(57)【要約】【課題】内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくすることなくねじ軸側の滑り摩擦損失を小さくすることのできるボールねじを提供する。【解決手段】ねじ軸１１の外周面に形成された螺旋状の内側軌道溝１４の溝面の平均表面粗さをナット１２の内周面に形成された螺旋状の外側軌道溝１５の溝面の平均表面粗さより小さい平均表面粗さとする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状の内側軌道溝を有するねじ軸と、このねじ軸の外周面に対向する内周面に螺旋状の外側軌道溝を有するナットと、前記ねじ軸または前記ナットの回転運動に伴って前記内側軌道溝および前記外側軌道溝の溝面を転動する多数のボールとを備えたボールねじにおいて、
前記内側軌道溝の溝面の平均表面粗さを前記外側軌道溝の溝面の表面粗さより小さい表面粗さとしたことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）、前記外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｎ）としたとき、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）としたことを特徴とする請求項１記載のボールねじ。
【請求項３】
前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）、前記外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｎ）としたとき、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）≦０．２５Ｒａ（ｎ）としたことを特徴とする請求項１記載のボールねじ。
【請求項４】
前記多数のボールのうち隣り合う二つのボール間に、凹状のボール接触面を両端に有する円盤状のスペーサを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじ。
【請求項５】
前記多数のボールのうち隣り合う二つのボール間に、該ボールの直径より径の小さい球状スペーサを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動を直線運動に変換する装置として、例えば工作機械や射出成形機などで使用されるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や射出成形機等の各種産業機械では、モータ等の回転運動を直線運動に変換する装置として、ボールねじが従来から使用されている。従来、この種のボールねじは、外周面に螺旋状の内側軌道溝を有するねじ軸と、このねじ軸の外周面に対向する内周面に螺旋状の外側軌道溝を有するナットとを備えており、例えばねじ軸を軸芯回りに回転させるとねじ軸とナットとの間に組み込まれた多数のボールが内側軌道溝と外側軌道溝の溝面を転動し、これに伴ってナットが軸方向に相対移動するようになっている。
【０００３】
このようなボールねじは、内側軌道溝および外側軌道溝の溝面を同じ曲率でゴシックアーク状に形成しているものが多い。このため、ねじ軸側の内側軌道溝は主曲率の一方が凸形状であるのに対し、ナット側の外側軌道溝は主曲率の一方が凹形状であることから、内側軌道溝の溝面の曲率半径と外側軌道溝の溝面の曲率半径とが同じである場合には、内側軌道溝の溝面に加わるボールの接触面圧が外側軌道溝の溝面に加わるボールの接触面圧よりも大きくなってしまう。また、ボールは内側軌道溝および外側軌道溝の溝面を滑りながら転動するため、内側軌道溝および外側軌道溝の溝面にボールの滑り摩擦損失が生じる。ここで、単位時間当りの滑り摩擦損失はＰＶ値（Ｐ：ボールの接触面圧、Ｖ：ボールのすべり速度）と滑り摩擦係数によって計算することができるが、内側軌道溝の溝面の表面粗さと外側軌道溝の溝面の表面粗さがほぼ同じ表面粗さである場合には、溝面の滑り摩擦係数がほぼ同じとなるため、単位時間当りの滑り摩擦損失は外側軌道溝の溝面よりも内側軌道溝の溝面のほうが大きくなる。
【０００４】
内側軌道溝の溝面の滑り摩擦損失を低減する方策として、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくする方法が考えられるが、内側軌道溝の溝面に加わる最大接触面圧が大きくなってしまうため、ストロークが小さい場合や極度な高負荷条件で使用する場合には転がり疲労によりボールねじの寿命が短くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のボールねじにおいては、内側軌道溝の溝面の滑り摩擦損失を低減するために、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくすると、内側軌道溝の溝面に加わる最大接触面圧が大きくなってしまい、ストロークが小さい場合や極度な高負荷条件で使用する場合に転がり疲労により寿命が短くなるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくすることなくねじ軸側の滑り摩擦損失を小さくす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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、外周面に螺旋状の内側軌道溝を有するねじ軸と、このねじ軸の外周面に対向する内周面に螺旋状の外側軌道溝を有するナットと、前記ねじ軸または前記ナットの回転運動に伴って前記内側軌道溝および前記外側軌道溝の溝面を転動する多数のボールとを備えたボールねじにおいて、前記内側軌道溝の溝面の平均表面粗さを前記外側軌道溝の溝面の表面粗さより小さい表面粗さとしたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載のボールねじにおいて、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）、前記外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｎ）としたとき、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）としたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１記載のボールねじにおいて、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）、前記外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｎ）としたとき、前記内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）≦０．２５Ｒａ（ｎ）としたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじにおいて、前記多数のボールのうち隣り合う二つのボール間に、凹状のボール接触面を両端に有する円盤状のスペーサを設けたことを特徴とするものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじにおいて、前記多数のボールのうち隣り合う二つのボール間に、該ボールの直径より径の小さい球状スペーサを設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
【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は、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。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の外径より径の大きい内径を有するナット１２と、このナット１２とねじ軸１１との間に組み込まれた多数のボール１３とを備えており、例えばねじ軸１１が軸芯回りに回転するとボール１３がねじ軸１１の外周面とナット１２の内周面に相対向して形成された螺旋状の内側軌道溝１４および外側軌道溝１５間を転動し、これに伴ってナット１２が軸方向に相対移動するようになっている。
【００１１】
また、ボールねじ１０はボール循環部材としてのボール循環チューブ１６を備えており、軌道溝１４，１５間を転動したボール１３はボール循環チューブ１６内を通って元の位置に戻るようになっている。さらに、ボールねじ１０はボール１３よりも軟質の金属材料若しくは樹脂等の高分子材料からなる多数の円盤状スペーサ１７を備えており、これらのスペーサ１７は隣り合う二つのボール１３，１３間に配置されている。
【００１２】
図２はスペーサ１７の軸方向に沿う断面図であり、同図に示されるように、スペーサ１７の両端面には凹状のボール接触面１８，１８が形成されている。このボール接触面１８は、スペーサ１７の軸方向に沿う断面がボール１３の半径より大きい曲率半径で円弧状若しくはゴシックアーチ状に形成されており、これにより、ボール１３はボール接触面１８の二箇所と線接触するようになっている。
【００１３】
図３は、内側軌道溝１４および外側軌道溝１５の溝面の形状を示す断面図である。同図に示されるように、内側軌道溝１４および外側軌道溝１５は、二つの円弧をゴシックアーチ状に組み合わせた形状の溝面１４ａ，１５ａを有しており、これらの溝面１４ａ，１５ａは、その曲率半径がほぼ同一の曲率半径となっている。また、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）、外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さをＲａ（ｎ）とすると、内側軌道溝１４の溝面１４ａはその算術平均表面粗さがＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）、好ましくはＲａ（ｓ）≦０．２５Ｒａ（ｎ）となっている。
このような構成に基づく本発明の実施例と比較例を表１に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
表１において、実施例１〜１２は隣り合う二つのボール間にスペーサが介挿されたボールねじであって、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）に対してＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）としたものである。また、実施例１３〜２４は隣り合う二つのボール間にスペーサが介挿されていないボールねじであって、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）に対してＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）としたものである。
【００１６】
一方、比較例２５〜２９は隣り合う二つのボール間にスペーサが介挿されたボールねじであって、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）と外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）との比をＲａ（ｓ）／Ｒａ（ｎ）＞０．５としたものである。また、比較例３０〜３４は隣り合う二つのボール間にスペーサが介挿されていないボールねじであって、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）と外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）との比をＲａ（ｓ）／Ｒａ（ｎ）＞０．５としたものである。
【００１７】
本発明者らは、表１に示す実施例１〜２４及び比較例２５〜３４に対して下記の試験条件でボールねじの耐久寿命試験を行った。そして、内側軌道溝１４の溝面１４ａまたはボール１３に剥離が生じるまでのナット移動距離を測定し、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）と外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）との比が１．０に最も近いボールねじ（比較例３０）のナット移動距離を基準として、各ボールねじのナット移動距離を寿命比として比較評価した。その結果を表１及び図４に示す。
【００１８】
［耐久寿命試験条件］
使用ボールねじ名：ＮＳＫボールねじＢＳ２５２０（ボール径４．７６２５ｍｍ）
使用試験機名：日本精工（株）製ボールねじ耐久寿命試験機
予圧荷重：５００Ｎ
試験荷重：アキシャル荷重＝１０００Ｎ
回転数：５０００ｍｉｎ−１
ストローク：５００ｍｍ
潤滑グリース：アルバニアＮｏ．２（昭和シェル石油（株）製）
図４から明らかなように、内側軌道溝１４の溝面１４ａと外側軌道溝１５の溝面１５ａの曲率半径が同じである場合には、Ｒａ（ｓ）／Ｒａ（ｎ）が小さくなるほどボールねじの耐久寿命が長くなることがわかる。
【００１９】
図５は内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）＝１．０Ｒａ（ｎ）、０．５Ｒａ（ｎ）、０．２５Ｒａ（ｎ）、０．２Ｒａ（ｎ）とした場合におけるＰＶｍａｘの変化を示す図であり、同図に示されるように、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を小さくしてもＰＶｍａｘはあまり大きく変化しないことがわかる。つまり、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を小さくしてもねじ軸側のＰＶ値は大きく変化しないことがわかる。
【００２０】
図６は内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）＝１．０Ｒａ（ｎ）、０．５Ｒａ（ｎ）、０．２５Ｒａ（ｎ）、０．２Ｒａ（ｎ）とした場合における滑り摩擦損失の変化を示す図であり、同図から明らかなように、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を小さくすると滑り摩擦損失が減少することがわかる。特に、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さＲａ（ｎ）に対してＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）、好ましくはＲａ（ｓ）≦０．２５Ｒａ（ｎ）にすると、Ｒａ（ｓ）／Ｒａ（ｎ）を１．０とした場合に比較して、ねじ軸側の滑り摩擦損失が大きく減少することがわかる。
【００２１】
以上のことから、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さを外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さより小さい表面粗さにすると、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さが小さくなるほどねじ軸側の滑り摩擦損失が減少する。したがって、ねじ軸側の滑り摩擦損失を小さくするために、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくする必要がないので、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくすることなくねじ軸側のＰＶ値を小さくすることができ、これにより、ストロークが小さい場合や高負荷条件で使用する場合でも耐久寿命の長いボールねじを得ることができる。
【００２２】
また、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さを外側軌道溝１５の溝面１５ａの算術平均表面粗さに対してＲａ（ｓ）≦０．５Ｒａ（ｎ）、好ましくはＲａ（ｓ）≦０．２５Ｒａ（ｎ）の算術平均表面粗さにすることによって、ねじ軸側の滑り摩擦損失がより大きく減少するので、耐久寿命のより長いボールねじを得ることができる。
【００２３】
また、上述した実施形態のように、隣り合う二つのボール１３，１３間にスペーサ１７を設けることで、隣り合うボール同士の競り合いがスペーサ１７によって抑制されるので、ボール同士の競り合いによる滑り摩擦損失を低減することができる。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態では、ボール同士の競り合いによる滑り摩擦損失を低減するために、隣り合う二つのボール１３，１３間に円盤状のスペーサ１７を配置したが、隣り合う二つのボール間に該ボールの直径より径の小さい球状スペーサを配置しても同様の効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明は、内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さを外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さより小さい表面粗さとしたことにより、ねじ軸側の滑り摩擦損失が減少するため、内側軌道溝の溝面の曲率半径を外側軌道溝の溝面の曲率半径よりも大きくすることなくねじ軸側の滑り摩擦損失を小さくすることができる。
【００２５】
請求項２及び３の発明によれば、ねじ軸側の滑り摩擦損失が大きく減少するので、ストロークが小さい場合や高負荷条件で使用する場合でも耐久寿命のより長いボールねじを得ることができる。
請求項４及び５の発明によれば、隣り合うボール同士の競り合いがスペーサによって抑制されるため、上述した効果に加え、ボール同士の競り合いによる滑り摩擦損失を低減することができる。
【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断面図である。
【図２】隣り合う二つのボール間に介挿されたスペーサの軸方向断面図である。
【図３】ねじ軸の外周面に形成された内側軌道溝とナットの内周面に形成された外側軌道溝の溝面形状を示す図である。
【図４】表１に示す各ボールねじの耐久寿命試験結果を示す図である。
【図５】内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さＲａ（ｎ）に対してＲａ（ｓ）＝１．０Ｒａ（ｎ）、０．５Ｒａ（ｎ）、０．２５Ｒａ（ｎ）、０．２Ｒａ（ｎ）とした場合におけるＰＶｍａｘの変化を示す図である。
【図６】内側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さＲａ（ｓ）を外側軌道溝の溝面の算術平均表面粗さＲａ（ｎ）に対してＲａ（ｓ）＝１．０Ｒａ（ｎ）、０．５Ｒａ（ｎ）、０．２５Ｒａ（ｎ）、０．２Ｒａ（ｎ）とした場合における滑り摩擦損失の変化を示す図である。
【符号の説明】
１１　　ねじ軸
１２　　ナット
１３　　ボール
１４　　内側軌道溝
１４ａ　溝面
１５　　外側軌道溝
１５ａ　溝面
１６　　ボール循環チューブ
１７　　スペーサ
【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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