JP3726460B2 - ボールねじ機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじ軸とナット部材とを備えたボールねじ機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転運動を直線運動に変換する機構として、ボールねじ機構が知られている。かかるボールねじ機構の一例として、図９を参照して循環チューブ方式のボールねじ機構の全体構成を説明する。図９はボールねじ機構の軸線方向断面図である。図において、一部のみ示すねじ軸１は、溝断面が後述するごとくゴシックアーチ形状である螺旋溝（ねじ溝）１ａを外周に有する軸部材である。ナット部材であるナット２は、ねじ軸１の螺旋溝（ねじ溝）１ａに対応する螺旋溝（ねじ溝）２ａを内周に有する円筒状の部材である。図示されていないが、ナット２の上面から螺旋溝（ねじ溝）２ａまで延在する２つの貫通孔が形成され、かかる貫通孔に、仮想線で示すようにＵ字形のボール循環チューブ４の両端部がそれぞれ嵌挿されている。
【０００３】
ナット２の内部に挿通されたねじ軸１は、その螺旋溝（ねじ溝）１ａがナットの螺旋溝（ねじ溝）２ａと対向するようにされ、両螺旋溝内には多数のボール３が転動自在に収納されている。
【０００４】
ナット２とねじ軸１とが相対螺旋運動を行うと、ボール３は螺旋溝（ねじ溝）１ａ、２ａ間の転走路に沿って転動し、ボール循環チューブ４の端部に形成されたタング部（不図示）に案内されて転走路からすくい上げられ、ボール循環チューブ４内に導かれ、そのチューブ内を通って反対端より転走路に戻るという循環を繰り返す。
【０００５】
従来のエンドキャップ式ボールねじ装置としては、例えば図１４に示されているものがある。この従来例は、外周面に螺旋溝（ねじ溝）１ａを有するねじ軸１に、その螺旋溝（ねじ溝）１ａと相対する螺旋溝（ねじ溝）２ａを内周面に有する円筒状のボールねじナット１０を、相対する両螺旋溝（ねじ溝）１ａ、２ａ内を転動するボール３を介して螺合している。ボールねじナット１０は、ナット部材４０２と、ナット部材４０２の両端面に着脱可能に接合された円板状のボール循環部材（エンドキャップ）１１との二部材で構成されている。ナット部材４０２の肉厚部には、軸方向の貫通孔からなるボール戻し通路１２が設けられている。ボール循環部材１１には、ナット部材４０２と接合する側の端面に、前記相対する両螺旋溝（ねじ溝）１ａ、２ａと前記ボール戻し通路１２とを連通させる湾曲路１３が設けられている。
【０００６】
そして、ねじ軸１とボールねじナット１０とが相対回転すると、ボール３がねじ軸１とボールねじナット１０との相対する両ねじ溝１ａ、２ａ内を転動しつつ進み、端部のボール循環部材１１に設けた湾曲路１３並びにナット部材４０２に設けたボール戻し通路１２を通りもとの位置に戻る循環を繰り返すようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ねじ軸の回転に伴い転動するボールは、転走路に沿って移動するから、ナットとねじ軸との相対螺旋運動が続けば、いつかはナットから排出されることになる。従って相当の距離にわたってナットを移動させようとすると、何れのボールねじ機構においても、例えばボール循環チューブのような、ナットの一端から排出されたボールをその他端へと戻す循環部を設ける必要がある。しかしながら、かかる循環部をナットに設けることにより、ボールねじ機構には固有の問題が生じている。
【０００８】
ここで、かかる問題を説明する前に、まずボールねじ機構におけるボールとねじ溝との関係を説明する。図１０は、図９のボールねじ機構のねじ溝近傍を拡大して示したねじ溝直角方向断面図である。図において、ねじ軸１のねじ溝１ａとナット２のねじ溝２ａとの間にボール３が配置されている。
【０００９】
図１０より明らかなように、ねじ溝１ａ、２ａの断面は完全な円の一部ではなく、２つの円弧（フランクと称する）を合わせたいわゆるゴシックアーチと呼ばれる形状を有している。より具体的には、ねじ溝１ａ、２ａの断面は、曲率半径Ｃの円弧を左右対称的に配置した形状となっており、ここでボール３の半径をＲとすると、Ｃ＞Ｒなる関係が成立するのである。
【００１０】
上述した関係から、ねじ溝１ａ、２ａとボール３とは、点Ｎ１、Ｎ２、Ｓ１、Ｓ２の４点で接触することとなり、これにより管理した予圧を容易に与えられ、そしてバックラッシュをなくせる。なお、かかる４点上に生じる反力は釣り合った状態にある。
【００１１】
以下に、ボールねじ機構に固有の問題を図面を用いて説明する。図１１は、エンドキャップ方式のボールねじ機構におけるナット２の端部を拡大して軸線方向に見た図である。図１２は、図１１のナット２を矢印ＸＩＩ方向に見た図である。図１０と図１１，１２を比較することにより明らかであるが、ねじ溝２ａはリード角θを有しているために、軸線に直角なナット２の端面２ｂによりカットされることにより、ねじ溝２ａは周方向に長い開口形状を有することとなる。
【００１２】
図１１，１２中において、ねじ溝２ａ上を転動するボール３を仮想線で示しており、ナットとねじ軸（不図示）の相対螺旋運動により、ボール３はその中心が位置Ｃ、Ｂ、Ａの順で変位するように転動し、ナット２から排出される。なお、線Ｎ１ＴＲは、ボール３とねじ溝２ａとの接点Ｎ１の軌跡であり、線Ｎ２ＴＲは、ボール３とねじ溝２ａとの接点Ｎ２の軌跡である。
【００１３】
ここでボール３は、その中心が位置Ｃに到達するまでは、ナット２のねじ溝２ａと２点で接触し、一方ねじ軸（不図示）のねじ溝とも２点で接触する。即ち、ボールとねじ溝との接触関係は図１０に示した正常な状態となる。
【００１４】
ところが、ボール３の中心が位置Ｃを過ぎた時点で、図１２に示すように、点Ｎ２−Ｃにおいて線Ｎ２ＴＲがとぎれてしまう。一方、線Ｎ１ＴＲはそれより長く延在し、点Ｎ１−Ａまで続く。
【００１５】
図１３は、ボール３の中心が図１２の位置Ｂにある状態を示す、図１０と同様な断面図である。図１３において明らかであるが、図中右上のねじ溝２ａのフランク（円弧）部分が欠如している。正常なフランクを仮想線で示している。即ち、ボールの中心が位置Ｃから位置Ａまでの間は、ボールは両ねじ溝と３点接触することとなる。
【００１６】
かかる場合、ボール３とナット２のねじ溝２ａ間の点Ｎ１における反力Ｆｎ１は、ボール３とねじ軸１のねじ溝１ａ間の点Ｓ２における反力Ｆｓ２と対向し釣り合う。しかしながら、上述したフランクの欠如により、ボール３とねじ軸１のねじ溝１ａ間の点Ｓ１における反力Ｆｓ１に対向する反力が生じないため、結果としてボール３は、点Ｓ１における反力Ｆｓ１の方向にＦＣ（Ｆｓ１よりボール・ねじ溝間の摩擦力を除したもの）なる力を受けることになる。
【００１７】
ボールとねじ溝との間には、バックラッシュを排除するため予圧が印加されている。前記力ＦＣは、その力の方向にボール３を押し出し、フランクの欠如した方向にボール３を食い込ませようとする。また、予圧が与えられていなくても、外部からの荷重を受けることで、前記力ＦＣと同様の力が発生し、ボール３を食い込ませることになる。
【００１８】
このため、図１２における、ボール３の中心が位置Ｃから位置Ａまでの間においては、ボール３がねじ溝１ａ、２ａへ食い込みやすい状態となり、ボールねじ機構の動作時にトルクムラやひっかかり等の動作不良が生じやすいという問題がある。
【００１９】
このような問題に鑑み、本願発明は、簡素な構成でありながら、信頼性を向上させたボールねじ機構を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成すべく、本願発明のボールねじ機構は、
外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、
内周面にねじ溝を形成し、前記ねじ軸を内包するナット部材と、
対向する両ねじ溝により形成された転走路に沿って転動自在なボールとからなり、前記ねじ軸と前記ナット部材とが、相対回動に応じた相対軸線方向移動を行うボールねじ機構であって、
前記ボールが両ねじ溝にそれぞれ２点で接触するようになっており、
前記ボールが、前記相対軸線方向移動に伴い前記ナット部材から排出される際に、両ねじ溝と３点接触しないように、前記ナット部材における前記ボールの排出部近傍において前記ナットのねじ溝周囲に逃げを形成している。
【００２１】
さらにまた、本願発明のエンドキャップ式ボールねじ機構は、外周面にねじを有するねじ軸と、
内周面に前記ねじ溝と対向するねじ溝を有すると共に肉厚部に軸方向の貫通孔からなるボール戻し通路を有するナット部材と、
前記対向する両ねじ溝と前記ボール戻し通路とを連通させる湾曲路を有して前記ナット部材の両端面に接合されたボール循環部材と、
前記対向する両ねじ溝とボール戻し通路と湾曲路とを転動して循環可能な多数のボールとを備え、
前記ボールは、両ねじ溝に、それぞれ２点で接触して予圧が付与されたエンドキャップ式ボールねじ機構であって、
前記ナット部材の前記ボールの排出部近傍のねじ溝周囲に前記予圧が瞬時に解除されるように逃げを形成している。
【００２２】
【作用】
本願発明によれば、前記ボールが、前記相対軸線方向移動に伴い前記ナット部材から排出される際に、両ねじ溝と３点接触しないように、前記ナット部材における前記ボールの排出部近傍において前記ナット部材のねじ溝周囲に逃げを形成しているため、前記ボールと前記両ねじ溝とが当接するときは常に４点接触の状態に維持され、もってボールが両ねじ溝から受ける反力を釣り合わせてボールの安定保持を確保できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して以下に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の態様であるエンドキャップ方式のボールねじ機構のナット１０２を示す、図１２と同様な図である。図２は、図１のナット１０２をＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向に見た図である。図１，２共に、切削工具であるボールエンドミル（ＢＥＭ）の工具形状（先端が半球）を仮想線で示している。なお、図２においては、ボール３をナット１０２のねじ溝１０２ａに配置した状態で示している。
【００２４】
本実施の形態によるナット１０２は、ねじ溝端の形状のみが従来技術によるナットと異なる。即ち、ナット２（図１１）に対し、ボールエンドミル（ＢＥＭ）を、図１に示すように、ボールエンドミルの先端曲率中心が位置Ａから位置Ｃに到達するまで、ねじ溝１０２ａの中心線（螺旋曲線）に沿って（即ちリード角θだけ傾いた方向に）移動させ切削加工を行うことによって、ナット１０２のねじ溝端近傍に、逃げである座ぐり１０２ｃを形成している。ボールエンドミル（ＢＥＭ）の刃の外径は、ボール３の外径よりも大きくなっている。
【００２５】
なお、ボールエンドミル（ＢＥＭ）の軸線の延在する方向は、ねじ溝１０２ａに垂直であれば加工の都合上好ましいが、ねじ溝１０２ａが円筒状のナット１０２の内周に形成されているため、かかる方向からはナット１０２と干渉が生じるため、加工ができない。そこで、ボールエンドミル（ＢＥＭ）の先端をナット１０２の両側からねじ溝１０２の軸線に沿って斜めに挿入するようにすれば、余計な部分を切削することなく座ぐり加工を行うことができる。このようにして挿入されるボールエンドミル（ＢＥＭ）を仮想線で図２に示す。
【００２６】
図１，２から明らかなように、ボール３とナット２との接触点の軌跡である線Ｎ２ＴＲと線Ｎ１ＴＲとは、それぞれ点Ｎ２−Ｃ’、点Ｎ１−Ｃ’で終端となる。従ってボール３は、かかる点で同時にナット２から離脱するため、ボール３と両ねじ溝間の３点接触状態を回避でき、すなわち、予圧が瞬時に解除され、それにより反力の不釣り合いに基づくボールの転動不良を防止することが可能となる。
【００２７】
ところで上記の実施の形態は、ボールエンドミルにより座ぐり加工を施すことにより、ボールと両ねじ溝間の３点接触状態を回避し、予圧が瞬時に解除するものであるが、座ぐり加工を比較的長い距離にわたって施す必要がある。以下に述べる、第２の実施の形態によれば、かかる問題を解消することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２の実施の形態によるエンドキャップ方式のボールねじ機構のナット２０２の端部を拡大して軸線方向に見た図である。図４は、図３のナット２０２を矢印ＩＶ方向に見た図であって、図１と同様な図である。図３、４共に、切削工具であるボールエンドミル（ＢＥＭ）の工具形状（先端が半球）を仮想線で示している。なお、図３においても、ボール３をナット２０２のねじ溝２０２ａに配置した状態で示している。
【００２９】
本実施の形態によるナット２０２は、端部の形状のみが上述した実施の形態によるナットと異なる。より具体的には、図４から明らかなように、ナット２０２はねじ溝２０２ａの端部近傍に、段部２０２ｄを形成している。即ち、ナット２０２の段部２０２ｄの端面がナット全周に延在しているとすると、従来技術と同様に、ボール３の中心が位置Ｃを過ぎた時点で、点Ｎ２−Ｃ’において線Ｎ２ＴＲがとぎれてしまう一方で、線Ｎ１ＴＲはそれより長く延在し、点Ｎ１−Ａまで続くことになる。
【００３０】
そこで、段部２０２ｄを、ナット２０２の端部におけるねじ溝２０２ａの外方端近傍（片側フランク欠如部分）に設けることにより、線Ｎ２ＴＲを延長させ（相対的に線Ｎ１ＴＲを短縮し）、かつボールエンドミル（ＢＥＭ）による座ぐり（逃げ）２０２ｃを、位置Ｂから位置Ｃまで施すことにより、ボール３とナット２０２のねじ溝２０２ａとの接触点の軌跡である線Ｎ２ＴＲと線Ｎ１ＴＲとを、それぞれ点Ｎ２−Ｃ’、点Ｎ１−Ｃ’で終端させるようにすることができ、またボールエンドミル（ＢＥＭ）による座ぐりを、比較的短い距離にわたって施せば足りるという効果がある。
【００３１】
なお、ナット２０２の溝底から接触点Ｎ１、Ｎ２までの距離をＥとし、ねじ溝２０２ａのリード角をθとすれば、ナット２０２の端面からの段部２０２ｄの高さＳは、Ｓ≧Ｅｃｏｓθの関係が成立するようにすればよい。
【００３２】
次に、本発明による第３の実施の形態である、循環チューブ式のボールねじ機構について図面を参照して説明する。図５は、循環チューブ式のボールねじ機構の上面図であり、図６は、図５のボールねじ機構をＶＩ−ＶＩ線に沿って切断して矢印方向に見た断面図である。
【００３３】
まず、図５，６により循環チューブ方式のボールねじにおける循環チューブ近傍の構成を説明する。図において、ねじ軸１は、断面がゴシックアーチ形状の螺旋溝１ａを外面に有する軸部材である。ナット３０２は、ねじ軸の螺旋溝１ａに対応するねじ溝３０２ａを内面に有する円筒状の部材で、外周の一部に形成された平面部３０２ｅにねじ溝３０２ａに開口する２つの穴が形成されている。このナット３０２の穴には，Ｕ字形のボール循環チューブ４の端部がそれぞれ嵌挿されている。このボール循環チューブ４は、止めねじ５により取付板６を介してナット３０２の平面部３０２ｅに固定されている。
【００３４】
ナット３０２の内穴に挿通されたねじ軸１は、そのねじ溝１ａがナット３０２の螺旋溝３０２ａと対向するようにされ、ナット３０２に設けたボール循環チューブ４からなるボール循環路及びそのボール循環路の両端の間のねじ溝には、多数のボール３が転動自在に配置されている。これらのボール３は、ナット３０２のねじ溝３０２ａとねじ軸１の螺旋溝１ａにスキマなく嵌合し、ナット３０２とねじ軸１とは軸方向にボール３の転動を介して相対螺旋運動可能とされている。
【００３５】
ナット３０２とねじ軸１の相対螺旋運動により、ボール３は螺旋溝１ａ、３０２ａに沿って転動し、ボール循環チューブ４の端部に形成されたタング部４ａに案内されて螺旋溝１ａ，３０２ａからすくい上げられ、ボール循環チューブ４内に導かれ、そのチューブ内を通って反対端より螺旋溝１ａ，３０２ａの間に戻るという循環を繰り返すようになっている。
【００３６】
図７は、従来技術による循環チューブ式のボールねじ機構におけるナット２の、ねじ溝近傍を示した３次元仮想図である。なお、図７及び後述する図８においては、ナットの内部形状の理解を容易とすべく、ねじ溝等を外方から透視して示しており、現実に見える形状を示したものではない。
【００３７】
かかるナット２の、循環チューブ取付け穴の加工は、まず先端が円筒状のエンドミル（不図示）を用いて上面から垂直にねじ溝２ａに到達するまで切削し、円筒孔２ｆを形成した後、円筒孔２ｆの周囲に取付孔２ｇを形成することにより行われる。なお、先に取付孔２ｇを形成し、その後円筒孔２ｆを形成する場合もある。
【００３８】
かかる従来技術によるナットを用いたボールねじ機構においては、点Ｎ２−Ｃにおいて線Ｎ２ＴＲがとぎれてしまうが、線Ｎ１ＴＲはそれより長く延在し、点Ｎ１−Ａまで続く。即ち、かかる構成ではボールと両ねじ溝との３点接触の問題が生じ、転動不良のおそれがある。
【００３９】
図８は、本発明の第３の実施の形態による循環チューブ式のボールねじ機構におけるナット３０２の、図７と同様な３次元仮想図である。かかるナット３０２の、循環チューブ取付け穴の加工は、まず先端がボールの外径より大きい径の半球状のボールエンドミル（不図示）を用いて、上面から垂直にねじ溝３０２ａに到達するまで切削し、下端に半球状の逃げ３０２ｈを有する円筒孔３０２ｆを形成した後、円筒孔３０２ｆの周囲に取付孔３０２ｇを形成することによって行われる。なお、先に取付孔３０２ｇを形成し、その後円筒孔３０２ｆを形成しても良い。
【００４０】
図８から明らかなように、半球状の逃げ３０２ｈを形成しているため、ボール（不図示）とナット３０２との接触点の軌跡である線Ｎ２ＴＲと線Ｎ１ＴＲとは、それぞれ点Ｎ２−Ｃ、点Ｎ１−Ｃで終端となる。従ってボールは、かかる点で同時にナット２から離脱するため、ボールと両ねじ溝間の３点接触状態を回避でき、それにより反力の不釣り合いに基づくボールの転動不良を防止することが可能となる。
【００４１】
以上、本発明を実施の態様を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の態様に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本実施の形態においては、ボールエンドミルの座ぐりにより逃げを形成しているが、加工方法に関わらず逃げが形成されれば、本発明の効果が奏される。
【００４２】
【発明の効果】
本願発明によれば、ボールが、ナット部材とねじ軸との相対軸線方向移動に伴い前記ナット部材から排出される際に、前記ナット部材及び前記ねじ軸のねじ溝と３点接触しないように、前記ナット部材における前記ボールの排出部近傍において前記ナット部材のねじ溝周囲に逃げを形成しているため、前記ボールと前記両ねじ溝とが当接するときは常に４点接触の状態に維持され、もってボールが両ねじ溝から受ける反力を釣り合わせてボールの安定保持を確保できる。
【００４３】
また、本願発明のエンドキャップ式ボールねじ機構によれば、ナット部材におけるボール排出部近傍において予圧が瞬時に解除されるためボールのねじ溝への食い込みが無い安定した動作が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の態様であるエンドキャップ方式のボールねじ機構のナット１０２を示す図である。
【図２】図１のナット１０２をＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向に見た図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態によるエンドキャップ方式のボールねじ機構のナット２０２の端部を拡大して軸線方向に見た図である。
【図４】図３のナット２０２を矢印ＩＶ方向に見た図であって、図１と同様な図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による循環チューブ式のボールねじ機構の上面図である。
【図６】図５のボールねじ機構をＶＩ−ＶＩ線に沿って切断して矢印方向に見た断面図である。
【図７】従来技術による循環チューブ式のボールねじ機構におけるナット２の、ねじ溝近傍を示した３次元仮想図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態による循環チューブ式のボールねじ機構におけるナット３０２の、図７と同様な３次元仮想図である。
【図９】従来技術による循環チューブ式のボールねじ機構の軸線方向断面図である。
【図１０】図９のボールねじ機構のねじ溝近傍を拡大して示したねじ溝直角方向断面図である。
【図１１】従来技術によるエンドキャップ方式のボールねじ機構におけるナット２の端部を拡大して軸線方向に見た図である。
【図１２】図１１のナット２を矢印ＸＩＩ方向に見た図である。
【図１３】ボール３の中心が図１２の位置Ｂにある状態を示す、図１０と同様な断面図である。
【図１４】従来技術によるエンドキャップ式ボールねじ機構の縦断面図である。
【符号の説明】
１ ねじ軸
１ａ ねじ溝
１０２、２０２、３０２ ナット
１０２ａ、２０２ａ、３０３ａ ねじ溝
３ ボール

Claims (2)

1. 外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、
   内周面にねじ溝を形成し、前記ねじ軸を内包するナット部材と、
   対向する両ねじ溝により形成された転走路に沿って転動自在なボールとからなり、前記ねじ軸と前記ナット部材とが、相対回動に応じた相対軸線方向移動を行うボールねじ機構において、
   前記ボールが両ねじ溝にそれぞれ２点で接触するようになっており、
   前記ボールが、前記相対軸線方向移動に伴い前記ナット部材から排出される際に、両ねじ溝と３点接触しないように、前記ナット部材における前記ボールの排出部近傍において前記ナットのねじ溝周囲に逃げを形成したボールねじ機構。
2. 外周面にねじを有するねじ軸と、
   内周面に前記ねじ溝と対向するねじ溝を有すると共に肉厚部に軸方向の貫通孔からなるボール戻し通路を有するナット部材と、
   前記対向する両ねじ溝と前記ボール戻し通路とを連通させる湾曲路を有して前記ナット部材の両端面に接合されたボール循環部材と、
   前記対向する両ねじ溝とボール戻し通路と湾曲路とを転動して循環可能な多数のボールとを備え、
   前記ボールは、両ねじ溝に、それぞれ２点で接触して予圧が付与されたエンドキャップ式ボールねじ機構において、
   前記ナット部材の前記ボールの排出部近傍のねじ溝周囲に前記予圧が瞬時に解除されるように逃げを形成したことを特徴とするエンドキャップ式ボールねじ機構。

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