JP5138616B2 - ボールねじ軸の支持構造 - Google Patents

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Description

本発明は、放電加工機やタッピングセンター等の各種工作機械や自動車のアクチュエータ等に使用されるボールねじにおけるボールねじ軸の支持構造に関するものである。
一般工作機械や自動車のアクチュエータのボールねじは、電動モータの回転力を直線運動に変換するために使用され、回転駆動されるねじ軸の両端は深溝玉軸受等の転がり軸受により回転自在に支持されている。一般的に、このねじ軸の軸方向荷重を受ける転がり軸受の内輪は、廉価で組立が容易なスナップリングにより軸方向に固定されて使用される場合が多い。
然しながら、スナップリングを使用した場合、そのリング溝と内輪間との寸法バラツキにより必然的に軸方向のガタを有するため、衝撃荷重が負荷された時、スナップリングが外れたり破損する恐れがあり、信頼性あるいは耐久性に問題がある。
こうした問題を解決したものとして、図5に示すようなボールねじ軸の支持構造が知られている。モータ側の支持軸受50は、図示しないハウジングに嵌合された外輪51と、この外輪51に複数のボール52を介してねじ軸53に内嵌された内輪54と、ボール52を転動自在に保持する保持器55とを備えた4点接触玉軸受からなる。
ねじ軸53の端部に形成された嵌合部56には、内輪54の端面が当接する肩部57が形成されている。ねじ軸53のねじ端部は外径の円筒面が分断されて完全なフラットな面にならないため、この肩部57にフラットな当接面が充分確保されるよう、嵌合部56の外径はねじ溝53aの底径よりも小径に形成されている。
ここで、ねじ軸53はS53C等の炭素0.40〜0.80重量%を含む中炭素鋼で形成され、ねじ溝53aをはじめ、このねじ溝53aから肩部57および嵌合部56に亙り高周波焼入れによって表面硬さを54〜64HRCの範囲に硬化層が形成され、嵌合部56の端部56aは、素材の表面硬さのままの未焼入れ部とされている。そして、ねじ軸53の嵌合部56に支持軸受50が所定のシメシロで圧入されると共に、内輪54の一方の端面54aが肩部57に当接された状態で、内輪54の他方の端面54bに当接する断面が矩形状のスペーサリング58が装着されている。
さらに、嵌合部56の端部56aを径方向外方に塑性変形させ、スペーサリング58に向けて押え付けた状態で加締部59が形成されている。この加締部59によって、支持軸受50がねじ軸53に対して軸方向にガタなく固定されると共に、衝撃荷重が負荷された時でも、スペーサリング58が外れたり破損するのを防止することができ、信頼性・耐久性を向上させることができる。
特開2007−211793号公報
この従来のボールねじ軸の支持構造では、図示しない電動モータとの連結はカップリングを介して連結されている。そのため、ねじ軸53の軸端には2面取りからなるフラット部60が形成され、このフラット部60に外嵌される凹部がカップリングの内周に形成されている。然しながら、ねじ軸53の軸端に直接フラット部60を形成することは、同軸度を確保するための精度管理が難しい。また、ねじ軸53のフラット部60だけでなく、モータ軸の端部およびカップリングの内周にこれらのフラット部に係合する凹部を形成しなければならず、加工工数と管理工数が嵩んで加工コストが高騰するという問題があった。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたもので、低コストでコンパクト化を図ると共に、耐久性と信頼性を向上させたボールねじ軸の支持構造を提供することを目的とする。
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項1に記載の発明は、ハウジングに対してボールねじのねじ軸が支持軸受を介して回転自在に支持され、電動モータのモータ軸にカップリングを介して連結されたボールねじ軸の支持構造において、前記ねじ軸の両端部に嵌合部と肩部が形成され、前記嵌合部に所定のシメシロを介して前記支持軸受が圧入されると共に、前記カップリングが円環状に形成され、内周に前記ねじ軸の嵌合部に圧入される円筒状の嵌合面と、この嵌合面よりも小径で端面側に開口して前記モータ軸に外嵌される係合凹部を一体に備え、この係合凹部の側面と前記ねじ軸の端面との間に軸方向のすきまを有すると共に、前記カップリングの端面が前記支持軸受の内輪の端面に密着するまで当該カップリングが前記ねじ軸の嵌合部に圧入され、前記内輪が前記肩部とカップリングで挟持された状態で軸方向に固定されている。
このように、ボールねじのねじ軸が支持軸受を介して支持され、電動モータのモータ軸にカップリングを介して連結されたボールねじ軸の支持構造において、ねじ軸の両端部に嵌合部と肩部が形成され、嵌合部に所定のシメシロを介して支持軸受が圧入されると共に、カップリングが円環状に形成され、内周にねじ軸の嵌合部に圧入される円筒状の嵌合面と、この嵌合面よりも小径で端面側に開口してモータ軸に外嵌される係合凹部を一体に備え、この係合凹部の側面とねじ軸の端面との間に軸方向のすきまを有すると共に、カップリングの端面が支持軸受の内輪の端面に密着するまで当該カップリングがねじ軸の嵌合部に圧入され、内輪が肩部とカップリングで挟持された状態で軸方向に固定されているので、内輪の抜け耐力を確保することができると共に、ねじ軸にトルク伝達用のフラット部等を形成することなく所望のトルクを伝達することができ、低コストで耐久性と信頼性を向上させたボールねじ軸の支持構造を提供することができる。
また、請求項2に記載の発明のように、前記支持軸受のうち前記電動モータ側の支持軸受が、前記ハウジングに嵌合される外輪と、この外輪に複数のボールを介して内嵌され、前記外輪よりも肉厚に形成された内輪と、前記ボールを転動自在に保持する保持器とを備え、前記カップリングの外径が前記内輪の外径と略同一径になるように肉厚に形成されていれば、カップリングの強度を高めてねじ軸の嵌合部に強圧入することができ、所望の内輪の抜け耐力を確保することができる。
また、請求項3に記載の発明のように、前記カップリングの係合凹部の外径側に小径部が形成されていれば、軽量化を図ることができると共に、回転イナーシャを低減することができる。
また、請求項4に記載の発明のように、前記カップリングと内輪が一体に形成されていれば、軽量・コンパクト化することができ、充分な嵌合部を確保して内輪の抜け耐力を増大することができる。
また、請求項5に記載の発明のように、前記ねじ軸の肩部から嵌合部に亙って高周波焼入れによって所定の表面硬さに硬化処理されていれば、嵌合部と肩部のフレッティング摩耗を防止することができ、信頼性・耐久性を向上させることができる。
また、請求項6に記載の発明のように、前記カップリングが熱処理によって少なくとも前記嵌合面と係合凹部が表面硬さを40〜60HRCの範囲に硬化処理されていれば、耐摩耗性が向上し、長期間に亘って強度・耐久性を確保することができる。
また、請求項7に記載の発明のように、前記係合凹部が複数のフラット面または凹凸歯で構成されていれば、回転トルクを確実に伝達することができる。
また、請求項8に記載の発明のように、前記支持軸受の少なくとも一方の支持軸受が4点接触玉軸受で構成されていれば、単列の転がり軸受でありながら、ねじ軸に負荷される両方向の軸方向荷重およびモーメント荷重を支承することができ、軽量・コンパクト化を図ることができる。
本発明に係るボールねじ軸の支持構造は、ハウジングに対してボールねじのねじ軸が支持軸受を介して回転自在に支持され、電動モータのモータ軸にカップリングを介して連結されたボールねじ軸の支持構造において、前記ねじ軸の両端部に嵌合部と肩部が形成され、前記嵌合部に所定のシメシロを介して前記支持軸受が圧入されると共に、前記カップリングが円環状に形成され、内周に前記ねじ軸の嵌合部に圧入される円筒状の嵌合面と、この嵌合面よりも小径で端面側に開口して前記モータ軸に外嵌される係合凹部を一体に備え、この係合凹部の側面と前記ねじ軸の端面との間に軸方向のすきまを有すると共に、前記カップリングの端面が前記支持軸受の内輪の端面に密着するまで当該カップリングが前記ねじ軸の嵌合部に圧入され、前記内輪が前記肩部とカップリングで挟持された状態で軸方向に固定されているので、内輪の抜け耐力を確保することができると共に、ねじ軸にトルク伝達用のフラット部等を形成することなく所望のトルクを伝達することができ、低コストで耐久性と信頼性を向上させたボールねじ軸の支持構造を提供することができる。
本発明に係るボールねじ軸の支持構造を適用した電動リニアアクチュエータを示す縦断面図である。 本発明に係るボールねじ軸の支持構造を示す要部拡大図で、(a)は側面図、(b)は縦断面図である。 図2の変形例を示す縦断面図である。 図2の他の変形例を示す縦断面図である。 従来のボールねじ軸の支持構造を示す要部拡大図で、(a)は側面図、(b)は縦断面図である。
ハウジングに対してボールねじのねじ軸が支持軸受を介して回転自在に支持され、電動モータのモータ軸にカップリングを介して連結されたボールねじ軸の支持構造において、前記ねじ軸の両端部に嵌合部と肩部が形成され、前記嵌合部に所定のシメシロを介して前記支持軸受が圧入され、これらの支持軸受のうち前記電動モータ側の支持軸受が、前記ハウジングに嵌合される外輪と、この外輪に複数のボールを介して内嵌され、前記外輪よりも肉厚に形成された内輪と、前記ボールを転動自在に保持する保持器とを備え、前記カップリングの外径が前記内輪の外径と略同一径になるように肉厚に形成されると共に、前記カップリングが円環状に形成され、内周に前記ねじ軸の嵌合部に圧入される円筒状の嵌合面と、この嵌合面よりも小径で端面側に開口して前記モータ軸に外嵌される係合凹部を一体に備え、この係合凹部の側面と前記ねじ軸の端面との間に軸方向のすきまを有すると共に、前記カップリングの端面が前記支持軸受の内輪の端面に密着するまで当該カップリングが前記ねじ軸の嵌合部に圧入され、前記内輪が前記肩部とカップリングで挟持された状態で軸方向に固定されている。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係るボールねじ軸の支持構造を適用した電動リニアアクチュエータを示す縦断面図、図2は、図1の要部拡大図で、(a)は側面図、(b)は縦断面図、図3は、図2のボールねじ軸の支持構造の変形例を示す縦断面図、図4は、同上、他の変形例を示す縦断面図である。なお、本実施形態では、ボールねじ軸のモータ側をアウター側(図中左側)、反モータ側をインナー側(図中右側)と言う。
この電動リニアアクチュエータ1は、リンク2と、このリンク2を介して図示しない被駆動部材を揺動駆動するボールねじ3と、このボールねじ3を駆動し、ハウジング4に取付けられた電動モータ5とから構成されている。
ボールねじ3は、電動モータ5のモータ軸6に後述するカップリング20を介して連結され、電動モータ5により回転駆動されるねじ軸7と、このねじ軸7に多数のボール9を介して外挿されたナット8とを備えている。ねじ軸7の外周面に螺旋状のねじ溝7aが形成されると共に、ナット8の内周面にこのねじ溝7aに対向する螺旋状のねじ溝8aが形成されている。各ねじ溝7a、8aの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここでは、各ねじ溝7a、8aの断面形状は、ボール9との接触角が大きくとれ、軸方向すきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、アキシアル荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。
ねじ軸7は、一対の転がり軸受からなる支持軸受10、11を介してハウジング4に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承されている。一方、ナット8は、その外周面に一対の支持軸12が突設されている。この支持軸12は、リンク2の一端部を回転自在に支承し、ねじ軸7の軸心に対して直角に突設されている。これにより、ナット8は、軸方向移動自在に、かつ回転不可に支持される。
このような構成により、電動モータ5の回転に伴ってねじ軸7が回転し、このねじ軸7の回転によりナット8が軸方向(図中左右方向)に移動される。すなわち、このボールねじ3により、モータ軸6の回転運動がボールねじ3を介してナット8の軸方向運動に変換され、ナット8の支持軸12を介して連結されたリンク2が揺動運動する。
ここで、支持軸受10、11の少なくとも一方は4点接触玉軸受からなり、ねじ軸7の両端部に形成された嵌合部13、14に圧入されている。これらの支持軸受10、11は単列の転がり軸受でありながら、ねじ軸7に負荷される両方向の軸方向荷重およびモーメント荷重を支承することができ、軽量・コンパクト化を図ることができる。
モータ側の支持軸受10は、図2に拡大して示すように、図示しないハウジングに嵌合された外輪15と、この外輪15に複数のボール16を介して内嵌され、外輪15よりも肉厚に形成された内輪17と、ボール16を転動自在に保持する保持器18とを備えた4点接触玉軸受で構成されている。外輪15、内輪17およびボール16はSUJ2等の高炭素クロム鋼で形成され、ズブ焼入れによって芯部まで58〜64HRCの範囲に硬化処理されている。なお、ねじ軸7を支持する支持軸受10、11は例示した4点接触玉軸受に限らず、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受、あるいはこのアンギュラ玉軸受を複列に組み合せたもの、さらに複列アンギュラ玉軸受であっても良い。
ねじ軸7の端部に形成された嵌合部13には、内輪17の端面が当接する肩部19が形成されている。ねじ軸7のねじ端部は外径の円筒面が分断され、この肩部19は完全なフラットな面にならないため、支持軸受10が傾いた状態で固定される恐れがある。したがって、本実施形態では、肩部19のフラットな当接面が充分確保されるよう、嵌合部13の外径はねじ溝7aの底径よりも小径に形成されている。
ここで、ねじ軸7はS53C等の炭素0.40〜0.80重量%を含む中炭素鋼で形成され、ねじ溝7aをはじめ、このねじ溝7aから肩部19および嵌合部13に亙り高周波焼入れによって表面硬さを54〜64HRCの範囲に硬化層が形成されている。これにより、嵌合部13と肩部19のフレッティング摩耗を防止することができる。そして、ねじ軸7の嵌合部13に支持軸受10が圧入されると共に、内輪17のインナー側の端面17aが肩部19に当接された状態で、カップリング20が嵌合部13に所定のシメシロを介して圧入固定されている。
また、カップリング20は円環状に形成され、内周にねじ軸7の嵌合部13に圧入される円筒状の嵌合面21と、図示しないモータ軸に外嵌される4面取りからなる係合凹部22が形成されている。また、カップリング20の外径20aは内輪17の外径と略同一径になるように肉厚に形成されている。そして、インナー側の端面20bが内輪17のアウター側の端面17bに密着するまでカップリング20がねじ軸7の嵌合部13に強圧入され、内輪17は、ねじ軸7の肩部19とカップリング20で挟持された状態で軸方向にガタなく固定されている。このように、本実施形態では、カップリング20が肉厚に形成されてねじ軸7の嵌合部13に強圧入され、かつ係合凹部22によってモータ軸に連結されているので、内輪17の抜け耐力を確保することができると共に、ねじ軸7にトルク伝達用のフラット部等を形成することなく所望のトルクを伝達することができ、低コストで耐久性と信頼性を向上させたボールねじ軸の支持構造を提供することができる。
このカップリング20はS45C等の炭素0.40〜0.50重量%を含む炭素鋼、あるいはSUJ2等の高炭素クロム鋼で形成されている。高周波焼入れやズブ焼入れ等の熱処理によって少なくとも内周の嵌合面21と係合凹部22が表面硬さを40〜64HRCの範囲に硬化処理されている。これにより、耐摩耗性が向上し、長期間に亘って強度・耐久性を確保することができる。なお、ここでは、カップリング20の内周にモータ軸に外嵌される4面取りからなる係合凹部22が形成されているが、4面取りに限らず、2面取りや6面取りであっても良いし、また、スプライン等の凹凸歯であっても良い。
図3に支持構造の変形例を示す。なお、この実施形態は、前述したものと基本的にはカップリングの構成が異なるだけで、その他前述した実施形態と同一部品部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
ねじ軸7の嵌合部13に支持軸受10が圧入されると共に、内輪17のインナー側の端面17aが肩部19に当接された状態で、カップリング23が嵌合部13に所定のシメシロを介して圧入固定されている。
カップリング23は円環状に形成され、内周にねじ軸7の嵌合部13に圧入される円筒状の嵌合面21と、図示しないモータ軸に外嵌される4面取りからなる係合凹部22が形成されている。また、カップリング20の外径20aは内輪17の外径と略同一径になるように肉厚に形成されると共に、アウター側の係合凹部22の外径側に小径部23aが形成されている。さらに、モータ軸との連結作業を容易にするため、係合凹部22の開口部には傾斜角α(α=80〜100°)からなる角面取り22aが形成されている。
そして、インナー側の端面20bが内輪17のアウター側の端面17bに密着するまでカップリング23がねじ軸7の嵌合部13に強圧入され、内輪17は、ねじ軸7の肩部19とカップリング23で挟持された状態で固定されている。これにより、前述した実施形態と同様、内輪17を軸方向にガタなく固定でき、内輪17の抜け耐力を確保することができると共に、ねじ軸7にトルク伝達用のフラット部等を形成することなく所望のトルクを伝達することができ、低コストで耐久性と信頼性を向上させることができる。さらに、カップリング23に小径部23aが形成されているので、軽量化を図ることができると共に、回転イナーシャを低減することができる。
このカップリング23はSCr420等の浸炭鋼で形成され、浸炭焼入れによって表面硬さを40〜60HRCの範囲に硬化処理されている。これにより、耐摩耗性が向上し、長期間に亘って強度・耐久性を確保することができる。
図4に支持構造の他の変形例を示す。なお、この支持構造は、前述した支持軸受の内輪とカップリングとが一体化されたもので、その他前述した実施形態と同一部品部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この支持軸受24は、図示しないハウジングに嵌合された外輪15と、この外輪15に複数のボール16を介して内嵌され、外輪15よりも肉厚に形成された内輪25と、ボール16を転動自在に保持する保持器18とを備えている。そして、内輪25のインナー側の端面17aが肩部19に当接された状態で、内輪25が嵌合部13に所定のシメシロを介して圧入固定されている。
内輪25は円環状に形成され、内周にねじ軸7の嵌合部13に圧入される円筒状の嵌合面26と、図示しないモータ軸に外嵌される4面取りからなる係合凹部22が形成されている。この内輪25はSUJ2等の高炭素クロム鋼で形成され、ズブ焼入れによって芯部まで58〜64HRCの範囲に硬化処理されている。
この実施形態では、前述したカップリングと内輪25とが一体化されているので、前述した支持構造よりも軽量・コンパクト化することができ、充分な嵌合部26を確保して内輪25の抜け耐力を増大することができると共に、ねじ軸7にトルク伝達用のフラット部等を形成することなく所望のトルクを伝達することができ、低コストで耐久性と信頼性を向上させることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
本発明に係るボールねじ軸の支持構造は、ボールねじ軸を転がり軸受を介して回転自在に支持すると共に、電動モータのモータ軸とトルク伝達可能に連結されるボールねじ軸の支持構造に適用できる。
1 電動リニアアクチュエータ
2 リンク
3 ボールねじ
4 ハウジング
5 電動モータ
6 モータ軸
7 ねじ軸
7a、8a ねじ溝
8 ナット
9、16 ボール
10、11、24 支持軸受
12 支持軸
13、14 嵌合部
15 外輪
17、25 内輪
17a、17b 内輪の端面
18 保持器
19 肩部
20、23 カップリング
20a カップリングの外径
20b カップリングの端面
21、26 嵌合面
22 係合凹部
22a 角面取り
23a 小径部
50 支持軸受
51 外輪
52 ボール
53 ねじ軸
53a ねじ溝
54 内輪
54a、54b 内輪の端面
55 保持器
56 嵌合部
56a 嵌合部の端部
57 肩部
58 スペーサリング
59 加締部
60 フラット部
α 傾斜角

Claims (8)

  1. ハウジングに対してボールねじのねじ軸が支持軸受を介して回転自在に支持され、電動モータのモータ軸にカップリングを介して連結されたボールねじ軸の支持構造において、
    前記ねじ軸の両端部に嵌合部と肩部が形成され、前記嵌合部に所定のシメシロを介して前記支持軸受が圧入されると共に、
    前記カップリングが円環状に形成され、内周に前記ねじ軸の嵌合部に圧入される円筒状の嵌合面と、この嵌合面よりも小径で端面側に開口して前記モータ軸に外嵌される係合凹部を一体に備え、この係合凹部の側面と前記ねじ軸の端面との間に軸方向のすきまを有すると共に、前記カップリングの端面が前記支持軸受の内輪の端面に密着するまで当該カップリングが前記ねじ軸の嵌合部に圧入され、前記内輪が前記肩部とカップリングで挟持された状態で軸方向に固定されていることを特徴とするボールねじ軸の支持構造。
  2. 前記支持軸受のうち前記電動モータ側の支持軸受が、前記ハウジングに嵌合される外輪と、この外輪に複数のボールを介して内嵌され、前記外輪よりも肉厚に形成された内輪と、前記ボールを転動自在に保持する保持器とを備え、前記カップリングの外径が前記内輪の外径と略同一径になるように肉厚に形成されている請求項1に記載のボールねじ軸の支持構造。
  3. 前記カップリングの係合凹部の外径側に小径部が形成されている請求項1または2に記載のボールねじ軸の支持構造。
  4. 前記カップリングと内輪が一体に形成されている請求項1乃至3いずれかに記載のボールねじ軸の支持構造。
  5. 前記ねじ軸の肩部から嵌合部に亙って高周波焼入れによって所定の表面硬さに硬化処理されている請求項1乃至4いずれかに記載のボールねじ軸の支持構造。
  6. 前記カップリングが熱処理によって少なくとも前記嵌合面と係合凹部が表面硬さを40〜64HRCの範囲に硬化処理されている請求項1乃至5いずれかに記載のボールねじ軸の支持構造。
  7. 前記係合凹部が複数のフラット面または凹凸歯で構成されている請求項1乃至6いずれかに記載のボールねじ軸の支持構造。
  8. 前記支持軸受の少なくとも一方の支持軸受が4点接触玉軸受で構成されている請求項1乃至7いずれかに記載のボールねじ軸の支持構造。
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