(57)【要約】【課題】  低コスト化及び長寿命化を図ることができる電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置を提供する。【解決手段】  電動式リニアアクチュエータに内蔵され、外周面に螺旋状のねじ溝２を有するねじ軸３と、該ねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝８を内周面に有して前記ねじ軸３に螺合されるナット４と、前記両ねじ溝２，８間に転動可能に装填された多数のボール９とを備えたボールねじ装置において、前記ねじ軸３を転造加工で製造すると共に、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わずに完成品のねじ溝２をゴシックアーチ溝として接触角を３０°以上４５°以下とし、且つ溝曲率を５４％以上５８％以下とする。【選択図】      図８
2005133799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動式リニアアクチュエータに内蔵され、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ねじ軸を転造加工で製造すると共に、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わずに完成品のねじ溝をゴシックアーチ溝として接触角を３０°以上４５°以下とし、且つ溝曲率を５４％以上５８％以下としたことを特徴とするボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車用変速機の変速比を自動的に切り替えるため、或はクラッチを自動的に断接させるための駆動装置や、介護用ベッド、昇降テーブル、リフター、車載ジャッキ等に使用される各種機械装置等に組み込まれる電動式リニアアクチュエータに内蔵されて該電動式リニアアクチュエータを作動させるボールねじ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータを駆動源として伸縮し、各種物品を変位させる電動式リニアアクチュエータとして、例えば図７に示すものが知られており（例えば特許文献１及び特許文献２参照）、この電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置の一例を図８に示す。
このボールねじ装置１は、外周面に螺旋状のねじ溝２を有して電動式リニアアクチュエータのハウジングＨ内に回転自在に支持されたねじ軸３に、内周面にねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝８（図３参照）を有するナット４が螺合されている。
【０００３】
ナット４のねじ溝８とねじ軸３のねじ溝２とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成しており、該負荷軌道には転動体としての多数のボール９（図３参照）が転動可能に装填されている。
また、ナット４の外周面の一部は平坦面とされ、この平坦面には前記負荷軌道に連通する２個一組の孔がねじ軸３を跨ぐように形成されている。この一組の孔にボール循環部材の一例としての略コ字状の循環チューブ５の両端を嵌め込むことにより、前記負荷軌道に沿って公転するボール９を該負荷軌道の途中から循環チューブ５で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、これにより、ボール９を無限循環させるようにしている。
【０００４】
そして、電動式リニアアクチュエータのハウジングＨに支持された電動モータ６でねじ軸３を正逆方向に回転させることにより、ねじ軸３に螺合されたナット４がボール９の転動を介して軸方向に変位し、該ナット４に結合された出力軸部材７が軸方向に変位するようになっている。
【特許文献１】特開平８−３２２１８９号公報
【特許文献２】特開平９−３２７１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置は、その性能や耐久性が重視される一方で、低コスト化の要求も重要である。
しかしながら、ボールねじ装置のコスト重視により、例えば製造の工程簡略化が進むと、製品精度の低下による性能や耐久性が低下したり、品質のばらつきが大きくなることで極端に寿命の短いものが発生する虞れが高くなってしまう。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、低コスト化及び長寿命化を図ることができる電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電動式リニアアクチュエータに内蔵され、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ねじ軸を転造加工で製造すると共に、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わずに完成品のねじ溝をゴシックアーチ溝として接触角を３０°以上４５°以下とし、且つ溝曲率を５４％以上５８％以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ねじ軸を転造加工で製造すると共に、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わずに完成品のねじ溝をゴシックアーチ溝として接触角を３０°以上４５°以下とし、且つ溝曲率を５４％以上５８％以下とすることにより、低コスト化及び長寿命化を図ることができる電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。なお、この実施の形態では、電動式リニアアクチュエータ及び電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置の基本的構造を図７及び図８に示したものと同様のものを採用し、重複部分については、各図に同一符号を付して説明するか、その説明を省略する。
本発明の実施の形態の一例である電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置は、図８を参照して、ねじ軸３を転造加工で製造し、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わず、そのまま完成品としている。つまり、製造工程の省略による極限のコスト低減を図っているボールねじ装置である。
【０００９】
一方、仕上研削工程を省略することは、ボールねじ装置にとってその精度が著しく低下してしまう虞れがある。特に、ボール９を転送するねじ溝２の形状はその精度により、機能、寿命が大きく変化することが知られている。それは、ねじ溝２の形状不良により、ボール９の動きが変動したり、異常な回転によるトルク上昇や高面圧の接触が発生し、ボール９やねじ溝２の摩耗や破損が起こるからである。
【００１０】
そこで、この実施の形態でのねじ軸３は、転造加工中の変形や、それを熱処理した後の変形も考慮し、転造ダイスの形状や加工方法を工夫することにより、熱処理後に研削加工を行わずに、狙いの精度が得られる精密転造方法により製造している。この精密転造方法を応用して次の範囲にねじ溝２の形状をコントロールすることで、長寿命で且つ低コストな電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置を提供することができる。
即ち、本発明の実施の形態では、ねじ軸３を転造加工で製造し、焼入れ焼戻し後に研削加工を行わず、そのまま完成品とすることに加えて、ねじ溝２をゴシックアーチ溝として接触角を３０°以上４５°以下とし、且つ溝曲率を５４％以上５８％以下としている。
【００１１】
以下、詳述する。
（ねじ溝の接触角が３０°以上、４５°以下）
ねじ軸３のねじ溝２の接触角は、ボール９の軌道位置を決め、ボール９を安定させて転送させるために重要な設定値である。この実施の形態の電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置では、精密転造加工を施してはいるが、最終的な精度の関係もあり、電動式リニアアクチュエータヘの組込み等も含め、すき間を確保した仕様となっている。
【００１２】
すき間仕様とは、図３（ａ）に示すように、ねじ軸３のねじ溝２とナット４のねじ溝８との間に組み込まれたボール９がすき間を有して組み込まれている状態をいう。従って、実際に使用される場合は、アキシャル荷重Ｆａにより、図３（ｂ）に示すように、ねじ軸３のねじ溝２とナット４のねじ溝８と間に組み込まれたボール９はすき間なく組み込まれた状態となる。このとき、アキシャル荷重Ｆａにより、図３（ａ）に示す接触角θ１は、図３（ｂ）に示す前記すき間がなくなった状態で接触角θ２となり、アキシャル荷重Ｆａが加わることで、前記すき間がなくなり、接触角が大きくなることが判る。
【００１３】
このようにこの実施の形態では、電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置がすき間仕様で組立てられるので、実際の使用時には接触角が大きくなる。ボールねじ装置では、接触角が大きくなると、図４に示すように、ボール９からの軸方向荷重に対して接触角が大きいθ２の方が接触角が小さいθ１の場合より分力が大きくなり、ねし軸３が受けられる荷重が大きくなることが判る。つまり、接触角が大きいと負荷容量が大きくなる。
【００１４】
しかし、接触角を大きくしすぎると、図３（ｃ）に示すように、ボール９とねじ軸３のねじ溝２との弾性接触域がねじ溝２を乗り上げてしまう、いわゆる「乗り上げ」現象が発生してしまう。乗り上げによりねじ溝２の端部の面圧は急上昇するため、早期に破損が発生することが多く見られる。従って、接触角の設定は、転造での加工精度や熱処理での変形及び前記すき間量を考慮して、厳正に設定する必要がある。
【００１５】
一方、接触角を下げすぎると、ボール９からねじ軸３のねじ溝２に伝達される力の効率が低下し、小さい荷重でも面圧が高くなるため、寿命が短くなる傾向を示す。
本発明者らは上記のことを鑑みて、電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置を用いて、耐久評価試験を行った。結果を図１に示す。
図１から判るように、接触角が３０°未満になると寿命が低下し、４５°を超えると急激に寿命が低下することから、接触角を３０°以上４５°以下とした。但し、転造加工では、精度のばらつきが大きいため、ボール９の乗り上げ現象を確実に防止するためには、接触角を３０°以上４０°以下とすることがより好ましい。なお、本発明での接触角は図３（ａ）の状態のときのθ１をいう。
【００１６】
（溝曲率が５４％以上５８％以下）
次に、ねじ溝２の溝曲率であるが、一般的に溝曲率を小さくした方がボール９とねじ溝２との接触面積が増加するため面圧が低下し、寿命が延びる傾向にある。しかし、本発明のボールねじ装置の場合、精度を考慮すると、極端に溝曲率を小さくした場合には、図５に示すように、溝の形状崩れからボール９とねじ溝２との接点が２箇所以上となってしまう虞れがある。この接点が２箇所以上となると、ボール９の軌道が定まらず、不必要な動きでボールねじ装置のトルク上昇や、作動性不良が発生し、場合によっては、摩耗や破損が起こる。
【００１７】
従って、溝曲率の設定についても、転造での加工精度や熱処理での変形を考慮して、慎重に設定する必要がある。―方、溝曲率が大きすぎると、面圧が上昇し、寿命が低下してしまう。
本発明者らは上記のことを鑑みて、電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置で耐久評価試験を行った。結果を図２に示す。
図２から判るように、溝曲率が５４％未満になると寿命が低下し、５８％を超えると急激に寿命が低下することから、溝曲率を５４％以上５８％以下とした。
本発明の実施の形態であるボールねじ装置では、接触角と溝曲率は共に上記範囲にないと効果が発揮せず、どちらかが外れると寿命が低下してしまう。
【実施例】
【００１８】
電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置のＴＰとして、リード径やリード長さがＪＩＳ１１９２に示されるホールねじに相当する呼び番１４×０５×１００−Ｃｔ１０を用いた。
ねじ軸は、素材としてＳＡＥ４１５０材を用い、素材を転造加工した後に、高周波焼入れで表面に硬化層を形成して完成品とした。
試験機は日本精工株式会社（ＮＳＫ）製の電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ耐久寿命試験機を用い、自動車のトランスミッションのギヤシフトを想定し、モード試験を行った。
【００１９】
モード条件を図６に示す。以下に詳しく述べるが、両方向荷重を交互に負荷するモードである。摩耗や損傷により稼動トルクが初期の２倍以上になるまでを寿命とし、試験時間を記録した。そして、ワイブル関数分布により、１０個の試験ＴＰの内、短寿命側から１０％のボールねじ装置が寿命に達する時間を求めた。さらに、試験条件から計算寿命を算出し、計算寿命時間に対する試験時間の比で示した。
また、本実施例では接触角と溝曲率を種々変化させたもので評価を行っている。ただし、転造での加工精度や熱処理での変形を全数測定し、互いに近い値の１０ＴＰを１グループとし、その平均値を接触角と溝曲率としている。本実施例で使用したＴＰの接触角と溝曲率の一覧を表１に示す。
【００２０】
【表１】
2005133799.tif 000003
【００２１】
表１の「乗り上げ防止」の欄の〇は今回乗り上げず、乗り上げの可能性がないもの、△は今回乗り上げなかったが、寸法のばらつきによっては乗り上げる可能性があるもの、×は今回乗り上げたもの、とした。
次に、寿命評価条件を示す。
試験条件
呼び番：ＮＳＫボールねじ１４×０５×１００−Ｃｔ１０相当（ボール径１／８インチ）試験機名：ＮＳＫ製、電動式リニアアクチュエータ用ボールねじ耐久寿命試験機
試験荷重：アキシャル荷重＝２０００Ｎ（Ｐ／Ｃ＝０．３８）
最大荷重までの時間：１秒
最大荷重での保持時間：２秒
無負荷までの時間：１秒
無負荷保持時問：０．５秒
ストローク：２０ｍｍ
潤滑グリース：アルバニアＮｏ．２（昭和シェル石油）
【００２２】
試験結果を表１及び図１、図２に示す。本発明の実施例１〜１３では何れも計算寿命の１．５倍位以上の長寿命となった。一方、溝曲率は本発明範囲内であるが、接触角が小さすぎる比較例１４、１５は接触面圧が高くなり、短寿命はくりが発生するものがあり、寿命が低下した。また、溝曲率は本発明範囲内であるが、接触角が大きすぎる比較例１６、１７はボールの乗り上げにより、高面圧部が発生し、短寿命はくりが発生するものがあり、寿命が低下した。
【００２３】
更に、接触角は本発明範囲内であるが、溝曲率が小さすぎる、比較例１８、１９はボールとねじ溝との接触点が２箇所以上となるものがあり、ボールの異常運動が発生し、トルク上昇による短寿命が発生した。接触角は本発明範囲内であるが、溝曲率が大きすぎる、比較例２０、２１は接触面圧が高くなり、短寿命はくりが発生するものがあり、寿命が低下した。
なお、本発明は上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】接触角と寿命比との関係を示すグラフ図である。
【図２】溝曲率と寿命比との関係を示すグラフ図である。
【図３】（ａ）はねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間にすき間がある状態で組み込まれたボールの状態を説明するための説明図、（ｂ）はアキシャル荷重によりねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間にすき間がない状態で組み込まれたボールの状態を説明するための説明図、（ｃ）はボールの乗り上げ現象を説明するための説明図である。
【図４】ボールからの荷重に対する接触角の大小による分力の相違を説明するための説明図である。
【図５】ねじ軸のねじ溝の形状崩れを説明するための説明図である。
【図６】耐久寿命試験のモード条件を説明するためのグラフ図である。
【図７】電動式リニアアクチュエータの一例を示す断面図である。
【図８】図７の電動式リニアアクチュエータに内蔵されるボールねじ装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ボールねじ装置
２  ねじ溝（ねじ軸側）
３  ねじ軸
４  ナット
８  ねじ溝（ナット側）
９  ボール  
【図１】
2005133799.tif 000004
【図２】
2005133799.tif 000005
【図３】
2005133799.tif 000006
【図４】
2005133799.tif 000007
【図５】
2005133799.tif 000008
【図６】
2005133799.tif 000009
【図７】
2005133799.tif 000010
【図８】
2005133799.tif 000011