WO2017130951A1

WO2017130951A1 - ボールねじ

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Publication number: WO2017130951A1
Application number: PCT/JP2017/002312
Authority: WO
Inventors: 辰徳清水
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: JP2017133669A

Abstract

ボールねじの生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することを課題とする。ねじ軸（２）がナット（３）に挿入され、軸側ねじ溝（２Ａ）とナット側ねじ溝（３Ａ）とから構成される転動路に複数のボール（４）が配置される循環型のボールねじ（１）であって、ナット側ねじ溝（３Ａ）は、ナット（３）の内周面の軸方向両側の端部を拡径または縮径するように内周面の軸方向一側と他側とにそれぞれ設けられる略一巻きの螺旋状の段差形状からなり、それぞれの前記螺旋状の段差形状において軸方向にずれた端部同士が滑らかな曲面（３Ｃ）で接続されて円環状に形成され、前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面には、ナット（３）の径方向外側に向かう凹部３Ｄが形成され、前記螺旋状の段差形状の段差面は、軸側ねじ溝（２Ａ）に対向する曲面に形成される。

Description

ボールねじ

　本発明はボールねじに関する。詳しくは循環型のボールねじに関する。

　従来、一般産業用の電動機、自動車のトランスミッションやパーキングブレーキ等の電動アクチュエータにおいて、電動モータの出力軸の回転運動を高効率で直線運動に変換して出力するためにボールねじが用いられている。ボールねじは、外周面にねじ溝が形成されたねじ軸と転動体である複数のボールを介して支持されるナットとから構成されている。これにより、ボールねじは、ねじ軸またはナットのうち一方を回転運動させることで他方が直動部材として直線運動する運動変換機構として構成されている。このように構成されるボールねじにおいて、ボールが循環しない非循環型のボールねじが知られている。非循環型のボールねじは、ナットの内周面に環状の転動溝が形成され、保持器によってボールを保持しているものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

　特許文献１に記載のボールねじは、ねじ軸の外周面に二条の螺旋状の転動溝（ねじ溝）が形成され、ナットの内周面に二列の環状の転動溝が形成されている。環状の転動溝は、ナットの内周面の中央部に形成される環状凸部の両側に形成されている。ボールねじは、それぞれの環状の転動溝に２個のボールが配置され、ねじ軸の螺旋状の転動溝とナットの環状の転動溝とにアンギュラコンタクトしている。二個のボールは、保持器によって環状の転動溝内の互いの位置関係を維持した状態でねじ軸とナットとに対して回転自在に保持されている。このように構成することで、ボールねじは、ボールがナットの環状の転動溝を転動しつつ、ねじ軸の螺旋状の転動溝を転動する。つまり、ボールねじは、生産コストを抑制するためにナットの内周面に二列の環状の転動溝を形成するだけで回転運動を直線運動に変換することができる。しかし、特許文献１に記載の技術は、ナットの環状の転動溝に配置できるボールの数やその位置がねじ軸の螺旋状の転動溝の条数によって決まる。このため、循環型のボールねじに比べて許容負荷容量が制限される点で不利であった。

特開平０７－０７７２６０号公報

　本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができるボールねじの提供を目的とする。

　本発明のボールねじは、ねじ軸がナットに挿入され、前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とから構成される転動路に複数のボールが配置される循環型のボールねじであって、前記ナットのねじ溝は、前記ナットの内周面の軸方向両側の端部を拡径または縮径するように内周面の軸方向一側と他側とにそれぞれ設けられる略一巻きの螺旋状の段差形状からなり、それぞれの前記螺旋状の段差形状において軸方向にずれた端部同士が滑らかな曲面で接続されて円環状に形成され、前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面には、前記ナットの径方向外側に向かう凹部が形成され、前記螺旋状の段差形状の段差面は、前記ねじ軸のねじ溝に対向する曲面に形成されるものである。

　本発明のボールねじにおいては、前記ナットの内周面の拡径部分には、円環状の案内板が設けられ、前記案内板のうち前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面に対向する部分は、前記ボールが前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面に沿って転動するように、前記螺旋状の段差形状に沿う滑らかな曲面に形成されることが好ましい。

　本発明のボールねじにおいては、前記円環状の案内板の一部は、開口されて径方向に縮径可能に形成されることが好ましい。

　本発明のボールねじにおいては、前記円環状の案内板は、前記ナットの内周面に形成されているスリットに係合されることが好ましい。

　本発明のボールねじにおいては、前記円環状の案内板がばね用高鋼線材から構成される
ことが好ましい。

　本発明のボールねじによれば、型物で形成可能な略一巻の螺旋状の段差形状からなるねじ溝を有するナットから構成される。また、ボールねじは、ねじ溝に配置されているボールがナットのねじ溝内を循環するようにねじ溝である段差形状が滑らかな曲面で円環状に形成されている。つまり、ボールねじは、型物で形成可能なナットのねじ溝に複数のボールが連続的に配置されて循環型のボールねじとして構成されている。これにより、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができる。

　本発明のボールねじによれば、ナットのねじ溝が片側を解放された状態でボールが循環可能な円環状に形成される。すなわち、ボールねじは、アンダーカットを無くして型物で形成可能な円環状のねじ溝を有するナットから構成される。これにより、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができる。

　本発明のボールねじによれば、案内板が容易にナットに組み込まれ、ボールが循環可能なねじ溝が構成される。これにより、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができる。

ボールねじの一実施形態における全体構成を示す斜視図。（Ａ）ボールねじの一実施形態における全体構成を示す平面図（Ｂ）図２（Ａ）におけるＡ矢視断面図。ボールねじの一実施形態におけるナットの軸方向断面図および側面図。ボールねじの一実施形態におけるナットに案内板が設けられた状態における軸方向断面図およびＡ矢視断面図。ボールねじの一実施形態におけるナットのナット側ねじ溝を転動するボールの態様を示す軸方向断面図および側面図。ボールねじの一実施形態においてボールがねじ軸の軸側ねじ溝の側壁を越える態様を示す部分断面図。ボールねじの他の実施形態における全体構成を示す軸方向断面図。

　以下に、図１から図４を用いて、ボールねじ１の一実施形態であるナット３を備えるボールねじ１について説明する。本実施形態において、ボールねじ１のナット３の内周面には、軸方向両側の端部を拡径した段差形状のナット側ねじ溝３Ａがそれぞれ形成されている。

　図１と図２とに示すように、ボールねじ１は、回転運動を直線運動に変換して出力するものである。ボールねじ１は、ねじ軸２、ナット３、複数のボール４等から構成されている。

　ねじ軸２は、Ｓ５５Ｃ等の中炭素鋼あるいはＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０等の肌焼き鋼からなり、高周波焼入れ、真空浸炭焼入れによって５５～６２ＨＲＣ程度の硬化処理が施されている。ねじ軸２は、その外周面にボール４が転動するための軸側ねじ溝２Ａが複数形成されている。軸側ねじ溝２Ａの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良い。本実施形態において、ねじ軸２は、ボール４との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、ボールねじ１は、ねじ軸２の軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動の発生を抑制することができる。

　ナット３は、ねじ軸２を挿入可能な中空円筒状に形成されている。ナット３は、金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金から構成されている。ナット３は、金属粉とプラスチックおよびワックスからなるバインダとの混練物を金型内に加熱溶融状態で押し込む、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）により成形されている。こうしたＭＩＭによって成形される焼結合金は、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状及び寸法に成形することができる。金属粉として、後に浸炭焼入が可能な材質、例えば、Ｃ（炭素）が０．１３ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が０．２１ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）が１．１ｗｔ％、Ｃｕ（銅）が０．０４ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）が０．７６ｗｔ％、Ｍｏ（モリブデン）が０．１９ｗｔ％、Ｓｉ（シリコン）が０．２０ｗｔ％、残りがＦｅ（鉄）等からなるＳＣＭ４１５から構成されている。また、ナット３の材料としてこれ以外にも、Ｎｉが３．０～１０．０ｗｔ％含有し、加工性、耐食性に優れた材料（日本粉末冶金工業規格のＦＥＮ８）、あるいは、Ｃが０．０７ｗｔ％、Ｃｒが１７ｗｔ％、Ｎｉが４ｗｔ％、Ｃｕが４ｗｔ％、残りがＦｅ等からなる析出硬化系ステンレスＳＵＳ６３０であっても良い。このＳＵＳ６３０は、固溶化熱処理で２０～３３ＨＲＣの範囲に表面硬さを適切に上げることができ、強靭性と高硬度を確保することができる。なお、本実施形態において、ナット３は、ＭＩＭにより成形されているがこれに限定するものではなく、鍛造加工によって形成してもよい。

　図２（Ｂ）に示すように、ナット３の内周面には、軸方向両側の端部を拡径した段差形状のナット側ねじ溝３Ａがそれぞれ形成されている。ナット３の内周面には、中央部の縮径部分と端部の拡径部分とをつなぐ段差面がナット３のそれぞれの端部に向かうにつれて徐々に拡径する曲面からなる転動面３Ｂに形成されている。各段差形状に形成されているナット側ねじ溝３Ａは、略一巻の右回りの螺旋状に形成されている。

　図３に示すように、各段差形状に形成されているナット側ねじ溝３Ａは、螺旋のリード分だけ軸方向にずれた端部が滑らかな曲面３Ｃで接続されている。つまり、各段差形状は、螺旋状に略一巻きされることで元の端部と隣接する位置に移動した段差面とが滑らかな曲面３Ｃで接続されている。これにより、各段差形状のナット側ねじ溝３Ａは、段差面である転動面３Ｂが途切れることなく連なる円環状に形成されている。各段差形状のナット側ねじ溝３Ａにおいて、螺旋によってリード分だけ軸方向にずれた段差面である転動面３Ｂを接続している滑らかな曲面３Ｃは、その周方向の中央に向かうにつれて径方向外側に向かって軸側ねじ溝２Ａの溝深さよりも深い凹部３Ｄが形成されている。このように構成されるナット３の内周面には、滑らかな曲面３Ｃによって接続されている円環螺旋状の段差形状であるナット側ねじ溝３Ａが形成されている。また、ナット側ねじ溝３Ａは、ナット３の中央部の縮径部分からそれぞれの端部に向かうにつれて徐々に拡径する曲面からなる転動面３Ｂのみから構成されている。すなわち、ナット側ねじ溝３Ａは、側壁が片側のみのアンダーカットフリーの溝として構成されている。ナット側ねじ溝３Ａは、ねじ軸２の軸側ねじ溝２Ａと同一のリードおよびピッチで形成されている。ナット３の拡径部分には、後述する案内板５を配置するための案内板位置決め部３Ｅとして、軸方向両側の端部をナット側ねじ溝３Ａに沿うように拡径した段差形状がそれぞれ形成されている。案内板位置決め部３Ｅは、ナット側ねじ溝３Ａよりも開口側に略一巻の右回りの螺旋状に形成されている。さらに、ナット３の拡径部分には、案内板５を固定するためのスリット３Ｆが案内板位置決め部３Ｅに沿うように形成されている。

　図１、図２および図４に示すように、ナット３の内周面には、円環状の案内板５（図１、図２および図４における薄墨部分）が設けられている。案内板５は、転動体であるボール４をナット側ねじ溝３Ａ内に保持するものである。
　図４に示すように、案内板５は、略一巻の右回りの螺旋状に形成されている。案内板５は、ばね用高鋼線材や、高周波焼入れ、真空浸炭焼入れによって５５～６２ＨＲＣ程度の硬化処理が施されている鋼材から形成されている。案内板５は、螺旋のリード分だけ軸方向にずれた部分が滑らかな曲面５Ａで接続されている。さらに、案内板５の滑らかな曲面５Ａは、その周方向の中央に向かうにつれて径方向外側に突出部５Ｂが形成されている。滑らかな曲面５Ａは、ナット３のナット側ねじ溝３Ａの滑らかな曲面３Ｃと略同一の曲面に形成されている。また、案内板５は、滑らかな曲面５Ａに形成されている部分に対向する部分が開口されて略Ｃ字状に形成されている。これにより、案内板５は、開口部の両端を互いに近接させることで径方向に縮径可能に構成されている。案内板５の開口部の両端には、径方向に突出した係合部５Ｃが形成されている。案内板５は、ナット３の案内板位置決め部３Ｅによって位置決めされつつナット３に形成されているスリット３Ｆに係合部５Ｃが挿入されることでナット３の内周面に固定されている。案内板５は、ナット側ねじ溝３Ａの側壁（段差面）との間をボール４が通過可能な位置に固定されている。案内板５の滑らかな曲面５Ａは、ナット３の滑らかな曲面３Ｃに対向するように配置されている。ナット３の外周面には、その外径を部分的に拡径した段付き部である鍔部３Ｇが形成されている。

　図２（Ｂ）と図５とに示すように、ナット３には、軸側ねじ溝２Ａとナット側ねじ溝３Ａとが対向するようにしてねじ軸２が挿入されている。軸側ねじ溝２Ａとナット側ねじ溝３Ａとから構成される空間には、転動体である複数のボール４が転動自在に収容されている。また、ナット側ねじ溝３Ａは、滑らかな曲面３Ｃが軸側ねじ溝２Ａの側壁を跨ぐように形成されている。図２（Ｂ）に示すように、ナット３のナット側ねじ溝３Ａとねじ軸２の軸側ねじ溝２Ａ間に転動自在に収容されるボール４は、接触角θでもって複列外向きのアンギュラコンタクトするように構成されている。このようにして、軸側ねじ溝２Ａとナット側ねじ溝３Ａとは、複数のボール４が転動する転動路を構成している。ナット３は、複数のボール４を介してねじ軸２をナット３の軸回りに回転自在に支持している。

　ボールねじ１は、ナット３が回転されると転動路に収容されている複数のボール４を介してねじ軸２に回転力が伝達される。ねじ軸２は、回り止め機構により軸回りの回転が規制されている場合、ナット３の回転運動が軸側ねじ溝２Ａの傾きによってねじ軸２の軸方向の直線運動に変換される。同様にして、ボールねじ１は、ねじ軸２が回転されると転動路に収容されている複数のボール４を介してナット３に回転力が伝達される。ナット３は、回り止め機構により軸回りの回転が規制されている場合、ねじ軸２の回転運動が軸側ねじ溝２Ａの傾きによってナット３の軸方向の直線運動に変換される。なお、本実施形態において、ねじ軸２の軸側ねじ溝２Ａとナット側ねじ溝３Ａとは略一巻きとしたがこれに限定されるものではない。また、本実施形態において、ねじ軸２に形成されている軸側ねじ溝２Ａは右ねじであるものとするがこれに限定されるものではない。

　以下に、図２から図６を用いて、ボールねじ１のナット３におけるボール４の循環の態様について詳細に説明する。

　図３から図６に示すようにナット３のナット側ねじ溝３Ａは、ねじ軸２の軸側ねじ溝２Ａの側壁を跨ぐようにして滑らかな曲面３Ｃが形成され、かつ滑らかな曲面３Ｃに軸側ねじ溝２Ａの溝深さよりも深い凹部３Ｄが形成されている。
　従って、図５と図６とに示すように、ナット側ねじ溝３Ａの滑らかな曲面３Ｃに到達したボール４は、ナット側ねじ溝３Ａの滑らかな曲面３Ｃによって軸側ねじ溝２Ａの側壁に徐々に寄せられる。ボール４は、軸側ねじ溝２Ａの側壁にそって軸側ねじ溝２Ａの先端に向かって押し上げられる。この際、ボール４は、滑らかな曲面３Ｃに沿うように形成されている案内板５によって保持されているので転動路から脱落することがない。つまり、ナット側ねじ溝３Ａが片側のみのアンダーカットがない溝型に形成されていても、軸側ねじ溝２Ａの側壁を越えようとするボール４を安定して保持することができる。ボール４は、ナット側ねじ溝３Ａの滑らかな曲面３Ｃよって軸側ねじ溝２Ａの側壁を越えて隣りの軸側ねじ溝２Ａに移動するとともに円環状のナット側ねじ溝３Ａの元のねじ溝位置に戻る。つまり、転動路内のボール４は、隣りの軸側ねじ溝２Ａに移動するとともに、ナット側ねじ溝３Ａを一周することで転動路内を循環する。このように構成することで、ボールねじ１は、転動路内に複数のボール４を連続的に配置することができる。

　また、図７に示すように、ボールねじ１の別実施形態として、ナット３の形状が異なるナット７を備えるボールねじ６でもよい。本実施形態において、ボールねじ６のナット７の内周面には、軸方向両側の端部を縮径した段差形状のナット側ねじ溝７Ａがそれぞれ形成されている。なお、以下の全ての実施形態に係るボールねじ１は、図１から図６に示すボールねじ１において、ボールねじ１に替えて適用されるものとして、その説明で用いた名称、図番、記号を用いることで、同じものを指すこととし、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

　図７に示すように、ボールねじ６は、回転運動を直線運動に変換して出力するものである。ボールねじ６は、ねじ軸２、ナット７、複数のボール４等から構成されている。

　ナット７の内周面には、ナット側ねじ溝７Ａとして、軸方向両側の端部を縮径した段差形状のナット側ねじ溝７Ａがそれぞれ形成されているナット７の内周面には、端部の縮径部分と中央部の拡径部分とをつなぐ段差面がナット７の中央部に向かうにつれて徐々に拡径する曲面からなる転動面７Ｂに形成されている。ナット７は、拡径部分の略中央部で二分割され、圧入ピン８を介して連結されている。なお、ナット７の連結方法は、圧入ピン８に限定するものではなく、ねじ締結等でもよい。各段差形状に形成されているナット側ねじ溝７Ａは、略一巻の右回りの螺旋状に形成されている。各段差形状のナット側ねじ溝７Ａは、螺旋のリード分だけ軸方向にずれた端部が図示しない滑らかな曲面で接続されている。このように構成されるナット７の内周面には、ナット７が分割されている状態で略一巻の螺旋状に加工された段差形状のナット側ねじ溝７Ａが途切れることなく連なる円環状に形成されている。また、ナット側ねじ溝７Ａは、側壁が片側のみのアンダーカットフリーの溝として構成されている。ナット７の拡径部分には、案内板５を配置するための案内板位置決め部７Ｄとして、中央の拡径部をナット側ねじ溝７Ａに沿うように更に拡径した段差形状がそれぞれ形成されている。

　ナット７の内周面には、略一巻の右回りの円環螺旋状の案内板５が設けられている。案内板５は転動体であるボール４をナット側ねじ溝７Ａ内に保持するものである。案内板５は、ナット７の縮径部の内径よりも小さい外径に縮径可能に構成されている。案内板５は、ナット７の内周面に形成されている図示しないスリットによってナット７の案内板位置決め部７Ｄに固定されている。

　以上のごとく構成することで、ボールねじ１、６は、ねじ軸２の軸側ねじ溝２Ａとナット３、７の片側の側壁のみからなる略一巻の円環螺旋状のナット側ねじ溝３Ａ、７Ａとから構成される転動路に複数のボール４が配置されている。つまり、ボールねじ１、６は、型物から形成可能なアンダーカットがないナット側ねじ溝３Ａ、７Ａが円環螺旋状に形成され、複数のボール４が循環可能に連続的に配置されている。これにより、ボールねじ１、６は、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができる。また、ボールねじ１、６は、ボール４の脱落を防止するための案内板５が容易に設けられる。これにより、生産コストを抑制しつつ許容負荷容量を増大することができる。

　以上、ボールねじの一実施形態であるボールねじ１、６は、ナット３、７に略一巻の円環螺旋状のナット側ねじ溝３Ａ、７Ａが軸方向両側にそれぞれ形成されているものとして説明したがこれに限定されるものではなく、ナット７が型物で形成可能、かつボールが循環する構成であればよい。また、上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

　本発明は、ボールねじに利用可能である。

　　１　　ボールねじ
　　２　　ねじ軸
　　３　　ナット
　　３Ａ　ナット側ねじ溝
　　３Ｃ　滑らかな曲面
　　３Ｄ　凹部
　　４　　ボール
　　５　　案内板

Claims

　ねじ軸がナットに挿入され、前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とから構成される転動路に複数のボールが配置される循環型のボールねじであって、
　前記ナットのねじ溝は、前記ナットの内周面の軸方向両側の端部を拡径または縮径するように内周面の軸方向一側と他側とにそれぞれ設けられる略一巻きの螺旋状の段差形状からなり、それぞれの前記螺旋状の段差形状において軸方向にずれた端部同士が滑らかな曲面で接続されて円環状に形成され、
　前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面には、前記ナットの径方向外側に向かう凹部が形成され、
　前記螺旋状の段差形状の段差面は、前記ねじ軸のねじ溝に対向する曲面に形成される、
　循環型のボールねじ。
　請求項１に記載の循環型のボールねじであって、
　前記ナットの内周面の拡径部分には、円環状の案内板が設けられ、
　前記案内板のうち前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面に対向する部分は、前記ボールが前記螺旋状の段差形状の端部同士を接続している滑らかな曲面に沿って転動するように、前記螺旋状の段差形状に沿う滑らかな曲面に形成される、
　循環型のボールねじ。
　請求項１または請求項２に記載の循環型のボールねじであって、
　前記円環状の案内板の一部は、開口されて径方向に縮径可能に形成される、
　循環型のボールねじ。
　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の循環型のボールねじであって、
　前記円環状の案内板は、前記ナットの内周面に形成されているスリットに係合される、
　循環型のボールねじ。
　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の循環型のボールねじであって、
　前記円環状の案内板がばね用高鋼線材から構成される、
　循環型のボールねじ。