(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともスクリュー軸と、ナットユニットと、スクリュー軸およびナットユニットの間を通って循環回転する複数のボール及びスペーサとを含むボールスクリューにおいて、
スクリュー軸の外表面は螺旋状溝を有し、その溝の断面が略半円形に形成されており、
ナットユニットは少なくともナット本体およびボールの循環回転に供する付属品を有し、該ナット本体は中空状に形成されており、その内側は前記スクリュー軸の螺旋状溝と対応する螺旋状溝を有し、このナット本体の溝の断面は略半円形に形成されており、
複数のボールおよびスペーサは前記スクリュー軸の螺旋状溝とナット本体の螺旋状溝の間に保たれ、各スペーサは相互に隣接したボール間に設置されており、
前記ボールは球状に形成され、金属材料製のものであり、
前記スペーサはその外観が略円柱体をなしており、該円柱体の円筒面の外形は前記ボールの外径より小さく、かつ両端面が内方向への凹みを有する曲面であり、該曲面の中心に貫通孔を有し、該曲面はその円周方向に波状をなしかつ前記貫通孔から前記円筒面と前記曲面との各接合部に向かって放射状に発散する波状経路を有すると共に、各ボールとそれぞれ隣接していることを特徴とするスペーサを有するボールスクリュー。
【請求項２】
前記スペーサの内方向への凹み曲面は円弧状くさび面であって、円弧状くさび面の円弧半径ｒと前記ボールの直径Ｒの関係はｒ＞０.５Ｒであることを特徴とする請求項１に記載のスペーサを有するボールスクリュー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、ボールスクリューに関するもので、特に相互に隣接したボールをスペーサで隔て、相互に隣接したボールの衝突を回避できるボールスクリューに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボールスクリューは、スクリュー軸と、ナットユニットと、スクリュー軸とナットユニットの間を通って循環回転する複数のボールを有するものである。スクリュー軸の外表面は、断面略半円形の螺旋状溝を有している。ナットユニットは、ナット本体及びボールの循環回転を提供するための付属品を有しており、ナット本体は中空状に形成され、その内側にはスクリュー軸の螺旋状溝に対応する断面略半円形の螺旋状溝が設けられている。複数のボールは、スクリュー軸とナットユニットの間に介在され、ナットユニットによりボールを循環回転させる付属品およびボールを回転させることによって、スクリュー軸とナットユニットとは互いに回転される。
【０００３】
従来のボールスクリューでは金属製ボールが多く選用されているので、ボールスクリューが回転するとき、ボールは、スクリュー軸およびナット本体の螺旋状溝の間、または循環経路中に回転され、相互に隣接するボールが互いに摩擦し合い、衝突のより大きな騒音や振動を生じやすいものであった。また、ボールがスクリュー軸とナット本体の螺旋状溝間で回転されるとき、相互に隣接するボールの回転方向が逆になるため、ボールの回転速度が変化して、ボール間で互いに衝突し摩擦し合う現象が生じている。近年、より好適な材料、例えば、セラミックボールが使用されている。このようなボールは質量が小さく、衝突エネルギーが低く、また、硬度が固いため、耐摩耗性およびダンピング性が良いという利点を有している反面、コストが非常に高くなり、産業上で使用されるボールスクリューとして利用できないものであった。
【０００４】
従来のボールスクリューにおいて、ボールの摩擦および衝突現象を改善するためによく見られる設計では、図７に示すように、スクリュー軸の螺旋状溝１１とナット本体の螺旋状溝２１の間に回転されるボール４の相互間に、それぞれ小径のスペーサボール（ｓｐａｃｅ  ｂａｌｌ）６を介在させている。そうすることによって、スペーサボール６の両側に位置するボール４の回転方向が同一方向になり、ボール４および６相互間の摩擦抵抗が低減され、ボールスクリューの流暢度を増加している。このスペーサボールの材質は、ボールの材質と同一である。しかしながら、このような方法は、ボールがスクリュー軸とナット本体との螺旋状溝間に回転されるとき、隣接したボール４および６の回転方向の違いによる受力および摩擦を回避することはできるが、循環経路中において各々のボールの回転速度の変化によって生じる衝突または摩擦などまでをも改善することはできない。
【０００５】
米国特許第４，５０５，５２２号は、このような問題に対する一種の解決方法を提供している。この特許では、ボールが循環経路に進出したとき、循環経路においてボール数の変化が許されている。しかし、このような技術はボールスクリューに応用するに際し、ボールスクリューの循環経路が相対的に複雑になるので、簡単な幾何学形状に設計することには難しく、またボールスクリューのボール数をコントロールすることが難しいので、ボールスクリューの設計には応用できない。また、この方法では、幾何学形状はかなり正確でなければならず、ボールスクリューを作成するときの加工難度が増加されるものである。
【０００６】
米国特許第５，６１５，９５５号では、潤滑作用を有する材料を使用することを提案しており、例えば含油プラスチック材料などで、図７に示すスペーサボールを製造することにより、スペーサボールが潤滑性ボールの機能を有し、かつプラスチック材料の有する良好な防振動性、より大きな変形能力によって、衝突による騒音を低減している。しかし、このような改善は、スペーサボールの大きさが回転ボールの大きさとほぼ同じであるために大きな空間を占めることになり、ボールスクリューにおいて負荷を有効に引受ける回転ボールが半分に低減される。このため、負荷を有効に引受ける回転ボールが大量に低減すれば、ボールスクリューの強度もそれに応じて低減されてしまうものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術において、ボールがスクリュー軸およびナット本体の螺旋状溝間、または循環経路に回転されたとき、ボール間の受力および速度差によって互いに摩擦し、衝突することにより生じる騒音および振動をなくし、またスペーサボールにおけるように、空間を取りすぎて有効なボール数が減少するなどの問題に至る欠点を解決することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるスペーサを有するボールスクリューは、従来技術のスペーサボールを改良するために、占有空間がより小さなスペーサを設計し、さらにボールスクリューの相互に隣接したボール間にスペーサを備えさせ、隣接したボールを相互に隔離し、隣接した両ボール間で互いに摩擦および衝突することにより生じる騒音および振動を大幅に低減できる。そして、スペーサが略円柱形に設計され、円柱形の両端面に、ボールの形状に合わせて内方向へ凹み曲面を設計することにより、相互に隣接するボール間の離間間隔を大幅に減少させ、それにより、ボールスクリューにスペーサを使用する場合の有効ボール数を大幅に増加して、ボールスクリューの強度を増加することができる。
【０００９】
本発明のスペーサは略円柱体に設計され、このスペーサは、循環経路において回転せず、循環過程中にボールスクリューの螺旋状溝と循環経路との接触を回避するために、また正方向の力を生ずることで、摩擦抵抗が大きくなってボールスクリューの順調度に悪影響を及ぼさないように、円柱体の外径はボールの外径よりも小さく設計される。
【００１０】
本発明のスペーサはまた、ボールスクリューの循環経路が湾曲で、かつその曲率が小さく形成される。また、スペーサが湾曲した循環経路中で循環経路の両側に接触することを減少し、また正方向の力が生じ、摩擦抵抗力が大きくなってボールスクリューの順調度に悪影響を及ぼさないように、スペーサの円柱体の外径を正面図から内方向へ凹む円弧状に設計し、スペーサの円柱体外径と廻流経路との間に生じる接触または干渋を低減することができる。
【００１１】
また、ボールとスペーサ間の接触面積が大きいと、ボール間の油膜が破壊され易いので、ボールとスペーサとの間の接触面積を小さくするために、本発明は、スペーサの内凹曲面を内方向へ凹み円錐面に形成している。この円錐面は正面から見て両円弧からなるもので、その円弧の半径はボールの半径よりやや大きく形成されている。円弧の半径はボールの半径より大きく形成しているため、正面から見て円錐面とボールとの接触は点接触になっている。
【００１２】
本発明のスペーサは、使用において回転されないので、スペーサボールとボール間で相互に回転する方式のように、スペーサボールの接触回転によりボール表面の潤滑油を隣接したボールの表面に渡し届けることは困難である。そして、従来、ボールスクリューを潤滑する場合、潤滑油が必要量以上に多く添加されている。本発明は、より良い潤滑油の渡し届ける機能をスペーサに備えさせるために、スペーサに貫通孔を設計することで、ボール上の油膜が厚くなりすぎ、ボールが回転されたとき、貫通孔を介して残留した部分の潤滑油を連れ出し、隣接した油膜の薄いまたは油なしのボールに供給し、潤滑油を平均的に分布させる目的を達し得る。貫通孔の存在は潤滑油の損失を減少できるので、環境保護の役割を有しているとともに、ボールが回転すると同時に貫通孔により潤滑油を流動させ、潤滑油を冷却する効果がある。
【００１３】
ボールとスペーサとの接触面は密封したリング状の場合、潤滑油がこの接触面を通過することは容易でない。そのため、貫通孔を通過し潤滑油の流れ効果を増進するためにはスペーサの内凹曲面を波状に設計することにより、ボールとスペーサとの接触は、リング状の閉鎖線から複数の不連続な接触点へ変わり、潤滑油の流れに便利し、潤滑効果が増加される。
【００１４】
本発明のスペーサの製作は、プラスチック、高分子材料、強化プラスチック、セラミック材などの低摩擦性かつ耐摩耗性の材料である。その製作方式はプラスチック射出成形などの方式を使用し、コストを低減することができる。
【００１５】
また、潤滑油を添加しないボールスクリューの使用を意図しているので、本発明のスペーサボールに対応するスペーサの製作は、含油材料で製造し、ボールスクリューに使用する潤滑油の必要性を減少し、潤滑効果を向上させ摩擦抵抗が減少できる。
【００１６】
本発明の特徴および技術内容をさらに理解するためには、以下に述べる本発明に係る具体的な実施例を詳しく参照されたい。しかしこの実施例および図面はあくまでも説明または参考するために用いられるもので、本発明に対して如何なる制限はないものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例によるスペーサを有するボールスクリューの一例を示す断面図である。図１に示すように、ボールスクリューはスクリュー軸１とナット本体２を有している。ナット本体２は、さらにそれに対応するスクリュー溝を有している。ボール４とスペーサ５は、スクリュー軸１及びナット本体２のスクリュー溝間に保持され、かつボールを回転経路３に循環回動させることができる。相互に隣接した各２つのボール４，４の間には、両ボール４がスペーサ５により隔てられ、スクリュー軸１が回転されたとき、ボール４を連動して回転する。ボール４の回転により、ナット本体２とスクリュー軸１との相対移動の他、スペーサ５が、ボール４と共に、スクリュー軸１、ナット本体２およびボールが循環回転される廻流経路３の間に運動される。そこで、ボール４は回転運動であり、スペーサ５は回転運動不能である。
【００１８】
図２は、図１に示すスペーサの立体見取り図であり、図３は、ボールとスペーサの断面見取り図である。スペーサ５の外形は、ほぼ円柱体になしている。そして円筒面５１を有し、円柱の両端面には内凹曲面５２を有している。円筒面５１と内凹曲面５２との接合部は、面取部５３が設けられている。スペーサ５は貫通孔５４を有している。ボール４上に油膜が厚くなりすぎ、ボール４が回転されたとき、一部の潤滑油が貫通孔５４を介して、隣接した薄い油膜または潤滑油がないボールに提供され、ボールに潤滑油を均一的に分布する目的を達し得るので、貫通孔５４の存在は潤滑油の消耗を低減し、環境保護にも役に立つ。それと共に、ボール４を回転し貫通孔５４により潤滑油を順調に流動し、潤滑油の冷却作用にもなり得る。
【００１９】
図４は、本発明のボールスクリューが、回転経路上にあるスペーサの見取り図である。回転経路３はいずれも略円弧状に形成されているので、スペーサ５の円筒面５１と回転経路との間に生じる接触、または干渋を低減するために、スペーサ５の円筒面５１が円弧状くさび面に設計されている。図４の断面図において、この回転経路３の両壁の最小曲率半径はＲｐで、スペーサ５の円筒面５１の曲面が円弧半径Ｒｓに設計される。またスペーサ５は、回転経路３と受力により生じた接触摩擦を避けるために、円筒面５１の円弧半径Ｒｓの設計が回転経路３の最小曲率半径Ｒｐより小であることを基準にして設計されている。
【００２０】
ボールとスペーサの間の接触面積は大であるため、ボール上の油膜は破壊されやすい。図５は本発明のスペーサの一例を示しており、スペーサ５の内凹曲面５２は、ボールとスペーサの間の接触面積を減少するために、内方向へ凹んだ円弧状くさび面に設計される。図５に示されるように、円弧くさび面は、同一半径を有する円弧５２１、５２２により画定され、円弧状くさび面の円弧５２１、５２２の半径は、ボール４の半径よりやや大きく、ボール４と円弧状くさび面５２１、５２２は相互に点接触している。実測の結果、円弧５２１、５２２の曲率半径ｒとボール直径Ｒとの比例範囲がr＞０.５Ｒの場合、かなり良い効果が得られる。スペーサとボールはこの図面において相互に点接触をなしており、その接触点と中心線との取付け角θの範囲は、ほぼ２０度〜４０度の間である。
【００２１】
図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。ボール４とスペーサ５との接触面は、閉鎖したリング状である場合、潤滑油がこの接触面を通過し、貫通孔を貫通し難い。このため、このような問題を改善するために、スペーサ５の内凹曲面５２上に波状経路５２３を設けることによって、ボール４とスペーサ５との接触は、複数の不連続な点接触になり、潤滑油を容易に通過させ、潤滑効果を向上することができる。波状経路５２３は、スペーサ５の内凹曲面５２の円周方向に波状をなしかつ貫通孔５４から円筒面５１と内凹曲面５２との各接合部（面取部５３）に向かって放射状に発散する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ボールスクリューの相互に隣接したボールの間により小さいスペーサを有することにより、隣接した両ボールの間が互いに摩擦し合ったり、または衝突するのを避けることができ、騒音および振動を大幅に低減することができる。また、スペーサの円柱体の両端面が、ボールの形状に合わせて、内方向へ凹んだ曲面に設計されているため、相互に隣接する両ボール間の離間間隔を大幅に低減することができ、スペーサを使用する場合の有効ボール数を増加すると共に、ボールスクリューの強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるスペーサを有するボールスクリューの一例を示す断面図である。
【図２】図１に示すスペーサの立体見取り図である。
【図３】ボールとスペーサとの断面を示す見取り図である。
【図４】本発明におけるボールスクリューが、回転経路上にあるスペーサの見取り図である。
【図５】本発明のスペーサの一例を示す見取り図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】従来にボールスクリューは、ボールがボールスクリューとの摩擦および衝突現象を改善するために考案された構造見取り図である。
【符号の説明】
１    スクリュー軸                ２    ナット本体
３    回転経路                    ４    ボール
５    スペーサ                    ６    スペーサボール
１１    螺旋状溝                  ２１    螺旋状溝
５１    円筒面                    ５２    内凹曲面
５３    面取り部                  ５４    貫通孔
５２１    円弧                    ５２２    円弧
５２３    波状経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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