外の自由度を減少させることができる。そのため、振れ取り機構を設けることによりボールねじナットの質量が増加しても、ボールねじの直径を太くすること無くボールねじの固有振動数の低下を防ぐことができ、スライダを高速駆動させることができる。

本発明のボールねじ駆動機構では、前記ナット案内機構は、前記ボールねじの軸方向に直交する面内方向への前記ボールねじナットの移動を規制することが好ましい。
ここで、ボールねじナットには、ボールねじから軸周りの摩擦トルクが伝達される。この摩擦トルクがスライダに対してボールねじの軸を中心とする偶力として働き、スライダに幾何的な運動誤差を与える。
これに対し、本発明によれば、ナット案内機構は、ボールねじの軸方向に直交する面内方向へのボールねじナットの移動を規制するので、このナット案内機構により前記摩擦トルクを受けることができる。そのため、スライダが受ける摩擦トルクを軽減することができ、スライダの幾何的運動精度を向上させることができる。また、ナット案内機構により、ボールねじの軸方向に直交する面内方向へのボールねじナットの移動を規制することができるので、確実にボールねじの固有振動数の低下を防ぐことができる。

本発明のボールねじ駆動機構では、前記ナット案内機構は、前記ボールねじの軸方向と直交する方向を中心とする前記ボールねじナットの回転を規制することが好ましい。
本発明によれば、ナット案内機構により、ボールねじの軸方向と直交する方向を中心とするボールねじナットの回転を規制することができるので、確実にボールねじの固有振動数の低下を防ぐことができる。

本発明のボールねじ駆動機構では、前記ボールねじの軸方向に沿って設けられたガイドレールを有し、前記ガイドレールおよび前記スライダ間に流体薄膜層を形成して前記スライダを前記ガイドレールに沿って案内するスライダ案内機構を備えることが好ましい。
本発明によれば、空気軸受式のスライダ案内機構によりスライダを案内するので、スライダの幾何的運動精度を格段に向上させることができる。また、ナット案内機構の減衰比を大きな値に設定することにより、スライダの駆動制御時の振動を抑制しつつ制御系のゲインを大きくすることができる。

本発明の産業機械は、前述したボールねじ駆動機構を備えることを特徴とする。
本発明によれば、前述したボールねじ駆動機構を備えるので、スライダを高速駆動させることができるなど、前述と同様の効果を奏することができる。

本発明の第１実施形態に係る産業機械を示す斜視図。 ボールねじ駆動機構を示す側断面図。 図２のIII−III線矢視図。 本発明の第２実施形態に係るボールねじ駆動機構を示す断面図。 従来のボールねじ駆動機構の要部を示す平面図。 図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る産業機械としての三次元測定機１を模式的に示す斜視図である。
三次元測定機１は、基台１１の両側にＹ軸方向に沿って立設された一対のコラム１２と、コラム１２間に跨って設けられるとともにコラム１２上を移動自在に設けられた移動レール１３と、移動レール１３上をＸ軸方向に沿って移動自在に設けられたスライダ５と、下端に測定子が取り付けられスライダ５にＺ軸方向に沿って移動自在に設けられたスピンドル１４とを備えている。
移動レール１３には、スライダ５を駆動するボールねじ駆動機構１０がＸ軸方向に沿って設けられている。

図２は、ボールねじ駆動機構１０を模式的に示す断面図、図３は、図２のIII−III線矢視図である。以下、従来のボールねじ駆動機構１０Ｂと同一機能部位には同一符号を付し、それらの説明を省略若しくは簡略化する。
ボールねじ駆動機構１０は、ボールねじ２、駆動手段としてのモータ７、ボールねじナット３、スライダ案内機構４、スライダ５、振れ取り機構６、およびナット案内機構８を備えている。

ボールねじ２は、移動レール１３に設けられた軸受２１，２２により両端が回転可能に支持されている。具体的に、ボールねじ２は、一端が組み合わせアンギュラ玉軸受２１により支持されるとともに、他端が単列深溝玉軸受２２により支持された「固定―支持」による支持構造により回転可能に支持されている。ボールねじ２の支持スパンＬは１５００ｍｍ、直径Ｄは４０ｍｍに設定されている。

モータ７は、ボールねじ２の一端とカップリング７１を介して連結されており、ボールねじ２を回転駆動する。
ボールねじナット３は、ボールねじ２に螺合し、ボールねじ２の軸方向に移動する。
振れ取り機構６は、背景技術で説明したようなトラニオン機構からなり、スライダ５とボールねじナット３とを連結するとともに、ボールねじナット３の振れ回りを吸収し、ボールねじナット３から伝達された推力をスライダ５に伝達する。

スライダ５は、後述するスライダ案内機構４により、ボールねじ２と平行にスライド移動可能に設けられている。
スライダ案内機構４は、ボールねじ２と平行に設けられたガイドレール４１と、ガイドレール４１およびスライダ５間に転動自在に設けられた多数の転動体４２とを備えた転がり軸受式に構成され、スライダ５を高精度に直進案内する。

ナット案内機構８は、高運動精度が要求されるスライダ案内機構４に比べ、簡易な構成かつ安価なものを用いることができ、本実施形態では、ナット案内機構８として鋼球循環型のＬＭ（Linear Motion）ガイド機構が用いられている。ナット案内機構８は、ボールねじナット３に取り付けられたＬＭブロック８１と、ボールねじ２と平行に設けられたＬＭガイドレール８２とを備えている。このナット案内機構８は、ボールねじナット３をボールねじ２の軸方向に沿って案内し、かつ、ボールねじ２の軸方向に直交する面内方向（図３のＹＺ面内方向）へのボールねじナット３の移動を規制するとともに、ボールねじ２の軸方向と直交する方向を中心とするボールねじナット３の回転（図２矢印参照）を規制する。

以上の本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
ナット案内機構８により、少なくともボールねじナット３の軸方向と異なる１方向へのボールねじナット３の移動を規制することができるので、ボールねじナット３の推進方向以外の自由度を減少させることができる。そのため、振れ取り機構６を設けることによりボールねじナット３の質量が増加しても、ボールねじ２の直径を太くすること無くボールねじ２の固有振動数の低下を防ぐことができ、スライダ５を高速駆動させることができる。

ボールねじナット３には、ボールねじ２から軸周りの摩擦トルクが伝達される。この摩擦トルクがスライダ５に対してボールねじ２の軸を中心とする偶力として働き、スライダ５に幾何的な運動誤差を与えるが、本実施形態によれば、ナット案内機構８は、ボールねじ２の軸方向に直交する面内方向へのボールねじナット３の移動を規制するので、このナット案内機構８により前記摩擦トルクを受けることができる。そのため、スライダ５が受ける摩擦トルクを軽減することができ、スライダ５の幾何的運動精度を向上させることができる。また、ナット案内機構８により、ボールねじ２の軸方向に直交する面内方向へのボールねじナット３の移動を規制することができるので、確実にボールねじ２の固有振動数の低下を防ぐことができる。
ナット案内機構８により、ボールねじ２の軸方向と直交する方向を中心とするボールねじナット３の回転を規制することができるので、確実にボールねじ２の固有振動数の低下を防ぐことができる。

〔第２実施形態〕
図４は、本実施形態に係るボールねじ駆動機構１０Ａを示す断面図である。
本実施形態のボールねじ駆動機構１０Ａでは、スライダ案内機構４Ａは、スライダ５に多数設けられた流体を噴き出す図示しない噴出口および前記流体を吸い込む図示しない吸込口と、ボールねじ２と平行に配置されるガイドレール４１とを備えた空気軸受式に構成されている。このスライダ案内機構４Ａは、スライダ５およびガイドレール４１間に形成される流体薄膜層によりスライダ５を支持し、スライダ５をガイドレール４１に沿って案内する。また、本実施形態では、ナット案内機構８Ａの減衰比が０．２〜０．３程度の比較的大きな値に設定されている。

以上の本実施形態によれば、前記実施形態と同様の効果のほか、以下の効果を奏することができる。
空気軸受式のスライダ案内機構４Ａによりスライダ５を案内するので、スライダ５の幾何的運動精度を格段に向上させることができる。また、空気軸受式のスライダ案内機構４Ａを用いると、スライダ５の運動を制御する際の制御系の減衰比が０．０２程度と非常に小さくなって「不足制振」の状態となり、制御系のゲインの大きさによっては制御応答が振動的になりやすいが、本実施形態では、ナット案内機構８Ａの減衰比が大きな値に設定されているので、スライダ５の駆動制御時の振動を抑制しつつ制御系のゲインを大きくすることができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、ナット案内機構８は、ボールねじ２の軸方向に直交する面内方向へのボールねじナット３の移動、およびボールねじ２の軸方向と直交する方向を中心とするボールねじナット３の回転を規制したが、ナット案内機構は、どちらか一方の移動を規制するものであってもよい。さらにナット案内機構は、少なくともボールねじナット３の軸方向と異なる１方向へのボールねじナット３の移動を規制するものであればよい。
前記各実施形態では、ナット案内機構８は、鋼球循環型であり、転がり軸受式に構成されていたが、ナット案内機構は、空気軸受式や粘性流体軸受式に構成されていてもよい。

前記各実施形態では、スライダ案内機構４，４Ａは、転がり軸受式および空気軸受式に構成されていたが、スライダ案内機構は粘性流体軸受式に構成されていてもよい。
前記各実施形態では、ボールねじ駆動機構１０，１０Ａ（ボールねじ２）は、全体として水平方向に沿って設けられていたが、鉛直方向に沿って設けられていてもよく、どのような方向で設けられていてもよい。

前記各実施形態では、振れ取り機構６は、背景技術で説明した１軸のトラニオン機構からなっていたが、振れ取り機構は、２軸のトラニオン機構からなっていてもよい。また、振れ取り機構は、ナット３とスライダ５との間に中間部材を設け、この中間部材と各ナット３およびスライダ５とをそれぞれ一対の平行板ばね（各一対の平行板ばねは、互いに直交する面方向に沿って配置される）により接続したものであってもよい。

本発明は、三次元測定機などの測定機、工作機械、精密加工機等の産業機械、およびそのような産業機械に用いられるボールねじ駆動機構に利用できる。

１ 三次元測定機（産業機械）
１０，１０Ａ ボールねじ駆動機構
２ ボールねじ
３ ボールねじナット
４，４Ａ スライダ案内機構
５ スライダ
６ 振れ取り機構
７ モータ（駆動手段）
８，８Ａ ナット案内機構
４１ ガイドレール

Claims (5)

1. ボールねじと、
   前記ボールねじを回転駆動する駆動手段と、
   前記ボールねじに螺合するボールねじナットと、
   前記ボールねじの軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられたスライダと、
   前記スライダと前記ボールねじナットとを連結するとともに、前記ボールねじナットの振れ回りを吸収する振れ取り機構と、
   前記ボールねじナットを前記ボールねじの軸方向に沿って案内するとともに、少なくとも前記ボールねじナットの軸方向と異なる１方向への前記ボールねじナットの移動を規制するナット案内機構とを備える
   ことを特徴とするボールねじ駆動機構。
2. 請求項１に記載のボールねじ駆動機構において、
   前記ナット案内機構は、前記ボールねじの軸方向に直交する面内方向への前記ボールねじナットの移動を規制する
   ことを特徴とするボールねじ駆動機構。
3. 請求項１または請求項２に記載のボールねじ駆動機構において、
   前記ナット案内機構は、前記ボールねじの軸方向と直交する方向を中心とする前記ボールねじナットの回転を規制する
   ことを特徴とするボールねじ駆動機構。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のボールねじ駆動機構において、
   前記ボールねじの軸方向に沿って設けられたガイドレールを有し、前記ガイドレールおよび前記スライダ間に流体薄膜層を形成して前記スライダを前記ガイドレールに沿って案内するスライダ案内機構を備える
   ことを特徴とするボールねじ駆動機構。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のボールねじ駆動機構を備えることを特徴とする産業機械。

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