(57)【要約】【課題】ねじ軸側の単位時間当りの滑り摩擦損失を低減して耐久寿命を延ばすことのできるボールねじを提供する。【解決手段】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）、内側軌道溝１４の溝面１４ａの曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ、外側軌道溝１５の溝面１５ａの曲率半径のボール直径に対する割合をＲｎとしたとき、内側軌道溝１４の溝面１４ａの算術平均表面粗さをＲａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）とするとともに、内側軌道溝１４の溝面１４ａの曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ＝１．０１５〜１．０５Ｒｎとする。【選択図】  図２
2004162757.tif 000002
【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）、前記内側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ、前記外側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｎ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）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）とするとともに、前記内側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ＝１．０１５〜１．０５Ｒｎとしたことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
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記載のボールねじ。
【請求項３】
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】
【発明が解決しようとする課題】
このようなボールねじは、内側軌道溝の溝面と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と外側軌道溝の溝面の曲率とが同じである場合には、外側軌道溝の溝面に加わるボールの接触面圧よりも内側軌道溝の溝面に加わるボールの接触面圧のほうが大きくなる。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、ＰＶ値（Ｐ：ボールと軌道溝との接触部の面圧、Ｖ：すべり速度）は内側軌道溝のほうが大きくなる。ここで、単位時間当りの滑り摩擦損失はＰＶ値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同じである場合には、溝面の滑り摩擦係数がほぼ同じとなるため、ナット側の単位時間当りの滑り摩擦損失よりもねじ軸側の単位時間当りの滑り摩擦損失のほうが大きくなり、トルクの上昇を引き起こすばかりでなく、発熱の原因となったり、軌道溝やボールの摩耗寿命を低下させたり、剥離寿命を低下させたりするという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、上述した問題点に着目してなされたものであり、ねじ軸側の単位時間当りの滑り摩擦損失を低減して耐久寿命を延ばす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）、前記内側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ、前記外側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｎ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）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）とするとともに、前記内側軌道溝の溝面の曲率半径のボール直径に対する割合をＲｓ＝１．０１５〜１．０５Ｒｎとしたことを特徴とする。
【０００６】
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３の発明は、請求項１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。
【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。
【０００８】
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。
【０００９】
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と線接触するようになっている。
【００１０】
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、内側軌道溝１４の溝面１４ａの曲率半径のボール直径に対する割合（以下、「ねじ軸側溝曲率」という。）をＲｓ、外側軌道溝１５の溝面１５ａの曲率半径のボール直径に対する割合（以下、「ナット側溝曲率」という。）をＲｎとすると、ねじ軸側溝曲率Ｒｓは、Ｒｓ＝１．０１５〜１．０５Ｒｎ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の算術平均表面粗さは、Ｒａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（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。
【００１１】
【表１】
2004162757.tif 000003
【００１２】
表１において、実施例１〜７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をＲａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）、ねじ軸側溝曲率Ｒｓを５４〜５５．５％、ナット側溝曲率Ｒｎを５３％としたものである。また、実施例８〜２９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をＲａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）、ねじ軸側溝曲率Ｒｓを５３〜５５．５％、ナット軸側溝曲率Ｒｎを５２〜５４％としたものである。
【００１３】
一方、比較例３０〜３３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をＲａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）、ねじ軸側溝曲率Ｒｓを５３．５〜５６％、ナット軸側溝曲率Ｒｎを５３％としたものである。また、比較例３４〜４９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をＲａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）、ねじ軸側溝曲率Ｒｓを５２〜５８％、ナット側溝曲率Ｒｎを５２〜５４％としたものである。
【００１４】
本発明者らは、表１に示す実施例１〜２９及び比較例３０〜４９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い、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時間を測定した。そして、比較例３４の寿命を１．０として、各ボールねじの寿命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。
【００１５】
［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）
表１及び図４から明らかなように、実施例１〜７は比較例３０〜３３に比較して寿命比が向上しており、また実施例８〜２９は比較例３４〜４９に比較して寿命比が向上していることがわかる。
【００１６】
図５はねじ軸側溝曲率Ｒｓをナット側溝曲率Ｒｎに対してＲｓ＝０．９６３Ｒｎ、１．０Ｒｎ、１．０３７Ｒｎ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、同図に示されるように、ねじ軸側溝曲率をＲｓ≦１．０Ｒｎにすると、ねじ軸側の滑り摩擦損失が増大することがわかる。
図６はねじ軸側溝曲率Ｒｓをナット側溝曲率Ｒｎに対してＲｓ＝０．９６３Ｒｎ、１．０Ｒｎ、１．０３７Ｒｎとした場合における最大接触面圧の変化を示す図であり、同図に示されるように、ねじ軸側溝曲率をＲｓ／Ｒｎ＝０．９６３〜１．０３７の範囲で変化させても最大接触面圧はそれほど変化しないことがわかる。
【００１７】
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Ｒａ（ｓ）＝０．８〜１．２５Ｒａ（ｎ）とするとともに、ねじ軸側溝曲率をＲｓ＝１．０１５〜１．０５Ｒｎにすると、ねじ軸のボール接点における単位時間当りの摩擦損失がナットのボール接点におけるボール単位時間当りの摩擦損失の同等以下になり、表面起点による剥離寿命や内部クラックの進展が抑えられるため、ボールねじの寿命を向上させることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、ねじ軸のボール接点における単位時間当りの摩擦損失がナットのボール接点におけるボール単位時間当りの摩擦損失の同等以下になり、表面起点による剥離寿命や内部クラックの進展が抑えられるため、ボールねじの耐久寿命を延ばすことができる。
請求項２及び３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】ねじ軸側溝曲率Ｒｓをナット側溝曲率Ｒｎに対してＲｓ＝０．９６３Ｒｎ、１．０Ｒｎ、１．０３７Ｒｎ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。
【図６】ねじ軸側溝曲率Ｒｓをナット側溝曲率Ｒｎに対してＲｓ＝０．９６３Ｒｎ、１．０Ｒｎ、１．０３７Ｒｎとした場合における最大接触面圧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】
2004162757.tif 000004
【図２】
2004162757.tif 000005
【図３】
2004162757.tif 000006
【図４】
2004162757.tif 000007
【図５】
2004162757.tif 000008
【図６】
2004162757.tif 000009