JP5353373B2

JP5353373B2 - ボールスプライン

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Publication number: JP5353373B2
Application number: JP2009084427A
Authority: JP
Inventors: 肇渡邉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236597A

Description

この発明は、ボールスプラインに関し、特に、過大トルクを受けやすい条件下で使用されるボールスプラインに関する。

ボールスプラインとして、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えており、ボールスプライン外筒は、外筒本体および外筒本体に嵌め入れられた保持器からなるものが知られており、特許文献１には、ボールスプライン外筒の組立てに際し、スプライン軌道を有する外筒本体に保持器を挿入しやすくするために、保持器を２つに分割することが開示されている。

従来のボールスプラインの１例を図５に示す。同図は、ボールスプライン外筒の外筒本体を取り除いたもので、同図において、保持器は、保持器本体(33)および保持器蓋(34)からなる分割品とされており、スプライン軌道(35a)が設けられた軸(35)の直線移動に伴って、ボール(37)は、主通路(36)、保持器本体(33)の戻し通路(33a)、保持器蓋(34)の連通路(34a)を循環し、この循環がスムーズに行われることにより、スプラインのスムーズなストロークが確保される。

実開平５−７１４４５号公報

従来のボールスプラインでは、保持器本体(33)と保持器蓋(34)との突き合わせ部には微小な隙間Ｇがあり、この隙間Ｇが変形することなどによって、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなるなどの循環不良を起こし、スプラインのストロークの妨げとなることがある。すなわち、図５において、軸(35)が左方に移動すると、これに応じて、ボールスプライン外筒は図の右方に移動しようとし、軸(35)の直線移動に伴って、主通路(36)にあるボール(37)は、保持器本体(33)の戻し通路(33a)へ押し出されるとともに、保持器蓋(34)の連通路(34a)にあるボール(37)が主通路(36)へと戻される。Ａで示すボール(37)が戻し通路(33a)から主通路(36)に突入する際、Ｂで示すボール(37)が保持器蓋(34)を矢印で示す右方へ押し、戻し通路(33a)の幅Ｐが広がり、Ｂで示すボール(37)が主通路(36)の入口部分で引っ掛かることがある。この場合、ボール(37)の旋回する軌道がずれ、戻し通路(33a)にボール(37)が充満して、主通路(36)内のボール(37)が戻し通路(33a)に入れず、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなり、スプラインのストロークが円滑でないようになるという問題が生じる。

この発明の目的は、スプラインのストロークを円滑にすることができるボールスプラインを提供することにある。

この発明によるボールスプラインは、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えており、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対応して主通路を形成するスプライン軌道を有する外筒本体と、外筒本体の内周に嵌め入れられて主通路に連通する戻し通路を外筒本体との間に形成する保持器とを有しているボールスプラインにおいて、保持器は、円筒状の一体品とされており、これによって、保持器が分割品である場合に存在する突き合わせ部の隙間がないものとされており、保持器の少なくとも一方の端部に軸方向スリットが設けられていることによって、保持器が外筒本体内に嵌め入れられた状態で、軸方向スリットが設けられている保持器の端部の径方向内方への変形が容易とされていること特徴とするものである。

戻し通路は、主通路に平行な無負荷軌道部および主通路と無負荷軌道部とを連通する連結部からなり、主通路および戻し通路によってボール循環路が形成される。主通路を転動するボールが軸とボールスプライン外筒の相対直線運動を案内し、主通路を転動したボールは、その一端側から連結部に入り、無負荷軌道部を逆方向に転動して他端側から再び主通路に戻るという循環を行う。

無負荷軌道部は、主通路に平行でかつ主通路よりも外径側に形成される。外筒本体のスプライン軌道は、無負荷軌道部に対応する面に対して内方に突出した突出部に形成される。したがって、連結部は、無負荷軌道部の端から主通路の端に向かって、軸方向にＵターンしかつ径が小さくなるものとされる。

従来のものでは、保持器が分割品とされており、保持器本体と保持器蓋とが互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持されており、これにより、保持器本体と保持器蓋との突き合わせ面部の隙間が大きくなることで、ボールがスムーズに循環することが阻害されることがあったが、この発明によるボールスプラインでは、保持器が一体品とされることで、突き合わせ面部の隙間によるボール循環の阻害が解消し、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。保持器は、例えば合成樹脂製とされるが、これに限定されるものではない。

保持器を一体品とした場合、保持器に全てのボールを組み込んで外筒本体に挿入しようとすると、連結部にあるボールと外筒本体のスプライン軌道とが干渉し、挿入できないというデメリットが生じるが、このデメリットは、径方向内方への変形を容易とする軸方向スリットにより解消される。すなわち、外筒本体、保持器およびボールを組み立てるに際しては、例えば、保持器を外筒本体に挿入した後、保持器の端部を径方向内方に変形させて、ボールを順次挿入することができる。この際、外筒本体に挿入する前に、所要数のボールを先に保持器に組み込んでおくようにしてもよい。また、全てのボールを保持させた保持器を外筒本体内に挿入するようにして、保持器の端部を径方向内方に変形させることで、外筒本体のスプライン軌道端部との干渉を避けることもできる。

スプライン軌道は、時計方向の回転を受けるものと反時計方向の回転を受けるものとが対とされて、これが複数対（例えば３対）設けられる。軸の外周には、例えば、基準円筒面から突出するように形成された複数（例えば３つ）のボール受け部が設けられ、このボール受け部の時計方向側および反時計方向側に、それぞれスプライン軌道が形成される。これに対応して、外筒本体の内周には、ボール受け部の時計方向側のスプライン軌道に時計方向側から対向するスプライン軌道と、ボール受け部の反時計方向側のスプライン軌道に反時計方向側から対向するスプライン軌道とがそれぞれ形成される。

ボールスプラインは、好ましくは、ボールねじと組み合わされて、ボールねじ軌道および軸方向にのびるスプライン軌道が設けられたねじ軸と、ねじ軸のボールねじ軌道にボールを介してねじ合わされた回転自在のボールねじナットと、スプライン軌道にボールを介して嵌め合わされてねじ軸の軸方向直線運動を案内するボールスプライン外筒とからなるものとされる。

このようなボールスプライン付きボールねじでは、ボールスプラインは、ボールスプライン外筒がキーなどの回り止め部によってハウジングに対して回り止めされ、ねじ軸の回転を防止して、ボールねじナットで発生するトルクの反力を受ける。

ねじ軸およびボールスプライン外筒は、例えば、Ｓ４５Ｃ，Ｓ５５Ｃなどの炭素鋼製あるいはＳＡＥ４１５０鋼製とされ、また、ボールは、例えば、軸受鋼（ＳＵＪ２）製とされる。

この発明によるボールスプラインは、ボールねじと組み合わされて、アクチュエータ（モータによってボールねじナットが回転させられ、これにより、ねじ軸が直線移動する形態）として使用されることがあり、緩衝器（ねじ軸が外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ボールねじナットが回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態）として使用されることがある。

アクチュエータや緩衝器で使用される場合には、例えば、ボールスプライン付きボールねじと、ボールねじナットに一体化された中空軸と、軸受を介して中空軸を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒を支持するハウジングと、中空軸に固定されたモータロータおよびハウジング内径に固定されたモータステータからなるモータとを備えているものとされる。

ねじ軸は、往復直線移動し、通常、その所定量以上の移動を防止するためのストッパが設けられる。ストッパは、例えば、ねじ軸が所定量以上移動した際にハウジングに当接するフランジ部をねじ軸に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ねじ軸と一体に直線移動する部材に形成してもよく、直線移動しない方の部材（ハウジングや中空軸）に設けることもできる。

この発明のボールスプラインによると、保持器が一体品とされているので、分割品における突き合わせ部の隙間に起因するボールの引っ掛かりをなくすことができ、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。そして、一体品としたときのデメリットである外筒本体への保持器の挿入が困難となることは、軸方向スリットにより解消される。

図１は、この発明によるボールスプラインを使用したモータ付きボールねじ装置を示す縦断面図である。図２は、この発明によるボールスプラインの横断面図である。図３は、この発明によるボールスプラインの保持器を示す斜視図である。図４は、この発明によるボールスプラインの保持器の特徴を模式的に示す縦断面図である。図５は、従来のボールスプライン外筒の外筒本体を取り除いた側面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。

図１から図４までは、この発明によるボールスプラインを使用したモータ付きボールねじ装置を示している。

図１に示すように、モータ付きボールねじ装置(1)は、ボールねじ軌道(2a)および上下方向にのびるスプライン軌道(2b)が設けられた上下にのびる鋼製ねじ軸(2)と、ねじ軸(2)のボールねじ軌道(2a)にボールを介してねじ合わされた回転自在の鋼製ボールねじナット(3)と、ねじ軸(2)の下端部側においてスプライン軌道(2b)にボールを介して嵌め合わされてねじ軸(2)の上下方向（軸方向）直線運動を案内するボールスプライン外筒(4)と、ボールねじナット(3)に一体化されて上方にのびる中空軸(5)と、軸受(7)を介して中空軸(5)を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒(4)を支持するハウジング(6)と、中空軸(5)に固定された円筒状のモータロータ(9)およびハウジング(6)内径に固定された円筒状のモータステータ(10)からなるモータ(8)とを備えている。

モータ(8)は、永久磁石型三相同期モータとされており、モータロータ(9)が永久磁石とされて、モータステータ(10)にＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相のコイル(10a)が巻かれている。

ねじ軸(2)と中空軸(5)とは、同心状に配置されており、ボールねじ装置(1)は、ボールねじナット(3)、中空軸(5)およびモータロータ(9)を回転させて、ねじ軸(2)を直線移動させる形態で使用される。

中空軸(5)は、ねじ軸(2)を案内する小径部(11)と、内周面がボールねじナット(3)の外周面に固定されかつ外周面に軸受(7)を保持する大径部(12)とからなる。

ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の回転を防止してその上下移動を案内するために、回り止め部（例えばキー）(13)によってハウジング(6)に対して回り止めされる。

ボールスプライン外筒(4)は、図２に示すように、略円筒状の金属製外筒本体(17)と、外筒本体(17)の内周に固定された略円筒状の保持器(18)とを備えている。ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の外周に径方向に若干の隙間を空けて嵌められている。

ねじ軸(2)の外周には、基準円筒面から突出するように形成された３つのボール受け部(15)が周方向に等間隔で設けられており、このボール受け部(15)の時計方向側肩部および反時計方向側肩部に、それぞれスプライン軌道(2b)(2c)が形成されている。これに対応して、ボールスプライン外筒(4)の内周には、ボール受け部(15)の時計方向側のスプライン軌道(2b)に時計方向側から対向するスプライン軌道(4a)と、ボール受け部(15)の反時計方向側のスプライン軌道(2c)に反時計方向側から対向するスプライン軌道(4b)とがそれぞれ形成されている。こうして、ねじ軸(2)が時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2b)(4a)と、ねじ軸(2)が反時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2c)(4b)とが対とされて、これが３対設けられている。

外筒本体(17)のスプライン軌道(4a)(4b)に対応する保持器(18)の部分に、両スプライン軌道(2b)(2c)(4a)(4b)との間を転動するボール(16)を案内する凸部(19)が形成されている。凸部(19)を介して対向する両スプライン軌道(2b)(2c)(4a)(4b)の間の空間が、ボール(16)が転動する主通路(20)となっている。

保持器(18)には、外筒本体(17)との間に、主通路(20)の左右両端部と連通する戻し通路(21)が形成されている。各戻し通路(21)は、対となっている主通路(20)を周方向の両側から挟むように設けられている。保持器(18)に形成されている戻し通路(21)は、径方向外方に開口しており、外筒本体(17)の大径内周面によってこの開口が塞がれている。戻し通路(21)は、主通路(20)よりも径方向外方寄りに設けられている。

ボール(16)は、主通路(20)および戻し通路(21)内に配設され、主通路(20)を転動するボール(16)がねじ軸(2)とボールスプライン外筒(4)の相対直線運動を案内するようになっている。主通路(20)および戻し通路(21)により、ボール循環路が構成されている。

図３に示すように、保持器(18)は、円筒状の一体品とされている。保持器(18)の形状は、図５に示した保持器本体(33)と保持器蓋(34)とを合わせたものと同じ形状で、保持器(18)の戻し通路(21)は、主通路(20)に平行な無負荷軌道部(22)と、主通路(20)と無負荷軌道部(22)とを連通する略半円形の連結部(23)とを有している。保持器(18)の軸方向両端部には、径方向内方への変形を容易とする軸方向スリット(24)が設けられている。

この保持器(18)は、一体品であるので、図５に示した分割品の課題である突き合わせ部の隙間に起因する循環不良（ボールの引っ掛かりなど）をなくすことができ、これを使用したボールねじ装置(1)によると、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果を得ることができる。

従来の保持器が分割品とされているのは、保持器本体(33)および保持器蓋(34)を軸方向両側から外筒本体に挿入することで、保持器の各端部にあるボール（図５でＢで示されているボール）(37)が外筒本体のスプライン軌道を越えることがないようにして干渉を避けるためであり、保持器(18)を一体品とした場合には、外筒本体(17)への挿入が困難となるというデメリットが生じる。

保持器(18)の軸方向両端部に設けられた軸方向スリット(24)は、このデメリットを解消するためのもので、外筒本体(17)、保持器(18)およびボール(16)を組み立てるに際しては、例えば、保持器(18)を外筒本体(17)に挿入した後、図４に示すように、保持器(18)の右端部(18a)を径方向内方に変形させて、ボール(16)を順次挿入することができる。この際、外筒本体(17)に挿入する前の保持器(18)に、所要数（保持器(18)両端の連結部(23)にボール(16)が滞留してしまわない程度の数）のボール(16)を予め組み込んでおくようにしてもよい。また、全てのボール(16)を保持させた保持器(18)を左方から外筒本体(17)内に挿入するようにして、保持器(18)の右端部(18a)を径方向内方に変形させることで、外筒本体(17)のスプライン軌道左端部(17a)との干渉を避けることもできる。

上記のモータ付きボールねじ装置(1)は、例えば、自動車の電磁緩衝器用として使用するのに適している。このモータ付きボールねじ装置(1)は、電動アクチュエータとして使用することもでき、この場合、モータ(8)の回転駆動力をボールねじナット(3)を介してねじ軸(2)の軸方向推力に変換し、推力の軸方向反力を軸受(7)で支持してねじ軸(2)を直線運動させ、ねじ軸(2)に作用する軸方向荷重をボールねじナット(3)で負荷するとともに、トルクをボールスプライン外筒(4)で支持した形態での使用となる。

(2) ねじ軸（軸）
(2b)(2c) スプライン軌道
(4) ボールスプライン外筒
(4a)(4b) スプライン軌道
(16) ボール
(17) 外筒本体
(18) 保持器
(20) 主通路
(21) 戻し通路
(24) スリット

Claims

スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えており、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対応して主通路を形成するスプライン軌道を有する外筒本体と、外筒本体の内周に嵌め入れられて主通路に連通する戻し通路を外筒本体との間に形成する保持器とを有しているボールスプラインにおいて、
保持器は、円筒状の一体品とされており、これによって、保持器が分割品である場合に存在する突き合わせ部の隙間がないものとされており、保持器の少なくとも一方の端部に軸方向スリットが設けられていることによって、保持器が外筒本体内に嵌め入れられた状態で、軸方向スリットが設けられている保持器の端部の径方向内方への変形が容易とされていること特徴とするボールスプライン。