JP5182145B2

JP5182145B2 - ボールねじ

Info

Publication number: JP5182145B2
Application number: JP2009038118A
Authority: JP
Inventors: 努大久保
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2010190396A

Description

本発明は回転運動を直線運動に変換する機械要素として工作機械などで使用されるボールねじに関し、特に、予圧方式がバネ式ダブルナット予圧方式を含むダブルナット予圧方式又はオフセット予圧方式のボールねじに関する。

ダブルナット予圧方式のボールねじは、一般に、二つのナットと、これらのナット内を軸方向に貫通するねじ軸と、ナットの内周面に形成されたナット側螺旋溝とねじ軸の外周面に形成されたねじ軸側螺旋溝との間に転動自在に設けられた多数のボールとを具備し、二つのナットの間には、ボールに予圧を付与する予圧付与部材として間座又はバネが介挿されている。

このようなボールねじは、図５に示すように、ナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４に対してボール５が各々１点で接触するため、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝に対してボールが各々２点で接触するオーバーサイズボール予圧方式のボールねじと比較して、ねじ軸を低トルク（低摩擦）で回転させることができる。
しかし、ダブルナット予圧方式のボールねじは、従来、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝の螺旋溝直角断面形状がゴシックアーク形状であることから、図６に示すように、ねじ軸の回転に伴ってボール５が転がり運動をすると、微小ではあるが、矢印で示す方向（転がり方向と直角方向）にボール５が変位し、ナット側螺旋溝３又はねじ軸側螺旋溝４に食い込む。そして、ボール５がナット側螺旋溝３又はねじ軸側螺旋溝４に食い込むと、螺旋溝３，４に対するボール５の接触形態が作動時に２点接触から３点接触に変化するため、摩擦トルクの増大を招く原因となっている。

そこで、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状とすることで、ボールの接触形態を常に２点接触に保つようにしたダブルナット予圧方式のボールねじが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２７６７６５号公報

しかしながら、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状にすると、図７に示すように、ボールが３点の接触点を持つダブルナット予圧式ボールねじ（Ｚ予圧方式）に比べ、ナットの移動方向が正方向から逆方向に切り替わるフリーゾーン領域でトルクが定常作動時のトルクよりも大幅に小さくなる。このため、特許文献１に開示されたボールねじでは、ナットの移動方向が正方向から逆方向に切り替わるときに大きなトルク変動が生じてしまうという問題があった。

また、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状にすると、図８に示すように、予圧量に対するトルクの上昇率が小さいため、予圧調整時に過大予圧となる可能性もあった。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、作動方向が正方向から逆方向に切り替わるときに大きなトルク変動が生じることを防止できると共に、予圧調整時に過大予圧となることを防止することのできるボールねじを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るボールねじは、ナットと、前記ナット内を軸方向に貫通するねじ軸と、前記ナットの内周面に形成されたナット側螺旋溝と前記ねじ軸の外周面に形成されたねじ軸側螺旋溝との間に転動自在に設けられた多数のボールとを具備し、前記ボールが複数巻の螺旋回路を形成し、前記ナットの軸方向中央近傍部分のリードを予圧量だけ大きくすることにより予圧が付与されるボールねじにおいて、前記ナット側螺旋溝と前記ボールとの接触点と前記ねじ軸側螺旋溝と前記ボールとの接触点とを結ぶ直線に対して略直交し且つ前記ボールの中心を通る仮想直線を引き、前記仮想直線と前記両螺旋溝とが交差する点における、前記ボールと前記ナット側螺旋溝との間の前記仮想直線方向の隙間の大きさと、前記ボールと前記ねじ軸側螺旋溝との間の前記仮想直線方向の隙間の大きさとが、前記ナット及び前記ねじ軸が回転していない状態においては、異なっていることを特徴とする。

本発明に係るボールねじにおいては、前記ナット又は前記ねじ軸を略無負荷状態で軸方向に移動させたときに前記ナット側螺旋溝と前記ボールとの接触点の数及び前記ねじ軸側螺旋溝と前記ボールとの接触点の数の合計が、前記ナットのリードを予圧量だけ大きくした前記軸方向中央近傍部分を境にして、軸方向一方で２点、軸方向他方で３点となっていることが好ましい。

本発明に係るボールねじにおいては、前記ねじ軸側螺旋溝と前記ナット側螺旋溝のうち一方の螺旋溝の螺旋溝直角断面形状がゴシックアーク形状であり、他方の螺旋溝の螺旋溝直角断面形状がサーキュラアーク形状であってもよい。
本発明に係るボールねじにおいては、前記螺旋回路が多条ねじとして構成され、その条間のねじ軸側螺旋溝とナット側螺旋溝のピッチを変えることができる。

本発明に係るボールねじにおいては、前記ねじ軸又は前記ナットが二つの分割部品からなってもよい。
本発明に係るボールねじにおいては、前記二つの分割部品がばね予圧されていてもよい。
本発明に係るボールねじにおいては、前記ボールより軟質の材料で形成され且つ前記ボールより小さい直径のスペーサボールを前記ボールの間に有することができる。

本発明に係るボールねじによれば、ナット側螺旋溝とねじ軸側螺旋溝の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状としたダブルナット予圧式ボールねじのように、ナットの移動方向が正方向から逆方向に切り替わるときのトルクが定常作動時のトルクよりも大幅に小さくなることがないので、作動方向が正方向から逆方向に切り替わるときに大きなトルク変動が生じることを防止することができる。

また、予圧量に対するトルクの上昇率が小さくなり過ぎてしまうこともないので、予圧調整時に過大予圧となることを防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係るボールねじ装置の軸方向断面図である。ナット側螺旋溝及びねじ側螺旋溝とボールとの間に形成される隙間を示す断面図である。本発明の第２の実施形態を示す図である。本発明の第３の実施形態を示す図である。ダブルナット予圧式ボールねじ装置の一部を示す断面図である。ダブルナット予圧式ボールねじ装置の作動時におけるボールの状態を示す図である。ボールねじ装置のボールが２点接触、３点接触、４点接触である場合の動トルクの変化を示す図である。ボールねじ装置のボールが２点接触、３点接触、４点接触である場合の予圧トルクと予圧量との関係を示す図である。

本発明の第１の実施形態に係るボールねじの概略構成を図１に示す。同図において、符号１Ａ，１Ｂはナット、２はナット１Ａ，１Ｂ内を軸方向に貫通するねじ軸を示し、ナット１Ａ，１Ｂの内周面に形成されたナット側螺旋溝３とねじ軸２の外周面に形成されたねじ軸側螺旋溝４との間には、多数のボール５が転動自在に設けられている。
ボール５は、ナット１Ａ側とナット１Ｂ側とで螺旋回路をそれぞれ形成している。また、ボール５はナット１Ａ，１Ｂの軸方向移動に伴って螺旋溝３，４の間を転走するようになっており、ナット１Ａとナット１Ｂとの間には、ボール５に予圧を付与する予圧付与部材として間座６が介挿されている。さらに、ボール５は例えば合金鋼などの金属材料で形成されており、各ボール５の間には、ボール５より軟質の材料（例えば合成樹脂）で形成され且つボール５より小さい直径のスペーサボール７が介挿されている。

なお、螺旋溝３，４の間を転走したボール５はナット１Ａ，１Ｂにそれぞれ組み付けられたボール循環部材としてのボールリターンチューブ８内を通過して元の位置に戻されるようになっている。
ナット側螺旋溝３は、その螺旋溝直角断面形状がボール５の半径より大きい曲率半径Ｒｎを有するサーキュラアーク形状となるように、ナット１Ａ，１Ｂの内周面に形成されている。また、ねじ軸側螺旋溝４は、その螺旋溝直角断面形状が曲率中心の異なる２つの同一円弧を組み合わせた略Ｖ字状であるゴシックアーク形状となるように、ねじ軸２の外周面に形成されている。

ナット１Ａ，１Ｂ及びねじ軸２が回転していない状態においては、図２（ａ）に示すように、ねじ軸側螺旋溝４とボール５との間の隙間（ナット側螺旋溝３とボール５との接触点Ｃｎ₁とねじ軸側螺旋溝４とボール５との接触点Ｃｓ₁とを結ぶ直線に対して略直交し且つボール５の中心を通る仮想直線を引いた場合に、この仮想直線とねじ軸側螺旋溝４とが交差する点における、ボール５とねじ軸側螺旋溝４との間の仮想直線方向の隙間）Ｇｓが、ナット側螺旋溝３とボール５との間の隙間（前記仮想直線とナット側螺旋溝３とが交差する点における、ボール５とナット側螺旋溝３との間の仮想直線方向の隙間）Ｇｎよりも小さくなる。

この状態でナット１Ａ，１Ｂが図２に示す矢印方向に移動すると共に予圧荷重より小さい外部荷重Ｆがナット１Ａ，１Ｂに移動方向と逆方向に作用すると、ナット１Ａのナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４との間に設けられたボール５は隙間Ｇｓが大きくなる方向に微小変位し、ナット１Ｂのナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４との間に設けられたボール５は隙間Ｇｓが小さくなる方向に微小変位する。これにより、図２（ｂ）に示すように、ナット１Ｂ側ではねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数が１点から２点から変化し、ナット１Ａ側ではねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数が１点のままに保たれる。

一方、ナット１Ａ，１Ｂが図２に示す矢印方向と逆方向に移動すると共に予圧荷重より小さい外部荷重Ｆがナット１Ａ，１Ｂに移動方向と同じ方向に作用すると、ナット１Ａのナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４との間に設けられたボール５は隙間Ｇｓが小さくなる方向に微小変位し、ナット１Ｂのナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４との間に設けられたボール５は隙間Ｇｓが大きくなる方向に微小変位する。これにより、図２（ｃ）に示すように、ナット１Ａ側ではねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数が１点から２点から変化し、ナット１Ｂ側ではねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数が１点のままに保たれる。

したがって、上述した第１の実施形態では、ナット１Ａ，１Ｂが矢印方向に移動すると、ねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数がナット１Ｂ側では１点から２点から変化するのに対し、ナット１Ａ側ではねじ軸側螺旋溝４に対するボール５の接触点数が１点のままに保たれ、ナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状としたダブルナット予圧式ボールねじのように、ナット１Ａ，１Ｂの移動方向が正方向から逆方向に切り替わるときのトルクが定常作動時のトルクよりも大幅に小さくなることがないので、作動方向が正方向から逆方向に切り替わるときに大きなトルク変動が生じることを防止することができる。

また、ナット側螺旋溝３とねじ軸側螺旋溝４の螺旋溝直角断面形状をサーキュラアーク形状としたダブルナット予圧式ボールねじのように、予圧量に対するトルクの上昇率が小さくなり過ぎてしまうこともないので、予圧調整時に過大予圧となることも防止することができる。
なお、ボールねじの作動時にナット１Ａ，１Ｂに作用する外部荷重としては、ボール５に付与される予圧荷重より小さい外部荷重が好ましく、具体的には、例えばボールねじに付設されるシールの抵抗等を含む荷重が予圧荷重の１／１００以下、あるいは静定格荷重の１／１０００以下であることが望ましい。

図１に示した第１の実施形態では、ナット１Ａとナット１Ｂとの間に介挿される予圧付与部材として間座６を例示したが、これに限られるものでなく、二つのナットとの間に介挿される予圧付与部材として、コイルバネ等の弾性部材を用いてもよい。
さらに、図１に示した第１の実施形態では、ボール５を無限循環させるボール循環部材としてボールリターンチューブ８を例示したが、ボール循環部材として例えばエンドデフレクタ等を用いた内部循環式のボールねじについても本発明を適用することが可能である。

また、図１に示した第１の実施形態では、ねじ軸２の外周面に一条のねじ軸側螺旋溝４が形成されたものを例示したが、ねじ軸の外周面やナットの内周面に複数状の螺旋溝が形成されたボールねじについても本発明を適用することが可能である。
また、図１に示した第１の実施形態では、ナット側に形成されたボール戻し経路をボールが循環する形式のボールねじを例示したが、例えば特開２００５−３４４７８２号公報に示されている形式のボールねじ、すなわち、ねじ軸側に形成されたボール戻し経路をボールが循環する形式のボールねじについても本発明を適用することが可能である。

さらに、図１に示した第１の実施形態では、ナット側螺旋溝３の螺旋溝直角断面形状をボール５の半径より大きい曲率半径Ｒｎを有するサーキュラアーク形状とし、且つねじ軸側螺旋溝４の螺旋溝直角断面形状をボール５の半径より大きく且つ上記曲率半径Ｒｎより小さい曲率半径Ｒｓを有するゴシックアーク形状としたが、図３に示す第２の実施形態や図４に示す第３の実施形態のように、ナット軸側螺旋溝３の螺旋溝直角断面形状をボール５の半径より大きい曲率半径Ｒｎを有するゴシックアーク形状とし、且つねじ軸側螺旋溝４の螺旋溝直角断面形状をボールの半径より大きく且つ上記曲率半径Ｒｎより小さい曲率半径Ｒｓを有するゴシックアーク形状としてもよい。なお、曲率半径Ｒｎ，Ｒｓを同一としてもよい。

また、図１に示した第１の実施形態では、本発明をダブルナット予圧式ボールねじに適用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えばナットの中央付近のリードを予圧量だけ大きくして予圧を与えるオアセット予圧方式のボールねじについても本発明を適用することが可能である。

１Ａ，１Ｂナット
２ねじ軸
３ナット側螺旋溝
４ねじ軸側螺旋溝
５ボール
６間座
７スペーサボール
８ボールリターンチューブ

Claims

ナットと、前記ナット内を軸方向に貫通するねじ軸と、前記ナットの内周面に形成されたナット側螺旋溝と前記ねじ軸の外周面に形成されたねじ軸側螺旋溝との間に転動自在に設けられた多数のボールとを具備し、前記ボールが複数巻の螺旋回路を形成し、前記ナットの軸方向中央近傍部分のリードを予圧量だけ大きくすることにより予圧が付与されるボールねじにおいて、
前記ナット側螺旋溝と前記ボールとの接触点と前記ねじ軸側螺旋溝と前記ボールとの接触点とを結ぶ直線に対して略直交し且つ前記ボールの中心を通る仮想直線を引き、前記仮想直線と前記両螺旋溝とが交差する点における、前記ボールと前記ナット側螺旋溝との間の前記仮想直線方向の隙間の大きさと、前記ボールと前記ねじ軸側螺旋溝との間の前記仮想直線方向の隙間の大きさとが、前記ナット及び前記ねじ軸が回転していない状態においては、異なっており、
前記ナット又は前記ねじ軸を略無負荷状態で軸方向に移動させたときに前記ナット側螺旋溝と前記ボールとの接触点の数及び前記ねじ軸側螺旋溝と前記ボールとの接触点の数の合計が、前記ナットのリードを予圧量だけ大きくした前記軸方向中央近傍部分を境にして、軸方向一方で２点、軸方向他方で３点となっていることを特徴とするボールねじ。
請求項１記載のボールねじであって、前記ねじ軸側螺旋溝と前記ナット側螺旋溝のうち一方の螺旋溝の螺旋溝直角断面形状がゴシックアーク形状であり、他方の螺旋溝の螺旋溝直角断面形状がサーキュラアーク形状であることを特徴とするボールねじ。
請求項１又は２記載のボールねじであって、前記螺旋回路が多条ねじとして構成され、その条間のねじ軸側螺旋溝とナット側螺旋溝のピッチを変えることを特徴とするボールねじ。
請求項１〜３のいずれか一項記載のボールねじであって、前記ナットが二つの分割部品からなることを特徴とするボールねじ。
請求項４記載のボールねじであって、前記二つの分割部品がばね予圧されていることを特徴とするボールねじ。
請求項１〜５のいずれか一項記載のボールねじであって、前記ボールより軟質の材料で形成され且つ前記ボールより小さい直径のスペーサボールを前記ボールの間に有することを特徴とするボールねじ。