(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなり、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面においてナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施したことを特徴とする固体潤滑ボールねじ。
【請求項２】
複合材料は、繊維強化フッ素樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の固体潤滑ボールねじ。
【請求項３】
フッ素樹脂もしくはその複合材料が、ポリテトラフルオロエチレンもしくはその複合材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体潤滑ボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおけるボール循環機構部の改良に関し、さらに詳しくは、宇宙空間や真空中でボールねじを用いる場合においてとくにボール循環機構部の耐久性をより一層向上させた固体潤滑ボールねじに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじは、送りねじの効率を向上するために、前記したようにねじ軸とナットとの間に多数のボール（球）を挿入した特殊な送りねじとして、種々の分野に採用されてきている（「機械工学便覧」  日本機械学会  昭和６３年５月１５日初版２刷発行  Ｂ２−１７３頁）。
【０００３】
特に、このような構造をもつボールねじには、下記のような優れた特徴があるため、自動車のステアリング用、工作機械および産業機械用として広く採用されている。
【０００４】
（１）一般に、効率が９２〜９７％と高く、従来の面当たりをする送りねじに比べて３〜４倍も高い。
【０００５】
（２）回転運動を直線運動に変換するだけでなく、直線運動を回転運動に容易に変換できる。
【０００６】
（３）ころがり摩擦が大半であり、面接触の送りねじや油圧駆動に比べてスティクスリップ現象が生じにくい。
【０００７】
（４）通常の送りねじに比べて寿命が長い。
【０００８】
ボールねじには以上のような優れた特徴があるため、近年では、宇宙空間や真空中での採用が拡大されてきた。そこで、宇宙空間や真空中でボールねじを用いる場合には、オイル潤滑ができないため、オイルの代わりにＰｂやＭｏＳ２，ＷＳ２などの固体潤滑剤を塗布して用いることが多い。
【０００９】
しかしながら、まだ、宇宙空間や真空中における採用実績も少なく、従来のオイル潤滑下で用いられるボールねじに固体潤滑剤を塗布したのみで用いることが殆どであり、固体潤滑剤を塗布して用いる場合の設計指針について、固体潤滑剤による膜厚増加に対応する加工目標値の決定手法を除き、細部における設計事項は特に存在していないのが実状である。
【００１０】
このため、固体潤滑剤を塗布するボールねじに関しては、摩擦粉対策手法に関する出願（実開平２−１５０４５２号公報、実開平４−２２６３８号公報など）が数件見られる程度であり、あまり研究されていないのが現状である。
【００１１】
従来のボールねじとしては、例えば、図１に示すリターンピース式のボールねじや、図２に示すボールチューブ式のボールねじなどがある。
【００１２】
このうち、図１に示すリターンピース式のボールねじ１１は、ねじ軸１２に形成したねじ軸溝１２ａとナット１３に形成したナット溝１３ａとの間にボール１４を介在させると共にボール循環機構部（リターンピース）１５をそなえた構造を有し、図２に示すボールチューブ式のボールネジ２１は、ねじ軸２２に形成したねじ軸溝２２ａとチューブ２３に形成したボール溝との間にボールを介在させる構造を有するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のボールねじは、いずれも、オイル潤滑やグリース潤滑が念頭におかれているものであるため、ボール潤滑部の材質はナット部の材質と同一であり、また、ナット部とのつなぎ目の端部加工は、せいぜいＣ１面取りか、糸面取り程度のレベルであった。
【００１４】
このため、ボールねじに固体潤滑剤を塗布して使用すると、ねじ部、ナット部双方の溝面の潤滑膜がさほど摩耗していないのに、ボール表面の潤滑膜のみは早期に摩耗してしまうという問題があった。
【００１５】
この原因は、ナット部とボール循環機構部の端部に必然的に存在する若干の段差により、ボール表面の固体潤滑剤が削り取られるのと同時に、ボール循環機構部内ではボール（鋼球）は転がらず、後方のボールにて強制的に後から押されながら、強制滑りにてボール循環機構部を移動するためである。
【００１６】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであって、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、従来のようにボール表面の潤滑膜のみが早期に摩耗してしまうという問題点を解消し、ボール表面の潤滑膜が早期に摩耗しがたいことによってボールねじの耐久性を大きく改善することが可能であるようにすることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる固体潤滑ボールねじは、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなり、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面においてナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたことを特徴としている。
【００１８】
そして、本発明に係わる固体潤滑ボールねじの実施態様においては、請求項２に記載しているように、複合材料は、繊維強化フッ素樹脂であるものとすることができ、請求項３に記載しているように、フッ素樹脂もしくはその複合材料が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もしくはその複合材料からなるものとすることができる。
【００１９】
【発明の作用】
本発明に係わる固体潤滑ボールねじは、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなる構成としたものであり、ボール循環機構部をフッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＰＣＴＦＥ，ＥＴＦＥ，ＥＣＴＦＥ等）またはその複合材料で作製することにより、固体潤滑剤であるＭｏＳ２やＷＳ２などのなじみ性がＳＵＳ材に比べて極めて良好なものとなる。さらに、摩擦係数が低いため、ボールに生じる面圧が低くなり、被膜の摩耗が少なくなることによって、ボール循環機構部の耐久性が向上し、したがってボールねじの耐久性が向上する。
【００２０】
そしてさらに、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、ナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたものであるから、ボールは本来の移動方向に噛み込みを生じることなく動くようになる。この場合、アール加工がボール径の２０％未満ではボールねじの寿命が低下し、また、３５％超過の大きなアール加工ではボール循環機構部とナット溝端部でのボール同士の噛み込みが生じるようになる。
【００２１】
そして、請求項２に記載しているように、複合材料は、繊維強化フッ素樹脂とすることによって、ボール循環機構部の強度が向上したものとなり、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＰＣＴＦＥ，ＥＴＦＥ，ＥＣＴＦＥ等）のうち請求項３に記載しているように、摩擦係数が最も低いものに属するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を使用することによって、ボールに生じる面圧がさらに低くなり、ボール表面での潤滑膜の早期摩耗がさらに有効に回避されることとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２３】
実施例１
図１に示した構造を有するリターンピース式のＳＵＳ６３０（析出硬化系ステンレス鋼）材からなる表１に示す仕様のボールねじ１１を準備し、固体潤滑剤として無機バインダー結合のＭｏＳ２焼成膜を、ねじ軸溝１２ａ、ナット溝１３ａ、ボール循環機構部１５のボール溝１５ａ、ボール１４の表面にそれぞれ１０μｍの厚さで塗布した。
【００２４】
同時に、ボール循環機構部１５を構成するリターンピースのみＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）材のブロックから総削り出しで同一のものを作製し、リターンピースのみをＰＴＦＥ材品と取り替え、ボールねじをダブルナット方式で組み立てて、実施例１のボールねじとした。
【００２５】
尚、組み立て後の検査では、軸方向クリアランス、横方向クリアランスともに１２μｍであった。
【００２６】
次いで、表２に示す条件による真空摺動試験に供した。このとき、本実施例はＮ＝４（すなわち、図３に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．４）として実施した。
【００２７】
【表１】
0003543848.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003543848.tif 000003
【００２９】
実施例２
実施例１と同様に、図１に示した構造を有するリターンピース式のＳＵＳ６３０材からなる表１に示す仕様のボールねじ１１を準備し、固体潤滑剤として無機バインダー結合のＭｏＳ２焼成膜を、ねじ軸溝１２ａ、ナット溝１３ａ、ボール循環機構部１５のボール溝１５ａ、ボール１４の表面にそれぞれ１０μｍの厚さで塗布した。
【００３０】
同時に、ボール循環機構部１５を構成するリターンピースのみ１０重量％ガラス短繊維含有のＰＴＦＥ材のブロックから総削り出しで同一のものを作製し、ボール溝端部に０．８Ｒのアール加工を施し、リターンピースのみをＰＴＦＥ材品と取り替えた。同時にナット溝端部にも０．８Ｒのアール加工を施したものと組み合わせて、ボールねじをダブルナット方式で組み立てて、実施例２のボールねじとした。
【００３１】
次いで、このボールねじを実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３２】
実施例３
リターンピースを１０重量％ガラス短繊維含有のＰＴＦＥ複合材のブロックから削り出し、ボール溝端部に施すアール加工条件として溝端部に１．２Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に１．２Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、実施例３のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３３】
比較例１
実施例１において、リターンピースをＰＴＦＥ材と取り替えない他は、実施例１と全く同様にして、比較例１のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。尚、本比較例はＮ＝５（すなわち、図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．５）として実施した。
【００３４】
比較例２
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に０．４Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に０．４Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例２のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３５】
比較例３
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に１．５Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に１．５Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例３のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３６】
比較例４
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に２．０Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に２．０Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例４のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３７】
参考例
参考例として、転がりベアリングに実施例１で用いた固体潤滑剤（ＭｏＳ２）を１０μｍの厚さで処理し、実施例１と同様の摺動試験に供した。尚、本参考例はＮ＝２（すなわち、図４に示すＮｏ．１，Ｎｏ．２）として実施した。
【００３８】
摺動試験による評価
摺動試験において、固体潤滑剤である被膜が破断し、摩擦係数が０．３を超えるまでの累積摺動回数を測定した。各実施例および比較例のボールねじのボール循環機構部の累積摺動回数より、摺動寿命を評価した。
【００３９】
ボールねじの摺動寿命評価の結果について、図３〜図５に示す。
【００４０】
実施例１の結果を示す図３より明らかなように、実施例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）では、ボール循環機構部（リターンピース）をＭｏＳ２となじみ性が良く、かつ純滑りに強いＰＴＦＥ材に変えることにより、ボールねじの耐久寿命は大きく改善できた。しかしながら、摺動試験後の分解調査において、リターンピースを剛性の低い樹脂材に替えたため、ＳＵＳ材を用いた場合に比べて溝端部のへたりが大きくなることも認められた。
【００４１】
また、比較例１の結果を示す図４より明らかなように、比較例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５）の被膜の寿命は、参考例として示す転がりベアリング（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）の被膜の寿命に比べてかなり短いものとなっていた。この原因について、２×１０３回で摺動試験を中断してボールねじの各部を分解して調べた結果、ボールの固体潤滑被膜は既に消失していたが、ねじ軸溝、ナット溝、ボール循環機構部のボール溝の固体潤滑被膜はまだ存在していることが認められた。
【００４２】
各部の詳細調査の結果として、ボール循環機構部の外観観察によれば、ボール循環機構部のボール溝表面には固体潤滑被膜が残存しているように見られるが、同部の溝断面観察では、基材金属の表面塑性流動が顕著に認められ、ボール循環機構部内では、明らかにボールは転がらず、強制的に滑ることにより移動していることがわかった。また、溝端部の断面観察によれば、端部ほど塑性流動が激しく、へたり（端部の形状が、加工時には糸面取りＣ０．１のレベルであったものが、Ｒ０．２のレベルまで変形）が発生し、ナット溝とボール循環機構部のボール溝とのつなぎ目でボールに生じる面圧が高く、この段階で被膜の摩耗が激しいことがわかった。
【００４３】
以上のことから、ボールのみの早期潤滑被膜の消失は、ナット部とボール循環機構部の端部に必然的に存在する若干の段差によりボール表面の固体潤滑剤が削り取られるのと同時に、ボール循環機構部内ではボールは転がらず、後方のボールにて強制的に後から押されながら、強制滑りにてボール循環機構部を移動するためであると考えられる。
【００４４】
さらに、ボール溝端部に施すアール加工条件を変えた試験結果を示す図５より明らかなように、比較例４のごとくリターンピース溝端部に２．０Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部にも２．０Ｒのアール加工を施したものでは、ボール循環機構部とナット溝端部でのボール同士の噛み込みが認められ、アールを大きくし過ぎるとボールは本来の移動方向には動きにくく、２個のボールがボールの移動方向とは直角の方向で噛み合い易くなることがわかった。
【００４５】
本試験に用いたボール径は、表１に示すように、３．９６８８ｍｍであり、実施例２でナット溝端部でのアールおよびリターンピース溝端部でのアールはともに０．８Ｒでボール径の２０．１６％であり、また、実施例３のそれはともに１．２Ｒでボール径の３０．２３％であり、これらの累積摺動回数は約１０７回と良好な結果が得られた。
【００４６】
しかし、比較例２および比較例３のアールは０．４Ｒおよび１．５Ｒで、ボール径のそれぞれ１０．０９％および３７．７９％であり、累積摺動回数は１０６回以下であって上記２つの実施例に比べて劣るものとなっていた。
【００４７】
尚、本実施例では、ナット溝端部のアール加工とリターンピース溝端部のアール加工を同一Ｒのアール加工の組み合わせとして行った場合を示したが、双方の溝端部にボール径の２０％〜３５％の大きさのＲのアール加工を施したものの組み合わせであれば、同様に高い摺動寿命が得られることが認められた。
【００４８】
図３および図５に示した結果からも明らかなように、ボールねじのボール循環機構部をフッ素樹脂、とくに好ましくはＰＴＦＥ材もしくはその複合材としたものは、摩擦係数が０．３を超えるまでの累積摺動回数がいずれも１０６回以上と高い摺動寿命が得られた。また、同時に、ボールねじのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施したものは、累積摺動回数が約１０７回程度とより一層良好な耐久性が得られた。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わる固体潤滑ボールねじよれば、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなり、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、ナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたので、固体潤滑剤であるＭｏＳ２やＷＳ２などとのなじみ性がＳＵＳ材に比べて著しく良好なものとなり、さらに、摩擦係数が低いため、ボールに生じる面圧が低くなって、被膜の摩耗が少なくなることから、ボールねじの耐久性が大きく改善され、面圧基準の評価では、転がりベアリングと同等の摺動寿命を有する長寿命の固体潤滑ボールねじが得られるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５１】
そして、請求項２に記載しているように、複合材料は繊維強化フッ素樹脂とすることによって、ボール循環機構部の強度が向上したものとなり、金属に代えて樹脂を用いたいときの強度不足を補うものとすることも可能である。
【００５２】
さらに、請求項３に記載しているように、フッ素樹脂のうち摩擦係数が最も低いものに属するＰＴＦＥを使用することによって、ボールに生じる面圧をさらに低いものにすることが可能であり、ボールねじの耐久寿命を延長させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リターンピース式のボールねじの構造を示す側面破砕説明図（図１の（Ａ））および正面説明図（図１の（Ｂ））である。
【図２】ボールチューブ式のボールねじの構造を示す説明図である。
【図３】リターンピースのみをＰＴＦＥ材に取り替えた本発明の実施例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）の摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【図４】比較例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５）と参考例の転がりベアリング（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）の摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【図５】リターンピースのみをＰＴＦＥ複合材に取り替えた本発明実施例２，３および比較例２，３，４のボールねじの摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１１  リターンピース式のボールねじ
１２  ねじ軸
１２ａ  ねじ軸溝
１３  ナット
１３ａ  ナット溝
１４  ボール
１５  ボール循環機構部（リターンピース）
１５ａ  ボール溝（リターンピース溝）
【図１】
0003543848.tif 000004
【図２】
0003543848.tif 000005
【図３】
0003543848.tif 000006
【図４】
0003543848.tif 000007
【図５】
0003543848.tif 000008