(57)【要約】      （修正有）【課題】二点接触形式のボールねじにおいて、高速性及びトルク特性を損なうことなく、摩耗をできるだけ低減したボールねじを提供する。【解決手段】ねじ軸２及びナット３のボール転動溝５，６に、予圧を付与して、ボール４と軌道７との接触を二点接触形式とした。そして、ボール４と、ボール転動溝５，６との間に、少なくともウレア系の増ちょう剤を含む潤滑剤を介在させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転動溝、及び前記ナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、
前記ボールと前記軌道とに予圧をかけて、前記軌道に二点接触させた前記ボールと、前記ねじ軸のボール転動溝、及び前記ナットのボール転動溝との間に潤滑剤を介在させ、該潤滑剤が、少なくともウレア系の増ちょう剤を含むことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
保持ピースを、複数の前記ボール間に配置したことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
前記ボールの表面に固体潤滑皮膜を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦、低トルク変動が要求されるボールねじに関し、特に、定格荷重があまり要求されず、高速性、低発熱性、低トルクが要求されるボールネジに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじには、ねじ軸に形成されたボール転動溝（以下、ねじ軸側転動溝と呼ぶ。）、及びナットに形成されたボール転動溝（以下、ナット側転動溝と呼ぶ。）の形状として、サーキュラアーク溝又はゴシックアーク溝あるいはそれらの組み合わせが用いられている。また、対向するねじ軸側転動溝及びナット側転動溝から構成される軌道と、ボールとの接触形式としては、二点接触形式、三点接触形式、四点接触形式がある。通常、これらの接触形式は、ねじ軸側転動溝及びナット側転動溝の形状をサーキュラアーク溝、又はゴシックアーク溝あるいはそれらの組み合わせとすることによって決められる。
例えば、ゴシックアーク溝は、一般に、四点接触形式に採用している。ゴシックアーク溝による四点接触形式での長所のひとつは、先端にボールを用いた測定球がボール転動溝に安定するため、有効径の管理を精度良くできる。
【０００３】
一方、サーキュラアーク溝は、一般に、二点接触形式に採用されている（例えば、特許文献１参照。）。二点接触形式の長所のひとつは、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が四点接触形式に比べて少ないことがあげられる。二点接触形式では、例えば、ダブルナット方式のボールねじは、軸方向隙間をつくり、この軸方向隙間に予圧荷重を見込んだ幅を加えた（あるいは引いた）間座等を用いて、ナットとねじ軸とを軸方向へ相互に動かすことによって予圧を付加する。そのため、軸方向隙間を精度良く管理する必要がある。
なお、軸方向隙間とは、軌道とボールとの間に予圧を付加する前の状態におけるボールとボール転動溝とがつくるねじ軸の軸方向における隙間をいう。
【０００４】
一方、特許文献２でも、特許文献１と同様に摩擦損失の低減を図り、二点接触形式を採用したボールねじが開示されている。特許文献２に開示されたボールねじは、ボール転動溝の形状をゴシックアークとし、ねじ軸及びナットの有効径の管理を確実にして、摩擦損失の低減を図り、組み立て時の精度を向上させると共に、ボール転動溝の精度の品質を向上させている。その結果、この特許文献２によれば、高速運転（ねじ軸の径が３０ｍｍ程度で、試験回転数が５０ｒｐｍ以上）において、通常予圧（三点接触形式、又は四点接触形式）のボールねじより低いトルクを実現できるとしている。
【０００５】
ここで、図７は、各予圧方式の予圧量と予圧動トルクとの関係を示すグラフである。各試験体の予圧方式は、参考例１（三点（Ｚ）接触形式）、参考例２（四点（Ｐ）接触形式）、参考例３（二点接触形式）とした。なお、横軸の括弧内に示した数値は、予圧荷重（ｋｇ）である。
図７中、「現行計算値」は、下記式（１）及び式（２）に示す予圧量（予圧荷重）と予圧動トルクとの関係式から算出した結果である。なお、下記式（１）及び式（２）中、Ｔは予圧動トルク（Ｎ・ｃｍ）を示し、Ｆａｏは予圧荷重（ｋｇ）を示し、Ｌはリード（ｍｍ）を示し、Ｋは予圧摩擦係数を示し、βはリード角を示す。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
ボールねじとしては、日本精工株式会社製「ＢＳ３２０５（ねじ軸２の直径：３２ｍｍ、リード：５ｍｍ、ボールの基準直径：３．１７５ｍｍ（１／８インチ）、回路数：２．５巻１列×２）」を用い、潤滑油は「ＩＳＯ  ＶＧ＃６８」を用い、試験回転数：１００ｒｐｍで試行した。なお、予圧状態での各試験体の接触角は４５°に設定した。
図７に示すように、ボール転動溝とボールの接触状態が二点接触方式で予圧された参考例３のボールねじは、他の予圧方式とされた参考例１及び参考例２のボールねじと比較して、予圧荷重が大きくなってもトルクが小さい特性を有することが示された。これは、参考例３のボールねじの摩擦損失が少ないことを示している。
【０００８】
このように、二点接触のボールねじは、定常状態（同一方向に回転しているとき）では、他の予圧方式（三点接触・四点接触）と比較して、同予圧荷重（予圧量）でも低トルクを実現できるため、トルク特性が優れる。
ここで、二点接触形式のボールねじにおいては、前記軌道においてボールを二点で支持しているので、ボールの転動方向に直交する面（以下、溝直交断面と呼ぶ。）内でボールが動きやすく、軌道内のボールの配列が千鳥状になる、いわゆる千鳥現象が起こりやすい。
【０００９】
ボールねじを運転させたときに生じる摩擦は、ボール転動溝とボールとの間の摩擦と、ボール同士の競り合いによる摩擦とがある。二点接触形式のボールねじにあっては、ボール転動溝とボールとの間の摩擦が小さいため、ボールの競り合いによる摩擦変動のほうが顕著である。また、ボールの競り合いによる摩擦は、使用状況（速度、ストローク等）により変化するため、予測が難しく、ボールねじを安定駆動する障害となる。
引用文献２では、ボール間に保持ピースやスペーサボールを挿入する構成が提案されており、これによって、ボール同士の競り合いが低減され、結果として上記千鳥現象を低減することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２７６７６５号公報
【特許文献２】特開２００４−２５７４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、二点接触のボールねじにおいては、千鳥現象の他に、ボールねじが低速で揺動運転する際に、ボールが低速で溝直交断面内を動くことで、潤滑性能が落ち、ボール転動溝及びボールの磨耗が進行する問題があった。
具体的には、ボールねじは当然往復運動で使用され、特に、ストロークが短く同じ位置で繰り返し往復運動することを、一般に揺動運転と呼んでいる。この揺動運転が低速で行われた場合には、潤滑油がボール転動溝とボールとの接点付近に巻き込まれづらく、潤滑不良による磨耗が生じやすくなる。特に、二点接触のボールねじは、他の予圧方式と比較して、以下のような溝直交断面内でのボールの移動が存在する。
【００１２】
二点接触のボールねじでは、軌道が螺旋状にねじれているために、ボールとねじ軸側転動溝との接点、ボールとナット側転動溝との接点、及びボール中心は、いずれもねじ軸の軸心周りの螺旋運動を行うが、各点での半径が異なるため、各螺旋は互いに並行にはならない。そこで、ボールは転がりながら、各接点でその螺旋方向に引っ張られ、微小ではあるが、ボール転動溝の中を転がり方向とは直角の方向に移動して、くさび状に食い込むことになる。転がりながらボール転動溝への食いこみが、ある定常状態に達すると、ボールはそこで滑りを伴う転がり運転を続けることになる。このときの滑り率はリード角が大きいほど大きくなる。
【００１３】
図６は、二点接触のボールねじの溝直交断面におけるボールの動きを説明する要部拡大図であり、（ａ）は正作動（スラスト荷重の向きと運動方向とが逆）の場合を示し、（ｂ）は逆作動（スラスト荷重の向きと運動方向とが同じ）の場合を示す。
図６（ａ）に示すように、二点接触のボールねじにおいては、正作動の場合には、ボール４がナット側転動溝６へ移動して食い込み、図６（ｂ）に示すように、逆作動の場合には、ボール４がねじ軸側転動溝５へ移動して食い込む態様となる。
【００１４】
このように、二点接触で予圧されたボールねじ１では、低速かつ揺動運転時に、溝直交断面でのボール４の微小運動が生じている。このボール４の微小運動は、数μｍという超小ストロークであり、超低速である。そして、ストロークの両端でこの微小運動は起こり、揺動運転では回数が非常に多くなる。
すなわち、他の転がり要素においては、速度が速くなることによって潤滑剤が境界面に巻き込まれやすくなるが、二点接触形式のボールねじ１においては、ボール４の微小運動が生じることによって、フレッチング磨耗が生じ、潤滑不良になりやすい。
【００１５】
ただし、二点接触形式で予圧されたボールねじは、図７に示すように、予圧量増に対する予圧トルクの上昇が小さい。つまり、１０Ｎ・ｃｍの予圧トルクに調整すると、Ｐ予圧（四点接触）やＺ予圧（三点接触）の場合は、０．５〜１μｍ程度の予圧量であるのに対し、二点接触形式の場合は、３μｍ程度の予圧量となる。このため、予圧量をある程度大きくしておけば磨耗しても予圧抜けなどの心配は少ないと考えられる。しかし、剛性低下などの問題があるため、磨耗は極力減らさなければならない。
この発明は、このような問題点に着目してなされたもので、二点接触形式のボールねじにおいて、低摩擦特性と耐磨耗性とを両立したボールねじを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸側転動溝、及び前記ナット側転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、
前記ボールと前記軌道とに予圧をかけて、前記軌道に二点接触させた前記ボールと、前記ねじ軸側転動溝、及び前記ナット側転動溝との間に潤滑剤を介在させ、該潤滑剤が、少なくともウレア系の増ちょう剤を含むことを特徴としている。
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、少なくともウレア系の増ちょう剤を含む潤滑剤を、前記ボールと、前記ねじ軸側転動溝、及び前記ナット側転動溝との間に介在させることで、二点接触形式で予圧されたボールねじの低摩擦特性を良好に維持しつつ、磨耗を低減することができる。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のボールねじにおいて、前記潤滑剤が含浸された保持ピースを、複数の前記ボール間に配置したことを特徴としている。
請求項２に係る発明によれば、保持ピースを、複数の前記ボール間に配置したことにより、ボールと、前記ねじ軸側転動溝及び前記ナット側転動溝との間に潤滑剤を充分に介在させることができる。
【００１８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のボールねじにおいて、前記ボールに、固体潤滑皮膜を施したことを特徴としている。
請求項３に係る発明によれば、前記ボールの表面に固体潤滑皮膜を形成することで、耐磨耗性がさらに向上する。その結果として、耐摩耗性をより向上させた二点接触形式のボールねじを提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、二点接触形式のボールねじにおいて、低摩擦特性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させたボールねじを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態におけるボールねじの平断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における予圧付加部分の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態における軸方向隙間の説明図である。
【図４】図１におけるボールと保持ピース部分を説明する要部拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態における１０万往復時の揺動ストロークとボール摩耗量との関係を示すグラフである。
【図６】二点接触のボールねじの溝直交断面におけるボールの微小運動を説明する要部拡大図である。
【図７】従来のボールねじにおける各予圧方式の予圧量と予圧動トルクとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る搬送装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるボールねじ１の構成を、一部を断面にて示す平面図であり、同図では、ナットを、ナットの軸方向の中心を含む平面で破断して示している。また、図２は、ボールねじ１に予圧を付加している状態における、軌道とボールとの関係を説明する説明図である。
【００２２】
図１に示すように、このボールねじ１は、螺旋状のボール転動溝５を外周面に有するねじ軸２と、ねじ軸側転動溝５に対向する螺旋状のボール転動溝６を内周面に有し、ねじ軸２に螺合される円筒状のナット３と、ねじ軸側転動溝５とナット３側転動溝６とで形成される軌道７に転動自在に装填された多数のボール４と、を備えている。そして、多数のボール４を介してねじ軸２に螺合されているナット３と、ねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動するようになっている。
【００２３】
ナット３の軸方向一端には、ナット３をテーブル等に固定するためのフランジ２２が設けてある。このフランジ２２とねじ軸２との間、及び、ナット３の軸方向他端部とねじ軸２との間は、防塵用シール１０で塞がれている。
ナット３の外周面には切欠部２１が形成され、この切欠部２１に略コ字状に屈曲したチューブからなる循環通路９が配置されている。この循環通路９は、循環通路押え８１で切欠部２１に固定されている。この循環通路９の両端は、ナット３を貫通して軌道７に至り、軌道７内を転動するボール４が循環通路９を通って循環するようになっている。
【００２４】
そのため、ボール４は軌道７内を移動し、ねじ軸２の回りを複数回回ってから、軌道７の一端（循環通路９の端部と軌道７との交点）において循環通路９の一方の端部（開口部）から循環通路９内にすくい上げられ、すくい上げられたボール４は、循環通路９の中を通って、循環通路９の他方の端部（開口部）から軌道７の他端に戻される。なお、循環通路９は、第１ナット３１及び第２ナット３２にそれぞれ１個ずつ軸方向に並べて配設されており、合計２個が設けられている。
このボールねじ１には、ゴシックアーク溝をボール転動溝５，６に採用している。すなわち、ボール転動溝５，６の断面形状は曲率中心の異なる２つの同一円弧を組合せた略Ｖ字状である。
【００２５】
また、ナット３には、ダブルナットタイプを使用し、予圧を付加している。詳しくは、ナット３は、軸方向に並べられた第１ナット３１及び第２ナット３２と、両ナット２１、２２の間に介在された間座３３とが一体となって構成されている。そして、間座３３の介在によって、軌道７内のボール４には、同図に示す矢印方向に予圧が付与され、各ボール４はナット側転動溝６の１点と、これに対向する位置のねじ軸側転動溝５の１点と、の二点で接触している。該二点を結ぶ線に直角な方向においては、ボール４は両ボール転動溝５，６に接触していないか、あるいは接触していても予圧は付与されていない（図２参照）。すなわち、ボールねじ１は、予圧付加構造にオフセットリード予圧構造を採用し、予圧をかけることによって、ボール４と軌道７との接触を二点接触形式としているのである。
【００２６】
なお、本実施形態のボールねじ１は、図１の部分拡大図として示す図４のように、全てのボール４同士の間に、保持ピース８が配置されていても良い。保持ピース８は、円柱の両底面が凹面（ボール保持面）７１になっている形状である。この円柱の直径はボール４の直径よりも少し小さい。また、この凹面７１は、同じ曲率半径の２つの球面を合わせた面形状となっており、その断面がゴシックアーク形状となっている。そして、この凹面７１は、ボール４の半径が凹面７１の半径より小さく、凹面７１の半径同士の交差位置がボール４の中心位置となるように形成されている。そのため、この保持ピース８の凹面７１とボール４は、線接触することができる。これにより、ボール４は保持ピース８の凹面７１に極めて低摩擦で接触することができる。そのため、ボール４と保持ピース８のすべり抵抗を小さくすることができる。したがって、保持ピース８の循環性も良好となるとともに、ボール４同士のせりあいによる作動性の悪化やボール４の摩擦や損傷を著しく低減することができる。
【００２７】
図５は、１０万往復時の揺動ストローク量に対するボールの摩耗量を、予圧方式及び使用する潤滑剤を異ならせて得られた結果を示すグラフである。予圧方式は、二点接触形式と四点接触形式とした。また、潤滑剤は、「ＩＳＯ  ＶＧ＃６８」を用意した。
図５に示すように、潤滑剤として油を用いた二点接触形式で予圧された比較例１のボールねじ１は、小ストローク時に磨耗量が急激に大きくなる。これに対して四点接触形式で予圧（Ｐ予圧）された比較例２のボールねじ１は、ストロークによる変化が少ない。揺動回数は同じであるため、この磨耗量の違いは、ボール転動溝５．６とボール４との接触形式と潤滑性の違いである可能性が大きい。今回磨耗量が大きくなっているのは、ボール４の軸回り公転が１回転に満たない小ストローク範囲である。つまり、もともと図６で示されたボール４の不安定さに加え潤滑性能が落ちると磨耗量が大きくなることが考えられる。
【００２８】
一方、潤滑剤としてグリスを用いたボールねじ１では、摩耗量が小さく抑えられていることが図５からわかる。特に、潤滑剤としてグリスを用いたボールねじ１はいずれも、比較例１及び比較例２のボールねじ１よりも摩耗量が低減されている。さらに、これらのボールねじ１のうち、二点接触方式の実施例１のボールねじ１は、揺動ストロークが８（ｍｍ）以上では、四点接触形式の実施例２のボールねじ１よりも優れた耐摩耗性を示しており、揺動ストロークが０〜１５０ｍｍの範囲で、ボール４の摩耗量が０．１μｍ以下に抑えられている。
【００２９】
二点接触形式のボールねじは、ボールがボール溝内で二点でしか保持されないため、自由度が大きくなる。このため、例えば揺動運転（微小ストロークでの繰り返し）の場合、ボールはナット移動に伴う公転に加え、ボール溝内で微小な動きをすると考えられる。そして、ボール溝やボールが摩耗するのは、この微小な動きによる、フレッチング摩耗であると考えられる。
【００３０】
このボールの微小な動きは、二点接触タイプのボールねじ特有の現象であり、これを減少させるために、対フレッチンググリスを用いたところ、上記のような効果を得ることができた。対フレッチンググリスは、ウレア系の増ちょう剤で、基油に高級合成油を使用したものである。このような対フレッチンググリスを用いることにより、微小な空間に潤滑剤が入りやすく、フレッチング摩耗の減少に効果があると考えられる。
【００３１】
このように、本発明は、二点接触形式で予圧されたボールねじ１に、油ではなく、グリスを潤滑剤として使用することによって、二点接触形式で予圧されたボールねじ１特有の低摩擦特性を維持しつつ、耐磨耗性を向上させるものである。特に、「低摩擦性」の効果は、二点接触形式のボールねじの予圧によるものが大きいため、上記のような二点接触形式のボールねじ特有の現象を減少させるために対フレッチンググリスとして、ウレア系の増ちょう剤を含む潤滑剤を用い、顕著な効果を得ることができた。
【００３２】
次に、増ちょう剤の違いによる磨耗特性について、以下の条件で測定した。その結果を表１に示す。なお、表１において、摩耗特性は、ボール４の直径の減少量（摩耗量）によって比較した。
（実施条件）
ボールねじ：日本精工株式会社製呼び番号「ＢＳ３２０５」
ねじ軸径：３２[ｍｍ］
リード：５［ｍｍ］
ボールの基準直径：３．１７５［ｍｍ］
予圧方式：二点接触形式
試験回転数：５[ｒｐｍ]
揺動ストローク：５[ｍｍ］
揺動回数：１０万回
潤滑油：グリス１及びグリス２
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示すように、増ちょう剤として、一般に多く用いられているリチウム石けん系よりもウレア系を用いた潤滑剤（グリス）を用いることで、二点接触形式のボールねじ１の低速かつ揺動運転時の摩耗量が低減することが示された。なお、表１における「グリス１」は、図５に示したウレア系の潤滑剤に該当する。従って、「グリス２」を上記「１０万往復時の揺動ストローク量に対するボールの摩耗量」を測定する際の潤滑剤として用いた場合、図５において「揺動ストローク」が５ｍｍのとき、０．３μｍの摩耗量を示すこととなる。
【００３５】
また、ボール４に、固体潤滑皮膜を施してもよい。ボール４の表面に固体潤滑皮膜を形成することにより、摩耗量をより低減し、低摩擦特性を維持しつつ、耐磨耗性が向上した二点接触形式のボールねじを提供することができる。
さらに、本実施形態では、ボール４同士の間に、保持ピース８を介在させている。そのため、保持ピース８によってボール４同士の競り合いが抑制されるので、摩擦トルクの発生をさらに好適に抑えることができる。
【００３６】
なお、本発明に係るボールねじは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ボール４間に保持ピース８を配設したが、この保持ピース８は、ボール４の表面に本実施形態で用いられる潤滑剤を提供するために保持するものであるので、保持ピース８を用いなくとも、本実施形態で用いられる潤滑剤をボール４と軌道７との間に介在させるだけで十分な効果を奏する。
【００３７】
また、上記実施形態では、全てのボール４同士の間に保持ピース８を配置しているが、本発明のボールねじ１は、保持ピース８が全てのボール４同士の間に配置されているものに限定されない。例えば、小球を挟む等の方法や、その他の保持器も使用可能である。
また、上記実施形態では、チューブ式の循環通路９を用いているが、これに限定されるものではなく、他の形式の循環通路を用いてもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、予圧方法として、オフセットリード予圧を用いているが、これに限定されるものではなく、ボールねじ１の予圧方法としては、以下の方法も適用可能である。
例えば、シングルナットの中央付近のリードを予圧量だけ大きくして予圧を与えることができる。また、本実施形態ではナットを２個使用し、ナットの間の隙間よりも予圧量だけ厚い間座を入れているが、逆に、薄い間座を入れて予圧を与えることもできる。また、多条ねじにおいて、ねじ軸の条間とナットの条間とをずらして予圧を与えることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１    ボールねじ
２    ねじ軸
３    ナット
４    ボール
５    （ねじ軸の）ボール転動溝
６    （ナットの）ボール転動溝
７    軌道
８    保持ピース
９    循環通路
１０    防塵用シール
２１    切欠部
２２    フランジ
３１    第１ナット
３２    第２ナット
３３    間座
７１    凹面
８１    循環通路押え
【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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【図６】
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【図７】
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