JP2016109239A - 差動ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動性をより向上させ得る差動ボールねじ装置を提供する。【解決手段】互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる二組のボールねじ６０，７０を備える差動ボールねじ装置１０であって、二組のボールねじ６０，７０は、隣り合うボール４同士の間に介装される弾性体としての保持ピース６をそれぞれ有し、保持ピース６は、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料から形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、差動ボールねじ装置に関する。

差動ボールねじ装置は、互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる二組のボールねじを備えている（例えば特許文献１ないし２参照）。
特許文献１、２に記載の差動ボールねじ装置では、ボールねじとして、一体形成された薄肉円筒形の保持器を備える非循環式ボールねじを採用し、保持器に複数のボール装填部用の穴を形成して個々のボールが保持器の各ボール装填部に保持されている。これにより、個々のボールは、保持器の各ボール装填部に保持された状態で転動するため、各ボールは所定の間隔を保たれて相互の接触が防止される。また、このような非循環式ボールねじであれば、ボールの負荷圏と無負荷圏との不連続部分による玉詰まりを防止できる。

特開昭５８−９９５５１号公報 特開２００９−０１４１２７号公報

しかしながら、ボールねじは、軸受とは異なり、軸方向にリードをもつため、「差動すべり」以外に、特有のすべりが生じる。そのため、ナット内に装填されているボールの公転状態が個々のボールで異なり、ボールの分布にムラが生じる。
特に、差動ボールねじ装置は、例えば、二組のボールねじのリード差をストロークとして得られるように構成され、２本のリードの異なるボールねじを同時に作動させるとき、リードの小さい側のボールねじとリードの大きい側のボールねじとのトルク差によって作動する。このとき、リードの大きい側のボールねじが正作動していれば、リードの小さい側のボールねじは逆作動することになる。そのため、２本のボールねじが異なる作動をするので、その分、差動ボールねじ装置は、通常のボールねじ１本の摩擦エネルギを単純に２本分とするときよりも摩擦が増加することになる。

これに対し、特許文献１、２に記載の差動ボールねじ装置では、保持器を使用することでボール同士の直接接触を防止できるものの、各ボール装填部とボールとの間に摩擦が生じるところ、保持器の材料によっては、ボールと保持器との間の摩擦が大きくなり、ボールの個数が増えれば、その分、摩擦も大きくなるという問題がある。しかし、特許文献１、２に記載の技術では、ボールと保持器との間の摩擦についての考察がなされておらず、差動ボールねじ装置の作動性をより向上させる上で解決すべき課題が残されている。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、作動性をより向上させ得る差動ボールねじ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る差動ボールねじ装置は、互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる二組のボールねじを備える差動ボールねじ装置であって、前記二組のボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、該ねじ軸に外嵌されて内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの両ねじ溝間に転動自在に介装される複数のボールと、隣り合うボール同士の間に介装される弾性体とをそれぞれ有し、前記弾性体は、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料から形成されていることを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係る差動ボールねじ装置において、前記弾性体は、前記軟質金属材料から形成されるとともに、その表面の摩擦係数を小さくする表面処理が施されていることは好ましい。また、前記弾性体は、前記複数のボールを一定間隔に保持する複数のボール装填部を有する保持器であることは好ましい。また、保持器に替えて、前記弾性体は、保持ピースであることは好ましい。
また、前記二組のボールねじそれぞれは、前記複数のボールが循環しない構造を有する非循環式ボールねじであることは好ましい。

本発明のいずれか一の態様によれば、二組のボールねじは、隣り合うボール同士の間に介装される弾性体をそれぞれ有し、その弾性体の材料に、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料を用いているので、弾性体とボールとの接触部の摩擦係数（摩擦力）が小さくなることに加え、弾性体自身が弾性変形してばねとしての役割を発揮し、ボールのすべり摩擦エネルギを吸収することができる。よって、隣り合うボール同士、およびボールと弾性体との間の摩擦力を減少させることができる上、二組のボールねじの差動における差動ボールねじ装置特有の摩擦エネルギを弾性エネルギに変換させて、作動性をより向上させることができる。

上述したように、本発明によれば、作動性をより向上させ得る差動ボールねじ装置を提供することができる。

本発明の一態様に係る差動ボールねじ装置の一実施形態の説明図であり、同図(ａ)は、軸線に沿った断面を示し、(ｂ)は(ａ)でのＡ−Ａ断面を示し、(ｃ)は(ａ)でのＢ部を拡大図示している。 隣り合うボール同士の間に介装される弾性体としての保持ピースを説明する図であり、同図(ａ)はその正面図、(ｂ)は側面図である。 隣り合うボール同士の間に介装される弾性体としての保持ピースの第一変形例を説明する図であり、同図(ａ)はその正面図、(ｂ)は側面図である。 隣り合うボール同士の間に介装される弾性体としての保持ピースの第二変形例を説明する正面図である。 二組のボールねじとして、隣り合うボール同士の間に介装される弾性体としての保持器を備える非循環式ボールねじを採用した一実施形態を説明する模式図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。 図５に示す保持器の一実施形態を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は右側面図である。 図６（ａ）のＺ−Ｚ断面図である。 図６（ｂ）のＡ部拡大図である。 螺旋凸条部に穿設されるボール装填部を説明する要部拡大図であり、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 図６（ａ）のＢ部に装着される結合用部品を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は右側面図である。 螺旋凸条部およびこれに穿設されるボール装填部の変形例を説明するための平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この差動ボールねじ装置１０は、１本のねじ軸１上に、二組のボールねじ６０，７０が設けられている。ねじ軸１は、互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる２種類のねじ溝１１ａ，１２ａを各々の外径面に形成したねじ軸部１１，１２を同軸上に有する。各ねじ軸部１１，１２の端部には、スプライン部１１ｂ，１２ｂがそれぞれに形成されている。本実施形態では、上記２種類のねじ溝１１ａ，１２ａの相違は、互いにリードの違いとされ、ねじ溝の巻き方向は同じである。なお、ねじ軸１の両側のねじ軸部１１，１２は、同図の例では同径であるが異径としてもよい。

二組のボールねじ６０，７０のうち、一方のボールねじ６０はナット２を備え、他方のボールねじ７０はナット３を備える。各ナット２，３は、機械構造用炭素鋼（ＪＩＳＧ４０５１）で作成されている。各ナット２，３は、各々のねじ軸部１１，１２の外周に遊嵌して配置されている。各ナット２，３は、ねじ軸１の各ねじ溝１１ａ，１２ａに対応するねじ溝が各々の内周面に形成されている。そして、同図(ｃ)に拡大図示するように、ねじ軸１のねじ溝１１ａ，１２ａとナット２，３のねじ溝２ａ，３ａの間に多数のボール４が介装されている（ナット２の側については不図示）。図１に示す例では、各ナット２，３は、ねじ軸１との間でボール４を無限循環させる循環チューブ５を外周面に有する。

各ナット２，３は、取付用のフランジ２ｆ，３ｆを一端面に有し、各フランジ２ｆ，３ｆが円筒状のハウジング４０の両端面にそれぞれ装着されている。ハウジング４０の内部には、各ねじ軸部１１，１２の端部をキー４２を介して繋ぐ円筒状の連結部４１が設けられている（同図(ｂ)参照）。連結部４１は、ねじ軸部１１，１２相互を、自身の外周面をハウジング４０の内面に摺動させつつ回転および軸方向に移動自在に係合している。また、ハウジング４０の内部には、連結部４１の近傍に、円環状のダンパ部材５０がねじ軸部１１側に固定されている。

ここで、二組のボールねじ６０，７０は、同図(ｃ)に拡大図示するように、隣り合うボール４同士の間に、弾性体としての保持ピース６が介装されている。保持ピース６は、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料から略円柱状に形成され、図２に示すように、円柱の中心軸に沿って貫通穴６ｋが同軸に設けられている。円柱状をなす２つの底面には、ボール４と摺接する凹面６ｄがそれぞれ形成されている。本実施形態では、凹面６ｄは、ボール４の球面と相似形状且つ僅かに大きな半径の凹球面とされている。なお、保持ピース６を軟質金属材料から形成する場合、軟質金属材料表面の摩擦係数をより小さくする表面処理を施すことが望ましい。軟質金属材料表面の摩擦係数をより小さくする表面処理としては、例えばリン酸マンガン、もしくは二硫化モリブデンの単層、または、下地をリン酸マンガンとし表層に二硫化モリブデン被膜を形成する二層構造とすることができる。

ここで、鉄系材料よりも硬度が低い材料としては、上記ナット２，３の素材である機械構造用炭素鋼（ＪＩＳＧ４０５１）の生の状態以下の硬度が望ましい。軟質金属材料であれば、ロックウェル硬さで、ＨＲＣ２０以下の軟質金属材料が好ましく、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、すず（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、またはこれらを用いた合金などの金属材料が挙げられる。また、合成樹脂材料としては、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。

次に、上記差動ボールねじ装置１０の作用・効果について説明する。
この差動ボールねじ装置１０は、例えば、スプライン部１１ｂ，１２ｂのいずれかに回転駆動力が入力されると、ねじ軸１に回転駆動力が伝達され、ねじ軸１と二組のボールねじ６０，７０のナット２，３との相対的な回転運動により、ハウジング４０が、所定の移動範囲内において、一対のナット２，３のリードの差分だけ軸方向に移動する。この差動ボールねじ装置１０であれば、リードの組み合わせは任意に設定できるため、ボール径（負荷容量）が制約を受けることなく負荷容量を大きく設定できる。

そして、この差動ボールねじ装置１０は、ねじ軸１とナット２，３との相対的な回転運動により、複数のボール４はその軌道であるねじ溝１１ａ，１２ａに沿って移動するが、二組のボールねじ６０，７０は、隣り合うボール４同士の間に介装される弾性体として保持ピース６をそれぞれ有するので、二組のボールねじ６０，７０の個々のボール４は、保持ピース６の凹面６ｄと摺接された状態で転動する。そのため、隣り合うボール４相互の接触が防止される。

さらに、この差動ボールねじ装置１０によれば、二組のボールねじ６０，７０は、その保持ピース６の材料に、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料を用いているので、保持ピース６とボール４との接触部の摩擦係数（摩擦力）が小さくなることに加え、保持ピース６自身が弾性変形してばねとしての役割を発揮し、ボール４のすべり摩擦エネルギを吸収することができる。よって、隣り合うボール４同士、およびボール４と保持ピース６との間の摩擦力を減少させることができる上、二組のボールねじ６０，７０の差動における差動ボールねじ装置特有の摩擦エネルギを弾性エネルギに変換させて、作動性をより向上させることができる。
なお、本発明に係る差動ボールねじ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、保持ピース６の凹面６ｄが、ボール４の球面と相似形状且つ僅かに大きな半径の凹球面とされている例で説明したが、これに限らず、凹球面に替えて、例えば図３に示すように、凹面６ｄを凹の円錐面としてもよいし、また、図４に示すように、凹面を設けずに、保持ピース６の円柱の中心軸に沿って大径の貫通穴６ｋを設けて円筒状とし、貫通穴６ｋの縁部に対してボール４を摺接させるようにしてもよい。

また、例えば上記実施形態では、二組のボールねじ６０，７０は、隣り合うボール４同士の間に介装される弾性体として保持ピース６を有する例で説明したが、これに限らず、隣り合うボール４同士の間に介装される弾性体として保持器を設けることもできる。また、本発明に係る差動ボールねじ装置を構成する二組のボールねじ６０，７０は、ボール４が無限循環する構造に限らず、非循環式ボールねじとすることができる。

以下、二組のボールねじ６０，７０を非循環式ボールねじとし、隣り合うボール４同士の間に介装される弾性体として保持器を設ける例について詳しく説明する。なお、以下の説明では、二組のボールねじ６０，７０は、互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる点以外は、同様な構成なので、一方のボールねじ７０について説明し、他方のボールねじ６０についての説明は省略する。

図５に示すように、この非循環式ボールねじ７０は、外周面に螺旋状のねじ溝１２ａが形成されたねじ軸部１２と、ねじ軸部１２のねじ溝１２ａに対向する螺旋状のねじ溝３ａが内周面に形成されたナット３とを、保持器２０で保持された鋼またはセラミック製の複数のボール４を介して螺合させている。保持器２０は、ねじ軸部１２とナット３との隙間内に遊挿し得る厚みを有する円筒形の薄肉部材であり、螺旋状のねじ溝１２ａ、２ａに沿ってボール保持用の複数のボール装填部２４が形成され、複数のボール装填部２４によって、複数のボール４を対向するねじ溝１２ａ、３ａ間に一定間隔に保持している。

保持器２０は、図６に示すように、その円筒形状の軸方向に沿って二分割された二つの分割部品２１，２２の組によって構成されている。ここで、二つの分割部品２１，２２は、鉄系材料（例えば鋼製のボール４）よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料から形成されている。本実施形態では、二つの分割部品２１，２２は、軟質金属材料から形成されている。

なお、鉄系材料よりも硬度が低い材料としては、上記ナット２，３の素材である機械構造用炭素鋼（ＪＩＳＧ４０５１）の生の状態以下の硬度が望ましい。軟質金属材料であれば、ロックウェル硬さで、ＨＲＣ２０以下の軟質金属材料が好ましく、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、すず（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、またはこれらを用いた合金などの金属材料が挙げられる。また、合成樹脂材料としては、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。

そして、この保持器２０の分割構造は、軸直角断面において、中心Ｏを通る軸線Ｄ（図６（ｂ）参照）に沿って略蒲鉾型となる半円弧状となるように１８０度の位置で二分割し、その二分割された二つの分割部品２１，２２を組み合わせて円筒状の保持器２０としている。
二つの分割部品２１，２２は、同図（ａ）に示すように、ねじ軸部１２またはナット３のねじ溝１２ａ、３ａに沿って、互いを組み合わせたときに連続する螺旋状に形成された螺旋凸条部２３を有する。螺旋凸条部２３は、図７に示すように、円筒形状をなす保持器２０の外周面２０ｇよりも外側に向けて突出して形成され、その突出する断面形状は、ねじ溝３ａに干渉しないように、ボール４よりも僅かに小さい凸の半円弧２３ｒとされるとともに、凸の半円弧２３ｒの頂部が平面２３ｔとされている。

ここで、本実施形態では、二つの分割部品２１，２２は、深絞りが可能な軟質金属材料を用い、その軟質金属材料をプレス成型して制作されている。各分割部品２１，２２のプレス成型工程は、非循環式ボールねじ７０の螺旋状のねじ溝１２ａ、２ａに対応する位置に沿って螺旋凸条部２３を押し出して成形する螺旋凸条部成形工程と、円筒形状の軸方向に沿って二分割された二つの分割部品２１，２２それぞれに対応する半円筒形状に成形する半円筒形状成形工程とを含む。

そして、二つの分割部品２１，２２に対し、図８および図９に示すように、螺旋凸条部２３に沿ってボール保持用の複数のボール装填部２４を、各分割部品２１，２２の内周面側からドリル加工により形成している。特に、ボール装填部２４の先端部２４ｓは、ドリルＫによる穿設により、ボール装填部中のボール４が外部に向けて脱落しないように、先端（装填部の底）が円錐形状に穿設され、収容するボール４の外周面にボール装填部２４が線接触するようになっている。その後、二つの分割部品２１，２２に対し、軟質金属材料表面の摩擦係数をより小さくする表面処理が施されている。軟質金属材料表面の摩擦係数をより小さくする表面処理としては、例えばリン酸マンガン、もしくは二硫化モリブデンの単層、または、下地をリン酸マンガンとし表層に二硫化モリブデン被膜を形成する二層構造とすることができる。

本実施形態では、上述のようにして形成された二つの半円筒形状の分割部品２１，２２を、図６（ａ）に示すように、互いの端部Ｒを対向させて組み合わせて円筒状の保持器２０としている。なお、同図では、同図の正面中央に位置するボール装填部２４について詳細図示（図９（ａ）参照）し、他の箇所のボール装填部２４については簡略に図示しているが、全て同様のドリル加工が施されている。

そして、二つの分割部品２１，２２相互は、円筒形状の軸方向両端部Ｂで結合されており、その結合部は、図１０に示す、分割部品とは別個の結合用部品３０によって結合されている。結合用部品３０は、同図に示すように、円環状の部材の一部に、径方向に沿って貫通するすり割り溝３１を形成してなる略Ｃ型に形成された抱き締め部材である。すり割り溝３１が形成された箇所には、すり割り溝３１とは直交する方向から、一方の端部に座繰り穴３２が形成されるとともに、他方の端部に座繰り穴３２と同軸に雌ねじ３３が形成されている。結合用部品３０の内周３０ｎの直径は、保持器２０の両端部２０ｔ（図６（ａ）参照）の直径とインロー嵌合する寸法に形成されている。

これにより、分割部品２１，２２を組み合わせてなる保持器２０の両端部２０ｔそれぞれに結合用部品３０をはめ込み、不図示の締めねじを座繰り穴３２の側から挿入して雌ねじ３３に締め込むことで円筒形状の軸方向両端部Ｂで二つの分割部品２１，２２相互を抱き締めして、二つの分割部品２１，２２相互を結合している。なお、結合用部品３０の外周３０ｍの直径は、装着時のボール４の頂部よりも外周側に位置するような大径とされている。

二組のボールねじ６０，７０に対してこのような非循環式ボールねじを採用した差動ボールねじ装置１０によれば、二組のボールねじ６０，７０は、保持器２０を構成する二つの分割部品２１，２２の材料に、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料を用いているので、保持器２０とボール４との接触部の摩擦係数（摩擦力）が小さくなることに加え、保持器２０自身が弾性体（ばね）としての役割を発揮し、ボール４の詰まりに対して弾性変形して、ボール４のすべり摩擦エネルギを吸収することができる。よって、隣り合うボール４同士、およびボール４と保持器２０との間の摩擦力を減少させることができる上、差動ボールねじ装置１０作動中の玉詰まりを防止または抑制することができるという優れた効果を奏する。

特に、保持器２０の材料を軟質金属材料とし、その表面の摩擦係数を小さくする表面処理を施しているので、すべり摩擦を更に減らし、差動ボールねじ装置１０をより円滑に作動させることができる。なお、この例では、結合用部品３０の外周３０ｍの直径が、装着時のボール４の頂部よりも外周側に位置するような大径とされているので、保持器２０がボールねじ６０，７０の軸方向にずれてしまった場合のストッパを兼ねるようになっている。

さらに、この非循環式ボールねじの例においては、円筒形状の保持器２０を軸方向に沿って二分割された二つの分割部品２１，２２によって構成し、二つの分割部品２１，２２を組み合わせて円筒状の保持器２０とするので、分割部品２１，２２を組み合わせる前の状態において、二分割された各分割部品２１，２２の内周面側を外に向けた状態とすることができる。そのため、通常のドリル加工によって複数のボール装填部２４を穿設することができる。
そして、ドリルＫによる加工後のボール装填部２４は、ドリル加工によって先端（装填部の底）２４ｓが、ボール装填部２４中のボール４が外部に向けて脱落しないような円錐形状に形成されているので、ボール４の外周面にボール装填部２４が線接触する。これにより、可及的に少ない摩擦により非循環式ボールねじ７０を作動させることができる。

また、多数のボール装填部２４に対するドリル加工は、非常に繊細な加工となるが、この保持器２０であれば、二つの分割部品２１，２２の内周面２０ｎの側を外に向けた状態とし、内周面２０ｎの側から容易にドリル加工を施すことができるため、巻き数が増える場合であっても、生産性を向上させつつ、ボール装填部２４に対する所期のドリル加工を、加工精度や位置精度を良く行える。したがって、可及的に少ない摩擦により差動ボールねじ装置１０をより円滑に作動させることができる。

１ ねじ軸軸
２ ナット
３ ナット
２ａ，３ａ ねじ溝
４ ボール
５ 循環チューブ
６ 保持ピース（弾性体）
６ｄ 凹面
６ｋ 貫通穴
１０ 差動ボールねじ装置
１１，１２ ねじ軸部
１１ａ，１２ａ ねじ溝
１１ｂ，１２ｂ スプライン部
２０ 保持器（弾性体）
２１，２２ 分割部品
２３ 螺旋凸条部
２４ ボール装填部
３０ 結合用部品
４０ ハウジング
４１ 連結部
４２ キー
５０ ダンパ部材
Ｋ ドリル

Claims (5)

1. 互いに巻き方向およびリードの少なくとも一方が異なる二組のボールねじを備える差動ボールねじ装置であって、
   前記二組のボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、該ねじ軸に外嵌されて内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの両ねじ溝間に転動自在に介装される複数のボールと、隣り合うボール同士の間に介装される弾性体とをそれぞれ有し、
   前記弾性体は、鉄系材料よりも硬度が低い合成樹脂材料または軟質金属材料から形成されていることを特徴とする差動ボールねじ装置。
2. 前記弾性体は、前記軟質金属材料から形成されるとともに、その表面の摩擦係数を小さくする表面処理が施されている請求項１に記載の差動ボールねじ装置。
3. 前記弾性体は、前記複数のボールを一定間隔に保持する複数のボール装填部を有する保持器である請求項１または２に記載の差動ボールねじ装置。
4. 前記弾性体は、保持ピースである請求項１または２に記載の差動ボールねじ装置。
5. 前記二組のボールねじそれぞれは、前記複数のボールが循環しない構造を有する非循環式ボールねじである請求項１〜４のいずれか一項に記載の差動ボールねじ装置。

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