(57)【要約】【課題】ボールねじ装置のナットの熱膨張に伴う玉詰りを防止する手段を提供する。【解決手段】ボールねじ装置１のねじ軸２およびナット４の軸軌道溝３およびナット軌道溝４の運転時におけるリードをＬとし、運転時におけるねじ軸２の１リード当りの熱膨張量をδｓ、ナット４の１リード当りの熱膨張量をδｎとしたときに、常温時における軸軌道溝３のリードＬｓをＬ−δｓに、ナット軌道溝５のリードＬｎをＬ−δｎに設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とで形成される負荷路と、該負荷路の両端を連通する連通路と、前記負荷路と前記連通路とで形成される循環路を循環する複数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記軸軌道溝およびナット軌道溝の運転時におけるリードをＬとし、前記運転時における前記ねじ軸の１リード当りの熱膨張量をδｓ、前記ナットの１リード当りの熱膨張量をδｎとしたときに、
常温時における前記軸軌道溝のリードＬｓを、Ｌ−δｓとし、前記ナット軌道溝のリードＬｎを、Ｌ−δｎとしたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記負荷路と前記連通路との接続部の前記ナット軌道溝側の角部に、前記連通路に向かって半径方向隙間が拡大するクラウニングを形成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、工作機械や産業機械、自動車のステアリング装置等の機械装置の位置決め用や動力伝達用の送り機構等に用いられるボールねじ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ボールねじ装置は、工作機械の高速化や自動車のステアリング装置の高負荷化による発熱量の増大という厳しい環境下で使用される場合があり、このような厳しい環境下で使用されると、ボールねじ装置のナットやねじ軸に熱膨張が生じ、ナット軌道溝や軸軌道溝のリードが変化して位置決め精度の低下や予圧量の変化に伴う剛性の変化が生じるという問題がある。
【０００３】
このような熱膨張に伴うリードの変化に対して、運転時におけるねじ軸の温度上昇を推定し、これにより見込まれるねじ軸の熱膨張量を予め減じた累積基準リードを用いて軸軌道溝を形成し、ボールねじ装置の位置決め精度を向上させているものがある（例えば、非特許文献１参照。）。
一方、ボールねじ装置の循環路におけるボールの循環を円滑にするために、従来のボールねじ装置は、ねじ軸の外周面に螺旋状に形成した軸軌道溝と、ナットの内周面に形成した軸軌道溝に対向するナット軌道溝とを複数のボールを介して螺合させ、対向配置された軸軌道溝とナット軌道溝とで形成される負荷路の両端を、連通路で連通させて循環路を形成し、負荷路と連通路との接続部のナット軌道溝に、半径方向外側に凸の円弧状のクラウニング部を設け、接続部における半径方向隙間を連通路に向かって拡大させて循環路内のボールを円滑に循環させている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、同様の構成のボールねじ装置の負荷路と連通路との接続部のナット軌道溝に、半径方向内側に凸の円弧状のクラウニング部を設け、接続部における半径方向隙間を連通路に向かって拡大させて循環路内のボールを円滑に循環させているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【非特許文献１】井澤  寛  著、「ボールねじとその応用技術」、第１版、株式会社工業調査会、１９９０年７月１日、ｐ．８２−８６
【特許文献１】特開２００１−１４１０１９号公報（第３頁段落００１９−００２２および第４頁段落００２７−００３１、第５図）
【特許文献２】特開２００３−１２０７８４号公報（第３頁段落００１９−００２１および第４頁段落００２７−００３１、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は、ボールねじ装置におけるボールの挙動を解析し、循環路内のボールの円滑な循環を妨げる要因として、以下の２つの要因を見出した。
（１）循環路を循環するボールは、負荷路において軸軌道溝とナット軌道溝との間を自転しながら公転しているので、熱膨張により軸軌道溝とナット軌道溝とのリードに差が生じると、図５に示すように負荷路の位置によって、ボール７と軸軌道溝３およびナット軌道溝との接触点数が異なり、この接触点数の変化に伴い、ボール７の公転速度が変化していると考えられ、公転速度の差に基づくボール７の競合いが生じやすくなる。
【０００６】
なお、図５に細線で示した●印の大小は、接触点に作用する圧力の大小を示す。
（２）循環路を循環するボールは、連通路において無負荷状態であるので、負荷路を公転するボールによる後押しがなければ、ボールが連通路を移動することができず、負荷路と連通路との接続部において連通路を移動するボールと負荷路を公転するボールとの速度差に基づく競合いが生じやすくなる。
【０００７】
このような要因に基づく競合い、つまり玉詰りが生ずると循環路内のボールの円滑な循環が阻害されることになる。
また、要因（１）において生ずるリード差により、ねじ軸の回転におけるトルク変動が生ずることになる。
しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２の技術においては、負荷路と連通路との接続部のナット軌道溝に円弧状のクラウニング部を設けて玉詰りを防止しているため、上記の要因（２）による玉詰りの抑制には有効であるが、運転時に発熱の多い厳しい環境下で用いた場合には、要因（１）による玉詰りが生ずる虞があるという問題がある。
【０００８】
この場合に、非特許文献１の技術を適用すると、非特許文献１の技術においては、通常軸方向長さが短いナットの熱膨張は考慮せずに、軸方向長さが長いねじ軸の熱膨張のみに着目してリードの調整を行っているため、始動時等のボールねじ装置が常温状態の時（冷間時という。）においてはリードから減じた熱膨張量の分がナット軌道溝と軸軌道溝との間のリードの差になって要因（１）による玉詰りが生ずるという問題がある。
【０００９】
また、ナットの熱膨張を考慮していないため、運転時に発熱の多い厳しい環境下で用いた場合にはナットの熱膨張量が、運転時におけるナット軌道溝と軸軌道溝との間のリードの差になって要因（１）による玉詰りが生ずるという問題がある。
このことは、自動車のエンジンルームに装備されるステアリング装置のように、装備される部位の環境温度が高い場合に特に顕著になり、ステアリング装置の場合には始動時等の冷間時や走行時等の運転時において、ステアリングホイールを回転させるトルクの増大や変動が生じ、ハンドリング特性を低下させる要因になる。
【００１０】
また、工作機械のテーブル駆動等に用いられるボールねじ装置のように、負荷荷重が大きく、高い剛性を得るために負荷路を形成する軌道溝の巻数を多くし、大きな予圧かけ高速で運転する場合においては、発熱が大きくナット長が巻数分長くなることにより、ナットの温度変化に対するリードの変化が大きくなると共に、リード差に基づく競合いによるトルク変動も大きなものとなる。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ボールねじ装置の玉詰りを防止する手段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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とで形成される負荷路と、該負荷路の両端を連通する連通路と、前記負荷路と前記連通路とで形成される循環路を循環する複数のボールとを備えたボールねじ装置において、前記軸軌道溝およびナット軌道溝の運転時におけるリードをＬとし、前記運転時における前記ねじ軸の１リード当りの熱膨張量をδｓ、前記ナットの１リード当りの熱膨張量をδｎとしたときに、常温時における前記軸軌道溝のリードＬｓを、Ｌ−δｓとし、前記ナット軌道溝のリードＬｎを、Ｌ−δｎとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
これにより、本発明は、発熱の多い厳しい環境下で用いられるボールねじ装置の常温時における軸軌道溝のリードＬｓとナット軌道溝のリードＬｎのリード差を、ねじ軸の熱膨張量のみを考慮した場合の常温時におけるリード差に比べて減少させることができ、負荷路における玉詰りを抑制することができると共に、運転時における軸軌道溝およびナット軌道溝のリードは、それぞれ同じリードＬとなるので、負荷路における玉詰りを防止することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して本発明によるボールねじ装置の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図、図２は実施例１のエンドデフレクタの取付状態を示す説明図である。
なお、図１は後述する運転時の状態を示している。
図１において、１はボールねじ装置である。本実施例ではデフレクタ式のボールねじ装置である。
【００１６】
２はボールねじ装置１のねじ軸であり、合金鋼等の鋼材で製作された棒状部材であって、その外周面には略半円弧形状の軸軌道溝３が螺旋状に形成されている。
４はボールねじ装置１のナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内周面には軸軌道溝３と対向する略半円弧形状のナット軌道溝５が形成されている。
【００１７】
また、ナット４の外周部の一方の端部にはフランジ部６が設けられ、フランジ部６に設けたボルト穴６ａにより図示しない機械装置の移動体にボルト等で固定される。
７はボールであり、合金鋼等の鋼材等で製作された球体であって、対向配置された軸軌道溝３とナット軌道溝５とにより形成される負荷路に複数装填されてねじ軸２とナット４を螺合させる。
【００１８】
８は戻り路であり、ナット４の側壁の厚肉部４ａに形成されたボール７を循環させるためのボール７の直径より大きい直径を有し、ナット４の厚肉部４ａを軸方向に貫通する貫通穴である。
１０はエンドデフレクタであり、金属材料や樹脂材料等で製作され、ナット４の厚肉部４ａに形成された戻り路８の軸方向の両方の端部に形成された嵌着穴１１に嵌め込まれて取付けられ、そのナット４側には対向配置されたナット軌道溝５と軸軌道溝３とにより形成される負荷路とナット４の戻り路８とをそれぞれ接続する湾曲した通路である方向転換路１２が形成されている。
【００１９】
図２において、１３はタング部であり、エンドデフレクタ１０のねじ軸２側に形成された軸軌道溝３の溝筋に沿って遊嵌する円弧状断面を有する突起であって、そこに位置する方向転換路１２の端部１２ａが、軸軌道溝３からボール７を掬上げる掬上げ面として機能する。
上記のナット４の戻り路８と、その両端部に配置されたエンドデフレクタ１０の方向転換路１２とにより本実施例の連通路１４が形成される。
【００２０】
また、連通路１４を形成する両側の方向転換路１２と負荷路との接続部１５のナット軌道溝５側の角部１６には、それぞれ方向転換路１２に向かって半径方向隙間を拡大させる比較的大きな半径Ｒの円弧からなるクラウニングが形成されている。本実施例のクラウニングは半径方向内側に凸の円弧により形成されている。
上記の負荷路の両端部は連通路１４により連通されて循環路が形成され、この循環路には所定の量の潤滑剤、例えばグリースと複数のボール７が封入され、ねじ軸２を回転させることによってボール７がナット４に加えられた荷重を支持しながら負荷路を転動し、一方のエンドデフレクタ１０のタング部１３により掬上げられて方向転換路１２に導かれ、戻り路８を経由して他方の方向転換路１２のタング部１３から負荷路に戻されながら循環路を循環する。
【００２１】
これにより、ねじ軸２の回転運動がナット４の直線運動に変換され、ナット４がねじ軸２の長手方向に沿った直線往復移動可能に支持される。
上記のねじ軸２の軸軌道溝３およびナット４のナット軌道溝５の常温時におけるリードは、以下のように設定する。
すなわち、ボールねじ装置１を運転してねじ軸２およびナット４のそれぞれの温度が飽和温度となったときの温度（運転時の温度という。）におけるリードをＬとし、常温から運転時の温度までの温度上昇に伴う軸軌道溝３の１リード当りの熱膨張量をδｓとし、常温から運転時の温度までの温度上昇に伴うナット軌道溝５の１リード当りの熱膨張量をδｎとしたときに、常温時における軸軌道溝３のリードＬｓをＬ−δｓに、ナット軌道溝５のリードＬｎをＬ−δｎに設定する。
【００２２】
このように設定すれば、常温時における軸軌道溝３のリードＬｓとナット軌道溝５のリードＬｎのリード差は、δｓ−δｎの絶対値になり、ねじ軸２の熱膨張量のみを考慮した場合の常温時におけるリード差δｓに比べてリード差を減少させることができ、負荷路における玉詰りを抑制することができると共に、リード差に基づくトルク変動を低減することができる。
【００２３】
また、運転時のねじ軸２およびナット４のそれぞれの温度における軸軌道溝３およびナット軌道溝５のリードは、それぞれＬとなるので、ボールねじ装置１の運転時における位置決め精度を向上させることができる他、負荷路において玉詰りを抑制することができると共に、トルク変動を低減することができる。
更に、連通路１４と負荷路との接続部１５のナット軌道溝５側の角部１６に、連通路１４に向かって半径方向隙間を拡大させるクラウニングを形成してあるので、接続部１５における玉詰りの発生を抑制することができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施例では、ボールねじ装置の軸軌道溝およびナット軌道溝の運転時におけるリードをＬとし、運転時におけるねじ軸の１リード当りの熱膨張量をδｓ、ナットの１リード当りの熱膨張量をδｎとしたときに、常温時における軸軌道溝のリードＬｓをＬ−δｓとし、ナット軌道溝のリードＬｎをＬ−δｎとしたことによって、発熱の多い厳しい環境下で用いられるボールねじ装置の常温時における軸軌道溝のリードＬｓとナット軌道溝のリードＬｎのリード差を、ねじ軸の熱膨張量のみを考慮した場合の常温時におけるリード差に比べて減少させることができ、負荷路における玉詰りを抑制することができると共に、運転時における軸軌道溝およびナット軌道溝のリードはそれぞれ同じリードＬとなるので、負荷路における玉詰りを防止することができる。
【００２５】
また、連通路と負荷路との接続部のナット軌道溝側の角部に、連通路に向かって半径方向隙間を拡大させるクラウニングを形成するようにしたことによって、接続部における玉詰りの発生を抑制することができる。
【実施例２】
【００２６】
図３は実施例２のナットの断面を示す説明図、図４は実施例２のねじ軸の側面を示す説明図である。
なお、図３、図４はそれぞれ常温時の状態を示している。また上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例のボールねじ装置１は、リターンチューブ式のボールねじ装置である。
【００２７】
図３において、２１はリターンチューブであり、鋼材や樹脂材料等で製作され、ボール７が移動可能な直径を有する連通路２２を形成した２箇所に曲折部を有する略Ｕ字状の管であって、ナット４の外周面の一部を軸方向に切欠いた図示しない平面に設けられたナット軌道溝５に連通する嵌合穴にその両端の直管部が嵌合して図示しないチューブ固定具によりナット４に固定される。
【００２８】
本実施例の負荷路の両端部は、リターンチューブ２１の内径として形成された連通路２２により連通され、ボール７が循環する循環路が形成される。本実施例の循環路は、ねじ軸２の軸方向に２箇所形成されている。
また、連通路２２と負荷路との各接続部１５のナット軌道溝５側の角部１６には、実施例１と同様に連通路２２に向かって半径方向隙間を拡大させるクラウニングが形成されている。
【００２９】
本実施例のねじ軸２の常温時における図４に示す軸軌道溝３のリードＬｓは、実施例１と同様に、運転時の温度におけるリードＬから温度上昇に伴う軸軌道溝３の１リード当りの熱膨張量δｓを減じた値に設定され、ナット４の常温時における図３に示すナット軌道溝５のリードＬｎは、実施例１と同様に、運転時の温度におけるリードＬから温度上昇に伴うナット軌道溝５の１リード当りの熱膨張量δｎを減じた値に設定される。
【００３０】
このように設定すれば、リターンチューブ式のボールねじ装置においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。
なお、上記各実施例においては、連通路と負荷路との接続部のナット軌道溝側の角部に設けるクラウニングは、半径方向内側に凸の円弧により形成するとして説明したが、半径方向外側に凸の円弧により形成しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、上記実施例においては、連通路をデフレクタ式やリターンチューブ式とした循環方式を用いたボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、連通路は前記に限らず、連通路をこま式やエンドキャップ式等とした循環方式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
また、本実施例においては、ボールねじ装置のねじ軸を回転させてナットを軸方向に移動させるとして説明したが、ナットを回転させてねじ軸を軸方向に移動させる形式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図
【図２】実施例１のエンドデフレクタの取付状態を示す説明図
【図３】実施例２のナットの断面を示す説明図
【図４】実施例２のねじ軸の側面を示す説明図
【図５】ボールねじ装置の負荷路における競合い状態を示す説明図
【符号の説明】
【００３３】
１    ボールねじ装置
２    ねじ軸
３    軸軌道溝
４    ナット
４ａ  厚肉部
５    ナット軌道溝
６    フランジ部
６ａ  ボルト穴
７    ボール
８    戻り路
１０  エンドデフレクタ
１１  嵌着穴
１２  方向転換路
１３  タング部
１４、２２  連通路
１５  接続部
１６  角部
２１  リターンチューブ
【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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