JP6007653B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や産業用機械等の搬送や精密位置決めに好適に用い得るボールねじ装置に係り、特に、ダブルナット式ボールねじ装置の予圧構造に関する。

ダブルナット式ボールねじ装置としては、例えば特許文献１記載の技術が開示されている。同文献記載のボールねじ装置は、一本のねじ軸と、このねじ軸に螺合される対となる２個のナットとを備えている。２個のナット間には、平板状の間座が挿入される（両ナット間の隙間よりも予圧量分だけ厚いか薄い間座が挿入される。）。これにより、同文献記載のボールねじ装置によれば、ナットに予圧を付与することができる。

特開２００４−２５７４６６号公報

しかしながら、平板状の間座は、２個のナットの各端面に面接触するので、対となる２個のナットを軸方向に拘束するだけでなく径方向にも拘束してしまう。そのため、組み立て具合によっては両ナット間で相対的な芯ズレ誤差や傾き誤差が発生し、これにより両ナット内に組み込まれている転動ボールの負荷バランスが崩れる。そのため、ボールねじの作動性を悪化させるという課題があった。換言すれば、負荷分布が一定とならないため、場所により転動ボールが受ける予圧荷重が異なることになるという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、作動性が良好で、予圧調整作業が容易であるダブルナット式のボールねじ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るボールねじ装置は、ねじ軸と、該ねじ軸にボールねじ溝を転動する転動ボールを介して螺合される２個のナットと、各ナットに反対向きの軸方向の力を作用させて予圧を与える予圧付与手段とを備えるボールねじ装置であって、前記予圧付与手段は、前記２個のナット同士の間に介装される三個以上のボールと、該三個以上のボールを収容可能に外周にむけた開口部をもつ複数の収容部を有するボール保持具と、該ボール保持具の複数の収容部の開口部を径方向から塞ぐ複数の蓋部材とを備え、前記ボール保持具は、自身の板厚の方向を前記軸方向に向けた状態で前記２個のナット同士の間に装着されるとともに、前記三個以上のボールの外径よりも前記板厚が薄くなっており、前記ボール保持具の複数の収容部が、自身の周方向に前記三個以上のボールを略等配するように形成されていることを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係るボールねじ装置において、前記複数の収容部は、各収容部に収納されるボールが、１個であること、または、複数個であることは好ましい。
また、本発明の一態様に係るボールねじ装置において、前記ボール保持具は、前記複数の収容部が３箇所に形成されていることは好ましい。
また、本発明の一態様に係るボールねじ装置において、前記予圧付与手段に用いるボールの外径は、前記ボールねじ溝を転動する転動ボールの外径と同じ呼び寸法とされていることは好ましい。

本発明によれば、ボール保持具に等配された複数の収容部に収納される複数のボールは、点当たりでナット端面に当接して予圧を与えることができる。そのため、対となる２個のナットを軸方向に拘束するだけで径方向には拘束しない。そして、各ボールはナットの径方向に転がることにより両ナットの位置が調整される。したがって、両ナット間で相対的な芯ズレ誤差や傾き誤差が生じない。これにより、本発明によれば、両ナット内に組み込まれている転動ボールには安定した予圧荷重が負荷されるため、ボールねじ装置の作動性に影響を与えない。
また、ボール保持具は、複数の収容部が、ボールを収容可能に外周にむけた開口部を有し、その開口部が、蓋部材によって塞がれるようになっているので、対となる２個のナットを近づけた状態でボールを外径部側から交換することができ組立性が向上する。

つまり、従来の平板状の間座では、ボールねじに一旦間座を組み付けて予圧の度合いをみた後に、再び間座を取り外して研削加工により厚さを調節する作業工程を要するという問題があった。これに対し、本発明によれば、平板状の間座の代わりに複数のボールを用いているので、予圧の度合いにより径寸法の違うボールに交換することができる。そのため、間座を研削加工する必要がないため作業工程が簡単となる。なお、一般にボールねじの組立工程現場においては、サイズが細かく異なるボールがあらかじめ用意されている。そのため、新たにボールを用意する必要がないので、予圧調整作業を容易とする上で利便性が高い。ここで、予圧付与手段に用いるボールの外径が、ボールねじ溝を転動するボールの外径と同じ呼び寸法とされていれば、部品の種類を増やす必要がないので好適である。

本発明の一態様に係るダブルナット式のボールねじ装置の一実施形態の説明図であり、同図（ａ）はねじ軸の軸線方向に沿った断面図、（ｂ）は横断面図である。 本発明に係る予圧付与手段の一実施形態の説明図であり、同図（ａ）は予圧付与手段の正面図、（ｂ）は同図（ａ）でのＸ−Ｘ断面図である。 図２に示す予圧付与手段の変形例（第一変形例）の説明図（図２（ａ）に対応する図）である。 図２に示す予圧付与手段の変形例（第二変形例）の説明図（図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する図）である。 図２に示す予圧付与手段の変形例（第三変形例）の説明図（図２（ａ）に対応する図）である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施形態のボールねじ装置１０は、ダブルナット予圧方式を採用している。このボールねじ装置１０は、一本のねじ軸１と、このねじ軸１に対して複数の転動ボールである鋼球２を介して螺合する第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂを有する。ねじ軸１の外周面には、ボール転動溝９が螺旋状に形成されている。

第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂは、ねじ軸１の外径よりも大きい内径で筒状に形成されている。なお、第１のナット３ａの一端には円環状のフランジが形成されている。各ナット３ａ、３ｂの内周面には、ねじ軸１のボール転動溝９に対向するボール転動溝８が形成されている。ねじ軸１のボール転動溝９とナット３ａ、３ｂのボール転動溝８とによって形成された転動路に、複数の鋼球２が転動可能に介装されている。

２個のナット３ａ、３ｂは、回転方向の位相がずれないようにキー溝５に挿通された不図示のキーにより回転方向が位置決めされる。各ナット３ａ、３ｂの両端面には、図示しないエンドデフレクターが嵌め込まれている。エンドデフレクターは、ナット３ａ、３ｂの両端面を結ぶ貫通穴４ａ、４ｂと連通して鋼球２の案内通路を形成している。そして、ねじ軸１のボール転動溝９とナット３ａ、３ｂのボール転動溝８との間を転動する鋼球２は、ナット３ａ、３ｂの片端部まで移動した後にエンドデフレクターに掬い上げられ、貫通穴４ａ、４ｂを通って先程とは反対の端部に移動し、エンドデフレクターにより再びねじ軸１のボール転動溝９とナット３ａ、３ｂのボール転動溝８との間に入って元に戻るという循環構造が形成されている。

ここで、従来のダブルナット予圧方式のボールねじ装置においては、予圧を与える際には平板からなる間座をナット同士の間に挟んで、その厚みにより予圧量を調整している場合が多いが、本実施形態の例は、両ナット３ａ、３ｂに挟まれる複数のボール７の大きさを変えることで予圧量を調整するものである。
詳しくは、本実施形態では、図１に示すように、各ナット３ａ、３ｂに反対向きの軸方向の力を作用させて予圧を与える予圧付与手段２０を有している。この予圧付与手段２０は、図２に示すように、２個のナット３ａ、３ｂ同士の間に介装されて予圧調整に用いられる同径の３個のボール７と、３個のボール７のそれぞれを収容可能に外周にむけた開口部６ｄをもつ複数の収容部６ａを有するボール保持具６と、複数の収容部６ａの径方向の開口部６ｄを塞ぐ複数の蓋部材６ｂとを備えている。

予圧調整に用いられる３個のボール７は、軸受やボールねじの部品として使用されている精密級の鋼球を使用しており、基本的には調質処理がされた鋼球を用いている。但し、必要に応じてセラミックなどの材質のボールであってもよい。一般にこれら精密級のボールは、ボール径の呼び寸法を基準として細かいサイズのボールが用意されている。（たとえば、１／４ｉｎｃｈ．の鋼球の場合、ボール径φ６．３５ｍｍを基準として±３０μｍ範囲で０．５〜数μｍ毎にボールが用意されている。）

ボール保持具６は、上記３個のボール７の外径よりも板厚が薄く形成された略円環形状の部材である。このボール保持具６は、２個のナット３ａ、３ｂをねじ軸１に組み付けた状態でも容易にボール７の入れ替えが可能なように、ねじ軸１の中心Ｏを通る線分ＣＬに沿って分割部６ｅから左右二つ割りにされた分割構造とされている。ボール保持具６の複数（この例では３箇所）の収容部６ａは、３個のボール７を自身の周方向に略三等配するように形成されたＵ字溝からなる。各収容部６ａの外周側には平面部２１がそれぞれ形成されるとともに、各平面部２１の左右には、上記蓋部材６ｂを固定する止めねじ２２を螺合するためのねじ穴２３が設けられている。

これにより、平面部２１に上記蓋部材６ｂが止めねじ２２によって装着可能とされ、Ｕ字溝からなる収容部６ａ内からボール７がナット３ａ、３ｂの周方向に落下することを防止している。ボール保持具６に略三等配に配置された収容部６ａは、上述のように外周に向けた開口部６ｄを有するが、ボール７は、この収容部６ａに開口部６ｄから収納され、その後に、蓋部材６ｂが開口部６ｄに対して止めねじ２２により締結されることで開口部６ｄを塞ぐように固定される。この構造により、ねじ軸１に対して第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂを複数の転動ボールである鋼球２を介して螺合した状態のままで、ボール７をボール保持具６の外周から挿入および取り出し可能となっている。

なお、二つ割りにされている分割部６ｅの径方向での反対側の位置には、ナット３ａ、３ｂのキー溝５との干渉を避けるための逃げ部６ｃが凹状に形成されている。これにより、両ナット３ａ、３ｂの端面は平行にガタつきなく位置決めが可能であり、各収容部６ａにより三等配に３個のボール７を配置することでバランス良くナット３ａ、３ｂの剛性を高めることが可能とされている。

次に、上述した本実施形態のダブルナット式ボールねじ装置１０の作用効果について説明する。
上述した本実施形態のダブルナット式ボールねじ装置１０を組み立てる際には、ねじ軸１に対して第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂを複数の転動ボールである鋼球２を介して螺合した状態のままで、図示しないハウジングに組み込んで組立てる。その際には、まず、対となる２個のナット３ａ、３ｂを互いに近づけ、二分割されたボール保持具６を径方向から対向させつつナット３ａ、３ｂ間に挟み込む。次に、ボール保持具６の各収容部６ａにボール７を順に挿入し、蓋部材６ｂを収容部６ａの外側から平面部２１に止めねじ２２でねじ止めすることにより固定する。これにより、２個のナット３ａ、３ｂ間に、予圧付与手段２０を介装することができる。

ところで、従来のダブルナット予圧方式のボールねじ装置では、間座が２つのナット端面と面接触するため、両ナットの間に間座を挟んで軸方向に締め上げる際には、ナット端面と接触する間座の両端面に大きな摩擦力が発生し、接触面を径方向には容易に動かすことができなかった。そのため、ナットが芯ズレ誤差や傾き誤差を生じた状態で組立が始まると途中で調整することが困難となるため、最終組立状態においても芯ズレ誤差や傾き誤差を有することとなっていた。そのため、従来のダブルナット予圧方式のボールねじ装置では、両ナット内に組み込まれている鋼球の負荷バランスが崩れてしまって負荷分布が一定とならず、場所によって鋼球が受ける予圧荷重が異なり、ボールねじの作動性を悪化させるという問題があった。

これに対し、本実施形態のダブルナット式のボールねじ装置１０は、二つのナット３ａ、３ｂ同士の間に予圧付与手段２０として挟まれるのは、３個のボール７を保持したボール保持具６であり、３個のボール７と二つのナット３ａ、３ｂ端面の接触部位では点接触となるためボール７が径方向に転がることができる。これにより、このボールねじ装置１０によれば、ナット３ａ、３ｂの径方向位置が容易に調整できるため、最終組立状態においても芯ズレ誤差や傾き誤差が無くなり、ボールねじの作動性が悪化することが無い。

また、従来のダブルナット予圧方式のボールねじ装置での間座を用いた予圧調整方法では、間座を組み込んで予圧を確認後に、間座を再度取り外し、その間座に両面研磨加工などの厚み調整工程が必要であった。これに対し、本実施形態のボールねじ装置１０は、二つのナット３ａ、３ｂ同士の間に、３個のボール７を収納したボール保持具６を組み込んで予圧の状態を確認し、その後に、外形寸法の大きさが違うボール７に入れ替えることにより最適予圧に調整することが可能なため、作業工数を大幅に低減することができる。

ここで、予圧調整に用いられるボール７の大きさは、ボール転動溝８，９間を転動する鋼球２と同一であることが望ましい。つまり、予圧付与手段２０に用いるボール７の外径が、ボールねじ溝８，９を転動するボール２の外径と同じ呼び寸法とされていれば、部品の種類を増やす必要がないので好適である。通常、ボールねじ組立の際にはあらかじめ大きさの違う鋼球２が多数用意されているからである。そのため、このような構成とすれば、予圧調整用のボール７の為に新たに大きさの違うボール７を用意する必要がないので作業工数を大幅に低減する上で便利である。

以上説明したように、本実施形態のダブルナット式のボールねじ装置１０は、二つのナット３ａ、３ｂの間に３個のボール７を収納したボール保持具６を挟み込んだ状態で組立てることにより、ボールねじ装置１０の作動性が良好であり、予圧調整も容易である。
なお、本発明に係るダブルナット式ボールねじ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、予圧付与手段２０が、ボール７を３個等配して用いている例で説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、ボール７を３個用いた３点支持であると、大きな予圧荷重や外部荷重が負荷された場合、ボール１個当たりの荷重が過大な場合には、ボールやナット端面が破損するおそれがある。そこで、このような場合には、その対策としてボール７を収めるための各収容部６ａに複数個のボール７を配置する構成とすることができる。具体的な例としては、図３に第一変形例を示すように、各収容部６ａに複数（この例ではそれぞれに２個）のボール７を収容することができる。このような構成であれば、より多くのボール７（この例では計８個）を設置することで荷重が分配され、ボール１個当たりの荷重が小さくなる。そのため、ボール７やナット３ａ、３ｂ端面の破損を防ぐことができる。

また、例えば図４に示す第二変形例のように、複数の収容部６ａは、４箇所以上（同図の例では周方向の４箇所に等配）とすることができる。このような構成であっても、より多くのボール７（この例では計４個）を設置することで荷重が分配され、ボール１個当たりの荷重が小さくなるため、ボール７やナット３ａ、３ｂ端面の破損を防ぐことができる。

ここで、二つのナット３ａ、３ｂ間に同径の３個ボール７に加えて更に他のボールを挟んで４個以上とした場合に、ナット３ａ、３ｂ間の寸法は同径の３個のボール７の外径寸法により決定されてしまう。そのため、その他のボールは両ナット端面の微少うねり及びボール外径のバラツキによって両ナット端面に拘束されることのない自由状態となり得る。この場合、ボールねじ装置１０が駆動する毎に他のボール７がガタついて振動及び異音の発生源となる可能性がある。そのため、このような場合には、ナット３ａ、３ｂ間に介装する複数のボール７の個数は、上記実施形態のように３個とすることが望ましい。
また、上述のダブルナット式のボールねじ装置１０は、ボールねじの転動体の周知の循環構造において、転動するボール２の循環構造に、エンドデフレクターを用いている例を説明したが、これに限らず、ボールねじの構造はチューブ式、コマ式等、ナット端面が金属であればどのような循環方式でも実施可能である。

また、上述の予圧付与手段２０の構成においては、給脂構造については特に言及しなかったが、例えば図５に示す第三変形例のように、予圧付与手段２０に給脂構造を更に付与することができる。同図に示す例では、ボール保持具に給脂穴２５を一か所に設けている。この給脂穴２５は、周方向において収容部６ａと逃げ部６ｃとの間の位置に設けられている。そして、この給脂穴２５は、ボール保持具６の外周側の面から内周側の面に径方向に沿って貫通形成され、外周側に雌ねじ２５ｍが形成されている。これにより、この給脂穴２５からオイル又はグリースを供給すれば、ボール保持具６をより有効に活用することができ、オイル又はグリースを二つのナット３ａ、３ｂの中央の予圧付与手段２０からボールねじ装置１０のナット全体に満遍なく供給することができる。

また、上述の実施形態ないし変形例では、何れの例においてもナット３ａ、３ｂの間に予圧付与手段２０の構成上、スキマが生じてしまうことになるが、この隙間を塞ぐために、ナット全体またはスキマ部を含むナット一部を覆うカバーを取り付けることができる。このようなカバー部材を設ければ、スキマ部への異物等の侵入を防ぐことができる。また、スキマ部の周囲をアルミテープ等のテープで密封したり、予圧付与手段２０の外周に沿って表層部にシリコン等の樹脂材料を用いて密封したり、表層部にメタルボンドを埋め込んで密封したりしてもよい。

１ ねじ軸
２ 鋼球（転動ボール）
３ａ、３ｂ ナット
４ａ、４ｂ 貫通穴
５ キー溝
６ ボール保持具
６ａ 収容部
６ｂ 蓋部材
６ｃ 逃げ部
６ｄ 開口部
６ｅ 分割部
７ ボール
８ （ナットの）ボール転動溝
９ （ねじ軸の）ボール転動溝
１０ （ダブルナット式の）ボールねじ装置
２０ 予圧付与手段
２１ 平面部
２２ 止めねじ
２３ ねじ穴
２５ 給脂穴

Claims (5)

1. ねじ軸と、該ねじ軸にボールねじ溝を転動する転動ボールを介して螺合される２個のナットと、各ナットに反対向きの軸方向の力を作用させて予圧を与える予圧付与手段とを備えるボールねじ装置であって、
   前記予圧付与手段は、前記２個のナット同士の間に介装される三個以上のボールと、該三個以上のボールを収容可能に外周にむけた開口部をもつ複数の収容部を有するボール保持具と、該ボール保持具の複数の収容部の開口部を径方向から塞ぐ複数の蓋部材とを備え、
   前記ボール保持具は、自身の板厚の方向を前記軸方向に向けた状態で前記２個のナット同士の間に装着されるとともに、前記三個以上のボールの外径よりも前記板厚が薄くなっており、前記ボール保持具の複数の収容部が、自身の周方向に前記三個以上のボールを略等配するように形成されていることを特徴とするボールねじ装置。
2. 前記複数の収容部は、各収容部に収納されるボールが、１個であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。
3. 前記複数の収容部は、各収容部に収納されるボールが、複数個であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。
4. 前記ボール保持具は、前記複数の収容部が３箇所に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
5. 前記予圧付与手段に用いるボールの外径は、前記ボールねじ溝を転動する転動ボールの外径と同じ呼び寸法とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじ装置。

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