JP5434123B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

本発明はボールねじに関し、特に送りねじ装置に用いられるボールねじに関する。

従来のボールねじに関する技術としては、剛性を上げるために、ボール溝の空間よりも予圧量分だけ大きなボールを挿入して、ボールとねじ軸とナットのボール溝との間に予め弾性変形を与え、外部荷重に対する軸方向弾性変位量を小さくする技術が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
このような構成のボールねじでは、ナットの軸方向剛性Ｋｎと、支持軸受の軸方向剛性Ｋｂとはナットのストローク位置によらずほぼ一定である。

しかし、ねじ軸の軸方向剛性Ｋｓは、そのねじ軸によって支持される領域がナットストローク位置によって変化するため、送りねじ装置などに適用した場合、ナットストローク位置によって変化することがあった。
具体的には、送りねじ装置の軸方向剛性をＫｔ、移動物質量Ｍ、としたときに、下記式（１）で求められる送りねじ装置の軸方向固有振動数はナット位置によって変化する。ここで、ボールねじの取付方法が、軸方向に固定−自由端の場合、ナットが固定端側から離れるにつれて、ねじ軸によって支持される領域が長くなることにより、ねじ軸の軸方向剛性Ｋｓが下がり、送りねじ装置の軸方向固有振動数は低くなる。

〔数１〕
（１／２π）√（Ｋｔ／Ｍ）・・・・・・・・・式（１）
ただし、１／Ｋｔ＝１／Ｋｓ＋１／Ｋｎ＋１／Ｋｂ

特開２０００−１２０８２５号公報 特開２００１−１４１０２０号公報 特開２００３−２０２０６４号公報

しかしながら、従来のボールねじは、実動作状態において、固定端側に設置されるモータの速度にあらわれる振動成分から共振周波数を推定し、適応フィルタによりトルク指令から共振成分を取り除こうとするときに、共振周波数が定まらないという問題点があった。
この問題は、上記式（１）で求められる送りねじ装置の軸方向固有振動数が、ナットが固定端側から離れるにつれて、徐々に低くなることが原因であると考えられる。

そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ナットのストローク位置による、送りねじ装置の軸方向固有振動数の変化を小さく抑えたボールねじを提供することにある。

本発明の請求項１に係るボールねじは、螺旋状のねじ軸側軌道溝を外周面に有するねじ軸と、ねじ軸の外周側に配置され、ねじ軸側軌道溝に対向するナット側軌道溝を内周面に有するナットと、そのナットに設けられ、上記ねじ軸側軌道溝とナット側軌道溝とで構成される負荷転動路の両端部を連通する連通路と、上記負荷転動路及び連通路で構成された無端状のボール循環路内に収容された複数のボールと、を備え、送りねじ装置に用いられるボールねじにおいて、
前記ねじ軸が一方の向きのみに漸次縮径されるテーパ形状とされ、かつ前記ねじ軸のテーパ形状のテーパ勾配が、前記送りねじ装置の軸方向の固有振動数に基づくことを特徴としている。

請求項１の発明によると、前記ねじ軸が一方の向きに漸次縮径されるテーパ形状とされたことにより、ナットのストローク位置によってナットの剛性を変化させることができるので、ナットストローク位置によるねじ軸の軸方向剛性の変化による送りねじ装置の軸方向固有振動数への影響を低減することができる。

本発明は、ねじ軸の形状を、一方の向きに漸次縮径されるテーパ形状としたので、ナットストロークの位置によるねじ軸の軸方向剛性の変化による送りねじ装置の軸方向固有値への影響を小さく抑えたボールねじを提供することができる。

本発明に係るボールねじの一実施形態における構成を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本実施形態のボールねじを用いた送りねじ装置の構成を示す平面図である。 本発明に係るボールねじの実施例におけるナットストローク位置とねじ軸及びナットの剛性との関係を示す図である。 本発明に係るボールねじの実施例におけるナットストローク位置とねじ軸の軸方向の固有振動数との関係を示す図である。

以下、本発明に係るボールねじの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態におけるボールねじの構成を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は本実施形態のボールねじを用いた送りねじ装置の構成を示す正面図である。
図１及び図２に示すように、ボールねじ１は、螺旋状に形成されたねじ軸側軌道溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸側軌道溝３ａに対向するナット側軌道溝５ａを内周面に有するナット５と、両軌道溝３ａ，５ａで形成される負荷転動路に転動自在に装填される複数のボール９と、を備えている。なお、軌道溝３ａ、５ａのピッチは、ボールねじ１が組み込まれる装置（図示せず）の仕様にしたがって任意に設定される。

また、ナット５の一端には、後述する送りねじ装置のテーブル１０５（図３参照）等に固定するためのフランジ１１が形成され、外周面の一部は切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、両軌道溝３ａ，５ａにより形成される負荷転動路の一端側と他端側とを連通させチューブ１５（連通路）が、ナット５に設けられ、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。このようなチューブ１５内を通ってボール９が移送され、軌道溝５ａの一端側から他端側へボール９が循環されるようになっている。

また、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９が配され、異物が外部からナット５内部に侵入することが防止されるようになっている。
このような構成をなすボールねじ１は、図３（ａ）に示すような送りねじ装置に適用される。図３（ａ）に示すように、送りねじ装置１００は、基台１０１を備えており、この基台１０１の上面にはリニアガイド１２１，１２２が互いに平行に設置されている。これらのリニアガイド１２１，１２２は基台１０１の上面に固定された案内レール１０３と、案内レール１０３の長手方向に相対移動可能なスライダ１４１，１４２とをそれぞれ有しており、スライダ１４１，１４２の上面には可動体としてのテーブル１０５が固設されている。

テーブル１０５は、基台１０１の上面に対して垂直なナット取付面１０６（図３（ｂ）参照）を有している。このナット取付面１０６にはナット５の一端に設けられたフランジ１１が複数本の締結ボルト２００によって締結されており、ナット５はナット５内を挿通するねじ軸３及びボール９と共にボールねじ１を構成している。
ボールねじ１のねじ軸３の他方の端部には駆動モータ１１３が接続されている。この駆動モータ１１３によってねじ軸３に付与されたトルクがボール９を介してナット５に伝わると、テーブル１０５及びナット５がねじ軸３の軸方向に移動するようになっている。

また、本実施形態のボールねじは、図３（ａ）に示すように、ねじ軸３が、一方の向き（例えば、駆動モータ１１３が接続された側とは反対側の向き）に漸次縮径されるテーパ形状とされている。なお、図３（ａ）では、説明のわかりやすさのために、ねじ軸３のテーパ形状を誇張して示している。
このねじ軸３のテーパ形状は、送りねじ装置の軸方向の固有振動数（前述のように、ナットの軸方向剛性Ｋｎ、支持軸受の軸方向剛性Ｋｂ、ねじ軸の軸方向剛性Ｋｓ、移動物質量Ｍで決定される）を考慮して算出されるテーパ勾配をなす。ただし、ナットの軸方向剛性Ｋｎを予圧荷重によって変化させるとき、寿命や発熱への影響も考慮する必要がある。このテーパ勾配は、ねじ軸３の軸中心に対してねじ軸３の外径又は内径が１ｍあたりに縮径する変化量であり、図３（ａ）に示すように、ねじ軸３の全長をＬとし、縮径する変化量をΔｄとしたときのΔｄ／Ｌである。例えば、全長が５００ｍｍのねじ軸３について、テーパ値を６（μｍ）とした場合、テーパ勾配は１２（μｍ／ｍ）に設定される。

このように、本実施形態のボールねじ１は、ねじ軸を一方の向きに漸次縮径されるテーパ形状としたので、ナットストロークの位置によるねじ軸の軸方向剛性の変化による送りねじ装置の軸方向固有値への影響を小さく抑えたボールねじを提供することができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

以下に、本発明に係るボールねじの実施例について説明する。
本実施例では、以下の条件のねじ送り装置を作製し、該ねじ送り装置のボールねじのナットストローク位置とねじ軸及びナット剛性の関係の計算結果、並びにナットストローク位置と送りねじ装置の軸方向固有振動数の関係の計算結果を求めた。
図４は、本実施例におけるボールねじのナットストローク位置とねじ軸及びナット剛性の関係の計算結果であり、図５は、本実施例におけるナットストローク位置と送りねじ装置の軸方向固有振動数の関係の計算結果である。なお、図５において、縦軸は、モータ側軸受−ナット間距離１００ｍｍにおける固有振動数に対する割合を示す。

図４に示すように、本実施例では、ナットが固定端側から離れるにつれ、ねじ軸の剛性が減少しているのに対して、ナットの剛性は増加していることがわかる。
また、図５に示すように、本実施例のボールねじでは、テーパが形成されていないねじ軸を用いたボールねじに比べ、ナットストローク位置による送りねじ装置の軸方向固有振動数の変化が小さく抑えられていることがわかる。

特に、テーパが形成されていないねじ軸を用いたボールねじの固有振動数の変化率が１２％（１．００→０．８８）であるのに対し、本実施例のボールねじの固有振動数の変化率は７％（１．００→０．９３）に抑えられていることがわかる。
（ボールねじの条件）
ボールねじ取付方法 ：固定−自由端（軸方向）
ボールねじ 軸径 ：φ１６（ｍｍ）
リード ：３２（ｍｍ）
玉径 ：３．１７５（ｍｍ）
ねじ部長さ ：５００（ｍｍ）
基本動定格荷重Ｃａ ：４０００（Ｎ）
ねじ軸形状 ：１方向テーパ
ねじ軸テーパ値 ：６（μｍ）
ねじ軸テーパ勾配 ：１２（μｍ／ｍ）
予圧荷重 ：１％Ｃａ（モータ側）→５％Ｃａ（反モータ側）
モータ側軸受軸方向剛性 ：１００（Ｎ／μｍ）
反モータ側軸受軸方向剛性：０（Ｎ／μｍ）
テーブル質量 ：１７（ｋｇ）

１ ボールねじ
３ ねじ軸
３ａ ねじ軸側軌道溝
５ ナット
５ａ ナット側軌道溝
９ ボール
１００ 送りねじ装置

Claims (2)

1. 螺旋状のねじ軸側軌道溝を外周面に有するねじ軸と、ねじ軸の外周側に配置され、ねじ軸側軌道溝に対向するナット側軌道溝を内周面に有するナットと、そのナットに設けられ、上記ねじ軸側軌道溝とナット側軌道溝とで構成される負荷転動路の両端部を連通する連通路と、上記負荷転動路及び連通路で構成された無端状のボール循環路内に収容された複数のボールと、を備え、送りねじ装置に用いられるボールねじにおいて、
   前記ねじ軸が一方の向きのみに漸次縮径されるテーパ形状とされ、かつ前記ねじ軸のテーパ形状のテーパ勾配が、前記送りねじ装置の軸方向の固有振動数に基づくことを特徴とするボールねじ。
2. 前記ボールは、前記ねじ軸側軌道溝及び前記ナット側軌道溝に対して予圧が付与されたことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。

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