JP4366215B2 - 可変リード転動体ねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ軸とナットとの間に転動体を転がり運動可能に介在させた転動体ねじ装置に関し、特にねじ軸のリードが軸線方向の異なった位置で変化する可変リード転動体ねじ装置に関する。

ねじ軸とナットとの間にボールを転がり運動可能に介在させたボールねじが知られている。この種のボールねじでは、ナットに対してねじ軸を相対的に回転させると、ねじ軸のボール転走溝とナットのボール転走溝との間に介在された複数のボールが転がり運動し、ナットがねじ軸の軸線方向に移動する。ボールねじを使用すると、ナットに対してねじ軸を回転させる際の摩擦抵抗を低減できるという利点がある。

ナットをねじ軸の軸線方向に速く動かしたり、ゆっくり動かしたりしたいという要請がある。この要請に応える場合、ねじ軸を回転させるモータの回転数を変化させて、ナットを加減速させることが一般的に行われる。しかし、この方法では、ナットを加減速させる区間でモータに負荷がかかってしまうので、ねじ軸の回転数を変化させることなく、すなわちねじ軸を一定速度で回転させたまま、ナットを加減速させることが望まれる。

ねじ軸を一定速度で回転させたまま、ナットを加減速させる方法として、立体カム装置が知られている。この種の立体カム装置では、原動節として一定速度で回転する円筒みぞカムを用い、これに接触する従動節に直線運動を与える。円筒みぞカムには、軸線方向の異なった位置においてリードが変化するねじ溝が形成され、この溝に従動節の先端がはめ込まれる。

しかし、従来の立体カム装置では、原動節と従動節との接触部分がすべりになり、原動節と従動節との間の摩擦が大きくなってしまう。摩擦が大きくなると、原動節及び従動節が摩耗したり、原動節及び従動節が滑らかな動きをしなかったりするという問題が生ずる。

そこで本発明は、ねじ軸を一定速度で回転させたまま、ナットを速く動かしたり、ゆっくり動かしたりすることができ、しかも摩擦抵抗も小さな可変リード転動体ねじ装置を提供することを目的とする。

以下、本発明は本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。

上記課題を解決するために、請求項１の発明に記載の可変リード転動体ねじ装置は、軸線方向の異なった位置においてリードが変化すると共に転動体（４）が転がり運動する螺旋状の転動体転走溝（２）が形成されたねじ軸（１）と、転動体（４）が転がり運動する転動体転走溝（８ｄ）を有する転動体保持部材（８）と、前記転動体保持部材（８）が回転可能に収容されるケース（７）と、前記ねじ軸（１）の前記転動体転走溝（２）と前記転動体保持部材（８）の前記転動体転走溝（８ｄ）との間を転がり運動可能に介在される複数の転動体（４）と、を備え、前記ねじ軸（１）を前記ケース（７）に対して相対的に回転させたとき、前記ねじ軸（１）のリードが変化するのに対応して、前記転動体保持部材（８）が前記ケース（７）に対して回転することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の可変リード転動体ねじ装置において、前記転動体保持部材（８）には、前記転動体保持部材（８）の前記転動体転走溝（８ｄ）の一端まで転がった転動体（４）を前記転動体転走溝（８ｄ）の他端に戻す戻し通路（８ｅ）が形成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の可変リード転動体ねじ装置において、前記転動体（４）はボールであり、前記ねじ軸（１）の前記転動体転走溝（２）及び前記転動体保持部材（８）の前記転動体転走溝（８ｄ）の溝直角断面形状は、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３いずれかに記載の可変リード転動体ねじ装置において、前記ねじ軸（１）の前記転動体転走溝（２）は２条以上形成され、前記転動体保持部材（８）は、ねじ軸（１）のボール転走溝（２）の条数と同数、ねじ軸（１）の周方向に間隔を空けて配置されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし４いずれかに記載の可変リード転動体ねじ装置において、前記ねじ軸（１）の前記転動体転走溝（２）は、リードが大きい部分（２ａ）と、リードが小さい部分（２ｃ）と、前記リードが大きい部分（２ａ）と前記リードが小さい部分（２ｃ）を接続するリードの変わり目の部分（２ｂ）を有し、前記転動体保持部材（８）の前記転動体転走溝（８ｄ）は、前記リードが大きい部分（２ａ）のリードよりも小さく、且つ前記リードが小さい部分（２ｃ）のリードよりも大きいリードに対応した溝形状に形成されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、例えばねじ軸を一定速度で回転させると、ねじ軸のリードが変化するのに対応して、転動体保持部材がケースに対して回転しつつ、ケースが速く動いたり、遅く動いたりする。ねじ軸と転動体保持部材との間に転がり運動する転動体を介在させているので、通常の転動体ねじ装置と同様に摩擦抵抗を低減することができる。また、ねじ軸の転動体転走溝及び転動体保持部材の転動体転走溝との間に複数の転動体を介在させているので、１つの転動体を転がす場合に比べ、より大きな荷重を負荷することもできる。

請求項２の発明によれば、転動体を循環させることで、ストロークの長いねじ装置が得られる。また、転動体保持部材と共に転動体循環路（転動体転走溝と戻し通路で構成される）もケースに対して回転させることができる。

請求項３の発明のように、転動体転走溝を単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状にすれば、転動体としてのボールと転動体転走溝との接点が一箇所になり、接点が変動し易くなる。ねじ軸のリードが変化すると、転動体保持部材が回転して、ねじ軸のボール転走溝と転動体保持部材のボール転走溝とがずれてくるが、ボールとボール転走溝との接点が変動するので、転動体保持部材に無理な力が掛かることがない。

請求項４の発明のように、転動体保持部材をねじ軸の周方向に複数並べれば（ねじ軸のリードが軸線方向で異なるので、転動体保持部材をねじ軸の軸線方向に複数並べることはできない）、負荷容量の大きなねじ装置が得られる。

請求項５の発明のように、転動体保持部材の転動体転走溝をリードの変わり目の部分に対応した溝形状に形成することで、転動体保持部材がケースに対して回転したときに転動体保持部材がねじ軸に干渉（衝突）するのを防ぎ易くなる。

図１ないし図３は、本発明の一実施形態における可変リード転動体ねじ装置（以下単にねじ装置という）を示す。ねじ装置は、ねじ軸１と、ねじ軸１の回転に伴って軸線方向に移動するナット３とを備える。ねじ軸１とナット３との間には、複数の転動体としてのボールが介在される。

図２に示されるように、ねじ軸１の外周面には、複数条の（例えば２条の）螺旋状の転動体転走溝としてボール転走溝２が形成される。このボール転走溝２は、ねじ軸の軸線方向の異なった位置において、そのリードが変化する。具体的には、軸線方向における一端側には、リードが大きい部分２ａが形成され、他端側には、リードの小さい部分２ｃが形成され、軸線方向の中央部分には、リードの大きい部分とリードの小さい部分とを接続する変わり目部分２ｂが形成される。変わり目部分２ｂでは、リードの小さい部分２ｃからリードの大きい部分２ａに向かって除々にリードが大きくなる。

ボール転走溝２の溝直角断面形状（すなわち螺旋状のボール転走溝の中心線と直交する平面内での断面形状）は、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状から形成される（図５（Ａ）参照）。ボール転走溝２の曲率半径Ｒは、ボール４の半径よりも若干大きい。一般的なボールねじでは、ねじ軸１の軸線方向の荷重を受けるべく、ボール転走溝２の溝直角断面形状は、２つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ溝形状（図５（Ｂ）参照）に形成される。詳しくは後述するが、ボール転走溝２の溝直角断面形状をサーキュラーアーク溝形状に形成するのは、ボール４とボール転走溝２との間の接点を変動し易くするためである。ボール転走溝２は切削加工、転造加工等によって形成される。

ナット３は、筒状のケース７と、ケース７内に回転可能に収容される転動体保持部材としてのボール保持部材８とを有する。

図３に示されるように、ケース７は、ねじ軸が貫通する略円筒形状のケース本体６と、ケース本体６を覆う薄肉円筒状の外カバー５とを有する。ケース本体６の軸線方向の中央部には、ボール保持部材８を収容するためのボール保持部材収容孔９が形成される。この収容孔９の内周には、ボール保持部材８のフランジ部８ａに係合する段差が形成される。外カバー５は、ボール保持部材８の個数に応じて２分割されている。ケース本体６にボール保持部材８を収容し、支持ボール１０をフランジ部８ａの凹部８ｃに嵌めた後、ボルト等の結合手段によって外カバー５をケース本体６に固定する。

図２に示されるように、ボール保持部材８は、ボール保持部材８とねじ軸１との間に介在される複数のボール４によって、ねじ軸１の半径方向の力を受ける。支持ボール１０は、この半径方向の力によってボール保持部材８がケース本体６から抜けないように、且つケース７に対してボール保持部材８が回転できるように、ボール保持部材８を支持する。ボール保持部材８は、ねじ軸の半径方向に伸びる線（ねじ軸の軸線に直交する線）を中心として回転可能になっている。

なお、本実施形態では、ケース７に対してボール保持部材８を回転させる回転機構の一つとして、支持ボール１０を採用しているが、ねじ軸１の半径方向に伸びる線を中心としてボール保持部材８を回転させ、かつねじ軸１の半径方向にボール保持部材８が移動するのを防止するものであれば、一般の軸受け等を採用することもできる。

図２及び図３に示されるように、ボール保持部材８は、ねじ軸１のボール転走溝２の条数と同数（この例では２個）、ねじ軸１の周囲に円周方向に均等間隔を空けて配置される。ねじ軸１の軸線方向に位置を異ならせて２つのボール保持部材８を配置すると、リードが変化する部分で、２つのボール保持部材８間の相対的な位置が変化してしまう。ボール保持部材８をねじ軸の軸線方向に並べることはできないので、負荷容量を向上させるために円周方向にボール保持部材８を複数並べる。

図４はボール保持部材８の詳細図を示す。ボール保持部材８は、ケース７に係合するフランジ部８ａと、フランジ部８ａから垂下するボール保持部８ｂとを有する。ボール保持部８ｂのねじ軸１に対向する面には、ボール転走溝８ｄが形成される。ボール転走溝８ｄの長手方向の長さは、ねじ軸１の周囲の一周未満で且つ複数のボール４が配列できる長さに形成される。

上述のように、ねじ軸１のボール転走溝２はそのリードが変化している。このため、正確にはボール保持部材８のボール転走溝８ｄは、ねじ軸１のボール転走溝２の変わり目部分２ｂに合わせて、すなわち、ねじ軸のリードが大きい部分２ａのリードよりも小さく、且つリードが小さい部分２ｃのリードよりも大きいリードに対応した溝形状に形成される。

ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの溝直角断面形状（すなわち螺旋状のボール転走溝８ｄの中心線と直交する平面内での断面形状）も、ねじ軸１のボール転走溝２と同様に、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状に形成される。また、ボール保持部材８には、ねじ軸１とボール保持部材８との間に介在される複数のボール４を循環させるべく、ボール転走溝８ｄの一端まで転がったボール４をボール転走溝８ｄの他端に戻す戻し通路８ｅが形成される。ボール循環路を構成するボール転走溝８ｄ及び戻し通路８ｅがボール保持部材８に一体に形成されているので、ボール保持部材８がケースに対して回転すると、ボール循環路も回転する。

この実施形態のように、ボール転走溝８ｄの一端と他端を接続する戻し通路８ｅを、ボール保持部材８に形成するのが望ましいが、戻し通路８ｅをケース７に形成してもよい。また、戻し通路８ｅを容易に形成するために、戻し通路８ｅをボール保持部材８とは別のリターンパイプから構成してもよいし、戻し通路８ｅの両端のＵ字形状の部分をエンドキャップ等の別部材で構成してもよい。

ねじ軸１を回転させると、ねじ軸１のボール転走溝２とボール保持部材８のボール転走溝８ｄとの間に介在されるボール４が転がり運動し、ナット３が軸線方向に移動する。ボール保持部材８が、ねじ軸１のリードの変わり目部分２ｂに移動すると、ねじ軸１のリードの変化に合わせるように、ボール保持部材８が回転する。ボール保持部材８が回転することによって、あたかもリードの変化を吸収できるようになり、ねじ軸のリードを変化させたねじ装置を実現できる。

また、ねじ軸とボール保持部材との間に転がり運動する複数のボールを介在させているので、通常のねじ装置と同様に摩擦抵抗を低減することができる。さらに、本実施形態のねじ装置では、ボール保持部材８が、ねじ軸１の周囲に円周方向に均等間隔を空けて配置され、且つボール保持部材８のボール転走溝８ｄの長手方向の長さも一周未満であるので（すなわち、ボール４がねじ軸１の軸線方向に長く配列されていないので）、ナット３に取り付け誤差が生じても、ボール４を介してボール保持部材８からねじ軸１に取り付け誤差によるモーメント荷重が発生するのを防止することができる。

図５（Ａ）に示されるように、ねじ軸１のボール転走溝２及びボール保持部材８のボール転走溝８ｄは、サーキュラーアーク溝形状に形成される。この溝形状では、ボール４が、ねじ軸１のボール転走溝２及びボール保持部材８のボール転走溝８ｄに所定の接触幅を有した１点で接触する。このような１点接触にすることで、ボール４とボール転走溝２，８ｄとの接点も変動し易くなる。ねじ軸１のボール転走溝２のリードが変化すると、ねじ軸１のボール転走溝２のリードと、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄのリードとにずれが生じてくる。しかし、ボール４とボール転走溝２，８ｄとの接点も変動し易くなるので、このずれにも対応することができる。

以下接点の変動について詳述する。図６は、ねじ軸１のボール転走溝２の平面図である。ねじ軸１とボール保持部材８との間に介在される一連のボール４のうち、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの長手方向の一端側に位置するボール４は、例えば、ねじ軸のボール転走溝２の断面の一方の壁面に点Ａで接触する。ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの中央部分に位置するボール４は、ねじ軸１のボール転走溝２の底Ｂで接触する。また、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの他端側に位置するボール４は、ねじ軸１のボール転走溝２の他方の壁面に点Ｃで接触するようになる。この現象を接点の変動と呼ぶ。

図５（Ｂ）に示されるように、ボール転走溝２，８ｄの溝直角断面形状を２つの円弧からなるゴシックアーチ溝形状に形成する場合、ボール４とボール転走溝２，８ｄとが２点で接触することになり、接点が変動し難くなる。このため、ねじ軸１のボール転走溝２のリードと、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄのリードとにずれが生じると、ボール保持部材８に無理な力がかかるおそれがある。

ボール保持部材８のボール転走溝８ｄは、ねじ軸１のボール転走溝２の変わり目部分２ｂに合わせて形成されている。このため、ねじ軸１のリードが小さい部分２ｃやリードが大きい部分２ａでは、ねじ軸１の軸線方向から見た状態において、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの円弧形状が、ねじ軸１の外径形状に一致しなくなる。

すなわち、ねじ軸１のリードが小さい部分２ｃでは、ねじ軸１の軸線方向から見たボール保持部材８のボール転走溝８ｄの円弧形状が、ねじ軸１の外形よりも大きくなる。一方、ねじ軸１のリードが大きい部分２ａでは、ねじ軸１の軸線方向から見たボール保持部材８のボール転走溝８ｄの円弧形状が、ねじ軸１の外形よりも小さくなる。

そして、ねじ軸１のリードが小さい部分２ｃでは、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの長手方向の中央部分に位置するボール４のみが、荷重を負荷できるボールになる。一方、ねじ軸１のリードが大きい部分２ａでは、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄの長手方向の両端部分に位置するボール４のみが、荷重を負荷できるボール４になる。本実施形態では、ねじ軸１とボール保持部材８との間で荷重を負荷できるボール４が変化したり、上述のように接点が変動したりすることによって、ねじ軸１のリードの変化に対応している。なお、この他にもボール保持部材８を弾性変形しやすい材質から形成することも、ねじ軸１のリードの変化に対する対応策になる。

ねじ軸１のリードの小さい部分２ｃに合わせて、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄを形成すると、ねじ軸１のリードの大きい部分２ａにおいて、ねじ軸１の軸線方向から見たボール保持部材８のボール転走溝８ｄの円弧形状が、ねじ軸１の外形よりもより小さくなり、ボール保持部材８とねじ軸１の外形とが干渉（衝突）し易くなる。本実施形態のように、ねじ軸１のリードの変わり目部分２ｂに合わせて、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄを形成すると、ボール保持部材８とねじ軸１の外形と干渉を防止することができる。

なお、ボール保持部材８とねじ軸１の外形とが干渉しない限り、ボール保持部材８のボール転走溝８ｄをねじ軸１のリードの小さい部分２ｃに合わせて形成することも可能である。この場合、リードの小さい部分２ｃでの負荷を受けられるボールの数を増やすことができるので、リードの小さい部分２ｃでの負荷容量を上げることができる。

ねじ軸１を一定速度で回転させると、ねじ軸１のリードが変化するのに対応して、ボール保持部材８がケース７に対して回転する。ねじ軸１のリードが大きい部分２ａでは、ナットが速く動き、リードが小さい部分２ｃでは、ナットがゆっくり動く。本実施形態のねじ装置の用途は、特に限定されるものではないが、モータを一定速度で回転させたまま（モータのトルクを一定に保ったまま）、ねじ軸１のリードが小さい部分２ｃでナット３をゆっくり動かすことができるので、リードが小さい部分２ｃでのナット３に与える力を大きくする場合に好適に用いることができる。例えば、型締めのときに力が要る射出成型機等に好適に用いることができる。なお、モータの回転数を変えて、ナット３を速く動かしたり、ゆっくり動かしたりすると、モータの回転を低速にしてナット３をゆっくり動かしたところで、ナット３に与える力を大きくすることが難しくなる。

本発明の実施形態は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば、ねじ軸のリードの変化のさせ方は上記実施形態に限られず、ナットの動かし方に応じて適宜変更することができ、またねじ軸の回転数も一定速度に限られることはない。さらに、ねじ軸の条数及びボール保持部材の個数も負荷容量に応じて適宜決定することができる。ボール保持部材及びねじ軸のボール転走溝の溝直角断面形状についても、ボール保持部材に無理な力が掛からない限り、２つの円弧からなるゴシックアーチ溝形状に形成してもよい。ボール保持部材及びケースについても、ボール保持部材がケースに対して回転できるものであれば、それらの形状も様々に変更することができる。さらに、転動体にはボールの他、ローラも用いることができる。

本発明の一実施形態におけるねじ装置を示す斜視図。 上記ねじ装置の断面図。 上記ねじ装置の分解斜視図。 ボール保持部材の断面図。 溝直角断面形状を示す図（図中（Ａ）はサーキュラーアーク溝形状を示し、図中（Ｂ）はゴシックアーチ溝形状を示す）。 ねじ軸のボール転走溝を示す平面図。

符号の説明

１…ねじ軸
２…ボール転走溝
２ａ…リードが大きい部分
２ｂ…リードの変わり目部分
２ｃ…リードが小さい部分
３…ナット
４…ボール
７…ケース
８…ボール保持部材
８ｄ…ボール転走溝
８ｅ…戻し通路

Claims (5)

1. 軸線方向の異なった位置においてリードが変化すると共に、転動体が転がり運動する螺旋状の転動体転走溝が形成されたねじ軸と、
   転動体が転がり運動する転動体転走溝を有する転動体保持部材と、
   前記転動体保持部材が回転可能に収容されるケースと、
   前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記転動体保持部材の前記転動体転走溝との間を転がり運動可能に介在される複数の転動体と、を備え、
   前記ねじ軸を前記ケースに対して相対的に回転させたとき、前記ねじ軸のリードが変化するのに対応して、前記転動体保持部材が前記ケースに対して回転することを特徴とする可変リード転動体ねじ装置。
2. 前記転動体保持部材には、前記転動体保持部材の前記転動体転走溝の一端まで転がった転動体を前記転動体転走溝の他端に戻す戻し通路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の可変リード転動体ねじ装置。
3. 前記転動体はボールであり、
   前記ねじ軸の前記転動体転走溝及び前記転動体保持部材の前記転動体転走溝の溝直角断面形状は、単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変リード転動体ねじ装置。
4. 前記ねじ軸の前記転動体転走溝は２条以上形成され、
   前記転動体保持部材は、ねじ軸のボール転走溝の条数と同数、ねじ軸の周方向に間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の可変リード転動体ねじ装置。
5. 前記ねじ軸の前記転動体転走溝は、リードが大きい部分と、リードが小さい部分と、前記リードが大きい部分と前記リードが小さい部分を接続するリードの変わり目の部分を有し、
   前記転動体保持部材の前記転動体転走溝は、前記リードが大きい部分のリードよりも小さく、且つ前記リードが小さい部分のリードよりも大きいリードに対応した溝形状に形成されることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の可変リード転動体ねじ装置。

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