(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
進退部材の進退動作をボールねじで与えるボールねじ使用アクチュエータにおいて、前記ボールねじのナットのボール循環列数が３列以上であって、このボール循環列の並びの両側における最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’と、内側のボール循環列のボール径寸法Ｄとの関係が、次式、
０＜Ｄ−Ｄ’＜ΔＬ×（Ｓ／Ｌ）
Ｌ：最外側のボール循環列の間の距離、
ΔＬ：最外側のボール循環列とこの列に隣接する内側のボール循環列との距離、
Ｓ：ボールねじのラジアル隙間
を満たすことを特徴とするボールねじ使用アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、ボールねじは、前記ボール循環列を構成する循環部材に駒部材を用いたものであるボールねじ使用アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記ボールねじは、ねじ軸を回転駆動してナットを進退させるものであり、このナットの進退運動を、シャフトの正逆回動に変換するリンク機構を備えたボールねじ使用アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般工作機や自動車等に用いられるボールねじ使用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般工作機や自動車に用いられるボールねじ使用アクチュエータにおいては、ボールねじの効率を向上させるなどして、アクチュエータの推力向上を図る必要がある。推力が十分な場合でも、高推力なアクチュエータを使用すれば、モータの消費電力を低減したり、モータを小型化したりすることができる。
ボールねじの効率を向上させる手段として、ねじ溝の接触角をねじ軸とナットとで差を付けるようにしたものが提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−１７２４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１の発明は、ねじ溝の接触角をねじ軸とナットとで故意に差を付けるようにしたものであるが、この構成では、ボールねじの作動方向によらずに効率を向上させることはできない。
例えば、通常のねじ溝接触角４５°に対して、ねじ軸の接触角を大きくするか、またはナットの接触角を小さくした場合、ボールねじが正作動（ねじ軸またはナットの回転運動を軸方向運動に変換）するときの効率を向上させることができる。しかし、逆作動（ねじ軸またはナットの軸方向運動を回転運動に変換）するときの効率は低下してしまう。
これとは逆に、通常の接触角４５°に対して、ねじ軸の接触角を小さくするか、またはナットの接触角を大きくした場合は、ボールねじが逆作動するときの効率を向上させることができるが、正作動するときの効率は低下してしまう。つまり、正作動および逆作動のうち、どちらか一方の作動時の効率しか向上させることができないという問題が有る。
【０００４】
この発明の目的は、ボールねじの正・逆両作動方向で高推力を得ることができ、長寿命化が可能なボールねじ使用アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明におけるボールねじ使用アクチュエータは、進退部材の進退動作をボールねじで与えるボールねじ使用アクチュエータにおいて、前記ボールねじのナットのボール循環列数が３列以上であって、このボール循環列の並びの両側における最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’と、内側のボール循環列のボール径寸法Ｄとの関係が、次式、
０＜Ｄ−Ｄ’＜ΔＬ×（Ｓ／Ｌ）
Ｌ：最外側のボール循環列の間の距離、
ΔＬ：最外側のボール循環列とこの列に隣接する内側のボール循環列との距離、
Ｓ：ボールねじのラジアル隙間
を満たすことを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、ボールねじが３列以上のボール循環列を有し、ナットにおける最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’を、内側のボール循環列のボール径寸法Ｄに比較して小さくしているので、ボールねじのラジアル隙間Ｓを増加させることなく、ナットの許容傾斜角を大きくしてアクチュエータの推力を向上させることができる。
最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’を、内側のボール循環列のボール径寸法Ｄに比較して小さくするについて、小さくし過ぎると、内側のボール循環列のボールのみで負荷を受け、最外側のボール循環列のボールはねじ溝と接触しないことになり、負荷ボール数減少による定格荷重の低下を招く。そこで、Ｄ−Ｄ’＜ΔＬ×（Ｓ／Ｌ）としており、この式を満たす範囲でボール径寸法Ｄ’を決定することにより、ボールねじの定格寿命の低下を回避したアクチュエータの推力向上が得られる。
【０００８】
前記ボールねじは、前記ボール循環列を構成する循環部材に駒部材を用いたものであっても良い。循環部材が駒部材であると、１列毎に独立したボール循環列を構成し易い。そのため、最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’と内側のボール循環列のボール径寸法Ｄとを変える構成が容易に実現できる。
【０００９】
この発明において、前記ボールねじが、ねじ軸を回転駆動してナットを進退させるものであり、このナットの進退運動を、シャフトの正逆回動に変換するリンク機構を備えたものであっても良い。
ナットの進退運動をシャフトの正逆回動に変換するリンク機構を備えたボールねじ使用アクチュエータにおいては、ボールねじの正・逆両作動方向で高推力を得ること、および長寿命化が強く要望されるものがある。この発明のアクチュエータおける上記構成を持つボールねじを使用することで、このような正・逆両作動方向で高推力，長寿命化の要望を満足することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のボールねじ使用アクチュエータは、進退部材の進退動作をボールねじで与えるボールねじ使用アクチュエータにおいて、前記ボールねじのナットのボール循環列数が３列以上であって、このボール循環列の並びの両側における最外側のボール循環列のボール径寸法Ｄ’と、内側のボール循環列のボール径寸法Ｄとの関係が、
次式、
０＜Ｄ−Ｄ’＜ΔＬ×（Ｓ／Ｌ）
Ｌ：最外側のボール循環列の間の距離、
ΔＬ：最外側のボール循環列とこの列に隣接する内側のボール循環列との距離、
Ｓ：ボールねじのラジアル隙間
を満たすものとしたため、ボールねじの正・逆両作動で高推力を得ることができ、長寿命化においても優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１（Ａ），（Ｂ）は、この実施形態にかかるボールねじ使用アクチュエータの部分破断正面図および部分破断平面図を示す。このアクチュエータは、駆動源であるＤＣモータ１と、ＤＣモータ１の回転を進退運動に変換するボールねじ２と、その進退運動を駆動軸１６の正逆回動に変換するリンク機構１３とを備える。ボールねじ２は円筒状のハウジング１７内に設置されている。ＤＣモータ１は、その出力軸１ａがハウジング１７と同心位置でハウジング１７内に突入するように、ハウジング１７の一端部に設置されている。
【００１２】
ボールねじ２のねじ軸３は、前記ハウジング１７内にこれと同心状に配置され、ハウジング１７の内周に軸受１９，２０を介して両端が回転自在に支持されている。ボールねじ２は、前記ねじ軸３と、このねじ軸３の外周に遊嵌するナット４と、例えば図２に示すようにねじ軸３の外周に設けられたねじ溝６およびナット４の内周に設けられたねじ溝７の間に介在させたボール５と、ねじ溝６，７間に介在させたボール５を循環させる循環路８を備える。
【００１３】
前記循環路８は、ねじ溝６，７間で形成されるボール転走路９を、その両端を連結してボール循環列１０とするものであり、駒部材１１を循環部材として構成される。なお、循環形式は、駒部材１１を用いたものに限らず、図３のようにナット４に設けたリターンチューブ１２を循環部材として用いて前記循環路８を構成しても良い。この他に、ガイドプレートやエンドキャップを用いて前記循環路８を構成しても良い。ただし、ナット４の両側における最外側のボール循環列１０については、後述のように異なるボール径のボール５を用いるため、他のボール循環列とは独立したものとする必要がある。
【００１４】
ボールねじ２のナット４のボール循環列数は３列以上とされ、このボール循環列１０の並びの両側における最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’と、内側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄとの関係が、次式、
０＜Ｄ−Ｄ’＜ΔＬ（Ｓ／Ｌ）……（１）
ただし、
Ｌ：最外側のボール循環列の間の距離、
ΔＬ：最外側のボール循環列とこの列に隣接する内側のボール循環列との距離、
Ｓ：ボールねじのラジアル隙間
を満たすように設定されている。
【００１５】
前記ＤＣモータ１の出力軸１ａとこれに対向するねじ軸３とは、カップリング１８で連結されている。前記駆動シャフト１６は、ねじ軸３の軸方向に対して直交する方向に向けてハウジング１７の上位置に配置されて、その両端がブッシュ２１により回転自在に支持されている。前記リンク機構１３は、ナット４の外周から側方に向けて突出する係合ピン１４と、前記駆動シャフト１６に設けられハウジング１７の上部開口１７ａよりハウジング１７内に延びるアーム１５とからなり、アーム１５の先端のフォーク部１５ａが前記係合ピン１４に係合している。
【００１６】
上記構成のボールねじ使用アクチュエータの作用を説明する。ＤＣモータ１でボールねじ２のねじ軸３が正逆に回転駆動されると、その正逆回転でナット４が進退動作し、この進退動作でリンク機構１３のアーム１３が揺動して、駆動シャフト１６が正逆に回動駆動される。
【００１７】
この種のアクチュエータにおいて、コスト低減のために内部構成部材の加工精度を落としたり、組立後のガタを大きくしたりした場合は、ボールねじ２のねじ軸３と駆動シャフト１６の直角度が悪くなる。このような状況下では、ボールねじ２のナット４の許容傾斜角が小さいと駆動シャフト１６がこじられることになり、駆動シャフト支持部の摺動部（こではブッシュ２１）に大きな摩擦損失が発生して、アクチュエータの推力が低下してしまい、アクチュエータ構成部材の短寿命化も招く。さらに、ボールねじ２にはモーメント荷重が負荷されるため、内部負荷分布が不均一になり、ボールねじ２の短寿命化の問題も生じる。
このような問題に対する最も簡単な解決手段は、ボールねじ２の内部隙間（ラジアル隙間Ｓ）を大きくすることでナット４の許容傾斜角を大きくして、アクチュエータの推力低下を回避することである。しかし、そのようにした場合は、モーメント荷重による内部負荷分布の不均一がさらに増大して、ボールねじ２の短寿命化がより一層深刻になるばかりでなく、荷重負荷時のボール５とねじ溝６，７の接触点が溝肩側に偏ることで接触楕円の溝肩乗り上げと接触面圧増加の問題が発生する。さらには、アクチュエータの軸方向ガタ量が増加して、異音・振動が発生するという懸念もある。
【００１８】
しかし、この実施形態のボールねじ使用アクチュエータによると、ボールねじ２が３列以上のボール循環列１０を有するものとすると共に、（１）式に示すように、ナット４における最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’を、内側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄに比較して小さくしているので、ボールねじ２の内部隙間（ラジアル隙間Ｓ）を増加させることなく、ナット４の許容傾斜角を大きくしてアクチュエータの推力を向上させることができる。これにより、ボールねじ２の正逆両作動方向において高推力の得られるアクチュエータとすることができる。
【００１９】
ナット４における最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’を、内側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄに比較して小さくする場合に、限度を超えて小さくしすぎると、内側のボール循環列１０のボール５のみで負荷を受け、最外側のボール循環列１０のボール５はねじ溝６，７と接触しないことになり、負荷ボール数減少による定格荷重の低下を招く。これにつき、上記（１）式を満たすようにナット４における最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’を決定することにより、ボールねじ２の定格寿命の低下を回避しつつアクチュエータの推力向上が可能となる。
【００２０】
ここで、上記（１）式について、さらに詳細に説明する。
ナット４における最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’は、内側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄより小さくする必要があるため、Ｄ−Ｄ’は零以上でなければならない。
また、ナット４が傾斜した場合のボール５とねじ溝６，７の接触について考察すると、ラジアル隙間をＳ、ナット４における両側の最外側のボール循環列の間の距離をＬとすると、ナット４の傾斜角ｔａｎθは、Ｓ／Ｌで近似される（実際は、負荷による接触面の弾性変形の影響を受ける）。したがって、循環列間のボール径差Ｄ−Ｄ’が、最外側のボール循環列１０とこれに隣接する内側のボール循環列１０との距離ΔＬにナット傾斜角ｔａｎθを乗じた値と等しいとき、最外側のボール循環列１０とこれに隣接する内側のボール循環列１０との間に配置されたボール５はねじ溝６，７と接触することになる。つまり、（１）式の関係以上に、最外側のボール循環列１０のボール径寸法Ｄ’を小さくすると、最外側のボール循環列１０のボール５はねじ溝６，７に接触しないことになる。このことから、（１）式が導き出される。
【００２１】
図４は、この実施形態のアクチュエータを使用して推力測定した結果を示すグラフである。この場合、駆動シャフト１６の回転トルクをアクチュエータの推力として測定した。測定に使用したボールねじ２の緒元と推力測定条件を表１に示す。
【００２２】
【表１】
0004610234.tif 000002
【００２３】
図４において、左側のグラフはこの実施形態の場合（列間ボール径差あり）の推力を示し、右側のグラフは実施形態の場合と同じ構成のアクチュエータにおいてボールねじ２を列間ボール径差なしとした場合の推力を示す。同図に示す測定結果から、列間のボール径差を設けたこの実施形態のアクチュエータの場合の方が、列間のボール径差を設けない場合よりも推力が大きいことが確認された。
【００２４】
また、ボールねじ２の内部負荷分布について、表１に示すボールねじ緒元とモーメント荷重条件下で、循環列間のボール径差を設けた効果を計算した結果を、図５に示す。同図において、実線のグラフはこの実施形態の場合（列間ボール径差あり）を示し、破線のグラフは列間ボール径差無しとした場合を示す。なお、ボール番号は、測定時におけるナット４の左端から右端に向けてねじ溝６，７に沿って配列されたボール５の配列順序にしたがって、各ボール５に割り付けた番号を示す。同図に示す計算結果から、循環列間でボール径差を設けた実施形態の場合の方が、循環列間でボール径差を設けない場合に比べて、内側２列の循環列の負荷を受けるボール個数および接触面圧が増加し、ボールねじ２の内部負荷分布が均一に改善されることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるボールねじ使用アクチュエータの破断正面図、（Ｂ）は同破断平面図である。
【図２】同アクチュータに使用されるボールねじの一例を示す破断正面図である。
【図３】同アクチュータに使用されるボールねじの他の例を示す破断正面図である。
【図４】同アクチュエータを使用して推力測定した結果を示すグラフである。
【図５】同アクチュエータにおけるボールねじの内部負荷分布の計算結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
２…ボールねじ
３…ねじ軸
４…ナット
１０…ボール循環列
１１…駒部材
１３…リンク機構
【図１】
0004610234.tif 000003
【図２】
0004610234.tif 000004
【図３】
0004610234.tif 000005
【図４】
0004610234.tif 000006
【図５】
0004610234.tif 000007