(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に第１の螺旋溝を有するねじ軸と、このねじ軸の外周に設けられたナットと、このナットの内周面に前記第１の螺旋溝に対向して形成された第２の螺旋溝と、この第２の螺旋溝と前記第１の螺旋溝との間に転動可能に挟持された多数のボールと、前記ナットの外部に前記ボールの循環経路を形成するボール循環チューブとを備えたボールねじにおいて、前記ボール循環チューブの形状を該チューブの軸芯と直交する第１の方向におけるボールの動き量が前記第１の方向と直交する第２の方向におけるボールの動き量よりも大きくなる形状とし、前記第１の方向に対して垂直方向におけるチューブの外面を前記ナットの外面に対向させて固定したことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記多数のボールによって形成されるボール列に、前記ボールの縦弾性係数よりも縦弾性係数の小さい複数のスペーサを介在させ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】
前記ボールは鉄鋼材料からなり、前記スペーサは樹脂からなることを特徴とする請求項２記載のボールねじ。
【請求項４】
前記スペーサは、前記ボールとほぼ同じ大きさで球状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のボールねじ。
【請求項５】
前記スペーサは、前記ボールの直径よりも小さい直径で円盤状に形成され、かつ前記ボールと対向する両端に前記ボールの半径よりも曲率半径の大きい凹球面を有することを特徴とする請求項２又は３項記載のボールねじ。
【請求項６】
前記スペーサを各ボール間に設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械等で使用されるボールねじに係り、特に、チューブ循環方式のボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等では、モータの回転を直線運動に変換する機構として、例えば図２１及び図２２に示されるようなボールねじ１０が使用されている。このボールねじ１０はねじ軸１１の外周面に第１の螺旋溝１２を設けて構成されており、ねじ軸１１の外周に設けられたナット１３の内周面には第２の螺旋溝１４が第１の螺旋溝１２に対向して形成されている。また、ボールねじ１０は第１の螺旋溝１２と第２の螺旋溝１４との間に多数のボール１５を転動自在に配設して構成されており、ねじ軸１１が回転するとボール１５が第１の螺旋溝１２と第２の螺旋溝１４との間を摩擦力によって転動し、これに伴いナット１３がねじ軸１１の軸方向に移動するようになっている。
【０００３】
ところで、このようなボールねじ１０のナット１３をねじ軸１１の軸方向に連続的に移動させるためには、第１の螺旋溝１２と第２の螺旋溝１４との間でボール１５を繰り返し転動させる必要がある。そこで、従来では第１の螺旋溝１２と第２の螺旋溝１４との間に形成された転送路からボール１５をナット１３の外部に取り出したり、あるいはボール１５をナット１３の外部から転送路に取り入れたりするためのボール循環孔１６，１７をナット１３に設け、これらのボール循環孔１６，１７内にボール循環チューブ１８の両端部を挿入してボール１５を繰り返し転動させるようにしている。なお、図中１９はボール循環チューブ１８をナット１３に取付けるための取付け金具を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のボールねじでは、ナット１３の外部にボール１５の循環経路を形成するボール循環チューブとして、図２３に示されるようなボール循環チューブ、すなわち径方向に沿う断面が真円に近い形状のボール循環チューブ１８を使用しているため、図２４に示されるように、ボール循環チューブ１８の曲がり部において、ボール１５が外側に一列の配列となる。このような配列は、図２５に示されるように、ボール循環チューブ１８内で発生するボール同士の滑りによりトルクが変動し、ボールねじの作動性に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、ボール循環チューブ内で発生するボール同士の滑りによりトルクが大きく変動することを抑制することのできるボールねじを提供しようとするものである。
【０００６】
【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、外周面に第１の螺旋溝を有するねじ軸と、このねじ軸の外周に設けられたナットと、このナットの内周面に前記第１の螺旋溝に対向して形成された第２の螺旋溝と、この第２の螺旋溝と前記第１の螺旋溝との間に転動可能に挟持された多数のボールと、前記ナットの外部に前記ボールの循環経路を形成するボール循環チューブとを備えたボールねじにおいて、前記ボール循環チューブの形状を該チューブの軸芯と直交する第１の方向におけるボールの動き量が前記第１の方向と直交する第２の方向におけるボールの動き量よりも大きくなる形状とし、前記第１の方向に対して垂直方向におけるチューブの外面を前記ナットの外面に対向させて固定したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１記載のボールねじにおいて、前記多数のボールによって形成されるボール列に、前記ボールの縦弾性係数よりも縦弾性係数の小さい複数のスペーサを介在させたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のボールねじにおいて、前記ボールが鉄鋼材料からなり、前記スペーサが樹脂からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項２又は３記載のボールねじにおいて、前記スペーサが前記ボールとほぼ同じ大きさで球状に形成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項２又は３記載のボールねじにおいて、前記スペーサが前記ボールの直径よりも小さい直径で円盤状に形成され、かつ前記ボールと対向する両端に前記ボールの半径よりも曲率半径の大きい凹球面を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれか１項記載のボールねじにおいて、前記スペーサを各ボール間に設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明では、ボール循環チューブ内でボールがジグザグな配列となり、ボール間で転がるので、ボール循環チューブ内で発生するボール同士の滑りによるトルクの変動を抑制することができる。請求項２〜６の発明では、ボール循環チューブ内に存在するボール数が増加し、いわゆるボールの詰まり現象がボール循環チューブ内で発生すると、ボールの詰まり量（ボール循環チューブ内に存在するボール数の変化量）に応じてスペーサがボールの配列方向に弾性変形し、ボールの詰まり量がスペーサによって吸収されるので、ボールの詰まり現象によるトルク変動を抑えることができる。
【００１１】
また、請求項４の発明では、ボール同士が衝突し合うことがないので、ボール同士の衝突による騒音の発生を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図２１及び図２２に示したものと同一の部分には同一の符号を付し、その部分の詳細な説明は割愛する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るボールねじの平面図で、図２は図１のII−II線に沿う矢視断面図である。図１において、符号２０はナット１３の外部にボール循環経路を形成するボール循環チューブを示し、このボール循環チューブ２０は、図２に示されるように、その径方向に沿う断面が長円形状に形成されている。
【００１３】
また、ボール循環チューブ２０は、その径方向に沿う断面形状がボール循環チューブ２０の軸芯と直交する第１の方向（図中Ｘ方向）におけるボール１５の動き量（Ｔ＋α）が第１の方向と直交する第２の方向（図中Ｙ方向）におけるボール１５の動き量（Ｔ）よりも大きい形状となっている。そして、ボール循環チューブ２０は第１の方向（図中Ｘ方向）に対して垂直方向における外面２０ａをナット１３の外面に対向させて固定されている。換言すれば、ボール循環チューブ２０は、ボール１５がボール循環チューブ２０内でジグザグの配列となる形状に形成されている。
【００１４】
このように、ボール循環チューブ２０の形状を該チューブの軸芯と直交する第１の方向（図中Ｘ方向）におけるボール１５の動き量が第１の方向と直交する第２の方向（図中Ｙ方向）におけるボール１５の動き量よりも大きくなる形状とし、第１の方向に対して垂直方向におけるチューブ２０の外面２０ａをナット１３の外面に対向させて固定すると、図３に示されるように、ボール１５がボール循環チューブ２０内でジグザグの配列となる。これにより、ボール同士が転がるようになり、ボール同士の滑りがボール循環チューブ２０内で発生し難くなるので、ボール循環チューブ２０内で発生するボール同士の滑りによりトルクが大きく変動することを抑制することができる。
【００１５】
図１に示されるボールねじのトルク変動を測定した結果を図４に示す。同図からも明らかなように、ボール循環チューブ２０の形状を該チューブの軸芯と直交する第１の方向におけるボール１５の動き量が第１の方向と直交する第２の方向におけるボール１５の動き量よりも大きくなる形状とし、第１の方向に対して垂直方向におけるチューブ２０の外面２０ａをナット１３の外面に対向させてボール循環チューブ２０をナット１３に固定することにより、トルクが大きく変動することを抑制できることがわかる。
【００１６】
なお、本発明は上述した第１の実施形態に限定されるものではない。たとえば第１の実施形態ではボール循環チューブ２０の径方向に沿う断面を長円形としたが、図５〜図８に示す第２ないし第５の実施形態のように、ボール循環チューブ２０の径方向に沿う断面をゴシックアーク形、矩形、三角形、菱形の形状としても良い。また、第１の実施形態ではボール１５をボール循環チューブ２０の内面に１点Ｐ１で接触させたが、図５〜図８に示す各実施形態のように、ボール１５をボール循環チューブ２０の内面に２点Ｐ１，Ｐ２で接触させても良い。
【００１７】
図９〜図１１は本発明の第６の実施形態を示すもので、図９は第６の実施形態に係るボールねじの要部を示す断面図、図１０は図９のX−X線に沿う矢視断面図、図１１は図９に示すボール循環チューブの横断面図である。
図９に示されるように、第６の実施形態に係るボールねじのナット１３はボール循環孔１６，１７を有しており、これらのボール循環孔１６，１７には、ボール循環チューブ２０の両端部が挿入されている。このボール循環チューブ２０はナット１３の外部にボール１５の循環路を形成するためのチューブであって、金属から形成されている。また、ボール循環チューブ２０はほぼＵ字状に形成されており、その横断面形状は、図１１に示すように、ボール循環チューブ２０の軸芯と直交する第１の方向（図中Ｘ方向）におけるボール１５の動き量（Ｔ＋α）が第１の方向と直交する第２の方向（図中Ｙ方向）におけるボール１５の動き量（Ｔ）よりも大きい形状（例えば長円形状）、つまりボール１５の配列がボール循環チューブ２０内で該曲り部２０ｂに沿って一列に且つボール１５の進行方向に対してジグザグの配列となる形状に形成されている。
【００１８】
ボール１５は鉄鋼材料等の硬質材料で形成されており、これらのボール１５によって形成されるボール列には、複数のスペーサ２１が設けられている。これらのスペーサ２１は合成樹脂等の軟質材料から形成され、その縦弾性係数はボール１５の縦弾性係数よりも小さい値、具体的にはボール１５の縦弾性係数の１／５０〜１／５００程度となっている。また、各スペーサ２１は鋼製ボール１５とほぼ同じ大きさ若しくはボール１５に対して１０μｍ〜１００μｍ小さい大きさで球状に形成され、この実施形態では各ボール１５間にスペーサ２１が設けられている。
【００１９】
次に、第６の実施形態に係るボールねじの作用について、図１２〜図１５を参照して説明する。
図１２は従来のボールねじのトルク変化を示す線図で、図１３はボール循環チューブの横断面形状をオーバル形状としたボールねじのトルク変化を示す線図である。また、図１４はボールねじの各ボール間に樹脂製の球状スペーサを介在させたときのボールねじのトルク変化を示す線図、図１５は上述した第６の実施形態に係るボールねじのトルク変化を示す線図である。
【００２０】
これらの図からわかるように、ボール循環チューブの横断面形状をオーバル形状としたボールねじ（第１実施形態）は、そのトルク変化が従来のボールねじよりも小さくなるが、各ボール間に樹脂製の球状スペーサを介在させたボールねじのトルク変化よりは大きいことがわかる。一方、本発明の第６の実施形態に係るボールねじは、そのトルク変化が各ボール間に樹脂製の球状スペーサを介在させたボールねじよりも更に小さくなる。これは、ボール１５の縦弾性係数よりも縦弾性係数の小さい複数のスペーサ２１をボール列に介在させることにより、ボールの詰まり量（ボール循環チューブ２０内に存在するボール数の変化量）に応じてスペーサ２１がボール１５の配列方向に弾性変形し、ボール循環チューブ２０内に存在するボール数の変化量が低減されるためである。
【００２１】
すなわち、ボール循環チューブ２０には曲率の変化する箇所が多数存在し、ボール循環チューブ２０内のボール同士が互いに接していると仮定した場合、その配置によってボール循環チューブ２０内に存在するボール数はボールの移動に伴いボール通過周期で変化する。これにより、ボール循環チューブ２０内でボール１５の詰まりが生じ、このときのボールの詰まり量は僅かであるが、鋼の縦弾性係数が大きいため、ボールの詰まりによるボール１５の変形で大きな力が作用し、トルク変動が生じる。
【００２２】
これに対し、本発明の第６の実施形態では、ボール循環チューブ２０内に進入するボール数が変化し、いわゆるボールの詰まり現象がボール循環チューブ２０内で発生すると、ボールの詰まり量（ボール循環チューブ２０内に存在するボール数の変化量）に応じてスペーサ２１がボール１５の配列方向に弾性変形し、ボールの詰まり量がスペーサ２１によって吸収されるので、ボール１５の詰まり現象によるトルク変動を抑制することができる。
【００２３】
また、上述した第６の実施形態ではスペーサ２１が各ボール１５間に設けられているため、ボール同士が直接衝突し合うことがなく、これによりボール同士の衝突による騒音の発生を防止することができる。さらに、スペーサ２１はボール１５とほぼ同じ大きさで球状に形成されているため、ボールねじの作動性を低下させることもない。
【００２４】
なお、上述した第６の実施形態ではボール１５の縦弾性係数よりも縦弾性係数の小さいスペーサ２１を各ボール間に設けたが、図１６に示されるように、多数のボール１５によって形成されるボール列にスペーサ２１を例えばボール２個分のピッチで規則的に設けてもよいし、あるいはボール列にスペーサ２１を不規則的に設けてもよい。
【００２５】
図１７〜図１９は本発明の第７の実施形態を示すもので、図１７は第７の実施形態に係るボールねじの要部を示す断面図、図１８は図１７のXVIII−XVIII線に沿う矢視断面図、図１９は図１７に示されるスペーサの断面図である。
図１７に示されるように、第７の実施形態に係るボールねじのナット１３はボール循環孔１６，１７を有しており、これらのボール循環孔１６，１７には、ボール循環チューブ２０の両端部が挿入されている。このボール循環チューブ２０はナット１３の外部にボール１５の循環路を形成するためのチューブであって、金属材料から形成されている。また、ボール循環チューブ２０はほぼＵ字状に形成されており、その横断面形状は、上記第６の実施形態と同様に、ボール１５の配列がボール循環チューブ２０内で該曲り部２０ｂに沿って一列に且つボール１５の進行方向に対してジグザグの配列となる形状（例えば長円形）に形成されている。
【００２６】
ボール１５は鉄鋼材料等の硬質材料で形成されており、これらのボール１５によって形成されるボール列の各ボール間には、それぞれスペーサ２２が設けられている。これらのスペーサ２２は合成樹脂等の軟質材料から形成され、その縦弾性係数は鋼製ボール１５の縦弾性係数よりも小さい値、具体的にはボール１５の縦弾性係数に比べ１／５０〜１／５００程度となっている。また、スペーサ２２はボール１５の直径よりも小さい直径（ボールの直径の０．５倍〜０．９倍の直径）で円盤状に形成されており、各スペーサ２２の両端面には、ボール１５と摺接する凹球面２３がボール１５の半径ｒよりも大きな曲率半径Ｒで形成されている。なお、凹球面２３は断面がゴシックアーチ状または円錐状であってもよい。
【００２７】
このような構成において、ボール循環チューブ２０内に存在するボール数が変化し、いわゆるボールの詰まり現象がボール循環チューブ２０内で発生すると、ボールの詰まり量（ボール循環チューブ２０内に存在するボール数の変化量）に応じてスペーサ２１がボール１５の配列方向に弾性変形し、ボールの詰まり量がスペーサ２１によって吸収されるので、ボール１５の詰まり現象によるトルク変動を抑制することができる。
【００２８】
また、スペーサ２２の厚さを調整することにより、ボール同士の中心間距離Ｄａ´を調整することができ、
Ｓ＝Ｄａ´／Ｄａ        (1)
Ｄａ：ボール直径
とすると、
ＭR＝Ｓ・ｎ−ＮR        (２)
ＮR：総ボール仕様でボールねじ無負荷圏内に入るボール数
ｎ：０≦ＭR≦Ｓとなる自然数
で表される余裕値ＭRを０≦ＭR≦０．７の範囲内に調整することにより、ボールねじの作動をさらに高めることができる。
【００２９】
また、スペーサ２２の両端面にボール１５の半径ｒよりも曲率半径の大きい凹球面２３を形成することにより、ボール１５とスペーサ２２との間にグリース等の潤滑剤を保持することが可能となるので、ボール１５とねじ軸１１との接触面やボール１５とナット１３との接触面に良好な潤滑膜を形成することができ、ボールねじの耐久性を高めることができる。
【００３０】
なお、上述した第７の実施形態ではボール１５の縦弾性係数よりも縦弾性係数の小さいスペーサ２２を各ボール間に設けたが、図２０に示されるように、多数のボール１５によって形成されるボール列にスペーサ２２を例えばボール２個分のピッチで規則的に設けてもよいし、あるいはボール列にスペーサ２２を不規則的に設けてもよい。
【００３１】
また、第６及び第７の実施形態ではボール循環チューブ２０の横断面形状を長円形としたが、本発明はこれに限定されるものでなく、図５〜図８に示す実施形態のように、ボール循環チューブ２０の横断面形状をゴシックアーク形、矩形、三角形、菱形の形状としても良い。さらに、第６及び第７の実施形態では、トルクの変動をより低く抑えるために、横断面形状が長円形状のボール循環チューブ２０を用いたが、横断面形状が真円形状のボール循環チューブを用いてもトルクの変動をある程度低く抑えることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に係るボールねじは、ボール循環チューブの形状を該チューブの軸芯と直交する第１の方向におけるボールの動き量が第１の方向と直交する第２の方向におけるボールの動き量よりも大きくなる形状とし、第１の方向に対して垂直方向におけるチューブの外面をナットの外面に対向させて固定したことにより、ボール循環チューブ内でボールがジグザグな配列となるので、ボール循環チューブ内で発生するボール同士の滑りによりトルクが変動することを抑制することができる。
【００３３】
請求項２乃至６の発明によれば、ボールの詰まり量がスペーサによって吸収されるので、ボールの詰まり現象によるトルク変動をより抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るボールねじの平面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う矢視断面図である。
【図３】図１に示すボール循環チューブの曲がり部におけるボールの配列を示す図である。
【図４】図１に示すボールねじのトルク変動を示す線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するためのボール循環チューブの断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するためのボール循環チューブの断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態を説明するためのボール循環チューブの断面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態を説明するためのボール循環チューブの断面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係るボールねじの要部を示す断面図である。
【図１０】図９のX−X線に沿う矢視断面図である。
【図１１】図９に示すボール循環チューブの横断面図である。
【図１２】従来のボールねじのトルク変化を示す線図である。
【図１３】ボール循環チューブの横断面形状をオーバル形状としたボールねじのトルク変化を示す線図である。
【図１４】ボールねじの各ボール間に樹脂製の球状スペーサを介在させたときのトルク変化を示す線図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係るボールねじのトルク変化を示す線図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係るボールねじの変形例を示す図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係るボールねじの要部を示す断面図である。
【図１８】図１７のXVIII−XVIII線に沿う矢視断面図である。
【図１９】図１６に示すスペーサの断面図である。
【図２０】本発明の第７の実施形態に係るボールねじの変形例を示す図である。
【図２１】従来のボールねじを示す図である。
【図２２】図２１のXXII−XXII線に沿う矢視断面図である。
【図２３】図２１に示すボール循環チューブの断面図である。
【図２４】図２１に示すボール循環チューブの曲がり部におけるボールの配列を示す図である。
【図２５】図２１に示すボールねじのトルク変動を示す線図である。
【符号の説明】
１１  ねじ軸
１２  第１の螺旋溝
１３  ナット
１４  第２の螺旋溝
１５  ボール
２０  ボール循環チューブ
２１  スペーサ
２２  スペーサ
２３  凹球面
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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