JP5862734B1 - 直線駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スライダにおけるガタの発生を確実に防止することのできる直線駆動装置を提供する。【解決手段】リードスクリュー１０およびガイドシャフト１１と、それらに平行な走行面１ｄを有するベース１と、ガイドシャフトが貫通するガイド孔２９とリードスクリューが螺合するナット２８とを有しリードスクリューが回転することで軸線方向に直線移動するスライダ２０とを有する直線駆動装置において、スライダにリードスクリューを中心とする円周方向に沿った回転付勢力ＲＡ、ＲＢを付与する第１の与圧バネ３５と、走行面とスライダとの間に走行自在に配され、スライダに加えられる回転付勢力を走行面に伝達してその反力を受け止める鋼球２４とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、モータの回転によりスライダを直線移動させる直線駆動装置に関するものである。

この種の直線駆動装置として、ステップモータ等のモータと、モータによって回転駆動されるリードスクリュー（送りねじ）と、リードスクリューと平行に配されたガイドシャフトと、リードスクリューおよびガイドシャフトを支持するベース（ケース）と、ガイドシャフトが貫通するガイド孔とリードスクリューが螺合するナットとを有し、上記リードスクリューが回転することにより、ガイドシャフトによって回転を阻止された状態でリードスクリューの軸線方向に沿って直線移動するスライダと、を備えたものが、例えば特許文献１などにおいて知られている。

特開２００９−１２７７４２号公報

ところで、この種の直線移動機構では、リードスクリューとナットとの間のクリアランスやガイドシャフトとガイド孔との間のクリアランスの影響で、スライダの動きにガタが生じることがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スライダにおけるガタの発生を確実に防止することのできる直線駆動装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータによって回転駆動されるリードスクリューと、上記リードスクリューに対して偏心した位置に上記リードスクリューと平行に配されたガイドシャフトと、上記リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向に対して平行な走行面を有して上記リードスクリューおよびガイドシャフトを支持するベースと、上記ガイドシャフトが貫通するガイド孔と上記リードスクリューが螺合するナットとを有し、上記リードスクリューがその軸線回りに回転することにより、上記ガイドシャフトによって上記リードスクリューの軸線回りに回転を阻止されつつ移動方向に案内されて、上記リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向に沿って直線移動するスライダとを有する直線駆動装置において、上記スライダに、上記リードスクリューまたはガイドシャフトを中心とする円周方向に沿った回転付勢力を付与する付勢手段と、上記ベースの走行面と上記スライダとの間に上記走行面の面方向に沿って走行自在に配され、上記付勢手段によって上記スライダに加えられる回転付勢力を上記走行面に伝達してその反力を受け止める転動体とを設けてなり、かつ上記スライダが、上記リードスクリューに螺合するナットおよび上記ガイドシャフトの貫通するガイド孔を有したスライダ本体と、このスライダ本体に対して上記円周方向またはその円周の接線方向に相対変位可能な可動部材とに分割され、上記スライダ本体と上記可動部材との間に、スライダ本体と可動部材を離間方向に付勢する上記付勢手段としての第１の予圧バネが圧縮状態で介装されており、上記スライダ本体と上記可動部材にそれぞれ上記転動体が装備されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直線駆動装置において、上記スライダ本体または可動部材の一方にシリンダが形成されると共に他方にピストンが形成されて、上記シリンダに対して上記ピストンが上記接線方向に摺動自在に組み合わせられ、上記シリンダとピストンとの間に上記第１の予圧バネが介装されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の直線駆動装置において、上記ナットが、軸線方向に分割された２つの分割ナットよりなり、これら分割ナットの少なくとも一方に、第２の予圧バネによって、２つの分割ナット間の軸線方向距離を調節する予圧が付与されていることを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明によれば、リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向と直交する平面内における、リードスクリューとナットの噛み合い部のクリアランスやガイドシャフトとガイド孔との間のクリアランスによるスライダのガタを抑制することができる。例えば、リードシャフトおよびガイドシャフトの軸線方向に垂直な平面内において上記走行面に垂直な方向をＸ方向、同平面内において走行面に平行な方向をＹ方向とするとき、スライダに付与された回転付勢力に対し、転動体に走行面から作用する反力は、走行面に垂直なＸ方向を指向する。転動体は走行面を自在に走行することで、スライダの移動を案内するので、転動体には走行面に垂直な方向の反力しか作用しないからである。従って、リードスクリューとナットの噛み合い部やガイドシャフトとガイド孔との間のＸ方向のガタは、このＸ方向の反力によって抑制される。

次に、スライダに付与された回転付勢力に対し、リードスクリューまたはガイドシャフトからスライダに作用する反力は、リードスクリューの中心とガイドシャフトの中心を結ぶ線分がＹ方向に沿った走行面に対して傾斜または垂直をなしている（Ｙ方向に平行でない）と、少なくともＹ方向の力成分を持つ方向を指向することになる。従って、リードスクリューとナットの噛み合い部やガイドシャフトとガイド孔との間のＹ方向のガタは、このＹ方向の力成分によって抑制される。即ち、スライダは、Ｘ方向にもＹ方向にも回転付勢力に対する反力を受けるようになっているので、Ｘ−Ｙ平面（リードシャフトおよびガイドシャフトの軸線方向に垂直な平面）内でのスライダのガタ（ラジアル方向のガタ）を抑制することができる。

また、スライダ本体と可動部材との間に介装した第１の予圧バネによって、スライダ本体と可動部材との間に、リードスクリューまたはガイドシャフトを中心とする円周方向に沿った回転付勢力を付与することができ、その回転付勢力によって、スライダ本体および可動部材にそれぞれ装備した転動体をベースの走行面に対して押圧させることができ、走行面から転動体が受けた走行面に垂直な方向の反力をスライダに伝えることができる。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、シリンダとピストンとの間に介在させた第１の予圧バネによって、スライダ本体と可動部材との間に、リードスクリューまたはガイドシャフトを中心とする円周方向に沿った回転付勢力を簡単に付与することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向における、リードスクリューとナットの噛み合い部のクリアランス（雄ねじと雌ねじ間のバックラッシュ）によるガタを抑制すことができる。例えば、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とするとき、２つの分割ナット間に第２の予圧バネによってＺ方向（軸線方向）の予圧を掛けることで、２つの分割ナットを離間方向または接近方向に相対的に微小移動させることができ、それにより、リードスクリュー側の雄ねじとナット側の雌ねじ間のＺ方向のクリアランスを吸収することができ、リードスクリューの軸線方向であるＺ方向のガタ（スラスト方向のガタ）を抑制することができる。

本発明の実施形態の直線駆動装置の外観斜視図である。 （ａ）は同直線駆動装置の軸線方向に垂直な平面で切断した断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ円部の拡大図である。 （ａ）は同直線駆動装置のリードスクリューの位置での縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩｂ円部の拡大図である。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態を説明する。
この直線駆動装置は、図１および図２（ａ）に示すように、ベース１と、ベース１に取り付けられたステップモータ２と、ステップモータ２によって回転駆動されるリードスクリュー１０と、リードスクリュー１０に対して偏心した位置にリードスクリュー１０と平行に配されたガイドシャフト１１と、ガイドシャフト１１が貫通するガイド孔２９とリードスクリュー１０が螺合するナット２８とを有し、リードスクリュー１０がその軸線回りに回転することにより、ガイドシャフト１１によってリードスクリュー１０の軸線回りに回転阻止されつつ移動方向に案内されて、リードスクリュー１０およびガイドシャフト１１の軸線方向に沿って直線移動するスライダ２０と、を有している。

図１および図３（ａ）に示すように、ベース１は、帯板状のベース本体１ａの長手方向の基端と先端にフランジ１ｂ、１ｃを折り曲げ形成したものであり、ベース１の基端側のフランジ１ｂの外側にステップモータ２が固定されている。ベース本体１ａの上面は、リードスクリュー１０およびガイドシャフト１１の軸線方向に対して平行な走行面１ｄとなっている。

また、リードスクリュー１０は、ステップモータ２の回転軸の延長上に一体形成されており、先端が、ベース１の先端側のフランジ１ｃにラジアル−スラスト軸受１５を介して回転自在に支持されている。また、ガイドシャフト１１は、リードスクリュー１０に対して偏心した位置である斜め上方に配置されており、両端が、ベース１の基端側のフランジ１ｂと先端側のフランジ１ｃとに固定されている。

ここでは、リードシャフト１０およびガイドシャフト１１の軸線方向に垂直な平面内において上記走行面１ｄに垂直な方向をＸ方向、同平面内において走行面１ｄに平行な方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向、つまり、リードシャフト１０およびガイドシャフト１１の軸線方向をＺ方向として、以下の説明を行う。

ガイドシャフト１１がリードスクリュー１０の斜め上側に配置されていることで、リードスクリュー１０の中心軸線とガイドシャフト１１の中心軸線とを結ぶ線分Ｓは、Ｘ−Ｙ平面内において、Ｙ方向に対して３０°から６０°程度傾斜している。つまり、上記線分Ｓは、Ｙ方向に対して平行とはなっていず、その条件を満たす位置に、走行面１ｄに対するリードスクリュー１０とガイドシャフト１１の位置が定められている。

スライダ２０には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、リードスクリュー１０を中心とする円周方向に沿った回転付勢力を付与する第１の予圧バネ（付勢手段）３５が組み込まれている。また、ベース１の走行面１ｄとスライダ２０との間には、走行面１ｄの面方向に沿って走行自在とされた鋼球（転動体）２４が設けられている。鋼球２４は、走行面１ｄの面方向に沿った全方向に転動自在に装備されており、第１の予圧バネ３５によって、スライダ２０に加えられる回転付勢力を走行面１ｄに伝達してその反力を受け止める機能を果たす。

スライダ２０は、リードスクリュー１０に螺合するナット２８およびガイドシャフト１１の貫通するガイド孔２９を有したスライダ本体２１と、スライダ本体２１に対して円周方向またはその円周の接線方向に相対変位可能な可動部材３０とに分割されている。スライダ２０には、リードスクリュー１０を挟んだＹ方向両側に位置させて、２つの脚部２２、２３が設けられており、スライダ本体２１には、スライダ２０の一方の脚部２２が設けられ、可動部材３０には、スライダ２０の他方の脚部２３が設けられている。そして、各脚部２２、２３の下端に鋼球２４が全方向回転自在に装備されている。

スライダ本体２１のガイドシャフト１１が位置する側と反対側の肩部にはシリンダ２５が形成されている。また、可動部材３０には、シリンダ２５に対応させてピストン３１が形成されている。そして、シリンダ２５に対してピストン３１が、リードスクリュー１０を中心とする円周の接線方向に摺動自在に組み合わせられている。つまり、シリンダ２５の内周面２５ａに、ピストン３１の外周面３１ａが摺動自在に嵌合されている。この場合の接線方向は、Ｘ方向およびＹ方向に対して斜め４５°近辺の角度に設定されている。

ピストン３１の内部にはバネ収容空間３２が設けられており、シリンダ２５の内底部２５ａに突設した柱部２７が、バネ収容空間３２の内部に環状隙間をあけて挿入されている。そして、その環状隙間に圧縮コイルバネよりなる第１の予圧バネ３５が収容され、この第１の予圧バネ３５の両端が、シリンダ２５の内底部２５ａとピストン３１のバネ収容空間３２の内底部に押圧することで、シリンダ２５とピストン３１が力ＦＡ、ＦＢで離間方向に付勢されている。このように、力ＦＡ、ＦＢで、シリンダ２５とピストン３１が付勢されることで、スライダ本体２１と可動部材３０には、図２（ａ）に矢印ＲＡ、ＲＢで示すような、リードスクリュー１０を中心とする回転付勢力が付与されている。

また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、リードスクリュー１０の外周に螺合するナット２８は、リードスクリュー１０の軸線方向（Ｚ方向）に分割された２つの分割ナット２８ａ、２８ｂよりなる。これら分割ナット２８ａ、２８ｂは、スライダ本体２１の軸線方向に貫通した凹部２８ｄに嵌め込まれており、これらのうちの一方の分割ナット２８ａは、凹部２８ｄの内壁に突設した保持壁２８ｅ、２８ｆに挟まれて軸線方向に移動しないように保持されている。また、他方の分割ナット２８ｂは、軸線方向に移動できるように凹部２８ｄに収容されている。

そして、一方の分割ナット２８ａまたは保持壁２８ｆと他方の分割ナット２８ｂとの間に、圧縮コイルバネよりなる第２の予圧バネ４０が介装され、この第２の予圧バネ４０によって、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂ間には、分割ナット２８ａ、２８ｂ間の軸線方向（Ｚ方向）の距離を離間方向に拡げる予圧が付与されている。

次に、上記構成からなる直線駆動装置の作用を説明する。
この直線駆動装置では、スライダ本体２１側のシリンダ２５と可動部材３０側のピストン３１との間に介装した第１の予圧バネ３５の付勢力ＦＡ、ＦＢによって、スライダ本体２１と可動部材３０との間に、リードスクリュー１０を中心とする円周方向に沿った回転付勢力ＲＡ、ＲＢを付与することができる。そして、その回転付勢力ＲＡ、ＲＢによって、スライダ本体２１側の脚部２２の下端、および、可動部材３０側の脚部２３の下端それぞれ装備した鋼球２４を、ベース１の走行面１ｄに対して押圧させることができる。従って、走行面１ｄから鋼球２４が受けた走行面１ｄに垂直な方向（Ｘ方向）の反力ＮＡ、ＮＢをスライダ２０に伝えることができる。その理由は、鋼球２４は、走行面１ｄを全方向に自在に走行することで、スライダ２０の移動を案内するので、鋼球２４には走行面１ｄに垂直な方向（Ｘ方向）の反力しか作用しないからである。

即ち、スライダ本体２１および可動部材３０に付与された回転付勢力ＲＡ、ＲＢに対し、鋼球２４に走行面１ｄから作用する反力ＮＡ、ＮＢは、走行面１ｄに垂直なＸ方向を指向することになる。従って、その結果、リードスクリュー１０とナット２８の噛み合い部やガイドシャフト１１とガイド孔２９との間のＸ方向のガタは、このＸ方向の反力ＮＡ、ＮＢによって抑制することができる。

また、スライダ本体２１および可動部材３０に付与された回転付勢力ＲＡ、ＲＢに対し、ガイドシャフト１１からスライダ本体２１に作用する反力ＮＣは、リードスクリュー１０の中心とガイドシャフト１１の中心を結ぶ線分ＳがＹ方向に沿った走行面１ｄに対して傾斜している（つまりＹ方向に平行でない）ことから、少なくともＸ方向と直交するＹ方向の力成分を持った方向を指向することになる。そのため、リードスクリュー１０とナット２８の噛み合い部やガイドシャフト１１とガイド孔２９との間のＹ方向のガタは、このＹ方向の力成分によって抑制することができる。

このように、スライダ本体２１および可動部材３０は、Ｘ方向にもＹ方向にも回転付勢力ＲＡ、ＲＢに対する反力ＮＡ、ＮＢ、ＮＣを受けるようになっているので、Ｘ−Ｙ平面内でのスライダ２０のガタを抑制することができる。

また、スラスト方向（Ｚ方向）については、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂ間に第２の予圧バネ４０によってＺ方向（軸線方向）の予圧を掛けることで、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂを離間方向に相対的に微小移動させることができるので、それにより、リードスクリュー１０側の雄ねじとナット２８側の雌ねじ間のＺ方向のクリアランス（バックラッシュ）を吸収することができ、スライダ２０のＺ方向のガタを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、スライダ本体２１側にシリンダ２５が形成され、可動部材３０側にピストンが形成されていたが、この逆に、スライダ本体２１側にピストンが形成され、可動部材３０側にシリンダが形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、リードスクリュー１０の中心軸線とガイドシャフト１１の中心軸線とを結ぶ線分Ｓが、ベース１の走行面１ｄに対して、Ｘ−Ｙ平面内で３０°から６０°程度傾斜している場合を示したが、上記線分Ｓが、Ｙ方向に対し垂直になっていれもよい。つまり、Ｘ方向に一致していてもよい。

また、上記実施形態では、第１の予圧バネ３５によるシリンダ２５とピストン３１の付勢方向を、リードスクリュー１０を中心とする円周の接線方向に設定した場合を示したが、ガイドシャフト１１を中心とする円周の接線方向に設定してもよい。そうすると、スライダ本体２１と可動部材３０には、ガイドシャフト１１を中心とする円周方向の回転付勢力が作用することになる。

また、上記実施形態では、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂに対して第２の予圧バネ４０で予圧を付与する方向を、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂが離間する方向に設定したが、予圧バネ４０を分割ナット２８ｂの外側に配置するなどして、２つの分割ナット２８ａ、２８ｂが接近する方向に設定してもよい。

１ ベース
１ｄ 走行面
２ ステップモータ
１０ リードスクリュー
１１ ガイドシャフト
２０ スライダ
２１ スライダ本体
２４ 鋼球（転動体）
２５ シリンダ
２８ ナット
２８ａ，２８ｂ 分割ナット
２９ ガイド孔
３０ 可動部材
３１ ピストン
３５ 第１の予圧バネ（付勢手段）
４０ 第２の予圧バネ
ＦＡ，ＦＢ 付勢力
ＲＡ，ＲＢ 回転付勢力
ＮＡ，ＮＢ，ＮＣ 反力

Claims (3)

1. モータによって回転駆動されるリードスクリューと、上記リードスクリューに対して偏心した位置に上記リードスクリューと平行に配されたガイドシャフトと、上記リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向に対して平行な走行面を有して上記リードスクリューおよびガイドシャフトを支持するベースと、上記ガイドシャフトが貫通するガイド孔と上記リードスクリューが螺合するナットとを有し、上記リードスクリューがその軸線回りに回転することにより、上記ガイドシャフトによって上記リードスクリューの軸線回りに回転を阻止されつつ移動方向に案内されて、上記リードスクリューおよびガイドシャフトの軸線方向に沿って直線移動するスライダと、を有する直線駆動装置において、
   上記スライダに、上記リードスクリューまたはガイドシャフトを中心とする円周方向に沿った回転付勢力を付与する付勢手段と、上記ベースの走行面と上記スライダとの間に上記走行面の面方向に沿って走行自在に配され、上記付勢手段によって上記スライダに加えられる回転付勢力を上記走行面に伝達してその反力を受け止める転動体とを設けてなり、
   かつ上記スライダが、上記リードスクリューに螺合するナットおよび上記ガイドシャフトの貫通するガイド孔を有したスライダ本体と、このスライダ本体に対して上記円周方向またはその円周の接線方向に相対変位可能な可動部材とに分割され、上記スライダ本体と上記可動部材との間に、スライダ本体と可動部材を離間方向に付勢する上記付勢手段としての第１の予圧バネが圧縮状態で介装されており、上記スライダ本体と上記可動部材にそれぞれ上記転動体が装備されていることを特徴とする直線駆動装置。
2. 上記スライダ本体または可動部材の一方にシリンダが形成されると共に他方にピストンが形成されて、上記シリンダに対して上記ピストンが上記接線方向に摺動自在に組み合わせられ、上記シリンダとピストンとの間に上記第１の予圧バネが介装されていることを特徴とする請求項１に記載の直線駆動装置。
3. 上記ナットが、軸線方向に分割された２つの分割ナットよりなり、これら分割ナットの少なくとも一方に、第２の予圧バネによって、２つの分割ナット間の軸線方向距離を調節する予圧が付与されていることを特徴とする請求項１または２に記載の直線駆動装置。

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