JP2005140274A - 直動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速，高負荷，短ストローク往復運動という厳しい使用条件下においても長寿命な直動装置を提供する。
【解決手段】 ボールねじ１は、雄ねじ溝３ａが形成されたねじ軸３と、雌ねじ溝５ａが形成されたナット５と、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５ａとの間に介装された複数のボール９と、を備えている。ねじ軸３，ナット５，及びボール９のうち少なくとも１つは、０．３質量％以上０．８質量％以下の炭素と３質量％以上１８質量％以下のクロムとを含有する合金鋼で構成されている。この合金鋼は、０．３質量％以上２質量％以下のモリブデン及び０．３質量％以上１質量％以下のケイ素の一方又は両方を、さらに含有してもよい。また、雄ねじ溝３ａ，雌ねじ溝５ａ，又はボール９の転動面をなす表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上１．５質量％以下となっているとともに、表層部の残留オーステナイト量が１０体積％以上３６体積％以下となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ボールねじ，リニアガイド装置等の直動装置に関する。

近年、直動装置は油圧シリンダの代替品として使用されており、電動射出成形機や電動プレス機等における回転運動から直進運動への変換や、直進移動を摩擦損失なく円滑に行うため、ボールやローラを転動体として用いた直動装置が多用されている。
例えば、直動装置の一例である総ボール形のボールねじは、外周部に雄ねじ溝が形成されたねじ軸と、該雄ねじ溝と同一ピッチの雌ねじ溝が内周部に形成されたナットと、該雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に転動自在に介装された複数のボールと、から構成され、ナットには雌ねじ溝の一端側と他端側とを連通させる循環通路が形成されている。ねじ軸とナットとを相対回転させると、ボールは雄ねじ溝と雌ねじ溝とで形成される転動路内を転動しながら前進し、雌ねじ溝の一端側に達したボールは循環通路を通って該雌ねじ溝の一端側から他端側へと循環し、再び雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に供給されて転動するようになっている。

雄ねじ溝と雌ねじ溝との間で転動するボールは、同一方向に回転しており、該ボール同士が直接接触すると、接触部であるボールの表面においては、相対的に反対方向に運動している。そのため、転動速度の２倍の速度の相対すべりが生じ、ボールの競り合いと呼ばれる現象が発生するので、ボールの表面が早期に摩耗したり、摩擦熱によってボールやねじ溝の焼付きが発生する等の不具合が生じることがあった。

ボールとねじ軸との接触点、及び、ボールとナットとの接触点は、グリース又は潤滑剤を介して接触楕円と呼ばれる非常に小さな楕円形となっており、該接触点における面圧は極端に高い。そこで、従来のボールねじは、この高い面圧に耐え得るように特殊材料が用いられている。すなわち、ねじ軸及びナットには、ＳＣＭ４２０等の浸炭軸受用鋼やＳＡＥ４１５０等の高周波焼入れ用鋼に熱処理を施して表面硬度を高めたものが使用されていた。

電動射出成形機や電動プレス機等に組み込まれるボールねじは、瞬間的に高負荷が加わる短いストロークで使用され、最大負荷が作用した状態で一旦停止した後に逆回転する往復運動の条件下で使用される。このため、ボールの転動面の油膜が掻き取られ、ねじ溝とボールとの接触点に潤滑剤が入り込み難いので、油膜形成が不十分となる傾向がある。その結果、ねじ軸及びナットの軌道面やボールの転動面に、表面損傷による摩耗，剥離が生じやすいという問題点があった。特に、転動速度の２倍の速度の相対すべりが生じるボール同士の接触面は、損傷が著しかった。さらに、高負荷が作用することによる機台の変形や、取付け時のミスアライメント等により前述のボールの競り合いがさらに顕著になるため、ボールねじの寿命が一層低下するという問題があった。

ボールの競り合いを解消したボールねじとしては、例えば特許文献１に、負荷荷重を支持する負荷ボールの間に、該負荷ボールよりも数μｍ〜数十μｍ程度直径の小さいスペーサボールを介在させたボールねじが提案されている。また、例えば特許文献２〜５に、ボールに対面する２個の凹面を有するリテーニングピースを各ボール間に介装させたボールねじが開示されている。リテーニングピースの凹面にボールを接触させて配置することにより、スペーサボールを用いたボールねじに比較して、遥かに多くの個数の負荷ボールを配置することができ、許容負荷容量の低下を抑えることができる。また、ボール同士の競り合いがなく、リテーニングピースの凹面内に潤滑剤を保持させることも可能となって、潤滑不良を著しく軽減させる利点を有する。
特開平２０００−２９１７７０号公報 特開平１１−３１５８３５号公報 特開２０００−１９９５５６号公報 特開２００１−２１０１８号公報 特開２００１−１２４１７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のボールねじは、スペーサボールの介在によってボール同士の競り合いを解消することはできるが、スペーサボールは負荷を受けることはできないので、負荷を受けるボールの数が実質的に減少することになり、ボールねじの許容負荷荷重が低下するという問題点があった。
また、特許文献２に記載のボールねじは、許容負荷荷重の大幅な低減がなく、且つボールの競り合いを防止することはできるが、ボールねじが高負荷条件下で使用される場合に、接触楕円直下の材料内部に大きな剪断力が作用しており、ボールの競り合いを解消したにもかかわらず、剥離に至るという問題点があった。

市場からの回収品等の調査結果から、この内部起点型の剥離の多くは、白色組織に起因する剥離であることが明らかになっており、これは、前述のような高速，高負荷，短ストローク往復運動下で使用される直動装置に特有の不具合である。また、白色組織に起因する剥離以外にも、極度の摩耗に起因した不具合や、異物の混入に起因した剥離等の問題が残されていた。したがって、従来の浸炭鋼や高周波焼入れ鋼を用い、リテーニングピースを介装してボール同士の競り合いを防止しただけでは、高速，高負荷，短ストローク往復運動という厳しい使用条件に耐えることは困難であり、長寿命を達成するためには、さらなる改善の余地があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高速，高負荷，短ストローク往復運動という厳しい使用条件下においても長寿命な直動装置を提供することを課題とする。

前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の直動装置は、外面に軌道面を有する軸と、該軸の軌道面に対向する軌道面を有し該軸に案内されて軸線方向に直線移動可能とされた直動体と、前記両軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える直動装置において、前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち少なくとも１つが、０．３質量％以上０．８質量％以下の炭素と３質量％以上１８質量％以下のクロムとを含有する合金鋼で構成されていることを特徴とする。

このような合金鋼は金属組織が安定しているので、軸，直動体，転動体を該合金鋼で構成すれば、大きな剪断力が作用する接触楕円直下の材料内部の転がり疲労による異常組織の生成を抑制することができる。その結果、前述のような内部起点型の剥離が抑制されるので、長寿命となる。
また、本発明に係る請求項２の直動装置は、請求項１に記載の直動装置において、前記合金鋼は０．３質量％以上２質量％以下のモリブデンをさらに含有することを特徴とする。このような合金鋼は高負荷に対抗しうる十分な硬さを有するので、直動装置が長寿命となる。

さらに、本発明に係る請求項３の直動装置は、請求項１又は請求項２に記載の直動装置において、前記合金鋼は０．３質量％以上１質量％以下のケイ素をさらに含有することを特徴とする。このような合金鋼は高温域まで組織が安定しているので、直動装置が長寿命となる。
さらに、本発明に係る請求項４の直動装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の直動装置において、前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち前記合金鋼で構成されている部材は、前記軸の軌道面，前記直動体の軌道面，又は前記転動体の転動面をなす表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が、０．８質量％以上１．５質量％以下となっていることを特徴とする。

このような構成の直動装置は、内部起点型の剥離だけでなく、前述のような短ストローク往復運動に起因し潤滑不良を原因とするピーリング疲労等の表面疲労も生じにくいので、長寿命である。なお、本発明においては、表層部とは、表面から深さ２０μｍまでの部分を意味する。
さらに、本発明に係る請求項５の直動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置において、前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち少なくとも１つは、前記軸の軌道面，前記直動体の軌道面，又は前記転動体の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量が、１０体積％以上３６体積％以下となっていることを特徴とする。このような構成の直動装置は、圧痕起点型の剥離が生じにくいので、長寿命である。

さらに、本発明に係る請求項６の直動装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の直動装置において、前記転動体の転動面に対面する２つの凹面を有するリテーニングピースを、隣接する前記転動体の間に介在させたことを特徴とする。
このような構成の直動装置は、転動体に夫々対面する２個の凹面を有するリテーニングピースを、隣接する転動体間に夫々介在させたので、転動体は、例えばリテーニングピースのゴシックアーチ形状の凹面に極めて低摩擦で接触しながらリテーニングピースとともに両軌道面間を転動し、転動体同士の競り合いが防止される。その結果、競り合いによる作動不良、騒音及び異常音の発生、転動体の摩擦による損傷が防止される。また、スペーサボールを用いた直動装置と比較して、遥かに多くの負荷転動体を配置することができるので、許容負荷容量を低減させることなく長寿命化を図ることができる。

以下に、本発明の直動装置における前述の各数値（合金鋼中の合金元素の含有量、残留オーステナイト量等）の臨界的意義について説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、焼入れ，焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素であり、合金鋼中のＣの含有量を０．３質量％以上０．８質量％以下とする必要がある。
Ｃの含有量が０．８質量％を超えると、表層部だけでなく芯部まで残留オーステナイト量が多くなるので、高温環境下での寸法安定性が低下する。また、素材の段階で巨大な炭化物が発生するため、機械加工性及び靱性が低下する。一方、含有量が０．３質量％未満であると、直動装置として使用した場合の負荷時に剪断応力が作用する深さまで必要な硬さを得ることのできる炭素濃度とするために、浸炭処理時間又は浸炭窒化処理時間を長くする必要がある。よって、熱処理の生産性が低下するとともにコスト的に不利となる。
なお、浸炭又は浸炭窒化することにより表面の炭素濃度は上昇するので、これらの数値は芯部のＣの含有量であり、同時に素材の段階におけるＣの含有量でもある。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素である。また、微細な炭化物を均一に形成する析出硬化により、たとえ高温焼戻しを行っても十分な表面硬さが得られ、また基地の強靱性を向上することができる。さらに、硬くて微細なクロム炭化物により耐摩耗性を向上する働きもある。さらに、Ｃｒは炭化物形成元素であるため、浸炭窒化層のＣ濃度を高め、浸炭阻害性のあるケイ素を多く含有しても材料の浸炭窒化性を高めることができる。さらに、Ｃｒは白色組織変化に対する抵抗性を有している。これらの作用，効果を発揮させ、必要な表面硬さＨＲＣ６０以上を確保するためには、Ｃｒの含有量を３．０質量％以上とする必要がある。

一方、Ｃｒの含有量が１８質量％を超えると、素材の段階で巨大な炭化物が生じてしまい、この炭化物の周囲で応力集中が生じるため、寿命が低下するおそれがある。また、必要以上のＣｒ含有量の増加はコスト的にも不利であるし、巨大炭化物を微細化しようとすると高温での焼入れが必要となるため熱処理生産性が低下する。よって、Ｃｒの含有量の上限値は１８質量％とする必要がある。

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｃｒ以上の優れた固溶強化能を有し、且つ焼き戻し軟化抵抗性の向上に有効であり、さらに高温でも微細な炭化物を形成することのできる元素であるため、高温で十分な硬さを得るためには必須の元素である。このような効果を十分に得るためには、Ｍｏの含有量は０．３質量％以上とすることが好ましい。ただし、Ｍｏの含有量が多くなると、機械的強度，被削性，及び浸炭窒化性の低下につながるため、Ｍｏ含有量の上限は２質量％とすることが好ましい。

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、高温での残留オーステナイトの分解を遅延し組織を安定化するとともに、焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素である。その効果を十分に得るためには、Ｓｉの含有量は０．３質量％以上とすることが好ましい。ただし、Ｓｉの含有量が多くなると、機械的強度，被削性，及び浸炭窒化性の低下につながるため、Ｓｉの含有量の上限は１質量％とすることが好ましい。

〔両軌道面又は転動体の転動面をなす表層部の炭素濃度と窒素濃度との和について〕
従来より、表面近傍に圧縮残留応力を生じさせることによって、耐ピーリング性が向上することが知られている（例えば特開平５−２８８２５７号公報を参照）。本発明においては、中，低炭素鋼に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施し表面近傍に炭素濃度の勾配を設けることにより、表面に圧縮残留応力を付与しピーリング性の向上を図った。
十分な転がり疲労強度を得るためには、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上であることが好ましい。一方、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が１．５質量％を超えると、欠陥となる巨大炭化物や巨大窒化物が形成され易くなり、転がり疲労寿命が低下することがある。

〔両軌道面又は転動体の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトは、直動装置内に摩耗粉等が混入するような環境下において、圧痕起点型の剥離やピーリング疲労等の表面疲労を抑制することに有効である。このような効果を十分に発揮させるためには、両軌道面又は転動体の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすることが好ましい。

一方、残留オーステナイトは高温環境下でマルテンサイトに変態し、この際に寸法変化が生じて、軸と直動体との間の隙間が減少する。このような現象は逆にピーリング疲労を加速させる要因となるため、焼戻しにより残留オーステナイトが最も高くなった部分である表面において、残留オーステナイト量を３６体積％以下にすることが好ましい。
なお、本発明においては、必要に応じて以下の元素を併記した範囲内で合金鋼に添加することができる。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤，脱硫剤として作用するとともに、焼入れ性の向上に大きな役割を担うことから、０．２質量％以上添加することが好ましい。ただし、Ｍｎの含有量が２質量％より多くなると、非金属介在物を多く生じさせるため寿命が低下するとともに、鍛造性，被削性等の機械加工性が低下する。

〔ニッケルの含有量について〕
ニッケル（Ｎｉ）は強力なオーステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成を抑え、さらに基地に固溶して靱性を向上させ高温特性を高める作用がある。しかし、必要以上に添加すると、多量の残留オーステナイトが生成して十分な焼入硬さが得られなくなる。これらの点を考慮すると、ニッケルの含有量の上限値は２質量％以下とすることが好ましい。

〔銅の含有量について〕
銅（Ｃｕ）は、Ｎｉと同様に若干のオーステナイト安定化作用を持つ元素であり、δフェライトの生成を抑え、耐食性及び耐酸性を向上させる作用がある。このような作用を十分に発揮させるためには、Ｃｕの含有量は０．０５質量％以上とすることが好ましく、０．５質量％以上とすることがより好ましい。一方、多量に添加すると製造工程中の熱間鍛造工程において熱間割れを生じる場合があるため、その上限を２質量％とすることが好ましい。

〔酸素の含有量について〕
酸素（Ｏ）は酸化物系非金属介在物（特にＡｌ₂ Ｏ₃ ）を生成する元素であることから、寿命を低下させる作用を有する、そのため、Ｏの含有量は極力低くする必要があり、上限値を２０ｐｐｍとすることが好ましい。
なお、Ａｌは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の酸化物系非金属介在物を生成するため、その点においてはＯと同様に寿命に対し有害である。しかし、Ａｌ自体は結晶粒の粗大化を防止する作用を有するため、１００〜４００ｐｐｍ以下含有させることが有効である。

〔リンの含有量について〕
リン（Ｐ）は転がり寿命及び靭性を低下させる元素である。そのため、Ｐの含有量は極力少ないことが好ましく、０．０２質量％以下に抑えることが好ましい。
〔イオウの含有量について〕
イオウ（Ｓ）は被削性を向上させる元素であるが、Ｍｎと結合して転がり疲れ寿命を低下させる硫化物介在物を形成する。また、被削性を向上させることは、Ｓの添加以外でも可能である。したがって、転がり疲れ寿命を確保する面からは、Ｓの含有量は極力少ない方が好ましく、０．０２質量％以下に抑えることが好ましい。
〔その他の不可避的不純物について〕
上記合金元素及び鉄（Ｆｅ）以外の元素として、チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）等の不可的避不純物をそれぞれ１００ｐｐｍ以下含有してもよい。

本発明の直動装置は長寿命である。

本発明に係る直動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係る直動装置の一実施形態であるボールねじの平面図、図２は図１のボールねじのＡ−Ａ断面図、図３は図１のボールねじのねじ溝に沿った面で破断した断面図、図４は図３のリテーニングピースの拡大断面図である。
図１〜４に示すように、ボールねじ１は、雄ねじ溝３ａが外周面に形成されたねじ軸（軸）３と、雌ねじ溝５ａが内周面に形成された直動体である円筒形状のナット５と、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５ａとの間に介装された複数のボール（転動体）９と、を備えている。

これらのねじ軸３，ナット５，及びボール９のうち少なくとも１つは、０．３質量％以上０．８質量％以下の炭素と３質量％以上１８質量％以下のクロムとを含有する合金鋼で構成されている。この合金鋼は、０．３質量％以上２質量％以下のモリブデン及び０．３質量％以上１質量％以下のケイ素の一方又は両方を、さらに含有してもよい。
ねじ軸３，ナット５，及びボール９のうちこの合金鋼で構成されている部材は、合金鋼を所定形状に加工した後に、浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼入れ，焼戻し処理とを施すことにより製造されたものである。そして、ねじ軸３，ナット５，及びボール９のうち前記合金鋼で構成されている部材は、軌道面である雄ねじ溝３ａ，雌ねじ溝５ａ，及びボール９の転動面をなす表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が、０．８質量％以上１．５質量％以下となっているとともに、前記表層部の残留オーステナイト量が１０体積％以上３６体積％以下となっている。

ねじ軸３は、ナット５をねじ軸３の軸線方向に沿って案内するためのものであって、外周面の全長にわたってボール９の半径ｒと略同じ曲率半径を持つ断面半円形、又は、ボール９の半径ｒよりも僅かに大きい曲率半径を有する円弧同士を中間部で交差させた、所謂ゴシックアーチ形状の雄ねじ溝３ａが形成されている。雄ねじ溝３ａのピッチは、ボールねじ１が組み込まれる装置（図示せず）の仕様にしたがって任意のピッチとすることができる。

ナット５は、ねじ軸３の軸線方向に沿って直線移動する部材であって、円筒形であり、その内周面には雄ねじ溝３ａと同一形状，同一ピッチの雌ねじ溝５ａが形成されている。また、ナット５の一端には、装置のテーブル（図示せず）等に固定するためのフランジ１１が形成され、外周面の一部は切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、雌ねじ溝５ａの一端側と他端側とを連通させて循環経路を形成する鋼管製のチューブ１５が、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。このようなチューブ１５内を通ってボール９が移送され、雌ねじ溝５ａの一端側から他端側へボール９が循環されるようになっている。

また、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９が配設され、異物が外部からナット５内部に侵入することを防止するようになっている。
ボール９は、転動することによって摩擦損失なく滑らかにナット５を直線移動させるためのものであって、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５ａとで構成された転動路内に転動自在に複数個が配設されている。

図３及び図４に示すように、リテーニングピース２１は、ボール９同士の直接接触を防止するためのものであって、夫々のボール９間に介装されている。リテーニングピース２１は、例えば、それ自体に潤滑作用を有するポリアミドやフッ素樹脂、あるいは潤滑油を含浸させたポリエチレン等からなり、両端にボール９の半径ｒよりも大きい曲率半径Ｒの凹球面２３が形成された円盤状である。

このような形状によって、全長Ｌに対して中央部の厚みｔを小さくして多数個のボール９を使用することができるとともに、ボール９とリテーニングピース２１との接触面積を小さくして、摺動抵抗を最小とすることができる。
凹球面２３の形状は、球面形状に限定されるものではなく、２個の円弧を中間部で交差させて形成される、所謂ゴシックアーチ形の凹面でもよいし、円錐形状の凹面であってもよい。また、凹面に貫通穴を設けたり、該貫通穴内に潤滑剤を保持させてボール９との接触抵抗を低減させるようにしてもよい。

リテーニングピース２１の外径寸法ｄｓは、ボール９の直径、及び、最大負荷が作用して弾性変形した時のボール９の直径よりも小さく設定されており、リテーニングピース２１が雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５ａとで構成された転動路及び循環経路たるチューブ１５内を通過する際に、該転動路，チューブ１５，及びそれらの接続部に干渉せず、滑らかに循環できるようになっている。具体的には、ボール９の直径寸法の０．５〜０．９倍の外径寸法とすることが好ましい。

また、転動路内に配設されたボール９及びリテーニングピース２１の隙間は、該隙間が大き過ぎるとリテーニングピース２１が倒れて機能を発揮することができず、また小さ過ぎるとリテーニングピース２１とボール９との摩擦力が大きくなって作動不良の一因となるので、適正な隙間となるように設定されている。具体的には、転動路内に配した全てのボール９及びリテーニングピース２１を一方に寄せ集めたと仮定したとき、先頭に当たるボール９と最後尾に当たるリテーニングピース２１との間にできる隙間（総隙間Ｓ１とする）が０より大きく（Ｓ１＞０）、且つ、最後尾に当たる１個のリテーニングピース２１を除去したと仮定したとき、先頭のボール９と最後尾のボール９との隙間（Ｓ２）が、リテーニングピース２１の直径（ｄｓ）の０．８倍よりも小さくなるように（Ｓ２＜０．８×ｄｓ）、ボール９及びリテーニングピース２１の個数が設定されている。これによって、リテーニングピース２１が転動路内で約６０°以上倒れることがなくなり、良好に機能を発揮することができる。

次に、図１〜３を参照しながら、ボールねじ１の作用を説明する。モータ（図示せず）によってねじ軸３を回転させると、複数個のボール９を介して螺合したナット５は、ねじ軸３の軸線方向に直線移動する。このとき、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５ａとは相対的に逆方向に回転するので、ボール９は雄ねじ溝３ａ及び雌ねじ溝５ａに対して転動して雌ねじ溝５ａ内を前進し、雌ねじ溝５ａの一端側に達したボール９は、チューブ１５内を転動して雌ねじ溝５ａの他端側に供給され、再び循環する。

ボールねじ１は、雄ねじ溝３ａ及び雌ねじ溝５ａからなる転動路が螺旋状に連続していることに加えて、該転動路と循環経路たるチューブ１５との接続部において運動方向が変化する。さらに、該接続部ではボール９に作用する負荷が、負荷状態から無負荷状態へ、又は、逆に無負荷状態から負荷状態へ急激に変動するため、ボール９の挙動は複雑となる。特に、射出成形機やプレス機等の高荷重が断続的に作用する条件で使用されるボールねじでは、ボールねじ特有のボールの競り合いが発生してボールの摩耗が促進される傾向がある。

しかし、各ボール９間にはリテーニングピース２１が介装されているので、ボール９同士の直接接触は防止されてる。また、リテーニングピース２１とボール９との相対滑り速度は、ボール９同士が直接接触する場合の１／２の速度となっている。
したがって、リテーニングピース２１及びボール９の摩擦は少なくなり、さらにリテーニングピース２１の素材自身が持つ潤滑性及びリテーニングピース２１とボール９との隙間に保持されているグリースの潤滑性によって、リテーニングピース２１及びボール９の摩耗は防止される。これにより、ボール９同士の競り合いによる作動不良、騒音の発生、音質の悪化等はなく、転動路内を滑らかに循環することができ、長期間にわたって滑らかで且つ静粛な運転を行うことができる。

また、図４に示すように、リテーニングピース２１は、凹球面２３が形成された中央部の厚みｔが小さいので、スペーサボールを用いたボールねじと比較して、多数個のボール９を使用することができる。これにより、大きな負荷容量に耐え、より大きな剛性を持つボールねじを製作することができる。さらに、凹球面２３の曲率半径Ｒはボール９の半径ｒよりも大きく設定されているので、ボール９とリテーニングピース２１との接触面積が小さくなって摺動抵抗が比較的小さくなるとともに、ボール９と凹球面２３との隙間にグリースが侵入し易くなって駆動抵抗が減少する。

さらに、リテーニングピース２１の外径寸法ｄｓは、ボール９の直径の０．５倍〜０．９倍となっているので、リテーニングピース２１がボール９とともに、転動路及びチューブ１５を通過する際に該転動路，チューブ１５，及びそれらの接続部に干渉することはなく、滑らかに循環し、トルク変動やリテーニングピース２１の摩耗も抑えられる。
また、転動路，チューブ１５内でのボール９及びリテーニングピース２１の隙間は、総隙間Ｓ１より大きく（Ｓ１＞０）、且つ、最後尾に当たる１個のリテーニングピース２１を除去したと仮定したときの先頭のボール９と最後尾のボール９との隙間Ｓ２が、リテーニングピース２１の外径寸法ｄｓの０．８倍よりも小さく（Ｓ２＜０．８×ｄｓ）なるように設定されている。よって、転動路内でリテーニングピース２１が倒れることはなく、良好な作動を維持することができる。

なお、本発明の直動装置は、このようなボールねじに限定されるものではなく、図５に示すようなリニアガイド装置や、図６に示すようなリニアボールベアリングにも適用することができる。
図５のリニアガイド装置３０は、軸線方向に延びる転動体転動溝３２を外面に有する案内レール３１と、該案内レール３１に組み付けられるとともに転動体転動溝３２に対向する図示しない転動体転動溝を有するスライダ３５と、案内レール３１の転動体転動溝３２及びスライダ３５の転動体転動溝から形成される転動体転動路の中に転動自在に配設された複数の転動体（図示せず）と、を備えている。

また、図６のリニアボールベアリング４０は、内面に図示しない転動体転動溝を有する外筒４１と、外筒４１に挿通され軸線方向に延びるリニアシャフト４５と、前記転動体転動溝とリニアシャフト４５の外周面との間に転動自在に配設された複数のボール４３と、を備えている。
なお、リニアガイド装置３０の場合は、案内レール３１が本発明の構成要件である軸に相当し、スライダ３５が同じく直動体に相当し、両転動体転動溝が同じく軌道面に相当する。また、リニアボールベアリング４０の場合は、リニアシャフト４５が同じく軸に相当し、外筒４１が同じく直動体に相当し、転動体転動溝とリニアシャフト４５の外周面とが同じく軌道面に相当する。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述したボールねじ１とほぼ同様の構成を有するＪＩＳ１１９２の呼び番号２５×１０×５００−Ｃ５（ボールの直径は４．７６２ｍｍ）のボールねじを、日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機に装着し、下記のような試験条件で耐久試験を行った。そして、一定時間毎に耐久試験を中断して剥離の有無を確認し、剥離が発生するまでの試験時間を寿命とした。
試験負荷 ：アキシアル負荷６２００Ｎ
回転速度 ：３００ｒｐｍ
ストローク：６０ｍｍ
潤滑剤 ：鉱油系グリース

なお、耐久試験に供した実施例１〜２３及び比較例１〜６のボールねじは、ねじ軸，ナット，及びボールが表１，２に示す合金元素を含有する合金鋼で構成されている。これらの部材は、合金鋼を所定の形状に成形した後、８４０〜１０５０℃に加熱して１〜２０時間の浸炭処理又は浸炭窒化処理を施し、次いで油焼入れを行ない、その後に１７０〜４００℃で１．５〜２時間加熱する焼き戻しを行ない、さらに研磨仕上げ加工及び超仕上げ加工を行なって製造したものである。

ねじ軸に関しては、仕上げ加工まで行った時点で、軌道面となる表層部の炭素濃度と窒素濃度との和（質量％）及び表層部の残留オーステナイト量（体積％）を測定した。使用した測定装置は、それぞれ発光分析装置及びＸ線分析装置である。その結果を表１，２に示す。ここでは、ねじ軸に関する炭素濃度と窒素濃度との和及び残留オーステナイト量を代表して示したが、ナット及びボールに関しても研磨代を調節することによって、軌道面又は転動面となる表層部について、ねじ軸とほぼ同等の炭素濃度と窒素濃度との和及び残留オーステナイト量を有することを確認している。なお、表層部とは、表面から深さ２０μｍまでの部分を意味する。

また、リテーニングピースはナイロン製であり、ボールと対面する凹面が円錐形状で、外径寸法ｄｓはボールの直径の０．８倍とした。また、総隙間Ｓ１は０より大きく（Ｓ１＞０）、且つ、最後尾にあたる１個のリテーニングピースを除去したと仮定したとき、先頭のボールと最後尾のボールとの隙間Ｓ２が、リテーニングピースの外径寸法ｄｓの０．８倍より小さく（Ｓ２＜０．８×ｄｓ）なるように設定した。

耐久試験の結果を、表１，２に示す。また、耐久試験後の剥離部位の組織観察結果から得られた白色組織の有無も、併せて表１，２に示す。なお、表１，２に示す寿命の数値は、比較例１のボールねじの寿命を１とした場合の相対値で示してある。比較例１を基準としたのは、従来一般的に用いられている鋼材であるＳＣＭ４２０で製造したものだからである。

これらの結果から分かるように、実施例１〜２３のボールねじは、０．３〜０．８質量％のＣと３〜１８質量％のＣｒとを含有する合金鋼で形成されているため、これらを満たしていない比較例１〜６のボールねじと比べて、白色組織に起因する剥離が抑制され、その結果寿命が優れていた。
実施例１〜２３のうち実施例１〜１１は寿命が５以上であり、より長寿命であったが、実施例１２〜２３はいずれも寿命が５未満であった。これらの結果から、０．３〜２質量％のＭｏ及び０．３〜１質量％のＳｉの少なくとも一方が満たされれば、高温下での硬さや組織の安定性を得ることができるため、より長寿命となることが分かる。

また、実施例１〜１１のうち実施例１〜７は寿命が１０以上であり、さらに長寿命であったが、実施例８〜１１はいずれも寿命が１０未満であった。これらの結果から、浸炭処理又は浸炭室化処理と焼入れ，焼戻し処理とを施すことにより、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和を０．８〜１．５質量％とし、且つ、表層部の残留オーステナイト量を１０〜３６体積％とすれば、表面疲労に対しても強く、ボールねじはより長寿命となることが分かる。

なお、比較例２はリテーニングピースを使用していない例である。比較例２のボールねじにおいては、隣接するボール同士の競り合いが発生し、ボール表面の摩耗による損傷が激しく、ボールの面粗さの低下及び摩耗粉のグリースへの混入などが生じた。そのため、潤滑状態が著しく悪化して早期に表面疲労が生じて、最も短い寿命となった。このことから、リテーニングピースを使用する事の優位性が示された。

本発明の直動装置は、断続的に高負荷荷重が作用し、短ストロークの往復運動を行う頻度の高い揺動部に好適である。例えば、電動射出成形機や電動プレス機に使用可能である。

本発明に係る直動装置の一実施形態であるボールねじの平面図である。 図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。 図１のボールねじのねじ溝に沿った面で破断した断面図である。 図３のリテーニングピースの拡大断面図である。 本発明に係る直動装置の別の実施形態であるリニアガイド装置の斜視図である。 本発明に係る直動装置の別の実施形態であるリニアボールベアリングの斜視図である。

符号の説明

１ ボールねじ
３ ねじ軸
３ａ 雄ねじ
５ ナット
５ａ 雌ねじ溝
９ ボール
２１ リテーニングピース
２３ 凹面
３０ リニアガイド装置
３１ 案内レール
３２ 転動体転動溝
３５ スライダ
４０ リニアボールベアリング
４１ 外筒
４３ ボール
４５ リニアシャフト

Claims (6)

1. 外面に軌道面を有する軸と、該軸の軌道面に対向する軌道面を有し該軸に案内されて軸線方向に直線移動可能とされた直動体と、前記両軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える直動装置において、
   前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち少なくとも１つが、０．３質量％以上０．８質量％以下の炭素と３質量％以上１８質量％以下のクロムとを含有する合金鋼で構成されていることを特徴とする直動装置。
2. 前記合金鋼は０．３質量％以上２質量％以下のモリブデンをさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の直動装置。
3. 前記合金鋼は０．３質量％以上１質量％以下のケイ素をさらに含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直動装置。
4. 前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち前記合金鋼で構成されている部材は、前記軸の軌道面，前記直動体の軌道面，又は前記転動体の転動面をなす表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が、０．８質量％以上１．５質量％以下となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直動装置。
5. 前記軸，前記直動体，及び前記転動体のうち少なくとも１つは、前記軸の軌道面，前記直動体の軌道面，又は前記転動体の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量が、１０体積％以上３６体積％以下となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置。
6. 前記転動体の転動面に対面する２つの凹面を有するリテーニングピースを、隣接する前記転動体の間に介在させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の直動装置。

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