JP2827716B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工作機械のテーブル等を
駆動する為に使用されるボールねじ軸の制振構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】機械系において、テーブル等を所定量だ
け正確に移動させるために、送りねじ機構が良く使用さ
れる。送りねじ機構は、ねじ軸の外周面にボールねじ溝
が形成され、ねじ軸に螺合されたナット部材を有しねじ
軸を所定角度回転させることにより、テーブルを軸方向
に相対移動させるものである。

【０００３】送りねじ機構に特有の問題として、一般に
長ストロークのものに於いてはねじ軸の長さに比べてね
じ軸の径寸法が極端に小さいため、機械系全体の中で特
にねじ軸のラジアル方向の剛性が小さく、作動時にねじ
軸が極めて半径方向に振動しやすい状態に有り、ねじ軸
とナット部材間に転動体としてボールを嵌合させたボー
ルねじでは弾性体であるボールによって荷重を受けるも
のであるから特にこの傾向が大である。ねじ軸の振動
は、単にそれだけの問題にとどまらず、機械系と関連し
て、機械全体としての動剛性の低下及び作動時の騒音の
原因となる。

【０００４】ボールねじを含む機械系には、モーター、
ベアリング、タイミングベルト等、振動を発生する諸要
素が連結されており、これらの振動源からの振動を完全
になくすことは困難である。また、ボールねじの場合、
ねじ軸とボールナットとの間においても、ボールの転動
や循環により振動力が発生し、これらをなくすことは不
可能に近い。そしてこれらの振動力は、ボールねじの作
動の高速化とともに大きくなる。このように、ねじ軸系
には上記微小振動力が常に作用し、前述した如く長尺の
ねじ軸は剛性が極めて小さいことに加えて、ナット部材
の移動によりねじ軸のスパンが変化するから共振周波数
がかなりの範囲に亘って存在するので、ねじ軸が共振を
起こすことが多く、それが機械系の振動、騒音の発生の
原因になるのである。

【０００５】ねじ軸の危険速度や共振周波数は、ボール
ねじや諸要素の加工精度にはあまり関係なく、寸法、形
状等により物理的に決まるものであるため、加工技術の
みでこれに対処することは困難である。そのため従来ね
じ軸の剛性を向上させる手段として、例えばねじ軸上の
中間部を支持する等の手段（例えば実開平 2-4736号）
やねじ軸を中空にしその中空内にローラ状の部材（慣性
体）を装入して制振を行う例が提案されている（特開昭
60-127938）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ねじ軸
上の中間部を中間サポートで支持する場合にあってはボ
ールナットがテーブルと共にねじ軸上を移動することか
ら中間サポート部がテーブル等の移動部材に干渉すると
いう問題があり、簡単な構造にしてねじ軸系の振動及び
それに基づく騒音の発生を抑えるのは容易なことではな
い。また、ねじ軸を中空にしその中空穴内にローラ状の
部材を装入して制振を行う手段にあっては慣性体がねじ
軸に両端を支持されておらず、この慣性体はねじ軸に対
して偏芯することが避けられずねじ軸の高速回転時に慣
性質量が振れ回る為、ねじ軸の振動を助長する問題があ
る。そこで本発明は簡単な構造にしてねじ軸の制振効果
に優れたボールねじ装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】この発明のボールねじ装置は外周面に螺旋
状のボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボール
ねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するボール
ナットと、該ボールナットのボールねじ溝と前記ねじ軸
のボールねじ溝との間に転動自在に嵌合する多数のボー
ルと、を備えたボールねじ装置において、前記ねじ軸は
ほぼ全長に亘る中空穴を有し、該ねじ軸の中空穴内には
径方向にわずかな隙間を有して長尺の中軸が同芯に挿入
され、前記中軸はその両端部が保持手段により前記ねじ
軸に保持され、前記隙間は前記ねじ軸の半径方向の振動
時に前記中軸が前記中空穴の内面と衝突すべくされた構
成としたものである。

【０００８】

【作用】この発明のボールねじ装置は、ねじ軸の中空穴
内にねじ軸のほぼ全長に亘って同芯に中軸が配され、中
軸はその外面とねじ軸の内面との間にわずかな隙間を有
して中空穴に遊嵌されており中軸の両端は保持手段に係
合されてねじ軸に保持されている。したがって中軸は半
径方向に変位することが可能となっているから、ねじ軸
に半径方向の振動が加わった場合、中空穴の内面との衝
突を起こすことになる。ねじ軸の共振周波数に対してね
じ軸の中空穴に挿通された中軸の共振周波数を相違させ
るのは容易であるから、ねじ軸に対する中軸の慣性作用
による相殺現象やねじ軸と中軸との衝突が生じその結果
ねじ軸の振動を打ち消すことができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図をもとに説明す
る。図１は本発明の第１の実施例で軸回転で使用するボ
ールねじを示している。ねじ軸１は、ほぼ全長に亘る中
空穴１７を有しており外周面に螺旋状のボールねじ溝１
ａが形成されている。ボールナット２の内周面には、ね
じ軸１のボールねじ溝１ａに対向する一連の螺旋状のボ
ールねじ溝２ａが形成されている。ボールナット２の外
周面には、ボール循環路を形成するボールチューブ４が
押え金５を介してねじ６によって固定されている。そし
てねじ軸のボールねじ溝１ａ及びナットのボールねじ溝
２ａで形成されるボール通路にボール３が転動自在に嵌
合されボールねじが形成されている。

【００１０】ねじ軸１の中空穴１７には中軸７が半径方
向にわずかな隙間を有して配され、その中軸７の両端に
は小径部が形成されておりその小径部には中軸保持用の
雄ねじ溝１０が設けられている。

【００１１】保持手段である中軸固定部材８は段付部材
で一方の端部にねじ軸の中空穴１７に嵌合する嵌合部を
中間部にはサポートユニットにて支持されるサポート部
１４を有し、他方の端部に駆動手段取付け用の軸部１６
を有している。中軸固定部材８の嵌合部側の軸端面には
中軸の雄ねじ溝１０に螺合する雌ねじ溝１１が設けられ
ている。保持手段である中軸固定部材９は段付部材で一
方の端部にねじ軸の中空穴１７に嵌合する嵌合部を有し
他方の端部にサポートユニットにて支持されるサポート
部１５を有している。中軸固定部材９の嵌合部側の軸端
面には中軸の雄ねじ溝１０に螺合する雌ねじ溝１１が設
けられている。中軸固定部材８のねじ溝側の外径部は一
方のねじ軸の中空穴１７の内径部と嵌合され、ボルト１
２により固定されている。中軸固定部材８の雌ねじ溝１
１はねじ軸の中空穴１７に挿通された中軸の一方の雄ね
じ溝１０と螺合している。中軸の他方の雄ねじ溝１０に
は中軸固定部材９の雌ねじ溝１１が螺合されており中軸
固定部材９の嵌合部は他方のねじ軸の中空穴の内径部と
嵌合されボルト１２によりねじ軸の軸方向の移動不能及
び回転不能に固定されている。この時中軸の両端の雄ね
じ溝１０、１０と中軸固定部材８、９の雌ねじ溝１１の
螺合は中軸に適度な締付力が加わった状態で締め付けら
れボルト１２にて中軸固定部材８、９がねじ軸１に固定
される。中軸固定部材８、９のねじ穴底部には軸方向に
小径のキリ穴及びこのキリ穴の底部から中軸固定部材の
外面に通ずる小径のキリ穴が設けられている。このキリ
穴によって中軸固定部材８、９を中軸７に螺合させ、中
軸固定部材８、９をねじ軸の中空穴１７内に嵌合する
際、中空穴１７内の空気が圧縮されて嵌合しにくくなら
ないよう中軸固定部材のねじ部と外部を連通させるエア
ー抜き穴１３となっている。また、このエアー抜き穴１
３は本実施例のボールねじが高速作動による温度上昇の
為中空穴１７内の内圧が上昇するのを防止している。

【００１２】本実施例のボールねじは一般に使用に際し
て中軸固定部材のサポート部１４、１５をボールねじ支
持軸受を組込んだサポートユニットを介して基台に支持
されねじ軸１は回転自在とされている。ねじ軸１は不図
示の駆動モータにより中軸固定部材８の軸部１６に取り
付けられるプーリ（不図示）を介して回転駆動される。
ねじ軸１に螺合するボールナット２は通常使用に際して
直線案内軸受によって案内されたテーブルに固定され
る。ねじ軸１の回転によってねじ軸をボールナット２と
の間に嵌合させたボール３がねじ軸１及びボールナット
２のボールねじ溝１ａ，２ａ間を転動しつつ移動し、ね
じ軸の回転に対応してボールナット２が軸方向に駆動さ
れテーブルが軸方向に移動される。ねじ軸１が回転駆動
され振動を受けるときにはねじ軸１が軸芯と直角な方向
に変位し中軸７はねじ軸１の変位と同じ方向に移動しよ
うとするがねじ軸１の振動周期と中軸７の振動周期は一
般に異なり中空穴１７と中軸７との隙間はわずかである
から中軸７はねじ軸１に衝突してねじ軸１の振動が妨げ
られる。

【００１３】この制振効果を実験により確かめたのでそ
の結果について説明する。図７はねじ軸が中実とされた
従来のねじ軸の周波数応答のグラフであり、図８は本発
明の実施例に係る周波数応答のグラフである。両者の比
較から明らかなように中空軸であるねじ軸１に中軸７を
取り付けた場合の方が従来のような中実軸の場合に比べ
て固有のピークが消え、減衰性が向上していることがわ
かる。図９はねじ軸が中実とされた従来のねじ軸の減衰
性を示すグラフであり、図１０は本発明に係る実施例に
於けるねじ軸１の減衰性を示す同様なグラフである。両
者の比較から明らかなように本実施例のねじ軸１の方が
従来の中実軸の場合よりも振動の外部入力に対し振幅が
小さく、かつ、減衰時間も短いことがわかる。

【００１４】このように、本発明にあってはねじ軸１に
中空穴１７を設けその中空穴１７内に中軸７を遊嵌させ
るという簡単な構造によってボールねじ作動時の振動を
低減させることができる。その結果、ボールねじを高速
運転で使用する装置が実現でき生産性の向上が計れると
共にテーブルの長ストローク化も容易となるので加工部
品の多様化にも対応できるようになった。また、高速化
が必要な場合にあっても従来のねじ軸に比べねじ軸の軸
径を小さくすることが可能となり装置を安価にすること
ができるコストメリットも得られる。

【００１５】図２は、本発明の第２の実施例であるボー
ルナット回転で使用するボールねじを示している。第１
の実施例と異なる点は本実施例にあってはボールナット
回転用である為、使用に際してねじ軸１の両端が回転不
能に基台に固定されるようになっている点である。その
ため、ねじ軸１を両端にて支持する中軸固定部材２０に
は中軸固定部材８、９のような軸受支持用のサポート部
１４、１５がなく中軸固定部材２０の外面が軸の支持部
となっている。それ以外の構成はほぼ第１の実施例と同
様である。本第２の実施例のボールねじはボールナット
回転用であり、ねじ軸１０１が回転せずしかもねじ軸１
０１の両端が固定されている為、軸回転で使用する第１
の実施例と比べるとねじ軸の振動発生の面では有利であ
る。しかし、図３に示す使用例のような構造ではボール
ナットに固定される中空モータ２７が高回転になると従
来のような中実ねじ軸では振動がねじ軸の固有振動数に
近づいて共振してしまうことは避けられない。しかし、
ねじ軸に設けた中空穴内に中軸１０７をわずかな隙間を
有する状態で嵌合させることによりねじ軸の振動を有効
に抑えることができる。

【００１６】図３は、第２の実施例であるボールナット
回転用ボールねじの使用例を示している。第２の実施例
に示したボールねじはねじ軸の両端の中軸固定部材２０
をベース２１に取り付けられた軸固定用ブロック２２、
２２により固定され、ねじ軸１０１が回転不能に支持さ
れている。ねじ軸１０１の両側にはねじ軸１０１と平行
にねじ軸１０１とほぼ等しい長さの案内レール２３、２
３が配され、ベース２１に固定されている。夫々の案内
レール２３、２３には案内レール２３の両側面に設けら
れたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を内面に有す
る２個のスライダー２４がボール（不図示）を介して嵌
合され、案内レール２３の軸方向に摺動自在とされてい
る。夫々のスライダー２４にはテーブル２５が載置され
固定されており、テーブル２５にはブラケット２６を介
して中空モータ２７が固定され、中空モータ２７にはネ
ジ軸１０１が挿通されている。さらに中空モータの出力
部２８とボールナット１０２とは取付治具２９を介して
互いに連結されている。以上のように構成されているの
で中空モータ２７を回転駆動させることによってボール
ナット１０２を回転させるとねじ軸１０１が回転不能に
固定されているのでボールナット１０２自体が回転しな
がらねじ軸１０１に沿って移動する。その結果テーブル
２５は前後左右をスライダー２４に案内されながらスム
ーズに軸方向に移動する。このような構造は工作機械に
於ける刃物、被加工物等を移動させるのに用いることが
でき、生産性の向上のためには工作機械による加工と
か、測定に於ける作動の高速化は必須であり、このよう
な点から考えると本使用例に於いては第１の実施例で述
べたように中空ねじ軸内に設けた中軸の制振作用によっ
てねじ軸の振動を抑えることができるから、ナット１０
２を高速回転させて高速かつ精密移動させることが簡単
な構造によって可能となる。

【００１７】図４はねじ軸１又は１０１の変形例を示し
ておりねじ軸１、１０１が中空部の加工精度や中軸７、
１０７の撓み等の為、ねじ軸と中軸が接触してしまいね
じ軸と中軸との均一な隙間が中空穴内全長に亘って確保
できない場合に用いる中軸２０７を示している。この中
軸２０７にはねじ軸１、１０１の中央付近にリング状の
ブッシュ３０が嵌合固定されている。ブッシュ３０の材
質は金属でありその肉厚はねじ軸と中軸との隙間分より
わずかに小さい厚さでありブッシュ３０を嵌合した中軸
２０７をねじ軸に組み込んだ際に中空ねじ軸の内面とブ
ッシュ３０の外周面が部分的に接触するようになってい
る。したがってねじ軸と中軸とが長手方向の広範囲に亘
って接触することを避けねじ軸と中軸が部分的に衝突し
て振動エネルギーを吸収することによってねじ軸の振動
がおさえられる。なお、このブッシュの位置は実験によ
って適宜決定すればよい。

【００１８】本発明はねじ軸の中空穴内にねじ軸のほぼ
全長に亘って同芯に且つ両端部が保持された状態で中軸
が設けられ、わずかな隙間を半径方向に有してねじ軸の
中空穴内に遊嵌される構成としているので、ねじ軸の回
転またはボールナットの回転によってねじ軸に半径方向
の振動が加わってもねじ軸と中軸の振動の相殺現象や衝
突が生じねじ軸の振動が抑えられ、その結果ボールねじ
の高速運転が可能となる装置が実現でき生産性の向上が
計れると共にテーブルの長ストローク化も容易となるの
で加工部品の多様化にも対応できるようになり、また、
高速化が必要な場合であっても従来のねじ軸に比べねじ
軸の軸径を下げることが可能となってコストメリットも
得られる。しかも、ねじ軸回転で使用する場合にあって
は、従来のようにローラーが単にねじ軸の中空穴内に配
されたもののように慣性質量の触れ回りが無いのでねじ
軸の振動を助長するようなことも無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す部分断面正面図

【図２】第２の実施例を示す部分断面正面図

【図３】第２の実施例であるボールねじの使用例を示す
部分断面平面図

【図４】本発明のねじ軸の変形例を示す正面図

【図５】図１のａ−ａ線断面図

【図６】図１の部分縦断面図

【図７】中実である従来のねじ軸の周波数応答のグラフ

【図８】第１の実施例におけるねじ軸の周波数応答のグ
ラフ

【図９】中実である従来のねじ軸の減衰性を示すグラフ

【図１０】第１の実施例におけるねじ軸の減衰性を示す
グラフ

【符号の説明】

１，１０１ ねじ軸 ２，１０２ ボールナット ３ ボール ７，１０７，２０７ 中軸 １７ 中空穴

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−221732（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−127938（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−135018（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−4736（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−22361（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭56−53132（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16H 25/24 F16H 25/22 F16F 15/10 F16F 15/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周面に螺旋状のボールねじ溝を有する
   ねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールね
   じ溝を内周面に有するボールナットと、該ボールナット
   のボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝との間に転
   動自在に嵌合する多数のボールと、を備えたボールねじ
   装置において、前記ねじ軸はほぼ全長に亘る中空穴を有
   し、該ねじ軸の中空穴内には径方向にわずかな隙間を有
   して長尺の中軸が同芯に挿入され、前記中軸はその両端
   部が保持手段により前記ねじ軸に保持され、前記隙間は
   前記ねじ軸の半径方向の振動時に前記中軸が前記中空穴
   の内面と衝突すべくされていることを特徴とするボール
   ねじ装置。