JP7167634B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ装置に関する。

工作機械等に用いられるボールねじ装置について、切削加工時の剛性確保や位置決め精度を向上させるために、ボールねじには予圧が付与されている。予圧はねじ軸やナットの回転の抵抗となるため、高速送りや移動量が多い場合にはボールねじ発熱の原因となる。そこで、加工時と移動時で、予圧を調整可能とするボールねじ装置が提案されている。

予圧を調整可能とするボールねじ装置として、軸方向に分割された二つのナットの間に設けられた圧電素子等のアクチュエータによって、二つのナットの間座の大きさを変えて各ナットにかかる荷重を変更し、ボールに付与される予圧を変更する機構を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、ボールねじのナットの外周側に電動モータを組み込み、この電動モータによってナットを回動させることで、ねじ軸を直線運動させる電動アクチュエータが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２－２２１７４７号公報 特開２０１７－１５５７６２号公報

ところで、二つのナットの間座の大きさを圧電素子等のアクチュエータで変えて予圧を変更する特許文献１に記載のボールねじ装置では、付与する予圧を微小にかつ迅速に調整することが困難であった。また、ボールとねじ溝との接触箇所が摩耗すると、予圧を適切に調整することが困難となるおそれがある。

特許文献２に記載の電動アクチュエータは、電動モータによってナットに回転力を付与することでねじ軸を直線運動させるもので、予圧を可変して調整することはできない。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、状況に応じて予圧を迅速かつ適切に調整することが可能なボールねじ装置を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されて軸方向に配列された第一ナット及び第二ナットと、
前記ねじ軸の前記ねじ溝と前記第一ナット及び前記第二ナットのそれぞれの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、
を備えるボールねじ装置であって、
給電されることで、前記第一ナットと前記第二ナットとに、軸回りに相対的に回転力を生じさせて予圧を付与する駆動部を備えるボールねじ装置。

本発明のボールねじ装置は、状況に応じて予圧を迅速かつ適切に調整することができる。

本発明の実施形態に係るボールねじ装置の一部を断面視した側面図である。 図１におけるＡ部の拡大図である。 ボールねじ装置の周面の一部を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るボールねじ装置１１の一部を断面視した側面図である。図２は図１におけるＡ部の拡大図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るボールねじ装置１１は、ねじ軸１３と、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂと、ボール（転動体）１７と、駆動部１９とを主に備える。

ねじ軸１３には、その外周面に、螺旋状のねじ溝２１が形成されている。第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂは、ねじ軸１３に外嵌されて軸方向に配列されている。第一ナット１５Ａには、端部に円環状のフランジ２０が形成されている。第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂには、その内周面に、ねじ軸１３のねじ溝２１に対向する螺旋状のねじ溝２３がそれぞれ形成されている。これにより、ねじ軸１３と、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂとの間には、対向するねじ溝２１，２３によって転動路が形成される。ボール１７は、鋼球からなるもので、ねじ溝２１，２３から形成される転動路に転動可能に配置される。

第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂには、ボール戻し通路（図示略）が軸方向に沿って形成されている。第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂのそれぞれのボール戻し通路は、それぞれ両端がねじ溝２３に連通されている。これにより、転動路を転動するボール１７は、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂの各転動路の一端まで移動した後に、エンドデフレクタ（図示略）に掬い上げられ、ボール戻し通路を通って他端側へ送られて転動路へ戻される。このように、ボールねじ装置１１の第１ナット１５Ａ及び第２ナット１５Ｂは、それぞれ独立したエンドデフレクタ方式の循環経路を有し、この循環経路を循環しつつ転動路内で転動する複数のボール１７を介して、ねじ軸１３と第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂとが相対移動するようになっている。

第一ナット１５Ａには、第二ナット１５Ｂ側の端部に、円筒状に形成された筒状部３１が形成されている。筒状部３１は、第一ナット１５Ａの端面３３の外縁部分から第二ナット１５Ｂ側へ向かって突設されている。第二ナット１５Ｂは、第一ナット１５Ａ側が、小径部３５とされている。この小径部３５を形成することで、第二ナット１５Ｂの端部には、段部３７が形成されている。

第二ナット１５Ｂの小径部３５は、第一ナット１５Ａの筒状部３１内に挿し込まれて配置されている。そして、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとの間には、第一ナット１５Ａの端面３３及び筒状部３１と、第二ナット１５Ｂの小径部３５及び段部３７とによって、収容室４１が周方向にわたって形成されている。

駆動部１９は、収容室４１に設けられている。駆動部１９は、ステータ５１と、ロータ５３とから構成されている。ステータ５１は、第一ナット１５Ａの筒状部３１の内周側に焼き嵌めすることで固定されている。ロータ５３は、第二ナット１５Ｂの小径部３５の外周側に設けられている。ステータ５１及びロータ５３は、軸方向の同一位置に配置されており、互いに径方向に僅かに隙間をあけて重なり合わされている。駆動部１９では、例えば、ロータ５３がマグネットからなり、ステータ５１に巻回されたコイル（図示略）に給電装置から給電されることで、ロータ５３に回転力が生じる。

ステータ５１のコイルに繋がる給電用の電線（図示略）は、例えば、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとの間から引き出されている。なお、第一ナット１５Ａに電線挿通孔（図示略）を形成し、この電線挿通孔に給電用の電線を通して第一ナット１５Ａのフランジ２１が形成された端部から引き出してもよい。また、駆動部１９は、例えば、ステータ５１がマグネットからなり、ロータ５３に巻回されたコイルに給電されることで、ロータ５３に回転力が生じる構造としてもよい。この場合、ロータ５３のコイルに繋がる給電用の電線は、例えば、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとの間から引き出してもよく、また、第二ナット１５Ｂに形成した電線挿通孔に通して第二ナット１５Ｂの端部から引き出してもよい。

第一ナット１５Ａの筒状部３１の端部３１ａと第二ナット１５Ｂの段部３７との間は、シール部材６１によって周方向にわたってシールされている。また、第一ナット１５Ａの端面３３と第二ナット１５Ｂの小径部３５の端面３５ａとの間は、シール部材６３によって周方向にわたってシールされている。つまり、駆動部１９が収容された収容室４１は、油や塵埃などの異物が外部から侵入しないように、その外周側及び内周側がシールされている。また、第一ナット１５Ａの端面３３には、シール部材６３によるシール箇所よりも外周側に、弾性部材６５が周方向にわたって設けられている。この弾性部材６５は、その一部が第二ナット１５Ｂ側へ突出されており、第二ナット１５Ｂの小径部３５の端面３５ａによって押圧されて弾性変形されている。これにより、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとの間には、互いに離間する方向に反発力が付与されている。したがって、第二ナット１５Ｂは、第一ナット１５Ａに対して転動路の螺旋の向きから決まる一方向（図１中矢印Ｂ方向）へ向かう回転力が付与される。

図３はボールねじ装置１１の周面の一部を示す側面図である。
図３に示すように、第二ナット１５Ｂには、第一ナット１５Ａ側における周面に、キー溝７１が形成されている。また、第一ナット１５Ａには、第二ナット１５Ｂ側に突出するキー７３が固定されている。キー７３は、第二ナット１５Ｂに形成されたキー溝７１内に配置されている。キー溝７１は、キー７３の幅寸法よりも僅かに大きな幅寸法を有している。このキー溝７１にキー７３が配置されることで、第一ナット１５Ａに対して第二ナット１５Ｂが僅かに回転可能な状態で回り止めされている。

次に、上記のボールねじ装置１１における予圧について説明する。
（定常状態）
上記構造のボールねじ装置１１では、弾性部材６５の弾性力が付与された第二ナット１５Ｂは、第一ナット１５Ａに対して一方向（図１及び図３中矢印Ｂ方向）へ向かう回転力が付与される。したがって、キー７３は、キー溝７１の一方の縁部７１ａに当接し、キー溝７１の他方の縁部７１ｂとの間にクリアランスＣｒが形成される。この状態で、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂには、弾性部材６５の弾性力が軸方向に互いに離間する反力として付与され、必要最小限の予圧が与えられる。これにより、転動路内のボール１７は、ねじ軸１３のねじ溝２１の一点と、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂのねじ溝２３の一点との二点で接触される。

（予圧付与時）
定常状態のボールねじ装置１１において、給電装置から駆動部１９のステータ５１のコイルへ給電する。すると、ロータ５３が設けられた小径部３５を有する第二ナット１５Ｂに、第一ナット１５Ａに対して他方向（図１及び図３中矢印Ｃ方向）へ向かう回転力が生じる。これにより、第二ナット１５Ｂは、ねじ軸１３に対してねじ込まれることで、弾性部材６５の弾性力に抗して第一ナット１５Ａへ近接する方向へ変位する。すると、第一ナット１５Ａの筒状部３１の端部３１ａと第二ナット１５Ｂの段部３７とが接触するとともに、第一ナット１５Ａの端面３３と第二ナット１５Ｂの小径部３５の端面３５ａとが接触する。また、このとき、キー７３がキー溝７１内を移動してキー溝７１の他方の縁部７１ｂに当接する。これにより、第一ナット１５Ａに対する第二ナット１５Ｂの回転が規制され、第一ナット１５Ａに対する第二ナット１５Ｂの回転力が、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとの軸方向に沿う反力として付与される。したがって、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂに大きな予圧が付与される。このとき、給電装置から駆動部１９へ供給する電力量を調整することで、ボールねじ装置１１に付与される予圧が容易に調整される。

（予圧付与解除時）
駆動部１９に給電されて予圧が付与されたボールねじ装置１１において、給電装置から駆動部１９のステータ５１のコイルへの給電を停止させる。すると、ロータ５３に生じていた回転力がなくなり、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂに付与されていた大きな予圧の付与が解除される。そして、弾性部材６５の弾性力によって第二ナット１５Ｂが、第一ナット１５Ａに対して一方向（図１及び図３中矢印Ｂ方向）へ回転され、キー７３がキー溝７１の一方の縁部７１ａに当接して回り止めされる。これにより、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂに、弾性部材６５の弾性力が軸方向に互いに離間する反力として付与されて必要最小限の予圧が与えられた定常状態とされる。

ところで、移動機構部にボールねじ装置を備えた工作機械では、加工時の剛性確保や位置決め精度向上のため、ボールねじ装置のボールには常に予圧が付与されている。しかし、この予圧は、移動機構部における高速送り時、またその移動量が大きい場合には却って抵抗となるため、発熱源となり機械的精度を悪化させる原因となる。そこで移動時や加工時など状況に応じて、適切な予圧に調整させることが望まれている。

本実施形態に係るボールねじ装置１１によれば、駆動部１９に適切な電力量で給電することで、第一ナット１５Ａ及び第二ナット１５Ｂに付与する予圧を状況に応じて適切かつ迅速に調整することができる。これにより、予圧が大きすぎることによる発熱を抑制して長寿命化を図りつつ、効率的に適切な予圧を付与することができる。つまり、このボールねじ装置１１を工作機械に用いれば、移動機構部における高速移動時、またその移動量が大きい場合に予圧を小さくして抵抗を下げて発熱を抑制し、高い精度が要求される加工時に予圧を大きくして剛性を高めて位置決め精度を高めることができる。また、ボール１７などが摩耗することで予圧低下が生じる場合にも、駆動部１９へ供給する電力量を調整することで、適切な予圧を付与させることができ、長寿命化を図ることができる。

また、駆動部１９は、第一ナット１５Ａに設けられたステータ５１と、第二ナット１５Ｂに設けられたロータ５３とから構成され、給電されることでロータ５３がステータ５１に対して回転力を生じさせ、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとに、適切な予圧を容易に付与することができる。

しかも、駆動部１９によって予圧が付与されていない定常状態において、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとを軸方向に反発させて予圧を付与する弾性部材６５を備える。したがって、定常状態においても適度な予圧を確実に付与させ、安定的に位置決めさせることができる。

なお、上記実施形態では、第一ナット１５Ａにステータ５１を設け、第二ナット１５Ｂにロータ５３を設けたが、第一ナット１５Ａに小径部を形成してロータ５３を設け、第二ナット１５Ｂに筒状部を形成してステータ５１を設けてもよい。

また、ボール１７を循環させる循環方式としては、エンドデフレクタ方式に限らず、チューブを通してボール１７を戻すチューブ方式などの各種の循環方式が適用可能である。また、転動体としては、ボール１７に限らず、コマを転動体として用いる構造であってもよい。

また、上記実施形態では、駆動部１９として、ステータ５１とロータ５３とからなるモータを設けた場合を例示したが、この駆動部１９は、第一ナット１５Ａと第二ナット１５Ｂとに相対的な回転力を生じさせるものであれば、ステータ５１とロータ５３とからなるモータに限らない。例えば、駆動部１９としては、ソレノイドなどのアクチュエータであってもよい。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されて軸方向に配列された第一ナット及び第二ナットと、
前記ねじ軸の前記ねじ溝と前記第一ナット及び前記第二ナットのそれぞれの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、
を備えるボールねじ装置であって、
給電されることで、前記第一ナットと前記第二ナットとに、軸回りに相対的に回転力を生じさせて予圧を付与する駆動部を備えるボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、駆動部に給電することで、第一ナットと第二ナットとに、軸回りに相対的に回転力を生じさせて迅速に予圧を付与することができる。そして、駆動部へ供給する電力量を調整することで、第一ナット及び第二ナットに付与する予圧を状況に応じて適切に調整することができる。これにより、予圧が大きすぎることによる発熱を抑制して長寿命化を図りつつ、効率的に適切な予圧を付与することができる。つまり、このボールねじ装置を工作機械に用いれば、移動機構部における高速移動時、またその移動量が大きい場合に予圧を小さくして抵抗を下げて発熱を抑制し、高い精度が要求される加工時に予圧を大きくして剛性を高めて位置決め精度を高めることができる。また、転動体などが摩耗することで予圧低下が生じる場合にも、駆動部へ供給する電力量を調整することで、適切な予圧を付与させることができ、長寿命化を図ることができる。

（２） 前記駆動部は、前記第一ナット及び前記第二ナットの一方に設けられたステータと、前記第一ナット及び前記第二ナットの他方に設けられたロータとから構成され、給電されることで前記ロータが前記ステータに対して回転力を生じさせる（１）に記載のボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、駆動部を構成するステータとロータとの間に回転力が生じることで、第一ナットと第二ナットとに、適切な予圧を容易に付与することができる。

（３） 前記駆動部によって予圧が付与されていない状態において、前記第一ナットと前記第二ナットとを軸方向に反発させて予圧を付与する弾性部材を備える（１）または（２）に記載のボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、駆動部によって予圧が付与されていない状態において、弾性部材が第一ナットと第二ナットとを軸方向に反発させることで、適度な予圧を確実に付与させ、安定的に位置決めさせることができる。

１１ ボールねじ装置
１３ ねじ軸
１５Ａ 第一ナット
１５Ｂ 第二ナット
１７ ボール（転動体）
１９ 駆動部
２１，２３ ねじ溝
５１ ステータ
５３ ロータ
６５ 弾性部材

Claims (2)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
   内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されて軸方向に配列された第一ナット及び第二ナットと、
   前記ねじ軸の前記ねじ溝と前記第一ナット及び前記第二ナットのそれぞれの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、
   を備えるボールねじ装置であって、
   給電されることで、前記第一ナットと前記第二ナットとに、軸回りに相対的に回転力を生じさせて予圧を付与する駆動部を備え、
   前記駆動部は、前記第一ナット及び前記第二ナットの一方に設けられたステータと、前記第一ナット及び前記第二ナットの他方に設けられたロータとから構成され、前記給電により前記ロータが前記ステータに対して回転力を生じさせるボールねじ装置。
2. 前記駆動部によって予圧が付与されていない状態において、前記第一ナットと前記第二ナットとを軸方向に反発させて予圧を付与する弾性部材を備える
   請求項１に記載のボールねじ装置。

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