JP2015021597A - リターンチューブおよびボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性が高いボールねじ機構のリターンチューブを提供する。【解決手段】ボールねじ機構（１）に設けられているリターンチューブ（２）は、内部にボール通路（１３）が設けられ、これが２点の接続点（１２）において、ボールねじ（３）とボールナット（４）との間に形成されている転動軌道（８）に接続されている。このようなボール通路（１３）を、ボールねじ機構（１）の軸方向から見たときに、接続点（１２）近傍において円軌道（２３）を描くように形成する。この円軌道（２３）は、転動軌道（８）を軸方向に投影した転動軌道円が接続点（１２）において内接する、そのような円軌道（２３）として構成する。これによってタング部（１６）に作用するボールの荷重を低下させて劣化を防止する。【選択図】 図３

Description

本発明は、ボールねじ機構のリターンチューブおよびボールねじ機構に関するものであり、具体的にはボールねじとボールナットとの間の転動軌道上を転動しているボールを所定の位置において掬い上げて他の位置において戻すボール循環用のリターンチューブ、およびボールねじ機構に関するものである。

回転運動を直線運動に変換する機械部品としてボールねじ機構が周知であり、射出成形機等の工作機械には多数のボールねじ機構が設けられている。ボールねじ機構はボールねじ、このボールねじに螺合するボールナット、ボールねじとボールナットの間を転動する複数個の鋼鉄製のボール等から構成されている。ボールねじの外周面とボールナットの内周面には、断面形状が略半円状を呈するボール転動溝が螺旋状に形成され、ボールねじとボールナットの間にはこれらのボール転動溝によって螺旋状の転動軌道が構成されている。ボールは、ボールナット内に形成されているこの転動軌道に入れられて転動し、ボールねじとボールナットの摩擦を低減している。ボールナットにはリターンチューブが設けられており、ボールはボールナットの所定の位置において転動軌道から掬いあげられ、リターンチューブを通ってボールナットの他の位置において転動軌道に戻される。従ってボールはボールナット内を循環することになる。

図４の（ア）には軸に垂直な面で切断した従来のボールねじ機構５０が模式的に示されている。ボールねじ機構５０は、従来周知のように、ボールねじ５１と、ボールナット５２と、ボール５３、５３、…とから構成され、このボールねじ機構５０に従来のリターンチューブ５４が設けられている。リターンチューブ５４は内部がボールの通路５５になっており、一対の脚部５７、５７と、これらの脚部５７、５７を繋ぐ連絡部５８とから構成されている。これらの脚部５７、５７は、螺旋状の転動軌道６１に接続されて転動軌道６１からボール５３、５３、…を掬いあげたり戻したりする部分であるが、一方の脚部５７と他方の脚部５７は転動軌道６１への接続箇所が数ピッチ分離れている。数ピッチ分離れているので、軸に垂直な面でボールナット５２を切断するとき、一対の脚部５７、５７は本来同一の断面に現れることはない。しかしながら図４の（ア）においては、理解し易いように一対の脚部５７、５７は軸方向に投影して描かれて、あたかも同一の断面に現れるように示されている。ボールナット５２には、外周面が所定幅で水平に切断されてリターンチューブ取付面５９が形成されている。このリターンチューブ取付面５９にボールナット５２の内周面に連通する２個の穴、すなわち転動軌道６１に連通するチューブ穴６０、６０が開けられている。リターンチューブ５４は、これらのチューブ穴６０、６０にそれぞれの脚部５７、５７が挿入されてボールナット５２に取り付けられている。これによって、リターンチューブ５４の両端の開口部、すなわち脚部５７、５７の開口部は転動軌道６１に連通することになる。

図４の（ア）に示されている従来のリターンチューブ５４は、脚部５７、５７が転動軌道６１に対して接線方向に配置されている。そして図には示されていないが、脚部５７、５７は、転動軌道６１の螺旋のリード角にも整合している。従ってボール５３、５３、…は、転動軌道６１から滑らかに一方の脚部５７に掬いあげられ、他方の脚部５７から滑らかに転動軌道６１に戻されることになる。

特開２００６−１２５５８１号公報

従来のリターンチューブ５４を備えたボールねじ機構５０を軸方向に見るとボール５３、５３、…を掬いあげるポイントと、戻すポイントが略１８０度離れている。つまりボール５３、５３、…が転動しない非転動区間６２は比較的長い。そうすると転動軌道６１において転動するボール５３、５３、…の個数がその分だけ少なく、ボール５３一個当たりにかかる荷重が大きくなったり荷重のバランスにも影響を与える。このように荷重の大きさやバランスに影響を与える非転動区間６２を短くするリターンチューブが、特許文献１によって提案されている。

特許文献１に記載のボールネジ機構５０’は、図４の（イ）に示されているように、脚部５７’、５７’の間隔が狭いリターンチューブ５４’が設けられている。図４の（イ）において従来のボールねじ機構５０と同様の部材には同一の符号が付されている。特許文献１に記載のリターンチューブ５４’は、脚部５７’、５７’が狭くなっているので、円弧として示される非転動区間６２の扇形の中心角θは１８０度より小さい。すなわち非転動区間６２が短い。従って転動するボール５３、５３、…１個当たりにかかる荷重が小さく、かつボールねじ機構５０’全体の荷重のバランスに優れている。ただし、転動軌道６１からボール５３、５３、…を掬いあげたり転動軌道６１に戻すタング部６３は転動軌道６１の接線方向に形成する必要がある。従って、脚部５７’、５７’の間隔を狭くしたことによって、符号６４で示されているように、脚部５７’、５７’が、タング部６３の近傍で大きな曲率で湾曲している。

従来のリターンチューブ５４を備えたボールねじ機構５０も、特許文献１に記載のボールネジ機構５０’も、それぞれ優れた点があるが、問題も見受けられる。具体的には、リターンチューブ５４、５４’の耐久性に問題が認められる。リターンチューブは、ボールの通路に沿って二つ割りされた半割成形部品が接着によって一体化されるようにして製造されており、一般的に樹脂材料から構成されている。リターンチューブは、比較的荷重が作用する箇所は概ね肉厚に形成されて補強されているので、樹脂材料から構成されているとしても肉厚の部分の耐久性は十分にある。しかしながら、薄肉に形成されていて、かつ荷重が作用する部分については劣化し易い。リターンチューブ５４、５４’において、ボール５３、５３、…を掬いあげるタング部６３がその劣化しやすい部分に相当する。つまりタング部６３はボールねじ５１の溝に接するように形成される必要があるので、その構造上必然的に薄肉に形成せざるを得ず、この部分に荷重が作用すると早期に劣化してしまう。特許文献１に記載のリターンチューブ５４’の場合には、タング部６３の近傍の符号６４で示されている部分でボールの通路５５が大きな曲率で湾曲しており、この部分においてボール５３、５３、…の速度の方向が変化する。つまりボール５３、５３、…の運動量が変化してその反作用としての荷重がタング部６３に作用する。符号６４で示されている部分はタング部６３から若干離間しているので、タング部６３に作用する荷重は若干は緩和されるが、タング部６３に対する負荷は無視できない。そうするとタング部６３、あるいは符号６４で示されている部分においてリターンチューブ５４’が早期に劣化してしまう。

一方、従来のリターンチューブ５４については、脚部５７に設けられているボールの通路５５は直線状になっている。そして脚部５７内のボールの通路５５は、ボールねじ５１の転動軌道６１に対して接線方向に配置されている。従って、掬いあげられるボール５３、５３、…は、理論的にはボールの通路５５内で速度の方向が変化しないので、この部分においてリターンチューブ５４には荷重が作用しないはずである。そうするとタング部６３が薄肉に形成されているとしても、タング部６３は劣化しにくいはずである。しかしながら、実際にはボール５３、５３、…の動きはランダムであり、その一部はタング部６３に押し付けられるので、長期に渡ってボールねじ機構５０を駆動するとタング部６３が劣化してしまう。従ってリターンチューブ５４の耐久性が得られない。

本発明は、上記したような問題点を解決したボールねじ機構のリターンチューブ、およびボールねじ機構を提供することを目的としており、具体的には、耐久性が高いリターンチューブおよびそのようなリターンチューブを備えたボールねじ機構を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、ボールねじ機構においてボールを循環させるようになっているリターンチューブについて、その内部に形成されているボール通路を所定の形状に形成する。ボール通路はボールねじとボールナットとの間に形成されている螺旋状の転動軌道に２箇所の接続点において接続されて、転動軌道を転動する複数個のボールを一方の接続点から掬いあげて輸送し、そして他方の接続点において戻すボールの輸送路である。本発明は、このようなボール通路を、ボールねじ機構の軸方向から見たときに、接続点近傍において円軌道を描くように形成する。この円軌道は、転動軌道を軸方向に投影した転動軌道円が接続点において内接する、そのような円軌道として構成する。またボール通路は、接続点の近傍において転動軌道の螺旋のリード角に滑らかに整合するように形成する。さらに２箇所の接続点は、ボールねじ機構を軸方向から見て、中心軸に対して１８０度より小さい位置に配置されるようにする。

かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、その内部に形成されているボール通路が、ボールねじとボールナットの間に形成されている螺旋状の転動軌道に２箇所の接続点において接続され、前記転動軌道を転動する複数個のボールを一方の接続点から掬いあげて輸送し他方の接続点において戻し、それによってボールねじ機構においてボールを循環させるようになっているリターンチューブであって、前記ボール通路は、前記ボールねじ機構を軸方向に見たときに、前記接続点の近傍において所定の円軌道を描いており、前記円軌道は、前記転動軌道を軸方向に投影した転動軌道円が前記接続点において内接している円軌道であることを特徴とするボールねじ機構のリターンチューブとして構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリターンチューブにおいて、前記ボール通路は、前記接続点の近傍において前記転動軌道の螺旋のリード角に滑らかに整合していることを特徴とするボールねじ機構のリターンチューブとして構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のリターンチューブにおいて、前記２箇所の接続点は、前記ボールねじ機構を軸方向から見て、中心軸に対して１８０度より小さい位置に配置されていることを特徴とするボールねじ機構として構成される。

以上のように本発明は、内部に形成されているボール通路が、ボールねじとボールナットの間に形成されている螺旋状の転動軌道に２箇所の接続点において接続され、転動軌道を転動する複数個のボールを一方の接続点から掬いあげて輸送し他方の接続点において戻し、それによってボールねじ機構においてボールを循環させるようになっているリターンチューブに関する発明である。そして、リターンチューブにおいて、ボール通路は、ボールねじ機構を軸方向に見たときに、接続点の近傍において所定の円軌道を描いており、円軌道は、転動軌道を軸方向に投影した転動軌道円が接続点において内接している円軌道であるように構成されている。接続点において転動軌道から掬いあげられたボールは、その慣性によって転動軌道円に接する接線方向に進もうとするが、ボール通路が接続点近傍において円軌道に形成されているので、ボールは円軌道にガイドされて進行方向が変化する。つまり運動量が変化する。これによってボール通路の内面には運動量の変化に相当する力積によって所定の荷重が作用する。そして本発明によると、この円軌道はその内側に転動軌道円が内接しているような円軌道になっているので、この荷重はボール通路の内周面のうち、タング部が設けられている内側と反対側に位置する外側に作用することになる。これによってタング部にはボールによる荷重がほとんど作用せず、タング部の劣化を防止できる。リターンチューブにおいて最も薄肉に形成されていて劣化し易い部分がタング部であるが、本発明によってこのタング部の劣化を防止できるので、リターンチューブの耐久性は高い。また、他の発明によると、ボール通路は接続点の近傍において転動軌道の螺旋のリード角に滑らかに整合しているので、ボールはボール通路に滑らかに掬いあげられ、そしてボール通路から転動軌道に滑らかに戻されることになる。さらに他の発明によると、２箇所の接続点は、ボールねじ機構を軸方向から見て、中心軸に対して１８０度より小さい位置に配置されている。従って、ボールが転動しない非転動区間が短くなっている。これによって転動するボール１個当たりにかかる荷重が小さく、ボールねじ機構全体の荷重のバランスも優れている。

本発明の実施の形態に係るボールねじ機構を一部断面で示す斜視図図である。 本発明の実施の形態に係るボールねじ機構のリターンチューブを模式的に示す図で、その（ア）はリターンチューブの斜視図、その（イ）、（ウ）はそれぞれボールねじ機構に設けられている状態を示すリターンチューブの側面図、および正面図である。 本発明の実施の形態に係るリターンチューブのボール通路の形状を説明する図で、ボールねじ機構およびリターンチューブのそれぞれ一部を点線で示し、ボール通路の一部を実線で示す正面断面図である。 従来技術を示す図で、その（ア）は従来のボールねじ機構の側面断面図、その（イ）は特許文献１に記載のボールねじ機構の側面断面図である。

図１には本実施の形態に係るボールねじ機構１が示されているが、１本のリターンチューブ２に沿って切断された状態が描かれている。本実施の形態にかかるボールねじ機構１も、従来のボールねじ機構と同様にボールねじ３、このボールねじ３に螺合するボールナット４、リターンチューブ２、２等から構成されている。ボールねじ３とボールナット４にはそれぞれ螺旋状のボール転動溝６、７が形成されており、これらのボール転動溝６、７によってボールねじ３とボールナット４の間に螺旋状の転動軌道８が構成されている。図１にはボールは描かれていないが、この転動軌道８内に鋼鉄製のボールが入れられて転動し、ボールねじ３とボールナット４の摩擦が低減されると共に、荷重が分散されている。

本実施の形態においてボールナット４には、本実施の形態に係るリターンチューブ２、２、２が３本設けられている。リターンチューブ２は樹脂材料から形成され、図２の（ア）の斜視図に示されているように、一対の脚部１０、１０と、これらの脚部１０、１０を接続する連絡部１１とから構成されている。これらの脚部１０、１０と連絡部１１は中空に形成され、この中空の部分がボールを循環させるボール通路１３になっている。ボール通路１３は、一対の脚部１０、１０内における脚部ボール通路１４、１４と、連絡部１１における連絡部ボール通路１５とからなる。脚部ボール通路１４、１４は、後で詳しく説明するように、転動軌道８とボール通路１３との境目、つまり接続点１２近傍において所定の曲率で湾曲しており、この湾曲した部分が本発明の特徴であるが、接続点１２から離間した部分においては直線状に形成されている。一方、連絡部ボール通路１５はほぼ直線状に形成されており、脚部ボール通路１４、１４とは、湾曲するようにして互いに滑らかに接続されている。

図２の（イ）にはボール通路１３と転動軌道８とが連通した状態のリターンチューブ２の側面図、つまりボールねじ機構１を軸方向から見た状態が示されているが、一対の脚部ボール通路１４、１４は、上方に向かって間隔が狭まるように互いに斜めに配置されている。これによって２個の接続点１２、１２の中心に対する角度θは、１８０°よりも小さな角度になっている。一方の接続点１２は転動軌道８からボールが掬いあげられる点であり、他方の接続点１２は転動軌道８にボールが戻される点であり、接続点１２、１２で囲まれた区間１９は、ボールが転動しない、いわゆる非転動区間１９になっている。この非転動区間１９は、このように１８０°よりも小さい角度θの円弧になっていて短い。従って、本実施の形態に係るボールねじ機構１は多数のボールを転動させることができボール１個あたりに作用する荷重が比較的小さい。また非転動区間１９の円弧が短いので、ボールねじ機構１に作用する荷重のバランスが優れている。

リターンチューブ２において、脚部ボール通路１４、１４は、接続点１２、１２において転動軌道８に滑らかに接続されているが、次に説明するように、この接続点１２、１２における転動軌道８の接線方向より内側に緩やかに湾曲している。また図２の（ウ）には、リターンチューブ２の正面図が示され、そしてボールねじ３が点線で描かれているが、脚部ボール通路１４、１４は、ボール転動溝６の螺旋のリード角βに整合する方向に延びている。つまり転動軌道８の螺旋のリード角βに整合している。このように構成されているので、ボールは転動軌道８から一方の脚部ボール通路１４に滑らかに掬いあげられ、他方の脚部ボール通路１４から滑らかに転動軌道８に戻されることになる。

本実施の形態に係るリターンチューブ２は、接続点１２、１２近傍のボール通路１３、つまり脚部ボール通路１４に特徴があり、本発明に特有の形状を備えている。この形状を図３によって説明する。図３には、ボールねじ機構１の転動軌道８の一部が点線で示されている。転動軌道８は円弧状に描かれており、これは転動軌道８を軸方向に投影した円、いわゆる転動軌道円の一部ということができる。図３には転動軌道８は、転動軌道円の中心２１から見て、略１／４の円弧分だけ描かれている。リターンチューブ２のボール通路１２つまり脚部ボール通路１４は、接続点１２においてこの転動軌道８に接続されているが、この接続点１２近傍は円軌道２３に形成されている。この円軌道２３の円２５は、円２５の内部に接続点１２において転動軌道円が内接する、そのような円になっている。つまり、円軌道２３の中心２４は、接続点１２と、転動軌道円の中心２１とを結ぶ直線上にあり、転動軌道円の中心２１より遠くに設けられている。脚部ボール通路１４は、接続点１２の近傍に、このような円軌道２３が中心角γだけ設けられ、その後、円軌道２３に滑らかに接続されている直線軌道２６になっている。

本実施の形態に係るリターンチューブ２は、このようにボール通路１４が形成されているので、転動軌道８から掬いあげられたボールＢ、Ｂ、…は、円軌道２３に沿って移動する。速度の大きさが一定で円軌道２３に沿って運動するとき、ボールＢ、Ｂ、…には円軌道２３の中心２４に向かう一定の加速度が作用する。つまり速度の方向が強制的に変化させられて、ボールＢ、Ｂ、…の運動量が変化する。この運動量の変化に相当する力積の反作用として荷重がボール通路１４に作用する。換言すると、円軌道２３においてボールＢ、Ｂは、矢印Ｙで示されている一定の力でボール通路１４に押し付けられる。つまりボール通路１４の内周面には、タング部１６と反対側の面に荷重が作用してタング部１６にはほとんど荷重が作用しない。一般的にタング部１６は構造上薄肉に形成する必要があるが、本実施の形態に係るリターンチューブ２は、このようにタング部１６にボールＢ、Ｂ、…の荷重は作用し難いのでタング部１６の劣化を防止できる。つまりリターンチューブ２の耐久性が高い。

本実施の形態に係るリターンチューブ２は色々な変形が可能である。例えば、ボール通路１４のうち脚部ボール通路１４は、接続点１２近傍の円軌道２３と直線軌道２６とからなるように説明したが、円軌道のみから構成してもよい。また円軌道２３は半径が１種類の円２５、つまり曲率が一定の円２５からなるように説明したが、曲率が変化するようにしてもよい。すなわちボール通路１４は、接続点１２の近傍のみ、この接続点１２において転動軌道円が内接するような円軌道になっていればよく、その後緩やかに曲率が変化するようにして直線軌道２６に接続することもできる。さらに他の変形も可能である。例えば本実施の形態に係るリターンチューブ２は、２点の接続点が中心２１に対してなす角度θは１８０°より小さくなっているように説明したが、１８０°あるいはそれ以上大きくても構わない。この場合には、非転動区間１９が若干長くなるという不利はあるが、接続点１２、１２近傍においてボール通路１４が円軌道になっていれば、タング部１６の劣化を防止することができ、本発明に特有の効果は得られるからである。

１ ボールねじ機構 ２ リターンチューブ
３ ボールねじ ４ ボールナット
８ 転動軌道 １０ 脚部
１１ 連絡部 １２ 接続点
１３ ボール通路 １４ 脚部ボール通路
１５ 連絡部ボール通路 １６ タング部
１９ 非転動区間 ２１ 転動軌道円の中心
２３ 円軌道 ２４ 円軌道の中心
２６ 直線軌道

Claims (3)

1. その内部に形成されているボール通路が、ボールねじとボールナットの間に形成されている螺旋状の転動軌道に２箇所の接続点において接続され、前記転動軌道を転動する複数個のボールを一方の接続点から掬いあげて輸送し他方の接続点において戻し、それによってボールねじ機構においてボールを循環させるようになっているリターンチューブであって、
   前記ボール通路は、前記ボールねじ機構を軸方向に見たときに、前記接続点の近傍において所定の円軌道を描いており、
   前記円軌道は、前記転動軌道を軸方向に投影した転動軌道円が前記接続点において内接している円軌道であることを特徴とするボールねじ機構のリターンチューブ。
2. 請求項１に記載のリターンチューブにおいて、前記ボール通路は、前記接続点の近傍において前記転動軌道の螺旋のリード角に滑らかに整合していることを特徴とするボールねじ機構のリターンチューブ。
3. 請求項１または２に記載のリターンチューブにおいて、前記２箇所の接続点は、前記ボールねじ機構を軸方向から見て、中心軸に対して１８０度より小さい位置に配置されていることを特徴とするボールねじ機構。

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