JP2017101776A - ナット、ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナット一体型循環溝方式のボールねじ装置において、作動時の音、振動及び摩耗を低減する。【解決手段】外周面に第１のねじ溝１ａが形成されたねじ軸１に複数のボール３を介して外嵌することでボールねじ装置１００を構成する筒状のナット２であって、第１のねじ溝１ａに対向し、第１のねじ溝１ａと共にボール３の転動路を構成する第２のねじ溝２ａと、第２のねじ溝２ａの両端を連絡する循環用通路を形成し、転動路と共に無限循環路を構成する循環溝２ｂと、を有し、循環溝２ｂの延在方向両端部は、平面視において、第２のねじ溝２ａの両端部に対して傾斜して接続されているものとする。【選択図】 図３

Description

本発明は、回転運動を直線運動に変換する装置として工作機械、射出成形機、半導体製造装置などに用いられるボールねじ装置に関する。

ボールねじ装置は、外周面に第１の転動溝が形成されたねじ軸と、第１の転動溝に対応する第２の転動溝が内周面に形成された筒状のナットと、第１、第２の転動溝の間に収容された複数のボールと、から構成される。ナットとねじ軸とを中心軸線を中心として相対回転させることで、複数のボールが第１、第２の転動溝内を転がり、ねじ軸とナットが軸方向に相対移動する。

複数のボールは、第１、第２の転動溝と循環用通路により構成された無限循環路内を循環する。ボールねじ装置のボールの循環方式としては、コマ方式、デフレクタ方式、エンドキャップ方式、エンドデフレクタ方式、ナット一体型循環方式などがある。ナット一体型循環方式においては、循環用通路として、第２の転動溝の異なる２箇所に接続され第１、第２の転動溝と共に無限循環路を構成する循環溝をナットの内周面に形成する。一般に、循環溝の形成は塑性加工又は切削加工によって行われ、その後、転動溝の形成が切削加工によって行われる。

ナット一体型循環方式とすることで、他の循環方式で用いられる循環コマ等の部品が不要となる。また、それらの部品を取り付けるための孔などをナット本体に加工する工程が不要となる。したがって、ナット一体型循環方式によれば、ボールねじ装置の製造コストを低減することができる。

下記特許文献１においては、ボールねじ装置において、循環溝と転動溝の位置ズレを許容するための提案がなされている。その解決手段は、転動溝に接続される循環溝の端部の幅を広くするというものである。これにより、循環溝と転動溝の位置ズレを所定範囲内で許容することが可能となる。

特許第５５７３２７０号公報

しかしながら、循環溝の端部の幅を広くすると、転動溝と循環溝の間に段差が生じ、ボールねじ装置の作動時にこの段差にボールが衝突することで、音や振動が発生し、ボールやナットが摩耗しやすくなるという問題がある。ボールやナットの摩耗は、ボールねじ装置のトルク変動の原因となり、また、ボールねじ装置の寿命を短くする。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ナット一体型循環溝方式のボールねじ装置において、作動時の音、振動及び摩耗を低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
外周面に第１のねじ溝が形成されたねじ軸に複数のボールを介して外嵌することでボールねじ装置を構成する筒状のナットであって、
前記第１のねじ溝に対向し、前記第１のねじ溝と共に前記ボールの転動路を構成する第２のねじ溝と、
前記第２のねじ溝の両端を連絡する循環用通路を形成し、前記転動路と共に無限循環路を構成する循環溝と、を有し、
前記循環溝の延在方向両端部は、平面視において、前記第２のねじ溝の両端部に対して傾斜して接続されていることを特徴とするナットを提供する。

好ましくは、前記循環溝は平面視において直線状をしている。

また、好ましくは、前記循環溝は前記ボールの進行方向を徐々に変化させる曲線状をしている。

また、好ましくは、前記循環溝の両端部は、それぞれ平面視において単一の曲率半径を有する曲線状をしている。

また、好ましくは、前記循環溝の両端から中央までの間は、それぞれ、平面視においてクロソイド曲線状をしている。

また、好ましくは、前記循環溝の幅は、延在方向の両端から中央に向かうにつれて狭くなっている。

また、好ましくは、前記循環溝と前記転動溝の境界で前記ボール側に突出した角部は、前記ボールの進行方向に沿って切断した断面が９０°以上の角度を有する。

また、上記課題を解決するため、本発明は、上記ナットを備えたことを特徴とするボールねじ装置を提供する。

本発明によれば、ナット一体型循環溝方式のボールねじ装置において、作動時の音、振動及び摩耗を低減することができる。

本願の第１実施形態に係るボールねじ装置を示す平面図である。 本願の第１実施形態に係るボールねじ装置のナットを軸方向に切断した断面を示す断面図である。 本願の第１実施形態に係るボールねじ装置の図２に示すＢ部を拡大した部分拡大図である。 本願の第１実施形態に係るボールねじ装置の部分拡大図である。（ａ）は図３に示すＣ部を、（ｂ）は図３に示すＣ部におけるボールとナットとの接触範囲を示している。 本願の第１実施形態に係るボールねじ装置の変形例の部分拡大図である。（ａ）は図３に示すＣ部に対応する部分を、（ｂ）は図３に示すＣ部に対応する部分におけるボールとナットとの接触範囲を示している。 本願の第２実施形態に係るボールねじ装置の部分拡大図である。（ａ）は転動溝と循環溝の接続部を示し、（ｂ）は循環溝の全体を平面視により示す。 本願の第３実施形態に係るボールねじ装置の部分拡大図である。（ａ）は転動溝と循環溝の接続部を示し、（ｂ）は循環溝の全体を平面視により示す。

(第１実施形態）
以下、本発明に係るボールねじ装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本願の第１実施形態に係るボールねじ装置１００を示す平面図である。図２は本願の第１実施形態に係るボールねじ装置１００のナット２を軸方向に切断した断面を示す断面図である。

本第１実施形態に係るボールねじ装置１００は、ねじ軸１と、ナット２と、複数のボール３と、を備えている。ねじ軸１の外周面には第１のねじ溝１ａ（螺旋溝）が形成されている。ナット２の内周面には第１のねじ溝１ａに対応する第２のねじ溝２ａ（螺旋溝）が形成されている。複数のボール３は、ねじ軸１の第１のねじ溝１ａとナット２の第２のねじ溝２ａで形成される軌道（転動路）内、及び、ナット２に形成された循環溝２ｂとねじ軸１の間に配置されている。

上記のように、本第１実施形態のボールねじ装置１００は、循環溝２ｂがナット２の内周面２ｂに形成されたナット一体型循環方式を採用している。したがって、ボールねじ装置１００は、循環用通路を構成するためのコマやチューブを要せず、コマやチューブを取り付けるために径方向に貫通した孔を形成する必要もない。

図３は本第１実施形態に係るボールねじ装置１００の図２に示すＢ部を拡大した部分拡大図である。破線は従来のボールねじ装置の場合を示している。

循環溝２ｂは、図３に示すように、平面視において、換言すれば、ナット２の中心軸線から転動溝２ｂを見たときに、転動溝２ａの延在方向に対して傾斜して転動溝２ａの端部に接続され、図２に示すように、直線状に延びている。循環溝２ｂは、転動溝２ａを形成する前に、塑性加工又は切削加工によってナット２の内周面に形成することができる。図３においては、循環溝２ｂを形成した後に転動溝２ａが形成された循環溝２ｂの部分を２点鎖線により示している。

従来のボールねじ装置においては、図３において破線で示すように、循環溝４２ｂの幅が転動溝４２ａよりも太く、転動溝４２ａの延在方向と略同じ方向に形成されていた。したがって、転動溝４２ａと循環溝４２ｂとの間には段差が生じ、ボール４３がこの段差に衝突して振動や音が発生する他、ボール４３とナット２が摩耗する原因となっていた。転動溝４２ａと循環溝４２ｂとの間に軸方向の位置ズレが生じた場合、いずれか一方の側の段差が大きくなるため、このことは更に顕著となる。

本第１実施形態の循環溝２ｂは、上記のように、直線状をして転動溝２ａの延在方向に対して傾斜して配置することで、単純な形状でありながら、転動溝２ａと循環溝２ｂの位置ズレを許容しつつ、転動溝２ａと循環溝２ｂとの間に生じる段差を小さくしている。具体的には、図３に示すＤだけ段差が小さくなっている。これにより、転動溝２ａと循環溝２ｂとの境界に生じる段差に起因する振動や音の発生、及び、ボール３とナット２の摩耗を抑えることができる。

図４は本第１実施形態に係るボールねじ装置１００の図３に示すＣ部を拡大した部分拡大図である。（ａ）は図３に示すＣ部、（ｂ）は図３に示すＣ部におけるボール３とナット２との接触範囲を示している。

図４（ａ）に示すように、転動溝２ａと循環溝２ｂとの境界部には、循環するボール３側に向かって突出した角部２ｃが形成されている。角部２ｃの角度Ｄは鈍角となっている。これにより、図４（ｂ）に斜線ハッチングにより示すように、図５に示す本実施形態の変形例よりもナット２とボール３の接触面積が大きくなり、衝突による力が分散するため、ナット２とボール３の摩耗を抑制することができる。

図５は、第１実施形態に係るボールねじ装置１００の変形例の部分拡大図である。（ａ）は図３に示すＣ部に対応する部分を、（ｂ）は図３に示すＣ部におけるボール３とナット２との接触範囲を示している。

本変形例は、上記第１実施形態に対して、転動溝２ａと循環溝２ｂとの境界部に形成された角部２ｃの角度のみを変更した例である。本変形例においては、角部２ｃの角度Ｆを略直角としている。これにより、図５（ｂ）に示すように、ナット２とボール３との接触面積は小さくなるため、上記第１実施形態と比較するとナット２とボール３の間で摩耗が生じやすくなる。しかし、本変形例においても、上記第１実施形態と同様に、転動溝２ａと循環溝２ｂを角度を付けて配置することにより、転動溝２ａと循環溝２ｂとの位置ズレを許容しながら、転動溝２ａと循環溝２ｂの境界部に生じる段差を小さくすることで、従来のボールねじ装置よりもナット２とボール３の摩耗を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本願の第２実施形態について説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態とは転動溝の平面形状が異なり、その他については上記第１実施形態と同様である。したがって、以下の第２実施形態の説明においては、転動溝の形状について説明し、他の説明を省略する。

図６は本願の第２実施形態に係るボールねじ装置の部分拡大図である。（ａ）は転動溝と循環溝の接続部を示し、（ｂ）は循環溝２２ｂの全体を平面視により示す。

本実施形態に係るボールねじ装置の循環溝２２ｂは、図６（ａ）に示すように、平面視において端部が転動溝２２ａの延在方向に対して傾斜して転動溝２２ａに接続されている。また、循環溝２２ｂは、図６（ｂ）に示すように、平面視において、緩やかなＳ字状に、換言すると、極値のない３次曲線状に形成されている。循環溝２２ｂは、循環溝２２ｂの延在方向において略中央に変曲点を配し、転動溝２２ａの延在方向において一方の端部から他方の端部へ向かうボール２３の進行方向を徐々に変化させる曲線状をしている。

上記のように循環溝２２ｂの端部を転動溝２２ａに対して傾斜して配置することで、転動溝２２ａと循環溝２２ｂの位置ズレを許容しながら、転動溝２２ａと循環溝２２ｂの境界に生じる段差を小さくして、音、振動、摩耗の発生を抑制し、トルク変動の低減、ボールねじ装置の寿命向上を図ることができる。

また、循環溝２２ｂが延在方向において曲線状に形成されることで、循環溝２２ｂを短くして転動溝２２ａを長くすることができる。転動溝２２ａは荷重を負担することができるが、循環溝２２ｂは荷重を負担することができない。したがって、転動溝２２ａが長くなることで、ボールねじ装置の負荷容量が向上する。また、循環溝２２ｂが短くなることでナット２の加工性も向上する。

循環溝２２ｂの延在方向両端部は、それぞれ、平面視において単一の曲率半径からなる曲線状とすることもできるが、場所に応じて曲率半径が異なるものとしても良い。また、循環溝２２ｂは延在方向において中央に近いほど曲率半径が小さくなるものとしても良い。これにより、循環溝２２ｂの全長をより短くすることができる。例えば、循環溝２２ｂの延在方向両端から中央までの間をクロソイド曲線状とすることで、転動溝２２ａと循環溝２２ｂの接続部におけるボール２３の衝撃を緩和しながら、循環溝２２ｂの全長を短くすることができる。

（第３実施形態）
次に、本願の第３実施形態について説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態とは転動溝の平面形状が異なり、その他については上記第１実施形態と同様である。したがって、以下の第３実施形態の説明においては、転動溝の形状について説明し、他の説明を省略する。

図７は本願の第３実施形態に係るボールねじ装置の部分拡大図である。（ａ）は転動溝３２ａと循環溝３２ｂの接続部を示し、（ｂ）は循環溝３２ｂの全体を平面視により示す。

本実施形態に係るボールねじ装置の循環溝３２ｂは、図７（ａ）に示すように、平面視において端部が転動溝３２ａの延在方向に対して傾斜して転動溝３２ａに接続されている。循環溝３２ｂは、図７（ｂ）に示すように、緩やかなＳ字形状に延在して形成されている。循環溝３２ｂの幅は延在方向両端から中央に向かうにつれて徐々に狭くなっており、端部の幅Ｄａより中間部側の幅Ｄｂの方が幅が狭い。図７（ｂ）に示すように、循環溝３２ｂの両端に近いほどボール３３と循環溝３２ｂの側壁との間の隙間は大きく、循環溝３２ｂの中央部においてはボール３３と循環溝３２ｂの側壁との間の隙間はごく僅かである。

上記のように循環溝３２ｂの端部を転動溝３２ａに対して傾斜して配置することで、転動溝３２ａと循環溝３２ｂの位置ズレを許容しながら、転動溝３２ａと循環溝３２ｂの境界に生じる段差を小さくして、音、振動、摩耗の発生を抑制し、トルク変動の低減、ボールねじ装置の寿命向上を図ることができる。

また、循環溝３２ｂが曲線状に形成されることで、循環溝３２ｂを短くすることができ、ボールねじ装置の負荷容量を向上させることができる。また、循環溝３２ｂが短くなることでナット２の加工性も向上する。

加えて、循環溝３２ｂの幅を循環溝３２ｂの延在方向において端部よりも中央部の方が狭いものとすることで、転動溝３２ａと循環溝３２ｂの位置ズレを許容できる範囲を広げながらも、循環溝３２ｂ中央部の内側でボール３３が蛇行するのを防ぎ、更に、音、振動、及び、摩耗の発生を抑制することができる。

循環溝３２ｂの両端部の両側面（図７（ａ）において実線により示す面）は、それぞれ、平面視において単一の曲率半径からなる曲線状とすることもできるが、延在方向における位置に応じて曲率半径が異なるものとしても良い。また、循環溝３２ｂの延在方向において中央に近付くほど曲率半径が小さくなるものとしても良い。これにより、循環溝３２ｂの全長をより短くすることができる。さらに、例えば、循環溝３２ｂの両端部をクロソイド曲線状とすることで、転動溝３２ａと循環溝３２ｂの接続部におけるボール３３の衝撃を緩和することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ナット一体型循環方式のボールねじ装置において、作動時の音、振動及び摩耗を低減するボールねじ装置を提供することができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限られず、種々の変更・改良が可能である。例えば、無限循環路の数は２つに限られず、１つ又は３つ以上としても良い。

また、循環溝の幅や転動溝に対する循環溝端部の延在方向に対する傾斜角度は、循環溝と転動溝の位置精度に合わせて設定することができる。

１００ ボールねじ装置
１ ねじ軸
１ａ 第１のねじ溝
２ ナット
２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ 第２のねじ溝（転動溝）
２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ 循環溝
２ｃ 角部
３、２３、３３、４３ ボール

Claims (8)

1. 外周面に第１のねじ溝が形成されたねじ軸に複数のボールを介して外嵌することでボールねじ装置を構成する筒状のナットであって、
   前記第１のねじ溝に対向し、前記第１のねじ溝と共に前記ボールの転動路を構成する第２のねじ溝と、
   前記第２のねじ溝の両端を連絡する循環用通路を形成し、前記転動路と共に無限循環路を構成する循環溝と、を有し、
   前記循環溝の延在方向両端部は、平面視において、前記第２のねじ溝の両端部に対して傾斜して接続されていることを特徴とするナット。
2. 前記循環溝は平面視において直線状をしていることを特徴とする請求項１に記載のナット。
3. 前記循環溝は前記ボールの進行方向を徐々に変化させる曲線状をしていることを特徴とする請求項１に記載のナット。
4. 前記循環溝の両端部は、それぞれ平面視において単一の曲率半径を有する曲線状をしていることを特徴とする請求項３に記載のナット。
5. 前記循環溝の両端から中央までの間は、それぞれ、平面視においてクロソイド曲線状をしていることを特徴とする請求項３に記載のナット。
6. 前記循環溝の幅は、延在方向の両端から中央に向かうにつれて狭くなっていることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載のナット。
7. 前記循環溝と前記転動溝の境界で前記ボール側に突出した角部は、前記ボールの進行方向に沿って切断した断面が９０°以上の角度を有することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のナット。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載のナットを備えたことを特徴とするボールねじ装置。

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