JP7327890B2

JP7327890B2 - ボールねじ装置

Info

Publication number: JP7327890B2
Application number: JP2018081116A
Authority: JP
Inventors: 雅彦芳野; 晴隆對木
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: JP2019190506A

Description

本発明は、回転運動と直線運動を相互に変換することが可能なボールねじ装置に関するものである。

ボールねじ装置は回転運動と直線運動を相互に変換することが可能な機械要素であり、各種工作機械、搬送装置、産業用ロボット等において、サーボモータが発生する回転運動を直線運動に変換する目的で多用されている。前記ボールねじ装置は多数のボールを介してねじ軸と円筒状のナット部材が互いに螺合したものであり、前記ねじ軸の外周面には前記ボールが転走する螺旋状の転動溝が形成される一方、前記ナット部材の内周面には前記ねじ軸の転動溝と対向する負荷転動溝が形成されている。前記ねじ軸の転動溝と前記ナット部材の負荷転動溝は互いに対向して螺旋状の負荷通路を構成しており、ボールは前記負荷通路を転動しながら前記ねじ軸と前記ナット部材との間で荷重を負荷する。また、前記ナット部材は前記ボールが荷重から解放された状態で転動する無負荷通路を備えている。前記無負荷通路は前記負荷通路の両端を接続してボールの無限循環路を構成しており、ボールは前記無負荷通路によって前記負荷通路の終端から始端へ戻される。

前記無限循環路の構造は幾つかのタイプに分類されるが、その中の一つとして、例えば特許文献１に示されるように、ナット部材の周壁に対してデフレクタと称される駒部材を嵌合させ、前記ボールを前記負荷通路の一巻分だけ戻す構造が知られている。前記デフレクタには前記ナット部材の内周面に対応して前記無負荷通路となる連絡路が形成されている。前記連絡路は前記負荷通路の終端に達したボールを受け入れて負荷状態から無負荷状態へ移行させると共に、前記ボールの進行方向を変化させて当該ボールを前記ねじ軸の転動溝から離脱させる。前記ボールは前記連絡路を転動することによって前記ねじ軸のねじ山部を乗り越え、前記負荷通路の始端に戻される。

特開２０１６－１８０４６９

前記負荷通路からデフレクタの連絡路に進入したボールは荷重の負荷状態から解放されて無負荷状態へ移行し、更に前記ねじ軸の周囲を螺旋状に転動していた進行方向を変化させて当該ねじ軸のねじ山部を乗り越える。前記連絡路は前記ねじ軸の外周面に向けて開放されており、ボールは前記ねじ軸との接触を生じながら当該連絡路を転動していることから、ボールの荷重が充分に除荷されていない状態で当該ボールの進行方向が変化すると、ボールと前記連絡路の隙間が狭くなり、ボールが無負荷通路内で詰まり易くなるといった課題があった。

前記ボールが前記無負荷通路内で詰まり易くなると、ボールねじ装置による回転運動と直線運動の円滑な変換が阻害され、例えば、電動モータで前記ねじ軸を回転させる際に、より大きな回転トルクで前記ねじ軸を回転させる必要が生じ、当該電動モータの大型化や消費電力の増大を招くといった不都合があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、デフレクタに設けられた連絡路の形状を最適化して無負荷通路内におけるボール詰まりの発生を抑え、ナット部材に対するねじ軸の相対的な回転を一層円滑化することが可能なボールねじ装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、外周面に螺旋状の転動溝が形成されたねじ軸と、前記ねじ軸が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されると共に、前記転動溝に対向する負荷転動溝が内周面に形成されたナット部材と、互いに対向する前記転動溝と前記負荷転動溝によって形成される負荷通路を転動する多数のボールと、前記負荷通路の終端と始端を連結して前記ボールを前記負荷通路の一巻分だけ戻す連絡路を有すると共に、前記ナット部材の周壁に対して嵌合するデフレクタと、を備えたボールねじ装置であって、前記デフレクタの連絡路が、前記負荷通路からボールが進入すると共に前記ねじ軸の転動溝に正対する一対の導入直線部を備えている。

本発明によれば、前記デフレクタの連絡路は前記ナット部材の負荷通路からボールが進入する一対の導入直線部を備え、これら導入直線部は前記ねじ軸の転動溝に正対し、ボールの進行方向を変化させることなく当該ボールを無負荷状態へと導く。これにより、前記連絡路の形状が最適化され、無負荷通路内におけるボール詰まりの発生を抑え、ナット部材に対するねじ軸の相対的な回転を一層円滑化することが可能となる。

本発明を適用したボールねじ装置の一例を示す斜視図である。図１に示すボールねじ装置のナット部材を示す側面図である。本発明を適用したデフレクタの一例を示す斜視図である。ナット部材の負荷転動溝とデフレクタの連絡路の接続部を示す要部拡大図である。デフレクタの連絡路内におけるボールの転動の様子を示す要部拡大図である。ナット部材の装着孔にデフレクタを嵌合させた様子を当該ナット部材の内側から観察した平面図である。

以下、添付図面を用いて本発明のボールねじ装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用したボールねじ装置の一例を示すものである。このボールねじ装置１は、外周面にボールの転動溝２０が螺旋状に形成されたねじ軸２と、多数のボールを介して前記ねじ軸２０の周囲に螺合する円筒状のナット部材３とから構成されている。また、前記ナット部材３は前記ボールの無限循環路を備えている。前記ボールは前記ねじ軸２とナット部材３との間に介在しており、例えば前記ねじ軸２を前記ナット部材３に対して回転させることにより、当該ナット部材３が前記ねじ軸２の軸方向へ移動し、又は前記ナット部材３を前記ねじ軸２に対して回転させることにより、当該ねじ軸２が前記ナット部材３の軸方向へ移動する。

前記ねじ軸２の外周面には前記転動溝が一条又は複数条形成されており、当該ねじ軸２の軸方向に沿って所定のピッチで前記転動溝２０が存在している。また、互いに隣接する転動溝２０の間はねじ山部２１であり、当該ねじ山部２１が前記ねじ軸２の外径を示している。

前記ナット部材３は前記ねじ軸２が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されており、軸方向の一端には当該ナット部材３を他の機械装置に結合するための鍔部３０が設けられている。前記鍔部３０には固定ボルトを挿通させるための取付け孔３１が複数設けられている。前記ナット部材３の内周面には前記ねじ軸２の転動溝２０と同一のリードで螺旋状の負荷転動溝が形成されている。これら負荷転動溝と転動溝２０は互いに対向してボールの負荷通路を構成しており、前記ボールは負荷通路を転動しながら前記ねじ軸２と前記ナット部材３との間で荷重を負荷する。

また、前記ナット部材３の胴部３２には複数のデフレクタ４が装着されている。各デフレクタ４はボールを前記負荷通路の終端から始端へ戻す連絡路を有しており、当該デフレクタ４を前記ナット部材３に装着することで、前記ねじ軸２の周囲を一巡するボールの無限循環路が完成する。

図２は前記ナット部材３から前記ねじ軸２と前記デフレクタ４を取り外した状態を示す当該ナット部材３の側面図である。前記ナット部材３の胴部３２には前記デフレクタ４を嵌合させるための装着孔３３が複数設けられている。これら装着孔３３は前記ナット部材３の周方向に沿って均等な間隔でバランス良く配置されている。各デフレクタ４は前記無限循環路の1回路に対応しており、前記ナット部材３には前記装着孔３３の数と同じ回路数の無限循環路が軸方向に重ねて設けられている。

図３は前記デフレクタ４を示す斜視図である。前記デフレクタ４は略矩形状に形成されると共に、前記ナット部材３の内周面に対応して湾曲する先端面４０を有しており、前記ナット部材３の装着孔３３に対して当該先端面４０から挿入される。また、前記デフレクタ４には一対の係止部４１が設けられている。前記デフレクタ４を前記装着孔３３に対して前記ナット部材３の外側から挿入した際に、これら一対の係止部４１が前記装着孔３３の内部に設けられた段部３４（図２参照）に引っ掛かり、前記ナット部材３の半径方向に対する前記デフレクタ４の位置が決定し、前記先端面４０が前記ナット部材３の内周面に対して位置決めされる。

前記デフレクタ４には前記連絡路４２が設けられている。この連絡路４２は前記デフレクタ４に対して溝状に形成され、全長にわたって前記先端面４０に開放している。前記連絡路４２の両端は一対の側部平面４３に開口している。前記一対の側部平面４３は互いに平行に設けられており、前記連絡路４２はこれら一対の側部平面４３の間を繋ぐように設けられている。前記連絡路４２は直線部と曲線部が複合して曲折しており、一方の側部平面４３に対する開口部４４と他方の側部平面４３に対する開口部４４は前記ねじ軸２の軸方向に関して前記転動溝２０の１ピッチ分だけ変位して設けられている。前記先端面４０に対する前記連絡路４２の深さは前記一対の開口部４４を繋ぐ経路の中間位置で最も深く設定され、前記一対の側部平面４３に開口した両端部で最も浅く設定されている。

図４は前記ナット部材３の負荷転動溝３５と前記デフレクタ４の連絡路４２との接続状態を示す図である。前記負荷転動溝３５はゴシックアーチ状の断面を有しており、ボール球面の曲率よりも大きな曲率で形成された一対の転走面３５ａが交わって形成されている。ボールは前記ねじ軸２と前記ナット部材３との間で荷重を負荷しながら前記負荷転動溝３５を転がる。前記デフレクタ４の連絡路４２の内径は前記負荷転動溝３５の溝幅よりも大きく設定されている。このため、ボールは前記負荷転動溝３５から前記連絡路４２に進入すると、荷重から解放されて無負荷状態となる。一方、ボールは前記連絡路４２から前記負荷転動溝３５に進入すると、無負荷状態から負荷状態へ移行する。また、図４中に示すように、当該連絡路４２と前記負荷転動溝３５との接続部には僅かに段差３６が発生している。

図５は前記デフレクタ４の連絡路４２の内部をボール５が転動する様子を示す図であり、当該デフレクタ４を切り欠いて前記連絡路４２を示すと共に、前記ナット部材３を省略して描いてある。前記ナット部材３の負荷転動溝３５と同様に、前記ねじ軸の転動溝２０はゴシックアーチ状の断面を有しており、ボール５の球面の曲率よりも大きな曲率で形成された一対の転走面２０ａが交わって形成されている。前記デフレクタ４の連絡路４２は互いに隣接する二つの転動溝２０に跨るように位置している。前記ボール５は前記転動溝２０と前記連絡路４２が互いに対向する無負荷通路に進入すると、前記連絡路４２によって前記転動溝２０の一方の転走面２０ａに寄せられ、当該転走面２０ａに接しながら前記ねじ軸２のねじ山部２１の頂点へ持ち上がる。また、ボール５はねじ山部２１を乗り越えると、隣接する転動溝２０の転走面２０ａに接しながら当該転動溝２０の最深部へと転がり落ちる。

図６は前記デフレクタ４の連絡路４２と前記ナット部材３の負荷転動溝３５と位置関係を示す平面図であり、前記ナット部材３の貫通孔の内部から前記デフレクタ４の先端面４０を観察した様子を示している。前記連絡路４２は、前記デフレクタの側部平面に開口する一対の導入直線部４２ａと、前記ねじ軸２のねじ山部２１と対向して当該ねじ山部２１を横切る中間連結部４２ｂと、これら導入直線部と中間連結部とを連結する一対の遷移曲線部４２ｃとを有している。

前記導入直線部４２ａは前記連絡路４２に進入したボール５を荷重の負荷状態から無負荷状態へ移行させ、あるいは無負荷状態から負荷状態へ移行させる役割を担っており、前記ねじ軸２の転動溝２０と正対し、当該転動溝２０の上に覆い被さっている。すなわち、前記導入直線部４２ａに進入したボール５は前記転動溝２０の一方の転走面に寄せられることなく真っ直ぐに当該転動溝２０を転動し、その間に荷重の負荷状態から無負荷状態へ移行する。

また、前記中間直線部４２ｂは前記負荷転動溝３５と一定の角度θで交わっており、ボール５はこの中間直線部４２ｂを無負荷状態で転動しながら前記ねじ山部２１を乗り越える。一方、前記遷移曲線部４２ｃは前記導入直線部４２ａと前記中間直線部４２ｂの間でボール５の進行方向を徐々に変化させ、これら直線状の通路の間でボールを受け渡す。ボール５は前記遷移曲線部４２ｃによって前記転動溝２０の一方の転走面２０ａに寄せられ、当該転走面２０ａを這い上がるようにして前記転動溝２０から徐々に持ち上がり始める。

従って、前記負荷転動溝３５に接して、荷重を負荷しながら前記ねじ軸２の周囲を螺旋状に転動してきたボール５は、前記連絡路４２の導入直線部４２ａに進入すると荷重から解放されて無負荷状態となり、当該導入直線部４２ａに続く遷移曲線部４２ｃで進行方向を変化させられる。前記遷移曲線部４２ｃで進行方向が変化したボール５はそのまま中間連結部４２ｂへ進入し、当該中間連結部４２ｂでは進行方向を変化させずにまっすぐ転動して、前記ねじ軸２のねじ山部２１を乗り越えた後に反対側に存在する遷移曲線部４２ｃに進入する。反対側の遷移曲線部４２ｃに進入したボール５はそこで再び進行方向を変化させ、当該遷移曲線部４２ｃに続く導入直線部４２ａを通過した後、再び前記負荷転動溝３５ａに進入する。ボール５は前記導入直線部４２ａから前記負荷転動溝３５ａに進入する際に荷重の無負荷状態から負荷状態へと移行する。

このように前記デフレクタ４の連絡路４２を構成すると、ボール５は前記導入直線部４２ａにおいて荷重から完全に解放された後に前記遷移曲線部４２に進入して進行方向を変化させるので、ボールの荷重が充分に除荷されていない状態で当該ボールの進行方向が変化してしまうことはない。すなわち、前記遷移曲線部４２はボール５が無負荷状態になってから当該ボール５を一方の転走面２０ａに寄せるので、前記遷移曲線部４２においてボール５と前記デフレクタ４との隙間が過度に狭くなることはなく、ボール５が無負荷通路内で詰まるといった現象の発生を回避することができる。

前記導入直線部４２ａにおいてボール５を荷重状態から無負荷状態へと移行させ、あるいは無負荷状態から荷重状態へと速やかに移行するためには、当該導入直線部４２ａの長さＸは最低でもボール５の直径の１／２の長さ、すなわちボール５の半径に対応した長さを有していることが好ましい。このように前記導入直線部４２ａの長さを設定すれば、ボール５の最大直径部が前記負荷転動溝３５と前記デフレクタの連絡路４２との段差３６（図４参照）を通過した際に、ボール５は未だ前記遷移曲線部４２ｃには進入しておらず、ボール５が荷重から完全に解放されるのを待って当該ボール５を遷移曲線部４２ｃに進入させることができる。

また、前記デフレクタの小型化を図りつつも、前記導入直線部の長さＸを十分に確保するため、前記デフレクタ４の一対の側部平面４３は前記負荷転動溝３５に対して直交している。このように前記一対の側部平面４３が前記負荷転動溝３５に対して直交していると、前記連絡路４２の開口部４４は負荷転動溝に対して斜めに傾くことなく正対するので、前記導入直線部４２ａの長さを最大化することが可能となる。また、前記開口部４４が負荷転動溝に対して斜めに傾くことなく正対することにより、当該開口部４４を精度よく前記デフレクタに形成することができ、前記負荷転動溝３５と前記連絡路４２の接続部の段差３６を前記連絡路４２の周壁に沿って均一に形成することが可能となり、それによってボール５の円滑な転動を期待することが可能となる。

以上説明してきたように、この実施形態のボールねじ装置では、前記デフレクタに設けられた連絡路の形状がボールの荷重の負荷状態から無負荷状態への移行、あるいは無負荷状態から負荷状態への移行を踏まえて最適化されており、無負荷通路内におけるボール詰まりの発生を抑え、ナット部材に対するねじ軸の相対的な回転を一層円滑化することが可能である。

１…ボールねじ装置、２…ねじ軸、３…ナット部材、４…ボール、２０…転動溝、３１…循環溝、３２…負荷部、３３…無負荷部、４０…無限循環路

Claims

外周面に螺旋状の転動溝が形成されたねじ軸と、
前記ねじ軸が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されると共に、前記転動溝に対向する負荷転動溝が内周面に形成されたナット部材と、
互いに対向する前記転動溝と前記負荷転動溝によって形成される負荷通路を転動する多数のボールと、
前記負荷通路の終端と始端を連結して前記ボールを前記負荷通路の一巻分だけ戻す連絡路を有すると共に、前記ナット部材の周壁に対して嵌合するデフレクタと、
を備え、
前記ねじ軸の転動溝は一対の転走面が交わって形成されており、
前記デフレクタの連絡路は、
前記連絡路の両端に位置して前記ねじ軸の転動溝に正対すると共に、前記負荷通路から前記連絡路に進入したボールを前記転動溝の一方の転走面に寄せることなく当該転動溝の内部を転動させながら荷重の負荷状態から無負荷状態へ移行させる一対の導入直線部と、
前記一対の導入直線部によって荷重から解放された後のボールの進行方向を変化させ、当該無負荷ボールを前記転動溝の一方の転走面に寄せることで前記ねじ軸の転動溝の最深部からねじ山部へ持ち上げて前記ねじ軸の転動溝から離脱させる一対の遷移曲線部と、
前記一対の遷移曲線部を結んで前記ねじ軸のねじ山部を横切り、無負荷状態で転動するボールに当該ねじ山部を乗り越えさせる中間連結部と、
を有し、
前記一対の導入直線部は、少なくとも前記ボールの半径に対応した長さを有することを特徴とするボールねじ装置。
前記デフレクタは前記連絡通路の導入直線部が開口する一対の側部平面を有し、これら側部平面は互いに平行に設けられると共に前記負荷転動溝に対して直交していることを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。