JP2007182989A - ボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成であって製造が容易であり、循環部材の抜け止めを図れるボールねじ機構を提供する。
【解決手段】塑性変形することで凹部１ｄに一端を嵌合させた円筒部材７からねじ軸１に対して軸力が殆ど作用しないので、ボールねじ機構の動作時に繰り返し応力が生じる場合でも、繰り返し疲労に強い構成を提供できる。
【選択図】図４

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。

ところで、ボールねじ機構を使用した直動機構において、ねじ軸の固定は、特許文献１などに示されるように、ねじ軸端に成形された三角ねじにナットを掛けて行われるのが一般的である。
特開平１１−１２３７４２号公報

ここで、ねじ軸を固定する際に三角ねじを掛けて締付けを行うと、それに応じた軸力が発生するが、このときねじ軸には高い初期応力が発生した状態となる。更に、ボールねじ機構の作動時に、ねじ軸には被駆動部材から受ける荷重が加わり、初期応力にプラスされ更に大きな動作時応力が生じる。また、一般にボールねじ機構は、往復運動を繰り返す機構に用いられる為、動作時応力は繰返し応力となる。しかるに、繰返し応力が与えられる部材については疲労破壊を考慮する必要があり、その結果として引っ張り強度など材料強度限界に対して相当低い応力で使用せざるを得なくなり、伝達力の割には構成が大型化してしまうという問題がある。

また、逆に少しでも高い荷重に耐えうることを目的に、固定用のナット締付け力を低下させて軸応力を下げる事も行われるが、繰返し作動中にナットが緩む恐れが生じる。更に、固定により発生する応力をゼロとする目的で、Ｃ型止め輪、コッターなどを用いた方式は、軸方向ガタを残す欠点がある為、振動等によりねじ軸と軸受、又は機構部材の間に摩耗を生じさせる恐れがあった。

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、簡素な構成であって製造が容易であり、循環部材の抜け止めを図れるボールねじ機構を提供することを目的とする。

本発明のボールねじ機構は、
雄ねじ溝と、凹部を備えた円筒面とを有するねじ軸と、
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、
前記ねじ軸の周囲に配置される周囲部材と、
前記ねじ軸の周囲に配置され、前記周囲部材に軸線方向の一端を当接させ、その他端を前記凹部に係合させた円筒部材と、を有し、
前記円筒部材の他端は、塑性変形することにより前記凹部に係合していることを特徴とする。

本発明のボールねじ機構によれば、前記円筒部材が、前記ねじ軸の周囲に配置され、前記周囲部材に軸線方向の一端を当接させ、その他端を前記凹部に係合させており、前記円筒部材の他端は、塑性変形することにより前記凹部に係合しているので、前記ねじ軸に対して大きな軸力を発生することがなく、またガタの発生も抑えつつ、前記周囲部材に対する固定を行うことができる。

前記周囲部材は軸受であると好ましい。

前記円筒部材の外径は、前記軸受の溝底径より小さいと、前記軸受の内輪の変形を抑制できるので好ましい。

前記軸受がシールを備えた軸受であり、前記円筒部材の外径は、シール用の溝底径より小さいと、前記軸受の内輪の変形を抑制できるので好ましい。

前記凹部は、前記円筒部材の他端が当接する段部を有すると好ましい。

前記円筒部材の内周面又は軸線方向端面には、切欠が少なくとも１つ形成されていると、塑性変形しやすくなるので好ましい。

前記ねじ軸は、半径方向外方に延在するフランジ部を有し、前記円筒部材を塑性変形させるときに発生する軸線方向力を、前記フランジ部で支持すると、前記ねじ軸の座屈等を回避できるので好ましい。

前記周囲部材を取り付けるハウジングは、前記周囲部材と同じ線膨張率の素材から形成されていると、温度変化に対する影響を抑制できるので好ましい。

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、本実施の形態であるボールねじ機構の側面図であり、図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図であり、図３は、図１のボールねじ機構のねじ軸周囲を拡大して示す図である。

図１、２において、被駆動部材Ｒ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円筒状のナット２の内周面には、雌ねじ溝２ａが形成されている。ねじ軸１は、両端外周に円筒面１ｂ、１ｂを有しており、その間に雄ねじ溝１ａ（図１では簡略図示）を形成している。ねじ軸１の円筒面１ｂ、１ｂは、ハウジングＨに対して周囲部材である玉軸受５，６により回転自在に支持されているが、軸線方向には移動不能となっている。ねじ軸１の端部には、不図示のモータと連結できる６角筒状のカップリング部１ｇが形成されている。

複数のボール３が、ナット２の雌ねじ溝２ａと、ねじ軸１の雄ねじ溝１ａとの間に形成された螺旋状の転走路内を転動自在となるように配置されている。ナット２に形成された２つのコマ孔２ｂ内には、コマ４がそれぞれ配置されている。各コマ４の雄ねじ溝１ａに対向する面には、Ｓ字状の循環路４ｂが形成されている。

図３において、円盤状の固定部材Ｆは、図で右端内周に環状段部Ｆａを形成している。玉軸受５の外輪５ａの軸線方向長は、環状段部Ｆａの軸線方向長よりわずかに長くなっている。環状段部Ｆａに玉軸受５の外輪５ａを突き当て嵌合させ、固定部材Ｆの通し孔Ｆｂに挿通したボルトＢを、ハウジングＨのねじ孔Ｈａに螺合させることにより、ハウジングＨに対して外輪５ａが固定される。尚、ボルトＢは、玉軸受５の外方において周方向に等間隔に配置されることが望ましい。

ここで、ハウジング部材Ｈはアルミニウムで作ることが多い。ところが、アルミニウムと軸受鋼では線膨張係数が違う為、温度変化により玉軸受５の外輪５ａの軸線方向にガタが生じやすいという問題がある。そこで、固定部材ＦとボルトＢの素材を、外輪５ａと線膨張係数が略等しい鉄製（ステンレス、鋳鉄、鋼等）にすることにより、温度変化による外輪５ａの線軸方向ガタの増減を防ぐことができる。尚、玉軸受５の内輪５ｂが嵌合するねじ軸１は、一般に軸受鋼と等しい線膨張係数を持つ炭素鋼であるから、後述するように円筒部材７で加締めることにより、軸線方向ガタは生じにくいといえる。円筒部材７も鉄製がよい。一般には低炭素鋼を用いると好ましい。

玉軸受５の内輪５ｂは、図３で右端面をねじ軸１に形成された段部１ｃに当接させており、左端面を薄肉の円筒部材７により押圧されて固定されている。これをより具体的に説明する。

ねじ軸１の円筒面１ｂには、周溝である凹部１ｄが形成されている。凹部１ｄは、段部１ｃから玉軸受５の幅と円筒部材７の幅を足した軸線方向長さに相当する位置に、段部１ｃに対向するようにして段部１ｆを設けている。凹部１ｄは、図示のように段部１ｆが一つのものでも、一般的なＵ字状の溝でも良いが、本実施の形態では、段部１ｆに近接するにつれて深くなる断面形状を有している。円筒部材７の左端は、塑性変形により凹部１ｄに係合している。円筒部材７の外径Ｂは、玉軸受５の溝底（内輪５ｂの軌道面）５ｃの外径Ａより小さくなっている。かかる円筒部材７の加工態様について説明する。

図４は、円筒部材７の加工工程を説明するための図である。まず、図４（ａ）に示すように、円筒面１ｂに凹部１ｄが形成されたねじ軸１に、玉軸受５を、段部１ｃに当接するまで挿入する。続いて、外径が一様な円筒部材７の右端を玉軸受５に突き当てるように挿入する。かかる状態で、円筒部材７の左端は、凹部１ｄの段部１ｆに対向する位置にくる。

その後、中空のダイスＤを円筒部材７に向かって押圧する。図４において、ダイスＤの右端側には、円筒部材７の外径にほぼ等しい内径を有する円筒面Ｄａと、円筒面Ｄａに接続し奥に向かうにつれて縮径するテーパ面Ｄｂとが形成されている。

ダイスＤを円筒部材７に向かって押圧すると、円筒部材７が円筒面Ｄａに嵌合し、それにより無用の座屈を抑制できる。更に、円筒部材７が円筒面Ｄａを通り過ぎた時点で、テーパ面Ｄｂが円筒部材７の左端に当たるが、更にダイスＤを同方向に押圧すると、テーパ面Ｄｂが円筒部材７の左端を縮径させるように塑性変形させる。すると、図４（ｂ）に示すように、円筒部材７の内周面は凹部１ｄの底面に沿って変形し、その左端面が段部１ｆに当接するようになる。その後、ダイスＤを後退させても、円筒部材７の塑性変形は元に戻らず、従って、円筒部材７の右端は玉軸受５の内輪５ｂに当接し、且つ円筒部材７の左端は段部１ｆに当接した状態に維持されるので、ねじ軸１に推力が生じても円筒部材７の軸力により、ねじ軸１に対して玉軸受５を固定することができる。

ここで、ダイスＤで円筒部材７を塑性変形即ち加締める際、玉軸受５の内輪５ｂに過大な軸線方向力が付与されるので、内輪５ｂに大きな応力が生じる。特に、加締め完了後も、円筒部材７により内輪５ｂに圧縮応力が付勢され続ける為、内輪５ｂが変形したり損傷したりする恐れもある。このような加締め完了後の内輪５ｂの圧縮応力により、内輪５ｂの軌道面が変形すると、運転時に三点接触、もしくは外輪５ａも加締めた場合は四点接触になり、玉軸受５が発熱し、転がり疲れ寿命やグリース寿命が低下したり、動トルクの損失が増える恐れがある。更に、玉軸受５がシール付きの場合、内輪５ｂの変形により内輪５ｂがシールと接触する場合があり、それによりシールの変形や動トルクの損失を招く恐れもある。

これに対し本実施の形態によれば、円筒部材７の外径Ｂが、玉軸受５の溝底（内輪５ｂの軌道面）５ｃの外径Ａより小さくなっているので、ダイスＤで円筒部材７を加締めたとき、内輪５ｂにおける溝底５ｃがつぶれる方向の変形を抑え、玉軸受５の円滑な動作を実現できる。このような円筒部材７で加締める場合は、玉軸受５の内輪５ｂは、ねじ軸１に締め代を持って圧入嵌合される方がよい。運転時には、玉軸受５に軸線方向荷重が入力されるが、玉軸受５の内輪５ｂをねじ軸１に締まり嵌めで圧入することにより、円筒部材７に伝達される軸線方向荷重を低減でき、円筒部材７を固定するねじ軸１の溝が破壊することを防げる。

即ち、内輪５ｂの圧入による引き抜き力以上の軸線方向力が伝達された場合のみ、円筒部材７及びねじ軸１の固定溝に荷重が入力され、引き抜き力以下の軸線方向力が伝達された場合には、玉軸受５の圧入力で軸線方向荷重を支持することができるので、円筒部材７をより薄肉にでき、すなわち外径Ｂが小径となるため玉軸受５の溝底径Ａ以下で当接させやすくなる。これに対し、玉軸受５とねじ軸１との嵌めあいが隙間嵌合の場合は、円筒部材７により固定された際、ねじ軸１に対して内輪５ｂがいずれかの方向に偏心して取り付けられることを防げる。尚、玉軸受５の外輪を加締める場合も同様の効果がある。

本実施の形態によれば、玉軸受５は、ハウジングＨ、円筒部材７，ねじ軸１の段部１ｃで固定されることにより、両方向の軸線方向力とラジアル力とを支持することができ、ガタの少ない駆動を実現できる。尚、玉軸受５は通常の通常の深溝玉軸受を例に説明したが、四点接触式玉軸受であっても良い。この場合も、溝底以下で円筒部材７を加締めることにより、軸受溝の変形を押さえられる。

ここで、玉軸受５が両方向の軸線方向力を受けるので、玉軸受６はラジアル荷重のみを受ける。即ち、玉軸受６は内輪６ａもしくは外輪６ｂのいずれか一方が、ねじ軸１もしくはハウジングＨに対して隙間嵌合となっている。玉軸受５もしくはねじ軸１の内部隙間の分、軸線方向に移動しうるので、玉軸受６の内輪６ａとねじ軸１もしくは外輪６ｂとハウジングＨのいずれかが、軸線方向に相対移動可能でないと、玉軸受６に軸線方向力が付与されることとなる。そこで、玉軸受６の内輪６ａと外輪６ｂの少なくとも一方を隙間嵌合にすることにより、上記内部隙間分、ねじ軸１が移動しても、玉軸受６に軸線方向力が作用することを防げる。

図９は、本実施の形態の変形例にかかる断面図である。本変形例においては、玉軸受５’にシールを設けている。より具体的には、玉軸受５’の外輪５ａは、玉５ｄ両側の内周面にシール固定溝５ｅ、５ｅを形成している。一方、玉軸受５’の内輪５ｂは、両側の外周面にラビリンス溝５ｆ、５ｆを形成している。各シール固定溝５ｅに、円盤状のシール５ｇの外縁が取り付けられており、その内縁はラビリンス溝５ｆに向かって延在しているが、わずかな隙間を空けて隔置している。尚、玉軸受５’の内輪５ｂの右端面（円筒部材７と反対側面）は、ねじ軸１に形成されたフランジ部１ｅに当接している。本変形例によれば、円筒部材７の外径Ｂが、玉軸受５の内輪５ｂにおけるラビリンス溝５ｆの溝底径Ｃ（ここでは内輪軌道面より小径）より小さくなっているので、ダイスＤで円筒部材７を加締めたとき、内輪５ｂにおけるラビリンス溝５ｆがつぶれる方向の変形を抑え、玉軸受５の円滑な動作を実現できる。

図１を参照して本実施の形態の動作を説明すると、不図示の電動モータによりカップリング部１ｇを介してねじ軸１が回転駆動されたとき、転走路を転動し且つ循環部材４の循環路４ｂを介して転走路の一端から他端へと循環するボール３により、かかる回転運動がナット２の軸線方向運動に効率よく変換され、それに連結された被駆動部材Ｒを軸線方向に揺動させることができる。このとき、塑性変形することで凹部１ｄに一端を嵌合させた円筒部材７からねじ軸１に対して軸力が殆ど作用しないので、ボールねじ機構の動作時に繰り返し応力が生じる場合でも、繰り返し疲労に強い構成を提供できる。

図５（ａ）は、本実施の形態の変形例にかかる円筒部材の斜視図であり、図５（ｂ）は、そのの変形例にかかる円筒部材の軸線方向断面図である。図６は、円筒部材の加工工程を説明するための図である。図５で明らかなように、円筒部材１７の内周面には、軸線方向の中央において、周方向に連続して形成された周溝（切欠ともいう）１７ａが形成されている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるので説明を省略する。

図６に示すように、ダイスＤを円筒部材７に向かって押圧したときに、円筒部材１７が円筒面Ｄａを通り過ぎた時点で、テーパ面Ｄｂが円筒部材１７の左端に当たるが、更にダイスＤを同方向に押圧すると、テーパ面Ｄｂが円筒部材１７の左端を縮径させるように塑性変形させる。このとき、肉厚の薄く変形しやすい周溝１７ａを中心として、円筒部材７が塑性変形を生じるため、円筒部材１７の内周面は凹部１ｄの底面に沿って変形し、その左端面が段部１ｆに当接するようになる。本変形例によれば、周溝１７ａを設けたことで、円筒部材１７の塑性変形を容易にし、且つ塑性変形後の形状をコントロールできる。

図７（ａ）は、本実施の形態の別な変形例にかかる円筒部材の斜視図であり、図７（ｂ）は、その変形例にかかる円筒部材の軸線方向断面図である。図８は、円筒部材の加工工程を説明するための図である。図７で明らかなように、円筒部材２７の端面には、周方向に等間隔に４カ所の切欠２７ａが形成されている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるので説明を省略する。

図８に示すように、切欠２７ａをダイスＤ側に向けるようにして円筒部材２７をねじ軸１に挿入した後、ダイスＤを円筒部材２７に向かって押圧する。このとき、円筒部材２７が円筒面Ｄａを通り過ぎると、テーパ面Ｄｂが円筒部材２７の左端に当たるが、更にダイスＤを同方向に押圧すると、テーパ面Ｄｂが円筒部材２７の左端を縮径させるように塑性変形させる。円筒部材２７の左端面には切欠２７ａが形成されているので、左端は塑性変形を生じやすくなっており、円筒部材１７の内周面は凹部１ｄの底面に沿って変形し、その左端面が段部１ｆに当接するようになる。本変形例によれば、切欠２７ａを設けたことで、円筒部材１７の塑性変形を容易にし、且つ塑性変形後の形状をコントロールできる。

図１０、１１は、別な実施の形態にかかる例を示す図である。図１０の例では、円筒部材７を塑性変形させる際に、細長い円筒状の治具ＪＧ内にねじ軸１を挿入し、その外周を抑えることで、ダイスＤから伝達される過大な軸力に対して、ねじ軸１の座屈を抑制している。一方、図１１の例では、ねじ軸１の外周に、半径方向に延在するフランジ部１ｅを一体的に形成し、玉軸受５の内輪５ｂを当接させている。かかる場合、円筒部材７を塑性変形させる際に、より広い面積でフランジ部１ｅに当接させることにより、玉軸受５の内輪５ｂの面圧を下げることができる。また剛体ＦＲの貫通孔ＦＲａ内に、ねじ軸１を落とし込んでフランジ部１ｅで支持すれば、ダイスＤから伝達される過大な軸線方向力はフランジ部１ｅにより支持され、これにより圧入時の支持スパンＬを短くできるため、ねじ軸１の座屈を効果的に防ぐことができる。更に運転時には、フランジ部１ｅを玉軸受５の軸線方向位置決め部として使用することもできる。

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。なお、切欠の数は上述の例に限らず、いくつでも良い。

本実施の形態であるボールねじ機構の上面図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 図１のボールねじ機構のねじ軸周囲を拡大して示す図である。 円筒部材７の加工工程を説明するための図である。 図５（ａ）は、本実施の形態の変形例にかかる円筒部材の斜視図であり、図５（ｂ）は、そのの変形例にかかる円筒部材の軸線方向断面図である。 円筒部材の加工工程を説明するための図である。取り付け部材を分解した状態を示した図である。 図７（ａ）は、本実施の形態の別な変形例にかかる円筒部材の斜視図であり、図７（ｂ）は、その変形例にかかる円筒部材の軸線方向断面図である。 円筒部材の加工工程を説明するための図である。 本実施の形態の変形例にかかる断面図である。 本実施の形態の変形例にかかる断面図であり、塑性変形時の状態を示す。 本実施の形態の変形例にかかる断面図であり、塑性変形時の状態を示す。

符号の説明

１ ねじ軸
１ａ 雄ねじ溝
１ｂ 円筒面
１ｃ 段部
１ｄ 凹部
１ｆ 段部
１ｅ フランジ部
１ｇ カップリング部
２ ナット
２ａ 雌ねじ溝
２ｂ コマ孔
３ ボール
４ コマ
４ｂ 循環路
５，６ 玉軸受
５ａ 外輪
５ｂ 内輪
７ 円筒部材
１７ 円筒部材
１７ａ 周溝
２７ 円筒部材
２７ａ 切欠
Ｄ ダイス
Ｒ 被駆動部材
Ｄａ 円筒面
Ｄｂ テーパ面
Ｆ 固定部材
Ｈ ハウジング

Claims (9)

1. 雄ねじ溝と、凹部を備えた円筒面とを有するねじ軸と、
   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、
   前記ねじ軸の周囲に配置される周囲部材と、
   前記ねじ軸の周囲に配置され、前記周囲部材に軸線方向の一端を当接させ、その他端を前記凹部に係合させた円筒部材と、を有し、
   前記円筒部材の他端は、塑性変形することにより前記凹部に係合していることを特徴とするボールねじ機構。
2. 前記周囲部材は軸受であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。
3. 前記円筒部材の外径は、前記軸受の溝底径より小さいことを特徴とする請求項２に記載のボールねじ機構。
4. 前記軸受がシールを備えた軸受であり、前記円筒部材の外径は、シール用の溝底径より小さいことを特徴とする請求項２に記載のボールねじ機構。
5. 前記凹部は、前記円筒部材の他端が当接する段部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボールねじ機構。
6. 前記円筒部材の内周面には、切欠が少なくとも１つ形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじ機構。
7. 前記円筒部材の軸線方向端面には、切欠が少なくとも１つ形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のボールねじ機構。
8. 前記ねじ軸は、半径方向外方に延在するフランジ部を有し、前記円筒部材を塑性変形させるときに発生する軸線方向力を、前記フランジ部で支持することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のボールねじ機構。
9. 前記周囲部材をハウジングに取り付けるための固定部材は、前記周囲部材と同じ線膨張率の素材から形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のボールねじ機構。

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