JP2007263192A

JP2007263192A - 駒式ボールねじ

Info

Publication number: JP2007263192A
Application number: JP2006087129A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tateishi; 康司立石; Hirakazu Yoshida; 平和吉田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】駒部材における連結溝の溝幅を規制し、スムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供する。
【解決手段】ナット３の胴部に穿設された駒窓６に嵌合され、転動路を周回経路とする連結溝７が形成された駒部材５を備えた駒式ボールねじにおいて、駒部材５の連結溝７が、ナット３の隣接するねじ溝３ａに合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、連結溝７の開口部７ａにおける角部が滑らかに丸められ、その溝幅Ｗが、ボール４の外径Ｄｗに対して、１．１０Ｄｗ≦Ｗ≦１．２０Ｄｗの範囲に設定されている。これにより、駒部材５の加工誤差や組立誤差が生じても、ボール４の循環においてその挙動を阻害することなくスムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電加工機やタッピングセンター等の各種工作機械、あるいは自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用されるボールねじに関し、特に、ボール循環部品である駒部材を使用した駒式ボールねじに関する。

ボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、転動路を周回経路とする循環機構とを備え、例えば、ナットを回転運動させることでねじ軸を直線運動させる運動変換機構として使用されている。

一般的にボールねじにはボールの循環機構が異なる種々の形式のものがあり、その一つに駒式と呼ばれるものがある。この駒式ボールねじは、ねじ溝の連結路を有し、転動路を周回経路とする循環用の駒部材がナットに装着されているもので、構成が比較的簡素で、かつコンパクトに構成できる利点がある。

このような駒式ボールねじの代表的な一例を図６および図７に示す。この駒式ボールねじは、ナット５０の内周に小判形状をなす循環用の駒部材５１を有する。駒部材５１に設けられたバイパス路５２は、ねじ軸５３のねじ溝５３ａとナット５０のねじ溝５０ａが対向してなす螺旋状のボール軌道路５４の両側を連結し、無限循環回路５５を構成している。そして、多数のボール５６が無限循環回路５５内に充填されており、ボール５６は無限循環回路５５内を無限循環する。

駒部材５１は、上面５７上にバイパス路５２が形成されている。このバイパス路５２の両端には出入り口５２ａ、５２ｂが形成され、これらの出入り口５２ａ、５２ｂによりバイパス路５２はボール軌道路５４の両端部とそれぞれ繋がっている。また、出入り口５２ａから出入り口５２ｂにかけて出入り通路５８ａ、中間通路５９、出入り通路５８ｂが順番に連なってバイパス路５２を形成しており、中間通路５９と各出入り通路５８ａ、５８ｂの接触部分が折れ曲がって略Ｚの字形をなしている。また、これらの出入り通路５８ａ、中間通路５９、出入り通路５８ｂは、上面５７上でそれぞれ直線状をなしている。そして、中間通路５９が、出入り口５２ａと出入り口５２ｂとの間に挟まれたねじ軸５３のねじ山６０を乗り越えている。

また、ねじ軸５３に対する出入り通路５８ａ、５８ｂの各リード角θ１は、ねじ軸５３に対するボール軌道路５４のリード角δと同じ値αに構成されている。したがって、出入り口５２ａ、５２ｂの前後で、ボール軌道路５４のリード角δと、出入り通路５８ａ、５８ｂの各リード角θ１との差は０度となっている。さらに、ねじ軸５３に対する中間通路５９のリード角θ２の値はβとなっており、α―βの絶対値は４０度以下に構成されている。これにより、駒部材５１にボール５６から大きな力が働いて駒部材５１が破損するのが防止されると共に、ボール５６に駒部材５１から大きな力が働いてボール５６がバイパス路５２内で詰まることが防止され、バイパス路５２内で詰まったボール５６から大きな力が駒部材５１に働いて駒部材５１が破損するのが防止される。
特開２００４−３６７８９号公報

然しながら、このような従来の駒式ボールねじにおいて、駒部材５１の配置角度、すなわち、駒部材５１のバイパス路５２を構成する出入り通路５８ａ、中間通路５９、出入り通路５８ｂの各リード角の差が４０度以内に規制され、バイパス路５２の出入り口５２ａ、５２ｂの前後で、ボール軌道路５４のリード角と、出入り通路５８ａ、５８ｂのリード角との差を４０度以内として規制されているが、バイパス路５２自体の溝幅がばらついた場合、ボール５６がバイパス路５２内で干渉して詰ったり、逆にバイパス路５２内で千鳥配列になってスムーズなボール循環が行われない恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、駒部材における連結溝の溝幅を規制し、スムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成された駒部材とを備えた駒式ボールねじにおいて、前記駒部材の連結溝が、前記ナットの隣接するねじ溝に合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、当該連結溝の溝幅が、前記ボールの外径の１．１０〜１．２０の範囲に設定されている。

このように、ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、転動路を周回経路とする連結溝が形成された駒部材を備えた駒式ボールねじにおいて、駒部材の連結溝が、ナットの隣接するねじ溝に合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、当該連結溝の溝幅が、ボールの外径の１．１０〜１．２０の範囲に設定されているので、駒部材の加工誤差や組立誤差が生じても、ボールの循環においてその挙動を阻害することなくスムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供することができる。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記連結溝の開口部における角部が滑らかに丸められていれば、連結溝にボールがスムーズに進入することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記ナットにおけるねじ溝の断面がゴシックアーク形状に形成されていれば、ボールとの接触角が大きくとれると共に、アキシアルすきまが小さく設定でき、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動の発生を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記駒窓が円形に形成され、駒部材の断面がこれに対応して断面が略円形に形成されていれば、駒窓の加工が容易となると共に、駒部材の位置決め作業が簡便化できる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記駒部材が焼結合金からＭＩＭによって成形されていれば、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状・寸法に成形することができる。

本発明に係る駒式ボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成された駒部材とを備えた駒式ボールねじにおいて、前記駒部材の連結溝が、前記ナットの隣接するねじ溝に合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、当該連結溝の溝幅が、前記ボールの外径の１．１０〜１．２０の範囲に設定されているので、駒部材の加工誤差や組立誤差が生じても、ボールの循環においてその挙動を阻害することなくスムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供することができる。

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成された駒部材とを備えた駒式ボールねじにおいて、前記駒部材の連結溝が、前記ナットの隣接するねじ溝に合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、当該連結溝の開口部における角部が滑らかに丸められ、その溝幅が、前記ボールの外径の１．１０〜１．２０の範囲に設定されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る駒式ボールねじの一実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、図２は、本発明に係る駒部材の平面図、図３（ａ）は、図２の駒部材の他の実施態様を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のボールの挙動を示す説明図、図４は、図２の駒部材の比較例を示す平面図、図５（ａ）は、図４の他の実施態様を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のボールの挙動を示す説明図である。

この駒式ボールねじ１は、外周面に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝３ａが形成されたナット３と、対向する両ねじ溝２ａ、３ａにより形成された転動路に収容された多数のボール４と、これらボール４の循環用部材となる駒部材５とを備えている。

各ねじ溝２ａ、３ａの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここではボール４との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動の発生を抑制することができる。

円筒状のナット３の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝３ａの一部を切欠き、断面が小判型の駒窓６が穿設されている。そして、この駒窓６に対応して断面が小判型に形成された駒部材５が嵌合されている。駒部材５の内方には、ねじ溝３ａの隣合う１周分同士を連結する連結溝７が形成され、この連結溝７とねじ溝３ａの略１周の部分とでボール４の転動路を構成している。転動路内の内外のねじ溝２ａ、３ａ間に介在された多数のボール４はねじ溝２ａ、３ａに沿って転動し、駒部材５の連結溝７に案内されながらねじ軸２のねじ山を乗り越えて隣接するねじ溝３ａに戻り、再びねじ溝２ａ、３ａに沿って転動する。なお、ここでは、小判型の駒窓６および駒部材５を例示したが、これに限らず、図示はしないが、断面が円形のものであっても良い。これにより駒窓の加工が容易となると共に、駒部材の位置決め作業が簡便化できる。

駒部材５はＳＣＭ４１５等の浸炭材から切削加工によって形成され、駒窓６に嵌挿した後、加締治具（図示せず）を使用して駒窓６の縁部側に塑性変形させて形成した加締部８によってナット３に固定されている。

駒部材５の材料としては、浸炭材以外にも、Ｎｉが３．０〜１０．０ｗｔ％含有し、加工性、耐食性に優れた材料（日本粉末冶金工業規格のＦＥＮ８）か、Ｃが０．０７ｗｔ％、Ｃｒが１７ｗｔ％、Ｎｉが４ｗｔ％、Ｃｕが４ｗｔ％、残りがＦｅ等からなる析出硬化系ステンレスＳＵＳ６３０、あるいは、金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金であっても良い。ＳＵＳ６３０は、固溶化熱処理で硬さを適切に上げることができ、強靭性と高硬度を確保することができる。

なお、駒部材５を浸炭材で形成する場合は、浸炭焼入れによって表面硬さが３０〜４０ＨＲＣの範囲になるように硬化処理されると共に、高周波テンパー装置を用いて、加締部８となる外端部が焼戻しされ、表面硬さが１５〜３０ＨＲＣの範囲になるように設定されている。これにより、加締部８の靭性が高くなると共に、駒部材５をナット３に加締固定する際に割れ等が発生するのを防止することができる。

また、射出成形機で成形される焼結合金の場合、この射出成形に際して、まず、金属粉と、プラスチックおよびワックスからなるバインダとを混練機で混練し、その混練物をペレット状に造粒すると共に、造粒したペレットを金型内に加熱溶融状態で押し込む、所謂ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ）により成形される。これにより、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状・寸法に成形することができる。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、駒部材５の連結溝７は、ナット３の隣接するねじ溝３ａに合致するように接続され、ねじ溝３ａ、３ａ間を滑らかに接続するようにＳ字状に湾曲して形成されている。そして、連結溝７の溝幅Ｗが所定の範囲に設定されると共に、連結溝７の開口部７ａにおける角部が滑らかに丸められている。

本出願人は、加工方法や組立方法に鑑み、駒部材５における連結溝７の溝幅Ｗを種々検証した結果、ボール４の外径をＤｗとした場合、１．１０Ｄｗ≦Ｗ≦１．２０Ｄｗの範囲に設定するのが好ましいとした。そして、溝幅Ｗの下限値、Ｗ＝１．１０Ｄｗと設定した場合、例えば、ボール４の外径Ｄｗが３．１７５ｍｍにおいては、連結溝７の溝幅Ｗが略３．５ｍｍとなって、連結溝７とボール４とのすきまｅが片側で略０．１６ｍｍとなる。これは駒部材５を切削加工によって形成した場合の加工公差±０．０７〜０．１０を考慮しても、ボール４が連結溝７内に進入および転動するのに充分なすきまｅを確保することができる。

一方、図３（ａ）に示すように、連結溝７の溝幅Ｗを上限値、すなわち、Ｗ＝１．２０Ｄｗと設定した場合、溝幅Ｗが略３．５ｍｍとなって、すきまｅが片側で略０．３１ｍｍとなる。この場合、（ｂ）に示すように、ボール４の中心線軌跡が屈曲して僅かに千鳥配列になるものの、楔現象でボール４をロックさせてボール４の挙動を阻害することはなく、スムーズなボール循環が得られる。

これに対して、連結溝７の溝幅Ｗを１．１０Ｄｗよりも小さく設定した場合、例えば、図４に示すように、Ｗ＝１．０３Ｄｗと設定した場合、溝幅Ｗが略３．２７ｍｍとなって、すきまｅが片側で略０．０５ｍｍとなる。これでは、加工寸法のバラツキによって連結溝７の開口部７ａに進入してきたボール４が干渉する恐れがあり、スムーズなボール循環は期待できない。

また、連結溝７の溝幅Ｗを１．２０Ｄｗよりも大きく設定した場合、例えば、図５（ａ）に示すように、Ｗ＝１．３０Ｄｗと設定した場合、開口部７ａの溝幅Ｗが略４．１３ｍｍとなって、すきまｅが片側で略０．４８ｍｍとなる。これでは、開口部７ａにボール４が干渉することはないが、（ｂ）に示すように、ボール４の中心線軌跡が屈曲して千鳥配列になってボール４同士が競り合い、その接触部分で高い面圧が発生し、ボール４がスムーズに転動できないばかりでなく、楔現象でボール４をロックさせてボール４の挙動を阻害することになる。

このように本実施形態では、連結溝７の溝幅Ｗが、１．１０Ｄｗ≦Ｗ≦１．２０Ｄｗの範囲に設定されると共に、連結溝７の開口部７ａにおける角部が滑らかに丸められているので、駒部材５の加工誤差や組立誤差が生じても、ボール４の循環においてその挙動を阻害することなくスムーズなボール循環が得られる駒式ボールねじを提供することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る駒式ボールねじは、自動車の電動アクチュエータ等に使用される駒式ボールねじに適用することができる。

（ａ）は、本発明に係る駒式ボールねじの一実施形態を示す平面図である。（ｂ）は、同上縦断面図である。本発明に係る駒部材の平面図である。（ａ）は、図２の駒部材の他の実施態様を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のボールの挙動を示す説明図である。図２の駒部材の比較例を示す平面図である。（ａ）は、図４の他の実施態様を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のボールの挙動を示す説明図である。従来の駒式ボールねじを示す斜視図である。同上、要部断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・駒式ボールねじ
２・・・・・・・・・・ねじ軸
２ａ、３ａ・・・・・・ねじ溝
３・・・・・・・・・・ナット
４・・・・・・・・・・ボール
５・・・・・・・・・・駒部材
５ａ・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・駒窓
７・・・・・・・・・・連結溝
７ａ・・・・・・・・・開口部
８・・・・・・・・・・加締部
５０・・・・・・・・・ナット
５０ａ、５３ａ・・・・ねじ溝
５１・・・・・・・・・駒部材
５２・・・・・・・・・バイパス路
５２ａ、５２ｂ・・・・出入り口
５３・・・・・・・・・ねじ軸
５４・・・・・・・・・ボール軌道路
５５・・・・・・・・・無限循環回路
５６・・・・・・・・・ボール
５７・・・・・・・・・上面
５８ａ、５８ｂ・・・・出入り通路
５９・・・・・・・・・中間通路
６０・・・・・・・・・ねじ山
Ｄｗ・・・・・・・・・ボールの外径
ｅ・・・・・・・・・・連結溝とボールとのすきま
Ｗ・・・・・・・・・・連結溝の溝幅
δ・・・・・・・・・・ボール軌道路のリード角
θ１・・・・・・・・・出入り通路のリード角
θ２・・・・・・・・・中間通路のリード角

Claims

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、
対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、
前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成された駒部材とを備えた駒式ボールねじにおいて、
前記駒部材の連結溝が、前記ナットの隣接するねじ溝に合致するように接続され、略Ｓ字状に湾曲して形成されると共に、当該連結溝の溝幅が、前記ボールの外径の１．１０〜１．２０の範囲に設定されていることを特徴とする駒式ボールねじ。
前記連結溝の開口部における角部が滑らかに丸められている請求項１に記載の駒式ボールねじ。
前記ナットにおけるねじ溝の断面がゴシックアーク形状に形成されている請求項１または２に記載の駒式ボールねじ。
前記駒窓が円形に形成され、駒部材の断面がこれに対応して断面が略円形に形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の駒式ボールねじ。
前記駒部材が焼結合金からＭＩＭによって成形されている請求項１乃至４いずれかに記載の駒式ボールねじ。