JP5341893B2 - ねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ軸の外周面の螺旋状の転動体転走溝とナットの内周面の螺旋状の負荷転動体転走溝との間に、転がり運動可能に複数の転動体を介在させたねじ装置に関する。

ボールねじは回転運動を直線運動に変換する機械要素である。ナットに対してねじ軸を相対的に回転させるときの摩擦を低減するために、ねじ軸の外周面のボール転走溝とこれに対向するナットの内周面の負荷ボール転走溝との間の負荷ボール転走路には、転がり運動可能に複数のボールが介在される。

ねじ軸とナットとの間を転がるボールを循環させるために、ナットにはリターンパイプが取り付けられる。リターンパイプには、ナットの螺旋状の負荷ボール転走溝の一端と他端とを接続する無負荷戻し路が形成される。ねじ軸とナットとの間を転がるボールは、ナットの負荷ボール転走溝の一端まで転がった後、リターンパイプの無負荷戻し路内に掬い上げられ、無負荷戻し路を経由した後、ナットの負荷ボール転走溝の他端に戻される。

ナットの負荷ボール転走溝の一端と他端とは、ねじ軸の軸線方向からみて周方向に１８０度離れている。このため、負荷ボール転走路の巻数は２．５巻、３．５巻等になる。このような巻数になると、ねじ軸の軸線方向からみて、リターンパイプが設けられているナットの上側半分のボールの個数と、リターンパイプが設けられていないナットの下側半分のボールの個数が異なってしまう。ナットの上側半分とナットの下側半分とで負荷できる荷重が異なるので、ボールねじの負荷バランスが悪くなる。

負荷ボール転走路の巻数を２巻、３巻、４巻等の整数に近付けることができれば、この問題を解決することができる。特許文献１には、負荷ボール転走路の巻数を整数に近づけたボールねじが開示されている。

特許文献１に記載のボールねじにおいて、ボールを循環させるための循環部品は、ナットの軸線方向に伸びるリターンチューブと、リターンチューブの軸線方向の両端部に取り付けられる一対の入れ子と、から構成される。入れ子は、負荷ボール転走路を移動するボールをねじ軸の半径方向に掬い上げ、リターンチューブに移動させる。リターンチューブはねじ軸の軸線と平行に配置される。ねじ軸の軸線方向からみて、手前側の入れ子がボールを掬い上げる位置と奥側の入れ子がボールを掬い上げる位置は一致している。このため、負荷ボール転走路の巻数を整数にすることができる。

実公平６−３７２２７号公報

しかし、特許文献１に記載のボールねじにあっては、ねじ軸の外周面を転がるボールが入れ子に衝突してその移動方向を急激に半径方向に変化させるので、円滑に循環することができないという問題がある。しかも、循環部品が、リターンチューブと、リターンチューブの長さ方向の両端部に設けられる一対の入れ子と、から構成されるので、部品点数が多くなるという問題もある。すなわち、特許文献１に記載のボールねじは、整数巻きを実現できるものの、ボールの円滑な循環や、循環部品の製造上の問題から実用できるボールねじとはいえない。

そこで本発明は、整数巻きを実現することができる実用性の高いねじ装置を提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有すると共に、前記負荷転動体転走溝の一端と他端とに接続される無負荷戻し路を有するナットと、前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナットの前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路、及び前記無負荷戻し路から構成される循環経路に循環可能に配列される複数の転動体と、を備え、前記無負荷戻し路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成されて、前記負荷転動体転走路を移動する前記転動体を円弧状の軌道に沿って掬い上げる掬上げ通路と、中心線が前記ナットの軸線と平行に形成されて、前記転動体を前記ナットの軸線と平行に移動させる軸線方向通路と、を有し、前記掬上げ通路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成され、かつ前記ナットの側面方向から見て、中心線が円弧状に形成される非直線領域を有し、前記ナットは、内周面に前記負荷転動体転走溝が形成されるナット本体と、前記ナット本体に装着され、前記無負荷戻し路が形成される循環部品と、を備えるねじ装置である。
本発明の他の態様は、外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有すると共に、前記負荷転動体転走溝の一端と他端とに接続される無負荷戻し路を有するナットと、前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナットの前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路、及び前記無負荷戻し路から構成される循環経路に循環可能に配列される複数の転動体と、を備え、前記無負荷戻し路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成されて、前記負荷転動体転走路を移動する前記転動体を円弧状の軌道に沿って掬い上げる掬上げ通路と、中心線が前記ナットの軸線と平行に形成されて、前記転動体を前記ナットの軸線と平行に移動させる軸線方向通路と、を有し、前記掬上げ通路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成され、かつ前記ナットの側面方向から見て、中心線が円弧状に形成される非直線領域を有し、前記ナットは、内周面に前記負荷転動体転走溝が形成されると共に、前記軸線方向通路が形成されるナット本体と、前記ナット本体の前記軸線方向の端面又は外径部に装着され、前記掬上げ通路が形成される循環部品と、を備えるねじ装置である。

本発明によれば、ねじ軸の外周面を移動する転動体を円弧状の軌道に沿って掬い上げることができるので、転動体を円滑に循環させることができる。また、無負荷戻し路にナットの軸線と平行な軸線方向通路を設け、ボールをナットの軸線と平行に循環させることで、ナットの軸線方向からみた無負荷戻し路の入口と出口を同じ位置に近づけることができ、負荷転動体転走路の巻数を整数に近づけることができる。
また、掬上げ通路にナットの軸線方向からみてもナットの側方からみても円弧状の非直線領域を形成することで、ナットの半径方向の寸法を小さくできる。

本発明の第一の実施形態のボールねじの斜視図 ナットの斜視図 循環部品の拡大図 ねじ軸のボール転走溝及びナットの負荷ボール転走溝の断面図 循環部品を取り外したナットの斜視図 ボールねじの循環経路を示す斜視図 ナットの側方からみた循環経路の中心線を示す図 ナットの軸線方向からみた無負荷戻し路の中心線を示す図 ねじ軸上に展開された無負荷戻し路の斜視図（図中（ａ）は斜視図を示し、（ｂ−１）は正面図を示し、（ｂ−２）は側面図を示す） ねじ軸及び循環部品の斜視図 ねじ軸及び循環部品の正面図 ナットに取り付けられた循環部品の斜視図 ナットに取り付けられた循環部品の正面図（一部断面を含む） 循環部品の無負荷戻し路の断面形状の変化を示す図 循環部品の無負荷戻し路の断面形状の変化を示す図 掬上げ通路の断面の詳細図 従来のボールねじの面取り加工を示す概念図 完全な整数巻きを実現するための循環経路の正面図 ねじ軸の頂点にボールを二つ並べた状態を示す正面図 本発明の第二の実施形態のボールねじの斜視図 ナットの側面図 ナットの正面図 ナットの平面図 循環部品を取り外したナットの平面図 循環部品の分割体の斜視図 循環部品の斜視図 循環部品の掬上げ部の詳細図（図２６のIIXVI部） 循環経路の斜視図 循環経路の側面図 本発明の第三の実施形態のボールねじを示す図（図中（ａ）はねじ軸の軸線に沿った断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す） ナットの端面に装着される端面ピースを示す斜視図 端面ピースを移動するボールを示す断面図 本発明の第四の実施形態のボールねじの斜視図 軸受の断面図 本発明の第四の実施形態のボールねじの使用方法の一例を示す図 本発明の第四の実施形態のボールねじの循環経路を示す図（図中（ａ）は正面図を示し、（ｂ）は側面図を示す） ボールの位置と玉荷重との関係を示すグラフ（図中（ａ）は本発明例、（ｂ）はリターンパイプを使用した従来例）

図１は、本発明の第一の実施形態のねじ装置としてのボールねじの斜視図を示す。ボールねじは、外周面に螺旋状の転動体転走溝であるボール転走溝１ａを有するねじ軸１と、内周面にボール転走溝１ａに対向する螺旋状の負荷転動体転走溝である負荷ボール転走溝２ａを有すると共に負荷ボール転走溝１ａの一端と他端を接続する無負荷戻し路を有するナット２と、ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット２の負荷ボール転走溝２ａとの間の負荷ボール転走路及び無負荷戻し路から構成される循環経路に循環可能に介在される複数の転動体であるボール３（図４参照）と、を備える。

ねじ軸１の外周面には、所定のリードのボール転走溝１ａが研削加工や転造加工によって形成される。図４に示されるように、ボール転走溝１ａの断面形状は、ボール３の半径よりも僅かに大きい半径の二つの円弧４を含むゴシックアーチ溝形状に形成される。二つの円弧の中心Ｃ１は、ボール３の中心Ｃ２よりも離れた位置にある。ボール３はゴシックアーチ溝形状のボール転走溝１ａに二点で接触する。ボール３の中心Ｃ２とゴシックアーチ溝の底５と結んだ線Ｌと、円弧４とボール３との接触点６とボール３の中心Ｃ２とを結んだ線のなす接触角θは、例えば４０〜５０度に設定される。ボール転走溝１ａは、熱処理された後、研削加工される。ボール転走溝１ａの両側の縁に円弧状の面取り７を施してもよいし、ゴシックアーチ溝の底５に研削時の逃げになる逃げ溝を形成してもよい。

図２及び図３は、ねじ軸１を取り外した状態のナット２の斜視図を示す。ナット２は、内周面に螺旋状の負荷ボール転走溝２ａが形成されるナット本体９と、ナット本体９に装着される循環部品８と、から構成される。ナット本体９には、ねじ軸１が貫通する貫通孔２ｅが開けられる。ナット本体９の内周面には、所定のリードの螺旋状の負荷ボール転走溝２ａが研削加工によって形成される。図４に示されるように、負荷ボール転走溝２ａの断面形状は、ボール３の半径よりも僅かに大きい半径の二つの円弧４を含むゴシックアーチ溝形状に形成される。ゴシックアーチ溝形状はねじ軸１のボール転走溝１ａと同一である。負荷ボール転走溝２ａは、熱処理された後、研削加工される。

ナット本体９の軸線方向の一端部には、ナット本体９を相手方の機械部品に取り付けるためのフランジ２ｂが形成される。ナット本体９の外周面には、平坦な平取り部２ｃが形成される。平取り部２ｃには、循環部品８が装着される。循環部品８には、ナット本体９の負荷ボール転走溝の一端及び他端に接続される無負荷戻し路１０（図６参照）が形成される。

図５は、循環部品８及びナット本体９の斜視図を示す。循環部品８の無負荷戻し路１０は、その長さ方向の両端部に、ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体９の負荷ボール転走溝２ａとの間の負荷ボール転走路１２を転がるボール３を無負荷戻し路１０内に掬い上げる一対の掬上げ通路２２を有する。各掬上げ通路２２には、負荷ボール転走路を移動するボール３に接触して無負荷戻し路１０内に導く掬上げ部１４が形成される。ナット本体９の平取り部２ｃには、ナット本体９の外面から内面まで貫通し、循環部品８の一対の掬上げ部１４が嵌められる一対の貫通孔１５が開けられる。貫通孔１５は、ナット本体９の負荷ボール転走溝２ａに沿って伸びる。一対の貫通孔１５の間には、ナット本体９の軸線方向に伸びる切欠き溝１６が形成される。切欠き溝１６は、平らな溝底１６ａと、この溝底１６ａから立ち上がり、対向する一対の平らな内壁面１６ｂと、を有する。溝底１６ａは、平取り部２ｃの平面と平行であり、かつナット本体９の軸線と平行である。内壁面１６ｂはナット本体９の軸線と平行であり、かつ溝底１６ａが含まれる平面に直交する。

ナット本体９の貫通孔１５及び切欠き溝１６には、循環部品８が嵌められる。循環部品８の外形形状は、一対の掬上げ部１４を含む一対の端部８ａと、一対の端部８ａ間の本体部８ｂと、を有する。端部８ａはナット本体９の負荷ボール転走溝２ａに沿って細長く伸びる。端部８ａの断面形状は貫通孔１５の断面形状に一致する。本体部８ｂは、ナット本体９の軸線方向に伸びる。本体部８ｂの断面形状は、四角形と半円形とを組み合わせた形状である。本体部８ｂの側面には、切欠き溝１６の内壁面１６ｂに対応した一対の平らな外壁面１７が形成される。本体部８ｂの底面１９は、切欠き溝１６の溝底１６ａに対応した平面に形成される。

この循環部品８は、無負荷戻し路１０に沿って二分割された一対の分割体１８を結合させてなる。図中符号２４ａが分割面である。一対の分割体１８は同じ形状に形成され、共通の金型に樹脂を射出成形することで製造される。一対の分割体１８はレーザー溶接等の溶接、溶着、又は接着によって結合される。循環部品８を無負荷戻し路１０に沿って二分割された一対の分割体１８から構成することで、部品点数を削減することができる。

図２に示されるように、循環部品８をナット本体９に装着するとき、循環部品８の一対の端部８ａがナット本体９の一対の貫通孔１５に嵌まる。そして、循環部品８の本体部８ｂがナット本体９の切欠き溝１６に嵌まる。図３に示されるように、循環部品８の本体部８ｂの上部２０は切欠き溝１６から突出する。本体部８ｂの上部２０は、押え部材２１によって押さえられる。押え部材２１は、本体部８ｂの上部に合わせてＵ字状に曲げられた本体押え２１ａと、本体押え２１ａの両側に設けられる取付け座２１ｂと、から構成される。押え部材２１は、金属板を曲げ加工することで製造される。取付け座２１ｂには通し孔２１ｃが開けられる。通し孔２１ｃにボルトを通し、ボルトをナット本体９のねじ穴にねじ込むことで、押え部材２１がナット本体９に取り付けられる。循環部品８は押え部材２１とナット本体９の切欠き溝１６との間に挟まれ、ナット本体９に固定される。

図５に示されるように、循環部品８がナット本体９の切欠き溝１６に嵌まり、循環部品８の本体部８ｂの底面１９がナット本体９の切欠き溝１６の溝底１６ａに接触することによって、ナット本体９の軸線と直交する平面において、循環部品８のＸ方向位置が位置決めされる。また、循環部品８の本体部８ｂの外壁面がナット本体９の切欠き溝１６の内壁面１６ｂに接触することによって、当該平面上の循環部品８のＹ方向位置が位置決めされる。そして、循環部品８の端部８ａがナット本体９の貫通孔１５に嵌まることによって、ナット本体９の軸線方向における循環部品８のＺ方向位置が位置決めされる。すなわち、循環部品８がナット本体９に嵌まることによって、ナット本体９に対して循環部品８を、ひいてはナット本体９の負荷ボール転走溝２ａに対して循環部品８の掬上げ部１４を正確に位置決めすることができる。これにより、無負荷戻し路１０と負荷ボール転走路１２との間で円滑にボール３を移動させることができる。また、循環部品８を切欠き溝１６の内壁面１６ｂ間に挟むことによって、二分割された循環部品８の分割面２４ａが開くことを防止できる。

図６は、ボールねじのボール循環経路を示す。ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体９の負荷ボール転走溝２ａとの間には、螺旋状の負荷ボール転走路１２が形成される。負荷ボール転走路１２の一端から他端まで移動するボール３を循環させることができるように、負荷ボール転走路１２の一端と他端には無負荷戻し路１０が接続される。負荷ボール転走路１２及び無負荷戻し路１０から構成される循環経路には、多数のボール３が配列・収容される。上述のように、無負荷戻し路１０は循環部品８に形成される。無負荷戻し路１０は、負荷ボール転走路１２の巻数が２巻、３巻、４巻等の整数に近くなるように、ナット２の軸線と平行な軸線方向通路２４を有する。軸線方向通路２４の両端部には、繋ぎ通路２３及び掬上げ通路２２が形成される。

図７は、ナット２の側方からみた循環経路の中心線（ボール３の中心の軌道）を示し、図８は、ナット２の軸線方向からみた無負荷戻し路１０の中心線（ボール３の中心の軌道）を示す。無負荷戻し路１０は、一対の掬上げ通路２２、一対の繋ぎ通路２３、及び軸線方向通路２４に分けることができる。図８に示されるように、掬上げ通路２２は、ナット２の軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成されて、負荷ボール転走路１２を移動するボール３を円弧状の軌道に沿って掬い上げる。ここで、円弧状とは、円弧、楕円、クロソイド曲線を含む。従来のボールねじにおいては、ナット２の軸線方向からみて、円形状の負荷ボール転走路１２の接線方向に直線状の軌道に沿ってボール３を掬い上げていた。これに対して、本実施形態のボールねじにおいては、円弧状の軌道に沿ってボール３を掬い上げる。負荷ボール転走路１２から掬上げ通路２２にボール３が円滑に移動するように、ナット２の軸線方向からみて、負荷ボール転走路１２の中心線と掬上げ通路２２の中心線との接続点Ｐ１（掬上げ点）においてこれらの中心線の接線方向が一致する。

図７に示されるように、ナット２の側方からみて、掬上げ通路２２の中心線はナット２の軸線２ｆと直交する。掬上げ通路２２と軸線方向通路２４とを接続する繋ぎ通路２３の中心線は、円弧形状に形成される。繋ぎ通路２３は、ボール３を半径方向に移動させると共に、ボール３をナット２の内方に移動させる。繋ぎ通路２３は軸方向に９０度に曲げられた後、中心線がナット２の軸線２ｆと平行な軸線方向通路２４に接続される。軸線方向通路２４は、ボール３をナット２に軸線と平行に移動させる。軸線方向通路２４を移動したボール３は、反対側の繋ぎ通路２３及び掬上げ通路２２を経由して再び負荷ボール転走路１２に戻される。図８に示されるように、手前側の掬上げ通路２２と奥側の掬上げ通路２２とは、ナット２の中心線２ｇを境にした線対称に形成される。なお、ナット２の側方からみた掬上げ通路２２の中心線は、負荷ボール転走路１２のリードに合わせて傾けられてもよい。リードに合わせて傾けることにより、より円滑にボールを移動させることができる。

図９（ａ）は、ねじ軸１上に展開された無負荷戻し路１０の斜視図を示す。循環部品８の無負荷戻し路１０にナット２の軸線と平行な軸線方向通路２４を設け、ボール３をナット２の軸線と平行に循環させることで、ナット２の軸線方向からみた無負荷戻し路１０の入口と出口を同じ位置に近づけることができる。このため、負荷ボール転走路１２の巻数を整数に近づけることできる。また、循環部品８の掬上げ通路２２がボール３を円弧状の軌道に沿って掬い上げるので、ボール３を円滑に循環させることができると共に、負荷ボール転走路１２の巻数を整数により近づけることができる。

図９(ｂ−１)に示されるように、無負荷戻し路１０の掬上げ通路２２には、ナット２の軸線方向からみてその中心線が円弧状に形成され、かつ図９（ｂ−２）に示されるように、ナット２の側方からみてその中心線が円弧状に形成される非直線領域２２ａを有する。ナット２の軸線方向からみて円弧状に形成される掬上げ通路２２と、ナット２の側方からみて円弧状に形成される繋ぎ通路２３とを直線領域を介して接続すると、ナット２の半径方向の寸法が大きくなってしまう。掬上げ通路２２にナット２の軸線方向からみてもナット２の側方からみても円弧状の非直線領域を形成することで、ナット２の半径方向の寸法を小さくできる。なお、掬上げ通路２２の一部を非直線領域２２ａにしてもよいし、掬上げ通路２２の全体を非直線領域２２ａにしてもよい。

図１０及び図１１は、ねじ軸１及び循環部品８を示す。ねじ軸１上に展開される無負荷戻し路１０は、循環部品８に形成される。循環部品８の無負荷戻し路１０は、ボール３の周囲を囲む円形状に形成される。循環部品８の無負荷戻し路１０には、入口１０ａと出口１０ｂが設けられる。入口１０ａが負荷ボール転走路１２の一端に接続され、出口１０ｂが負荷ボール転走路１２の他端に接続される。循環部品８は、無負荷戻し路１０の中心線に沿って二分割される。図１０に示されるように、無負荷戻し路１０の軸線方向通路２４は、ねじ軸１の軸線と平行な分割面２４ａで二分割され、図１１に示されるように、無負荷戻し路１０の繋ぎ通路２３及び掬上げ通路２２は、ねじ軸１の軸線方向からみて、これらの中心線に沿った分割面２４ｂで二分割される。掬上げ通路２２の掬上げ部１４で分割されないように、掬上げ部１４は二分割された分割体のそれぞれに形成される。

図１２及び図１３は、ナット本体９に取り付けられた循環部品８の詳細図を示す。循環部品８の掬上げ通路２２には、負荷ボール転走路１２を転がるボール３を掬い上げる掬上げ部１４が形成される。図１３に示されるように、ねじ軸１の軸線方向からみて、掬上げ部１４の背面１４ａは繋ぎ通路２３の中心線と平行である。掬上げ部１４の内周面１４ｂには円弧状の曲面が形成される。掬上げ部１４はねじ軸１に接近するにしたがって徐々に肉厚が厚くなる。掬上げ部１４の下端の肉厚を厚くすることで、ボール３が衝突する掬上げ部１４の強度を高くすることができる。

図１３に示されるように、循環部品８の掬上げ通路２２の端部には、ねじ軸１のボール転走溝１ａに対向する拘束部２８が形成される。拘束部２８がナット本体９の負荷ボール転走溝２ａに接続される。拘束部２８の、ボール３の進行方向と直交する面内での断面形状は、ナット本体９の負荷ボール転走溝２ａの断面形状に合わせたゴシックアーチ溝形状に形成される。ねじ軸１のボール転走溝１ａと循環部品８の拘束部２８との間に挟まれるボール３の遊びは、閉曲線の断面を持つ無負荷戻し路１０におけるボール３の遊びよりも小さい。拘束部２８を設けることで、無負荷戻し路１０と負荷ボール転走路１２との間を移行するボール３の軌道を安定させることができる。

循環部品８の掬上げ部１４の、ボール３の進行方向と直交する面内での断面形状は、ボール３の半径よりも僅かに大きい曲率半径の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。循環部品８の繋ぎ通路２３及び軸線方向通路２４の断面形状は、ボール３の半径よりも僅かに大きい半径の円形状に形成される。

図１４及び図１５は、循環部品８の無負荷戻し路１０の断面形状の変化を示す。(1)から(2)に至る領域、すなわち負荷ボール転走路１２及び循環部品８の拘束部２８の領域においては、これらの断面形状がゴシックアーチ溝形状に形成される。(2)から(3)に到る領域、すなわち掬上げ通路２２の領域においては、掬上げ通路２２の外側の断面形状は、拘束部２８に合わせたゴシックアーチ溝形状からサーキュラーアーク溝形状に除々に変化する。掬上げ通路２２の内側の掬上げ部１４の断面形状はサーキュラーアーク溝形状に形成される。(3)から(4)に至る領域、すなわち繋ぎ通路２３及び軸線方向通路２４の領域においては、これらに断面形状が円形状に形成される。(4)から(5)に至る領域の無負荷戻し路１０の断面形状は、(2)から(3)に至る領域と同一である。(5)から(6)に至る領域の無負荷戻し路１０の断面形状は、(1)から(2)に至る領域と同一である。

図１６は、(2)から(3)に至る領域である掬上げ通路２２の断面の詳細図を示す。掬上げ通路２２においては、ナット本体９側（拘束部２８側）の断面形状が二つの円弧Ｒ１からなるゴシックアーチ溝形状に形成される。その一方、ねじ軸１側（掬上げ部１４側）の断面形状が単一の円弧Ｒ２からなるサーキュラーアーク溝形状に形成される。

図１３に示されるように、負荷ボール転走路１２においては、ボール３はねじ軸１のボール転走溝１ａとナット本体９の負荷ボール転走溝２ａとの間に挟まれて、圧縮荷重を受けながら転がり運動する。一方、循環部品８の無負荷戻し路１０では、ボール３と無負荷戻し路１０との間には僅かな遊びがあり、ボール３は負荷を受けることなく、後続のボール３に押されながら移動する。

従来のボールねじにおいては、ボール３の循環経路は無負荷域の無負荷戻し路１０と負荷域の負荷ボール転走路１２との二種類が存在している。これに対して、本実施形態のボールねじにおいては、無負荷域の無負荷戻し路１０と負荷域の負荷ボール転走路１２との間に、拘束部２８が設けられて遊びの少ない中間領域が存在する。この中間領域では、後続のボール３に押し込まれることによってではなく、ねじ軸１の回転によって、ボール３が負荷ボール転走路１２に引き込まれる。このため、無負荷域から負荷域にボール３を円滑に移動させることができる。また、ボール３が負荷ボール転走路１２から無負荷戻し路１０へ移動するときも、循環部品８の拘束部２８とねじ軸１との間で案内されるので、ボール３を無負荷戻し路１０の内方へ円滑に移動させることができる。

また、循環部品８の無負荷戻し路１０の拘束部２８の断面形状をナット本体９の負荷ボール転走溝２ａの断面形状に合わせたゴシックアーチ溝形状に形成することで、拘束部２８で正しく整列されたボール３を負荷ボール転走溝２ａへ円滑に移動させることができる。拘束部２８におけるボール３の遊びが負荷ボール転走路１２に近付くにしたがって徐々に小さくなるようにすることで、ボール３をより円滑に移動させることができる。

図１７に示されるように、従来のボールねじにおいては、循環部品８の無負荷戻し路１０の断面形状がサーキュラーアーク溝形状に形成される。一方、ナット本体９の負荷ボール転走溝２ａの断面形状はゴシックアーチ溝形状に形成される。このため、ナット本体９の負荷ボール転走溝２ａの繋ぎ目に断面形状を連続にするための面取り２９を加工する必要があった。これに対して、本実施形態のように、循環部品８の拘束部２８の断面形状をゴシックアーチ溝形状に形成することで、ナットに面取り加工しなくてもボール３が無負荷戻し路１０から負荷ボール転走溝２ａへ容易に乗り移ることができる。

図１３に示されるように、掬上げ部１４にはボール３が衝突する。掬上げ部１４の断面形状をゴシックアーチ溝形状に形成すると、ボール３が衝突する掬上げ部１４の先端にエッジが生じ易い。掬上げ部１４の断面形状をサーキュラーアーク溝形状に形成し、掬上げ部１４の先端を円弧状に丸めることで、掬上げ部１４の先端にエッジが発生するのを防止できる。また、無負荷戻し路１０の繋ぎ通路２３及び軸線方向通路２４の断面形状を円形状に形成することで、金型による分割体１８の製造が容易になる。

図１８は、完全な整数巻きを実現するための循環経路を示す。ナット２の軸線方向からみて、ねじ軸１の中心Ｓ１と循環部品８の軸線方向通路２４の中心（繋ぎ通路２３の中心線）を結んだ線Ｌ１（中心線）から、ねじ軸１の中心Ｓ１とナット本体９の負荷ボール転走溝と循環部品８の掬上げ通路２２との境目Ｂ１（図１３参照、循環開始点）とを結んだ線Ｌ２までの、負荷ボール転走路１２におけるボール３の中心の円弧形状の軌道上の距離αが０より大きく、かつボール直径の１．５倍以下に設定される。距離αが短くなればなる程、ターンすることが難しくなるので、掬上げ通路２２の中心線を、ナット２の中心線Ｌ１を超えた後、再びナット２の中心線Ｌ１上に戻るように設計してもよい。

もし距離αが０ならば、ねじ軸１の軸線方向からみて、ボール３を掬い上げる位置において、手前と奥のボール３が重なってしまう分、負荷を受けられるボール３の数が負荷ボール転走路１２の他の部分よりも一個多くなる。その一方、円弧状の距離αが１・Ｄａ（直径）以上であると、ボール３を掬い上げる位置において、逆に負荷を受けられるボール３の数が他の部分よりも一個少なくなる。ただし、ターンする距離が長くなるので、ボール３をターンさせ易くなる。整数巻きに近付けることと、ボール３のターンのし易さを考慮して、距離αを０より大きく、かつボール直径の１．５倍以下に設定する。円弧状の距離αをボール直径の０．４倍以上かつ０．６倍以下、望ましくは０．５倍に設定することで、図１９に示されるように、ねじ軸１の軸線方向からみて、手前側と奥側にある二個のボール３を接触するように並べることができ、負荷ボール転走路１２にすきまなくボール３を配列することができる。言い換えれば、手前側でボール３が負荷ボール転走路１２から掬われるのと同時に、奥側でボール３が負荷ボール転走路１２に戻る。したがって、完全な整数巻きが実現できるねじ装置が得られる。

図２０は、本発明の第二の実施形態のボールねじの斜視図を示す。この実施形態のボールねじにおいても、負荷ボール転走路３３の巻数は整数に近づけられている。ねじ軸３１にボール転走溝３１ａが形成され、ナット本体４４に負荷ボール転走溝３２ａが形成される点は、上記第一の実施形態のボールねじと同一である。

図２１及び図２２は循環部品３４が取り付けられたナット３２を示す。循環部品３４には、負荷ボール転走路３３の一端と他端に接続される無負荷戻し路３５が形成される。無負荷戻し路３５は、負荷ボール転走路３３を移動するボールを円弧状の軌道に沿って掬い上げる掬上げ通路３６（図２２参照）と、掬い上げたボールを半径方向に移動させる繋ぎ通路３７（図２２参照）と、ボールをナット３２の軸線と平行に移動させる軸線方向通路３８（図２１参照）と、から構成される。

図２３に示されるように、循環部品３４は、ナット３２の軸線に沿って二分割された一対の分割体３９を結合させてなる。

図２４に示されるように、ナット本体４４にはその外側から内側に貫通する一対の貫通孔３２ｂが開けられる。一対の貫通孔３２ｂは、ナット本体４４の軸線方向に並べられる。

図２５及び図２６は、循環部品３４の詳細図を示す。一対の分割体３９のそれぞれに負荷ボール転走路３３を移動するボールを円弧の軌道に沿って掬い上げる掬上げ部４０が形成される。

図２７は掬上げ部４０の詳細図を示す。循環部品３４の無負荷戻し路３５の長さ方向の端部の、ナット本体４４の負荷ボール転走溝３２ａに接続される部分には、拘束部４２が形成される。この拘束部４２とねじ軸３１との間には、ボール４１が挟まれる。拘束部４２の断面形状は、ナット本体４４の負荷ボール転走溝３２ａの断面形状に合わせたゴシックアーチ溝形状に形成される。一方、循環部品３４の掬上げ部４０の断面形状は、ボール４１の半径よりも大きい半径のサーキュラーアーク溝形状に形成される。

図２８及び図２９は、循環経路を循環するボール４１を示す。ナット３２に対してねじ軸３１を相対的に回転させると、ねじ軸３１とナット本体４４との間の負荷ボール転走路３３をボール４１が転がり運動する。負荷ボール転走路３３の一端まで移動したボール４１は、循環部品３４の掬上げ部４０によって、円弧状の軌道に沿って掬い上げられる。循環部品３４の掬上げ通路３６、繋ぎ通路３７、軸線方向通路３８を通過したボール４１は、反対側の繋ぎ通路３７、掬上げ通路３６を経由して再び負荷ボール転走路３３に戻される。ボール４１が負荷ボール転走路３３に戻されるとき、ねじ軸３１の回転によって、ねじ軸３１と循環部品３４の拘束部４２との間に挟まれるボール４１が負荷ボール転走路１２に引き込まれる。このため、ボール４１を円滑に移動させることができる。

図３０は、本発明の第三の実施形態のボールねじを示す。図中（ａ）はボールねじの断面図を、（ｂ）は正面図を示す。ボールを循環させるための循環部品の構造が上記第一及び第二の実施形態と異なり、循環部品としての端面ピース５４がナット本体５３の軸線方向の端面５３ａに装着される。

ねじ軸５１の外周面には、螺旋状のボール転走溝５１ａが形成される。この実施形態では、ボール転走溝５１ａの条数は二条である。ナット５２のナット本体５３の内周面には、ねじ軸５１のボール転走溝５１ａに対向する螺旋状の負荷ボール転走溝５２ａが形成される。ねじ軸５１のボール転走溝５１ａとナット本体５３の負荷ボール転走溝５２ａとの間で螺旋状の負荷ボール転走路５５が構成される。ナット本体５３の内部には、その軸線と平行に貫通孔５６が設けられる。この貫通孔５６は無負荷戻し路の軸線方向通路を構成する。なお、この実施形態のようにナットの貫通孔５６自体が軸線方向通路を構成してもよいし、貫通孔５６に挿入されるパイプが軸線方向通路を構成してもよい。

図３１に示されるように、ナット本体５３の端面５３ａには凹所５３ｂが形成され、この凹所５３ｂに循環部品としての端面ピース５４が嵌め込まれる。凹所５３ｂは貫通孔５６に連通していて、貫通孔５６の長さ方向の両端部に一対の端面ピース５４が設けられている。端面ピース５４には、掬上げ通路及び繋ぎ通路が形成される。掬上げ通路及び繋ぎ通路の構成は上記第一の実施形態のボールねじと同一である。また、端面ピース５４にはねじ通し穴５４ａが設けられる。ねじ通し穴５４ａにねじを通し、ナット本体５３にねじを締めることにより、端面ピース５４がナット本体５３に固定される。端面ピース５４は掬上げ通路及び繋ぎ通路に沿って二分割されてもよいし、二分割されてなくてもよい。

図３２は、端面ピース５４の掬上げ通路５８を移動するボール５９の軌道を示す。負荷ボール転走路５５を移動するボール５９は掬上げ通路５８の掬上げ部６１によって掬い上げられる。掬上げ通路５８の中心線は負荷ボール転走路５５の中心線と連続する円弧状に形成される。ボール５９は円弧状の軌道に沿って掬い上げられる。このボールねじにおいても、上記第一及び第二の実施形態のボールねじ同様に、負荷ボール転走路５５に接する円弧状の軌道に沿った掬上げ、有効ボール数の増加、掬上げ部の強度の向上、負荷バランスの向上が可能になる。

図３３は、本発明の第四の実施形態のボールねじを示す。この実施形態のボールねじにおいては、ナット本体７３の外周に一体に軸受７４が設けられる。図３４の軸受７４の断面図にも示されるように、軸受７４は、ナット本体７３と一体の内輪７５と、内輪７５の外側に配置される外輪７６と、内輪７５と外輪７６との間に配列される複数列の転動体列、例えば二列のローラ列と、から構成される。

内輪７５の外周面には、断面Ｖ字形状の二列のローラ転走面７５ａが形成される。外輪７６には、フランジのように外輪７６を相手部品に取り付けるための複数のざぐり穴７６ｂが加工される。外輪７６の内周面には、内輪７５のローラ転走面７５ａに対向する断面Ｖ字形状の二列のローラ転走面７６ａが形成される。内輪７５のローラ転走面７５ａと外輪７６のローラ転走面７６ａとの間には、断面正方形の二列の環状のローラ転走路が形成される。ローラ転走路には、複数のローラ７７が配列される。ローラ７７は、側面形状が略四角形であり、その直径が軸線方向長さよりも僅かに大きい。各列のローラ転走路には、ローラ７７の進行方向からみたとき、隣接するローラ７７の軸線が直交するように、複数のローラ７７がクロス配列される。ローラ７７をクロス配列することにより、軸受７４は、ナット７２の軸線方向の荷重（図中（１）及び（２）方向の荷重）及び半径方向の荷重を負荷できるアンギュラーコンタクト軸受になる。なお、一方の列のローラ転走路に図中（１）方向の荷重のみを負荷できるように複数のローラ７７をパラレル配列し、他方の列のローラ転走路に図中（２）方向の荷重のみを負荷できるように複数のローラ７７をパラレル配列してもよい。このときの一方の列のローラ転走路の接触角線は図中（３）で示され、他方の列のローラの接触角線は図中（４）で示される。パラレル配列とは、隣り合うローラの軸線がほぼ平行な状態で配列されることをいう。また、ローラをクロス配列する場合、ローラの列数は一列でもよい。

図３３に示すように、ねじ軸７１の外周面には螺旋状のボール転走溝７１ａが形成される。この実施形態では、二条のボール転走溝７１ａが形成されている。ナット本体７３の内周面には、ねじ軸７１のボール転走溝７１ａに対向する負荷ボール転走溝が形成される。ねじ軸７１のボール転走溝７１ａとナット本体７３の負荷ボール転走溝との間で螺旋状の負荷ボール転走路が構成される。ナット本体７３の内部には、ナット本体７３の軸線と平行な軸線方向通路が形成される。ナット本体７３の軸線方向通路の長さ方向の両端部には、循環部品としての一対の側面ピース８０が装着される。各側面ピース８０には、掬上げ通路及び繋ぎ通路が形成される。掬上げ通路は、ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成される。繋ぎ通路は、ナットの側方からみて中心線が円弧状に形成され、掬上げ通路と軸線方向通路とを繋ぐ。側面ピース８０はナット本体７３の外径部に設けた凹所に嵌め込まれる。負荷ボール転走路、掬上げ通路、軸線方向通路及び繋ぎ通路によって循環経路が構成される。循環経路の個数及び配列については後述する。

図３５は、第四の実施形態の軸受付きボールねじの使用方法の一例を示す。ねじ軸７１の両端部には、支持部８１を介してテーブル８２が結合される。軸受７４の外輪７６は、図示しないベースに固定される。モータによって軸受７４の外輪７６に対してナット本体７３を回転させると、ねじ軸７１が軸線方向に移動し、テーブル８２が移動する。移動するテーブル８２を正確に位置決めするためには、軸受７４には回転を案内する機構だけでなく、高い剛性が必要になる。ローラ７７を用いたアンギュラーコンタクト軸受にすることによって、軸受７４の剛性を高くすることができる。

ボールねじの使用方法としては、ナットにテーブルを固定し、両端部がベースに回転可能に支持されるねじ軸を回転させてナットをねじ軸の軸線方向に移動させるのが一般的である。第一ないし第三の実施形態のボールねじは一般的な使用方法で用いられる。

図３６は、第四の実施形態のボールねじの循環経路８４を示す。この実施形態において、ねじ軸の軸線方向に位置をずらせて二列の循環経路８４が設けられる。また、二条のねじ軸７１に対応して二条の循環経路８４が設けられる。合計の循環経路８４の個数は、列数と条数との積で表わされる。この実施形態において、二列×二条により、合計四個の循環経路が設けられる。四個の循環経路の無負荷戻し路８５は、図３６（ａ）に示されるように、ねじ軸７１の軸線方向からみて、周方向に９０度の均等間隔を空けて配列される。また、ボールねじに予圧を付与できるように、ナット本体７３の一列目の負荷ボール転走溝と二列目の負荷ボール転走溝との間の距離βが調整される。一列目の負荷ボール転走溝及び二列目の負荷ボール転走溝は、ねじ軸７１のボール転走溝７１ａに対して位相がわずかにずれている。

この実施形態のボールねじによれば、負荷ボール転走路の巻数を整数に近付け、負荷を受けられないボールの個数を少なくするので、ナット内のボールの玉荷重を均一化することができる。以下にこれを説明する。図３７（ｂ）は、従来のリターンパイプ方式のボールの玉荷重の分布を示す。図３６（ａ）の破線で示すリターンパイプ８７を取り付けたとき、ねじ軸７１の軸線方向の負荷を受けるボールがない部分８９が多く存在する。このため、図３７（ｂ）のグラフに示すように、循環経路内での玉荷重がボールの位置によって大きくなったり、小さくなったりする現象が生ずる。なぜならば、ねじ軸７１の軸線方向の負荷を受けるボールの個数が少ないとき、すなわち図３６（ａ）の負荷ボール転走路９０の上部にボールが位置するとき、玉荷重が大きくなる。その一方、ねじ軸７１の軸線方向の負荷を受けるボールの個数が多いとき、すなわち図３６（ａ）の負荷ボール転走路９０の下部にボールが位置するとき、玉荷重が小さくなる。これに対し、負荷を受けるボールがない部分を少なくすることにより、図３７（ａ）に示すように、ナット内のボールの玉荷重を均一化することができる。なお、グラフの横軸は負荷ボール転走路９０内のボールの位置を表す。

また、本実施形態のボールねじによれば、ナット７２の軸線方向の長さを長くし、ナット７２に複数列の循環経路８４を設けることにより、平均化効果を向上させることができ、ナット７２のよろめきを低減することができる。

さらに、本実施形態のボールねじによれば、四つの無負荷戻し路８５をナット７２の周方向に均等間隔を空けて配列することにより、ボールが負荷ボール転走路９０から無負荷戻し路８５に出入りするときの影響を少なくすることができ、ナット７２を回転させるときのトルクの変動を低減できる。ボールねじに予圧を付与することにより、トルクの変動をより低減できる。

さらに、本実施形態のボールねじによれば、比較的小径のボールを使用し、二条ねじにすることにより、ボールねじの軸方向の剛性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られず、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、転動体には、ボールの替わりにローラを用いることができる。

無負荷戻し路の掬上げ通路、繋ぎ通路、及び軸線方向通路の中心線は、複数の円弧と直線から構成されなくても、接線方向が連続になる複数のクロソイド曲線から構成されてもよい。

ゴシックアーチ溝形状は、二つの円弧から構成されなくても、ボールと二点で接触できる曲線であれば、二つのスプライン曲線、二つのクロソイド曲線等から構成されてもよい。

循環部品の拘束部の断面形状は、ゴシックアーチ溝形状に限られることはなく、ボールの遊びを少なくすることができれば、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てもよい。

完全な整数巻きを必要としない場合は、円形状の軌道上の距離αが直径Ｄａの０．４倍以上かつ０．６倍以下以外に設定されてもよい。

１，３１，５１，７１…ねじ軸，１ａ，３１ａ，５１ａ，７１ａ…ボール転走溝（転動体転走溝），２，３２，５２，７２…ナット，９，４４，５３，７３…ナット本体，２ａ，３２ａ，５２ａ…負荷ボール転走溝（負荷転動体転走溝），３，４１，５９…ボール（転動体），８，３４…循環部品，１０，３５…無負荷戻し路，１２，５５…負荷ボール転走路（負荷転動体転走路），１４，４０…掬上げ部，１８，３９…分割体，２２，３６，５８…掬上げ通路，２３，３７…繋ぎ通路，２４，３８…軸線方向通路，３１…ねじ軸，３１ａ…ボール転走溝（転動体転走溝），５４…端面ピース（循環部品），７４…軸受，７５…内輪，７５ａ…ローラ転走面，７６…外輪，７６ａ…ローラ転走面，７７…ローラ，８４…循環経路

Claims (8)

1. 外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、
   内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有すると共に、前記負荷転動体転走溝の一端と他端とに接続される無負荷戻し路を有するナットと、
   前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナットの前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路、及び前記無負荷戻し路から構成される循環経路に循環可能に配列される複数の転動体と、を備え、
   前記無負荷戻し路は、
   前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成されて、前記負荷転動体転走路を移動する前記転動体を円弧状の軌道に沿って掬い上げる掬上げ通路と、
   中心線が前記ナットの軸線と平行に形成されて、前記転動体を前記ナットの軸線と平行に移動させる軸線方向通路と、を有し、
   前記掬上げ通路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成され、かつ前記ナットの側面方向から見て、中心線が円弧状に形成される非直線領域を有し、
   前記ナットは、
   内周面に前記負荷転動体転走溝が形成されるナット本体と、
   前記ナット本体に装着され、前記無負荷戻し路が形成される循環部品と、を備えるねじ装置。
2. 前記循環部品は、前記無負荷戻し路に沿って二分割された一対の分割体を結合させてなることを特徴とする請求項１に記載のねじ装置。
3. 外周面に螺旋状の転動体転走溝を有するねじ軸と、
   内周面に前記ねじ軸の前記転動体転走溝に対向する螺旋状の負荷転動体転走溝を有すると共に、前記負荷転動体転走溝の一端と他端とに接続される無負荷戻し路を有するナットと、
   前記ねじ軸の前記転動体転走溝と前記ナットの前記負荷転動体転走溝との間の負荷転動体転走路、及び前記無負荷戻し路から構成される循環経路に循環可能に配列される複数の転動体と、を備え、
   前記無負荷戻し路は、
   前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成されて、前記負荷転動体転走路を移動する前記転動体を円弧状の軌道に沿って掬い上げる掬上げ通路と、
   中心線が前記ナットの軸線と平行に形成されて、前記転動体を前記ナットの軸線と平行に移動させる軸線方向通路と、を有し、
   前記掬上げ通路は、前記ナットの軸線方向からみて、中心線が円弧状に形成され、かつ前記ナットの側面方向から見て、中心線が円弧状に形成される非直線領域を有し、
   前記ナットは、
   内周面に前記負荷転動体転走溝が形成されると共に、前記軸線方向通路が形成されるナット本体と、
   前記ナット本体の前記軸線方向の端面又は外径部に装着され、前記掬上げ通路が形成される循環部品と、を備えるねじ装置。
4. 前記転動体がボールであり、
   前記ナットの軸線方向からみて、前記ねじ軸の中心と前記軸線方向通路の中心とを結んだ線から、前記掬上げ通路と前記負荷転動体転走路との境目までの、前記負荷転動体転走路における前記ボールの中心の軌道上の距離が０より大きく、かつ前記ボールの直径の１．５倍以下に設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のねじ装置。
5. 前記ねじ軸の軸線方向からみて、前記掬上げ通路の中心線と前記負荷転動体転走路の中心線との接続点において、前記掬上げ通路の中心線の接線方向と前記負荷転動体転走路の中心線の接線方向とが実質的に一致することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のねじ装置。
6. 前記ナットは、
   内周面に前記負荷転動体転走溝が形成されるナット本体と、
   前記ナット本体と一体に設けられ、外周面に転動体転走面を有する内輪と、
   前記内輪の外周側に配置され、内周面に転動体転走面を有する外輪と、
   前記内輪の前記転動体転走面と前記外輪の前記転動体転走面との間に転がり運動可能に配置される複数のローラと、を備え、
   前記内輪、前記外輪及び前記複数のローラから構成される軸受は、前記ナットの軸線方向の荷重及び半径方向の荷重を負荷できるアンギュラーコンタクト軸受であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のねじ装置。
7. 前記ねじ軸の軸線方向に位置をずらして二列以上の列数の循環経路が設けられると共に、二条以上の前記ねじ軸の条数に対応して二条以上の条数の循環経路が設けられ、
   循環経路の合計の個数が列数と条数の積で表わされ、
   合計の個数の循環経路の無負荷戻し路が、前記ねじ軸の軸線方向からみて前記ねじ軸の周方向に均等間で配列されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のねじ装置。
8. 前記ナット本体には、前記循環部品の掬上げ部が嵌められる貫通孔が形成され、
   前記貫通孔は、前記ナット本体の前記負荷転動体転走溝に沿って伸びていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のねじ装置。

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