(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸の外周面と、このねじ軸に嵌合するナットの内周面に、それぞれ螺旋状のねじ溝が設けられ、前記ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間に複数のボールを介在させたボールねじにおいて、前記ねじ軸のねじ溝の横断面が、前記ナットのねじ溝の横断面よりも小さな曲率半径で形成されて、ねじ軸側の前記ボールとの接触面圧がナット側の接触面圧と同等以下とされ、前記ナットのねじ溝の横断面がゴシックアーク形状に形成され、前記ねじ軸のねじ溝の横断面がサーキュラアーク形状に形成されて、前記ボールがねじ軸のねじ溝の溝底と接触するようにされ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】
この発明は、ボールねじに関するものであり、特に高負荷で短い駆動ストロークでの使用に好適なボールねじに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじは、本願の実施形態を示す図１を利用して説明すると、ねじ軸１の外周面に形成された螺旋状のねじ溝２と、ナット３の内周面に形成された同じく螺旋状のねじ溝４との間に複数のボール５を介在させたものであり、ねじ軸１またはナット３のいずれか一方を回転させ、この回転力をボール５を介して他方に伝達して、これを軸方向に駆動するものである。
【０００３】
従来のボールねじは、図６に示すように、ねじ軸１１のねじ溝１２とナット１３のねじ溝１４の各横断面が、ボール１５の半径よりもわずかに大きい同一の曲率半径で、かつ同一のアーク形状に形成されている。このアーク形状としては、後の図３で示すゴシックアーク形状が採用される場合が多い。
【０００４】
上述したように、従来のボールねじは、ねじ軸１１のねじ溝１２とナット１３のねじ溝１４の横断面形状が同一であるが、ねじ溝１４の縦断面は凹面状であるのに対してねじ溝１２の縦断面は凸面状であるため、ねじ軸１１側の方がボール１５との弾性接触面積が小さくなる。したがって、ボール１５との接触面圧は、ナット１３側よりもねじ軸１１側のねじ溝１２の方が高くなる。
【０００５】
一方、ナット１３のねじ溝１４では、多数のボール１５が常時転走するのに対して、ねじ軸１１のねじ溝１２では、ナット１３の往復動とともにボール１５が通過するときのみに負荷を受ける。このため、従来の駆動ストロークが十分に長いボールねじは、ねじ軸１１側の接触面圧が高いにもかかわらず、交換の容易なナット１３の方が先に損傷し、ボールねじの耐久寿命を確保するように設計されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のボールねじは、高負荷が作用し、駆動ストロークが短い用途に使用されると、ねじ軸上の各部位をナットが通過する頻度が増加するため、接触面圧の高いねじ軸側が先に損傷して、ボールねじの耐久寿命を十分に確保できない問題がある。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、高負荷で短い駆動ストロークで使用されても、耐久寿命を十分に確保できるボールねじを提供することである。
【０００８】
【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、この発明は、ねじ軸の外周面と、このねじ軸に嵌合するナットの内周面に、それぞれ螺旋状のねじ溝が設けられ、前記ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間に複数のボールを介在させたボールねじにおいて、前記ねじ軸のねじ溝の横断面を、前記ナットのねじ溝の横断面よりも小さな曲率半径で形成した構成を採用したのである。
【０００９】
すなわち、ねじ軸のねじ溝の断面曲率半径をナットのねじ溝の断面曲率半径よりも小さくして、ボールの半径に近づけることにより、ボールとねじ軸のねじ溝との弾性接触領域を広くし、この弾性接触領域での接触面圧を下げるようにしたのである。
【００１０】
また、前記ナットのねじ溝の横断面をゴシックアーク形状にすることにより、曲率半径の大きいナットのねじ溝の縁とボールとの隙間が過大となるのを防止し、ねじ軸とナットとの位置決め精度を確保することができる。
【００１１】
さらに、前記ねじ軸のねじ溝の横断面をサーキュラアーク形状にすることにより、曲率半径の小さいねじ軸のねじ溝の縁とボールとの隙間を確保し、ボールの転走面へグリース等の潤滑剤を十分に供給することができる。サーキュラアークは単一アークで形成されるため、曲率半径の小さいねじ溝の加工が容易となる長所もある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５に基づき、この発明の実施形態を説明する。このボールねじは、図１に示すように、ねじ軸１とナット３の各ねじ溝２、４の間に複数のボール５を介在させ、ねじ軸１またはナット３のいずれか一方の回転力をボール５を介して他方に伝達して、これを軸方向に駆動するものである。ナット３とねじ軸１の間は潤滑剤としてのグリースが封入されるか、強制的に油潤滑される。
【００１３】
図２に示すように、前記ねじ軸１のねじ溝２の横断面はサーキュラアーク形状に、ナット３のねじ溝４の横断面はゴシックアーク形状に形成され、ねじ溝２の断面曲率半径ρA はボール５の半径Ｒの１．０４倍に、ねじ溝４の断面曲率半径ρN はボール５の半径Ｒの１．０７倍になっている。
【００１４】
ゴシックアークは、図３に示すように、ねじ溝Ａの横断面を形成する曲率半径ρの左右の円弧を、中央で重ね合わせる方向にずらして接続したものであり、曲率半径ρよりもわずかに小さい半径Ｒのボール５は、２箇所でねじ溝Ａと接触する。また、サーキュラアークは、図４に示すように、ねじ溝Ｂの横断面が曲率半径ρの単一アークで形成されたものであり、ボール５は溝底でねじ溝Ｂと接触する。
【００１５】
図３と図４を較べると、断面曲率半径ρが同じであっても、ボール５と溝縁との隙間は、ゴシックアークのねじ溝Ａの方がサーキュラアークのねじ溝Ｂよりもかなり狭いことがわかる。したがって、図２に示したサーキュラアークのねじ溝２の溝縁とボール５との隙間は、断面曲率半径ρA が小さいにもかかわらず、断面曲率半径ρN が大きいゴシックアークのねじ溝４とほぼ同一の間隔に形成され、グリース等の潤滑剤がボール５の転走面に十分供給されるようになっている。
【００１６】
図５は、ねじ溝の断面曲率半径ρを変化させた場合の、ボールとねじ溝との接触面圧ｐを、ねじ軸側とナット側について計算した結果を示す。各接触面圧ｐの値は、ボールとねじ溝との弾性接触領域を楕円とし、この楕円接触領域の長軸および短軸方向の接触圧力分布を楕円状と仮定して求めた解析解であり、前記楕円状の接触圧力分布の最大値で表示している。接触面圧ｐは曲率半径ρが大きくなるほど増大し、断面曲率半径ρが同一の場合は、ボールの転走面の直径が小さい、すなわち、ねじ溝に沿う方向の曲率半径が小さいねじ軸側の接触面圧ｐA の方が、ナット側の接触面圧ｐN よりも１割程度高い。
【００１７】
図５において、前記断面曲率半径ρA のときのねじ軸側の接触面圧ｐA と、前記断面曲率半径ρN のときのナット側の接触面圧ｐN とを比較すると、ねじ軸側の接触面圧ｐA の方がナット側の接触面圧ｐN よりもわずかに低い値になっている。すなわち、このボールねじは、高負荷で短い移動ストロークで使用されても、ねじ軸１が先に寿命に達することがなく、長い耐久寿命を確保できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、この発明のボールねじは、ねじ軸のねじ溝の断面曲率半径をナットのねじ溝の断面曲率半径よりも小さくし、ねじ軸側のボールとの接触面圧を、ナット側の接触面圧と同等もしくはそれ以下にしたので、高負荷で短い移動ストロークで使用しても長い耐久寿命を確保することができる。また、ナットのねじ溝の横断面をゴシックアーク形状とし、曲率半径の大きいナットのねじ溝の縁とボールとの隙間の拡大を抑制したので、高い位置決め精度を確保できる。さらに、ねじ軸のねじ溝の横断面をサーキュラアーク形状としたので、溝縁とボールとの隙間を確保してボール転走面へ十分な潤滑剤を供給可能とするとともに、ねじ軸のねじ溝をより曲率半径の小さい横断面形状に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボールねじの実施形態を示す一部省略縦断面図
【図２】図１のねじ溝を拡大して示す断面図
【図３】ねじ溝の横断面形状を示す説明図
【図４】ねじ溝の横断面形状を示す説明図
【図５】断面曲率半径と接触面圧の関係を示すグラフ
【図６】従来のボールねじのねじ溝を拡大して示す断面図
【符号の説明】
１  ねじ軸
２  ねじ溝
３  ナット
４  ねじ溝
５  ボール
１１  ねじ軸
１２  ねじ溝
１３  ナット
１４  ねじ溝
１５  ボール
【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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