JPH0660671B2 - ボールねじユニット及びこれを利用した伸縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば、工業用ロボットにおけるアーム等に
利用されるボールねじユニット及びこれを利用した伸縮
装置に関する。

［従来の技術］ モーター等の動力によって重畳配置された複数のスライ
ダを相対的に移動させ、これらスライダによって構成さ
れた可動体の長さを適宜調整する伸縮装置は、機械装置
のスライドカバーや各種構造物の扉、工業用ロボットの
アーム等に使用されている。

従来、この様な伸縮装置において、モータの回転運動を
直線運動に変換して上記スライダを相互にスライドさせ
る機構としては、例えば、モータ等に接続されたピニオ
ンによってスライダに固定されたラックを直線駆動する
方式や、ワイヤーの巻取によってスライダに固定された
滑車を引張る方式等が一般的である。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、工業用ロボットにおける伸縮装置の使用態様
としては、例えば第８図に示すようなものがある。具体
的には、被加工物ａに対して所定の加工を行なうツール
部ｂをロボット本体ｅに支持する伸縮アームｃとして用
いられており、ツール部ｂを待機ポジション（第８図内
実線）と加工ポジション（第８図内鎖線）との間で往復
運動させて、生産ラインｄ上を一定の間隔で連続的に送
られてくる被加工物ａに対してツール部ｂを繰返しアプ
ローチさせる手段として使用されている。

この様に伸縮アームとして利用される伸縮装置にあって
は、その性能として以下の点が要求される。

先ず、第一は、高精度な伸縮運動の達成である。上述し
たように伸縮装置は待機ポジションにあるツール部を正
確な加工ポジションに送り込む役割を担っているので、
伸縮量に誤差がある場合には繰り返し運動によって当該
誤差が累積し、ツール部を正確な加工ポジションに送り
込むことができないからである。

又、第二は、伸縮運動の高速化である。工業用ロボット
においては、ツール部を待機ポジションから加工ポジシ
ョンに送り込む速度、加工ポジションから待機ポジショ
ンに退ける速度が生産ラインの速度、すなわち生産効率
と密接に結びついているからである。

更に、第三は、構造のコンパクト化及び軽量化である。
近年の工業用ロボットには益々その運動の複合化、多機
能化が要求され、ロボット本体あるいはツール部の周辺
には種々の機器を搭載する必要が生じている。それ故、
軽量コンパクトなロボットを設計するにあたっては、伸
縮装置もコクパクト化、軽量化が要求されるものであ
る。

しかし、上述した従来の伸縮装置にあっては、伸縮運動
の停止あるいは反転時に各スライダに移動誤差が発生し
易いので、繰返し運動における伸縮運動の精度が悪く、
且つ、高速運度時にガタつきが発生し易いといった問題
点を有している。

又、実際の製作ではその構造が複雑となり、従来の伸縮
装置では、ロボットアームの軽量化、コンパクト化の要
求に充分に応えられないといった問題点も生じている。

本発明はこの様な問題点に鑑みなされたものであり、そ
の目的とするところは、高精度、高速、且つ、軽量コン
パクトな伸縮装置の設計を可能とするボールねじユニッ
トを提供することにある。

又、本発明の他の目的は、上記ボールねじユニットを利
用した高精度、高速、且つ、軽量コンパクトな伸縮装置
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のボールねじユニッ
トは、互いに逆ねじの関係にある第一の螺旋状ボール転
走溝及び第二の螺旋状ボール転走溝が形成されると共
に、上記第一の螺旋状ボール転走溝と交差するよう軸方
向に沿って直線状ボール転走溝が形成されたねじ軸と、
固定部に回転可能に支持されると共に上記直線状ボール
転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上記ねじ軸にトル
クを伝達するスプラインナットと、上記固定部に係止さ
れると共に上記第一の螺旋状ボール転走溝と相俟ってボ
ールを挟み込み、上記ねじ軸の回動に伴ないこれを軸方
向に推進する第一のボールねじナットと、上記第二の螺
旋状ボール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上記ね
じ軸の回動に伴ない移動する第二のボールねじナットと
からなることを特徴とするものである。

又、本発明の伸縮装置は、互いに逆ねじの関係にある第
一の螺旋状ボール転走溝及び第二の螺旋状ボール転走溝
が形成されると共に、上記第一の螺旋状ボール転走溝と
交差するよう軸方向に沿って直線状ボール転走溝が形成
されたねじ軸と、固定部に回転可能に支持されると共に
上記直線状ボール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、
上記ねじ軸にトルクを伝達するスプラインナットと、上
記固定部に係止されると共に上記第一の螺旋状ボール転
走溝と相俟ってボールを挟み込み、上記ねじ軸の回動に
伴ないこれを軸方向に推進する第一のボールねじナット
と、上記第二の螺旋状ボール転走溝と相俟ってボールを
挟み込み、上記ねじ軸の回動に伴ない移動する第二のボ
ールねじナットと、相互にスライドする複数のスライダ
から伸縮自在に形成され、両端部のスライダが夫々上記
固定部と第二のボールねじナットとに連結された可動体
とから構成されることを特徴とするものである。

この様な技術的手段において、上記ボールねじユニット
は以下のような動作をする。すなわち、モータ等の原動
機によって上記スプラインナットにトルクを伝達してね
じ軸を回転させると、固定部に係止された第一のボール
ねじナットによりねじ軸が軸方向にストロークする一
方、第二のボールねじナットはねじ軸のストローク方向
と同一方向にねじ軸外周面を移動するのである。

このとき、ねじ軸の第一の螺旋状ボール転走溝と第二の
螺旋状ボール転走溝とは、必ずしも同一のリードで形成
される必要は無く、又、これら螺旋状ボール転走溝の形
成領域の長さも夫々適宜設計変更して差し支えない。但
し、固定部に対する第二のボールねじナットのストロー
ク量を最大にするという観点からすれば、第一のボール
ねじナットが第一螺旋状ボール転走溝の形成領域を移動
するのに要する時間と、第二のボールねじナットが第二
の螺旋状ボール転走溝の形成領域を移動するのに要する
時間とが等しくなるよう、各転送溝のリード及び形成領
域の長さを決定することが必要である。

又、上記直線状ボール転送溝としては、スプラインナッ
トからねじ軸に伝達されるトルクの大きさ等によってそ
の条数を適宜設計変更して差し支えない。

更に、上記伸縮装置おける可動体としては、第二のボー
ルねじナットの移動に伴なって自在に伸縮し、且つ、第
二のボールねじナットがねじ軸と共に回転するのを防止
できるもであれば、スライダの数や形状等を適宜設計変
更して差し支えない。例えば、スライダの形状を筒状に
してねじ覆うように可動体を配置すれば伸縮機能を持つ
ロボットアームとすることができるほか、スライダ形状
を板状とすれば各種構造物の自動開閉扉とすることがで
きる。

［作 用］ 上記技術的手段は次のように作用する。

本発明のボールねじユニットによれば、固定部に対して
ねじ軸がストロークする一方、第二のボールねじナット
がねじ軸に対してストロークするので、コンパクトな構
成で第二のボールねじナットの固定部に対する移動量を
大きく設定できるほかその移動が高速化する。

更に、本発明のボールねじユニットを利用した伸縮装置
によれば、軽量且つコンパクトな構造で、ロングストロ
ークの高速伸縮運動を可動体に与えることができる外、
ボールを用いた転がり軸受によってて伸縮運動を得るの
で、ボールに予圧を付与することでスライダの移動誤差
やガタつきを可及的に小さくすることが可能となる。

［実施例］ 以下、添付図面に基づいて本発明のボールねじユニット
及びこれを利用した伸縮装置を詳細に説明する。

第１図は本発明のボールねじユニットの第一実施例を示
すものであり、複数条のボール転走溝が形成されたねじ
軸１と、固定部Ｂに回転可能に支持されて上記ねじ軸１
にトルクを伝達するスプラインナット２と、固定部Ｂに
配設されて上記ねじ軸１を軸方向にストロークさせる第
一のボールねじナット３と、ねじ軸１の回動に伴なって
軸方向にストロークする第二のボールねじナット４とか
ら構成されている。

上記ねじ軸１には、互いに逆ねじの関係にある第一の螺
旋状ボール転走溝11と第二の螺旋状ボール転走溝12とが
同一のリードで形成されており、前者には上記第一のボ
ールねじナット３が螺合する一方、後者には上記第二の
ボールねじナット４が螺合してる。又、ねじ軸１の一部
には、上記スプラインナット２を案内するための直線状
ボール転走溝13が第一の螺旋状ボール転走溝11と交差す
るように３条形成されている。

上記スプラインナット２は、第２図及び第３図に示すよ
うに、上記直線状ボール転走溝13と相俟ってボール21を
挟み込む負荷ボール溝22を有すると共に、この負荷ボー
ル溝22と対をなす無負荷ボール溝23及びこれら各溝の両
端を連通する円周方向の案内溝が形成されたナット本体
24と、このナット本体24内に嵌挿され、上記負荷ボール
溝22を転走する負荷ボール21aを保持整列させる長孔25
を有すると共に、上記無負荷ボール溝23及び案内溝と相
俟って無負荷ボール21bの循環路を形成する樹脂製ボー
ル保持器26とから構成されている。

又、上記ナット本体24の外周面にはボール27を介してア
ンギュラコンタクトベアリングの外輪28が設けられてお
り、外輪28に対して上記ナット本体24が自在に回転可能
となっている。

従って、上記外輪28に形成されたフランジ部29をボルト
結合等の手段で固定部Ｂに固定することで、ナット本体
24を貫通するねじ軸１に回転運動、往復運動あるいはこ
れらの複合運動を自在に与えることが可能となってい
る。

一方、上記第一のボールねじナット３は、第４図及び第
５図に示すように、第一の螺旋状ボール転走溝11と相俟
ってボール31を挟み込む螺旋状負荷ボール溝32を内周面
に有すると共に、無負荷ボールの転走孔33が穿設され、
外周面には固定用のフランジ部34が形成されたナット本
体35と、このナット本体35の軸方向両端面に固定され、
螺旋条負荷ボール溝32と上記転走孔33とを連通するエン
ドキャップ36とから構成されている。

尚、上記第二のボールねじナット４も、第一のボールね
じナット３と同様なナット本体41とエンドギャップ42と
から構成されているが、ナット本体41の内周面に形成さ
れた螺旋状負荷ボール転走溝43は第一のボールねじナッ
ト３と逆ねじに形成され、ねじ軸１の第二の螺旋状ボー
ル転走溝12と相俟ってボール44を挟み込むようになって
いる。

以上のように構成された本実施例のボールねじユニット
の基本的な使用態様は第１図に一点鎖線で示す通りであ
る。すなわち、スプラインナット２に組付けられた外輪
28及び第一のボールねじナット３を固定部Ｂに固定する
一方、往復運動させる移動体５に第二のボールねじナッ
ト４を固定し、スプラインナット２のナット本体24に取
付けたプーリー６を介してモータ等（図示せず）の回転
運動をナット本体24に伝達するのである。

これによれば、スプラインナット２によりモータの回転
運動がねじ軸１に伝達されると、ねじ軸１には第一のボ
ールねじナット３による軸方向の直線運動が与えられる
一方、第二のボールねじナット４にはねじ軸１に沿った
直線運動か発生する。

第６図及び第７図は、上記ボールねじユニットを用いて
構成した伸縮装置の第一実施例を表すものであり、夫
々、短縮時、伸長時の状態を示している。

固定部Ｂには、径の異なる３本の円筒状スライダ71,72,
73を軸方向へ相互にスライド可能に、且つ、円周方向へ
は回転不能に連結した可動体７がねじ軸１を覆うように
固定されており、最少径のスライダ73（以下、出力スラ
イダ）の一端には上記第二のボールねじナット４が固定
されている。各スライダ71,72,73は間隔をおいて配設さ
れた一対の滑り軸受74によって連結されており、伸長時
あるいは短縮時において可動体７に撓みや歪みが発生す
るのを防止している。

又、スプラインナット２に設けられたプーリー６には、
タイミングベルト８を介してステッピングモータＭが接
続されている。

そして、以上のような構成においては、ステッピンモー
タＭに駆動パルスを与えてねじ軸１を所定角度回転させ
ることにより、第二のボールねじナット４に固定された
出力スライダ73が第一及び第二の螺旋状ボール転走溝1
1,12のリードに応じてストロークし、可動体７を任意の
長さに自在に伸縮させることができるのである。

このとき、本実施例の伸縮装置にあっては、上述したボ
ールねじユニットの精度をそのまま出力スライダ73の移
動精度として利用でき、繰返し伸縮運動における出力ス
ライダ73の移動精度、すなわち可動体７の伸縮精度の高
精度化を期待することができる。

又、ねじ軸１のストローク速度と第二のボールねじナッ
ト４のストローク速度の和が出力スライダ73の移動速度
となるので、モータＭの低速回転で可動体７に高速の伸
縮運動が発生する利点も有している。

更に、本発明のボールねじユニットを覆うように伸縮自
在な可動体７を配設するのみの簡易な構造で高精度の伸
縮運動を得られ、装置の軽量化及びコンパクト化を容易
に行ない得るものである。

尚、本実施例では、伸縮装置との関連において本発明の
ボールねじユニットを説明したが、ボールねじユニット
の使用はこれに限定されるものではなく、コンパクトな
装置構成で高速、且つ、高精度の往復運動が要求される
機器の送り装置として利用することも可能である。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明のボールねじユニット
によれば、コンパクトな装置構成で第二のボールねじナ
ットの固定部に対する移動量及び移動速度を大きく設定
することが可能であり、軽量、コンパクト、且つ、高速
の伸縮装置を容易に設計することが可能となる。

更に、本発明のボールねじユニットを利用した伸縮装置
によれば、装置の軽量化、コンパクト化、伸縮運動の高
速化を達成できる外、ボールに予圧を付与することによ
ってスライダを精度良く、ガタつきなく移動させること
ができ、繰返し精度の高い伸縮運動を得ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のボールねじユニットの第一実施例を示
す正面断面図、第２図及び第３図は第一実施例に係るス
プラインナットを示す正面及び側面断面図、第４図及び
第５図は第一実施例に係る第一のボールねじナットを示
す正面及び側面断面図、第６図は本発明の伸縮装置の短
縮時の状態を示す概略図、第７図は本発明の伸縮装置の
伸長時の状態を示す概略図、第８図は伸縮装置を利用し
た工業用ロボットの一例を示す概略図である。 ［符号説明］ １：ねじ軸、２：スプラインナット ３：第一のボールねじナット ４：第二のボールねじナット ７：可動体 11：第一の螺旋状ボール転走溝 12：第二の螺旋状ボール転走溝 13：直線状ボール転走溝 71,72,73：スライダ Ｂ：固定部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに逆ねじの関係にある第一の螺旋状ボ
   ール転走溝及び第二の螺旋状ボール転走溝が形成される
   と共に、上記第一の螺旋状ボール転走溝と交差するよう
   軸方向にそって直線状ボール転走溝が形成されたねじ軸
   と、固定部に回転可能に支持されると共に上記直線状ボ
   ール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上記ねじ軸に
   トルクを伝達するスプラインナットと、上記固定部に係
   止されると共に上記第一の螺旋状ボール転走溝と相俟っ
   てボールを挟み込み、上記ねじ軸の回動に伴ないこれを
   軸方向に推進する第一のボールねじナットと、上記第二
   の螺旋状ボール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上
   記ねじ軸の回動に伴ない移動する第二のボールねじナッ
   トとからなることを特徴とするボールねじユニット。
2. 【請求項２】互いに逆ねじの関係にある第一の螺旋状ボ
   ール転走溝及び第二の螺旋状ボール転走溝が形成される
   と共に、上記第一の螺旋状ボール転走溝と交差するよう
   軸方向に沿って直線状ボール転走溝が形成されたねじ軸
   と、固定部に回転可能に支持されると共に上記直線状ボ
   ール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上記ねじ軸に
   トルクを伝達するスプラインナットと、上記固定部に係
   止されると共に上記第一の螺旋状ボール転走溝と相俟っ
   てボールを挟み込み、上記ねじ軸の回動に伴ないこれを
   軸方向に推進する第一のボールねじナットと、上記第二
   の螺旋状ボール転走溝と相俟ってボールを挟み込み、上
   記ねじ軸の回動に伴ない移動する第二のボールねじナッ
   トと、相互にスライドする複数のスライダから伸縮自在
   に形成され、両端部のスライダが夫々上記固定部と第二
   のボールねじナットとに連結された可動体とから構成さ
   れることを特徴とする伸縮装置。