(57)【要約】【課題】ナット内における各ボールの荷重分布が軸方向で均一化され、設置スペースが限られている場所でも好適に使用できるボールねじを提供する。【解決手段】ナット１の円筒部１１の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と、ねじ軸２の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）を１．０を超え５．０以下とする。このボールねじを、ねじ軸２の軸方向一端を固定し、フランジ部１２側をねじ軸２の固定部６側に配置して使用する。【選択図】図１
2015055270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に螺旋溝が形成されている円筒部と前記円筒部の軸方向一端に形成されたフランジ部を有するナットと、外周面に螺旋溝が形成されているねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、
前記軌道内を前記ボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動し、直線運動を回転運動に又は回転運動を直線運動に変換し、
前記円筒部の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と前記ねじ軸の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）が１．０を超え５．０以下であり、
前記ねじ軸の軸方向一端を固定し、前記フランジ部側を前記ねじ軸の固定部側に配置して使用されるボールねじ。
【請求項２】
前記ボール戻し経路は、本体部と一対の脚部とで構成されるリターンチューブにより形成され、前記一対の脚部は前記ナットの径方向に延びる貫通穴に挿入され、前記本体部はナットの外周面に設けた平坦面に取付金具で固定され、
前記ナットの円筒部の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と前記ねじ軸の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）が４．０以上５．０以下であり、
前記リターンチューブおよび前記取付金具が前記ナットの外周面より突出しない請求項１記載のボールねじ。
【請求項３】
電動射出成形機またはプレス機械用のボールねじとして使用される請求項１または２に記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじは、内周面に螺旋溝が形成されている円筒部を有するナットと、外周面に螺旋溝が形成されているねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、前記軌道内を前記ボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動し、直線運動を回転運動に又は回転運動を直線運動に変換する装置である。
【０００３】
一般のボールねじにおいては、前記軌道内の各ボールには全て均等に荷重が加わると仮定して、ねじ軸の螺旋溝およびナットの螺旋溝が、それぞれ同一リード且つ同一有効径となるように加工されている。
しかし、ナットに固定された部材からナットに大きな軸方向荷重が加わったときには、ナット自体が軸方向に弾性変形することによりナット内のボールへの荷重分布が軸方向に沿って変化して、軌道の一部に位置するボールに大きな荷重が加わる。このことは、ボールねじの寿命を短くすることに繋がり、また、この大きな荷重が加わる部分に合わせて安全設計を行う必要がある。
【０００４】
特許文献１には、大きな軸方向荷重に対するナットの弾性変形だけでなく、ねじ軸の弾性変形による影響をも考慮して、ナットの軸方向荷重作用部を、ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から遠位にある軸方向端部側に特定することによって、ねじ軸の縦断面積とナットの縦断面積を略等しくしながら、ナット内の軸方向に沿ったボール荷重分布の均一化を図ることが記載されている。
【０００５】
特許文献１の［００６０］には、ナットのフランジ部側をねじ軸の自由端側に配置して使用することで、ナットのフランジ部側をねじ軸の固定部側に配置して使用するよりも、ボール荷重分布の均一化が図れることが記載されている。ナットのフランジ部側をねじ軸の自由端側に配置してボールねじを使用する場合、フランジの軸方向外側に外部装置の取付部が固定される。ナットのフランジ部側をねじ軸の固定部側に配置して使用する場合、円筒部に外部装置の取付部が固定される。
【０００６】
なお、特許文献１の［０００４］には、従来の対応策として「ナットの弾性変形を小さく抑えるために、ナット外径寸法を大きくしてその断面積を稼ぐこと」が記載され、［００３５］には「縦断面積比（ねじ軸の縦断面積とナットの縦断面積との比）の最大値は、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形のため玉荷重による影響のバランスがある程度とれる範囲として概ね２以下が好ましい。」と記載されている。
また、現状のボールねじにおいて、ナットの円筒部の軸方向に垂直な断面積Ｓ１とねじ軸の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）は１．０である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３７１４０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、ナットのフランジ部側をねじ軸の自由端側に配置してボールねじを使用する場合には、フランジの軸方向外側に外部装置の取付部を固定するスペースを確保する必要があるため、ナットのフランジ部側をねじ軸の固定部側に配置して使用した場合と比較して、ねじ軸の長さを長くする必要がある。
よって、ボールねじのナットに固定する外部装置の取付部が大型のものである場合、設置スペースが限られている場所に、ナットのフランジ部側をねじ軸の自由端側に配置してボールねじを使用することは困難である。
この発明の課題は、ナット内における各ボールの荷重分布が軸方向で均一化され、設置スペースが限られている場所でも好適に使用できるボールねじを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の一態様のボールねじは、下記の構成(a) 〜(c) を有する。
(a) 内周面に螺旋溝が形成されている円筒部と前記円筒部の軸方向一端に形成されたフランジ部を有するナットと、外周面に螺旋溝が形成されているねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、前記軌道内を前記ボールが転動することで前記ナットが前記ねじ軸に対して相対的に移動し、直線運動を回転運動に又は回転運動を直線運動に変換する装置である。
(b) 前記円筒部の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と前記ねじ軸の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）が１．０を超え５．０以下である。
(c) 前記ねじ軸の軸方向一端を固定し、前記フランジ部側を前記ねじ軸の固定部側に配置して使用される。
【００１０】
この態様のボールねじは、断面積比γが１．０以下であるボールねじと比較して、ナットの断面積が大きいことで剛性が高い。よって、ナットの伸縮による面圧増加が低減されるため、前記構成(c) を満たす配置としても、ナット軸方向のボール荷重分布の不均一性が低減され、ボールねじの疲労寿命が向上する。また、フランジ応力（円筒部のフランジ部との境界部に作用する応力）が低減できる。
また、断面積比γが５．０を超えるボールねじと比較して、ボールねじが組み込まれる装置の大型化が防止され、フランジ応力の低減効果が高くなる。
【００１１】
この態様のボールねじは、下記の構成(d) 〜(f) を有することにより、ハウジング（ナットに固定される外部装置の取付部）の内周面を単純な円周面にできるため好ましい。
(d) 前記ボール戻し経路は、本体部と一対の脚部とで構成されるリターンチューブにより形成され、前記一対の脚部は前記ナットの径方向に延びる貫通穴に挿入され、前記本体部はナットの外周面に設けた平坦面に取付金具で固定されている。
(e) 前記ナットの円筒部の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と前記ねじ軸の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）が４．０以上５．０以下である。
(f) 前記リターンチューブおよび前記取付金具が前記ナットの外周面より突出しない。
【００１２】
この態様のボールねじは、高負荷用途（軌道内のボールに加わる荷重が大きい用途）のボールねじ、例えば、電動射出成形機用やプレス機械用のボールねじとして使用することができる。
電動射出成形機は射出ユニットと型締めユニットで構成され、ボールねじで駆動される軸として、射出ユニットの射出軸および可塑化移動軸（ノズルタッチ用移動軸）と、型締めユニットの型締め軸および成形品突出し軸が挙げられる。この態様のボールねじは、型締めユニットの軸を駆動する用途に好適であり、特に、成形品突き出し軸駆動用ボールねじとして好適である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のボールねじによれば、ナット内における各ボールの荷重分布が軸方向で均一化され、設置スペースが限られている場所でも好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態のボールねじを示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図２】実施形態のボールねじについて、ボールにかかる荷重のナットの軸方向に沿った分布を調べた結果を示すグラフであって、γ＝５．０の場合の結果（ａ）と、γ＝１．１の場合の結果（ｂ）である。
【図３】ナットのフランジ部側をねじ軸の自由端側に配置した場合（ａ）と、ねじ軸の固定部側に配置した場合（ｂ）を比較して説明する図である。
【図４】γ＝１．０であるボールねじについて、軸方向荷重の作用状態（ａ）、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布（ｂ）、ナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布（ｃ）、ねじ軸及びナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布（ｄ）をそれぞれ示す図である。
【図５】γ＝５．０であるボールねじについて、軸方向荷重の作用状態（ａ）、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布（ｂ）、ナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布（ｃ）、ねじ軸及びナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布（ｄ）をそれぞれ示す図である。
【図６】ボールねじの断面積比γと疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図７】ナットの隅アール部を説明する図である。
【図８】ボールねじの断面積比γとフランジ応力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】
【００１５】
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
図１に示すように、この実施形態のボールねじは、ナット１とねじ軸２とボール３と三個のリターンチューブ４を有する。
ナット１は、円筒部１１と円筒部１１の軸方向一端に形成されたフランジ部１２を有する。ナット１の円筒部１１の内周面に螺旋溝が形成されている。ねじ軸２の外周面に螺旋溝が形成されている。ナット１の螺旋溝とねじ軸２の螺旋溝とにより形成される各軌道の間に、複数のボール３が配置されている。
【００１６】
リターンチューブ４は、ボール３を軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路を構成する部品である。すなわち、このボールねじは、軌道とボール戻し経路で構成されるボール循環路を三個有する。
リターンチューブ４は本体部と一対の脚部とで構成され、一対の脚部はナット１の径方向に延びる貫通穴に挿入され、本体部はナット１の外周面に設けた平坦面１３に取付金具５で固定されている。平坦部１３は軸方向の三箇所に形成され、隣り合う平坦部１３が周方向で１８０°ずれた配置となっている。そして、リターンチューブ４および取付金具５が円筒部１１の外周面から突出しない状態となっている。また、各リターンチューブ４内にも複数のボール３が配置されている。
【００１７】
ナット１の円筒部１１の軸方向に垂直な断面積Ｓ１と、ねじ軸２の軸方向に垂直な断面積Ｓ２との比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）は５．０である。なお、断面積Ｓ１は円筒部１１の平坦部が無い位置での値である。
この実施形態のボールねじは、ねじ軸２の一端を固定部６に固定し、ナット１のフランジ部１２側を固定部６側に配置し、ナット１の円筒部１１に外部装置の取付部７が固定されて使用される。外部装置の回転により、取付部７を介して外部装置の回転力がボールねじのナット１に伝達されると、ナット１が回転し、軌道内をボール３が転動することで、ねじ軸２が軸方向に移動する。
【００１８】
この実施形態のボールねじ（γ＝５．０）について、ボールにかかる荷重のナットの軸方向に沿った分布を調べた。その結果を図２（ａ）にグラフで示す。グラフの横軸は、ナットの軸方向中心からの距離であり、中心から固定部６側は「＋」で、中心から自由端側は「−」で示す。また、ねじ軸２は同じでナット１の外径を小さくすることでγ＝１．１とされたボールねじについても、ボールにかかる荷重のナットの軸方向に沿った分布を調べた。その結果を図２（ｂ）に示す。
図２の結果から以下のことが分かる。γ＝５．０のボールねじはγ＝１．１のボールねじと比較して、固定部側のボールにかかる荷重が低減されて、ボールにかかる荷重のナットの軸方向に沿った分布が比較的均一になる。
【００１９】
また、図３では、ねじ軸１の軸方向一端を固定してボールねじを使用する際に、ナット１のフランジ部１２側をねじ軸１の自由端側に配置した場合（ａ）と、ナット１のフランジ部１２側をねじ軸１の固定部側に配置した場合（ｂ）を比較している。（ａ）では外部装置の取付部７がフランジ１２の軸方向外側に固定されるのに対して、（ｂ）ではナット１の円筒部１１に固定されるため、（ｂ）の方が取付部７の軸方向寸法α分だけねじ軸２の軸方向寸法を短くできる。
よって、この実施形態のボールねじは、ナット１のフランジ部１２側をねじ軸１の固定部側に配置していることで、ねじ軸２の軸方向寸法が短くできるため、設置スペースが限られている場所でも好適に使用できる。
【００２０】
すなわち、この実施形態のボールねじは、ナット内における各ボールの荷重分布が軸方向で均一化され、設置スペースが限られている場所でも好適に使用できるものである。
さらに、この実施形態のボールねじによれば、リターンチューブ４および取付金具５がナット１の円筒部１１の外周面から突出しないため、ナット１に固定される外部装置の取付部（ハウジング）７の内周面７１を単純な円周面とすることができる。
【００２１】
［断面積比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）を１．０＜γ≦５．０とする理由について］
＜ナット軸方向のボール荷重分布＞
図４は、γ＝１．０であるボールねじを、ねじ軸の軸方向一端を固定し、ナットのフランジ部側をねじ軸の固定部側に配置した場合の（ａ）軸方向荷重の作用状態、（ｂ）ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布、（ｃ）ナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布、（ｄ）ねじ軸及びナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布を示している。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、取付部７からナット１のフランジ部１２に軸方向荷重Ｆ１が作用すると、ナット１からねじ軸２に軸方向荷重が伝達され、固定部側の端部に反力として反対向きの軸方向荷重Ｆ２が発生する。このとき、ねじ軸２を剛体と仮定しナット１の弾性変形を考慮すると、ナット１の軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図４（ｂ）に示すように、フランジ部１２側（ねじ軸の固定部側）で一番荷重が大きくなり、他端部（ねじ軸の自由端部）側に向けて徐々に小さくなる。
【００２３】
また、ナット１を剛体と仮定し且つねじ軸２の弾性変形を考慮した場合でも、ナット１の軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図４（ｃ）に示すように、フランジ部１２側（ねじ軸の固定部側）で一番荷重が大きくなり、他端部（ねじ軸の自由端部）側に向けて徐々に小さくなる。よって、ナット１とねじ軸２の両方の弾性変形を考慮すると、図４（ｄ）に示すように、ボールにかかる荷重のナットの軸方向での最大値と最小値との差が極めて大きくなる。
【００２４】
これに対して、図５（ａ）に示すように、γ＝５．０であるボールねじを、ねじ軸２の軸方向一端を固定し、ナット１のフランジ部１２側をねじ軸２の固定部側に配置することで、図５（ｂ）に示すように、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボール荷重分布の最大値が図４（ｂ）よりも小さくなる。これに伴い、図５（ｄ）に示すように、ねじ軸及びナットの弾性変形を考慮したボールにかかる荷重のナットの軸方向での最大値と最小値との差が、図４（ｄ）と比較して大幅に小さくなる。図５（ｂ）（ｄ）には、図４（ｂ）（ｄ）の結果が一点鎖線で記載されている。
【００２５】
＜ボールねじの疲労寿命＞
同一諸元で、軸方向荷重も同じ（図５（ａ）と同じ取付方法）である条件で、断面積比γ（＝Ｓ１／Ｓ２）を変化させた場合のボールねじの疲労寿命をシミュレーションし、γ＝１．０のボールねじの疲労寿命を１とした時の寿命比のグラフを得た。このグラフを図６に示す。
図６のグラフから以下のことが分かる。断面積比γが大きくなるにつれて疲労寿命は長くなるが、６．０を超えると寿命延長効果は収束する。断面積比γが２．３以上５．５以下であると、断面積比γが１．０の場合の１．５〜２．０倍の疲労寿命が得られる。
ただし、ナット外径を極端に大きくすることは、ボールねじが組み込まれる装置の大型化に繋がる。そのため、ボールねじが組み込まれる装置の構造とナット外径とのバランスを取ることが重要である。
【００２６】
＜ハウジングの形状＞
断面積比γを４．０〜５．０とすることで、図１のボールねじのように、リターンチューブ４および取付金具５がナット１の円筒部１１の外周面から突出しない構造にすることができる。つまり、断面積比γを４．０〜５．０とすることにより、ナットに固定される外部装置の取付部（ハウジング）の内周面を単純な円周面とすることができる。
【００２７】
＜フランジ応力＞
図７に示すように、ナット１の円筒部１１とフランジ部１２との間には隅アール部１４が存在する。図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ部分の拡大図である。
この発明のボールねじで採用する図３（ｂ）の配置と、特許文献１で採用する図３（ａ）の配置を比較した場合、図３（ｂ）の配置ではフランジ部１２に引張応力が作用するため、フランジ部１２の円筒部１１との境界部に大きな力が作用するが、隅アール部１４を大きく取ることで境界部の強度が向上できる。
【００２８】
同一諸元で、軸方向荷重も同じ（図３（ｂ）と同じ取付方法）で、ナット１の隅アール部１４の寸法も同じにした条件で、断面積比γ（＝Ｓ１／Ｓ２）を変化させた場合に、円筒部１１のフランジ部１２との境界部に作用する応力（フランジ応力）をシミュレーションし、γ＝１．０のボールねじの疲労寿命を１とした時の寿命比のグラフを得た。このグラフを図８に示す。
図８のグラフから以下のことが分かる。断面積比γが大きくなるにつれてフランジ応力は小さくなり、断面積比γが５倍を超えると得られる応力低減効果が収束する。また、断面積比γが２．７以上であると、フランジ応力は断面積比γが１．０である場合の二分の一以下になる。
【００２９】
ただし、ナット１の円筒部１１の外径に対して隅アール部１４の寸法が小さいと、フランジ部１２との境界部における応力集中係数が大きくなる。そのため、隅アール部１４の寸法が一定の場合、円筒部１１の外径が大きくなるにつれて、応力集中係数の増加によってフランジ応力の低減効果は小さくなっていく。つまり、ナット外径を極端に大きくすることはフランジ応力の低減効果を小さくすることに繋がる。
【００３０】
以上のことから、断面積比（γ＝Ｓ１／Ｓ２）を１．０＜γ≦５．０とすることで、ナット軸方向のボール荷重分布の不均一性の低減と、ボールねじの疲労寿命の向上と、ハウジング形状の単純化と、フランジ応力の低減と、ボールねじが組み込まれる装置の大型化防止を同時に達成できる。
なお、この発明のボールねじは、ナットの軸方向寸法がナットの円筒部の外径（リターンチューブ配置用の平坦部を有する場合は、平坦部までの寸法）の８倍であることが好ましい。
【符号の説明】
【００３１】
１  ナット
１１  円筒部
１２  フランジ部
１３  平坦面
１４  隅アール部
２  ねじ軸
３  ボール
４  リターンチューブ
５  取付金具
６  固定部
７  ナットに固定される外部装置の取付部（ハウジング）
【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】
2015055270.tif 000008
【図７】
2015055270.tif 000009
【図８】
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