JP5934747B2

JP5934747B2 - 負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ

Info

Publication number: JP5934747B2
Application number: JP2014118744A
Authority: JP
Inventors: 郭長信
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2034-06-09
Also published as: JP2015232344A; US20160061303A1

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関する負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじに関する。

ボールねじは安定、静音、及び高精密な伝動精度を有するリニアアクチュエータであり、高い定位精度を誇り、一般的には予圧力を掛ける方式により実現させている。

しかしながら、従来のボールねじ技術では、図１及び図２に示す従来の偏位予圧式ボールねじ１０は、ねじ１１及びねじ１１の外側に締結されるナット１２を主に備え、ねじ１１は螺旋状のねじ溝１１１を有し、ナット１２は螺旋状のナット溝１２１を有し、ねじ溝１１１とナット溝１２１との間には複数のボール１３が設置される。
また、図３はナット溝１２１の軸方向座標と螺旋角座標との関係図であり、この型式のボールねじの偏位予圧方式ではナット溝１２１に変位点Ｐが設置され、図３の横軸にはナット溝１２１の螺旋角座標が表示され、縦軸にはナット溝１２１の軸方向座標が表示され、変位点Ｐの左側はナット溝１２１の螺旋角座標と軸方向座標とが等比例関係にあることを示し、螺旋角座標が３６０度（即ち、ナット１２一回転）増加する毎の対応する軸方向座標の増加量はリード値Ｌと定義される。変位点Ｐの右側はナット溝１２１の螺旋角座標と軸方向座標とが同様に等比例関係にあることを示し、即ちリード値Ｌである。但し変位点Ｐの箇所ではナット溝１２１はリード変位値δを発生させ、これにより二者間にはリード変位が発生し、これに基づき変位点Ｐの両側のボール１３に反対方向への予圧が発生する。
図１の下方には上方の構造の予圧力変化図を示し、図の横軸は軸方向座標を表示し、縦軸は前記軸方向座標の箇所のボール１３が受ける予圧力を表示し、正負符号は予圧力の方向を表示する。図形から分かるように、図１のボールねじ１０のボール１３が受ける予圧力の方向は変位点Ｐの箇所で急激に変化し、変位点Ｐの左側のボールねじ１０の予圧力は正値であり、変位点Ｐの右側のボールねじ１０の予圧力は突然負値に変化し、予圧力の斜率は無限大であり、前記箇所の曲線の一次微分は無限大と定義される。負荷が劇的に変化するため、ボールねじ１０全体の動作がスムーズに行われなくなる。
図２は他の設計のボールねじ１０を示し、ボール１３の予圧力は図２の下方に示す。予圧力は比較的平穏に変化するが、但し変位点Ｐ付近では同様に斜率が無限大の予圧力変化が発生し、同様の欠点を有する。

図４及び図５に示すボールねじ２０は同様にねじ２１、及びねじ２１の外側に締結されるナット２２を備え、ねじ２１とナット２２との間の循環回路中には複数のボール２３が設置される。主に循環回路中に無負荷区溝部Ｂが設けられ、無負荷区溝部の両側の負荷区溝部Ａ及び負荷区溝部Ｃはそれぞれ反対方向の負荷を受け、無負荷区溝部Ｂが設けられることで負荷区溝部Ａ及び負荷区溝部Ｃ中のボールが受ける負荷が解放され、ボールねじの予圧力が正値から斜率無限大の変化速度で負値に変化する問題を回避させ、動作のスムーズさを更に改善させる。
図５の下方には上方の構造の予圧力変化図を示し、図中の横軸は軸方向座標を表示し、縦軸は軸方向座標の箇所のボール２３が受ける予圧力を表示し、正負の符号は予圧力の方向を表示する。しかしながら、図形からは現在の循環回路の無負荷区溝部Ｂの両側のボールが負荷を受け無負荷区溝部Ｂに進入する過程で、斜率が無限大の予圧力変化が発生し、ボールの予圧力が無負荷区溝部Ｂに進入すると急速に０まで低下していることが理解できる。
故に、ボールねじ２０は循環過程で予圧力の急速な変化を発生させ、ボールねじ２０全体の動作過程で騒音や振動現象が発生する。また、中間の無負荷区Ｂのボール２３はねじ２１及びナット２２による負荷を受けず、無負荷区Ｂはボールねじ１０の負荷能力に対し助けにならない。

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじの提案に到った。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、上記課題解決のため、本発明は、負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじを提供することを主目的とする。つまり、一般的なボールねじにリード変位を配置させることで動作がスムーズではないという欠点を主に改善させる。また負荷区を拡充させる設計により、ボールねじが受けられる負荷能力を従来のねじよりも高め、本発明に係るボールねじが更に大きな負荷を受けられるようにする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじは、軸方向Ｘに沿って長さが延長され、外表面には外部のねじ山溝を有すると共に前記外部のねじ山溝には固定のねじリード値を有するねじと、前記軸方向に沿って長さが延長され、内表面には内部のねじ山溝を有し、且つ前記ねじの外に締結され、前記内部のねじ山溝と前記外部のねじ山溝との間は対応し合い負荷経路となるナットと、前記負荷経路内に納置される複数のボールを備え、前記内部のねじ山溝は少なくとも連続的に接合される第一ねじ山溝部、第二ねじ山溝部、及び第三ねじ山溝部からなり、前記第一ねじ山溝部の螺旋角が３６０度（一回転）増加する毎に前記軸方向に変位する値は第一リード値に等しく、前記第二ねじ山溝部の螺旋角が３６０度増加する毎に前記軸方向に変位する値は第二リード値に等しく、前記第三ねじ山溝部の螺旋角が３６０度増加する毎に前記軸方向に変位する値は第三リード値に等しく、前記第一リード値及び前記第三リード値は前記ねじリード値と同じであり、前記第一リード値と前記第二リード値とは不等であることを特徴とする。

本発明によれば、ナットの第二ねじ山溝部に設けられる連続的に変化する予圧力リード値により、第二ねじ山溝部内に納置されるボールは正方向の力及び反対方向の力を同時に受力し、負荷区を拡充させる効果を更に達成させる。また、ボールは第二ねじ山溝部内で予圧力の変化をスムーズに受けるため、動作のスムーズさが高まる。

従来のボールねじの断面模式図及びその予力の変化図である。従来のボールねじの断面模式図及びその予力の変化図である。従来のボールねじのナット溝の軸方向の座標が螺旋角の座標に対応する関係図である。他の無負荷区を有するボールねじの断面図である。図４に示す側面図及びその予力の変化図である。本発明に係る負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじの構成を説明する概略図である。本発明の螺旋角―軸座標の関係の変化図である。本発明の螺旋角―変位量の関係の変化図である。本発明の螺旋角―受力の関係の変化図である。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじを図６〜７Ｃを参照しながら説明する。本発明の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじは、軸方向Ｘに沿って長さが延長され、外表面には外部のねじ山溝３１を有し、ねじ３０の外部のねじ山溝３１には固定のねじリード値Ｌ０を有し、即ち、外部のねじ山溝３１の螺旋角が３６０度（一回転）増加する毎に軸方向Ｘに変位する値はねじリード値Ｌ０に等しいねじ３０と、軸方向Ｘに沿って長さが延長され、内表面には内部のねじ山溝４１を有し、ねじ３０の外に締結され、内部のねじ山溝４１と外部のねじ山溝３１との間は対応し合い負荷経路となるナット４０を備える。
内部のねじ山溝４１は連続的に接合される第一ねじ山溝部４１１、第二ねじ山溝部４１２、及び第三ねじ山溝部４１３を少なくとも含む。第一ねじ山溝部４１１の螺旋角が３６０度（一回転）増加する毎に軸方向Ｘに変位する値は第一リード値Ｌ１に等しく、第二ねじ山溝部４１２の螺旋角が３６０度増加する毎に軸方向Ｘに変位する値は第二リード値Ｌ２に等しく、第三ねじ山溝部４１３の螺旋角が３６０度増加する毎に軸方向Ｘに変位する値は第三リード値Ｌ３に等しく、第一リード値Ｌ１及び第三リード値Ｌ３とねじリード値Ｌ０とは同じである。

図７Ａは本発明の螺旋角―軸座標の関係の変化図である。横軸は螺旋角座標を表示し、縦軸は対応する軸方向Ｘの座標を表示する。第二ねじ山溝部４１２の斜率、第一ねじ山溝部４１１、及び第三ねじ山溝部４１３は明確に異なるため、第一ねじ山溝部４１１及び第三ねじ山溝部４１３の延長線は軸方向Ｘに軸方向偏位値が存在し、軸方向偏位は予圧リード変位値δと定義される。
予圧リード変位値δが０に等しくなく、第一リード値Ｌ１は第三リード値Ｌ３に等しい条件下では、予圧リード変位値δはＷ（Ｌ２―Ｌ１）／Ｌ２に等しい。Ｗは第二ねじ山溝部４１２の軸方向Ｘ上での第二ねじ山溝部の長さＷであり、第一リード値Ｌ１は第二リード値Ｌ２とは不等である。図６では、第二ねじ山溝部の長さＷはほぼ第二リード値Ｌ２であるが、図６は概略図であり、第二ねじ山溝部の長さＷは第二リード値Ｌ２の１倍に限定されず、設計上第二ねじ山溝部４１２の長さＷは第二リード値Ｌ２の０．５〜２倍に設計でき、１倍前後が好ましい設計である。
このほか、説明が必要なのは、図７Ａは概略図であり、実務上第一リード値Ｌ１と第二リード値Ｌ２との差値はとても小さく、予圧リード変位値δは第一リード値Ｌ１の量よりずっと小さく、一般的には第一リード値Ｌ１の百分の一より小さいか等しい（図７Ａは予圧リード変位値δの量値を意図的に拡大し、図形中の第一ねじ山溝部４１１、第二ねじ山溝部４１２、及び第三ねじ山溝部４１３等の３つの溝部が直線に近似し区別が付きづらくならないように描画している）。

複数のボール５０は負荷経路内に納置され、第二ねじ山溝部４１２は第一ねじ山溝部４１１及び第三ねじ山溝部４１３に比べリード変位値δを有し、これにより第一ねじ山溝部４１１及び第三ねじ山溝部４１３内に位置されるボール５０はそれぞれ反対方向への同じ大きさの偏位値を有する。
図７Ｂに示すように、横軸は内部のねじ山溝４１の螺旋角座標を表示し、縦軸は対応する変位量を表示し、第二ねじ山溝部４１２内の変位量は傾斜する直線を呈し、即ち変位量は連続的に変化し、第二ねじ山溝部４１２内の変位量は第二ねじ山溝部４１２の螺旋角の変化率に対し固定される。

また、図７Ｃは本発明の螺旋角―受力の関係の変化図である。横軸は内部のねじ山溝４１の螺旋角座標を表示し、縦軸は前記位置のボール５０が対応する受ける力量を表示する。図７Ｃの実線はナット４０が外部からの負荷を受けない条件下でボール５０が対応して受ける力量を表し、ナット４０が外部からの負荷を受けない条件下でボール５０が受ける力量は予圧力と呼称される。
第一ねじ山溝部４１１は固定の偏位値を有し、受ける予圧力も固定値であり、予圧力Ｐ０と表示する。第三ねじ山溝部４１３では予圧力Ｐ０とは反対の力を受け、作用力が反対であるため―Ｐ０と表示する。第二ねじ山溝部４１２内の偏位値は傾斜する直線を呈し、よって第二ねじ山溝部４１２内のボール５０が受ける負荷は連続的に変化する。
シミュレーション後に中間には小溝部を有し受力しない区となるが、第二ねじ山溝部４１２の範囲内には斜率が無限大（即ち、受力急激変化）の区は全くない。つまりは、本発明ではナット４０が外部からの負荷を受けないよう設計され、ボール５０が受力しても従来の技術のような急速な変化はない。

以上が本発明に係る負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじの構造形態及び特徴である。なお、第二ねじ山溝部４１２は前記軸方向Ｘ上に連続的に変化する第二リード値Ｌ２を有するため、ボール５０が負荷を受ける過程に於いて負荷を受ける方向が変更されるが、急激な線形変化（予圧力のねじに対する螺旋角の変化関係の一次微分は無限大）は発生せず、ボール５０が受ける力量は連続的に変化する負荷であり、前記第二ねじ山溝部４１２中のボール５０が受ける負荷のねじに対する螺旋角の変化関係の一次微分は無限大ではない。

図７Ｃに示すように、本発明によりねじ３０の外部に外力Ｆ１（図示せず）が加えられる場合、ボール５０が受ける力量を増加させて外力Ｆ１と均衡させねばならず、この状態で第一ねじ山溝部４１１内のボール５０が受ける力量は圧力Ｐ１まで上昇する。
第二ねじ山溝部４１２のリード変位値δが変化しない状況で、図７Ｃの第二ねじ山溝部４１２に位置されるボールが受ける負荷曲線は平行に変位してＰ１曲線に接続し、第二ねじ山溝部４１２内に位置されるボール５０が受ける正方向の負荷も増加し、ボール５０が受ける反対方向の負荷は減少し、これは図７Ｃの点線に示す。

同様に、本発明によりナット４０が外部から受ける負荷の力量を外力Ｆ２（図示せず）まで増加させ、外力Ｆ２がＦ１より大きい場合、第一ねじ山溝部４１１内のボールが受ける負荷は圧力Ｐ２まで増加し、第二ねじ山溝部４１２のリード変位値δが変化しない状況では、図１０の第二ねじ山溝部４１２に位置されるボールの負荷曲線は平行に変位してＰ２曲線に接続され、第二ねじ山溝部４１２内に位置されるボール５０が受ける正方向の負荷も増加し、ボール５０が受ける反対方向の負荷は減少する。
ボール５０は第二ねじ山溝部４１２内で完全に正方向の負荷を受け、これによりボールねじ全体の正方向の負荷を受ける能力が向上し、ねじ３０の外部に加えられる正方向の力を変化させることでボール５０が受ける負荷の状態を調整させ、ボールねじ全体の適用性を高める。同時に、第三ねじ山溝部４１３内に位置されるボール５０が受ける力量は０まで低下し、反対方向の内応力が減少し、第二ねじ山溝部４１２内のボール５０が完全に正方向の負荷を受ける。
同様に、ナット４０が反対方向の外力を受ける場合、第二ねじ山溝部４１２内のボール５０も反対方向の負荷を受ける。即ち、第二ねじ山溝部４１２内のボール５０は外力の方向が異なるため、負荷区が拡充され、正方向或いは反対方向の負荷を受け、ボールねじの負荷の受力能力が従来のねじより高まり、本発明に係るボールねじは更に大きな負荷を受力可能になる。

ちなみに、本発明による第二ねじ山溝部４１２の第二リード値Ｌ２は連続的に変化する態様であり、このためボール５０が負荷を受ける際にスムーズに変化し、急激な変化を発生させないため、ボールねじ全体の動作のスムーズさが増し、線形伝動の精度を更に高める。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０ボールねじ
１１ねじ
１１１ねじ溝
１２ナット
１２１ナット溝
１３ボール
２０ボールねじ
２１ねじ
２２ナット
２３ボール
Ｌリード値
Ｐ変位点
δ リード変位量
Ａ負荷区
Ｂ無負荷区
Ｃ負荷区
３０ねじ
３１外部のねじ山溝
４０ナット
４１内部のねじ山溝
４１１第一ねじ山溝部
４１２第二ねじ山溝部
４１３第三ねじ山溝部
５０ボール
Ｘ軸方向
Ｌ０ねじリード値
Ｌ１第一リード値
Ｌ２第二リード値
Ｌ３第三リード値
Ｐ０予圧力
Ｐ１圧力
Ｐ２圧力
Ｗ第二ねじ山溝部の長さ
δ リード変位値

Claims

軸方向Ｘに沿って長さが延長され、外表面には外部のねじ山溝を有すると共に前記外部のねじ山溝には固定のねじリード値を有するねじと、
前記軸方向に沿って長さが延長され、内表面には内部のねじ山溝を有し、且つ前記ねじの外に締結され、前記内部のねじ山溝と前記外部のねじ山溝との間は対応し合い負荷経路となるナットと、
前記負荷経路内に納置される複数のボールを備え、
前記内部のねじ山溝は少なくとも連続的に接合される第一ねじ山溝部、第二ねじ山溝部、及び第三ねじ山溝部からなり、前記第一ねじ山溝部の螺旋角が３６０度（一回転）増加する毎に前記軸方向に変位する値は第一リード値に等しく、前記第二ねじ山溝部の螺旋角が３６０度増加する毎に前記軸方向に変位する値は第二リード値に等しく、前記第三ねじ山溝部の螺旋角が３６０度増加する毎に前記軸方向に変位する値は第三リード値に等しく、前記第一リード値及び前記第三リード値は前記ねじリード値と同じであり、前記第一リード値と前記第二リード値とは不等であることを特徴とする、
負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ。
前記第二ねじ山溝部内の前記ボールが受ける負荷は連続的に変化する負荷であり、前記第二ねじ山溝部内の予圧力による前記ねじに対する螺旋角の変化関係の一次微分は無限大ではないことを特徴とする、請求項１に記載の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ。
前記ナットが受ける外部からの負荷が０である場合、前記第二ねじ山溝部内に納置される前記ボールは正方向の力及び反対方向の力を受けることを特徴とする、請求項１に記載の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ。
前記第一ねじ山溝部及び前記第三ねじ山溝部の延長線が前記軸方向にある軸方向偏位値は予圧リード変位値であり、前記予圧リード変位値は０に等しくなく、前記第二ねじ山溝部の前記軸方向には第二ねじ山溝部の長さを有し、前記予圧リード変位値はＷ（Ｌ２―Ｌ１）／Ｌ２であり、Ｗは前記第二ねじ山溝部の長さであり、Ｌ１は前記第一リード値であり、Ｌ２は前記第二リード値であり、前記予圧リード変位値は前記第一リード値Ｌ１の百分の一より小さいか等しいことを特徴とする、請求項１に記載の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ。
前記第二ねじ山溝部の前記軸方向には第二ねじ山溝部の長さを有し、前記第二ねじ山溝部の長さは前記第二リード値の０．５〜２倍であり、前記第二ねじ山溝部内の変位量の前記第二ねじ山溝部の螺旋角に対する変化率は固定であり、前記第二ねじ山溝部内の前記ボールは異なる外力の方向に基づき負荷区が拡充され、且つ正方向或いは反対方向への負荷を受け、前記第二ねじ山溝部中の前記ボールが負荷を受けて前記ねじの螺旋角が変化する関係の一次微分は無限大ではないことを特徴とする、請求項１に記載の負荷区を拡充する変位予圧式のボールねじ。