JP2008281064A - Ball screw mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車用の電動アクチュエータ、例えば自動変速機制御装置(シフトバイワイヤ)や、電動ブレーキ、マニュアルトランスミッションの自動制御装置(AMT)等に使用されるボールねじ機構に関するものである。 The present invention relates to a ball screw mechanism used for an electric actuator for automobiles, for example, an automatic transmission control device (shift-by-wire), an electric brake, an automatic control device (AMT) for a manual transmission, and the like.
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。 In recent years, labor saving of vehicles and the like has progressed, and for example, a system has been developed in which a transmission, a parking brake, and the like of an automobile are performed not by hand but by the power of an electric motor. An electric actuator used for such an application may use a ball screw mechanism in order to convert the rotational motion transmitted from the electric motor into the axial motion with high efficiency.
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)。 However, normally, the ball screw mechanism is composed of a screw shaft, a nut, and a ball that rolls in a rolling path formed between the two. In the so-called top-type ball screw mechanism, the ball screw mechanism starts from one end of the rolling path. In order to return the ball to the other end, a top is attached to the nut (see Patent Document 1).
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、無負荷領域であるコマから負荷領域であるナット側にボールが転動する際、ボールは後続のボールによって押されることによりナットとねじ軸間の転走路に侵入する。その結果、ナットの入口近傍でボール同士が衝突し、ナットのコマ取付穴角部に応力が集中し、そこを起点として剥離等が生じる恐れがある。 By the way, when a ball rolls from a top, which is an unloaded area, to a nut side, which is a loaded area, the ball is pushed by a subsequent ball and enters a rolling path between the nut and the screw shaft. As a result, the balls collide in the vicinity of the inlet of the nut, and stress concentrates on the corner mounting hole corner of the nut, and there is a possibility that separation or the like may occur from that point.
特許文献1において、コマをナットに組み込んだ後に段差部を面取り加工することが開示されている。この従来技術では、コマを組み込んだ状態でナットとの接続部の段差を面取り加工する為、加工済みのボール溝までも削りとる恐れがある。また、手作業もしくは機械による研削加工である為、全ての接続部を加工するのには相当な加工時間が必要である。更に、コマとナットのコマ取付穴の隙間に加工時の切削粉が入ってしまう恐れがある。
In
コマは、一般的に金属焼結や鍛造加工によって成形されるが、軽量化、コストダウンの為に、樹脂の射出成形によるものも用いられる場合がある。樹脂の場合、6−6ナイロン、6ナイロン、4−6ナイロン、POM(ポリアセタール)等が材料として用いられ、強化のためにグラスファイバーを数%〜数十%含有されることが多い。この場合、特許文献1の従来技術のように、コマをナットに組み込んだ後、段差を切削加工すると、グラスファイバーがコマの表面に出て、ガラス繊維によりボールの摩耗を促進する恐れがある。
The top is generally formed by metal sintering or forging, but a resin injection molding may be used for weight reduction and cost reduction. In the case of a resin, 6-6 nylon, 6 nylon, 4-6 nylon, POM (polyacetal), or the like is used as a material, and glass fibers are often contained from several percent to several tens percent for reinforcement. In this case, as in the prior art of
一方、特許文献2においては、コマの出入口に弾性部材を装着した技術が開示されている。この技術によれば、コマとナットの段差を解消することは可能であるが、弾性部材が脱落してボールの転動を阻止する恐れがある。また、かかる弾性部材は、コマからナットへボールが入る際に生じる、ナットのコマ取付穴入ロ付近の応力集中による損傷を効果的に防ぐことはできない。
On the other hand,
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、ボールの摩耗やナットの損傷を回避でき、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。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a ball screw mechanism that can avoid wear of a ball and damage to a nut and ensure smooth operation.
第1の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、
前記ナットの取付穴内に挿入され、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、
前記ナットの雌ねじ溝における少なくとも前記取付穴に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したことを特徴とする。
The ball screw mechanism according to the first aspect of the present invention comprises:
A screw shaft having a male screw groove formed on the outer peripheral surface;
A nut disposed so as to surround the screw shaft and having an internal thread formed on an inner peripheral surface thereof;
A plurality of balls arranged to freely roll along a rolling path formed between opposing screw grooves;
A piece that is inserted into the mounting hole of the nut and has a circulation groove for rolling the ball that circulates from one end to the other end of the rolling path,
A shot peening process is performed on at least a portion adjacent to the mounting hole in the female screw groove of the nut.
第2の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、を有し、
前記ナットには、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が形成されており、
前記ナットの雌ねじ溝における前記循環溝に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したことを特徴とする。
The ball screw mechanism of the second invention is
A screw shaft having a male screw groove formed on the outer peripheral surface;
A nut disposed so as to surround the screw shaft and having an internal thread formed on an inner peripheral surface thereof;
A plurality of balls arranged to roll along a rolling path formed between both opposing screw grooves, and
The nut is formed with a circulation groove for rolling the ball circulating from one end to the other end of the rolling path,
A shot peening process is performed on a portion of the female screw groove of the nut adjacent to the circulation groove.
第1の本発明によれば、前記ナットの雌ねじ溝における少なくとも前記取付穴に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したので、ボールが無負荷領域(荷重を受けない領域)から負荷領域(荷重を受ける領域)に入る際の応力集中によるナットのコマ取付穴近傍の損傷を防ぐことができる。 According to the first aspect of the present invention, since the shot peening process is performed on at least a portion adjacent to the mounting hole in the female thread groove of the nut, the ball is changed from a no-load region (a region where no load is received) to a load region (a load). The area near the top mounting hole of the nut due to stress concentration when entering the receiving area) can be prevented.
前記コマの循環溝における少なくとも直線導入部に、ショットピーニング加工を施すと好ましい。ショットピーニング加工はナットの外径側から取付穴を利用して、ナットの取付穴近傍のボール溝、特に取付穴角部に行うと好ましい。ナットと別体であるコマの循環溝全体にも、ショットピーニング加工を行うとよい。 It is preferable to perform shot peening on at least the straight line introduction portion in the circulation groove of the top. Shot peening is preferably performed on the ball groove in the vicinity of the nut mounting hole, particularly in the corner of the mounting hole, using the mounting hole from the outer diameter side of the nut. Shot peening may be performed on the entire circulation groove of the top, which is a separate body from the nut.
前記ショットピーニング加工は、前記取付穴に前記コマを取り付ける前に行われると好ましい。コマをナットの取付穴に組み込んだ後にショットピーニング加工を行うと、コマとナットの取付穴にショットピーニングの粒子が詰まる恐れがあるからである。 The shot peening process is preferably performed before the frame is attached to the attachment hole. This is because if shot peening is performed after the top is assembled into the nut mounting hole, shot peening particles may be clogged in the top and nut mounting holes.
前記ナットの雌ねじ溝における前記取付穴に隣接する部位には、ショットピーニング加工の前にクラウニングが施されていると好ましい。 It is preferable that the portion adjacent to the mounting hole in the female screw groove of the nut is crowned before shot peening.
ショットピーニング加工による圧縮残留応力は、2×108〜7×108N/m2程度で、望ましくは1×109N/m2程度の圧縮残留応力を、最表面部から20〜100μmの深さに付与するのが望ましい。 The compressive residual stress by shot peening is about 2 × 10 8 to 7 × 10 8 N / m 2 , preferably about 1 × 10 9 N / m 2 from 20 to 100 μm from the outermost surface. It is desirable to give it to the depth.
ナットは、非研削ボールねじ、即ち熱処理前に溝加工を行い、熱処理後にねじ溝の加工を行わないものであれば、ショットピーニング加工による溝表面の粗さの劣化はそれ程問題とならない。 If the nut is a non-ground ball screw, that is, if the groove is processed before the heat treatment and the screw groove is not processed after the heat treatment, the deterioration of the roughness of the groove surface due to the shot peening does not matter so much.
これに対し、熱処理後にボール溝を研削する、研削ねじの場合、熱処理後にショットピーニング加工を行い、その後研削加工を行うと、ショットピーニング加工による表面粗さの劣化の影響が無いので好ましい。ここで、熱処理とは、浸炭材を用いた浸炭処理や、高周波材を用いた高周波熱処理を指す。 On the other hand, in the case of a grinding screw in which the ball groove is ground after the heat treatment, it is preferable to perform shot peening after the heat treatment and then perform the grinding because there is no influence of surface roughness deterioration due to the shot peening. Here, the heat treatment refers to a carburizing treatment using a carburizing material or a high-frequency heat treatment using a high-frequency material.
ショットピーニング加工はナットの取付穴入口近傍のみに施せばよく、コマ取付穴端部からボール径分の範囲で足りる。ナットの取付穴近傍のねじ溝は、例えば砥石等の研磨手段を用いるクラウニング加工によって緩やかな円弧状に削りとってもよい。この場合、ショットピーニングはクラウニング部のみに施しても良い。 Shot peening may be performed only in the vicinity of the entrance of the nut mounting hole, and it is sufficient for the ball diameter from the end of the top mounting hole. The thread groove in the vicinity of the nut mounting hole may be cut into a gentle arc shape by crowning using a polishing means such as a grindstone. In this case, shot peening may be performed only on the crowning portion.
第2の本発明によれば、前記ナットの雌ねじ溝における前記循環溝に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したので、ボールが無負荷領域(荷重を受けない領域)から負荷領域(荷重を受ける領域)に入る際の応力集中による雄ねじ溝と循環溝との境界近傍における損傷を防ぐことができる。 According to the second aspect of the present invention, since the shot peening process is performed on the portion of the female thread groove of the nut adjacent to the circulation groove, the ball is moved from the no-load region (the region not receiving the load) to the load region (the load is reduced). It is possible to prevent damage in the vicinity of the boundary between the male screw groove and the circulation groove due to stress concentration when entering the receiving region.
ナットのねじ溝は、特開2000−88072号公報に示すように、転造で加工される場合もあるが、ショットピーニング加工を行う際は、切削加工でねじ溝を成形するほうが良い。特開2005−99721号公報に示すように、転造加工によって、ランド部に凹部ができるからである。更に、ショットピーニングに用いる粒子が凹部に挟まることを防ぐためにも、切削加工でねじ溝を成形するほうが良い。 The thread groove of the nut may be processed by rolling as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-88072, but when performing shot peening, it is better to form the thread groove by cutting. This is because, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-99721, a concave portion is formed in the land portion by rolling. Furthermore, in order to prevent particles used for shot peening from being caught in the recesses, it is better to form thread grooves by cutting.
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、本実施の形態であるボールねじ機構の上面図であり、図3は、ナットを拡大して示す図であり、図4は、図3の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図であり、図5は、図3の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図であり、図6は、図4の構成を矢印VI方向に見た図であり、図7は、図4の構成の矢印VII部の拡大図である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view of the ball screw mechanism according to the present embodiment, FIG. 2 is a top view of the ball screw mechanism according to the present embodiment, and FIG. 3 is an enlarged view of the nut. 4 is a view of the configuration of FIG. 3 cut along the line IV-IV and viewed in the direction of the arrow, and FIG. 5 is a view of the configuration of FIG. 3 cut along the line VV and viewed in the direction of the arrow. 6 is a view of the configuration of FIG. 4 as viewed in the direction of the arrow VI, and FIG. 7 is an enlarged view of an arrow VII portion of the configuration of FIG.
図1、2において、ハウジングHに対して軸受B1,B2により回転可能且つ軸線方向移動不能に取り付けられたねじ軸1は、一端近傍に、不図示のモータから動力を伝達されるギヤGを取り付けている。ねじ軸1の外周面には、雄ねじ溝1aが形成されている。
1 and 2, a
被駆動部材としての軸Sにリンク部材L1,L2を介してピン結合され、ハウジングHに対して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4参照)を形成している。複数のボール3(図4参照)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。
A
図3において、ナット2の外周に形成された長円断面の貫通穴(取付穴)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6に示す方向から見て、S字状の循環溝4aは、その中心に対し180度位相で点対称となっている。
In FIG. 3, a
図4〜6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。
4 to 6, the rolling path formed by the
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ギヤGを介してねじ軸1が回転駆動されると、転走路を転動するボール3により、かかる回転運動がナット2の軸線方向運動に効率よく変換され、リンクL1,L2を介して連結された軸Sを回転移動させることができる。この際に、図5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。
The operation of the ball screw mechanism according to the present embodiment will be described. When the
本実施の形態においては、図6に示すようにナット2とコマ4とを半径方向内方から見たときに、転走路を形成する雌ねじ溝2aの一端に接続される循環溝4aの両端部に、転走路すなわち雌ねじ溝2aの中心軸線X1と一致する中心軸線X2(点Aと点Bとの間)を有する直線導入部4bを形成している。即ち、循環溝4aの中心線が描く半径Rfの円弧の中心Pは、点Bと軸線方向に重合する位置になる。これは、点Aから点Bまでの間は、転走路から排出されたボール3がナット2の軸線方向に力を与えられないことを意味するものであり、従って、ボール3の引っかかりが生じる恐れが少なく、転走路の幅に対して導入部4bの幅をさほど大きくする必要がないため、溝壁へのボール3の衝接が抑制され、異音や振動を抑えることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, when the
更に、従来技術では、図7の点線で示すように、循環溝底は端部まで曲線を描くようになっており、それ故、ナット2の雌ねじ溝2aとの段差がΔ2が生じていた。即ち、コマの循環溝は、ボールがスムーズに通過できるように、幅方向においてボール径よりも大きく形成されているが、切削加工の都合上、径方向にもボール径に対してわずかに大きく形成されてしまう。これは、半球型の回転切削部を有する工具(不図示)を、循環溝の理想軌跡を描くように移動させることで加工を行う際に、回転切削部の円弧中心をボール中心軌跡に一致させているため、幅方向に拡張した分だけ径方向にも余分に切削されてしまうことによるものである。このように循環溝が加工されたコマをナットに取り付けると、ナットの雌ねじ溝とコマの循環溝との間に段差Δ2が生じることになり、ボール通過時の異音や振動を招く恐れがある。
Furthermore, in the prior art, as shown by the dotted line in FIG. 7, the bottom of the circulation groove is curved to the end, and therefore, the step difference between the
これに対し、本実施の形態によれば、図7の実線で示すように、点Bから点Aまで導入部4bの溝底を直線状としているため、ナット2の雌ねじ溝2aとの段差Δ1をより小さくできる(Δ1<Δ2)。ここで、差分(Δ1−Δ2)が補正量となる。
On the other hand, according to the present embodiment, as shown by the solid line in FIG. 7, since the groove bottom of the
次に、ナットの加工態様について説明する。図8は、ショットピーニング加工を施したナット単体の斜視図であり、図9は、取付穴にコマを組み込んだナットの断面図である。図8、9に示すように、ショットピーニング加工は、ナット2の雌ねじ溝2aにおける少なくとも取付穴2bに隣接する部位(クロスハッチングで示す領域C、取付穴2bからボール3の径分の範囲)に対して、取付穴2bより粒子を吹き付けることで行われる。又、図9に示すように、ショットピーニング加工は、コマ4の循環溝4aにおける直線導入部(クロスハッチングで示す領域D)に対して行われる。尚、ショットピーニング加工は、ナット2とコマ4とで別々に行われる。又、ナット2の雌ねじ溝2aにおける取付穴2bに隣接する部位には、ショットピーニング加工の前にクラウニングが施されて、滑らかな曲面となっている。コマ4の循環溝4a全体にショットピーニング加工を施しても良い。
Next, the processing aspect of a nut is demonstrated. FIG. 8 is a perspective view of a single nut subjected to shot peening, and FIG. 9 is a cross-sectional view of a nut in which a piece is incorporated in a mounting hole. As shown in FIGS. 8 and 9, the shot peening process is performed on at least a portion of the
本実施の形態によれば、ナット2の雌ねじ溝2aにおける少なくとも取付穴2bに隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したので、ボール3が無負荷領域(荷重を受けない領域)から負荷領域(荷重を受ける領域)に入る際の応力集中によるナット2のコマ取付穴2b近傍の損傷を防ぐことができる。又、コマ4の直線導入部4bにショットピーニング加工を施すことで、循環溝4aの損傷をふせぐことができる。
According to the present embodiment, since shot peening is performed on at least a portion of the
図10は、別な実施の形態にかかるナットの断面図であり、図11は、図9のナットを矢印XI方向に見た図である。このようなナットは、例えば特開2003−194174号公報に開示されており、ナット2’の内周に、コマの循環溝と同じ形状(循環溝2c)を鍛造等の塑性加工あるいは切削加工で直接形成したものである。
10 is a cross-sectional view of a nut according to another embodiment, and FIG. 11 is a view of the nut of FIG. 9 as viewed in the direction of arrow XI. Such a nut is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-194174. On the inner periphery of the
本実施の形態の場合も、ナットのねじ溝2aと、ねじ溝2aの両端を接続する循環溝2cとは、加工工程が別である為、つなぎ目に段差が残りやすい。そこで、ナット2’の雌ねじ溝2aにおける循環溝2cに隣接する部位C、及び循環溝2cにおける雌ねじ溝2aに隣接する部位D(直線導入部)にショットピーニング加工を施すことで、ボール3が無負荷領域(荷重を受けない領域)から負荷領域(荷重を受ける領域)に入る際の応力集中による雄ねじ溝2aと循環溝2cとの境界近傍における損傷を防ぐことができる。
Also in this embodiment, since the
ここで、循環溝2cをナット2’に一体的に成形した場合には、本来的にナット2にコマの取付穴が無いため、それを介してショットピーニングの粒子を吹き付けることができない。そこで、ナット2’の両端からショットピーニングの粒子を吹き付けるか、リンク部材とのピン嵌合穴2dがある場合は、嵌合穴2dからショットピーニングの粒子を吹き付けると良い。
Here, when the
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、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。 The present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be modified or improved as appropriate. The coma is preferably formed by sintering or forging when a metal is used as a raw material, and preferably formed by injection molding when a resin is used as a raw material. There is no limit.
1 ねじ軸
2、2’ ナット
3 ボール
4 コマ
1
Claims (5)
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、
前記ナットの取付穴内に挿入され、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、
前記ナットの雌ねじ溝における少なくとも前記取付穴に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したことを特徴とするボールねじ機構。 A screw shaft having a male screw groove formed on the outer peripheral surface;
A nut disposed so as to surround the screw shaft and having an internal thread formed on an inner peripheral surface thereof;
A plurality of balls arranged to freely roll along a rolling path formed between opposing screw grooves;
A piece that is inserted into the mounting hole of the nut and has a circulation groove for rolling the ball that circulates from one end to the other end of the rolling path,
A ball screw mechanism characterized in that shot peening is performed on at least a portion of the female screw groove of the nut adjacent to the mounting hole.
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、を有し、
前記ナットには、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が形成されており、
前記ナットの雌ねじ溝における前記循環溝に隣接する部位に、ショットピーニング加工を施したことを特徴とするボールねじ機構。 A screw shaft having a male screw groove formed on the outer peripheral surface;
A nut disposed so as to surround the screw shaft and having an internal thread formed on an inner peripheral surface thereof;
A plurality of balls arranged to roll along a rolling path formed between both opposing screw grooves, and
The nut is formed with a circulation groove for rolling the ball circulating from one end to the other end of the rolling path,
A ball screw mechanism wherein shot peening is performed on a portion of the female screw groove of the nut adjacent to the circulation groove.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2012066693A1 (en) | 2010-11-15 | 2012-05-24 | 日本精工株式会社 | Ball screw |
JP2013024321A (en) * | 2011-07-20 | 2013-02-04 | Nsk Ltd | Ball screw mechanism and electric power steering device employing the same |
US8950283B2 (en) | 2010-03-31 | 2015-02-10 | Nsk Ltd. | Method for manufacturing nut for ball screw and ball screw |
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- 2007-05-09 JP JP2007124644A patent/JP2008281064A/en active Pending
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