JP5040666B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

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Description

この発明は、ボールねじ装置に関し、特に、スプライン付きのボールねじ装置に関する。
ねじ軸およびこれにボールを介してねじ合わされたボールねじナットを備えているボールねじ装置は、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し、ねじ軸が直進移動する形態とされたボールねじ装置を電磁緩衝器に適用することが開示されている。
特開２００５−２６４９９２号公報
電磁緩衝器は、タイヤからの軸方向振動をボールねじ装置を用いて回転方向振動に変換し、モータを用いて減衰力制御を行うもので、突起乗り越し等のサスペンションオーバストローク時には、高速回転していたモータが急停止し、慣性トルクにより過大軸力がボールねじに負荷されることがあり、この場合のボールねじ機構の保護が課題となっている。強度を確保するために、サイズを大きくすることが考えられるが、この場合には、慣性モーメントが増加し、モータをこれに伴って大型化する必要があり、応答性が悪くなるなどの問題が生じる。
この発明の目的は、サイズを大きくすることなく、ボールねじの強度を確保することができるボールねじ装置を提供することにある。
この発明によるボールねじ装置は、ねじみぞおよびスプラインみぞが設けられたねじ軸と、ねじ軸のねじみぞにボールを介してねじ合わされたボールねじナットと、ねじ軸のスプラインみぞにボールを介して嵌め合わされたスプラインナットと、ねじ軸を保持するハウジングと、ハウジングに衝突することによりボールねじの所定量を超えた移動を規制するストッパと、ストッパ衝突時にボールねじを保護するボールねじ保護手段とを備えているボールねじ装置において、ボールねじ保護手段は、スプラインナットおよびボールねじナットのいずれか一方のナット本体外周面に設けられたナット本体テーパ面と、ナット本体テーパ面に対応するようにナット本体保持部に形成された保持部テーパ面と、ナット本体をナット本体テーパ面と保持部テーパ面間の摩擦力が増大する方向に付勢するナット本体付勢部材とを備えており、ナット本体テーパ面および保持部テーパ面のテーパ方向は、ストッパ衝突時に作用する力が両テーパ面間の摩擦力が減少する方向に作用するように設定されていることを特徴とするものである。
ボールねじ装置は、スプライン付きのもので、例えば、ボールねじナットが回転し、これによって、ねじ軸が直線移動し、ねじ軸の直線移動がスプラインナットで案内される形式で使用される。
ボールねじ保護手段は、ナット（ボールねじナットまたはスプラインナット）の形状および保持手段を従来のものから変更したもので、ボールねじナットおよびスプラインナットいずれの構成を変更する場合でも、ナット本体外周面にナット本体テーパ面が形成され、これに対応するように保持部テーパ面がナット本体保持部に形成される。ナット本体保持部は、従来使用されている部材（ハウジング、中空軸など）の内周面をテーパ面とすることで得ることができ、また、所要のテーパ面を有する部材を従来使用されている部材（ハウジング、中空軸など）の内周面に固定することで得ることもできる。ナット本体とナット本体保持部とは、ナット本体をナット本体テーパ面と保持部テーパ面間の摩擦力が増大する方向（テーパ面の径が小さくなる方向）に付勢するナット本体付勢部材を使用することで、摩擦力および弾性力によって結合される。したがって、通常の作動時は、ナット本体とナット本体保持部とが一体でねじ軸に対して相対移動し、ボールねじ装置は従来のものと同様に作動する。ナット本体テーパ面および保持部テーパ面は、互いに同軸で同方向とされ、テーパ面の方向は、ストッパ衝突時に受ける力の方向によって決定され、衝突時に発生する力がテーパ面の径が小さくなる方向（付勢部材の付勢方向と同じ方向）と逆の方向（衝突時に作用する力が両テーパ面間の摩擦力が減少する方向）に作用するように、ストッパが設けられる。これにより、ストッパ衝突時には、ナット本体とナット本体保持部との間に作用する力が減少し、ストッパ衝突時にナット本体に作用する力が付勢部材の付勢力に打ち勝つ大きさになると、ナット本体とナット本体保持部とが相対移動可能となり、ナット本体が本体保持部に対してフリーとなることで、ねじ軸とナット間に作用する力が減少する。
この発明によるボールねじ装置は、ねじ軸およびボールねじナットのいずれか一方がボールねじ回転部材、同他方がボールねじ直進部材とされて、ボールねじ回転部材がモータのロータに結合される。このようなボールねじ装置は、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、または、モータによってねじ軸が回転させられ、これにより、ボールねじナット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、または、ボールねじナットが外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ねじ軸が回転し、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。
いずれの場合でも、ボールねじ直進部材は、往復直線移動し、通常、その所定方向（この明細書では「前進方向」と称す。この「前進方向」は、ストッパに衝突する移動方向を意味し、具体的には、上下、前後、左右およびその他の方向のいずれであってもよい。）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、ナット本体に直接衝突してもよいが、ナット本体が固定されている部分に衝突して、ナット本体に所定力を作用するものであってもよい。ストッパは、例えば、ボールねじ直進部材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ボールねじ直進部材に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ボールねじ直進部材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。
ストッパによってボールねじ直進部材の前進方向の極限位置が規定されていることで、極限位置に達すると、ボールねじ直進部材が強制的に停止させられる。この際のボールねじ直進部材の移動速度が速い場合、ボールねじ直進部材の急停止時におけるボールねじ回転部材の回転慣性力が大きいため、ボールねじ軌道に圧痕が生じることがある。通常、ボールねじ回転部材とモータロータとはリジッド結合とされており、ボールねじ直進部材の移動が強制的に停止させられた場合には、モータロータの慣性力もボールねじ回転部材に作用し、圧痕が発生する可能性が高いものとなっている。
この発明のボールねじ装置によると、ボールねじ回転部材がモータロータと一体で回転している状態で急停止した場合、ナット本体が本体保持部に対してフリーとなることで、ボールねじ回転部材およびモータロータの回転慣性力がボールねじ直進部材に負荷されないので、圧痕が生じるような大きい力がボールねじ軌道部に作用することが防止される。したがって、ボールねじ回転部材とモータロータとの結合は、従来と同じリジッド結合でよい。
スプラインナットに着目した場合、例えば、スプラインナットのナット本体保持部がハウジングの一端部に形成された開口に連なるように設けられ、各テーパ面は、開口に向かって径が小さくなるものとされ、ナット本体付勢部材は、ナット本体を開口に向かう方向に付勢し、ストッパは、ナット本体の開口側の端面に衝突するようになされていることがある。この構成は、ボールねじナットが回転可能かつ直線移動不可能状態でモータに接続されたボールねじ回転部材とされ、ねじ軸がボールねじ直進部材とされる場合に、特に有効である。
また、ボールねじナットに着目した場合、例えば、ボールねじナットは、外周面がテーパ面とされたナット本体と、内周面がテーパ面とされたナット本体保持部としての筒状ナットケースとからなり、ナットケースが直線移動側部材に固定され、各テーパ面は、直線移動側部材の前進方向に向かって径が小さくなるものとされており、ナット本体付勢部材は、ナット本体を前進方向に付勢し、ストッパは、ナット本体の前進方向の移動量が所定量に達したときに衝突するようになされていることがある。この構成は、ねじ軸が回転可能かつ直線移動不可能状態でモータに接続されたボールねじ回転部材とされ、ボールねじナットがボールねじ直進部材とされて、ボールねじナットに直線移動側部材が一体化される場合に有効であり、スプラインのないボールねじでもこの構成を使用することができる。
スプラインは、ボールスプラインであってもよく、例えばインボリュートスプラインのような嵌合式のスプラインであってもよい。
また、付勢部材は、例えば皿ばねとされるが、これに限定されるものではなく、種々の形式のばねを使用することができる。
この発明のボールねじ装置によると、ストッパがハウジングに衝突したときには、この衝撃荷重によってナット本体がフリーとなり、ボールねじ軌道に圧痕が発生することを防止できるので、ボールねじ直進部材に作用する荷重を小さくすることができ、ボールねじ軌道に圧痕が発生することを防止できる。これにより、強度確保のために全体を大きくした場合の慣性モーメント増加という問題が解消し、ボールねじ装置を小型化および軽量化することができる。
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、図の上下をいうものとし、また、上方を前進方向とする。
図１は、この発明によるボールねじ装置の第１実施形態を示している。
ボールねじ装置(1)は、ねじみぞ(2a)および上下方向にのびるスプラインみぞ(2b)が設けられた上下にのびる鋼製ねじ軸(2)と、ねじ軸(2)のねじみぞ(2a)にボールを介してねじ合わされたボールねじナット(3)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(4)と、ねじ軸(2)のスプラインみぞ(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ナット(5)と、軸受(7)を介して中空軸(4)を回転可能に支持するとともにボールスプラインナット(5)を支持する円筒状のハウジング(6)と、ボールねじを保護するためのボールねじ保護手段(10)とを備えている。
ねじ軸(2)と中空軸(4)とは、同心状に配置されており、ボールねじ装置(1)は、中空軸(4)の上部にモータのロータ（図示略）が固定されることにより、中空軸(4)およびボールねじナット(3)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。
スプラインナット(5)は、従来のボールねじ装置においては、ハウジング(6)に対して、回転不可能かつ軸方向移動不可能とされるが、このボールねじ装置では、弾性力および摩擦力によってハウジング(6)に保持されるようになされており、これらの力に逆向きの力を付与することで、ハウジング(6)に対してフリー（逆向きの力の方向に移動可能でかつ回転も可能）とされる。
スプラインナット(5)を保持するナット本体保持部(13)は、ハウジング(6)の下端部に形成された開口に連なるように設けられており、その内周面(13a)は、開口（下方）に向かって径が小さくなるテーパ面（保持部テーパ面）とされている。ナット本体保持部(13)に保持されるスプラインナット(5)の外周面には、保持部テーパ面に対応したナット本体テーパ面(12)が形成されている。
ボールねじ保護手段(10)は、スプラインナット（ナット本体）(5)の外周面に設けられたナット本体テーパ面(12)と、ナット本体保持部(13)に形成された保持部テーパ面(13a)と、スプラインナット(5)の上端側に配置されてスプラインナット(5)をナット本体テーパ面(12)と保持部テーパ面(13a)間の摩擦力が増大する方向（下向き）に付勢するナット本体付勢部材としての皿ばね(11)とからなる。
テーパ面同士(12)(13a)は、下向きに作用する皿ばね(11)の付勢力下で結合されており、したがって、皿ばね(11)の付勢力に打ち勝つような大きい上向きの力がスプラインナット(5)に作用した場合、スプラインナット(5)は、ハウジング(6)に対して上方に移動することができ、回転することもできる。
皿ばね(11)は、ハウジング(6)内周に設けられた環状溝(6a)に嵌め入れられた止め輪(14)と、スプラインナット(5)の上面との間に配置され、これにより、スプラインナット(5)を開口に向かうように下向きに付勢している。
ストッパ（図示略）は、矢印で示すように、スプラインナット(5)の開口側の端面(5a)に衝突するようになされている。
このボールねじ装置(1)は、例えば、自動車の電磁サスペンション用として使用するのに適している。電磁サスペンションは、タイヤから伝わる軸方向運動をボールねじ機構により回転運動に変換し、この回転運動をモータに取り込んで、モータで発生する電磁力を減衰力として利用する緩衝器であり、突起乗り越し等のサスペンションオーバストローク時には、ねじ軸(2)が上方に速い速度で移動（前進）し、直線移動部分に設けられたバンプストッパがモータフランジ等に衝突することにより、高速回転していたモータが急停止し、モータの慣性トルクにより過大軸力がボールねじ(2)(3)(5)の軌道部(2a)(2b)に負荷されることがあり、この場合のボールねじ機構の保護が課題となっている。
上記のボールねじ装置(1)によると、ねじ軸(2)の前進がストッパによって停止させられた場合、ボールねじナット(3)に大きな回転慣性力が作用し、ねじ軸(2)はボールねじナット(3)から回転方向の力を受ける。スプラインナット(5)がねじ軸(2)に対して回転不可能とされている場合、スプラインナット(5)がこの大きな回転方向の力を受けることで、ボールねじ軌道に圧痕が発生することがあり得るが、スプラインナット(5)は、そのテーパ面(12)がハウジング(6)のテーパ面(13a)と嵌まり合っていることにより、上方に移動するとともに、ハウジング(6)に対して回転することができ、これにより、スプラインナット(5)のねじ軸(2)の動きを規制する作用が失われ、圧痕が生じるような大きい力がボールねじの軌道部に作用することが防止される。
なお、上記のボールねじ装置(1)は、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ナット(5)で支持した形態での使用となる。
図２は、この発明によるボールねじ装置の第２実施形態を示しており、このボールねじ装置(21)は、ねじみぞ(22a)を有し上下方向に配置されたねじ軸(22)と、ねじ軸(22)のねじみぞ(22a)にボール(24)を介してねじ合わされたナット本体(25)およびナット本体(25)に嵌め被せられたナット本体保持部としての円筒状ナットケース(26)からなるボールねじナット(23)と、ねじ軸(22)と同心でハウジング(28)に直線移動可能に嵌め入れられてナットケース(26)に固定されている円筒体(27)と、ボールねじを保護するためのボールねじ保護手段(30)とを備えている。
ボールねじ装置(21)は、例えば、電磁緩衝器において使用され、この際、ねじ軸(22)にモータ（図示略）が接続されることにより、ねじ軸(22)が回転可能かつ直線移動不可能なボールねじ回転部材とされ、ボールねじナット(23)が回転不可能かつ直線移動可能なボールねじ直進部材とされ、円筒体(27)が地面からの入力を受ける直線移動側部材とされる。そして、円筒体(27)の回転が防止されることで、ボールねじナット(23)がねじ軸(22)と共回りすることが防止される。
ボールねじナット(23)は、従来、円筒体(27)に直接固定（常に一体で移動するように）されていたが、このボールねじ装置(21)では、ねじみぞ(22a)にボール(24)を介してねじ合わされたナット本体(25)とは別部材であるナットケース(26)がナット本体(25)と円筒体(27)との間に介在されており、ナット本体(25)は、ナットケース(26)およびこれに固定されている円筒体(27)に対して、必要に応じて、移動（直線移動および回転）することができる。
ナット本体(25)の外周面は、テーパ面(25a)とされており、このテーパ面(25a)に対応するテーパ面(26a)がナットケース(26)の内周面に設けられている。
円筒体(27)の上端部にはフランジ部(27a)が設けられており、ナットケース(26)は、その下面が円筒体(27)のフランジ部(27a)の上面に受けられて、ねじ(31)によって同部(27a)に固定されている。ナットケース(26)は、ねじ(31)によって固定されていることで、円筒体(27)と常に一体で移動する。
ナット本体(25)は、ナット本体(25)を上向きに付勢する皿ばね(32)を介してその下面が円筒体(27)のフランジ部(27a)の内周縁部上面に支持されている。
ボールねじ保護手段(30)は、ボールねじナット(23)のナット本体(25)外周面に設けられたナット本体テーパ面(25a)と、ナット本体保持部（ナットケース）(26)に形成された保持部テーパ面(26a)と、ナット本体(25)を上向きに付勢するナット本体付勢部材としての皿ばね(32)とからなる。
ナットケース(26)の上端部には、環状の溝(26b)が形成され、この環状溝(26b)に、ナットケース(26)よりも上面が上方に突出している環状のストッパ(33)のフランジ部(33a)が嵌め合わせられている。フランジ部(33a)の軸方向長さは、環状溝(26b)の軸方向長さよりも小さくなされており、ストッパ(33)は、環状溝(26b)の軸方向長さで規定されている範囲で、上下移動することができる。ナット本体(25)の上端面は、ストッパ(33)の下面に当接させられており、ストッパ(33)の上方移動が環状溝(26b)によって阻止されることで、皿ばね(32)の上向きの付勢力がストッパ(33)で受けられている。
ナット本体(25)のテーパ面(25a)およびナットケース(26)のテーパ面(26a)は、上方に向かって径が小さくなる方向のテーパ面とされており、皿ばね(32)による上向きの付勢力が作用しているときには、テーパ面(25a)(26a)同士が摩擦力を増大させる方向の力を受けることで、ナット本体(25)とナットケース(26)との相対回転が防止されている。
ストッパ(33)は、円筒体(27)の上方移動時にハウジング(28)の例えば軸受支持部に当たることで、円筒体(27)の最大移動量を規定している。
上記の構成により、円筒体(27)が最大上昇位置まで到達してストッパ(33)による衝突が起こるまでは、ナット本体(25)とナットケース(26)とを合わせたもの（ボールねじナット(23)）が従来のボールねじナットに相当するものとなっており、円筒体(27)が上方に移動すると、ナット本体(25)は、皿ばね(32)を介して上向きの力を受けて円筒体(27)と一体で上方に移動し、円筒体(27)が下方に移動すると、円筒体(27)と一体のナットケース(26)からの下向きの力を受けて円筒体(27)と一体で下方に移動する。
従来のボールねじナットでは、円筒体(27)が外部からの力によって急速度で上昇した際にストッパ(33)がハウジング(28)に衝突すると、回転し続けようとするねじ軸(22)と直線移動が停止させられたボールねじナットとの間に大きい慣性トルクが作用し、ボールねじに大きな負荷がかかることがあった。
これに対し、この第２実施形態のボールねじ装置(21)によると、円筒体(27)の最大移動量を規定するストッパ(33)がハウジング(28)の所定箇所に衝突すると、ナット本体(25)に皿ばね(32)の付勢力と反対方向の力（下向きの力）が作用し、この力は、ナット本体(25)のテーパ面(25a)とナットケース(26)のテーパ面(26a)とを互いに離す方向すなわち摩擦力をなくす方向の力であり、これにより、ナット本体(25)とナットケース(26)とは、相対的に回転可能となる。したがって、ストッパ(33)の衝突によってねじ軸(22)が高速回転中に急停止したとしても、回転方向フリー（または回転方向の摩擦力が小）となったナット本体(25)とねじ軸(22)との間には大きな力が作用しないことになり、ボールねじ軌道の圧痕が防止される。
なお、ナット本体(25)を上向きに付勢する付勢部材は、皿ばね(32)以外のばねやゴムなどの弾性体とすることができる。また、ストッパ(33)は、衝突時にナット本体(25)を下方に移動させるものであれば種々の形態が可能であり、ハウジング(28)（例えば軸受支持部近傍）に設けるようにしてもよい。
図１は、この発明のボールねじ装置の第１実施形態を示す縦断面図である。 図２は、この発明のボールねじ装置の第２実施形態を示す要部の拡大縦断面図である。
符号の説明
(1) ボールねじ装置
(2) ねじ軸
(2a) ねじみぞ（軌道部）
(2b) スプラインみぞ（軌道部）
(3) ボールねじナット
(5) スプラインナット（ナット本体）
(6) ハウジング
(10) ボールねじ保護手段
(11) 皿ばね（ナット本体付勢部材）
(12) ナット本体テーパ面
(13) ナット本体保持部
(13a) 保持部テーパ面
(21) ボールねじ装置
(22) ねじ軸
(22a) ねじみぞ
(23) ボールねじナット
(28) ハウジング
(25) ナット本体
(25a) ナット本体テーパ面
(26) ナット本体保持部
(26a) 保持部テーパ面
(30) ボールねじ保護手段
(32) 皿ばね（ナット本体付勢部材）

Claims (2)

  1. ねじみぞおよびスプラインみぞが設けられたねじ軸と、ねじ軸のねじみぞにボールを介してねじ合わされたボールねじナットと、ねじ軸のスプラインみぞにボールを介して嵌め合わされたスプラインナットと、ねじ軸を保持するハウジングと、ハウジングに衝突することによりボールねじの所定量を超えた移動を規制するストッパと、ストッパ衝突時にボールねじを保護するボールねじ保護手段とを備えているボールねじ装置において、
    ボールねじ保護手段は、スプラインナットおよびボールねじナットのいずれか一方のナット本体外周面に設けられたナット本体テーパ面と、ナット本体テーパ面に対応するようにナット本体保持部に形成された保持部テーパ面と、ナット本体をナット本体テーパ面と保持部テーパ面間の摩擦力が増大する方向に付勢するナット本体付勢部材とを備えており、ナット本体テーパ面および保持部テーパ面のテーパ方向は、ストッパ衝突時に作用する力が両テーパ面間の摩擦力が減少する方向に作用するように設定されていることを特徴とするボールねじ装置。
  2. スプラインナットのナット本体保持部がハウジングの一端部に形成された開口に連なるように設けられ、各テーパ面は、開口に向かって径が小さくなるものとされ、ナット本体付勢部材は、ナット本体を開口に向かう方向に付勢し、ストッパは、ナット本体の開口側の端面に衝突するようになされていることを特徴とする請求項１のボールねじ装置。
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