JP2010236610A - 転動体ねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナット本体の外径部に循環部品を嵌め込む凹部を容易に形成することができる転動体ねじ装置を提供する。
【解決手段】ナット本体２の直線通路５の両端部に，負荷転動体転走路３と直線通路５とを接続する方向転換路６が形成される一対の循環部品８を設ける。一対の循環部品８は、ナット本体２の外径部に形成される一対の凹部１５に嵌め込まれる。各循環部品８の方向転換路６は、負荷転動体転走路３に接続される曲線通路を有する。曲線通路は、ナット本体２の軸線方向からみて、曲線通路を移動する転動体の中心線の軌跡が円弧状の曲線に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ軸とナット本体との間に転がり運動可能に複数の転動体を介在させた転動体ねじ装置に関する。

転動体ねじ装置は、回転運動を直線運動に変換する機械要素である。ナットに対してねじ軸を相対的に回転させるときの摩擦を低減するために、ねじ軸とナット本体との間には、転がり運動可能に複数のボール、ローラ等の転動体が介在される。ねじ軸とナットとの間を転がるボールを循環させるために、ナットには循環部品が取り付けられる。循環部品が転動体を循環させる方式には、リターンパイプ方式、エンドキャップ方式等さまざまな方式がある。

リターンパイプ方式は、ナット本体の外径部に取り付けたリターンパイプで転動体を循環させる最も一般的な循環方式である。ナットの外径部には、門形状に折り曲げられたリターンパイプの両端部が挿入される。ねじ軸とナットとの間の負荷転動体転走路を転がる転動体は、負荷転動体転走路の一端まで転がった後、リターンパイプ内に掬い上げられ、無負荷戻し路としてのリターンパイプを経由した後、再び負荷転動体転走路の他端に戻される。

エンドキャップ方式は、ナット本体の軸線と平行に伸びる直線通路と、ナット本体の軸線方向の両端面に取り付けられる一対のエンドキャップとにより転動体を循環させる。各エンドキャップには、ナット本体の直線通路と負荷転動体転走路とを接続する方向転換路が形成される。

特許文献１には、エンドキャップ方式の循環方式を採用するボールねじとして、ナット本体の中を軸方向に伸びるボール帰還用通路と、帰還用通路の両端部に設けたブロック及びピンにより、ボールを循環させるボールねじが開示されている。ブロックには、ナットの負荷ボール転走溝とボール帰還用通路とを接続する方向転換路が形成される。負荷ボール転走路の一端まで転がったボールは、ピンの先端によってブロック内に掬い上げられ、ブロックの方向転換路によって直線的に伸びる帰還用通路に導かれる。

特公昭４６−３１５６４号公報

しかし、特許文献１に記載のボールねじにあっては、ナット本体の軸線方向からみて、負荷ボール転走路を移動するボールを円の接線方向に掬い上げようとする。このため、ブロックの方向転換路が負荷ボール転走路の接線方向に配置され、ブロックが挿入される孔も負荷ボール転走路の接線方向に空けられる。そして、ナット本体の軸線方向からみて、手前側のブロックの方向転換路の中心線と奥側のブロックの方向転換路の中心線がＶ字形状に交差し（特許文献１、図２参照）、ブロックが挿入される孔もナット本体の外径部に交差する二方向から空けられる。ナット本体の外径部に異なる二方向から孔を空けるのは、たとえ複合旋盤を使用したとしても、孔を空けるのにあたり、ナット本体を掴みかえたり、回転させたりする必要があるので、加工に困難が伴う。二方向から孔を空けたとしても、ナット本体の負荷ボール転走溝に対する孔の位置がずれるおそれもある。

そこで本発明は、ナット本体の外径部に循環部品を嵌め込む凹部を容易に形成することができる転動体ねじ装置を提供することを目的とする。

以下、本発明の一態様について説明する。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有するナット本体と、前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナット本体の前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路を含む転動体循環路に配列される複数の転動体と、前記ナット本体に設けられ、前記ナット本体の軸線と平行に伸びる孔からなる直線通路と、前記ナット本体の前記直線通路の両端部に設けられ、前記負荷転動体転走路と前記直線通路とを接続する方向転換路が形成される一対の循環部品と、を備え、前記一対の循環部品は、前記ナット本体の外径部に形成されると共に前記直線通路と接続される一対の凹部に嵌め込まれ、各循環部品の前記方向転換路は、前記負荷転動体転走路に接続される曲線通路を有し、前記曲線通路は、前記ナット本体の軸線方向からみて、前記曲線通路を移動する転動体の中心線の軌跡が円弧状の曲線に形成される転動体ねじ装置である。

本発明の一態様によれば、ナット本体の直線通路の両端部に設けられる一対の循環部品には、ナット本体の軸線方向からみて中心線が円弧状の曲線通路が形成される。ナット本体の軸線方向からみて、循環部品の転動体を掬い上げる位置から直線通路に導くまでの長さを、負荷転動体転走路の接線方向に転動体を掬う方向転換路が形成される従来のブロックに比べて、短くすることができる。このため、ナット本体の直線通路の両端部に設けられる一対の循環部品の凹部の嵌め込み方向を同一方向にすることができ、ナット本体への凹部の加工も容易になる。

本発明の第一の実施形態のボールねじの斜視図 ボールねじの断面図 ねじ軸のボール転走溝及びナットの負荷ボール転走溝の断面図 ボールねじの平面図 ナット本体の平面図 循環部品が取り付けられたナット本体の軸線に直交する断面図 ボール循環路を示す図 ねじ軸上に展開された無負荷戻し路の斜視図 ナットの側面方向からみたボール循環路の中心線を示す図 ナットの軸線方向からみた無負荷戻し路の中心線を示す図 循環部品の斜視図 下方からみた循環部品の斜視図

図１は、本発明の第一の実施形態の転動体ねじ装置としてのボールねじの斜視図を示す。ボールねじは、外周面に螺旋状の転動体転走溝としてのボール転走溝１ａが形成されるねじ軸１と、内周面にボール転走溝１ａに対向する螺旋状の負荷転動体転走溝としての負荷ボール転走溝２ａが形成されるナット本体２と、を備える。ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体２の負荷ボール転走溝２ａとの間の負荷ボール転走路３には、転がり運動可能に複数の転動体としてのボール７（図３参照）が介在される。

ボールねじには、ボール７を循環させるボール循環路が設けられる。この実施形態では、ナット本体２の軸線方向に位置をずらした二回路、ナット本体２の周方向に位置をずらした二回路、合計四回路のボール循環路４が設けられる。ボール循環路４の回路数は、ボールねじにかかる荷重や、負荷ボール転走路の条数に応じて適宜決定される。

ナット本体２の軸線方向に位置をずらして二回路のボール循環路４を設けたのは、ボールねじに予圧を付与するためであり、また一回路当たりのボール循環路４の巻き数を減らすためである。ボール循環路４の巻き数を増やした場合、ボール転走溝１ａや負荷ボール転走溝２ａの加工精度やボールねじの相手部品への取付け精度が落ちると、負荷ボール転走路３の前後に位置するボール７の移動速度が僅かにずれ、ボール７同士が押し合う現象が発生するおそれがある。一回路当たり巻き数を減らすことにより、この現象を回避することができる。

また、ナット本体２の周方向に位置をずらして二回路のボール循環路４を設けることにより、二条の負荷ボール転走路３それぞれのボール７を循環させることができる。負荷ボール転走路３を二条にすることで、ナット本体２を高速度で移動させることができ、剛性を高められる。

各ボール循環路４は、ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体２の負荷ボール転走溝２ａとの間の螺旋状の負荷ボール転走路３、及び負荷ボール転走路３の一端と他端とを接続する無負荷戻し路９から構成される。負荷ボール転走路３では、ボール７はねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体２の負荷ボール転走溝２ａとの間に挟まれ、圧縮荷重を受ける。無負荷戻し路９では、ボール７は圧縮荷重を受けることなく、後続のボール７に押されながら移動する。

無負荷戻し路９は、ナット本体２の軸線と平行に伸びる直線通路５と、直線通路５の両端部に設けられる一対の方向転換路６と、から構成される。直線通路５は、ナット本体２の端面からナット本体２の軸線と平行に空けられた孔からなり、ナット本体２の内部に形成される。方向転換路６は、ナット本体２の外径部に装着された循環部品としての循環部品８内に形成される。一対の循環部品８は、各直線通路５の両端部に設けられる。従来のエンドキャップ方式のボールねじにおいては、方向転換路６はナットの軸線方向の端面に装着されるエンドキャップ（端面部品）に形成される。これに対して、本実施形態のボールねじにおいては、方向転換路６はナット本体２の外径部に装着される循環部品８に形成される。循環部品８に形成される方向転換路６は、螺旋状の負荷ボール転走路３の端部と直線通路５の端部とを接続する。

図２は、ねじ軸１及びナット本体２の断面図を示す。ねじ軸１の外周面には、所定のリードの二条のボール転走溝１ａが切削加工や転造加工によって形成される。ボール転走溝１ａの条数は一条、二条、三条等適宜設定してよい。図３に示すように、ボール転走溝１ａの断面形状は、ボール７の半径よりも僅かに大きい半径の二つの円弧１０を含むゴシックアーチ溝形状である。ゴシックアーチ溝の二つの円弧の中心Ｃ１は、ボール７の中心Ｃ２よりも離れた位置にある。ボール７はゴシックアーチ溝形状のボール転走溝１ａに二点で接触する。ボール７の中心Ｃ２とゴシックアーチ溝の底１２と結んだ線Ｌ１と、円弧１０とボール７との接触点１３とボール７の中心Ｃ２とを結んだ線のなす接触角θは、例えば４０〜５０度に設定される。ボール転走溝１ａは、熱処理された後、研削加工される。

図２に示すように、ナット本体２の内周面には、所定のリードの二条の螺旋状の負荷ボール転走溝２ａが切削加工によって形成される。ナット本体２の軸線方向の一端部には、ナット本体２を相手方の機械部品に取り付けるためのフランジ２ｂが形成される。図３に示すように、負荷ボール転走溝２ａの断面形状は、ボール７の半径よりも僅かに大きい半径の二つの円弧１０を含むゴシックアーチ溝形状である。ゴシックアーチ溝形状はねじ軸１のボール転走溝１ａと同一である。負荷ボール転走溝２ａは、熱処理された後、研削加工される。

ボールねじに予圧を付与するためには、ナット本体２に軸線方向にずらして配置された二回路のボール循環路４の負荷ボール転走溝２ａの位相をずらせばよい。すなわち、左側の負荷ボール転走溝２ａのリードと右側の負荷ボール転走溝２ａのリードを一致させた上で、左側の負荷ボール転走溝２ａを右側にボール転走溝に対してナット本体２の軸線方向にずらせばよい。ずらすことにより、左側の負荷ボール転走溝２ａと右側の負荷ボール転走溝２ａとの間の距離は、Ｌ（リード）×ｎ（自然数）±δ（ずれ量）となる。

本実施形態によれば、ナット本体２の外径部に装着される同一の循環方式をした一対の循環部品８を用いることにより、一つのナット本体２に軸線方向に位置をずらした二回路以上のボール循環路４を設けることが可能になる。このため、予圧が付与し易くなる。一対の循環部品８の形状は、同一形状に形成される。なお、二つのナット本体を軸線方向に結合し、二つのナット本体の間に間座を入れることにより、予圧を与える所謂ダブルナット方式を採用してもよいし、ねじ軸１側の位相を途中でずらすことにより、予圧を与える方式を採用してもよい。

この実施形態では、ボールねじには合計四回路のボール循環路４が設けられる。ナット本体２には、四回路のボール循環路４に対応して四本の直線通路５が形成される。図２に示すように、ナット本体２の一方の二本の直線通路５は、互いの中心線が一致するようにナット本体２の軸線方向に並べられる。二本の直線通路５は、ナット本体２の一方の端面から他方の端面までドリル等で貫通孔を空けることにより一度に形成される。二本の直線通路５の中心線を合わせることで、貫通孔の加工コストを低減できる。他方の二本の直線通路５も同様に一方の端面から他方の端面までドリル等で貫通孔を空けることにより一度に形成される。

ナット本体２の各直線通路５の両端部には、ナット本体２の側面から加工された凹部１５が形成される。この凹部１５に循環部品８が嵌め込まれる（図４参照）。図５のナット本体２の平面図に示すように、凹部１５は、循環部品８が着座する底面１６と、循環部品８の周囲を囲む内壁１７と、底面１６に空けられる貫通孔１８と、からなる。底面１６には、循環部品８を取り付けるための雌ねじ（図示せず）が加工される。貫通孔１８には、後述する循環部品８の挿入部２１が挿入される。内壁１７の平面形状は角を丸めたほぼ矩形状に形成される。底面１６はナット本体２の外周面から一段高さを下げて平らに形成される。底面１６と内壁１７とは直交する。図６に示すように、ナット本体２の軸線と直交する断面において、凹部１５の内壁１７はナット本体２の軸線Ｐ１と直線通路５の中心Ｐ２とを結んだ線Ｌ２に平行である。一対の循環部品８をナット本体２の外側から線Ｌ２の方向に一対の凹部１５に嵌め込むことができるように、直線通路５の両端部に設けられる一対の凹部１５の内壁１７も互いに平行に形成される。凹部１５は、円筒の外周及び先端に刃を有するエンドミル等のフライス刃物を用い、ナット本体２の側面にフライス刃物を入れ、フライス刃物に回転運動を与え、ナット本体２に送り運動を与えることにより形成される。ナット本体２の外径部に複数組の凹部１５を加工する場合でも、ナット本体２を掴みかえたり、回転させることなく、ナット本体２の外径部に同一方向からフライス加工すればよいので、複数組の凹部１５の加工が容易になる。

また、凹部１５を形成するための加工量が最小になるので、加工精度が出し易い、熱処理による変形が生じにくい、またナット回転時の負荷バランスを最良とすることができる。

なお、図５の平面図には、貫通孔１８を通してナット本体２の奥側の負荷ボール転走溝２ａが示されている。貫通孔１８内の円形部分は、ナット本体２の上側の貫通孔１８と下側の貫通孔１８の重なり部分である。

ナット本体２に対してねじ軸１を回転させると、ナット本体２とねじ軸１との間の負荷ボール転走路３に介在されるボール７が転がり運動する。ねじ軸１のボール転走溝１ａ及びナット本体２の負荷ボール転走溝２ａは所定のリードを有するので、ねじ軸１の回転によってナット本体２が軸線方向に直線運動する。図７に示すように、負荷ボール転走路３の一端まで転がったボール７は、循環部品８の方向転換路６内に導かれる。循環部品８の方向転換路６を通過したボール７は、ナット本体２の直線通路５に導かれる。ナット本体２の直線通路５を通過したボール７は、他の循環部品８の方向転換路６に導かれ、再び負荷ボール転走路３の他端に戻る。

図８は、ねじ軸１上に展開された無負荷戻し路９の斜視図を示す。ナット本体２の軸線と平行に直線通路５を設け、ボール７をナット本体２の軸線と平行に循環させることで、ナット本体２の軸線方向からみた無負荷戻し路９の入口と出口を同じ位置に近づけることができる。このため、負荷ボール転走路３の巻き数を整数に近づけることできる。また、循環部品８の曲線通路２２（詳細は後述）がボール７を円弧状に掬い上げるので、ボール７の円滑な循環も可能になる。

図９は、ナット本体２の側方からみたボール循環路の中心線（ボール７の中心の軌跡）を示し、図１０は、ナット本体２の軸線方向からみた無負荷戻し路９の中心線（ボール７の中心の軌跡）を示す。図９に示すように、無負荷戻し路９は、直線通路５及び直線通路５の両端の方向転換路６に分けられる。方向転換路６は、曲線通路２２及び半径方向通路２３に分けられる。曲線通路２２に接続される半径方向通路２３の中心線は、ナット本体２の半径方向に伸びた後、ナット本体２の軸線方向の中央に向かって９０度円弧状に折れ曲がり、直線通路５に接続される。曲線通路２２の中心線はナット本体２の側方からみてナット本体２の軸線２ｆと直交する。曲線通路２２の中心線は、リードに合わせて傾けられてもよい。図８に示すように、曲線通路２２は、ナット本体２の軸線方向からみて、ボール７を半径方向に移動させる半径方向通路２３に接続される。

図１０に示すように、曲線通路２２は、ナット本体２の軸線方向からみて、ねじ軸１に向かって凸の円弧状の曲線に形成され、円形の負荷ボール転走路３に接する。曲線通路２２と負荷ボール転走路３の接続点Ｐ３が変曲点になっていて、曲線が凸から凹へ変わる。この接続点Ｐ３において、曲線通路２２の接線方向と負荷ボール転走路３の接線方向とが連続する。これにより、ボールを円滑に掬い上げることができる。なお、立体的にみて、曲線通路２２の中心線を円弧に形成し、かつ曲線通路２２と螺旋状の負荷ボール転走路３との接続点における中心線の接線方向が連続するように、すなわち曲線通路２２を負荷ボール転走路３のリードに合わせて傾けてもよい。

従来のエンドキャップ方式のボールねじにおいては、ナット本体２の軸線方向からみて、円形状の負荷ボール転走路３の接線方向に方向転換路６が配置されていた。これに対して、本実施形態のボールねじにおいては、リニアガイドのように円弧の軌跡に沿ってボール７を掬い上げる。このため、従来の接線方向掬いのボールねじに比べて、循環部品８が負荷ボール転走路３からボールを掬い上げてから直線通路５に導くまでの距離αを短くすることができる（図６参照）。

図１１及び図１２は、循環部品８の斜視図を示す。循環部品８は、凹部１５の底面１６及び内壁１７の形状に合わせた本体部２４と、本体部２４から垂下し、凹部１５の貫通孔１８に挿入される挿入部２１と、を有する。本体部２４には、直線通路５に繋がる半径方向通路２３が形成される。本体部２４には、ねじ等が通される通し孔を有する張出し部２４ａが形成される。循環部品８は、ねじ等の締結手段でナット本体２の凹部１５に固定される。

本体部２４の平面形状は凹部１５の底面１６の平面形状と同一である。図６に示すように、ナット本体２の軸線と直交する断面において、本体部２４の外壁２４ｂはナット本体２の凹部１５の内壁１７と平行であり、ナット本体２の中心Ｐ１と直線通路５の中心Ｐ２とを結んだ線に平行である。循環部品８の本体部２４の外壁２４ｂがナット本体２の凹部１５の内壁１７に接触し、また循環部品８の挿入部２１が凹部１５の貫通孔１８（図５参照）に嵌まることによって、ナット本体２の平面図における循環部品８のＸＹ方向の位置が決定される。また、循環部品８の本体部２４の底面２４ｃが凹部１５の底面１６に接触することによって、循環部品８のＺ方向の位置が決定される。ナット本体２の負荷ボール転走溝２ａに対して循環部品８を正確に位置決めすることにより、負荷ボール転走路３と無負荷戻し路９との間で円滑にボール７を移動させることができる。

循環部品８の挿入部２１には、負荷ボール転走路３に接続される曲線通路２２が形成される。この挿入部２１の下端部には、ねじ軸１のボール転走溝１ａ内に入り込み、ねじ軸１のボール転走溝１ａ上を転がるボールを曲線通路２２内に掬い上げる掬上げ部２１ａが形成される。掬上げ部２１ａは、負荷ボール転走路３に接する円弧に沿ってボール７を掬い上げるので、ボール７が掬上げ部２１ａに接触しても、掬上げ部２１ａに伝わる衝撃は少ない。

この循環部品８は、例えばＰＯＭ等の樹脂の成形品であり、無負荷戻し路９に沿って二分割された一対の分割体から構成されてもよいし、分割面の無い一体の部品から構成されてもよい。掬上げ部２１ａの材質を樹脂にすることで、掬上げ部２１ａが変形し易くなり、ボール７から掬上げ部２１ａに加わる衝撃がより緩和される。ここで、一対の循環部品８は同一の金型により同一形状に形成される。

なお、本発明は上記実施形態に限られず、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、ナット本体に設けられるボール循環路は一回路のみであってもよい。ボール循環路を二回路以上設けた場合でも、二つ以上の負荷ボール転走溝の位相を一致させ、予圧を付与しないようにしてもよい。

無負荷戻し路の曲線通路の中心線は、円弧でなくても、接線方向が連続になるクロソイド曲線であってもよい。円弧状の曲線には、円弧の他に楕円やクロソイド曲線等も含まれる。

直線通路の内側にパイプを嵌め込んだり、孔に一体に筒状の樹脂をインサート成形してもよい。

転動体には、ボールの替わりにローラを用いてもよい、転動体間に転動体同士の接触を防止するリテーナを介在させてもよい。

一つの循環部品には、同一形状のものを使用したが、異形状であってもよい。

１ａ…ボール転走溝（転動体転走溝），１…ねじ軸，２…ナット本体，２ａ…負荷ボール転走溝（負荷転動体転走溝），３…負荷ボール転走路（負荷転動体転走路），４…ボール循環路（転動体循環路），５…直線通路，６…方向転換路，７…ボール（転動体），８…循環部品，９…無負荷戻し路，１５…凹部，１６…底面，１７…内壁，２２…曲線通路

Claims (6)

1. 外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、
   内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有するナット本体と、
   前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナット本体の前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路を含む転動体循環路に配列される複数の転動体と、
   前記ナット本体に設けられ、前記ナット本体の軸線と平行に伸びる孔からなる直線通路と、
   前記ナット本体の前記直線通路の両端部に設けられ、前記負荷転動体転走路と前記直線通路とを接続する方向転換路が形成される一対の循環部品と、を備え、
   前記一対の循環部品は、前記ナット本体の外径部に形成されると共に前記直線通路と接続される一対の凹部に嵌め込まれ、
   各循環部品の前記方向転換路は、前記負荷転動体転走路に接続される曲線通路を有し、
   前記曲線通路は、前記ナット本体の軸線方向からみて、前記曲線通路を移動する転動体の中心線の軌跡が円弧状の曲線に形成される転動体ねじ装置。
2. 前記転動体ねじ装置には、前記ナット本体の軸線方向に位置をずらして二回路以上の転動体循環路が設けられ、
   前記ナット本体には、互いの中心線が一致するように配列される二本以上の直線通路が設けられ、
   前記ナット本体の各直線通路の両端部に、前記一対の循環部品が設けられることを特徴とする請求項１に記載の転動体ねじ装置。
3. 前記二回路以上の転動体循環路を構成する、前記ナット本体の二条以上の負荷転動体転走溝のうち、前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対する一つの負荷転動体転走溝の位相が他の一つの負荷転動体転走溝の位相からずれており、これにより前記転動体ねじ装置に予圧が付与されることを特徴とする請求項２に記載の転動体ねじ装置。
4. 前記ねじ軸の前記転動体転走溝及び前記ナット本体の前記負荷転動体転走溝は二条以上の条数を有し、
   前記ナット本体には、前記ナット本体の軸線方向に位置を重ねて、二条以上の条数に対応する二回路以上の転動体循環路が設けられると共に、前記ナット本体の周方向に位置をずらして、前記二条以上の条数に対応する二本以上の直線通路が設けられ、
   前記ナット本体の各直線通路の両端部に、前記一対の循環部品が設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の転動体ねじ装置。
5. 前記ナット本体には、一方の端面から他方の端面まで貫通する貫通孔が形成され、
   前記貫通孔の一部が前記直線通路を構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の転動体ねじ装置。
6. 複数の前記循環部品は、前記ナット本体の軸線方向に略一列に配列されることを特徴とする請求項２又は３に記載の転動体ねじ装置。

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