JP2023116041A - ボールねじ用ナットおよびボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様なサイズのボールねじ用ナットを低コストに提供可能にする。【解決手段】ボールねじ用ナット２は、内周面に、複数の螺旋溝２１と、各螺旋溝２１の始端と終端を接続する複数の循環溝２２とを有する。螺旋溝２１および循環溝２２をボール４が転動する。循環溝２２は、電解加工で形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ用ナットおよびボールねじ装置に関する。

ボールねじ装置では、ナットの内周に形成されたねじ溝とねじ軸の外周に形成されたねじ溝とで構成されるボール転動路に多数のボールが転動自在に配される。ボール転動路の終点まで達したボールがボール循環路を介してボール転動路の始点に戻される。

ボール転動路の終点から始点にボールを戻すボール循環路は、ナット本体とは別の部材（例えば駒部材）に形成するのが一般的である。この場合、駒部材をナットに固定することで、ボール転動路およびボール循環路を有するナットが完成する。その一方で、近年では、ボール循環路として機能する循環溝をナットの内周面に直接形成することで、ナットと別の部材に循環溝を形成する場合に比べてコストの低減を図ったボールねじ装置も提案されている(例えば下記特許文献１）。

特許第６０１５４４４号公報

特許文献１のボールねじ用ナットでは、内周面のボール循環溝が塑性加工で形成されている。しかしながら、塑性加工では、材料の塑性流動を利用する関係上、形成可能な循環溝の溝深さに限界がある。そのため、特にナットのサイズが大型化した場合にボール循環溝を形成することが困難となる場合がある。その一方で、ナットのサイズが小型化した場合、ナットの内周に配置する金型強度が不足するため、ボール循環溝を形成することが困難となる。従って、塑性加工では、多種多様のナットサイズに対してボール循環溝を形成することが難しいという問題がある。

また、塑性加工である以上、複雑な構造の金型が必要不可欠となる。そのため、ナットの製造コストが高騰する。特にナットの内周面に複数のボール循環溝を形成する場合、ナットの内周に配置する金型構造が著しく複雑化するため、製造コストのさらなる高騰を招く。

さらには、塑性加工後は循環溝の形状（特に循環溝とナット内周面の境界部の形状）にダレが生じるため、ボールねじを作動させた時のスムーズなボール循環を阻害するおそれがある。また、循環溝の形状にダレが生じた状態では、その後、螺旋状のボール転動溝を加工する際に、ボール循環溝を加工基準として用いることができない。この場合、ナットに別途、転動溝形成用の加工基準を設ける必要があり、ナットの製造工程が煩雑化することになる。

加えて、塑性加工では以下の点も問題となる。
・塑性加工の場合、加工時に異物（ごみ）が噛み込むおそれがある。異物を噛み込んで被加工面が傷ついた場合でも、円筒状素材の内径部を加工する関係上、検査が難しく、傷の発生を検出することが困難となる。循環溝は荷重を受けないが、傷の発生は、ボール通過時の異音発生の要因となり、あるいはボールのスムーズな循環を阻害するおそれがある。
・塑性加工で循環溝を加工する場合、素材に部分的に荷重が負荷されるため、ナットの形状（特に円筒度）が崩れる可能性がある。例えば、ナットが楕円状に変形する場合があり、この場合、ボールの循環性が阻害され、ボールねじ装置の作動安定性が低下する。

ナット内周面のボール循環溝は切削で形成することもできるが、工具の干渉の問題から複数のボール循環溝を同時に切削することができない。そのため、ボール循環溝を一つずつ加工せざるを得ず、加工時間が長期化する。また、ナットが小径化した場合は、ナットの内周に切削工具を配置することができず、ボール循環溝の切削加工が不可能となることも想定される。

そこで、本発明は、多種多様なサイズを有するボールねじ用ナットを低コストに提供可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、内周面に、螺旋溝と、前記螺旋溝の始端と終端を接続する循環溝とが設けられ、前記螺旋溝および循環溝をボールが転動するボールねじ用ナットにおいて、前記循環溝が、電解加工で形成された面を有することを特徴とする。

このようにナットの内周面の循環溝が電解加工で形成された面を有する場合、電解加工に際して、材料の塑性流動は生じないため、循環溝を鍛造で成形する場合に比べて、循環溝の深さを深くすることができる。そのため、ナットの大型化（例えば大径化）にも対応可能となる。また、電解加工であれば、ナットの素材の内周に循環溝の大きさに対応した電極を配置すれば足りるため、小型化（例えば小径化）したナットに対しても循環溝が形成可能となる。従って、多種多様のサイズのナットに対しても同じ手法で循環溝を形成することができ、ボールねじ装置のサイズの多様化にも対応可能となる。

また、複雑な構造の金型を必要としないため、塑性加工に比べて、製造コストを低廉化することができる。さらに電解加工であれば、塑性加工に伴う上述の問題（異物の噛み込みによる傷の発生、ナットの変形）を生じることがなく、ボールねじ装置の作動安定性を高めることもできる。

また、電解加工で循環溝を形成することで、循環溝とナットの内周面との境界部でダレが生じ難くなる。そのため、循環溝の断面形状をシャープな形状にでき、これによりボールねじ装置の作動時にスムーズなボール循環を実現することが可能となる。

前記螺旋溝および循環溝は、それぞれナットの内周面の複数箇所に形成することができる。

この場合、複数の電極をナット素材の内周に配置することが容易であるため、複数の循環溝を同時に電解加工することができる。従って、複数の循環溝を有するナットであっても低コストに製造することが可能となる。

前記循環溝は、異なる位相で円周方向の複数箇所に配置することができる。塑性加工では金型の構造が複雑化するため、複数の循環溝を異なる位相に配置することは困難となるが、電解加工であればそのような配置も容易に実現することができる。

前記螺旋溝は、前記循環溝を加工基準として形成することができる。

既に述べたように、電解加工後の循環溝では、ナットの内周面との境界部でダレが小さくなるため、循環溝の表面を加工基準として用いても、精度よく螺旋溝を形成することができる。従って、螺旋溝と循環溝の間の位置ずれを低減し、両者間に生じる各方向（軸方向、半径方向、および円周方向）の段差を小さくして、両者を滑らかに連続させることができる。この場合、螺旋溝の加工専用の加工基準をナットに別途設ける必要がなくなるため、ナットの製造工程を簡略化し、製造コストの低廉化を図ることができる。

以上に述べたボールねじ用ナットと、前記ボールねじ用ナットの内周に挿入され、外周にボールが転動する螺旋状の転動溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ用ナットの前記螺旋溝および循環溝と前記ねじ軸との間に配置された複数のボールと、を有するボールねじ装置は、サイズを問わず低コストに製造することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、多種多様なサイズを有するボールねじ用ナットを低コストに提供することが可能となる。

ボールねじ装置の軸方向断面図である。 図２（ａ）はナットの斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中の矢印Ｂ方向から見た正面図である。 図２（ｂ）のＹ－Ｙ線で矢視した断面図である。 図２（ｂ）のＺ－Ｚ線で矢視した断面図である。 図５（ａ）は電解加工の開始直後を示す断面図であり、図５（ｂ）は電解加工の中間段階を示す断面図であり、図５（ｃ）は電解加工の最終段階を示す断面図である。 ボールねじ用ナットの他の実施形態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１にボールねじ装置１の構成を示す。図１に示すように、ボールねじ装置１は、ナット２と、ねじ軸３と、多数のボール４とを主に備える。

ナット２の内周面には、ボール４が転動する概ね螺旋状の転動溝２０が形成され、ねじ軸３の外周面には、ボール４が転動する螺旋状の転動溝３０が形成される。ナット２の内周面の転動溝２０は、螺旋状をなす螺旋溝２１と、各螺旋溝２１の始端と終端を接続する循環溝２２とで構成される。循環溝２２の溝深さは螺旋溝２１の溝深さよりも深い。循環溝２２は、ねじ軸３のねじ山３１を挟んで当該ねじ山３１の軸方向両側に位置する転動溝２１の両端同士を接続している。ナット２の螺旋溝２１とねじ軸３の転動溝３０とで螺旋状のボール転動路６が形成され、ナット２の循環溝２２とねじ軸３の外周面（転動溝３０およびねじ山３１）とでボール循環路７が形成される。ボール転動路６およびボール循環路７で形成されるボール通路８には、複数のボール４が転動可能に収容されている。

ナット２の螺旋溝２１および循環溝２２、並びにねじ軸３の転動溝３０の各断面形状として、図１では断面円弧状に形成した場合を例示しているが、これらの断面形状は他の形状、例えばゴシックアーチ形状としてもよい。

ナット２とねじ軸３を相対回転させることで、ボール通路８内でのボール４の転動を通じてナット２とねじ軸３を軸方向に相対移動させることが可能となる（逆にナット２とねじ軸３を軸方向に相対移動させることで、ナット２とねじ軸３を相対回転させることもできる）。ボール転動路６を転動してその終端に達したボール４は、掬い上げられる形でボール循環路７に移行し、ねじ軸３のねじ山３１を乗り越える。その後、ボール４は、ボール循環路７からボール転動路６の始端に戻される。これにより、ナット２とねじ軸３の相対回転中はボール通路８をボール４が無限に循環する。

図２（ａ）に本実施形態に係るナット２の斜視図を示し、図２（ｂ）に図（ａ）の矢印Ｂ方向から見た正面図を示す。図３は図２（ｂ）のＹ－Ｙ線で矢視したナット２の断面図であり、図４は図２（ｂ）のＺ－Ｚ線で矢視したナット２の断面図である。

ナット２は導電性の金属材料、例えば鋼材料で筒状に形成される。ナット２の内周面は円筒面状に形成されるが、外周面の形態は任意であり、円筒面以外にも例えば角筒面で形成することもできる。

図２（ａ）（ｂ）、図３、および図４に示すように、本実施形態に係るナット２の内周面には、複数の螺旋溝２１と、各螺旋溝２１の始端と終端を接続する複数の循環溝２２とが形成されている。螺旋溝２１は、ナット２の内周面の全周長さよりも僅かに短い有端でかつ螺旋状の溝である。本実施形態のナット２では、螺旋溝２１および循環溝２２が４つずつ設けられ、かつ軸方向から見て、直径方向で対向する領域に２つずつ循環溝２２が配置されている。この領域では、螺旋溝２１と循環溝２２が軸方向で交互に配置されている。このようにナット２の内周面には、互いに独立した４つの転動溝２０が形成されている。図３および図４では、４つの転動溝２０を区別するため、軸方向一方側から他方側にかけて、各転動溝２０に符号（ａ）～（ｄ）を付している。

なお、図３および図４では、直径方向で対向する二つの領域にそれぞれ循環溝２２を二つずつ配置した場合を例示しているが、図１に示すように、４つの循環溝２２の全てを、円周方向の位相が異なるように配置してもよい（例えば９０°ずつ位相をずらして４つの循環溝２２を配置してもよい）。つまり、本実施形態では、少なくとも二つの循環溝２２が、異なる位相で円周方向の複数箇所に配置されている。

本実施形態において、ナット２の内周面の各循環溝２２（ａ）～（ｄ）は電解加工で形成される。ここで電解加工は、電気分解を利用した機械加工法であり、アルカリ性電解液中に、僅かな隙間をあけて加工金属（陽極）と電極（陰極）を配置し、陽極と陰極の間に直流電流を流すことにより、加工金属を溶かして陰極と同じ形に成形する加工法である。

図５（ａ）～（ｃ）に、ナット２の素材であるナット素材２’に電解加工を施す際の加工工程を、ナット素材２’の半径方向断面図で示す。ナット素材２’は、例えば棒状の金属素材に鍛造を施して円筒状に成形することで得られる。次いで、図５（ａ）に示すように、ナット素材２’の内周に、ナット素材２’の内周面との間に僅かな隙間を空けて電極９（陰極）を配置する。また、ナット素材２’の内周に絶縁体１０を配置し、ナット素材２’の内周面のうち、電極９と対向する領域以外の領域を絶縁体１０で覆う。この状態で、ナット素材２’と電極９（陰極）間に電解液を絶えず流入させながら、ナット素材２’と電極９の間に直流電流を流すと、図５（ｂ）に示すようにナット素材２’の内周面の電極９と対向する領域が徐々に溶かされ、内周面に凹部が形成される。通電を継続することで溶ける容積が増え、最終的に図５（ｃ）に示すように、ナット素材２’の内周面に、電極９の表面の輪郭に対応した形状の凹部（循環溝２２）が形成される。この電解加工は、定電圧制御および定電流制御のどちらで行ってもよい。電解加工時の加工量は、電流値と通電時間を制御することで調整することができる。

電解加工によって形成された循環溝２２の表面は、金属材料の溶融によって形成された面となる。鍛造等の塑性加工で成形された循環溝であれば、顕微鏡写真で観察したファイバーフローが循環溝の表面に沿って連続した形態となるが、本実施形態のように、電解加工によって形成された循環溝２２では、ファイバーフローが表面で切断された形となる。また、電解加工後の循環溝２２は、表面粗さで見ると、切削で形成された循環溝の表面粗さよりも粗くなる。電解加工された循環溝２２の表面は、金属色ではなく黒色となる。このように、電解加工された循環溝２２は、鍛造もしくは切削で形成された循環溝に対して差異を有する。

以上に述べた電解加工による循環溝２２の形成は、ナット素材２’の内周に電極９を配置することで行うことができる。また、電極９は循環溝２２の大きさに対応した小サイズであるため、ナット素材２’の内周に複数の電極９を配置することも容易である。従って、複数の循環溝２２、例えば４つの循環溝２２（ａ）～（ｄ）を同時に電解加工することが可能となる。

この電解加工による各循環溝２２（ａ）～（ｄ）の形成後、ナット素材２’の内周面に、各循環溝２２（ａ）～（ｄ）の両端とつながるように螺旋溝２１（ａ）～（ｄ）が形成される。各螺旋溝２１（ａ）～（ｄ）は、例えば切削加工で形成することができる。全ての螺旋溝２１（ａ）～（ｄ）および循環溝２２（ａ）～（ｄ）の形成後、ナット素材２’に熱処理を施し、必要に応じて内周面にショットブラスト等の処理を施すことにより、ナット２が完成する。ナット素材２’の熱処理に際しては、ナット素材２’の少なくとも螺旋溝２１および循環溝２２の表面に硬化層が形成されるような処理（例えば浸炭焼入れ等）を行うのが好ましい。

このようにナット２の内周面の循環溝２２を電解加工で形成した場合、材料の塑性流動は生じないため、循環溝を鍛造等の塑性加工で成形する場合に比べて、循環溝２２の深さを深くすることができる。深さの調整は上述のとおり電流値や通電時間を制御することで行うことができる。そのため、ナット２の大型化（例えば大径化）にも対応可能となる。また、循環溝を鍛造で成形する場合、ナット２を小型化（例えば小径化）しようとすると、ナット素材の内周に配置する金型強度を確保できないため、ナット２の小型化には限界が生じる。これに対し、電解加工であれば、ナット素材２’の内周に循環溝２２の大きさに対応した電極９を配置すれば足りるため、小型のナット２に対しても循環溝２２が形成可能となる。従って、多種多様のサイズのナット２も特段のコストアップを招くことなく同じ手法で循環溝２２を形成することができ、ボールねじ装置１のサイズの多様化にも対応可能となる。

また、複雑な構造の金型も不要であるから、塑性加工に比べてナット２の製造コストを低廉化することができる。さらに電解加工であれば、塑性加工時に問題となる異物の噛み込みによる傷の発生、あるいはナットの変形等を回避することができる。そのため、ボールねじ装置１の作動安定性を高めることもできる。

さらに、複数の電極をナット素材２’の内周に配置することが容易であるため、複数の循環溝２２を同時に電解加工することができる。従って、ナット２の製造コストをより一層低廉化することができる。

また、電解加工で循環溝２２を形成することで、循環溝２２とナット２の内周面との境界部でダレが生じ難くなる。そのため、循環溝２２の断面形状をシャープな形状にでき、これによりボールねじ装置１の作動時にスムーズなボール循環を実現することが可能となる。また、後述のように循環溝２２を、螺旋溝２１を加工する際の加工基準として用いることも可能となる。

本実施形態では、少なくとも二つの循環溝２２が、異なる位相で円周方向の複数箇所に配置されている。塑性加工では金型の構造が複雑化するため、複数の循環溝を異なる円周方向位相に配置することは困難となる。これに対し、電解加工であれば電極の配置パターンを変更することで、そのような配置も容易に実現することができる。また、その際の同時加工も容易となる利点が得られる。

循環溝２２を切削加工で形成することも可能であるが、ナット２の内周に複数の切削工具を配置することが難しいため、複数の循環溝２２を同時に切削加工はすることは困難となる。そのため、本実施形態に比べて、製造コストが嵩む要因となる。また、ナット２が小型化された場合は、切削工具をナット２の内周に配置できないため、そもそも切削加工自体が不可能となるおそれがある。

電解加工による循環溝２２の形成後、螺旋溝２１を加工する際には、事前に形成した循環溝２２の表面を加工基準、具体的には、軸方向、周方向、および円周方向の加工基準として用いることができる。既に述べたように、電解加工後の循環溝２２では、ナット２の内周面との境界部でダレが小さくなるため、循環溝２２の表面を各種加工基準として用いても、精度よく螺旋溝２１を形成することができる。従って、螺旋溝２１と循環溝２２の間の位置ずれを低減し、両者間に生じる各方向（軸方向、半径方向、および円周方向）の段差を小さくして、両者を滑らかに連続させることができる。この場合、螺旋溝２１の加工専用の加工基準をナットに別途設ける必要がなくなるため、ナット２の製造工程を簡略化し、製造コストの低廉化を図ることができる。

以上に説明した実施形態では、螺旋溝２１を加工する際の加工基準として循環溝２２を用いているが、循環溝２２および螺旋溝２１の加工前のナット素材２’に加工基準を形成し、この加工基準を用いて循環溝２２と螺旋溝２１の双方を加工してもよい。

例えば、図６に示すように、ナット素材２’の一方の端面２３および外周面２４を研削加工等により仕上げ、各面の直角度、同軸度、平面度等の表面精度を高精度化する。また、ナット素材２’の当該端面の円周方向一部領域に凹部２５を形成する。この凹部２５は、ナット素材２’の端面２３および外周面２４を加工基準とした切削加工あるいは研削加工の何れか一方または双方を用いて形成することができる。これにより凹部２５の位置も高精度化される。

次いで、例えばナット素材２’の端面２３を軸方向の加工基準とし、外周面２４を径方向の加工基準とし、凹部２５を円周方向の加工基準として、これらの加工基準を位置の基準としてナット素材２’の内周に電極９を配置し、電解加工を行う。その後、これらの加工基準を用いて螺旋溝２１を例えば切削加工で形成する。これにより、螺旋溝２１と循環溝２２の双方が共通の加工基準に基づいて加工されるため、両者の位置精度を高めることができる。

以上に述べたボールねじ装置１の用途は特に限定されず、例えば、自動車、二輪車、船舶、航空機、産業機器等に装備される電動アクチュエータとして用いることができる。電動アクチュエータとしては、例えばナット２をモータで正逆方向に駆動することで、ねじ軸３を直線方向に往復運動させるものが考えられる。もちろん電動アクチュエータ以外の他の機構の一部として本実施形態のボールねじ装置１を使用することもできる。

１ ボールねじ装置
２ ナット
３ ねじ軸
４ ボール
６ ボール転動路
７ ボール循環路
８ ボール通路
９ 電極
１０ 絶縁体
２０ ナットの転動溝
２１ 螺旋溝
２２ 循環溝
３０ ねじ軸の転動溝

Claims (5)

1. 内周面に、螺旋溝と、前記螺旋溝の始端と終端を接続する循環溝とが設けられ、前記螺旋溝および循環溝をボールが転動するボールねじ用ナットにおいて、
   前記循環溝が、電解加工で形成された面を有することを特徴とするボールねじ用ナット。
2. 前記螺旋溝および循環溝が、それぞれ複数箇所に形成された請求項１に記載のボールねじ用ナット。
3. 前記循環溝が、異なる位相で円周方向の複数箇所に配置されている請求項１または２に記載のボールねじ用ナット。
   循環溝
4. 前記螺旋溝が、前記循環溝を加工基準として形成されている請求項１～３何れか１項に記載のボールねじ用ナット。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載されたボールねじ用ナットと、前記ボールねじ用ナットの内周に挿入され、外周にボールが転動する螺旋状の転動溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ用ナットの前記螺旋溝および循環溝と前記ねじ軸との間に配置された複数のボールと、を有するボールねじ装置。

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