(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷圏でのボール同士の競り合いに起因するトルクの変動を抑制して作動性の向上を図ることのできるボールねじを提供する。【解決手段】ボール１５のすくい上げ点Ｐからボール循環チューブ１６の直管部までの高さをＨとした場合に、ボール１５の充填隙間を０．７Ｈ〜１．３Ｈの範囲に設定する。また螺旋状ボール転動路の経路長さをＬＡ、ボール戻し路の経路長さをＬＢとした場合に、ボールの充填率を０．９２（ＬＡ＋ＬＢ）〜０．９８（ＬＡ＋ＬＢ）に設定する。【選択図】  図２
2004190691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間を転動する多数のボールと、前記ナットに組み付けられたＵ字状のボール循環チューブとを備え、前記ボールを前記ボール循環チューブの端部に設けられたタング部によりすくい上げて循環させるようにしたボールねじにおいて、
前記ボールのすくい上げ点から前記ボール循環チューブの直管部までの高さをＨとしたとき、前記ボールの充填隙間を０．７Ｈ〜１．３Ｈに設定したことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
外周面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間を転動する多数のボールと、前記ナットに組み付けられたＵ字状のボール循環チューブとを備え、前記ボールを前記ボール循環チューブの端部に設けられたタング部によりすくい上げて循環させるようにしたボールねじにおいて、
前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間に形成される螺旋状ボール転動路の経路長をＬＡ、前記ボール循環チューブ内に形成されるボール戻し路の経路長をＬＢとしたとき、前記ボールの充填率を０．９２（ＬＡ＋ＬＢ）〜０．９８（ＬＡ＋ＬＢ）に設定したことを特徴とするボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械などで回転運動を直線運動に変換する機構部として用いられるボールねじに係り、特に、ボール循環部材としてボール循環チューブを使用したチューブ式ボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、チューブ式と称されるボールねじは、ねじ軸と、このねじ軸の外周に遊嵌された円筒状のナットとを備えており、ねじ軸の外周面には螺旋状のボールねじ溝が形成されている。このボールねじ溝はナットの内周面に形成された螺旋状のボールねじ溝と対向しており、ねじ軸またはナットの一方を軸芯回りに回転させるとナットに組み込まれた多数のボールがねじ軸とナットの両ボールねじ溝間を転動するようになっている。また、この種のボールねじはボールを循環させるＵ字状のボール循環チューブを備えており、このボール循環チューブの端部に設けられたタング部でボールをすくい上げて循環させる構成となっている。
【０００３】
このようなチューブ式ボールねじの耐久寿命を高めるためには、一つのボール循環回路に組み込まれるボールの数を多くし、ボールねじの定格負荷荷重を大きくする必要がある。しかしながら、ボール数をむやみに多くすると、使用条件によっては「ひげ」や「つまり」と言ったトルク変動が発生し、ボールねじの作動性を低下させることがある。すなわち、図１２に示すように、ボール循環チューブ１６をナット１２の上面側に組み付け、ねじ軸１１を毎分５０回転以下の低速で回転させた場合には、負荷圏に入ろうとするボール１５が自重や後から続くボールの重さなどにより隙間なく負荷圏に入るため、図１４に示すようなボール同士の競り合いが負荷圏で起こり易い。逆に、ボール循環チューブ１６をナット１２の下面側に組み付けた場合は、図１３に示すように、ボール循環チューブ１６内のボール１５はその後方のボールに押されて負荷圏に入るため、前方のボールとの間に僅かな隙間ｇが発生し、この隙間ｇが負荷圏でのボール同士の競り合いを抑制する役割を果たすことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のチューブ式ボールねじにあっては、ボール数をむやみに多くすると、使用条件によっては「ひげ」や「つまり」と言ったトルク変動が発生し、ボールねじの作動性を低下させるという問題があった。そのため、放電加工やウエハ描画装置などのように滑らかな作動性を必要とする装置で使用されるケースでは、ボールよりも小径の球状スペーサをボール間に介在させてボール同士の競り合いを抑制している例もあるが、球状スペーサの分だけボール数が減少するため、ボールねじの定格負荷荷重を低下させるという問題がある。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、負荷圏でのボール同士の競り合いに起因するトルクの変動を抑制して作動性の向上を図ることのできるボールねじを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、外周面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間を転動する多数のボールと、前記ナットに組み付けられたＵ字状のボール循環チューブとを備え、前記ボールを前記ボール循環チューブの端部に設けられたタング部によりすくい上げて循環させるようにしたボールねじにおいて、前記ボールのすくい上げ点から前記ボール循環チューブの直管部までの高さをＨとしたとき、前記ボールの充填隙間を０．７Ｈ〜１．３Ｈの範囲に設定したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、外周面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間を転動する多数のボールと、前記ナットに組み付けられたＵ字状のボール循環チューブとを備え、前記ボールを前記ボール循環チューブの端部に設けられたタング部によりすくい上げて循環させるようにしたボールねじにおいて、前記ねじ軸および前記ナットの両ボールねじ溝間に形成される螺旋状ボール転動路の経路長をＬＡ、前記ボール循環チューブ内に形成されるボール戻し路の経路長をＬＢとしたとき、前記ボールの充填率を０．９２（ＬＡ＋ＬＢ）〜０．９８（ＬＡ＋ＬＢ）に設定したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態を示す図で、図１は本発明の一実施形態に係るボールねじの軸方向断面図である。同図に示されるように、本発明の一実施形態に係るボールねじ１０は、ねじ軸１１と、このねじ軸１１の外周に遊嵌された円筒状のナット１２とを備えており、ねじ軸１１の外周面には螺旋状のボールねじ溝１３が形成されている。このボールねじ溝１３はナット１２の内周面に形成されたボールねじ溝１４と対向しており、ねじ軸１１またはナット１２の一方を軸芯回りに回転させるとナット１２に組み込まれた多数のボール１５が前記ボールねじ溝１３，１４間を転動するようになっている。また、ボールねじ１０はボール１５を循環させるためのＵ字状のボール循環チューブ１６を備えており、このボール循環チューブ１６の端部に設けられたタング部１７（図２参照）でボール１５をすくい上げて循環させる構成となっている。
【０００８】
図２はボールねじ１０のボールすくい上げ部を示す図であり、同図に示されるように、ボール循環チューブ１６のタング部１７によってすくい上げられるボール１５のすくい上げ点Ｐからボール循環チューブ１６の直管部１６ａまでの高さ（以下「ボールすくい上げ高さ」という。）をＨとすると、ボール１５はその充填隙間（一循環回路内の全てのボールを図３のように隙間なく寄せた場合に最初のボールと最後のボールとの間にできる隙間Ｇ）がボールすくい上げ高さＨの０．７倍〜１．３倍になるようにナット１２に組み込まれている。
【０００９】
ここで、ボール１５の充填隙間を０．７Ｈ〜１．３Ｈとした理由は、次のような知見に基づくものである。すなわち、本発明者らは、ボールねじの作動特性とボール数との関係を把握するために、下記のような試験条件でボールねじの動トルク測定試験を行い、一回路のボール数を１０３個〜９３個とした各ボールねじの動トルクを測定した。
［動トルク測定試験条件］
使用ボールねじ名：ＮＳＫボールねじ３２×０５×５００Ｃ３
軸径：３２ｍｍ
リード：５ｍｍ
ボール径：３．１７５ｍｍ
回路数：２．５巻き２列
ボールすくい上げ高さ：Ｈ＝１４．５ｍｍ
使用試験機：ＮＳＫ製ボールねじトルク測定試験機
予圧荷重：５００Ｎ
試験回転数：１０ｍｉｎ−１
ストローク：５００ｍｍ
潤滑油：ＶＧ＃６８
チューブ向き：上向き
図４乃至図９は上述したボールねじ動トルク測定試験により得られた試験データを示す図であり、これらの図から明らかなように、ボール数を少なくすると「ひげ」や「つまり」と言ったトルク変動が低減され、作動性が向上することがわかる。
【００１０】
また、本発明者らは動トルク測定試験で得られた試験データの上限値と下限値の差が最も小さいボールねじ（この場合はボール数９３個）の作動基準値を１として、一回路のボール数を１０３個〜９３個とした各ボールねじの作動性を評価した。その評価結果をボール充填率（＝ボール数×ボール径÷総回路長）およびボール充填隙間と共に表１に示す。
【００１１】
【表１】
2004190691.tif 000003
【００１２】
表１に番号１〜８で示される各ボールねじの作動基準値とボール充填隙間との関係を図１０に示す。同図に示されるように、ボール充填隙間がボールすくい上げ高さＨ（この場合はＨ＝１４．５ｍｍ）を下回ると作動基準値が急激に上昇し、ボールねじの作動性が低下することがわかる。
【００１３】
したがって、予圧荷重の大きさやボール循環チューブの曲率等を考慮してボール充填隙間をボールすくい上げ高さＨの０．７倍以上に設定すれば、「ひげ」や「つまり」と言ったトルクの変動を抑制してボールねじの作動性を向上させることができる。ただし、充填隙間を大きくしすぎると負荷を受けるボール数が少なくなり、定格負荷荷重の低下や剛性の低下などを招くため、充填隙間の上限値をボールすくい上げ高さＨの１．３倍以下とすることが望ましい。
【００１４】
また、本発明者らは、下記のような試験条件でボールねじの動トルク測定試験を行い、一回路のボール数を１０６個〜９６個とした各ボールねじの動トルクを測定した。
［動トルク測定試験条件］
使用ボールねじ名：ＮＳＫボールねじ５０×０５×５００Ｃ３
軸径：５０ｍｍ
リード：５ｍｍ
ボール径：３．１７５ｍｍ
回路数：１．５巻き２列
ボールすくい上げ高さ：Ｈ＝２２．５ｍｍ
使用試験機：ＮＳＫ製ボールねじトルク測定試験機
予圧荷重：５００Ｎ
試験回転数：１０ｍｉｎ−１
ストローク：５００ｍｍ
潤滑油：ＶＧ＃６８
チューブ向き：上向き
さらに、本発明者らは動トルク測定試験で得られた試験データの上限値と下限値の差が最も小さいボールねじ（この場合はボール数９６個）の作動基準値を１として、一回路のボール数を１０６個〜９６個としたときの作動性を評価した。その評価結果をボール充填率（＝ボール数×ボール径÷総回路長）およびボール充填隙間と共に表２に示す。
【００１５】
【表２】
2004190691.tif 000004
【００１６】
表２に番号９〜１４で示される各ボールねじの作動基準値とボール充填隙間との関係を図１１に示す。同図に示されるように、ボール充填隙間がボールすくい上げ高さＨ（この場合はＨ＝２０．５ｍｍ）を下回ると作動基準値が急激に上昇し、ボールねじの作動性が低下することがわかる。
【００１７】
したがって、予圧荷重の大きさやボール循環チューブの曲率等を考慮してボール充填隙間をボールすくい上げ高さＨの０．７倍以上に設定すれば、「ひげ」や「つまり」と言ったトルクの変動を抑制してボールねじの作動性を向上させることができる。ただし、充填隙間を大きくしすぎると負荷を受けるボール数が少なくなり、定格負荷荷重の低下や剛性の低下などを招くため、充填隙間の上限値をボールすくい上げ高さＨの１．３倍以下とすることが望ましい。
【００１８】
以上のことから、ボールの充填隙間をボールすくい上げ高さＨの０．７倍〜１．３倍に設定すると、負荷圏でのボール同士の競り合いが抑制されるので、「ひげ」や「つまり」と言ったトルクの変動を抑制してボールねじの作動性を向上させることができる。
以上、作動性をボール充填隙間のボールすくい上げ高さＨに対する割合で評価したが、表１及び表２に示されるように、ボール充填率（＝ボール数×ボール径÷総回路長）でも同様に評価できる。ボール充填率とボール充填隙間Ｇとの関係は１対１の関係ではない（総回路長により変化）が、通常のボールねじの場合では、表１及び表２に示すように、９２〜９８％を満足すれば、０．７Ｈ〜１．３Ｈを満足でき、作動性に優れたボールねじを実現できる。
【００１９】
なお、ボールすくい上げ高さＨはボール循環チューブ１６の外径をｄＯ、内径をｄＩ、ナット１２の中心から循環チューブ取付け座面１２ａまでの鉛直距離をＹ、ナット１２の中心からボール循環チューブ曲がり管部１６ｂの中心線までの水平距離をＸ、ボールすく上げ角度をθとすると、
Ｈ＝Ｙ−（Ｘｔａｎθ）＋（（ｄＯ−ｄＩ）／２）
から求めることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２の発明によれば、「ひげ」や「つまり」と言ったトルクの変動を抑制されるので、ボールねじの作動性を向上させることができる。
請求項３の発明によれば、ボール同士の競り合いが保持ピースによって抑制されるので、ボールねじの作動性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るボールねじの軸方向に沿う断面図である。
【図２】図１のボールねじのボールすくい上げ部を示す図である。
【図３】ボール充填隙間を説明するための図である。
【図４】表１に番号１で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図５】表１に番号３で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図６】表１に番号５で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図７】表１に番号６で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図８】表１に番号７で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図９】表１に番号８で示されるボールねじの動トルク測定データを示す線図である。
【図１０】表１に番号１〜８で示されるボールねじの作動特性値とボール充填隙間との関係を示す図である。
【図１１】表２に番号９〜１４で示されるボールねじの作動特性値とボール充填隙間との関係を示す図である。
【図１２】ボール循環チューブをナットの上面側に組み付けたときのボールの転がり状態を示す図である。
【図１３】ボール循環チューブをナットの下面側に組み付けたときのボールの転がり状態を示す図である。
【図１４】ボールねじの負荷圏内で発生するボール同士の競り合いを説明するための図である。
【符号の説明】
１１    ねじ軸
１２    ナット
１３，１４    ボールねじ溝
１５    ボール
１６    ボール循環チューブ
１７    タング部
１８    保持ピース
【図１】
2004190691.tif 000005
【図２】
2004190691.tif 000006
【図３】
2004190691.tif 000007
【図４】
2004190691.tif 000008
【図５】
2004190691.tif 000009
【図６】
2004190691.tif 000010
【図７】
2004190691.tif 000011
【図８】
2004190691.tif 000012
【図９】
2004190691.tif 000013
【図１０】
2004190691.tif 000014
【図１１】
2004190691.tif 000015
【図１２】
2004190691.tif 000016
【図１３】
2004190691.tif 000017
【図１４】
2004190691.tif 000018