JP2010159839A - ボールスプライン - Google Patents

Abstract

【課題】 スプラインのストロークを円滑にすることができるボールスプラインを提供する。
【解決手段】 保持器本体22の突き合わせ面に、先端部が径方向内方に屈曲させられた弾性変形可能な突出部31が周方向所定間隔で設けられて、突出部31先端に、径方向内方に突出する係合爪32が設けられている。保持器本体22および保持器蓋23の突き合わせ面同士が突き合わされて、各突出部31の先端部が径方向外方に弾性変形させられるとともに、保持器蓋に設けられた係合用凹部33に嵌め合わされることにより、保持器本体22と保持器蓋23とが結合されている。
【選択図】 図３

Description

この発明は、ボールスプラインに関し、特に、過大トルクを受けやすい条件下で使用されるボールスプラインに関する。

ボールスプラインはボールねじと組み合わされて、電動アクチュエータ用や緩衝器用としてよく使用されており、例えば、特許文献１には、ボールねじナットにモータを接続することで、ボールねじナットが回転して、上下にのびるねじ軸が軸方向に直線移動する形態とされたボールねじを緩衝器に適用することが開示されている。

ボールねじ装置と組み合わされるボールスプラインとしては、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備え、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対向させられることで主通路を構成するスプライン軌道が形成された略円筒状の外筒本体と、戻し通路が形成されておりかつ外筒本体の内周に嵌め合わされた略円筒状の保持器本体と、保持器本体の戻し通路と主通路とを連通する連通路が形成されており保持器本体に一端側から突き合わされた保持器蓋とを有しているものが知られている。

特開２００５−２６４９９２号公報

従来のボールねじ装置と組み合わされるボールスプラインで使用されている保持器を図７に示す。同図は、ボールスプライン外筒の外筒本体を取り除いたもので、同図において、スプライン軌道(45a)が設けられた軸(45)の直線移動に伴って、ボール(47)は、主通路(46)、保持器本体(43)の戻し通路(43a)、保持器蓋(44)の連通路(44a)を循環し、この循環がスムーズに行われることにより、スプラインのスムーズなストロークが確保される。

従来のボールスプラインでは、保持器本体(43)と保持器蓋(44)との突き合わせ部には微小な隙間Ｇがあり、この隙間Ｇが変形することなどによって、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなるなどの循環不良を起こし、スプラインのストロークの妨げとなることがある。すなわち、軸(45)が左方に移動すると、これに応じて、ボールスプライン外筒は図の右方に移動しようとし、軸(45)の直線移動に伴って、主通路(46)にあるボール(47)は、保持器本体(43)の戻し通路(43a)へ押し出されるとともに、保持器蓋(44)の連通路(44a)にあるボール(47)が主通路(46)へと戻される。Ａで示すボール(47)が戻し通路(43a)から主通路(46)に突入する際、Ｂで示すボール(47)が保持器蓋(44)を矢印で示す右方へ押し、戻し通路(43a)の幅Ｐが広がり、Ｂで示すボール(47)が主通路(46)の入口部分で引っ掛かることがある。この場合、ボール(47)の旋回する軌道がずれ、戻し通路(43a)にボール(47)が充満して、主通路(46)内のボール(47)が戻し通路(43a)に入れず、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなり、スプラインのストロークが円滑でないようになるという問題が生じる。

この発明の目的は、スプラインのストロークを円滑にすることができるボールスプラインを提供することにある。

この発明によるボールスプラインは、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備え、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対向させられることで主通路を構成するスプライン軌道が形成された略円筒状の外筒本体と、戻し通路が形成されておりかつ外筒本体の内周に嵌め合わされた略円筒状の保持器本体と、保持器本体の戻し通路と主通路とを連通する連通路が形成されており保持器本体に一端側から突き合わされた保持器蓋とを有しているボールスプラインにおいて、保持器本体および保持器蓋のいずれか一方の突き合わせ面に、先端部が径方向内方に屈曲させられた弾性変形可能な突出部が周方向所定間隔で設けられて、突出部先端に、径方向内方に突出する係合爪が設けられており、保持器本体および保持器蓋の突き合わせ面同士が突き合わされて、各突出部の先端部が径方向外方に弾性変形させられるとともに、保持器本体および保持器蓋のいずれか一方の各係合爪が同他方の外周面に周方向所定間隔で設けられた係合用凹部に嵌め合わされることにより、保持器本体と保持器蓋とが結合されていることを特徴とするものである。

各係合爪が各係合用凹部に嵌まり合い、この際、係合爪が軸方向外側から係合用凹部の側面に係合し、保持器本体に対する保持器蓋の軸方向移動（特に互いに離れる方向の移動）が規制される。係合爪は、例えば、テーパ面を有するように縦断面三角形とされ、係合用凹部に、係合爪のテーパ面に対応するテーパ面が形成される。

突出部および係合爪は、保持器本体に設けられており、保持器蓋の反突き合わせ面外周に面取り部が形成され、この面取り部が係合用凹部として使用されていることがあり、また、突出部および係合爪は、保持器蓋に設けられており、保持器蓋は、周方向に分割されていることがある。

ボールは、軸に形成されたスプライン軌道とボールスプライン外筒に形成されたスプライン軌道との間（主通路）を転動し、保持器本体の戻し通路および保持器蓋の連通路を経て、再び主通路に戻される（循環する）。

保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持される。保持器本体および保持器蓋は、合成樹脂製とされる。

スプライン外筒内のボール循環をスムーズにして、ボール詰まりをなくすために、その原因となる保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部の隙間が開かないようにすればよく、係合爪が係合用凹部に係合して、保持器本体に対する保持器蓋の軸方向の移動が規制されることで、この隙間の変化が防止される。温度変化や寸法ばらつきによって、保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部に大きな力が作用し、保持器が変形して循環不良に至る可能性があるが、保持器本体と保持器蓋との係合が弾性的な力によって行われていることで、保持器の変形が防止される。そして、保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部の隙間が開かないことにより、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。

スプライン軌道は、時計方向の回転を受けるものと反時計方向の回転を受けるものとが対とされて、これが複数対（例えば３対）設けられる。軸の外周には、例えば、基準円筒面から突出するように形成された複数（例えば３つ）のボール受け部が設けられ、このボール受け部の時計方向側および反時計方向側に、それぞれスプライン軌道が形成される。これに対応して、外筒本体の内周には、ボール受け部の時計方向側のスプライン軌道に時計方向側から対向するスプライン軌道と、ボール受け部の反時計方向側のスプライン軌道に反時計方向側から対向するスプライン軌道とがそれぞれ形成される。

ボールスプラインは、好ましくは、ボールねじと組み合わされて、ボールねじ軌道および軸方向にのびるスプライン軌道が設けられたねじ軸と、ねじ軸のボールねじ軌道にボールを介してねじ合わされた回転自在のボールねじナットと、スプライン軌道にボールを介して嵌め合わされてねじ軸の軸方向直線運動を案内するボールスプライン外筒とからなるものとされる。

このようなボールスプライン付きボールねじでは、ボールスプラインは、ボールスプライン外筒がキーなどの回り止め部によってハウジングに対して回り止めされ、ねじ軸の回転を防止して、ボールねじナットで発生するトルクの反力を受ける。

ねじ軸、ボールねじナットおよびボールスプライン外筒本体は、例えば、Ｓ４５Ｃ，Ｓ５５Ｃなどの炭素鋼製あるいはＳＡＥ４１５０鋼製とされ、また、ボールは、例えば、軸受鋼（ＳＵＪ２）製とされる。

この発明によるボールスプラインは、ボールねじと組み合わされて、アクチュエータ（モータによってボールねじナットが回転させられ、これにより、ねじ軸が直線移動する形態）として使用されることがあり、緩衝器（ねじ軸が外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ボールねじナットが回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態）として使用されることがある。

アクチュエータや緩衝器で使用される場合には、例えば、ボールスプライン付きボールねじと、ボールねじナットに一体化された中空軸と、軸受を介して中空軸を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒を支持するハウジングと、中空軸に固定されたモータロータおよびハウジング内径に固定されたモータステータからなるモータとを備えているものとされる。

ねじ軸は、往復直線移動し、通常、その所定量以上の移動を防止するためのストッパが設けられる。ストッパは、例えば、ねじ軸が所定量以上移動した際にハウジングに当接するフランジ部をねじ軸に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ねじ軸と一体に直線移動する部材に形成してもよく、直線移動しない方の部材（ハウジングや中空軸）に設けることもできる。

この発明のボールスプラインによると、保持器本体と保持器蓋とが弾性変形可能な係合爪によって結合されて、保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部の隙間が開かないようになされているので、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。

図１は、この発明によるボールスプラインが使用されたボールねじ装置を示す縦断面図である。 図２は、この発明によるボールスプラインの横断面図である。 図３は、この発明によるボールスプラインの第１実施形態を示す分解斜視図である。 図４は、第１実施形態の係合の様子を模式的に示す図である。 図５は、この発明によるボールスプラインの第２実施形態を示す分解斜視図である。 図６は、第２実施形態の係合の様子を模式的に示す図である。 図７は、従来のボールスプラインの外筒本体を取り除いた側面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、上下は、図１の上下をいうものとする。

図１は、この発明によるボールスプラインを使用したモータ付きボールねじ装置を示している。

モータ付きボールねじ装置(1)は、ボールねじ軌道(2a)および上下方向にのびるスプライン軌道(2b)が設けられた上下にのびる鋼製ねじ軸(2)と、ねじ軸(2)のボールねじ軌道(2a)にボールを介してねじ合わされた回転自在の鋼製ボールねじナット(3)と、ねじ軸(2)の下端部側においてスプライン軌道(2b)にボールを介して嵌め合わされてねじ軸(2)の上下方向（軸方向）直線運動を案内するボールスプライン外筒(4)と、ボールねじナット(3)に一体化されて上方にのびる中空軸(5)と、軸受(7)を介して中空軸(5)を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒(4)を支持するハウジング(6)と、中空軸(5)に固定された円筒状のモータロータ(9)およびハウジング(6)内径に固定された円筒状のモータステータ(10)からなるモータ(8)とを備えている。

モータ(8)は、永久磁石型三相同期モータとされており、モータロータ(9)が永久磁石とされて、モータステータ(10)にＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相のコイル(10a)が巻かれている。

ねじ軸(2)と中空軸(5)とは、同心状に配置されており、ボールねじ装置(1)は、ボールねじナット(3)、中空軸(5)およびモータロータ(9)を回転させて、ねじ軸(2)を直線移動させる形態で使用される。

中空軸(5)は、ねじ軸(2)を案内する小径部(11)と、内周面がボールねじナット(3)の外周面に固定されかつ外周面に軸受(7)を保持する大径部(12)とからなる。

ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の回転を防止してその上下移動を案内するために、回り止め部（例えばキー）(13)によってハウジング(6)に対して回り止めされる。

ボールスプライン外筒(4)は、図２に示すように、略円筒状の金属製外筒本体(17)と、外筒本体(17)の内周に固定された略円筒状の合成樹脂製保持器(18)とを備えている。ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の外周に径方向に若干の隙間を空けて嵌められている。

ねじ軸(2)の外周には、基準円筒面から突出するように形成された３つのボール受け部(15)が周方向に等間隔で設けられており、このボール受け部(15)の時計方向側肩部および反時計方向側肩部に、それぞれスプライン軌道(2b)(2c)が形成されている。これに対応して、ボールスプライン外筒(4)の内周には、ボール受け部(15)の時計方向側のスプライン軌道(2b)に時計方向側から対向するスプライン軌道(4a)と、ボール受け部(15)の反時計方向側のスプライン軌道(2c)に反時計方向側から対向するスプライン軌道(4b)とがそれぞれ形成されている。こうして、ねじ軸(2)が時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2b)(4a)と、ねじ軸(2)が反時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2c)(4b)とが対とされて、これが３対設けられている。

外筒本体(17)のスプライン軌道(4a)(4b)に対応する保持器(18)の部分に、両スプライン軌道(2b)(2c)(4a)(4b)との間を転動するボール(16)を案内するスリット(19)が形成されている。スリット(19)を介して対向する両スプライン軌道(2b)(2c)(4a)(4b)の間の空間が、ボール(16)が転動する主通路(20)となっている。

保持器(18)には、外筒本体(17)との間に、主通路(20)の左右両端部と連通する戻し通路(21)が形成されている。各戻し通路(21)は、対となっている主通路(20)を周方向の両側から挟むように設けられている。保持器(18)に形成されている戻し通路(21)は、径方向外方に開口しており、外筒本体(17)の大径内周面によってこの開口が塞がれている。戻し通路(21)は、主通路(20)よりも径方向外方寄りに設けられている。戻し通路(21)がある保持器(18)の部分は、相対的に肉厚となっている。

ボール(16)は、主通路(20)および戻し通路(21)内に配設され、主通路(20)を転動するボール(16)がねじ軸(2)とボールスプライン外筒(4)の相対直線運動を案内するようになっている。主通路(20)および戻し通路(21)により、ボール循環路が構成されている。

図３および図４は、この発明によるボールスプラインの第１実施形態の要部を示している。

図３において、保持器(18)は、保持器本体(22)および保持器蓋(23)からなり、両者は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪(24)によって外筒本体(17)に支持されている。

保持器本体(22)の突き合わせ面には、径方向の厚みが厚い部分から軸方向にのびるように、先端部が径方向内方に屈曲させられた弾性変形可能な３つの突出部(31)が設けられており、各突出部(31)の先端に、径方向内方に突出する縦断面三角形状の係合爪(32)が設けられている。そして、保持器蓋(23)の径方向の厚みが厚い部分の外周面には、各係合爪(32)が嵌め入れられる係合用凹部(33)が設けられている。

図４（ａ）に示すように、突出部(31)は、保持器本体(22)と保持器蓋(23)との結合前には、先端部が径方向内方に屈曲させられている。突出部(31)に対応する保持器蓋(23)の外周縁部は、所定量切り取られており、残った部分の突き合わせ面および反突き合わせ面が面取りされている。面取りは、縦断面三角形とされた係合爪(32)の係合面であるテーパ面に対応するテーパ面となるように形成されており、反突き合わせ面の面取り（テーパ面）(33a)が係合用凹部(33)として使用されている。

保持器本体(22)と保持器蓋(23)とを結合する際には、突出部(31)は、治具を用いてその先端部が径方向外方に強制的に弾性変形させられ、保持器本体(22)および保持器蓋(23)の突き合わせ面同士が突き合わされることで、図４（ｂ）に示すように、各係合爪(32)が係合用凹部(33)に嵌め合わされ、保持器本体(22)と保持器蓋(23)とが結合される。この際、係合爪(32)は、軸方向外側から係合用凹部(33)の側面のテーパ面(33a)に係合し、保持器本体(22)に対する保持器蓋(23)の軸方向移動が規制される。したがって、図４（ｂ）において、矢印で示すような力がボール(16)から保持器蓋(23)に作用したとしても、縦断面三角形とされた係合爪(32)の係合面であるテーパ面と係合用凹部(33)のテーパ面(33a)との係合により、保持器本体(22)に対して保持器蓋(23)が離れていくことはなく、図７における隙間Ｇが開くことが防止される。したがって、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの点で有利なものとなる。

上記において、係合爪(32)は、保持器本体(22)に設けられているが、保持器蓋に設けるようにしてもよい。図５および図６は、その実施形態（この発明によるボールスプラインの第２実施形態）を示している。

図５において、保持器(18)は、保持器本体(25)および保持器蓋(26)からなり、両者は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪(24)によって外筒本体(17)に支持されている。

保持器蓋(26)の突き合わせ面には、径方向の厚みが厚い部分から軸方向にのびるように、先端部が径方向内方に屈曲させられた弾性変形可能な３つの突出部(34)が設けられており、各突出部(34)の先端に、径方向内方に突出する縦断面三角形状の係合爪(35)が設けられている。そして、保持器本体(25)の径方向の厚みが厚い部分の外周面には、各係合爪(35)が嵌め入れられる係合用凹部(36)が設けられている。

保持器蓋(26)は、周方向に等間隔で３分割されて、３つの要素(26a)(26b)(26c)から構成されている。

図６（ａ）に示すように、突出部(34)は、保持器本体(25)と保持器蓋(26)との結合前には、先端部が径方向内方に屈曲させられている。突出部(34)に対応する保持器本体(25)の外周縁部は、所定量切り取られており、係合用凹部(36)は、切り取られた面を基準にして縦断面三角形状とされている。

保持器本体(25)と保持器蓋(26)とを結合する際には、突出部(34)は、治具を用いてその先端部が径方向外方に強制的に弾性変形させられ、保持器本体(25)および保持器蓋(26)の突き合わせ面同士が突き合わされることで、図６（ｂ）に示すように、各係合爪(35)が係合用凹部(36)に嵌め合わされ、保持器本体(25)と保持器蓋(26)とが結合される。この際、係合爪(35)の両側面は、係合用凹部(36)の両側面に係合し、保持器本体(25)に対する保持器蓋(26)の軸方向移動が規制される。したがって、図６（ｂ）において、矢印で示すような力がボール(16)から保持器蓋(26)に作用したとしても、縦断面三角形とされた係合爪(35)と縦断面三角形とされた係合用凹部(35)との係合により、保持器本体(25)に対して保持器蓋(26)が離れていくことはなく、図７における隙間Ｇが開くことが防止される。したがって、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの点で有利なものとなる。また、保持器蓋(26)が３つの要素(26a)(26b)(26c)から構成されているので、保持器蓋(26)の保持器本体(25)への嵌め合わせおよび取外しを各要素(26a)(26b)(26c)ごとに行うことができ、嵌め合わせおよび取外しが容易なものとなっている。

上記のモータ付きボールねじ装置(1)は、例えば、自動車の電磁緩衝器用として使用するのに適している。電磁緩衝器は、タイヤから伝わる外力によってねじ軸(2)が軸方向に直線移動し、これに伴って、ボールねじナット(3)および中空軸(5)が回転し、この回転運動をモータ(8)に取り込んで、モータ(8)で発生する電磁力を減衰力として利用するようになっている。

このモータ付きボールねじ装置(1)は、電磁緩衝器用に限られるものではなく、電動アクチュエータとして使用することもできる。この場合、モータ(8)の回転駆動力をボールねじナット(3)を介してねじ軸(2)の軸方向推力に変換し、推力の軸方向反力を軸受(7)で支持してねじ軸(2)を直線運動させ、ねじ軸(2)に作用する軸方向荷重をボールねじナット(3)で負荷するとともに、トルクをボールスプライン外筒(4)で支持した形態での使用となる。

(2) ねじ軸（軸）
(2b)(2c) スプライン軌道
(4) ボールスプライン外筒
(16) ボール
(17) 外筒本体
(18) 保持器
(22)(25) 保持器本体
(23)(26) 保持器蓋
(31)(34) 突出部
(32)(35) 係合爪
(33)(36) 係合用凹部

Claims (3)

1. スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備え、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対向させられることで主通路を構成するスプライン軌道が形成された略円筒状の外筒本体と、戻し通路が形成されておりかつ外筒本体の内周に嵌め合わされた略円筒状の保持器本体と、保持器本体の戻し通路と主通路とを連通する連通路が形成されており保持器本体に一端側から突き合わされた保持器蓋とを有しているボールスプラインにおいて、
   保持器本体および保持器蓋のいずれか一方の突き合わせ面に、先端部が径方向内方に屈曲させられた弾性変形可能な突出部が周方向所定間隔で設けられて、突出部先端に、径方向内方に突出する係合爪が設けられており、保持器本体および保持器蓋の突き合わせ面同士が突き合わされて、各突出部の先端部が径方向外方に弾性変形させられるとともに、保持器本体および保持器蓋のいずれか一方の各係合爪が同他方の外周面に周方向所定間隔で設けられた係合用凹部に嵌め合わされることにより、保持器本体と保持器蓋とが結合されていることを特徴とするボールスプライン。
2. 突出部および係合爪は、保持器本体に設けられており、保持器蓋の反突き合わせ面外周に面取り部が形成され、この面取り部が係合用凹部として使用されていることを特徴とする請求項１のボールスプライン。
3. 突出部および係合爪は、保持器蓋に設けられており、保持器蓋は、周方向に分割されていることを特徴とする請求項１のボールスプライン。

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