(57)【要約】【課題】  耐久性の向上を図ることができると共に、高速化やボール径の大径化を実現することができ、更には、低振動化及び作動性の向上を図ることができるボールねじ装置を提供する。【解決手段】  螺旋軌道を転動するボール１５を該螺旋軌道の略接線方向に掬い上げる循環部品１７内のボール循環経路２１が、脚部１９のタング部１９ａによって螺旋軌道から掬い上げたボール１５をナット１４の外部側に導く第１の湾曲経路Ｒ１を具備し、該第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡４２の曲率半径ｒ１がボール１５の直径の１．５倍以上とされている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸の前記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、前記両ねじ溝間の螺旋軌道に転動可能に装填された多数のボールと、前記螺旋軌道を転動する前記ボールを、前記ナットの周方向の側面に該ナットの軸線に対して略直交する方向に穿孔された一対の循環孔の内の一方の循環孔から該ナットの外部に導き、他方の循環孔から前記螺旋軌道に戻すボール循環経路を内部に形成すべく前記各循環孔に両端部が嵌合された循環部品とを備えたボールねじ装置において、
前記循環部品は、両端部に前記ナットの前記循環孔に嵌合されると共に、各先端に前記螺旋軌道を転動する前記ボールを該螺旋軌道の略接線方向に掬い上げるタング部を有する一対の脚部と、該一対の脚部を接続する本体とを備え、
該循環部品内の前記ボール循環経路が、前記脚部の前記タング部によって前記螺旋軌道から掬い上げた前記ボールを前記ナットの外部側に導く第１の湾曲経路を具備し、該第１の湾曲経路のボール中心軌跡の曲率半径を前記ボールの直径の１．５倍以上としたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
前記第１の湾曲経路を含む前記ボール循環経路内の各湾曲経路のボール中心軌跡と直線経路のボール中心軌跡とを接線で接続したことを特徴とする請求項１に記載したボールねじ装置。
【請求項３】
前記第１の湾曲経路のボール中心軌跡を、該ボール中心軌跡が前記脚部の外径と平行になる前に次の湾曲経路又は直線経路のボール中心軌跡と接線で接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載したボールねじ装置。
【請求項４】
前記循環部品を、前記ボール循環経路の略経路方向に沿って２つ以上に分割したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじ装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば工作機械や射出成型機等の各種機械装置に用いられるボールねじ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来の循環チューブ式ボールねじ装置の一例を示したものであり、このボールねじ装置１は、外周面に螺旋状のねじ溝２を有するねじ軸３に、内周面にねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４を有するナット６が螺合されている。
ナット６のねじ溝４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軌道を形成しており、該螺旋軌道には転動体としての多数のボール５が転動可能に装填されている。そして、ねじ軸３（又はナット６）の回転により、ナット６（又はねじ軸３）がボール５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。
【０００３】
また、ナット６の外周面の一部は平坦面とされ、この平坦面に両ねじ溝２，４に連通する一対の循環孔７をねじ軸３を跨ぐように形成して、この一対の循環孔７に略コ字状をなすチューブ状の循環部品８の両端を嵌め込むことにより、両ねじ溝２，４間の螺旋軌道に沿って公転するボール５を該螺旋軌道の途中から循環部品８で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、これにより、ボール５を無限循環させるようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなチューブ式の循環部品では、ナット６の側面方向からボール５をナット６のねじ溝４から完全に離し、多列化が可能な外部循環方式であるため、特に小リード品の高負荷容量化には好適であるが、最近のボールねじ装置の高回転化に伴って、ボールが循環部品に衝突するスピードが速くなって衝突エネルギーが大きくなると、循環部品やねじ溝（ねじ溝の両肩部など含む）が破損して高速化への妨げとなるため、図７及び図８に示すように、循環部品によるボールの掬い上げ方向を螺旋軌道の略接線方向に傾けたボールねじ装置を本出願人は先に提案した（特願２００３−３１８１２３号明細書）。なお、図８では、説明の便宜上、１巻未満のナット断面を描いている。
【０００５】
このボールねじ装置１０は、図７及び図８に示すように、外周面に螺旋状のねじ溝１１を有するねじ軸１２に、内周面にねじ溝１１に対応する螺旋状のねじ溝１３を有するナット１４が嵌合されており、ナット１４のねじ溝１３とねじ軸１２のねじ溝１１とは互いに対向して両者の間に負荷を受ける螺旋軌道を形成している。
該螺旋軌道には転動体としての多数のボール１５が転動可能に装填されており、ねじ軸１２（又はナット１４）の回転により、ナット１４（又はねじ軸１２）がボール１５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。
【０００６】
ナット１４の周方向の側面の一部には平坦面１４ａが形成されており、該平坦面１４ａには一対の循環孔２０がナット１４の軸線に対して略直交する方向に穿孔され、一対の循環孔２０には循環部品１７が図示しない押え具（キャップ等）を介して例えば止めねじ等によって固定されている。
該循環部品１７は、一対の循環孔２０に嵌合される一対の脚部１９と、一対の脚部１９を接続する本体１７ａとを備えて、内部がボール１５の循環経路２１とされており、該ボール循環経路２１の略経路方向に沿って点対称で２つに分割された分割体２２（図９参照）を分割面で互いに接合して組み立てられ、分割体２２の分割面にはボール循環経路２１を構成する循環溝２１ａが形成されている。
【０００７】
一対の脚部１９は、ねじ軸１２の軸方向に互いに離間し、且つねじ軸１２の略経路方向に互いに離間して配置されており、各脚部１９の先端に設けられたタング部１９ａ（図９参照）によって両ねじ溝１１，１３間の螺旋軌道を転動するボール１５を螺旋軌道の略接線方向に掬い上げるようになっている。
また、この例では、ボール１５が前記螺旋軌道から離れる掬い上げ点のねじ軸１２の軸中心から見た角度を見かけの掬い上げ角度γとした場合、この見かけの掬い上げ角度γをある程度大きくして負荷を受けるボール１５の数を多くし、これにより、ボールねじ装置の負荷容量を増やすようにしている。見かけの掬い上げ角度γは、０＜θ≦９０°（実質的には２０〜４５°程度）の範囲とされている。
【０００８】
そして、この循環部品１７によって、前記両ねじ溝１１，１３間の螺旋軌道を転動するボール１５を一方の脚部１９から掬い上げてナット１４外部の本体１７ａ内に導き、他方の脚部１９から前記螺旋軌道に戻すボールの無限循環軌道を形成している。
このように、掬い上げ点で螺旋軌道の略接線方向にボール１５を掬い上げることで、循環部品１７と螺旋軌道との間でのボール１５の出入りをスムースにして、掬い上げ位置付近のねじ軸１２や循環部品１７のタング部１９ａ等へのボール１５の衝突力を小さくし、これにより、従来のチューブ循環式ボールねじ装置等よりも高速化が図れるようにしている。
【０００９】
しかしながら、上記のように螺旋軌道の略接線方向（見かけの掬い上げ角度γ位置でのリード角方向）へのボール１５の掬い上げでは、掬い上げ点での角度変化が少ない分、循環部品１７内のボール循環経路２１が複雑になり、循環部品１７の本体１７ａのナット１４からの突出寸法を小さくしようとすると、ボール循環経路２１内の曲げＲを小さくしたり、曲げ角度を大きくしなければならないため、循環部品１７が運動するボール１５の方向変換時の反力が大きくなりやすく、ボール循環経路２１内の摩耗やボール１５のつまりが発生する可能性がある。
【００１０】
このため、ボール循環経路２１内の耐久性が低下すると共に、振動の発生により高速化やボール径の大径化に限界が生じ、更には、振動による騒音の増加やボール１５のつまり抵抗による作動特性の悪化等が懸念される。
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、螺旋軌道の略接線方向へのボールの掬い上げを容易に実現することができるのは勿論のこと、耐久性の向上を図ることができると共に、高速化やボール径の大径化を実現することができ、更には、低振動化及び作動性の向上を図ることができ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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸の前記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、前記両ねじ溝間の螺旋軌道に転動可能に装填された多数のボールと、前記螺旋軌道を転動する前記ボールを、前記ナットの周方向の側面に該ナットの軸線に対して略直交する方向に穿孔された一対の循環孔の内の一方の循環孔から該ナットの外部に導き、他方の循環孔から前記螺旋軌道に戻すボール循環経路を内部に形成すべく前記各循環孔に両端部が嵌合された循環部品とを備えたボールねじ装置において、
前記循環部品は、両端部に前記ナットの前記循環孔に嵌合されると共に、各先端に前記螺旋軌道を転動する前記ボールを該螺旋軌道の略接線方向に掬い上げるタング部を有する一対の脚部と、該一対の脚部を接続する本体とを備え、
該循環部品内の前記ボール循環経路が、前記脚部の前記タング部によって前記螺旋軌道から掬い上げた前記ボールを前記ナットの外部側に導く第１の湾曲経路を具備し、前記第１の湾曲経路のボール中心軌跡の曲率半径を前記ボールの直径の１．５倍以上としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第１の湾曲経路を含む前記ボール循環経路内の各湾曲経路のボール中心軌跡と直線経路のボール中心軌跡とを接線で接続したことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記第１の湾曲経路のボール中心軌跡を、該ボール中心軌跡が前記脚部の外径と平行になる前に次の湾曲経路又は直線経路のボール中心軌跡と接線で接続したことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記循環部品を、前記ボール循環経路の略経路方向に沿って２つ以上に分割したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、循環部品内のボール循環経路に、脚部のタング部によって螺旋軌道から掬い上げたボールをナットの外部側に導く第１の湾曲経路を有して、該第１の湾曲経路のボール中心軌跡の曲率半径をボールの直径の１．５倍以上としているので、ボール循環経路の内壁に作用するボールの方向転換時の反力を小さくすることができ、これにより、ボール循環経路内での摩耗を抑制することができると共に、ボールのつまりを防止することができ、ボールのスムースな運動を確保することができる。
この結果、耐久性及び作動性の向上を図ることができ、また、振動が小さくなることから高速化やボールの大径化及び低騒音化を実現することができると共に、循環部品が樹脂等の材料でも大きなサイズのボール径に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。図１は本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置の循環部品（分割体）を説明するための模式的斜視図、図２はボール循環経路（ボール中心軌跡）の曲率半径とＤＮ値との関係を示すグラフ図、図３はねじ軸の軸方向から見たボール循環経路（ボール中心軌跡）の比較を示す図、図４はねじ軸のリード角方向から見たボール循環経路（ボール中心軌跡）の比較を示す図、図５は第１の湾曲経路Ｒ１と第２の湾曲経路Ｒ２との接続例を説明するための説明図である。なお、この実施の形態では、既に図７〜図９で説明したボールねじ装置との相違点についてのみ説明し、重複又は相当する部材等の符号は図７〜図９を流用して説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置は、図１に示すように、循環部品１７内のボール循環経路２１が、脚部１９のタング部１９ａによって両ねじ溝１１，１３間の螺旋軌道から掬い上げたボール１５をナット１４の外部側に導く第１の湾曲経路Ｒ１を備え、該第１の湾曲経路Ｒ１におけるボール循環経路２１のボール中心軌跡４２の曲率半径ｒ１をボールの直径の１．５倍以上としている。
【００１６】
以下、詳述する。
図１は、循環部品１７をボール循環経路２１の略経路方向に沿って点対称で２つに分割した分割体２２を模式的に示したものである。
ここで、図中の符号４０は螺旋軌道（負荷圏）のボール中心軌跡、４１は螺旋軌道の接線（掬い上げ方向）、４２はボール循環経路２１のボール中心軌跡、４３は設計上の掬い上げ点でＢＣＤ上の見かけの掬い上げ位置、４４は掬い上げ完了点でタング部１９ａの先端位置（＝ボール１５がボール循環経路２１内に入ったとみなす位置）、４５は第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡４２の曲げの開始点、４６は第１の湾曲経路Ｒ１と第２の湾曲経路Ｒ２との間の直線経路Ｓ１におけるボール中心軌跡４２の直線開始点、４７は第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡４２の曲げの開始点、４８は第２の湾曲経路Ｒ２の曲げの完了点で返還対称点５０までの直線経路Ｓ２の開始点である。
【００１７】
なお、ここでいう返還対称点５０とは、ボール循環経路２１の中間点で、循環部品１７を点対称でボール循環経路２１の略経路方向に２つに分割した際の対称点であ。また、図中のＺはねじ軸１２の軸方向、Ｙはナット１４の平坦面１４ａと直交する方向、Ｘはナット１４の平坦面１４ａの幅方向の沿う方向である。
図１から判るように、ボール１５を螺旋軌道の接線方向に掬い上げることから、タング部１９ａ付近の設計上の掬い上げ点４３から掬い上げ完了点４４までは直線経路Ｓ３とされ、タング部１９ａに加わる力を緩和させている。従来のチューブ式循環部品では、この直線経路Ｓ３の部分で図１のＹ軸方向へ強制的に方向転換していたので、タング部ヘの繰り返し荷重が大きかった。
【００１８】
図２は、循環部品１７のボール循環経路２１内の湾曲経路でどの程度の高速回転が実現可能かを試験した結果を示したものである。試験はボール循環経路２１の湾曲経路におけるボール中心軌跡の曲率半径を変化させたものを用い、１０００ｋｍ走行した時点でボール循環経路２１内の壁部に異常摩耗が発生したかどうかで判断した。
試験条件は次の通りである。
ねじ軸径：６３ｍｍ
リード：１６ｍｍ
循環部品材料：ＰＯＭ
ナット外径温度：８０°Ｃ
【００１９】
図２からボール循環経路２１の湾曲経路の曲率半径をボール径の１．５倍程度にすると、現在の高速ボールねじ装置で要求されるＤＮ値が２０万程度を実現でき、また、１．５倍以上で高ＤＮ化の傾向が大きくなるのが判る。
これらより、この実施の形態では、ボール循環経路２１の湾曲経路の内、ボール１５の掬い上げ点４３に近い第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡４２の曲率半径ｒ１の大きさが循環部品１７の耐久性に大きく関係することから、この曲率半径ｒ１をボール径の１．５倍以上とする。
なお、第１の湾曲経路Ｒ１の曲率半径ｒ１を単純に大きくすると、ボール循環経路２１が外回りとなり、循環部品１７の本体１７ａのナット１４からの突出寸法が大きくなってしまう場合がある。
【００２０】
図３及び図４に、循環部品１７の本体１７ａのナット１４からの突出寸法を小さくしてナット１４をコンパクトにすることができるボール循環経路２１のボール中心軌跡の配置例を示す。
なお、図３はねじ軸１２の軸方向から見たボール循環経路２１（ボール中心軌跡）を示す図で、（ａ）が本発明例、（ｂ）が比較例であり、図４はねじ軸１２のリード角方向から見たボール循環経路２１（ボール中心軌跡）の図で、（ａ）が本発明例、（ｂ）が比較例である。また、図４のａ〜ｄの部位は図３のａ〜ｄの部位に対応している。
【００２１】
図３（ｂ）及び図４（ｂ）の比較例では、第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡と第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡とを図中Ｙ軸の方向で接続している。このような接続を採用したのは、第２の湾曲経路Ｒ２以降はチューブ式の循環部品と同様として押え具等を含めた設計を単純化するためである。
これに対して、図３（ａ）及び図４（ａ）の本発明例では、ボール１５の接線掬い上げ位置４３から返還対称点５０までをスムーズに接続するために、第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡と第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡とをＹ軸に対してα゜傾けた面内で接続している。即ち、第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡を、該ボール中心軌跡が脚部１９の外径と平行になる前に第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡と接続している。なお、αの値は、通常の循環部品１７の形状から５〜１５°程度が望ましい。
【００２２】
本来、接線掬い上げ位置４３と返還対称点５０とを一つの大きなＲで接続するのがボール循環経路２１内でのボール１５のスムースな運動を確保するためには理想であるが、循環部品１７をナット１４の平坦面１４ａに複数配置して多回路とすることや、循環孔２０の加工の単純化等の観点から、第１の湾曲経路Ｒ１と第２の湾曲経路Ｒ２とを接続した経路としている。
【００２３】
第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡と第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡とは上述した角度αで直接接続しても良いが、図５に示すように、極短い直線経路Ｓ１を介して接続してもよい。この直線経路Ｓ１の長さはあまり意味がないので、極力短くすることが望ましい。また、図５に示すように、これらの湾曲経路Ｒ１，Ｒ２及び直線経路Ｓ１，Ｓ３，Ｓ３等の各ボール中心軌跡は全て接線でスムースに接続することが重要である。なお、図５の符号Ａ，Ｂは各接線が交差する点を示す。
【００２４】
また、第２の湾曲経路Ｒ２のボール中心軌跡の曲率半径ｒ２については、前記曲率半径ｒ１と同様に大きくすることが望ましいが、第１の湾曲経路Ｒ１と比較して摩耗による影響が低く、曲率半径ｒ２を大きくするためにはナット１４側の加工も複雑になることから、ｒ１≧ｒ２で極力大きくすることが望ましい。
このようにこの実施の形態では、循環部品１７内のボール循環経路２１に、脚部１９のタング部１９ａによって螺旋軌道から掬い上げたボール１５をナット１４の外部側に導く第１の湾曲経路Ｒ１を有して、該第１の湾曲経路Ｒ１のボール中心軌跡の曲率半径ｒ１をボール１５の直径の１．５倍以上としているので、ボール循環経路２１の内壁に作用するボール１５の方向転換時の反力を小さくすることができ、これにより、ボール循環経路２１内での摩耗を抑制することができると共に、ボール１５のつまりを防止することができ、ボール１５のスムースな運動を確保することができる。
【００２５】
この結果、耐久性及び作動性の向上を図ることができ、また、振動が小さくなることから高速化やボール１５の大径化及び低騒音化を実現することができると共に、循環部品１７が樹脂等の材料でも大きなサイズのボール径に対応することができる。
なお、本発明は上記実施の形態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。
【００２６】
例えば、上記実施の形態では、循環部品１７を押え具を介してナット１４の平坦面１４ａに固定した場合を例示したが、循環部品１７をナット１４の平坦面１４ａに止めねじ等によって直接固定してもよい。
その他、上記実施の形態においてねじ溝、ねじ軸、ナット、ボール、循環孔、循環部品、タング部、脚部、本体、第１の湾曲経路、第２の湾曲経路、直線経路、分割体等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置の循環部品（分割体）を説明するための模式的斜視図である。
【図２】ボール循環経路（ボール中心軌跡）の曲率半径とＤＮ値との関係を示すグラフ図である。
【図３】ねじ軸の軸方向から見たボール循環経路（ボール中心軌跡）の比較を示す図で、（ａ）が本発明例、（ｂ）が比較例である。
【図４】ねじ軸のリード角方向から見たボール循環経路（ボール中心軌跡）の比較を示す図で、（ａ）が本発明例、（ｂ）が比較例である。
【図５】第１の湾曲経路Ｒ１と第２の湾曲経路Ｒ２との接続例を説明するための説明図である。
【図６】従来のチューブ循環式ボールねじ装置の一例を示す断面図である。
【図７】ボールの掬い上げ方向を螺旋軌道の略接線方向に傾けたボールねじ装置の一例を説明するための説明図である。
【図８】図７の略経路方向に沿う断面図である。
【図９】分割体の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１  ねじ溝
１２  ねじ軸
１３  ねじ溝
１４  ナット
１５  ボール
１７  循環部品
１７ａ  本体
１９  脚部
１９ａ  タング部
２０  循環孔
２１  ボール循環経路
２２  分割体
Ｒ１  第１の湾曲経路
Ｒ２  第２の湾曲経路
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  直線経路
【図１】
2006125544.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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