JP2014098414A - ボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】異音や振動を抑制し、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】両側面４ｃは、雄ねじ溝１ａに近づくにつれて開くような斜面となっているので、雄ねじ溝１ａ及び雌ねじ溝２ａにより形成される転走路と、循環溝４ａとの段差が小さくなり、転走路と循環溝４ａとの間をボール３が乗り移るときに生じる騒音や振動を抑えて円滑な動作を確保できる。転送路、循環溝は、溝底部単一Ｒ形状のものでも良いし、ゴシックアーチ形態のものでも良い。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般産業用機械に組付けられたり、或いは自動車や船舶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、ボールねじ機構が多く用いられる。

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）。

特開平１１−２７０６４８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。

しかるに、ボールねじ機構においては、ボールの転動は極力スムーズに行うようにすることが、異音や振動の発生を抑制し、ひいてはボールねじの効率や耐久性などを確保する上で重要となる。このため従来技術では、ボールとコマとの隙間を比較的余裕を持って設定していた。ところが、この隙間が大きすぎると、循環構内でボールの蛇行（千鳥）が発生し、場合によっては、循環溝においてボール詰まりを起こし、ボールねじ寿命低下の原因となる恐れがある。更に、この隙間設定のため、循環溝とねじ溝との間に比較的大きな段差を与えることになり、上記のボール蛇行と同様にボールねじ寿命の低下につながる恐れがある。

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、異音や振動を抑制し、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。

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、
前記循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に前記コマを切断した切断面をとったとき、前記循環溝の側面の少なくとも一方は、その溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有することを特徴とする。

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、内周面に雌ねじ溝と、前記雌ねじ溝の両端を連結する循環溝と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、
前記循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に前記ナットを切断した切断面をとったとき、前記循環溝の側面の少なくとも一方は、その溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に前記コマ又は前記ナットを切断した切断面をとったとき、前記循環溝の側面の少なくとも一方は、その溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有するので、前記循環溝と前記ボールとの隙間を小さく設定することによりボールの蛇行を抑えることができ、更に隙間を小さくしても、循環溝とねじ溝との間の段差を抑えることができるので、異音や振動を抑制し、円滑な動作を確保できる。

前記切断面における前記循環溝の溝底の半径と、前記ボールの半径との差は、０．０５ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であると好ましい。

ここで、前記循環溝はゴシックアーチの形態であっても良い。この場合、ゴシックアーチを形成するアーチ部の半径と前記ボールの半径との差は、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。また、溝底には、ゴシックアーチ形状の溝の加工のための逃げ部を設けてもよい。

更に、前記両ねじ溝の溝はゴシックアーチの形態であっても良い。この場合、溝底には前記同様ゴシックアーチ形状の溝の加工のための逃げ部を設けてもよい。

なお、前記ナット、ボール、ねじ、コマの材質については、各種の金属材料、樹脂材料、セラミック等を使用することができる。これら材料の中でも、金属材料が好ましく、より好ましくは鉄鋼材、ステンレス鋼材を好適に使用することができる。特に、ナットについては、浸炭処理もしくは浸炭窒化処理が施される場合は、炭素の含有量が０．１０〜０．２５質量％のクロム鋼又はクロムモリブデン鋼（例えば、SCM４１５、ＳＣＭ４２０）であることが好ましい。また、ナット内面や外面に高周波熱処理を施す場合には、炭素の含有量が０．４〜０．６質量％の炭素鋼（例えば、Ｓ５３Ｃ、ＳＡＥ４１５０）であることが好ましい。

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の構成を、循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に向かうIII-III線で切断して矢印方向に見た図であり、図４は、ナットから一方のコマを分解した状態を示す斜視図である。

図１において、不図示の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Ｓ字状の循環溝４ａを形成している（図４参照）。

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。

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。

更に、図３と同様な位置で切断した図５に示す比較例を参照して、本実施の形態の効果について説明する。比較例においては、コマ４’の循環溝４ａ’は、溝底４ｂ’と、それに接続する一対の平行な側面４ｃ’とを有している。溝底４ｂ’の半径はＲ２であり、ボール３の半径をｒとすると、循環溝４ａ’とボール３との隙間Δ２は、（Ｒ２−ｒ）である。

これに対し、本実施の形態においては、図３に示すように、コマ４の循環溝４ａは、溝底４ｂと、それに接続する一対の側面４ｃとを有しているが、両側面４ｃは、溝底４ｂから離れる方向（雄ねじ溝１ａに近づく方向）に向かうにつれて互いに対して開くような斜面となっている。ここで、溝底４ｂの半径はＲ１であり、ボール３の半径をｒとすると、循環溝４ａとボール３との最小隙間Δ１は、（Ｒ１−ｒ）である。しかるに、本実施の形態の溝底４ｂの半径Ｒ１は、比較例の溝底４ｂ’の半径Ｒ２より小さい（Ｒ１＜Ｒ２）ので、本実施の形態の隙間Δ１は、比較例の隙間Δ２より小さくなる。これにより、循環溝４ａを通過するボール３は、循環溝４ａの中心近傍を通るので蛇行を効果的に抑えることができ、ボール詰まりを抑制することができる。

一方、両側面４ｃは、雄ねじ溝１ａに近づくにつれて開くような斜面となっているので、雄ねじ溝１ａ及び雌ねじ溝２ａにより形成される転走路と、循環溝４ａとの段差（図２に示すＳ）が小さくなり、転走路と循環溝４ａとの間をボール３が乗り移るときに生じる騒音や振動を抑えて円滑な動作を確保できる。

図６は、本実施の形態の変形例にかかる図３と同様な断面図である。本変形例においては、コマを廃止する代わりに、ナット２’の内周に循環溝２ｃを直接形成している。より具体的には、１周未満の雌ねじ溝２ａの両端を接続するようにして循環溝２ｃを形成し、これに対向する雄ねじ溝１ａと共に閉ループ状の転走路を形成している。このような雌ねじ溝２ｂ及び循環路２ｃは、塑性加工又は自転する刃物をナット２’内で公転させることで形成できる。

循環溝２ｃの形状は、上述したコマ４の循環溝４ｃの形状と同様である。即ち、循環溝２ｃは、溝底２ｄと、それに接続する一対の側面２ｅとを有しているが、両側面２ｅは、溝底２ｄから離れる方向（雄ねじ溝１ａに近づく方向）に向かうにつれて互いに対して開くような斜面となっている。本変形例によれば、図３の実施の形態と同様な寸法関係を有することにより、循環溝２ｃを通過するボール３は、循環溝２ｃの中心近傍を通るので蛇行を効果的に抑えることができ、ボール詰まりを抑制することができる。又、上述した実施の形態と同様な理由により、転走路と循環溝２ｃとの間をボール３が乗り移るときに生じる騒音や振動を抑えて円滑な動作を確保できる。

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。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。また、例えば循環溝の溝底２ｄ或いは４ｄ、或いは雄ねじ溝１ａ及び雌ねじ溝２ａの溝の形態は、ゴシックアーチ形状であっても良い。

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。 ナットから一方のコマを分解した状態を示す斜視図である。 比較例にかかる図３と同様な断面図である。 実施の形態の変形例にかかる図３と同様な断面図である。

１ ねじ軸
２ ナット
３ ボール
４ コマ

Claims (7)

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、
   前記循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に前記コマを切断した切断面をとったとき、前記循環溝の側面の少なくとも一方は、その溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有することを特徴とするボールねじ機構。
2. 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、内周面に雌ねじ溝と、前記雌ねじ溝の両端を連結する循環溝と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、
   前記循環溝を通過するボールの進行方向に沿った軸線に対して直交する方向に前記ナットを切断した切断面をとったとき、前記循環溝の側面の少なくとも一方は、その溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有することを特徴とするボールねじ機構。
3. 前記切断面における前記循環溝の溝底の半径と、前記ボールの半径と差は、０．０５ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下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。
4. 前記循環溝の溝の形態はゴシックアーチ形状であり、当該循環溝の側面の少なくとも一方は、当該溝底から離れる方向に向かうにつれて側面の他方に対して開くような斜面を有することを特徴とする請求項１又は２又は３に記載のボールねじ機構。
5. 前記雄ねじ溝及び雌ねじ溝の溝の形態は、ゴシックアーチ形状であることを特徴とする請求項１〜４に記載のボールねじ機構。
6. 前記ナットは、炭素の含有量が０．１０〜０．２５質量％のクロム鋼又はクロムモリブデン鋼からなり、浸炭処理又は浸炭窒化処理されることを特徴とする請求項１〜５に記載のボールねじ機構。
7. 前記ナットは、炭素の含有量が０．４〜０．６質量％の炭素鋼からなり、高周波焼入れされることを特徴とする請求項１〜５に記載のボールねじ機構。

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