JP2008157374A - ボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
振動や騒音を抑えて円滑な動作を確保できるボールねじ機構を提供する。
【解決手段】
循環溝４ａの軸線に直交する断面において、少なくとも循環溝４ａの入口部側中央の最深部に対して、そこを通過するボール３が接触したときに、その両側にスキマΔが存在するようにしているので、ボール３のスムーズな転動を確保できる。
【選択図】 図５

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。

しかるに、通常、ボールねじ機構は、ねじ軸と、ナットと、両者間に形成された転走路内を転動するボールとからなるが、いわゆるコマ式のボールねじ機構においては、転走路の一端から他端へとボールを戻すために、コマをナットに取り付けている（特許文献１参照）。
特開２００４−１４４２３９号公報

ここで、コマについて説明する。ボールねじ機構においては、ねじ軸とナットとが軸線方向に相対移動する際に、ボールを循環させる機構が本来的に必要である。コマ式ボールねじ機構においては、ナットに取り付けられているコマが、ボールねじの１リード分に相当する軸線方向の転走路のずれを補うべく、軸線回りに３４０度前後延在する転走路の一端と他端とを連結するＳ字状に蛇行した循環溝を有している。従って、ボールは、転走路に沿って転動した後、ねじ軸のランド部を乗り越えるようにして、転走路の一端からコマの循環溝内に導かれ、その後循環溝から転走路の他端へと戻されるようになっている。

ところで、一般的にねじ軸やナットのねじ溝は、その断面がゴシックアーチ形状となっている。これに対し特許文献１によれば、コマの循環溝の断面形状を同じ寸法のゴシックアーチとすることで、ナットのねじ溝と循環溝との間における段差をなくし、ボールの転動をスムーズに行うことができる。しかしながら、循環溝の断面をゴシックアーチ状に加工するには、切削工具であるエンドミルを特殊な形状としなければならず、製造コストが増大する。一方、循環溝の断面を単一円弧形状とすると、汎用の工具を用いて加工できるため、コマの製造コストは低下するが、ナットのねじ溝との間に段差が生じやすく、ここをボールが通過する際に振動や騒音が生じ、ボールねじ機構の寿命を低下させる恐れがある。

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、振動や騒音を抑えて円滑な動作を確保でき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、
外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
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、
前記ナットの取り付け孔内に挿入され、前記転走路の一端から他端へと循環する前記ボールが転動するための循環溝を備えたコマと、を有し、
前記循環溝の軸線に直交する断面において、少なくとも前記循環溝の入口部側中央の最深部に対して、そこを通過する前記ボールが接触したときに、その両側にスキマが存在することを特徴とする。

製造コストを低減させるために、前記コマの循環溝の断面形状を例えば単一円弧形状とすると、一般的にゴシックアーチ形状である前記ナットの雌ねじ溝の断面形状と異なるため、断面のいずれかの位置に当然段差が生じる。しかしながら、例え段差が生じたとしても、大きな段差のある位置を前記ボールが転動しなければ、振動や騒音が生じにくいということがある。より具体的には、その断面において、前記ボールは前記雌ねじ溝の最深部以外の２点で接触し、且つ前記コマの循環溝の中央の最深部で接触する。従って、前記循環溝に乗り移る直前と乗り移った直後とで、前記ボールの中心がぶれないように、前記コマの循環溝の断面形状を規定すれば、振動や騒音を抑えることができる。

そこで、本発明のボールねじ機構によれば、前記循環溝の軸線に直交する断面において、少なくとも前記循環溝の入口部側中央の最深部に対して、そこを通過する前記ボールが接触したときに、その両側にスキマが存在するようにしている。このように前記コマの循環溝の断面形状を規定すれば、前記循環溝に乗り移る直前と乗り移った直後とで、前記ボールの中心のブレを抑えてスムーズな転動を確保できる。なお、前記循環溝に乗り移る直前と乗り移った直後とで、前記ボールの中心のブレを完全に抑えるためには、寸法精度を厳格に管理する必要があり、かえって製造コストを増大させる恐れがある。そこで、寸法の許容差をある程度見込む場合には、前記循環溝の入口側近傍において、徐々に規定のゴシックアーチ形状や単一円弧形状／双曲線形状になるように、前記雌ねじ溝或いは前記循環溝に平面もしくは曲面の面取り等を設けても良い。

前記循環溝の軸線に直交する断面において、前記循環溝は単一円弧形状又は双曲線形状を有し、前記入口部側において、前記雄ねじ溝に沿って転動する前記ボールの軌跡に対して、前記循環溝の中央の最深部は、前記軌跡上もしくはそれより外側にあると好ましい。なお、前記循環溝の軸線に直交する断面は、全て単一円弧形状又は双曲線形状である必要はなく、例えば中央最深部を０度としたときに、両端の緩和曲線をのぞく±６０度の範囲が単一円弧形状又は双曲線形状であれば足りる。

前記循環溝の軸線に直交する断面において、前記入口部側における単一円弧形状又は双曲線形状の玉径比は、５０．５〜６３％の範囲であると好ましい。尚、「玉径比」とは、（溝断面の円弧半径）／（ボール直径）で表される値をいう。

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の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図であり、図４は、図２の構成を矢印IV方向に見た図である。

図１において、被駆動部材に連結され、回転不能且つ軸線方向にのみ移動可能に支持されたねじ軸１の外周面には、雄ねじ溝１ａ（一部簡略図示）が形成されている。不図示のハウジングに対して回転のみ可能に支持された円筒状のナット２は、ねじ軸１を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝２ａ（図２参照）を形成している。複数のボール３（図２参照）が、対向する両ねじ溝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の外周に形成された長円断面の貫通穴（取り付け孔）２ｂ内には、コマ４が配置されている。コマ４は、貫通穴２ｂに取り付けた状態で、内側に循環溝４ａを形成している（図４参照）。尚、図４に示す方向から見て、循環溝４ａは、その中心Ｑに対し１８０度位相で点対称となっている。

図３，４を参照して、雄ねじ溝１ａと雌ねじ溝２ａとで形成される転走路は、ねじ軸１の周囲を１周弱巻き回したところで、コマ４によって分断されており、各々の一端と他端とを、コマ４の循環溝４ａが連結している。なお、隣接する雄ねじ溝１ａ間には、ランド部１ｃが形成されている。

図５は、コマ４の入口部における循環溝４ａの軸線に直交する断面をとって示す図である。ここでは、雄ねじ溝１ａ及び循環溝４ａとボール３とのスキマをゼロとして示しているが、実際には僅かなスキマがある。図５に示すように、ねじ軸１の雄ねじ溝１ａは、断面が両端の緩和曲線Ｃを除きゴシックアーチ形状を有し、ここを通過するボール３に対し、点Ｐ１，Ｐ１の２点で接触可能である。一方、循環溝４ａは、断面が両端の緩和曲線を除き単一円弧形状もしくは双曲線形状となっており、ここを通過するボール３に対し、その中央最深部である点Ｐ４の１点で接触可能である。ここで、コマ４の入口部側において、雄ねじ溝１ａに沿って転動するボール３の軌跡に対して、循環溝４ａの中央の最深部（Ｐ４）は、その軌跡上もしくはそれより外側にあると好ましい。

本実施の形態のボールねじ機構の動作を説明すると、不図示の電動モータによりナット２が回転駆動されると、転走路を転動するボール３により、かかる回転運動がねじ軸１の軸線方向運動に効率よく変換され、それに連結された不図示の被駆動部材を軸線方向に移動させることができる。この際に、図３に示すように、転走路から循環溝４ａに侵入したボール３は、循環溝４ａに沿って転動することでランド部１ｃを乗り越えて、転走路の一端から他端へと移動できるようになっている。

本実施の形態においては、図５に示すように、循環溝４ａの軸線に直交する断面において、少なくとも循環溝４ａの入口部側中央の最深部（Ｐ４）に対して、そこを通過するボール３が接触したときに、その両側にスキマΔが存在するようにしているので、ボール３のスムーズな転動を確保できる。

スキマΔは、ナット２の雌ねじ溝２ａと循環溝４ａとの間をボール３が乗り移る際に、図５の断面上でボールの中心Ｏの軌跡が極力移動しないような値とすることが望ましい。理想的には、ゴシックアーチ形状の雌ねじ溝２ａから循環溝４ａに乗り移る時点で、ボール３が、点Ｐ２，Ｐ２の２点で接触しながらＰ４に接触すると良い。循環溝４ａから雌ねじ溝２ａに乗り移る際も同様である。

図５に示す断面において、雄ねじ溝１ａ（又は雌ねじ溝２ａ）のレスト角を４５度とし、その溝半径の玉径比を６３％とすると、図５に実線で示す循環溝４ａの溝半径の玉経比は６３％である。これに対し、点線で示す循環溝４ａ’の溝半径の玉径比は５０．５％である。中央最深部Ｐ１を０度としたときに、４５度の位置におけるボール３と、循環溝４ａ、４ａ’とスキマを比較すると、実線で示す循環溝４ａのスキマに対して、点線で示す循環溝４ａ’のスキマは９０％減少しており、それにより振動・騒音抑制効果が高まることがわかる。ただし、循環溝の溝半径の玉径比を５０．５％未満とすると、寸法ばらつきによりコマとボールの競り合いが生じる恐れがあるので、玉径比は５０．５％とするのが好ましい。

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。尚、コマは、金属を素材とする場合、プレス加工、焼結加工や鍛造加工によって形成されると好ましく、樹脂を素材とする場合には、射出成形によって形成されると好ましいが、素材や製法がこれらに限られることはない。

本実施の形態であるボールねじ機構の側面図である。 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の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。 図２の構成を矢印IV方向に見た図である。 コマ４の入口部における循環溝４ａの軸線に直交する断面をとって示す図である。

符号の説明

１ ねじ軸
２ ナット
３ ボール
４ コマ

Claims (3)

1. 外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
   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、
   前記ナットの取り付け孔内に挿入され、前記転走路の一端から他端へと循環する前記ボールが転動するための循環溝を備えたコマと、を有し、
   前記循環溝の軸線に直交する断面において、少なくとも前記循環溝の入口部側中央の最深部に対して、そこを通過する前記ボールが接触したときに、その両側にスキマが存在することを特徴とするボールねじ機構。
2. 前記循環溝の軸線に直交する断面において、前記循環溝は単一円弧形状又は双曲線形状を有し、前記入口部側において、前記雄ねじ溝に沿って転動する前記ボールの軌跡に対して、前記循環溝の中央の最深部は、前記軌跡上もしくはそれより外側に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. 前記循環溝の軸線に直交する断面において、前記入口部側における単一円弧形状又は双曲線形状の玉径比は、５０．５〜６３％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ機構。

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