JP7226961B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転運動と並進運動を相互に変換することが可能なボールねじ装置に関するものである。

ボールねじ装置は回転運動と並進運動を相互に変換することが可能な機械要素であり、各種工作機械、搬送装置、産業用ロボット等において、サーボモータが発生する回転運動を並進運動に変換する目的で多用されている。前記ボールねじ装置ではねじ軸と略円筒状のナット部材が多数のボールを介して螺合しており、例えば前記ねじ軸を回転させることにより、前記ナット部材が前記ねじ軸の回転量に応じて軸方向へ移動するように構成されている。

前記ねじ軸と前記ナット部材の間には螺旋状の負荷通路が設けられ、ボールは前記負荷通路に配列されて、前記ねじ軸と前記ナット部材との間で荷重を負荷している。また、前記ナット部材には前記ボールが無負荷状態で転動するボール戻し通路が設けられている。前記ボール戻し通路は前記負荷通路の両端を接続しており、前記ボールを前記負荷通路の一端から他端へと循環させる。すなわち、前記負荷通路と前記ボール戻し通路によって前記ボールの無限循環路が構成されている。

多種多様なボールねじ装置が従来から公知であるが、特許文献１には前記ボールの無限循環路が前記ねじ軸の周囲1巻き分のみ設けられたボールねじ装置が開示されている。このボールねじ装置では、金属板からなる円筒状のナット部材の内部に一対の挿入リングが内蔵されている（特許文献１の図６）。各挿入リングには塑性加工によってボールの転動溝が形成されており、一対の挿入リングを組み合わせることによってボールの無限循環路が完成する。

前記一対の挿入リングは前記ナット部材の中空部に収容され、当該ナット部材の縁部を折り曲げることによって前記中空部内に固定される。また、環状のばねエレメントを前記ナット部材の縁部と前記挿入リングとの間に配置することにより、当該挿入リングを押圧して前記転動溝を転動するボールに対して予圧を与えることが可能となっている（特許文献１の図９）。

特表２００３－５２４１２１

特許文献１のボールねじ装置では、前記ナット部材の縁部を折り曲げることによって、当該ナット部材の中空部に対して一対の挿入リングを固定している。このため、前記ナット部材の組み立てに手間がかかる他、一対の挿入リング同士の位置決め精度を向上させることが困難であった。また、一対の挿入リング同士の位置決め精度を高めにくいことから、ボールの無限循環路を精度よく形成することができず、前記ねじ軸に対するナット部材の移動精度を高め難いといった課題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ナット部材の生産及び組み立てが容易であると共に、ボールの無限循環路を精度よくナット部材に具備させることができ、しかも無限循環路の回路数を容易に増加させることが可能なボールねじ装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、多数のボールと、前記多数のボールが転動する螺旋状の転動溝を外周面に有するねじ軸と、前記多数のボールを介して前記ねじ軸に螺合するナット部材と、を備えたボールねじ装置であって、前記ナット部材は前記ねじ軸が挿通される貫通孔を有すると共に前記ねじ軸の軸方向に沿って重ねて配置される複数のナット構成要素を備えている。互いに隣接する前記ナット構成要素の境界部には、前記ねじ軸の周囲を一巡するボールの無限循環路としての軌道路が形成されている。各ナット構成要素に具備された他のナット構成要素との接合面は、前記貫通穴の周囲に環状に形成された軌道構成面と、前記軌道構成面よりも半径方向の外側に形成された接合用突き当て面と、を備えている。そして、前記軌道構成面は前記軌道路に沿った曲面状に形成される一方、前記接合用突き当て面は前記ねじ軸の軸方向に直交する平面として形成され、前記軌道構成面は総てのナット構成要素に関して同一形状に形成されている。

本発明によれば、各ナット構成要素が同一形状の軌道構成面を具備していることから、金型を用いた鍛造加工等の塑性加工によって各ナット構成要素を容易に生産することが可能であり、また、同一形状の軌道構成面同士を隙間なく重ね合わせることで、ナット部材に対してボールの無限循環路を精度よく形成することが可能となる。更に、前記軌道構成面の外側に形成された接合用突き当て面を利用することで、複数のナット構成要素からなるナット部材を容易に組み立てることが可能となる。また更に、重ね合わせるナット構成要素の個数を増加させることによって、前記ナット部材に具備されるボールの無限循環路の回路数を容易に増加させることが可能となる。

本発明を適用したボールねじ装置の一例を示す斜視図である。 ねじ軸とナット部材の係合状態を示す拡大断面図である。 ナット部材を構成する第一部材を示す斜視図である。 ナット部材を構成する第二部材を示す斜視図である。 第一部材の接合用突き当て面と軌道構成面を示す正面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線断面図である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図である。

以下、添付図面を用いて本発明のボールねじ装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用したボールねじ装置の一例を示すものである。

このボールねじ装置１は、外周面にボールの転動溝２０が螺旋状に形成されたねじ軸２と、多数のボールを介して前記ねじ軸２の周囲に螺合する円筒状のナット部材３とから構成されている。また、前記ナット部材３は前記ねじ軸の周囲を一巡するボールの無限循環路を備えている。前記ボールは前記無限循環路に配列された状態で前記ねじ軸２とナット部材３との間に介在しており、例えば前記ねじ軸２を前記ナット部材３に対して回転させることにより、当該ナット部材３が前記ねじ軸２の軸方向へ移動し、又は前記ナット部材３を前記ねじ軸２に対して回転させることにより、当該ねじ軸２が前記ナット部材３の軸方向へ移動する。

図２は前記ナット部材３及び前記ねじ軸２を軸方向に沿って切断した拡大断面図であり、前記ねじ軸２、前記ボール４及び前記ナット部材３の三者の関係を示している。前記ナット部材３は前記ねじ軸２が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されており、前記貫通孔の内周面には前記ボール４の軌道路３０が設けられている。前記軌道路３０は前記ねじ軸２の周囲を一巡する閉ループとして設けられており、前記ねじ軸２の転動溝２０と協働してボール４の無限循環路を構成している。

前記ナット部材３は円筒状に形成された一対のナット構成要素５，６の組み合わせから構成されており、前記ねじ軸２が各ナット構成要素５，６の貫通穴に挿通されている。以降の説明では、一方のナット構成要素５を第一部材、他方のナット構成要素６を第二部材と呼ぶ。前記軌道路３０は前記第一部材５と前記第二部材６との境界部、すなわち前記第一部材５と前記第二部材６との接合面に位置しており、これら第一部材５及び第二部材６を組わせた際に前記軌道路３０が完成する。

図３は前記第一部材５を示す斜視図であり、前記第一部材５を前記第二部材６との接合面側から観察した様子を示している。前記第一部材５には前記第二部材６を固定するための環状の接合用突き当て面５０が形成されており、この突き当て面５０には固定ボルトを貫通させる挿通孔５１が複数設けられている。また、前記接合用突き当て面５０の外径側には前記第二部材６の外周面を取り囲むリブ５２が設けられている。前記接合用突き当て面５０の内径側には軌道構成面５３が形成されており、この軌道構成面５３は前記接合用突き当て面５０と貫通穴の内周面５４との間に位置している。すなわち、前記軌道構成面５３は前記貫通穴の周囲に環状に形成される一方、前記接合用突き当て面５０は前記軌道構成面５３よりも半径方向の外側に形成されている。

前記軌道構成面５３と貫通穴の内周面５４とが交わる角部には、前記軌道路３０を構成する第一ボール循環溝５５が形成されている。この第一ボール循環溝５５は、前記ねじ軸２の転動溝２０と同一のピッチで螺旋状に形成された負荷溝部５５ａと、これら負荷溝部５５ａの両端を繋いでボールを前記負荷溝部５５ａの両端で循環させる無負荷溝部５５ｂと、を有している。

一方、図４は前記第二部材６を示す斜視図であり、前記第二部材６を前記第一部材５との接合面側から観察した様子を示している。前記第二部材６には前記第一部材５の接合用突き当て面に当接する接合用突き当て面６０が形成されており、この接合用突き当て面６０には固定ボルトを貫通させる挿通孔６１が複数設けられている。また、前記接合用突き当て面６０の内径側には前記第一部材５の軌道構成面５３と当接する軌道構成面６２が形成されており、この軌道構成面６２は前記接合用突き当て面６０と貫通穴の内周面６３との間に位置している。すなわち、前記軌道構成面６２は前記貫通穴の周囲に環状に形成される一方、前記接合用突き当て面６０は前記軌道構成面６２よりも半径方向の外側に形成されている。

前記軌道構成面６２と貫通穴の内周面６３とが交わる角部には、前記軌道路３０を構成する第二ボール循環溝６４が形成されている。この第二ボール循環溝６４は、前記第一部材５の第一ボール循環溝５５と同様に、前記ねじ軸２の転動溝２０と同一のピッチで螺旋状に形成された負荷溝部６４ａと、これら負荷溝部６４ａの両端を繋いでボール４を前記負荷溝部６４ａの両端で循環させる無負荷溝部６４ｂと、を有している。

前記第一部材５の接合用突き当て面５０に対して前記第二部材６の接合用突き当て面６０を当接させ、両者を固定ボルトによって一体化すると、前記第一ボール循環溝５５と前記第二ボール循環溝６４とが前記ねじ軸の軸方向に沿って互いに隣接して、前記軌道路３０が前記ナット部材３に完成する。ボールは前記軌道路３０に配列されており、前記負荷溝部５５ａ，６４ａに対応する部分では、前記ねじ軸２と前記ナット部材３との間で荷重を負荷しながら当該ねじ軸２の周囲を螺旋状に転動する。一方、ボール４は前記無負荷溝部５５ｂ，６４ｂに対応する部分では前記ねじ軸２のねじ山部を乗り越えて当該ねじ軸２上で互いに隣接する転動溝２０の間を移動する。

図５は前記第一部材５を示す正面図であり、前記第一部材５を前記第二部材６との接合面側から観察した様子を示している。また、図６及び図７は前記第一部材５の断面図であり、図５のＶＩ－ＶＩ線矢視図、ＶＩＩ－ＶＩＩ線矢視図に夫々対応している。これら図６及び図７に示されるように、前記第一部材５の接合用突き当て面５０は当該ナット部材３の軸方向に対して直交する平面に形成されている。

一方、前記軌道構成面５３と貫通穴の内周面５４とが交わる角部に対して前記第一ボール循環溝５５が形成されていることから、当該軌道構成面５３は前記第一ボール循環溝５５の軌道形状に沿った曲面状に、換言すれば前記ボール４の無限循環路に沿った曲面状に形成されている。従って、前記軌道構成面５３は前記第一ボール循環溝５５の負荷溝部５５ａに対応する部位では前記ねじ軸２の転動溝２０に対応した螺旋状に形成されている。また、前記軌道構成面５３は前記第一ボール循環溝５５の無負荷溝部５５ｂに対応する部位では前記ねじ軸２の転動溝２０を横切るように形成されている。

また、図６及び図７から明らかなように、前記軌道構成面５３は前記ねじ軸２の周囲を囲む半分が前記突き当て面５０よりも前記第二部材６側へ突出する一方、残りの半分が前記突き当て面５０よりも窪んだ形状となっている。すなわち、前記軌道構成面５３の形状は、当該軌道構成面５３を前記無負荷溝部５５ｂの中央と貫通穴の中心を通る線分Ａ（図５中に一転鎖線で表示）で折り返した際に、図５の紙面右半分と紙面左半分が隙間なく重なり合う形状となっている。図示はしないが、前記第二部材６の軌道構成面６２も前記第一部材５の軌道構成面５３と同一の形状を有している。

このため、前記第一部材５の接合用突き当て面５０に対して前記第二部材６の接合用突き当て６０を当接させてこれら第一部材５と第二部材６を一体化した際に、前記第一部材５の軌道構成面５３と前記第二部材６の軌道構成面６２は隙間なく重なり合い、前記第一ボール循環溝５５と前記第二ボール循環溝６４とが精度よく組み合わさって前記軌道路３０が完成する。

一方、図５及び図７に示されるように、前記第一部材５の軌道構成面５３には当該第一部材５に対して前記第二部材６を位置決めするための係止突起５６が設けられており、この係止突起５６は前記突き当て面５０よりも前記第二部材６側へ突出している。一方、前記第一部材５の軌道構成面５３には前記係止突起５６の大きさに対応した係止穴５７が設けられており、この係止穴５７は前記突き当て面５０よりも窪んでいる。これら係止突起５６と係止穴５７は、図５中の線分Ａに対して鏡面対象となる位置に設けられている。また、前記第二部材６の軌道構成面６２にも同様な係止突起６５及び係止穴６６が設けられている（図４参照）。

このため、前記第一部材５と前記第二部材６とを組み合わせて、当該第一部材５の軌道構成面５３と当該第二部材６の軌道構成面６２とを重ね合わせると、前記第一部材５の係止突起５６が前記第二部材の係止穴６６に嵌合すると共に、前記第二部材６の係止突起６５が前記第一部材５の係止穴５７に嵌合し、前記第一部材５と前記第二部材６を周方向に関して精度よく位置決めすることが可能となる。

尚、前記係止突起５６と前記係止穴５７は前述した線分Ａに対して互いに鏡面対象となる位置に存在すれば良いが、それらの加工の容易性を考慮した場合は、図５に示すように前記無負荷溝部５５ｂと軸中心を挟んで反対側の位置に互いに隣接して設けるのが好ましい。

以上のように構成された本実施形態のボールねじ装置１によれば、前記ナット部材３に設けられるボール４の軌道路３０は前記第一部材５と第二部材６の接合面で半分に分割されており、金型を用いた鍛造加工によって前記第一部材及び第二部材を形成し、それらを組み合わせることで、前記ナット部材を容易に生産することが可能となる。

また、前記第一部材５の軌道構成面５３と前記第二部材６の軌道構成面６２は同一形状を有していることから、前記第一部材５及び第二部材６を鍛造加工する際に、その金型の一部を共通化することができ、この点において前記ナット部材３の生産及び組み立ての容易化、生産コストの低減化を図ることが可能となる。

更に、前記第一部材５の軌道構成面５３に含まれる第一ボール循環溝５５と前記第二部材６の軌道構成面６２に含まれる第二ボール循環溝６４は同一の形状を有しているので、前記第一部材５と前記第二部材６を組み合わせた際に、ボール無限循環路を精度よく形成することが可能となる。これにより、前記ねじ軸２又は前記ナット部材３の一方の回転運動に対して他方を精度よく並進運動させることが可能となる。

尚、図を用いて説明した実施形態では、前記ナット部材３が一対のナット構成要素、すなわち第一部材５及び第二部材６の結合によって構成され、これら第一部材５と第二部材６との接合面にボール４の無限循環路が１回路のみ存在したが、第一部材５と第二部材６との間に挟むナット構成要素としての第三部材を設け、この第三部材の表裏両面に対して前記第一部材５及び第二部材６の軌道構成面５３，６２と同一形状の軌道構成面を設けても良い。このように設計変更することで、第一部材５と第三部材の接合面、第三部材と第二部材６の接合面の夫々にボールの無限循環路を構築することが可能となり、第一部材５と第二部材６との間に挟む第三部材の個数を増やすことで、前記ナット部材３に対して複数回路の無限循環路を容易に構築することが可能となる。

また、図を用いて説明した実施形態では、前記第一部材の前記接合用突き当て面５０の外径側にリブ５２を設けたが、当該接合用突き当て面５０の形状に応じて前記リブ５２は適宜省略可能である。すなわち、本発明では前記複数のナット構成要素が同一形状の軌道構成面を備えていれば、当該ナット構成要素の前記軌道構成面よりも半径方向の外側の形状は、前記複数のナット構成要素の接合を考慮して適宜設計変更可能である。

１…ボールねじ装置、２…ねじ軸、３…ナット部材、４…ボール、５…第一部材、６…第二部材、５３，６２…軌道構成面、５５…第一ボール循環溝、６４…第二ボール循環溝

Claims (4)

1. 多数のボールと、
   前記多数のボールが転動する螺旋状の転動溝を外周面に有するねじ軸と、
   前記多数のボールを介して前記ねじ軸に螺合するナット部材と、を備え、
   前記ナット部材は前記ねじ軸が挿通される貫通孔を有すると共に前記ねじ軸の軸方向に沿って重ねて配置される複数のナット構成要素を備え、
   前記ねじ軸の軸方向に沿って互いに隣接する前記ナット構成要素の境界部には、前記ねじ軸の周囲を一巡するボールの無限循環路としての軌道路が形成され、
   各ナット構成要素に具備された他のナット構成要素との接合面は、前記貫通穴の周囲に環状に形成された軌道構成面と、前記軌道構成面の外周から半径方向の外側に形成された接合用突き当て面と、を備え、
   前記軌道構成面は前記軌道路に沿った曲面状に形成される一方、前記接合用突き当て面は前記ねじ軸の軸方向に直交する平面として形成され、
   前記複数のナット構成要素に形成された前記軌道構成面は同一形状を有しており、
   前記軌道構成面は、前記ねじ軸の周囲を囲む半分が前記突き当て面よりも突出する形状に形成される一方、残り半分が前記突き当て面よりも窪んだ形状に形成されていることを特徴とするボールねじ装置。
2. 各ナット構成要素には前記軌道構成面と前記貫通穴の内周面とが交わる角部に対してボール循環溝が形成され、
   前記ボール循環溝は、前記ねじ軸との間でボールが荷重を負荷しながら転動する負荷溝部と、前記負荷溝部の両端を繋ぐ無負荷溝部とを備え、
   互いに隣接するナット構成要素の前記軌道構成面同士を重ね合わせることで、前記ボール循環溝が前記軌道路を構成することを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。
3. 前記軌道構成面は、当該軌道構成面を前記無負荷溝部の中央と前記貫通穴の中心を通る線分で折り返した際に、当該線分の左側に位置する半分と右側に位置する半分が隙間なく重なり合う形状に形成されていることを特徴とする請求項２記載のボールねじ装置。
4. 各ナット構成要素の前記軌道構成面には係止突起及び係止穴が形成され、互いに隣接するナット構成要素の前記軌道構成面を重ね合わせることで、一方のナット構成要素の係止突起が他方のナット構成要素の係止穴に嵌合することを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。

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