JP2003194177A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボール通過振動が少ないことに加えて、製造
が容易且つ確実なボールねじを提供する。 【解決手段】 ボールねじは、螺旋状のねじ溝１ａを外
周面に有するねじ軸１と、ねじ軸１のねじ溝１ａに対向
するねじ溝２ａを内周面に有し、両ねじ溝１ａ，２ａに
より形成される螺旋状のボール転動路５に転動自在に装
填された多数のボール３を介してねじ軸１に螺合される
ナット２と、ナット２に固定され、ボール３をボール転
動路５の一端Ａですくい上げて他端に送るリターンチュ
ーブ６と、を備えている。そして、ボール転動路５の一
端Ａの近傍部分Ｅ１においては、ボール転動路５の一端
Ａに向かって予圧が徐々に小さくなるようにナット２の
ねじ溝２ａのリード角が徐々に変化していて、ボール転
動路５の一端Ａの手前Ｂで予圧が解除されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボールねじに係
り、特に、工作機械，工業用ロボット等のような微細送
り機構や精密位置決め機構に好適に使用可能なボールね
じに関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、ボールねじには予圧が負荷されて
おり、これによってねじ軸とナットとの間の回転力−軸
方向推力の伝達がなされる。一方、ナットに取り付けら
れるリターンチューブの内径はボールの外径よりも若干
大きく形成されているから、リターンチューブ内ではボ
ールは無負荷状態となってる。ねじ軸のねじ溝とナット
のねじ溝との間にあるボールは予圧により若干弾性変形
しているので、両ねじ溝間に形成されるボールの通路
（以降はボール転動路と記す）は無負荷状態のボールが
通過できる広さはない。

【０００３】よって、ボール転動路からリターンチュー
ブへボールがすくい上げられる際には、リターンチュー
ブの端部の開口部（すなわち、ボールすくい上げ部）と
ボール転動路との境界部分（以降は、ボールすくい上げ
開始部と記す）において、ボールに対する急激な圧力解
放が行われる。また、リターンチューブからボール転動
路へボールが戻される際には、リターンチューブの端部
の開口部（すなわち、ボール送り込み部）とボール転動
路との境界部分（以降は、ボール送り込み開始部と記
す）において、ボールに対する急激な圧力付加が行われ
る。なお、ねじ軸を逆転させると、ボールの循環移動方
向が逆になるので、正転時のボールすくい上げ部がボー
ル送り込み部となり、ボール送り込み部がボールすくい
上げ部となる。

【０００４】このため、ボールすくい上げ開始部やボー
ル送り込み開始部をボールが通過することに伴なって微
小振動（以降は、ボール通過振動と記す）が発生して、
これがボールの循環性能を阻害し、送り精度を低下さ
せ、また騒音の原因ともなっている。特に、近年のサブ
ミクロンレベルの微細送り機構においては、大きな問題
となっている。このようなボールねじの予圧急変に基く
作動不良をなくすためには、ボールすくい上げ開始部
（ボール送り込み開始部）近傍のボール転動路において
は、ボールすくい上げ開始部（ボール送り込み開始部）
に近づくにつれてボールの予圧が徐々に小さくなるよう
にし、ボールすくい上げ開始部（ボール送り込み開始
部）において予圧が解除されるようにする方法が有効で
ある。

【０００５】例えば、特許第２８３２９４３号明細書に
は、ナットのねじ溝のリード角を徐々に変化させること
によって、上記のような予圧の漸減及び解除を行ったボ
ールねじが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のボ
ールねじは、徐々に小さくなる予圧がボールすくい上げ
開始部において解除されるようになっている。しかし、
リード角の誤差が予圧の変化に与える影響は大きいの
で、リード角に多少でも誤差があるとボールすくい上げ
開始部で予圧を解除することは困難となる。

【０００７】また、ボールすくい上げ開始部はボール転
動路中に２カ所存在するが（１カ所はボール送り込み開
始部）、この２カ所のリード角の値を一致させないと、
ボールすくい上げ開始部で予圧が完全に解除されないこ
ととなる。このようなことから、リード角を正確に制御
する必要があるが、ボールすくい上げ開始部において予
圧を完全に解除するには位置合わせの精度も必要とな
る。つまり、ねじ溝の加工精度が高くないと、リード角
の変化が開始する位置や、変化させたリード角の値に誤
差を生じて、ボールすくい上げ開始部において予圧が完
全に解除されないおそれがある。よって、通常の加工精
度でねじ溝を加工した場合は、ボールすくい上げ開始部
において予圧が完全に解除されたボールねじが確実に製
造できないおそれがあった。

【０００８】そこで、本発明は、上記のような従来のボ
ールねじが有する問題点を解決し、ボール通過振動が少
ないことに加えて、製造が容易且つ確実なボールねじを
提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発
明に係る請求項１のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外
周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向する
ねじ溝を内周面に有し、前記両ねじ溝により形成される
螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された多数のボ
ールを介して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記ナ
ットに固定され、前記ボールを前記ボール転動路の一端
ですくい上げて他端に送るボール循環路と、を備えるボ
ールねじにおいて、前記ボール転動路の一端のボールす
くい上げ開始部の近傍部分においては、前記ボールすく
い上げ開始部に向かって予圧が徐々に小さくなるように
前記ナットのねじ溝のリード角が徐々に変化していて、
前記ボールすくい上げ開始部の手前で予圧が解除されて
いることを特徴とする。

【００１０】ボールすくい上げ開始部の手前において予
圧が解除されており、その予圧が解除された位置から前
記一端まではリード角は不変であるので、前記ボールす
くい上げ開始部においては予圧が確実に解除される。よ
って、ボールすくい上げ開始部近傍におけるボールの運
動がスムーズとなるので、ボールはボールすくい上げ開
始部をスムーズに通過し、通過時の微小振動（ボール通
過振動）が生じにくい。

【００１１】また、通常の加工精度でねじ溝を加工した
場合や、リード角の変化が開始する位置や変化させたリ
ード角の値に多少の誤差を生じた場合でも、予圧の変化
に対する影響が小さいので、ボールすくい上げ開始部に
おいて予圧が確実に解除されたボールねじを容易且つ確
実に製造することができる。また、本発明に係る請求項
２のボールねじは、請求項１に記載のボールねじにおい
て、前記ボール循環路の両端部を、前記ナットを軸方向
から見た場合の前記ボール転動路の両端における前記ボ
ール転動路の接線方向に沿って配設したことを特徴とす
る。

【００１２】なお、ナットを軸方向から見た場合のボー
ル転動路の接線方向とは、３次元的な方向ではなく、ナ
ットを軸方向から見た場合に見える正面図における２次
元的な方向を意味するものである。さらに、本発明に係
る請求項３のボールねじは、請求項１又は２に記載のボ
ールねじにおいて、前記ボール循環路の両端部をリード
角方向に沿って配設したことを特徴とする。

【００１３】請求項２及び請求項３のボールねじのよう
にボール循環路の両端部をボールの移動方向に沿って配
設すれば、ボールがボール転動路からボール循環路にす
くい上げられる際、又は、ボールがボール循環路からボ
ール転動路に戻される際に、ボール循環路の内壁又はボ
ール転動路の内壁にボールが衝突して生じる振動（ボー
ル通過振動）がより一層抑制される。さらに、本発明に
係る請求項４のボールねじは、請求項１〜３のいずれか
に記載のボールねじにおいて、前記ボールの球面の一部
と摺接する凹面を有するスペーサ、又は、前記ボールよ
りも小径なスペーサ用ボールを、各ボールの間に介装し
たことを特徴とする。

【００１４】このように、ボールとボールの間にスペー
サ又はスペーサ用ボールが介在されていればボール同士
の競り合いが解消されるので、ボールの移動がより円滑
に行われる。よって、ボールの循環性能やボールねじの
送り精度が優れ、ボール通過振動の発生もより一層抑制
される。また、ボール循環路内においてもボールの移動
がより円滑に行われるので、振動や騒音の発生が抑制さ
れる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係るボールねじの実施の
形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示
す各実施形態は本発明の一例を示したものであって、本
発明は本実施形態に限定されるものではない。 〔第一実施形態〕図１及び図２は、本発明の第一実施形
態であるダブルナットタイプの２点接触式のボールねじ
の構成を示す断面図であり、図１は軸に垂直な面で破断
した断面図であり、図２は軸を含む平面で破断した縦断
面図である。また、図３は、図１における点Ａと軸心と
を通る平面で破断した要部拡大断面図である。

【００１６】このボールねじは、螺旋状のねじ溝１ａを
外周面に有するねじ軸１と、ねじ軸１のねじ溝１ａに対
向する螺旋状のねじ溝２ａを内周面に有しねじ軸１に螺
合される円筒状のナット２と、ねじ軸１のねじ溝１ａと
ナット２のねじ溝２ａとで形成される螺旋状のボール転
動路５に転動自在に装填された多数のボール３と、を備
えている。そして、多数のボール３を介してねじ軸１に
螺合されているナット２と、ねじ軸１とが、ボール３の
転動を介して軸方向に相対移動するようになっている。

【００１７】なお、ねじ溝１ａ，２ａはゴシックアーク
溝であり、その断面形状は曲率中心の異なる２つの同一
円弧を組合せた略Ｖ字状である。また、ナット２は、軸
方向に並べられた第１ナット２１及び第２ナット２２
と、両ナット２１，２２の間に介在された間座２３と、
が一体となって構成されている。そして、間座２３の介
在によって、ボール転動路５内のボール３には図２に示
す矢印方向の予圧が付与され、各ボール３はナット２の
ねじ溝２ａの１点と、これに対向する位置のねじ軸１の
ねじ溝１ａの１点と、の２点で接触している。該２点を
結ぶ線に直角な方向においては、ボール３は両ねじ溝１
ａ，２ａに接触していないか、あるいは接触していても
予圧は付与されていない（図３を参照）。

【００１８】ナット２の外面には、略コ字状に屈曲した
リターンチューブ６が固定されている。このリターンチ
ューブ６の両端は、ナット２を貫通してボール転動路５
に至り、ボール転動路５内を転動するボール３がリター
ンチューブ６を通って循環されるようになっている。す
なわち、ボール３はボール転動路５内を移動しねじ軸１
の回りを複数回回ってから、ボール転動路５の一端Ａ
（リターンチューブ６の端部とボール転動路５との交
点）においてリターンチューブ６の一方の端部（開口
部）からリターンチューブ６内にすくい上げられ、すく
い上げられたボール３は、リターンチューブ６の中を通
って、リターンチューブ６の他方の端部（開口部）から
ボール転動路５の他端に戻される。なお、リターンチュ
ーブ６は、第１ナット２１及び第２ナット２２にそれぞ
れ２個ずつ軸方向に並べて配設されており、合計４個が
設けられている。

【００１９】このとき、ボール転動路５の一端Ａ（ボー
ルすくい上げ開始部）の近傍部分のうち一端Ａよりも手
前の部分Ｅ１（図１の一端ＡからＣまでの部分）の一部
分（ＣからＢまでの部分）においては、ナット２のねじ
溝２ａのリード角が徐々に変化している。すなわち、ナ
ット２のねじ溝２ａのリード角の変化は、前記部分Ｅ１
の端部Ｃから開始して前記部分Ｅ１の中間位置Ｂで終わ
り、中間位置Ｂから一端Ａまではリード角は不変とされ
ている。

【００２０】前記部分Ｅ１の端部Ｃでは正規の予圧が負
荷されているが、このリード角の変化によって予圧は端
部Ｃから一端Ａに向かって徐々に小さくなり、中間位置
Ｂにおいて（すなわち、ボール転動路５の一端Ａの手前
において）予圧が完全に解除される。中間位置Ｂから一
端Ａまではリード角は不変とされていて予圧が解除され
た状態が保たれるから、一端Ａにおいては予圧は確実に
解除されている。よって、ボールすくい上げ開始部近傍
におけるボール３の運動がスムーズとなるので、ボール
３はボールすくい上げ開始部をスムーズに通過し、ボー
ル通過振動が生じにくい。

【００２１】また、通常の加工精度でねじ溝２ａを加工
した場合や、リード角の変化が開始する位置や変化させ
たリード角の値に多少の誤差を生じた場合でも、予圧の
変化に対する影響が小さいので、ボール転動路５の一端
Ａにおいて予圧が確実に解除されたボールねじを容易且
つ確実に製造することができる。このようにリード角が
変化しているので、ナット２のねじ溝２ａのピッチは、
図３の要部拡大断面図に示すようになっている。すなわ
ち、ねじ軸１のねじ溝１ａは、ねじ軸１の全長にわたっ
て同一のピッチａで形成されており、ナット２のねじ溝
２ａもねじ溝１ａに対応したピッチで形成されている
が、予圧が完全に解除される中間位置Ｂにおいては、ね
じ溝２ａはピッチａとは異なるピッチａ−δで形成され
ている。そして、中間位置Ｂから一端Ａまでのピッチは
ａ−δで一定となっている。

【００２２】ピッチの変化量δ（リード角の変化量）
は、ボールやねじ溝の軸方向の弾性変形量，予圧のばら
つき，部品のサイズのばらつき等を加味して、すくい上
げ開始部の手前で予圧が解除され且つリターンチューブ
６のボールすくい上げ部（開口部）に段差なく連通する
ような適切な量に定められる。適用するボールねじの種
類やサイズ等によっても、この量は異なる。なお、ボー
ル転動路５の他端（ボール送り込み開始部）の近傍部分
のうち他端よりも手前の部分Ｅ２も、前記部分Ｅ１と同
様の構成となっている。ただし、前記部分Ｅ２の予圧が
完全に解除される中間位置においては、図３のようにね
じ溝２ａはピッチａ＋δで形成されている。

【００２３】このようなボールねじの予圧の変化を説明
するグラフを図４に示す。ねじ溝２ａはピッチａで形成
されているが、部分Ｅ１の端部Ｃからピッチの変化が始
まり中間位置Ｂではピッチはａ−δとなっている。そし
て、中間位置Ｂから一端Ａ（ボールすくい上げ開始部）
までのピッチはａ−δで一定となっている。よって、ボ
ールねじの予圧は、図４のグラフに示すように、中間位
置Ｂにおいて完全に解除され、一端Ａにおいては確実に
解除されている。

【００２４】これに対して、特許第２８３２９４３号明
細書に記載の従来のボールねじ（ダブルナットタイプ）
の場合は、ピッチの変化はボールすくい上げ開始部で終
わりａ−δとなっているので、予圧の変化は図１１のグ
ラフのようになる。したがって、ボールすくい上げ開始
部のリード角に多少でも誤差があるとボールすくい上げ
開始部で予圧を解除することが困難となる等の、前述の
ような問題点が生じるおそれがある。

【００２５】〔第二実施形態〕図５は、本発明の第二実
施形態のボールねじの構成を示す縦断面図である。な
お、第二実施形態のボールねじの構成及び作用は第一実
施形態とほぼ同様であるので、異なる部分のみ説明し同
様の部分の説明は省略する。また、図５においては、図
２と同一又は相当する部分には、図２と同一の符号を付
してある。第二実施形態のボールねじにおいては、リタ
ーンチューブ６の両端部はボール転動路５（ボール３の
軌道）に沿って、すなわち、リード角方向に合わせて配
設されている点が、第一実施形態のボールねじとは異な
っている。

【００２６】このように、リターンチューブ６の両端部
をボール３の移動方向に沿って配設すれば、ボール３が
ボール転動路５からリターンチューブ６にすくい上げら
れる際、又は、ボール３がリターンチューブ６からボー
ル転動路５に戻される際に、リターンチューブ６の内壁
又はボール転動路５の内壁にボール３が衝突して生じる
振動（ボール通過振動）が抑制される。 〔第三実施形態〕図６は、本発明の第三実施形態のボー
ルねじの構成を示す図であり、軸方向に垂直な面で破断
した断面図である。ただし、ナットの図示は省略してあ
る。なお、第三実施形態のボールねじの構成及び作用は
第一実施形態とほぼ同様であるので、異なる部分のみ説
明し同様の部分の説明は省略する。また、図６において
は、図１と同一又は相当する部分には、図１と同一の符
号を付してある。

【００２７】第三実施形態のボールねじにおいては、リ
ターンチューブ６の両端部は、ナット２を軸方向から見
た場合のボール転動路５の一端Ａ又は他端におけるボー
ル転動路５の接線方向に沿って配設されている点が、第
一実施形態のボールねじとは異なっている。なお、ナッ
ト２を軸方向から見た場合のボール転動路５の接線方向
とは、実際のボールねじにおける３次元的な方向を意味
するものではなく、ボールねじを軸方向から見た場合に
見える正面図（すなわち、図６）における２次元的な方
向を意味するものである。例をあげて説明すると、リタ
ーンチューブ６は図６の紙面に対して平行に配されてい
るとは限らず、紙面に対して前後方向斜めに配されてい
る場合もある。そのようなリターンチューブ６を紙面に
平行な面に平行投影した投影図におけるボール転動路５
の接線方向である。

【００２８】このような構成であれば、ボール３がボー
ル転動路５からリターンチューブ６にすくい上げられる
際、又は、ボール３がリターンチューブ６からボール転
動路５に戻される際に、リターンチューブ６の内壁又は
ボール転動路５の内壁にボール３が衝突して生じる振動
（ボール通過振動）が抑制される。なお、リターンチュ
ーブ６の両端部を、ナット２を軸方向から見た場合のボ
ール転動路５の一端Ａ又は他端におけるボール転動路５
の接線方向に沿い、且つ、リード角方向に合わせて配設
すれば、ボール通過振動がより一層抑制されるので好ま
しい。

【００２９】〔第四実施形態〕図７は、本発明の第四実
施形態であるシングルナットタイプの２点接触式のボー
ルねじの構成を示す要部拡大断面図である。なお、第四
実施形態のボールねじの構成及び作用は、シングルナッ
トタイプであることを除いては第一実施形態とほぼ同様
であるので、図１，２も併せて参照しながら異なる部分
のみ説明し、同様の部分の説明は省略する。また、図７
においては、図３と同一又は相当する部分には、図３と
同一の符号を付してある。

【００３０】ボール転動路５の両端にあるボールすくい
上げ開始部の近傍部分のうち端部よりも手前の部分Ｅ
１，Ｅ２の一部分においては、ナット２のねじ溝２ａの
ピッチ（リード角）が徐々に変化しており、この部分Ｅ
１，Ｅ２のボール３の予圧が徐々に小さくなっている。
そして、ボール転動路５の両端のボールすくい上げ開始
部の手前において、予圧が完全に解除されている。な
お、ボール転動路５の中央部においてピッチ（リード
角）をε変化させてａ＋εとし、ねじのバックラッシュ
を除去している。

【００３１】このようなボールねじの予圧の変化を説明
するグラフを図８に示す。ねじ溝２ａはピッチａで形成
されているが、部分Ｅ１の端部Ｃからピッチの変化が始
まり中間位置Ｂではピッチはａ−δとなっている。そし
て、中間位置Ｂから一端Ａ（ボールすくい上げ開始部）
までのピッチはａ−δで一定となっている。よって、ボ
ールねじの予圧は、図８のグラフに示すように、中間位
置Ｂにおいて完全に解除され、一端Ａにおいては確実に
解除されている。

【００３２】〔第五実施形態〕図９（軸に垂直な面で破
断した断面図）に示す第五実施形態のボールねじは、第
一〜第四実施形態のボールねじにおいて、各ボール３の
間にスペーサを介装した変形例であり、その他の構成及
び作用は第一〜第四実施形態とほぼ同様であるので、異
なる部分のみ説明し同様の部分の説明は省略する。この
スペーサ３０は、図９の要部拡大図である図１０に示す
ように、両側のボール３，３の球面の一部とそれぞれ摺
接する凹面としての曲面３２，３２を備えている。な
お、スペーサ３０の形状は、上記したものに限定される
ものではない。

【００３３】各ボール３の間にこのようなスペーサ３０
が介装されると、ボール同士の競り合いが解消されるの
で、ボール３の移動がより円滑に行われる。よって、ボ
ールの循環性能やボールねじの送り精度がより優れ、ボ
ール通過振動の発生もより一層抑制される。また、リタ
ーンチューブ６内においてもボール３の移動がより円滑
に行われるので、振動や騒音の発生が抑制される。な
お、ボール３よりも小径な球体（スペーサ用ボール）を
スペーサ３０の代わりに用いても、上記と同様の効果を
得ることができる。また、スペーサ３０やスペーサ用ボ
ールは、摺動性の優れた材料で構成することが好まし
い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のボールね
じはボール通過振動が少ないことに加えて、製造が容易
且つ確実である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態のボールねじの構成を示
す断面図である。

【図２】本発明の第一実施形態のボールねじの構成を示
す断面図である。

【図３】本発明の第一実施形態のボールねじの要部拡大
断面図である。

【図４】本発明の第一実施形態のボールねじの予圧の変
化を説明するグラフである。

【図５】本発明の第二実施形態のボールねじの構成を示
す断面図である。

【図６】本発明の第三実施形態のボールねじの構成を示
す断面図である。

【図７】本発明の第四実施形態のボールねじの要部拡大
断面図である。

【図８】本発明の第四実施形態のボールねじの予圧の変
化を説明するグラフである。

【図９】本発明の第五実施形態のボールねじの構成を示
す断面図である。

【図１０】図９のボールねじの要部拡大図である。

【図１１】従来のダブルナットタイプのボールねじの予
圧の変化を説明するグラフである。

【符号の説明】

１ ねじ軸 １ａ ねじ溝 ２ ナット ２ａ ねじ溝 ３ ボール ５ ボール転動路 ６ リターンチューブ ３０ スペーサ Ａ ボール転動路の一端

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸
   と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有
   し、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動
   路に転動自在に装填された多数のボールを介して前記ね
   じ軸に螺合されるナットと、前記ナットに固定され、前
   記ボールを前記ボール転動路の一端ですくい上げて他端
   に送るボール循環路と、を備えるボールねじにおいて、 前記ボール転動路の一端のボールすくい上げ開始部の近
   傍部分においては、前記ボールすくい上げ開始部に向か
   って予圧が徐々に小さくなるように前記ナットのねじ溝
   のリード角が徐々に変化していて、前記ボールすくい上
   げ開始部の手前で予圧が解除されていることを特徴とす
   るボールねじ。
2. 【請求項２】 前記ボール循環路の両端部を、前記ナッ
   トを軸方向から見た場合の前記ボール転動路の両端にお
   ける前記ボール転動路の接線方向に沿って配設したこと
   を特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
3. 【請求項３】 前記ボール循環路の両端部をリード角方
   向に沿って配設したことを特徴とする請求項１又は２に
   記載のボールねじ。
4. 【請求項４】 前記ボールの球面の一部と摺接する凹面
   を有するスペーサ、又は、前記ボールよりも小径なスペ
   ーサ用ボールを、各ボールの間に介装したことを特徴と
   する請求項１〜３のいずれかに記載のボールねじ。