JP2024043042A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】高速化に対応でき、耐久性を高めることができるボールねじを提供する。【解決手段】ボールねじは、外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、内周ねじ溝が形成されたナットと、対向する前記外周ねじ溝と前記内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、前記ボールを前記転動路の一端から他端に戻すリターンチューブと、を有し、前記リターンチューブは、前記転動路に向かって突出し、前記転動路から前記ボールを掬い上げるタングを有し、前記タングは、前記タングの付け根から先端に向かうにつれて漸次幅狭となる形状を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、ボールねじに関する。

ボールねじは、内周面に雌ねじ溝が形成されたナットと、外周面に雄ねじ溝が形成されたねじ軸と、ナットの雌ねじ溝とねじ軸の雄ねじ溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、前記軌道内をボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動する装置である。ボールねじのボール戻し経路としては、組み立てが容易である等の利点からリターンチューブ方式を採用することがある。

特許文献1には、リターンチューブ方式のボールねじの一例が開示されている。このボールねじにおいては、循環部品としてのリターンチューブの先端部が、チューブ軸線に垂直なベースラインに沿った端面と、ベースラインから舌状に突出するタングとからなり、タングは軌道内に突き出ており、軌道からリターンチューブ内へとボールを掬い上げるように機能する。

特開２００７－２８５３７９号公報

ところで、ボールねじの高速化に向けての要請は、ボールねじを使用する機械のサイクルタイム短縮のため常に市場から行われているが、ボールねじの高速化を実現するためには、ねじ軸の許容回転数を高める必要がある。しかしながら、ねじ軸の許容回転数を高めることにより、ボールは軌道に沿って高速で転動することとなる。

特許文献１のボールねじにおいて、高速で転動してきたボールは、軌道から掬い上げられる際にタングに衝突する。その際に、タングの根元には大きな応力が付与されるとともに、循環するボールは順次タングに当たるため、タングには繰り返し荷重が付与されることとなる。

一般的に、ねじ軸の許容回転数は、循環部品のボール衝突による疲労強度によって決まるとされている。疲労強度は、一般的には繰返し応力の大きさと荷重繰返し数によって決定される。したがって、タングに生じる応力をいかにして低減させるかが、ボールねじの高速化への課題となっている。

かかる課題に対して、高速化に対応させるためタングをねじ溝の接線方向に向けてボールの掬い上げを行うことで、タングに加わるボールの衝撃を低減するように工夫されたボールねじが開発されている。しかしながら、肉厚のあるタングを、完全に接線方向に一致させることは困難であり、使用回転数の増大につれてタングに付与されるボールの衝撃も増大するため、タングの応力をより低減することが望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、高速化に対応でき、耐久性を高めることができるボールねじを提供することを目的とする。

本発明のボールねじは、
外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、
内周ねじ溝が形成されたナットと、
対向する前記外周ねじ溝と前記内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、
前記ボールを前記転動路の一端から他端に戻すリターンチューブと、を有し、
前記リターンチューブは、前記転動路に向かって突出し、前記転動路から前記ボールを掬い上げるタングを有し、
前記タングは、前記タングの付け根から先端に向かうにつれて漸次幅狭となる形状を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、高速化に対応でき、耐久性を高めることができるボールねじを提供することができる。

図１は、第１の実施形態にかかるボールねじの構成を示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態にかかるボールねじの一部を示す軸線方向に沿った部分断面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線に沿う断面図であるが、一部のみ図示する。 図４（ａ）、（ｂ）は、異なる方向から見たリターンチューブの端部を示す図である。 図５は、縦軸にタング先端の剛性比（ボール直径に対するタング長さの割合が６０％を基準とする）をとり、横軸にボール直径に対するタング長さの割合をとって示すグラフである。 図６（ａ）、（ｂ）は、変形例にかかるリターンチューブの端部を示す図４（ａ）、（ｂ）と同様な図である。 図７（ａ）～（ｃ）は、第２の実施形態にかかるボールねじのリターンチューブの端部を示す図である。 図８は、変形例１にかかるリターンチューブを含むボールねじを示す図３と同様な断面図である。 図９は、変形例２にかかるボールねじを示す図８と同様な断面図である。

以下、本発明に係るボールねじの実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるボールねじの構成を示す斜視図であり、図２は、第１の実施形態にかかるボールねじの一部を示す軸線方向に沿った部分断面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ線に沿う断面図であるが、矢印Ａの方向に見た断面図を２次元座標系に見立てて第１象限に相当する部分のみを図示し、またセパレータは省略している。

図１、２に示すように、本実施形態のボールねじ１は、螺旋状に連続するねじ溝（外周ねじ溝）１０ａが外周面に形成されたねじ軸１０と、螺旋状に連続するねじ溝（内周ねじ溝）２０ａが内周面に形成された筒状のナット２０とを備えている。

ねじ軸１０は、軸線方向に沿ってナット２０に挿通されており、ねじ軸１０のねじ溝１０ａとナット２０のねじ溝２０ａとが対向して、両ねじ溝１０ａ，２０ａ間の空間により螺旋状の転動路４０が形成されている。この転動路４０内には、複数のボール（転動体）３０が転動自在に装填されており、このボール３０を介してナット２０がねじ軸１０に対して相対回転可能に結合されている。本実施形態では、隣接するボール３０の間にセパレータ３１を配設してボール３０同士の接触を抑制しているが、セパレータは無くてもよい。セパレータについては、例えば特開２００２－２０６６１７号公報に記載されている。

ナット２０の外面の一部は平坦に削られていて、この軸方向に平行な平面２１上に、略Ｕ字状に屈曲した３本のリターンチューブ５０が固定されている。このリターンチューブ５０の内側が、転動路４０の一端から他端へとボール３０を戻す戻し路を形成する。ナット２０には、この平面２１に開口し、ナット２０のねじ溝２０ａと連通する貫通孔２２が、リターンチューブ５０ごとに２つ設けられていて、各リターンチューブ５０の端部５１がこの両貫通孔２２に平面２１側から挿入され、図２に示すように、ねじ溝１０ａのリード角に沿って傾いて配置されている。各リターンチューブ５０の中央部５２が、平面２１上に配されて、留め具６０により固定されている。本実施形態では、１つのナット２０に３本のリターンチューブ５０を取り付けているが、２本以下、または４本以上のリターンチューブを取り付けてもよい。

リターンチューブ５０は、金属製であって、中央部５２と、その両端にそれぞれ接続された端部５１が製造時から一体化された構造を持つが、中央部５２と端部５１とを別個に製造したのち、これらを接合してリターンチューブ５０としてよい。

図３において、リターンチューブ５０の端部５１は、円周方向の一部の位相に形成されて、転動路内に舌状に突出するタング５１ｂと、タング５１ｂの付け根に形成された一対の円弧状部５１ｃとを有する。本実施形態においては、タング５１ｂに対向する側であって一対の円弧状部５１ｃの間に、略半円状の端縁５１ａが形成されており、端縁５１ａは端部５１の中心線に直交する。円弧状部５１ｃと略半円状の端縁５１ａとは角部を形成するように交差しているが、円弧状部５１ｃと半円状の端縁５１ａの交差部を滑らかな円弧状に形成してもよい。タング５１ｂの内側面（端縁５１ａに対向する面）は、リターンチューブ５０の内周と同じ曲率半径で湾曲し、また先端に向かうにつれて薄肉となる形状を有する。円弧状部５１ｃからタング５１ｂの先端に至る輪郭線は、滑らかな曲線を描いている。

端部５１の外周面が貫通孔２２の内周面に全周にわたって嵌合するとともに、端縁５１ａが貫通孔２２内に形成された段部２２ａに当接するようにして、端部５１が貫通孔２２に設置される。これによりナット２０に対するリターンチューブ５０の位置決めを行える。

図４（ａ）は、中央部５２から切断した端部５１を、タング５１ｂの中心線上の任意の点の法線方向に沿って見た図であり、図４（ｂ）は、端部５１を図４（ａ）とは異なる方向から見た図である。

タング５１ｂの長さＬは、ボール３０の外径の７０％以上であると好ましい。また、図４（ａ）に示すように、タング５１ｂは付け根から先端Ｐ３に向かうにつれて漸次幅狭となる形状を有し、すなわちタング５１ｂの中心線を挟む両側面は、平行となる部位を有しない。タング５１ｂの先端Ｐ３からＬ／２の距離において、タング５１ｂの幅は、リターンチューブ５０の外径Ｄの１／２～２／３の範囲にあると好ましい。また円弧状部５１ｃの内縁における曲率半径Ｒは、リターンチューブ５０の外径Ｄの１／１０～３／１０であると好ましい。少なくともタング５１ｂの硬度は、ＨＲＣ３０以上であると好ましい。

図３を参照して、ボール３０は転動路４０内を移動しつつ、ねじ軸１０の回りを複数回転動して転動路４０の終点（リターンチューブ５０と転動路４０との交点）に至り、リターンチューブ５０の一方の端部（開口部）からタング５１ｂを介してリターンチューブ５０内に掬い上げられる。

より具体的に、ねじ軸１０のねじ溝１０ａに沿って転動してきたボール３０は、貫通孔２２の位置でタング５１ｂによって掬い上げられる。また、リターンチューブ５０を通過したボール３０は、反対側のタング５１ｂより転動路内に戻される。

ここで、ボールねじ１が高速で使用される場合、高速で転動してきたボール３０がタング５１ｂに衝突して発生するエネルギーも増大する。仮にタング５１ｂの剛性が高すぎた場合、タング５１ｂが受ける局所的応力も高くなり、さらに応力集中によってタング５１ｂの付け根に亀裂などが生じる恐れもある。また、ボール３０は間欠的にタング５１ｂに衝突するため、いわゆる繰り返し荷重がタング５１ｂに付与されることとなり、これによりタング５１ｂに疲労破壊（たとえば剥離等）を生じるおそれがある。

そこで、本実施形態においては、タング５１ｂを付け根から先端Ｐ３に向かうにつれて漸次幅狭となる形状とすることにより、タング５１ｂの剛性を制御しつつ低下させ、すなわち撓みやすくすることで応力緩和を図っている。また、付け根に向かうほど、タング５１ｂの強度が高まるため、ボール３０の衝接時における付け根の応力集中を緩和できる。

応力集中を避けるために、タング５１ｂの先端Ｐ３から付け根（円弧状部５１ｃ）に向かって、徐々に断面二次モーメントを大きくすることが望ましく、すなわち急激に断面二次モーメントが大きくなる箇所や、断面二次モーメントが等しい箇所（タングの肉厚及び幅が等しい箇所）を持たないようにするとよい。そのためタング５１ｂは先端から扇状に広がる形状とし、両側面が平行となる部位を持たないようにする。

図４（ａ）において、タング５１ｂの先端Ｐ３と、先端Ｐ３から等距離にある両側面の任意の２点Ｐ４，Ｐ５とを通過する仮想平面上にて、点Ｐ４，Ｐ５の接線Ｌ４，Ｌ５のなす角を開き角θとすると、開き角θは、タング５１ｂの中心線に沿う先端Ｐ３から２点Ｐ４，Ｐ５までの距離ｘが増大するにつれて漸次減少する。ただし、開き角θは、タング５１ｂの中心線に沿って先端Ｐ３から（２Ｌ／３）～Ｌの距離の範囲で、変曲点を起点として漸次増大することが望ましい。

ここで、ボール３０の衝撃力とタング５１ｂの剛性との関係について考察する。タング５１ｂを、リターンチューブ５０の中心線から離れる方向に撓むことができる片持ち梁としてモデル化し、そのばね定数をＫ、ボール３０が衝突するタング５１ｂ先端のたわみ量をσとすると、片持ち梁に蓄積されるエネルギーＵは以下の式（１）で表せる。
Ｕ＝（Ｋ・σ^２）／２ （１）

一方、ボール３０の運動エネルギーＷは、タング５１ｂに衝突する際の速度をｖ、その質量をｍとして、以下の式（２）で表せる。
Ｗ＝（ｍ・ｖ^２）／２ （２）

タング５１ｂが最大に撓んだ時、タング５１ｂを撓ませる方向におけるボール３０の速度が０ｍ／ｓとなるとすると、Ｕ＝Ｗが成立する。さらにσを衝突時の最大荷重Ｐ_ｍａｘで表すと、σ＝Ｋ・Ｐ_ｍａｘである。以上の関係から、以下の式（３）が成立する。
Ｐ_ｍａｘ＝ｖ√（ｍＫ） （３）

式（３）から、タング５１ｂに加わる最大荷重Ｐ_ｍａｘは、タング５１ｂのたわみ剛性Ｋの（１／２）乗に比例することがわかる。この結果からボール衝撃力を緩和するためには、タング５１ｂの剛性をある程度小さくすることが効果的であることがわかる。

ここで、タング５１ｂのたわみ剛性を小さくするために、以下の２つの手法を提案する。

（第１の手法）
タング５１ｂの長さＬをボール３０の直径の７０％以上とする。
通常、タング５１ｂはねじ軸１０のねじ溝１０ａ（深さがボール３０の直径の約４０～４５％）に向かって挿入される構造であるため、その長さは、ねじ溝１０ａの深さよりも多少長く、一般的にはボール３０の直径の５０～６０％程度とすることが多い。たわみ剛性は、タング５１ｂが長いほど小さくなるため衝突力も小さくできる。

本発明者は、衝撃力が２０％低減されることを目標としてタング５１ｂをどれだけ伸ばせばよいか検討した。図５に、ボール３０の直径の６０％の長さＬを持つタング５１ｂの剛性を１として、長さＬをより長くした場合に、どれだけの剛性低下が生じるかを計算した結果を示す。

衝撃により、従来のタング５１ｂに蓄積されるエネルギーを１００％として、それから２０％下げて蓄積されるエネルギーを８０％とするためには、式（１）よりタング５１ｂの剛性を８０％の２乗である６４％に低下させる必要がある。そのためには図５のグラフより、タング５１ｂの長さＬをボール３０の直径の７０％以上とするとよく、さらにはボール３０の直径の７５％以上とすると、タング５１ｂの剛性が５０％以上低下して、蓄積されるエネルギーは３０％低下するため、より好ましい。

（第２の手法）
タング５１ｂの最大肉厚をボール３０の直径の２５％以内とする。
タング５１ｂの肉厚を薄くすることで撓み方向の剛性を低下させることができる。一方で、タング５１ｂの肉厚が薄くなりすぎると、強度が低くなりすぎて衝撃力に耐えられなくなるため、可能な範囲で薄くすることが望ましく、例えばボール３０の直径の１０％以上とするとよい。またタング５１ｂの肉厚はできるだけ均一として、局所的に肉厚が増える部分を作らないことが望ましい。

リターンチューブ５０が金属製である場合は、タング５１ｂの剛性が高くなりやすいため、本実施形態をより好適に適用できる。リターンチューブ５０を金属製とすると、樹脂製である場合と比較して、高温下、特に８０℃以上での使用が可能になる。

また、ボール３０の直径が大きくなると、それに応じて衝撃力も大きくなる。高荷重を受けるボールねじ１に使用されるボール３０の直径が１２．７ｍｍ以上、かつねじ軸１０の直径が６３ｍｍ以上で、本実施形態をより好適に適用できる。

さらに強度を上げるため、リターンチューブ５０の素材を、比較的耐久性が高いＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１として、タング５１ｂの硬度をＨＲＣ３０以上とすることが望ましい。

（変形例）
図６は、変形例にかかるリターンチューブの端部５１Ａを示す図４と同様な図である。本変形例においては、第１の実施形態に対して円弧状部５１Ａｃの曲率半径をより小さくしている。それ以外の構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

第１の実施形態及び変形例においては、リターンチューブの端部が製造時から一体化されているが、チューブ素材を３次元的に折り曲げてリターンチューブを形成することが困難な場合もある。以下の第２の実施形態によれば、かかる課題を克服できる。

（第２の実施形態）
図７（ａ）は、第２の実施形態にかかるボールねじのリターンチューブが半割とされた一方の第１半割リターンチューブ５０Ｂ１を示す図である。図７（ｂ）は、第１半割リターンチューブ５０Ｂ１の端部５１Ｂ１を示す図であり、視認する方向を変えて示している。図７（ｃ）は、第１半割リターンチューブ５０Ｂ１と、リターンチューブの半割の他方である第２半割リターンチューブ５０Ｂ２とが接合された端部５１Ｂを示す図である。第２の実施形態では、リターンチューブを半割として形成すること、および端部５１Ｂ以外の構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

第２の実施形態において、図７（ｃ）に示すように、それぞれ別個に形成された第１半割リターンチューブ５０Ｂ１と第２半割リターンチューブ５０Ｂ２とを、合わせ面ＦＰにて接合することにより、リターンチューブが形成される。このように、第１半割リターンチューブ５０Ｂ１と第２半割リターンチューブ５０Ｂ２とをそれぞれ形成することで、たわみ剛性を下げることができ、ボール衝突による衝撃力をより小さくできる。ただし、第１半割リターンチューブ５０Ｂ１及び第２半割リターンチューブは、中央部及び両端側をさらに分割して形成してもよい。

本実施形態において、リターンチューブが半割とされることで、第１半割リターンチューブ５０Ｂ１の端部５１Ｂ１に形成されたタング５１Ｂｂは、任意の形状に精度よく設定できるなど、製造上の制限が少なくなる。また、応力集中を回避するための円弧状部もタング５１Ｂｂの付け根に設ける必要はない。よって、本変形例２においては、図７（ｃ）に示すように、タング５１Ｂｂの付け根は、第２半割リターンチューブ５０Ｂ２の端縁５１Ｂａにつながるように接合している。ただし、上述した実施形態のように円弧状部を形成してもよい。なお、個別に製造された３つ以上の部品を接合して、端部５１Ｂを形成するようにしてもよい。

（変形例１）
図８は、変形例１にかかるリターンチューブを含むボールねじを示す図３と同様な断面図である。リターンチューブの端部５１Ｃ以外の構成は、第２の実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

本変形例のリターンチューブも、別個に製造されて接合される第１半割リターンチューブ５０Ｃ１と、第２半割リターンチューブ５０Ｃ２とを接合してなり、端部５１Ｃは、第１半割リターンチューブ５０Ｃ１の端部５１Ｃ１と第２半割リターンチューブ５０Ｃ２の端部５１Ｃ２とからなる。第１半割リターンチューブ５０Ｃ１の端部５１Ｃ１は、図７に示す第１半割リターンチューブ５０Ｂ１の端部５１Ｂ１とほぼ同様の形状を有し、タング５１Ｃｂを備える。一方、第２半割リターンチューブ５０Ｃ２の端部５１Ｃ２は、第２半割リターンチューブ５０Ｂ２の端部５１Ｂ２に対して、タング５１Ｃｂと対向する側に形成された上半部５１Ｃａが、肉厚化された隆起部５１Ｃｄを有する。隆起部５１Ｃｄの外表面は、貫通孔２２の内周形状と略一致した形状を有する。これにより第１半割リターンチューブ５０Ｃ１の端部５１Ｃ１が貫通孔２２の内周面と接する接点（中央部に近い側）Ｐ１に対し、端部５１Ｃの中心線を挟んで対向する側にて、隆起部５１Ｃｄは貫通孔２２の内周面と面接触する。このため、端部５１Ｃを貫通孔２２に設置したときに、リターンチューブ５０Ｃの保持性が向上する。

また、隆起部５１Ｃｄとは反対側の端部５１Ｃの外周面（タング５１Ｃｂの付け根側）は、貫通孔２２に対して接点Ｐ１で接するが、接点Ｐ１よりもナット２０の中心側では接していない。すなわち、第１半割リターンチューブ５０Ｃ１の端部５１Ｃ１と貫通孔２２の内周面との間には、タング５１Ｃｂが形成される円周方向の位相において、接点Ｐ１よりもナットの中心側に隙間ＣＬが形成されており、この隙間ＣＬによりタング５１Ｃｂの撓みを許容している。

（変形例２）
図９は、変形例２にかかるボールねじを示す図８と同様な断面図である。本変形例においては、変形例１と同様なリターンチューブ５０Ｃを採用しており、リターンチューブ５０Ｃの端部５１Ｃ（タング５１Ｃｂの付け根側を含む）と貫通孔２２との間の隙間ＣＬに緩衝材５５を、接着剤等を用いて固定配置している点が異なる。それ以外の構成は、変形例１と同様であるため、重複説明を省略する。緩衝材５５は、タング５１Ｃｂの付け根と貫通孔２２の内周面との間に配置すればよい。

緩衝材５５を隙間ＣＬに配置することで、タング５１Ｃｂの撓み性を確保しつつ、タング５１Ｃｂにボール３０が衝突したときの衝撃力を緩和できる。緩衝材５５の素材としては、ゴムや樹脂、ばねなどの軟弾性材を用いることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

１０ ねじ軸
２０ ナット
３０ ボール
３１ セパレータ
５０，５０Ｃ リターンチューブ
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ 端部
５１Ｃａ 上半部
５１ｂ，５１Ａｂ，５１Ｂｂ，５１Ｃｂ タング
５１ｃ，５１Ａｃ 円弧状部
５２ 中央部
５５ 緩衝材
６０ 留め具

Claims (7)

1. 外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、
   内周ねじ溝が形成されたナットと、
   対向する前記外周ねじ溝と前記内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、
   前記ボールを前記転動路の一端から他端に戻すリターンチューブと、を有し、
   前記リターンチューブは、前記転動路に向かって突出し、前記転動路から前記ボールを掬い上げるタングを有し、
   前記タングは、前記タングの付け根から先端に向かうにつれて漸次幅狭となる形状を有する、
   ことを特徴とするボールねじ。
2. 前記タングの付け根に、所定の曲率半径を持つ円弧状部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記リターンチューブの端部は、前記ナットに形成された貫通孔に挿入されており、前記端部の中心線を挟んで両側で前記貫通孔に接する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
4. 前記リターンチューブの端部と前記貫通孔の内周との間には、前記タングが形成される円周方向の位相において、前記端部と前記貫通孔の接点に対して前記ナットの中心側に隙間が形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載のボールねじ。
5. 前記タングと前記貫通孔の内周との隙間に、緩衝材が配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
6. 前記タングの長さを前記ボールの直径の７０％以上とするか、または前記タングの最大肉厚を前記ボールの直径の２５％以内とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
7. 前記リターンチューブの端部は、個別に製造された複数の部品を接合することによって形成される、
   た、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のボールねじ。

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