JPH06113570A

JPH06113570A - 直動装置

Info

Publication number: JPH06113570A
Application number: JP4260251A
Authority: JP
Inventors: Kinya Emoto; 欣也江本
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】直動装置としての性能が低下することなく、
機構を簡略化し、耐久性能を向上させ、かつ静粛性と省
電力を達成する。【構成】螺旋状に連続するボール転走溝の形成された
ねじ軸と、ボール転走溝を転走するボールを装填し、該
ボールが前記ボール転走溝を転走することで前記ねじ軸
の軸方向に移動自在にねじ軸に取り付けられたスライド
ナットと、略円柱状であって、その軸方向に振動する第
１の圧電素子と周方向に振動する第２の圧電素子を有
し、前記ねじ軸を回転軸として前記スライドナットを回
転させる超音波モータとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は各種研削盤、旋盤や搬送
機、またはプリンタ等に使用される直動装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】各種研削盤、旋盤や搬送機、またはプリ
ンタ等における直動システムの駆動の為に各種直動装置
が使用されている。中でも、ボールねじを利用した直動
装置は、ねじ軸とスライドナットがボールを介してころ
がり接触しているので高い伝達効率が得られる。しか
も、簡単な潤滑で高速回転に耐え、耐摩耗性も優れるこ
とから機械の高速化、メンテナンスフリーを可能とする
ものである。図４に、ボールねじを利用した直動装置を
使用した搬送機の一例を示す。搬送機１０は、基台１２
と、基台１２の端部に形成された側板１３と、基台１２
の長手方向に沿って形成されるガイドレール１４，１４
と、ガイド１６，１６，１６，１６を介してガイドレー
ル１４上を移動する平板状のスライダ１８と、スライダ
１８を移動させる駆動力を発生する直動装置２０とから
概略構成される。搬送機としては、スライダ１８にさら
にこれと連動する搬送板を設けたり、またはスライダ１
８自体を搬送板として使用する。直動装置２０は、ガイ
ドレール１４と平行に設けられるねじ軸２２と、ねじ軸
２２に設けられるスライドナット２４と、スライドナッ
ト２４を回転させる電磁モータ２６とからなる。直動装
置２０を図５を参照して詳説する。スライドナット２４
は円筒状で、その中心部を軸方向にねじ軸２２が貫通し
ている。スライドナット２４の内部には、複数のボール
２８，２８，・・・が中をころがり動くボールチューブ３
０が設けられ、ボール２８は、螺刻されたねじ軸２２の
ボール転走溝５２とボールチューブ３０内を循環するよ
うになっている。スライドナット２４はベアリング３４
を介して回転自在に支持板３６に支持されており、支持
板３６はスライダ１８の下面に固定されている。スライ
ダ１８には電磁モータ２６が固定され、電磁モータ２６
はロータ３２を介してスライドナット２４をねじ軸２２
を回転軸として回転させる。

【０００３】この構成の直動装置２０及び直動装置２０
を設けた搬送機１０において、電磁モータ２６を作動さ
せてスライドナット２４の外周面に接触しているロータ
３２を回転させるとことで、スライドナット２４がねじ
軸２２を中心に回転する。スライドナット２４が回転す
ると、スライドナット２４が内部に装填したボール２８
がねじ軸２２のボール転走溝５２及びボールチューブ３
０内を転がり、循環する。ボール２８は順々とねじ軸２
２のボール転走溝５２を軸方向に荷重を受けながら転動
することとなり、スライドナット２４はねじ軸２２に沿
って移動する。従って、スライドナット２４を回転自在
に支持する支持板３６もねじ軸２２の軸方向に移動する
ことから、これが固定されているスライダ１８がねじ軸
２２の軸方向に直線的に移動することとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記直
動装置２０は、スライドナット２４を電磁モータ２６に
よって回転させることから、スライドナット２４を回転
させる際に駆動力の伝達ロスが大きく、また図５には示
さなかったが、実際にはギヤ機構を有することから、直
動装置２０として機構が複雑化し、部品点数が増えると
共に大型化してしまい、さらにはコストアップの要因に
もなるものであった。さらに、摩耗も激しく、耐久性能
にも乏しいものであった。また、スライダ１８が静止し
ている場合において、スライダ１８が動かないようにす
るために、スライドナット２４を回転しないようにして
いる。その為に、電磁モータ２６には電圧を印加して保
持力を生じさせている。このスライダ１８が静止固定し
ている時にも電磁モータ２６に電圧を印加することは非
常に無駄なエネルギを消費してしまっているものであっ
た。

【０００５】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、直動装置としての性能が低下することなく、
機構を簡略化し、耐久性能を向上させ、かつ静粛性と省
電力を達成する直動装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の直動装置は、
（１）螺旋状に連続するボール転走溝の形成されたねじ
軸と、（２）前記ボール転走溝を転走するボールを装填
し、該ボールが前記ボール転走溝を転走することで前記
ねじ軸の軸方向に移動自在にねじ軸に取り付けられたス
ライドナットと、（３）略円柱状であって、その軸方向
に振動する第１の圧電素子と周方向に振動する第２の圧
電素子を有し、前記ねじ軸を回転軸として前記スライド
ナットを回転させる超音波モータとを備えたことを特徴
とするものである。

【０００７】

【作用】本発明の直動装置は、超音波モータによってス
ライドナットをねじ軸を回転軸として回転させること
で、スライドナットに装填されたボールがねじ軸に螺刻
されたボール転走溝を軸方向の荷重を受けながら転動
し、循環し、もってスライドナット自体がねじ軸の軸方
向に直線運動するものである。超音波モータに、軸方向
に振動する第１の圧電素子と周方向に振動する第２の圧
電素子を有してなる複合振動子形超音波モータを使用
し、その中心を軸方向に貫通する貫通孔にねじ軸を緩挿
することで該超音波モータをねじ軸に取り付けることが
でき、取付スペースを非常に小さくすることができ、飛
躍的な小型化が可能となる。超音波モータの圧接面に圧
接されているスライドナットを直接回転させることか
ら、駆動力の伝達機構が簡易で、駆動力の伝達ロスが小
さく、また耐久性が高い。さらには超音波モータの特性
上、分解能も非常に高い。また、スライドナットには超
音波モータが常時圧接しているので、超音波モータの駆
動時でなくとも、即ち、電圧を印加せずとも、スライド
ナットの自由な回転は抑制される。従って、スライドナ
ットを固定するための電圧印加を必要とせず、省エネル
ギを図ることができる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本
発明の一実施例である直動装置を図１，２を参照して説
明する。直動装置３８は、ねじ軸２２とスライドナット
２４と超音波モータ４４とから概略構成されている。

【０００９】ねじ軸２２は図４に示されているような、
スライダ１８の移動方向に沿った円柱状の軸であって、
螺旋状に連続するボール転走溝５２が螺刻されている。
ボール転走溝５２は、転造による製法が加工精度が高く
好ましい。

【００１０】スライドナット２４は、樹脂、合金などか
らなる円筒状の部材で、その軸方向に形成された内部孔
をねじ軸２２が貫通している。また、スライドナット２
４は複数のボール２８を装填し、スライドナット２４を
ねじ軸２２に取り付けることで、ボール２８はねじ軸２
２のボール転走溝５２内にその各ボールの半分程が入り
込む。さらに、スライドナット２４にはボール２８が内
部を転走するボールチューブ３０が設けられており、ボ
ール２８はスライドナット２４の内部に位置するボール
転走溝５２とボールチューブ３０内を循環するようにな
っている。スライドナット２４は複数のボール２８を介
してねじ軸２２と接触することになり、スライドナット
２４は滑らかにねじ軸２２を回転軸として回転する。尤
も、スライドナット２４が回転するためにはボール２８
がボール転走溝５２とボールチューブ３０内を転がり動
くことが必要である。スライドナット２４の両端部には
ブラシレール５６，５６が設けられている。ブラシレー
ル５６はねじ軸２２のボール転走溝５２を清掃し、ボー
ル２８に異物が接触するのを防ぐ防塵機能をもつもので
ある。スライドナット２４にはベアリング８８を介して
回転自在に円環板３６が設けられ、円環板３６はスライ
ドナット２４を支持している。円環板３６は後述するケ
ース６０に固定された支持棒６６に軸方向に移動自在に
支持されている。従って、スライドナット２４はベアリ
ング８８，円環板３６、支持棒６６を介してケース６０
に支持されている。

【００１１】超音波モータ４４は、中空のステータホル
ダ４８とステータヘッド４６と第１圧電素子４０と第２
圧電素子４２とステータボトム５０とで構成されてい
る。ステータヘッド４６の端面である圧接面７２はスラ
イドナット２４に当接している。ステータホルダ４８は
その中心を軸方向に貫通する貫通孔７０が形成されてお
り、その貫通孔７０にねじ軸２２を緩挿して超音波モー
タ４４はねじ軸２２に取り付けられる。ステータホルダ
４８には、超音波モータ４４の振動の節部の位置に、外
方に突出するフランジ４９が形成されている。第１圧電
素子４０，第２圧電素子４２は環状であって、ＰＺＴ
（ジルコン酸チタン酸鉛）を素材とする積層型圧電アク
チュエータあるいは単板の圧電セラミックが使用され
る。これら圧電素子４０，４２は高周波電流を発生する
図示しない電源装置と接続されており、所定の交流電圧
が印加されることで、第１圧電素子４０は超音波モータ
４４の軸方向に振動し、第２圧電素子４２は超音波モー
タ４４の周方向に振動し、これらの振動が組み合わされ
ることでなる合波によって、超音波モータ４４の圧接面
７２に圧接するスライドナット２４を回転させる。圧接
面７２とスライドナット２４の端面７３の間には必要に
応じて摩擦材が介在される。摩擦材は圧接面７２、また
は端面７３、またはその両面に貼着される。また、圧接
面７２とスライドナット２４の間に、リング状でスライ
ドナット２４と連動するロータを介在させても良い。こ
の場合、超音波モータ４４で駆動力を発生させると、そ
の圧接面７２に押圧されているロータが回転し、さらに
回転するロータと連動してスライドナット２４が回転す
ることになる。

【００１２】超音波モータ４４とスライドナット２４は
ケース６０内に収容されている。ケース６０の両端面に
はケース貫通孔６２，６４が形成され、そのケース貫通
孔６２，６４をねじ軸２２が貫通している。ケース６０
には、その内壁に沿って支持棒６６が設けられ、支持棒
６６はナット６８でケース６０に固定されている。支持
棒６６は、円環板３６に形成されている環板貫通孔５４
を貫通し、さらにフランジ４９に形成されている孔に嵌
合し、超音波モータ４４は支持棒６６でケース６０に支
持固定されている。支持棒６６は環板貫通孔５４に緩挿
されており、円環板３６はねじ軸２２の軸方向に移動自
在に支持棒６６に支持されている。尚、支持棒６６は、
図１では２本の例を示したが、本数は３本もしくはそれ
以上でも良く、また超音波モータ４４を支持固定するこ
とのできるものであれば棒状に限られるものではなく、
例えば円筒状であってもかまわない。ケース６０の端面
の内側と円環板３６の間の位置の支持棒６６には付勢手
段５８が設けられている。付勢手段５８は円環板３６を
超音波モータ４４側に付勢するものであればどのような
ものであっても良く、ばね部材が適用できる。円環板３
６は付勢手段５８によって超音波モータ４４側に付勢さ
れ、円環板３６とベアリング８８を介して連結している
スライドナット２４も超音波モータ４４側に付勢されて
いる。従って、スライドナット２４の端面７３は超音波
モータ４４の圧接面７２に圧接している。即ち、円環板
３６に回転自在に支持されているスライドナット２４は
超音波モータ４４の圧接面７２に対してねじ軸２２を回
転軸として回転摺動可能に押圧されている。付勢手段５
８はスライドナット２４と超音波モータ４４を圧接させ
るものであればその構成や位置は限定されるものではな
く、ゴム等の弾性材を使用したり、または、ねじ軸２２
を内部に貫通させるように配設したばね部材を使用して
スライドナット２４を直接押圧したり、または超音波モ
ータ４４に取り付けて超音波モータ４４をスライドナッ
ト２４側に付勢するものであってもかまわない。ケース
貫通孔６２，６４に、スライドナット２４に設けられて
いるようなブラシレールを設け、ケース６０内に異物が
入り込むことを防止することが望ましい。ケース６０に
は、図４に示されるような平板状のスライダ１８を連結
し、連動させることができる。

【００１３】上記構成の直動装置３８を作動させるに
は、超音波モータ４４に所定の交流電流を印加する。超
音波モータ４４では第２圧電素子４２が周方向に振動し
て回転駆動力を発生させ、第１圧電素子４０は軸方向に
伸縮してステータヘッド４６とスライドナット２４の接
触制御を行なうようになっている。即ち、ばね部材５８
のばね力によってステータヘッド４６とスライドナット
２４が押圧触されている状態で、第２圧電素子４２に電
圧を印加すると、第２圧電素子４２のねじり力によって
スライドナット２４はねじ軸２２を回転軸として微小角
度回転する。回転後に第１圧電素子４０が縮み、スライ
ドナット２４のステータヘッド４６に対する押圧力を少
なくすると、第２圧電素子４２のねじり量は相殺されて
消失する。ここで第１圧電素子が伸びて圧接面７２とス
ライドナット２４間の押圧力を再び増加させて、第２圧
電素子４２に電圧を印加するとスライドナット２４は再
び微小角度回転することになる。こうした第２圧電素子
４２の振動と第１圧電素子４０の振動の組合せからなる
楕円運動を繰り返し行なうことで、スライドナット２４
を一定の方向に連続回転させることができる。この超音
波モータ４４の発生する回転駆動力は低速でも高トルク
なものである。

【００１４】超音波モータ４４による駆動力で、ねじ軸
２２を回転軸としてスライドナット２４が回転すると、
その内部に装填されたボール２８がボール転走溝５２を
転動する。ボール転走溝５２内にあるボール２８はボー
ル転走溝５２をころがり動き、ボールチューブ３０内に
送給され、ボールチューブ３０内に送給されたボール２
８は反対側から再びボール転走溝５２内に送り出され
る。従って、複数のボール２８はボール転走溝５２とボ
ールチューブ３０内を次々と転動し、循環する。この
際、ボール２８はねじ軸２２の軸方向の荷重を受けなが
ら転動するので、ボール２８のボール転走溝５２内の転
動と共に、スライドナット２４自体がねじ軸２２の軸方
向に直線移動することとなる。ばね部材５８は第１圧電
素子４０と第２圧電素子４２の振動により発生した回転
駆動力をスライドナット２４に有効に伝達するための付
勢手段である。スライドナット２４が図１におけるＡ方
向に移動すると、スライドナット２４にベアリング８８
を介してねじ軸２２の軸方向に連動する円環板３６も移
動し、円環板３６はばね部材５８を圧縮し、このばね部
材５８に対する圧縮力とばね部材５８の弾性力が均衡し
た後は、スライドナット２４のＡ方向への移動に連動し
てケース６０がＡ方向に移動する。また、スライドナッ
ト２４の回転方向が上記と逆方向であって、スライドナ
ット２４がＢ方向に移動すると、スライドナット２４に
押圧触している超音波モータ４４にＢ方向に向けて移動
する力がかかり、超音波モータ４４がＢ方向に移動し始
めると、超音波モータ４４とフランジ４９にて連結して
いる支持棒６６に連動してケース６０もＢ方向に移動す
る。従って、スライドナット２４がねじ軸２２を回転軸
として回転した場合、回転方向が如何なる回転方向であ
っても、その回転方向に従ってスライドナット２４はね
じ軸２２の軸方向に沿って直線移動し、スライドナット
２４がＡまたはＢのどちらの方向に直線移動しても、ケ
ース６０もねじ軸２２の軸方向に沿ってスライドナット
２４に連動する。従って、ケース６０がねじ軸２２に沿
って直線移動するので、図４に示されるようなスライダ
１８をケース６０と連動するように連結すれば、スライ
ダ１８は超音波モータ４４の発生する回転駆動力によっ
て、ねじ軸２２の軸方向に沿って直線移動することにな
る。従って、本実施例の直動装置３８を図４に示すよう
な搬送機１０の駆動装置として適用することができる。
尚、この場合、スライダ１８に連動する搬送板をさらに
設けたり、またはスライダ１８を設けずに、ケース６０
を搬送板として利用してもかまわないのは勿論のことで
ある。

【００１５】前記従来例で示した電磁モータを利用した
直動装置を駆動源とする搬送装置と、本実施例の超音波
モータを利用した直動装置を駆動源とする搬送装置を製
造し、その速度を測定した。その結果、本実施例の超音
波モータを利用した直動装置は、電磁モータを利用した
直動装置と比べて遜色無いものであった。

【００１６】さらに、スライダ１８が静止している時
に、これを動かさないようにするためにスライドナット
２４が回転しないようにしなければならないが、電磁モ
ータを利用する場合、電磁モータに電圧を印加し続ける
ことによって保持力（５kgf程度以上）を生じさせなけ
ればならない。しかしながら、超音波モータを利用する
本発明の直動装置によれば、常時、超音波モータを付勢
手段によってスライドナット２４に圧接しているので、
その圧接力によって、超音波モータが電気的に作動して
なくともスライドナット２４は回転できないようになっ
ている。即ち、スライダ１８が静止している時には、超
音波モータ４４に電圧を印加することなくスライドナッ
ト２４の回転が抑制されているので、省エネルギを達成
することができる。また、超音波モータ４４を使用する
ことで、直接スライドナット２４を回転駆動するもので
あるから、ギヤ機構等を必要とせず、直動装置として機
構が簡易であり、小型，軽量化を図ることができる。従
って、耐久性能が向上し、発生する音も小さく、静粛性
が高いものである。特に、本実施例では回転駆動力発生
させるのに、第１の圧電素子と第２の圧電素子を有する
略円柱状の複合振動子形超音波モータを使用し、しかも
その超音波モータの中心を軸方向に貫通する貫通孔７０
にねじ軸２２を挿入および貫通して超音波モータを取り
付けるので、必要とするスペースは非常に小さくて済
み、小型化を飛躍的に向上させるものである。また、分
解能が高い超音波モータ４４を使用するものであるか
ら、直動装置としてさらに精度が向上する。また、電磁
モータでなく、超音波モータ４４を使用することから、
外部に対して磁気作用の影響がなく、磁性材などの搬送
等にも利用できる。尚、搬送機等に用いる場合に、直動
装置を１つでなく、複数個取り付けることで搬送能力を
高めることができる。

【００１７】尚、本発明の直動装置は図４に示したよう
な搬送機の他にも、各種研削盤や旋盤、もしくはプリン
タ等、直線駆動力を要するあるゆる機構に用いることが
できる。

【００１８】スライドナットの他の例を図３を参照して
説明する。図３に示すスライドナット８０は、樹脂、合
金などからなる略円筒状の部材で、その内部孔をねじ軸
２２が貫通している。また、スライドナット８０は複数
のボール２８を装填し、スライドナット８０をねじ軸２
２に取り付けることで、ボール２８はねじ軸２２のボー
ル転走溝５２内にその各ボールの半分程が入り込む。ス
ライドナット８０には、図２で示したボールチューブ３
０は設けられておらず、代りにその両端部に、ボール２
８が転動する溝の形成されたエンドキャップ８２，８３
が設けられ、スライドナット８０内には、エンドキャッ
プ８２，８３に形成された該溝に連通する移送管８４が
形成されている。ボール２８はスライドナット２４の内
部に位置するボール転走溝５２と移送管８４内を循環す
るようになっている。スライドナット８０の片端部には
さらにブラシレール５６が設けられている。ブラシレー
ル５６はねじ軸２２のボール転走溝５２を清掃し、ボー
ル２８に異物が接触するのを防ぐ防塵機能をもつもので
ある。

【００１９】スライドナット８０は複数のボール２８を
介してねじ軸２２と接触することになり、スライドナッ
ト８０は滑らかにねじ軸２２を回転軸として回転する。
尤も、スライドナット８０が回転するためにはボール２
８がボール転走溝５２と移送管８４内を転がり動くこと
が必要である。

【００２０】この例のスライドナット８０においては、
ボール２８を剛体であるエンドキャップ８２でボール転
走溝５２からすくい上げ、移送管８４に送り出すもの
で、ボールチューブを使用するものよりも強度が高く、
安定して高速回転にも対応できると共に、静粛性も高い
ものである。

【００２１】尚、本発明の直動装置は、超音波リニアモ
ータの駆動力にてスライドナットを回転させ、且つねじ
軸上を直線移動させるものであるから、スライドナット
は、端部に超音波モータを圧接することができ、超音波
モータにて回転駆動され得るものならば、市販の各種ボ
ールねじを適用できるものである。

【００２２】

【発明の効果】本発明の直動装置は、小型軽量で簡易な
構成の超音波モータでねじ軸に取り付けられたスライド
ナットを回転させ、スライドナット内のボールがねじ軸
に形成されているボール転走溝を転動し、循環すること
でスライドナットがねじ軸上を直線運動するもので、超
音波モータを使用して直接スライドナットを駆動するも
のであるから、ギヤ機構等を必要とせず、直動装置とし
て機構が簡易であり、小型，軽量化を図ることができ
る。従って、耐久性能が向上し、発生する音も小さく、
静粛性が高いものである。特に、本発明では回転駆動力
発生させるのに、第１の圧電素子と第２の圧電素子を有
する略円柱状の複合振動子形超音波モータを使用し、し
かもその超音波モータの中心を軸方向に貫通する貫通孔
にねじ軸を挿入および貫通して超音波モータを取り付け
るので、必要とするスペースは非常に小さくて済み、小
型化を飛躍的に向上させるものである。また、超音波モ
ータは分解能が高いものであるから、直動装置として省
エネルギを達成すると共に、さらに精度も向上する。ま
た、電磁モータでなく、超音波モータを使用することか
ら、外部に対して磁気作用の影響がなく、磁性材などの
搬送等にも利用できる。

【００２３】また、付勢手段によって超音波モータを常
時スライドナットに圧接しているものであるから、超音
波モータに電圧が印加されず駆動していない時であって
も、付勢手段による超音波モータの圧接力によってスラ
イドナットの自由な回転は抑制されており、直線運動に
おいてスライドナットと連動するスライダの自由運動を
抑えることができる。従って、スライダの静止時に電圧
を印加する必要がなく、省エネルギを図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の直動装置の側面図である。

【図２】本実施例の直動装置の要部断面図である。

【図３】別の態様のスライドナットの断面図である。

【図４】搬送機の斜視図である。

【図５】従来例の直動装置の概略側面図である。

【符号の説明】

２０直動装置２２ねじ軸２４スライドナット２８ボール３０ボールチューブ３８直動装置４０圧電素子４２圧電素子４４超音波モータ５２ボール転走溝８０スライドナット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】螺旋状に連続するボール転走溝の形成さ
れたねじ軸と、前記ボール転走溝を転走するボールを装填し、該ボール
が前記ボール転走溝を転走することで前記ねじ軸の軸方
向に移動自在にねじ軸に取り付けられたスライドナット
と、略円柱状であって、その軸方向に振動する第１の圧電素
子と周方向に振動する第２の圧電素子を有し、前記ねじ
軸を回転軸として前記スライドナットを回転させる超音
波モータとを備えていることを特徴とする直動装置。