(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状のボールねじ溝を外周面に有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有しかつ該ねじ軸のまわりを回転するボールナットと、前記ねじ軸のボールねじ溝と前記ボールナットのボールねじ溝との間に転動自在に嵌合される転動体とを備え、前記ねじ軸に冷却機構を設けると共に、前記ねじ軸に中空部を設け、該中空部に前記ダンパーを挿入してなり、前記ダンパーは、前記中空部の内壁と間隙を有して、前記ねじ軸と同芯に保持され、前記冷却機構は、冷却剤が前記間隙を前記ねじ軸の軸方向に通過させるように構成されたことを特徴とする、ナット回転型ボールねじ装置。
【請求項２】
螺旋状のボールねじ溝を外周面に有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有しかつ該ねじ軸のまわりを回転するボールナットと、前記ねじ軸のボールねじ溝と前記ボールナットのボールねじ溝との間に転動自在に嵌合される転動体とを備え、前記ねじ軸に冷却機構を設けると共に、前記ねじ軸に中空部を設け、該中空部に前記ダンパーを挿入してなり、前記ダンパーは、前記ねじ軸の軸方向に中空穴を有し、前記冷却機構は、冷却剤が前記中空穴を前記ねじ軸の軸方向に通じるように構成されたことを特徴とする、ナット回転型ボールねじ装置。
【請求項３】
前記ダンパーを前記ねじ軸に保持する保持手段を複数設け、この保持手段には前記冷却剤が通過できるように前記ねじ軸の方向に複数の通過穴を設けるとともに、前記保持手段が前記ダンパーを支持するための支持スパンを、当該ダンパーの固有振動数が前記ねじ軸の固有振動数に近づけるように調整した請求項１または請求項２記載のナット回転型ボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はボールねじ装置に関し、特に、工作機械の高速送りの駆動用に使用され、高速化・高精度化を実現したボールねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ボールねじ装置としては、例えば、実公平６−１１４３３号公報に開示されるように、螺旋溝を有するねじ軸に、鋼球等の転動体を介してナットが螺合されているチューブ式ボールねじを用いたものが知られている。上記ナットの内面にはねじ軸の螺旋溝に対応させた螺旋溝が設けられている。そして、ねじ軸又はナットが回転することにより、ボールが両螺旋溝内を転動しつつ移動し、ナットがねじ軸に沿って直線移動するようになっている。
【０００３】
上記のようなボールねじ装置において、高速回転で送りを行うと、発熱量が増加し温度上昇を引き起こし、ねじ軸が膨張し、送り方向の精度に悪い影響を与える。また、ナット回転・軸固定（回転しない）の場合は、軸回転と比べてねじ軸からの放熱効果が小さく、温度上昇が大きくなるという問題があった。さらに、ねじ軸の両端を機台に固定してしまうと、ねじ軸の熱膨張が大きい場合には機台を変形させてしまうという問題があり、一端を軸方向にスライドできる支持構造とする例が多い。この支持構造は、送り方向の剛性が低下するという問題がある。このため、ボールねじ装置を高速回転で使用することは困難であった。
【０００４】
また、転動体としてセラミックス材からなるボールを用いた場合、線膨張係数が小さいため温度上昇による膨張が小さくなるとともに、その比重が小さいことから、軸方向の位置決め精度を高めるための予圧の増加が充分とならない。また、転動体の線膨張係数が金属製のボールねじ軸・ボールナットのそれに対して小さいので、高速送りを行うと、ボールねじ内部にすきまを生じやすくなり予圧がなくなる等の問題があり、この結果、ボールねじ装置の位置決め精度が悪化することがあった。
【０００５】
さらに、最近は工作機械が高速化され、送り速度を６０ｍ／分、加速度を１〜１．５Ｇ程度とすることが可能となってきている。しかし、高速化が可能になっても、ねじ軸が短くストロークが短い場合は、図１に示すように、回転の立ち上げと立ち下げでストロークいっぱいになってしまい、送り速度の高い時間をあまり長くすることができないので、有効ストロークが短い場合には、高速化のメリットが十分に生かされない。ストロークの長い場合には、図２に示すように高い送り速度の時間割合いが大きくなり、高速化のメリットが生きてくるが、ストロークを長くすると、ねじ軸の固有振動数が低下するため、危険速度が低下し、高速回転の送りができなくなるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような課題を解決し、ボールねじ装置において、高速回転における温度上昇を防ぐこと、及び高速回転における高精度化・高剛性化を実現することを目的とする。また、高速回転の効果を高く発揮する長ストローク化を可能とすること、及びストロークを長くして固有振動数が低下しても、高速回転が可能なボールねじ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これらの目的を達成するために、本発明のボールねじ装置は、螺旋状のボールねじ溝を外周面に有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有しかつ該ねじ軸のまわりを回転するボールナットと、前記ねじ軸のボールねじ溝と前記ボールナットのボールねじ溝との間に転動自在に嵌合される転動体とを備え、前記ねじ軸に冷却機構を設けた、ナット回転型ボールねじ装置であることを特徴とする。
【０００８】
また、前記冷却機構は、前記ねじ軸に中空を設け、この中空に冷却剤を通じることを特徴とするものでもよい。
【０００９】
また、前記ねじ軸に中空を設け、該中空にダンパーを挿入したものでもよい。
【００１０】
さらに、前記ダンパーは、前記ねじ軸の中空の内壁との間に径方向に間隙を有し、前記冷却機構は、冷却剤が前記間隙を軸方向に通じることを特徴とするものでもよい。
【００１１】
更にまた、前記ダンパーは、軸方向に中空穴を有し、前記冷却機構は、冷却剤が前記ダンパーの中空穴を軸方向に通じることを特徴とするものでもよい。
【００１２】
本発明は、ナット回転型ボールねじ装置においてねじ軸に冷却機構を設けたために、簡単な構造でねじ軸中空冷却ができるようになり、高速回転における温度上昇によるねじ軸の熱膨張を防ぎ、高精度な送りが可能となった。また、軸中空部分にダンパーを付加することにより、高速回転の効果を高く発揮する長ストロークにおいてもねじ軸の危険速度の問題を回避し、工作機械の高速送りや切削送りのさらなる高速化が可能となった。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。図３は、本発明の一実施形態におけるナット回転型ボールねじ装置の正面一部断面図、図４は、本発明の別の実施形態におけるナット回転型ボールねじ装置の正面一部断面図、図５は、ねじ軸駆動型のボールねじ装置において軸中空冷却を行った例の正面一部断面図である。
【００１４】
（１）第１実施形態
図３に示したボールねじ装置３は、ねじ軸１、ねじ軸１のまわりに回転可能なボールナット２、及び冷却装置Ｒ１を含む冷却機構を備えている。ねじ軸１は、その両端付近を基台５に対して固定される。また、スライドテーブル６は、取付けハウジング８を介してボールナット２に支持され、ねじ軸１の軸方向と平行に移動自在となっている。これらボールねじ装置３、基台５、スライドテーブル６によりテーブル駆動装置が構成される。
【００１５】
ねじ軸１は、螺旋状のボールねじ溝７を外周面に有している。ボールナット２はほぼ円筒状に形成されており、ねじ軸１のボールねじ溝７に対向するボールねじ溝（図示せず）を内周面に有し、ボール循環チューブ１０が設けられている。そして、多数の転動体（ボール）が、ねじ軸１のボールねじ溝７とボールナット２のボールねじ溝との間に転動自在に嵌合される。ボールナット２を回転させる駆動モーター９が、取付けハウジング８に対して固定される。モーター９のプーリーとボールナット２のプーリーはベルト１１で連結されている。
【００１６】
ねじ軸１には、軸方向に貫通する中空１ｓが設けられている。中空１ｓは、その一端が流入パイプ１ｉ、他端が排出パイプ１ｏに接続されており、これら流入パイプ１ｉ及び排出パイプ１ｏは、導通管１ｔを経て冷却装置Ｒ１に接続されている。これらねじ軸１の中空１ｓ、流入パイプ１ｉ、排出パイプ１ｏ、導通管１ｔ、及び冷却装置Ｒ１により、冷却機構が構成される。
【００１７】
上記ボール、ねじ軸１、ボールナット２は、それぞれ鋼製である。ただし、ボールを比重が小さく線膨張率の小さいセラミック製とすることも可能である。
【００１８】
このようなナット回転型ボールねじ装置において、駆動モーター９によりボールナット２がねじ軸１のまわりに回転すると、ねじ軸１及びボールナット２のボールねじ溝内をボールが転動しながら進む。ボールがボールねじ溝内を所定回数まわると、このボールはボール循環チューブ１０の一端からすくい上げられて、チューブ１０を通過してチューブ１０の他端からボールねじ溝内に戻るようになっている。ボールナット２の回転により、ボールがボールねじ溝内を転動しつつ移動する過程で、ボールナット２及びこれに支持されたスライドテーブル６が直線運動することになる。
【００１９】
本実施形態の冷却機構は、ねじ軸１の中空１ｓに、水、油等からなる冷却剤を通じることによりボールねじ装置全体の冷却を行うものである。すなわち、冷却装置Ｒ１から供給された冷却剤は流入パイプ１ｉからねじ軸１の中空１ｓ内に導入され、ねじ軸内部を通過しボールねじ全体を冷却しつつ、排出パイプ１ｏから排出され、冷却装置Ｒ１に戻り再び循環使用される。
【００２０】
なお、ここで、ボールナットの駆動方法は、ここではボールナット２に駆動モータ９を接続してその動力により駆動する構成となっているが、本発明はこれに限らず、中空モータの回転子でボールナットそのものを構成し、これを直接駆動しても良い。
【００２１】
本実施形態では、ねじ軸１の中空に冷却剤を通じることにより、ボールねじ装置全体の温度上昇を低く抑え、ねじ軸の熱変位を抑え、ボールねじ装置を高精度化することができる。なお、本実施形態ではボールを鋼製としたが、ボールをセラミックス製とした場合には、セラミックス材料の線膨張係数が小さいために生じるボールねじ装置の内部すきまの変化を抑制し、高い位置決め精度を達成することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、ボールナット回転型のボールねじ装置のねじ軸に冷却機構を設けるので、簡単な構造で冷却装置を設けることができる。
【００２３】
（２）第２実施形態
図４は、本発明の第２実施形態によるボールねじ装置３′を示している。図４において、ボールねじ装置の概略構成は、上記図３に示す第１実施形態とほぼ同様であるが、本実施形態においては、ねじ軸１の中空１ｓの中に、更にダンパー（ないし制振質量体）４が挿入されている。以下では、図３に示す第１実施形態と共通する部分は同一の符号で示し、その説明を適宜省略する。
【００２４】
ダンパー４は、ねじ軸１の中空１ｓの軸方向長さにほぼ近い長さを有する。ダンパー４には複数の保持手段４ａ、４ｂが備えられ、これによりダンパー４はねじ軸の中空１ｓの内壁面とわずかな間隙を有してねじ軸１と同芯に保持される。このダンパー４とねじ軸１との間隙を、冷却剤が軸方向に通過することができる。
【００２５】
保持手段４ａ、４ｂは、例えば金属又はゴム等の環状材で構成され、冷却剤が通過できるようにねじ軸１の軸方向に複数の通過穴（図示せず）が設けられる。
【００２６】
保持手段はダンパー４の両端を含めて３つ以上設けることもでき、その支持スパンを調整可能にすることにより、ダンパー４の固有振動数をねじ軸１の固有振動数に近づけ、大きな制振効果を発揮させることができる。また、種々の間隔を置いてダンパー４に保持手段を設けることにより、複数の固有振動数を有するものとし、ボールナット２の移動に伴いねじ軸２のラジアル方向の固有振動数が変化しても、ダンパー４の固有振動数のいずれかと近接することとなって広範囲の周波数領域に対応できるようにすることができる。
【００２７】
なお、ここではねじ軸１の中空１ｓの内壁面とダンパー４との間隙を冷却剤が通過することによってボールねじ装置３を冷却する例を説明したが、本発明はこれに限らず、例えばダンパー４に軸方向の中空穴を設けて円筒形とし、この中空穴に冷却剤を通過させても良い。
【００２８】
以上説明した第２実施形態は、冷却システムを備えたことにより温度上昇を抑えることができ、ダンパーを設けたことにより振動を大幅に減らすことができるようになったので、ボールねじ装置における更なる高速運転が可能となった。特に、ねじ軸を長くして危険速度が低下しても、その振動を減らすことによって危険速度以上の運転が可能となった。また、第２実施形態によれば、長ストローク化が可能となったので、図２に示すように高速駆動の時間を長く取ることができるため、高速運転の効果がより高く発揮できるようになった。
【００２９】
なお、図５に示すように、ねじ軸回転型のボールねじ装置にも上記のような冷却装置を設けることは可能である。但し、この場合は、流入パイプ及び排出パイプに対してねじ軸が水密でかつ回転可能に連結させる必要がある。本発明のようにナット回転型のボールねじ装置であれば、ねじ軸１は回転しないので、流入パイプ１ｉ及び排出パイプ１ｏは、ねじ軸１に対して水密に固定すれば良い。そのため、ナット回転型の場合の方が簡単な構造とすることができる。
【００３０】
また、本発明ではねじ軸側から冷却しているが、更にボールナット側からも冷却することが可能である。但し、本発明では、ボールナット側はねじ軸のまわりを回転するので、ねじ軸側にのみ冷却機構を設ける方が簡単な構造で済む。なお、ボールナット側からはオイルエア，オイルミスト潤滑で冷却効果を付与することもできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は、ナット回転型ボールねじ装置においてねじ軸に冷却機構を設けたために、簡単な構造でねじ軸中空冷却ができるようになり、高精度・高剛性な送りが可能となった。また、高速回転の効果を高く発揮する長ストローク化を可能とすること、及びストロークを長くして固有振動数が低下しても、高速回転が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストロークが短い場合の高速立ち上げパターンを表したグラフである。
【図２】ストロークが長い場合の高速立ち上げパターンを表したグラフである。
【図３】本発明の一実施形態におけるナット回転型ボールねじ装置の正面一部断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態におけるナット回転型ボールねじ装置の正面一部断面図である。
【図５】ねじ軸駆動型のボールねじ装置において軸中空冷却を行った場合の正面一部断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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