JP4858629B2 - ボールねじ装置の中間サポート - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ装置の中間サポートの改良に関する。

ボールねじ装置を構成するねじ軸の回転数が該ねじ軸の固有振動数に近くなると、共振を起こして激しく振動し、振幅が増大するようになって危険である。このときの回転速度を危険速度といい、この危険速度はねじ軸の支持スパンの２乗に反比例するため、該支持スパンは短いほど好ましい。

ところで、ＮＣ制御の平面研削盤などのようにテーブルストロークが長い場合には、テーブルを送るねじ軸が長くなって該ねじ軸の支持スパンが長くなるので、危険速度が低い回転域となる。一方、送り速度の高速化に伴いねじ軸が高回転で使用されるが、この場合、危険速度が低い回転域だと上述した共振を避けることができない。また、ねじ軸の回転時に、ねじ軸の自重たわみ等によってボールねじナットやねじ軸の端部にラジアル荷重が作用し、ねじ軸に過大な繰り返し荷重（回転曲げ応力）が加わってボールねじの寿命に悪い影響を及ぼす。

そこで、従来においては、ねじ軸の中間部を支持する中間サポートを設けて支持スパンを短くし、これにより、ねじ軸を多点で支持して危険速度を安全側の高い回転域にすると共に、ねじ軸の自重たわみ等を減少させるようにしている。従来のこの種の中間サポートとしては、例えば、実開平２−４７３６号公報に示すように、ねじ軸の両端部を支持する支持軸受間に中間サポートを構成する二個のすべり軸受を互いに連結した状態でねじ軸の軸方向に移動自在に取り付けて、各すべり軸受の間にねじ軸の回転によって移動するボールねじナットを位置せしめ、そして、各すべり軸受の内の一方のすべり軸受にねじ軸の回転によって移動するボールねじナットが当接した場合には該一方のすべり軸受がボールねじナットに押されて該ボールねじナットと共に移動するようにしたものが知られている。

しかしながら、かかる中間サポートにおいては、構造は比較的簡単であるが、ボールねじナットがいずれかのすべり軸受に当接してから移動するようになっているので、ボールねじナットが各すべり軸受の中間位置にある間は、該ボールねじナットがすべり軸受に当接するまで該すべり軸受と支持軸受との間の距離（支持スパン）を短縮することができず、危険速度をあまり高くすることができないという問題がある。

そこで、かかる問題を解消すべく、特開平６−１２９５１０号公報に示すように、ねじ軸に螺合された中間サポートナットと、ねじ軸と平行に設けられた補助ねじ軸と、該補助ねじ軸に螺合されて補助ねじ軸の回転によって軸方向に移動する補助ナットと、軸方向に移動自在に設けられて、中間サポートナットを回転自在に支持するとともに、補助ナットを回転不能に支持する中間サポートフレームとを備え、補助ねじ軸及びねじ軸のねじピッチを同一にして補助ねじ軸の回転数をねじ軸の回転数より少なくすることにより、中間サポートナットがねじ軸の回転に影響されずに補助ねじ軸の回転のみによってねじ軸に螺合されたボールねじナットと独立して移動できるようにし、これにより、中間サポートナットと支持軸受との間の距離（支持スパン）の短縮を可能にしたものが提案されている。

実開平２−４７３６号公報 特開平６−１２９５１０号公報

しかしながら、かかる従来技術においては、中間サポートナットの他に、補助ねじ軸、補助ナット、中間サポートフレーム及び補助ねじ軸を回転駆動する駆動装置等が必要になるため、構造が複雑になるとともに、コスト高になるという不都合がある。

本発明はかかる不都合を解消するためになされたものであり、ボールねじナットと独立して移動できるようにして支持軸受との間の距離（支持スパン）を短縮できるのは勿論のこと、簡単な構造で且つ低コストで製作することができるとともに、中間サポートの移動が規制された場合にボールねじに伝達される負荷を低減させることが可能であるとともに、中間サポートの位置ずれの補正が容易であり、さらにねじ溝の磨耗を軽減して寿命を長期化させることが可能なボールねじ装置の中間サポートを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１に係るボールねじ装置の中間サポートは、外周面に螺旋状のボール溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に遊嵌される内周面に前記ねじ軸のボール溝に対応するボール溝を有するボールねじナットと、前記両ボール溝間に転動可能に嵌合された多数のボールとを備え、該ボールが前記ボールねじナットに嵌合されたボール循環部品に案内されて循環するボールねじ装置の前記ねじ軸に取り付けられるとともに、前記ボールねじナットの移動速度より遅い速度で移動する中間サポートであって、
前記ねじ軸のボール溝にボールを介して螺合され且つリード角が０°又はその近傍の値に設定されたボール溝を有するサポート用ナットと、該サポート用ナットを前記ねじ軸と平行に案内する案内機構と、該案内機構及び前記サポート用ナット間に介挿されたクラッチ機構とを備え、前記案内機構は、前記サポート用ナットを回動可能に配設した円筒状のナットハウジングと、該ナットハウジングの両端に夫々固定された位置規制板とを少なくとも有して構成され、前記クラッチ機構は、前記サポート用ナットの前記位置規制板との対向面に軸芯を中心とする同一円上に所定間隔を保って形成された係合凹部と、該係合凹部に対向して前記位置規制板側に形成された貫通孔内に配設された弾性体によって当該係合凹部側に付勢されたボールと、前記貫通孔の前記サポート用ナットとは反対側の端面に螺合された押ねじとで構成されていることを特徴とする。

また、請求項２に係るボールねじ装置の中間サポートは、外周面に螺旋状のボール溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に遊嵌される内周面に前記ねじ軸のボール溝に対応するボール溝を有するボールねじナットと、前記両ボール溝間に転動可能に嵌合された多数のボールとを備え、該ボールが前記ボールねじナットに嵌合されたボール循環部品に案内されて循環するボールねじ装置の前記ねじ軸に取り付けられるとともに、前記ボールねじナットの移動速度より遅い速度で移動する中間サポートであって、前記ねじ軸のボール溝にボールを介して螺合され且つリード角が０°又はその近傍の値に設定されたボール溝を有するサポート用ナットと、該サポート用ナットを前記ねじ軸と平行に案内する案内機構と、該案内機構及び前記サポート用ナット間に介挿されたクラッチ機構とを備え、前記サポート用ナットのボールは、前記ねじ軸に形成された前記ボールねじナットが螺合するボールねじ溝とは異なるボールねじ溝に螺合され、前記案内機構は、前記サポート用ナットを回動可能に配設した円筒状のナットハウジングと、該ナットハウジングの両端に夫々固定された位置規制板とを少なくとも有して構成され、前記クラッチ機構は、前記サポート用ナットの前記位置規制板との対向面に軸芯を中心とする同一円上に所定間隔を保って形成された係合凹部と、該係合凹部に対向して前記位置規制板側に形成された貫通孔内に配設された弾性体によって当該係合凹部側に付勢されたボールと、前記貫通孔の前記サポート用ナットとは反対側の端面に螺合された押ねじとで構成されていることを特徴とする。

ここで、ねじ軸のボールねじ溝は、多条ねじ溝に形成し、このうちの少なくとも１条のねじ溝にサポート用ナットのボールを螺合させ、残りのねじ溝にボールねじナットのボールを螺合させることが好ましい。

請求項１に係る発明によれば、ねじのボール溝にボールを介して螺合されたサポート用ナットと、該サポート用ナットをねじ軸と平行に案内する案内機構との間にクラッチ機構を介挿したので、クラッチ機構を締結状態とすることにより、サポート用ナットと案内機構とを一体化させてねじ軸の回転に伴ってサポート用ナットを移動させ、非締結状態とすることにより、サポート用ナットを空転させて、サポート用ナットの移動を停止させることができ、サポート用ナットの位置調整を自在に行うことができるとともに、サポート用ナットの移動が規制されたときに、係合凹部とこれに係合する弾性体で押圧されているボールとの係合状態を離脱して、ねじ軸に過大な負荷を与えることを確実に防止することができるという効果が得られる。
また、請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明の効果に加え、サポート用ナットのボールは、前記ねじ軸に形成された前記ボールねじナットが螺合するボールねじ溝とは異なるボールねじ溝に螺合されているので、サポート用ナットのボールによるボールねじナットのねじ溝の磨耗を確実に防止することができ、ねじ軸の寿命を長期化させることができる共に、サポート用ナットに最適なねじ溝設計を行うことができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態であるボールねじ装置の中間サポートを直動案内装置に使用した例を示す概略図である。 中間サポートのクラッチ機構を拡大して示す断面図である。 サポート用ボールねじナットの側面図である。 図２の左側面図である。 サポート用ボールねじナットの軸方向の移動速度を求める式の説明に用いる説明図である。 中間サポートの動作を説明するための説明図である。 第１の実施形態の動作の説明に供する図１と同様の概略図である。 本発明の第２の実施形態であるボールねじ装置の中間サポートを直動案内装置に使用した例を示す概略構成図である。 第２の実施形態における中間サポートの断面図である。 図９の左側面図である。 第２の実施形態における動作の説明に供する図８と同様の概略構成図である。 第２の実施形態における制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態を示す中間サポートの断面図である。 第３の実施形態に適用し得るサポート用ボールねじナットのボール溝とねじ軸のボール溝との間に介在されるボールがサポート用ボールねじナットのボール溝側で１点、ねじ軸のボール溝側で２点で接触している状態を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置の中間サポートを直動案内装置に使用した例を示す概略図、図２は中間サポートのクラッチ機構を拡大して示す断面図、図３はサポート用ボールねじナットの側面図、図４は図２の左側面図、図５はサポート用ボールねじナットの軸方向の移動速度を求める式の説明に用いる説明図、図６は中間サポートの動作を説明するための説明図である。

まず、説明の便宜上、直動案内装置から先に説明すると、図１において符号１はボールねじ装置の比較的長尺なねじ軸であり、このねじ軸１は外周面に螺旋状のボール溝（２条ねじ）２を有している。ねじ軸１には、内周面にねじ軸１のボール溝２に対応するボール溝（図示せず。）を有するボールねじナット３が遊嵌されている。ねじ軸１のボール溝２とボールねじナット３のボール溝との間には多数のボール（図示せず。）が転動可能に嵌合されており、該ボールはボールねじナット３に嵌合されたボール循環部品（図示せず。）に案内されて循環するようになっている。

ねじ軸１の両端部はベッド４に取り付けられた二個の軸受ハウジング５ａ，５ｂ内の支持軸受（図示せず。）によって回転自在に支持されるとともに、一方（左方）の軸端はカップリング６を介してステップモータ等で構成される回転駆動装置７に連結されている。また、ボールねじナット３は、ナットハウジング８内に嵌合され、このナットハウジング８の下部が例えばリニアガイドで構成される送り案内９によってねじ軸１の円周方向の回転が規制された状態で左右方向に案内され、また、ナットハウジング８の上部にテーブル１０が取り付けられている。

次に、本発明の実施の形態の一例である中間サポートについて説明する。この中間サポートは、ボールねじナット３の軸方向の両側位置でねじ軸１のボール溝２にボール２１（図２参照）を介して螺合された一対のサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂを備える。サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂは共に構成が同一であるので、図２〜図４を参照して、サポート用ボールねじナット２０ａについて説明する。

サポート用ボールねじナット２０ａのボール溝２２は、全周溝、即ち、リード角が“０°”とされて軸方向に複数箇所（ここでは４か所）設けられており、ねじピッチはボール２１が多く入るように適当な最小ピッチ（この実施の形態では、ねじ軸１のボール溝２のねじピッチの１／２）とされている。また、サポート用ボールねじナット２０ａの内径面とねじ軸１の外径面との間には、樹脂や真鍮等からなる円筒状のリテーナ２３が介設されている。

リテーナ２３には、ねじ軸１のボール溝２が２条ねじで、且つ、サポート用ボールねじナット２０ａのボール溝２２のねじピッチがねじ軸１のボール溝２のねじピッチの１／２の場合において、周方向に互いに１８０°離間配置された二個の穴２４が形成されており、該二個の穴２４は軸方向に交互に位相を９０°をずらしながらボール溝２２のねじピッチに対応して４か所配置されている。穴２４はボール溝２２とボール溝２との間に挟まれたボール２１を転動可能に保持するためのものであり、公知の無循環ボールねじ装置に用いられるものと同様のものである。

かかる構成のサポート用ボールねじナット２０ａは円筒状のナットハウジング２５の内周面に回動可能に配設されており、このナットハウジング２５の両端に夫々ボルト締めされた位置規制板２６及び２７によって軸方向の移動が規制されている。また、ナットハウジング２５が前述した送り案内９によって案内される移動体２８の中心部に遊嵌され、位置規制板２６が移動体２８にボルト締めされている。

ここで、この実施の形態では、送り案内９、ナットハウジング２５、位置規制板２６，２７及び移動体２８で案内機構が構成されている。そして、位置規制板２６とこれに対向するサポート用ボールねじナット２０ａとの間にクラッチ機構３０が配設されている。このクラッチ機構３０は、図３に示すように、サポート用ボールねじナット２０ａの位置規制板２６との対向面に軸芯を中心とする同一円上に所定間隔を保って形成された多数の円錐状の係合凹部３１と、図２及び図４に示すように、各係合凹部３１に対向する位置規制板２６側に形成された貫通孔３２内に配設されたコイルスプリング３３によって係合凹部３１側に付勢されたボール３４と、貫通孔３２のサポート用ボールねじナット２０ａとは反対側の端面に螺合されたスプリング３３の弾性力を調整する押ねじ３５とで構成されている。

次に、ねじ軸１の回転速度とサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの軸方向の移動速度との関係について図５及び図６を伴って説明する。ここで、Ni：ねじ軸の回転速度（ｒｐｍ）、Nc：ボールの公転（ねじ軸周り）速度（ｒｐｍ）、Nr：ボールの自転速度（ｒｐｍ）、l ：ねじ軸のリード（ｍｍ）、α₁ ：ねじ軸側のボール溝軌道面でのボールの接触角（°）、α₂ ：サポート用ボールねじナット側のボール溝軌道面でのボールの接触角（°）、ｄｍ：Ｂ．Ｃ．Ｄ（鋼球の中心円径）（ｍｍ）、Ｄａ：ボール径（ｍｍ）とすると、ねじ軸が回転速度Niで回転した場合に、ねじ軸側ボール溝軌道面上Ａ点（図５参照）の単位時間当たりの軸方向の移動距離Li_S は、
Li_S ＝［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Ni …（１）
ねじ軸側ボール溝軌道面上Ａ点でのボールの自転によるボールの単位時間当たりの軸方向の移動距離Lr_S は、
Lr_S ＝πDa cosα₁Nr …（２）
ねじ軸側ボール溝軌道面上Ａ点でのボールの公転によるボールの単位時間当たりの軸方向の移動距離Lc_S は、
Lc_S ＝［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Nc …（３）
サポート用ボールねじナット側ボール溝軌道面上Ｂ点でのボールの自転によるボールの単位時間当たりの軸方向の移動距離Lr_n は、
Lr_n ＝πDa cosα₂Nr …（４）
サポート用ボールねじナット側ボール溝軌道面上Ｂ点でのボールの公転によるボールの単位時間当たりの軸方向の移動距離Lc_n は、
Lc_n ＝［｛π（dm＋Da cosα₂ ）｝² ＋l²］^1/2 ・ Nc …（５）
となる。

ここで、サポート用ボールねじナットが固定で、ねじ軸が回転してボールが転がり運動する場合、ボールとねじ軸が転がり運動するため、接触点Ａでのボールとねじ軸の軸方向の移動速度は同じであり、ボールとねじ軸は軸方向に同じ距離だけ進むことになる。従って、ねじ軸側ボール溝軌道面上Ａ点の軸方向の移動距離Li_S は、ボールの自転による移動距離Lr_S とボールの公転による移動距離Lc_Sとの和（Li_S ＝Lr_S ＋Lc_S ）になり、次式で表される。
［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・ Ni
＝πDa cosα₁Nr ＋［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Nc…（６）

一方、サポート用ボールねじナットは固定されているので、サポート用ボールねじナット側ボール溝軌道面上Ｂ点の軸方向の移動距離は０となり、また、ボールの接触点Ｂは、ねじ軸側の接触点Ａと同様に考えられるがボールの自転と公転の方向が逆なので０＝−Lr_n ＋Lc_n となり、次式のように表される。
０＝−πDa cosα₂Nr ＋［｛π（dm＋Da cosα₂ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Nc…（７）
（６）式、（７）式より、ボールの公転速度Nc及び自転速度Nrはそれぞれ次式で表される。
Nc＝ cosα₂ ［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Ni／〔 cosα₁ ［｛π（dm＋Da cosα₂ ）｝² ＋l²］^1/2 ＋ cosα₂ ［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 〕 …（８）
Nr＝〔［｛π（dm＋Da cosα₂ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Nc〕・Ni／πDa cosα₂ …（９）
サポート用ボールねじナットが固定で、ねじ軸が回転してサポート用ボールねじナット側のボール溝のリード角が“０°”の場合、サポート用ボールねじナットの軸方向の移動距離はボールの軸方向の移動距離と同じであるから、サポート用ボールねじナットの軸方向の移動速度ｖは、次式のように表される。
v＝ cosα₂ ［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 ・Ni・l ／〔 cosα₁ ［｛π（dm＋Da cosα₂ ）｝² ＋l²］^1/2 ＋ cosα₂ ［｛π（dm−Da cosα₁ ）｝² ＋l²］^1/2 〕 …（１０）

ここで、図１に示すように、直動案内装置にサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂを用いて、ｄｍ：２６ｍｍ、l ：５０ｍｍ、Ｄａ：３．９６８８ｍｍとすると共に、ねじ軸１側のボール溝２及びサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ側のボール溝２２を共にゴシックアーチ形状としてボール２１がボール溝２側で２点、ボール溝２２側で２点（合計４点）で接触するようにし、α₁ ：４５°、α₂ ：４５°とした場合に、ボールねじナット３の軸方向の移動速度はNi・l になるのに対して、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの軸方向の移動速度ｖは（１０）式より０．４６Ni・l となる。つまり、ねじ軸１が一回転した場合に、ボールねじナット３は軸方向に１リード分だけ進むのに対し、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂはボールねじナット３の移動距離の略１／２だけ軸方向に進むことになる。

次に、図６を参照して、中間サポートの動作について説明する。まず、組立時において、ねじ軸１のボール溝２に螺合される一対のサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの内の一方のすべりねじナット２０ａをボールねじナット３と軸受ハウジング５ａとの間の略中央に位置させると共に、他方のサポート用ボールねじナット２０ｂをボールねじナット３と軸受ハウジング５ｂとの間の略中央に位置させる。

この場合のサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの位置調整は、ねじ軸１を回転停止させた状態で、位置規制板２６の押しねじ３５を緩めてボール３４の係合凹部３１への押圧力を小さくしておき、この状態で、移動体２８を軸方向に移動させることにより、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂをねじ軸１の周囲で空転させて、所定位置に位置調整し、その後、ボール３４を係合凹部３１に係合させた状態で、押しねじ３５を締めつけてスプリング３３の弾性力を調整することにより、移動体２８の移動が規制されたときにサポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂが空転を開始する回転トルクを調整する。

そして、この状態で回転駆動装置７でねじ軸１を回転させると、ボールねじナット３がリニアガイド装置１０に案内されつつねじ軸１に沿って移動するとともに、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂが送り案内９に案内されつつねじ軸１に沿ってボールねじナット３と同一方向に移動する。この時、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの移動速度v は上述したようにボールねじナット３の略１／２となるため、ボールねじナット３の軸方向の位置にかかわらず、サポート用ボールねじナット２０ａは常にボールねじナット３と軸受ハウジング５ａとの間の略中央に位置すると共に、サポート用ボールねじナット２０ｂが常にボールねじナット３と軸受ハウジング５ｂとの間の略中央に位置することになる（図６において、Ｌ₁ ：Ｌ₂ ≒１：１、Ｌ₃ ：Ｌ₄ ≒１：１）。

これにより、図６に示すように、ボールねじナット３が軸受ハウジング５ａ側に移動するにつれてサポート用ボールねじナット２０ａと軸受ハウジング５ａとの間の距離（支持スパン）が短縮されるとともに、サポート用ボールねじナット２０ｂと軸受ハウジング５ａとの間の距離（支持スパン）が短縮され、この結果、危険速度を安全側の高い回転域にすることができると共に、ねじ軸１が多点で支持されることによってねじ軸１の自重たわみを減少させることができる。

また、サポート用ボールねじナット２０ａを常にボールねじナット３と軸受ハウジング５ａとの間の略中央に位置させると共に、サポート用ボールねじナット２０ｂを常にボールねじナット３と軸受ハウジング５ｂとの間の略中央に位置させることができることから、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂがボールねじナット３や軸受ハウジング５ａ，５ｂに干渉するまでのボールねじナット３の軸方向の移動量を大きくとることができ、この結果、テーブルストロークが長いＮＣ制御の平面研削盤などに好適なものとすることができる。

更に、ねじ軸１のボール溝２にサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂを螺合するだけでよいため、簡単な構造で且つ低コストで効果的な制振を行うことができる中間サポートシステムを提供することができる。このように、ねじ軸１の回転に伴ってボールねじナット３の移動速度の半分の速度でサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂが移動することになるが、この移動は転動体、ねじ軸及びナット間の摩擦により行われているので、移動時には必ず滑りが発生する。
この滑りは、溝形状、移動速度、移動加速度、固定しているテーブルの摩擦抵抗等の影響を受ける。このため、長時間ボールねじナット３を移動していると、サポート用ボールねじナットの位置にずれを生じる。このため、サポート用ボールねじナット２０ａが例えばボールねじナット３と軸受ハウジング５ａとの間の中央より左側に位置ずれを生じている場合には、ボールねじナット３が左端側に移動したときに、その移動許容範囲内であっても、図７に示すように、サポート用ボールねじナット２０ａの軸方向位置規制を行っている位置規制板２６を固定しているボルト頭部が軸受ハウジング５ａに当接する場合が発生する。
この状態となると、サポート用ボールねじナット２０ａの左方への移動が軸受ハウジング５ａによって阻止されるので、ねじ軸１の回転が継続されると、サポート用ボールねじナット２０ａに回転トルクが伝達されることになり、この回転トルクがクラッチ機構３０のスプリング３３の弾性力で設定された許容回転トルク以上となると、ボール３４が係合凹部３１から左方に押し出され、サポート用ボールねじナット２０ａがナットハウジング２５に対して空転状態となり、ねじ軸１に過大な負荷が掛かることを防止することができる。

同様に、サポート用ボールネジナット２０ｂがボールねじナット３と軸受ハウジング５ｂとの中間より右側に位置ずれを生じて、サポート用ボールねじナット２０ｂが軸受ハウジング５ｂに当接して場合にも、サポート用ボールねじナット２０ｂが空転して、ネジ軸１に過大な負荷が掛かることを防止することができる。

さらに、サポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂがボールねじナット３側に位置ずれを生じて、ボールねじナット３と干渉する場合にも、サポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂが空転してねじ軸１に過大な負荷が掛かることを防止することができる。
このように、サポート用ボールねじナット２０ａ及び／又は２０ｂに位置ずれを生じた場合には、前述したと同様に押しねじ３５を緩めてスプリング３３の弾性力を低下させることにより、サポート用ボールねじナット２０ａ及び／又は２０ｂを容易に空転させて、位置ずれを補正することができ、押しねじ３５を緩めなくてもスプリング３３の弾性力で設定される回転トルク以上の回転トルクを発生するように移動体２８を移動させることにより、位置ずれを補正することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、ボール３４をコイルスプリング３３で押圧する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、板バネ等の他のスプリングを適用することができる他、ゴム等の他の弾性体を適用するようにしてもよい。また、上記第１の実施形態においては、係合凹部３１とボール３４とを係合させる場合について説明したが、これに限らず、係合凹部３１及びボール３４を省略してこれらに代えて摩擦板をスプリングでサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの端面に接触させるようにしてもよい。

さらに、第１の実施形態においては、スプリング３３の弾性力を押しねじ３５の締め付け位置によって調整する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、押しねじ３５とスプリング３３との間にスプリングシートを設け、このスプリングシートの厚みを変更することにより、スプリング３３の弾性力を調整するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図８〜図１１を伴って説明する。この第２の実施形態は、クラッチ機構の断続を任意に制御するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、中間サポートのクラッチ機構３０を第１の実施形態における係合凹部３１、スプリング３３、ボール３４及び押しねじ３５で構成する場合に代えて、図９及び図１０に示すように、位置規制板２６のサポート用ボールねじナット２０ａとは反対側における中心を通る線上に一対のエアシリンダ４０，４１を点対称に配設し、これらエアシリンダ４０，４１のスプリング（図示せず）によって伸長側に付勢されたピストンロッド４２の先端に形成した摩擦板４３を位置規制板２６に形成した貫通孔４４を通じてサポート用ボールねじナット２０ａの端面に対向させるように構成されている。
ここで、エアシリンダ４０，４１にフレキシブル配管４５を通じて加圧空気を供給することにより、ピストンロッド４２を収縮させて摩擦板４３をサポート用ボールねじナット２０ａの端面から離間させて非締結状態となって、サポート用ボールねじナット２０ａの自由な空転を許容し、この状態からエアシリンダ４０，４１への加圧空気の供給を遮断して排気状態とすることにより、スプリングによってピストンロッド４２が伸長して摩擦板４３がサポート用ボールねじナット２０ａの端面に圧接する締結状態となって、サポート用ボールねじナット２０ａをナットハウジング２５に対して一体に固定する。

また、軸受ハウジング５ａには、図８に示すように、超音波又はレーザ光を照射した時点から反射波又は反射光を受信又は受光した時点までの時間を測定することにより距離を計測する超音波測距装置又はレーザ測距装置で構成される２つの距離センサ５０，５１が配設され、距離センサ５０でボールねじナット３に取り付けたテーブル１０の左端までの距離を測定し、距離センサ５１でサポート用ボールねじナット２０ａに取り付けたテーブル２９の左端までの距離を測定する。

さらに、軸受ハウジング５ｂに距離センサ５０，５１と同様の距離センサ５３が配設され、この距離センサ５３で、サポート用ボールねじナット２０ｂに取り付けたテーブル２９の右端までの距離を測定する。
そして、各距離センサ５０〜５１の距離検出値が図１２に示すように、制御装置５５に入力され、この制御装置５５で、距離センサ５０で検出したボールねじナット３の距離検出値に基づいてサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの目標距離Ｌａ^* 及びＬｂ^* を算出し、算出した目標距離Ｌａ^* 及びＬｂ^* と距離センサ５１及び５２で検出した距離検出値Ｌａ及びＬｂとが不一致であるとき即ちサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂに位置ずれが発生した場合に、ねじ軸１の回転方向を加味して、目標距離Ｌａ^* 及びＬｂ^* と検出距離Ｌａ及びＬｂが一致するようにサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂに対するエアシリンダ４０，４１への加圧空気の給排を行うアクチュエータ５３及び５４を制御するとともに、距離検出値Ｌａ及びＬｂが予め設定した最小設定距離Ｌｍｉｎ以下となったときに接近異常と判断してアクチュエータ５３，５４を加圧空気供給状態に制御してエアシリンダ４０，４１に対して加圧空気を供給する。

この第２の実施形態によると、常時ボールねじナット３の位置を距離センサ５０で検出するとともに、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの位置を常時距離センサ５１及び５２で検出しており、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂが位置ずれを生じることなく正規の位置にある状態では、アクチュエータ４３，５４が排気状態に制御されてエアシリンダ４０，４１から加圧空気が排気された状態に維持されるため、ピストンロッド４２がスプリングの弾性力によって伸長して摩擦板４３がサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂに圧接してクラッチ機構３０が締結状態となり、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂがナットハウジング２５に一体に固定され、ねじ軸１の回転に応じてボールねじナット３の移動速度の半分の速度で移動する。

この正常状態から例えばサポート用ボールねじナット２０ａが軸受ハウジング５ａ寄りとなる位置ずれが生じた場合には、ボールねじナット３が軸受ハウジング５ａ側に移動するようにねじ軸１が回転駆動された時に、アクチュエータ５３を供給状態に制御し、エアシリンダ４０に対して加圧空気を供給して、ピストンロッド４２をスプリングに抗して収縮させることにより、摩擦板４３とサポート用ボールねじナット２０ａとを離間させてクラッチ機構３０を非締結状態とし、これによってサポート用ボールねじナット２０ａをナットハウジング２５に対して空転可能とすることにより、サポート用ボールねじナット２０ａの移動距離を低下させ、距離センサ５１で検出される距離検出値Ｌａがボールねじナット３の距離検出値Ｌに基づいて算出される目標距離Ｌａ^* と一致した時点でアクチュエータ５３を排気状態に制御してエアシリンダ４０から加圧空気を排気することにより、クラッチ機構３０を締結状態に復帰させ、サポート用ボールねじナット２０ａをボールねじナット３の移動速度の半分の移動速度で移動する正規の移動状態に復帰させる。

逆に、サポート用ボールねじナット２０ａがボールねじナット３寄りに位置ずれを生じたときには、ボールねじナット３が軸受ハウジング５ｂ側に移動するようにねじ軸１が回転駆動された時に、前記と同様にアクチュエータ５３を加圧供給状態に制御し、エアシリンダ４０に加圧空気を供給してクラッチ機構３０を非締結状態として、サポート用ボールねじナット２０ａをナットハウジング２５に対して空転状態として、サポート用ボールねじナット２０ａの右方への移動速度を低下させて位置調整を行い、正規の位置に達した時点でアクチュエータ５３を排気状態に制御し、エアシリンダ４０から加圧空気を排気することにより、クラッチ機構３０を締結状態に制御して、サポート用ボールねじナット２０ａを正規の移動速度に復帰させる。

同様に、サポート用ボールねじナット２０ｂについても位置ずれが発生した場合には、ねじ軸１が位置ずれを補正可能な回転方向となったときにクラッチ機構３０を非締結状態として位置ずれを補正し、位置ずれが解消した時点でクラッチ機構３０を締結状態に復帰させて、サポート用ボールねじナット２０ｂを正規の移動速度に復帰させる。

さらに、サポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂの距離検出値Ｌａ又はＬｂが最小設定距離Ｌｍｉｎ以下となった時にも、クラッチ機構３０を非締結状態として、サポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂをナットハウジング２５に対して空転状態として、サポート用ボールねじナット２０ａ又は２０ｂが軸受ハウジング５ａ又は５ｂに衝接することを未然に防止することができ、ねじ軸１に過大な負荷が掛かることを防止することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、クラッチ機構３０として、バネ付エアシリンダを適用した場合について説明したが、複動エアシリンダを適用してピストンロッドの伸縮をともに異なる端部に加圧空気を供給することにより行うようにしてもよい。
また、上記第２の実施形態においては、クラッチ機構３０をエアシリンダで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、油圧シリンダ等の他の流体シリンダで構成するようにしてもよく、さらには、電磁ソレノイド等の電気的アクチュエータを適用するようにしてもよく、なおさらに、電磁クラッチや電磁粉クラッチ等を適用するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのリード角を“０°”とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、厳密にリード角を“０°”にする必要はなく、“０°近傍の値に設定することができ、特に第２の実施形態においては、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの位置をクラッチ機構３０を使用して制御することができるので、リード角を“０°”より大きな角に設定して、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂの移動速度を速め、クラッチ機構３０によって目標距離に位置制御するようにしてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態を図１３について説明する。この第３の実施形態は、上記第１及び第２の実施形態では、ボールねじナット３のボールとサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのボールとでねじ軸１のボール溝２を共有する場合について説明したが、これに代えて、両者を異なるボール溝に転動させるようにしたものである。

すなわち、第３の実施形態では、図１３に示すように、前述した第１の実施形態において、ねじ軸１に２条のねじ溝２ａ及び２ｂを形成し、一方のねじ溝２ａにボールねじナット３のボールを転動させ、他方のねじ溝２ｂにサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのボール２１を転動させるように構成されている。

この第３の実施形態によると、ボールねじナット３のボールとサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのボール２１とがねじ軸１の異なるねじ溝２ａ，２ｂを転動することになるため、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのボール２１がねじ溝２ａを磨耗させることを確実に回避することができ、ねじ溝２ａの寿命を長期化することができると共に、サポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂのねじ溝２ｂをサポート用ボールねじナット２０ａ及び２０ｂに最適な溝形状，粗さ等に設計することができ、溝設計の自由度を向上させることができる。

すなわち、上記第１及び第２の実施の形態では、ねじ軸１側のボール溝２及びサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ側のボール溝２２の形状を共にゴシックアーチ形状として、ボール２１がボール溝２側で２点、ボール溝２２側で２点（合計４点）で接触するようにした場合を例に採ったが、これに代えて図１４に示すように、ねじ軸１側のボール溝２の形状をゴシックアーチ形状としてボール２１をボール溝２側でＰ₁ ，Ｐ₂ の２点で接触させるとともに、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ側のボール溝２２の形状を単一Ｒ形状としてボール２１をボール溝２２側でＰ₃ の１点（合計３点）で接触させて軽い予圧をかけ、これにより、ボール２１ひいてはサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの安定した動きを得ることができる。

詳述すると、ねじ軸１のボール溝２とサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂのボール溝２２とのリード角が互いに異なる場合、ボール２１とそれぞれのボール溝２，２２との間で転がり運動に加えて、すべり運動が大きくなる。従来の無循環ボールねじ装置の場合、ねじ軸側のボール溝とナット側のボール溝の形状が共にゴシックアーチ形状で同じであったため、ボールがねじ軸側のボール溝で２点、ナット側のボール溝で２点、合計４点で接触することになり、すべり摩擦が大きかった。

これは、図１４を参照して、ねじ軸１のボール溝２のＰ₁ ，Ｐ₂ の２点でボール２１が転がり運動する場合、サポート用ボールねじナット２０ａ（２０ｂ）側ではベクトルａの方向にボール２１が進めば転がりとなるが、実際には、ナット側のボール溝のリード角が０°なのでボール２１はベクトルｂの方向に進む。つまり、ベクトルａとベクトルｂとの差（ベクトルｃ）がボール２１のすべりとなり、ボール２１をボール溝２２で２点で接触させるようにした場合はこのすべりを良好に吸収することができず、すべり摩擦が大きくなってしまう。

これに対し、図１４に示すように、ねじ軸１側のボール溝２の形状をゴシックアーチ形状としてボール２１をボール溝２側でＰ₁ ，Ｐ₂ の２点で接触させるとともに、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ側のボール溝２２の形状を単一Ｒ形状としてボール２１をボール溝２２側でＰ₃ の１点（合計３点）で接触させて軽い予圧をかけるようにすると、ボール２１は点Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ で接触し、このうちのねじ軸１のボール溝２側のＰ₁ ，Ｐ₂ 点では転がり運動となり、ボール溝２２側のＰ₃ 点では接触点周りの回転すべりを伴う転がり運動となって、該回転すべりによってベクトルａとベクトルｂの差分（ベクトルｃ）が吸収され、これにより、すべり摩擦が小さくなってボール２１ひいてはサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの安定した動きを得ることができる。

また、図１及び図８の直動案内装置に用いられるサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂのボール２１を３点接触にした場合は、ｄｍ：２６ｍｍ、l ：５０ｍｍ、Ｄａ：３．９６８８ｍｍ、α₁ ：４５°、α₂ ：０°とすると、ボールねじナット３の軸方向の移動速度がNi・l になるのに対して、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂの軸方向の移動速度ｖは（１０）式より０．５４Ni・l となり、この場合も上記実施の形態と同様に、ねじ軸１が一回転した際に、ボールねじナット３が軸方向に１リード分だけ進むのに対し、サポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂはボールねじナット３の移動距離の略１／２だけ軸方向に進むことになり、上記実施の形態と同様の作用効果が得られる。

なお、上記第３の実施形態においては、第１の実施形態に２条ねじを適用した場合について説明したが、これに限らず、第２の実施形態に２条ねじを適用するようにしてもよいことは言うまでもない。また、上記第３の実施形態においては、ねじ軸１に２条ねじ溝を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ねじ軸１に３条ねじ溝を形成し、このうちの２つをボールねじナット用として、残りの１つをサポート用ボールねじナット用としたり、３条のねじ溝を夫々ボールねじナット用、サポート用ボールねじナット２０ａ用及びサポート用ボールねじナット２０ｂ用とすることもでき、さらには、ねじ軸１に４条ねじ溝を形成し、このうちの２つのねじ溝をボールねじナット３用、残りの２つをサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ用としたり、３つのねじ溝をボールねじナット３用とし、残りの１つのねじ溝をサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ用とし、１つのねじ溝をボールねじナット３用とし、残りの３つのねじ溝をサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ用とすることもでき、要はねじ軸１に多条ねじ溝を形成し、ボールねじナット３用とサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂ用とで異なるねじ溝を使用するようにすればよい。

さらに、上記各実施の形態では、ねじ軸１のボール溝２に二個のサポート用ボールねじナット２０ａ，２０ｂを螺合した場合を例に採ったが、これに限定されず、例えば、ねじ軸１の支持端側（右端側）のみにサポート用ボールねじナット２０ａを螺合するようにしても大きな制振効果を得ることができる。さらに、上記各実施の形態では、ねじ軸１は左端側が支持端となっているが、これが固定端や自由端であってもよい。

１…ねじ軸
２…ねじ軸のボール溝
３…ボールねじナット
２０ａ，２０ｂ…サポート用ボールねじナット
２１…サポート用ボールねじナット側のボール
２２…サポート用ボールねじナット側のボール溝
２５…ナットハウジング
２６，２７…位置規制板
３０…クラッチ機構
３１…係合凹部
３３…スプリング
３４…ボール
３５…押しねじ
４０，４１…エアシリンダ
４２…ピストンロッド
４３…摩擦板
５０〜５２…距離センサ
５３，５４…アクチュエータ
５５…制御装置
２ａ，２ｂ…ねじ溝

Claims (2)

1. 外周面に螺旋状のボール溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に遊嵌される内周面に前記ねじ軸のボール溝に対応するボール溝を有するボールねじナットと、前記両ボール溝間に転動可能に嵌合された多数のボールとを備え、該ボールが前記ボールねじナットに嵌合されたボール循環部品に案内されて循環するボールねじ装置の前記ねじ軸に取り付けられるとともに、前記ボールねじナットの移動速度より遅い速度で移動する中間サポートであって、
   前記ねじ軸のボール溝にボールを介して螺合され且つリード角が０°又はその近傍の値に設定されたボール溝を有するサポート用ナットと、該サポート用ナットを前記ねじ軸と平行に案内する案内機構と、該案内機構及び前記サポート用ナット間に介挿されたクラッチ機構とを備え、
   前記案内機構は、前記サポート用ナットを回動可能に配設した円筒状のナットハウジングと、該ナットハウジングの両端に夫々固定された位置規制板とを少なくとも有して構成され、
   前記クラッチ機構は、前記サポート用ナットの前記位置規制板との対向面に軸芯を中心とする同一円上に所定間隔を保って形成された係合凹部と、該係合凹部に対向して前記位置規制板側に形成された貫通孔内に配設された弾性体によって当該係合凹部側に付勢されたボールと、前記貫通孔の前記サポート用ナットとは反対側の端面に螺合された押ねじとで構成されていることを特徴とするボールねじ装置の中間サポート。
2. 外周面に螺旋状のボール溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に遊嵌される内周面に前記ねじ軸のボール溝に対応するボール溝を有するボールねじナットと、前記両ボール溝間に転動可能に嵌合された多数のボールとを備え、該ボールが前記ボールねじナットに嵌合されたボール循環部品に案内されて循環するボールねじ装置の前記ねじ軸に取り付けられるとともに、前記ボールねじナットの移動速度より遅い速度で移動する中間サポートであって、
   前記ねじ軸のボール溝にボールを介して螺合され且つリード角が０°又はその近傍の値に設定されたボール溝を有するサポート用ナットと、該サポート用ナットを前記ねじ軸と平行に案内する案内機構と、該案内機構及び前記サポート用ナット間に介挿されたクラッチ機構とを備え、
   前記サポート用ナットのボールは、前記ねじ軸に形成された前記ボールねじナットが螺合するボールねじ溝とは異なるボールねじ溝に螺合され、
   前記案内機構は、前記サポート用ナットを回動可能に配設した円筒状のナットハウジングと、該ナットハウジングの両端に夫々固定された位置規制板とを少なくとも有して構成され、
   前記クラッチ機構は、前記サポート用ナットの前記位置規制板との対向面に軸芯を中心とする同一円上に所定間隔を保って形成された係合凹部と、該係合凹部に対向して前記位置規制板側に形成された貫通孔内に配設された弾性体によって当該係合凹部側に付勢されたボールと、前記貫通孔の前記サポート用ナットとは反対側の端面に螺合された押ねじとで構成されていることを特徴とするボールねじ装置の中間サポート。

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