(57)【要約】【課題】作動性および耐久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】ねじ軸側ボールねじ溝とナット側ボールねじ溝１４との間に形成されたボール負荷転動路とボール戻しチューブ１６内に形成されたボール無負荷転動路とを接続してボール１５を無限循環させるボール循環孔２０をボールエンドミルで孔明け加工し、ナット側ボールねじ１４溝とボール１５との二本の接点軌跡線がボール循環孔２０により分断される二つの分断点のズレ量をボール１５の直径に対して６０％以下にする。【選択図】　図４
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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ねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ溝に対向する螺旋状のボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸とナットのボールねじ溝間を転動する多数のボールと、これらのボールを初期位置に戻すボール戻しチューブとを備え、前記ボールねじ溝間に形成されたボール負荷転動路と前記ボール戻しチューブ内に形成されたボール無負荷転動路とを接続してボールを無限循環させるボール循環孔を前記ナットに設けたボールねじにおいて、
前記ナットの内周面に形成された前記ボールねじ溝と前記ボールとの二本の接点軌跡線が前記ボール循環孔により分断される二つの分断点のズレ量を前記ボールの直径に対して６０％以下にしたことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記ズレ量を前記ボールの直径に対して３０％以下に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】
前記ボール間にスペーサを介在させたことを特徴とする請求項１又は２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】
本発明は工作機械などにおいてモータ等の回転運動を直線運動に変換する機構部として使用されるボールねじに係り、特に、ボール戻し部材としてボール戻しチューブを用いたチューブ式ボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
チューブ式ボールねじは、ねじ軸と、このねじ軸の外周に貫装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回転させるとナット内に組み込まれた多数のボールがねじ軸とナットのボールねじ溝間に形成された螺旋状のボール負荷転動路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初期位置に戻すボール戻しチューブを備えており、ボール負荷転動路を転動したボールはボール戻しチューブ内に形成されたボール無負荷転動路を転動して初期位置に戻るようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなチューブ式ボールねじは、ボール負荷転動路とボール無負荷転動路とを接続してボールを無限循環させるためのボール循環孔をナットに設けてボールを無限循環させているが、次のような問題点を有していた。すなわち、従来のチューブ式ボールねじでは、前述したボール循環孔がエンドミルで孔明け加工されているため、このボール循環孔２０の付近でボール１５の転がり運動が不安定な状態となり、「つまり」や「ひげ」といった動トルク変動が発生することによってボールねじの作動性や耐久性を低下させることがあった。
【０００４】
図９は、ナットの所定位置をエンドミルで図１３に示す深さ位置まで孔明け加工してボール循環孔をナットに形成した場合のナット側ボールねじ溝とボール循環孔との接続部分を示す図である。同図において、Ｌ１，Ｌ２はナット側ボールねじ溝１４とボールとの接点軌跡線を示しており、これらの接点軌跡線Ｌ１，Ｌ２はボール循環孔２０に点Ａ，Ｂの地点で分断される。この点Ａと点Ｂを結んだ線ＬＡＢは、ボールねじ溝１４がリード角を有しているため、ボールの中心軌跡線に対して垂直な断面と平行にならない（角度δを持つ）。このため、ボール戻しチューブからボール負荷転動路に入っていくボールは、ボールの中心軌跡線と直交する断面間ではボールねじ溝１４とボールとの接触状態が通常の負荷圏での接触状態と異なる状態になる。つまり、片側の接点でしかボールねじ溝１４と接触しない状態になる。
【０００５】
図１０はオーバーサイズ予圧方式の場合におけるボールねじ溝とボールとの接触状態を示す図で、図１１は間座予圧方式の場合におけるボールねじ溝とボールとの接触状態を示す図である。図１０に示されるように、予圧方式がオーバーサイズ予圧方式の場合には、ねじ軸側ボールねじ溝１３及びナット側ボールねじ溝１４とボール１５は、通常、４点での接触状態となるが、ボール循環孔付近では、図１２に示されるように、３点での接触状態となる。
【０００６】
このような３点接触状態では、３点のうちの２点を主接点としてボール１５が回転し、残りの１点はボールねじ溝１３，１４に対して滑りを生ずることになる。また、この２点はボールねじ溝１３，１４との相対関係により常に安定せず、いろいろな接点状態となると考えられる（例えばボールの公転軸が変化するなど）。この滑り現象が存在するため、ボール１５は通常の負荷圏での接触状態（４点接触または２点接触）とは、異なることになる。滑りの存在と、回転軸が異なることによるボールの公転速度の違いにより、この部分を通るボールは、他のボールの円滑な移動の妨げとなる。これが、ボールねじの作動性に「つまり」や「ひげ」といった悪影響を与える原因となる。また、ボールねじ溝とボールの間に滑りが存在することから、特に高速や高荷重では、ボールや溝面の摩耗の進展の原因となる。
【０００７】
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、作動性および耐久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ものである。
【０００８】
【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、本発明は、外周面に螺旋状の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螺旋状のボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸とナットのボールねじ溝間を転動する多数のボールと、これらのボールを初期位置に戻すボール戻しチューブとを備え、前記ボールねじ溝間に形成されたボール負荷転動路と前記ボール戻しチューブ内に形成されたボール無負荷転動路とを接続してボールを無限循環させるボール循環孔を前記ナットに設けたボールねじにおいて、前記ナットの内周面に形成された前記ボールねじ溝と前記ボールとの二本の接点軌跡線が前記ボール循環孔により分断される二つの分断点のズレ量を前記ボールの直径に対して６０％以下にしたことを特徴とする。ここでいうズレ量とは、ボール接点軌跡を分断する点Ａ、Ｂを通る２つのボール溝直角断面間のＢ．Ｃ．Ｄ上での距離のことを言う。
【０００９】
このような構成であると、「ひげ」や「つまり」といった動トルクの変動成分が低減されるため、ボールねじの作動性と耐久性を向上させることができる。また、ボール負荷転動路とボール無負荷転動路との接続部分におけるボールとボールねじ溝との不完全な接触状態を極力避けることが可能になり、ボールの安定した公転運動が得られ、ボール負荷転動路とボール無負荷転動路との接続部分でのボールねじ溝やボールの摩耗が抑えられるため、ボールねじの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、ボールねじ溝とボールとの接触状態が安定し、ボールの公転速度を均一化してボール同士の衝突が回避されるため、低騒音のボールねじを得ることができる。
この場合、請求項２記載の発明のように、分断点のズレ量をボールの直径に対して３０％以下にすると、ボールねじの作動性および耐久性の向上をより確実に図ることができる。また、請求項３記載の発明のように、ボール間にスペーサを介在させると、ボール同士の競り合いがスペーサによって抑制されるので、上述した効果に加え、騒音や振動等の発生を防止することができる。また、ずれ量を小さくしておくとボールが不安定となる距離が小さく、スペーサが引っ掛かったりする段差の多い部品でボールがしっかりスペーサを保持するので、スペーサが倒れたりするのを防ぐことができる。
【００１１】
【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乃至図６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、図２はその平面図である。これらの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の外周に貫装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内に組み込まれた多数のボール１５がボールねじ溝１３，１４間を転動するようになっている。
【００１２】
また、ボールねじ１０はボール１５を初期位置に戻すＵ字状のボール戻しチューブ１６を備えており、ボールねじ溝１３，１４間を転動したボール１５はボール戻しチューブ１６内を通って初期位置に戻るようになっている。さらに、ボールねじ１０は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は各ボール１５の間に配設されている。なお、ボール戻しチューブ１６はナット１２の外周面に形成された平面部１２ａに複数のビス１８と固定金具１９によって固定されている。
【００１３】
図３はスペーサ１７の断面図であり、同図に示されるように、各スペーサ１７の両端面には凹状のボール接触面１６ａがそれぞれ形成されている。このボール接触面１６ａの断面は、ボール１５の半径ｒよりも大きな曲率半径Ｒを有する２つの円弧をゴシックアーチ状に組み合わせた形状となっている。
図４は図２のＩＶ―ＩＶ線に沿う矢視断面図であり、同図に示されるように、ナット１２には、ボールねじ溝１３，１４間に形成されたボール負荷転動路とボール戻しチューブ１６内に形成されたボール無負荷転動路とを接続してボール１５を無限循環させるためのボール循環孔２０，２０が形成されている。これらのボール循環孔２０はナット１２の所定位置をボールエンドミルで図５に示す深さ位置まで孔明け加工してナット１２に形成されており、その座ぐり穴部２０ａにはボール戻しチューブ１６の端部が嵌挿されている。
【００１４】
ここで、ボールエンドミルの加工深さは、図５に示すように、設計上のボールすくい上げ点（ボール中心軌跡線Ｂ．Ｃ．Ｄとボールエンドミル２１の中心線ＣＬＢとが交差する点）とボールエンドミル２１の先端球面部の中心Ｏとが一致する深さとする。ただし、この場合、ボールエンドミル２１の先端形状によってボール循環経路の一部が狭くなる可能性があるが、ボールエンドミル２１を基準加工深さに対して少し深め（基準加工深さに対してボール径の２０％程度）に入れることで循環経路の一部が狭くなることを解消できる。したがって、ボール循環孔２０をボールエンドミル２１で孔明け加工する場合の加工深さとしては、ボールエンドミル２１の先端球面部の中心Ｏとボールすくい上げ点とが一致する深さを基準加工深さとし、これよりボール径の０〜２０％程度深い深さとすることが望ましく、ボールエンドミル２１の径はボール径の１．００５〜１．１倍程度が望ましい。
【００１５】
図６はボール循環孔２０をボールエンドミル２１で孔明け加工した場合のボール循環孔２０付近のボールねじ溝１４の一部を示す図であり、同図に示されるように、ボール循環孔２０をボールエンドミル２１で孔明け加工すると、図９に示した点Ａと点Ｂのズレ量が少なくなるので、ボールねじの作動性と耐久性を向上させることができる。
【００１６】
図７に、ボール循環孔２０をエンドミルで孔明け加工した後、ナット側ボールねじ溝１４の片側を後加工で削り取った場合の例を示す。この場合は、図９の点Ａを点Ｂの位置まで削り込むことになる。当然、削り込み部はボールねじ溝１４となだらかに繋ぐ必要がある。
また、図７は、ナット側ボールねじ溝１４のクラウニング加工を併用して、ボールねじ溝１３，１４をすくい上げ部で予圧や外部荷重が徐々に抜けるように、ナット側ボールねじ溝１４の径を徐々に大きくしていく加工を行った例である。この場合も荷重が作用し始めるナット側の２つの接点の位置が合うように、加工しなければならない。
【００１７】
図６、図７および図９に示した例は、ボール循環孔２０の位置を変えない場合の例である。ボール循環孔２０の位置は、設計すくい上げ角度により変化する。上記Ａ−Ｂ断面間の距離は、同一リード角でも、ボールすくい上げ角度（ボールねじ軸溝からすくい上げる設計上の角度）によっても変化する。すくい上げ角度が大きくなればＡ−Ｂ断面間の距離は小さくなる。つまり、リードの大きいボールねじでは、通常のすくい上げ角度（１５〜２０°程度）を２５°以上とすることも効果的である。
【００１８】
本発明者らは、ナット側ボールねじ溝とボールとの接点軌跡線Ｌ１，Ｌ２がボール循環孔によって分断される分断点Ａ，Ｂ間のズレ量とボールねじの作動性との関係を調べるために、図７に示した方法でボール循環孔を加工したボールねじ（ねじ軸径；２０ｍｍ、リード；４０ｍｍ、ボール径；１／８インチ、回路数；０．５巻き２列（２条））を使用し、予圧荷重：１００Ｎ、試験回転数：５０ｍｉｎ−１、試験ストローク：５００ｍｍ、潤滑：油ＶＧ♯６８の試験条件でボールねじのトルク測定試験を行った。そして、点Ａ，Ｂ間のズレ量を変化させた場合におけるボールねじの作動性について評価した。
【００１９】
図８は上述したボールねじトルク測定試験の試験結果を示す図であり、同図に示すように、図８の横軸を小さくするように削り込んでいくと作動性の向上が得られることがわかる。また、図中縦軸の（Ａ‐Ｂ）／ボール径が０．６を超えると図中縦軸の作動性評価値（ひげ高さ／ベーストルク）が急激に上昇し、ボールねじの作動性を低下させることがわかり、さらに（Ａ‐Ｂ）／ボール径が０．３以下になると作動性評価値が１以下となることがわかる。
【００２０】
したがって、（Ａ‐Ｂ）／ボール径を０．６以下、好ましくは０．３以下にすると、ひげ高さ／ベーストルクが低い値となるので、ボールねじの作動性と耐久性を向上させることができる。また、ボールの全循環回路内での公転速度の変化を小さくすることができる。これにより、すくい上げ部付近でのボール同士の衝突頻度が少なくなり、高速での（４０００ｒｐｍ）での騒音特性が３ｄＢ（Ａ）ほど改善されるという効果も確認された。また、ボール同士の衝突、すくい上げ部付近でのボールの安定性（滑りや振動を無くせる）から、ボールやボールねじ溝の摩耗寿命に対しても効果的である。
【００２１】
このように、回路内の公転速度を極力合わせることにより、ボールの競り合いを抑え、さらにボール同士の競り合い摩擦を小さくできる。スペーサを挿入すると、さらに大きな効果（騒音、作動、寿命）が得られる。
なお、上述した実施形態では、オーバーサイズ予圧の場合を例にしたが、４点接触（オーボーサイズボール予圧）と２点接触（間座予圧）は基本的に、ボールの公転速度は同じであるため、どの予圧形式でも適応できる。
【００２２】
【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、「ひげ」や「つまり」といった動トルクの変動成分が低減されるため、ボールねじの作動性と耐久性を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、「ひげ」や「つまり」といった動トルクの変動成分がより有効に低減されるため、ボールねじの作動性および耐久性の向上をより確実に図ることができる。
請求項３の発明によれば、ボール同士の競り合いがスペーサによって抑制されるので、上述した効果に加え、騒音や振動等の発生を防止することができる。
【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】図１に示すボールねじの平面図である。
【図３】図１に示すスペーサの断面図である。
【図４】図２のＩＶ‐ＩＶ線に沿う矢視断面図である。
【図５】ナットのボール循環孔をボールエンドミルで孔明け加工する場合のボールエンドミルの加工深さを示す説明図である。
【図６】ボール循環孔をボールエンドミルで孔明け加工した場合のナット側ボールねじ溝の一部を示す図である。
【図７】ボール循環孔をエンドミルで孔明け加工したした場合のナット側ボールねじ溝の一部を示す図である。
【図８】ボールねじの作動評価試験結果を示す図である。
【図９】ボール循環孔をエンドミルで孔明け加工したした場合のナット側ボールねじ溝の一部を示す図である。
【図１０】オーバーサイズ予圧方式の場合におけるボールねじ溝とボールとの接触状態を示す図である。
【図１１】間座予圧方式の場合におけるボールねじ溝とボールとの接触状態を示す図である。
【図１２】ボール循環孔付近のボールねじ溝とボールとの通常の接触状態を示す図である。
【図１３】ナットのボール循環孔をエンドミルで孔明け加工する場合のエンドミルの加工深さを示す説明図である。
【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　　ボール戻しチューブ
１７　　スペーサ
２０　　ボール循環孔
２１　　ボールエンドミル
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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