JP6089483B2 - 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を行う装置に好適なボールねじ装置に係り、特に、ダブルナット式の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に記載の技術が知られている。この特許文献１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個のナットの間には、平板状の間座が挿入されている（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、この特許文献１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、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、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ボールねじ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、一の実施形態に係るボールねじ装置は、外周面にボール転動溝を形成したねじ軸と、このねじ軸のボール転動溝に対応するボール転動溝を内周面に形成した複数のナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボール転動溝で形成される軌道に介装された複数の転動ボールと、前記複数の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、を有するボールねじ装置において、前記予圧付与手段は、隣接する２個の前記ナットの間に介装された複数の予圧用ボールと、前記予圧用ボールの外径より前記ねじ軸の軸方向の板厚が薄い円板形状の弾性部材であり、前記予圧用ボールを弾性的に保持する４箇所以上の前記予圧用ボールの直径より僅かに小さな直径の真円形状の収容部を形成した予圧用ボール保持具とを備えている。
また、一の実施形態に係るボールねじ装置は、外周面にボール転動溝を形成したねじ軸と、このねじ軸のボール転動溝に対応するボール転動溝を内周面に形成した複数のナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボール転動溝で形成される軌道に介装された複数の転動ボールと、前記複数の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、を有するボールねじ装置において、前記予圧付与手段は、隣接する２個の前記ナットの間に介装された複数の予圧用ボールと、前記予圧用ボールの外径より前記ねじ軸の軸方向の板厚が薄い円板形状の弾性部材であり、前記予圧用ボールを弾性的に保持する４箇所以上の前記予圧用ボールの直径より僅かに小さな寸法の長軸を有する楕円形状の収容部を形成し、前記収容部の各々に複数の前記予圧用ボールを収容している予圧用ボール保持具と、を備えている。

また、一の実施形態に係るボールねじ装置は、前記４箇所以上の収容部は、前記予圧用ボール保持具の同一円周上に等配に形成されている。
また、一の実施形態に係るボールねじ装置は、前記収容部の外周側を切り欠いて開口部を形成した。
また、一の実施形態に係るボールねじ装置は、前記開口部の最小幅が、前記予圧用ボールの直径より小さな寸法に設定されている。

また、一の実施形態に係るボールねじ装置は、前記予圧用ボールの直径は、転動用ボールの直径と同じ呼び寸法とされている。

本発明によれば、隣接する２つのナットの間に、４箇所以上の収容部を形成し、それら収容部に複数の予圧用ボールを収容した予圧用ボール保持具が配置されているので、接触部位では点接触となるため予圧用ボールが径方向に転がることにより２つのナットの径方向位置が容易に調整出きる。
したがって、隣接する２つのナットの間で相対的な芯ズレ誤差や傾き誤差が生じなく、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ので、ボールねじの作動性が悪化することがない。
また、隣接する２つのナットの間に複数の予圧用ボールを収納したボール保持具を組み込んで、予圧の状態を確認した後で大きさが違う予圧用ボール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、作業工数が大幅に低減することができる。

本発明に係るダブルナット予圧方式のボールねじ装置を示すものであり、同図（ａ）はねじ軸の軸線方向に沿った断面図、同図（ｂ）はねじ軸の軸線に直交する断面図である。 本発明に係る第１実施形態のボール保持具を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ線矢視図である。 本発明に係る第２実施形態のボール保持具を示す正面図である。 本発明に係る第３実施形態のボール保持具を示す正面図である。 本発明に係る第３実施形態のボール保持具の変形例を示す正面図である。 図５のＢ−Ｂ線矢視図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１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、ねじ軸１と、このねじ軸１に対して鋼球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。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。また、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。
そして、ねじ軸１のボール転動溝９と第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂのボール転動溝９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。

第１のナット３ａ及び第２のナット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。
第１のナット３ａ及び第２のナット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、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの両端面を結ぶ貫通穴４ａ，４ｂと挿通して、鋼球２の案内通路を形成している。

ねじ軸１のボール転動溝９と第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂとの間を転動する鋼球２は、第１のナット３ａ及び第２のナット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片端部に移動し、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と第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂのボール転動溝８との間に入って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、本実施形態は、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂに挟まれる後述する複数のボール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、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂに反対向きの軸方向の力を作用させて予圧を与える第１実施形態の予圧付与手段２０を備えている。
第１実施形態の予圧付与手段２０は、図２に示すように、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に介装されて予圧調整に用いられる同一直径の４個のボール７と、これらボール７を弾性的に保持する４箇所の収容部６ａを形成したボール保持具６とを備えている。

ボール保持具６は、ボール７の直径より板厚が薄く、樹脂などの弾性部材で形成されたものであり、同一円周上に、真円形状の収容部６ａが４箇所の等配位置に形成されている。これら４箇所の収容部６ａは、ボール７の直径より僅かに小さな直径の真円形状に形成されている。また、ボール７の調整入れ替えが容易なように、ボール保持具６の中心Ｏを通る分割線ＣＬ１，ＣＬ２に沿って左右二つ割りにされた分割構造である。
また、ボール保持具６は、真円形状の収容部６ａの外周側を切り欠いて開口部６ｂが形成されている。この開口部６ｂは、収容部６ａから離間して径方向外方に向かうに従い、開口幅が徐々に大きくなるように形成されており、収容部６ａ側の最も小さな寸法の開口幅は、ボール７の直径より小さな値に設定されている。

さらに、ボール保持具６の外周には、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂのキー溝５との干渉を避けるために、ニゲ部６ｃが形成されている。
予圧調整に用いられるボール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でもよい。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）。
ここで、本発明に係る転動ボールが鋼球２に対応し、本発明に係る予圧用ボールがボール７に対応し、本発明に係る予圧用ボール保持具がボール保持具６に対応する。

次に、第１実施形態の予圧付与手段２０を備えたダブルナット予圧方式のボールねじ装置１０の作用効果について説明する。
本実施形態のボールねじ装置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を複数の鋼球２を介して螺合した状態でハウジング（不図示）に組み込む。その際、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂを互いに近づけ、２分割されたボール保持具６を径方向から対向させつつ、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に挟み込む。次に、第１実施形態の予圧付与手段２０を構成する４個のボール７を、ボール保持具６の外周に形成した開口部６ｂから収容部６ａに軽圧入して収納する。

その際、収容部６ａは、予圧用ボール７の直径より僅かに小さな直径の真円形状に形成されているので、ボール保持具６は、収納部６ａに収納したボール７を弾性的に保持する。また、収容部６ａ側の最も小さな寸法の開口幅がボール７の直径より小さな値に設定されているので、予圧用ボール７は収納部６ａから脱落することがない。
このように、ボール保持具６の収容部６ａに簡単にボール７を収納することができるともに、収容部６ａのボール７を確実に保持することができる。

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は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、最終組立状態で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予圧方式のボールねじ装置１０は、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に、４個のボール７を保持したボール保持具６からなる予圧付与手段３０が挟まれており、４個のボール７はボール保持具６の同一円周上に等配に配置されているので、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により第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの径方向位置が容易に調整出きるため、最終組立状態で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事がない。

また、従来のダブルナット予圧方式のボールねじ装置の間座を用いた調整では、間座を組み込んで予圧を確認後に間座を取り外して、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、本実施形態では、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に４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た後で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、作業工数が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、ボール転動溝８，９を転動する鋼球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。これは、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ため、予圧調整用のボール７のために新たに大きさの違うボール７を用意する必要がなくなり、作業工数を大幅に低減する上で便利である。

次に、図３に示すものは、本発明に係る第２実施形態の予圧付与手段３０を示すものである。なお、図１及び図２で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態の予圧付与手段３０は、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に介装されて予圧調整に用いられる同一直径の１２個のボール７と、３個ずつのボール７を弾性的に保持する４箇所の収容部１６ａを形成したボール保持具１６とを備えている。

ボール保持具１６は、ボール７の直径より板厚が薄く、樹脂などの弾性部材で形成されたものであり、同一円周上に、楕円形状の収容部１６ａが４箇所の等配位置に形成されている。これら４箇所の収容部１６ａの長軸方向の寸法は、３個のボール７の直径を合わせた寸法より僅かに小さな寸法で形成されている。また、ボール７の調整入れ替えが容易なように、ボール保持具１６の中心Ｏを通る分割線ＣＬ１，ＣＬ２に沿って左右二つ割りにされた分割構造である。
また、ボール保持具１６は、楕円形状の収容部１６ａの外周側を切り欠いて開口部１６ｂが形成されている。この開口部１６ｂは、収容部１６ａから離間して径方向外方に向かうに従い、開口幅が徐々に大きくなるように形成されており、収容部１６ａ側の最も小さな寸法の開口幅は、１個のボール７の直径より小さな値に設定されている。

ここで、本発明に係る予圧用ボール保持具がボール保持具１６に対応する。
本実施形態のように、各収容部１６ａに３個のボール７を収容した予圧付与手段３０を採用すると、大きな予圧荷重や外部荷重が負荷された場合、ボール７の一個当たりの荷重が小さくなるので、ボール７や第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの端面の破損を防止することができる。

また、各収容部１６ａの長軸方向の寸法は、３個のボール７の直径を合わせた寸法より僅かに小さな寸法で形成されており、３個のボール７を、開口部１６ｂから収容部１６ａに軽圧入して収納すると、ボール保持具１６は、３個のボール７を弾性的に保持するのでボール７がナット径方向にガタつくことがなく、振動及び異音の発生源となることのないボールねじ装置１０の提供が可能となる。
そして、本実施形態の予圧付与手段３０も、収容部１６ａ側の最も小さな寸法の開口部１６ｂの開口幅がボール７の直径より小さな値に設定されているので、予圧用ボール７は収納部１６ａから脱落することがなく、収容部１６ａのボール７を確実に保持することができる。

次に、図４に示すものは、本発明に係る第３実施形態の予圧付与手段４０を示すものである。なお、図１及び図２で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態の予圧付与手段４０は、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に介装されて予圧調整に用いられる同一直径の１２個のボール７と、３個ずつのボール７を弾性的に保持する４箇所の収容部２６ａを形成したボール保持具２６とを備えている。

ボール保持具２６は、ボール７の直径より板厚が薄く、樹脂などの弾性部材で形成されたものであり、同一円周上に沿って長穴形状の収容部２６ａが４箇所の等配位置に形成されている。これら４箇所の収容部２６ａの長軸方向の寸法は、３個のボール７の直径を合わせた寸法より僅かに小さな寸法で形成されている。また、ボール７の調整入れ替えが容易なように、ボール保持具２６の中心Ｏを通る分割線ＣＬ１，ＣＬ２に沿って左右二つ割りにされた分割構造である。

また、ボール保持具２６は、長穴形状の収容部２６ａの外周側を切り欠いて開口部２６ｂが形成されている。開口部２６ｂは、丸みを付けた一対の開口面２６ｂ１，２６ｂ２が互いに対向して構成されており、一対の開口面２６ｂ１，２６ｂ２の間の最も小さな開口幅が、１個のボール７の直径より小さな値に設定されている。
ここで、本発明に係る予圧用ボール保持具がボール保持具２６に対応する。

本実施形態のように、各収容部２６ａに３個のボール７を収容した予圧付与手段４０を採用すると、大きな予圧荷重や外部荷重が負荷された場合、ボール７の一個当たりの荷重が小さくなるので、ボール７や第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの端面の破損を防止することができる。
また、長穴形状の各収容部２６ａの長軸方向の寸法は、３個のボール７の直径を合わせた寸法より僅かに小さな寸法で形成されており、３個のボール７を、開口部２６ｂから収容部２６ａに軽圧入して収納すると、ボール保持具２６は、３個のボール７を弾性的に保持するので、ボール７がナット径方向にガタつくことがなく、振動及び異音の発生源となることのないボールねじ装置の提供が可能となる。

そして、本実施形態の予圧付与手段４０も、開口部２６ｂの最も小さな開口幅がボール７の直径より小さな値に設定されているので、予圧用ボール７は収納部２６ａから脱落することがなく、収容部２６ａのボール７を確実に保持することができる。
さらに、図５は、図４で示した第３実施形態の予圧付与手段４０の変形例である。
本実施形態の予圧付与手段４０を構成するボール保持具２６は、長穴形状の各収容部２６ａの底面２６ａ１を平坦面に形成している。

また、収容部２６ａとニゲ部６ｃとの間でボール保持具２６の内周面から外周面まで貫通する給脂穴２７が形成されているとともに、図６に示すように、給脂穴２７の外周側には雌ねじ２８が形成されている。
本実施形態によると、底面２６ａ１を平坦面とした長穴形状の収容部２６ａは製作が容易であり、ボール保持具２６の製造コストの低減化を図ることができる。
また、ボール保持具２６の内周面から外周面まで貫通する給脂穴２７からオイル又はグリースを供給すれば、ボール保持具２６をより有効に活用することができ、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの中央の予圧付与手段４０からボールねじ装置１０のナット全体に、オイル又はグリースを確実に供給することができる。

なお、ボール保持具２６の内周面から外周面まで貫通して形成した給脂穴２７を、図２のボール保持具６、図３のボール保持具１６に適用すると、同様の効果を得ることができる。
なお、上述したダブルナット予圧方式のボールねじ装置１０では、ボールねじの転動体の周知の循環構造において、転動する鋼球２の循環構造にエンドデフレクターを用いる例を説明したが、本発明がこれに限るものではなく、ボールねじ装置の構造はチューブ式、コマ式など、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、第１のナット３ａ及び第２のナット３ｂの間に、各予圧付与手段２０，３０，４０との間にスキマが生じてしまうことになるが、このスキマを防ぐために、ナット全体又はスキマを含むナットの一部を覆うカバーを取付けることができる。このようなカバーを設ければ、スキマへの異物などの侵入を防ぐことができる。また、スキマ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２０，３０，４０の外周に沿った表層部にシリコンなど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てもよい。

１…ねじ軸、２…鋼球、３ａ…第１のナット、３ｂ…第２のナット、４ａ，４ｂ…貫通穴、５…キー溝、６，１６，２６…ボール保持具、６ａ，１６ａ，２６ａ…収容部、６ｂ，１６ｂ，２６ｂ…開口部、６ｃ…ニゲ部、７…ボール、８…ボール転動溝、９…ボール転動溝、１０…ボールねじ装置、２０，３０，４０…予圧付与手段、２６ａ１…収容部の平坦な底面、２７…給脂穴、ＣＬ１，ＣＬ２…分割線

Claims (6)

1. 外周面にボール転動溝を形成したねじ軸と、このねじ軸のボール転動溝に対応するボール転動溝を内周面に形成した複数のナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボール転動溝で形成される軌道に介装された複数の転動ボールと、前記複数の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、を有するボールねじ装置において、
   前記予圧付与手段は、
   隣接する２個の前記ナットの間に介装された複数の予圧用ボールと、
   前記予圧用ボールの外径より前記ねじ軸の軸方向の板厚が薄い円板形状の弾性部材であり、前記予圧用ボールを弾性的に保持する４箇所以上の前記予圧用ボールの直径より僅かに小さな直径の真円形状の収容部を形成した予圧用ボール保持具と、を備えていることを特徴とするボールねじ装置。
2. 外周面にボール転動溝を形成したねじ軸と、このねじ軸のボール転動溝に対応するボール転動溝を内周面に形成した複数のナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボール転動溝で形成される軌道に介装された複数の転動ボールと、前記複数の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、を有するボールねじ装置において、
   前記予圧付与手段は、
   隣接する２個の前記ナットの間に介装された複数の予圧用ボールと、
   前記予圧用ボールの外径より前記ねじ軸の軸方向の板厚が薄い円板形状の弾性部材であり、前記予圧用ボールを弾性的に保持する４箇所以上の前記予圧用ボールの直径より僅かに小さな寸法の長軸を有する楕円形状の収容部を形成し、前記収容部の各々に複数の前記予圧用ボールを収容している予圧用ボール保持具と、を備えていることを特徴とするボールねじ装置。
3. 前記４箇所以上の収容部は、前記予圧用ボール保持具の同一円周上に等配に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のボールねじ装置。
4. 前記収容部の外周側を切り欠いて開口部を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のボールねじ装置。
5. 前記開口部の最小幅は、前記予圧用ボールの直径より小さな寸法に設定されていることを特徴とする請求項４記載のボールねじ装置。
6. 前記予圧用ボールの直径は、転動用ボールの直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乃至５の何れか１項に記載のボールねじ装置。

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