JP4509262B2

JP4509262B2 - スペーサ入りボールねじ装置及びその組立方法

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Publication number: JP4509262B2
Application number: JP27989799A
Authority: JP
Inventors: 正和上杉
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001099257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数のボールを介してねじ軸とナット部材とが螺合して構成され、工作機械や工業用ロボットのスライド部においてモータの回転運動を直線運動に変換して伝達するボールねじ装置及びその組立方法に係り、詳細には、多数のボールを上記ナット部材のボール無限循環路内において円滑に循環させるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじ装置は工業用ロボットの直線スライド部等において多用されており、主にモータの回転量に応じた直線移動量をテーブル等の可動体に与える目的で使用されている。かかるボールねじ装置は、一般的に、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、多数のボールを介して該ねじ軸に螺合すると共に該ボールが循環する無限循環路を備えたナット部材とから構成されており、上記ねじ軸をモータに連結して回転させると、上記ねじ軸とナット部材との間に介在する多数のボールがナット部材に具備された無限循環路内を循環し、これに伴ってナット部材がねじ軸の軸方向へ軽やかに直線運動するようになっている。
【０００３】
一方、このようなボールねじ装置においては、上記ボール無限循環路内を循環する個々のボールがその前後に位置するボールと相互に接触し、例えばねじ軸の逆転時にボールが無限循環路に詰まってロック現象が生じる他、ねじ軸の高速回転時にボール相互の接触音が耳障りであるといった欠点があり、かかる欠点を解消するものとして実開平５−２７４０８号公報に開示されるボールねじ装置が提案されている。
【０００４】
同公報に開示されるボールねじ装置では、可撓性を有する帯状のボール整列部材がナット部材のボール無限循環路内に循環移動可能に設けられており、かかる整列部材にはボールを収容するボールポケットが所定間隔で配列されている。従って、ボールは帯状の整列部材に所定間隔で配列された状態でナット部材のボール無限循環路に収容されており、これによって該ボールねじ装置では無限循環路内を循環するボール相互の接触が防止されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ボールねじ装置においてはナット部材とねじ軸との間をボールが螺旋状に転走し、しかも、ねじ軸とナット部材との間の負荷通路を転走し終えたボールはリターンバイプ等の無負荷通路を経て再度負荷通路に戻されることから、ボールと共に帯状の整列部材を無限循環路に組み込んだ場合には、かかる整列部材が無限循環路内で捩れを生じてしまう。特に、螺旋状の負荷通路とリターンパイプ等の無負荷通路との間ではボールの進行方向が大きく変化することから、このような捩れが整列部材に生じ易い。このため、ボールねじ装置においては譬え帯状の整列部材を無限循環路に組み込んだとしても、それを円滑に循環させることは困難であった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ナット部材に具備された無限循環路内においてボールが円滑に循環可能であり、しかもボール相互の接触音の発生を可及的に防止することが可能なボールねじ装置を提供すると共に、そのようなボールねじ装置を容易に組み立てることが可能な組立方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のボールねじ装置は、螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、多数のボールを介して上記ねじ軸に螺合すると共にこれらボールの無限循環路を備えたナット部材とから構成され、上記無限循環路内で互いに隣接するボールの間には、これらボールが摺接する球面座を有して該ボールを所定の間隔で整列させる合成樹脂製のスペーサが介装されていることを特徴とするものである。
【０００８】
このような技術的手段によれば、ナット部材のボール無限循環路内にはボールと合成樹脂製のスペーサとが交互に配列されるので、ボール同士が無限循環路内において接触することがなく、ボールの循環を円滑化して、ねじ軸の逆転時におけるロック現象の発生等を防止することができる他、ボール同士の衝突音の発生をも防止することができ、ねじ軸の高速回転時における騒音の発生を可及的に防止することが可能となる。
【０００９】
もっとも、このようなボールねじ装置を組み立てるに当たっては、ナット部材に具備されたボールの無限循環路に対して、ボールとスペーサとを交互に挿入する作業が必要となり、その組立作業は煩雑なものとならざるを得ない。そこで、本発明においては以下の組立方法を採用するものである。
【００１０】
すなわち、この組立方法は、一列に配列された多数のボールの間にこれらボールに摺接するスペーサを介装すると共に、各スペーサを隣接する他のスペーサと連結ベルトで互いに結合し、ボールがスペーサによって挟持されたボール連結体を形成する第１工程と、上記ナット部材に具備されたボールの無限循環路内に上記ボール連結体を挿入する第２工程と、上記無限循環路の一箇所からボール連結体の連結ベルトのみを引き出し、かかる連結ベルトの引き出しに合わせてボール及びスペーサを交互に無限循環路内に充填する第３工程とから構成される。
【００１１】
かるか組立方法によれば、先ずはボールとスペーサとが交互に配列された状態でこれらが一体となったボール連結体を製作しているので、ボール及びスペーサをナット部材の無限循環路に組み込む前のこれらの取り扱いが容易なものとなる。また、ボールとスペーサをナット部材に組み込むに当たっては、ボール連結体を無限循環路へ挿入した後に、スペーサ同士を結合している連結ベルトを無限循環路の一箇所から引き出すだけで良く、これによってスペーサ同士の結合が解除され、無限循環路に組み込まれたスペーサは個々に独立した状態でボールの間に介装される結果となる。加えて、かかる連結ベルトの引き出しに伴い、ボール及びスペーサが一体となったボール連結体は次々と無限循環路に引き込まれるので、ボール連結体に含まれる多数のボール及びスペーサを一回の動作で無限循環路に組み込むことも可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のボールねじ装置及びその組立方法を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明が適用されたボールねじ装置の一実施例を示すものである。同図において、符号１はねじ軸、符号２はボール、符号３はナット部材であり、かかるナット部材３は多数のボール２を介してねじ軸１に螺合している。
【００１３】
上記ねじ軸１の外周面には螺旋状のボール転走溝１０が形成される一方、ナット部材３の内周面にはねじ軸１のボール転走溝１０に対向する螺旋状の負荷転走溝３０が形成されており、これらボール転走溝１０と負荷転走溝３０とがねじ軸１とナット部材３との間に螺旋状の負荷ボール通路を形成している。すなわち、ねじ軸１とナット部材３とに相対的な回転運動が生じると、ボール２は荷重を負荷しながら上記負荷ボール通路内を螺旋状に転走する。また、ナット部材３には上記負荷ボール通路の両端同士を連通連結して、ボール２の無限循環路を構成するリターンパイプ４が装着されており、負荷ボール通路を転走し終えて荷重から解放されたボール２は、無負荷状態となって上記リターンパイプ４内を転走し、ボール転走溝１０を数巻分だけ飛び越えて負荷ボール通路の入口に戻される。従って、ねじ軸１とナット部材３とが相対的な回転運動を行うと、ボール２は負荷ボール通路からリターンパイプ４へ、リターンパイプ４から負荷ボール通路へと転走し、これら負荷ボール通路及びリターンパイプ４から構成される無限循環路の内部を循環することになる。
【００１４】
このボールねじ装置では、無限循環路に組み込まれたボール２が相互に接触するのを防止するため、互いに隣接する各ボール２, ２の間にはスペーサ５が介装されている。このスペーサ５は合成樹脂を略円筒状に形成してなり、その両端面にはボール２が摺接する球面座が夫々形成されている。ボール２とスペーサ５は無限循環路内に交互に配列されており、これによって無限循環路内を転走するボール２同士の接触が防止され、ボール２の円滑な循環、ひいてはねじ軸１に対するナット部材３の回転運動の円滑化が図られる他、ボールねじ装置の稼働中におけるボール同士の衝突音の発生が軽減されるようになっている。
【００１５】
上記ボール２とスペーサ５はこれらを一個ずつ手作業でナット部材３の無限循環路に組み込むことも可能であるが、スペーサ５は上記球面座がボール２と接するように組み込む必要があることから、ボール２と異なり一定の姿勢で無限循環路へ組み込む必要があり、この組み込み作業を一個ずつ手作業で行ったのではボールねじ装置の組立作業が煩雑なものとなってしまう。そこで、本発明のボールねじ装置では、図３に示すように、予めボール２とスペーサ５とが交互に配列されて一体となったボール連結体６を製作しておき、このボール連結体６を用いることで無限循環路に対するボール２及びスペーサ５の組み込みを容易なものとしている。
【００１６】
上記ボール連結体６はボール２及びスペーサ５を交互に配列すると共に、配列された全てのスペーサ５を一対の連結ベルト６０, ６０で結合したものであり、ボール２は隣接する一対のスペーサ５, ５の球面座５０, ５０に挟まれた状態で保持されている。従って、このボール連結体６によれば、ボール２はスペーサ５に挟まれた状態でその動きを拘束されており、大きな外力を加えない限りはボール２がボール連結体６から脱落することがないので、複数のボール２及びスペーサ５を一体のものとして取り扱うことができる。
【００１７】
このボール連結体６はボール２を中子とした合成樹脂の射出成形によって製作され、かかる射出成形の際に上記スペーサ５及び連結ベルト６０が一体に成形される。このとき、スペーサ５と連結ベルト６０の接続部６１は連結ベルト６０の他の部位よりも細く形成され、後に説明するボールねじ装置の組立工程において、連結ベルト６０をスペーサ５から容易に切り離すことができるようになっている。すなわち、上記接続部６１をその他の部位よりも細く形成することで、連結ベルト６０を引っ張った際に、その引っ張り応力が上記接続部６１に集中し、かかる接続部６１でスペーサ５と連結ベルト６０とが破断するように構成されている。
【００１８】
一方、上記ボール連結体６はスペーサ５のみを合成樹脂で成形し、連結ベルト６０をワイヤ等の金属材料で形成することも可能である。この場合、ボール２と連結ベルト６０を金型内に配置しておき、スペーサ５を射出成形することで連結ベルト６０と該スペーサ５とを結合することができる。金属性ワイヤは当然に合成樹脂よりも引っ張り強度が強いことから、かかるワイヤよりなる連結ベルト６０を引っ張ると、その引っ張り応力は連結ベルト６０とスペーサ５との結合部位に集中し、やはりスペーサ５を連結ベルト６０から容易に切り離すことが可能となる。
【００１９】
次に、このように構成されたボール連結体を用いた本発明のボールねじ装置の組立方法について説明する。
この組立方法は、原則として以下の３つの工程、すなわち、▲１▼ボール連結体６を形成する第１の工程（これについては既に説明した）、▲２▼ナット部材３に具備されたボール２の無限循環路に対してボール連結体６を挿入する第２の工程、▲３▼無限循環路内の一箇所からボール連結体６の連結ベルト６０のみを引き出し、かかる連結ベルト６０の引き出しに合わせてボール２及びスペーサ５を交互に無限循環路に充填する第３の工程、から構成されている。
【００２０】
上記第２及び第３の工程を実施するに当たっては、先ずナット部材３にリターンパイプ４を装着してボール２の無限循環路を完成させ、この後に図４に示す仮軸７をねじ軸１に代えてナット部材３に挿入する。この仮軸７はその外径がねじ軸１に形成されたボール転走溝１０の谷径と同一か、またはかかる谷径よりも若干小さい中空円筒状に形成されており、その周面にはボール連結体６を無限循環路に挿入するための挿入口７０、並びに無限循環路からボール連結体６の連結ベルト６０のみを引き出すための取出口７１が開設されている。これら挿入口７０及び取出口７１はナット部材３の負荷転走溝３０と対向する位置に開設されており、図４に示す仮軸７では挿入口７０と取出口７１とが負荷転走溝３０の一巻き分だけ離れて形成されている。また、挿入口７０はボール連結体６がそのまま通過できる大きさに開口する一方、取出口７１は連結ベルトのみが通過し得るスリット状に開口しており、後者の取出口７１はボール連結体６に具備された一対の連結ベルト６０に対応して一対の取出口７１が並べて設けられている。
【００２１】
図５は上記仮軸７を用いて行う上記第２及び第３工程の様子を示すものである。ボール連結体６は仮軸７の中空部に挿入された後、上記挿入口７０を通して仮軸７の外周面とナット部材３の負荷転走溝３０との間に導かれる。この状態でボール連結体６を順次挿入口７０に押し込んでいくと、仮軸７の外径はねじ軸１のボール転走溝１０の谷径と同一又はそれよりも僅かに小さい程度なので、ボール２はその動きがナット部材３の負荷転走溝３０に拘束されることになり、ボール連結体６は螺旋状の負荷転走溝３０に沿ってナット部材３と仮軸７との間に挿入されていく。
【００２２】
そして、ボール連結体６の先端が仮軸７に開設した取出口７１に到達したならば、かかる取出口７１を介してボール連結体６の連結ベルト６０のみを仮軸７の中空部内に引き出し、連結ベルト６０をスペーサ５から強制的に引き離す。スペーサ５と連結ベルト６０の接続部６１は前述のように他の部位よりも細く形成され、破断が生じ易くなっているので、連結ベルト６０を仮軸７の中空部内に引っ張ると、スペーサ５と連結ベルト６０を容易に分離することができ、しかも連結ベルト６０それ自体が途中で破断してしまうことがない。
【００２３】
図６は仮軸７の挿入口７０及び取出口７１の前後におけるボール２及びスペーサ５の状態を模式的に示した図であり、仮軸７の中空部側からボール２及びスペーサ５を観察した様子を示している。図中の矢線はボール２及びスペーサ５の挿入方向である。挿入口７０の前後においてはスペーサ５が未だ連結ベルト６０で結合されていることから、ボール２及びスペーサ５はボール連結体６として一体化されており、このボール連結体６を挿入口７０から押し込めば、多数のボール２及びスペーサ５を一気にナット部材３の無限循環路に挿入することができる。一方、取出口７１からは連結ベルト６０のみを引き出すので、かかる取出口７１において連結ベルト６０はスペーサ５から引きちぎられ、取出口７１を通過したスペーサ５は個々に独立した存在となる。このとき、一対の取出口７１, ７１の間に位置する仕切壁７２は連結ベルト６０の引っ張り力に抗してボール２及びスペーサ５を支え、これらボール２及びスペーサ５が仮軸７の中空部内に逆戻りするのを防止している。従って、仮軸７の取出口７１を通過するとボール２及びスペーサ５の一体性は失われ、図５に示されるように、ここから先はボール２及びスペーサ５が個々に独立した状態でナット部材３の無限循環路に充填される結果となる。
【００２４】
そして、ボール連結体６の連結ベルト６０を仮軸７の取出口７１から強制的に引き出していくと、これに引きずられるようにしてボール連結体６が仮軸７の挿入口７０からナット部材３と仮軸７の間に引っ張り込まれる一方、連結ベルト６０から分離されたスペーサ５及びボール２が押されるようにしてナット部材３の無限循環路に充填され、最終的には図７に示すように、先頭のスペーサ５ａが無限循環路内を一巡して仮軸７の挿入口７０の開設位置に到達する。予めボール連結体６の長さを無限循環路の長さに合致させておけば、先頭のスペーサ５ａが挿入口７０の開設位置に到達した時点で、ボール連結体６の終端に位置するスペーサ５ｚは挿入口７０に引き込まれた状態、すなわち図７に示す状態となる。このようにしてボール連結体６の終端がナット部材３と仮軸７との間に引き込まれたならば、挿入口７０を介して先頭のスペーサ５ａと終端のスペーサ５ｚとの間にボール２を一つ挿入する。これにより、無限循環路内にスペーサ５とボール２が交互に配列された状態が出来上がる。そして、この後に残りの連結ベルト６０を仮軸７の取出口７１から引き出すと、ナット部材３の無限循環路に対するボール２及びスペーサ５の充填が完了する。
【００２５】
しかし、この状態では依然としてナット部材３に仮軸７を組み込んだままなので、最後に図８に示すように、ボール転走溝１０が螺旋状に形成されたねじ軸１をナット部材３にねじ込み、ねじ軸１の先端で仮軸７を押し出すようにして、これら仮軸７とねじ軸１とを交換する。このとき、仮軸７の外径はねじ軸１のボール転走溝１０の外径と同一又はそれよりも若干小さい程度なので、ナット部材３の負荷転走溝３０に沿って螺旋状に転動しているボール２は無理なくねじ軸１のボール転走溝１０に転がり込み、無限循環路に充填されたボール２及びスペーサ５を脱落させることなく仮軸７とねじ軸１とを交換することができる。
【００２６】
尚、図５乃至図７に示したボールねじ装置の組立方法では、仮軸７の挿入口７０及び取出口７１を負荷転走溝３０の一巻き分だけ離間させて開設したが、図９に示すように、これら挿入口７０と取出口７１とをボール連結体６の挿入方向に沿って互いに隣接して形成しても良い。この場合、ボール連結体６は挿入口７０からナット部材３と仮軸７の間に導入された後、直ちに連結ベルト６０のみが取出口７１から仮軸７の中空部内に引き出されることになる。
【００２７】
また、ナット部材２の内周面に負荷転走溝３０から連続する螺旋状のボール逃げ溝が形成され、かかるボール逃げ溝がナット部材２の端面に解放されている場合には、図１０に示すように、仮軸７に挿入口７０を設けることなく、ナット部材３と仮軸７との隙間からボール連結体６をナット部材３の無限循環路に挿入することも可能である。すなわち、ボール連結体６はナット部材３の軸方向の端面に開放されたボール逃げ溝の端部から挿入され、かかるボール逃げ溝を螺旋状に伝わって負荷転走溝３０に挿入される。このとき、リターンパイプ４をナット部材３に対して完全に固定していると、図２に示す如く、かかるリターンパイプ４の先端がナット部材３の負荷転走溝３０から内側へ突出してしまうことから、ボール連結体６がリターンパイプ４の突出位置を越えて無限循環路に侵入することができない。このため、ボール連結体６を仮軸７の挿入口７０ではなく、ナット部材２と仮軸７との隙間から挿入する場合は、リターンパイプ４の先端がボール連結体６の挿入の障害とならぬよう、かかるリターンパイプ４をナット部材２から若干浮かした状態で仮止めしておく必要がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のスペーサ入りボールねじによれば、ナット部材のボール無限循環路内にはボールと合成樹脂製のスペーサとが交互に配列されるので、ボール同士が無限循環路内において接触することがなく、ボールの循環を円滑化することが可能であると共に、ボール相互の接触音の発生を可及的に防止し、ねじ軸の高速回転時における騒音の発生を可及的に防止することが可能である。
【００２９】
また、本発明のスペーサ入りボールねじの組立方法によれば、ナット部材の無限循環路に組み込む以前のボール及びスペーサはボール連結体として一体化されているので、多数のボール及びスペーサをあたかも一つの部材として取り扱うことができ、その取り扱いが容易なものとなる一方、ボールとスペーサをナット部材に組み込むに当たっては、ボール連結体の挿入及び連結ベルトの引き出しといった動作のみで、ボール連結体に含まれる多数のボール及びスペーサをナット部材の無限循環路に組み込むことができ、ボールねじ装置を容易に組み立てることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスペーサ入りボールねじ装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】実施例に係るボールねじ装置の正面断面図である。
【図３】実施例に係るボールねじ装置の組立に使用するボール連結体を示す平面図である。
【図４】実施例に係るボールねじ装置の組立に使用する仮軸を示す斜視図である。
【図５】実施例に係るボールねじ装置の組立の様子を示す斜視透視図である。
【図６】仮軸を用いて行うボール及びスペーサの無限循環路への挿入の様子を示す模式図である。
【図７】ボール連結体の全長をナット部材と仮軸との間に引き込んだ状態を示す斜視透視図である。
【図８】ナット部材に挿入した仮軸をねじ軸に交換する様子を示す斜視図である。
【図９】仮軸を用いて行うボールねじ装置の組立の第２の例を示す斜視図である。
【図１０】仮軸を用いて行うボールねじ装置の組立の第３の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…ねじ軸、２…ボール、３…ナット部材、４…リターンパイプ、５…スペーサ、６…ボール連結体、７…仮軸、６０…連結ベルト、７０…挿入口、７１…取出口

Claims

螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、多数のボールを介して上記ねじ軸に螺合すると共にこれらボールの無限循環路を備えたナット部材とから構成され、上記無限循環路内に互いに隣接するボールの間にはこれらボールを所定の間隔で整列させる合成樹脂製のスペーサが介装されたボールねじ装置の組立方法であって、
一列に配列された多数のボールの間にこれらボールに摺接するスペーサを介装すると共に、各スペーサを隣接する他のスペーサと連結ベルトで互いに結合し、ボールがスペーサによって挟持されたボール連結体を形成する第１工程と、
上記ナット部材に具備されたボールの無限循環路に対して上記ボール連結体を挿入する第２工程と、
上記無限循環路の一箇所からボール連結体の連結ベルトのみを引き出し、かかる連結ベルトの引き出しに合わせてボール及びスペーサを交互に無限循環路内に充填する第３工程とから構成されることを特徴とするボールねじ装置の組立方法。
上記ねじ軸と同径又はこれよりも小さな径で中空円筒状に形成されると共にその周壁の一箇所にはボール連結体の連結ベルトを引き出すための取出口が開設された仮軸を用意し、上記第２工程ではねじ軸の代わりにこの仮軸をナット部材に組み付けてボール連結体の挿入を行う一方、
上記第３工程において連結ベルトの引き出しが終了したら、仮軸を押し出すようにしてねじ軸をナット部材に螺合させることを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置の組立方法。
上記第２工程におけるボール連結体の挿入は、仮軸とナット部材との隙間、又は、仮軸に上記取り出し口とは別個に開設された挿入口を介して行われることを特徴とする請求項２記載のボールねじ装置の組立方法。