JP5282810B2 - ボールねじ機構 - Google Patents

Description

本発明は、一般産業用機械に組付けられたり、或いは自動車、船舶等に使用されたりするボールねじ機構に関するものである。

近年、車両等の省力化が進み、例えば自動車のトランスミッションやパーキングブレーキなどを手動でなく、電動モータの力により行うシステムが開発されている。そのような用途に用いる電動アクチュエータには、電動モータから伝達される回転運動を高効率で軸線方向運動に変換するために、ボールねじ機構が用いられる場合がある。

しかるに、通常、ボールねじ機構は、ねじ軸と、ナットと、両者間に形成された転走路内を転動するボールとからなるが、いわゆるコマ式のボールねじ機構においては、転走路の一端から他端へとボールを戻すために、コマをナットに取り付けている（特許文献１参照）。又、ナットの雌ねじ溝は、螺旋状に刃物を形成したタップ工具を用いてナットの内周面を切削加工することで形成できる（特許文献２参照）。

特開平１１−２７０６４８号公報 特開２００５−６９２６５号公報

しかるに、従来技術の製造方法によれば、
（１）加工されるナット内周面においては、実際にボールが挿入されて使用される部分以外に雌ねじ溝の切削が行われ、不必要な加工が行われている。
（２）加工されるナット内周面においては、実際にボールが挿入されて使用される転走路以外の部分（不使用溝という）にもついても雌ねじ溝の切削が行われるが、ボールねじ組立の際に、かかる不使用溝に誤ってボールが挿入されると、ボールが詰まって作動不良を起こす恐れがある。
（３）タップ工具の切り歯は、ナットに最初に挿入する側の先端から後方に向かって徐々に切削量を増して行くようなテーパ状になっている為、工具の径方向及び軸方向寸法が増大し、加工機及び加工法に制約が伴うという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、加工の無駄を省き、ボールねじ機構の信頼性を高め、製造の自由度が向上するボールねじ機構の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のボールねじ機構の製造方法は、
外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成したナットと、
対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、を有するボールねじ機構の製造方法において、
前記ナットの素材の内部に、Ｓ字状の凸部を２つ同じ側に形成した金型を挿入し、前記金型の両端を支持して、前記ナットの素材を前記凸部に向かってプレスすることにより，前記ナットの循環路を２つ同時に形成することを特徴とする。

本発明によれば、前記ナットの循環路は、前記ナットの素材の内部に、Ｓ字状の凸部を形成した金型を挿入し、更に前記ナットの内周面に対して前記凸部を相対的に押し付けることにより形成されるので、容易に形成できると共に、前記雌ねじ溝に対応する形状の刃物を有する工具を、自転させつつ公転させて切削加工を併せて行うことで、前記循環路と前記雌ねじ溝とを段差なく接続させることができ、異音、作動トルク変動、寿命低下等を抑制することができる。

第２の本発明によれば、前記ナットの循環路は、塑性加工により前記ナットの内周面に形成されるので、容易に形成できると共に、前記雌ねじ溝に対応する形状の刃物を有する工具を、自転させつつ公転させて切削加工を併せて行うことで、前記循環路と前記雌ねじ溝とを段差なく接続させることができ、異音、作動トルク変動、寿命低下等を抑制することができる。

本実施の形態であるボールねじ機構の軸線方向断面図である。 図１に示すナットをII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 図３（ａ）は中空円筒部材と金型の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の構成を矢印IIIB方向に見た図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）の金型を矢印IIIC方向に見た図である。 図４（ａ）は、中空円筒部材の鍛造加工後における軸線方向断面図であり、図４（ｂ）は、中空円筒部材の鍛造加工後における斜視図である。 図５（ａ）は、中空円筒部材の切削加工の状態を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す中空円筒部材と切削工具を矢印VA方向に見た図である。 図６（ａ）は、中空円筒部材の切削加工後における軸線方向断面図であり、図６（ｂ）は、中空円筒部材の切削加工後における斜視図である。 中空円筒部材の焼入処理の状態を示す軸線方向断面図である。 比較例にかかるコマ式ボールねじ機構の軸線直交方向断面図である。 図８の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図である。 図１に示す本実施の形態の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図である。 図１１（ａ）は中空円筒部材と金型の断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の構成を矢印XIB方向に見た図である。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる製造方法により製造したボールねじ機構の軸線方向断面図である。図２は、図１に示すナットをII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図１において、不図示の被駆動部材に連結され、回転不能且つ軸線方向にのみ移動可能に支持されたねじ軸１の外周面には、雄ねじ溝１ａが形成されている。不図示のハウジングに対して回転のみ可能に支持された円筒状のナット２は、ねじ軸１を包囲するように配置され、内周面に、２列の雌ねじ溝２ａ（図２参照）と、各雌ねじ溝２ｂに接続する循環路２ｂとを形成している。複数のボール３が、対向する両ねじ溝間に形成された螺旋状の転走路内を転動し、循環路２ｂを介して戻るように配置されている。

次に、本実施の形態にかかる製造方法について説明する。まず、ナットの素材であるフランジ付きの中空円筒部材の内周面に、循環溝を形成する。図３は、循環溝を形成する工程を示す図であり、図３（ａ）は中空円筒部材と金型の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の構成を矢印IIIB方向に見た図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）の金型を矢印IIIC方向に見た図である。ここでは、図３に示すような金型Ｍを用いて鍛造加工を行う。金型Ｍは、中空円筒部材の内径より小径の外径を有する円筒状であって、その外表面に図３（ｂ）、（ｃ）に示すようなＳ字状の凸部Ｍａを２つ形成している。凸部Ｍａは、循環路２ｂの形状に対応している。

かかる金型Ｍを中空円筒部材Ｎの内部に挿入して、その内周面の上部に凸部Ｍａを当接させ、更に金型Ｍの両端を支持した状態で、中空円筒部材Ｎを金型Ｍに向かってプレス（Ｐ）し、鍛造加工を行う。すると、図４に示すように、凸部Ｍａが中空円筒部材Ｎの内周面に転写され、くぼんだ２つの循環路２ｂが形成される。

次に、循環路２ｂを形成した中空円筒部材Ｎの内周面に、雌ねじ溝を形成する。図５は、雌ねじ溝を形成する工程を示す図である。ここでは、図５に示すような切削工具Ｔを用いて切削加工を行う。切削工具Ｔは、回転軸Ｔａの外周に、刃物Ｔｂを形成している。刃物Ｔｂの切削面（周方向に対向する面）は、雌ねじ溝２ａの形状に一致する。回転軸Ｔａは、その軸線Ｏ回りに回転（図５（ｂ）のＡ）するが、それとは独立して偏心軸Ｑ回りに公転（図５（ｂ）のＢ）する。尚、このように切削工具Ｔを自転及び公転させる機構としては、例えば遊星歯車機構（不図示）の遊星歯車に回転軸Ｔａを連結した構成が考えられるが、それに限られない。

この切削加工を行う場合、中空円筒部材Ｎの端面近辺では自転する刃物の公転軌道を、自転する刃物Ｔｂが中空円筒部材Ｎの内周面に接触しないよう公転軌道中心よりに逃がすことが必要となる。更に図５に示すように、切削工具Ｔの回転軸Ｔａを所定の軸線方向位置で半径方向外方にシフトさせ、雌ねじ溝２ａのピッチで軸線方向に送り出しながら公転させつつ、より速い速度で自転させることで、３６０度未満の螺旋状の雌ねじ溝２ａを、中空円筒部材Ｎの内周面に切削形成することができる。このとき、循環路２ｂに軸線方向位置及び位相を合わせることで、図６に示すように、各循環路２ｂが雌ねじ溝２ａの両端に接続するように形成できる。図５に示す切削工具Ｔでは、２本の雌ねじ溝２ａを形成するために、同じ中空円筒部材Ｎについて２回切削加工することになるが、回転軸Ｔａ上に刃物Ｔｂを２つ形成すれば、一度の切削加工で形成できる。

次に、循環路２ｂ及び雌ねじ溝２ａを形成した中空円筒部材Ｎの内周面に、焼入処理を行う。図７は、高周波焼入の処理工程を示す図である。ここでは、図７に示すように、中空円筒状部材Ｎの内部にコイルＣを配置し、高周波電源ＥからコイルＣに高周波電流を流す事で、中空円筒状部材Ｎの内周面に高周波焼入れを行う。以上の工程により、ナット２を製造することができる。

本実施の形態によれば、中空円筒状部材Ｎにコマの取り付け孔を形成していないので、オーバーヒートの熱処理不具合等が無く、高周波焼入れを行うのに適している。また中空円筒状部材Ｎの内周面に一度に焼入れを行うことで、耐摩耗性に優れた雌ねじ溝２ａ及び循環路２ｂを形成でき、その場合に粒界酸化を抑制できる。

特に、従来のボールねじ機構で用いられているチューブやコマ等の循環部材は、一般的に熱処理が行われていないから、長期間にわたりボールねじを作動すると磨耗し、循環不良の原因となる。これに対し、本実施の形態によれば、雌ねじ溝２ａのみならず循環路２ｂにも焼入れを同時に行うことができるので、耐摩耗性を確保すると同時に粒界酸化を抑制できるので、長寿命が期待できる。

図８は、比較例にかかるコマ式ボールねじ機構の軸線直交方向断面図であり、図９は、図８の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図であるが、３次元的奥行きは廃止し、模式的に表している。図１０は、図１に示す本実施の形態の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図であるが、３次元的奥行きは廃止し、模式的に表している。図８，９に示す比較例は、ナット２の取り付け孔２ｃに、循環路４ａを有するコマ４を組み付けている点のみが異なる。

ねじ軸１の雄ねじ溝１ａとナット２の雌ねじ溝２ａにより形成される転送路は、ボール３の外径にほぼ近似した螺旋状の空間となる。よって図８に示すように、循環路４ａをコマ４に形成して、ナット２’に組み付けた場合、循環路４ａの導入部は、ナット２の雌ねじ溝２ａよりも径方向で外方に逃げていなくてはならず、それにより雌ねじ溝２ａと循環路４ａとの間には段差Δが生じる。コマ４を別部材とすると、段差Δを０にする事は一般的には困難である。これに対し、本実施の形態によれば、循環路２ｂはナット２の内周面に直接形成されるため、図９に示すように、雌ねじ溝２ａと循環路２ｂとの間（図１０のＤ部）を滑らかに接続し、段差を設けないようにできるので、雌ねじ溝２ａと循環溝２ｂとの間をボール３が通過しても、異音や作動トルク変動（ひっかかり等）を生じることがなく、また寿命低下等を抑制することができる。

更に、比較例の構成では、図８に示すように、ナット２’の内周面には軸線方向にわたって雌ねじ溝２ａが形成される。かかる場合、軸線方向における取り付け孔２ｃ、２ｃの間に形成された雌ねじ溝（不要溝）２ａ’と、それに対向する雄ねじ溝１ａとの間に、点線で示すようにボール３を誤って組み付けると、ボール３が転送できずにねじ軸１とナット２がロックしてしまう恐れがある。これに対し本実施の形態によれば、図９に示すように、軸線方向における循環溝２ｂ、２ｂの間に雌ねじ溝を形成しないので、ボール３が誤って組み付けられる余地がなく、作動不良を招く恐れがない。

図１１は、変形例にかかる循環溝を形成する工程を示す図であり、図１１（ａ）は中空円筒部材と金型の断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の構成を矢印XIB方向に見た図である。図３に示す工程の場合、金型Ｍの両端のみを支持しているので、プレス圧Ｐが強大であると金型Ｍが撓み、循環溝を精度良く転写形成できない恐れがある。

これに対し本変形例では、中空円筒部材Ｎの中央に孔Ｎａを形成し、ここを通した支持柱ＳＣで金型Ｍの中央を更に支持するようにしている。従って、金型Ｍは両端と中央の三点で支持されるため、例えプレス圧Ｐが強大であっても金型Ｍの撓みが顕著に減少し、循環溝を精度良く転写形成できる。尚、本変形例で用いる中空円筒部材Ｎは、２つの雌ねじ溝２ａの間において、これらに連通しないようにして孔Ｎａが形成されるため、ここからボール３が脱落する恐れはない。孔Ｎａは、ボールねじ機構の使用中、不図示の蓋部材で遮蔽されても良い。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

１ ねじ軸
２ ナット
３ ボール
Ｎ 中空円筒部材
Ｔ 切削工具
Ｃ コイル
Ｅ 高周波電源

Claims (3)

1. 外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
   前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成したナットと、
   対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、を有するボールねじ機構の製造方法において、
   前記ナットの素材の内部に、Ｓ字状の凸部を２つ同じ側に形成した金型を挿入し、前記金型の両端を支持して、前記ナットの素材を前記凸部に向かってプレスすることにより，前記ナットの循環路を２つ同時に形成することを特徴とするボールねじ機構の製造方法。
2. 前記金型のプレス位置を、前記ナットの中央部とすることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構の製造方法。
3. 前記金型を３点で支持することを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ機構の製造方法。

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