JP2017020517A - 保持器付きボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】滑りねじよりも優れた位置決め精度を確保すると共に、ボールを循環させる循環部材を廃止し、かつ組立を簡便化して低コスト化を図った保持器付きボールねじを提供する。【解決手段】外周面に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、これに外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝３ａが形成されたナット３と、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボール４と、これらボール４を保持する円筒状の保持器５を備えた保持器付きボールねじ１において、保持器５に、ナット３のねじ溝３ａに対応して螺旋状に複数のポケット８が形成され、この内径がボール４の外径よりも大径に形成されると共に、ポケット８の開口部に複数の突起が一体形成されてボール４が転動自在に保持され、保持器５がナット３に対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で圧入固定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、放電加工機やタッピングセンター等の各種工作機械、あるいは自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用される保持器付きボールねじに関し、特に、ボールの循環機能を省略した無限ストロークタイプの保持器付きボールねじに関する。

例えば、各種駆動部に使用される電動アクチュエータにおいて、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に変換する機構として、台形ねじあるいはラックアンドピニオン等の歯車機構が一般的に使用されている。これらの変換機構は、滑り接触部を伴うため動力損失が大きく、電動モータの大型化や消費電力の増大を余儀なくされている。そのため、より効率的なアクチュエータとしてボールねじ機構が採用されるようになってきた。

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、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、転動路を周回経路とする循環機構とを備え、例えば、ナットを回転運動させることでねじ軸を直線運動させる運動変換機構として使用されている。

近年、設備の高性能化が進み、より優れた作動特性、低振動、低騒音、高耐久性能の特性を有するボールねじが求められている。ボールねじは、高速回転で使用する一般的な転がり軸受とは異なり、隣り合うボールとの間隔を一定に保つための保持器は用いられておらず、理論上、無限ストローク運動が可能となるように、ボールを無限循環させるための循環部材を装着してボールを前の経路に戻している。

一般的にボールねじにはボールの循環機構が異なる種々の形式のものがあり、その一つに駒式と呼ばれるものがある。この駒式ボールねじは、ねじ溝の連結路を有し、転動路を周回経路とする循環用の駒部材がナットに装着されているもので、構成が比較的簡素で、かつコンパクトに構成できる利点がある。駒部材内のボールの循環溝（連結溝）はナットのねじ溝よりも若干深く設定されているが、ボールが循環する経路は、ボールが荷重を受けながらねじ溝内を転動する負荷圏と駒部材内の無負荷圏および両者を繋ぐボール掬い上げ部（繋ぎ部）で構成されているため、通常の転がり軸受と比較した場合、負荷の変動が大きく、ボール同士に競り合いや衝突等により、前述した特性は不利になる。また、ナットと駒部材が別体であるため、駒部材の固定方法が悪いと、ナットのねじ溝と駒部材の循環溝の横方向のズレが発生してさらに特性が悪化する恐れがある。

一方、前述した台形ねじ等の滑りねじでは、ボールを使用していないため、前述したボール循環による悪影響はないが、滑りを発生させるという機能上、一般的なボールねじと比較して、ねじ軸とナット間に大きなすきまが必要となり、ボールねじより高精度な位置決めは難しい。

ボールねじの特性悪化のための対策として、保持器を用いてボール同士の直接接触を避けてボールの競り合いをなくすことが考えられる。その一例として、図６に示すような保持器付きボールねじが知られている。この保持器付きボールねじ５０は、外周に螺旋状のねじ溝５１ａが形成されたねじ軸５１と、このねじ軸５１に多数のボール５２を介して挿通され、内周にねじ軸５１のねじ溝５１ａに対向する螺旋状のねじ溝５３ａが形成されたナット５３と、ねじ軸５１とナット５３とのすきまに設けられて螺旋状の負荷転動通路５４内のボール５２を所定間隔で整列させる保持器５５とを備えている。

保持器５５にはボール５２の直径よりも僅かに大きな内径の保持孔５６が所定の間隔をおいて多数貫通形成され、前記負荷転動通路５４を転動するボール５２が各保持孔５６に一つずつ収容されている。ナット５３の内周端部には前記負荷転動通路５４内のボール５２の転動方向に面した係止面５７を有する一対のストッパ部材５８が装着される一方、保持器５５には、ストッパ部材５８の係止面５７に対向する係止受け面５９が形成され、これら係止面５７と係止受け面５９の接触によって保持器５５の移動域が制限されている。

これにより、保持器５５がストッパ部材５８に突き当たっても、係るストッパ部材５８に対し過度に大きな力が作用することがなく、ストッパ部材５８のナット５３に対する取付強度を低下させることが可能となり、また、保持器５５がストッパ部材５８と噛み込んでしまうことがなく、ナット５３に対するねじ軸５１の正転、逆転を円滑に繰り返すことが可能となる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−７０９９７号公報

然しながら、この従来の保持器付きボールねじ５０では、ねじ軸５１が定位置で回転し、ナット５３が回転しないような仕様態様の場合に、ねじ軸５１の回転につれてナット５３と共に軸方向に保持器５５が移動する（保持器５５の移動量はナット５３の移動量の半分）、所謂有限ストロークタイプのボールねじとなるため、使用箇所と使用スペースに制約が生じるだけでなく、ナット５３の移動ストロークが大きいと、ナット５３から保持器５５が抜けてボール５２が脱落するのを防止するための様々な手段が必要となり、低コスト化を阻害する要因となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ボールねじと滑りねじとの中間の特性を備えたボールねじに着目し、滑りねじよりも優れた位置決め精度を確保すると共に、ボールを循環させる循環部材を廃止し、かつ組立を簡便化して低コスト化を図った保持器付きボールねじを提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、対向する前記両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、これらボールを保持する円筒状の保持器と、を備えた保持器付きボールねじにおいて、前記保持器に、前記ナットのねじ溝に対応して螺旋状に複数のポケットが形成され、これらのポケットに前記ボールが転動自在に保持されると共に、当該保持器が前記ナットに対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられている。

このように、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、これらボールを保持する円筒状の保持器と、を備えた保持器付きボールねじにおいて、保持器に、ナットのねじ溝に対応して螺旋状に複数のポケットが形成され、これらのポケットにボールが転動自在に保持されると共に、当該保持器がナットに対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられているので、滑りねじよりも優れた位置決め精度を確保すると共に、ボールを循環させる循環部材を廃止し、かつ組立を簡便化して低コスト化を図った保持器付きボールねじを提供することができる。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記ポケットの内径が前記ボールの外径よりも大径に形成されると共に、前記ポケットの開口部に複数の爪状の突起が一体形成されていれば、これらの突起を弾性変形させてボールを装着することができると共に、突起によりボールがポケットから脱落するのを防止することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記ポケットの内径が前記ボールの外径よりも小径に形成されると共に、前記保持器の外径が前記ナットのねじ溝に位置する前記ボールのピッチ円直径よりも小径に形成されていれば、ポケットの開口部に突起を形成しなくてもボールの脱落を防止した状態で、転動自在に保持することができ、保持器の成形性を向上させて低コスト化を図ることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記保持器が熱可塑性の合成樹脂から射出成形によって形成されていれば、優れた摩耗性と摺動特性に優れ、強度・剛性が高くなり長期間に亘って耐久性を向上させることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記保持器がスーパーエンジニアリングプラスチックによって形成されていれば、耐熱性、耐薬品性、滑り性、成形性、難燃性等に優れている。

また、請求項６に記載の発明のように、前記保持器に繊維状強化材が１０〜４０ｗｔ％充填されていれば、耐摩耗性に優れ、強度・剛性が高くなり長期間に亘って耐久性を向上させることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、前記保持器が、前記ナットの内周面に径方向すきまを介して嵌挿された円筒部と、この円筒部から径方向外方に延び、前記ナットの端面に密着する円板部と、この円板部から軸方向に延びる円筒状の圧入部とからなる断面コの字状の固定部を備えていれば、ナットに対して、保持器を軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で圧入固定することができる。

本発明に係る保持器付きボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、対向する前記両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、これらボールを保持する円筒状の保持器と、を備えた保持器付きボールねじにおいて、前記保持器に、前記ナットのねじ溝に対応して螺旋状に複数のポケットが形成され、これらのポケットに前記ボールが転動自在に保持されると共に、当該保持器が前記ナットに対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられているので、滑りねじよりも優れた位置決め精度を確保すると共に、ボールを循環させる循環部材を廃止し、かつ組立を簡便化して低コスト化を図った保持器付きボールねじを提供することができる。

本発明に係る保持器付きボールねじの一実施形態を示す縦断面図である。 （ａ）は、図１のボール・保持器サブアッセンブリを斜視図、（ｂ）は、（ａ）のボール・保持器サブアッセンブリをナットに装着した状態を示す斜視図である。 （ａ）は、図１の保持器単体を示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のポケット部を示す要部拡大図である。 図１の保持器の変形例を示す要部拡大図である。 図１の固定方法の変形例を示す斜視図である。 従来の保持器付きボールねじを示す斜視図である。

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、対向する前記両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、これらボールを保持する円筒状の保持器と、を備えた保持器付きボールねじにおいて、前記保持器に、前記ナットのねじ溝に対応して螺旋状に複数のポケットが形成され、これらのポケットの内径が前記ボールの外径よりも大径に形成されると共に、前記ポケットの開口部に複数の爪状の突起が一体形成されて前記ボールが転動自在に保持され、当該保持器が前記ナットに対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る保持器付きボールねじの一実施形態を示す縦断面図、図２（ａ）は、図１のボール・保持器サブアッセンブリを斜視図、（ｂ）は、（ａ）のボール・保持器サブアッセンブリをナットに装着した状態を示す斜視図、図３（ａ）は、図１の保持器単体を示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のポケット部を示す要部拡大図、図４は、図１の保持器の変形例を示す要部拡大図、図５は、図１の固定方法の変形例を示す斜視図である。

図１に示す保持器付きボールねじ１は、例えば、自動車の電動パワーステアリングの駆動部等、比較的回転数が低く、かつ、軽荷重が負荷される用途に使用され、外周面に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝３ａが形成されたナット３と、対向する両ねじ溝２ａ、３ａにより形成された転動路に収容された多数のボール４と、これらボール４を回転自在に保持する保持器５と、を備えている。なお、ボール４は、図２（ａ）に示すように、保持器５のポケット８に転動自在に収容されると共に、後述するボール・保持器サブアッシー９として、（ｂ）に示すように、ナット３に装着される。なお、図２（ａ）では、説明のために２箇所にボールを抜いた図にしているが、ボール４はポケット８の全てに収容されている。

各ねじ溝２ａ、３ａの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここではボール４との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動の発生を抑制することができる。

本発明に係る保持器付きボールねじ１は、図１に示すように、例えば、ボールの循環部材となる駒部材、すなわち、ナット３のねじ溝３ａの略１周の部分を繋ぎ、ボールの転動路を構成する連結溝が形成された駒部材が省略された無限ストロークタイプであって、ボールねじと滑りねじとの中間の特性を備え、一般的なボールねじとは異なり、ナット３に固定された保持器５によってボール４は転動自在に保持される一方、ボール４はねじ軸２のねじ溝２ａ上を摺動する。

ねじ軸２はＳ５５Ｃ等の中炭素鋼やＳＣＭ４１５等の肌焼き鋼からなり、転造加工によってねじ溝２ａが形成され、この転造加工の後、旋削等の切削加工によって成形加工を完了させている。その後、熱処理によってその表面に５５〜６２ＨＲＣの範囲の硬化層が形成されている。熱処理は、浸炭焼入れでも高周波誘導加熱による焼入れでも良いが、表層に粒界酸化層が抑制でき、また、局部加熱ができて硬化層深さの設定が比較的容易にできる高周波焼入れが好適である。

さらに、熱処理によりねじ溝２ａ等に付着したスケールや表層の粒界酸化層を除去し、耐久性を向上させるためにショットピーニングによる仕上げ加工（図示せず）が行われている。このショットピーニングは、スチールビーズの粒径を２０〜１００μｍ、噴射時間は約９０秒、噴射圧は１〜３ｋｇ／ｃｍ^２、噴射ノズルとワークの表面までの距離は略１４０ｍｍとした。

一方、ナット３はＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０等の肌焼き鋼からなり、旋削等の切削加工によってねじ溝３ａが形成され、真空浸炭焼入れによってその表面に５５〜６２ＨＲＣの範囲に硬化処理が施されている。これにより、熱処理後のスケール除去のためのバフ加工等を省略することができ、低コスト化を図ることができる。

保持器５はＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の所謂エンジニアリングプラスチックと呼称される熱可塑性の合成樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の所謂スーパーエンジニアリングプラスチックと呼称される熱可塑性の合成樹脂から射出成形によって形成されている。これらの合成樹脂は耐熱性、耐薬品性、滑り性、成形性、難燃性等に優れている。

なお、これらの材質に限らず、例えば、ＧＦ（ガラスファイバー）等の繊維状強化材が１０〜４０ｗｔ％充填されたＰＡ（ポリアミド）６６やＰＡ６・１２等の熱可塑性の合成樹脂から射出成形によって形成しても良い。これにより、耐摩耗性に優れ、強度・剛性が高くなり長期間に亘って耐久性を向上させることができる。

なお、ＧＦの充填量が１０ｗｔ％未満ではその補強効果が発揮されず、また、４０ｗｔ％を超えて充填されると、成形品内の繊維が異方性を引き起こして密度が大きくなって寸法安定性が低下すると共に、靭性が低下する恐れがあるため好ましくない。なお、繊維状強化材としては、ＧＦに限らず、ＣＦ（炭素繊維）やアラミド繊維、ホウ素繊維等を例示することができる。

保持器５は、図１および図３（ａ）に示すように、ナット３の内周面に所定の径方向すきまを介して嵌挿された円筒部６と、この円筒部６から径方向外方に延び、ナット３の端部に圧入固定される断面コの字状の固定部７を備えている。この固定部７は、円板部７ａと、この円板部７ａから軸方向に延びる円筒状の圧入部７ｂからなり、円板部７ａがナット３の端面に密着した状態で圧入部７ｂがナット３の端部外周に圧入嵌合され、保持器５がナット３に対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられている。これにより、ナット３のねじ溝３ａに対してボール４の軸方向の位置決め精度が向上し、ボール４がねじ溝３ａ上をスムーズに転動することができ、滑りねじよりも優れた位置決め精度を確保するができると共に、作動特性、低振動、低騒音、高耐久性能が実現できる。また、ボール４を循環させる循環部材を廃止し、かつ組立を簡便化して低コスト化を図った保持器付きボールねじ１を提供することができる。

また、保持器５の円筒部６には、ナット３のねじ溝３ａに対応して螺旋状に複数のポケット８が形成されている。そして、これらのポケット８の内径はボール４の外径よりも僅かに大径に形成され、ポケット８内にボール４が転動自在に保持される。少なくともポケット８内には潤滑グリースが充填されると共に、図３（ｂ）に示すように、ポケット８の開口部にはポケット８内に突出する複数（ここでは、４個）の爪状の突起８ａが一体形成されている。ボール４をポケット８内に装着する際、これらの突起８ａを弾性変形させて装着される。また、一旦装着されたボール４は突起８ａによりポケット８から脱落するのが防止されている。

図４は、前述した保持器５のポケット８部の変形例である。この保持器１３のポケット１４は、前述した突起８ａを形成せずにボール４の脱落を防止したものである。具体的には、ポケット１４は、保持器１３の内外径を貫く円筒状に形成され、このポケット１４の内径はボール４の外径よりも僅かに小径に形成されている。そして、保持器１３の外径Ｄがナット３のねじ溝３ａに位置するボール４のピッチ円直径（ＰＣＤ）よりも小径に形成されている。つまり、ボール４のピッチ円直径よりも小径側の内抱きで保持されている。これにより、ポケット１４の開口部に突起を形成しなくてもボール４の脱落を防止した状態で、転動自在に保持することができ、保持器１３の成形性を向上させて低コスト化を図ることができる。この場合、ナット３に保持器１３を嵌挿して固定した後、保持器１３の内径側からボール４をポケット１４内に装着することにより組み立てることができる。

次に、図１を用いて、この保持器付きボールねじ１の組立方法について説明する。まず、保持器５のポケット８内にボール４を装着して図２（ａ）に示すように、ボール・保持器サブアッシー９とする。次に、これらのボール４をナット３のねじ溝３ａに係合した状態で、ボール・保持器サブアッシー９をナット３に回転させながら挿入して行く。そして、保持器５の円板部７ａがナット３の端面に密着するまで保持器５の圧入部７ｂをナット３の外周に圧入し、（ｂ）に示すように、保持器５をナット３に固定する。最後に、ボール４をねじ軸２のねじ溝２ａに係合した状態で、ねじ軸２を保持器５に螺合させて組立を終了する。

なお、保持器５のナット３への固定方法は、これ以外にも、例えば、図５に示すように、ナット３’の端面に雌ねじ（図示せず）を形成すると共に、保持器５’の固定部１０の円板部１０ａに円孔１１を形成し、固定ねじ１２によって締結しても良い。なお、図示はしないが、ナットの端部外周に雌ねじを形成すると共に、保持器の圧入部に円孔を形成し、固定ねじよって締結しても良い。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る保持器付きボールねじは、自動車の電動アクチュエータ等に使用されるボールねじに適用することができる。

１ 保持器付きボールねじ
２ ねじ軸
２ａ、３ａ ねじ溝
３、３’ ナット
４ ボール
５、５’、１３ 保持器
６ 円筒部
７、１０ 固定部
７ａ、１０ａ 円板部
７ｂ 圧入部
８、１４ ポケット
８ａ 突起
９ ボール・保持器サブアッシー
１１ 円孔
１２ 固定ねじ
５０ 保持器付きボールねじ
５１ ねじ軸
５１ａ、５３ａ ねじ溝
５２ ボール
５３ ナット
５４ 負荷転動通路
５５ 保持器
５６ 保持孔
５７ 係止面
５８ ストッパ部材
５９ 係止受け面
Ｄ 保持器の外径
ＰＣＤ ボールのピッチ円直径

Claims (7)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
   このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、
   対向する前記両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、
   これらボールを保持する円筒状の保持器と、を備えた保持器付きボールねじにおいて、
   前記保持器に、前記ナットのねじ溝に対応して螺旋状に複数のポケットが形成され、これらのポケットに前記ボールが転動自在に保持されると共に、当該保持器が前記ナットに対して、軸方向に不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転不可な状態で取り付けられていることを特徴とする保持器付きボールねじ。
2. 前記ポケットの内径が前記ボールの外径よりも大径に形成されると共に、前記ポケットの開口部に複数の爪状の突起が一体形成されている請求項１に記載の保持器付きボールねじ。
3. 前記ポケットの内径が前記ボールの外径よりも小径に形成されると共に、前記保持器の外径が前記ナットのねじ溝に位置する前記ボールのピッチ円直径よりも小径に形成されている請求項１に記載の保持器付きボールねじ。
4. 前記保持器が熱可塑性の合成樹脂から射出成形によって形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の保持器付きボールねじ。
5. 前記保持器がスーパーエンジニアリングプラスチックによって形成されている請求項４に記載の保持器付きボールねじ。
6. 前記保持器に繊維状強化材が１０〜４０ｗｔ％充填されている請求項４に記載の保持器付きボールねじ。
7. 前記保持器が、前記ナットの内周面に径方向すきまを介して嵌挿された円筒部と、この円筒部から径方向外方に延び、前記ナットの端面に密着する円板部と、この円板部から軸方向に延びる円筒状の圧入部とからなる断面コの字状の固定部を備えている請求項１に記載の保持器付きボールねじ。

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