JP2023167944A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えつつ、作動性、耐久性及び静音性が向上されたボールねじ装置を提供する。【解決手段】外周面に螺旋状のねじ溝１１を有するねじ軸１０と、内周面に螺旋状のねじ溝２１を有し、ねじ軸１０に外嵌されるナット２０と、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１及びナット２０の第２ねじ溝２１によって形成される転動路３２に収容される複数のボール３０と、ナット２０に設けられ、転動路３２を繋いでボール３０が循環可能な循環路を形成する循環こま４０と、を備え、循環こま４０は、ナット２０の第２ねじ溝２１との間でボール３０を受け渡すガイド壁部４４を有し、ガイド壁部４４の端部におけるボール３０の接触点Ｐｃが、ねじ軸１０の中心Ｏに直交する直線Ｌ１と、ナット２０の第２ねじ溝２１におけるボール３０が接触する接触線Ｌ２とが交差する位置に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ボールねじ装置に関する。

ボールねじ装置は、ねじ軸とナットにそれぞれ設けられたねじ溝にボールを入れ、ねじ軸またはナットが回転したときにボールが自転及び公転することで回転運動を高効率に直線運動に変換する装置である。このボールねじ装置は、ねじ軸またはナットが回転運動を直線運動に変換し続けるために、ボールを転動路内で無限循環させる循環路を備えている。

特許文献１～３には、循環こまを備え、転動路内のボールを循環こまによってねじ溝の接線方向に掬い上げてナットの戻し通路へ通し、循環こまによって再び転動路内に戻して循環させる接線掬い上げ方式のボールねじ装置が開示されている。

特開２００４－３６６４４号公報 特開２００８－１０１７４８号公報 特開２００４－２７０７９１号公報

上記特許文献１～３のように、循環こまによって転動路内のボールを掬い上げて戻し通路へ送り込む接線掬い上げ方式では、ボールを掬い上げる箇所における段差部分によって、ボールの振動による作動性の悪化、ボール走行面の摩耗、騒音の発生を招くおそれがある。

また、特許文献３では、ボールの径に近似した径のボールエンドミルによってナットにおけるボール走行面等を曲面に加工しなければならず、加工に長時間を要し、加工コストが嵩んでしまう。

そこで本発明は、コストを抑えつつ、作動性、耐久性及び静音性が向上されたボールねじ装置を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、
内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されるナットと、
前記ねじ軸及び前記ナットの前記ねじ溝によって形成される転動路に収容される複数のボールと、
前記ナットに設けられ、前記転動路を繋いで前記ボールが循環可能な循環路を形成する循環部材と、
を備え、
前記循環部材は、前記ナットの前記ねじ溝との間で前記ボールを受け渡すガイド壁部を有し、
前記ガイド壁部の端部における前記ボールの接触点が、前記ねじ軸の中心に直交する直線と、前記ナットの前記ねじ溝における前記ボールが接触する接触線とが交差する位置に配置されている、
ボールねじ装置。

本発明のボールねじ装置によれば、コストを抑えつつ、作動性、耐久性及び静音性を向上できる。

本実施形態に係るボールねじ装置の概略側面図である。 図１におけるＡ矢視図である。 循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例１に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例２に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例３に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例４に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例５に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。 変形例６に係る循環こまの接続部を説明するための概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るボールねじ装置１００の概略側面図である。図２は、図１におけるＡ矢視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るボールねじ装置１００は、ねじ軸１０と、ナット２０と、複数（図１及び図２では１つのみ表示）のボール３０と、複数の循環こま（循環部材）４０と、を備える。ボールねじ装置１００は、例えば、高精度な加工や測定を行う装置の位置決め装置、半導体の製造等に使用される装置（ＸＹステージ、露光装置のテーブル、検査装置のテーブルなど）、工作機械（マシニングセンター、旋盤、研削機など）、測定機械（３次元測定器など）に用いられる。

ねじ軸１０は、断面円形状に形成され、その外周面に螺旋状の第１ねじ溝（ねじ溝）１１を有している。ナット２０は、略円筒状をなし、その内径はねじ軸１０の外径よりも大きく形成されており、ねじ軸１０に所定の隙間をもって外嵌している。ナット２０の内周面は、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１と等しいリードを有し、第１ねじ溝１１と対向する第２ねじ溝（ねじ溝）２１を有している。

そして、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１とナット２０の第２ねじ溝２１とによって断面略円形状の転動路３２が形成され、この転動路３２内には、複数のボール３０が転動可能に充填配置される。なお、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１及びナット２０の第２ねじ溝２１は、例えば、ゴシックアーチ溝や単一円弧の溝とされている。

ナット２０は、軸方向に沿うボール戻し通路２６を有している。また、ナット２０には、その両端近傍に装着穴２７を有している。ボール戻し通路２６は、装着穴２７におけるナット２０の端部側と反対側の内側面で開口されている。

ナット２０には、装着穴２７に循環こま４０が嵌合されて装着されている。この循環こま４０は、転動路３２を移動するボール３０を掬い上げてボール戻し通路２６へ送り込むとともに、ボール戻し通路２６に送り込まれたボール３０を転動路３２へ戻す。

このように、ボールねじ装置１００には、ボール戻し通路２６と循環こま４０とから無限循環路（以下、単に循環路という）が設けられている。これにより、ナット２０に対するねじ軸１０の相対的な回転に伴って、複数のボール３０が循環路内を無限循環することにより、ねじ軸１０とナット２０が軸方向に相対的に直線運動することが可能となる。

ナット２０の装着穴２７は、ナット２０に対して径方向から形成されており、この装着穴２７に循環こま４０が径方向から嵌め込まれて装着される。循環こま４０は、合成樹脂から成形されている。なお、循環こま４０は、装着穴２７への嵌合方向に分割されていてもよい。また、循環こま４０としては、耐熱性及び耐久性に優れた焼結金属の成形体、金属プレス品、鍛造品であってもよい。

循環こま４０は、湾曲した通路からなる転向路４１を有している。この転向路４１は、転動路３２とボール戻し通路２６とを連通する通路である。転向路４１における転動路３２側は、装着穴２７におけるナット２０の軸方向側の壁面とともに接続部４２を構成する。この転向路４１の接続部４２は、側面視において、転動路３２に向けて直線的に延在されて接続されている。これにより、転向路４１の接続部４２と転動路３２との間においてボール３０が直線的に移動される。

図３は、循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図３に示すように、循環こま４０は、接続部４２において、ねじ軸１０側がタング部４３とされ、ナット２０側がガイド壁部４４とされている。転動路３２を自転しながらピッチ円Ｌに沿って公転するボール３０は、循環こま４０の接続部４２でタング部４３によって掬い上げられるとともにガイド壁部４４によって転向路４１へガイドされ、転向路４１を通してボール戻し通路２６へ送り込まれる。そして、このボール戻し通路２６へ送り込まれたボール３０は、反対側の循環こま４０の転向路４１に送り込まれ、接続部４２から転動路３２へ戻される。

循環こま４０の接続部４２を構成するガイド壁部４４は、タング部４３との対向側の面がガイド溝４５とされており、転動路３２のボール３０は、ガイド溝４５に接触してガイドされながら転向路４１へ送り込まれる。このガイド溝４５は、例えば、ゴシックアーチ溝や単一円弧の溝とされている。

また、ガイド壁部４４の端部４６は、縁部が円弧状に形成されており、この端部４６において、転動路３２から掬い上げられるボール３０は、ガイド壁部４４の幅方向の中心線ＣＬを挟んだ両側で接触する。これにより、ガイド壁部４４の端部４６において、ボール３０との接触点Ｐｃは、ガイド壁部４４の先端Ｐｔよりもナット２０の第２ねじ溝２１から離間する方向に配置されている。

そして、本実施形態では、循環こま４０は、ガイド壁部４４の端部４６におけるボール３０の接触点Ｐｃが、ねじ軸１０の中心Ｏに直交する直線Ｌ１と、ナット２０の第２ねじ溝２１にボール３０が接触する接触線Ｌ２と、が交差する位置に配置されている。また、ガイド壁部４４の端部４６の縁部が円弧状に形成されているので、ボール３０との接触点Ｐｃにおいて、ガイド壁部４４の端部４６の縁部がボール３０の移動方向に対して斜めに交差する。

このような循環こま４０を備えた本実施形態に係るボールねじ装置１００によれば、接続部４２において、転動路３２からボール３０が掬い上げられて転向路４１へ移る移行部分及び転向路４１から転動路３２へボール３０が戻される移行部分における段差が最小とされる。これにより、転動路３２に対してボール３０が受け渡される接続部４２における円滑なボール３０の移動が可能となり、作動性、耐久性及び静音性に優れたボールねじ装置とすることができる。

また、ボールの径に近似した径を有するボールエンドミル等の特殊な工具によってボールの受け渡し部分の一部を曲面形状に加工する構造（例えば、特開２００４－２７０７９１号公報参照）と比較し、加工時間を抑えて低コスト化できる。

しかも、接触点Ｐｃが配置されるガイド壁部４４の端部４６の縁部は、ボール３０の移動方向に対して斜めに交差している。したがって、ボール３０の移動方向と直交する平面形状の縁部で接触するものと比べ、接続部４２における転動路３２から転向路４１へ移る移行部分及び転向路４１から転動路３２へ移る移行部分において、より円滑にボール３０を移動させることができる。

また、ナットの端面に装着穴を形成して循環こまを嵌め込む構造と比べ、ナット２０の第２ねじ溝２１のリード角に沿って穴加工を行うことができる。これにより、隣接する第２ねじ溝２１との干渉を抑えることができ、大きなリード角のボールねじ装置にも対応できる。

なお、循環こま４０の接続部４２は、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１及びナット２０の第２ねじ溝２１のリード角の大きさ、ボール３０の径、ボール３０の径とリード角との組み合わせ等によって設計が制限される。そして、この接続部４２の設計の制限に応じてガイド壁部４４の端部４６も各種の形状に変更される。

以下、接続部４２のガイド壁部４４の各種変形例について説明する。
（変形例１）
図４は、変形例１に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図４に示すように、変形例１では、ガイド壁部４４の端部４６は、先端Ｐｔが平面４６ａとされている。また、ガイド壁部４４の端部４６は、先端Ｐｔの平面４６ａとガイド壁部４４の両側面４４ａとの間が円弧状に面取りされた円弧部４６ｂとされている。そして、変形例１では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する円弧部４６ｂに配置されている。

（変形例２）
図５は、変形例２に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図５に示すように、変形例２の場合も、変形例１と同様に、ガイド壁部４４の端部４６は、先端Ｐｔが平面４６ａとされている。また、先端Ｐｔの平面４６ａとガイド壁部４４の両側面４４ａとの間は、直線状に面取りされた直線部４６ｃを有している。これにより、ガイド壁部４４の端部４６が台形状に形成されている。ガイド壁部４４の端部４６における平面４６ａと各直線部４６ｃとは、同一角度θ１とされている。なお、平面４６ａと直線部４６ｃとの間の角部及び直線部４６ｃとガイド壁部４４の側面４４ａとの間の角部は、円弧状に面取りされている。そして、変形例２では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する直線部４６ｃに配置されている。

（変形例３）
図６は、変形例３に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図６に示すように、変形例３においても、変形例２と同様に、ガイド壁部４４の端部４６は、先端Ｐｔが平面４６ａとされ、直線状に面取りされた直線部４６ｃ１，４６ｃ２を有している。これにより、ガイド壁部４４の端部４６が台形状に形成されている。変形例３では、ガイド壁部４４の端部４６において、平面４６ａと直線部４６ｃ１との角度θ２と、平面４６ａと直線部４６ｃ２との角度θ３は、異なる角度（θ２＜θ３）とされている。なお、平面４６ａと直線部４６ｃ１，４６ｃ２との間の角部及び直線部４６ｃ１，４６ｃ２とガイド壁部４４の側面４４ａとの間の角部は、円弧状に面取りされている。そして、変形例３では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する直線部４６ｃ１，４６ｃ２に配置されている。

（変形例４）
図７は、変形例４に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図７に示すように、変形例４では、ガイド壁部４４の端部４６は、傾斜面４６ｄを有している。また、傾斜面４６ｄとガイド壁部４４の両側面４４ａとの間は、円弧状に面取りされた円弧部４６ｂ１，４６ｂ２とされており、これらの円弧部４６ｂ１，４６ｂ２は、互いに異なる曲率の円弧形状とされている。そして、変形例４では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する円弧部４６ｂ１，４６ｂ２に配置されている。

（変形例５）
図８は、変形例５に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図８に示すように、変形例５では、ガイド壁部４４の端部４６は、幅方向の中央部分に突出部４６ｅを有する三角形状に形成されている。この突出部４６ｅは円弧状に形成されており、この突出部４６ｅが先端Ｐｔとされている。また、突出部４６ｅの両側の斜面４６ｆは同一の角度θ４で傾斜されており、ガイド壁部４４の両側面４４ａとの間が同一の曲率の円弧状に面取りされた円弧部４６ｇとされている。そして、変形例５では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する斜面４６ｆに配置されている。

（変形例６）
図９は、変形例６に係る循環こま４０の接続部４２を説明するための概略構成図である。
図９に示すように、変形例６においても、変形例５と同様に、ガイド壁部４４の端部４６は、幅方向の中央部分に、円弧状に形成されて突出する突出部４６ｅを有する三角形状に形成されており、この突出部４６ｅが先端Ｐｔとされている。また、突出部４６ｅの両側の斜面４６ｆ１，４６ｆ２は、それぞれ異なる角度θ５，θ６（θ５＞θ６）で傾斜されており、ガイド壁部４４の両側面４４ａとの間が異なる曲率の円弧状に面取りされた円弧部４６ｇ１，４６ｇ２とされている。そして、変形例６では、接触点Ｐｃがボール３０の移動方向と斜めに交差する斜面４６ｆ１，４６ｆ２に配置されている。

そして、上記の変形例１～６の場合も、循環こま４０は、ガイド壁部４４の端部４６において、ボール３０との接触点Ｐｃが、先端Ｐｔよりもナット２０の第２ねじ溝２１から離間する方向に配置され、ねじ軸１０の中心Ｏに直交する直線Ｌ１と、ナット２０の第２ねじ溝２１におけるボール３０が接触する接触線Ｌ２とが交差する位置に配置されている。

したがって、変形例１～６の場合も、接続部４２において、転動路３２からボール３０が掬い上げられて転向路４１へ移る移行部分における段差が最小とされ、接続部４２における円滑なボール３０の移動が可能となり、作動性、耐久性及び静音性を向上できる。

また、接触点Ｐｃが、ガイド壁部４４の端部４６においてボール３０の移動方向に対して斜めに交差する縁部に配置されているので、接続部４２における転動路３２から転向路４１へ移る移行部分及び転向路４１から転動路３２へ移る移行部分において、より円滑にボール３０を移動させることができる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、
内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されるナットと、
前記ねじ軸及び前記ナットの前記ねじ溝によって形成される転動路に収容される複数のボールと、
前記ナットに設けられ、前記転動路を繋いで前記ボールが循環可能な循環路を形成する循環部材と、
を備え、
前記循環部材は、前記ナットの前記ねじ溝との間で前記ボールを受け渡すガイド壁部を有し、
前記ガイド壁部の端部における前記ボールの接触点が、前記ねじ軸の中心に直交する直線と、前記ナットの前記ねじ溝における前記ボールが接触する接触線とが交差する位置に配置されている、ボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、転動路からボールが掬い上げられる移行部分及び転動路へボールが戻される移行部分における段差が最小とされる。これにより、転動路に対してボールが受け渡される接続部における円滑なボールの移動が可能となり、作動性、耐久性及び静音性に優れたボールねじ装置とすることができる。
また、ボールの径に近似した径を有するボールエンドミル等の特殊な工具によってナットにおけるボールの受け渡し部分の一部を曲面形状に加工する構造と比較し、加工時間を抑えて低コスト化できる。

（２） 前記ガイド壁部の端部は、前記ボールの移動方向に対して斜めに交差する縁部を有し、前記縁部に前記接触点が配置されている、（１）に記載のボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、ガイド壁部の端部がボールの移動方向と直交する平面形状の縁部で接触するものと比べ、転動路からボールが掬い上げられる移行部分及び転動路へボールが戻される移行部分において、より円滑にボールを移動させることができる。

（３） 前記循環部材は、前記ナットに対して径方向に形成された装着穴に嵌め込まれて装着される、（１）または（２）に記載のボールねじ装置。
この構成のボールねじ装置によれば、ナットの端面に装着穴を形成して循環部材を嵌め込む構造と比べ、ねじ溝のリード角に沿って穴加工を行うことができる。これにより、隣接するねじ溝との干渉を抑えることができ、大きなリード角のボールねじ装置にも対応できる。

１０ ねじ軸
１１ 第１ねじ溝（ねじ溝）
２０ ナット
２１ 第２ねじ溝（ねじ溝）
２７ 装着穴
３０ ボール
３２ 転動路
４０ 循環こま（循環部材）
４４ ガイド壁部
１００ ボールねじ装置
Ｌ１ 直線
Ｌ２ 接触線
Ｏ 中心
Ｐｃ 接触点

Claims (3)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、
   内周面に螺旋状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に外嵌されるナットと、
   前記ねじ軸及び前記ナットの前記ねじ溝によって形成される転動路に収容される複数のボールと、
   前記ナットに設けられ、前記転動路を繋いで前記ボールが循環可能な循環路を形成する循環部材と、
   を備え、
   前記循環部材は、前記ナットの前記ねじ溝との間で前記ボールを受け渡すガイド壁部を有し、
   前記ガイド壁部の端部における前記ボールの接触点が、前記ねじ軸の中心に直交する直線と、前記ナットの前記ねじ溝における前記ボールが接触する接触線とが交差する位置に配置されている、
   ボールねじ装置。
2. 前記ガイド壁部の端部は、前記ボールの移動方向に対して斜めに交差する縁部を有し、前記縁部に前記接触点が配置されている、
   請求項１に記載のボールねじ装置。
3. 前記循環部材は、前記ナットに対して径方向に形成された装着穴に嵌め込まれて装着される、
   請求項１または請求項２に記載のボールねじ装置。

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