特開 2024-103201 スプライン付きボールねじ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024103201

(43)【公開日】2024-08-01

(54)【発明の名称】スプライン付きボールねじ

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/22 20060101AFI20240725BHJP

   F16C 31/06 20060101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

F16H25/22 C

F16C31/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007404

(22)【出願日】2023-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 晋平

(72)【発明者】

【氏名】高橋 大樹

(72)【発明者】

【氏名】吉田 圭一

(72)【発明者】

【氏名】狩野 慎吾

【テーマコード（参考）】

3J062

3J104

【Ｆターム（参考）】

3J062AA38

3J062AB22

3J062AC07

3J062BA12

3J062CD04

3J062CD25

3J062CD54

3J104AA04

3J104AA23

3J104AA34

3J104AA36

3J104AA57

3J104AA63

3J104AA69

3J104AA75

3J104AA76

3J104AA77

3J104AA79

3J104BA05

3J104DA12

3J104DA16

3J104EA06

(57)【要約】

【課題】小型化を促進できるスプライン付きボールねじを提供する。
【解決手段】ボールねじは、外周面に螺旋状に形成された内ボールねじ溝、並びに外周面に軸線方向に形成された内ボールスプライン溝１ｂ及び内ボールスプライン戻し溝１ｂを備えたボールねじ軸１と、ボールねじ軸１の外周面と対向する内周面に、内ボールねじ溝に対向して、外ボールねじ溝を備えたボールねじナットと、ボールねじ軸の外周面と対向する内周面に、内ボールスプライン溝１ｂ及び内ボールスプライン戻し溝１ｃに対向して、外ボールスプライン溝３ｂ及び外ボールスプライン戻し溝３ｃを備えたボールスプラインナット３と、転動路７Ａに沿って転動する複数のボールねじ用ボールと、スプライン用転動路及びスプライン用戻し路に沿って転動する複数のボールスプライン用ボールと、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周面に螺旋状に形成された内ボールねじ溝、並びに前記外周面に軸線方向に形成された内ボールスプライン溝及び内ボールスプライン戻し溝を備えたボールねじ軸と、
前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面に、前記内ボールねじ溝に対向して、外ボールねじ溝を備えたボールねじナットと、
前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面に、前記内ボールスプライン溝及び前記内ボールスプライン戻し溝に対向して、外ボールスプライン溝及び外ボールスプライン戻し溝を備えたボールスプラインナットと、
前記内ボールねじ溝と前記外ボールねじ溝とにより形成される転動路に沿って転動する複数のボールねじ用ボールと、
前記内ボールスプライン溝と前記外ボールスプライン溝とにより形成されるスプライン用転動路、及び前記内ボールスプライン戻し溝と前記外ボールスプライン戻し溝とにより形成されるスプライン用戻し路に沿って転動する複数のボールスプライン用ボールと、を有する、
ことを特徴とするスプライン付きボールねじ。

【請求項2】

前記内ボールスプライン溝の溝底から前記ボールねじ軸の中心までの距離と、前記内ボールスプライン戻し溝の溝底から前記ボールねじ軸の中心までの距離が等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載のスプライン付きボールねじ。

【請求項3】

前記内ボールスプライン溝と、前記内ボールスプライン戻し溝とが、前記ボールねじ軸の軸中心を中心とする円弧に沿った共通の溝底で接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のスプライン付きボールねじ。

【請求項4】

前記内ボールねじ溝の溝底から、前記ボールねじ軸の軸中心までの距離は、前記内ボールスプライン溝及び前記内ボールスプライン戻し溝の溝底から、前記ボールねじ軸の軸中心までの距離に等しい、
ことを特徴とする請求項２に記載のスプライン付きボールねじ。

【請求項5】

前記ボールねじ軸に、４つの前記内ボールスプライン溝と４つの前記内ボールスプライン戻し溝とが、前記２つの内ボールスプライン溝同士が周方向に隣接するようにして形成され、
前記ボールスプラインナットに、前記４つの内ボールスプライン溝に対向する４つの前記外ボールスプライン溝と、前記４つの内ボールスプライン戻し溝に対向する４つの前記外ボールスプライン戻し溝とが形成され、
周方向に隣接する２つの前記スプライン用転動路間には、オフセット予圧がそれぞれ付与されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のスプライン付きボールねじ。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載のスプライン付きボールねじを、軸受一体型としたことを特徴とするスプライン付きボールねじ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スプライン付きボールねじに関する。

【背景技術】

【0002】

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、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においては、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ボール（以下「ボールねじ用ボール」とも称す）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ボール（以下「ボールスプライン用ボール」とも称す）を配設している。

【0003】

また、スプライン付きボールねじの一タイプとして、軸受一体型スプライン付きボールねじが知られている（例えば、特許文献１参照）。軸受一体型スプライン付きボールねじを、図６を参照して簡単に説明する。軸受一体型スプライン付きボールねじ１０は、ボールねじ軸１と、ボールねじナット２と、ボールスプラインナット３と、玉軸受４、５と、を備える。

【0004】

ボールねじ軸１の外面には、所定のリードを持つ螺旋状のボールねじ溝１ａと、軸方向に延びる直線状のボールスプライン溝１ｂとが形成されている。

【0005】

ボールねじナット２は、玉軸受４により回転自在に支持されている。玉軸受４の外輪４ａは略円筒状であり、その軸方向の一端部にはフランジ４ｂを有する。外輪４ａの内面には外輪溝４ｃが２列形成されている。一方、玉軸受４の内輪を兼ねるボールねじナット２の外面には、外輪溝４ｃに対向して内輪溝２ａが形成されている。外輪溝４ｃと内輪溝２ａとの間には、玉４ｄが転動自在に配設されている。

【0006】

ボールねじナット２の内周には、ボールねじ溝１ａに対向して螺旋状にボールねじ溝２ｂが形成されており、ボールねじ溝１ａとボールねじ溝２ｂとで、転動路６Ａを形成する。ボールねじナット２の内部には、軸方向に貫通する戻し路６Ｂが形成され、戻し路６Ｂの両端にはエンドキャップ６Ｃ，６Ｄが接続されている。ボールねじナット２とボールねじ軸１とが相対回動すると、転動路６Ａに沿って一端まで転動したボールねじ用ボール３Ａが、エンドキャップ６Ｃ，６Ｄの一方に掬い上げられ、戻し路６Ｂを通過し、エンドキャップ６Ｃ，６Ｄの他方を介して転動路６Ａの他端に戻されるようになっている。

【0007】

ボールスプラインナット３は、玉軸受５により回転自在に支持されている。玉軸受５の外輪５ａは略円筒状であり、その軸方向の一端部には、例えばＺ－θ軸アクチュエータのハウジングに取り付けられるフランジ５ｂを有する。外輪５ａの内面には外輪溝５ｃが２列形成されている。一方、玉軸受５の内輪を兼ねるボールスプラインナット３の外面には、外輪溝５ｃに対向して内輪溝３ａが形成されている。外輪溝５ｃと内輪溝３ａとの間には、玉５ｄが転動自在に配設されている。

【0008】

ボールスプラインナット３の内周には、ボールスプライン溝１ｂに対向して軸方向にボールスプライン溝３ｂ（図７参照）が形成されており、ボールスプライン溝１ｂと、ボールスプラインナット３のボールスプライン溝３ｂとで、転動路７Ａを形成する。ボールスプラインナット３の両端部には、エンドキャップ８Ａ，８Ｂが取り付けられる。転動路７Ａの両端は、エンドキャップ８Ａ，８Ｂに形成された方向転換路７Ｃ，７Ｄを介して、ボールスプラインナット３の内部に形成された戻し路７Ｂの両端に接続されている。ボールスプラインナット３とボールねじ軸１とが軸線方向に相対移動すると、転動路７Ａに沿って一端まで転動したボールスプライン用ボール３Ｂが、エンドキャップ８Ａ，８Ｂの一方を介して戻し路７Ｂに進入し、戻し路７Ｂを通過した後、エンドキャップ８Ａ，８Ｂの他方を介して転動路７Ａの他端に戻されるようになっている。
なお、図６では、転動路７Ａ、戻し路７Ｂ、方向転換路７Ｃ，７Ｄは、それぞれの通路内を移動するボールスプライン用ボール３Ｂによって示されている。

【0009】

このようなスプライン付きボールねじ１０によれば、例えば所定位置にあるボールねじナット２がボールねじ軸１に対して相対回転すると、ボールねじ軸１が軸線方向に移動するが、ボールスプラインナット３は、ボールねじ軸１の軸線方向相対移動を許容する。一方、ボールスプラインナット３が回転すると、それに連れてボールねじ軸１が同方向に回転する。このため、スプライン付きボールねじ１０は、スカラー型ロボットのＺ－θ軸アクチュエータとして好適に用いられる。

【0010】

さらに、特許文献２には、スプラインナットが、ナット本体と、前記ナット本体に装着される共にボールの無限循環路となる複数の循環溝が外周面に設けられた保持器と、を備え、前記循環溝は、前記ボールが荷重を負荷しながら転動する負荷通路と、前記負荷通路と保持壁を隔てて平行に設けられた戻し通路と、これら負荷通路と戻し通路の両端を接続する一対の方向転換路とを備え、前記負荷通路の底部には当該負荷通路を転動するボールが前記スプライン軸の転走溝に接触する負荷開口部が設けられる一方、前記戻し通路の底部には前記保持壁の弾性変形を可能とするスリット状開口が設けられたスプライン付きボールねじが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１０７１２２号公報

【特許文献2】特開２０２０－１４３７４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ところで、スプライン付きボールねじの低質量化、低慣性化、コンパクト化を実現するためには、ボールスプラインナット外径の小径化が望まれる。特に、ボールスプラインナットに軸受を一体化させた軸受一体型スプライン付きボールねじにおいては、軸受の外輪外径をより小径化したいという要請があり、そのためにボールスプラインナット外径の小径化を図ることが切望される。

【0013】

ここで、図７は、特許文献１のスプライン付きボールねじ１０において、ボールスプラインナット３の転動路７Ａと戻し路７Ｂとの位置関係を想定して示す、ボールねじ軸の軸線方向から見た断面図である。この場合、戻し路７Ｂの中心Ｘと、ボールねじ軸１の軸中心Ｏとの距離Ａは、以下の式で定まる。
Ａ＝［ボールスプラインナット３の内径Ｂ＋戻し路７Ｂの半径Ｃ＋ボールスプラインナット３の内周と戻し路７Ｂ間の肉厚Ｄ］

【0014】

この場合、ボールスプラインナット３の内周と戻し路７Ｂ間に肉厚Ｄが生じるため、それによりボールスプラインナット３の小径化が不十分となる。

【0015】

また、特許文献２のスプライン付きボールねじを、図６の軸受一体型スプライン付きボールねじに適用した場合、転動路７Ａと戻し路７Ｂの径方向位置がオーバーラップすることで、ボールスプラインナット３の小径化が図られるが、保持器を設ける必要があり、また、ボールねじ軸１の外周とボールスプラインナット３の内周に複雑な加工が必要になるという問題がある。

【0016】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、小型化を促進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。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明のスプライン付きボールねじは、
外周面に螺旋状に形成された内ボールねじ溝、並びに前記外周面に軸線方向に形成された内ボールスプライン溝及び内ボールスプライン戻し溝を備えたボールねじ軸と、
前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面に、前記内ボールねじ溝に対向して、外ボールねじ溝を備えたボールねじナットと、
前記ボールねじ軸の外周面と対向する内周面に、前記内ボールスプライン溝及び前記内ボールスプライン戻し溝に対向して、外ボールスプライン溝及び外ボールスプライン戻し溝を備えたボールスプラインナットと、
前記内ボールねじ溝と前記外ボールねじ溝とにより形成されるねじ用転動路に沿って転動する複数のボールねじ用ボールと、
前記内ボールスプライン溝と前記外ボールスプライン溝とにより形成されるスプライン用転動路、及び前記内ボールスプライン戻し溝と前記外ボールスプライン戻し溝とにより形成されるスプライン用戻し路に沿って転動する複数のボールスプライン用ボールと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、小型化を促進できるスプライン付きボールねじを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、第１の実施形態に係るスプライン付きボールねじのボールスプラインナットの斜視図である。

【図2】図２は、ボールねじ軸及びボールスプラインナットをボールねじ軸の軸線方向から見た模式的な断面図である。

【図3】図３は、第２の実施形態に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。

【図4】図４は、第３の実施形態に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。

【図5】図５は、変形例に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。

【図6】図６は、軸受一体型スプライン付きボールねじの一例を示す部分断面斜視図である。

【図7】図７は、図６のスプライン付きボールねじのボールスプラインナットの転動路と戻し路との位置関係を想定して示す、図２と同様な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係るスプライン付きボールねじの実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態のスプライン付きボールねじ１０は、図６に示す従来のスプライン付きボールねじ１０に対して、ボールスプライン用ボール３Ｂが転動する、転動路（ボールスプライン用転動路）７Ａ、戻し路（スプライン用戻し路）７Ｂ、方向転換路７Ｃ，７Ｄからなる環通路を改良したものである。そのため、スプライン付きボールねじ１０の基本構成は、すでに図６において説明した従来のスプライン付きボールねじ１０と同様であるので、必要に応じて同図を参照しながら、本実施形態のスプライン付きボールねじ１０について説明する。

【0021】

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るスプライン付きボールねじ１０のボールスプラインナットの斜視図であり、図２は、ボールねじ軸及びボールスプラインナットをボールねじ軸の軸線方向から見た模式的な断面図である。

【0022】

図１及び図２に示すように、スプライン付きボールねじ１０のボールスプラインナット３の循環路では、転動路（ボールスプライン用ボール３Ｂを介してボールねじ軸１とボールスプラインナット３との間で負荷を受ける負荷溝）７Ａは、図６と同様に、ボールねじ軸１のボールスプライン溝（内ボールスプライン溝ともいう）１ｂと、ボールスプラインナット３のボールスプライン溝（外ボールスプライン溝ともいう）３ｂとで形成されている。一方、戻し路７Ｂは、ボールねじ軸１の外周面に形成されたボール戻し溝（内ボールスプライン戻し溝ともいう）１ｃと、ボールスプラインナット３の内周面に形成されたボール戻し溝（外ボールスプライン戻し溝ともいう）３ｃとで形成されている。

【0023】

軸線直交断面において、ボールスプライン溝１ｂの曲率半径は、ボールスプライン溝３ｂの曲率半径に略等しく、ボール戻し溝１ｃの曲率半径は、ボール戻し溝３ｃの曲率半径に略等しいが、ボール戻し溝１ｃ，３ｃの曲率半径は、ボールスプライン溝１ｂ，３ｂの曲率半径より大きい。
また、図１に示すように、エンドキャップ８Ａ，８Ｂの方向転換路７Ｃ，７Ｄは、ボールねじ軸１のボールスプライン溝１ｂ及びボール戻し溝１ｃのボールスプライン用ボール３Ｂを掬うように形成されると共に、ボールスプラインナット３の内径と略等しいエンドキャップ８Ａ，８Ｂの内径よりも径方向外側でボールスプライン用ボール３Ｂを通過させている。

【0024】

したがって、本実施形態においては、ボールねじ軸１の軸中心Ｏから転動路７Ａの中心Ｘ１までの距離と、軸中心Ｏから戻し路７Ｂの中心Ｘ２までの距離が等しい。すなわち、軸線直交断面において、中心Ｘ１，Ｘ２は、軸中心Ｏを中心とする所定円上に位置する。

【0025】

かかる場合、戻し路７Ｂの中心Ｘ２（及び転動路７Ａの中心Ｘ１）とボールねじ軸１の軸中心Ｏとの間の距離Ａを小さくすることができ、軸受内輪の溝底径をより小さくすることが可能となる。したがって、軸受内輪の溝底径を小さくすることにより、軸受のＢＣＤ（ボール中心径）が小さくなるので、軸受の外輪外径の小径化も可能となり、スプライン付きボールねじ１０の低質量化、低慣性化、コンパクト化を実現できる。

【0026】

本実施形態によれば、ボールスプラインナット３に戻し路用の貫通孔を形成することなく、転動路７Ａに隣接して、ボールねじ軸１の外周面にボール戻し溝１ｃを形成し、またボールスプラインナット３の内周面にボール戻し溝３ｃを形成し、これらにより戻し路７Ｂを構成している。このため、戻し路７Ｂの中心Ｘ２とボールねじ軸１の軸中心Ｏの距離Ａを小さくすることができ、それによりボールスプラインナット３の外径を小さくできる。特に、ボールスプラインナット３を軸受の内輪に兼用することにより、軸受外径を抑えた、低質量、低慣性、コンパクトな軸受一体型スプライン付きボールねじを提供できる。また、ボールねじ軸１にはボールスプライン溝１ｂに加えて、ボール戻し溝１ｃを設けることとなるので、その分、ボールねじ軸１の質量・慣性モーメントを小さくすることが可能となる。

【0027】

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。本実施形態においては、図３の軸線直交断面において、ボールねじ軸１の軸中心Ｏを中心とする半径Ｅの単一円に、ボールスプライン溝１ｂとボール戻し溝１ｃの溝底が接している。
特に、図３にて図示しないボールねじ溝１ａ（図６）の溝底から、ボールねじ軸１の軸中心Ｏまでの距離を、ボールスプライン溝１ｂ及びボールスプライン戻し溝１ｃの溝底から、ボールねじ軸１の軸中心Ｏまでの距離と等しくしている。

【0028】

本実施形態によれば、ボールねじ軸１及びボールスプラインナット３の双方において、ボールスプライン用ボール３Ｂを保持する機能が不要になる。
ボールスプラインナット３を含むそれ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

【0029】

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。本実施形態においては、ボールスプライン用ボール３Ｂが転動する転動路７Ａ及び戻し路７Ｂを４つずつ形成し、周方向に隣接する２つの転動路７Ａ間でオフセット予圧を付与している。

【0030】

具体的に、本実施形態では、ボールねじ軸１に、４つのボールスプライン溝１ｂと４つのボールスプライン戻し溝１ｃとが、２つのボールスプライン溝１ｂ同士が周方向に隣接するようにして形成され、ボールスプラインナット３に、４つのボールスプライン溝１ｂに対向する４つのボールスプライン溝３ｂと、４つのボールスプライン戻し溝１ｃに対向する４つのボールスプライン戻し溝３ｃとが形成される。

【0031】

また、４つの転動路７Ａのうち、２つの転動路７Ａ同士が周方向に隣接し、４つの戻し路７Ｂのうち、２つの戻し路７Ｂ同士が周方向に隣接している。また、周方向に隣接する２つの転動路７Ａ間の距離は、周方向に隣接する２つの戻し路７Ｂ間の距離よりも短い。
さらに、ボールねじ軸１の外周には、循環路を形成するボールスプライン溝１ｂ及びボール戻し溝１ｃが、ボールねじ軸１の軸中心Ｏを中心とする円弧に沿った共通の溝底１ｄで接続されている。これにより、ボールスプライン溝１ｂ及びボール戻し溝１ｃは、片側のフランクのみを有している。

【0032】

そして、ボールねじ軸１の隣接する２つのボールスプライン溝１ｂの間のピッチを、ボールスプラインナット３の隣接する２つのボールスプライン溝３ｂの間のピッチよりも大きくすることで、周方向に隣り合う２つの転動路７Ａにおいて、ボールスプライン溝１ｂとボールスプライン溝３ｂとの間の接触角の向きが反対となり、２つの転動路７Ａ間でオフセット予圧を付与することができるので、支持剛性を高めることができる。また負荷溝は片側のフランクのみとする構成であり、ボールねじ軸１の負荷溝と循環溝を単一溝で形成することができる。このため、循環時にボールスプライン用ボール３Ｂが、エンドキャップ８Ａ，８Ｂを通過する際にボールねじ軸１の最大外径を乗り超える必要がないため、循環部品の軸中心Ｏから距離を小さく抑えることができるので、ボールスプラインナット外径をより小さくできる。なお、オフセット予圧に関しては、その他の実施形態及び変形例でも同様に適用できる。

【0033】

（変形例）
図５は、変形例に係るスプライン付きボールねじの図２と同様な断面図である。本変形例は、第３の実施形態に対して、第２の実施形態と同様に、隣接するボールスプライン溝１ｂとボール戻し溝１ｃの溝底を繋ぐ共通の溝底１ｄは、ボールねじ溝１ａ（図６）の溝底と同じ径方向位置にある。即ち、図５にて図示しないボールねじ溝１ａの溝底から、ボールねじ軸１の軸中心Ｏまでの距離を、ボールスプライン溝１ｂ及びボールスプライン戻し溝１ｃの溝底を繋ぐ共通の溝底１ｄから、ボールねじ軸１の軸中心Ｏまでの距離と等しくしている。
この場合も、ボールねじ軸１及びボールスプラインナット３の双方において、ボールスプライン用ボール３Ｂを保持する機能が不要になる。

【0034】

本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。スプライン付きボールねじは、軸受と組み合わせて軸受一体型とすることができる。

【符号の説明】

【0035】

１ ボールねじ軸
２ ボールねじナット
３ ボールスプラインナット
１ａ ボールねじ溝
１ｂ ボールスプライン溝
１ｄ 溝底
３Ａ ボールねじ用ボール
３Ｂ ボールスプライン用ボール
７Ａ 転動路
７Ｂ 戻し路
８Ａ，８Ｂ エンドキャップ
１０ スプライン付きボールねじ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】