JP2004353792A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】加工工数を増やすことなく、ナットのボール循環部と転走路との接続部での段差を小さくし、ボール循環の良好な作動性が得られ、ボールの挙動を安定させることができるボールねじを提供する。
【解決手段】ねじ軸２の外径面とこのねじ軸２の外周に遊嵌するナット３の内径面に、互いに対向するねじ溝６，７を形成する。ねじ軸２のねじ溝６とナット３のねじ溝７の間で形成される転走路８に複数のボール４を介在させる。ナット３は、そのねじ溝７に両端が連通して上記転走路８のボール４を循環させるボール循環部を有する。この循環部の端部を、上記ナット３に加工された断面円形のボール循環孔１０ａとし、上記ナット３のねじ溝７の断面をゴシックアーチ形状とする。上記ボール循環孔１０ａの中心Ｏ１を、転走路８のボール中心径となる円Ｓの接線Ｔに対して平行で、かつ上記ナット３のねじ溝７の溝底と反対側へオフセットさせた位置とする。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、射出成形機、プレス機等のように高回転速度、高負荷荷重用途に適用可能なボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動射出成形機は、モータの回転をボールねじで進退動作に変換して射出駆動するものであり、広く使用されている。しかし、高い射出速度が必要な加工ではボールねじの性能上、使用できないことがある。例えば、超薄肉成形品（携帯電話機の電池パック外装等）や、底が深く薄肉の食品用容器等を成形する場合は、成形のために高い射出速度が必要とされるが、ボールねじの許容ｄｎ値（＝軸径（ｍｍ）×回転速度（ｒ／ｍｉｎ ））の制約によって、必要となる射出速度まで上げることが難しい。そのため、これまでは、上述した超薄肉成形品等の成形では、油圧射出成形機に増速装置（アキュームレータ）を使用して行っており、電動式射出成形機のメリットである省電力や、油を使用しないエコロジーの恩恵を受けることができなかった。
【０００３】
一般にボールねじの許容ｄｎ値は、ボールねじのボール循環部におけるボールの衝突による破壊強度の関係によって、実験値から決定されている。この許容ｄｎ値を大きくするには、循環部材へのボールの衝突エネルギを小さくすることが有効である。その一つの方法として、図８に示される循環構造のボールねじが提案されている（例えば特許文献１）。この循環構造は、図７に示す一般的なボールねじに対して、ボール循環部３２とねじ溝２６，２７の接続部が延びる方向を、ねじ溝２６，２７の接線方向Ｔ、つまりボール中心径となる円Ｓの接線Ｔの方向で、かつリード角方向に設定するように工夫したものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２７６７６４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２４１７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般にボールねじのねじ溝２６，２７は断面がゴシックアーチ形状であるのに対し、ボール循環部３２のねじ溝２６，２７への接続部であるボール循環孔３０は断面が真円となっている。このため、ボール２４がねじ溝２７内からナット２３のボール循環孔３０に入る部分や、ボール２４がナット２３のボール循環孔３０からねじ溝２７内に入る部分（図９（Ａ）のＡ部）において、大きな段差部３５が生じてしまう。すなわち、Ａ部のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である図９（Ｂ）のように、ナット２３のボール循環孔３０を、ねじ溝２７のボール中心径上でエンドミルにより加工すると、ダブルハッチングで示すような大きな段差部３５が生じてしまう。図１０は図９（Ａ）における段差部３５を拡大して示す。
特許文献１の循環構造は、高回転速度でのボール２４の挙動を安定させようとするものであるが、上記のような大きな段差部３５があると、この段差部３５をボール２４が通過する時に振動が発生し、また音も大きくなり、ボール２４の挙動も安定しなくなる。このように段差部３５の段差が大きい場合、初期の作動性が悪くなるだけでなく、初期なじみ運転を行っても、上記段差は大きく残ってしまう。上記段差部３５は、使用する間に滑らかになるまで摩耗するが、摩耗粉がグリースの劣化等を招くため、ボールねじの耐久性に大きく影響を与える。
【０００６】
また、図１１のようにボール２４，２４間に、ボール２４同士の自転による摩擦を軽減するための間座２５を介在させたボールねじがあるが、この間座２５は球形のボール２４に比べて段差部３５に引っ掛かり易く、場合によっては損傷してしまう。その回避策として、リターンチューブ式のボールねじにおいて、図１２（Ａ）のように、ナット２３のボール循環孔３０とナット２３のねじ溝２７との繋ぎ部４０に発生していた凸状の角部４１を、図１２（Ｂ）のように滑らかな形状とすることによって、間座２５の引っ掛かりを回避するようにしたものも提案されている（例えば特許文献２）。
しかし、このように繋ぎ部４０を滑らかな形状とするには、ボールねじ組立前に、別途、クラウニング加工を施す必要があり、加工工数が増加するという問題点を有する。
【０００７】
この発明の目的は、加工工数を増やすことなく、ナットのボール循環部と転走路との接続部での段差を小さくし、ボール循環の良好な作動性が得られ、ボールの挙動を安定させることができるボールねじを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明のボールねじは、ねじ軸の外径面とこのねじ軸の外周に遊嵌するナットの内径面に、互いに対向するねじ溝が形成され、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間で形成される転走路に複数のボールが介在し、上記ナットのねじ溝に両端が連通して上記転走路のボールを循環させるボール循環部をナットに有し、この循環部の端部が、上記ナットに加工された断面円形のボール循環孔であり、上記ナットのねじ溝の断面がゴシックアーチ形状であるボールねじであって、上記ボール循環孔の中心を、上記転走路のボール中心径となる円の接線に対して平行で、かつ上記ナットのねじ溝の溝底から遠ざかる方向へオフセットさせた位置としたことを特徴とする。
ボール循環孔は、ほぼボールと同径とされるが、ボールに負荷が作用しない箇所であるため、ボールの円滑な循環のために、転走路の断面に比べて若干大きな円形断面形状とされる。そのため、上記のようにボール循環孔の中心をナットのねじ溝の溝底から遠ざかる方向へオフセットさせることで、ナットのゴシックアーチ形状のねじ溝と、円形断面のボール循環孔との境界部で段差が生じることが軽減される。また、ボール循環孔の中心が転走路のボール中心径となる円の接線に対して平行であることにより、ボールの移動経路が、折れ曲がりを生じることなく滑らかに続く。これらにより、良好なボール循環の作動性が得られ、ボールの挙動が安定する。この場合に、ボール循環孔の中心をオフセットさせることで段差を軽減するため、加工工数を増やすことなく段差の軽減が行える。
【０００９】
この発明において、上記ボール循環孔の端部と上記ナットのねじ溝の端部との間に生じる段差面を略球面状としても良い。
段差面を略球面状とすると、ボール循環の作動性がさらに良好となり、ボールの挙動をより安定させることができる。段差面を略球面状とする加工は、ボール循環孔の加工にボールエンドミル等を用いることで、工程を増やすことなく行える。
【００１０】
上記ボール循環孔の中心のオフセット範囲は、例えば、上記ナットのねじ溝の底に上記ボール循環孔の内径面が一致する位置から、ナットの上記ゴシックアーチ形状のねじ溝におけるボールの接触点に上記ボール循環孔の内径面が一致する位置までの範囲とする。
ボール循環孔の中心のオフセット量は、ナットのねじ溝の溝底にボール循環孔の内径面が一致する量とすることが、段差を無くすために理想であるが、ゴシックアーチ形状のねじ溝におけるボールの接触点に上記ボール循環孔の内径面が一致するにようになるオフセット量であっても段差軽減の効果が得られる。したがって上記両位置の間のオフセット範囲であれば、段差の軽減効果が得られる。
【００１１】
この発明における上記各構成の場合に、上記ボール循環部が主に上記ナットに取付けられたガイドプレートの溝部と上記ボール循環孔とで形成され、上記ナットのねじ溝内に、端面が上記ボール循環孔に続く傾斜面となったデフレクタが装着されたものとしても良い。
ボール循環部をガイドプレート形式とした場合、ナット内においてボール循環孔とねじ溝とが上記段差面で直接に繋がることになる。そのためこの発明におけるボール循環孔の中心のオフセットによる段差軽減の効果がより効果的となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。このボールねじ１は、ねじ軸２と、このねじ軸２の外周に遊嵌するナット３と、複数のボール４とを備え、ナット３にガイドプレート５が取付けられている。ナット３は、円筒状に形成されたナット本体３ａと、その一端に設けられたフランジ３ｂを有する。ねじ軸２は、その外径面に螺旋状のねじ溝６が形成され、ナット３の内径面には、ねじ軸２のねじ溝６に対向する螺旋状のねじ溝７が形成されている。ボール４は、ねじ軸２のねじ溝６とナット３のねじ溝７との間に形成された螺旋状の転走路８内に、連なり状態で転動自在に収容される。
ねじ軸２およびナット３のねじ溝６，７の断面形状は、ゴシックアーチ形状とされている。ゴシックアーチ形状は、図４（Ｂ）にナット３のねじ溝７の断面形状を示すように、曲率中心の異なる２つの円弧を組み合わせた形状のことである。ねじ溝７の断面形状は、具体的には、溝底における溝幅中心を境界として、両側の溝内側面部７ａ，７ａがそれぞれ別個の円弧曲線で形成されている。これら溝内側面部７ａ，７ａの断面形状を成す円弧は、互いに線対象であって、溝開口側端が互いに近づくように、溝底部で繋がっている。また、この溝内側面部７ａの断面形状を成す円弧は、ボール４よりも大径であり、したがってボール４は、ねじ溝７の深さ方向の中間の接触点Ｐで、両側の溝内側面部７ａに対して点接触する。ねじ軸２側のねじ溝６についても、ナット３のねじ溝７と同様な断面形状とされている。
【００１３】
ガイドプレート５は、ナット３の外周の一部に形成した平坦面部３ａａに固定される。ガイドプレート５の裏面には、ボール４が通過する溝部９が形成されている。溝部９は、例えば略直線状とされている。この溝部９は、ナット３で溝開口部が蓋されることにより、孔状のボール循環部１２（図３）の主要部を形成する。また、溝部９は、図２のように２本が軸方向に並んで設けられ、それぞれが別のボール循環部１２を構成する。各ボール循環部１２と上記転走路８とで、一連のボール周回経路１４（図１）が形成されている。なお、このボール周回経路１４は一つとしても、３つ以上としても良い。
【００１４】
ボール循環部１２の両端は、ねじ軸２とナット３間の転走路８に接続される接続部１０となっている。接続部１０は、ナット３に形成された断面円形のボール循環孔１０ａにより主に形成される。この循環孔１０ａの内径は、ねじ軸２およびナット３のねじ溝６，７間に形成される転走路８の断面形状よりも大きな径とされる。ナット３のねじ溝７内には、転走路８のボール４をボール循環部１２に掬い上げるデフレクタ１１が配置される。デフレクタ１１の端面１１ａは、ナット３のボール循環孔１０ａの内面に滑らかに続く傾斜面とされ、ボール循環孔１０ａと同じ傾斜角度を持つ。デフレクタ１１は、ボール循環部１２の両側の接続部１０に対してそれぞれ別のものが設けられる。
【００１５】
ボール循環部１２の各接続部１０の延びる方向、つまりボール循環孔１０ａの延びる方向は、ねじ溝６，７の接線方向Ｔ（図３）に設定されている。ねじ溝６，７の接線方向Ｔは、詳しくは、ねじ溝６，７間に形成された転走路８におけるボール軌道中心径となる円Ｓ（図４（Ａ））の接線方向のことである。上記の円Ｓは、ボールねじ中心軸に対して垂直な平面におけるボール軌道中心の投影形状となる円である。
【００１６】
図４に示すように、ボール循環部１２の接続部１０におけるボール循環孔１０ａの中心Ｏ１は、上記転走路８のボール軌道中心径となる円Ｓの接線Ｔに対して平行で、かつナット３のねじ溝７の溝底から遠ざかる方向へ所定量δだけオフセットさせた位置とされている。同図の例では、オフセット量となる所定量δは、ナット３のねじ溝７の底７ｃにボール循環孔１０ａの内径面が一致するだけの量としてある。ボール循環孔１０ａの断面が円形であり、ナット３のねじ溝７の断面がゴシックアーチ形状であるため、ボール循環孔１０ａの端部と、ナット３のねじ溝７の端部との間には段差部１５が生じる。その段差部１５を図４（Ｂ）においてダブルハッチングで示す。図４（Ｂ）は同図（Ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。この段差部１５の発生は、円形とゴシックアーチ形状との形状差のため、避けることができないが、上記のようにボール循環孔１０ａの中心Ｏ１をオフセットさせることにより、段差量を極力小さくすることができる。なお、この段差部１５の段差は、上記オフセットのため、ねじ溝７の底７ｃの部分で最も小さく、ねじ溝７の肩部へ向けて次第に大きくなってる。
ボール循環孔１０ａの中心Ｏ１のオフセット位置は、上記のようにナット３のねじ溝７の底７ｃにボール循環孔１０ａの内径面が一致するだけの量とすることが理想であるが、ナット３のゴシックアーチ形状のねじ溝７におけるボール４の接触点Ｐにボール循環孔１０ａの内径面が一致する位置であっても良い。したがって上記中心Ｏ１のオフセット範囲は、ボール循環孔１０ａの内径面が上記溝底Ｐに一致する位置からボール接触点Ｐに一致する位置までの範囲であっても良い。また、上記オフセット範囲は、ねじ溝７の底７ｃにボール循環孔１０ａの内径面が一致するときのオフセット量よりもさらに小さな値となる範囲であっても良い。
【００１７】
上記段差部１５となる段差面は、略球面状とすることが好ましい。ナット３における上記ボール循環孔１０ａの加工には、図５（Ａ）に示す円筒状のストレートエンドミル１６や、図５（Ｂ），（Ｃ）に示すように先端を球面状としたボールエンドミル１７，１８が使用される。ストレートエンドミル１６の加工では、ワークＷの加工面Ｗｓが図５（Ｄ）のように平坦面となるが、ボールエンドミル１７，１８の加工では、加工面Ｗｓが図５（Ｅ）のように球面状となる。この実施形態では、図５（Ｂ）または同図（Ｃ）に示すように円筒部の先端を球面状としたボールエンドミル１７，１８が用いられ、図６のように上記ボール循環孔１０ａが加工される。すなわち、ボールエンドミル１７，１８の中心Ｏ２を、上記ボール軌道中心径となる円Ｓの接線Ｔに対して平行となるようにして、ボール循環孔１０ａが加工される。これにより、ボール循環孔１０ａの端部と、ナット３のねじ溝７の端部との間に生じる段差部１５（図４（Ａ））の表面は略球面状となる。
【００１８】
上記構成のボールねじ１の作用を説明する。図４に示されるように、ボールねじ１のボール中心径となる円Ｓの接線Ｔの方向にボール４を拾い上げる場合、この接線Ｔに沿う方向のボール循環孔１０ａが必要になる。ボール循環孔１０ａはボール径に極力沿うような径に加工するが、図９（Ａ）の従来例のようにボール循環孔１０ａの中心Ｏ１が接線Ｔと一致している場合、ナット３のねじ溝７はゴシックアーチ形状としているため、ナット３の溝底部での段差が一番小さく、ナット３のねじ溝７の肩部へ向けて、段差が大きくなっていく。そこで、この実施形態では、接線Ｔからオフセットした位置にボール循環孔１０ａを加工することで、上記段差を極力小さくし、また、ボール循環孔１０ａの加工にボールエンドミル１７，１８を採用して段差面を滑らかにした。
すなわち、この実施形態のボールねじ１によると、ボール循環孔１０ａの中心Ｏ１を、ナット３のねじ溝７の溝底と反対側へ所定量δだけオフセットさせた位置としたため、ボール循環孔１０ａの端部とナット３のねじ溝７の端部との間に生じる段差を極力小さくできる。また、ボール循環孔１０ａの中心Ｏ１を、転走路８のボール軌道中心径となる円Ｓの接線Ｔに対して平行としたため、ボールの移動経路が、折れ曲がりを生じることなく滑らかに続く。中心Ｏ１は円Ｓの接線Ｔに対し平行でかつリード角方向に設定してもよい。これらにより、良好なボール循環の作動性が得られ、ボールの挙動が安定する。この場合に、ボール循環孔１０ａの中心Ｏ１をオフセットさせることで段差を軽減するため、加工工数を増やすことなく段差の軽減が行える。
【００１９】
また、ボール循環孔１０ａの端部とナット３のねじ溝７の端部との間に生じる段差部１５（図４（Ａ））の面を略球面状としたため、ボール循環の作動性がさらに良好となり、ボール４の挙動をより安定させることができる。この段差部１５の球面状の加工は、ボール循環孔１０ａの加工にボールエンドミル１７，１８を用いることによって行うため、加工工程の増加を伴うことなく、球面状に加工することができる。
この実施形態によれば、上記段差部１５の段差が極僅かであるため、ボールねじ１の作動性が良好になり、初期なじみ運転だけで段差部１５は滑らかな形状となる。そのため、使用時に段差部１５の摩耗が生じて摩耗粉により耐久性を劣化させることがなくなる。一般に、ボールねじは、製造時になじみ運転を必ず行い、なじみ運転後の洗浄、再組立を行う。よって、この実施形態により、追加の工数を掛けることなく、簡単にこの段差部を滑らかな形状とでき、また作動性や耐久性を良好に保つことが可能になる。
【００２０】
また、この実施形態では、循環孔１０ａの中心Ｏ１のオフセット量である所定量δは、ナット３のねじ溝７の溝底にボール循環孔１０ａの内径面が一致する量としたため、段差を無くすために理想的である。なお、図４（Ｃ）のように、ゴシックアーチ形状のねじ溝７におけるボール接触点Ｐに上記ボール循環孔１０ａの内径面が一致するにようになるオフセット量であっても、段差軽減の効果が得られ、上記所定量δが上記両位置の間のオフセット範囲であっても段差の軽減効果が得られる。また、上記所定量δは上記オフセット範囲よりもさらに小さな範囲の値であって良い。
【００２１】
また、この実施形態では、ボール循環部１２をガイドプレート５で主に形成したが、このようなガイドプレート形式では、ナット３内においてボール循環孔１０ａとねじ溝７とが上記段差部１５で直接に繋がることになる。そのため、上記のようにボール循環孔１０ａの中心Ｏ１のオフセットによる段差軽減の効果がより効果的となる。
【００２２】
つぎに、試験結果を説明する。供試対象は、図１ないし図６に示す実施形態のボールねじ１に対して、表１に示すようにボール循環孔の加工、およびボール循環孔のオフセット状況を種々異ならせたものである。このうち、通し番号が▲２▼，▲３▼，▲５▼，▲６▼の各例が実施例であり、▲１▼，▲４▼の各例が比較例である。ボールねじ１の構成の詳細は、ねじ軸２の軸径φ６３ｍｍ、ねじ溝６，７のリード１６ｍｍ、ボール径１／２”（φ１２．７ｍｍ）である。各例は、初期なじみ運転として回転速度１０００ｒｐｍ、進退ストローク１０００ｍｍの動作を１００回行い、この初期なじみ運転後の作動性と段差部の状況、さらに洗浄後の耐久性の確認を行った。その結果を表２に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
表２において、○は結果が良好、○△はほぼ良好、△は多少作動性に難あり（使用可能レベル）、×は作動性・耐久性とも不可（使用不可能）であることを示す。
この試験結果から、実施例▲２▼，▲５▼のように、加工中心Ｏ１のオフセット量は、ナット３のねじ溝７の底にボール循環孔１０ａの内径面が一致する位置が理想的であるが、実施例▲３▼，▲６▼のように、ゴシックアーチ形状のねじ溝７におけるボール接触点Ｐにボール循環孔１０ａの内径面が一致する位置であっても良いことがわかる。
【００２６】
なお、上記実施形態ではガイドプレート式のボールねじ１に適用した場合につき説明したが、これに限らず、例えばリターンチューブ式のボールねじに適用しても同様の効果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のボールねじは、ナットのねじ溝に両端が連通して転走路のボールを循環させるボール循環部をナットに有し、この循環部の端部が、上記ナットに加工された断面円形のボール循環孔であり、上記ナットのねじ溝の断面がゴシックアーチ形状であるボールねじにおいて、上記ボール循環孔の中心を、上記転走路のボール中心径となる円の接線に対して平行で、かつ上記ナットのねじ溝の溝底から遠ざかる方向へオフセットさせた位置としたため、加工工数を増やすことなく、ナットのボール循環部と転走路との接続部での段差を小さくできる。これによりボール循環の良好な作動性が得られ、ボールの挙動を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態におけるボールねじの正面図である。
【図２】同ボールねじの平面図である。
【図３】同ボールねじにおける部分横断面図である。
【図４】（Ａ）は図３の一部の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（Ｃ）は同図（Ｂ）の変形例の断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は各種エンドミルの部分正面図、（Ｄ），（Ｅ）はそれらエンドミルによる加工部の断面図である。
【図６】ボールエンドミルによるボール循環孔の加工例を示す説明図である。
【図７】（Ａ）はリターンチューブ式ボールねじの平面図、（Ｂ）は同ボールねじの横断面図である。
【図８】（Ａ）は従来例のボールねじの平面図、（Ｂ）は同ボールねじの横断面図である。
【図９】（Ａ）は同ボールねじのボールを省略して示す拡大横断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図１０】図９（Ａ）における段差部の部分の拡大図である。
【図１１】間座付きのガイドプレート式ボールねじにおけるボールの挙動を示す説明図である。
【図１２】他の従来例のボールねじの改良構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１…ボールねじ
２…ねじ軸
３…ナット
４…ボール
５…ガイドプレート
６，７…ねじ溝
８…転走路
９…溝部
１０…接続部
１０ａ…ボール循環孔
１１…デフレクタ
１１ａ…端面
１２…ボール循環部
１５…段差部
Ｏ１…ボール循環孔の中心
Ｓ…ボール中心径となる円
Ｔ…接線

Claims (4)

1. ねじ軸の外径面とこのねじ軸の外周に遊嵌するナットの内径面に、互いに対向するねじ溝が形成され、上記ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間で形成される転走路に複数のボールが介在し、上記ナットのねじ溝に両端が連通して上記転走路のボールを循環させるボール循環部をナットに有し、このボール循環部の端部が、上記ナットに加工された断面円形のボール循環孔であり、上記ナットのねじ溝の断面がゴシックアーチ形状であるボールねじにおいて、上記ボール循環孔の中心を、上記転走路のボール中心径となる円の接線に対して平行で、かつ上記ナットのねじ溝の溝底から遠ざかる方向へオフセットさせた位置としたことを特徴とするボールねじ。
2. 請求項１において、上記ボール循環孔の端部と上記ナットのねじ溝の端部との間に生じる段差面を略球面状としたボールねじ。
3. 請求項１または請求項２において、上記ボール循環孔のオフセット範囲を、上記ナットのねじ溝の底に上記ボール循環孔の内径面が一致する位置から、ナットの上記ゴシックアーチ形状のねじ溝におけるボールの接触点に上記ボール循環孔の内径面が一致する位置までの範囲としたボールねじ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記ボール循環部が上記ナットに取付けられたガイドプレートの溝部と、上記ボール循環孔とで形成され、上記ナットのねじ溝内に、端面が上記ボール循環孔に続く傾斜面となったデフレクタが装着されたボールねじ。

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