JP2005256937A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】
正作動、逆作動共に作動効率を向上させ、かつ機械損失を低減させたボールねじを提供する。
【解決手段】
外周面に螺旋状のねじ溝２が形成されたねじ軸１と、このねじ軸１に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝４が形成されたナット３と、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボール５と、ナット３の外周面に装着され、このナット３のねじ溝４を連結する連結溝８を有する駒部材７とを備えたボールねじにおいて、ボール径ｄに対するねじ軸１のねじ溝２の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定されていると共に、ボール５とねじ溝２との初期接触角αが２５〜４０°の範囲に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電加工機やタッピングセンター等の各種工作機械、あるいは自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用されるボールねじに関し、特に、作動時の摩擦効率向上を図ったボールねじに関する。

ボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された複数のボールと、転動路を周回経路とする循環機構とを備え、例えば、ナットを回転運動させることでねじ軸を直線運動させる運動変換機構として使用されている。

一般的にボールねじは、ボールの循環機構が異なる種々の形式のものがあり、その一つに駒式と呼ばれるものがある。この駒式ボールねじは、ねじ溝の連結路を有し、転動路を周回経路とする循環用の駒部材がナットに装着されている。駒式ボールねじは構成が比較的簡素で、かつコンパクトに構成できる利点がある。

この種のボールねじは、精度良く造られた場合には、ナットに負荷されるねじ軸に沿った荷重やねじ軸に負荷されるトルクに対して安定した作動特性を有する。然しながら、実際には、ボールねじの各溝を形成する円弧状の曲率半径や螺旋状に形成されたねじ溝のリード等々の誤差が組み合わさることで、ボールねじの転がり摩擦抵抗が変動する。そのため、ボールねじの位置決め精度や制御性の低下、あるいは摩擦による発熱等が生じ、ボールねじの寿命を低下させることがある。

こうした問題を解決したものとして、図４に示すようなボールねじが知られている。このボールねじ５１は、ねじ軸ＳとナットＮと多数のボール５２とを備えている。ねじ軸Ｓの外周面５３とナットＮの内周面５４には、対向する螺旋状のねじ軸溝５５とナット溝５６が形成されている。ボール５２は、これらねじ軸溝５５とナット溝５６にそれぞれ転接している。

ねじ軸溝５５とナット溝５６は、断面がゴシックアーク形状に形成されている。ボールの半径をｒ、ねじ軸溝５５の断面を形成する第１の円弧５５ａ、５５ｂの曲率半径をＲｓ１、Ｒｓ２、これら第１の円弧５５ａ、５５ｂの曲率半径の中心Ｃｓ１、Ｃｓ２からボール５２の中心Ａを通るねじ軸Ｓに垂直な線Ｂまでのねじ軸Ｓの軸方向に沿う方向の距離をＸｃｓ１、Ｘｃｓ２、ナット溝５６の断面を形成する第２の円弧５６ａ、５６ｂの曲率半径をＲｎ１、Ｒｎ２、これら第２の円弧５６ａ、５６ｂの曲率半径の中心Ｃｎ１、Ｃｎ２からボール５２の中心Ａまでのねじ軸Ｓの軸方向に沿う方向の距離をＸｃｎ１、Ｘｃｎ２、ボール５２の中心Ａを通るねじ軸Ｓに垂直な線Ｂに対してねじ軸溝５５とボール５２の接点５２ｓａ、５２ｓｂがなす中心Ａの角度（接触角）をαｒｓ１、αｒｓ２、ナット溝５６とボール５２の接点５２ｎａ、５２ｎｂの接触角をαｒｎ１、αｒｎ２とすると、
ｓｉｎαｒｓ１＝Ｘｃｓ１／（Ｒｓ１−ｒ）
ｓｉｎαｒｓ２＝Ｘｃｓ２／（Ｒｓ２−ｒ）
ｓｉｎαｒｎ１＝Ｘｃｎ１／（Ｒｎ１−ｒ）
ｓｉｎαｒｎ２＝Ｘｃｎ２／（Ｒｎ２−ｒ）
この時、Ｒｓ１＝Ｒｓ２＝Ｒｓ、Ｘｃｓ１＝Ｘｃｓ２＝ＸｃｓＲｎ１＝Ｒｎ２＝Ｒｎ、Ｘｃｎ１＝Ｘｃｎ２＝Ｘｃｎなので、αｒｓ１＝αｒｓ２、αｒｎ１＝αｒｎ２である。そして、−０．１≦｛Ｘｃｓ／(Ｒｓ−ｒ)−Ｘｃｎ／(Ｒｎ−ｒ)｝＜０を満たすようにねじ軸溝５５とナット溝５６とが形成されている。

以上のように形成されたボールねじ５１の接触角、すなわち、運動方向の変換過程において、ねじ軸溝５５とナット溝５６にそれぞれ転接しているボール５２の接触角を変えることでその転がり摩擦が軽減され、作動効率が向上して耐久性に優れたボールねじ５１を提供することができる。
特開２００３−１７２４２５号公報

然しながら、この従来のボールねじ５１において、直線運動を回転運動に変換する場合（以下、逆作動という）、また回転運動を直線運動に変換する場合（以下、正作動という）とで、ねじ軸ＳとナットＮの接触角の組み合わせを変更する必要があり、両条件で作動効率を向上させることはできない。一般的に、ねじ軸とナットとでその接触角を変えた場合、正作動または逆作動のどちらか一方の作動効率が向上するが、他方の作動効率が逆に低下する。

例えば、電動パワーステアリング用ボールねじの場合、ボールねじにはピニオンからの力とタイヤからの力が作用し、力の大きさや方向は路面状況やハンドル（ステアリングホイール）操作で常に異なっている。それに対し、ハンドルをどちらに切るかは運転手の判断による。すなわち、ねじ軸Ｓに作用する力の方向に対し、ナットＮはどちらの方向にも回転する可能性があり、ボールねじ５１には正作動と逆作動のどちらも作用することになる。したがって、こうした従来のボールねじ５１において、ねじ軸ＳとナットＮとでその接触角を変えることにより、正作動時、逆作動時において総合的な作動効率の向上を図ることは難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、正作動、逆作動共に作動効率を向上させ、かつ機械損失を低減させたボールねじを提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットに装着され、前記転動路を周回経路とする循環部材とを備えたボールねじにおいて、前記ボール径ｄに対する前記ねじ軸のねじ溝の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定された構成を採用した。

このように、ボールねじにおいて、ボール径ｄに対するねじ軸のねじ溝の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定されているので、ボールねじ全体の機械損失が低減でき、正作動時、逆作動時に係らず高効率のボールねじを提供することができる。また、それに伴いボールねじの位置決め精度や制御性の向上、さらに摩擦による発熱等の抑制を図ることができ、ボールねじの寿命を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明は、前記循環部材が、前記ねじ軸におけるねじ溝の隣合う１周分同士を連結する連結溝を有する駒部材からなるので、例えば、ボールがねじ軸のねじ山を乗り越えて駒部材に移行する時の摩擦抵抗が低減し、ボールねじとしての機械損失が低減する。

また、請求項３に記載の発明は、前記ボールとねじ溝との初期接触角が２５〜４０°に設定されているので、ボールの接触楕円が肩部を乗り上げるのを防止し、負荷容量の低下を防止する。

また、請求項４に記載の発明は、前記ボール径ｄと前記ねじ溝のリードＬとの関係が、ｄ＝０．７５〜１．１０Ｌに設定されているので、ボールの接触楕円の肩部乗り上げを防止すると共に、ボールねじの作動効率の向上および摩擦係数の低減を図ることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記ねじ軸のねじ溝が転造加工によって形成されていても良い。本発明に係るボールねじにおいては、従来のねじ溝よりも浅く設定されているので、ボールねじの生産性が一層向上し、低コスト化が図れる。

好ましくは、請求項６に記載の発明のように、前記ねじ溝の表面に超仕上げ加工が施され、その表面粗さがＲａ０．１以下、または転走方向のうねりが２μｍ以下に規制されていれば、単に良好な表面粗さが得られるだけでなく、ねじ溝のボールとの接触点における真円度、また、そのうねり成分が改善され、ボールねじの作動効率向上と摩擦係数を一層低減させることができる。

本発明に係るボールねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットに装着され、前記転動路を周回経路とする循環部材とを備えたボールねじにおいて、前記ボール径ｄに対する前記ねじ軸のねじ溝の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定されているので、ボールねじ全体の機械損失が低減でき、正作動時、逆作動時に係らず高効率のボールねじを提供することができる。また、それに伴いボールねじの位置決め精度や制御性の向上、さらに摩擦による発熱等の抑制を図ることができ、ボールねじの寿命を向上させることができる。

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットに装着され、このナットのねじ溝を連結する連結溝を有する駒部材とを備えたボールねじにおいて、前記ボール径ｄに対する前記ねじ軸のねじ溝の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定されていると共に、前記ボールとねじ溝との初期接触角が２５〜４０°の範囲に設定されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじの実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、そして（ｃ）は循環部材となる駒部材の斜視図である。
ねじ軸１は螺旋状のねじ溝２が外周に形成され、このねじ軸１に外嵌されるナット３の内周には、ねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４が形成されている。そして、両ねじ溝２、４の間に多数のボール５が収容されている。

円筒状のナット３の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝４の一部を切欠く楕円状の駒窓６が穿設され、この駒窓６に楕円状の駒部材７が嵌合されている。駒部材７の内方には、ねじ溝４の隣合う１周分同士を連結する連結溝８が形成され、この連結溝８とねじ溝４の略１周の部分とでボール５の転動路を構成している。転動路内の内外のねじ溝２、４間に介在された多数のボール５はねじ溝２、４に沿って転動し、駒部材７の連結溝８に案内され、ねじ軸１のねじ山を乗り越えて隣接するねじ溝４に戻り、再びねじ溝２、４に沿って転動する。

駒部材７の連結溝８は、ナット３の隣接するねじ溝４間を滑らかに接続するように、Ｓ字状に湾曲して形成されているため、その両端開口縁８ａを、ナット３の隣接するねじ溝４の窓開口縁部６ａに合致するようにして、駒部材７の連結溝８がねじ溝４に接続されている。

ボールねじの効率は一般的に以下の式で表わされるが、リード角βあるいは初期接触角αを大きくすることで作動効率が向上するとされている。正作動時の作動効率（以下、正効率という）をＥｐ、逆作動時の作動効率（以下、逆効率という）をＥｎ、初期接触角をα、正作動時の機械損失をμｐ、逆作動時の機械損失をμｎとした時、
Ｅｐ＝（ｓｉｎα−μｐ×ｔａｎβ）／（ｓｉｎα＋μｐ／ｔａｎβ）
Ｅｎ＝（ｓｉｎα−μｎ／ｔａｎβ）／（ｓｉｎα＋μｎ×ｔａｎβ）
しかし、これら作動効率の式内には機械損失μｐ、μｎが含まれる。実際にはこの機械損失μｐ、μｎは、ねじ溝２、４とボール５同士の摩擦のような単純な摩擦係数だけでなく、例えば、駒式のボールねじにおいては、駒部材７内の無負荷領域でボール５が前のボール５を押す時に生じる力のロスやボール５がねじ溝２を乗り越える時のロスも含めた、所謂ボールねじ全体としての機械損失となる。そこで本出願人は、ボール径ｄに対するねじ溝の深さｔの比率に着目し、これを小さくすることによりボール５がねじ溝２を乗り越える時のロスを低減させることを検証した。

本発明に係るボールねじにおいては、ボール５が駒部材７内を通過して循環するが、この時ボール５は、図２に示すように、ねじ溝２、２間のランド部２ａを乗り越える。従来のボールねじでは、作動効率や負荷容量等を考慮し、ボール５の直径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率ｔ／ｄが、０．３６〜０．３８になっている。これに対し、本実施形態では、このボール５の直径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率を、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定して種々検証を行った。

ボール５の直径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率を従来よりも小さく、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０にするには、ねじ溝２の深さｔを浅くするか、ボール５の直径ｄを大きくする。または、ねじ溝２の深さｔを浅く、かつボール５の直径ｄを大きくすることが考えられる。ここで、ねじ溝２の深さｔを単に小さくすると、ボール５の接触楕円が肩部を乗り上げ、負荷容量が低下する恐れがあるため、ねじ溝２の深さｔとの関係において、ボール５の直径ｄを大きくすることで負荷容量の低下を防止することができる。

また、ねじ溝２の深さｔとボール径ｄとの関係において、ボール５とねじ溝２との初期接触角αを小さく設定することによりボール５の接触楕円が肩部を乗り上げるのを防止することができる（図３参照）。すなわち、初期接触角αを従来の４５°に変え、α＝２５〜４０°の範囲に設定することにより、ボール５の接触楕円が肩部を乗り上げるのを防止する。

実際に本出願人は、ボール径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率ｔ／ｄを小さく設定したサンプルと従来品との作動効率を比較検証し、表１、表２の結果を得た。なお、測定は、スラスト荷重５．５ｋＮ、ナットの回転数３６０ｒｐｍで実施し、その結果の代表的なものを示す。また、表１は正効率の測定結果、表２は逆効率の測定結果をそれぞれ示している。

作動効率の一般式より、従来は初期接触角αおよびリード角βを変更することにより効率向上を図っていたが、例えば、初期接触角αを４５°から本実施形態のように２５〜４０°の範囲に変更すると作動効率は逆に低下してしまう。本実施形態は、リード角βを変更せずに、初期接触角αおよびボール径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率ｔ／ｄを小さくすることにより、作動効率向上だけでなく摩擦係数、すなわちボールねじの機械損失が低減することが判った。

また、本実施形態では、ボール５の直径ｄとねじ溝２のリードＬとの関係が、ｄ＝０．７５〜１．１０Ｌになるように設定されている。ｄ＜０．７５Ｌの場合、作動効率の向上および摩擦係数の顕著な低減が認められず、一方、ｄ＞１．１０Ｌの場合、ボール５の接触楕円の肩部乗り上げの危険性が増大するので好ましくない。

また、本実施形態では、ねじ軸１の外周に転造加工によってねじ溝２が形成されているが、従来のボールねじに比べねじ溝２の深さｔがボール径ｄに対して小さく設定されているので、一層生産性が向上し、低コスト化が達成でできる。さらにこのねじ溝２の表面に超仕上げ加工を施すことにより、ボールねじの摩擦係数が低減できることが判った。これは、従来の転造品の表面粗さＲａ１．５〜２．０μｍに比べ、超仕上げ加工によりその表面粗さがＲａ１．０μｍ以下の良好な表面粗さが単に得られるだけでなく、ねじ溝２のボール５との接触点における真円度、また、そのうねり成分も改善されたためと考えられる。なお、ねじ溝２は、ゴシックアーチ形状であってもボール５とサーキュラコンタクトする円弧状の形状であっても良い。

このように、本発明に係るボールねじは、従来よりもボール径ｄに対するねじ溝２の深さｔの比率ｔ／ｄを小さく設定することにより、ボールねじ全体の機械損失が低減でき、正効率、逆効率に係らず高効率のボールねじを提供することができる。また、それに伴いボールねじの位置決め精度や制御性の向上、さらに摩擦による発熱等の抑制を図ることができ、ボールねじの寿命を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係るボールねじは、自動車の電動パワーステアリング等、使用中に正作動と逆作動ともに発生する用途に用いられるボールねじに適用できる。また、循環部材は駒部材に限らず、リターンチューブやエンドプレート等、あらゆるボール循環方式のボールねじに適用することができる。

（ａ）は、本発明に係るボールねじの実施形態を示す平面図である。 （ｂ）は、同上、縦断面図である。 （ｃ）は、同上、駒部材を示す斜視図である。 （ａ）は、ねじ溝とボールとの関係を示した説明図である。 （ｂ）は、同上、ねじ溝の深さを小さくした場合を示す説明図である。 （ｃ）は、同上、ボール径を大きくした場合を示す説明図である。 （ａ）は、初期接触角と肩部乗り上げとの関係を示す説明図である。 （ｂ）は、同上、初期接触角を小さくした場合を示す説明図である。 従来のボールねじを示す横断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・ねじ軸
２、４・・・・・・・・ねじ溝
２ａ・・・・・・・・・ランド部
３・・・・・・・・・・ナット
５・・・・・・・・・・ボール
６・・・・・・・・・・駒窓
６ａ・・・・・・・・・窓開口縁部
７・・・・・・・・・・駒部材
８・・・・・・・・・・連結溝
８ａ・・・・・・・・・開口縁部
５１・・・・・・・・・ボールねじ
５２・・・・・・・・・ボール
５２ｓａ、５２ｓｂ・・ねじ軸溝とボールとの接点
５２ｎａ、５２ｎｂ・・ナット溝とボールとの接点
５３・・・・・・・・・ねじ軸の外周面
５４・・・・・・・・・ナットの内周面
５５・・・・・・・・・ねじ軸溝
５６・・・・・・・・・ナット溝
５５ａ、５５ｂ・・・・ねじ軸溝のゴシックアークを形成する円弧
５６ａ、５６ｂ・・・・ナット溝のゴシックアークを形成する円弧
Ａ・・・・・・・・・・ボールの中心
Ｂ・・・・・・・・・・ボール中心Ａを通るねじ軸に垂直な線
Ｌ・・・・・・・・・・リード
Ｎ・・・・・・・・・・ナット
Ｓ・・・・・・・・・・ねじ軸
ｄ・・・・・・・・・・ボールの直径
ｒ・・・・・・・・・・ボールの半径
ｔ・・・・・・・・・・ねじ溝の深さ
Ｅｐ・・・・・・・・・正効率
Ｅｎ・・・・・・・・・逆効率
Ｒｓ１・・・・・・・・円弧５５aの曲率半径
Ｒｓ２・・・・・・・・円弧５５bの曲率半径
Ｒｎ１・・・・・・・・円弧５６aの曲率半径
Ｒｎ２・・・・・・・・円弧５６bの曲率半径
Ｃｓ１・・・・・・・・曲率半径Ｒｓ１の中心
Ｃｓ２・・・・・・・・曲率半径Ｒｓ２の中心
Ｃｎ１・・・・・・・・曲率半径Ｒｎ１の中心
Ｃｎ２・・・・・・・・曲率半径Ｒｎ２の中心
Ｘｃｓ１・・・・・・・Ｃｓ１とＢ間の距離
Ｘｃｓ２・・・・・・・Ｃｓ２とＢ間の距離
Ｘｃｎ１・・・・・・・Ｃｎ１とＢ間の距離
Ｘｃｎ２・・・・・・・Ｃｎ２とＢ間の距離
αｒｓ１・・・・・・・ねじ軸溝とボール接点５２ｓａとの接触角
αｒｓ２・・・・・・・ねじ軸溝とボール接点５２ｓｂとの接触角
αｒｎ１・・・・・・・ナット溝とボール接点５２ｎａとの接触角
αｒｎ２・・・・・・・ナット溝とボール接点５２ｎｂとの接触角
α・・・・・・・・・・初期接触角
β・・・・・・・・・・リード角
μｐ・・・・・・・・・正作動時の機械損失
μｎ・・・・・・・・・逆作動時の機械損失

Claims (6)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットに装着され、前記転動路を周回経路とする循環部材とを備えたボールねじにおいて、
   前記ボール径ｄに対する前記ねじ軸のねじ溝の深さｔの比率が、ｔ／ｄ＝０．２０〜０．３０の範囲に設定されていることを特徴とするボールねじ。
2. 前記循環部材が、前記ねじ軸におけるねじ溝の隣合う１周分同士を連結する連結溝を有する駒部材からなる請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記ボールとねじ溝との初期接触角が２５〜４０°に設定されている請求項１または２に記載のボールねじ。
4. 前記ボール径ｄと前記ねじ溝のリードＬとの関係が、ｄ＝０．７５〜１．１０Ｌに設定されている請求項１乃至３いずれかに記載のボールねじ。
5. 前記ねじ軸のねじ溝が転造加工によって形成されている請求項１乃至４いずれかに記載のボールねじ。
6. 前記ねじ溝の表面に超仕上げ処理が施され、その表面粗さがＲａ０．１以下、または転走方向のうねりが２μｍ以下に規制されている請求項１乃至５いずれかに記載のボールねじ。

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