WO2020240743A1 - ボールねじ機構及び直線移動装置 - Google Patents

Abstract

従来の循環式ボールねじのようなボールのリターンを考慮する必要がなく、ボールのねじ軸上での引っかかり等が発生せずボールのスムーズな移動を確保することで振動や騒音の防止、熱の増大を回避可能なボールねじ機構を提供する。本発明は、螺旋溝２ａを有し直線状に延びるねじ軸２と、ねじ軸２の周囲を取り囲むハウジング３０と、ねじ軸２の推力をハウジング３０に伝達する複数のボール４及び玉軸受５とを備える。各玉軸受５は、ハウジング３０にねじ軸２の螺旋溝２ａに沿って一定間隔でそれぞれ取付固定された外輪７と、ねじ軸２に対向する側面にボール４に接触する凹球面状の接触面５ａを設けた内輪６とを有し、各内輪６が、ねじ軸２の回転軸Ｏと直交する回転軸Ｎ₁～Ｎ₄を中心として回転可能に配設され、各ボール４が、各玉軸受５の接触面５ａと接触した状態でねじ軸２の螺旋溝２ａ内に隣接して一定間隔で配置されている。

Description

ボールねじ機構及び直線移動装置

　本発明は、ねじ軸とボールとを用いたボールねじ機構の技術に関する。

　従来、ボールねじとしては種々のものが知られている。
　例えば、ボールがナット内に設けられた滑り軸受に固定されねじ軸上を転がりながらナットを移動させる方式の非循環式のものと、ボールねじ軸上にあるボールナット内に多数のボールをねじ軸回りに１．５回～３．５回巻き付けし、ナット出口まで送られたボールを、パイプや戻り溝などのガイドによって元のナット入口まで戻し、ボールをナット内で循環させる循環式のものである。

　しかるに、従来の循環式ボールねじでは以下に記すように様々な問題があり、現時点では解決できていない。
　例えば、ボールが循環しようとパイプ等に戻されるとき、途中で引っかかる問題や、駆動反転時のボールの食い込み挙動に起因するボールの乗り上げが生じていた。
　特に高速回転を行う循環式ボールねじでは、ボールの荷重変動が大きく、リターンパイプの中で詰まる問題が発生していた。

　また、サーボモータの利用などでバックラッシュを小さくする必要がある場合、一つのナットの中で多数のボールのバックラッシュを取るには、ボールと軌道溝の隙間を極力取り除き、ボール同士を密着して詰める必要があった。このため、場合によっては一群のオーバサイズボールを組み込んでいた。

　その結果として、ボールのスムーズなリターンを阻害することになり、またボール同士の叩き合いを生じさせ、振動や騒音、熱の増大を招き、そのこともボールのスムーズなリターンを阻害していた。

　さらに、従来の循環式ボールねじでは、構造的にボール同士のぶつかり合いは避けられず、特にボールねじのバックラッシュの低減又は剛性の増大を図るため、一群のオーバサイズボールを組み込んだナット、又は相互に軸方向に変位させた一対のナットを使用してボールねじ内に予圧を与える場合には、ボール同士の押し合いが強くなり、しかもボールの接触面の回転方向は相対的に逆になるため損失を生じ、このため動力伝達効率の低下が避けられなかった。

　この問題を防ぐため、従来からリテーナーを組み込んだものも考案されているが、一般のベアリングと異なり、ボールのリターンがあるため構造が複雑になるという難しい問題が発生している。

　さらに、ナットの有効回路数（ボールの巻数）が増えると累積してピッチ誤差もそれに伴って大きくなるため、ボールの荷重分担率に偏りが生じ、その抑制は非常に困難であった。

　さらにまた、従来の循環式ボールねじでは、ナットのフレームは強度の高い合金鋼を使用しており、転動面の硬さはＨＲＣ６０近辺で、硬さの深さ分布もボール（鋼球ＨＲＣ６０以上の硬度）との面圧強さに耐えられるものでなければならなかった。

特開２０１５－９６７５２号公報 特開２０１６－１１４１８１号公報 特開２０１６－１２５６６１号公報

　本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的は、従来の循環式ボールねじのようなボールのリターンを考慮する必要がなく、ボールのねじ軸上での引っかかり等が発生せずボールのスムーズな移動を確保することによって、振動や騒音の防止、熱の増大を回避することができるボールねじ機構を提供することにある。

　また、本発明の他の目的は、ねじ軸上におけるボール同士の接触を避け、動作時の動力の伝達損失を抑制して動力伝達効率を向上させることができるボールねじ機構を提供することにある。

　さらに、本発明の他の目的は、ねじ軸上におけるボールの巻数を減小させ、累積ピッチ誤差を小さくしてボールの荷重分担率に偏りが生じないようにすることができるボールねじ機構を提供することにある。

　さらにまた、本発明の他の目的は、高精度な部材を用いることなく、バックラッシュの値を小さくすることができるコンパクトで軽量安価なボールねじ機構を提供することにある。

　上記課題を解決するためになされた本発明は、螺旋溝を有し直線状に延びるねじ軸と、前記ねじ軸の周囲を取り囲むように設けられたハウジングを有する移動体と、前記ねじ軸の推力を前記移動体のハウジングに伝達して当該移動体を前記ねじ軸の軸方向に移動させる動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、複数の玉軸受と、前記複数の玉軸受にそれぞれ対応する複数のボールとを有し、前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ねじ軸に対向した状態で、前記移動体のハウジングに前記ねじ軸の螺旋溝に沿って一定間隔でそれぞれ取付固定された外輪と、前記ねじ軸に対向する側面に前記複数のボールに接触する凹球面状の接触面がそれぞれ形成された内輪とを有し、当該各内輪が、前記ねじ軸の回転軸と直交する方向の回転軸を中心としてそれぞれ回転可能に配設されるとともに、前記複数のボールが、前記接触面とそれぞれ接触した状態で前記ねじ軸の螺旋溝内に隣接して一定間隔で配置されているボールねじ機構である。
　本発明では、前記ねじ軸が中空構造のものである場合にも効果的である。
　本発明では、複数の前記動力伝達機構を有し、当該動力伝達機構の対応する一対のボール間の前記ねじ軸方向の距離が、当該一対のボールが配置された前記ねじ軸の螺旋溝間のピッチ数に相当する値から前記ねじ軸に前記ボールからの推力が作用した場合のバックラッシュに応じた値を減じた値となるように構成されている場合にも効果的である。
　本発明では、前記玉軸受及び前記ボールが、前記ねじ軸の１リード当たり三つ以上設けられている場合にも効果的である。
　本発明では、前記玉軸受の玉の直径が４ｍｍである場合に、直径が８～１６ｍｍのボールを用いる場合にも効果的である。
　また、本発明は、上述したいずれかのボールねじ機構と、前記ボールねじ機構のねじ軸を回転可能に支持する一対の支持ブロックと、前記ボールねじ機構のハウジングに取り付けられたテーブルと、前記ボールねじ機構のねじ軸と平行に配置された直線状に延びる一対のガイドレール、及び前記テーブルに取り付けられるとともに前記ガイドレールに装着されて当該ガイドレールに沿ってそれぞれ直線移動する移動ブロックを有する直動機構とを有する直線移動装置である。
　本発明では、前記直動機構は、前記ガイドレールが、当該ガイドレールに沿って直線状に延びるガイド溝を有するとともに、前記移動ブロックは、前記ガイドレールの両側面に対向するように設けられたハウジングを有し、前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ガイドレールのガイド溝に対向した状態で前記移動ブロックのハウジングに前記ガイドレールのガイド溝に沿って取り付けられるとともに、前記ガイド溝は断面が円弧状又はゴシックアーチ状に形成され、前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ガイドレールに対向した状態で、前記移動ブロックのハウジングに前記ガイド溝に沿って一定間隔でそれぞれ取付固定された外輪と、前記ガイドレールに対向する側面に前記複数のボールにそれぞれ接触する凹球面状の接触面が形成された内輪とを有し、当該各内輪が、前記ガイドレールの長手方向と直交する方向の回転軸を中心としてそれぞれ回転可能に配設されるとともに、前記複数のボールが、前記接触面とそれぞれ接触した状態で前記ガイドレールのガイド溝内に隣接して所定の間隔で配置されている場合にも効果的である。

　本発明の場合、複数のボールが、移動体のハウジングに設けられた複数の玉軸受の内輪の凹球面状の接触面とそれぞれ接触した状態でねじ軸の螺旋溝内に配置されており、このねじ軸を回転軸を中心として回転させると、ねじ軸の螺旋溝とボール表面の接触部分、並びに、玉軸受の内輪の接触面とボール表面の接触部分に生ずる推力及び回転トルクによってボールが押されてねじ軸の螺旋溝上を転動するとともに、ボールの表面が、玉軸受の内輪の接触面と楕円状の僅かな面積で接触し、玉軸受の内輪の接触面に発生する摩擦力によって各玉軸受の内輪が、ねじ軸の回転軸と直交する方向の回転軸Ｎを中心としてそれぞれ回転するとともに、ねじの原理でねじ軸の螺旋溝がねじ軸の軸方向に進む。

　その結果、移動体のハウジングにねじ軸の螺旋溝に沿ってそれぞれ取付固定された玉軸受の外輪が玉軸受の玉を介してねじ軸の回転軸方向の推力成分を受け、この推力成分が玉軸受を介して移動体のハウジングに伝達されることによって、移動体がねじ軸の回転軸方向に移動するようになっている。

　このように、本発明は、従来の循環式ボールねじのようなボールをリターンして循環させる機構を有しておらず、したがって、従来の循環式ボールねじで発生していたボールのリターンの際のねじ軸上における引っかかり等が発生せず、ボールのスムーズな移動を確保することができる。

　また、本発明の場合、複数のボールが、玉軸受の内輪の接触面とそれぞれ接触した状態でねじ軸の螺旋溝内に隣接して一定間隔で配置されていることから、ねじ軸上においてボール同士が接触することがない。

　その結果、本発明によれば、従来の循環式ボールねじで発生していたボール同士の接触に起因する振動や騒音を防止し、また熱の増大を回避することができるとともに、ねじ軸上におけるボール同士の接触に起因する動作時の動力の伝達損失を抑制することができるので、動力伝達効率を向上させることができる。

　さらに、本発明にあっては、例えば玉軸受及びボールを、ねじ軸の１リード当たり三つ以上設けることによって構成すること、すなわち、従来の循環式ボールねじの用語を用いれば、ねじ軸上におけるボールの巻数を１巻のもので構成することができる。

　その結果、本発明によれば、ボールの巻数を減小させることができるので、従来の循環式ボールねじで発生していた累積ピッチ誤差を小さくし、ボールの荷重分担率に偏りが生じないようにすることができる。

　また、本発明では、従来の循環式ボールねじのボールの径より例えば２倍以上の大きな径（例えば８～１６ｍｍ）のボールを使用することで、ボールの負荷能力が径比以上に高まるため、従来の循環式ボールねじに対して非常に少ない数（例えば三つ以上）のボールによって構成することができ、これによりコンパクトで軽量安価なボールねじ機構を提供することができる。

　この場合、ねじ軸として中空構造のものを採用すれば、例えばロボットなど別の駆動機構の駆動軸をねじ軸の貫通孔内に通すことができ、これにより更にコンパクトな装置構成とすることができる。

　さらに、複数の動力伝達機構を有し、当該動力伝達機構の対応する一対のボール間のねじ軸方向の距離が、当該一対のボールが配置されたねじ軸の螺旋溝間のピッチ数に相当する値からねじ軸にボールからの推力が作用した場合のバックラッシュに応じた値を減じた値となるように構成すれば、例えばハウジングに簡単な加工を施すことによって、容易にバックラッシュを小さく（又は予圧を含めてゼロ）することができる。

（ａ）：本発明に係るボールねじ機構の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図（ｂ）：同ボールねじ機構の全体構成を示す側面部分断面図（ｃ）：同ボールねじ機構の玉軸受の構成を示す正面部分断面図及び平面図（ｄ）：同ボールねじ機構の寸法関係を示す説明図 （ａ）：本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図（ｂ）：同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図 本実施の形態のボールねじの寸法関係を示す説明図 （ａ）：本実施の形態における移動体のハウジングの孔間の距離を示す説明図　（ｂ）：同移動体のハウジングを示す斜視図 （ａ）：本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図で、中空構造のねじ軸を有するもの（ｂ）：同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図 本実施の形態における１リード当たりのボールユニットの配置を示す展開説明図 （ａ）：本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図（ｂ）：同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図 本実施の形態における１リード当たりのボールユニットの配置を示す展開説明図 同実施の形態の変形例を示す展開説明図 （ａ）：本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図（ｂ）：同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図 （ａ）：本実施の形態の直線移動装置の要部を示す平面図（ｂ）：直線移動装置の要部を示す縦部分断面図 （ａ）：本発明に係る直動機構の実施の形態の構成を示す側面図（ｂ）：同実施の形態の構成を示す正面断面図 （ａ）：同実施の形態の直動機構の変形例の構成を示す側面図（ｂ）：同変形例の構成を示す正面断面図

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

　図１（ａ）～（ｄ）は、本発明に係るボールねじの実施の形態を示すもので、図１（ａ）は全体構成を示す正面部分断面図、図１（ｂ）は全体構成を示す側面部分断面図、図１（ｃ）は玉軸受の構成を示す正面部分断面図及び平面図、図１（ｄ）は、ねじ軸とボールの寸法関係を示す説明図である。

　図１（ａ）に示すように、本実施の形態のボールねじ機構１は、直線状に延びるねじ軸２と、このねじ軸２の周囲に設けられた移動体３と、ねじ軸２の推力を移動体３に伝達して移動体３をねじ軸２に沿って移動させる動力伝達機構１０とを有している。

　本実施の形態のねじ軸２は、中実構造を有し、一般的なねじ軸と同様の材料からなるものを用いることができる。

　ねじ軸２は、図示しないモータによって回転軸Ｏを中心として回転駆動されるもので、ゴシックアーチ状の螺旋溝２ａが、一定の間隔をおいて形成されている。

　移動体３は例えば長方体の部材からなるハウジング３０を有し、このハウジング３０の中央部分にねじ軸２より若干大きい内径の貫通孔３ａが形成されている。そして、上述したねじ軸２が貫通孔３ａを貫通するように配設されている。

　そして、ハウジング３０は、例えば後に参照する図１１に示すように、その上方にテーブル４２が取り付けられ、このテーブル４２は、直動機構４５の一対のガイドレール４３上に装着された一対の移動ブロック４４の上部に固定されるようになっている。その結果、ハウジング３０は、ねじ軸２を回転軸Ｏを中心として回転駆動させた場合でも回転軸Ｏの周囲を回転させないようにすることができる。

　すなわち、本発明の移動体３は、従来の循環式ボールねじと同様に、ねじ軸２の回転に伴いボール４の第１の方向Ｐ１又は第２の方向Ｐ２への移動によってボール４と同じ方向に移動するものである。

　本実施の形態のハウジング３０は、強度の高い軽合金からなるものを用いることができる。
　このような軽合金としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）合金、亜鉛（Ｚｎ）合金、チタン（Ｔｉ）合金があげられる。
　また、用途によってはハウジング３０の材料として、例えばポリアセタール樹脂などのエンジニアリング樹脂を用いることもできる。

　本実施の形態の動力伝達機構１０は、複数の玉軸受５と、各玉軸受５に対応する複数のボール４とを有している。

　ここで、ボール４は、一般的な循環式ボールねじと同様に、鋼球からなるものを用いることができる。セラミックスからなるボールを用いることもできる。
　また、本発明の場合、ボール４は、後述する玉軸受５の玉８より直径が大きいものを用いている。

　一方、本実施の形態では、図１（ａ）（ｂ）に示すように、四つの玉軸受５が移動体３のハウジング３０に取り付けられている。

　この場合、玉軸受５は、それぞれ一方の側面がねじ軸２に対向した状態で、ねじ軸２の螺旋溝２ａに沿って一定間隔で配置されている。
　各玉軸受５は、一般的な深溝玉軸受と同等の基本構成を有するもので、内輪６と外輪７と、これら内輪６及び外輪７に接触する玉８とを有している（図１（ｃ）参照）。

　また、この玉軸受５は、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受と同様に、アキシャル荷重（軸方向荷重）に対し反負荷側へ内輪６が容易に抜けて移動しない構造になっているものである。

　各玉軸受５は、ねじ軸２の回転軸Ｏと直交する方向に延びる回転軸Ｎ₁～Ｎ₄を中心としてそれぞれ回転可能に配置されている。
　ここで、各玉軸受５は、ハウジング３０に設けた孔部５０内に挿入されて外輪７の外周面が固定ねじ９によって移動体３に固定されるとともに、ねじ軸２の回転軸Ｏと直交する方向の回転軸Ｎ₁～Ｎ₄を中心として内輪６が回転できるように構成されている。

　本発明の場合、ボール４は、玉軸受５の玉８よりかなり直径が大きいものを用いている。
　これは、ボール４と玉軸受５の負荷バランスを等価とすることによって、よりコンパクトで実用的な装置を提供するためである。

　すなわち、本実施の形態では、後述するように、ねじ軸２の駆動トルク（駆動源から与えられるトルク）により発生する推力がボール４を押圧し、ボール４と玉軸受５の内輪６の接触面５ａとの接触部分において発生する摩擦力によって玉軸受５の内輪６が回転するとともに、玉軸受５の内部の玉８も回転するように構成されている。

　本発明では、玉軸受５の玉８の直径は慣性力のより小さな玉径のものを使用することにより、円滑な動力伝達を実現することができる。

　すなわち、玉軸受５の玉８として仮にボール４と同じ径のものを使用した場合、玉軸受５の内輪６と外輪７との間に最低６個以上の玉８が配置されることになるが、このことはボール４と内輪６の間で加速に必要とする摩擦力は同時にボール４の質量の６倍の質量の物体を加速する摩擦力が必要で、このような大きな摩擦力を加えることは事実上不可能であるため、ボールねじ機構１の加速・減速時に追従できずに内輪６に対して玉８がスリップしてしまう。
　このような玉軸受のスリップ動作は摩耗や振動、発熱等を生じさせるため、位置計測装置や工作機械にとって致命的であり、実用に供しない。

　その一方で、ボール４と玉軸受５の負荷バランスを等価とすることによって、よりコンパクトで実用性の高いボールねじ機構１を提供することができる。

　例えば、ボール４と玉軸受５との基本動定格荷重を同等の値にして、小さい方の値に合わせてボールねじ機構１の推力を設定するとよい。

　本発明の場合、ボール４の直径は特に限定されることはないが、実用性を向上させる観点からは、玉軸受５の玉８の直径の２倍以上４倍以下の直径を有するものを用いることが好ましい。
　具体的には、玉軸受５の玉８の直径が４ｍｍである場合に、直径が８～１６ｍｍのボール４を用いることが好ましい。

　本実施の形態では、玉軸受５の内輪６の一方の側面に、各ボール４と内接する接触面５ａが設けられている（図１（ｃ）参照）。
　この接触面５ａは、リング状の凹球面からなり、ゴシックアーチ形状に形成されている。

　そして、各ボール４は、各玉軸受５の接触面５ａとそれぞれ接触した状態で、ねじ軸２の螺旋溝２ａ内に隣接して一定間隔で配置されている。
　このような構成により、各玉軸受５は、外輪７に対し内輪６が上記回転軸Ｎ₁～Ｎ₄を中心として自由に回転できるようになっている。

　また、各ボール４は、ねじ軸２が回転した場合において、螺旋溝２ａと玉軸受５の内輪６の接触面５ａとによって保持された状態で種々の方向に回転（螺旋溝２ａ上で転動）できるようになっている。

　本発明の場合、ねじ軸２にボール４から推力が作用した場合における各ボール４の表面とねじ軸２の螺旋溝２ａが接触する接触角α₁は、一般的な循環式ボールねじと同様にそれぞれ４５～５５度が適している（図１（ｄ）参照）。

　また、ねじ軸２の螺旋溝２ａは、ボール４との干渉を防止してピッチ誤差や取り付け誤差を吸収できるように、ボール４との間に隙間ΔＳｐ₁（例えば０．５ｍｍ～１ｍｍ）を設けて配置され、これにより各ボール４がねじ軸２の軸方向に移動できるように加工されている。
　この理由は、ラジアル荷重などの影響でボール４が螺旋溝２ａの軸方向前後のねじ面に同時に接触することを防止するためである。

　また、螺旋溝２ａの底部分には、ボール４との接触を回避してボール４と螺旋溝２ａの接触角α₁が６０度以上にならないようにするための溝底部２ｂが形成されている。

　一方、本発明の場合、ねじ軸２にボール４からの力が作用した場合における各ボール４の表面と玉軸受５の接触面５ａとの接触角α₂については、一般的な循環式ボールねじと同様にそれぞれ４５～５５度が適している。

　本発明の場合、特に限定されることはないが、接触面５ａに内接するボール４が接触面５ａ上を自由に転がることを可能にする観点からは、ボール４と接触面５ａとの隙間ΔＳｐ₂が、例えば０．０１～０．５ｍｍとなるように、ボール４の直径と接触面５ａの曲率半径を設定することが好ましい（図１（ｃ）参照）。

　すなわち、ボール４と玉軸受５の接触面５ａとの隙間ΔＳｐ₂が、０．０１～０．５ｍｍとなるように、ボール４の直径と接触面５ａの凹球面の曲率半径を設定することによって、ボール４と接触面５ａの接触面積が大きくなり、許容面圧が大きくなる。

　本実施の形態の玉軸受５の内輪６の他方の側面には、動作時のボール４と玉軸受５間の摩擦を小さくするため、潤滑油（グリース）を供給するボール給油穴５ｂが設けられている。

　なお、各玉軸受５に対してねじ軸２の外方側の部分には、玉軸受５の直径より若干大きな径のねじ孔９０が設けられ、このねじ孔９０に固定ねじ９がねじ止めされるようになっている（図１（ｂ）参照）。
　この固定ねじ９としては、例えば六角穴付止めねじを用いることができる。

　本明細書では、上述したボール４、玉軸受５及び固定ねじ９を一つの部材集合体として、ボールユニット１１と称する。
　本発明のボールねじ機構は、少なくとも三つ以上（本実施の形態では四つ）のボールユニット１１を有している。

　このような構成を有する本実施の形態において、例えば図１１に示す駆動モータ６０を駆動してねじ軸２を回転軸Ｏを中心として回転駆動させると、その螺旋溝２ａがリードの軌道に沿って螺旋状に移動して例えば第１の方向Ｐ１に進み、各ボール４の第２の方向Ｐ２側で且つねじ軸２側の表面が、ねじ軸２の螺旋溝２ａと楕円状の僅かな面積で接触して、ねじ軸２の螺旋溝２ａから第１の方向Ｐ１方向の推力成分を受ける。

　この推力成分により、各ボール４は、ねじ軸２の回転軸Ｏと直交する方向に対して接触角α₁だけ傾斜した方向の軸線上で交わる（図１（ｄ）参照）。

　そして、ねじ軸２の螺旋溝２ａとボール４表面との接触部分、並びに、玉軸受５の内輪６の接触面５ａとボール４表面との接触部分に生ずる推力及び回転トルクによってボール４が押されてねじ軸２の螺旋溝２ａ上を転動する。

　また、ボール４が第１の方向Ｐ１に進むことによって、ボール４の第１の方向Ｐ１側で且つ玉軸受５側の表面が、玉軸受５の接触面５ａと楕円状の僅かな面積で接触することによって、ボール４の表面から第１の方向Ｐ１方向の推力成分を受ける。

　その際に発生する玉軸受５の内輪６の接触面５ａに対する摩擦力によって各玉軸受５の内輪６が、回転軸Ｎ₁～Ｎ₄を中心としてそれぞれ回転するとともに、ねじの原理でねじ軸２の螺旋溝２ａが第１の方向Ｐ１方向に進むことによって、玉８を介して玉軸受５の外輪７が第１の方向Ｐ１の推力成分を受ける。

　このように、本実施の形態では、ねじ軸２の第１の方向Ｐ１の推力が動力伝達機構１０（ボール４及び玉軸受５）を介して移動体３のハウジング３０に伝達され、これにより移動体３が第１の方向Ｐ１側に移動する。

　なお、移動体３を第１の方向Ｐ１と反対方向の第２の方向Ｐ２に移動させる場合は、上述した動作と逆の動作を行えばよい。

　以上述べた本実施の形態は、従来の循環式ボールねじのようなボールをリターンして循環させる機構を有しておらず、したがって、従来の循環式ボールねじで発生していたボールのリターンの際のねじ軸上における引っかかり等が発生せず、ボールのスムーズな移動を確保することができる。

　また、本発明では、複数のボール４が、玉軸受５の内輪６の接触面５ａとそれぞれ接触した状態でねじ軸２の螺旋溝２ａ内に隣接して一定間隔で配置されていることから、ねじ軸２上においてボール４同士が接触することがない。

　その結果、本実施の形態によれば、従来の循環式ボールねじで発生していたボール同士の接触に起因する振動や騒音を防止し、また熱の増大を回避することができるとともに、ねじ軸上におけるボール同士の接触に起因する動作時の動力の伝達損失を抑制することができるので、動力伝達効率を向上させることができる。

　さらに、本実施の形態にあっては、例えば玉軸受５及びボール４を、ねじ軸２の１リード当たり三つ以上設けることによって構成することができる。すなわち、従来の循環式ボールねじの用語を用いれば、ねじ軸２上におけるボール４の巻数を１巻のもので構成することができる。

　その結果、本実施の形態によれば、ボール４の巻数を減小させることができるので、従来の循環式ボールねじで発生していた累積ピッチ誤差を小さくし、ボール４の荷重分担率に偏りが生じないようにすることができる。

　また、本実施の形態では、従来の循環式ボールねじのボールの径より例えば２倍以上の大きな径（例えば８～１６ｍｍ）のボールを使用することで、ボールの負荷能力が径比以上に高まるため、従来の循環式ボールねじに対して非常に少ない数（例えば三つ以上）のボール４によって構成することができる。

　例えば、呼び径２５ｍｍ、ボール径４．７６２ｍｍ、リード角１０．６度、ボールの巻数２の循環式ボールねじの動定格荷重と、径１０ｍｍのボールを等ピッチで４個配列した本実施の形態のボールねじ機構の動定格荷重とを比較すると、ボールが４個の本実施の形態の方がむしろ少し大きい。

　このことは、本実施の形態のボールねじ機構１は、１巻１７個の２倍である３４個と動定格荷重が等価ということになり、ボール径比の効果が大きいことが分かる。
　そして、このような本実施の形態によれば、コンパクトで軽量安価なボールねじ機構１を提供することができる。

　図２（ａ）は、本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図である。
　以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

　図２（ａ）に示すように、本実施の形態のボールねじ機構１Ａは、ハウジング３０に、複数（本実施の形態では二つ）の動力伝達機構（第１及び第２の動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂ）が設けられて構成されている。

　これら第１及び第２の動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ上述した動力伝達機構１０と同等の構成のもので、複数（本実施の形態では四つ）のボールユニット１１を有している（図２（ｂ）参照）。

　本実施の形態の場合、第１の動力伝達機構１０Ａは、移動体３に対してねじ軸２の回転軸Ｏと平行な第１の方向Ｐ１の推力を与え、他方、第２の動力伝達機構１０Ｂは、移動体３に対して第１の方向と反対方向である第２の方向Ｐ２の推力を与えるように構成されている（図２（ａ）参照）。

　この場合、第１の方向Ｐ１は、例えばホームポジションから目的位置に移動する方向、第２の方向Ｐ２は、目的位置からホームポジションに移動する方向である。

　図３は、本実施の形態のボールねじ機構の寸法関係を示す説明図であり、図４（ａ）は、本実施の形態における移動体のハウジングの孔間の距離を示す説明図、図４（ｂ）は、同移動体のハウジングを示す斜視図である。

　図３に示すように、本実施の形態では、上述した第１及び第２の動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂの、対応する一対のボール４間のねじ軸２方向の距離が、これら一対のボール４が配置されたねじ軸２の螺旋溝２ａ間の距離であるピッチ３ｐからねじ軸２にボール４からの推力が作用した場合のバックラッシュに応じた値ΔＳｔを減じた値、すなわち、３ｐ－ΔＳｔとなるように構成されている。

　本発明では、例えば図４（ａ）（ｂ）に示すように、移動体３のハウジング３０の各側面３１～３４に、上述した孔部５０並びにねじ孔９０と同等の孔部５０Ａ，５０Ｂ並びにねじ孔９０Ａ，９０Ｂを、上記３ｐ－ΔＳｔの距離をおいて設け、これら孔部５０Ａ，５０Ｂ並びにねじ孔９０Ａ，９０Ｂに、図２（ａ）に示すボールユニット１１（ボール４、玉軸受５及び固定ねじ９）をそれぞれ取り付けることにより図３に示す構成とすることができる。

　ところで、上記実施の形態では、上述したように、ねじ軸２の螺旋溝２ａの溝幅は、ボール４との干渉を防ぐためボール４表面との間に所定の隙間ΔＳｐ₁を設けている（図１（ｄ）参照）。

　一方、玉軸受５の凹球面５ａには、ボール４との間に、隙間ΔＳｐ₁より小さいわずかな隙間ΔＳｐ₂を設けている（図１（ｃ）参照）。

　これらの隙間ΔＳｐ₁、ΔＳｐ₂を合計すると、ねじ軸２と移動体３のハウジング３０との間には、ΔＳｐ＝ΔＳｐ₁＋ΔＳｐ₂の遊びがあることになる。

　従来、循環式ボールねじを使用する装置には工作機械やサーボモータでコントロールしているものもあり、この遊びΔＳｐを無くしてゼロにすることが求められる場合がある。

　その場合、一般の循環式ボールねじでは、ダブルナット方式を採用し、ナット間の距離を遊び分だけ詰めるようにしている。

　何故２個のナットを設けるかと言えば、軸受鋼のナットの内面に一定間隔で螺旋溝を彫る必要があり、途中から螺旋溝のピッチを変えることが容易にできないためである（複雑ではあるが２条ねじにしてピッチをずらす工夫をしたものもある）。

　これに対し、本発明の場合には、一つのハウジング３０に正転方向の荷重を受けるリードの軌道上に必要数の孔部５０Ａ及びねじ孔９０Ａを設け、ボール４、玉軸受５及び固定ねじ９によって構成されるボールユニット１１を組付け、これを動力伝達機構１０Ａとする。

　次に同一のハウジング３０に逆転方向の荷重を受けるリードの軌道上に必要数の孔部５０Ｂ及びねじ孔９０Ｂを設け、上述したボールユニット１１を組付け、これを動力伝達機構１０Ｂとする。

　２つの動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂの間の基準距離はピッチｐの整数倍であり、図３に示す例の場合にはピッチｐの３倍であるので、動力伝達機構１０Ａの孔部５０Ａ及びねじ孔９０Ａの中心点と、動力伝達機構１０Ｂの孔部５０Ｂ及びねじ孔９０Ｂの中心点との距離が３Ｐ－ΔＳｔとなるように、すなわち、対応する孔間の距離を上述した隙間ΔＳｔだけそれぞれに近づけることによって、ねじ軸２と移動体３のハウジング３０との間の遊びを無くしてゼロにすることができる。

　また、予圧を与える目的でねじ軸２と移動体３のハウジング３０との間の遊びをマイナスにすることもできる。

　本実施の形態によれば、一方の動力伝達機構１０Ａを上記式で算出されたバックラッシュ量ΔＳｔだけ他方の動力伝達機構１０Ｂ側にずらして孔部５０Ａ、ねじ孔９０Ａを配置すればよいので、加工も簡単に行うことができ、コストパフォーマンスがよいものである。

　図５（ａ）は、本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図、図５（ｂ）は、同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図である。
　また、図６は、本実施の形態における１リード当たりのボールユニットの配置示す展開説明図である。

　以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
　図５（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態のボールねじ機構１Ｂは、中空構造のねじ軸２を有している。すなわち、ねじ軸２に長手方向に延びる貫通孔２０が形成されている。

　本実施の形態では、移動体３のハウジング３０の断面が正６角形形状に形成され、このハウジング３０に三つのボールユニット１１が設けられ、これにより動力伝達機構１０が構成されている。

　この場合、図６に示すように、ねじ軸２の螺旋溝（リードの軌道）２ａに沿って１リード（Pｈ）当たり三つのボールユニット１１（ボール４、玉軸受５及び固定ねじ９）が一定間隔で取り付けられている。
　なお、ねじ軸２としては、一条ねじが用いられている。

　図７（ａ）は、本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図、図７（ｂ）は、同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図である。

　また、図８は、本実施の形態における１リード当たりのボールユニットの配置を示す展開説明図、図９は、同実施の形態の変形例を示す展開説明図である。
　以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

　図７（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態のボールねじ機構１Ｃは、中空構造のねじ軸２を有し、このねじ軸２には、長手方向に延びる貫通孔２０が形成されている。

　本実施の形態では、移動体３のハウジング３０の断面が断面正６角形形状に形成されるとともに、このハウジング３０に六つのボールユニット１１が設けられ、これにより動力伝達機構１０が構成されている。

　この場合、ねじ軸２の螺旋溝（リードの軌道）２ａに沿って１リード当たり六つのボールユニット１１（ボール４、玉軸受５及び固定ねじ９）が一定間隔で取り付けられている。
　なお、ねじ軸２としては、一条ねじが用いられている。

　図５（ａ）（ｂ）～図８、図１０に示す実施の形態によれば、中空構造のねじ軸２が設けられていることから、例えばロボットなど別の駆動機構の駆動軸をねじ軸２の貫通孔２０内に通すことができ、これによりコンパクトな装置構成とすることができる。

　そして、本実施の形態によれば、技術的に困難な従来の循環式ボールねじのリターン機構を介さずにどこでも設置できるため、任意の太さの中空のねじ軸２であっても容易にボールユニット１１をハウジング３０に配置し取り付けることができる。

　例えば図１０に示す実施の形態にあっては、ねじ軸２はかなり太いため（例えば軸径８２ｍｍ程度）、許容推力は一般の循環式ボールねじ（巻数３）の１／５程度となるが、軸方向長さは１／２となることから、設計の選択肢を広くすることができる。

　また、一般に循環式ボールねじは軸径が太くなるほど駆動トルクと推力が大きくなるが、用途によっては軸径を太くしても駆動トルクは小さくてよい場合があり、軸径に応じて駆動トルクと推力を大きくすると過剰品質となりやすい。

　特に長尺のねじ軸の場合には座屈や危険速度の防止から軸径を太くする場合がある。このような場合に中空のねじ軸は座屈に対する形状効果を大きくできるし、危険速度についても撓みを抑えることが容易であるため効果的な対応が可能である。しかも軽量にできる点がコンパクト化と環境負荷への有効性となっている。

　すなわち、ねじ軸の軸径と比例して駆動トルクや推力が増減するものではないことから、本発明では、１リード当たりのボールユニットの数を変えることによって駆動トルク及び推力を調整できるようにしている。

　また、図７（ａ）（ｂ）は、図５に示す実施の形態のボールユニット１１の数を倍（３→６）にして駆動トルクを倍にした例である。

　一方、このとき駆動トルクを倍にしないでバックラッシュを小さくすることもできる。これは図３について説明したように、動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂにおいて、ボール４の配置を正転側と逆転側に分け、いずれか一方をΔＳｔだけねじ軸２の軸方向にずらすことで可能になる。

　また、例えば図９に示すように、隣接するボールユニット１１をねじ軸２の軸方向（第１の方向Ｐ１又は第２の方向Ｐ２）に所定距離（ここではΔＳｔ）ずらして千鳥状に配置することもできる。

　特にねじ軸２の回り３６０度１回転の中で全てのボールユニット１１を配置することができれば、例えば図７（ａ）（ｂ）に示すように、ねじ軸２方向に対して直交する方向から透視したときボールユニット１１同士の重なりがなく、移動体３への推力に基づく各ボール４及び玉軸受５へのスラスト荷重がこれらに均等に配分されるため、疲労強度を向上させることができる。

　このような構成を有する本例によれば、装置の軽量化及びコンパクト化、製作が容易で設計の最適化を図ることができるという効果がある。

　図１０（ａ）は、本発明の他の実施の形態の全体構成を示す正面部分断面図、図１０（ｂ）は、同実施の形態の全体構成を示す側面部分断面図である。

　以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

　図１０（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態のボールねじ機構１Ｄは、中空構造のねじ軸２を有し、このねじ軸２には、長手方向に延びる貫通孔２０が形成されている。

　本実施の形態では、移動体３のハウジング３０が断面円筒形状に形成され、このハウジング３０に八つのボールユニット１１が設けられ、これにより動力伝達機構１０が構成されている。

　この場合、詳細は図示しないが、ねじ軸２の螺旋溝（リードの軌道）２ａに沿って１リード当たり八つのボールユニット１１（ボール４、玉軸受５及び固定ねじ９）が一定間隔で取り付けられている。
　なお、ねじ軸２としては、一条ねじが用いられている。

　このような構成を有する本実施の形態によれば、上述したように、ねじ軸２方向に対して直交する方向から透視したときボールユニット１１同士の重なりがなく、移動体３への推力に基づく各ボール４及び玉軸受５への軸方向荷重がこれらに均等に配分されるため、疲労強度を向上させることができる。

　また、本実施の形態では、移動体３のハウジング３０に３６０度（１リード）間により多くのボールユニット１１を設けることができるので、各ボールユニット１１のボール４への分担荷重を均等にすることができるとともに、ねじ軸２から移動体３に対する動力伝達効率を循環式ボールねじより向上させることができる。

　図１１（ａ）（ｂ）は、本実施の形態の直線移動装置の要部を示す図で、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は縦部分断面図である。

　図１１（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の直線移動装置４０は、例えば図２（ａ）（ｂ）に示すボールねじ機構１Ａを有している。

　ここで、ボールねじ機構１Ａは、水平方向に向けられた状態で一対の支持ブロック４１に支持されたねじ軸２を有し、このねじ軸２は、駆動モータ６０によって正逆方向に回転されるように構成されている。

　ボールねじ機構１Ａのハウジング３０の上部にはテーブル４２が固定されている。
　ボールねじ機構１Ａの両側部には、直動機構４５が設けられている。

　この直動機構４５は、ねじ軸２と平行に設けられた一対のガイド４３レールと、これらガイドレール４３に沿ってそれぞれ移動可能な移動ブロック４４を有している。

　直動機構４５の移動ブロック４４の上部には、ボールねじ機構１Ａのハウジング３０の上部に水平方向に向けて取り付けられたテーブル４２が固定されている。

　このような構成を有する本実施の形態によれば、ねじ軸２上でのボール４のスムーズな移動を確保して振動や騒音の防止、熱の増大を回避するとともに高い動力伝達効率を維持することができ、かつ、ねじ軸２上におけるボール４の巻数を１巻のもので構成することによってボールを保持するナット部分とねじ軸間の累積ピッチ誤差が相対的に小さく、さらに、バックラッシュの値を小さくすることができるコンパクトで軽量安価なボールねじ機構１を有する直線移動装置４０を提供することができる。

　図１２（ａ）（ｂ）は、本発明に係る直動機構の実施の形態の構成を示す図で、図１２（ａ）は側面図、図１２（ｂ）は正面断面図である。

　また、図１３（ａ）（ｂ）は、本実施の形態の直動機構の変形例の構成を示す図で、図１３（ａ）は側面図、図１３（ｂ）は正面断面図である。

　以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

　図１２（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態は、図１１（ａ）（ｂ）に示す直線移動装置４０に以下に示す直動機構４５を用いたものである。

　ここで、直動機構４５は、上記ガイドレール４３と、ガイドレール４３の周囲を取り囲むように設けられたハウジング４７を有する移動ブロック４４とを有している。

　本実施の形態のガイドレール４３は、断面が矩形状に形成され、水平方向に延びるように設けられている。
　そして、ガイドレール４３の両側部には、断面円弧状又はゴシックアーチ状に形成され水平方向に延びるガイド溝４６が設けられている。

　一方、図１３（ａ）（ｂ）に示す変形例では、ガイドレール４３の両側部に、ゴシックアーチ状に形成され水平方向に延びるガイド溝４６が設けられている。

　また、ガイド溝４６の底部分には、ボール４との接触を回避してボール４とガイド溝４６の接触角が６０度以上にならないようにするための溝底部４８が形成されている。

　ハウジング４７は、断面「コ（Ｕ）」字状に形成され、鉛直方向に延びる両側部の内側部分が、それぞれガイドレール４３の両側面４３ａのガイド溝４６と対向するように配置されている。

　本実施の形態では、ハウジング４７の両側部に、上述した玉軸受５が、二つづつ設けられている。

　ここで、各玉軸受５は、それぞれ一方の側面がガイドレール４３のガイド溝４６に対向した状態で、外輪７が移動ブロック４４のハウジング４７にガイド溝４６に沿って一定間隔でそれぞれ取付固定されるとともに、内輪６は、ガイドレール４３に対向する側面に複数のボール４にそれぞれ接触する凹球面状の接触面５ａが形成されている。

　さらに、各玉軸受５は、各内輪６が、ガイドレール４３の長手方向と直交する方向の回転軸Ｎ_5、6を中心としてそれぞれ回転可能に配設されるとともに、複数のボール４が、玉軸受５の内輪６の接触面５ａとそれぞれ接触した状態でガイドレール４３のガイド溝４６内に隣接して所定の間隔（ここでは一定間隔）で配置され、これにより移動ブロック４４のハウジング４７がボール４を介してガイドレール４３のガイド溝４６に支持されている。

　このような構成を有する本実施の形態の直動機構４５において、ハウジング４７に対してガイドレール４３の延びる方向に力を加えると、玉軸受５の外輪７及び玉８を介して玉軸受５の内輪６の接触面５ａから各ボール４に対して接触力が作用するとともに、この接触力に対するガイドレール４３のガイド溝４６の溝面からの反力がボール４を介して玉軸受５の内輪６の接触面５ａに作用する。

　そして、これらの力の作用により、ガイドレール４３のガイド溝４６内において各ボール４が転動するとともに、各玉軸受５の内輪６が上記回転軸Ｎ₅，Ｎ₆を中心として回転しながら移動ブロック４４が水平方向（第１の方向Ｐ１又は第２の方向Ｐ２）に移動する。

　このような本実施の形態の直動機構４５によれば、従来のボールを循環させる方式の直動機構で発生していたボールのリターンの際の引っかかりやボール同士の接触が発生せず、これによりボールのスムーズな移動を確保できるとともに動力伝達効率を向上させることができる。

　したがって、このような直動機構４５を図１１（ａ）（ｂ）に示す直線移動装置４０に適用すれば、よりスムーズな走行が可能になる。

　なお、本発明は上述した実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。
　例えば、図２（ａ）（ｂ）に示す実施の形態では、動力伝達機構１０Ａ、１０Ｂとして、同一の動力伝達機構１０を有するもので構成したが、本発明はこれに限られず、例えばボールユニット１１の数が異なる動力伝達機構によって構成することもできる。

　このような構成にすれば、移動体３の移動方向に応じてねじ軸２に対して最適の駆動トルクを与えることが可能なボールねじ機構を提供することができる。

　１……ボールねじ機構
　２……ねじ軸
　３……移動体
　４……ボール
　５……玉軸受
　６……内輪
　７……外輪
　８……玉
　９……固定ねじ
１０……動力伝達機構
１１……ボールユニット
２０……貫通孔
３０……ハウジング
４０……直線移動装置
４５……直動機構

Claims (7)

1. 　螺旋溝を有し直線状に延びるねじ軸と、
   　前記ねじ軸の周囲を取り囲むように設けられたハウジングを有する移動体と、
   　前記ねじ軸の推力を前記移動体のハウジングに伝達して当該移動体を前記ねじ軸の軸方向に移動させる動力伝達機構とを備え、
   　前記動力伝達機構は、複数の玉軸受と、前記複数の玉軸受にそれぞれ対応する複数のボールとを有し、
   　前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ねじ軸に対向した状態で、前記移動体のハウジングに前記ねじ軸の螺旋溝に沿って一定間隔でそれぞれ取付固定された外輪と、前記ねじ軸に対向する側面に前記複数のボールに接触する凹球面状の接触面がそれぞれ形成された内輪とを有し、当該各内輪が、前記ねじ軸の回転軸と直交する方向の回転軸を中心としてそれぞれ回転可能に配設されるとともに、前記複数のボールが、前記接触面とそれぞれ接触した状態で前記ねじ軸の螺旋溝内に隣接して一定間隔で配置されているボールねじ機構。
2. 　前記ねじ軸が中空構造のものである請求項１記載のボールねじ機構。
3. 　複数の前記動力伝達機構を有し、当該動力伝達機構の対応する一対のボール間の前記ねじ軸方向の距離が、当該一対のボールが配置された前記ねじ軸の螺旋溝間のピッチ数に相当する値から前記ねじ軸に前記ボールからの推力が作用した場合のバックラッシュに応じた値を減じた値となるように構成されている請求項１又は２のいずれか１項記載のボールねじ機構。
4. 　前記玉軸受及び前記ボールが、前記ねじ軸の１リード当たり三つ以上設けられている請求項１乃至３のいずれか１項記載のボールねじ機構。
5. 　前記玉軸受の玉の直径が４ｍｍである場合に、直径が８～１６ｍｍのボールを用いる請求項１乃至４のいずれか１項記載のボールねじ機構。
6. 　請求項１乃至４のいずれか１項記載のボールねじ機構と、
   　前記ボールねじ機構のねじ軸を回転可能に支持する一対の支持ブロックと、
   　前記ボールねじ機構のハウジングに取り付けられたテーブルと、
   　前記ボールねじ機構のねじ軸と平行に配置された直線状に延びる一対のガイドレール、及び前記テーブルに取り付けられるとともに前記ガイドレールに装着されて当該ガイドレールに沿ってそれぞれ直線移動する移動ブロックを有する直動機構とを有する直線移動装置。
7. 　前記直動機構は、前記ガイドレールが、当該ガイドレールに沿って直線状に延びるガイド溝を有するとともに、
   　前記移動ブロックは、前記ガイドレールの両側面に対向するように設けられたハウジングを有し、
   　前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ガイドレールのガイド溝に対向した状態で前記移動ブロックのハウジングに前記ガイドレールのガイド溝に沿って取り付けられるとともに、前記ガイド溝は断面が円弧状又はゴシックアーチ状に形成され、
   　前記複数の玉軸受は、それぞれ一方の側面が前記ガイドレールに対向した状態で、前記移動ブロックのハウジングに前記ガイド溝に沿って一定間隔でそれぞれ取付固定された外輪と、前記ガイドレールに対向する側面に前記複数のボールにそれぞれ接触する凹球面状の接触面が形成された内輪とを有し、当該各内輪が、前記ガイドレールの長手方向と直交する方向の回転軸を中心としてそれぞれ回転可能に配設されるとともに、前記複数のボールが、前記接触面とそれぞれ接触した状態で前記ガイドレールのガイド溝内に隣接して所定の間隔で配置されている請求項６記載の直線移動装置。

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