JP2005147354A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナットやボールに大きな衝撃荷重が発生することを防止でき、かつボールに過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸またはナットを高速で回転させることのできるボールねじ装置を提供する。
【解決手段】ナット１３の内周面に形成されたナット側ボールねじ溝１４は、ナット１３の内周面両端部に形成されたボール転向部材組込凹部２０によりナット１３の軸方向に切断されている。このナット側ボールねじ溝１４の切断部にはボールの直径に対して０．０５以上の曲率半径を有する面取り加工部２１が形成されている。また、ナット側ボールねじ溝１４を転動する各ボールの間には、ボールより軟質の材料からなるスペーサが配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転運動を直線運動に変換するボールねじ装置の改良に関する。

回転運動を直線運動に変換する機械として、たとえば工作機械の送り機構などで使用されるボールねじ装置は、ねじ軸と、このねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、このナットとねじ軸の両ボール軌道溝間に形成されたボール負荷転動路をねじ軸またはナットの回転運動に伴って転動する多数のボールとを備えており、これらのボールが上記ボール負荷転動路を転動すると、ねじ軸またはナットの一方が軸方向に直線運動するようになっている。

このようなボールねじ装置のねじ軸またはナットを継続的に直線運動させるためには、ボールを循環させる必要があるが、ボールを循環させる部品として、ボール循環チューブを使用したボールねじでは、ボールの公転速度が大きくなるにつれて騒音や振動などが発生し易くなるなどの問題がある。
そこで、ねじ軸側ボールねじ溝とナット側ボールねじ溝との間に形成されたボール負荷転動路を転動するボールを循環させるためのボール循環用貫通路をナットに形成するとともに、ボール負荷転動路およびボール循環用貫通路に連通するボール方向転換路を有するボール転向部材を組み込むためのボール転向部材組込凹部をナットの内周面両端部に形成したものが提案されている（特許文献１参照）。
実用新案登録第３０３４０５２号明細書

このようなボールねじ装置では、ボール循環チューブを使用したものと比べ、騒音や振動等の発生を抑制することができるが、次のような問題点を有していた。すなわち、上記文献１に開示されたボールねじ装置では、ボール循環用貫通路から出たボールがボール転向部材のボール方向転換路を通ってボール負荷転動路に入ろうとすると、ボール転向部材組込凹部によりナットの軸方向に切断されたナット側ボールねじ溝の切断部分のエッジに衝突する。このため、ナットやボールに大きな衝撃荷重が発生し、ナットやボールに過大な残留圧縮応力が発生して、ボールねじ装置の耐久寿命を低下させる虞があった。また、ねじ軸またはナットを高速で回転させると、ボール負荷転動路とボール方向転換路との境界部分でボール同士の衝突が発生し、過大な残留圧縮応力がボールに発生する虞があった。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、ナットやボールに大きな衝撃荷重が発生することを防止でき、かつボールに過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸またはナットを高速で回転させることのできるボールねじ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ねじ軸側ボールねじ溝とナット側ボールねじ溝との間に形成されたボール負荷転動路を転動するボールを循環させるためのボール循環用貫通路をナットに形成するとともに、前記ボールを方向転換させて前記ボール循環用貫通路に案内するボール方向転換路を有するボール転向部材を組み込むためのボール転向部材組込凹部を前記ナットの内周面両端部に形成したボールねじ装置において、前記ボール転向部材組込凹部により前記ナットの軸方向に切断された前記ナット側ボールねじ溝の切断部に面取り加工部を形成するとともに、前記ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に配置したことを特徴とする。

請求項２の発明は、ねじ軸と、このねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸及びナットのボールねじ溝間に形成されたボール負荷転動路を転動する多数のボールと、これらのボールを前記ナットの中心線に対して前記ボールねじ溝のリード角だけ傾斜した方向に掬い上げて循環させるボール循環路を有するボール循環部材とを備え、前記ボール循環部材の一部が挿入されるボール循環部材挿入孔を前記ナットの所定位置に設けたボールねじ装置において、前記ナットの内周面に形成された前記ボールねじ溝と前記ボール循環部材挿入孔との境界部分に面取り加工部を形成するとともに、前記ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に配置したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１及び２記載のボールねじ装置において、前記面取り加工部の曲率半径を前記ボールの直径に対して０．０５以上としたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１及び２記載のボールねじ装置において、前記面取り加工部の曲率半径を前記ボールの直径に対して０．１以上としたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のボールねじ装置において、前記スペーサが合成樹脂から形成されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじ装置において、前記スペーサが前記ボールより小さい直径で円板状に形成されていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６記載のボールねじ装置において、前記スペーサの軸方向両端に前記ボールの直径より大きい曲率半径で凹球面部を形成したことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじ装置において、前記スペーサは、前記ボールより小さい直径で球状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に係るボールねじ装置によれば、ボール転向部材組込凹部によりナットの軸方向に切断されたナット側ボールねじ溝の切断部分に面取り加工部を形成したことで、ボールに過大な衝撃荷重を発生させるようなエッジがナット側ボールねじ溝の切断部に発生しなくなり、ボール循環用貫通路から出たボールをボール負荷転動路にスムーズに導入できるので、ナットやボールに大きな衝撃荷重が発生することを防止することができる。また、ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に設けたことで、ボール同士の衝突がスペーサによって緩和されるので、ボールに過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸またはナットを高速で回転させることができる。

本発明の請求項２に係るボールねじ装置によれば、ナットの内周面に形成されたボールねじ溝とボール循環部材挿入孔との境界部分に面取り加工部を形成したことにより、ボールに過大な衝撃荷重を発生させるようなエッジがボールねじ溝とボール循環部材挿入孔との境界部分に発生しなくなり、ボール循環部材のボール循環路から出たボールをボール負荷転動路にスムーズに導入できるので、ナットやボールに大きな衝撃荷重が発生することを防止することができる。また、ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に設けたことで、ボール同士の衝突がスペーサによって緩和されるので、ボールに過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸またはナットを高速で回転させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１乃至図５には、本発明の第１の実施形態が示されている。図１において、符号１１は本発明の第１の実施形態に係るボールねじ装置のねじ軸であって、このねじ軸１１の外周面にはボールねじ溝１２が形成されている。また、符号１３はねじ軸１１のボールねじ溝１２と対向するボールねじ溝１４を内周面に有するナットであって、このナット１３のボールねじ溝１４とねじ軸１１のボールねじ溝１２との間には多数のボール１５が配設されている。これらのボール１５は、ねじ軸１１またはナット１３の一方が回転すると、ねじ軸側ボールねじ溝１２とナット側ボールねじ溝１４との間に形成されたボール負荷転動路１６を転動するようになっており、ナット１３には、ボール負荷転動路１６を転動するボール１５を循環させるためのボール循環用貫通路１７が形成されている。

ボール循環用貫通路１７はナット１３の軸方向に貫通しており、ナット１３の両端部には合成樹脂からなるボール転向部材１８が組み込まれている。このボール転向部材１８はボール１５を方向転換させるためのボール方向転換路１９（図２参照）を有しており、ボール負荷転動路１６を転動したボール１５は、ボール転向部材１８のボール方向転換路１９を通ってボール循環用貫通路１７に案内されるようになっている。

ナット側ボールねじ溝１４はナット１３の内周面両端部に形成されたボール転向部材組込凹部２０（図３参照）によってナット１３の軸方向に切断されており、その切断部分には面取り加工部２１（図４参照）がボール１５の直径Ｄｗに対して０．０５以上、好ましくは０．１以上の曲率半径Ｒで形成されている。
ボール１５は一般に鉄鋼材料で形成されており、各ボール１５の間には、ボール１５より軟質の材料（例えば合成樹脂等）からなるスペーサ２２が設けられている。このスペーサ２２はボール１５より小さい直径で円板状に形成されており、各スペーサ２２の両端には、凹球面部２３（図５参照）がボール１５の直径より大きい曲率で形成されている。また、スペーサ２２の端面中央部には、スペーサ２２の軸方向に貫通する貫通孔２４が形成されている。

このように構成される本発明の第１の実施形態では、ボール転向部材組込凹部２０によりナット１３の軸方向に切断されたナット側ボールねじ溝１４の切断部分に面取り加工部２１を形成したことで、ボール１５に過大な衝撃荷重を発生させるようなエッジがナット側ボールねじ溝１４の切断部に発生しなくなり、ボール循環用貫通路１７から出たボール１５をボール負荷転動路１６にスムーズに導入できるので、ナット１３やボール１５に大きな衝撃荷重が発生することを防止することができる。

また、本発明の第１の実施形態では、ボール１５より軟質の材料からなるスペーサ２２を各ボール１５の間に設けたことで、ボール同士の衝突がスペーサ２２によって緩和されるので、ボール１５に過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸１１またはナット１４を高速回転させることができる。
なお、上述した第１の実施形態ではボール１５より小さい直径でスペーサ２２を円板状に形成したが、図６に示す第２の実施形態のように、スペーサ２２をボール１５より小さい直径で球状に形成してもよい。

上述した効果を確認するために、本発明者は、試験用ボールねじとしてＮＳＫ製ボールねじ（呼び番：ＢＳ２５２５、ボール径４．７６５ｍｍ、ボールピッチ円径（Ｄｍ）：２５．５ｍｍ）を使用し、図７に示すＮＳＫ製ボールねじ耐久寿命試験機３０を用いてボールねじの耐久寿命試験を予圧荷重：１０００Ｎ、回転速度：１０００〜８０００ｍｉｎ^-1、ストローク：５００ｍｍ、潤滑グリース：マルテンプＳＲＬ（協同油脂）の試験条件で行った。そして、ナット側ボールねじ溝あるいはボールに表面剥離が生じるまでの試験時間を測定し、得られた試験時間とボールねじの寿命計算値との計算寿命比を求めた。

なお、図７において、３１は供試体であるボールねじ、３２はボールねじ３１のボールねじ軸１１を支持するサポートユニット、３３はボールねじ３１のねじ軸１１を回転駆動するモータ、３４はモータ３３を制御するコントローラ、３５はボールねじ３１のねじ軸１１とモータ３３の出力軸とを連結するカップリング、３６はボールねじ３１のナット１３に軸方向の負荷荷重を付与するバネ治具、３７はボールねじ３１のナット１３をねじ軸１１の軸方向に案内する案内バーを示している。また、ナット側ボールねじ溝１４の切断部に形成された面取り加工部２１の曲率半径Ｒは、図８に示す輪郭形状測定機４０を用いて測定することができる。

図９は上述したボールねじの計算寿命比と回転速度との関係を示す線図であり、図中○はナット側ボールねじ溝１４の切断部に形成された面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対してＲ＝０．００８Ｄｗに設定したボールねじを示している。また、図中□は面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対してＲ＝０．１８Ｄｗに設定したボールねじを示し、◇は面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対してＲ＝０．３４Ｄｗに設定したボールねじを示している。

図９から明らかなように、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．１８Ｄｗに設定したものは、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．００８Ｄｗに設定したものに比べ、計算寿命比が高いことがわかる。また、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．３４Ｄｗに設定したものは、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．１８Ｄｗに設定したものに比べ、高速回転域で計算寿命比が高いことがわかる。さらに、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．００８Ｄｗに設定したものは高速回転域で計算寿命比が急激に低下するが、面取り加工部２１の曲率半径ＲをＲ＝０．１８Ｄｗに設定したものは、高速回転域でも計算寿命比がそれほど低下しないことがわかる。

図１０は上述したボールねじの計算寿命比と面取り加工部２１の曲率半径との関係を示す線図であり、図中△はボールねじを毎分５００回の速度で回転させたときの計算寿命比を示し、×はボールねじを毎分３０００回の速度で回転させたときの計算寿命比を示している。また、□はスペーサ２２を有するボールねじを毎分８０００回の速度で回転させたときの計算寿命比を示し、■はスペーサ２２を持たないボールねじを毎分８０００回の速度で回転させたときの計算寿命比を示している。

図１０から明らかなように、面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対して０．０５より小さい値に設定した場合には、ボールねじの計算寿命比が低速回転域では高い値を示すが、高速回転域では低い値を示している。これに対し、面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対して０．０５以上に設定した場合には、ボールねじの計算寿命比が高速回転域でも高い値を示していることがわかる。

以上のことから、面取り加工部２１の曲率半径Ｒをボール１５の直径Ｄｗに対して０．０５以上にすると、ボールねじの計算寿命比が高速回転域でも高い値となるので、ボールねじの耐久寿命を向上させることができる。
図１１はボールねじの計算寿命比と残存トルクとの関係を示す線図であり、図中■は各ボール１５の間に円板状のスペーサを介在させたときの計算寿命比を示し、◇は各ボール１５の間に球状のスペーサを介在させたときの計算寿命比を示している。
図１１から明らかなように、各ボール１５の間に球状のスペーサを介在させた場合はボール１５あるいはナット１３が徐々に摩耗し、予圧抜けしてトルクが抜けていくのに対し、各ボール１５の間に円板状のスペーサを介在させた場合はボール１５が摩耗せず、トルクが保たれていることがわかる。

次に、図１２〜図１６を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。
図１２に示されるように、本発明の第２の実施形態に係るボールねじ装置はねじ軸１１及びナット１３を備えており、ねじ軸１１の外周面にはボールねじ溝１２が形成されている。このボールねじ溝１２はナット１３の内周面に形成されたボールねじ溝１４（図１３参照）と対向しており、ボールねじ溝１２とボールねじ溝１４との間には多数のボール１５が転動自在に設けられている。

ボール１５は例えば鉄鋼材料から形成されており、隣り合う二つのボール１５，１５間にはスペーサ２２が設けられている。また、ボール１５はねじ軸１１またはナット１３の一方が回転すると、ボールねじ溝１２とボールねじ溝１４との間に形成された螺旋状のボール負荷転動路１６（図１４参照）を転動するようになっている。
スペーサ２２は、ボール１５より軟質の材料（例えば合成樹脂等）で形成されている。また、スペーサ２２はボール１５より小さい直径で円板状に形成されており、各スペーサ２２の両端には、中央部に貫通孔２４を有する凹球面部２３（図１５参照）が形成されている。

ナット１２は平面状の循環部材取付面２５（図１２参照）を外周面に有しており、この循環部材取付面２５には、ボール１５をナット１２の外部で循環させるボール循環部材２６が二本のビス２７によって取り付けられている。このボール循環部材２６にはボール１５をナット１３の中心線に対してボールねじ溝１４のリード角だけ傾斜した方向に掬い上げて循環させるボール循環路２８が形成されており、ボール負荷転動路１６を転動したボール１５はボール循環部材２６のボール循環路２８を通って循環するようになっている。

ボール循環部材２６は、合成樹脂材を射出成形して形成されている。また、ボール循環部材２６は円筒状のボール掬い上げ部２６ａ，２６ｂ（図１２参照）を有しており、これらのボール掬い上げ部２６ａ，２６ｂはナット１３の所定位置に穿設された二つのボール循環部材挿入孔２９ａ，２９ｂ（図１３及び図１４参照）に挿入されている。
図１６は図１４のＡ部を拡大して示す図であり、同図に示すように、ナット１３の内周面に形成されたボールねじ溝１４とボール循環部材挿入孔２９ａ，２９ｂとの境界部分には、ボール１５の直径に対して０．０５以上、好ましくは０．１以上の曲率半径Ｒを有する面取り加工部２１が形成されている。

このように、ナット１３の内周面に形成されたボールねじ溝１４とボール循環部材挿入孔２９ａ，２９ｂとの境界部分には、ボール１５の直径に対して０．０５以上、好ましくは０．１以上の曲率半径Ｒを有する面取り加工部２１が形成すると、ボール１５に過大な衝撃荷重を発生させるようなエッジがボールねじ溝１４とボール循環部材挿入孔２９ａ，２９ｂとの境界部分に発生しなくなり、ボール循環部材２６のボール循環路２８から出たボール１５をボール負荷転動路１６にスムーズに導入できるので、ナット１３やボール１５に大きな衝撃荷重が発生することを防止することができる。また、ボール１５より軟質の材料からなるスペーサ２２を各ボール１５の間に設けたことで、ボール同士の衝突がスペーサ２２によって緩和されるので、ボール１５に過大な衝撃荷重を発生させることなくねじ軸１１またはナット１３を高速で回転させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るボールねじ装置の概略構成を示す図である。 図１に示すボール転向部材の斜視図である。 ナットの内周面両端部に形成されたボール転向部材組込凹部を示す斜視図である。 図３に示すナットの部分断面図である。 図１に示すスペーサの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るボールねじ装置の概略構成を示す図である。 ボールねじ耐久寿命試験機の概略構成を示す図である。 ナット側ボールねじ溝の切断部に形成された面取り加工部の曲率半径を測定するときに使用される輪郭形状測定機を示す図である。 ボールねじ装置の計算寿命比と回転速度との関係を示す線図である。 ボールねじ装置の計算寿命比と面取り加工部の曲率半径との関係を示す線図である。 ボールねじ装置の計算寿命比と残存トルクとの関係を示す線図である。 本発明の第３の実施形態に係るボールねじ装置の平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るボールねじ装置の断面図である。 図１のXIV−XIV断面図である。 図１３に示すスペーサの断面図である。 図１４のＡ部を拡大して示す図である。

符号の説明

１１ ねじ軸
１２ ねじ軸側ボールねじ溝
１３ ナット
１４ ナット側ボールねじ溝
１５ ボール
１６ ボール負荷転動路
１７ ボール循環用貫通路
１８ ボール転向部材
１９ ボール方向転換路
２０ ボール転向部材組込凹部
２１ 面取り加工部
２２ スペーサ
２６ ボール循環部材
２７ ビス
２８ ボール循環路
２９ａ，２９ｂ ボール循環部材挿入孔

Claims (8)

1. ねじ軸側ボールねじ溝とナット側ボールねじ溝との間に形成されたボール負荷転動路を転動するボールを循環させるためのボール循環用貫通路をナットに形成するとともに、前記ボール負荷転動路および前記ボール循環用貫通路に連通するボール方向転換路を有するボール転向部材を組み込むためのボール転向部材組込凹部を前記ナットの内周面両端部に形成したボールねじ装置において、
   前記ボール転向部材組込凹部により前記ナットの軸方向に切断された前記ナット側ボールねじ溝の切断部に面取り加工部を形成するとともに、前記ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に配置したことを特徴とするボールねじ装置。
2. ねじ軸と、このねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を内周面に有するナットと、前記ねじ軸及びナットのボールねじ溝間に形成されたボール負荷転動路を転動する多数のボールと、これらのボールを前記ナットの中心線に対して前記ボールねじ溝のリード角だけ傾斜した方向に掬い上げて循環させるボール循環路を有するボール循環部材とを備え、前記ボール循環部材の一部が挿入されるボール循環部材挿入孔を前記ナットの所定位置に設けたボールねじ装置において、
   前記ナットの内周面に形成された前記ボールねじ溝と前記ボール循環部材挿入孔との境界部分に面取り加工部を形成するとともに、前記ボールより軟質の材料からなるスペーサを各ボールの間に配置したことを特徴とするボールねじ装置。
3. 請求項１及び２記載のボールねじ装置において、前記面取り加工部の曲率半径を前記ボールの直径に対して０．０５以上としたことを特徴とするボールねじ装置。
4. 請求項１及び２記載のボールねじ装置において、前記面取り加工部の曲率半径を前記ボールの直径に対して０．１以上としたことを特徴とするボールねじ装置。
5. 前記スペーサは、合成樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボールねじ装置。
6. 前記スペーサは、前記ボールより小さい直径で円板状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじ装置。
7. 請求項６記載のボールねじ装置において、前記スペーサの軸方向両端に前記ボールの直径より大きい曲率半径で凹球面部を形成したことを特徴とするボールねじ装置。
8. 前記スペーサは、前記ボールより小さい直径で球状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじ装置。

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