JP2007002976A

JP2007002976A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2007002976A
Application number: JP2005186915A
Authority: JP
Inventors: Daiki Takahashi; 大樹高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】負荷容量が高いボールねじの寿命を長くする。
【解決手段】ねじ軸１の溝１１の断面をゴシックアーク状とする。ボール２の直径（Ｄ）に対する溝１１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％以上５２．０％以下とする。ボール２と溝１１との接触角（α）を４０°以上５０°以下とする。溝１１の断面のゴシックアークを形成している円弧とねじ軸１の外周面１２との境界を円弧状に面取りする。この面取り部１３と溝１１の円弧部分との境界位置Ｐを示す角度（θ）を７２．５°以上にする。
【選択図】図１

Description

この発明はボールねじに関する。

下記の特許文献１には、ボールねじを含む転がり案内装置において、ボールの軌道をなす溝の断面を、ねじ軸およびナットでそれぞれ単一円弧状（サーキュラーアーク状）とし、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）を５０．５％以上５２．０％以下にすることが記載されている。
下記の特許文献２には、ボールねじのねじ軸の軌道溝の断面を単一円弧状（サーキュラーアーク状）とし、前記円弧とねじ軸の外周面との境界を円弧状に面取りし、この面取りの円弧部の曲率半径をボール半径の１／２以上２倍以下とすることが記載されている。また、この面取り部と前記円弧との境界位置を示す角度（θ）について、一般的にはこの角度θが６５°〜７０°であることが記載されている。

下記の特許文献３には、ボールねじの軌道溝の断面をなす円弧を、ねじ軸の方がナットよりも小さくすることが記載されている。また、ナットの溝断面をゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）とし、ねじ軸の溝断面をサーキュラーアーク状にすることも記載されている。
下記の特許文献４には、ダブルナット予圧式ボールねじのボールの軌道をなす溝の断面を、ねじ軸およびナットでそれぞれ単一円弧状（サーキュラーアーク状）とし、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）を５０．０％より大きく５２．０％以下にすることが記載されている。

下記の特許文献５には、戻し路として循環チューブを備えたボールねじにおいて、循環チューブによるボールのすくい上げ方向を、ねじ軸の略接線方向で、且つ略リード角方向に傾けることが記載されている。これは、ボールねじの高回転化に伴って、ボールが循環チューブに衝突するスピードが速くなり、衝突エネルギーが大きくなることで、循環チューブやねじ溝（ねじ溝の両肩部など含む）が破損することを防止することを目的とした提案である。

電動射出成形機やメカニカルプレス装置用のボールねじは、比較的大型で高荷重を受ける。そのため、従来より、シングルナットで、組み立てすきまを極僅か（ボール直径に対する比で１／４００程度）にしたものが使用されている。ボールねじの負荷容量を上げる方法としては、ボールの直径（Ｄ）に対する軌道溝の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）を小さくする（５０％に近づける）方法が挙げられる。また、ボールと前記溝との接触角を大きくする方法が挙げられる。

これらの方法では、ボールと軌道溝との接触楕円の長軸が長くなるが、前記円弧とねじ軸の外周面との境界が面取りされていると、接触楕円が面取り部の前記円弧との境界位置で切れる。この面取り部の前記円弧との境界位置を示す角度（θ）が小さいほど、接触楕円の切れる量が多くなるため、この境界部分に応力が集中し易くなる。よって、この境界部分でボールが溝から外れて面取り部に乗り上げる状態になり易く、早期剥離の原因になるという問題点がある。
特開平７−３５１３６号公報特開平７−１５８７１５号公報特開２０００−３９０５２号公報特開２００２−２７６７６５号公報実開昭５９−３９３５２号公報

本発明の課題は、負荷容量が高いボールねじの寿命を長くすることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、ねじ軸およびナットの少なくともいずれかは、前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下であり、ボールと前記溝との接触角が４０°以上５０°以下であり、前記溝断面の円弧と前記外周面または内周面との境界が面取りされ、この面取り部と前記円弧との境界位置を示す角度（θ）が７２．５°以上であることを特徴とするボールねじを提供する。

このボールねじによれば、ねじ軸およびナットの少なくともいずれかについて、前記溝の断面をゴシックアーク状とし、前記比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％以上５２．０％以下とし、接触角を４０°以上５０°以下とすることで、負荷容量を大きくできる。また、これに伴って、ボールと軌道溝との接触楕円の長軸が長くなるが、前記面取り部の溝円弧との境界位置を示す角度（θ）を７２．５°以上とすることにより、接触楕円が前記境界位置で切れないようにできる。よって、この境界部分への応力集中がなく、ボールが溝から外れて面取り部に乗り上げないようにできるため、早期剥離が生じ難い。

さらに、角度θが７２．５°以上であると、戻し路として循環チューブを備えている場合、軌道から戻し路へのボールのすくい上げ時にボールがねじ軸の外周面に衝突しやすくなるが、戻し路へのボールのすくい上げ方向を、ねじ軸の略接線方向で、且つ略リード角方向に設定することで、この衝突が回避できる。

本発明はまた、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、ねじ軸およびナットは、前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、ボールと前記溝との接触角が４０°以上５０°以下であり、ねじ軸は、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下であり、ナットは、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％以上５３．５％以下であることを特徴とするボールねじを提供する。

このボールねじによれば、ねじ軸およびナットについて、前記溝の断面をゴシックアーク状とし、接触角を４０°以上５０°以下とすること、およびねじ軸の前記比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％以上５２．０％以下とすることで、負荷容量を大きくできる。また、これに伴って、ボールと軌道溝との接触楕円の長軸が長くなるが、ナットの前記比（Ｒ／Ｄ）を５２．０％以上５３．５％以下とすることで、ナットとねじ軸の両方とも前記比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％以上５２．０％以下とした場合と比較して、組み立てすきまを従来より小さくすることなく、ボールが前記溝から溝肩（面取り部）に乗り上げないようにできるため、早期剥離が生じ難い。
また、組み立てすきまを従来より小さくする必要がないため、組み立てにかかる時間を長くすること（生産性を低下させること）なく、早期剥離の発生を防止できる。
本発明のボールねじは、ボールとボールの間に保持ピースが配置されていることが好ましい。

本発明によれば、負荷容量が高く寿命の長いボールねじが提供される。特に請求項２のボールねじでは、組み立てすきまを従来より小さくすることなく、負荷容量が高く寿命の長いボールねじが提供されるため、生産性の点でも有利である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に相当するボールねじの、ねじ軸の溝断面を示す図である。
ねじ軸１の溝１１の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径Ｒが同じで中心Ｏ_R1，Ｏ_R2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ボール２の直径（Ｄ）に対する溝１１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下である。また、ボール２と溝１１との接触点Ｓ₁を示す角度（接触角：α）が４０°以上５０°以下である。

溝１１の断面のゴシックアークを形成している円弧とねじ軸１の外周面１２との境界が円弧状に面取りされている。この面取り部１３と溝１１の円弧部分との境界位置Ｐを示す角度（θ）が７２．５°以上である。
先ず、境界位置Ｐを示す角度θを一定（７０°）にし、接触角αと比（Ｒ／Ｄ）を変化させた時の負荷容量の変化を計算した。その結果を図２にグラフで示す。このグラフの縦軸は、接触角αが５０°で比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％の場合の負荷容量を「１」とした「負荷容量比」である。

このグラフから、比（Ｒ／Ｄ）が小さいほど、あるいは接触角αが大きいほど、負荷容量が大きくなることが分かる。そして、角度θが７０°の場合、比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％以上５２．０％以下とし、接触角αを４５°以上５０°以下とすることで、接触角αが５０°で比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％の場合の負荷容量の０．９４〜１．３２倍になることが分かる。

また、比（Ｒ／Ｄ）が５３．０％であると、接触角αを５３°にしても、接触角αが５０°で比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％の場合の負荷容量の０．８９倍にしかならない。また、比（Ｒ／Ｄ）を５１．０％未満になるように溝１１を形成することは困難である。
次に、接触角αを一定（５０°）にし、境界位置Ｐを示す角度θと比（Ｒ／Ｄ）を変化させた時の「乗り上げ率」の変化を計算した。その結果を図３にグラフで示す。

ここで、「乗り上げ率」とは、ボールと軌道溝との接触楕円長軸の、境界位置Ｐから外れる量の割合（前記長軸に対する比率）を示す。よって、「乗り上げ率が０」とは、前記接触楕円の長軸の端が境界位置Ｐと一致していることを示す。また、「乗り上げ率」が「−」であると前記長軸の端が境界位置Ｐより内側にあり、「乗り上げ率」が「＋」であると前記長軸の端が境界位置Ｐより外側に（面取り部１３まで）至っていることを示す。

このグラフから分かるように、比（Ｒ／Ｄ）が小さいほど、あるいは角度θが大きいほど、乗り上げ率は大きくなり、比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％の時に乗り上げ率が０以下となる角度θは７２．５°以上である。よって、接触角αが５０°で比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％の場合には、角度θを７２．５°以上にすることにより、ボールと軌道溝との接触楕円が境界位置Ｐで切れることがないため、この境界部分に応力が集中して早期剥離に至ることが防止される。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に相当するボールねじの、ねじ軸およびナットの溝断面を示す図である。
ねじ軸１の溝１１の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径Ｒ_Sが同じで中心Ｏ_S1，Ｏ_S2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、溝１１の断面のゴシックアークを形成している円弧とねじ軸１の外周面１２との境界が直線状に面取りされている。また、ボール２の直径（Ｄ）に対する溝１１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下である。また、ボール２と溝１１との接触点Ｓ₁を示す角度（接触角：α_S）が４０°以上５０°以下である。

ナット３の溝３１の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径Ｒ_Nが同じで中心Ｏ_N1，Ｏ_N2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ボール２の直径（Ｄ）に対する溝３１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％以上５３．５％以下である。また、ボール２と溝３１との接触点Ｓ₂を示す角度（接触角：α_N）が４０°以上５０°以下である。また、溝３１の断面のゴシックアークを形成している円弧とナット３の内周面３２との境界が直線状に面取りされている。

［第１実施例］
日本精工（株）製のシングルナットチューブ式ボールねじ（「ＪＩＳＢ１１９２」に基づく表記で「６３×１６×３００−Ｃｔ７」に相当するもの）を用い、ねじ軸のゴシックアーク状溝断面の円弧の半径（Ｒ）のボール直径（Ｄ）に対する比（Ｒ／Ｄ）と、ボールと溝との接触角（α）と、円弧状面取部の円弧の半径（ｒ）と、面取り部と溝の円弧部分との境界位置を示す角度（θ）、すくい上げ方向、保持ピースの有無を下記の表１に示すように変化させて、寿命試験を行った。ナットおよび保持ピースは各サンプルで同じものを用いた。
すくい上げ方向は、ねじ軸の略接線方向であって略リード角方向に設定した場合を表１に「Ａ」と表示し、ねじ軸の軸方向と垂直な方向に設定した場合を表１に「Ｂ」と表示する。

各ボールねじを日本精工（株）製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重（軸方向荷重）：負荷容量の４０％、ストローク：８０ｍｍ、回転速度：５００ｒｐｍ、ナットの外周部の保持温度：８０℃、潤滑剤：（株）リューベ製の「ＹＳ２グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を行った。この試験は、ねじ軸またはナットのねじ溝、あるいはボールのいずれかに剥離が生じるまでのサイクル数を寿命として測定した。次に、各サンプルで得られた寿命から、サンプルNo. ６の寿命を「１」とした比を算出した。

また、各サンプルの基本動定格荷重について、サンプルNo. ６の基本動定格荷重を「１」とした比を算出し、これを「負荷容量の比」とした。基本動定格荷重とは、一群の同じボールねじを同じ条件で回転させたとき、そのうちの９０％が転がり疲れによる剥離を起こすことなく、１００万回転まで回転できる軸方向荷重の最大値である。
また、寿命試験後の破損状態を調べた。
これらの結果も下記の表１に併せて示す。

この表から、本発明の実施例に相当するNo. １〜５のボールねじは、比較例に相当するNo. ６〜１１と同等以上の寿命が得られた。No. １〜５のうち保持ピースの有無のみが異なるNo. ３と４を比較すると、保持ピースを有するNo. ３が保持ピースを有さないNo. ４より寿命が長かった。また、No. ５は、角度θを７５．０°とすることで寿命が最も長くなった。
ここで保持ピースとは、樹脂等で形成された、両端にボールと接触する凹面を有する円柱状のスペーサのことを言うが、端部は必ずしも凹面である必要はなく、平面であってもよい。

［実施例２］
比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％であり、接触角α_Sが４５°であるねじ軸を用い、ナットの比（Ｒ／Ｄ）を変化させて、実施例１と同じシングルナットチューブ式ボールねじの各サンプルを作製し、乗り上げ限界すきまを調べる試験を行った。すなわち、各サンプルのボールねじに負荷容量の４０％の軸方向荷重を付与して、ボールと溝との接触楕円が溝と面取り部との境界から外れる（接触楕円の長軸の一端が、溝と面取り部の境界位置より面取り部側に至る）限界のすきまを測定した。その結果を図５に示す。図５は、ナットの比（Ｒ／Ｄ）と乗り上げ限界すきまとの関係を示すグラフである。
従来のボールねじは、ナットもねじ軸も比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％であり、接触角α_Sが４５°である。そして、乗り上げ限界すきまは３５〜５５μｍである。

図５のグラフから分かるように、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が大きいほど「乗り上げ限界すきま」が大きくなる。また、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％の時の「乗り上げ限界すきま」は１６μｍである。そして、このすきまのボールの直径に対する比は１／７９４（約１／８００）である。また、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％の時の「乗り上げ限界すきま」は３２μｍであり、このすきまのボールの直径に対する比は１／３９６（約１／４００）である。さらに、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５３．５％の時の「乗り上げ限界すきま」は６９μｍであり、このすきまのボールの直径に対する比は１／１８４（約１／２００）である。

すなわち、ねじ軸の比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％で接触角が４５°で、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％以上５３．５％以下の場合、「乗り上げ限界すきま」のボール直径に対する比が１／３９６（約１／４００）〜１／１８４（約１／２００）となり、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％の場合の前記比「１／７９４（約１／８００）」より著しく大きくなる。

次に、このボールねじについて、「ボールの直径に対する組み立てすきまの比」と「組み立て時間」との関係を調べた。その結果を図６にグラフで示す。このグラフから、組み立てすきまの比が大きいほど組み立て時間が短く、特に１／２００以上となると、組み立て時間が著しく短くなる（１／８００以下では７０分以上であるのに対して、１／２００以上では２０分程度になる）ことが分かる。

そして、組み立てすきまの比は「乗り上げ限界すきま」より大きく設定するため、ねじ軸の比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％で接触角が４５°で、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％以上５３．５％以下の場合、組み立てすきまの比を「乗り上げ限界すきま」より小さくしても、組み立て時間は２０〜４０分程度である。これに対して、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％の場合には、組み立て時間が７０分程度になる。
ねじ軸の比（Ｒ／Ｄ）が５１．５％で接触角が４５°の場合、特にナットの比（Ｒ／Ｄ）を５３．５％とすれば、組み立てすきまの比を「乗り上げ限界すきま」のボール直径に対する比「１／１８４」より小さい「１／２００」にして、組み立て時間を著しく短く（２０分程度に）することができる。

図７に、ねじ軸およびナットのそれぞれについて、比（Ｒ／Ｄ）と最大面圧との関係をグラフで示す。このグラフから分かるように、比（Ｒ／Ｄ）が同じ場合、ねじ軸の方がナットより最大面圧が大きい。また、ねじ軸の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下の場合、ナットの比（Ｒ／Ｄ）が５３．５％以下でないと、ねじ軸の最大面圧よりナットの最大面圧の方が大きくなる。

一般に、高負荷用ボールねじは、短いストロークで使用されるため、ねじ軸上の同じ位置をナットが頻繁に通過する。よって、ナットが損傷しても寿命に至ることはなく、ねじ軸が損傷することによって寿命に至る。第２実施形態のボールねじでは、ねじ軸とナットで最大面圧が同じになるように比（Ｒ／Ｄ）を設定するため、比（Ｒ／Ｄ）が大きいナットの方が先に損傷することになり、ねじ軸の損傷には容易に至らないため、高負荷用途での寿命を長くすることができる。

本発明の第１実施形態に相当するボールねじの、ねじ軸の溝断面を示す図である。比（Ｒ／Ｄ）が各値のときの接触角αと負荷容量との関係を示すグラフである。比（Ｒ／Ｄ）が各値のときの、境界位置Ｐを示す角度θと「乗り上げ率」との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に相当するボールねじの、ねじ軸およびナットの溝断面を示す図である。ナットの比（Ｒ／Ｄ）と「乗り上げ限界すきま」との関係を示すグラフである。組み立てすきまの比と組み立て時間との関係を示すグラフである。ナットおよびねじ軸について、比（Ｒ／Ｄ）と最大面圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ねじ軸
１１ねじ軸の溝
１２ねじ軸の外周面
１３面取り部
２ボール
３ナット
３１ナットの溝
３２ナットの内周面
Ｏ_R1 ねじ軸のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_R2 ねじ軸のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｐ面取り部と円弧の境界位置
Ｏ_S1 ねじ軸のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_S2 ねじ軸のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_N1 ナットのゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_N2 ナットのゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｓ₁ ねじ軸のボールと溝との接触点
Ｓ₂ ナットのボールと溝との接触点

Claims

外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、
ねじ軸およびナットの少なくともいずれかは、
前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下であり、ボールと前記溝との接触角が４０°以上５０°以下であり、前記溝断面の円弧と前記外周面または内周面との境界が面取りされ、この面取り部と前記円弧との境界位置を示す角度（θ）が７２．５°以上であることを特徴とするボールねじ。
外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、
ねじ軸およびナットは、前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、ボールと前記溝との接触角が４０°以上５０°以下であり、
ねじ軸は、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．０％以上５２．０％以下であり、
ナットは、ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５２．０％以上５３．５％以下であることを特徴とするボールねじ。
戻し路へのボールのすくい上げ方向が、ねじ軸の略接線方向で、且つ略リード角方向に設定されている請求項１または２記載のボールねじ。
ボールとボールの間に保持ピースが配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のボールねじ。