(57)【要約】【課題】円錐ころの公転方向の滑りを抑制することで長寿命化を図ることができるローラねじを提供する。【解決手段】前記円錐ころのテーパ角度γを、下記の（１）式で与えられる値に設定したことを特徴とする。【数１】2004084825.tif 000013ここで、γ：円錐ころのテーパ角度、γ０：円錐ころ中心ＯＢを通過する円錐ころ半径、ｄｍ：円錐ころ中心ＯＢを通る円錐ころピッチ円直径のねじ線の回転直径、α：ローラの傾き角、β：ローラねじのリード角である。また、ローラねじのリード角βは、下記の（２）式で与えられる。【数２】2004084825.tif 000014ここで、Ｌ：ローラねじのリードである。【選択図】　　　　図１
2004084825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状に延在するシャフト転走面を形成したシャフトと、内周面に前記シャフト転走面に対応する螺旋状に延在したナット転走面を形成したナットと、前記シャフト転走面及び前記ナット転走面で形成した螺旋状の転動路に配列した複数の円錐ころとを備えたローラねじにおいて、
前記円錐ころのテーパ角度γを、下記の（１）式で与えられる値に設定したことを特徴とするローラねじ装置。
【数１】
2004084825.tif 000011
ここで、γ：円錐ころのテーパ角度、γ０：円錐ころ中心ＯＢを通過する円錐ころ半径、ｄｍ：円錐ころ中心ＯＢを通る円錐ころピッチ円直径のねじ線の回転直径、α：ローラの傾き角、β：ローラねじのリード角である。また、ローラねじのリード角βは、下記の（２）式で与えられる。
【数２】
2004084825.tif 000012
ここで、Ｌ：ローラねじのリードである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形機やプレス機などのように高負荷が加わりながら直線運動に変換するローラねじに係り、特に、転動体として用いる円錐ころの形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機械設備の省力化傾向に伴い、従来は油圧装置で駆動されていた射出成形機やプレス機などが電動化される傾向にある。上記のような用途で油圧装置に代わるものとして、機械効率の高い転がりねじ装置が利用されてきている。
転がりねじ装置には、転動体に剛球を用いたボールねじや、転動体にころを用いたローラねじがある。射出成形機やプレス機には、大きな負荷容量の駆動装置が必要であるが、ボールねじは負荷容量が劣る。これは、油圧装置は負荷を油圧ピストンの面で受けるのに対して、ボールねじは、複数の剛球とナット軌道溝やシャフト軌道溝とが点接触によって負荷を受けるという構造の違いによる。
【０００３】
一方、ローラねじは、外周面に螺旋状のシャフト転動溝を形成したシャフトと、内周面に前記シャフト転動溝に対応する螺旋状のナット転動溝を形成したナットと、シャフト転動溝及びナット転動溝で形成した螺旋状の転動路に配列した複数のころとを備え、ころが螺旋状の転動路を公転しつつシャフトがナットに対して相対的に回転することで、ナットがシャフトに対して相対的に往復運動する装置であり、ころの周面と、ナット転動溝やシャフト転動溝とが線接触で負荷を受けるので、ボールねじと比較して負荷容量が優れた装置となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ローラねじは、ローラの周面に接触するナット転動溝やシャフト転動溝の転走面の螺旋方向の長さが、ローラの長手方向の位置によって異なる。
このように、転走面の螺旋方向の長さがローラの長手方向の位置によって異なると、ローラとして円錐ころを用いる場合には、通常の円錐ころはテーパ角度の最適設計を施していないので、円錐ころの周面と転走面との間に円錐ころの長手方向の位置によって大きさが異なる公転方向の滑りが生じ、その滑りによりスキューが発生して摩擦損失が増大してしまう。したがって、円錐ころを使用した従来のローラねじは、摩擦損失の増大により発熱量が大きくなり、長寿命化の面で問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、円錐ころの公転方向の滑りを抑制することで長寿命化を図ることができるローラねじを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
したがって、本願発明のローラねじは、外周面に螺旋状に延在するシャフト転走面を形成したシャフトと、内周面に前記シャフト転走面に対応する螺旋状に延在したナット転走面を形成したナットと、前記シャフト転走面及び前記ナット転走面で形成した螺旋状の転動路に配列した複数の円錐ころとを備えたローラねじにおいて、円錐ころのテーパ角度γを、下記の（１）式で与えられる値に設定した。
【０００７】
【数３】
2004084825.tif 000003
【０００８】
ここで、γ：円錐ころのテーパ角度、γ０：円錐ころ中心ＯＢを通過する円錐ころ半径、ｄｍ：円錐ころ中心ＯＢを通る円錐ころピッチ円直径のねじ線の回転直径、α：ローラの傾き角、β：ローラねじのリード角である。また、ローラねじのリード角βは、下記の（２）式で与えられる。
【０００９】
【数４】
2004084825.tif 000004
【００１０】
ここで、Ｌ：ローラねじのリードである。
なお、前述した円錐ころ中心ＯＢとは、円錐ころの周面の長手方向の中央位置の点に立てた法線が、円錐ころの自転軸に交差する位置である
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るローラねじの１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、ローラねじの溝直角断面を示すものであり、本実施形態のローラねじは、外周面に螺旋状のシャフト転動溝を形成したシャフト２と、内周面に前記シャフト転動溝に対応する螺旋状のナット転動溝を形成したナット４と、シャフト転動溝及びナット転動溝で形成した螺旋状の転動路６に配列した複数の円錐ころ８とを備えており、円錐ころ８の周面８ａが、前記シャフト転動溝のシャフト転走面２ａ及び前記ナット転動溝のナット転走面４ａに線接触している。
【００１２】
図１の符号Ｃは、円錐ころ８の自転軸を示しており、この図の符号ＯＢは、円錐ころ８の周面８ａの長手方向の中央位置の点Ｂに立てた法線が自転軸Ｃに交差する円錐ころの中心を示し（以下、円錐ころ中心ＯＢと称する）。この図の直線Ｄは、円錐ころピッチ円直径（ＢＣＤ）のねじ線を示している。
また、図１に示すように、円錐ころ中心ＯＢからシャフト２の軸心Ｓに下した垂線の足の点を座標の原点０とすると、原点Ｏから円錐ころ中心ＯＢへ向かう方向をｙ軸とし、シャフト２の軸心Ｓ及びｙ軸に垂直な方向をｚ軸とする一方、ｙ軸からｚ軸へ向かう方向にθ座標をとり、ＢＣＤのねじ線Ｄが角度θとともに進む軸心方向をｘ軸としている。
【００１３】
そして、図２には、０−ｘｙｚ座標と、この０−ｘｙｚ座標をｚ軸からｘ軸の方向へローラねじのリード角βだけ回転させた０−ｘ’ｙｚ’座標を示しており、ｘ’ｙ平面が、円錐ころ中心ＯＢを中心としたローラねじの溝直角断面として図１に示している。なお、図１では、ｘ’，ｙの代わりにＳ、Ｒを用いて、溝直角断面上に限定した０−ＳＲ座標を示している。
【００１４】
次に、本実施形態における円錐ころ８の最適なテーパ角度γを設定する手順について、図１及び図２を参照して説明する。
先ず、円錐ころ中心ＯＢから点Ｂまでの垂線の長さを円錐ころ半径ｒ０とし、円錐ころ中心ＯＢから自転軸Ｃ上の任意の点ＯＰまでの距離をｂとし、任意の点ＯＰからシャフト転走面２ａに下した垂線の足の点をＰとし、任意の点ＯＰから点Ｐまでの距離をｒとすると、
円錐ころ８のテーパ角度γは下記の（３）式で表わされる。
【００１５】
【数５】
2004084825.tif 000005
【００１６】
点Ｐの座標（Ｓ，Ｒ）は下記の（４）式、（５）式で示される。
【００１７】
【数６】
2004084825.tif 000006
【００１８】
ここで、αは、円錐ころ８の傾き角（円錐ころの自転軸Ｃとシャフトの軸心Ｓとのなす角）であり、接触角は（α−γ）で表される。
そして、図２の０−ｘｙｚ座標において、点Ｐ（任意の点ＯＰからシャフト転走面２ａに下した垂線の足）を通るＢＣＤのねじ線Ｄの方程式は、角度θをパラメータとして下記の（６）式、（７）式、（８）式で表わされる。
【００１９】
【数７】
2004084825.tif 000007
【００２０】
ここで、ｈ＝Ｌ／２π＝ｄｍｔａｎβ（Ｌ：ローラねじのリード、ｄｍ：円錐ころ中心ＯＢを通るＢＣＤのねじ線の回転直径）
図２において、θ＝０における円錐ころ８の公転方向はｚ’軸である。したがって、θ＝０において、円錐ころ８に対するシャフト転走面２ａの相対移動のうち、ｚ’方向成分が公転成分ということになる。
【００２１】
次に、上記（６）式、（７）式、（８）式を用いて、単位回転角あたりの公転方向の移動量を求める。そのため、（６）式、（７）式、（８）式を、０−ｘ’ｙｚ’へ座標変換する。
【００２２】
【数８】
2004084825.tif 000008
【００２３】
上記（９）式をθで微分し、θ＝０及び上記（４）式、（５）式を代入すると、下記（１０）式に示す単位回転角あたりの公転方向の移動量Ｚ０’が求められる。
【００２４】
【数９】
2004084825.tif 000009
【００２５】
距離ｂ（円錐ころ中心ＯＢから自転軸Ｃ上の任意の点ＯＰまでの距離）の変化に対して、即ち、円錐ころ８の長手方向の変化に対して、任意の点ＯＰの円錐ころ８の半径ｒと、単位回転角当りの公転方向の移動量Ｚ０’とが比例して変化すれば、公転方向の滑り成分は理論上存在しないことになり、上記（１）式と上記（１０）式に基づいて、下記（１１）式、（１２）式、（１３）式の条件を求めることができる。
【００２６】
【数１０】
2004084825.tif 000010
【００２７】
これにより、円錐ころ８のテーパ角γを、上記（１３）式で設定することによって、公転方向の滑り成分が理論上ゼロになる。
したがって、公転方向の滑り成分が抑制された本実施形態のローラねじはスキューが発生しにくくなり、それに伴って摩擦損失も低下して発熱量が小さくなり、シャフト転走面２ａ及び円錐ころ８の周面８ａの摩耗が大幅に低減するので、動力の伝達効率が向上するとともに、長寿命化を図ることができる。
【００２８】
なお、上記（１３）式で設定した円錐ころ８のテーパ角度γは、円錐ころ８とシャフト２との間の解析結果であるが、円錐ころ８とナット４との間についても同様の解析によって、同一の結果を得る事ができる。
【００２９】
【実施例】
以下に示す仕様のローラねじについて、公転方向すべり率の理論解析を行った結果を図３に示す。なお、この図３は、円錐ころ８の周面の長手方向の中央を原点とし、長手方向の長さを横軸とし、距離ｂ（円錐ころ中心ＯＢから自転軸Ｃ上の任意の点ＯＰまでの距離）＝０での公転方向の転がり量に対する各点での公転方向すべり量の比を縦軸とした図である。
【００３０】
ＢＣＤのねじ線の回転直径　ｄｍ　：８３ｍｍ
ローラねじのリード　Ｌ：２０ｍｍ
円錐ころの傾き角　　α：４５°
円錐ころ中心ＯＢを通過する円錐ころ半径　ｒ０：８ｍｍ
円錐ころのテーパ角度　γ（＝７．７８８°）−１０，γ−６，γ−２，γ、γ＋２，γ＋６，γ＋１０の７種類。ここで、γ−２，γ、γ＋２の３種類のテーパ角度が、上記（１３）式で設定した円錐ころ８のテーパ角度の範囲内の値であり、γ−１０，γ−６，γ＋６，γ＋１０の４種類（γ＝７．７８８°）のテーパ角度が、上記（１３）式で設定した円錐ころ８のテーパ角度の範囲外の値である。
【００３１】
図３の結果から明らかなように、上記（１３）式で設定した円錐ころ８のテーパ角度の範囲内であるγ−２，γ、γ＋２の３種類のテーパ角度にすると、ローラねじは理論上すべりを生じない。公転方向のすべり率の変化は、テーパ角度の変化にほぼ比例するが、一般に、回転数が増し、すべり量（すべり率×回転数）がある値を超えたところから寿命が急激に低下する。これは繰返し応力回数による破損形態から、すべりによる摩耗、組織変化、はくり等の破損形態に移行するために起こる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のローラねじによると、円錐ころの周面とシャフト転走面（或いはナット転走面）の公転方向の滑り成分が抑制され、スキューが発生しにくくなるので、摩擦損失が低下して発熱量が小さくなる。したがって、円錐ころの周面とシャフト転走面（或いはナット転走面）の摩耗が大幅に低減するので、動力の伝達効率が向上するとともに、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るローラねじの溝直角断面である。
【図２】本発明に係るローラねじにおける円錐ころの公転成分を示す座標を示すものである。
【図３】公転方向のすべり率の理論値を示すものである。
【符号の説明】
２　　シャフト
２ａ　シャフト転走面
４　　ナット
４ａ　ナット転走面
６　　転動路
８　　円錐ころ
８ａ　円錐ころの周面
Ｃ　　円錐ころの自転軸
Ｄ　　円錐ころピッチ円直径（ＢＣＤ）のねじ線
ＯＢ　　円錐ころ中心
Ｓ　　　シャフトの軸心
γ　　円錐ころのテーパ角度
γ０　　円錐ころ中心を通過する円錐ころ半径
ｄｍ　　円錐ころ中心を通る円錐ころピッチ円直径のねじ線の回転直径
α　　　ローラの傾き角
β　　　ローラねじのリード角
Ｌ　　　ローラねじのリード
【図１】
2004084825.tif 000015
【図２】
2004084825.tif 000016
【図３】
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