JP2003240091A

JP2003240091A - ボールねじ装置

Info

Publication number: JP2003240091A
Application number: JP2002042173A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Okita; 滋沖田; Kazuo Miyaguchi; 和男宮口; Hiroaki Sekiya; 礼明関矢; Masahito Kato; 将人加藤; Yasumi Watanabe; 靖巳渡辺
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】高回転速度で、耐久性が高いボールねじ装置
を提供する。【解決手段】ボールねじ装置１Ａは、ねじ軸１と、ナ
ット２と、複数のボール８を含んでいる。互いに対向す
るねじ軸１のボールねじ溝１ａと、ナット２のボールね
じ溝２ａとによって、ボール転動路３が構成されてい
る。ナット２に、ボール転動路３の一部と他の一部とを
連通させる接続路６が設けられている。接続路６とボー
ル転動路３とによって、無端状に連通するボール循環路
７が構成されている。各ボール８は、ボール循環路７内
において無端状に配列されている。ボール転動路３を構
成するナット２のねじ溝２ａと接続路６との接続部分に
ナット軌道面硬さの５０％以上８０％以下の硬さの低硬
度加工部１１が形成されている。この低硬度加工部１１
の粗さは０．２μｍＲａ以下が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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係り、特に高速回
転駆動されるボールねじ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のボールねじ装置は回転運動を直
線運動に変換する機械要素で、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し、内周
面にねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝が形
成されたナットとを備えている。

【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で螺旋状のボール転動路が構成さ
れ、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互いに
連通し、これらボール転動路と接続路とで無端状のボー
ル循環路が構成され、このボール循環路内に鋼、セラミ
ック、樹脂等の材料で形成された多数のボールが無端状
に連続して配列するように収容されている。

【０００４】そして、ねじ軸の回転動作時にその動力が
ねじ軸とナットとの間のボールを介してナットに伝達さ
れてナットがねじ軸の軸方向に移動し、この移動に応じ
て各ボールがボール循環路内を無限循環し、このような
ボールの無限循環によりねじ軸の回転に応じるナットの
軸方向の移動が円滑に精度よく行なわれるようになって
いる。

【０００５】さらに図面を挙げて具体的に説明すると、
図７に従来のチューブ方式のボールねじ装置１００の断
面が模式的に示されており、ねじ軸１の外周にナット２
が装着されている。ねじ軸１の外周面にはボールねじ溝
１ａが形成され、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。そして互いに対向するねじ軸１のボール
ねじ溝１ａとナット２のボールねじ溝２ａとで螺旋状の
ボール転動路３が構成されている。

【０００６】ナット２の周壁には透孔４ａ，４ｂが形成
され、これら透孔４ａ，４ｂがチューブ５で接続されて
いる。このチューブ５はナット２の外周部に配置され、
その両端部が透孔４ａ，４ｂ内に挿入されている。そし
てこれら透孔４ａ，４ｂとチューブ５とでボール転動路
３の互いに離れた一部と他の一部とを接続して連通させ
る接続路６が構成されている。

【０００７】これによりボール転動路３が接続路６を介
して無端状に連通し、この無端状に連通する通路がボー
ル循環路７であり、このボール循環路７内に無端状に連
続して配列するように鋼、セラミック、樹脂等の材料で
形成された多数のボール８が収容され、これらボール８
がねじ軸１の回転時にボール循環路７内を転動して無限
循環するようになっている。

【０００８】このボールねじ装置１００において、ねじ
軸１に対してナット２が例えば矢印Ｒで示す方向に回転
すると、各ボール８は、ねじ溝１ａに沿って矢印Ｒ方向
に転動する。ここでボール８の移動速度がナット２の回
転速度よりも遅いため、ナット２に対して各ボール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に向かって移動する。

【０００９】このような、従来のボールねじ装置１００
においては、ボール転動路３と接続路６との接続部分、
すなわちナット２のボールねじ溝２ａと接続路６との境
界の部分が図７に示すように角部１０となっており、こ
のためボール循環路７を循環するボール８のスムーズな
循環運動がその角部１０により妨げられ、作動性や耐久
性が低下するという問題がある。

【００１０】ボールねじ装置１００に外部荷重が作用し
たとき、ねじ軸１のボールねじ溝１ａとボール８との
間、及びナット２のボールねじ溝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り、
ねじ溝１ａ，２ａ間の距離が狭まった状態となる。この
状態を、この明細書では弾性接近と称し、この状態で、
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、ね
じ溝１ａ，２ａの距離が狭まっていると、そのままでは
ボール８がねじ溝１ａ，２ａ間に入ることができないた
め、先行するボール８は、後続のボール８によって、無
理やり、押されることにより、ねじ溝１ａ，１ｂ間に入
ることになり、ボール８が急激に圧縮される。

【００１１】ボールに応力が集中したり、円滑に循環せ
ず詰まり易くなったり、場合によってはボールが損傷し
たり、摩耗し、ボールねじ装置の耐久性を低下させる原
因となっている。そこで、本発明者らは、特開平１３−
１４１０１９号公報（以下、単に従来例と称す）に開示
したように、ボール転動路と接続路との接続部分の角部
を削り取ることによって、なめらかな形状に加工するこ
とを提案している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、ポール転動路と接続路との接続部分の角部を
削り取ることによって、なめらかな形状の加工処理部を
形成しているので、ボールをスムーズに循環させること
が容易となるが、加工処理部へのボールの衝突を完全に
防ぐことはできず、耐久性の向上効果が少ないという未
解決の課題がある。

【００１３】そこで、本発明は、上記従来例の未解決の
課題に着目してなされたものであり、ボールをよりスム
ーズに循環運動させて作動性を良好に保ちながら高速で
の耐久性を向上させることができるボールねじ装置を提
供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、外周面にボールねじ溝を有するねじ軸と、
このねじ軸の外周に嵌合され、内周面にねじ軸のボール
ねじ溝に対向するボールねじ溝を有するナットと、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
溝とで構成されたボール転動路と、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た接続
路と、この接続路と前記ボール転動路とで構成された無
端状に連通するボール循環路と、このボール循環路内に
無端状に配列するように収容された複数のボールとを備
えるボールねじ装置において、前記ボール転動路と接続
路との接続部分に、前記ボール転動路の軌道面硬さの５
０％以上８０％以下に設定した低硬度領域を形成するこ
とで、この低硬度領域でボールの衝突荷重を吸収する。

【００１５】ここで、低硬度領域のボール接触面硬さが
ボール転動路の起動面硬さの５０％未満であると、ナッ
トの寿命が低下し、８０％を超えると同様にナットの寿
命が低下し、５０％以上８０％以下でナット寿命を長寿
命化することができる。また、低硬度領域の粗さが０．
２μｍＲａを超えると同様にナットの寿命が低下し、
０．２μｍＲａ以下であるとナット寿命を長寿命化する
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
ついて、図１と図２を参照して説明する。図１は、本発
明の第１の実施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、図２はボールねじ装置１ａの全体
斜視図を示している。図１及び図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。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。そして互い
に対向するねじ軸１のボールねじ溝１ａとナット２のボ
ールねじ溝２ａとで、螺旋状のボール転動路３が構成さ
れている。

【００１７】ナット２の周壁には透孔４ａ，４ｂが形成
され、これら透孔４ａ，４ｂがチューブ５で接続されて
いる。このチューブ５はナット２の外周部に配置され、
その両端部が透孔４ａ，４ｂ内に挿入されている。そし
てこれら透孔４ａ，４ｂとチューブ５とでボール転動路
３の互いに離れた一部と他の一部とを接続して連通させ
る接続路６が構成されている。

【００１８】これによりボール転動路３が接続路６を介
して無端状に連通し、この無端状に連通する通路がボー
ル循環路７である。このボール循環路７内に、無端状に
連続して配列するように鋼、セラミック、樹脂等の材料
で形成された多数のボール８が収容され、これらボール
８がねじ軸１の回転時にボール循環路７内を転動して無
限循環するようになっている。

【００１９】このボールねじ装置１Ａにおいて、ねじ軸
１に対してナット２が例えば矢印Ｒで示す方向に回転す
ると、各ボール８は、ねじ溝１ａに沿って矢印Ｒ方向に
転動する。ここでボール８の移動速度がナット２の回転
速度よりも遅いため、ナット２に対して各ボール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に向かって移動する。

【００２０】ボール転動路３と接続路６との接続部分
は、通常のドリル加工では、図１で一点鎖線図示のよう
に、角部１０が生じるが、本実施形態では、図１で実線
図示のように、その製作段階において角部１０を削り取
る切削加工を行うことにより、平坦でかつ滑らかな形状
で、さらに硬度低下処理を行って硬さがナット２のねじ
溝２ａのボール８が転動する軌道面硬さの５０％以上８
０％以下に設定された低硬度加工部１１を形成してい
る。

【００２１】この低硬度加工部１１は、切削加工として
はナット２のボールねじ溝２ａと接続路６との境界の部
分に、ナット２の周方向に長さＬにわたり、砥石等を用
いた面取り加工が施されると共に、硬度低下処理として
は焼入れ処理時の焼入れ硬さを低下させる焼入れ時硬度
低下処理と、焼入れ処理後に硬度を低下させる焼入れ後
硬度低下処理との何れかが行われる。

【００２２】焼入れ時硬度低下処理は、例えばナット２
を浸炭や浸炭窒化処理により軌道面硬さを転がり疲労に
対して十分な硬さ（例えばビッカース硬度でＨｖ６８０
〜８００程度）を得る場合は、硬さを低下させたい低硬
度加工部１１に防炭処理等を施し、浸炭や浸炭窒化によ
る炭素や窒素の固溶量を軌道面に比較して減らすこと
で、低硬度加工部１１の硬さのみを低下させる。また、
ナット２を高周波焼入れで硬さを得る場合には、高周波
コイルや冷却方法を工夫することで、低硬度加工部１１
の硬さのみを低下させることができる。

【００２３】焼入れ後硬度低下処理は、予め低硬度加工
部１１に多めの削り代を設けた状態で浸炭又は浸炭窒化
焼入れ処理を行った後に、削り代を削ることにより浸炭
層を削り取って低硬度加工部１１を形成したり、専用の
高周波コイルを使うか、火炎等の加熱によって、任意の
焼入れ処理後の低硬度加工部１１を焼き戻処理して硬度
を低下させる。

【００２４】このように、低硬度加工部１１の硬度を軌
道面硬度より低下させることにより、ボール８の衝突に
よる衝撃エネルギを現象させ、特に、衝突荷重が高くな
る高速回転域での耐久性を高めることができる。すなわ
ち、本発明者等は、高速回転速度域で使用されるボール
ねじ装置では、ボールが破損してしまう事例が多く、ボ
ールに剥離が発生し、剥離片噛込みにより、ボールねじ
装置の摩耗、破損に至ることに着目し、ボール剥離現象
を追求すべく、高速回転域で使用されるボールねじ装置
のボールに関して、残留応力が使用前後で変化した量を
測定した。この測定結果を図３に示す。

【００２５】この図３から明らかなように、ボールは新
品時であってもピーニング処理や研削加工によって、表
面から深さ５０μｍの範囲で７００〜９００Ｍｐａ程度
の圧縮残留応力が存在する。さらに、ボールねじ装置で
使用後のボールはナット出入口にボールが衝突して、ボ
ールに加工応力が加わることで、新品時に加えさらに残
留圧縮応力が高くなる。

【００２６】残留圧縮応力は、一般的に疲労強度等の機
械的性質や寿命に有効とされている。しかし、圧縮応力
が発生すると、バランスを取るための引張応力場が必ず
存在する。すると、「残留応力の発生と対策」（米谷茂
著、養賢堂、１９８１）第２６７頁に記載されているよ
うに「脆性破壊においては塑性変形が生じにくく残留応
力が緩和しにくい時、引張残留応力が存在していれば僅
かな外部応力で容易に降伏応力に達する」ことが知られ
ている。

【００２７】つまり、脆性材料である焼入れした軸受鋼
ボールは衝突エネルギによりショットピーニングのよう
な効果で表面に残留圧縮応力が発生するが、応力バラン
スから引張応力場が存在し、材料が微視的に降伏応力に
達し、微細な亀裂（マイクロクラック）が発生してしま
うのである。さらに、図３から最表面から深さ３０μｍ
の範囲では使用後の残留応力変化量が小さいことが分か
る。これは表面部に微細な亀裂が発生し、使用による残
留応力が開放されているためである。したがって、ボー
ルねじ装置の使用による残留応力の増加を少なくするた
めに、ボール転動路と接続路との接続部分の硬さを後述
するようにナット軌道面硬さの５０％以上８０％以下に
設定することが必要となる。

【００２８】また、低硬度加工部１１には、ボール８が
衝突するため、金属接触を起こすことになる。このた
め、場合によっては、滑りによるビーリングや凝着現象
が発生し、ボールねじの損傷を早めてしまう。そこで、
潤滑油膜により低硬度加工部１１での金属接触を緩和す
るため、低硬度加工部１１の粗さを良好にする必要があ
る。このためには、低硬度加工部１１の粗さを後述する
ように０．２μｍＲａ以下に設定する必要がある。［実施例］本発明の効果を寿命試験によって確認した実
施例を示し、実施例の結果から、数値限定範囲の意義を
説明する。

【００２９】本実施例で使用した寿命試験ＴＰはＪＩＳ
１１９２に示されるボールねじで、予備番は２５×１０
×５００−Ｃ５を用いた。試験機は日本精工株式会社製
のボールねじ耐久寿命試験機を用い、摩耗やはくり等の
破損が出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ＴＰの内、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、
これを試験寿命とした。試験は通常の使用条件に対して
加速要因として、モーメント荷重と加速度による荷重が
加わっている。また、回転速度による影響を確認するた
めに種々の回転速度で実験を行った。

【００３０】なお、試験結果は試験条件による基本動ラ
ジアル（又はアキシアル）定格荷重Ｃを動等価ラジアル
（又はアキシアル）荷重Ｐで除して算出されるＬ₁₀計算
寿命（Ｌ₁₀＝（Ｃ／Ｐ）^p ｐ：指数）を算出し、この
計算寿命時間に対する試験時間の比であるＬ₁₀寿命比で
示している。試験条件呼び番：日本精工株式会社ボールねじ２５×１０×５００−Ｃ５（ボール径３／１６インチ）試験機名：日本精工株式会社製ボールねじ耐久寿命試験機試験荷重：アキシャル荷重＝１９６０Ｎモーメント荷重＝２９４０Ｎ加速度荷重＝４９０〜１４７０Ｎ最高回転数：３００〜２０００ｍｉｎ^-1 ストローク：３００ｍｍ潤滑グリース：アルバニアNo. ２（昭和シェル石油株式会社製）上記耐久寿命試験結果を下記表１及び図４〜６に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】この表１において、低硬度加工部硬さ率と
は、低硬度加工部１１を切断し、断面を磨き上げ、ビッ
カース硬さ計で硬さを計測し、ナット軌道面との硬さを
比較したもので、下記（１）式で表される。低硬度加工部硬さ率＝（軌道面硬さ[Hv]／接続部硬さ[Hv]×１００［％］ …………（１）図４は、同一試験条件で低硬度加工部１１の硬さ率の違
いによる寿命試験結果を示す。低硬度加工部硬さ率が５
０％未満であるときにはＬ₁₀寿命比が１未満となり、硬
さが低すぎて衝撃荷重に対して十分な寿命が得られず、
低硬度加工部１１が破損してしまう。また、低硬度加工
部硬さ率が８０％を超えると、同様にＬ ₁₀寿命比が１未
満に低下し、硬さが高すぎて衝撃荷重によりボールに必
要以上の残留応力が発生し、ボールが破損してしまう。

【００３３】したがって、低硬度加工部１１の硬さ率は
Ｌ₁₀寿命比が“２”を超える５０％以上８０％以下が長
寿命となる。また、低硬度加工部１１の硬さ率が５５％
以上７０％以下で長寿命が安定して得られることから、
５５％以上７０％以下がより好ましい。しかも、Ｌ₁₀寿
命比は回転速度が５００ｍｉｎ^-1である場合より１００
０ｍｉｎ^-1の方が大きな値となる。

【００３４】図５は低硬度加工部１１の硬さ率が５９〜
６１％の条件で、加工精度（粗さ）の違いを比較した結
果である。同じ低硬度加工部１１の硬さ率でも粗さが悪
くなると、長寿命効果が減少することが分かる。したが
って、低硬度加工部１１の粗さは０．２μｍＲａ以下で
あることがより好ましい。図６に低硬度加工部１１の硬
さ率が５９〜６１％の条件で且つ低硬度加工部１１の粗
さが０．２μｍＲａ以下の条件で試験を行った場合の試
験回転数とＬ₁₀寿命比との関係を示す。この図６から、
低硬度加工部１１の硬さ率を下げる効果は衝突荷重が高
くなる高回転速度域で、その効果が高いことが分かる。
したがって、望ましくは本実施形態のボールねじ装置を
１０００ｍｉｎ^-1以上の高回転速度で適用し、１５００
ｍｉｎ^-1以上での適用がより好ましい。

【００３５】このような構成においては、ボール転動路
３と接続路６とが低硬度加工部１１を介して滑らかに連
続すると共に、この低硬度加工部１１の硬さがナット軌
道面硬さに対して５０％以上８０％以下に設定されてい
るので、製作されたボールねじ装置１Ａの作動初期段階
からボール８がボール循環路７をスムーズに循環すると
共に、ボール８が低硬度加工部１１に衝突しても、低硬
度加工部１１やボール８の破損を防止して、両者の長寿
命化を図ることができる。このため、ボールねじ装置１
Ａ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、
耐久性も高めることができる。

【００３６】なお、上記実施形態においては、ボール転
動路３と接続路６との間に角部に面取り加工を施して平
坦な低硬度加工部１１を形成する場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、低硬度加工部１１
を円弧状に形成したり、図１で一点鎖線図示のように、
ボール転動路３と接続路との間に角部を残し、この角部
を低硬度化することにより、低硬度加工部とするように
してもよい。要するに、本発明のボールねじ装置は、ナ
ット２に設ける接続路とボールねじ溝との間にナット軌
道面硬さより低い硬さの低硬度加工部を形成するように
すればよいものである。

【００３７】また、上記実施形態においては、本発明を
チューブ５によって接続路６を構成するチューブ方式の
ボールねじ装置に適用した場合について説明したが、こ
れに限定されるものではなく、接続路用のこまを用いる
内部循環式のボールねじ装置や、エンドキャップに接続
路を形成したボールねじ装置にも同様に適用することが
可能である。

【００３８】さらに、上記実施形態においては、ボール
８同士が接触しながら転動する場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、隣接するボール８
間にセパレータを介装する場合にも本発明を適用するこ
とができ、この場合にはセパレータを介装することで、
ボールねじ装置の耐久性に加え、作動性や音響特性を改
善することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ボール転動路と接続路との接続部分に軌道面硬さの５０
％以上８０％以下の硬さの低硬度領域を形成したので、
この低硬度領域に高速でボールが衝突したときの衝突エ
ネルギを吸収し、ボールに生じる残留応力を低下させる
と共に、低硬度領域の耐久性を向上させて、高回転速度
で使用されるボールねじ装置を長寿命化することができ
るという効果が得られる。

【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装置
の一部を示す断面図である。

【図２】本発明のボールねじ装置の全体の外観を示す斜
視図である。

【図３】ボールの表面からの深さと残留応力変化量との
関係を示すグラフである。

【図４】低硬度処理部硬さ比とＬ₁₀寿命比との関係を示
すグラフである。

【図５】低硬度処理部粗さとＬ₁₀寿命比との関係を示す
グラフである。

【図６】回転速度とＬ₁₀寿命比との関係を示すグラフで
ある。

【図７】従来のボールねじ装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１Ａ…ボールねじ装置１…ねじ軸１ａ…ねじ溝２…ナット２ａ…ねじ溝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１０…角部１１…低硬度加工部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関矢礼明群馬県前橋市鳥羽町78番地日本精工株式会社内 (72)発明者加藤将人群馬県前橋市鳥羽町78番地日本精工株式会社内 (72)発明者渡辺靖巳群馬県前橋市鳥羽町78番地日本精工株式会社内Ｆターム(参考） 3J062 AB22 AC07 BA16 BA17 BA25 BA26 CD06 CD43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周面にボールねじ溝を有するねじ軸
と、このねじ軸の外周に嵌合され、内周面にねじ軸のボ
ールねじ溝に対向するボールねじ溝を有するナットと、
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
ねじ溝とで構成されたボール転動路と、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た
接続路と、この接続路と前記ボール転動路とで構成され
た無端状に連通するボール循環路と、このボール循環路
内に無端状に配列するように収容された複数のボールと
を備えるボールねじ装置において、前記ボール転動路と接続路との接続部分に、前記ボール
転動路の軌道面硬さの５０％以上８０％以下に設定した
低硬度領域を形成したことを特徴とするボールねじ装
置。
【請求項２】前記低硬度領域は、粗さが０．２μｍＲ
ａ以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載
のボールねじ装置。