JP2008517234A - ねじ輪郭を重複尖りゴシック・アーチ状断面とする、改良した予圧ボールねじ - Google Patents

Abstract

改良し、予圧したボールねじ１のねじの輪郭を重複尖りゴシック・アーチ状５．１とすることにより、ボールは多数の接触点５．３で転動可能となり、ボールは重複平行転動軌道６沿いに案内され、ボールの中心４．１の位置が維持される。

Description

本発明は、予圧したボールねじであって、そのねじは重複尖りゴシック・アーチ状の輪郭を有し、それによってボールの重複接触点転動を可能とし、ボールを重複平行転動軌道に案内し、ボールの中心の位置を維持し、回転運動の自由度を排除し、ボール同士間の摩擦を減少させ、圧力による歪みを少なくすることによって剛性を増すボールねじに関する。

ボールねじは、ドイツ連邦規格（ＤＩＮ）６９０５１、第１部から第５部、ＩＳＯ−３４０８規格、第１、第２及び第３部、及びスペイン国家規格（ＵＮＥ）１５−４３９−９４、第１、第２及び第３部に記載され且つ既定された、直線運動を回転運動若しくは回転運動を直線運動として、高度の位置決め精度と荷重移動により伝達する機構である。

ボールねじは、基本的に以下の５つの作用要素から成る。
−円柱状のシャフトとされ、その外面に円形アーチ若しくは尖りゴシック・アーチ状の溝形半円形輪郭断面を有する螺旋ねじを切削したスクリュ。
−円柱状中空のスリーブとされるナットであって、その内面に円形アーチ若しくは尖りゴシック・アーチ状の溝形半円形輪郭断面を有する螺旋ねじを切削した、スクリュ及びナットを同軸に結合時に円形アーチ若しくは尖りゴシック・アーチ状の円形輪郭断面を有する螺旋管を形成するナット。
−転動体とされ、これにねじ山及びナット輪郭から掛けられた圧力による応力を伝達するボールであって、ねじ山及びナットにより同軸結合時に形成された螺旋管内に組み付けによってボール循環路を形成するボール。
−ボールを循環させるための部品とされ、ナットに組み付けられて閉じたボール回路を形成するデフレクタ。
−スクリュ及びナットに対するボールの接触領域の摩擦を減少させる潤滑剤、オイル若しくはグリース。

ボールねじにおいては、ボールとともにスクリュ及びナットを同軸に組付け時に、製作のための設計仕様によって定められる軸線−半径方向遊びがある。ここにおいて、遊びとは、ボールを伴うスクリュとナットの間で、相対的角運動若しくは回転運動はその間に無い状態で、生じ得る相対的軸線方向又は半径方向の運動量を意味する。精密ボールねじ組立体の正確な運用のため、このゆとりを排除すべく、或る構造においては、ナット組立体を２つのナットにより形成し、その間の「予圧力」と称される軸線方向の分離力を、それぞれのナットに接するボールに対向方向から圧力を掛けることによってスクリュねじに伝達することとした。これを達成するため、２つのナットのねじをこの予圧力によって離間又は接近させて両ナットに最も密接した２つのボール循環路の間にある重複ピッチ比を変更し、一方のナットに位置するボールの接触角を他方のナットのボールに関する対向指標として、各ボールの接触角を静的に達成する。

ダブル・ナットにより形成されるナット組立体において予圧力を生成するための幾つかのシステムが知られており、それらは精密ワッシャ若しくはスペーサを２つのナットの間に導入し、両ナットを相互に離間又は接近させて調整し、キーによって両者の回転を止めることから成る。２つの部分の共通のねじを調整し、予圧力値をボール径に対して調整することにより中央領域のピッチを変更することによって予圧される簡潔なナット・システムも知られている。

ボールは押しつぶしによる変形に対する適応性があり、そのため、予圧されたボールのいわゆる接触点は接触楕円形状の損傷面となり、且ついわゆる転動軌道は接触楕円が幅を成して帯状の痕跡となる。

実際には、三角形状及び台形状の螺旋ねじのような、平面状の輪郭の溝形断面を有する螺旋ねじは、２つの接平面の間におけるボールの運動の自由度及び不安定性があるために使用されない。ボールの包絡を増大するために円形のヴォールト（丸天井形）が使用されるのはそのためであり、また円形アーチ状若しくは尖りゴシック・アーチ状の溝形半円形輪郭断面の螺旋ねじによってボールねじが構成されるのもそのためであり、尖りゴシック・アーチ状が最も多用され且つ最も有利とされる。その輪郭設計は、ボール径と輪郭アーチの半径の間の所定の関係若しくは包絡コンフォーマビリティ係数、及びボールが転動する軌道沿いのボールの接触点における安定性を得るために予圧力値を増すことを可能とする半径−軸線方向遊びによって行われる。

前述の半円形ねじ輪郭はＤＩＮ−６９０５１、ＩＳＯ−３４０８−１規格及びＵＮＥ−１５−４３９−９４に規定されており、その１つは円形アーチ状とされ、他は尖りゴシック・アーチ状とされる。

これらの輪郭はすべてのボールねじ製造家の実施例において知られ、いずれもスクリュ溝及びナット溝におけるゴシック・アーチを同じ形状とすることを実施態様としている。その輪郭はボール径、アーチ半径のボール径に対するコンフォーマビリティ係数、ボールの半径−軸線方向遊び及び接触角によって画定される。したがって、ボールの予圧時に、一方の接触点をナットのアーチの一方側とし且つ別の接触点をスクリュのアーチの対向側として「２つのボール接触点」を備え、ボール径が２つの接触点を結ぶ接触角を形成する包絡輪郭が得られる。

前述のような実施例は、以下の特許に示されている。
＊１９５４年４月２０日付、ＬＥＯＮ ＨＵＲＥ＆Ｃｏ．に付与されたフランス特許第１０９８８９２号。
＊１９５８年７月１５日付、ＨＡＲＲＹ ＯＲＮＥＲに付与された米国特許第２８４２９７８号。
＊１９５８年１月１７日付第８２２５８２号、１９６１年４月１９日付第９７４０７７号、１９６６年５月１７日付第１１４０３８１号、いずれもＲＯＴＡＸ ＬＩＭＩＴＥＤに付与されたイギリス特許。
＊１９６３年４月３日付、ＴＨＥ ＣＩＮＣＩＮＮＡＴＩ ＭＩＬＬＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＣＯ．に付与されたフランス特許第９３０３３９号。
＊１９８３年１１月２１日付、ＭＡＮＮＥＳＭＡＮＮ ＭＡＳＣＨＩＮＥＮＦＡＢＲＩＫ ＧＭＢＨ＆Ｃｏ．ＫＧ．に付与されたヨーロッパ特許第０１１３０１４号。

これらの特許はすべて、一方はナットの尖りゴシック・アーチの一方側、他方はスクリュの対向側でボールが２点接触する点で着想を同じくする。しかし、これらの知られているシステムは以下のような一連の欠点を有する。
・ボールは押しつぶしによる変形に対する適応性があり、ナットに対する相対回転運動をスクリュに伝達時に、ねじ山の溝とナットの間に位置するボールは、ボールとの２つの接触点を歪めることによって２つの楕円の対向方向に作用する２つの接線方向及び平行な力を同時に受け、接触点楕円の転動軌道の構造上の裕度に対する適応によりボールの一部に生じる速度の差によって、ボールのその軸に対する回転、前進、歳差及び軌道運動が生成される。これらの運動により、スクリュ及びナット輪郭の間で加圧され、ボールの中心及びボールの接触点が不安定となり、それによってボールがスクリュ溝を転動する経路の帯の位置が変わり、張力による振動がボールに生成される。欠点は笛を鳴らすような騒音及びボールの剛性の動的不安定性とされる。
・各ボールは前進してボール・リールを形成し、したがってそれぞれの位置によって概ね前後のボールと接触し、移動時にその中心が安定しない場合には、隣接するボールとの接触点もまた必然に安定せず、したがって咬合力を生じてボール・リールの速度が変わり、摩擦トルクの値に差違、振れ及び拡大を生じる。
・予圧力の全体が２つの対向楕円に掛かり、そのために剛性値が歪みの増加によって予圧に対して比例値より下がり、一層大きな剛性を得るために大きな予圧が要求され、ボールねじの温度上昇、耐用寿命の縮減を生じ、前進運動の各方向に関して動的摩擦トルクの値の差が拡大する。
・これらの欠点は、ピッチ、テーパの誤差に関する製作交差、２つの接触点を有する尖りゴシック・アーチ輪郭のゆとり及び不均斉に伴って増大する。
・これらの欠点は、回転、加速及び荷重速度の最先端応用において精度、剛性及び動的摩擦トルクを伴うことが要求される特徴を劣化させる。

予圧されたボールの、２つの接触点を伴う転動において、前進運動は、ボールの回転の自由度が高い状態で、そのボールに接するボールの作用によって、２つの平行な対向方向の摩擦力によってそのボールに圧力を掛ける２つの接線かつ平行面の相対的な変位によって画定される。

２つの接触点を伴うボールは案内されず、そのために圧力接触領域の速度差に強いられた、きわめて多数のタイプの運動が生成される。

知られている従来技術においては、ダブル・ナット・タイプではなく、シングル・ナット・タイプが一般的に使用され、同タイプにおいてはボールは、軸線方向にも半径方向にもゆとり無しに、４点、うち２点はナットの単数尖りゴシック・アーチ形状の輪郭の各アーチに、他の２点はスクリュの単数尖りゴシック・アーチ形状の輪郭のアーチの各側に圧力を受けて組み付けられる。対向する接触点が結ばれ、接触角はＸ字を形成し、したがって、スクリュの軸方向力及び相対的回転がナットに対して加えられたときに、ボールは縦方向及び水平方向に転動し、且つ前記Ｘ字形のために一方方向に作用する力と対向方向への反作用力があり、その結果、転動速度が大きいときはボールの運動が一定せず、その結果発熱及び損耗を生じ、適切な使用が不可能とされる。

従来技術には、接触点を２つ以上としてボールを案内することを試みた２つの特許がある。
＊１９５５年５月１６日付、ＲＥＧＩＮＡＬ ＢＩＳＨＯＰに付与された米国特許第８１３７４１号。
＊１９７８年６月１６日付、ＬＯＵＩＳ ＰＯＨＬに付与されたフランス特許第２３９５４２３号。

これらの特許は、ボールを三角形状若しくは台形状ねじ山を有する平坦な壁に接触嵌合する点で着想を同じくする。実際には、三角形状及び台形状の螺旋ねじのような、平面状の輪郭の溝形断面を有する螺旋ねじは、２つの接平面の間におけるボールの運動の自由度及び不安定性があるために使用されない。したがって、それらはＤＩＮ−６９０５１、ＩＳＯ−３４０８、ＵＮＥ１５−４３９９４ボールねじ規格では想定されていない。

以上に示した欠点を解消するため、最適の解決法は、重心の位置を安定に維持し且つ接触領域の速度を合わせ、予圧を尖りゴシック接触面に配分することによってボールの前進運動を案内し、ボールの歪みを少なくすることとされる。

ボールは、一方のアーチ側において重複点で接触し、他方のアーチの対向側において他の重複点に接触するため、「重複接触点」により案内されることが可能とされる。ボールが所定の接触点を有するためには、アーチのその側にタンジェント曲線がなければならず、そのアーチは重畳された尖りゴシック・アーチ、即ち各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチによって形成される。対向側には、その接触点に対応する重複尖りゴシック・アーチがある。

幾何学的形態により、中心から等間隔の空間の重複点は球を含み、平面の重複点は円を含む。重複接触点によって、ボールは誘導状態で転動し、重複平行前進運動転動円周及びそれらに対応する転動軌道を生成し、歳差運動、その他の不規則な運動を行わない。転動中、ボールの中心の位置は安定に維持される。

接触点の対称性は設計によって画定され、ボールの円はその全ての点と２点を結ぶ線分とが等角を成す全ての点の幾何学的場所であるから、対向点の圧力角は一定に維持されよう。接触点は楕円形状とされるため、荷重はいずれの２つの楕円領域でも一方側に配分され、別の楕円の他方側がより大きな投影部分では、等しい予圧でボールの歪みが少なくなる。接触点の設計の対称性は予圧力により、適切な接触点で荷重による楕円の歪みを変えることによって任意に変更することが可能とされる。

本発明の目的は、予圧されたボールねじであって、同ねじはボールが重複接触点で転動する、重複尖りゴシック・アーチ形状の輪郭を有し、それによってボールが重複平行転動軌道に沿って案内され、ボールの中心の位置が維持され、回転運動の自由度が排除され、ボール間の摩擦が少なく且つ圧力下の歪みが少ないために剛性が増大したボールねじにある。

したがって、本発明の目的とするボールねじは、円柱状中空のスリーブとされる、予圧された、循環式の、ダブル・ナットであって、各アーチに２つの構造中心を備える、重複尖りゴシック・アーチ形状の溝形断面輪郭を有する螺旋ねじが該ナットの内面に切削された、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ形状の溝形断面輪郭を有する螺旋ねじ山が外面に切削されたスクリュに組み付けられたダブル・ナットと、球状転動体とされる、ボールであって、これに対する圧力により、該ナットのねじ輪郭の重複点及び、該スクリュ輪郭の他の重複点であり、且つ同軸結合時に、組み付けにより、螺旋管内部に、該スクリュ及びナットのねじを形成する重複接触点の重複尖りゴシック・アーチ形状輪郭を備えるボール循環路を形成する、それらの重複点に対する接線状接触により、或る角度で力を伝達するボールとを備えることを特徴とする。

以下に本発明を実施例に基づき、図面を参照して更に詳細に説明する。

図１は、新規なねじ輪郭の設計の断面を示し、該ねじ輪郭は、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ形状を有し、ボール（４）の重複点（５．３）の接触角がナット（２）の重複尖りゴシック・アーチ（５．１）及びねじ（３）の重複尖りゴシック・アーチ（５．２）、アーチの半径のボール径に対するコンフォーマビリティ係数及び同軸に結合されたナット（２）とスクリュ（３）の間の半径−軸線方向遊びにより画定される。

図２は、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ（５．１）に別の中心の対（５．１．２）を備える尖りゴシック・アーチが重畳され、その半径がボール径と一定の関係若しくはボール径に対して包絡コンフォーマビリティ係数を有する重複尖りゴシック・アーチの構造の設計を示す。

図３は、接触点（５．３）の重複楕円及び軌道（６）の帯を示し、該軌道の幾つかはナット（２）の重複尖りゴシック・アーチ（５．１）の一方側に位置し、他の該軌道はスクリュ（３）の重複尖りゴシック・アーチ（５．２）の対向側に位置して接触角を形成し、それらの軌道はボール（４）上に重複平行前進転動円周（６）として生成され、ボールの中心（４．１）の位置を安定に維持し、ボール（４）はしたがって導かれ、自由度は除去される。

図４は、重複接触点（５．３）及びナット（２）の重複尖りゴシック・アーチ（５．１）の点における予圧力の分割を正面から見た図であり、対向点側への荷重の投影が更に円滑に接触する楕円をねじ（３）の他の重複尖りゴシック・アーチ（５．２）の対向側に形成する。

最後に、図５は本発明によるボールねじ（１）の平面図であり、該ボールねじは、円柱状の中空スリーブとされる、予圧された、循環式の、ダブル・ナット（２）であって、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ（５．１）を備える、溝形断面輪郭を有する螺旋ねじが該スリーブの内面に切削され、円柱状のシャフトとされるスクリュ（３）であって、その外面に、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ形状（５．２）を備える、溝形断面輪郭を有する螺旋ねじ山が切削された該シャフトに組み付けられたダブル・ナット（２）と、球状転動体とされ、これに対する圧力により、該ナットのねじの輪郭の重複点（５．３．１）及び、接触角を形成する、該スクリュの輪郭の、他の対向重複点（５．３．２）であり、且つ該スクリュ及びナットの同軸結合時に、組み付けにより、螺旋管内部に、該スクリュ及びナットのねじを形成する重複接触点（５．３）の重複尖りゴシック・アーチ状輪郭を備えるボール循環路を形成する、それらの重複点（５．３．１及び５．３．２）に対する接線状接触により、或る角度で力を伝達するボール（４）とによって形成される。

要するに、ボールが重複接触点に接して転動する重複尖りゴシック・アーチ状のねじの輪郭を備える本発明によるボールねじによって、ボールは様々な平行転動軌道に導かれ、ボールの中心の位置が維持され、回転運動の自由度が除去され、以下の利点が得られる。
・圧力による歪みが少ないために剛性が増し、低い予圧でより高い剛性が得られ、それによって熱が下がり、ボールねじの耐用寿命が伸び、前進運動の各方向の動的摩擦トルクの値の差が無くなる。
・ボール同士間の摩擦による咬合力が除去され、摩擦トルク値の差、振れ及び拡大を生じるボール・リールの速度が調整される。
・応力によるボールの振動及び笛を鳴らすような騒音及び剛性の動的不安定性が除去される。
・製作公差の受容度が高まる。
・回転、加速及び荷重速度の最先端応用で要求される特徴が精度、剛性、動的摩擦トルクを伴って得られる。

これらの利点がナット及びスクリュの輪郭の構造設計を僅かに変更することによって得られ、それは即ち経済的な製作コストが増加しないことを意味する。

この、重複接触点を重複尖りゴシック・アーチ状に備える溝形輪郭断面を有する新規な螺旋ねじ輪郭は、ナット側及びスクリュ側接触点数を、例えば、ナット側４点対スクリュ側４点、若しくは４点対３点、若しくは４点対２点、若しくは４点対１点、及び、３点対３点、若しくは３点対２点、若しくは３点対１点、或いは２点対２点、若しくは２点対１点、並びにその組合せを１点対１点としない限り他にも様々に接触点数を組み合わせて製作することが可能とされる。

ボールの重複点接触転動を可能とする、重複尖りゴシック・アーチ形状を有する、同軸に結合された、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ形状の、ナットのねじの輪郭断面及び、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ形状の、スクリュのねじの他の輪郭断面によって形成された、ボールねじのねじの輪郭の設計を示す図である。 各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチに別の中心の対を備える尖りゴシック・アーチが重畳され、その半径がボール径と一定の関係若しくはボール径に対して包絡コンフォーマビリティ係数を有する重複尖りゴシック・アーチ形状の構造の設計を示す図である。 接触角を形成し、重複平行前進運動転動円周としてボールに生成され、ボールの中心の位置を安定に維持する、ナットの接触点及び重複尖りゴシック・アーチの一方側の軌道の帯の重複楕円及びスクリュの対向重複尖りゴシック・アーチ側の点及び帯を示す図である。 重複接触点及び重複尖りゴシック・アーチの点における予圧力の分割を正面から見た図である。 接触角を形成し、ボールの重複接触点転動を可能とする重複尖りゴシック・アーチ形状を有するねじの輪郭を備える、本発明の目的とする、予圧されたボールねじの立面図である。

Claims (2)

1. 改良し、予圧したボールねじ（１）において、該ボールねじは、予圧した、循環式の、ダブル・ナット（２）であって、各アーチに２つの構造中心を備える、重複尖りゴシック・アーチ形状（５．１）の溝形断面輪郭を有する螺旋ねじが該ナットの内面に切削されてボールが重複接触点（５．３）で転動する、重複平行転動軌道（６）によりボールを案内し、ボールの中心（４．１）の位置を維持し、各アーチに２つの構造中心を備える重複尖りゴシック・アーチ（５．２）形状の溝形断面輪郭を有する螺旋ねじ山が外面に切削されたスクリュ（３）に組み付けられたダブル・ナット（２）と、転動するボール（４）であって、これに対する圧力により、該ナットねじ輪郭の重複点（５．３．１）及び、接触角を形成する、該スクリュ輪郭の、他の対向する重複点（５．３．２）であり、且つ同軸結合時に、組み付けにより、螺旋管内部に、該スクリュ及びナットねじを形成する重複接触点（５．３）の重複尖りゴシック・アーチ形状輪郭を備えるボール循環路を形成する、それらの重複点（５．３．１及び５．３．２）に対する接線状接触により、或る角度で力を伝達するボール（４）とによって形成されることを特徴とする、予圧したボールねじ。
2. ナット側及びスクリュ側接触点数の組合せを１点対１点としない限り如何様にも組み合わせて製作することが可能とされることを特徴とする請求項１に記載の予圧されたボールねじ。
   
   

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