WO2007046321A1 - ボールねじ装置 - Google Patents

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Takeki Shirai
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Thk Co., Ltd.
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    • Y10T74/19767Return path geometry
    • Y10T74/19772Rolling element deflector

Definitions

  • the present invention relates to a ball screw device in which a screw shaft and a nut member are screwed together via a ball, and a rotary motion and a linear motion can be mutually converted between the two.
  • the ball circulation structure between the nut and the nut member is improved.
  • a ball screw device is formed in a cylindrical shape having a screw shaft having a spiral ball rolling groove formed on an outer peripheral surface and a hollow portion through which the screw shaft is inserted.
  • a nut member formed with a spiral load rolling groove facing the ball rolling groove of the screw shaft on the peripheral surface, and a load surrounded by the ball rolling groove of the screw shaft and the load rolling groove of the nut member.
  • the inside of the passage is composed of a plurality of balls that roll while applying a load, and the rotational movement of the screw shaft is converted into the linear movement of the nut member, or the rotational movement of the nut member is converted into the linear movement of the screw shaft. It can be converted.
  • a ball return passage is provided for connecting ends of the load passage.
  • Various structures such as a return tube method and an end cap method are known as the structure of such a ball return passage, but it is advantageous for downsizing the nut member, simplifying the ball circulation structure, and reducing production costs.
  • a deflector system is known as a device.
  • a piece called a deflector having a groove-shaped ball return passage (hereinafter referred to as “ball return groove”) is embedded in the inner peripheral surface of the nut member.
  • An infinite circulation path of the ball is formed by the deflector.
  • the deflector is mounted on the nut member such that the ball return groove intersects the thread of the screw shaft, and a ball load passage formed between the nut member and the screw shaft makes a round around the screw shaft. It is designed to be connected to the ball return groove just before the operation. In other words, an infinite circulation path of the ball that goes around the screw shaft is formed. After rolling the load passage while applying a load between the nut member, the ball enters the ball return groove of the deflector and is released from the load. After the ball return groove gets over the thread of the screw shaft, Enter the load path again and apply the load.
  • the ball return groove is not formed in the deflector separate from the nut member, but on the inner peripheral surface of the nut member.
  • a ball screw device in which a ball return groove continuous with a load rolling groove is directly formed by cutting or forging is disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-307263).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-307263
  • the conventional ball relief groove has a simple arc shape in a cross section perpendicular to the moving direction of the ball, and the ball return groove is formed in the width direction and depth to release the load force of the ball. It was formed larger than the load rolling groove in both directions. For this reason, the alignment of the balls inside the ball return groove is disturbed, and the balls are easily clogged in the ball return groove, so that the rotational torque between the screw shaft and the nut member still tends to fluctuate. There was a problem. Means for solving the problem
  • the present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to reduce the size of the nut member and simplify the circulation structure of the ball, and to provide a nut member.
  • Ball screw that can smoothly perform infinite circulation of the ball between the screw shaft and the screw shaft, and can minimize fluctuations in rotational torque during relative rotation of the screw shaft and nut member. To provide an apparatus.
  • the ball screw device of the present invention that achieves the above object has at least one screw shaft in which a spiral ball rolling groove is formed on the outer peripheral surface and a ball circulation groove corresponding to one circumference around the screw shaft.
  • a nut member formed on one inner peripheral surface, and a plurality of balls arranged between the ball rolling groove of the screw shaft and the ball circulation groove of the nut member and screwing the screw shaft and the nut member together It is composed of
  • the ball circulation groove includes a load rolling groove facing the ball rolling groove of the screw shaft and a ball return groove connecting one end and the other end of the load rolling groove.
  • the ball return groove is formed directly on the inner peripheral surface of the nut member continuously with the load rolling groove without any boundary, and the cross-sectional shape of the ball return groove perpendicular to the ball advancing direction has two points. It is in the shape of a Gothic arch that comes into contact.
  • the load rolling groove and the ball return groove constituting the ball circulation groove are formed directly and continuously with respect to the inner peripheral surface of the nut member. Therefore, when the ball circulates in the ball circulation groove, the load rolling groove force that does not pull at the boundary between the load rolling groove and the ball return groove, the ball enters the ball return groove, and And the ball return groove force The ball can smoothly enter the load rolling groove.
  • the cross-sectional shape of the ball return groove perpendicular to the ball traveling direction is formed in a Gothic arch shape in which the ball contacts at two points, the ball rolls in the ball return groove with no load. Even if the ball moves, the trajectory of the ball in the powerful ball return groove is fixed by being guided by the gothic arch-shaped groove, and the ball can be prevented from meandering in the ball return groove.
  • the ball passing through the ball return groove has a Gothic arch-like groove due to the centrifugal force that is applied even when there is no load. It will be pushed inward and roll along a predetermined trajectory. For this reason, the occurrence of a ball clogging phenomenon in the ball return groove Thus, the rolling of the ball in the ball return groove which is prevented and applied can be smoothed.
  • the present invention it is possible to smoothly roll the ball over the entire circumference of the ball circulation groove constituted by the load rolling groove and the ball return groove, and the nut member and the screw. It is possible to prevent as much as possible fluctuations in rotational torque during rotation relative to the shaft.
  • FIG. 1 is a side view showing an embodiment of a ball screw device to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a nut member of the ball screw device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a nut member depicting a load rolling groove of the ball screw device shown in the embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view of a nut member depicting a state of a ball return groove of the ball screw device shown in the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a ball rolling between a ball rolling groove of a screw shaft and a load rolling groove of a nut member.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a ball rolling in a ball return groove of a nut member.
  • FIG. 7 is a graph showing the center locus of the ball in the ball circulation groove of the nut member
  • FIG. 8 is a schematic view showing an example of a method for cutting a ball circulation groove on a nut member.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the relationship between the end mill tip shape and the shape of the load rolling groove and ball return groove.
  • FIG. 10 is a graph showing a center locus of a ball in a conventional ball screw device. Explanation of symbols
  • FIG. 1 shows an example of a ball screw device to which the present invention is applied.
  • This ball screw The apparatus includes a screw shaft 1 having a spiral ball rolling groove formed on the outer peripheral surface, and a nut member 2 that is screwed to the screw shaft 1 via a large number of balls 3. 2 rotates spirally around the screw shaft 1.
  • a part of the nut member 2 is cut out, and the drawn ball 3 is a part of the ball 3 existing between the nut member 2 and the screw shaft 1. It is.
  • a spiral ball rolling groove 10 is formed with a predetermined lead on the outer peripheral surface of the screw shaft 1, and the ball 3 rolls inside the ball rolling groove 10.
  • the lead is a distance that the ball rolling groove 10 advances in the axial direction of the screw shaft 1 during one rotation of the screw shaft 1.
  • the ball rolling groove 10 is formed so that two curved surfaces intersect at approximately 90 degrees, and the cross-sectional shape orthogonal to the ball traveling direction is a Gothic arch shape. Therefore, the ball 3 is in contact with the Gothic arch-shaped ball rolling groove 10 at two points, and generates a contact angle of about 45 degrees with respect to the load acting in the axial direction of the screw shaft 1. It becomes like this.
  • a thread 11 is formed between the ball rolling groove 10 and the ball rolling groove 10 adjacent to each other on the outer peripheral surface of the screw shaft 1.
  • the nut member 2 has a through hole 20 through which the screw shaft 1 is passed, and is formed in a substantially cylindrical shape.
  • a ball circulation groove 21 is formed.
  • the ball circulation groove 21 includes a load rolling groove 22 formed to face the ball rolling groove 10 of the screw shaft 1 and a ball return groove that connects one end and the other end of the load rolling groove 22. 23, force is also composed.
  • the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 are continuous to form a ball circulation groove 21 corresponding to one round around the screw shaft.
  • the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 are formed directly on the nut member 2 to be applied by cutting the inner peripheral surface of the nut member 2, and the load rolling groove 22
  • the ball return groove 23 is continuously provided without any boundary.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the load rolling groove 22 is formed on the nut member 2
  • FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the ball return groove 23 is formed on the nut member 2.
  • the load rolling groove 22 constitutes a load passage for the ball 3 so as to face the ball rolling groove 10 of the screw shaft 1, and is formed slightly shorter than the entire circumference of the screw shaft 1. Also said Bo The thread return groove 23 is formed so as to intersect the thread 11 of the screw shaft 1!
  • the load rolling groove 22 travels in the axial direction of the nut member 2 only by the length of the lead when it goes around the periphery of the screw shaft 1, that is, the inner peripheral surface of the nut member 2.
  • the other end is displaced in the axial direction of the nut member 2 by a distance slightly shorter than the length of the lead.
  • the ball return groove 23 provided so as to intersect with the screw thread 11 connects these, thereby forming a ball circulation groove 21 for one circumference around the screw shaft 1.
  • the ball circulation groove 21 is filled with a large number of balls 3, and when the nut member 2 rotates with respect to the screw shaft 1 or when the screw shaft 1 rotates with respect to the nut member 2, such rotation is caused. Along with this, the ball 3 circulates in the ball circulation groove 21. The ball 3 rolls while applying a load between the load rolling groove 22 of the nut member 2 and the ball rolling groove 10 of the screw shaft 1. As shown in FIG. 5, the cross-sectional shape of the load rolling groove 22 perpendicular to the ball traveling direction is a Gothic arch shape like the ball rolling groove 10 on the screw shaft 1 side, and the ball 3 is loaded.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing how the ball 3 rolls in the ball return groove 23.
  • the ball return groove 23 is a portion corresponding to a conventional deflector, and is gradually deepened at the connection site force with the load rolling groove 22 and is formed deepest at a position facing the screw thread 11 of the screw shaft 1. .
  • the load force is released and the load 3 is unloaded and is guided to the ball return groove 23. It rises from the ball rolling groove 10a of the screw shaft 1 formed in a Gothic arch shape.
  • the cross-sectional shape of the ball return groove 23 orthogonal to the ball traveling direction is a Gothic arch shape, similar to the load rolling groove 22, and only the depth of the nut member 2 with respect to the inner peripheral surface is the load. Different from rolling groove 22. Therefore, the ball 3 comes into contact with the ball return groove 23 at two points. Since the ball 3 rolls in the ball return groove 23 in an unloaded state, a slight play is given to the ball 3 existing between the ball return groove 23 and the screw shaft 1. Since the centrifugal force is acting on the ball 3 circulating around the screw shaft 1, the ball 3 is pressed against the bottom of the ball return groove 23 formed in a Gothic arch shape by the centrifugal force. As a result, the ball return groove 23 is contacted at two points. As a result, the movement trajectory of the ball 3 in the ball return groove 23 coincides with the center line in the width direction of the ball return groove 23, and the meandering of the ball 3 in the ball return groove 23 is prevented. ing.
  • FIG. 7 is a graph showing the center locus of the ball 3 rolling the inner peripheral surface 20 of the nut member 2 in a plane and rolling the load rolling groove 22 and the ball return groove 23.
  • the vertical axis represents the amount of movement of the ball 3 along the axial direction of the screw shaft 1. Since the amount of movement of the ball 3 rolling on the load rolling groove 22 in the axial direction is proportional to the rotation angle of the nut member 2, the ball 3 rolling inside the load rolling groove 22 is shown in this graph.
  • the central track is a straight line.
  • the center locus of the ball 3 rolling in the ball return groove 23 is a curve continuously connecting a pair of parallel straight lines.
  • one end and the other end of the load rolling groove 22 are connected by the ball return groove, and a ball circulation groove for one circumference around the screw shaft is configured.
  • the nut member 2 formed in a cylindrical shape is subjected to a heat treatment such as quenching or tempering.
  • a heat treatment such as quenching or tempering.
  • the inner peripheral surface of the nut member 2 remains a cylindrical surface, and the ball circulation groove 21 including the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 is not formed.
  • the ball circulation groove 21 is formed by cutting the inner peripheral surface of the heat-treated nut member 2. .
  • a single cutting tool is used to continuously process the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 in one cutting process. Thereby, the continuity of the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 can be ensured, and the ball circulation groove 21 composed of these grooves can be processed with high accuracy.
  • the ball circulation groove 21 is not affected by the heat treatment distortion. Furthermore, the surface roughness of the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 is improved by cutting the nut member 2 after the heat treatment. Note that the load rolling groove 22 may be ground after the cutting to further improve the surface smoothness.
  • FIG. 8 shows an example of a cutting device for cutting the ball circulation groove 21.
  • This cutting machine holds an end mill 6 as a cutting tool with respect to a spindle 5 provided at the tip of a tile shaft 4, and performs a cutting process by applying a rotary cutting main motion to the powerful end mill 6.
  • the rotation axis of the hinge 5 is orthogonal to the longitudinal direction of the tile axis 4.
  • the nut member 2 is held by the chuck 7 with its axial direction as the Z-axis, and the tile shaft 4 is also inserted into the through hole 20 of the nut member 2 in the Z-axis direction.
  • the nut member 2 When the ball circulation groove 21 is cut, the nut member 2 is rotated around the Z axis while being held by the chuck 7, while the tile shaft 4 holding the end mill 6 is fed in the Z axis direction. Given. Then, by sending the tile shaft 4 in the Y-axis direction, which is the main axis direction of the spindle 5, the depth of cut of the end mill 6 with respect to the inner peripheral surface of the nut member 2 is adjusted.
  • the spindle 5 includes a turbine 50 mounted on the spindle main shaft while supporting the spindle main shaft on which the end mill 6 is mounted by a dynamic pressure bearing, and is fed through the tile shaft 4. By spraying the pressurized fluid onto the turbine 50, a high-speed rotation of 10,000 rpm or more can be applied to the spindle main shaft.
  • the spindle 5 is used to rotate the end mill 6 around the Z-axis according to the shape of the load rolling groove 22 and the ball return groove 23, while the end mill 6 is rotated at a high speed.
  • the ball circulation groove 21 can be continuously cut with respect to the inner peripheral surface of the nut member 2.
  • the end mill 6 is provided with a Gothic arch-like contour, as shown in FIG.
  • a Gothic arch-shaped load rolling groove 22 can be obtained.
  • a gothic arch-shaped ball return groove 23 can be formed in the same manner.
  • the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 are formed directly on the inner peripheral surface of the nut member 2 by cutting, Since the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 are continuous without any boundary, when the ball 3 circulates through the ball circulation groove 21 constituted by these groove forces, the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 It is possible to smoothly circulate the ball 3 without causing the ball 3 to generate a catching force at the connection portion with the 2 3.
  • the cross section of the ball return groove 23 is formed in the same Gothic arch shape as the cross section of the load rolling groove 22, and the ball 3 rolls in contact with the groove in the ball return groove 23 at two points.
  • the rolling trajectory of the ball 3 in the ball return groove 23 is fixed without any wobbling.
  • the phenomenon that the ball 3 is clogged in the ball return groove 23 can be prevented, and the smooth circulation of the ball 3 can also be achieved in this respect.
  • the ball that is loaded with a load between the ball rolling groove 10 of the screw shaft 1 and the load rolling groove 22 of the nut member 2 has a Gothic arch-shaped cross section. These grooves restrain the wobbling in the width direction of the grooves. Therefore, the center locus of the ball 3 is fixed in both the load rolling groove 22 and the ball return groove 23, and as shown in FIG. 7, the center locus of the ball 3 has a straight line and a curved line. Smooth and continuous.
  • the ball return groove 23 is formed larger than the load rolling groove in both the width direction and the depth direction as in the case of a conventional deflector, the ball 3 becomes the ball return groove 2. As shown in FIG. 10, the center locus of the ball 3 in the ball return groove 23 becomes unstable with no regularity. Even if the load rolling groove 22 and the ball return groove 23 are continuously formed without a boundary, resistance acts on the circulation of the ball 3 in the ball circulation groove 21 and the nut member 2 is screwed. The rotational torque required to rotate the shaft 1 will vary.
  • the center locus of the ball 3 is fixed in a straight line without wobbling in the entire area of the ball circulation groove 21 and is smoothly continuous.
  • the fluctuation of the rotational torque of the member 2 can be made as small as possible, and the mutual conversion between the linear motion and the rotational motion can be performed smoothly.

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Abstract

 ナット部材(2)の小型化、ボール(3)の循環構造の簡素化を図ることができると共に、ナット部材(2)とねじ軸(1)との間におけるボール(3)の無限循環を円滑に行うことができ、ねじ軸(1)とナット部材(2)の相対回転の際における回転トルクの変動を可及的に小さく抑えることが可能なボールねじ装置であり、前記ナット部材(2)の内周面にはねじ軸(1)の周囲一周に相当するボール循環溝(21)が形成され、このボール循環溝(21)は、前記ねじ軸(1)のボール転動溝(10)に対向する負荷転動溝(22)とこの負荷転動溝(22)の一端と他端とを接続するボール戻し溝(23)とで構成され、前記ボール戻し溝(23)は負荷転動溝(22)と境目なく連続して前記ナット部材(2)の内周面に直接形成され、かかるボール戻し溝(23)のボール進行方向と直交する断面の形状は、当該ボール(3)が2点接触するゴシックアーチ状をなしている。

Description

明 細 書
ボールねじ装置
技術分野
[0001] 本発明は、ねじ軸とナット部材とがボールを介して螺合し、両者の間で回転運動と 直線運動とを相互に変換可能なボールねじ装置に係り、詳細には、ねじ軸とナット部 材との間におけるボールの循環構造の改良に関する。
背景技術
[0002] 一般に、ボールねじ装置は、外周面に螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸 と、このねじ軸が挿通される中空部を有して円筒状に形成されると共に、内周面には ねじ軸のボール転動溝と対向する螺旋状の負荷転動溝が形成されたナット部材と、 前記ねじ軸のボール転動溝とナット部材の負荷転動溝で囲まれた負荷通路の内部 を、荷重を負荷しながら転動する複数のボールとから構成されており、ねじ軸の回転 運動をナット部材の直線運動に、あるいはナット部材の回転運動をねじ軸の直線運 動に変換し得るようになって 、る。
[0003] 前記ナット部材がねじ軸に沿って連続的に移動可能とするためには、前記負荷通 路の両端を連結してボールの無限循環路を構成する必要があり、前記ナット部材に は負荷通路の端部同士を連結するボール戻し通路が備えられている。かかるボール 戻し通路の構造としては、リターンチューブ方式、エンドキャップ方式等の種々の構 造が知られているが、ナット部材の小型化、ボール循環構造の簡素化、生産コストの 低減ィ匕に有利なものとしてデフレクタ方式が知られている。
[0004] このデフレクタ方式のボールねじ装置では、溝状のボール戻し通路(以下、「ボー ル戻し溝」という)を備えたデフレクタと呼ばれる駒が前記ナット部材の内周面に埋め 込まれ、このデフレクタによってボールの無限循環路が形成されるようになっている。 前記デフレクタはそのボール戻し溝がねじ軸のねじ山と交差するようにナット部材に 装着されており、ナット部材とねじ軸との間に形成されたボールの負荷通路が該ねじ 軸の周囲を一周する手前で前記ボール戻し溝に接続されるようになっている。すな わち、ねじ軸の周囲を一周するボールの無限循環路が構成され、ボールはねじ軸と ナット部材との間で荷重を負荷しながら前記負荷通路を転動した後、前記デフレクタ のボール戻し溝に進入して荷重から解放され、このボール戻し溝によってねじ軸の ねじ山を乗り越えた後に、再び負荷通路に進入して荷重を負荷する。
[0005] このようなデフレクタ方式のボールねじ装置においてボールを円滑に循環させるた めには、負荷通路とデフレクタのボール戻し溝とを正確に連結することが重要である 。しかし、前記デフレクタはナット部材に貫通形成した透孔、あるいはナット部材の内 周面に形成した凹所に嵌合されているので、デフレクタそのものの加工精度又はナツ ト部材の加工精度の影響から、負荷通路とボール戻し溝とを正確に連結することは 困難であった。このため、個々のボールが負荷通路力 ボール戻し溝へ進入する際 、あるいはボール戻し溝力も負荷通路へ進入する際に引っ掛力りを生じ易ぐこのこと がねじ軸とナット部材との間における回転トルクの変動として顕れていた。
[0006] 一方、デフレクタ方式のボールねじ装置におけるこのような問題点を解決するものと して、ボール戻し溝をナット部材と別体のデフレクタに形成するのではなぐナット部 材の内周面に対し負荷転動溝と連続するボール戻し溝を切削加工又は鍛造加工に よって直接形成したボールねじ装置が開示されている(特開 2003— 307263号公報
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特許文献 1:特開 2003 - 307263号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] このようにボール逃げ溝をナット部材の内周面に対して直接カ卩ェした場合には、負 荷通路とボール逃げ溝とが境界なく連続することから、かかる境界におけるボールの 引っ掛力りを防止することが可能である。
[0008] しかし、従来のボール逃げ溝はボールの進行方向に直交する断面が単純な円弧 状をなしており、また、ボールを荷重力も解放するために、ボール戻し溝を幅方向及 び深さ方向の双方向に関して負荷転動溝よりも大きめに形成することが行われてい た。このため、ボール戻し溝の内部におけるボールの整列状態に乱れが生じ、ボー ルがボール戻し溝内で詰まり易くなることから、依然としてねじ軸とナット部材との間に おける回転トルクに変動が生じ易いといった問題点があった。 課題を解決するための手段
[0009] 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 ット部材の小型化、ボールの循環構造の簡素化を図ることができると共に、ナット部材 とねじ軸との間におけるボールの無限循環を円滑に行うことができ、ねじ軸とナット部 材の相対回転の際における回転トルクの変動を可及的に小さく抑えることが可能なボ ールねじ装置を提供することにある。
[0010] 前記目的を達成する本発明のボールねじ装置は、外周面に螺旋状のボール転動 溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸の周囲一周に相当するボール循環溝が少なく とも一つ内周面に形成されたナット部材と、前記ねじ軸のボール転動溝とナット部材 のボール循環溝との間に配列されて該ねじ軸とナット部材とを螺合させる複数のボー ルとから構成されている。前記ボール循環溝は、前記ねじ軸のボール転動溝に対向 する負荷転動溝とこの負荷転動溝の一端と他端とを接続するボール戻し溝とで構成 されている。そして、前記ボール戻し溝は負荷転動溝と境目なく連続して前記ナット 部材の内周面に直接形成され、かかるボール戻し溝のボール進行方向と直交する 断面の形状は、当該ボールが 2点接触するゴシックアーチ状をなして 、る。
[0011] このように構成される本発明によれば、前記ボール循環溝を構成する負荷転動溝と ボール戻し溝は境目なく連続してナット部材の内周面に対して直接形成されているこ とから、ボールが前記ボール循環溝を循環する際に、負荷転動溝とボール戻し溝と の境界で引つ力かることがなぐ負荷転動溝力 ボール戻し溝へのボールの進入、及 びボール戻し溝力 負荷転動溝へのボールの進入を円滑に行うことが可能となる。
[0012] また、ボール戻し溝のボール進行方向と直交する断面形状は当該ボールが 2点で 接触するゴシックアーチ状に形成されて 、ることから、ボールがボール戻し溝内を無 負荷状態で転動したとしても、力かるボール戻し溝内におけるボールの軌跡はゴシッ クアーチ状の溝に導かれて定まったものとなり、ボールがボール戻し溝内で蛇行する のを防止することが可能となる。特に、ねじ軸の周囲を転動するボールには遠心力が 作用していることから、ボール戻し溝を通過するボールは無負荷状態であっても、か 力る遠心力によってゴシックアーチ状の溝内に押し付けられ、所定の軌跡に沿って 転動することになる。このため、ボール戻し溝内におけるボール詰まり現象の発生が 防止され、力かるボール戻し溝内におけるボールの転動を円滑かすることができる。
[0013] すなわち、本発明によれば、負荷転動溝とボール戻し溝カゝら構成されるボール循 環溝の全周にわたってボールの転動を円滑ィ匕することができ、ナット部材とねじ軸と の相対的な回転における回転トルクの変動を可及的に防止することができるものであ る。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明を適用したボールねじ装置の実施の形態を示す側面図である。
[図 2]図 1に示したボールねじ装置のナット部材を示す斜視図である。
[図 3]実施の形態に示すボールねじ装置の負荷転動溝の様子を描いたナット部材の 斜視図である。
[図 4]実施の形態に示すボールねじ装置のボール戻し溝の様子を描いたナット部材 の斜視図である。
[図 5]ねじ軸のボール転動溝とナット部材の負荷転動溝との間を転動するボールを示 した断面図である。
[図 6]ナット部材のボール戻し溝を転動するボールを示した断面図である。
[図 7]ナット部材のボール循環溝内におけるボールの中心軌跡を示したグラフである
[図 8]ナット部材に対するボール循環溝の切削加工方法の一例を示す概略図である
[図 9]エンドミルの先端形状と負荷転動溝及びボール戻し溝の形状との関係を示す 断面図である。
[図 10]従来のボールねじ装置におけるボールの中心軌跡を示したグラフである。 符号の説明
[0015] 1…ねじ軸、 2…ナット部材、 3…ボール、 10…ボール転動溝、 11· ··ねじ山、 21· ·· ボール循環溝、 22· ··負荷転動溝、 23· ··ボール戻し溝
発明を実施するための最良の形態
[0016] 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。
[0017] 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 装置は、外周面に螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸 1と、多数のボール 3 を介して前記ねじ軸 1に螺合するナット部材 2とから構成されており、前記ナット部材 2 がねじ軸 1の周囲を螺旋状に回転するようになっている。尚、図 1においては前記ナ ット部材 2の一部を切り欠いて描いており、また、描かれているボール 3はナット部材 2 とねじ軸 1との間に存在するボール 3の一部である。
[0018] 前記ねじ軸 1の外周面には所定のリードで螺旋状のボール転動溝 10が形成されて おり、前記ボール 3はこのボール転動溝 10の内部を転動する。ここで、リードとは、ね じ軸 1の 1回転にぉ 、てボール転動溝 10がねじ軸 1の軸方向へ進行する距離である 。前記ボール転動溝 10は二つの曲面が略 90度で交わるようにして形成されており、 ボール進行方向と直交する断面形状はゴシックアーチ状をなしている。このため、前 記ボール 3はこのゴシックアーチ状のボール転動溝 10に対して 2点で接触しており、 ねじ軸 1の軸方向に作用する荷重に対して約 45度の接触角を生じるようになって ヽ る。また、ねじ軸 1の外周面において互いに隣接するボール転動溝 10とボール転動 溝 10との間にはねじ山 11が形成されている。
[0019] 図 2に示すように、前記ナット部材 2は前記ねじ軸 1が揷通される貫通孔 20を有して 略円筒状に形成されており、貫通孔 20の内周面には 1条のボール循環溝 21が形成 されている。このボール循環溝 21は、前記ねじ軸 1のボール転動溝 10に対向して形 成された負荷転動溝 22と、この負荷転動溝 22の一端と他端とを接続するボール戻し 溝 23と、力も構成されている。そして、これら負荷転動溝 22と前記ボール戻し溝 23と が連続することにより、ねじ軸の周囲の一周分に相当するボール循環溝 21が形成さ れている。
[0020] これらの負荷転動溝 22及びボール戻し溝 23はナット部材 2の内周面に切削加工を 施すことにより、力かるナット部材 2に対して直接形成されており、負荷転動溝 22とボ ール戻し溝 23は境目なく連続的に設けられている。
[0021] 図 3は、前記ナット部材 2に対する負荷転動溝 22の形成状態を示した斜視図、また 図 4は前記ナット部材 2に対するボール戻し溝 23の形成状態を示した斜視図である。 前記負荷転動溝 22はねじ軸 1のボール転動溝 10と対向してボール 3の負荷通路を 構成しており、ねじ軸 1の周囲一周よりも僅かに短く形成されている。また、前記ボー ル戻し溝 23はねじ軸 1のねじ山 11と交差するように形成されて!、る。負荷転動溝 22 は前記ねじ軸 1の周囲、すなわちナット部材 2の内周面を一周すると、リードの長さだ けナット部材 2の軸方向へ進行するため、前記負荷転動溝 22の一端と他端はリード の長さよりも僅かに短い距離だけナット部材 2の軸方向へ変位した状態にある。しかし 、ねじ山 11と交差するように設けられた前記ボール戻し溝 23がこれらの間を繋ぐこと により、ねじ軸 1の周囲一周分のボール循環溝 21が形成されている。
[0022] このボール循環溝 21は多数のボール 3によって満たされており、ねじ軸 1に対して ナット部材 2が回転し、あるいはナット部材 2に対してねじ軸 1が回転すると、かかる回 転に伴ってボール 3がボール循環溝 21内を循環する。ボール 3はナット部材 2の負 荷転動溝 22とねじ軸 1のボール転動溝 10との間で荷重を負荷しながら転動する。図 5に示すように、前記負荷転動溝 22のボール進行方向と直交する断面形状は、ねじ 軸 1側のボール転動溝 10と同様に、ゴシックアーチ状をなしており、ボール 3は負荷 転動溝 23に対して 2点で接触し、ねじ軸 1の軸方向(図 5の紙面左右方向)に作用す る荷重に対して約 45度の接触角を生じている。すなわち、ボール 3はボール転動溝 10及び負荷転動溝 22に対してはこれら溝の幅方向に関して拘束された状態にあり、 ナット部材 2とねじ軸 1との間に軸方向の荷重が作用した場合であっても、各溝の幅 方向にふらつくことなくこれら溝内を転動する。尚、図 5中の一点鎖線はボール 3とナ ット部材 2の負荷転動溝 22、ボール 3とねじ軸 1のボール転動溝 10との接触方向を 示している。
[0023] 一方、図 6は前記ボール戻し溝 23内におけるボール 3の転動の様子を示す断面図 である。前記ボール戻し溝 23は従来のデフレクタに対応する部分であり、前記負荷 転動溝 22との接続部位力 徐々に深くなり、ねじ軸 1のねじ山 11と対向する位置で 最も深く形成されている。これにより、荷重を負荷しながら負荷転動溝 22を転動して きたボール 3はボール戻し溝 23に進入すると該荷重力も解放されて無負荷状態とな り、ボール戻し溝 23に誘導されながらゴシックアーチ状に形成されたねじ軸 1のボー ル転動溝 10aからせり上がる。そして、ボール戻し溝 23の最深部においてねじ軸 1の ねじ山 11に乗り上げた後、そのままボール戻し溝 23に誘導されて隣接するボール転 動溝 10b、すなわち、ねじ軸 1の一周分前のボール転動溝 10bに戻される。ボール転 動溝 10bに戻されたボール 3は、ナット部材 1の負荷転動溝 22と前記ボール転動溝 1 Obとの間で再び荷重を負荷しながら転動する。尚、図 6中の矢線はボール戻し溝 23 の内部におけるボール 3の動きを示している。
[0024] また、前記ボール戻し溝 23のボール進行方向と直交する断面形状は、負荷転動溝 22と同様にゴシックアーチ状をなしており、ナット部材 2の内周面に対する深さだけが 負荷転動溝 22と異なっている。このため、ボール 3はボール戻し溝 23に対して 2点で 接触することになる。ボール 3は無負荷状態でボール戻し溝 23を転動することから、 ボール戻し溝 23とねじ軸 1との間に存在するボール 3には僅かに遊びが与えられて いる。し力し、ねじ軸 1の周囲を循環するボール 3には遠心力が作用しているので、か 力る遠心力によってボール 3はゴシックアーチ状に形成されたボール戻し溝 23の底 部に押し付けられ、結果的にボール戻し溝 23に対して 2点で接触することになる。こ れにより、ボール戻し溝 23内におけるボール 3の移動軌跡は該ボール戻し溝 23の幅 方向の中心線と合致することになり、力かるボール戻し溝 23内におけるボール 3の蛇 行が防止されている。
[0025] 図 7はナット部材 2の内周面 20を平面に展開し、前記負荷転動溝 22及びボール戻 し溝 23を転動するボール 3の中心軌跡を示したグラフであり、横軸はナット部材 2の 回転角を、縦軸はねじ軸 1の軸方向に沿ったボール 3の移動量を示している。負荷転 動溝 22上を転動するボール 3の軸方向への移動量はナット部材 2の回転角に比例 することから、このグラフ内において、負荷転動溝 22内を転動するボール 3の中心軌 跡は直線となる。また、ボール戻し溝 23内を転動するボール 3の中心軌跡は、平行 する一対の直線を連続的に結ぶ曲線となる。これにより、負荷転動溝 22の一端と他 端とが前記ボール戻し溝によって接続され、ねじ軸の周囲一周分のボール循環溝が 構成されている。
[0026] 次に、前記ナット部材 2に対するボール循環溝 21の加工方法について説明する。
[0027] 先ず、円筒形状に形成されたナット部材 2に対して焼入れ又は焼き戻しの熱処理を 施す。この状態ではナット部材 2の内周面は、円筒面のままであり、負荷転動溝 22及 びボール戻し溝 23からなるボール循環溝 21は形成されていない。次に、熱処理が 施されたナット部材 2の内周面に切削加ェを施して前記ボール循環溝 21を形成する 。この切削加工においては、単一の切削工具を用い、一つの切削工程で負荷転動 溝 22及びボール戻し溝 23を連続的に加工する。それにより、負荷転動溝 22とボー ル戻し溝 23の連続性を確保することができ、これらの溝から構成されるボール循環 溝 21を高精度に加工することができる。また、力かる切削工程は熱処理工程の後に 行われるので、ボール循環溝 21に熱処理歪みの影響が及ぶことがない。更に、熱処 理後のナット部材 2に対して切削加工を施すことにより、負荷転動溝 22及びボール 戻し溝 23の表面粗さの向上も見られる。尚、負荷転動溝 22に対しては前記切削加 ェ後に研削加工を施し、表面の平滑性の更なる向上を図っても良い。
[0028] 図 8は、前記ボール循環溝 21の切削加工を行う切削装置の一例を示すものである 。この切削装置は、タイル軸 4の先端に設けられたスピンドル 5に対して切削工具とし てのエンドミル 6を保持させ、力かるエンドミル 6に回転切削主運動を与えて切削加工 を行うものであり、スヒンドル 5の回転主軸はタイル軸 4の長手方向に対して直交して いる。ナット部材 2はその軸方向を Z軸としてチャック 7に把持されており、前記タイル 軸 4は Z軸方向力もナット部材 2の貫通孔 20に挿入される。ボール循環溝 21の切削 加工に当たり、ナット部材 2はチャック 7に把持された状態で Z軸周りの回転運動を与 えられる一方、前記エンドミル 6を保持したタイル軸 4には Z軸方向の送りが与えられ る。そして、タイル軸 4をスピンドル 5の主軸方向である Y軸方向へ送ることにより、ナツ ト部材 2の内周面に対するエンドミル 6の切り込み深さが調整される。
[0029] 前記スピンドル 5は、前記エンドミル 6が装着されるスピンドル主軸を動圧軸受によ つて支承すると共に、前記スピンドル主軸に装着されたタービン 50を備えており、前 記タイル軸 4を通して送られる加圧流体を前記タービン 50に吹き付けることで、スピン ドル主軸に 1万 rpm以上の高速回転を与えることができるようになつている。そして、 このスピンドル 5を用いてエンドミル 6に高速回転を与えつつ、前記負荷転動溝 22及 びボール戻し溝 23の形状に応じてナット部材 2の Z軸周りの回転、エンドミル 6の Z軸 方向及び Y軸方向の送りを同期させることにより、ナット部材 2の内周面に対してボー ル循環溝 21を連続的に切削加工することができる。また、エンドミル 6の Z軸方向及 ひ Ύ軸方向の送りを調整することで、負荷転動溝 22の深さ及びリード、ボール戻し溝 23の深さ及び形状を自由に変更することができる。 [0030] 前記エンドミル 6の先端には負荷転動溝 22及びボール戻し溝 23と同様にゴシック アーチ状の輪郭が与えられており、図 9に示すように、このエンドミル 6に対して回転 切削主運動を与えながら該エンドミル 6をナット部材 2の内周面に切り込ませると、ゴ シックアーチ状の負荷転動溝 22を得ることができる。また、エンドミルの Y軸方向の送 り、すなわちナット部材 2の内周面に対する切り込み深さを調整することで、同様にし てゴシックアーチ状のボール戻し溝 23も形成することができる。すなわち、エンドミル 6の Y軸方向の送り量を変化させることで、単一の切削工具を用 、ながら負荷転動溝 22及びボール戻し溝 23を同一の切削工程で連続的にカ卩ェし、ねじ軸 1の周囲一周 分の閉じたボール循環溝 21を容易に形成することが可能である。
[0031] そして、以上のように構成されたボールねじ装置では、前記負荷転動溝 22及びボ ール戻し溝 23はナット部材 2の内周面に対して切削加工で直接形成されており、負 荷転動溝 22及びボール戻し溝 23は境目なく連続して 、るので、これらの溝力 構成 されるボール循環溝 21をボール 3が循環する際に、負荷転動溝 22とボール戻し溝 2 3との接続部分においてボール 3が引っ掛力りを生じることはなぐボール 3を円滑に 循環させることができるものである。
[0032] また、ボール戻し溝 23の断面は負荷転動溝 22の断面と同じゴシックアーチ状に形 成され、ボール 3はボール戻し溝 23内を当該溝に対して 2点接触しながら転動する ので、ボール戻し溝 23内におけるボール 3の転動軌跡がふらつくことなく一筋に定ま る。これにより、ボール 3がボール戻し溝 23内で詰まるといった現象を防止することが でき、この点においてもボール 3の循環の円滑ィ匕を図ることができるものである。
[0033] 前述したように、ねじ軸 1のボール転動溝 10とナット部材 2の負荷転動溝 22との間 で荷重を負荷して 、るボールは、ゴシックアーチ状の断面に形成されたこれらの溝に よって、当該溝の幅方向のふらつきを拘束されている。従って、負荷転動溝 22及び ボール戻し溝 23の双方においてボール 3の中心軌跡は一筋に定まっていることにな り、図 7に示したように、ボール 3の中心軌跡は直線と曲線とが滑らかに連続したもの となる。
[0034] 仮に、従来のデフレクタのように、前記ボール戻し溝 23をその幅方向及び深さ方向 の双方向に関して負荷転動溝よりも大きめに形成すると、ボール 3はボール戻し溝 2 3内でふらつくことになり、図 10に示すように、ボール戻し溝 23内におけるボール 3の 中心軌跡は規則性のない不安定なものとなってしまう。これでは、たとえ負荷転動溝 22とボール戻し溝 23を境目なく連続的に形成したとしても、ボール循環溝 21内にお けるボール 3の循環に対して抵抗が作用し、ナット部材 2をねじ軸 1に対して回転させ る際に必要な回転トルクに変動が生じてしまう。
[0035] 本発明のボールねじ装置では、前述したように、ボール 3の中心軌跡がボール循環 溝 21の全域においてふらつくことなく一筋に定まり、且つ、滑らかに連続したものとな つているので、ナット部材 2の回転トルクの変動を可及的に小さくすることができ、直 線運動と回転運動の相互変換を円滑に行うことができるものである。
[0036] 尚、図面を用いて説明したボールねじ装置の例では、ナット部材 2の内周面に対し て 1条のボール循環溝 21のみ形成されていたが、ナット部材 2に要求される負荷荷 重に応じ、ボール循環溝 21の条数は適宜増やして差し支えない。

Claims

請求の範囲
[1] 外周面に螺旋状のボール転動溝 (10)が形成されたねじ軸 (1)と、このねじ軸 (1)の周囲 一周に相当するボール循環溝 (21)が少なくとも一つ内周面に形成され、かかるボー ル循環溝 (21)は前記ボール転動溝 (10)に対向する負荷転動溝 (22)とこの負荷転動溝 (22)の一端と他端とを接続するボール戻し溝 (23)とで構成されたナット部材 (2)と、前記 ねじ軸 (1)のボール転動溝 (10)とナット部材 (2)のボール循環溝 (21)との間に配列され て該ねじ軸 (1)とナット部材 (2)とを螺合させる複数のボール (3)とから構成され、 前記ボール戻し溝 (23)は負荷転動溝 (22)と境目なく連続して前記ナット部材 (2)の内 周面に直接形成されると共に、力かるボール戻し溝 (23)のボール進行方向と直交す る断面の形状は、当該ボール (3)が 2点接触するゴシックアーチ状をなして 、ることを 特徴とするボールねじ装置。
[2] 前記負荷転動溝 (22)とボール戻し溝 (23)のボール進行方向と直交する断面の形状は 共にゴシックアーチ状をなし、これら負荷転動溝 (22)及びボール戻し溝 (23)は同一の 溝幅に形成される一方、溝深さが異なることを特徴とする請求項 1記載のボールねじ 装置。
[3] 前記請求項 1記載のボールねじ装置の製造方法であって、
前記ナット部材 (2)を熱処理した後、単一の切削工具 (6)を用いて前記ボール循環溝 (21)をナット部材 (2)の内周面に連続的に切削加工することを特徴とするボールねじ 装置の製造方法。
[4] 前記切削工具 (6)の先端形状はゴシックアーチ状をなし、力かる切削工具 (6)に回転 切削主運動を与えながら前記ボール循環溝 (21)の切削加工を行うことを特徴とする 請求項 3記載のボールねじ装置の製造方法。
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