(57)【要約】【課題】転動体の予圧抜けに起因する作動トルクや剛性の変化を抑制して信頼性の向上を図ることのできるスプライン付きボールねじを提供する。【解決手段】ボールねじ転動体２０，２２の直径をＤＢＳ、ボールスプライン転動体３０の直径をＤＳＰ、ボールねじ軸１１のボールねじ溝１４，１５とボールスプライン溝１６との隣り合う交差部間の円周方向の距離をｙＢＳ、ボールねじ溝１４，１５とボールスプライン溝１６との隣り合う交差部間の軸方向の距離をｙＳＰ、ボールねじ転動体２０，２０及び２２，２２間の隙間をｘＢＳ、ボールスプライン転動体３０，３０間の隙間をｘＳＰとしたとき、ｙＢＳ≠（ＤＢＳ＋ｘＢＳ）×Ｎ（Ｎ；整数）もしくはｙＳＰ≠（ＤＳＰ＋ｘＳＰ）×Ｎ（Ｎ；整数）が成立するようにする。【選択図】  図１
2004232666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にボールねじ溝とボールスプライン溝とを有するボールねじ軸と、このボールねじ軸の外周面と対向する内周面にボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールねじ軸及び前記ボールねじナットの両ボールねじ溝間に配設された多数のボールねじ転動体と、前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面にボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記ボールねじ軸及び前記ボールスプラインナットの両ボールスプライン溝間に配設された多数のボールスプライン転動体とを備えてなるスプライン付きボールねじにおいて、
前記ボールねじ転動体の直径をＤＢＳ、前記ボールスプライン転動体の直径をＤＳＰ、前記ボールねじ軸のボールねじ溝とボールスプライン溝との隣り合う交差部間の円周方向の距離をｙＢＳ、前記ボールねじ軸のボールねじ溝とボールスプライン溝との隣り合う交差部間の軸方向の距離をｙＳＰ、前記ボールねじ転動体間の隙間をｘＢＳ、前記ボールスプライン転動体間の隙間をｘＳＰとしたとき、ｙＢＳ≠（ＤＢＳ＋ｘＢＳ）×Ｎ（Ｎ；整数）もしくはｙＳＰ≠（ＤＳＰ＋ｘＳＰ）×Ｎ（Ｎ；整数）のいずれかが成立することを特徴とするスプライン付きボールねじ。
【請求項２】
前記ボールねじ転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が±０．１の範囲内で変化するように前記ボールねじ転動体の転動体間ピッチを設定したことを特徴とする請求項１記載のスプライン付きボールねじ。
【請求項３】
前記ボールスプライン転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が±０．１の範囲内で変化するように前記ボールスプライン転動体の転動体間ピッチを設定したことを特徴とする請求項１または２記載のスプライン付きボールねじ。
【請求項４】
前記ボールねじ転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が０．８以下にならないように前記ボールねじ転動体の転動体間ピッチを設定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスプライン付きボールねじ。
【請求項５】
前記ボールスプライン転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が０．８以下にならないように前記ボールスプライン転動体の転動体間ピッチを設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスプライン付きボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスカラー型ロボットのＺ−θ軸アクチュエータ等に用いられるスプライン付きボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スカラー型ロボットのＺ−θ軸アクチュエータを構成する主要構成部品として、たとえば、下記の特許文献１〜３に開示されているようなスプライン付きボールねじが知られている。この種のボールねじは、ボールねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝とボールねじナットの内周面に形成されたボールねじ溝との間に多数の球状転動体（以下「ボールねじ転動体」と称す）を配設するとともに、ボールねじ軸の外周面に形成されたボールスプライン溝とボールスプラインナットの内周面に形成されたボールスプライン溝との間に多数の球状転動体（以下「ボールスプライン転動体」と称す）を配設して構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６２−１６５０５７号公報
【特許文献２】
特開平４−２２４３５１号公報
【特許文献３】
特開平４−３４７５５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなスプライン付きボールねじは、ボールねじナット及びボールスプラインナットを軸方向に移動不能とした状態でボールスプラインナットを回転させると、ボールねじ転動体及びボールスプライン転動体がボールねじ溝及びボールスプライン溝に沿って転動し、これに伴いボールねじ軸が周方向に回転しながら軸方向に直線運動する。しかし、ボールねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝とボールスプライン溝との交差部分で転動体に付与された予圧が抜けてしまい、このような予圧抜けが複数のボールねじ溝とボールスプライン溝との交差部分で同時に起こることにより、作動トルクや剛性が下がる可能性があった。
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、転動体の予圧抜けに起因する作動トルクや剛性の変動を抑制して信頼性の向上を図ることのできるスプライン付きボールねじを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、外周面にボールねじ溝とボールスプライン溝とを有するボールねじ軸と、このボールねじ軸の外周面と対向する内周面にボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールねじ軸及び前記ボールねじナットの両ボールねじ溝間に配設された多数のボールねじ転動体と、前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面にボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記ボールねじ軸及び前記ボールスプラインナットの両ボールスプライン溝間に配設された多数のボールスプライン転動体とを備えてなるスプライン付きボールねじにおいて、前記ボールねじ転動体の直径をＤＢＳ、前記ボールスプライン転動体の直径をＤＳＰ、前記ボールねじ軸のボールねじ溝とボールスプライン溝との隣り合う交差部間の円周方向の距離をｙＢＳ、前記ボールねじ軸のボールねじ溝とボールスプライン溝との隣り合う交差部間の軸方向の距離をｙＳＰ、前記ボールねじ転動体間の隙間をｘＢＳ、前記ボールスプライン転動体間の隙間をｘＳＰとしたとき、ｙＢＳ≠（ＤＢＳ＋ｘＢＳ）×Ｎ（Ｎ；整数）もしくはｙＳＰ≠（ＤＳＰ＋ｘＳＰ）×Ｎ（Ｎ；整数）のいずれかが成立することを特徴とする。
【０００６】
このような構成であると、ボールねじ軸に対してボールねじナットやボールスプラインナットを相対運動させた場合の各転動体の負荷変化が軽減されるため、スプライン付きボールねじの作動トルクや剛性の安定化を図ることができる。
この場合、請求項２記載の発明のように、前記ボールねじ転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が±０．１の範囲内で変化するように前記ボールねじ転動体の転動体間ピッチを設定することが望ましい。また、請求項３記載の発明のように、前記ボールスプライン転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が±０．１の範囲内で変化するように前記ボールスプライン転動体の転動体間ピッチを設定することが望ましい。
【０００７】
さらに、請求項４記載の発明のように、前記ボールねじ転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が０．８以下にならないように前記ボールねじ転動体の転動体間ピッチを設定することが望ましい。また、請求項５記載の発明のように、前記ボールスプライン転動体の全ての個数で負荷を受ける転動体の個数を除した値が０．８以下にならないように前記ボールスプライン転動体の転動体間ピッチを設定することが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態を示しており、図１は本発明の一実施形態に係るスプライン付きボールねじ１０の軸方向に沿う断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。図１に示すように、スプライン付きボールねじ１０はボールねじ軸１１、ボールねじナット１２およびボールスプラインナット１３を備えており、ボールねじ軸１１の外周面には、ボールねじ溝１４，１５が同一のリードで形成されていると共にボールスプライン溝１６，１７，１８（ボールスプライン溝１７，１８は図２参照）がボールねじ軸１１の軸方向に沿って形成されている。
【０００９】
ボールねじ溝１４はボールねじナット１２の内周面に形成されたボールねじ溝１９と対向しており、これらのボールねじ溝１４，１９間には多数のボールねじ転動体２０が配設されている。一方、ボールねじ溝１５はボールねじナット１２の内周面に形成されたボールねじ溝２１と対向しており、これらのボールねじ溝１５，２１間には多数のボールねじ転動体２２が配設されている。
【００１０】
ボールねじ転動体２０は、ボールねじ軸１１またはボールねじナット１２の一方が回転するとボールねじ溝１４，１９間を転動した後、ボールねじナット１２の一端に配置されたエンドキャップ２３内の転動体案内路２３ａに入り、この転動体案内路２３ａで転動方向をボールねじ軸１１の周方向から軸方向に変更されるようになっている。そして、転動体案内路２３ａを転動したボールねじ転動体２０は、ボールねじナット１２に貫設された転動体循環孔２４を転動した後、ボールねじナット１２の他端に配置されたエンドキャップ２５内の転動体案内路（図示せず）を経て元の位置に戻されるようになっている。
【００１１】
一方、ボールねじ転動体２２は、ボールねじ軸１１またはボールねじナット１２の一方が回転するとボールねじ溝１５，２１間を転動した後、エンドキャップ２５内の転動体案内路２５ａに入り、この転動体案内路２５ａで転動方向をボールねじ軸１１の周方向から軸方向に変更されるようになっている。そして、転動体案内路２５ａを転動したボールねじ転動体２２は、ボールねじナット１２に貫設された転動体循環孔２６を転動した後、エンドキャップ２３内の転動体案内路（図示せず）を経て元の位置に戻されるようになっている。
【００１２】
ボールスプライン溝１６，１７，１８はボールスプラインナット１３の内周面に形成されたボールスプライン溝２７，２８，２９（図２参照）と各々対向しており、これらのボールスプライン溝間には多数のボールスプライン転動体３０がそれぞれ配設されている。
ボールスプライン転動体３０は、ボールねじ軸１１またはボールスプラインナット１３の一方が軸方向に直線運動するとボールスプライン溝１６，２７間、１７，２８間及び１８，２９間をそれぞれ転動した後、ボールスプラインナット１３の一端に配置されたエンドキャップ３１内の転動体案内路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ（３１ｂ，３１ｃは図示せず）にそれぞれ入り、これらの転動体案内路３１ａ〜３１ｃで転動方向を転換されるようになっている。そして、転動体案内路３１ａ〜３１ｃを転動したボールスプライン転動体３０は、ボールスプラインナット１３に貫設された転動体循環孔３２，３３，３４（転動体循環孔３３，３４は図２参照）を転動した後、ボールスプラインナット１３の他端に配置されたエンドキャップ３５の転動体案内路（図示せず）を経て元の位置に戻されるようになっている。
【００１３】
このような構成において、ボールねじ転動体２０，２２及びボールスプライン転動体３０の直径をＤｗ、ボールねじ転動体２０，２２及びボールスプライン転動体３０の移動量をｔ、ボールねじ転動体２０，２２の位置を表わすステップ関数をｆＢＳ（ｘ−ｔ）、ボールねじ転動体２０，２２の予圧抜け位置を表わすステップ関数をｇＢＳ（ｘ）、ボールスプライン転動体３０の位置を表わすステップ関数をｆＳＰ（ｘ−ｔ）、ボールスプライン転動体３０の予圧抜け位置を表わすステップ関数をｇＳＰ（ｘ）とすると、ボールねじの設計パラメータは、
【００１４】
【数１】
2004232666.tif 000003
【００１５】
で表わされる負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）がｔ／Ｄｗに対して±０．１、好ましくは±０．０５の範囲内で変化する値に設定されている。また、ボールスプラインの設計パラメータは、
【００１６】
【数２】
2004232666.tif 000004
【００１７】
で表わされる負荷玉数比ｈＳＰ（ｔ）がｔ／Ｄｗに対して±０．１、好ましくは±０．０５の範囲内で変化する値に設定されている。なお、評価ピッチａ，ｂとは、１つの転動体が一定距離公転する時に、その間の転動体の位置と切れる溝の位置とで負荷転動体数を求めたものである。
上記の式（１）及び（２）は図５に示すボールねじ側非負荷範囲とスプライン側非負荷範囲との関係を示したものであり、その関係もそれぞれの溝形状により変化する。上記の式（１）及び（２）では、転動体径の変化や溝形状の変化を形状補正値ｃを用いて示している。なお、図５において、ＬＢＳはボールねじ溝１４に対するボールねじ転動体２０の接触点軌跡の一部、ＬＳＰはボールスプライン溝１６に対するボールスプライン転動体３０の接触点軌跡の一部をそれぞれ示している。
【００１８】
このように構成されるスプライン付きボールねじの作用について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は日本精工（株）製スプライン付きボールねじ（型番：ＢＳ１６１０（３等配）、転動体径：３．１７５ｍｍ、転動体ピッチ円径（ＢＣＤ）：１６．５ｍｍ、リード：１０ｍｍ、軸径：１６ｍｍ）を使用してボールねじ転動体の負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）とｔ／Ｄｗ（ボールねじ転動体の移動量と直径との比）との関係を解析した結果を示す図であり、図中（ａ）はボールねじ溝の転動体ピッチ円径がｄｍ＝１６．７５ｍｍの場合、（ｂ）はｄｍ＝１６．９０ｍｍの場合、（ｃ）はｄｍ＝１７．１５ｍｍの場合をそれぞれ示している。
【００１９】
図３の解析結果からわかるように、ボールねじ転動体の転動体ピッチ円径がｄｍ＝１６．７５ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）の変動幅が±０．２程度となるのに対し、ｄｍ＝１６．９０ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）の変動幅が±０．１程度となり、ｄｍ＝１７．１５ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）の変動幅が±０．０５程度となる。従って、ｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）の変動幅を±０．１の範囲内に抑えるためには、ボールねじ転動体の転動体ピッチ円径を１６．９０ｍｍ以上にすればよいことがわかる。
【００２０】
図４は日本精工（株）製スプライン付きボールねじ（型番：ＢＳ４５＊＊、転動体径：３．９６８ｍｍ、転動体ピッチ円径（ＢＣＤ）：４１ｍｍ、軸径：４５ｍｍ）を使用してボールスプライン転動体の負荷玉数比ｈＳＰ（ｔ）とｔ／Ｄｗ（ボールスプライン転動体の移動量と直径との比）との関係を解析した結果を示す図であり、図中（ａ）はボールスプライン溝のリードがｌ＝１０ｍｍの場合、（ｂ）はｌ＝２０ｍｍの場合、（ｃ）はｌ＝４０ｍｍの場合をそれぞれ示している。
【００２１】
図４の解析結果からわかるように、ボールスプライン溝のリードがｌ＝１０ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＳＰ（ｔ）の変動幅が±０．２となるのに対し、ｌ＝２０ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ＳＰ（ｔ）の変動幅が±０．１程度となり、ｌ＝４０ｍｍの場合にはｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ＳＰ（ｔ）の変動幅が±０．１程度となる。従って、ｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＳＰ（ｔ）の変動幅を±０．１の範囲内に抑えるためには、ボールスプライン溝のリードをｌ＝２０ｍｍ以上にすればよいことがわかる。
【００２２】
以上のことから、ｔ／Ｄｗに対する負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）の変動幅が±０．１の範囲内に変化するようにボールねじ転動体の転動体ピッチ円径やボールスプライン溝のリード等の各設計パラメータを選定することにより、負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）、ｈＳＰ（ｔ）の変動が小さく抑えられるので、負荷玉数比ｈＢＳ（ｔ）、ｈＳＰ（ｔ）の変動が小さく抑えられ、ボールねじ軸１１に対してボールねじナット１２やボールスプラインナット１３を相対運動させた場合の各転動体の負荷変化が軽減されるので、スプライン付きボールねじ１０の作動トルクや剛性の安定化を図ることができる
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態ではボールねじ軸１１の外周面に形成されるボールスプライン溝の溝数を３としたが、ボールスプライン溝の溝数は１または２あるいは４以上であってもよい。また、上述した実施形態ではボールねじ転動体およびボールスプライン転動体として球状のものを使用したが、例えばローラ状のものを使用してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至３の発明に係るスプライン付きボールねじによれば、転動体の予圧抜けに起因する作動トルクや剛性の変化を抑制して信頼性の向上を図ることができる。
請求項４及び５の発明に係るスプライン付きボールねじによれば、転動体の予圧抜けに起因する作動トルクや剛性の変化をより効果的に抑制して信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスプライン付きボールねじの軸方向断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。
【図３】ボールねじ転動体の移動量と直径との比に対するボールねじ転動体の負荷玉数比を解析した結果を示す図である。
【図４】ボールスプライン転動体の移動量と直径との比に対するボールスプライン転動体の負荷玉数比を解析した結果を示す図である。
【図５】スプライン付きボールねじのボールねじ側非負荷範囲とスプライン側非負荷範囲を示す図である。
【符号の説明】
１０  スプライン付きボールねじ
１１  ボールねじ軸
１２    ボールねじナット
１３    ボールスプラインナット
１４，１５，１９，２１    ボールねじ溝
１６〜１７，２７〜２９    ボールスプライン溝
２０，２２    ボールねじ転動体
３０    ボールスプライン転動体
２３，２５，３１，３５    エンドキャップ
２４，２６，３２    転動体循環孔
【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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