(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のボール転動溝が所定のリードで形成されたねじ軸と、多数のボールを介してこのねじ軸に螺合すると共にこれらボールの無限循環路を具備したナット部材とから構成され、
上記ナット部材の内周面には上記ボールがねじ軸側のボール転動溝との間で荷重を負荷しながら転動する負荷転動溝が形成されると共に、この負荷転動溝の途中には該負荷転動溝を転動するボールを一時的に荷重から解放する無負荷部が形成され、かかる無負荷部によって上記負荷転動溝が複数の負荷領域に区分され、
上記ナット部材、ボール及びねじ軸の接触方向が上記無負荷部を挟んで位置する一対の負荷領域で異なることを特徴とするボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無限循環する多数のボールを介してナット部材がねじ軸に螺合し、例えば工作機械のワークテーブル等においてモータの回転運動を直線運動に変換するボールねじ装置に係り、詳細には、ボールの無限循環を円滑化するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータの回転運動を直線運動に変換するボールねじ装置としては、外周面に所定のリードで螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸と、多数のボールを介してこのねじ軸に螺合するナット部材とから構成されたものが知られている。かかるナット部材の内周面にはねじ軸のボール転動溝と対向する負荷転動溝が形成されており、ボールはねじ軸側のボール転動溝とナット部材側の負荷転動溝との間で荷重を負荷しながら転動する。また、ナット部材には上記負荷転動溝を転動し終えたボールを該負荷転動溝の始端に戻す無負荷転動通路が設けられており、ボールはこの無負荷転動通路を介して無限循環するように構成されている。
【０００３】
このように構成されるボールねじ装置では、ナット部材の負荷転動溝とねじ軸のボール転動溝との間に挟み込まれるボール数が大きい程、かかるボールねじ装置が大きな荷重を負荷しながら作動することができ、それ故に工作機械のワークテーブル等の如く重荷重向けの用途に使用されるボールねじ装置では、ナット部材の内周面における負荷転動溝の長さを長く設定することが必要となる。
【０００４】
一方、ナット部材側の負荷転動溝におけるリード誤差や有効径の誤差、ねじ軸のボール転動溝におけるリード誤差や有効径の誤差を完全に排除することは困難であり、ボールがこれら負荷転動溝とボール転動溝との間の負荷領域を転動すると、かかるボールの転動速度は微妙に変化することになる。また、ボール径の誤差もこのような速度変動の一因である。このため、負荷領域においては前後して転動するボール間の距離が変動するのを避けることができず、かかる負荷領域内では局所的にボール同士が強く接触し合って、ボールの円滑な転動が阻害される場合がある。
【０００５】
ボールは負荷領域から無負荷転動通路に転がり出れば、無負荷状態となって自由に転動し得るので、前述のようなボール同士の接触は該ボールが負荷領域から無負荷転動通路に転がり出ることによって解消される。従って、負荷転動溝の長さが短い場合、すなわちナット部材の内周面における負荷転動溝の連続巻数が少ない場合は、ボールが負荷領域と無負荷転動通路との間を比較的頻繁に出入りするので、前述のようなボール同士の接触は余り問題とならない。
【０００６】
しかし、ナット部材の内周面における負荷転動溝の連続巻数が多い場合には、ボールが負荷領域から無負荷転動通路へなかなか転がり出ないので、かかる負荷領域内におけるボール同士の接触、すなわちボール詰まりが解消されず、ねじ軸とナット部材との間の円滑な回転運動が阻害され易い。特に、ねじ軸がナット部材に対して小刻みに正逆転を繰り返す場合には、前述したボール詰まりが発生し易いことが確認されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、ナット部材の内周面に形成された負荷転動溝の連続巻数が多い場合であっても、負荷領域中におけるボール詰まりを回避することができ、ねじ軸とナット部材との間における相対的な回転運動を円滑化することが可能なボールねじ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、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所定のリードで形成されたねじ軸と、多数のボールを介してこのねじ軸に螺合すると共にこれらボールの無限循環路を具備したナット部材とから構成され、上記ナット部材の内周面には、上記ボールがねじ軸側のボール転動溝との間で荷重を負荷しながら転動する第１及び第２の負荷転動溝が軸方向に距離を隔てて形成されると共に、これら第１及び第２の負荷転動溝の端部同士を連結する連結溝が形成され、上記ボールが連結溝を介して第１及び第２の負荷転動溝を連続して転動する一方、かかる連結溝内において一時的に荷重から解放されることを特徴とするものである。
【０００９】
このような技術的手段によれば、ボールは荷重を負荷しながら上記ナット部材の内周面に形成された第１及び第２の負荷転動溝を転動するが、これら負荷転動溝は同じくナット部材の内周面に形成された連結溝によって連結されており、かかるボールは第１及び第２の負荷転動溝を連続して転動する。これにより、ナット部材の内周面における負荷転動溝の連続巻数を多く設定することができ、荷重負荷能力の向上を図ることができるものである。一方、上記連結溝内に転がり込んだボールは一時的に荷重から解放されるので、隣接するボール同士が強く接触し合っている状態はこの連結溝内において解消される。従って、第１の負荷転動溝内においてボール詰まりが発生しそうになっていても、該当するボールが連結溝内に転がり出ることによってその状態は解消され、ボール同士の接触状態が改善された後に第２の負荷転動溝に転がり込むことになる。このため、一条の連続する負荷転動溝をナット部材の内周面に形成している場合と比較して、ボール詰まりが発生し難く、ナット部材とねじ軸との円滑な回転運動を得ることができるものである。
【００１０】
また、このように構成される本発明のボールねじ装置において、負荷転動溝を転動するボールに対して予圧を付与する方法としては、互いに対向するナット部材側の負荷転動溝とねじ軸側のボール転動溝との間に、これらの間の距離よりも若干大きめの直径を有する所謂オーバサイズボールを挟み込む等、種々の与圧方法を採用することができる。但し、第１の負荷転動溝と第２の負荷転動溝との間に連結溝が形成されるという構造的特徴からすれば、第１の負荷転動溝又は第２の負荷転動溝をねじ軸のボール転動溝に対する正体位置から僅かに変位させ、これによって第１及び第２の負荷転動溝を転動するボールに対して予圧を付与するのが好ましい。このような構成は、第１の負荷転動溝と第２の負荷転動溝との間の距離をボール転動溝のリード長の整数倍に対して僅かに変位させることで実現することができ、その変位量はこれら負荷転動溝をナット部材の内周面に対してＮＣ加工機で加工する際に容易に調整することができる。また、予圧を与えるために必要な変位量は極僅かであり、しかも上記連結溝はボールを荷重から一時的に解放すべくその幅が第１及び第２の負荷転動溝よりも若干大きく形成されるので、かかる連結溝による第１の負荷転動溝と第２の負荷転動溝との連結には何ら影響が及ぶことはない。
【００１１】
更に、このような本発明は、ナット部材の内周面に連続する一条の負荷転動溝を形成すると共に、この負荷転動溝の途中に無負荷部を形成することでも実現することができる。すなわち、かかる無負荷部が一条の負荷転動溝を第１の負荷転動溝と第２の負荷転動溝に二分し、それ自体は第１の負荷転動溝と第２の負荷転動溝とを繋ぐ連結溝として機能することになる。上記無負荷部（連結溝）をナット部材の内周面に形成するに当たっては、ＮＣ加工によって負荷転動溝をナット部材の内周面に対して研削加工する際に、無負荷部とする領域だけナット部材の内周面を余分に削り取れば良く、負荷転動溝の加工と同時に行うことが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のボールねじ装置を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明のボールねじ装置の一実施例を示すものである。
このボールねじ装置１は、図１及び図２に示すように、外周に螺旋状のボール転動溝２が形成されたねじ軸３と、内周に上記ボール転動溝２と対応する負荷転動溝４が形成されたナット部材５とから構成され、互いに対向するこれらボール転動溝２及び負荷転動溝４によって多数のボール６が転動自在に介装される螺旋状の負荷領域７が構成されている。
【００１３】
ナット部材５はフランジ８を有する略円筒形状に形成されており、中実部９には軸方向に貫通するボール戻し通路１０が設けられる一方、かかるナット部材５の両端面には一対のエンドキャップ１１が取り付けられるようになっている。このエンドキャップ１１には前記負荷領域７の端部とボール戻し通路１０の端部とを連通する方向転換路１２が設けられており、一対のエンドキャップ１１，１１をナット部材５に固定することでボール６の無限循環路が形成されるようになっている。
【００１４】
すなわち、ナット部材５とねじ軸３との相対回転によって上記負荷ボール通路７から転がり出たボール６は、一方のエンドキャップ１１に形成された方向転換路１２を通じて上記ボール戻し通路１０に送り込まれ、かかるボール戻し通路１０を転動した後に他方のエンドキャップ１１の方向転換路１２を通じて再度負荷ボール通路７に送りこまれる。尚、この実施例のボールねじ装置には循環するボール列６０，６０が２条組み込まれており、各ボール列は別個の無限循環路を循環する。
【００１５】
図３は上記方向転換路１２が形成されたエンドキャップ１１を示すものである。この図から明らかなように、上記ナット部材５の両端に固定される各エンドキャップ１１は、上記方向転換路１２を備えた一対のリターンプレート１２と、このリターンプレート１２を保持した状態で上記ナット部材５の端部に固定されるカバー部材１９とから構成されている。図４に示すように、上記カバー部材１９には上記ナット部材５と同様にねじ軸３が貫通する貫通孔１９ａが形成されると共に、上記リターンプレート１２を収容するための略扇形状の凹所１１Ａが上記貫通孔１９ａを挟んで二箇所に形成されている。また、かかる貫通孔１９ａの内周面には、上記ナット部材５の負荷転動溝４から転がり出たボール６を上記リターンプレート１２の方向転換路１２へと導く導入路４ａが形成されている。かかる導入路４ａは、ナット部材５の負荷転動溝４と同一ピッチで、且つ、負荷転動溝４よりも若干大きめに形成されており、導入路４ａとねじ軸３のボール転動溝２との間ではボール６に対してラジアル荷重や軸方向荷重が作用しないようになっている。
【００１６】
更に、このカバー部材１９の凹所１１Ａに嵌合するリターンプレート１２は、図５に示すように、互いに重ね合わせた状態で上記凹所１１Ａに嵌合する一対の第１プレート１２Ａ及び第２プレート１２Ｂから構成されており、これらプレート１２Ａ，１２Ｂを重ね合わせることで上記方向転換路１２が完成するようになっている。各プレート１２Ａ，１２Ｂは合成樹脂の射出成形で製作されており、第１プレート１２Ａの表面及び第２プレート１２Ｂの裏面には上記方向転換路１２をその長手方向に沿って二分した断面略半円状の凹条溝１２１，１２２が夫々形成されている。
【００１７】
上記方向転換路１２は、リターンプレート１２の内径側においてはカバー部材１９の貫通孔１９ａの接線方向へ延びる一方、外径側においては第１プレート１２Ａの表面側へと立ち上がっている。これにより、ナット部材５の負荷転動溝４を転動し終えたボール６はカバー部材１９の導入路４ａを介して円滑に上記方向転換路１２に導かれる一方、かかる方向転換路１２内においてその転動方向をナット部材５の半径方向から軸方向へと転換され、円滑にナット部材５のボール戻し通路１０へと送りこまれる。
【００１８】
また、各プレート１２Ａ，１２Ｂの表面には上記方向転換路１２に対応して半円形状の突片が突設されており、第１プレート１２Ａと第２プレート１２Ｂとを重ね合わせた際に、これら突片が組合わさってリターンプレート１２の位置決め用ボス１２５が方向転換路１２の端部に完成するようになっている。
【００１９】
そして、第２プレート１２Ｂから順番にこれらプレート１２Ａ，１２Ｂをカバー部材１９の凹所１１Ａに嵌合させると共に、第１プレート１２Ａがナット部材５と当接するように上記カバー部材１９をナット部材５に固定することにより、かかるナット部材５に対するエンドキャップ１１の取付けが完了する。これにより、図１に示す如く負荷ボール通路７とボール戻し通路１０とが上記方向転換路１２によって連通連結され，ボール６の無限循環路が完成する。このとき、リターンプレート１２に形成された位置決め用ボス１２５をナット部材５のボール戻し通路１０の端部に形成された凹所１０ｂに嵌合させることにより、ナット部材５とエンドキャップ１１との位置関係は適正化され、ボール戻し通路１０と方向転換路１２との間におけるボール６の転動の円滑化が確保される。
【００２０】
図６はナット部材５の内周面に形成された負荷転動溝４を示すものである。前述したように、このボールねじ装置は無限循環するボール列６０を２条備えており、それ故にナット部材５の内周面には２条の負荷転動溝４が交互に形成されている。明確化のため、図６中には一方の負荷転動溝を４ａ、他方の負荷転動溝を４ｂとして示すことにする。各負荷転動溝４ａ，ａｂはナット部材５の軸方向長さの全長にわたって形成されているが、その長手方向の中央付近には無負荷部４１が形成され、かかる無負荷部４１によって各負荷転動溝４ａ，４ｂは二つの負荷領域に二分されている。図６中の網点領域が負荷転動溝４ａの途中に形成された無負荷部４１である。尚、もう一方の負荷転動溝４ｂの途中に形成された無負荷部はナット部材５の内周面において上記無負荷部４１と対向しているので、図６中には示されていない。
【００２１】
図７は螺旋状に形成された負荷転動溝４ａを仮想的に一直線状に延ばした状態を示すものである。上記無負荷部４１は負荷転動溝４ａ中の負荷領域と連続する溝として形成されているが、その溝深さ及び溝幅は負荷領域よりも僅かに広く、荷重を負荷しながら負荷転動溝４ａの負荷領域を転がってきたボール６が無負荷部４１に入り込むことによって該荷重から解放されるようになっている。また、無負荷部４１を転動したボール６は再度負荷領域に入り込むことによって荷重を負荷しながら負荷転動溝４ａを転動する。かかる負荷転動溝４ａは数値制御を用いた研削加工によってナット部材５の内周面に形成されるが、かかる研削加工の際に、無負荷部４１の領域だけナット部材５の内周面を余分に削り取ることによって、上記無負荷部４１を簡易に形成することができる。また、このような加工により、負荷転動溝４内における負荷領域と無負荷部４１との連続性も確保され、ボール６の負荷領域から無負荷部４１への進入、無負荷部４１から負荷領域への進入が円滑なものとなる。
【００２２】
また、上記負荷転動溝４ａを転動するボール６に対して与圧を付与する方法としては、所謂オーバサイズボールを用いる方法、すなわちナット部材５側の負荷転動溝４ａとねじ軸３側のボール転動溝２との隙間よりも大きな直径のボールを用い、これによってボール６に与圧を与える方法を採ることが可能である。
【００２３】
また、本実施例のボールねじ装置では負荷転動溝４ａを無負荷部４１によって二つの負荷領域に二分していることから、無負荷部４１を挟んで位置する一対の負荷領域間のナット部材５の軸方向に沿った距離をボール転動溝２のリード長に対して僅かに大きく、あるいは小さく設定することにより、これら負荷領域を転動するボール６に対して予圧を付与することが可能となる。図８はこの方法によってボール６に予圧を付与した際の、ナット部材５、ボール６及びねじ軸３の接触方向を示した模式図であり、この図では無負荷部４１を介して配置された一対の負荷領域間の距離がボール転動溝２のリード長の２倍に対して僅かに大きく設定されている。図中の一点鎖線が三者間の接触方向を示している。このように、ナット部材の軸方向に沿った負荷領域間の距離をリード長Ｌの２倍よりもαだけ大きく設定すると、このαの大きさに応じた予圧がボールに対して付与される。αの大きさは前述したＮＣ加工によって負荷転動溝４ａを形成する際に自由に調整することが可能であり、また、かかるαの大きさは極僅かであることから、無負荷部の溝幅を負荷領域よりも大きく形成することにより、変位量αを設けたからといっても、負荷領域と無負荷部との連続性が損なわれることはない。
【００２４】
尚、図７及び図８を用いた説明では二条の負荷転動溝４ａ，４ｂのうち、一方の負荷転動溝４ａについてのみ説明したが、他方の負荷転動溝４ｂの構成も１８０°位相がずれている他は負荷転動溝４ａと全く同一である。
【００２５】
また、この実施例では負荷転動溝４ａの途中に無負荷部４１を形成し、かかる負荷転動溝４ａを二つの負荷領域に区分しているが、ナット部材５の内周面に軸方向に距離を隔てて第１及び第２の負荷転動溝を形成すると共に、これら負荷転動溝の端部同士を連結する無負荷部としての連結溝を形成するようにしても、説明したボールねじ装置と全く同一の構造を得ることができる。すなわち、前記器実施例においても、無負荷部を連結溝、この無負荷部によって二分された負荷転動溝の負荷領域を第１及び第２の負荷転動溝と把握することができる。
【００２６】
このように構成された本実施例のボールねじ装置では、荷重を負荷しながら負荷転動溝の負荷領域を転動していたボールは無負荷部に達すると一時的に荷重から解放されるので、かかる無負荷部では前後して転動するボールの距離を自在に変更することが可能となる。ねじ軸のリード誤差や有効径誤差、ボールの直径の誤差等が存在すると、負荷領域内におけるボールの転動速度は微小ではあるが刻一刻と変化することになり、負荷領域内では前後して転動するボール同士が強く接触し合って、円滑な転動が阻害されてしまうといったトラブルが発生する。このようなボール詰まりのトラブルは負荷転動溝の連続巻数が多い場合に顕著である。しかし、前記実施例のボールねじ装置では、ナット部材の内周面に無負荷部を形成することにより、負荷転動溝を該ナット部材の内周面において細分化しているので、ボールが細分化された負荷領域から無負荷部に転がり出ることによって、ボール同士の接触状態は改善される結果となる。このため、負荷転動溝の連続巻数が多い場合であっても、ボール詰まりを発生させることなく、かかるボールを円滑に循環させることができるものである。また、これにより負荷転動溝の連続巻数が多い場合であっても、かかる負荷転動溝の途中に無負荷部を設けることで、ボール詰まりを解消することができ、荷重負荷能力の大きいボールねじ装置を提供することが可能となる。
【００２７】
尚、前記実施例ではナット部材の軸方向の両端部にエンドキャップを装着することでボールの無限循環路を構成したが、ナット部材の周壁を貫通するリターンパイプを設けることによってボールの無限循環路を形成するようにしても差し支えない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のボールねじ装置によれば、ナット部材の内周面における負荷転動溝の連続巻数を多く設定し場合であっても、ボールが一時的に荷重から解放される連結溝（無負荷部）がナット部材の内周面に設けられているので、負荷転動溝内におけるボール詰まりを回避することができ、ねじ軸とナット部材との間における相対的な回転運動を円滑化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のボールねじ装置の実施例を示す正面断面図である。
【図２】  本発明のボールねじ装置の実施例を示す側面図である。
【図３】  実施例に係るナット部材及びエンドキャップの分解斜視図である。
【図４】  実施例に係るエンドキャップを示す図であり、分図（ａ）はその正面図、分図（ｂ）は分図（ａ）のｂ−ｂ線断面図、分図（ｃ）は背面図である。
【図５】  実施例に係るリターンプレートを示す斜視図及び側面図である。
【図６】  実施例に係るナット部材を示す正面断面図である。
【図７】  実施例に係る負荷転動溝を直線状に展開した状態を示す仮想図である。
【図８】  実施例に係るナット部材、ボール及びねじ軸の接触状態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１…ボールねじ装置、３…ねじ軸、４…負荷転動溝、５…ナット部材、６…ボール、４１…無負荷部
【図１】
0004694004.tif 000002
【図２】
0004694004.tif 000003
【図３】
0004694004.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004694004.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004694004.tif 000008
【図８】
0004694004.tif 000009