JP2003247618A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボールがボール循環路とボール転動路との間
を通過する際の急激な圧力変化を緩和できると共にボー
ルとボールねじ溝の摩耗と剥離を有効に抑制できるボー
ルねじを提供する。 【解決手段】 本発明は外径面にボールねじ溝１ａを有
するねじ軸１と、前記ねじ軸のボールねじ溝１ａに対向
するボールねじ溝２ａを内径面に有し、前記両ボールね
じ溝により形成されるボール転動路８に転動自在に装填
された多数のボール１０を介して前記ねじ軸に螺合され
るボールナット２と、前記ボールを前記ボール転動路８
の一端からすくい上げて他端に戻るボール循環路９と、
を備えた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８ｂの表面硬さを、負荷を受
ける前記ボール転動路のボール転動部８ａの表面硬さよ
り小さくした。よって、ボール循環路とボール転動路間
にボールの滑りが発生し難くなり、ボールとボールねじ
溝の摩耗と剥離を有効に抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械や各種装
置で高荷重、高速回転で使用されるボールねじに係り、
特にボール循環路とボール転動路間においてボールをス
ムーズに循環させることができるボールねじに関する。

【０００２】

【従来の技術】ボールねじとしては、従来、外径面に螺
旋状のボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ボールねじ
溝と対向する螺旋状のボールねじ溝を内径面に有するボ
ールナットとを備え、前記両ボールねじ溝により形成さ
れるボール転動路内に多数のボールを介在せしめ、別体
の循環チューブ等からなる循環路を経由して、前記ボー
ルを前記ボール転動路の一端からすくいあげて他端に戻
し、このようにして多数のボールを循環させつつボール
ナットとねじ軸をその軸心まわりに相対螺旋運動させる
ものが知られている。

【０００３】なお、前記循環チューブの両端は、一般に
ボールナットのボールねじ溝に連通して開設される二つ
の装着穴に嵌挿されている。一方、ボールナットに取り
付けられる循環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、ボール循環路内ではボー
ルは無負荷状態となっている。これに対して、ねじ軸と
ボールナットの両ボールねじ溝間に形成されるボール転
動路ではボールは予圧により若干弾性変形しているの
で、負荷状態となっている。以降はこの負荷状態におい
てボールが転動する通路をボール転動路の転動部と記
す。

【０００４】他方、ボール転動路からボール循環路へボ
ールがすくい上げられる際には、循環チューブの一端の
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、ボール転動路のボールすくい
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、ボール循環路からボール転動
路へボールが戻される際には、循環チューブの他端の開
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、ボール転動路のボール送り込み開
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、正転時の前記ボールすくい
上げ開始部が前記ボール送り込み開始部となり、前記ボ
ール送り込み開始部が前記ボールすくい上げ開始部とな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のボールねじで
は、ボール転動路のボールすくい上げ開始部のボールね
じ溝がボール転動路の転動部のボールねじ溝と同様な熱
処理によって、ほぼボールに近い硬さを有するため、ボ
ールは前記ボール循環路から前記ボール転動路に入り込
む際に、急激な応力変化を受けると共に、ねじ軸とボー
ルナットの振動につながり騒音の問題となる恐れがあ
る。

【０００６】図５はこの応力変化に伴う騒音の測定結果
を示すものであり、図中に示すように、２０００Ｈｚ以
下である低周波数領域において、顕著なピーク山が見ら
れ、これは前述したようにボールがボール転動路に入り
込む際の急激な圧力変動によるものである。また、上記
のような急激な圧力変化はボールとボールねじ溝の摩耗
を促進させる要因となっている。特に、前記ボール転動
路のボールすくい上げ開始部又はボール送り込み開始部
は常にこの急激な圧力変化を受けているため、摩耗や剥
離が進展し易くなるという問題があった。

【０００７】従来、この問題の対策としては、前記ボー
ルすくい上げ開始部又はボール送り込み開始部の有効径
を前記ボール循環路側に向けてなだらかに拡大して（以
降は、クラウニング部と記す）、圧力変動をなめらかに
するというクラウニング加工方法が提案されていた。し
かし、この方法は、圧力変動をなめらかにすることがで
きるが、ボールがクラウニング部を滑りながら移動して
いく可能性があるため、ボールとボールねじ溝との摩耗
と剥離を有効に軽減することができない場合があった。

【０００８】更に、従来のボールねじでは、前記装着穴
はその先端部が前記ボールすくい上げ開始部又は前記ボ
ール送り込み開始部として機能し、その表面部も熱処理
により、ボールねじ溝とほぼ同じ表面硬さを有する。こ
のため、ボールは前記ボール循環路内では、後ろのボー
ルに押されながら、表面硬さの高い装着穴の先端部へ移
動している際に、硬いもの同士のすべりによって、装着
穴の先端部との摩耗や損傷が発生しし易いおそれがあっ
た。

【０００９】そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなさ
れたものであり、ボール循環路とボール転動路間におい
てボールをスムーズに循環させることができると共に、
従来のものよりボールとボールねじ溝に摩耗と剥離が発
生し難いボールねじを提供することを課題とする。

【００１０】

【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、外径面にボールねじ
溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸のボールねじ溝に対向
するボールねじ溝を内径面に有し、前記両ボールねじ溝
により形成される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ボールナ
ットと、前記ボールを前記ボール転動路の一端からすく
い上げて他端に戻るボール循環路と、を備えたボールね
じにおいて、前記ボール転動路の一端のボールすくい上
げ開始部の表面硬さを、負荷を受ける前記ボール転動路
のボール転動部の表面硬さより小さくしたことを特徴と
する。

【００１１】ここで、ボールすくい上げ開始部は、ボー
ル転動路の一端の近傍部分のうち、ボールに予圧や外力
による負荷力が作用する箇所から負荷力の解除が完全に
終了するまでの箇所と定義する。この発明によれば、ボ
ール転動路において、ボールすくい上げ開始部の表面硬
さをボール転動部の表面硬さより小さくすることによ
り、ボール循環路からボール転動路へ向かって硬度が緩
やかに高くになっていくため、ボールの通過に伴う急激
な圧力変動が緩和されると共に、ねじ軸とボールナット
の振動も軽減され、振動と騒音の抑制につながることが
できる。またボールが硬度の低いボールすくい上げ開始
部に収容され転動しながらボール循環路に入っていく
際、表面硬さの相違によって、ボールとボールねじ溝と
の間にすべりが発生し難いため、ボールとボールねじ溝
の摩耗や剥離が緩和される。

【００１２】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
転動路の一端のボールすくい上げ開始部の表面硬さは、
負荷を受ける前記ボール転動路のボール転動部の表面硬
さよりＨＲＣで５〜２０小さいことを特徴とする。本発
明によれば、請求項１と同様な作用・効果を得ることが
できる。

【００１３】さらに、本発明に係る請求項３のボールね
じは、外径面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ね
じ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内径面に
有し、前記両ボールねじ溝により形成されるボール転動
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
じ軸に螺合されるボールナットと、前記ボールを前記ボ
ール転動路の一端からすくい上げて他端に戻るボール循
環路と、を備えた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剛性は、負荷を受
ける前記ボール転動路のボール転動部の剛性より小さい
ことを特徴とする。

【００１４】本発明によれば、ボール転動路において、
前記ボールすくい上げ開始部の剛性を前記ボール転動部
の剛性より小さくすることにより、ボール循環路からボ
ール転動路へ向かって剛性が徐々に大きくなっていくた
め、請求項１と同様な作用・効果を得ることができる。
具体的には、前記ボールすくい上げ開始部の近傍部分に
おいて、ボールナットの外径面側からその内径面側に向
けて誘導穴を開設し、その剛性を低下させことにより、
請求項１と同様な作用・効果を得ると共に、ボールの通
過に伴う急激な圧力変化をより確実に吸収することがで
きる。

【００１５】さらに、本発明に係る請求項４のボールね
じは、外径面にボールねじ溝を有するねじ軸と、前記ね
じ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内径面に
有し、前記両ボールねじ溝により形成されるボール転動
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
じ軸に螺合されるボールナットと、前記ボールを前記ボ
ール転動路の一端からすくい上げて他端に戻るボール循
環路と、を備えた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表面粗さは、負荷
を受ける前記ボール転動路のボール転動部の表面粗さよ
り粗いことを特徴とする。ここでは、前記ボールすくい
上げ開始部の表面粗さを前記ボール転動路の表面粗さよ
り２倍以上粗くするのが好ましい。

【００１６】本発明によれば、ボール転動路において、
前記ボールすくい上げ開始部の表面粗さがボール転動路
のボール転動部の表面粗さより粗くすることにより、前
記ボールすくい上げ開始部を通過するボールがより確実
に転がることから、前記請求項１、２、３と同様な効果
を得ることができる。さらに、本発明に係る請求項５の
ボールねじは、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
記載のボールねじにおいて、前記ボール間にはセパレー
タを介在させたことを特徴とする。

【００１７】本発明によれば、ボール間にセパレータを
介装することにより、ボール同士が接触することがな
く、ボールとセパレータとの相対滑り速度も大きく低下
するため、セパレータの素材に由来する潤滑性も相俟っ
てボールの摩耗が確実に抑えられ、ボールねじの耐久性
を格段に向上することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のボールねじに係る
実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係
るボールねじの実施形態の平面図、図２は、図１のＩ−
Ｉ線の部分拡大図、図３は図１のII―II線の部分拡大
図、図４は本発明に係るボールねじの他の実施形態の側
面図である。

【００１９】まず、図１乃至図３によりボールねじの全
体構成を説明すると、本発明に係るボールねじは、外径
面にボールねじ溝１ａを有するねじ軸１と、前記ねじ軸
１のボールねじ溝１ａに対向するボールねじ溝２ａを内
径面に有し、前記両ボールねじ溝１ａ、２ａにより形成
されるボール転動路８に転動自在に装填された多数のボ
ール１０を介して、前記ねじ軸１に螺合されるボールナ
ット２と、前記ボール１０を前記ボール転動路８の一端
からすくい上げて他端に戻るボール循環路９とを備えて
いる。

【００２０】ねじ軸１は、外径面に螺旋状のボールねじ
溝１ａを有する軸部材である。ボールナット２は、ねじ
軸１のボールねじ溝１ａに対応するボールねじ溝２ａを
内径面に有する円筒状の部材で、外径面の一部に形成さ
れた平面部３にボールねじ溝２ａに開口する二つの装着
穴４が形成されている。このボールナットの装着穴４に
は、Ｕ字形の循環チューブ５の端部がそれぞれ嵌挿され
ている。この循環チューブ５は、止めねじ６によりボー
ルナットの平面部３に取付板７を介して固定されてい
る。

【００２１】ボールナット２の内径面側には、ねじ軸１
を、ねじ軸１のボールねじ溝１ａとボールナット２のボ
ールねじ溝２ａと対向するように挿通し、ボール転動路
８が形成される。前記循環チューブ５の両端は、ボール
ナットの装着穴４に嵌挿してボール転動路８に至り、ボ
ール転動路８内を転動するボール１０が循環チューブ５
を通って循環されるようになっている。

【００２２】すなわち、ボール１０は負荷を受けるボー
ル転動路８のボール転動部８ａ内を移動しねじ軸１の回
りを複数回回転してから、ボール転動路８の一端Ａ（循
環チューブ５の端部とボール転動路８との交点）におい
て循環チューブ５の一方の端部（開口部）から循環チュ
ーブ５内にすくい上げられ、すくい上げられたボール１
０は、ボール循環路９の中を通って、循環チューブ５の
他方の端部（開口部）からボール転動路８の他端に戻さ
れる。なお、前記装着穴４の先端部４ａはボール転動路
の端部と連通されている。

【００２３】この際、前記装着穴４の先端部４ａを含む
ボール転動路８の一端Ａの近傍部分のうち、端部Ｄより
ボール転動路側ではボール１０が完全に負荷を受けてい
る。荷重は端部Ｄから一端Ａに向かって徐々に小さくな
り、一端Ａと端部Ｂとの中間位置において（すなわち、
ボール転動路８の一端Ａの手前において）荷重がほぼ完
全に解除される。

【００２４】そして、端部Ｄから一端Ａまでの部分はボ
ールすくいあげ開始部８ｂとし、その範囲は例えば、ボ
ール３個分と設計する。なお、ボール循環路９からボー
ル転動路８へボール１０が戻される場合は、ボール転動
路８の他方の一端Ａ（図示せず）の近傍部分において、
必要に応じて、前記ボールすくい上げ開始部８ｂと同様
な構造を有するボール送り込み開始部８ｃを形成するこ
とができる。

【００２５】一方、従来、ボールナットやねじ軸は、耐
摩耗性の向上を図り、浸炭焼入を施してその表面硬さが
ＨＲＣで５８〜６２と高くされている。本発明では、前
記ボールすくい上げ開始８ｂの表面硬さは、ボール転動
路８のボール転動部８ａの表面硬さより小さくする。例
えば、前記ボール転動部８ａでは、ボールねじ溝２ａの
表面硬さがＨＲＣで５８〜６２であるのに対して、前記
ボールすくい上げ開始部８ｂ（又はボール送り込み開始
部８ｃ）では、装着穴４の先端部４ａとボールねじ溝２
ａの表面硬さがＨＲＣで３８〜５７とする。つまり、前
記ボールすくい上げ開始部８ｂの表面硬さを、前記ボー
ル転動部８ａの表面硬さよりＨＲＣで５から２０の間に
小さくする。その形成方法としては、前記ボールすくい
上げ開始部８ｂ（又はボール送り込み開始部）を浸炭焼
入によらず熱処理する方法、又はそれを軟質金属メッキ
により処理する方法が考えられる。なお、表面硬さは、
端部Ｄから一端Ａ（図２を参照）に向けて徐々に軟らか
くしていくのが望ましい。

【００２６】このようにして、前記ボールすくい上げ開
始部８ｂを経由して、ボール１０がボール転動路８から
ボール循環路９へ入り込む際、ボールの通路の表面硬さ
が徐々小さくになっていくため、従来技術に比べてボー
ルの通過に伴う急激な圧力変動が緩和される。更に表面
硬さの相違によって、ボール１０とボールすくい上げ開
始部８ｂとの間に滑りが発生し難くなるため、ボール１
０とボールねじ溝２ａ及び装着穴４の先端部４ａの摩耗
や剥離の進展が抑制される。

【００２７】なお、前記ボール送り込み開始部８ｃを経
由して、ボール１０がボール循環路９からボール転動路
８へ戻される際、ボールの通路の表面硬さが徐々高くに
なっていくため、前記と同様な作用効果が得られる。次
に、図３を援用して、本発明の第２の実施形態を説明す
る。この第２の実施形態では、前記ボールすくい上げ開
始部８ｂ又は前記ボール送り込み開始部８ｃの近傍部分
において、ボールナット２の外径側からその内径側に向
かって誘導穴１１が開設される。なお、その他の構成
は、前記の第１の実施形態と同様であるので、その説明
は省略する。

【００２８】そして、前記ボールすくい上げ開始部８ｂ
（又はボール送り込み開始部８ｃ）の剛性が前記ボール
転動部８ａの剛性より小さくなり、ボール転動路８とボ
ール循環路９との境界部分における剛性の急激な変化が
緩和されるため、ボールの通過に伴う急激な圧力変動が
抑制される。また、大きな衝撃力をより有効に吸収する
ためには、必要に応じて、前記誘導穴１１にゴム等の防
振材を充填してもよい。

【００２９】なお、前記誘導穴１１の寸法や傾斜角は、
前記ボール転動部８ａに対して、必要な剛性低下率など
によって予め決められる。次に、本発明の第３の実施形
態を説明する。第３の実施形態は、前記ボールすくい上
げ開始部８ｂ（又はボール送り込み開始部８ｃ）の表面
粗さを、前記ボール転動部８ａの表面より粗くしたもの
である。なお、その他の構成は、前記の第１の実施形態
と同様であるので、その説明は省略する。

【００３０】ここで、前記ボール転動路８ａでは、ボー
ルねじ溝２ａの表面粗さがＲｍａｘで１．６ｓ程度に対
して、ボールすくい上げ開始部８ｂ（又はボール送り込
み開始部８ｃ）では、ボールねじ溝２ａや先端部４ａの
表面粗さがＲｍａｘで３．２〜２５ｓとほぼ２倍以上粗
くする。また、その形成方法としては、例えば、前記ボ
ール転動部８ａとボールすくい上げ開始部８ｂでの砥石
スピード等の研削条件を変化させることにより形成する
ことができる。

【００３１】そうすると、前記ボールすくい上げ開始部
８ｂ又は前記ボール送り込み開始部８ｃにおいて、ボー
ル１０の滑りが発生し難くなるため、ボール１０とボー
ルねじ溝２ａ及び先端部４ａとの摩耗と剥離が低減され
る。次に、本発明の第４の実施形態を説明する。第４の
実施形態では、図４に示すように、ボール１０の間には
セパレータ１２が介在されており、これらセパレータ１
２がボール１０の転動に伴って両ボールねじ溝１ａ、２
ａの間や循環チューブ５の内部を移動する。

【００３２】セパレータ１２は、例えばポリアミドやフ
ッ素樹脂等のそれ自体に潤滑作用を有する樹脂、或いは
潤滑油を含浸させたポリエチレン等からなり、好ましく
はボール１０と接触する両面が、ボール１０の半径より
も曲率半径の大きい凹球面又はゴシックアーチ形状の曲
面又は円錐形状の曲面となるように形成されている。こ
のようなセパレータ１２は、ボール１０と比較的小さな
面積をもって接触するとともに、その外周における厚み
よりも中央部の厚みが小さくなっており、ボール１０同
士の間隔も小さくなる。

【００３３】このようにして、セパレータ１２が介在さ
れていると、ボール１０同士が接触することがなく、ま
たボール１０とセパレータ１２との相対滑り速度も、セ
パレータ無しのボールねじにおけるボール同士の相対滑
り速度の約１／２となるため、セパレータ１２の素材に
由来する潤滑性も相俟ってボール１０の摩耗が抑えら
れ、長時間運転が行われた場合でもボールねじが所期の
性能を維持できる。また、セパレータ１２がボール１０
に比べて弾性変形し易いため、組み立て作業が容易にな
るという利点もある。

【００３４】なお、上記の実施形態では、循環チューブ
方式のボールねじの場合について説明したが、循環駒、
エンドキャップ方式のボールねじに対しても本発明を適
用できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のボールね
じは、ボール転動路のボールすくい開始部の表面硬さと
剛性及び表面粗さをボール転動路のボール転動部の同一
ものより小さくしたことにより、ボール循環路とボール
転動路との間にボールの滑りが発生し難くなるため、ボ
ールの通過に伴う急激な応力変化の緩和を図ることがで
きると同時に、ボールとボールねじ溝の摩耗と剥離を有
効に抑制することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るボールねじの一実施形態を示す平
面図である。

【図２】図１のＩ―Ｉ線の部分拡大図である。

【図３】図１のII―II線の部分拡大図である。

【図４】本発明に係るボールねじの他の実施形態を示す
側面図である。

【図５】従来ボールねじの騒音測定結果を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ ねじ軸 １ａ ボールねじ溝 ２ ボールナット ２ａ ボールねじ溝 ３ 平面部 ４ 装着穴 ５ 循環チューブ ６ 止めねじ ７ 取付板 ８ ボール転動路 ８ａ ボール転動部 ８ｂ ボールすくい上げ開始部 ９ ボール循環路 １０ ボール １１ 誘導穴 １２ セパレータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外径面にボールねじ溝を有するねじ軸と、
   前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内
   径面に有し、前記両ボールねじ溝により形成されるボー
   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ボールナットと、前記ボールを
   前記ボール転動路の一端からすくい上げて他端に戻るボ
   ール循環路と、を備えた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表
   面硬さは、負荷を受ける前記ボール転動路のボール転動
   部の表面硬さより小さいことを特徴とするボールねじ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の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表
   面硬さは、負荷を受ける前記ボール転動路のボール転動
   部の表面硬さよりＨＲＣで５〜２０小さいことを特徴と
   するボールねじ。
3. 【請求項３】外径面にボールねじ溝を有するねじ軸と、
   前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内
   径面に有し、前記両ボールねじ溝により形成されるボー
   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ボールナットと、前記ボールを
   前記ボール転動路の一端からすくい上げて他端に戻るボ
   ール循環路と、を備えた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剛
   性は、負荷を受ける前記ボール転動路のボール転動部の
   剛性より小さいことを特徴とするボールねじ。
4. 【請求項４】外径面にボールねじ溝を有するねじ軸と、
   前記ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内
   径面に有し、前記両ボールねじ溝により形成されるボー
   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ボールナットと、前記ボールを
   前記ボール転動路の一端からすくい上げて他端に戻るボ
   ール循環路と、を備えた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表
   面粗さは、負荷を受ける前記ボール転動路のボール転動
   部の表面粗さより粗いことを特徴とするボールねじ。
5. 【請求項５】前記ボール間にはセパレータを介在させた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項
   に記載のボールねじ。