JP2017032124A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】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ボールねじを提供する。【解決手段】外周に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外嵌され、内周に螺旋状のねじ溝３ａが形成された円筒状のナット３と、このナット３の両端面に装着され、内周にナット３のねじ溝３ａに連続する螺旋状のねじ溝５ａが形成されたエンドキャップ５と、を備え、ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、対向するねじ軸２とナット３のねじ溝２ａ、３ａのねじ面７、６間に複数のボール４が転動可能に介装され、ねじ軸２とナット３の径方向すきまＳｒ１、Ｓｒ２がボール４の外径Ｄよりも小さく設定されると共に、ねじ軸２のねじ面７とナット３のねじ面６の軸方向すきまＳａ１がボール４の外径Ｄよりも大きく設定されている。【選択図】図２

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ボールねじに関し、特に、ボールの循環機能を省略した有限ストロークタイプの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複数のボールと、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。

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はナットのねじ溝よりも若干低めに設定されているが、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。

駒部材等の循環部材を廃止し、低コスト化を図ったものとして、図３に示すようなボールねじ用ナットの製造方法が知られている。このナット５１は、段付き円筒部を有する円筒状に形成され、内周に螺旋状のボール循環溝５１ａが形成されると共に、ボール戻し溝（図示せず）が一体に形成されている。

ナット５１の素材である中空円筒部材Ｎの内周に、図４（ａ）に示すような金型Ｍを用いて鍛造加工によってボール戻し溝５１ｂが形成される。この金型Ｍは、中空円筒部材Ｎの内径より小径の外径を有する円筒状であって、その外表面に（ｂ）、（ｃ）に示すようなＳ字状の凸部Ｍａを２つ形成され、これらの凸部Ｍａは、ボール戻し溝５１ｂの形状に対応している。

（ａ）に示すように、金型Ｍを中空円筒部材Ｎの内部に挿入して、その内周の上部に凸部Ｍａを当接させ、さらに金型Ｍの両端を支持した状態で、中空円筒部材Ｎを金型Ｍに向かってプレス力Ｐを負荷し、鍛造加工によってボール戻し溝５１ｂが形成される。

ここで、外周の段付き円筒部と軸方向において略同位置に、ボール戻し溝５１ｂを配置しないようにしたので、ボール戻し溝５１ｂ成形時の無理な材料流動を生じさせず、パンチの寿命が増大する。さらに無理な材料流動が生じないことで他の部分に形成したボール戻し溝５１ｂの深さおよび位置精度に悪影響を与えることがなく、また、外周の段付き円筒部を変形させることもない。

次に、ボール戻し溝５１ｂを形成した中空円筒部材Ｎの内周に、切削工具を用いて切削加工によりボール循環溝５１ａが形成される。次に、ボール戻し溝５１ｂおよび循環溝５１ａを形成した中空円筒部材Ｎの内周に、高周波焼入処理によって所定の硬化処理が行われる。

特に、従来のボールねじ機構で用いられているチューブやコマ等の循環部材は、一般的に熱処理が行われていないから、長期間にわたりボールねじを作動すると摩耗し、循環不良の原因となるが、ボール循環溝５１ａのみならずボール戻し溝５１ｂにも焼入れを同時に行うことができるので、耐摩耗性を確保すると同時に粒界酸化を抑制できるので、長寿命が期待できる。

さらに、外周の段付き円筒部に歯車、セレーションまたはローレット等の動力伝達形状を塑性加工にて形成するが、その際にボール戻し溝５１ｂの変形を考慮する必要が無く、加工の自由度が増加する（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１４−６２５７０号公報

然しながら、この従来のボールねじでは、ナット５１に駒部材を装着するための駒窓を形成する必要がなく、直接鍛造加工によりボール戻し溝５１ｂを形成することができる特徴を備えているが、内径が小さいナット５１の場合、金型Ｍでボール戻し溝５１ｂを鍛造加工するには強度に限界があると共に、金型Ｍの交換頻度が増加して塑性加工そのものが成立しない恐れがあった。

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、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、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットの両端面に装着され、内周に前記ナットのねじ溝に連続する螺旋状のねじ溝が形成されたエンドキャップと、を備え、前記ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、対向する前記ねじ軸とナットのねじ溝のねじ面間に複数のボールが転動可能に介装されている。

このように、外周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、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットの両端面に装着され、内周にナットのねじ溝に連続する螺旋状のねじ溝が形成されたエンドキャップと、を備え、ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、対向するねじ軸とナットのねじ溝のねじ面間に複数のボールが転動可能に介装されているので、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、前記ねじ軸とナットの径方向すきまが前記ボールの外径よりも小さく設定されると共に、前記ねじ軸のねじ面と前記ナットのねじ面の軸方向すきまが前記ボールの外径よりも大きく設定されていれば、ボールはねじ軸とナットとの間の環状空間には行かず、ねじ軸のねじ面とナットのねじ面との間に形成される螺旋状空間に転動可能に収容することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記ボールの外径が前記ねじ軸の外径の１％以下に設定されていれば、組立時にボールの脱落を防止することができると共に、ボールねじの小型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、前記ナットのねじ面と前記ねじ軸のねじ面との間のボール生存空間の１００％に対して前記ボールが間引いて収容されていれば、ボール同士の競り合いや衝突等により、ボールのスムーズな転動が阻害されるのを防止することができ、低コストで一般的なボールねじに近い作動効率を実現することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記ねじ軸とエンドキャップのすきまが前記ねじ軸とナットのすきまよりも小さく設定されていれば、無負荷の状態では、エンドキャップの近傍に移動してきたボールの動きが規制され、他のボールと接触してボール生存空間に押し出されると共に、負荷を受けた状態では、ナットの端面まで移動したボールは、これを越えて転動することができなくなってロックし、ボールが脱落するのを防止することができる。

また、請求項６に記載の発明のように、前記ねじ軸のねじ溝径と前記ナットのねじ山径の径方向すきまが、前記ねじ軸のねじ山径と前記ナットのねじ溝径の径方向すきまよりも大きく設定されていれば、ボールはねじ軸のねじ溝とナットのねじ山との間の環状空間には行かず、潤滑グリースが両ねじ面間に流動し易くなり、耐摩耗性を向上させると共に、滑り接触部を伴う台形ねじの課題を解消して作動効率を高めることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、前記ねじ軸のねじ面と前記ナットのねじ面間に潤滑グリースが充填されていれば、耐摩耗性を向上させると共に、組立時にねじ軸のねじ溝の表面に塗布された潤滑グリースにボールを貼り付けることができ、ボールがナットから脱落せずに保持された状態でボールねじを容易に組み立てることができる。

本発明に係るボールねじは、外周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、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットの両端面に装着され、内周に前記ナットのねじ溝に連続する螺旋状のねじ溝が形成されたエンドキャップと、を備え、前記ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、対向する前記ねじ軸とナットのねじ溝のねじ面間に複数のボールが転動可能に介装されているので、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ボールねじを提供することができる。

本発明に係るボールねじの一実施形態を示す一部を断面した斜視図である。 （ａ）は、図１のボールねじを示す縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＩＩｂ部を示す要部拡大図、（ｃ）は、（ａ）のＩＩｃ部を示す要部拡大図である。 従来のボールねじ用ナットの縦断面である。 （ａ）は、中空円筒部材と金型の断面図、（ｂ）は、（ａ）の構成を矢印ＩＶｂ方向に見た図、（ｃ）は、（ｂ）の金型を矢印ＩＶｃ方向に見た図である。

外周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、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットの両端面に装着され、内周に前記ナットのねじ溝に連続する螺旋状のねじ溝が形成されたエンドキャップと、を備え、前記ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、対向する前記ねじ軸とナットのねじ溝のねじ面間に複数のボールが転動可能に介装され、前記ねじ軸とナットの径方向すきまが前記ボールの外径よりも小さく設定されると共に、前記ねじ軸のねじ面と前記ナットのねじ面の軸方向すきまが前記ボールの外径よりも大きく設定されている。

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、本発明に係るボールねじを示す一部を断面した斜視図、図２（ａ）は、図１のボールねじを示す縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＩＩｂ部を示す要部拡大図、（ｃ）は、（ａ）のＩＩｃ部を示す要部拡大図である。

図１に示すボールねじ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の用途に使用され、外周に螺旋状のねじ溝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のねじ面（歯面）間に介装された複数のボール４と、ナット３の両端面に装着されたエンドキャップ５と、を備えている。各ねじ溝２ａ、３ａの断面形状は、ねじ山の先端角度が２９°または３０°の台形形状に形成された、所謂台形ねじを構成している。

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が形成されている。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が形成されている。これらナット３のねじ溝３ａとねじ軸２のねじ溝２ａとは、互いに同じリード角に設定されると共に、リードとピッチが等しい１条ねじで構成されている。なお、これに限らず、２条ねじあるいは３条ねじ等、多条ねじで構成されていても良い。

また、本実施形態では、ねじ軸２は転造加工の後、旋削等の切削加工によって複数のねじ溝２ａの成形加工を完了させ、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、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。

ここで、図２（ａ）に示すように、エンドキャップ５は円板状に形成され、内周にナット３のねじ溝３ａと連続して螺旋状のねじ溝５ａと、ナット３の端面に形成されたインロウ部３ｂに所定のシメシロをもって圧入される小径部５ｂを備えている。このエンドキャップ５はＰＡ（ポリアミド）６６等の熱可塑性合成樹脂から射出成形によって形成され、さらにＧＦ（ガラスファイバー）等の強化材が３０〜５０ｗｔ％添加されている。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、エンドキャップ５は、この材質以外に、ＰＡ６・１２、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の射出成形可能な合成樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の非磁性の特殊エーテル系合成樹脂材、あるいは、エンドキャップ５をＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）等の合成ゴムを例示することができる。また、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。

エンドキャップ５の小径部５ｂをナット３のインロウ部３ｂに圧入することにより、ナット３とエンドキャップ５との同軸度を確保した状態で、エンドキャップ５がナット３の両端部に固定されている。なお、エンドキャップ５を金属製とした場合は、図示しない固定ボルト等により強固に固定することもできる。

（ｂ）に示すように、ねじ軸２のねじ山径とナット３のねじ底径との径方向すきまＳｒ１は、ボール４の外径Ｄよりも小さく（Ｓｒ１＜Ｄ）設定されると共に、ナット３のねじ面６と、このねじ面６に対向するねじ軸２のねじ面７との軸方向すきまＳａ１はボール４の外径Ｄよりも僅かに大きく（Ｓａ１＞Ｄ）設定されている。ここでは、ボール４の外径Ｄがねじ軸２の外径の１％以下の小径ボールが使用されている。これにより、組立時にボール４の脱落を防止することができると共に、ボールねじ１の小型化を図ることができる。
なお、ここでいう径方向すきまＳｒ１とは、ねじ軸２のねじ山径からナット３のねじ底径との差をさらに２分の１したもの（半径）のことをいう。また、同様に軸方向すきまＳａ１とは、ナット３のねじ面６の対向するナット３のねじ面１０、ねじ軸２のねじ面７の背面に位置するねじ軸２のねじ面１１のナット３のねじ面６（Ａ点）から１０（Ａ’点）間の軸方向幅（Ａ−Ａ’）とねじ軸２のねじ面７（Ｂ点）から１１（Ｂ’点）間の軸方向幅（Ｂ−Ｂ’）との差、すなわち、同一円周上に存在するＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の差のことをいう。

これにより、ボール４はねじ軸２の外径とナット３のねじ底との間の環状空間には行かず、ナット３のねじ面６とねじ軸２のねじ面７との間に形成される螺旋状空間に転動可能に収容することができる。なお、ねじ軸２のねじ溝２ａの外径とナット３のねじ山径との径方向すきまＳｒ２は、前述したＳｒ１以上（Ｓｒ２≧Ｓｒ１）、かつ、ボール４の外径Ｄよりも小さく（Ｓｒ２＜Ｄ）に設定されている。これにより、ボール４はねじ軸２のねじ溝２ａとナット３のねじ山との間の環状空間には行かず、後述する潤滑グリースが両ねじ面６、７間に流動し易くなり、耐摩耗性を向上させると共に、滑り接触部を伴う台形ねじの課題を解消して作動効率を高めることができる。

また、（ｃ）に示すように、ねじ軸２のねじ山径とエンドキャップ５のねじ底径との径方向すきまＳｒ３は、前述したＳｒ１よりも小さく（Ｓｒ３＜Ｓｒ１）設定されると共に、エンドキャップ５のねじ面８と、このねじ面８に対向するねじ軸２のねじ面７との軸方向すきまＳａ２は、前述したＳａ１よりも小さく（Ｓａ２＜Ｓａ１）設定されている。

これにより、無負荷の状態では、エンドキャップ５の近傍に移動してきたボール４の動きが規制され、他のボール４と接触して生存空間９、すなわち、ナット３のねじ面６とねじ軸２のねじ面７との間の螺旋状空間に押し出される。一方、負荷を受けた状態では、ナット３の端面まで移動したボール４は、これを越えて転動することができなくなってロックし、ボール４が脱落するのを防止することができる。なお、ねじ軸２のねじ溝２ａの外径とエンドキャップ５のねじ山径との径方向すきまＳｒ４は、Ｓｒ３以上（Ｓｒ４≧Ｓｒ３）、かつ、ボール４の外径Ｄよりも小さく（Ｓｒ４＜Ｄ）に設定されている。これにより、ボール４はねじ軸２のねじ溝２ａとエンドキャップ５のねじ山との間の環状空間には行かず、加工バラツキによる両者の干渉を防止することができる。

本実施形態では、ボール生存空間９の１００％にボール４が収容されるのではなく、ボール４を間引いて、ボール生存空間の５０％にボール４が収容されている。これにより、ボール４同士の競り合いや衝突等により、ボール４のスムーズな転動が阻害されるのを防止することができ、低コストで一般的なボールねじに近い作動効率を実現することができる。

次に、本発明に係るボールねじ１の組立方法について説明する。ナット３にねじ軸２を螺合（挿入）させるまでに、予めねじ軸２のねじ溝２ａの表面に潤滑グリースが塗布される。そして、塗布された潤滑グリースにボール４を貼り付け、ナット３に押し当てるようにしながら螺合される。これにより、ボール４がナット３から脱落せずに保持された状態で容易に組み立てることができる。

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 ボールねじ
２ ねじ軸
２ａ、３ａ、５ａ ねじ溝
３ ナット
３ｂ インロウ部
４ ボール
５ エンドキャップ
５ｂ 小径部
６、１０ ナットのねじ面
７、１１ ねじ軸のねじ面
８ エンドキャップのねじ面
９ 生存空間
５０ 保持器付きボールねじ
５１ ナット
５１ａ ボール循環溝
５１ｂ ボール戻し溝
Ｄ ボールの外径
Ｍ 金型
Ｍａ 凸部
Ｎ 中空円筒部材
Ｐ プレス力
Ｓａ１ ナットのねじ面とねじ軸のねじ面の軸方向すきま
Ｓａ２ エンドキャップのねじ面とねじ軸のねじ面の軸方向すきま
Ｓｒ１ ねじ軸のねじ山径とナットのねじ底径の径方向すきま
Ｓｒ２ ねじ軸のねじ溝の外径とナットのねじ山径の径方向すきま
Ｓｒ３ ねじ軸のねじ山径とエンドキャップのねじ底径の径方向すきま
Ｓｒ４ ねじ軸のねじ溝の外径とエンドキャップのねじ山径の径方向すきま

Claims (7)

1. 外周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、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、
   このナットの両端面に装着され、内周に前記ナットのねじ溝に連続する螺旋状のねじ溝が形成されたエンドキャップと、を備え、
   前記ねじ溝の断面形状が台形形状に形成されると共に、
   対向する前記ねじ軸とナットのねじ溝のねじ面間に複数のボールが転動可能に介装されていることを特徴とするボールねじ。
2. 前記ねじ軸とナットの径方向すきまが前記ボールの外径よりも小さく設定されると共に、前記ねじ軸のねじ面と前記ナットのねじ面の軸方向すきまが前記ボールの外径よりも大きく設定されている請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記ボールの外径が前記ねじ軸の外径の１％以下に設定されている請求項１または２に記載のボールねじ。
4. 前記ナットのねじ面と前記ねじ軸のねじ面との間のボール生存空間の１００％に対して前記ボールが間引いて収容されている請求項１に記載のボールねじ。
5. 前記ねじ軸とエンドキャップのすきまが前記ねじ軸とナットのすきまよりも小さく設定されている請求項１に記載のボールねじ。
6. 前記ねじ軸のねじ溝径と前記ナットのねじ山径の径方向すきまが、前記ねじ軸のねじ山径と前記ナットのねじ溝径の径方向すきまよりも大きく設定されている請求項１に記載のボールねじ。
7. 前記ねじ軸のねじ面と前記ナットのねじ面間に潤滑グリースが充填されている請求項１に記載のボールねじ。

Images