JP2021060104A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】ナットに荷重が作用している時の剛性を高くでき且つナットに荷重が作用していない時の発熱を抑制できるボールねじを提供すること。【解決手段】ボールねじは、内周面に設けられ且つ溝幅が一定である第１ねじ溝、及び相手部品が取り付けられる取付部を備えるナットと、外周面に設けられ且つ溝幅が一定である第２ねじ溝を備え、ナットを貫通するねじ軸と、第１ねじ溝と第２ねじ溝との間の空間である第１転動路に配置される複数の第１ボールと、第１ねじ溝と第２ねじ溝との間の空間であって第１転動路とは隔てられた第２転動路に配置される複数の第２ボールと、を備える。第２転動路は、第１転動路よりも取付部側に配置される。第１ボールには、予圧が付与されている。第２ボールの直径は、第１ボールの直径よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじに関する。

ナット、ナットを貫通するねじ軸、及びナットねじ軸との間に配置される複数のボールを備えるボールねじが知られている。特許文献１には、ボールねじの一例が記載されている。特許文献１に記載されるように、ボールに予圧が付与されることがある。

特開２０１６−２０５６１９号公報

ところで、ボールねじが工作機械等に用いられる場合、加工精度を高くするため、ナットに荷重が作用している時にボールねじに高い剛性が求められる。例えば、ボールに付与される予圧を大きくすれば、ボールねじの剛性は高くなる。しかし、ボールに付与される予圧が大きいと、ナットに荷重が作用していない時にボールねじを早送りすると発熱が大きくなる。

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、ナットに荷重が作用している時の剛性を高くでき且つナットに荷重が作用していない時の発熱を抑制できるボールねじ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、本開示の一態様に係るボールねじは、内周面に設けられ且つ溝幅が一定である第１ねじ溝、及び相手部品が取り付けられる取付部を備えるナットと、外周面に設けられ且つ溝幅が一定である第２ねじ溝を備え、前記ナットを貫通するねじ軸と、前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝との間の空間である第１転動路に配置される複数の第１ボールと、前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝との間の空間であって前記第１転動路とは隔てられた第２転動路に配置される複数の第２ボールと、を備え、前記第２転動路は、前記第１転動路よりも前記取付部側に配置され、前記第１ボールには、予圧が付与されており、前記第２ボールの直径は、前記第１ボールの直径よりも小さい。

ねじ軸が回転することによって、ナット及び相手部品が移動する。相手部品が対象物に接すると、取付部に荷重が作用する。荷重Ｆによって、ナットが変形する。ナットの変形量は、取付部に近い部分ほど大きい。このため、取付部に近い第２転動路において、第１ねじ溝が取付部とは反対方向にずれる。これにより、荷重がナットに作用している場合には、第１ボール及び第２ボールが荷重を負担するので、ボールねじの剛性が向上する。取付部に作用する荷重がなくなると、第２転動路における第１ねじ溝の変形が元に戻る。これにより、第２ボールが荷重を負担しない状態となる。このため、ナットに荷重が作用しない時には、第２ボールにおける摩擦が抑制される。その結果、ボールねじの発熱が抑制される。したがって、本開示のボールねじは、ナットに荷重が作用している時の剛性を高くでき且つナットに荷重が作用していない時の発熱を抑制できる。

本開示のボールねじは、ナットに荷重が作用している時の剛性を高くでき且つナットに荷重が作用していない時の発熱を抑制できる。

図１は、本実施形態のボールねじの断面図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態）
図１は、本実施形態のボールねじの断面図である。ボールねじ１０は、回転運動を直進運動に変換する装置である。図１に示すように、本実施形態のボールねじ１０は、ナット２０と、ねじ軸３０と、第１転動路６１と、第１転動路６３と、第２転動路６５と、複数の第１ボール４１と、複数の第２ボール４２と、を備える。

本実施形態のボールねじ１０は、例えば工作機械に適用される。工作機械の具体例としては、ドリル加工機が挙げられる。ボールねじ１０において、ねじ軸３０が回転軸Ｚを中心に回転する。ねじ軸３０は、回転軸Ｚを中心に回転でき且つ回転軸Ｚに沿う方向には移動しないように、支持構造によって支持される。ナット２０は、回転軸Ｚを中心に回転せず且つ回転軸Ｚに沿う方向に移動できるように、支持構造によって支持される。ねじ軸３０が回転すると、ナット２０が回転軸Ｚに沿う方向に移動する。

以下の説明において、ねじ軸３０の回転軸Ｚに沿う方向は、単に軸方向と記載される。軸方向に対して直交する方向は、単に径方向と記載される。径方向は、放射方向とも呼ばれる。

図１に示すように、ナット２０は、本体部２１と、フランジ部２３と、第１ねじ溝２５と、循環路２６と、循環路２７と、循環路２８と、を備える。を備える。本体部２１は、円筒状の部材である。フランジ部２３は、本体部２１の軸方向の一端に配置される。フランジ部２３は、本体部２１から径方向の外側に向かって延びる。フランジ部２３は、円環状の部材である。第１ねじ溝２５は、本体部２１の内周面に配置される。第１ねじ溝２５は、螺旋状の溝である。第１ねじ溝２５の溝幅は、一定である。溝幅とは、溝が螺旋状に延びていく方向及び溝の深さ方向の両方に対して直交する方向の幅である。例えば、第１ねじ溝２５の断面形状は、２つの円弧を含むゴシックアーチである。断面形状とは、回転軸Ｚを含む平面で切った場合の断面における形状である。循環路２６、循環路２７及び循環路２８は、本体部２１に設けられる通路である。例えば、循環路２６、循環路２７及び循環路２８は、本体部２１に取り付けられる循環部品によって形成される。循環部品は、例えばコマである。

図１に示すように、ナット２０には、相手部品９０が取り付けられる。相手部品９０は、例えばドリルである。ナット２０は、相手部品９０が取り付けられる取付部２９を備える。本実施形態において、取付部２９は、フランジ部２３とは反対側の端面である。相手部品９０は、ナット２０に軸方向の荷重を加える。ナット２０が移動し相手部品９０が対象物に接すると、相手部品９０を介して取付部２９に軸方向の荷重が加わる。より具体的には、相手部品９０がドリルである場合、相手部品９０が接する対象物は、加工対象物（切削対象物）である。

図１に示すように、ねじ軸３０は、ナット２０を貫通する。ねじ軸３０は、例えば電動モータ等と接続されており、回転軸Ｚを中心に回転できる。ねじ軸３０は、外周面に第２ねじ溝３５を備える。第２ねじ溝３５は、螺旋状の溝である。第２ねじ溝３５の溝幅は、一定であり、第１ねじ溝２５の溝幅と等しい。第２ねじ溝３５の断面形状は、第１ねじ溝２５の断面形状と等しい。例えば、第２ねじ溝３５の断面形状は、２つの円弧を含むゴシックアーチである。第２ねじ溝３５のピッチは、一定である。

図１に示すように、第２ねじ溝３５のピッチをＬとする。第１ねじ溝２５のピッチは、一定ではない。第１ねじ溝２５の一部において、ピッチは、第２ねじ溝３５のピッチよりも大きく、Ｌ＋αである。第１ねじ溝２５の一部において、ピッチは、第２ねじ溝３５のピッチよりも小さく、Ｌ−αである。第１ねじ溝２５のその他の部分において、ピッチは、第２ねじ溝３５のピッチと等しく、Ｌである。

第１転動路６１は、第１ねじ溝２５と第２ねじ溝３５との間に形成される螺旋状の空間である。第１転動路６１は、第１ねじ溝２５のうちピッチがＬである部分と、第２ねじ溝３５との間に形成される。第１転動路６１は、回転軸Ｚを中心に１周する通路である。第１転動路６１の一端と他端は、循環路２６によって繋がれる。

第１転動路６３は、第１ねじ溝２５と第２ねじ溝３５との間に形成される螺旋状の空間である。第１転動路６３は、第１ねじ溝２５のうちピッチがＬである部分と、第２ねじ溝３５との間に形成される。第１転動路６３は、第１転動路６１よりも取付部２９側に配置される。第１転動路６１と第１転動路６３との間には、第１ねじ溝２５のうちピッチがＬ＋αである部分が配置される。第１転動路６３は、回転軸Ｚを中心に１周する通路である。第１転動路６３の一端と他端は、循環路２７によって繋がれる。第１転動路６３は、第１転動路６１とは隔てられている。

第２転動路６５は、第１ねじ溝２５と第２ねじ溝３５との間に形成される螺旋状の空間である。第２転動路６５は、第１ねじ溝２５のうちピッチがＬである部分と、第２ねじ溝３５との間に形成される。第２転動路６５は、第１転動路６３よりも取付部２９側に配置される。第１転動路６３と第２転動路６５との間には、第１ねじ溝２５のうちピッチがＬ−αである部分が配置される。第２転動路６５は、回転軸Ｚを中心に１周する通路である。第２転動路６５の一端と他端は、循環路２８によって繋がれる。第２転動路６５は、第１転動路６３とは隔てられている。

図１に示すように、複数の第１ボール４１は、第１転動路６１及び第１転動路６３に配置される。複数の第１ボール４１は、循環路２６によって第１転動路６１の中で無限循環する。複数の第１ボール４１は、循環路２７によって第１転動路６３の中で無限循環する。第１転動路６１及び第１転動路６３が互いに隔てられているので、第１転動路６１の第１ボール４１は第１転動路６３には行かず、第１転動路６３の第１ボール４１は第１転動路６１には行かない。

図１に示すように、複数の第２ボール４２は、第２転動路６５に配置される。複数の第２ボール４２は、循環路２８によって第２転動路６５の中で無限循環する。第２ボール４２の直径Ｄ２は、第１ボール４１の直径Ｄ１よりも小さい。第１転動路６３及び第２転動路６５が互いに隔てられているので、第２ボール４２は、第１転動路６３には行かない。

第２転動路６５においては、第１ねじ溝２５の軸方向の位置が、第２ねじ溝３５の軸方向の位置と等しい。すなわち、第２転動路６５においては、径方向から見た場合に第１ねじ溝２５の全部が第２ねじ溝３５と重なっている。第２ボール４２には予圧が付与されていない。すなわち、第２ボール４２は、第１ねじ溝２５及び第２ねじ溝３５の一方にのみ接している。

第１転動路６３と第２転動路６５との間に第１ねじ溝２５のうちピッチがＬ−αである部分が配置されることによって、第１転動路６３に配置される第１ボール４１には予圧が付与される。第１転動路６３の第１ボール４１は、第１ねじ溝２５に１点で接し、且つ第２ねじ溝３５に１点で接する。より具体的には、第１転動路６３の第１ボール４１は、第１ねじ溝２５のうち溝底に対して取付部２９とは反対側の表面で接し、且つ第２ねじ溝３５のうち溝底に対して取付部２９側の表面で接する。

第１転動路６１と第１転動路６３との間に第１ねじ溝２５のうちピッチがＬ＋αである部分が配置されることによって、第１転動路６１に配置される第１ボール４１には、第１転動路６３に配置される第１ボール４１とは逆方向の予圧が付与される。第１転動路６１の第１ボール４１は、第１ねじ溝２５に１点で接し、且つ第２ねじ溝３５に１点で接する。より具体的には、第１転動路６１の第１ボール４１は、第１ねじ溝２５のうち溝底に対して取付部２９側の表面で接し、且つ第２ねじ溝３５のうち溝底に対して取付部２９とは反対側の表面で接する。

例えば、ボールねじ１０がドリル加工機に適用される場合、ナット２０の取付部２９に相手部品９０としてドリルが取り付けられる。ねじ軸３０が回転することによって、ナット２０及びドリルが加工対象物に近付く。ドリルが加工対象物に接すると、図１に示すように取付部２９に荷重Ｆが作用する。荷重Ｆによって、ナット２０が変形する。ナット２０の変形量は、取付部２９に近い部分ほど大きい。このため、取付部２９に近い第２転動路６５において、第１ねじ溝２５が取付部２９とは反対方向にずれる。これにより、第２ボール４２は、第１ねじ溝２５に１点で接し、且つ第２ねじ溝３５に１点で接するようになる。荷重Ｆがナット２０に作用している場合には、第１ボール４１及び第２ボール４２が荷重を負担するので、ボールねじ１０の剛性が向上する。より具体的には、剛性とは、軸方向の剛性（軸剛性）である。ボールねじ１０の剛性が向上することによって、加工対象物の加工精度が向上する。

加工対象物を加工した後、ドリルが元の位置に戻すために、ナット２０は、加工対象物を加工する時とは逆方向に早送りさせられる。仮にナット２０が逆方向に早送りする時も第１ボール４１及び第２ボール４２が荷重を負担する場合、ボールねじ１０の発熱が大きくなる。ボールねじ１０の発熱が大きくなると、ねじ軸３０等に熱伸びが生じる。このため、加工精度が低下する可能性がある。

これに対して、本実施形態のボールねじ１０においては、ドリルが加工対象物から離れると、取付部２９に作用する荷重Ｆがなくなるので、第２転動路６５における第１ねじ溝２５の変形が元に戻る。これにより、第２ボール４２が荷重を負担しない状態となる。このため、ナット２０が逆方向に移動させられる時には、第２ボール４２における摩擦が抑制される。また、加工対象物の加工時には第１ボール４１及び第２ボール４２で荷重を負担するので、第１ボール４１に付与される予圧を小さくすることが可能である。このため、ナット２０が逆方向に移動させられる時の第１ボール４１における摩擦が抑制される。その結果、ボールねじ１０の発熱が抑制される。

なお、相手部品９０が取り付けられる取付部２９は、必ずしもフランジ部２３とは反対側の端面でなくてもよい。例えば、取付部２９は、フランジ部２３であってもよい。この場合、第１転動路６１、第１転動路６３及び第２転動路６５のうち、第２転動路６５がフランジ部２３の最も近くに配置される。

ナット２０は、必ずしも第１転動路６１、第１転動路６３及び第２転動路６５を備えていなくてもよい。例えば、ナット２０は、転動路として、第１転動路６１を備えておらず、第１転動路６３及び第２転動路６５のみを備えていてもよい。ナット２０は、第１転動路６１、第１転動路６３及び第２転動路６５の他に転動路を備えていなくてもよい。ナット２０が備える転動路の数は、特に限定されない。第１転動路６１及び第１転動路６３は、繋がっていてもよい。循環部品は、必ずしもコマでなくてもよく、リターンチューブ等であってもよい。

ボールねじ１０は、必ずしも工作機械に適用されなくてもよい。ボールねじ１０は、その他の装置にも幅広く適用できる。また、ボールねじ１０が工作機械に適用される場合でも、相手部品９０は、必ずしもドリルでなくてもよく、特に限定されない。

以上で説明したように、ボールねじ１０は、ナット２０と、ねじ軸３０と、複数の第１ボール４１と、複数の第２ボール４２と、を備える。ナット２０は、内周面に設けられ且つ溝幅が一定である第１ねじ溝２５、及び相手部品９０が取り付けられる取付部２９を備える。ねじ軸３０は、外周面に設けられ且つ溝幅が一定である第２ねじ溝３５を備え、ナット２０を貫通する。複数の第１ボール４１は、第１ねじ溝２５と第２ねじ溝３５との間の空間である第１転動路６１（第１転動路６３）に配置される。複数の第２ボール４２は、第１ねじ溝２５と第２ねじ溝３５との間の空間であって第１転動路６１（第１転動路６３）とは隔てられた第２転動路６５に配置される。第２転動路６５は、第１転動路６１（第１転動路６３）よりも取付部２９側に配置される。第１ボール４１には、予圧が付与されている。第２ボール４２の直径Ｄ２は、第１ボール４１の直径Ｄ１よりも小さい。

ねじ軸３０が回転することによって、ナット２０及び相手部品９０が移動する。相手部品９０が対象物に接すると、取付部２９に荷重Ｆが作用する。荷重Ｆによって、ナット２０が変形する。ナット２０の変形量は、取付部２９に近い部分ほど大きい。このため、取付部２９に近い第２転動路６５において、第１ねじ溝２５が取付部２９とは反対方向にずれる。これにより、荷重Ｆがナット２０に作用している場合には、第１ボール４１及び第２ボール４２が荷重を負担するので、ボールねじ１０の剛性が向上する。取付部２９に作用する荷重Ｆがなくなると、第２転動路６５における第１ねじ溝２５の変形が元に戻る。これにより、第２ボール４２が荷重を負担しない状態となる。このため、ナット２０に荷重Ｆが作用しない時には、第２ボール４２における摩擦が抑制される。その結果、ボールねじ１０の発熱が抑制される。したがって、本実施形態のボールねじ１０は、ナットに荷重が作用している時の剛性を高くでき且つナットに荷重が作用していない時の発熱を抑制できる。

１０ ボールねじ
２０ ナット
２１ 本体部
２３ フランジ部
２５ 第１ねじ溝
２６、２７、２８ 循環路
２９ 取付部
３０ ねじ軸
３５ 第２ねじ溝
４１ 第１ボール
４２ 第２ボール
６１、６３ 第１転動路
６５ 第２転動路
９０ 相手部品
Ｄ１、Ｄ２ 直径
Ｆ 荷重
Ｚ 回転軸

Claims (1)

1. 内周面に設けられ且つ溝幅が一定である第１ねじ溝、及び相手部品が取り付けられる取付部を備えるナットと、
   外周面に設けられ且つ溝幅が一定である第２ねじ溝を備え、前記ナットを貫通するねじ軸と、
   前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝との間の空間である第１転動路に配置される複数の第１ボールと、
   前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝との間の空間であって前記第１転動路とは隔てられた第２転動路に配置される複数の第２ボールと、
   を備え、
   前記第２転動路は、前記第１転動路よりも前記取付部側に配置され、
   前記第１ボールには、予圧が付与されており、
   前記第２ボールの直径は、前記第１ボールの直径よりも小さい
   ボールねじ。

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