JP6187680B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

この発明は、タングを有する循環部品（ボール戻し路を形成する部品）を備えたボールねじに関する。

ボールねじは、ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有する。前記ねじ軸は前記ナットを貫通し、前記ねじ軸の外周面に形成された螺旋溝と前記ナットの内周面に形成された螺旋溝とにより、前記ボールが負荷状態で転動する転動路が形成されている。前記ナットは、前記ボールを前記転動路の終点から始点に戻すボール戻し路を備えている。前記ボールは、前記転動路と前記ボール戻し路とからなる循環経路内に配置されている。前記循環経路を循環する前記ボールを介して、前記ナットと前記ねじ軸とが相対移動する。

ボール戻し路を形成する部品（循環部品）としては、ナットの外周面から内周面に貫通する穴に脚部を入れて使用される部品（金属製リターンチューブと、ボールの移動方向を示すラインに沿って分割された二個の分割体からなる合成樹脂製循環部品）と、ナットの軸方向に貫通する穴と連通させて使用されるエンドデフレクタが例示できる。
これらの部品は、転動路の終点ではボールを転動路からボール戻し路内へ掬い上げ、始点ではボールをボール戻し路から転動路に導くためのタングを有する。これらの部品が取り付けられた状態で、タングの端面は少なくともねじ軸の螺旋溝と対向する。つまり、タングの端面は、ねじ軸の螺旋溝と、その最も深い位置（以下、「溝底」と称する。）で対向する溝底対向ラインを有する。

金属製のリターンチューブを有するボールねじの従来例を図５に示す。この図は、ボールねじのリターンチューブ４０が配置されている部分を、ねじ軸１およびナット２の螺旋溝１１，２１（ボール３の転動路３１）に沿って切断した部分断面図である。ナット２の外周面に平坦部２ａが形成され、平坦部２ａから内周面に貫通する貫通穴２２が形成されている。
リターンチューブ４０の脚部の先端は、チューブ断面円の周方向で半分以上の範囲が、チューブ軸方向に垂直なベースラインに沿った端面４１０であり、それ以外の部分が、ベースラインから舌状に突出するタング４２０である。リターンチューブ４０の脚部がナット２の貫通穴２１に挿入され、タング４２０が転動路３１内に配置され、タング４２０の端面Ｍがねじ軸１の螺旋溝１１と対向している。転動路３１内のボール３は、タング４２０に衝突してすくい上げられて、リターンチューブ４０内に導かれる。

図６に示す従来のボールねじにおいて、タング４２０の端面が有する溝底対向ラインＬは、ねじ軸の溝底１１０をなす円と同心の円Ｃ１０に沿った円弧である。つまり、従来のボールねじでは、タング４２０の溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０との隙間Ｓが、タング４２０の先端側から基端側まで同じになっている。
なお、図６では、リターンチューブ４０の厚さが、タング４２０が形成されている部分だけ厚く表示されている。図６から分かるように、タング４２０の先端部（ボール３を案内する側の角部）４２０ａでは、リターンチューブ４０の内周面と溝底対向ラインＬとのなす角度が鋭角であり、基端部４２０ｂでは、リターンチューブ４０の外周面と溝底対向ラインＬとのなす角度が鈍角である。
このような従来の溝底対向ラインＬの設定方法では、隙間Ｓが小さいほど、溝底対向ラインＬの曲率半径が小さいためタング４２０を長く形成できるが、タング４２０の先端部（鋭角部）４２０ａの厚さは薄くなる。隙間Ｓが大きいほど、溝底対向ラインＬの曲率半径が大きいため、タング４２０の先端部（鋭角部）４２０ａを厚くできるが、隙間Ｓを大きくするとタング４２０の長さは短くなる。

図７は、隙間Ｓが図６よりも大きい場合を図６と同様に示している。
タング４２０が長いほど、ボール３を滑らかにボール戻し路４５へ向かわせることができる。つまり、従来のタング４２０の溝底対向ラインＬの設定方法（溝底対向ラインＬをねじ軸の溝底１１０をなす円と同心の円に沿わせる方法）においては、ボール３を滑らかにボール戻し路４５へ向かわせるためには隙間Ｓを小さくした方がよい。しかし、隙間Ｓが大きいほど、タング４２０からボール戻し路４５に向かう際にボール３が隙間Ｓに入り易い。
一方、ボール３がタング４２０に衝突してタング４２０が変形した場合、図６（ｂ）と図７（ｂ）との比較から分かるように、隙間Ｓが小さい場合（図６）の方が、タング４２０の先端部（鋭角部）４２０ａが溝底１１０に接触し易い。隙間Ｓが大きい場合（図７）では、タング４２０がかなり大きく変形しない限り、タング４２０の先端部（鋭角部）４２０ａは溝底１１０に接触しない。
特に、合成樹脂製の循環部品は、金属製の循環部品と比較して機械的強度が低いため、隙間Ｓを小さくし過ぎるとタングに損傷が生じるおそれがある。なお、隙間Ｓが小さい場合でも、タングの基端部（鈍角部）は、ボールのタングへの衝突時にねじ軸の溝底に接触しにくい。

特許文献１には、ボールねじに関し、循環部品（ボール戻し路を形成する部品）のタングの損傷を防止することを目的として、ねじ軸の溝底とタングとの最小隙間をボールの直径の１％〜１５％の範囲内にすることが記載されている。特許文献１に記載されたボールねじでも、タングの溝底対向ラインは、従来の方法と同様に、ねじ軸の溝底をなす円と同心の円に沿わせている。
特許文献２には、ボールねじに関し、エンドデフレクタのタングに対する早期損傷の抑制を目的として、タングの先端部（鋭角部）に形成する丸みの曲率半径Ｒを、ボールの直径Ｄｗとの関係でＲ／Ｄｗ≧０．０１５を満たすものとすることが記載されている。

特開２００７−１０７６１３号公報 特開２００４−２７８５５１号公報

上述のように、従来のタングの溝底対向ラインの設定方法（溝底対向ラインをねじ軸の溝底をなす円と同心の円に沿わせる方法）では、ボールを滑らかにボール戻し路へ向かわせることと、タングの先端部がねじ軸の溝底に接触しにくくタングの先端部の機械的強度が高いことが両立しない。
この発明の課題は、タングを有する循環部品（ボール戻し路を形成する部品）を備えたボールねじにおいて、タングの溝底対向ラインを適切に設定することにより、ボールが滑らかにボール戻し路へ向かうことと、タングの先端部がねじ軸の溝底に接触しにくくタングの先端部の機械的強度が高いことを両立することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様のボールねじは、下記の構成要件(1) 〜(4) を有する。
(1) ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有する。前記ねじ軸は前記ナットを貫通し、前記ねじ軸の外周面に形成された螺旋溝と前記ナットの内周面に形成された螺旋溝とにより、前記ボールが負荷状態で転動する転動路が形成されている。前記ナットは、前記ボールを前記転動路の終点から始点に戻すボール戻し路を備えている。前記ボールは、前記転動路と前記ボール戻し路とからなる循環経路内に配置されている。前記循環経路を循環する前記ボールを介して、前記ナットと前記ねじ軸とが相対移動する。
(2) 前記ボール戻し路を形成する部品は、前記ボールを前記ボール戻し路内へ掬い上げるタングを有する。
(3) 前記タングの端面（少なくとも前記ねじ軸の螺旋溝と対向する面）は、前記ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置である溝底での断面で、前記溝底をなす円と隙間を介して対向する溝底対向ラインを有する。
(4) 前記溝底対向ラインは、前記タングの先端側から基端側に向けて前記隙間が小さくなるように設けられている。

この発明によれば、タングを有する循環部品を備えたボールねじであって、ボールが滑らかにボール戻し路へ向かうことと、タングの先端部がねじ軸の溝底に接触しにくくタングの先端部の機械的強度が高いことが両立されたボールねじが提供される。

第一実施形態のボールねじを構成するリターンチューブと、ボールと、ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置（溝底）との関係を示す図である。 実施形態のボールねじを構成するボール戻し路形成部品のタングと、ねじ軸の溝底との関係を説明する、溝底での断面図であって、ボール戻し路形成部品の厚さが、タングが形成されている部分だけ厚く表示されている。 第二実施形態のボールねじを構成するエンドデフレクタと、ボールと、ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置（溝底）との関係を示す図である。 第三実施形態のボールねじを構成する合成樹脂製循環部品と、エンドデフレクタと、ボールと、ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置（溝底）との関係を示す図である。 ボールねじの従来例を示す断面図である。 従来例のボールねじを構成するボール戻し路形成部品のタングと、ねじ軸の溝底との関係を説明する図であって、リターンチューブの厚さが、タングが形成されている部分だけ厚く表示されている。 従来例のボールねじを構成するボール戻し路形成部品のタングと、ねじ軸の溝底との関係を説明する図であって、リターンチューブの厚さが、タングが形成されている部分だけ厚く表示されている。 隙間Ｓａ，Ｓｂと試験方法を説明する図であって、ボール戻し路形成部品のタングとねじ軸の溝底での断面を示す。 接触面圧比と隙間比（Ｓａ／Ｓｂ）との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下の実施形態に限定されない。
［第一実施形態］
この実施形態のボールねじは、図５に示す従来のボールねじと同じねじ軸１、ナット２、およびボール３と、図６のリターンチューブ４０とタングの端面形状のみが異なるリターンチューブ４を有する。
図１および図２に示すように、リターンチューブ４のタング４２の端面は、ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置（溝底）１１０をなす円と、隙間Ｓを介して対向する溝底対向ラインＬを有する。この溝底対向ラインＬは、ねじ軸の溝底１１０をなす円と中心が異なる円Ｃ１に沿った円弧であり、図２（ａ）に示すように、タング４２の先端部４２ａ側から基端部４２ｂ側に向けて隙間Ｓが小さくなるように設けられている。また、タング４２の先端部４２ａ側での隙間Ｓが、適切な寸法（基端４２ｂ側より大きいが、ボール３が入り込みにくい寸法）に設定されている。

よって、この実施形態のボールねじによれば、ボール３がタング４２に衝突してタング４２が変形した場合に、例えば、図２（ｂ）に示す状態となる。つまり、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の基端部（鈍角部）４２ｂ側におけるタング４２の溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０との距離が小さくなる。
また、タング４２の先端部（鋭角部）４２ａ側での隙間Ｓが適切な寸法に設定されているため、ボール３を滑らかにボール戻し路４５へ向かわせつつ、ねじ軸の溝底１１０にタング４２の先端部４２ａを接触しにくくすることができる。

また、万が一、ねじ軸の溝底１１０にタング４２が接触した場合には、タング４２の先端部４２ａだけでなく基端部４２ｂでも接触することにより、溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０とが、一点のみでの接触でなく線接触となり易い。そのため、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の先端部４２ａに生じる応力が緩和できる。
したがって、この実施形態のボールねじは、リターンチューブ４のタング４２の溝底対向ラインＬが適切に設定されていることで、ボール３が滑らかにボール戻し路４５へ向かうことと、タング４２の先端部４２ａがねじ軸の溝底１１０に接触しにくく、タング４２の先端部４２ａの機械的強度が高いことが両立されたものになっている。

［第二実施形態］
この実施形態のボールねじは、図３に示すように、ボール戻し路４５を形成する部品として、合成樹脂製のエンドデフレクタ４Ａを有する。エンドデフレクタ４Ａのタング４２とねじ軸の溝底１１０とは、図２に示す関係を有する。
つまり、タング４２の溝底対向ラインＬは、ねじ軸の溝底１１０をなす円と中心が異なる円Ｃ１に沿った円弧であり、図２（ａ）に示すように、タング４２の先端部４２ａ側から基端部４２ｂ側に向けて隙間Ｓが小さくなるように設けられている。また、タング４２の先端部４２ａ側での隙間Ｓが、適切な寸法（基端４２ｂ側より大きいが、ボール３が入り込みにくい寸法）に設定されている。

よって、この実施形態のボールねじによれば、ボール３がタング４２に衝突してタング４２が変形した場合に、例えば、図２（ｂ）に示す状態となる。つまり、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の基端部（鈍角部）４２ｂ側におけるタング４２の溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０との距離が小さくなる。
また、タング４２の先端部（鋭角部）４２ａ側での隙間Ｓが適切な寸法に設定されているため、ボール３を滑らかにボール戻し路４５へ向かわせつつ、ねじ軸の溝底１１０にタング４２の先端部４２ａを接触しにくくすることができる。

また、万が一、ねじ軸の溝底１１０にタング４２が接触した場合には、タング４２の先端部４２ａだけでなく基端部４２ｂでも接触することにより、溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０とが、一点のみでの接触でなく線接触となり易い。そのため、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の先端部４２ａに生じる応力が緩和できる。
したがって、この実施形態のボールねじは、エンドデフレクタ４Ａのタング４２の溝底対向ラインＬが適切に設定されていることで、ボール３が滑らかにボール戻し路４５へ向かうことと、タング４２の先端部４２ａがねじ軸の溝底１１０に接触しにくく、タング４２の先端部４２ａの機械的強度が高いことが両立されたものになっている。

［第三実施形態］
この実施形態のボールねじは、図４に示すように、ボール戻し路４５を形成する部品として、合成樹脂製の循環部品４Ｂを有する。合成樹脂製の循環部品４Ｂは、ボールの移動方向を示すラインに沿って分割された二個の分割体からなる。各分割体が合成樹脂の射出成形により形成され、これらの分割体を結合することで循環部品４Ｂが組み立てられている。循環部品４Ｂのタング４２とねじ軸の溝底１１０とは、図２に示す関係を有する。
つまり、タング４２の溝底対向ラインＬは、ねじ軸の溝底１１０をなす円と中心が異なる円Ｃ１に沿った円弧であり、図２（ａ）に示すように、タング４２の先端部４２ａ側から基端部４２ｂ側に向けて隙間Ｓが小さくなるように設けられている。また、タング４２の先端部４２ａ側での隙間Ｓが、適切な寸法（基端４２ｂ側より大きいが、ボール３が入り込みにくい寸法）に設定されている。

よって、この実施形態のボールねじによれば、ボール３がタング４２に衝突してタング４２が変形した場合に、例えば、図２（ｂ）に示す状態となる。つまり、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の基端部（鈍角部）４２ｂ側におけるタング４２の溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０との距離が小さくなる。
また、タング４２の先端部（鋭角部）４２ａ側での隙間Ｓが適切な寸法に設定されているため、ボール３を滑らかにボール戻し路４５へ向かわせつつ、ねじ軸の溝底１１０にタング４２の先端部４２ａを接触しにくくすることができる。
また、万が一、ねじ軸の溝底１１０にタング４２が接触した場合には、タング４２の先端部４２ａだけでなく基端部４２ｂでも接触することにより、溝底対向ラインＬとねじ軸の溝底１１０とが、一点のみでの接触でなく線接触となり易い。そのため、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す状態と比較して、タング４２の先端部４２ａに生じる応力が緩和できる。

したがって、この実施形態のボールねじは、合成樹脂製循環部品４Ｂのタング４２の溝底対向ラインＬが適切に設定されていることで、ボール３が滑らかにボール戻し路４５へ向かうことと、タング４２の先端部４２ａがねじ軸の溝底１１０に接触しにくく、タング４２の先端部４２ａの機械的強度が高いことが両立されたものになっている。
つまり、上記各実施形態のタングの溝底対向ラインの設定方法によれば、タングの先端部の機械的強度を低下させることなく、ねじ軸とタングとの接触するリスクを低減し、ボールねじの作動性や音響特性を向上させることが可能となる。

［この発明の一態様のボールねじの作用についての説明］
この発明の一態様のボールねじでは、タングの溝底対向ラインが、タングの先端側から基端側に向けて前記隙間（タングの溝底対向ラインと、ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置である溝底をなす円と、の間に形成される隙間）が小さくなるように設けられている。そのため、ボールがタングに衝突してタングが変形した場合に、この態様のボールねじでは、前記隙間が一定になるように前記溝底対向ラインを設けたボールねじと比較して、タングの基端側におけるタングの端面とねじ軸の溝底との距離が小さくなる。

よって、この態様のボールねじでは、タングの先端側での前記隙間を適切な寸法（基端側より大きいが、ボールが入り込みにくい寸法）に設定することで、ボールを滑らかにボール戻し路へ向かわせつつ、ねじ軸の溝底にタングの先端部を接触しにくくすることができる。
また、この態様のボールねじでは、万が一、ねじ軸の溝底にタングが接触した場合に、タングの先端部だけでなく基端部側でも接触する可能性がある。よって、前記溝底対向ラインと前記ねじ軸の溝底とが、一点のみでの接触でなく複数点による接触または線接触となり易いため、タングの先端部（鋭角部）に生じる応力が緩和できる。

この態様のボールねじは、前記溝底対向ラインが、前記ねじ軸の溝底をなす円と中心が異なる円に沿った円弧である構成をとることができる。
また、前記ボール戻し路を形成する部品が合成樹脂製であると、金属製である場合と比較して機械的強度が低いため、この態様のボールねじとすることが好適である。
この態様のボールねじは、前記溝底の断面円の中心と前記溝底対向ラインの前記溝底から最も遠い点との距離（Ｓａ）の、前記溝底の断面円の中心と前記溝底対向ラインの前記溝底に最も近い点との距離（Ｓｂ）に対する比（Ｓａ／Ｓｂ）が、下記の(1) 式を満たすことが好ましい。
１．２≦Ｓａ／Ｓｂ≦２．６…(1)

［(1)式について］
タング４２の溝底対向ラインＬが異なる多数のリターンチューブ４を用意した。これらのリターンチューブ４のタング４２は、図８に示す隙間Ｓａと隙間Ｓｂとの比（Ｓａ／Ｓｂ）が様々な値になる。図８は図２（ａ）の拡大鏡面図に相当する。
隙間Ｓａは、タング４２の先端部４２ａでの隙間であり、図８に示す断面で、ねじ軸の溝底１００の断面円の中心と溝底対向ラインＬの溝底１１０から最も遠い点との距離である。隙間Ｓｂは、タング４２の基端部４２ｂでの隙間であり、図８に示す断面で、溝底１００の断面円の中心と溝底対向ラインＬの溝底１１０に最も近い点との距離である。
各リターンチューブ４を組み込んだボールねじを用い、タング４２を、図８に示す力Ｆでねじ軸の溝底１１０に押し付け、その際にタング４２の溝底対向面に生じる接触部の面積Ａを求めた。さらに、Ｓａ／Ｓｂ＝１．６の場合の面積Ａを１とした比を算出した。この比は接触面圧比に相当する。得られた接触面圧比と隙間比（Ｓａ／Ｓｂ）との関係を図９にグラフで示す。

図９のグラフから、隙間比（Ｓａ／Ｓｂ）が１．２以上２．６以下の範囲を満たすことで、接触面圧比が１．５以下になり、１．３以上２．２以下の範囲を満たすことで、接触面圧比が１．４以下になることが分かる。
つまり、隙間比（Ｓａ／Ｓｂ）が１．２以上２．６以下の範囲を満たすように、タング４２の溝底対向ラインＬを設定することにより、タング４２をねじ軸の溝底１１０に押し付けた時に生じる接触面圧が低く押えられて、タング４２の先端部４２ａに損傷が生じにくくすることができる。また、隙間比（Ｓａ／Ｓｂ）が１．３以上２．２以下の範囲を満たすように、タング４２の溝底対向ラインＬを設定すれば、タング４２の先端部４２ａに損傷が生じにくくできる効果がより大きくなる。

１ ねじ軸
１１ ねじ軸の螺旋溝
１１０ ねじ軸の溝底（螺旋溝の最も深い位置）
２ ナット
２ａ ナット外周面の平坦部
２１ ナットの螺旋溝
２２ 貫通穴（リターンチューブの取付穴）
３ ボール
３１ ボールの転動路
４ リターンチューブ（ボール戻し路を形成する部品）
４０ リターンチューブ
４Ａ エンドデフレクタ（ボール戻し路を形成する部品）
４Ｂ 合成樹脂製の循環部品（ボール戻し路を形成する部品）
４１ リターンチューブの脚部の端面
４１０ リターンチューブの脚部の端面
４２ ボール戻し路を形成する部品のタング
４２ａ タングの先端部
４２ｂ 基端部
４２０ リターンチューブのタング
４５ ボール戻し路
Ｃ１ ねじ軸の溝底をなす円と中心が異なる円
Ｃ１０ ねじ軸の溝底をなす円と中心が同じ円
Ｌ タングの端面が有する溝底対向ライン
Ｍ タングの端面
Ｓ タングの溝底対向ラインとねじ軸の溝底をなす円との隙間

Claims (4)

1. ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有し、
   前記ねじ軸は前記ナットを貫通し、
   前記ねじ軸の外周面に形成された螺旋溝と前記ナットの内周面に形成された螺旋溝とにより、前記ボールが負荷状態で転動する転動路が形成され、
   前記ナットは、前記ボールを前記転動路の終点から始点に戻すボール戻し路を備え、
   前記ボールは、前記転動路と前記ボール戻し路とからなる循環経路内に配置され、
   前記ボール戻し路を形成する部品は、前記ボールを前記ボール戻し路内へ掬い上げるタングを有し、
   前記タングの端面は、前記ねじ軸の螺旋溝の最も深い位置である溝底での断面で、前記溝底をなす円と隙間を介して対向する溝底対向ラインを有し、
   前記溝底対向ラインは、前記タングの先端側から基端側に向けて前記隙間が小さくなるように設けられ、
   前記循環経路を循環する前記ボールを介して、前記ナットと前記ねじ軸とが相対移動するボールねじ。
2. 前記溝底対向ラインは、前記ねじ軸の溝底をなす円と中心が異なる円に沿った円弧である請求項１記載のボールねじ。
3. 前記ボール戻し路を形成する部品が合成樹脂製である請求項１または２記載のボールねじ。
4. 前記溝底の断面円の中心と前記溝底対向ラインの前記溝底から最も遠い点との距離（Ｓａ）の、前記溝底の断面円の中心と前記溝底対向ラインの前記溝底に最も近い点との距離（Ｓｂ）に対する比（Ｓａ／Ｓｂ）が、下記の(1) 式を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載のボールねじ。
   １．２≦Ｓａ／Ｓｂ≦２．６…(1)

Images