JP2005214218A - ボールねじ・ボールスプライン機構を備えた直動・回転機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールねじ・ボールスプライン機構を用いて、位置決め精度の高い直動・回転機構を構成すること。
【解決手段】 直動・回転機構１では、筒状ハウジング２内に、ボールねじ・ボールスプライン機構３と中空遊星減速機４が同軸状態に配置され、これらを貫通して駆動軸６が延びており、ボールねじナット７、ボールスプラインナット８、中空遊星減速機４および従動側プーリ５が駆動軸６の中心軸線１ａの方向に沿ってこの順序で配列されている。従動側プーリ５に入力した回転力は、中空遊星減速機４の中空回転軸２１に入力され、減速回転出力が後段内歯車３２から出力される。減速回転出力は、後段内歯車３２に連結固定されているボールスプラインナット８に伝達される。ボールねじナット７の回転を拘束しておけば、駆動軸６の送り動作を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ボールねじ・ボールスプライン機構を用いて駆動軸を直線運動および／または回転運動させる直動・回転機構に関するものである。

駆動軸を直線運動あるいは回転運動させる機構としては、ボールねじおよびボールスプラインを用いた機構が知られている。また、駆動軸の外周面にボールねじ溝とボールスプライン溝を交差する状態で形成し、当該駆動軸に、ボールねじ溝に係合するボールねじナットおよびボールスプライン溝に係合するボールスプラインナットを取り付けた構造のボールねじ・ボールスプライン機構が知られている（特許文献１、２参照）。

図６には、かかる構成のボールねじ・ボールスプライン機構を備えた直動・回転機構の一般的な構成を示してある。直動・回転機構１００は、モータ１０１の出力回転を減速する減速機１０２と、減速機回転出力をボールねじ・ボールスプライン機構１１０の側に伝達するためのベルト・プーリ伝達機構１２０とを有している。ボールねじ・ボールスプライン機構１１０は、ボールねじ溝１１１およびボールスプライン溝１１２が外周面に交差状態に形成されている駆動軸１１３と、この駆動軸１１３に取り付けたボールねじナット１１４およびボールスプラインナット１１５を備えている。ボールねじナット１１４は、サポートベアリング（図示せず）を介してその外側を覆っているハウジング１１６によって回転自在の状態で支持されており、ハウジング１１６は固定枠１１７に固定されている。同様に、ボールスプラインナット１１５も、不図示のサポートベアリングを介してその外側を覆っているハウジング１１８によって回転自在の状態で支持されており、このハウジング１１８も固定枠１１７に固定されている。

ボールねじ・スプライン機構１１０と、減速機１０２とは並列に配置されており、減速機の減速回転出力軸１０３には駆動側プーリ１０４が固定され、ボールねじ・スプライン機構１１０のボールスプラインナット１１５の端には従動側プーリ１０５が固定され、これら駆動側プーリ１０４および従動側プーリ１０５の間にタイミングベルト１０６が張架されている。なお、ボールねじナット１１４の端にも別の従動側プーリ１０７が固定されている。

モータ１０１を駆動すると、モータ出力回転が減速機１０２を介して減速されベルト・プーリ伝達機構１２０を介して、ボールねじ・ボールスプライン機構１１０のボールスプラインナット１１５に伝達される。ボールスプラインナット１１５が回転すると、駆動軸１１３が一体回転する。例えば、ボールねじナット１１４の側を回転しないように固定しておくと、駆動軸１１３は回転しながらその中心軸線１１３ａの方向に移動する。ボールスプラインナット１１５の回転方向および回転量を制御することにより、駆動軸１１３を所定のストロークで往復直線運動させることができる。
特公平７−９２６０号公報 特公平６−８４７７８号公報

従来の直動・回転機構は、モータ回転出力が減速機を介して減速された後に、ベルト・プーリ伝達機構を介して、モータおよび減速機に並列配置されているボールねじ・ボールスプライン機構の側に伝達されるレイアウトとなっている。したがって、ボールねじ・ボールスプライン機構に対する回転力伝達経路の最終段がベルト・プーリ伝達機構である。歯車列などの他の伝達機構に比べて、ベルト・プーリ伝達機構の位置決め精度は低く、また、ベルト剛性も低い。よって、大きな慣性負荷が作用するような場合には、駆動軸の位置決め精度が低下してしまう。

本発明の課題は、この点に鑑みて、大きな負荷が作用する場合であっても駆動軸を精度良く位置決め可能なボールねじ・ボールスプライン機構を備えた直動・回転機構を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の直動・回転機構は、
駆動軸と、
ボールねじ・ボールスプライン機構と、
中空遊星減速機と、
前記駆動軸を直線運動および／または回転させるための回転力が伝達される回転入力部材とを有し、
前記ボールねじ・ボールスプライン機構は、前記駆動軸の円形外周面に形成されたボールねじ溝およびボールスプライン溝と、前記ボールねじに係合しているボールねじナットと、前記ボールスプライン溝に係合しているボールスプラインナットとを備え、
前記ボールねじナット、前記ボールスプラインナット、前記中空遊星減速機および前記回転入力部材が同軸状態に配列され、前記駆動軸がこれらを貫通して延びており、
前記回転入力部材が前記中空遊星減速機の中空回転軸に連結され、
前記中空遊星減速機の減速回転出力要素が前記ボールスプラインナットに連結されていることを特徴としている。

ここで、前記駆動軸の中心軸線の方向に沿って、前記ボールねじナット、前記ボールスプラインナット、前記中空遊星減速機および前記回転入力部材を、この順序で配列することができる。この代わりに、前記中心軸線の方向に沿って、前記ボールねじナット、前記回転入力部材、前記中空遊星減速機および前記ボールスプラインナットの順に配列することもできる。

また、前記中空遊星減速機としては、
前記中空回転軸の外周面に形成した前段太陽歯車と、
前記前段太陽歯車の外側において前記中心軸線を中心として回転自在の状態で支持されているキャリアと、
前記キャリアに支持され、前記中心軸線に平行な方向に延びている複数の共通遊星軸と、
各共通遊星軸に回転自在の状態で支持され、前記前段太陽歯車にかみ合っている複数個の前段遊星歯車と、
前記前段遊星歯車にかみ合っている前段内歯車と、
各前段遊星歯車の隣接位置において各共通遊星軸に回転自在の状態で支持されている複数個の後段遊星歯車と、
前記後段遊星歯車にかみ合っている後段内歯車とを備え、
前記後段内歯車が前記ボールスプラインナットに連結された前記減速回転出力要素となっている構成のものを採用することができる。

次に、本発明の直動・回転機構は、上記構成に加えて、筒状ハウジングと、共通軸受とを有し、前記ボールスプラインナットおよび前記後段内歯車が、前記共通軸受を介して、回転自在の状態で前記筒状ハウジングによって支持されていることを特徴としている。

本発明の直動・回転機構は、中空遊星減速機がボールねじ・ボールスプライン機構に同軸状態に連結されている。ボールねじ・ボールスプライン機構への回転力伝達経路の最終段が剛性の高い遊星減速機であるので、従来のように最終段が剛性および位置決め精度の低いベルト・プーリ伝達機構である場合に比べて、駆動軸の位置決め精度を高めることができる。

また、ボールねじ・ボールスプライン機構のボールスプラインナットと遊星減速機の減速回転出力要素（後段内歯車）とを共通軸受を介して筒状ハウジングに支持する構成を採用した場合には、ボールスプラインナットおよび後段内歯車をそれぞれ別個の軸受を用いて支持している従来の機構に比べて、機構の小型・コンパクト化および低コスト化を図ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したボールねじ・ボールスプライン機構を備えた直動・回転機構の実施例を説明する。

図１は直動・回転機構を示す縦断面図であり、図２はそのボールねじ・ボールスプライン機構を示す説明図であり、図３（ａ）および（ｂ）はその中空遊星減速機の縦断面図および中心軸線方向から見た場合の概略構成図である。直動・回転機構１は、筒状ハウジング２と、この筒状ハウジング２内において同軸状態に連結されているボールねじ・ボールスプライン機構３および中空遊星減速機４と、この中空遊星減速機４に回転力を入力するための回転入力部材としての従動側プーリ５と、これらの各部分３、４、５を貫通して延びている駆動軸６とを有している。

ボールねじ・ボールスプライン機構３は、図１、２に示すように、ボールねじナット７と、ボールスプラインナット８と、駆動軸６の円形外周面に形成したボールねじ溝９およびボールスプライン溝１０とを備えている。ボールねじ溝９は、駆動軸６の外周面において所定のリードピッチで形成されており、複数本のボールスプライン溝１０が駆動軸６の円形外周面において、駆動軸６の中心軸線１ａの方向に直線状に形成されている。ボールねじナット７は、ボールねじ溝９に係合するようにボールが転動自在の状態で配列されている無限軌道溝を備えており、当該ボールねじナット７は左右一対のサポートベアリング１１、１２を介して円筒状ハウジング１３の内周面に回転自在の状態で支持されている。円筒状ハウジング１３は、その外周面に形成した大径の取付フランジ１３ａが筒状ハウジング２に固定されている。

ボールスプラインナット８は、ボールスプライン溝１０に係合するようにボールが転動自在の状態で配列されている無限軌道溝を備え、当該ボールスプラインナット８は、左右一対のサポートベアリング１５、１６を介して円筒状ハウジング１７の内周面に回転自在の状態で支持されている。円筒状ハウジング１７の外周面には大径の取付フランジ１７ａが形成されており、この取付フランジ１７ａが筒状ハウジング２に固定されている。

中空遊星減速機４は、図１、３に示すように、中空回転軸２１を備え、この中空回転軸２１の内側の中空部２１ａには、駆動軸６が回転およびスライド自在の状態で貫通している。中空回転軸２１の外周面には前段太陽歯車２１ｂが一体形成されている。前段太陽歯車２１ｂが形成されている中空回転軸２１の部分を取り囲む状態で、キャリア２２が中空回転軸２１と同心状態に配置されている。キャリア２２は左右の軸受２４、２５を介して、中空回転軸２１の外周面に回転自在の状態で支持されている。また、キャリア２２は、左右一対の円環状のキャリア片２２ａ、２２ｂと、これらの間に配置されたスペーサリング２２ｃと、これらの三部材を締結固定している締結ボルト２２ｄとを備えている。

キャリア２２における左右のキャリア片２２ａ、２２ｂの間には、円周方向に一定の角度間隔、本例では９０度の角度間隔で、４本の共通遊星軸２６が架け渡されている。各共通遊星軸２６には、前段遊星歯車２７および後段遊星歯車２８が回転自在の状態で並列配置された状態で支持されている。本例では、これら前段遊星歯車２７および後段遊星歯車２８は単一の歯車部材の外周面に歯部を形成した構成となっている。

前段遊星歯車２７は、それらの外側を取り囲む状態に配置された前段内歯車３１にかみ合っている。前段内歯車３１は大径の取り付けフランジ３１ａを備え、この部分が筒状ハウジング２に固定されている。後段遊星歯車２８も、それらの外側を取り囲む状態に配置された後段内歯車３２にかみ合っている。この後段内歯車３２には、駆動軸６が通っている中心貫通孔を備えた円盤状部分３２ｂが一体形成されており、この円盤状部分３２ｂが、円環状連結部材３３を介してボールスプラインナット８に同軸状態で連結固定されている。

次に、筒状ハウジング２は、ボールねじ・ボールスプライン３を覆っている筒状部４１と、中空遊星減速機４を覆っている筒状部４２およびエンドキャップ４３とを備えている。筒状部４１の端面４１ａには、固定ボルト４４によってボールねじナット７の筒状ハウジング１３の取付フランジ１３ａが締結固定されている。筒状部４１と筒状部４２は、ボールスプラインナット８の円筒状ハウジング１７の取付フランジ１７ａを挟み、締結ボルト４５によって同軸状に締結固定されている。筒状部４２の開口端部はエンドキャップ４３によって封鎖されており、これら筒状部４２およびエンドキャップ４３は、中空遊星減速機４の前段内歯車３１の取付フランジ３１ａを挟み、締結ボルト４６によって同軸状に締結固定されている。

エンドキャップ４３は円環状のエンドプレート部分４３ａを備え、その貫通孔内周面が軸受４７を介して中空回転軸２１の一方の端部を回転自在の状態で支持している。中空回転軸２１の他方の端部は、軸受４８を介して、後段内歯車３２の円環状部分３２ｂの内周面によって回転自在の状態で支持されている。後段内歯車３２は、ボールスプラインナット８に連結固定されており、ボールスプラインナット８は回転軸受１５、１６を介して円筒状ハウジング１７によって回転自在の状態で支持されている。したがって、回転軸受１５、１６は、ボールスプラインナット８および後段内歯車３２の共通軸受として機能している。

一方、中空遊星減速機４の中空回転軸２１はエンドキャップ４３のエンドプレート部分４３ａから外方に突出しており、突出している端部２１ｃの外周面には大径の取付フランジ４９が固着されており、ここに、同軸状態で、従動側プーリ５が締結固定されている。

この構成の直動・回転機構１では、モータなどの回転駆動源からベルト・プーリ機構を介して、従動側プーリ５に回転力が伝達されると、中空遊星減速機４によって入力回転が減速され、減速回転出力が後段内歯車３２から出力される。後段内歯車３２はボールねじ・ボールスプライン機構３のボールスプラインナット８に連結固定されているので、減速回転出力がボールスプラインナット８に伝達され、これが減速回転する。

駆動軸６はボールスプラインナット８に対してボールスプライン結合しているので、ボールスプラインナット８と一体回転し、中心軸線１ａの方向への移動は自由となっている。また、駆動軸６はボールねじナット７に対してボールねじ結合しているので、ボールねじナット７の回転が拘束された状態で駆動軸６が回転すると、駆動軸６は中心軸線１ａの方向に直線運動する。ボールねじナット７が回転自在の場合には、駆動軸６が回転すると、ボールねじナット７が駆動軸６と一体回転し、駆動軸６の送り動作は行われない。

したがって、ボールねじナット７の回転を拘束しておけば、駆動軸６は回転しながら中心軸線１ａの方向に移動する。ボールスプラインナット８の回転方向および回転量を制御することにより、駆動軸６を所定のストロークで往復直線運動させることができる。ボールねじナット７を回転自在の状態にすれば、駆動軸６は直線運動することなく、単に回転運動のみを行う。

（その他の実施の形態）
図４は、直動・回転機構１の変形例を示す縦断面図である。この図に示す直動・回転機構１Ａの基本構成は直動・回転機構１と同様であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

本例の直動・回転機構１Ａは、中心軸線１ａの方向に沿って、ボールねじナット７、入力回転部材である従動側プーリ５、中空遊星減速機４およびボールスプラインナット８がこの順序に配列された構成となっている。

このように、直動・回転機構１Ａでは、ボールねじナット７とボールスプラインナット８の間に、従動側プーリ５および中空遊星減速機４が配置されている。筒状ハウジング２Ａは、筒状部材５１、５２、５３および５４を同軸状態で中心軸線１ａの方向に沿ってこの順序で連結固定した構造とされ、一方の側において、筒状部材５１の端面５１ａにボールねじナット７の取付フランジ１３ａが固定され、他方の側において、筒状部材５３と５４の間にボールスプラインナット８の取付フランジ１７ａを挟んだ状態でこれらが締結固定されている。さらに、筒状部材５２には、内側に突出した支持フンラジ５２ａが形成され、この内周面が、軸受４７を介して、中空回転軸２１の一方の端部を回転自在の状態で支持している。

中空遊星減速機４の中空回転軸２１は支持フランジ５２ａからボールねじナット７の側に突出した端部２１ｄを備えており、この外周面部分に取付フランジ４９が固着され、この取付フランジ４９に従動側プーリ５が同軸状態で固定されている。従動側プーリ５に対峙している円筒部材５１には、従動側プーリ５に架け渡されるベルト（図示せず）を通すための開口部５１ｂが形成されている。なお、この構成の直動・回転機構１Ａの動作は、前述の直動・回転機構１と同様である。

次に、図５には中空遊星減速機４の変形例を示してある。この図に示す中空遊星減速機４Ａの基本構成は中空遊星減速機４と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。

本例の中空遊星減速機４Ａでは、後段内歯車３２が、クロスローラベアリング６０によって回転自在の状態で支持された構造となっている。クロスローラベアリング６０は、後段内歯車３２の円環状部分３２ｂに固定された内輪６１と、ハウジング２の一部として機能する外輪６２と、これらの間に転動自在の状態で挿入したローラ６３とを備えている。内輪６１が、ボールスプラインナット８（図示せず）に同軸状態で連結固定される。

この構成の中空遊星減速機４Ａでは、減速回転出力要素である後段内歯車３２を支持するための減速機出力軸受としてクロスローラベアリング６０を使用している。前述の中空遊星減速機４では、減速機出力軸受を、ボールスプラインナット８の回転軸受１５、１６で代用させているので、小型コンパクト化および低コスト化には有利である。これに対して、本例の中空遊星減速機４Ａは、クロスローラベアリング６０を用いているので、高負荷が作用する用途に適している。

本発明を適用した直動・回転機構の縦断面図である。 図１の機構に組み込まれているボールねじ・ボールスプライン機構を示す説明図である。 図１の機構に組み込まれている中空遊星減速機の縦断面図および遊星歯車の配列状態を示す説明図である。 図１の直動・回転機構の変形例を示す縦断面図である。 図３の中空遊星減速機の変形例を示す縦断面図である。 ボールねじ・ボールスプライン機構を備えた直動・回転機構の一般的な構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 直動・回転機構
１ａ 中心軸線
２ 筒状ハウジング
３ ボールねじ・ボールスプライン機構
４ 中空遊星減速機
５ 従動側プーリ（回転入力部材）
６ 駆動軸
７ ボールねじナット
８ ボールスプラインナット
９ ボールねじ溝
１０ ボールスプライン溝
１５、１６ 回転軸受（共通軸受）
２１ 中空回転軸
２１ａ 中空部
２２ キャリア
２６ 遊星軸
２７ 前段遊星歯車
２８ 後段遊星歯車
３１ 前段内歯車
３２ 後段内歯車
６０ クロスローラベアリング

Claims (5)

1. 駆動軸と、
   ボールねじ・ボールスプライン機構と、
   中空遊星減速機と、
   前記駆動軸を直線運動および／または回転させるための回転力が伝達される回転入力部材とを有し、
   前記ボールねじ・ボールスプライン機構は、前記駆動軸の円形外周面に形成されたボールねじ溝およびボールスプライン溝と、前記ボールねじに係合しているボールねじナットと、前記ボーススプライン溝に係合しているボールスプラインナットとを備え、
   前記ボールねじナット、前記ボールスプラインナット、前記中空遊星減速機および前記回転入力部材が同軸状態に配列され、前記駆動軸がこれらを貫通して延びており、
   前記回転入力部材が前記中空遊星減速機の中空回転軸に連結され、
   前記中空遊星減速機の減速回転出力要素が前記ボールスプラインナットに連結されている直動・回転機構。
2. 請求項１において、
   前記ボールねじナット、前記ボールスプラインナット、前記中空遊星減速機および前記回転入力部材が、前記駆動軸の中心軸線の方向に沿って、この順序で配列されている直動・回転機構。
3. 請求項１において、
   前記ボールねじナット、前記回転入力部材、前記中空遊星減速機および前記ボールスプラインナットが、前記駆動軸の中心軸線の方向に沿って、この順序で配列されている直動・回転機構。
4. 請求項１、２または３において、
   前記中空遊星減速機は、
   前記中空回転軸の外周面に形成した前段太陽歯車と、
   前記前段太陽歯車の外側において前記中心軸線を中心として回転自在の状態で支持されているキャリアと、
   前記キャリアに支持され、前記中心軸線に平行な方向に延びている複数の共通遊星軸と、
   各共通遊星軸に回転自在の状態で支持され、前記前段太陽歯車にかみ合っている複数個の前段遊星歯車と、
   前記前段遊星歯車にかみ合っている前段内歯車と、
   各前段遊星歯車の隣接位置において各共通遊星軸に回転自在の状態で支持されている複数個の後段遊星歯車と、
   前記後段遊星歯車にかみ合っている後段内歯車とを備え、
   前記後段内歯車が前記ボールスプラインナットに連結された前記減速回転出力要素である直動・回転機構。
5. 請求項４において、
   筒状ハウジングと、
   共通軸受とを有し、
   前記ボールスプラインナットおよび前記後段内歯車は、前記共通軸受を介して、回転自在の状態で前記筒状ハウジングによって支持されている直動・回転機構。

Images