JP2006064123A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックボールの損傷を防止して高速運転時の騒音を低減したボールねじ装置を提供する。
【解決手段】外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、軸軌道溝とナット軌道溝とにより形成される負荷路と、負荷路を連結するコマ部材と戻し路とからなる連結路と、負荷路と連結路とで構成される循環路を循環する複数のセラミックボールとを備えたボールねじ装置の連結路と負荷路との連結部にセラミックボールを連結路に掬い上げる掬上面を設け、その掬上角を負荷路におけるセラミックボールの転動軌跡の連結部における接線の方向から外側に１０度以下となるように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械や精密機械等の機械装置の移動体の送り機構等に用いられるボールねじ装置に関する。

従来のボールねじ装置は、ねじ軸の外周面に形成した螺旋状の軸軌道溝軸と、ナットの内周面に形成した軸軌道溝に対向するナット軌道溝と、軸軌道溝軸とナット軌道溝により形成される負荷路とこの負荷路を連結するリターンチューブとで構成される循環路に複数の転動体としての鋼球を循環させ、ナット軌道溝とリターンチューブとの連結部に設けた掬上部の掬上面の角度を負荷路における転動体の転動軌跡の連結部における接線の方向から外側に１５度以下に設定してボールねじ装置の振動や騒音を抑制している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１５６７６７号公報（第１６頁段落００７６−段落００７９、第６３図−第６８図）

一般に、ボールねじ装置の転動体としてセラミックボールを用いると、その質量が小さいことから循環路におけるリターンチューブ等の連結路への衝突に伴う衝突音等を低減してボールねじ装置の騒音を小さくできることが知られている。
しかしながら、上述した従来の技術においては、負荷路と連結路との連結部に設けた掬上部の掬上面の角度を負荷路における転動体の転動軌跡の連結部における接線の方向から外側に１５度程度に設定しているため、ボールねじ装置の騒音が比較的大きくなる高速運転時に、セラミックボールの掬上面への衝突に伴う衝撃力が増加し、衝撃力に対する耐性に劣る脆性材料からなるセラミックボールが早期に損傷してしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、セラミックボールの損傷を防止して高速運転時の騒音を低減する手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とにより形成される負荷路と、該負荷路を連結する連結路と、前記負荷路と連結路とで構成される循環路を循環する複数の転動体とを備え、前記連結路の前記負荷路との連結部に前記転動体を前記連結路に掬い上げる掬上部を設けたボールねじ装置において、前記転動体がセラミックボールであり、かつ前記掬上部の掬上面を前記負荷路における前記セラミックボールの転動軌跡の前記連結部における接線の方向に一致もしくは略一致させたことを特徴とする。

これにより、本発明は、セラミックボールの掬上面の通過時に生ずる衝撃力を小さくすることができ、セラミックボールの損傷を防止してセラミックボールを転動体として用いたボールねじ装置の高速運転時の騒音を低減することができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明によるボールねじ装置の実施例について説明する。

図１は実施例１のボールねじ装置を示す斜視図、図２は実施例１ボールねじ装置を示す側面図、図３は実施例１のコマ部材の図１のＡ方向から見た斜視拡大図、図４は実施例１のコマ部材の図１のＢ方向から見た斜視拡大図である。
図１において、１はボールねじ装置であり、後述するコマ部材１１を備えたコンパクトタイプのボールねじ装置である。

２はボールねじ装置１のねじ軸であり、合金鋼等の鋼材で製作された棒状部材であって、その外周面には略半円弧状断面形状の軸軌道溝３が所定のリードで螺旋状に形成されている。
４はボールねじ装置１のナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内周面には軸軌道溝３と対向する略半円弧状断面形状のナット軌道溝５が軸軌道溝３と同じリードで形成されている。

６は転動体としてのセラミックボールであり、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア、アルミナ等のセラミック材料で製作された球体であって、軸軌道溝３とナット軌道溝５とで形成される負荷路の間を転動してねじ軸２とナット４を螺合させる。
７はフランジ部であり、ナット４の外周部に設けられ、フランジ部７に設けたボルト穴等により図示しない機械装置の移動体にボルト等で固定される。

８は戻し路であり、ナット４を軸方向に貫通するセラミックボール６の外径より大きい内径を有する貫通孔である。
９はコマ収納部であり、ナット４の両側の端部４ａにナット軌道溝５を切取って形成された略長円形の穴であって、その底面に戻し路８が開口しており、掬上部としてのコマ部材１１を嵌合して収納する。

コマ部材１１は、ポリアセタール、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート等の樹脂材料の射出成形または金属材料の切削加工等により製作された略長円形部材であって、ナット４のコマ収納部９に嵌合して収納され、そのねじ軸２側には図３に示すように軸軌道溝３に遊嵌する嵌合突起部１２が略長円形部材の一隅の両側をねじ軸２の外周面に沿うように円弧状の凹面（円弧状凹面１３という。）に切取って形成されている。

また、そのナット４側には図４に示すように軸軌道溝３とナット軌道溝５とで形成される負荷路と戻し路８とを接続するためのセラミックボール６の直径に相当する深さで、底面を略円弧面として掘り込まれた接続路１４が形成されている。
接続路１４のセラミックボール６の移動方向の上流側には、軸軌道溝３の幅で円弧状凹面１３に直交する２つの面を対向配置して形成されたガイド部１５が設けられ、ガイド部１５に続く嵌合突起部１２の裏側の接続路１４には、その円弧状の底面の端部を舌状に成形した軸軌道溝３からセラミックボール６を掬い上げる掬上面１６を有する方向転換路１７が設けられている。

掬上面１６の舌状の先端の掬上角αは、負荷路を転動するセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向と一致もしくは略一致するように設定される。
この場合に、掬上角αを大きくしすぎるとセラミックボール６の通過時に生ずる衝撃力が大きくなってセラミックボール６を損傷させるので、掬上角αはセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向から外側に１０度以下とすることが望ましい。

上記のナット４の両端部のコマ収納部９に収納されたコマ部材１１の接続路１４と戻し路８とにより本実施例の連結路が形成され、ナット軌道溝５と連結路との連結部の角部１８（本実施例ではコマ収納部９の形成により切取られたナット軌道溝５の角部をいう。）にはＲ面取が施される。
上記の連結路および軸軌道溝３とこれに対向するナット軌道溝５により形成される負荷路により循環路が形成され、この循環路に複数のセラミックボール６と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入される。

これにより、軸軌道溝３とナット軌道溝５とがセラミックボール６を介して螺合し、ねじ軸２を回転させることによってセラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させ、ねじ軸２の回転運動がナット４の直線運動に変換され、ボールねじ装置１が直動装置として機能する。
上記の構成の作用について説明する。

ねじ軸２とナット４をセラミックボール６により螺合させてねじ軸２を回転させると、セラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させる。
この時、負荷路を転動したセラミックボール６が負荷路と連結路との連結部に達するとセラミックボール６はコマ部材１１のガイド部１５に案内されながら軸軌道溝３に遊嵌する嵌合突起部１２の裏側に形成された掬上面１６に衝突し、掬上面１６に掬い上げられて方向転換路１７により移動方向をナット４の軸方向に転向し、戻し路８に進入して反対側のコマ部材１１に達し、その方向転換路１７により負荷路の方向に転向してナット軌道溝５の角部１８を通過し、ガイド部１５に案内されながら再度負荷路に戻される。

以上説明したように、本実施例では、掬上部の掬上面を負荷路におけるセラミックボールの転動軌跡の負荷路と連結路との連結部における接線の方向に一致もしくは略一致させたことによって、セラミックボールの掬上面の通過時に生ずる衝撃力を小さくすることができ、セラミックボールの損傷を防止してセラミックボールを転動体として用いたボールねじ装置の高速運転時の騒音を低減することができる。

また、掬上面とセラミックボールの転動軌跡の連結部における接線との角度である掬上角αを、転動軌跡の接線の方向から外側に１０度以下としたことによって、セラミックボールの掬上面の通過時に生ずる衝撃力を低く押えてセラミックボールの損傷を防止することができる。
更に、掬上部としてのコマ部材を樹脂材料で成形したことによって、複雑な形状を有するコマ部材を容易に製造することができ、機械加工品に較べて大幅なコストダウンが可能になると共に、樹脂材料の弾性を利用してセラミックボールへの衝撃力を緩和することができる。

更に、ナット軌道溝の連結部の角部にＲ面取を設けたことによって、負荷路に戻るセラミックボールの通過を円滑にしてその衝撃力を減少させることができ、セラミックボールの損傷を防止して高速運転のボールねじ装置へセラミックボールを容易に適用することができる。

図５は実施例２のボールねじ装置を示す側面図、図６は図５のＣ−Ｃ断面図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図５、図６において、２１はボールねじ装置であり、リターンチューブ式の循環路を備えたボールねじ装置である。
２２はリターンチューブであり、金属材料や実施例１のコマ部材１１と同様の樹脂材料等で製作され、セラミックボール６が循環できる内径を有する略Ｕ字形に曲折した管であって、ナット４の外周面の一部を軸方向に切欠いた平面であるチューブ取付面２３に設けられたナット軌道溝５に連通する略円形断面のチューブ嵌合穴２４にその両方の端部の外径が嵌合して取付けられる。

リターンチューブ２２の両方の端部の軸軌道溝３に遊嵌する側の内径面には、内径面を円弧状の傾斜面とした掬上面１６を有する掬上部が形成されており、その掬上面１６の先端の掬上角αは、上記実施例１と同様に負荷路を転動するセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向と一致もしくは略一致するように、角度をつける場合にはセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向から外側に１０度以下となるように設定される。

本実施例の掬上部はリターンチューブ２２に一体に形成されており、リターンチューブ２２が、軸軌道溝３とこれに対向するナット軌道溝５により形成される負荷路の両側を連結する本実施例の連結路として機能する。
また、ナット軌道溝５と連結路との連結部の角部１８（本実施例ではリターンチューブ２２の端面が当接するチューブ嵌合穴２４の底部により切取られたナット軌道溝５の角部をいう。）にはＲ面取が施される。

上記の連結路および負荷路により循環路が形成され、この循環路に複数のセラミックボール６と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入される。
これにより、軸軌道溝３とナット軌道溝５とがセラミックボール６を介して螺合し、ねじ軸２を回転させることによってセラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させ、ねじ軸２の回転運動がナット４の直線運動に変換され、ボールねじ装置２１が直動装置として機能する。

上記の構成の作用について説明する。
ねじ軸２とナット４をセラミックボール６により螺合させてねじ軸２を回転させると、セラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させる。
この時、負荷路を転動したセラミックボール６が負荷路と連結路との連結部に達するとセラミックボール６はリターンチューブ２２の軸軌道溝３に遊嵌する側の内径面に形成された掬上面１６に衝突し、掬上面１６に掬い上げられてリターンチューブ２２により移動方向をナット４の略軸方向に転向しながらリターンチューブ２２の反対側の端部に達し、ナット軌道溝５の角部１８を通過して再度負荷路に戻される。

以上説明したように、本実施例では、リターンチューブ式のボールねじ装置においても上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

図７は実施例３のボールねじ装置を示す側面図、図８は実施例３のボールねじ装置を示す上面図、図９は実施例３のサイドキャップを示す正面図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図７、図８において、３１はボールねじ装置であり、サイドキャップ式の循環路を備えたボールねじ装置である。

本実施例のねじ軸２の軸軌道溝３は比較的大きなリードで形成されている。
３２はサイドキャップであり、金属材料や実施例１のコマ部材１１と同様の樹脂材料等でキャップ構成部材３２ａ、３２ｂに分割されて製作され、その合せ面３３に沿ってセラミックボール６が循環できる内径を有する屈曲した戻し通路３４が合せ面３３で２分割されて形成されている。

３５はキャップ取付面であり、ナット４の外周面の一部を軸方向と平行に切欠いた平面であって、図９に示す掬上部としての嵌合部３６を嵌合するためのナット軌道溝５に連通する長円形断面の嵌合穴３７が設けられており、両方の嵌合穴３７にキャップ構成部材３２ａ、３２ｂにそれぞれ形成された嵌合部３６ａ、３６ｂを合せ面３３で付き合わせて嵌合し、止めビス３８により取付けられる。

図９に示すようにキャップ構成部材３２ａに設けられた嵌合部３６ａの軸軌道溝３に遊嵌する側には合せ面３３で付き合わせたときに方向転換通路３９となる半円弧面の方向転換溝が掘り込まれて形成されており、その先端部に掬上面１６が形成されている。他方の嵌合部３６ａには合せ面３３で付き合わせたときに方向転換通路３９となる前記と同様の方向転換溝がナット軌道溝５に滑らかに接続するように形成されている。キャップ構成部材３２ｂにおいても同様である。

上記の嵌合部３６ａ、３６ｂに形成された掬上面１６の先端の掬上角αは、上記実施例１と同様に負荷路を転動するセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向と一致もしくは略一致するように、角度をつける場合にはセラミックボール６の転動軌跡の接線の方向から外側に１０度以下となるように設定される。
本実施例の掬上部はサイドキャップ３２に一体に形成されており、キャップ構成部材３２ａ、３２ｂを合せ面３３で付き合わせてナット４に取付けたときに形成される戻し通路３４とその両側の嵌合部３６に形成される方向転換通路３９とが軸軌道溝３とこれに対向するナット軌道溝５により形成される負荷路の両側を連結する本実施例の連結路として機能する。

また、ナット軌道溝５と連結路との連結部の図示しない角部１８（本実施例ではサイドキャップ３２の他方の嵌合部３６ａ、３６ｂの端面が当接する嵌合穴３７の底部により切取られたナット軌道溝５の角部をいう。）にはＲ面取が施される。
上記の連結路および負荷路により循環路が形成され、この循環路に複数のセラミックボール６と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入される。

これにより、軸軌道溝３とナット軌道溝５とがセラミックボール６を介して螺合し、ねじ軸２を回転させることによってセラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させ、ねじ軸２の回転運動がナット４の直線運動に変換され、ボールねじ装置３１が直動装置として機能する。
上記の構成の作用について説明する。

ねじ軸２とナット４をセラミックボール６により螺合させてねじ軸２を回転させると、セラミックボール６が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させる。
この時、負荷路を転動したセラミックボール６が負荷路と連結路との連結部に達するとセラミックボール６はサイドキャップ３２の軸軌道溝３に遊嵌する側に形成された掬上面１６に衝突し、掬上面１６に掬い上げられ、合せ面３３で突き合わせて形成された方向転換通路３９により移動方向をナット４の略軸方向に転向し、突き合わせて形成された戻し通路３４に進入して反対側に形成された方向転換通路３９に達し、その方向転換通路３９により負荷路の方向に転向してナット軌道溝５の角部１８を通過し、再度負荷路に戻される。

以上説明したように、本実施例では、サイドキャップ式のボールねじ装置においても上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１０は実施例４のスペーサの装填状態を示す正面図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例のボールねじ装置は、上記実施例１から実施例３のどれであってもよい。本実施例では実施例１のボールねじ装置１に適用した場合を例に説明する。
図１０において、４１はスペーサとしての樹脂ボールであり、合成ゴムや上記実施例１のコマ部材１１と同様のポリアセタール等の比較的弾性に富んだ樹脂材料で成形された球体であって、その外径はセラミックボール６の外径よりも小さく、運転時の温度上昇に伴うセラミックボール６の材料との熱膨張係数の差に起因する直径の変化を考慮して設定されている。

樹脂ボール４１は、循環路にセラミックボール６交互に配置されて隣合うセラミックボール６の間に間装される。循環路には、樹脂ボール４１を間装した複数のセラミックボール６が所定の量の潤滑剤、例えばグリースと共に装填される。
これにより、軸軌道溝３とナット軌道溝５とが樹脂ボール４１を間装したセラミックボール６を介して螺合し、ねじ軸２を回転させることによってセラミックボール６と樹脂ボール４１が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させ、ねじ軸２の回転運動がナット４の直線運動に変換され、ボールねじ装置３１が直動装置として機能する。

上記の構成の作用について説明する。
ねじ軸２とナット４とを樹脂ボール４１を間装したセラミックボール６により螺合させてねじ軸２を回転させると、セラミックボール６と樹脂ボール４１が循環路を循環しながらナット４を軸方向に移動させ、図１０に示す負荷路においては、ねじ軸２が図１０において反時計方向に回転すると転動するセラミックボール６は時計方向に自転しながら公転する。

この時、図１０に符号Ｓで示す接触部でセラミックボール６がねじ軸２に負荷される荷重を受けて樹脂ボール４１を押圧するので、樹脂ボール４１にはその弾性による弾性変形が生じ、接触部Ｓでセラミックボール６と樹脂ボール４１とが確実に接触し、樹脂ボール４１が相対的な滑りがほとんどない転がり接触により反時計方向に自転する。樹脂ボール４１の他方のセラミックボール６との接触部Ｓにおいても同様である。

このように、隣合うセラミックボール６の間に樹脂ボール４１を間装すると、セラミックボール６のみを装填した場合と比較してセラミックボール６同士の衝突や同方向に自転するセラミックボール６同士の接触に伴う相対的な滑りが生じないので、セラミックボール６の損傷を防止することができる。
以上説明したように、本実施例では、隣合うセラミックボールの間に樹脂ボールを間装するようにしたことによって、セラミックボール同士の衝突や相対的な滑りが生じることがなく、セラミックボールの損傷を防止して高速運転のボールねじ装置へセラミックボールを容易に適用することができる。

上記のセラミックボール６同士の衝突を防止することは、以下の形態によっても行うことができる。
図１１は、実施例４のスペーサの他の形態を示す説明図である。
図１１において、４５はスペーサとしての保持ピースであり、上記樹脂ボール４１と同様の樹脂材料で成形された略円盤部材であって、隣合うセラミックボール６の間に間装され、その両方のセラミックボール６側の端面にはそれぞれセラミックボール６の球面に嵌合する球状凹面４６が形成されている。

このような保持ピース４５によっても、セラミックボール６の球面が保持ピース４５の球状凹面４６に摺接するので、セラミックボール６同士の接触が生じることがなく、セラミックボールの損傷を防止することができる。
なお、上記各本実施例においては、ボールねじ装置のねじ軸を回転させてナットを軸方向に移動させるとして説明したが、ナットを回転させてねじ軸やナットを軸方向に移動させる形式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。

実施例１のボールねじ装置を示す斜視図 実施例１ボールねじ装置を示す側面図 実施例１のコマ部材の図１のＡ方向から見た斜視拡大図 実施例１のコマ部材の図１のＢ方向から見た斜視拡大図 実施例２のボールねじ装置を示す側面図 図５のＣ−Ｃ断面図 実施例３のボールねじ装置を示す側面図 実施例３のボールねじ装置を示す上面図 実施例３のサイドキャップを示す正面図 実施例４のスペーサの装填状態を示す正面図 実施例４のスペーサの他の形態を示す説明図

符号の説明

１、２１、３１ ボールねじ装置
２ ねじ軸
３ 軸軌道溝
４ ナット
４ａ 端面
５ ナット軌道溝
６ セラミックボール
７ フランジ部
８ 戻し路
９ コマ収納部
１１ コマ部材
１２ 嵌合突起部
１３ 円弧状凹面
１４ 接続路
１５ ガイド部
１６ 掬上面
１７ 方向転換路
１８ 角部
２２ リターンチューブ
２３ チューブ取付面
２４ チューブ嵌合穴
３２ サイドキャップ
３２ａ、３２ｂ キャップ構成部材
３３ 合せ面
３４ 戻し通路
３５ キャップ取付面
３６、３６ａ、３６ｂ 嵌合部
３７ 嵌合穴
３８ 止めビス
３９ 方向転換通路
４１ 樹脂ボール
４５ 保持ピース
４６ 球状凹面

Claims (5)

1. 外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とにより形成される負荷路と、該負荷路を連結する連結路と、前記負荷路と連結路とで構成される循環路を循環する複数の転動体とを備え、前記連結路の前記負荷路との連結部に前記転動体を前記連結路に掬い上げる掬上部を設けたボールねじ装置において、
   前記転動体がセラミックボールであり、かつ前記掬上部の掬上面を前記負荷路における前記セラミックボールの転動軌跡の前記連結部における接線の方向に一致もしくは略一致させたことを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１において、
   前記掬上面と前記転動軌跡の前記連結部における接線との角度を、前記接線の方向から外側に１０度以下としたことを特徴とするボールねじ装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記掬上部を、樹脂材料で成形したことを特徴とするボールねじ装置。
4. 請求項１、請求項２または請求項３において、
   前記複数のセラミックボールの隣合うセラミックボールの間に、樹脂材料で成形したスペーサを間装したことを特徴とするボールねじ装置。
5. 請求項１から請求項３または請求項４において、
   前記連結部の前記ナット軌道溝の角部に、Ｒ面取を設けたことを特徴とするボールねじ装置。