(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にボールねじ溝が形成されたねじ軸と、
前記ねじ軸の外周に嵌合され、内周面に前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝が形成されたナットと、
互いに対向する前記ねじ軸と前記ナットの各ボールねじ溝によって構成されるボール転動路と、
前記ナットに設けられ、前記ボール転動路の一部と他の一部とを連通させるチューブからなる接続路と、
前記接続路と前記ボール転動路とで構成される無端状のボール循環路と、
前記ボール循環路内に収容された複数のボールとを備え、
前記ボール転動路と前記接続路との接続部分に、前記ナットのボールねじ溝から前記接続路に向かって前記ボール転動路が次第に広がるような円弧状の曲面からなるＲ加工部が形成され、該Ｒ加工部の曲率中心が前記ナットのボールねじ溝に対してナット外周側に位置し、かつ、前記チューブの端部から突出して前記Ｒ加工部と向かい合うタング部を有し、該タング部が前記ボールねじ溝の方向に曲がっていることを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
前記Ｒ加工部の曲率半径が前記ボールの直径以上であることを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。
【請求項３】
前記Ｒ加工部の表面粗さが０．２μｍＲａ以下であることを特徴とする請求項２記載のボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の機器の送り機構等に用いられるボールねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじ装置は、回転運動を直線運動に変換することのできる機械要素である。ボールねじ装置は、外周面にボールねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸の外周に嵌合するナットとを備えている。ナットの内周面には、前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝が形成されている。
【０００３】
互いに対向するねじ軸のボールねじ溝とナットのボールねじ溝とによって、螺旋状のボール転動路が構成されている。このボール転動路の、互いに離間した一部と他の一部とが、ナットに設けられた接続路により接続されている。これらボール転動路と接続路とによって、無端状のボール循環路が構成されている。このボール循環路内に、多数のボールが、無端状に連続した状態で収容されている。
【０００４】
前記ナットは、前記ねじ軸に対して、相対的に回転することができる。たとえばナットに対してねじ軸が回転するとき、ねじ軸とナットとの間のボールが回転しながら、各ボールが前記循環路内を無限循環する。このように、ねじ軸の回転に伴って、ボールが前記循環路を無限循環することにより、ナットが、ねじ軸の軸線方向に、精度良く、円滑に相対移動することができる。
【０００５】
図８は、従来のチューブ方式のボールねじ装置１００の断面を模式的に示している。ねじ軸１の外周に、ナット２が装着されている。ねじ軸１の外周面にボールねじ溝１ａが形成されている。ナット２の内周面にもボールねじ溝２ａが形成されている。このボールねじ溝２ａは、ねじ軸１のボールねじ溝１ａに対向している。これらボールねじ溝１ａ，２ａは、螺旋状のボール転動路３を構成している。
【０００６】
ナット２の周壁に透孔４ａ，４ｂが形成されている。これら透孔４ａ，４ｂがチューブ５で接続されている。チューブ５は、ナット２の外周部に配置されている。チューブ５の両端部が透孔４ａ，４ｂ内に挿入されている。透孔４ａ，４ｂとチューブ５によって、接続路６が構成されている。接続路６は、ボール転動路３の互いに離れた一部と他の一部とを接続している。
【０００７】
このようにボール転動路３の両端が接続路６を介して連通することにより、無端状のボール循環路７が構成される。ボール循環路７内に多数のボール８が収容されている。これらのボール８は循環路７内において無端状に配列されている。各ボール８は、鋼、セラミック、プラスチックなどから選択された材料によって形成されている。これらボール８は、ねじ軸１が回転する際に、循環路７内を転動しながら無限循環する。
【０００８】
ねじ軸１に対してナット２が、例えば図８中の矢印Ｆで示す方向に回転する場合、各ボール８は、ねじ溝１ａに沿って矢印Ｆ方向に転動する。ボール８の移動速度はナット２の回転速度よりも遅い。このため各ボール８は、チューブ５から一方の透孔４ａを通ってナット２のねじ溝２ａに向かって、矢印Ｆとは逆の方向に相対的に移動する。
【０００９】
従来のボールねじ装置１００は、転動路３と接続路６との接続部分、すなわちねじ溝２ａと接続路６との境界に角部１０が存在している。このため従来のボールねじ装置１００は、循環路７を循環するボール８のスムーズな循環運動が角部１０により妨げられることがあった。このことは、ボールねじ装置１００としての作動性や耐久性を低下させる原因となる。
【００１０】
ボールねじ装置１００に外部荷重が作用すると、ねじ溝１ａ，２ａ間の距離が狭まった状態となる。ねじ溝１ａ，２ａ間の距離が狭まる理由は、一方のねじ溝１ａとボール８との間のＨｅｒｔｚ接触と、他方のねじ溝２ａとボール８との間のＨｅｒｔｚ接触と、ボール８自体の弾性変形による。この明細書では、ねじ溝１ａ，２ａ間の距離が狭まった状態を“弾性接近”と称する。
【００１１】
弾性接近が生じている状態で、無負荷圏であるチューブ５内から、負荷圏であるねじ溝１ａ，２ａ間にボール８が入ることになる。ここで前記弾性接近が生じていると、ボール８は、自力でねじ溝１ａ，２ａ間に入ることができない。このため先行するボール８は、後続のボール８によって押されることにより、ねじ溝１ａ，２ａ間に入ることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ボールねじ溝２ａは、ナット２の内周全体にわたって、ボール８の中心径に基いて連続加工されている。このため、前述の外部荷重が作用したとき、ねじ溝１ａ，２ａどうしがナット２の内周全体にわたって接近することになる。その結果、ボール８がチューブ５からねじ溝１ａ，２ａに入った瞬間に、ボール８が急激に圧縮される。
【００１３】
このため、ボール８に応力が集中したり、ねじ溝２ａとチューブ５の端との間の角部１０に応力が集中し、そこを起点にして剥離（flaking）が発生することがある。また、角部１０付近でボール８が詰まりやすくなり、ボール８が円滑に循環することができなくなる。場合によっては、ボール８がチューブ５からねじ溝２ａに入る際に、先行するボール８が、後続のボール８によって押されることで、ボールが損傷したり、摩耗する。このこともボールねじ装置の耐久性を低下させる原因となる。
【００１４】
本出願人は、特開平１３−１４１０１９号公報に開示されたように、ボール転動路と接続路との間の角部を削ることによって、テーパ状の加工処理部を設けることを提案した。しかし本発明者らが行った耐久試験によると、特に高速回転するボールねじ装置のように、前記加工処理部にボールが衝突する際の衝突荷重が大きいボールねじ装置では、耐久性に関してさらなる改善の余地があった。
【００１５】
従ってこの発明の目的は、ボールをさらにスムーズに循環運動させることができ、耐久性の高いボールねじ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールねじ装置は、外周面にボールねじ溝が形成されたねじ軸と、前記ねじ軸の外周に嵌合され、内周面に前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝が形成されたナットと、互いに対向する前記ねじ軸と前記ナットの各ボールねじ溝によって構成されるボール転動路と、前記ナットに設けられ、前記ボール転動路の一部と他の一部とを連通させるチューブからなる接続路と、前記接続路と前記ボール転動路とで構成される無端状のボール循環路と、前記ボール循環路内に収容された複数のボールとを備えたボールねじ装置であって、前記ボール転動路と前記接続路との接続部分の角部を削り取ることによって、前記ナットのボールねじ溝から前記接続路に向かって前記ボール転動路が次第に広がるような円弧状の曲面からなるＲ加工部が形成され、このＲ加工部の曲率中心が前記ナットのボールねじ溝に対してナット外周側に位置し、かつ、前記チューブの端部から突出して前記Ｒ加工部と向かい合いタング部を有し、該タング部が前記ボールねじ溝の方向に曲がっていることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、ボールねじ装置が製作された直後の初期段階から、ボールがスムーズに循環する。この発明のボールねじ装置は作動性が良好であり、耐久性を高めることができる。また、接続路内部の無負荷圏から各ねじ溝間の負荷圏にボールが入りやすくなるため、ボールどうしの接触による損傷や摩耗を抑制することができる。
【００１８】
この発明の好ましい形態では、前記Ｒ加工部の曲率半径が前記ボールの直径以上である。さらにこの発明の好ましい形態では、前記Ｒ加工部の表面粗さが０．２μｍＲａ以下である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に第１の形態について、図１と図２を参照して説明する。
図１は第１の形態に係るチューブ方式のボールねじ装置１Ａの要部を示している。ねじ軸１の外周面に、螺旋状のボールねじ溝１ａが形成されている。図２に示すように、ねじ軸１の外周にナット２が装着されている。ナット２の内周面には、ねじ軸１のボールねじ溝１ａに対向する螺旋状のボールねじ溝２ａが形成されている。互いに対向するボールねじ溝１ａ，２ａによって、螺旋状のボール転動路３が構成されている。
【００２０】
ナット２の周壁に透孔４ａ，４ｂが形成されている。これら透孔４ａ，４ｂがチューブ５によって接続されている。チューブ５はナット２の外周部に配置されている。チューブ５の両端部が透孔４ａ，４ｂ内に挿入されている。これら透孔４ａ，４ｂとチューブ５とによって、接続路６が構成されている。接続路６によって、ボール転動路３の互いに離れた一部と他の一部とが連通している。
【００２１】
接続路６によってボール転動路３が無端状に連続することにより、ボール循環路７が構成される。ボール循環路７内に、多数のボール８が収容されている。これらのボール８は、循環路７内に、無端状に連続して配列されている。各ボール８は、鋼、セラミック、プラスチックなどから選択された材料によって形成されている。これらのボール８は、ねじ軸１とナット２が相対回転する際に、循環路７内を転動しつつ無限循環する。
【００２２】
ねじ軸１に対してナット２が例えば矢印Ｆ（図１に示す）方向に相対回転すると、各ボール８は、ねじ溝１ａに沿って矢印Ｆ方向に転動する。ボール８の移動速度はナット２の回転速度よりも遅いため、各ボール８は、チューブ５から一方の透孔４ａを通って、ナット２のねじ溝２ａに向かって、矢印Ｆ′方向に移動する。
【００２３】
図８に示す従来のボールねじ装置１００は、製造直後のボール転動路３と接続路６との接続部分に角部１０が存在している。この角部１０は、ナット２のねじ溝２ａに沿う円弧２ｂと接続路６の内面６ａとが交わる箇所に形成されていた。
【００２４】
これに対し図１に示すボールねじ装置１Ａは、その製作段階において前記角部１０を削り取ることにより、曲率半径Ｒの円弧状の曲面からなるＲ加工部１１が形成されている。このＲ加工部１１は、ナット２のボールねじ溝２ａと接続路６との接続部分において、ナット２の周方向に角度θにわたって、機械加工（研削等）によって形成されている。
【００２５】
すなわちＲ加工部１１は、ボール転動路３と接続路６との接続部分において、ボールねじ溝２ａから接続路６に向かってボール転動路３が次第に広がるような円弧状の曲面からなる。このＲ加工部１１の曲率中心Ｘ１は、ボールねじ溝２ａに沿う円弧２ｂに対してナット２の外周２ｃ側に位置している。
【００２６】
このように構成されたボールねじ装置１Ａにおいては、ボール転動路３と接続路６とが滑らかに連続する。このため、ボールねじ装置１Ａの製作直後の初期段階から、ボール８がボール循環路７をスムーズに循環することができる。このことにより、ボールねじ装置１Ａの作動初期段階から、ボール８やボール循環路７の摩耗がほとんど生じることがなく、作動性が良好に保たれ、耐久性も高まる。特に、ボール８の衝突荷重が高くなる高速回転域で作動性を良好に保つことができ、高速で使われるボールねじ装置の耐久性を高めることができる。
【００２７】
図３は、第２の形態に係るチューブ方式のボールねじ装置１Ｂを示している。このボールねじ装置１Ｂは、Ｒ加工部１１以外の構成が第１の形態のボールねじ装置１Ａと同様である。このためこのボールねじ装置１Ｂに関し、第１の形態のボールねじ装置１Ａと共通する箇所には両者に共通の符号を付して説明を省略する。
【００２８】
ボールねじ装置１Ｂのナット２の内面に、Ｒ加工部１１が形成されている。このＲ加工部１１は、ボール８の直径よりも十分大きい曲率半径Ｒの円弧状の曲面からなる。このＲ加工部１１は、ボール転動路３と接続路６との接続部分において、ボールねじ溝２ａから接続路６に向かってボール転動路３が次第に広がるような円弧状の曲面からなる。
【００２９】
このＲ加工部１１は、前記角部１０を例えば砥石等の研磨手段を用いるクラウニング加工によって削り取ることにより成形されている。Ｒ加工部１１の曲率中心Ｘ２は、ボールねじ溝２ａに沿う円弧２ｂに対してナット２の外周２ｃ側に位置している。
【００３０】
このようなＲ加工部１１を設けたことにより、ボール転動路３と接続路６とが滑らかに連続し、各ボール８が接続路６からボール転動路３に入りやすくなる。しかも、ボールねじ溝２ａと接続路６との接続部分をボール８が移動する際に、ボール８が徐々に圧縮されるため、ねじ溝２ａに応力集中が生じることが回避される。
【００３１】
このため、ボールねじ装置１Ｂの製作直後の作動初期段階から、各ボール８が循環路７内をスムーズに循環する。これにより、ボールねじ装置１Ｂの作動初期段階から、ボール８や循環路７の摩耗が抑制され、良好な作動性が得られるとともに、耐久性が高まる。特に、ボール８の衝突荷重が高くなる高速回転域で作動性を良好に保つことができ、高速回転するボールねじ装置の耐久性をさらに高めることができる。
【００３２】
次表１と、図４〜図６は、試験品Ｎｏ．１からＮｏ．２９までの各実施例と、Ｎｏ．３０からＮｏ．３２までの比較例について、耐久試験を行った結果を示している。この耐久試験に使用したボールねじ装置はＪＩＳ１１９２に示されるもので、ねじ軸の軸径：２５ｍｍ、リード：１０ｍｍ、軸長：５００ｍｍ、ボール径：３／１６インチである。また、アキシャル荷重：１９６０Ｎ、モーメント荷重：２９４０Ｎ、加速度荷重：４９０〜１４７０Ｎ、回転数：３００〜２０００ｒｐｍ、ストローク：３００ｍｍであり、潤滑グリースとして昭和シェル石油のアルバニアＮｏ．２を使用した。
【００３３】
この耐久試験は、ボールねじ耐久寿命試験機を用い、許容限度を越える摩耗や剥離等の破損が生じるまでの試験時間を記録した。そしてワイブル関数分布により、１０個の試験品のうち、短寿命側から１０％のボールねじ装置が寿命に達する時間を求め、これを試験寿命Ｔ１とした。そして前記試験条件による計算寿命Ｔ２を算出し、この計算寿命Ｔ２に対する前記試験時間Ｔ１の比（Ｔ１／Ｔ２）を、表１のＬ１０寿命比で表した。
【００３４】
表１中の“Ｒ比”は、ボールの直径Ｄに対するＲ加工部１１の曲率半径Ｒすなわち（Ｒ／Ｄ）を表している。曲率半径Ｒは、Ｒ加工部１１を形状測定器によって計測し、実際の曲率半径を求めた。“Ｒ比”の値が大きいほど、Ｒ寸法が大きい。
【００３５】
【表１】
0003997743.tif 000002
【００３６】
図４は同一試験条件でＲ比の違いによる寿命試験結果を示している。Ｒ加工部１１を形成しないものはＲ比がゼロである。Ｒ比が大きくなると、ボールの衝突荷重が緩和され、寿命が延びている。Ｒの値がボール径よりも大きいほど、ボールとＲ加工部１１との衝突時の互いの接触面積が大きくなり、衝撃緩和効果が高くなるため、長寿命効果が顕著に見られた。従ってＲ比が１以上、すなわち曲率半径Ｒがボールの直径以上であることが望ましい。
【００３７】
図５は、Ｒ比がボール径の２倍以上の条件のもとで、表１中のＮｏ．５，６，２１，２５〜２９について、Ｒ加工部１１の加工精度（表面粗さ）と耐久性との関係を調べた結果である。同等のＲ比（２．１〜２．２）でも、Ｒ加工部１１の粗さが悪くなると、長寿命効果が減少することがわかる。図５から、Ｒ比を１以上とし、かつ、粗さを０．２μｍＲａ以下にすることが望ましい。
【００３８】
図６はＲ比が２以上（２．１〜２．２）でかつＲ加工部１１の粗さが０．２μｍＲａ以下（特に０．０８μｍＲａ）の条件のもとで、表１中のＮｏ．９，１３〜１８，２１について、種々の回転数で耐久試験を行った場合の回転数と寿命との関係を示している。ボール８の衝突荷重が高くなる高回転域において、Ｒ比の大きいＲ加工部１１による長寿命効果が高いことがわかる。すなわちＲ加工部１１を有する本発明のボールねじ装置は、１０００ｒｐｍ以上の高回転域で使用される場合に、より長寿命効果を発揮することができる。
【００３９】
図７は、本発明の一実施形態に係るボールねじ装置１Ｃを示している。このボールねじ装置１Ｃは、チューブ５以外の構成が第２の形態のボールねじ装置１Ｂと同様である。チューブ５は、ナット２に形成された孔５ａに挿入される端部５ｂと、端部５ｂの一部から突出するタング部５ｃとを備えている。タング部５ｃは、Ｒ加工部１１と向かい合っている。タング部５ｃは、ボールねじ溝２ａの方向に曲がっている。
【００４０】
タング部５ｃとボールねじ溝２ａとにより、ボールすくい上げ空間Ｓが形成されている。このような形状のタング部５ｃを設けたことにより、ボール転動路３と接続路６とが、ボールすくい上げ空間Ｓを介して緩やかな曲線を描いて互いに連続する。このためボールすくい上げ空間Ｓを通るボール８は、その配列が大きく乱れることが防止され、各ボール８が整列状態を維持しつつ、接続路６とボール転動路３との間を、さらにスムーズに移動することができる。
【００４１】
なお本発明は、チューブ５によって接続路６が構成されるチューブ式ボールねじ装置以外に、接続路用のこまを用いる内部循環式ボールねじ装置に適用することができる。また、接続路がエンドキャップに形成されたボールねじ装置に適用することもできる。要するに本発明のボールねじ装置は、ナットの接続路とナットのボールねじ溝との間の角部を削り取ることにより、滑らかに連続するＲ加工部を形成すればよい。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、ボール転動路と接続路との接続部分に前記Ｒ加工部を形成したことによって、ボールねじ装置の製作初期段階からボールがスムーズに循環する。この発明のボールねじ装置は作動性が良好であり、耐久性を高めることができる。また、接続路内部の無負荷圏からねじ溝間の負荷圏にボールが入りやすくなるため、ボールどうしの接触による損傷や摩耗を抑制することができる。本発明では、タング部とボールねじ溝とにより、ボールすくい上げ空間が形成されている。このような形状のタング部を設けたことにより、ボール転動路と接続路とが、ボールすくい上げ空間を介して緩やかな曲線を描いて互いに連続する。このためボールすくい上げ空間を通るボールは、その配列が大きく乱れることが防止され、各ボールが整列状態を維持しつつ、接続路とボール転動路との間を、さらにスムーズに移動することができる。
【００４３】
請求項２に記載した発明によれば、Ｒ加工部の曲率半径をボールの直径以上としたことにより、ボールの移動がさらにスムーズになり、特に高速回転で使用されるボールねじ装置の耐久性を高める上で大きな効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、Ｒ加工部の表面粗さを０．２μｍＲａ以下としたことによって、ボールの移動がさらにスムーズとなり、ボールねじ装置の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の形態に係るボールねじ装置の一部の断面図。
【図２】  図１に示されたボールねじ装置の全体の斜視図。
【図３】  第２の形態に係るボールねじ装置の一部の断面図。
【図４】  Ｒ加工部のＲ比とボールねじ装置の寿命との関係を示す図。
【図５】  Ｒ加工部の粗さとボールねじ装置の寿命との関係を示す図。
【図６】  ボールねじ装置の回転数と寿命との関係を示す図。
【図７】  本発明の一実施形態に係るボールねじ装置の一部の断面図。
【図８】  従来のボールねじ装置の断面図。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ボールねじ装置
１…ねじ軸
１ａ…ボールねじ溝
２…ナット
２ａ…ボールねじ溝
２ｃ…ナットの外周
３…ボール転動路
５…チューブ
６…接続路
７…ボール循環路
８…ボール
１１…Ｒ加工部
【図１】
0003997743.tif 000003
【図２】
0003997743.tif 000004
【図３】
0003997743.tif 000005
【図４】
0003997743.tif 000006
【図５】
0003997743.tif 000007
【図６】
0003997743.tif 000008
【図７】
0003997743.tif 000009
【図８】
0003997743.tif 000010