JP6581643B2 - ボールねじスプライン - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボットのＺθアクチュエータに用いられるボールねじスプラインに関する。

例えば産業用ロボットの先端軸に用いられるＺθアクチュエータには、高機能化、高精度化の要求に答えるためにボールねじスプラインが用いられることがある。このボールねじスプラインは、軸と、軸に組み付けられるボールねじナットと、軸に組み付けられるボールスプライン外筒と、を備える。ボールねじナットとボールスプライン外筒のそれぞれに回転入力を与えて、回転量を制御することにより、軸が任意の直線運動（Ｚ）、回転運動（θ）、及び螺旋運動（Ｚ＋θ）を行う。

軸には、螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝とが互いに交差するように形成される。軸に組み付けられるボールねじナットは、軸のボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を有すると共に、軸のボールねじ溝に係合するねじ用ボールを循環させる。軸に組み付けられるボールスプライン外筒は、軸のボールスプライン溝に対向する直線状のボールスプライン溝を有すると共に、軸のボールスプライン溝に係合するスプライン用ボールを循環させる。

ボールねじスプラインを円滑に作動させるためには、軸の螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝との交差部分で、ボールねじ溝を転動するねじ用ボールが、ボールスプライン溝に入らないようにする必要がある。また、ボールスプライン溝を転動するスプライン用ボールが、ボールねじ溝に入らないようにする必要がある。このため、従来のボールねじスプラインにおいては、軸のボールねじ溝の深さをボールスプライン溝の深さよりも深くしている（特許文献１参照）。これは、ボールねじ溝を転動するねじ用ボールが、ボールねじ溝とボールスプライン溝との間の段差を乗り越えて、ボールスプライン溝に移行するのを防止するためである。一方、スプライン用ボールは、ボールスプライン外筒の保持器に保持されていて、たとえ軸からボールスプライン外筒を抜いても、ボールスプライン外筒から脱落することがない。このため、ボールスプライン溝を転動するスプライン用ボールが、交差部分でボールねじ溝に移行することがない。

また、従来のボールスプラインにおいては、ボールの径は、溝の深さによって支配的に決定されるので、軸のボールねじ溝の深さをボールスプライン溝の深さよりも深くすることに伴って、ねじ用ボールの径をスプライン用ボールの径よりも大きくしている。

特開昭６２−１６５０５７号公報

近年、ボールねじスプラインの低慣性化、すなわちボールねじスプラインを小型化し、軽量化することが要請されている。例えば産業用ロボットの先端軸に用いられるボールねじスプラインの小型化、軽量化が図れれば、産業用ロボットを高速で動かすことができたり、モータを小型にすることができる。

しかしながら、従来のボールねじスプラインにあっては、軸のボールねじ溝とボールスプライン溝の交差部分の上述の条件を満たす必要から、ボールねじスプラインの小型化、軽量化の制限があるという課題がある。

そこで本発明は、小型化、軽量化を図れるボールねじスプライン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、本発明の一態様は、螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝とが互いに交差するように形成される軸と、前記軸の前記ボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を有し、前記軸の前記ボールねじ溝に係合するねじ用ボールを循環可能にするボールねじナットと、前記軸の前記ボールスプライン溝に対向する直線状のボールスプライン溝を有し、前記軸の前記ボールスプライン溝に係合するスプライン用ボールを循環可能にするボールスプライン外筒と、を備え、前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記軸の前記ボールスプライン溝の深さ以上にし、前記ねじ用ボールの径を前記スプライン用ボールの径よりも小さくし、前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記ボールねじナットの前記ボールねじ溝の深さよりも深くし、前記軸、前記ボールねじナット及び前記ねじ用ボールを備えるボールねじのＢＣＤを、前記軸の径よりも大きくするボールねじスプラインである。
本発明の他の態様は、螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝とが互いに交差するように形成される軸と、前記軸の前記ボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を有し、前記軸の前記ボールねじ溝に係合するねじ用ボールを循環可能にするボールねじナットと、前記軸の前記ボールスプライン溝に対向する直線状のボールスプライン溝を有し、前記軸の前記ボールスプライン溝に係合するスプライン用ボールを循環可能にするボールスプライン外筒と、を備え、前記ボールねじナットは、前記ボールねじ溝が形成され、軸方向に貫通する貫通孔が形成されるナット本体と、前記ナット本体の軸方向の端部に設けられ、前記ナット本体の前記ボールねじ溝と前記貫通孔に接続される方向転換路を有する循環部品と、を備え、前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記軸の前記ボールスプライン溝の深さ以上にし、前記ねじ用ボールの径を前記スプライン用ボールの径よりも小さくし、前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記ボールねじナットの前記ボールねじ溝の深さよりも深くするボールねじスプラインである。

本発明によれば、軸のボールねじ溝の深さがボールスプライン溝の深さ以上であるにも拘わらず、ねじ用ボールの径をスプライン用ボールの径よりも小さくする。ボールねじナットとボールスプライン外筒とでは、これらの循環構造の違いから、ボールねじナットの方がボールスプライン外筒よりも外径が大きくなり易い。なぜならば、ボールねじナットでは、軸の螺旋状のボールねじ溝を転動するねじ用ボールを接線方向に偏向させるのに対し、スプラインナットでは、軸の直線状のボールスプライン溝を転動するスプライン用ボールを軸の近くで偏向させることができるからである。本発明によれば、ねじ用ボールの径をスプライン用ボールの径よりも小さくするので、ボールねじナット及びボールスプライン外筒の両方の外径をバランスよく小さくすることができ、したがって、ボールねじスプランの小型化、軽量化を図れる。

本発明の一実施形態のねじナット及びスプラインナットを組み込んだボールねじスプラインの斜視図である（ねじナットを手前側に配置した例）。 本実施形態のねじナット及びスプラインナットを組み込んだボールねじスプラインの斜視図である（スプラインナットを手前側に配置した例）。 本実施形態の軸の外観斜視図である。 図４（ａ）は本実施形態の軸の軸直角断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ部拡大図である。 本実施形態のボールねじナット及び軸の拡大斜視図である（ボールねじナットの一部が切り欠かれている）。 本実施形態のボールねじナットの拡大斜視図である（蓋部材の一部が切り欠かれている）。 図７（ａ）は本実施形態のナット本体と軸の軸線に沿った断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のｂ部拡大図である。 本実施形態のボールスプライン外筒及び軸の拡大斜視図である（ボールスプライン外筒の一部が切り欠かれている）。 本実施形態のボールスプライン外筒及び軸の軸直角断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態のボールねじスプラインを詳細に説明する。ただし、本発明のボールねじスプラインは、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１及び図２は、本発明の一実施形態のボールねじスプラインの斜視図（一部断面図）を示す。図１は、ボールねじナット２（以下、単にナット２という）を手前側に配置した例であり、図２は、ボールスプライン外筒３（以下、単に外筒３という）を手前側に配置した例である。図１及び図２において、１は軸、２はナットであり、３は外筒である。２３はナット２を回転自在に支持するベアリングであり、３３は外筒３を３回転自在に支持するベアリングである。ベアリング２３，３３がＺθアクチュエータのハウジングに取り付けられる。ナット２と外筒３に回転入力を与えることができるように、ナット２と外筒３には例えば図示しないプーリが取り付けられる。以下に、軸１、ナット２、外筒３を順番に説明する。

図１に示すように、軸１の外面には、所定のリードを持つ螺旋状のボールねじ溝１ａ（以下、単にねじ溝１ａという）が形成される。また、軸１の外面には、軸方向に延びる直線状のボールスプライン溝１ｂ（以下、単にスプライン溝１ｂという）が形成される。なお、本実施形態のねじ溝１ａの条数は１で、スプライン溝１ｂの条数は４であるが、これらの条数は仕様に応じて適宜設定される。

図３は、軸の外観斜視図を示す。ねじ溝１ａは、溝直角断面形状がゴシックアーチ状である。スプライン溝１ｂは、スプライン用ボール３７（図２参照）に対向するボール転走部１ｂ１と、ボール転走部１ｂ１の隣の、保持器４１（図９参照）に対向する保持器対向部１ｂ２と、を有する。

図４は、軸直角断面図を示す。軸直角断面視において、ねじ溝１ａは略直線状である。１ａ１がねじ溝１ａの縁であり、１ａ２がねじ溝１ａの底である。また、スプライン溝１ｂのボール転走部１ｂ１は、断面形状がサーキュラーアーク状である。スプライン溝１ｂの保持器対向部１ｂ２は、断面形状が略Ｌ字状である。なお、保持器対向部１ｂ２をボール転走部１ｂ１よりも深くすることも浅くすることもできる。スプライン溝１ｂをボール転走部１ｂ１のみから構成することもできる。

図３に示すように、ねじ溝１ａとスプラン溝１ｂとは、Ａ部分で交差する。この交差部分Ａにおいて、ねじ溝１ａはスプライン溝１ｂよりも深く、ねじ溝１ａがスプライン溝１ｂよりも軸１の内側にある。言い換えれば、図４に示すように、ねじ溝１ａの谷径ｒ１（軸１の中心Ｏからねじ溝１ａの底１ａ２までの半径ｒ１）がスプライン溝１ｂの谷径ｒ２（軸１の中心Ｏからスプライン溝１ｂの底までの半径ｒ２）よりも小さい。

図３に示すように、ねじ溝１ａがスプライン溝１ｂよりも深いので、ねじ溝１ａを転動するねじ用ボール２７（図１参照）がねじ溝１ａとスプライン溝１ｂとの間の段差を乗り越えて、スプライン溝１ｂに移行するのが防止される。一方、スプライン用ボール３７は、外筒３の保持器４１（図９参照）に保持されていて、たとえ軸１から外筒３を抜いても、外筒３から脱落することがない。このため、スプライン溝１ｂを転動するスプライン用ボール３７が、交差部分Ａでねじ溝１ａに移行することがない。

図５は、ナット２の拡大斜視図（一部断面図を含む）を示す。ナット２は、ベアリング２３に回転自在に支持される。ベアリング２３は、外輪２１と、２列のベアリングボール２２ａ，２２ｂと、を備える。外輪２１は、略円筒状であると共に、その軸方向の一端部にフランジ２１ｂを有する。外輪２１は、フランジ２１ｂを介してＺθアクチュエータのハウジングに取り付けられる。外輪２１の内面には、例えば２条の外輪溝２１ａが形成される。ナット２の外面には、外輪溝２１ａに対向する例えば２条の内輪溝２４ａが形成される。外輪溝２１ａと内輪溝２４ａとの間には、２列のベアリングボール２２ａ，２２ｂが転がり運動可能に介在する。外輪２１には、外輪２１とナット本体２４との間の隙間を塞ぐシール２１ｃが取り付けられる。

ナット２は、筒状のナット本体２４と、ナット本体２４の軸方向の端部に設けられる循環部品２５ａ，２５ｂと、循環部品２５ａ，２５ｂを覆う蓋部材２６ａ，２６ｂと、を備える。図６に示すように、循環部品２５ａ，２５ｂは、ナット本体２４の軸方向の端面の凹部２４ｅに収容される。循環部品２５ａ，２５ｂは、リング状の蓋部材２６ａ，２６ｂで覆われて固定される。蓋部材２６ａ，２６ｂは、ねじ等の締結部材３０によってナット本体２４に締結される。

図５に示すように、ナット本体２４の内面には、軸１のねじ溝１ａに対向する螺旋状のボールねじ溝２４ｂ（以下、単にねじ溝２４ｂという）が形成される（図７も参照）。ナット本体２４のねじ溝２４ｂと軸１のねじ溝１ａとの間には、ねじ用ボール２７が転がり運動可能に介在する。

循環部品２５ａ，２５ｂには、ねじ用ボール２７を循環させるための略円弧状の方向転換路２８が形成される。ナット本体２４には、軸方向に貫通する直線状の貫通孔２９が形成される。方向転換路２８は、ナット本体２４のねじ溝２４ｂと貫通孔２９とに接続される。

ねじ溝２４ｂと軸１のねじ溝１ａとの間の螺旋状の負荷転走路２０、略円弧状の方向転換路２８、直線状の貫通孔２９が、循環路を構成する。循環部品２５ａの方向転換路２８は、螺旋状の負荷転走路２０を転がるねじ用ボール２７を接線方向に偏向させ、貫通孔２９に導く。貫通孔２９に導かれたねじ用ボール２７は、反対側の循環部品２５ｂの方向転換路２８を経由した後、再び負荷転走路２０に戻される。

図７は、軸線１ｃに沿ったナット本体２４の断面図を示す。一般的なボールねじでは、軸１のねじ溝１ａの深さｄ１とナット本体２４のねじ溝２４ｂの深さｄ２とを等しくする。これに対して、本実施形態では、軸１のねじ溝１ａの深さｄ１をナット本体２４のねじ溝２４ｂの深さｄ２よりも深くする。これは、軸１、ナット２、ねじ用ボール２７を備えるボールねじのＢＣＤ（Ball Center Diameter、ボール中心径であり、軸方向から見たボール中心Ｏ１の直径である）を小さくするためである。

図７（ｂ）に示すねじ溝１ａの断面形状は、ゴシックアーチ状である。ねじ用ボール２７は、ねじ溝１ａに所定の接触角で２点Ｐ１で接触する。また、ねじ溝２４ｂの断面形状も、ゴシックアーチ状である。ねじ用ボール２７は、ねじ溝２４ｂに所定の接触角で２点Ｐ２で接触する。ＢＣＤを小さくすると、ねじ溝２４ｂの深さｄ２が浅くなり、エッジロードが発生するおそれがある。これを避けるために、ＢＣＤを軸１の直径ｄ３よりも大きくし、ねじ溝２４ｂが浅くなり過ぎるのを防止する。

図８は、外筒３の拡大斜視図（一部断面図を含む）を示す。外筒３は、ベアリング３３に回転自在に支持される。ベアリング３３は、外輪３１と、２列のベアリングボール３２ａ，３２ｂと、を備える。外輪３１は、略円筒状であると共に、その軸方向の一端部にフランジ３１ｂを有する。外輪３１は、フランジ３１ｂを介して例えばＺθアクチュエータのハウジングに取り付けられる。外輪３１の内面には、例えば２条の外輪溝３１ａが形成される。外筒３の外面には、外輪溝３１ａに対向する例えば２条の内輪溝３４ａが形成される。外輪溝３１ａと内輪溝３４ａとの間には、２列のベアリングボール３２ａ，３２ｂが転がり運動可能に介在する。外輪３１には、外輪３１と外筒本体３４との間の隙間を塞ぐシール３１ｃが取り付けられる。

外筒３は、筒状の外筒本体３４と、外筒本体３４の軸方向の端部に取り付けられるリング状の循環部品３５ａ，３５ｂと、を備える。図９は外筒３の軸直角断面図を示す。図９に示すように、外筒本体３４の内面には、軸１のスプライン溝１ｂに対向し、軸方向に延びる直線状のボールスプライン溝３４ｂ（以下、単にスプライン溝３４ｂという）が形成される。スプライン溝１ｂ，３４ｂの断面形状は、いずれもサーキュラーアーク状である。スプライン溝１ｂとスプライン溝３４ｂとの間には、スプライン用ボール３７が転がり運動可能に介在する。スプライン用ボール３７は、スプライン溝１ｂ，３４ｂそれぞれに一点で接触する。スプライン用ボール３７の接触角は、４列のスプライン用ボール３７で時計方向及び反時計方向のトルクを負荷できるように設定される。

外筒本体３４には、スプライン溝３４ｂと平行に外筒本体３４を軸方向に貫通する直線状の戻し路３９が形成される。戻し路３９は、外筒本体３４の径を小さくするために、スプライン溝３４ｂのラジアル方向（すなわち、軸１の軸線１ｃとスプライン溝３４ｂとを結んだ線上）に配置されておらず、軸１の近くに配置される。

外筒本体３４の内面には、保持器４１が組み込まれる。保持器４１は、軸１から外筒３を抜いてもスプライン用ボール３７が脱落しないようにスプライン用ボール３７を保持する。

図８に示すように、循環部品３５ａ，３５ｂには、スプライン用ボール３７を循環させるためのＵ字状の方向転換路３８が形成される。図８には、Ｕ字状の方向転換路３８を移動するスプライン用ボール３７を示すが、実際には方向転換路３８は循環部品３５ａ，３５ｂに形成されている。方向転換路３８は、外筒３のスプライン溝３４ｂと戻し路３９とに接続される。

スプライン溝１ｂとスプライン溝３４ｂとの間の直線状の負荷転走路３６、Ｕ字状の方向転換路３８、直線状の戻し路３９が、循環路を構成する。循環部品３５ａ方向転換路３８は、直線状の負荷転走路３６を転がるスプライン用ボール３７を略Ｕ字状に偏向させ、軸１の近くの戻し路３９に導く。戻し路３９に導かれたスプライン用ボール３７は反対側の循環部品３５ｂの方向転換路３８を経由した後、再び負荷転走路３６に戻される。

本実施形態によれば、軸１のねじ溝１ａの深さがスプライン溝１ｂの深さよりも深いのにも拘わらず、ねじ用ボール２７の径をスプライン用ボール３７の径よりも小さくする。ナット２と外筒３とでは、これらの循環構造の違いから、ナット２の方が外筒３よりも外径が大きくなり易い。なぜならば、ナット２では、軸１の螺旋状のねじ溝１ａを転動するねじ用ボール２７を接線方向に偏向させるのに対し、外筒３では、軸１の直線状のスプライン溝１ｂを転動するスプライン用ボール３７を軸１の近くで偏向させるからである。本実施形態によれば、ねじ用ボール２７の径をスプライン用ボール３７の径よりも小さくするので、ナット２と外筒３の両方の外径をバランスよく小さくすることができ、したがって、ボールねじスプランの小型化、軽量化を図れる。

軸１のねじ溝１ａの深さを深くするためには、ねじ用ボール２７の径を大きくするか、ＢＣＤを小さくするかのどちらかが必要である。本実施形態によれば、軸１のねじ溝１ａの深さｄ１がナット２のねじ溝２４ｂの深さｄ２よりも深いので、ボールねじのＢＣＤが小さくなる。このため、ねじ用ボール２７の径を大きくすることなく、軸１のねじ溝１ａの深さを深くすることができる。

ボールねじのＢＣＤが軸１の直径ｄ３よりも大きいので、ナット２のねじ溝２４ｂが浅くなり過ぎて、ナット２のねじ溝２４ｂにエッジロードが発生するのを防止できる。

軸１のボールねじ溝１ａの断面形状がゴシックアーチ状であり、軸１のスプライン溝１ｂの断面形状の少なくとも一部がサーキュラーアーク状であるので、軸１のねじ溝１ａをスプライン溝１ｂよりもより深くすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に変更可能である。

上記実施形態では、軸のねじ溝の深さを軸のスプライン溝の深さよりも深くしているが、軸のねじ溝の深さを軸のスプライン溝の深さと同一にすることも可能である。ねじ用ボールは、軸のねじ溝だけでなく、ナットのねじ溝にも案内されているので、これらを同一にしても、交差部分でねじ用ボールがねじ溝からスプライン溝に移行するのを防止できる。

上記実施形態では、軸と外筒のスプライン溝の断面形状をサーキュラーアーク状にしているが、ゴシックアーチ状にすることもできる。また、軸とナットのねじ溝の断面形状をゴシックアーチ状にしているが、サーキュラーアーク状にすることもできる。

１…軸、１ａ…軸のボールねじ溝、１ｂ…軸のボールスプライン溝、２…ボールねじナット、３…ボールスプライン外筒、２４ｂ…ボールねじナットのボールねじ溝、３４ｂ…外筒のボールスプライン溝、２７…ねじ用ボール、３７…スプライン用ボール

Claims (4)

1. 螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝とが互いに交差するように形成される軸と、
   前記軸の前記ボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を有し、前記軸の前記ボールねじ溝に係合するねじ用ボールを循環可能にするボールねじナットと、
   前記軸の前記ボールスプライン溝に対向する直線状のボールスプライン溝を有し、前記軸の前記ボールスプライン溝に係合するスプライン用ボールを循環可能にするボールスプライン外筒と、を備え、
   前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記軸の前記ボールスプライン溝の深さ以上にし、
   前記ねじ用ボールの径を前記スプライン用ボールの径よりも小さくし、
   前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記ボールねじナットの前記ボールねじ溝の深さよりも深くし、
   前記軸、前記ボールねじナット及び前記ねじ用ボールを備えるボールねじのＢＣＤを、前記軸の径よりも大きくするボールねじスプライン。
2. 螺旋状のボールねじ溝と直線状のボールスプライン溝とが互いに交差するように形成される軸と、
   前記軸の前記ボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を有し、前記軸の前記ボールねじ溝に係合するねじ用ボールを循環可能にするボールねじナットと、
   前記軸の前記ボールスプライン溝に対向する直線状のボールスプライン溝を有し、前記軸の前記ボールスプライン溝に係合するスプライン用ボールを循環可能にするボールスプライン外筒と、を備え、
   前記ボールねじナットは、前記ボールねじ溝が形成され、軸方向に貫通する貫通孔が形成されるナット本体と、前記ナット本体の軸方向の端部に設けられ、前記ナット本体の前記ボールねじ溝と前記貫通孔に接続される方向転換路を有する循環部品と、を備え、
   前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記軸の前記ボールスプライン溝の深さ以上にし、
   前記ねじ用ボールの径を前記スプライン用ボールの径よりも小さくし、
   前記軸の前記ボールねじ溝の深さを前記ボールねじナットの前記ボールねじ溝の深さよりも深くするボールねじスプライン。
3. 前記軸、前記ボールねじナット及び前記ねじ用ボールを備えるボールねじのＢＣＤを、前記軸の径よりも大きくすることを特徴とする請求項２に記載のボールねじスプライン。
4. 前記軸の前記ボールねじ溝の断面形状がゴシックアーチ状であり、前記軸の前記ボールスプライン溝の断面形状の少なくとも一部がサーキュラーアーク状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のボールねじスプライン。

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