JP5055466B2

JP5055466B2 - 送りねじ

Info

Publication number: JP5055466B2
Application number: JP2007037460A
Authority: JP
Inventors: 常郎後藤; 勇松本
Original assignee: 常郎後藤
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008202653A

Description

本発明は送りねじに関するものである。

送りねじは、自在に回転するねじ軸と、そのねじ軸に螺合するナットから構成されて、回転運動と直進運動を相互に変換する機械要素であり、送り運動、動力伝達あるいは位置決め等の用途に使用される。

現在実用されている送りねじは、すべりねじ、ボールねじ及び静圧ねじの３形式に大別されるが、いずれの形式の送りねじにおいても、機械加工されたねじ軸を使用しているので高価である。

機械加工されたねじ軸は、伝達効率の向上（摩擦損の低減）や位置決め精度の向上のために必要である。しかし、送りねじを使用する機器の中には、伝達効率や位置決め精度をそれほど必要としないものも多々存在する。そのような機器であっても、他に適当な代替手段がないので、機械加工されたねじ軸を使用する高価な送りねじを用いていた。

そこで、機械加工されたねじ軸に代えて、細長い平鋼板を長軸回りに捩って螺旋面を形成した螺旋棒をねじ軸として使用する送りねじが特許文献１で提案されている。図６は、特許文献１に記載された送り装置の斜視図である。図６に示すように、送り装置３０は、基台３１、基台３１に固定されたスライド軸３２、スライド軸３２に平行に配置されてギヤードモータ３３で回転駆動される螺旋棒３４、スライド軸３２に摺動支持されてスライド軸３２の長さ方向に自在に移動する移動台３５、及び移動台３５の下方に固定されたローラ台３６を備えている。

なお、螺旋棒３４は細長い平鋼板をその長軸まわりに捩って螺旋面を形成した棒状の部材であり、その製造方法及び製造装置は特許文献２あるいは特許文献３に記載されている。

図７は、送り装置３０の螺旋棒３４とローラ台３６の取り合い部の詳細を示す拡大図である。図７に示すように、螺旋棒３４の両側にはローラ台３６に軸支されて、Ｚ_１軸及びＺ_２軸回りに自在に回転するローラ３７，３８が備えられている。このように構成されているので、螺旋棒３４がギヤードモータ３３によって駆動されてＸ軸回りに回転すると、ローラ台３６（すなわち、移動台３５は）はＸ軸方向に直進運動する。

特開平１０−６１７４２号公報特開平１０−２９６３４２号公報特許第３０２３５８３号

特許文献１の発明は、機械加工されたねじ軸に代えて、平鋼板を長軸回りに捩って螺旋面を形成してなる螺旋棒をねじ軸として使用するので、安価な送りねじを提供することができる。しかしながら、特許文献１で開示された送りねじ（以下、従来の送りねじという）は、耐久性に難点があるのと、高負荷に対応できないという問題がある。

図８は、従来の送りねじの問題を示す説明図であり、図７のＸ軸方向から見た図である。図８に示すように螺旋棒３４が時計回りに回転するときは、ローラ３７は常に点ｐで螺旋棒３４のエッジと接触し、ローラ３８は常に点ｑで螺旋棒３４のエッジと接触する。また、螺旋棒３４が反時計回りに回転するときは、ローラ３７，３８は常に点ｐ’，ｑ’で螺旋棒３４のエッジと接触する。

このように、従来の送りねじではローラ３７，３８の特定の部位が常に螺旋棒３４のエッジと接触して擦られるので、短期間で当該特定の部位の摩耗が進み、使用に耐えなくなるという問題が生じる。

また、ローラ３７，３８は螺旋棒３４によって押圧されるで、ローラ３７とローラ３８の間隔を広げる方向のモーメントが生じるが、ローラ３７，３８はローラ台３６に片持ち支持されているので、このモーメントに対して脆弱である。そのため従来の送りねじに大きな負荷を与えることは難しい。

また、螺旋棒３４とローラ３７，３８が一点で接触しているので、螺旋棒３４の寸法・形状の誤差がそのまま移動台３５の位置の誤差となって現れる。そのため、移動台３５の位置精度（螺旋棒３４の回転角度と移動台３５の位置の線形性）が悪いという問題もある。

本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、形材をその長軸回りに捩って螺旋面を形成してなる螺旋棒をねじ軸とする送りねじであって、位置精度が高く、耐久性に優れ、かつ高負荷に耐えられる送りねじを提供するものである。

本発明に係る送りねじの第１の構成は、平板を長軸回りに捩って螺旋面を形成した螺旋棒と、前記螺旋棒の螺旋面と面接触する螺旋溝を備えて、前記螺旋棒と螺合するナットからなる送りねじにおいて、前記ナットは、２条の前記螺旋溝が前記ナットの回転中心軸に対して軸対称に配置されるとともに、前記回転中心軸と同心の円柱状の空洞部を備え、前記螺旋溝の側壁は、前記空洞部に向かって突出していることを特徴とする。

この構成によれば、ナットの回転中心周りに円柱状の空洞部を設けることによって、ナットの製造を容易にする（切削加工でナットを製造する場合は、切削工具の取り回しが容易になり、樹脂成形で製造する場合は、型の抜き出しが容易になる。また、全体に薄肉になるので、精度の確保が容易になる。）とともに、螺旋溝の側壁を前記空洞部に向かって突出させているので、螺旋棒の螺旋面と接触する面積を十分確保することができる。つまり、この構成を備えることによって、製造の容易性と高機能を両立させることができる。

また、前記空洞部を設けることによって、ナットは軽量化される。前記空洞部を流れる空気はナットの冷却を促す。また、螺旋溝内に入り込んだ異物は前記空洞部に落下して、外部に排出される。

本発明に係る送りねじの第２の構成は、前記第１の構成に加えて、前記螺旋溝の幅は前記螺旋棒の素材の板厚の両側に逃げ幅を有することを特徴とする。

平板状の素材を長軸回りに捩って螺旋面を形成した螺旋棒は、機械加工されたねじ軸に比べて寸法や形状の誤差が大きいが、この構成によれば、螺旋棒の寸法や形状の誤差を逃げ幅で吸収することができる。

本発明に係る送りねじの第３の構成は、前記第１又は第２の構成に加えて、前記ナットの回転中心軸に垂直な面で切断した前記螺旋溝の断面の底部の両隅部に逃げ溝を有することを特徴とする。

この構成によれば、螺旋溝の底部の両隅部に逃げ溝を有するので、螺旋溝の幅方向に螺旋棒が移動するときに、螺旋棒の断面のエッジは逃げ溝の幅の範囲内で移動する。そのため、エッジで螺旋溝の底部を削ることがない。

本発明に係る送りねじの第４の構成は、前記第３の構成に加えて、前記逃げ溝は前記逃げ幅の２倍より大きな幅を有することを特徴とする。

この構成によれば、前記逃げ溝は前記逃げ幅の２倍より大きな幅を有するので、螺旋溝の中で、螺旋棒がどのように動いても、螺旋棒の断面のエッジは逃げ溝の中にある。そのため、エッジで螺旋溝の底部を削ることが全くない。

本発明に係る送りねじの第５の構成は、前記第３又は第４の構成に加えて、前記逃げ溝の断面の輪郭は連続した曲線を成すことを特徴とする。

この構成によれば、逃げ溝の断面を連続した曲線部の輪郭を曲線で構成するので、応力集中が緩和され、ナットの耐久性が向上する。なお、連続した曲線とは応力集中の緩和に必要な程度に滑らかな曲線で構成されていることを意味し、幾何学的に厳密な連続性を求める意ではない。

本発明に係る送りねじの第６の構成は、前記第３ないし第５のいずれかの構成に加えて、前記ナットの断面の輪郭における前記逃げ溝と前記螺旋溝の底部との境界は曲線で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、逃げ溝と螺旋溝の底部との境界にエッジが生じないので、エッジで螺旋棒を傷付けたり、逆に螺旋棒がエッジを砕くような不具合がない。

以上説明したように本発明によれば、従来のローラ台に代えて、ねじ棒の螺旋面と面接触するナットを使用するので、大トルクを効率良く伝達して、大きな推力を発生させることができる。つまり、高負荷に耐えられる送りねじが実現できる。また、ねじ棒とナットが面で接触するので、摩耗が特定の部位に集中することがない。そのため、送りねじの耐久性が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例を示す送り装置の側断面図である。図１に示すように、送り装置１は、上面が開放されたケーシング２と、一端で軸受け３を介してケーシング２に回転自在に支持されるとともに、他端でモータ４に結合された螺旋棒５と、ケーシング２の底部に螺旋棒５と平行に固定された直動レール６と、直動レール６に摺動自在に支持されたハウジング７と、ハウジング７に固定されるとともに螺旋棒５と螺合するナット８から構成される。

螺旋棒５は、平板状の鋼板をその長軸回りに捩って螺旋面を形成した棒状の部材である。なお、螺旋棒５の素材は、銅、アルミニウム、黄銅、青銅等の金属材料、あるいは塑性加工が可能で、所望の性能（強度、対摩耗性等）が得られる各種材料（非金属材料を含む）を選択することができる。また、螺旋棒５の製造方法および製造装置については、特許文献２に詳述されているので、説明を省略する。

図２は、ナット８の詳細形状を示す図であり、図２（ａ）は正面図であり、図２（ｂ）は側断面図である。図２に示すように、ナット８は、ケーシング２と連結するためのフランジ部８ａと、前後に貫通する空洞を有する円筒部８ｂからなり、円筒部８ｂの内側には螺旋棒５と螺合する螺旋溝９が刻まれている。また、ナット８は１リード（２ピッチ）相当の長さを備えているので、螺旋棒５と螺旋溝９の寸法誤差はナット８の中で平均化され、相殺される。そのため、送りねじの位置精度（螺旋棒５の回転角度に対するナットの位置の線形性）が向上する。

なお、螺旋溝９の底部に円筒部８ｂの外側まで貫通する排出穴９ａを設けると、螺旋溝９に混入した異物が排出穴９ａから排出されるので、送り装置１の動作が円滑になる。

さて、螺旋棒５は平板状の鋼板を長軸回りに捻って螺旋面を形成しているので、前記長軸（つまり、螺旋棒５の回転軸）に垂直な面で切断して得られる断面形は元の鋼板の断面形に等しい。したがって、ナット８を螺旋棒５の回転軸に垂直な面で切断して得られる螺旋溝９の断面の幅は前記鋼板の板厚に等しければ十分であるが、螺旋棒５の寸法や形状にはある程度の誤差が避けられない。そこで、前記断面形に表れるに螺旋溝９の幅は前記鋼板の板厚の両側に所定の逃げ幅を設けて、誤差を吸収している。

図３は、螺旋棒５の回転軸に垂直な面で切断して得られるナット８の断面形の細部を示す図であり、斜体数字は寸法（単位ｍｍ）を示している。図３に示すように、螺旋溝９の幅は螺旋棒５の素材の板厚（５．０ｍｍ）の両側に逃げ幅（０．３０ｍｍ）を与えているので、５．６ｍｍになる。また、螺旋溝９の深さ方向にはナット８の深さに対して余裕（０．１ｍｍ）を与えている。前述したように、螺旋棒５は捻り加工によって形成されるので、ピッチの誤差が（機械加工で切り出したねじ軸に比べて）大きいので、螺旋溝９の幅方向の誤差は大きい。一方螺旋棒５の直径は素材の鋼板の寸法によって決まり、捻り加工によって生じる誤差は小さい。そのため、螺旋溝９の深さ方向の余裕は、逃げ幅に比べて小さくすることができる。また、螺旋溝９の底の隅部には、幅１．０ｍｍ深さ０．５ｍｍの逃げ溝１０が形成されている。

また、ナット８は、回転中心周りに円柱状の空洞部１１を備えているので全体として薄肉になる。そのため、樹脂成型後の変形が小さくなり、精度が向上する。また空洞部１１を備えることによって、成型用の型の抜き出しも容易にする。また、樹脂成型に代えて、ナット８を素材から削り出す場合は、空洞部１１を備えることによって、切削工具の取り回しが容易になる。一方、ナット８に大トルクを伝達するためには、螺旋棒５と螺旋溝９の接触面積を大きくする必要があるが、そのために螺旋溝９の側壁１２を空洞部１１に向けて突出させている。これによって螺旋溝９を深くして、接触面積を大きしている。

図４は、逃げ溝１０の作用を説明する図であり、図４（ａ）は、螺旋棒５が反時計回りに回転する場合を、図４（ｂ）は、螺旋棒５が時計回りに回転する場合を、それぞれ示している。螺旋棒５が反時計回りに回転する場合は、螺旋棒５は螺旋溝９の左壁に面接触して前記左壁を押圧し、螺旋棒５が時計回りに回転する場合は、螺旋棒５の螺旋溝９の右壁に面接触して前記右壁を押圧する。螺旋棒５の回転方向を反時計回りから時計回りに切り替える際は、螺旋棒５は螺旋溝９の中で右に動いて、図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態に変わる。逆に、螺旋棒５の回転方向を時計回りから反時計回りに切り替える際は、螺旋棒５は螺旋溝９の中で左に動いて図４（ｂ）の状態から図４（ａ）の状態に変わる。このように、螺旋棒５が螺旋溝９の中で最大で逃げ幅の２倍の距離を動くが、逃げ溝１０の幅（１．０ｍｍ）は逃げ幅の２倍（０．６ｍｍ）より大きいので、螺旋棒５の断面のエッジ５ａは逃げ溝１０の幅の中で移動する。そのため、エッジ５ａが螺旋溝９の底を擦ることがない。

なお、図３に示したように、螺旋溝９と螺旋棒５の間には深さ方向に０．１ｍｍの隙間があるので、設計上はエッジ５ａが螺旋溝９の底を擦ることはないが、螺旋棒５の製造時に寸法や形状に誤差が生じる場合があるし、螺旋棒５の自重で変形する場合もある。このような場合であっても、逃げ溝１０があるので、エッジ５ａが螺旋溝９の底を擦ることがない。また、螺旋棒５が螺旋溝９の中で傾いても、図４（ｃ）に示すように、エッジ５ａは逃げ溝１０の中に収まるので、螺旋溝９の底を擦ることがない。前述したように、逃げ溝１０の幅は逃げ幅の２倍より大きくすることが望ましいが、これよりも小さい幅を選んでもよい。例えば、螺旋溝９の深さを大きくすることによって、エッジ５ａと螺旋溝９の底との接触を回避できるような場合は、逃げ溝１０の幅を小さくすることができる。

このように、エッジ５ａが螺旋溝９の底を擦ることがないように構成されているので、金属製の螺旋棒５とプラスチック製のナット８を組み合わせても、エッジ５ａでナット８を削って損耗することがない。

図５は、螺旋溝９の別の例を示す断面図である。図５（ａ）は逃げ溝１０の底の断面形を円弧とした例を示している。このように、逃げ溝１０の底の断面形を円弧とすることによって、螺旋溝９の隅部に生じる応力集中を緩和して、ナット８の耐久性を向上させることができる。また図５（ｂ）は逃げ溝１０と螺旋溝９の間を円弧で結んだ例を示している。このように、逃げ溝１０と螺旋溝９の間を円弧で結んだので、図４や図５（ａ）にあったような逃げ溝１０と螺旋溝９の境界のエッジが存在しない。そのため、前記エッジが螺旋棒５を擦って傷付けたり、逆に螺旋棒５が前記エッジに衝突して前記エッジを砕くような不具合が生じない。なお、ここでは逃げ溝１０の底の断面形や逃げ溝１０と螺旋溝９の境界を円弧とした例を示したが、前述した効果が得られる滑らかな連続した曲線ならば、他の適当な曲線を選んでもよい。

本発明の実施例を示す送り装置の側断面図である。ナット８の詳細形状を示す図である。螺旋溝９の断面形の細部を示す図である。逃げ溝１０の作用を説明する図である。螺旋溝９の別の例を示す断面図である。特許文献１に記載された送り装置の斜視図である。特許文献１に記載された螺旋棒３４とローラ台３６の取り合い部の詳細を示す拡大図である。従来の送りねじの問題点を示す説明図である。

符号の説明

１送り装置
２ケーシング
３軸受け
４モータ
５螺旋棒
５ａエッジ
６直動レール
７ハウジング
８ナット
８ａフランジ部
８ｂ円筒部
９螺旋溝
９ａ排出穴
１０逃げ溝
１１空洞部
１２側壁
３０送り装置
３１基台
３２スライド軸
３３ギヤードモータ
３４螺旋棒
３５移動台
３６ローラ台
３７ローラ
３８ローラ

Claims

平板を長軸回りに捩って螺旋面を形成した螺旋棒と、
前記螺旋棒の螺旋面と面接触する螺旋溝を備えて、前記螺旋棒と螺合するナットからなる送りねじにおいて、
前記ナットは、２条の前記螺旋溝が前記ナットの回転中心軸に対して軸対称に配置されるとともに、
前記回転中心軸と同心の円柱状の空洞部を備え、
前記螺旋溝の側壁は、前記空洞部に向かって突出している
ことを特徴とする送りねじ。
前記螺旋溝の幅は前記螺旋棒の素材の板厚の両側に逃げ幅を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の送りねじ。
前記ナットの回転中心軸に垂直な面で切断した前記螺旋溝の断面の底部の両隅部に逃げ溝を有する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の送りねじ。
前記逃げ溝は、前記逃げ幅の２倍より大きな幅を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の送りねじ。
前記逃げ溝の断面の輪郭は連続した曲線を成す
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の送りねじ。
前記ナットの断面の輪郭における前記逃げ溝と前記螺旋溝の底部との境界は曲線で構成されている
ことを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の送りねじ。