JP6413328B2 - ボールねじ機構及びステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ機構及びステアリング装置に関する。

従来、操舵機構にアシスト力を付与するステアリング装置としては、ボールねじ機構を用いてモータの回転をラック軸の往復動に変換することにより、該モータの回転をアシスト力として付与するものがある。このように用いるボールねじ機構としては、例えば、特許文献１に記載のねじ軸とナットとが多数のボールを介して螺合したボールねじ機構がある。

この特許文献１のボールねじ機構では、そのねじ軸の外周面にボールの転動溝が螺旋状に形成される。また、そのナットの内周面には、ねじ軸のボールの転動溝に対向するボールの負荷転動溝が螺旋状に形成される一方、この負荷転動溝に沿うようにボールの無負荷転動溝が螺旋状に該負荷転動溝よりも深く形成される。そして、特許文献１のボールねじ機構では、ナットの内周面にさらに方向転換溝を形成することで、これら負荷転動溝及び無負荷転動溝の端がナットの内周面で連結され、ボールの無限循環に関して、所謂、デフレクタを不要にしている。

国際公開第ＷＯ２００７／１１４０３６号公報

しかしながら、特許文献１のボールねじ機構では、ナットの内周面に負荷転動溝に沿って無負荷転動溝や方向転換溝を形成するので、負荷転動溝間に無負荷転動溝を形成するだけの余裕や方向転換溝を形成するだけの余裕を確保しなければならずナット、すなわちボールねじ機構の大型化を避けられない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、デフレクタを不要にしても大型化を抑えることができるボールねじ機構及びステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するボールねじ機構は、外周面に螺旋状のねじ側転動溝が形成されたねじ軸と、内周面にねじ側転動溝に対向する螺旋状のナット側転動溝が形成された円筒状のナットと、ねじ側転動溝とナット側転動溝とにより囲まれる空間からなる転動路に配置される複数のボールと、を備えるようにしている。また、ボールねじ機構において、ナットは、ナット側転動溝の両端に設けられナット側転動溝の軌道をねじ側転動溝からずらすとともに、ずれに伴い溝が深く変位するずれ部と、ナット側転動溝の両端のずれ部を繋ぐ還流路と、ねじ軸の軸方向におけるずれ部の開始位置からずれ部に対向するねじ側転動溝に隣接するねじ山を越えない間に還流路への通路口と、が形成されてなるようにしている。

この構成によれば、ボールねじ機構のボールは、転動路を転動することでナット側転動溝のずれ部に到達すると、軌道のずれ側のねじ側転動溝に押し付けられながら、その隣接するねじ山に徐々に乗り上げていく。そして、このようにボールがねじ山に乗り上げを開始してから乗り上げた後の間に、還流路への通路口が設けられる。これにより、ずれ部を経ることでボールは、還流路へと誘導されるようになる。また、還流路へと誘導されたボールは、ナットを経てもう一方の通路口からその延長上にあるもう一方のずれ部、さらにはねじ側転動溝とナット側転動溝とにより囲まれる転動路へと誘導される。すなわち、ナットには、その内周にずれ部及び通路口を設けるとともに、還流路を設ければ、所謂、デフレクタを不要にしてボールの無限循環を実現することができる。また、ずれ部の延長上に通路口が設けられ、還流路がナット本体に設けられるので、ねじ側転動溝に基づく転動路間も狭めてその軸方向の全長も縮めることができる。したがって、デフレクタを不要にしても大型化を抑えることができる。

こういったボールねじ機構において、ずれ部は、ナット側転動溝の両端におけるナット側転動溝に隣接する転動溝側に軌道をずらすように形成されることが好ましい。
この構成によれば、ずれ部がナットの軸方向内側に軌道をずらすので、軸方向外側に軌道をずらす場合に比べて、ボールの無限循環に関する構成の軸方向への拡がりを抑えることができる。一般に、ボールねじ機構における隣り合うねじ側転動溝、すなわち転動路の間には、ねじ山による隙間（リード）が必要になる。このため、この隙間を利用してずれ部を設ければ、デフレクタを不要にするための上記隙間の拡がりを最小限に抑えることができる。したがって、デフレクタを不要にしても大型化を効果的に抑えることができる。

また、こういったボールねじ機構において、ナットに外嵌されるスリーブをさらに有し、還流路は、ナットの外周に設けられることが好ましい。
この構成によれば、ナットの外周に還流路を形成することで、ねじ側転動溝に基づく転動路間の隙間（リード）の拡がりを最小限に抑えることができる。もっとも、ナットの外周に還流路を形成することで、該還流路を通過中のボールがボールねじ機構外に飛び出すことで、ボールねじ機構が正常に機能しなくなるといった懸念がある。しかし、ナットにスリーブを外嵌するので、還流路を通過中のボールがボールねじ機構外に飛び出すことがなくなる。したがって、ボールねじ機構を正常に機能させながら大型化を効果的に抑えることができる。

そして、車両の転舵軸をねじ軸として、転舵軸の外周面に形成された螺旋状のねじ側転動溝に対向する螺旋状のナット側転動溝が形成された円筒状のナット、及びねじ側転動溝とナット側転動溝とにより囲まれる空間からなる転動路に配置される複数のボールを備えたボールねじ機構と、ナットにトルクを付与するモータと、を備えるステアリング装置において、ボールねじ機構として、上記のようなボールねじ機構が用いられることが好ましい。

この構成によれば、大型化を抑えたボールねじ機構を採用することができるので、ステアリング装置についてもその大型化を抑えることができる。

本発明によれば、デフレクタを不要にしても大型化を抑えることができる。

ステアリング装置の概略構成を示す図。 ボールねじ機構を示す図。 ナットを示す断面図。 ナットを示す断面図。 ナットにおける還流路を示す図。 還流路をボールが通過する様子を軸方向から見た断面図。 還流路をボールが通過する様子を径方向から見た断面図。 還流路をボールが通過する様子を図７とは別の径方向から見た断面図。 別例におけるナットを示す断面図。 別例における還流路をボールが通過する様子を軸方向から見た断面図。

以下、ボールねじ機構が搭載されたステアリング装置の一実施形態を説明する。
図１に示すように、ステアリング装置１は、運転者のステアリングホイール２の操作（以下、「ステアリング操作」という）に基づき転舵輪３を転舵させる操舵機構４、及び運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構５を備える電動パワーステアリング装置である。

操舵機構４は、ステアリングホイール２の回転軸となるステアリングシャフト６、及びその下端部にラックアンドピニオン機構７を介して連結されたねじ軸としてのラック軸８を備える。操舵機構４では、運転者のステアリング操作に伴いステアリングシャフト６が回転すると、その回転運動がラックアンドピニオン機構７を介してラック軸８の軸方向の往復運動（直線運動）に変換される。このラック軸８の軸方向の往復運動がその両端に連結されたタイロッド９を介して転舵輪３に伝達されることにより転舵輪３の転舵角が変化し、車両の進行方向が変更される。

アシスト機構５は、ラック軸８に設けられる。アシスト機構５は、モータ１０及び動力伝達機構１１により構成される。モータ１０及び動力伝達機構１１を含め、ラック軸８は、ハウジング１２により覆われる。モータ１０は、その出力軸１３がラック軸８の中心軸に対して平行となるようにハウジング１２の外壁にボルト１４により組み付けられる。また、モータ１０の出力軸１３は、ハウジング１２の内部に延びている。動力伝達機構１１は、ラック軸８の外周に取り付けられるボールねじ機構２０、及びモータ１０の出力軸１３の回転をボールねじ機構２０に伝達する減速機構１５からなる。

次に、ボールねじ機構２０の構造について説明する。
図２に示すように、ラック軸８の外周面にはねじ側転動溝としての螺旋状のラックねじ溝２１が形成されるとともに、それぞれの溝の間に螺旋状のねじ山２２が形成される。これらラックねじ溝２１及びねじ山２２は、所定の隙間（リード）を設けて形成される。

ボールねじ機構２０は、ラック軸８をねじ軸として、ラックねじ溝２１に対向するナット側転動溝としての螺旋状のナット溝３２が内周面に形成されたナット３０（ナット本体３１）を備える。また、ボールねじ機構２０は、ラックねじ溝２１とナット溝３２とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路Ｒに配置される複数のボール４０を備えている。なお、ナット３０は、ボールベアリングによりハウジング１２に対して回転可能に支持される。

また、ナット３０（ナット本体３１）の外周には、転動路Ｒの二箇所間を繋ぐ還流路３３が形成される。すなわちボール４０は、還流路３３を介して転動路Ｒを無限循環する。また、ナット３０（ナット本体３１）には、還流路３３を塞ぐようにスリーブ５０が外嵌されるとともに、そのさらに外周面に一体的に従動プーリが取り付けされる。なお、減速機構１５において、モータ１０の出力軸１３には、駆動プーリが一体に取り付けられる。そして、上記従動プーリ、及び上記駆動プーリにベルトが巻き掛けられることで、モータ１０の出力軸１３の回転がボールねじ機構２０に伝達される。

ここで、ナット３０について詳しく説明する。
図３及び図４に示すように、ナット３０は、円筒状のナット本体３１を備える。ナット本体３１の内周には、ラックねじ溝２１と略同じ深さで略同じ軌道で対向するようにナット溝３２が形成されるとともに、それぞれの溝の間に螺旋状の隆起部３６が形成される。これらナット溝３２及び隆起部３６は、ラック軸８の所定の隙間（リード）と略同じ隙間（リード）を設けて形成される。

ナット溝３２の両端には、その軌道をラックねじ溝２１からずらすようにしたずれ部３４が形成されるとともに、その先に還流路３３への通路口３５が形成される。各ずれ部３４では、隣接するナット溝３２に徐々に近付くようにその軌道が設定されている。こういった軌道のずれが、本実施形態では上記所定の隙間を基準に約半リード、すなわち上記所定の隙間の半分程度になるように設定される。また、各ずれ部３４では、隣接するナット溝３２に近付く程、その溝が深く形成される。すなわち、ずれ部３４では、通路口３５に近付く程、溝が深い一方、通路口３５から遠ざかる程、溝が浅くなる（図３及び図４中、矢示）。

また、ずれ部３４の通路口３５付近では、その軌道が隆起部３６に相当する位置を通るとともに、その溝がラックねじ溝２１と対向しないでねじ山２２と対向する。そして、ずれ部３４の通路口３５付近では、ボール４０がねじ山２２上を通過可能なように、その溝の深さがボール４０の直径以上に設定される。

また、図３及び図４に示すように、各ずれ部３４及び通路口３５は、ナット本体３１に２組形成されるとともに、これらを繋ぐ還流路３３がナット本体３１の外周に凹設される。特に、図５に示すように、各ずれ部３４及び通路口３５は、還流路３３を正面視する場合に、同時に各通路口３５を視認可能なように配置される。

また、還流路３３は、各通路口３５からナット本体３１の径に沿ってそれぞれ延びるとともに、これらを繋ぐようにＳ字をなす。また、還流路３３は、各通路口３５を繋ぐ間において、その底がナット溝３２の若干径方向外側（例えば、２ミリメートル）に位置するように設定される。また、還流路３３では、ボール４０が転動可能なように、その深さ及び幅が該ボール４０の直径以上に設定される。

そして、図６〜図８中、矢印で示すように、ボールねじ機構２０のボール４０は、駆動プーリに連動してナット３０が所定方向に回転することにより、還流路３３を所定方向に転動する。そのうちラックねじ溝２１とナット溝３２とにより囲まれた転動路Ｒを転動することで、ずれ部３４に到達したボール４０は、ナット溝３２の軌道のずれとずれに伴うナット溝３２の深さの変位とにより、転動路Ｒが徐々にナット３０側に変位する。

図６に示すように、ナット３０の軸方向から見た同一平面上に、ボール４０の軌道を投影すると、ボール４０が範囲Ａ→範囲Ｂを通過して還流路３３を通過し、さらに範囲Ｂ→範囲Ａと通過する様子が見られる。なお、図６中、装飾部（ドット）は、ボール４０の転動路Ｒを表す。

すなわち、図６中、範囲Ａのずれ部３４において、ボール４０は、軌道のずれ側のラックねじ溝２１の側面に押し付けられ、その側面を徐々に乗り上げていく。このため、範囲Ａにおいて、ラックねじ溝２１の底に沿った転動路Ｒが、ナット溝３２の軌道のずれとそれに伴う深さの変位（ここでは、徐々に深くなる）にしたがって、ラックねじ溝２１の側面に沿って変位していくとともに、ラックねじ溝２１の底から離れていく。

その後、ずれ部３４を通過するボール４０は、隣接するねじ山２２に乗り上げる。このため、ラックねじ溝２１の側面に沿った転動路Ｒが、ナット溝３２の軌道のずれとそれに伴う深さの変位にしたがって、ラックねじ溝２１から離脱してラック軸８のねじ山２２に乗り上げる。

また、図６中、範囲Ｂのずれ部３４において、ボール４０は、ラック軸８のねじ山２２に沿って転動した後、その延長上にある通路口３５に到達することで、還流路３３へと掬い上げられる。このため、ラック軸８のねじ山２２に乗り上げた転動路Ｒが、通路口３５を経て還流路３３に遷移する。

還流路３３に掬い上げられた後、ボール４０は、還流路３３に沿って移動することでナット本体３１を経てもう一方の通路口３５からその延長上にあるもう一方のずれ部３４、さらにはラックねじ溝２１とナット溝３２とに囲まれた転動路Ｒへと戻ることで１条循環による無限循環をなす。

還流路３３から通路口３５を経る場合、図６中、範囲Ｂのずれ部３４において、ボール４０は、ラック軸８のねじ山２２に沿って転動した後に、該ねじ山２２から離脱する。
すなわち、この場合に図６中、範囲Ａのずれ部３４において、ボール４０は、軌道のずれ側のラックねじ溝２１の側面に押し付けられ、その側面を徐々に下っていく。このため、この場合に範囲Ａにおいて、ラック軸８のねじ山２２に沿った転動路Ｒが、ナット溝３２の軌道のずれとそれに伴う深さの変位（ここでは、徐々に浅くなる）にしたがって、ラックねじ溝２１の側面に沿って変位していくとともに、ラックねじ溝２１の底へと近付いていく。

その後、この場合にずれ部３４を通過するボール４０は、ラックねじ溝２１に沿った軌道に戻る。
また、図７及び図８に示すように、上述したボール４０の無限循環の様子をナット３０の径方向から見た同一平面上に、ボール４０の軌道を投影すると、ボール４０がずれ部３４→通路口３５を通過して還流路３３を通過し、さらに通路口３５→ずれ部３４と通過する様子が見られる。なお、図７及び図８中、装飾部（ドット）は、ボール４０の転動路Ｒを表す。

すなわち、ずれ部３４において、ボール４０は、ラックねじ溝２１の側面を徐々に乗り上げていく間、ナット３０の軸方向内方に変位していく。その後、ずれ部３４を通過するボール４０は、隣接するねじ山２２に乗り上げて、ナット３０の軸方向外方に若干変位していく。そこからボール４０は、通路口３５を通過して、還流路３３へと掬い上げられる。このため、ラック軸８のねじ山２２に乗り上げた転動路Ｒが、通路口３５を経て還流路３３に遷移する。

還流路３３から通路口３５を経る間、ボール４０は、ナット３０の軸方向内方に若干変位していく。そして、通路口３５を経た後、ボール４０は、隣接するラックねじ溝２１を下って、ナット３０の軸方向外方に変位していく。そこからボール４０は、ずれ部３４を経て、隣接するラックねじ溝２１に沿った軌道に戻る。

次に、ボールねじ機構２０の作用を説明する。
図６の範囲Ａに示すように、ボールねじ機構２０のボール４０は、転動路Ｒを転動することでナット溝３２のずれ部３４に到達すると、軌道のずれ側のラックねじ溝２１に押し付けられながら、その隣接するねじ山２２に徐々に乗り上げていく。そして、図６の範囲Ｂに示すように、ボール４０がねじ山２２に乗り上げた後、その延長上に還流路３３への通路口３５が設けられる。

これにより、ずれ部３４を経ることでボール４０は、還流路３３へと誘導されるようになる。また、還流路へと誘導されたボール４０は、ナット本体３１を通ってもう一方の通路口３５からその延長上にあるもう一方のずれ部３４、さらにはラックねじ溝２１とナット溝３２とにより囲まれる転動路Ｒへと誘導される。すなわち、ナット本体３１には、その内周にずれ部３４及び通路口３５を設けるとともに、そのナット本体３１に還流路３３を設ければ、所謂、デフレクタを不要にしてボールの無限循環を実現することができる。

また、ナット本体３１には、ずれ部３４の延長上に通路口３５が設けられ、還流路３３がナット本体３１に設けられるので、ラックねじ溝２１に基づく転動路Ｒの間も狭めてその軸方向の全長も縮めることができる。

また、ずれ部３４がナット３０の軸方向内側に軌道をずらすので、軸方向外側に軌道をずらす場合に比べて、ボール４０の無限循環に関する構成の軸方向への拡がりを抑えることができる。一般に、ボールねじ機構２０における隣り合うラックねじ溝２１、すなわち転動路Ｒの間には、ねじ山による所定の隙間（リード）が必要になる。このため、この隙間を利用してずれ部３４を設ければ、デフレクタを不要にするための上記隙間の拡がりを最小限に抑えることができる。

また、ナット本体３１の外周に還流路を形成することで、ラックねじ溝２１に基づく転動路Ｒの間の隙間（リード）の拡がりを最小限に抑えることができる。もっとも、ナット本体３１の外周に還流路３３を形成することで、該還流路３３を通過中のボール４０がボールねじ機構２０外に飛び出してしまい、ボールねじ機構２０が正常に機能しなくなるといった懸念がある。しかし、ナット本体３１にスリーブ５０を外嵌するので、還流路３３を通過中のボール４０がボールねじ機構２０外に飛び出すことがなくなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に示す効果を奏することができる。
（１）ずれ部３４を経ることでボール４０は、還流路３３へと誘導されるようにした。すなわち、ナット本体３１には、その内周にずれ部３４及び通路口３５を設けるとともに、そのナット本体３１に還流路３３を設ければ、所謂、デフレクタを不要にしてボールの無限循環を１条循環にて実現することができる。これによれば、ラックねじ溝２１に基づく転動路Ｒの間も狭めてその軸方向の全長も縮めることができる。したがって、デフレクタを不要にしても大型化を抑えることができる。

（２）ずれ部３４がナット３０の軸方向内側に軌道をずらすとともに、ねじ山２２による所定の隙間を利用してずれ部３４を設けるようにした。これにより、デフレクタを不要にするための上記隙間の拡がりを最小限に抑えることができ、デフレクタを不要にしても大型化を効果的に抑えることができる。

（３）ナット本体３１の外周に還流路３３を形成する一方、ナット本体３１にスリーブ５０を外嵌するようにした。これにより、還流路３３を通過中のボール４０がボールねじ機構２０外に飛び出すことがなくなり、ボールねじ機構２０を正常に機能させながら大型化を効果的に抑えることができる。

（４）大型化を抑えたボールねじ機構２０を採用することができるので、ステアリング装置１についてもその大型化を抑えることができる。
（５）通路口３５は、ずれ部３４に対向するラックねじ溝２１に隣接するねじ山２２に乗り上げた後となる位置に形成されるようにした。これによれば、ボール４０を還流路３３に掬い上げる際、ずれ部３４においてねじ山２２への乗り上げ途中に通路口３５を形成する場合に比べて、ボール４０を掬い上げ易くすることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・還流路３３の封止が可能であれば、スリーブ５０を備えていなくてもよい。例えば、還流路３３をナット本体３１の内部に形成する場合には、スリーブ５０が不要になる。

・ずれ部３４は、隣接するナット溝３２の逆側、すなわち軸方向外側に軌道をずらすように形成されていてもよい。
・ずれ部３４による軌道のずれは、半リード未満であってもよいし半リードよりも大きく設定することもできる。

・通路口３５は、ラック軸８の軸方向におけるずれ部３４の開始から該ずれ部３４に対向するラックねじ溝２１に隣接するねじ山２２を超えない間で、その位置を変更してもよい。

例えば、図９及び図１０に示すように、通路口３５は、ずれ部３４において、ボール４０がねじ山２２の側面を乗り上げていく途中に形成することもできる。図９に示すように、本別例のずれ部３４の通路口３５付近では、その軌道が隆起部３６に相当する位置を通るとともに、その溝がラックねじ溝２１及びねじ山２２のそれぞれ一部と対向する。このため、図１０に示すように、本別例の範囲Ａのずれ部３４において、ボール４０は、軌道のずれ側のラックねじ溝２１の側面に押し付けられ、その側面を徐々に乗り上げ、その途中から通路口３５に到達することで、還流路３３へと掬い上げられる。

・上記実施形態では、ボール４０の無限循環を１条循環で達成することができるので、ボール４０の転動に各ボール４０の接触を防ぐ保持機を用いることもできる。このようにボール４０の転動に保持機を用いることができれば、ナット３０の回転に関わるトルク変動が抑えられ、ボールねじ機構２０の耐久性の向上に寄与することができる。

・上記実施形態のボールねじ機構２０は、電動パワーステアリング装置に限らず、それ以外のステアリング装置にも適用可能である。例えばステアバイワイヤ式のステアリング装置など、ボールねじ機構を備える各種ステアリング装置に適用可能である。また、ステアリング装置に限らず、適宜のボールねじ機構にも適用可能である。

次に、上記実施形態及び別例（変形例）から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記通路口は、前記ずれ部に対向する前記ねじ側転動溝に隣接するねじ山に乗り上げた後となる位置に形成される。これによれば、ボールを還流路に掬い上げる際、ずれ部においてねじ山への乗り上げ途中に通路口を形成する場合に比べて、ボールを還流路に掬い上げ易くすることができる。

１…ステアリング装置、４…操舵機構、５…アシスト機構、８…ラック軸（ねじ軸）、１０…モータ、２０…ボールねじ機構、２１…ラックねじ溝（ねじ側転動溝）、２２…ねじ山、３０…ナット、３１…ナット本体、３２…ナット溝（ナット側転動溝）、３３…還流路、３４…ずれ部、３５…通路口、４０…ボール、５０…スリーブ。

Claims (3)

1. 外周面に螺旋状のねじ側転動溝が形成されたねじ軸と、内周面に前記ねじ側転動溝に対向する螺旋状のナット側転動溝が形成された円筒状のナットと、前記ねじ側転動溝と前記ナット側転動溝とにより囲まれる空間からなる転動路に配置される複数のボールと、を備え、
   前記ナットは、
   前記ナット側転動溝の軸方向における両端に設けられ前記ナット側転動溝の軌道を前記ねじ側転動溝からずらすとともに、ずれに伴い溝が深く変位するずれ部と、
   前記ナット側転動溝よりも外周側に設けられて少なくとも１列の前記ナット側転動溝をまたぎ越すとともに螺旋状の前記ナット側転動溝の軸方向における両端の前記ずれ部を繋ぐ還流路と、
   前記ねじ軸の軸方向における前記ずれ部の開始位置から該ずれ部に対向する前記ねじ側転動溝に隣接するねじ山を越えない区間に形成され、前記ずれ部から前記還流路への入り口であり、前記還流路から前記ずれ部への出口である通路口と、が形成され、
   前記ずれ部は、前記ナット側転動溝の両端における前記ナット側転動溝に隣接するナット側転動溝側または該隣接するナット側転動溝の逆側に軌道をずらすように形成されることを特徴とするボールねじ機構。
2. 前記ナットに外嵌されるスリーブをさらに有し、
   前記還流路は、前記ナットの外周に形成される請求項１に記載のボールねじ機構。
3. 車両の転舵軸をねじ軸として、前記転舵軸の外周面に形成された螺旋状のねじ側転動溝に対向する螺旋状のナット側転動溝が形成された円筒状のナット、及び前記ねじ側転動溝と前記ナット側転動溝とにより囲まれる空間からなる転動路に配置される複数のボールを備えたボールねじ機構と、
   前記ナットにトルクを付与するモータと、を備えるステアリング装置において、
   前記ボールねじ機構として、請求項１または請求項２に記載のボールねじ機構が用いられることを特徴とするステアリング装置。