JP6859691B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

この発明は、ナットが回転するボールねじを備えたボールねじ装置に関する。

ボールねじは、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ねじ軸が内挿され、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、ナットおよびねじ軸の螺旋溝で形成される軌道を有する。また、軌道の終点と始点を接続して循環路を形成する戻し路と、軌道および戻し路に配置された複数のボールを有する。そして、ボールねじは、軌道内を負荷状態で転動するボールを介してナットがねじ軸に対して相対移動する装置である。
また、ナットの軸方向一端にフランジが形成され、フランジに形成されたボルト挿通穴を挿通するボルトで、ナットを環状部品などに固定している。

特許文献１には、ねじ軸回転で駆動し、戻し路を複数個有するボールねじにおいて、複数個の戻し路（ボール循環通路）をナットの周方向に均等配置することにより、ねじ軸の回転力をバランス良くナットに伝達することが記載されている。
特許文献２には、ボールねじと、転がり軸受と、フライホイール（回転する錘）と、摺動質部材（スプラインナット）と、を有する回転慣性質量ダンパーが記載されている。この回転慣性質量ダンパーは、互いに近接離反する方向に相対変位する第一構造体と第二構造体との間に介装されている。

特許文献２の回転慣性質量ダンパーにおいて、ボールねじのナットは、ナットの軸方向一端面に固定された回転体（フランジ、内輪）と、ハウジングのフランジに固定された回転支持部材（外輪）と、を有する転がり軸受により、ハウジングに対して回転自在に支持されている。回転体の軸方向一端にフライホイールが固定されている。回転体の内周面には、ボールの軌道を形成する螺旋溝が存在しない。

特開２００３−１５６１１７号公報 特許第５４１０８２５号公報

ナットが回転するボールねじを備えたボールねじ装置に関しては、これまでは、大きな荷重がかかる用途で使用されることが少なかったため、ナットの負荷分布が問題となることはなかった。しかし、近年、大型の設備や制震ダンパーなどの大きな荷重がかかる用途で、ナットが回転するボールねじが使用されることが増加している。
特許文献２の回転慣性質量ダンパーには、ナットの負荷分布を均一にするという点で改善の余地がある。
この発明の課題は、ナットが回転するボールねじを備えたボールねじ装置において、ナットの負荷分布が不均一にならないようにすることである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様は、ナットが回転するボールねじと、前記ナットをハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受であって、前記ナットのフランジの外周に設けられた転がり軸受と、前記フランジに固定された回転体と、を有し、前記ボールねじは、ボールの軌道を形成する螺旋溝を、前記転がり軸受が配置された位置にも有するボールねじ装置を提供する。

この発明の一態様によれば、ナットが回転するボールねじを備えたボールねじ装置として、ナットの負荷分布が不均一になりにくいものを提供することができる。

実施形態のボールねじ装置を示す側面図である。 図１の部分拡大図である。 図２の部分拡大断面図である。 フランジの外周に二個の内輪が嵌合されているボールねじ装置の一例を示す部分断面図である。 フランジの外周に二個の内輪が嵌合されているボールねじ装置の一例を示す部分断面図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
図１に示すように、この実施形態のボールねじ装置は、ボールねじ１と、転がり軸受２と、フライホイール（回転体）３と、スプラインナット４を有する回転慣性質量ダンパーである。この回転慣性質量ダンパーが、互いに近接離反する方向に相対変位する第一構造体５と第二構造体６の間に介装されている。第一構造体５と第二構造体６の組み合わせとしては、例えば、建物の柱梁と床が挙げられる。第一構造体５は第一ユニット５１と第二ユニット５２を有する。第一ユニット５１と第二ユニット５２は、互いに平行に間隔を開けて配置され、同一方向に変位する。

図２および図３に示すように、ボールねじ１は、ねじ軸１１とナット１２とボール１３を有する。図１に示すように、ねじ軸１１の軸方向中央部より一端側の部分の外周面に螺旋溝１１ａが形成されている。他端側の部分の外周面にはスプライン溝１１ｂが形成され、他端部は小径部１１ｃとなっている。図３に示すように、ナット１２の内周面に螺旋溝１２ａが形成されている。ナット１２に、ねじ軸１１の一端側の部分（螺旋溝１１ａが形成されている部分）が内挿されている。
また、ボールねじ１は、ボール３の軌道の終点と始点を接続してボール１３の循環路を形成する戻し路として、図２に示すように、四つのリターンチューブ１４ａ〜１４ｄを有する。つまり、ボールねじ１は、ボール１３の循環路を四つ有し、これらの循環路内に複数のボール１３が配置されている。

ボールねじ１は二条ねじ構造を有し、二条ねじの一方の螺旋用のリターンチューブ１４ａ，１４ｂと、他方の螺旋用のリターンチューブ１４ｃ，１４ｄとが、ナット１２の軸方向の同じ位置で、位相（ナット１２の周方向での配置間隔を示す角度）が１８０°となる位置に配置されている。つまり、リターンチューブ１４ａ，１４ｂとリターンチューブ１４ｃ，１４ｄが、ナット１２を介して対向配置されている。１８０°は、ボールねじ１の条数である２で３６０°を除した角度である。
図２および図３に示すように、ナット１２は、円筒部１２１と、円筒部１２１の軸方向一端に形成されたフランジ１２２を有する。

転がり軸受２は、二列アンギュラ玉軸受であり、フランジ１２２の外周面に形成された第一内輪軌道溝２１１と、第二内輪軌道溝２１２を有する内輪２１と、二列の外輪軌道溝２２１，２２２を有する外輪２２と、ボール（転動体）２３と、保持器２４とからなる。
内輪２１の内周面に、ナット１２の螺旋溝１２ａと連続する螺旋溝２１ａが形成されている。これにより、ボールねじ１では、ナット１２の螺旋溝１２ａおよび内輪２１の螺旋溝２１ａとねじ軸１１の螺旋溝１１ａとで、ボール１３の軌道が形成される。つまり、ボールねじ１は、ボール１３の軌道を形成する螺旋溝を、転がり軸受２が配置された位置にも有する。

外輪２２の外周にフランジ２２３が形成されている。フライホイール３に最も近い軸受軌道（第二内輪軌道溝２１２と外輪軌道溝２２２とからなる軌道）に配置されたボール２３の中心位置Ｏは、フランジ２２３の端面２２３ａより外側である。
転がり軸受２は、ナット１２を第一ユニット（ハウジング）５１に対して回転自在に支持するためのものである。第一ユニット５１は外輪２２を内側に嵌合する円穴５１ａを有する。外輪２２のフランジ２２３が、第一ユニット５１の軸方向端面にボルト７で固定されている。

フライホイール３は、環状部品（回転体）３１を介して、内輪２１およびナット１２のフランジ１２２に固定されている。
図１に示すように、スプラインナット４は、第一構造体５の第二ユニット５２に固定されている。第二ユニット５２は、スプラインナット４を内側に嵌合する円穴５２ａを有する。ねじ軸１１のスプライン溝１１ｂが形成されている部分が、スプラインナット４に挿入され、スプラインナット４に対して軸方向に摺動自在に支持されている。ねじ軸１１の小径部１１ｃが第二構造体６に固定されている。

この回転慣性質量ダンパーは以下のように動作する。第一構造体５と第二構造体６との間に変位が発生すると、スプライン機構によりねじ軸１１が軸方向に変位する。これに伴い、ボールねじ機構によりボール１３を介してナット１２が回転し、環状部品３１を介してナット１２に固定されたフライホイール３が回転する。このフライホイール３の回転により発生する慣性質量に応じて、ねじ軸１１とナット１２の相対加速度に比例した軸方向の反力が発生することで、第一構造体５と第二構造体６との間の変位が減衰される。
また、この実施形態の回転慣性質量ダンパー（ボールねじ装置）によれば、ボールねじ１のナット１２を第一ユニット５１に対して回転自在に支持する転がり軸受２の第一内輪軌道溝２１１が、ナット１２のフランジ１２２の外周に形成されている。そのため、転がり軸受２の荷重を受ける点とナット１２の荷重を受ける点が近接している。これにより、ナット１２に曲げモーメントがかかりにくい構造となっているため、ナット１２の負荷分布を均一化することができる。

また、ボールねじ１は、ボール１３の軌道を形成する螺旋溝を、転がり軸受２が配置された位置にも有する。つまり、転がり軸受２が配置された位置でも、ねじ軸１の螺旋溝１１ａと内輪２１の螺旋溝２１ａとで形成される軌道内を、ボール１３がねじ軸１１およびナット１２に対して負荷状態で転動する。これにより、転がり軸受２が配置された位置にボール１３の軌道を形成する螺旋溝２１ａがない場合と比較して、ボールねじ１の剛性が高くなるため、ナット１２に曲げモーメントが発生しにくい。これに伴い、ナット１２の負荷分布を均一化することができる。
また、フライホイール３に最も近い軸受軌道に配置されたボール２３の中心位置Ｏが、外輪２２のフランジ２２３の端面２２３ａより外側にあることで、端面２２３ａより内側にある場合と比較して、ボールねじ１の剛性が高くなるため、ナット１２に曲げモーメントが発生しにくい。これに伴い、ナット１２の負荷分布を均一化することができる。

また、二条ねじの一方の螺旋用のリターンチューブ１４ａ，１４ｂと、他方の螺旋用のリターンチューブ１４ｃ，１４ｄとが、ナット１２の軸方向の同じ位置で、ナット１２を介して対向配置されている。これにより、ナット１２の回転が安定するため、ボール１３の負荷分布が均一になる。
なお、上記実施形態では、ナット１２のフランジ１２２の外周面に第一内輪軌道溝２１１を形成することで、転がり軸受２の内輪をフランジ１２２に一体化している。しかし、図４および図５に示すように、環状部品（回転体）３１を固定するフランジ１２２の外周に、二個の内輪２１を嵌合してもよい。

図４および図５の例では、ボール１３の軌道を形成する螺旋溝１２ａが、転がり軸受２が配置された位置まで形成されている。つまり、図４および図５の例でも、ボールねじ１は、ボール１３の軌道を形成する螺旋溝１２ａを、転がり軸受２が配置された位置にも有する。
図４の例では、外輪２２が二列の外輪軌道溝２２１，２２２を有する。
図５の例では、内輪２１と外輪２２とボール２３と保持器２４を有する二個の単列アンギュラ玉軸受（転がり軸受）２Ａ，２Ｂを備え、二個の内輪２１がフランジ１２２の外周に嵌合されている。また、二個の外輪２２の間に間座２５を配置することで、二個の単列アンギュラ玉軸受２Ａ，２Ｂに二点接触予圧を付与している。

図５の例で、軸方向で環状部品（回転体）３１が固定されている側の単列アンギュラ玉軸受２Ａを四点接触予圧とし、もう一つの単列アンギュラ玉軸受２Ｂを二点接触予圧としてもよい。このようにすることで、二個の単列アンギュラ玉軸受２Ａ，２Ｂを二点接触予圧が付与されている場合よりも、ラジアル荷重に対する耐性が高くなる。
また、図５の例で、軸方向で環状部品（回転体）３１側の単列アンギュラ玉軸受２Ａを、図５の状態よりも大きなものとしてもよい。このようにすることで、環状部品（回転体）３１側の単列アンギュラ玉軸受２Ａの剛性がより高くなるため、図５の例よりも単列アンギュラ玉軸受２Ａの寿命を長くすることができる。

また、この発明のボールねじ装置の用途としては、上記実施形態の回転慣性質量ダンパー以外に、例えば、ナット回転の搬送装置が挙げられる。この場合、転がり軸受２の外輪２２を回転しない移動部材（ハウジング）に固定し、ナット１２はプーリなどを介してモータで回転させ、ねじ軸１１を軸方向に移動させる構造とする。あるいは、ナット１２が回転しながら軸方向に移動する構造とする。
また、ボールねじが三条ねじ構造を有する場合は、ナットの軸方向の同じ位置で、位相（ナットの周方向での配置間隔を示す角度）が１２０°（３６０°／３）となる位置に配置されていることが好ましい。ボールねじが四条ねじ構造を有する場合は、ナットの軸方向の同じ位置で、位相が９０°（３６０°／４）となる位置に配置されていることが好ましい。

１ ボールねじ
１１ ねじ軸
１１ａ ねじ軸の螺旋溝
１１ｂ ねじ軸のスプライン溝
１１ｃ ねじ軸の小径部
１２ ナット
１２ａ ナットの螺旋溝
１２１ ナットの円筒部
１２２ ナットのフランジ
１３ ボール
１４ａ〜１４ｄ リターンチューブ
２ 転がり軸受
２Ａ 転がり軸受
２Ｂ 転がり軸受
２１ 内輪
２１１ 内輪軌道溝
２２ 外輪
２２１，２２２ 外輪軌道溝
２２３ 外輪のフランジ
２２３ａ 外輪のフランジの端面
２３ ボール（転がり軸受の転動体）
２４ 保持器
２２３ 外輪のフランジ
３ フライホイール（回転体）
３１ 環状部品（回転体）
４ スプラインナット
５ 第一構造体
５１ 第一ユニット（ハウジング）
５２ 第二ユニット
６ 第二構造体

Claims (3)

1. ナットが回転するボールねじと、
   前記ナットをハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受であって、前記ナットのフランジの外周に設けられた転がり軸受と、
   前記フランジに固定された回転体と、
   を有し、
   前記ボールねじは、ボールの軌道を形成する螺旋溝を、前記転がり軸受が配置された位置にも有し、
   前記転がり軸受の外輪は、前記ハウジングに固定されるフランジを有し、
   前記転がり軸受において、前記回転体に最も近い軸受軌道に配置された転動体の中心位置は、前記外輪のフランジの端面より外側であるボールねじ装置。
2. 前記ボールねじは、ボールの軌道の終点と始点を接続して循環路を形成する戻し路を複数個有し、
   前記複数個の戻し路が、前記ナットの周方向に均等配置されている請求項１に記載のボールねじ装置。
3. 前記ボールねじは多条ねじ構造を有し、
   前記複数個の戻し路の前記ナットの周方向における配置間隔を示す角度は、前記多条ねじ構造の条数で３６０°を除した角度である請求項２記載のボールねじ装置。

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