JP6693264B2

JP6693264B2 - ボールねじ

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Publication number: JP6693264B2
Application number: JP2016097961A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　靖巳; 靖巳渡辺
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: JP2017207092A

Description

本発明は、例えば半導体製造装置や圧縮成形機、射出成形機、一般搬送装置等の機械要素として用いられるボールねじおよびボールねじの製造方法に関する。

回転運動を直線運動に変換する機構として、ボールねじが知られている。ボールねじは、ボールを転動させるための螺旋状のねじ溝が外周面に形成された直線状のねじ軸と、ねじ軸のねじ溝と対向し、ボールを転動させるための螺旋状のねじ溝が内周面に形成されたナットとを備え、ナットは、両ねじ溝によって形成されるボール転動路に転動可能に介装された多数のボールを介してねじ軸の外周側に嵌装されている。このような構成により、ボールねじは、ねじ軸を回動させることによりナットをねじ軸の軸方向に移動させ、あるいはナットを回動させることによりねじ軸を軸方向に移動させることができるようになっている。

ボールねじには、ボール転動路でボールを無限循環させるために、ボール転動路を転動したボールを、ボール転動路の所定の位置に戻すための循環路すなわちボール戻し径路が必要である。このようなボール戻し径路として、ボール循環溝をねじ軸の外周面に直接形成したボールねじが知られている。ボール循環溝は、ボールを、ナットのランド部すなわちナットのねじ山を乗り越えさせて、隣接するボール転動路に戻す径路である。特許文献１には、このようなボール循環溝を備えたボールねじのねじ溝の加工方法が記載されている。

特開２００８−２３８３８４号公報

しかしながら、特許文献１のボールねじのねじ溝の加工方法においては、ねじ軸となるワークのねじ溝となる部分を、切削工具であるエンドミルを複数回往復させて当該部分を切削加工することによりねじ溝を成形している。そのためねじ軸にねじ溝を成形するための加工時間が長くなってしまい、その結果ボールねじの製造に手間が掛かってしまうという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ボールを循環させるためのボール循環溝がねじ軸に形成されたボールねじにおいて、ねじ軸にねじ溝を成形するための加工時間を短縮し、製造の手間を低減することができるボールねじ、およびボールねじの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明に係るボールねじは、軸方向に延在し、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、前記螺旋状のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝を内周面に有し、該ねじ溝と前記ねじ軸のねじ溝とで形成されるボール転動路に転動可能に配置された複数のボールを介して前記ねじ軸の径方向外方に嵌装されたナットとを備え、前記ボールを前記ボール転動路の所定位置まで戻すためのボール循環溝が前記ねじ軸の外周面に形成されたボールねじにおいて、前記ボール循環溝の断面形状は、第１の溝底部の断面と、前記第１の溝底部の断面の軸方向一方端および軸方向他方端と前記ねじ軸の外周面との間のそれぞれの部分である軸方向一方側の第１面取り部の断面と軸方向他方側の第２面取り部の断面とからなり、前記ナット側のねじ溝の断面形状は、溝底で連続する軸方向一方側の第１円弧部と軸方向他方側の第２円弧部とを有し、前記第１面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、前記第１面取り部の断面とが成す第１の角、および、前記第２面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、前記第２面取り部の断面とが成す第２の角は、それぞれ、前記ナット側のねじ溝の溝底から前記ナットの中心軸線に下ろした垂線と、前記第２円弧部を含む円の中心と前記第２円弧部の径方向内方端とを通る直線とが成す第３の角、および、前記垂線と、前記第１円弧部を含む円の中心と前記第１円弧部の径方向内方端とを通る直線とが成す第４の角よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明に係るボールねじは、前記ねじ軸側のねじ溝の断面形状は、第２の溝底部の断面と、前記第２の溝底部の断面の軸方向一方端および軸方向他方端と前記ねじ軸の外周面との間のそれぞれの部分である軸方向一方側の第３面取り部の断面と軸方向他方側の第４面取り部の断面とからなり、前記ボール循環溝の前記第１の溝底部の断面は、前記第２の溝底部の断面の溝底の幅を広げた形状であり、前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は、それぞれ前記第３面取り部の断面および前記第４面取り部の断面を径方向外方に延ばした形状であることを特徴とする。

また、本発明に係るボールねじは、前記第１の溝底部の断面と前記第１面取り部の断面とは滑らかに連続し、前記第１の溝底部の断面と前記第２面取り部の断面とは滑らかに連続していることを特徴とする。

また、本発明に係るボールねじは、前記第２の溝底部の断面と前記第３面取り部の断面とは滑らかに連続し、前記第２の溝底部の断面と前記第４面取り部の断面とは滑らかに連続していることを特徴とする。

また、本発明に係るボールねじは、前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は直線であることを特徴とする。

また、本発明に係るボールねじは、前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は円弧であり、前記第１の角は、前記第１面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、該交点を接線とする前記第１面取り部の断面の接線とが成す角であり、前記第２の角は、前記第２面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、該交点を接線とする前記第２面取り部の断面の接線とが成す角であることを特徴とする。

本発明によれば、ボールを循環させるためのボール循環溝がねじ軸に形成されたボールねじにおいて、ねじ軸にねじ溝を成形するための加工時間を短縮し、製造の手間を低減することができるボールねじ、およびボールねじの製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係るボールねじの斜視図である。図２は、ボールねじの側面図であり、ナットの一部を破断して示している。図３は、ボールねじの負荷部の拡大断面図である。図４は、図２の４−４線の拡大断面図であり、ボールねじの循環部の中央部の断面を示している。図５は、負荷部との境界近傍における循環部の拡大断面図である。図６は、ボールねじを加工するためのエンドミルの先端部の拡大図であり、エンドミルが回動した際の輪郭を示している。図７は、図６に示す工具を用いてワークにねじ溝を成形している状態を示す斜視図である。図８は、負荷部との境界近傍における循環部の拡大断面図であり、ボールおよびナットに作用する力の方向を模式的に示している。

（実施形態）
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つつ説明する。
まず、本明細書中におけるボールねじに係る方向について定義する。本明細書においては、特に明記しない限り、ねじ軸が延在する長手方向を軸方向とし、ねじ軸の中心軸線と直交する方向を径方向とする。これらの方向は、ナットおよび他の部材については、ねじ軸に組み付けられた状態において同様とする。また、図２、図３、図４、図５および図８においては、紙面左方を軸方向一方側とし、紙面右方を軸方向他方側とする。

図１は、実施形態に係るボールねじの斜視図である。
図２は、ボールねじの側面図であり、ナットの一部を破断して示している。
図１および図２に示すように、本実施形態に係るボールねじ１は、円筒状のナット３と、ナット３のねじ孔に挿通されたねじ軸５とを備えている。ねじ軸５の軸方向他方側端部には、ねじ軸５を駆動するための駆動機構（図示省略）にねじ軸５を連結するための、あるいは射出成形機等（図示省略）にねじ軸５を連結するための連結部７が設けられている。

ナット３の内周面には、螺旋状のねじ溝９が設けられている。ねじ溝９はナット３の軸方向一方端から他方端に亘って連続して設けられている。ナット３の内周面のうち、隣り合うねじ溝９とねじ溝９との間の部分はランド部１１すなわちねじ山である。

ねじ軸５の外周面には、螺旋状のねじ溝１３が複数形成されている。本実施形態においては、ねじ軸５には３つのねじ溝１３が形成されている。なお、図２においては１つのねじ溝１３を示している。これら３つのねじ溝１３は、それぞれナット３のねじ溝９に対向し、ねじ軸５の外周を螺旋状に約一周する長さに亘って形成されている。したがって各ねじ溝１３は、一方端と他方端とが、ランド部１１を間にして近い位置となるように形成されている。ねじ軸５の各ねじ溝１３と、これら各ねじ溝１３とそれぞれ対向するナット３のねじ溝９の部分とによってボール転動路１５が形成されている。したがって本実施形態に係るボールねじ１には、ボール転動路１５が３つ形成されている。

３つのボール転動路１５には、それぞれ多数の鋼製のボール１７が転動自在に介装されている。ナット３は、３つのボール転動路１５に介装された多数のボール１７を介してねじ軸５の外周側に嵌装されている。なお、３つのボール転動路１５は同様の構成なので、以下では１つのボール転動路１５について説明し、他の２つのボール転動路１５についての説明は重複するので省略する。また、ボールねじ１に形成されるボール転動路１５の数は３つに限定されず、適宜変更が可能である。

多数のボール１７は、ねじ軸５とナット３とが相対回動することにより、ボール転動路１５を転動する。本実施形態に係るボールねじ１は、ボール１７をボール転動路１５で無限循環させるために、ボール１７をボール転動路１５の一方端から他方端へ、あるいは他方端から一方端へ戻すためのボール戻し経路を備えている。ボールねじ１には、このようなボール戻し径路として、Ｓ字状のボール循環溝１９がねじ軸５の外周面に形成されている。ボール循環溝１９は、ナット３のランド部１１すなわちねじ山と交差して形成され、ねじ軸５のねじ溝１３の一方端と他方端とを接続している。ボール転動路１５とボール循環溝１９とでボール１７が無限循環する閉ループが構成される。

ボール循環溝１９は、ボール１７がスムーズにボール循環溝１９を転動するように、ねじ軸５のねじ溝１３の溝幅よりも少し大きな溝幅で形成されている。ボール循環溝１９の一方端および他方端は、それぞれねじ軸５のねじ溝１３の一方端および他方端と滑らかに連続している。ボール循環溝１９の深さは、ボール循環溝１９の一方端および他方端から中央部に向かうにしたがって徐々に深くなり、ナット３のランド部１１と対向する中央部において最も深くなるように形成されている。ボール循環溝１９の中央部は、ボール１７がナット３のランド部１１を乗り越えることができる深さを有している。

ボール転動路１５およびボール循環溝１９はこのような構成なので、ボール転動路１５を転動し、ボール転動路１５の一方端（または他方端）に達したボール１７は、ボール循環溝１９に掬い上げられ、ボール循環溝１９を転動する。ボール循環溝１９を転動したボール１７はナット３のランド部１１を乗り越え、ボール転動路１５の他方端（または一方端）に戻される。ボール１７は、ボール循環溝１９を介してボール転動路１５をこのように循環している。ナット３は、ボール循環路１５をこのように循環する多数のボール１７を介してねじ軸５の外周側に嵌装されている。したがってボールねじ１は、ねじ軸５を回動させることによりナット３を軸方向に移動させ、あるいはナット３を回動させることによりねじ軸５を軸方向に移動させることができるようになっている。なお、以下の説明においては、ボール１７が無限循環する閉ループを構成する部分として、ねじ軸５側のねじ溝１３とナット３側のねじ溝９とで構成されるボール転動路１５を「負荷部１５」ともいい、ボール循環溝１９を「循環部１９」ともいう。

図３は、ボールねじの負荷部の拡大断面図である。
ねじ軸５側のねじ溝１３は、断面形状が円弧である軸方向一方側の曲面２１ａ（図３の紙面に向かって左方）と、断面形状が円弧である軸方向他方側の曲面２１ｂ（図３の紙面に向かって右方）とを組み合わせた溝面を底部側すなわち径方向内方側に有している。曲面２１ａの断面形状の円弧と曲面２１ｂの断面形状の円弧とは同じ曲率半径であり、この曲率半径はボール１７の曲率半径よりも大きい。また、曲面２１ａの断面形状の円弧と曲面２１ｂの断面形状の円弧とは同じ長さである。ねじ軸５側のねじ溝１３の断面形状の底部側は、対をなす曲面２１ａと曲面２１ｂの各断面形状の円弧を組み合わせた所謂ゴシックアーク形状となっている。なお、ねじ軸５側のねじ溝１３のうち、曲面２１ａで構成された部分および曲面２１ｂで構成された部分をそれぞれ「ねじ軸側ねじ溝Ｒ部」という。

ねじ軸５側のねじ溝１３の曲面２１ａの径方向外方端とねじ軸５の外周との間の部分は、面取りが施され、断面が直線の面取り部２３ａが形成されている。面取り部２３ａの径方向内方端と曲面２１ａの径方向外方端とは滑らかに連続している。また、ねじ軸５側のねじ溝１３の曲面２１ｂの径方向外方端とねじ軸５の外周との間の部分も同様に面取りが施され、断面が直線の面取り部２３ｂが形成されている。面取り部２３ｂの径方向内方端と曲面２１ｂの径方向外方端とは滑らかに連続している。面取り部２３ａと面取り部２３ｂとは対をなし、ボールねじ１の径方向に対して径方向外方に向かうに従い互いの間隔が広がる方向に傾いて、略軸方向に対向している。面取り部２３ａの断面形状の直線と面取り部２３ｂの断面形状の直線とは同じ長さである。

このように、ねじ軸５側のねじ溝１３の断面形状は、一対のねじ軸側ねじ溝Ｒ部の断面であるゴシックアーク形状と、該ゴシックアーク形状の両端と滑らかに連続する面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂの断面である一対の直線とから構成されている。言い換えると、ねじ軸５側のねじ溝１３の断面形状は、溝底の中心すなわちゴシックアーク形状の底部を中心として、軸方向一方側の曲面２１ａの断面形状の円弧と面取り部２３ａの断面形状の直線とからなる軸方向一方側部と、軸方向他方側の曲面２１ｂの断面形状の円弧と面取り部２３ｂの断面形状の直線とからなる軸方向他方側部とから構成されている。

ナット３側のねじ溝９は、断面形状が円弧である軸方向一方側の曲面２５ｃ（図３の紙面に向かって左方）と、断面形状が円弧である軸方向他方側の曲面２５ｄ（図３の紙面に向かって右方）とを組み合わせた溝面を底部側すなわち径方向外方側に有している。曲面２５ｃの断面形状の円弧と曲面２５ｄの断面形状の円弧とは、ねじ軸５側のねじ溝１３を構成している曲面２１ａおよび曲面２１ｂの断面形状の円弧と同じ曲率半径であり、この曲率半径はボール１７の曲率半径よりも大きい。また、曲面２５ｃの断面形状の円弧と曲面２５ｄの断面形状の円弧とは同じ長さである。ナット３側のねじ溝９の断面形状の底部側は、対をなす曲面２５ｃと曲面２５ｄの各断面形状の円弧を組み合わせた所謂ゴシックアーク形状となっている。なお、ナット３側のねじ溝９のうち、曲面２５ｃで構成された部分および曲面２５ｄで構成された部分をそれぞれ「ナット側ねじ溝Ｒ部」という。

ナット３側のねじ溝９の曲面２５ｃの径方向内方端とナット３の内周との間の部分は、Ｒ面取りが施され、断面が円弧の溝肩部２７ｃが形成されている。ナット３側のねじ溝９の曲面２５ｄの径方向内方端とナット３の内周との間の部分も同様にＲ面取りが施され、断面が円弧の溝肩部２７ｄが形成されている。溝肩部２７ｃと溝肩部２７ｄとは対をなし、ボールねじ１の径方向に対して径方向内方に向かうに従い互いの間隔が広がる方向に傾いて、略軸方向に対向している。溝肩部２７ｃの断面形状の円弧と溝肩部２７ｄの断面形状の円弧とは同じ長さである。

このように、ナット３側のねじ溝９の断面形状は、一対のナット側ねじ溝Ｒ部の断面であるゴシックアーク形状と、該ゴシックアーク形状の両端と滑らかに連続する溝肩部２７ｃおよび溝肩部２７ｄの断面である一対の円弧とから構成されている。言い換えると、ナット３側のねじ溝９の断面形状は、溝底の中心すなわちゴシックアーク形状の底部を中心として、軸方向一方側の曲面２５ｃの断面形状の円弧と溝肩部２７ｃの断面形状の円弧とからなる軸方向一方側部と、軸方向他方側の曲面２５ｄの断面形状の円弧と溝肩部２７ｄの断面形状の円弧とからなる軸方向他方側部とから構成されている。

ねじ軸５側のねじ溝１３の軸方向一方側部と、ナット３側のねじ溝９の軸方向他方側部とは、負荷部１５を転動するボール１７の中心に関して対向している。同様に、ねじ軸５側のねじ溝１３の軸方向他方側部と、ナット３側のねじ溝９の軸方向一方側部とは、負荷部１５を転動するボール１７の中心に関して対向している。

ここで、図３に示す断面図において、面取り部２３ａの外径側端、すなわち面取り部２３ａとねじ軸５の外周面との交点を交点Ａとしたとき、交点Ａを接点とするねじ軸５の外周面の接線ＴＡと面取り部２３ａの断面とが成す角の大きさを、「面取り部逃げ角度θＡ」とする（以下、単に「角度θＡ」という。）。角度θＡは、９０°よりも小さい角度である。
面取り部２３ｂの外径側端、すなわち面取り部２３ｂとねじ軸５の外周面との交点を交点Ｂとしたとき、交点Ｂを接点とするねじ軸の外周面の接線（不図示）と面取り部２３ｂの断面とが成す角の大きさ（当該角の大きさを「面取り部逃げ角度θＢ」とし、以下単に「角度θＢ」という。）も、「角度θＡ」と同じ大きさである。

また、図３に示す断面図において、ナット３側のねじ溝９の溝底、すなわちゴシックアーク形状を構成する２つの曲面２５ｃおよび曲面２５ｄの各断面形状である円弧の交点からナット３の中心軸線に下ろした垂線Ｌ１と、曲面２５ｄの断面形状である円弧を含む円の中心Ｃ１と曲面２５ｄの内径側端すなわちねじ軸側端とを通る直線Ｌ２とが成す角の大きさを、「ナット側ねじ溝Ｒ部範囲角度θＤ」とする（以下、単に「角度θＤ」という。）。角度θＤは、９０°よりも小さい角度である。
垂線Ｌ１と、曲面２５ｃの断面形状である円弧を含む円の中心と曲面２５ｃの内径側端すなわちねじ軸側端とを通る直線とが成す角の大きさ（当該角の大きさを「ナット側ねじ溝Ｒ部範囲角度θＣ」とし、以下単に「角度θＣ」という。）も、「角度θＤ」」と同じ大きさである。

本実施形態に係るボールねじ１は、ねじ軸５側のねじ溝１３の軸方向一方側部の面取り部２３ａに関する角度θＡが、負荷部１５を転動するボール１７の中心に関して対向する、ナット３側のねじ溝９の軸方向他方側部の曲面２５ｄに関する角度θＤよりも大きく形成されている。同様に、ねじ軸５側のねじ溝１３の軸方向他方側部の面取り部２３ｂに関する角度θＢが、負荷部１５を転動するボール１７の中心に関して対向する、ナット３側のねじ溝９の軸方向一方側部の曲面２５ｃに関する角度θＣよりも大きく形成されている。

図４は、図２の４−４線の拡大断面図であり、ボールねじの循環部の中央部の断面を示している。
循環部１９の溝幅は、ボール１７がスムーズにボール循環溝１９を転動するように、負荷部１５のねじ軸５側ねじ溝１３の溝幅よりも少し大きく形成されている。溝幅を大きくした分は、図４において幅方向のオフセット量ｔとして示している。

循環部１９は、図４に示すように、断面形状が円弧である軸方向一方側の曲面２９ｅ（図４の紙面に向かって左方）と、断面形状が円弧である軸方向他方側の曲面２９ｆ（図４の紙面に向かって右方）とを組み合わせた溝面を底部側すなわち径方向内方側に有している。曲面２９ｅの断面形状の円弧と曲面２９ｆの断面形状の円弧とは、ねじ軸５側のねじ溝１３を構成している曲面２１ａおよび曲面２１ｂの断面形状の円弧と同じ曲率半径であり、この曲率半径はボール１７の曲率半径よりも大きい。また、曲面２９ｅの断面形状の円弧と曲面２９ｆの断面形状の円弧とは同じ長さである。循環部１９の断面形状の底部側は、対をなす曲面２９ｅと曲面２９ｆの各断面形状の円弧を組み合わせた所謂ゴシックアーク形状となっている。循環部１９の断面形状のゴシックアーク形状は、ねじ軸５側のねじ溝１３との境界すなわちねじ溝１３と接続する循環部１９の両端部においては、ねじ溝１３の断面形状であるゴシックアーク形状と同じ形状であるが、中央部に向かうに従って底部が幅方向に徐々に長くなり、中央部においては、図４に示すように、ねじ溝１３の断面形状であるゴシックアーク形状よりも溝幅を大きくした分だけ底部が幅方向に長くなっている。なお、循環部１９すなわちボール循環溝１９のうち、曲面２９ｅで構成された部分および曲面ｆ２９で構成された部分をそれぞれ「ねじ軸側循環溝Ｒ部」という。

循環部１９の曲面２９ｅの径方向外方端とねじ軸５の外周との間の部分は、面取りが施され、断面が直線の面取り部３１ｅが形成されている。面取り部３１ｅの径方向内方端と曲面２９ｅの径方向外方端とは滑らかに連続している。また、循環部１９の曲面２９ｆの径方向外方端とねじ軸５の外周との間の部分も同様に面取りが施され、断面が直線の面取り部３１ｆが形成されている。面取り部３１ｆの径方向内方端と曲面２９ｆの径方向外方端とは滑らかに連続している。面取り部３１ｅと面取り部３１ｆとは対をなし、ボールねじ１の径方向に対して径方向外方に向かうに従い互いの間隔が広がる方向に傾いて、略軸方向に対向している。ボールねじ１の径方向に対する面取り部３１ｅおよび面取り部３１ｆの傾き角度は、ボールねじ１の径方向に対するねじ軸５側のねじ溝１３の面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂの傾き角度と同じ角度である。面取り部３１ｅの断面形状の直線と面取り部３１ｆの断面形状の直線とは同じ長さである。

面取り部３１ｅの断面形状の長さは、負荷部１５のねじ軸５のねじ溝１３との境界においては面取り部２３ａの断面形状の長さと同じであるが、循環部１９の中央に向かうに従い、徐々に面取り部２３ａの断面形状の長さよりも長くなってゆく。同様に、面取り部３１ｆの断面形状の長さは、ねじ軸５のねじ溝１３との境界においては面取り部２３ｂの断面形状の長さと同じであるが、循環部１９の中央に向かうに従い、徐々に面取り部２３ｂの断面形状の長さよりも長くなってゆく。

このように、循環部１９の中央部の断面形状は、一対のねじ軸側循環溝Ｒ部の断面であるゴシックアーク形状と、該ゴシックアーク形状の両端と滑らかに連続する面取り部３１ｅおよび面取り部３１ｆの断面である一対の直線とから構成されている。言い換えると、循環部１９の断面形状は、溝底の中心すなわちゴシックアーク形状の底部を中心として、軸方向一方側の曲面２９ｅの断面形状の円弧と面取り部３１ｅの断面形状の直線とからなる軸方向一方側部と、軸方向他方側の曲面２９ｆの断面形状の円弧と面取り部３１ｆの断面形状の直線とからなる軸方向他方側部とから構成されている。そして循環部１９の中央部の断面形状は、図３に示すねじ軸５側のねじ溝１３の断面形状における面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂの長さをそれぞれ外方に延長し、さらに、ねじ軸５側のねじ溝１３のゴシックアーク形状の底部を、溝幅を大きくした分だけ長くした形状となっている。

図５は、負荷部との境界近傍における循環部の拡大断面図である。
図５に示すように、負荷部との境界近傍における循環部においては、循環部１９の軸方向一方側部と、ナット３側のねじ溝９の軸方向他方側部とは、循環部１９を転動するボール１７の中心に関して対向している。同様に、循環部１９の軸方向他方側部と、ナット３側のねじ溝９の軸方向一方側部とは、循環部１９を転動するボール１７の中心に関して対向している。

図５に示す断面図において、面取り部３１ｅの外径側端、すなわち面取り部３１ｅとねじ軸５の外周面との交点を交点Ｅとしたとき、交点Ｅを接点とするねじ軸５の外周面の接線ＴＥと面取り部３１ｅの断面とが成す角の大きさを、「面取り部逃げ角度θＥ」とする（以下、単に「角度θＥ」という。）。角度θＥは、９０°よりも小さい角度である。
面取り部３１ｆの外径側端、すなわち面取り部３１ｆとねじ軸５の外周面との交点を交点Ｆとしたとき、交点Ｆを接点とするねじ軸５の外周面の接線（不図示）と面取り部３１ｆの断面とが成す角の大きさ（当該角の大きさを「面取り部逃げ角度θＦ」とし、以下単に「角度θＦ」という。）も、「角度θＥ」と同じ大きさである。

ここで、負荷部１５のねじ軸５側のねじ溝１３の面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂ（図３参照）と、循環部１９の面取り部３１ｅおよび面取り部３１ｆとは、上述したように、ボールねじ１の径方向に対して同じ角度で傾いているので、角度θＡと角度θＥとは同じ大きさである。同様に、角度θＢと角度θＦとは同じ大きさである。したがって、循環部１９においても、面取り部逃げ角度とナット側ねじ溝Ｒ部範囲角度との関係は、負荷部１５と同様である。すなわち、本実施形態に係るボールねじ１は、循環部１９の軸方向一方側部の面取り部３１ｅに関する角度θＥが、負荷部１５との境界近傍における循環部１９を転動するボール１７の中心に関して対向する、ナット３側のねじ溝９の軸方向他方側部の曲面２５ｄに関する角度θＤよりも大きく形成されている。

同様に、循環部１９の軸方向他方側部の面取り部３１ｆに関する角度θＦが、負荷部１５との境界近傍における循環部１９を転動するボール１７の中心に関して対向する、ナット３側のねじ溝９の軸方向一方側部の曲面２５ｃに関する角度θＣよりも大きく形成されている。このように構成することにより、後述するように、負荷部１５と循環部１９との境界において、ボール１７をナット３側のねじ溝９から掬い上げる際、ナット３側のねじ溝９の曲面ｄと溝肩部２７ｄとの境界、または曲面２５ｃと溝肩部２７ｃとの境界に位置しているボール１７を、循環部１９の面取り部３１ｅまたは面取り部３１ｆによって滑らかに掬い上げることができる。

次に、本実施形態に係るボールねじ１の製造方法について説明する。具体的には、ねじ軸５となるワークにねじ溝１３および循環部１９すなわちボール循環溝１９を成形する加工方法を説明する。
図６は、実施形態に係るボールねじ１を切削加工するための切削工具であるエンドミル４１の先端部をエンドミル４１の外径側から見た状態を示す拡大図であり、エンドミル４１が回動した際の輪郭を示している。図７は、図６に示す工具を用いてねじ軸５となるワーク４３にねじ溝５を成形している状態を示す斜視図である。
図６に示すエンドミル４１の輪郭は、エンドミル４１のシャンク（不図示）の外周部に対応する平行部４５と、刃の先端部に対応するＶ字状部４７とから構成されている。Ｖ字状部４７は、先端の曲がり部４９と、曲がり部４９の両端からそれぞれ延在する一対の直線部５１、５１とから構成されている。曲がり部４９の両端と各直線部５１とは滑らかに連続している。

曲がり部４９は、一対のねじ軸側ねじ溝Ｒ部の断面に対応した形状である。すなわち、曲がり部４９は、曲面２１ａの断面形状および曲面２１ｂの断面形状で形成されるゴシックアーク形状（図３参照）と同じ形状である。一対の直線部５１、５１は、エンドミル４１の軸方向（図５の紙面の上下方向）に対して、シャンクの上部側（図５の紙面上方）に向かうに従って互いの間隔が広がる方向に傾いて対向している。エンドミル４１の軸方向に対する一対の直線部５１、５１の傾き角度は、ボールねじ１の径方向に対するねじ軸５側のねじ溝１３の面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂの傾き角度と同じ角度である。各直線部５１の長さは、面取り部２３ａおよび面取り部２３ｂの各断面の長さよりも長く、さらには、循環部１９の面取り部３１ｅおよび面取り部３１ｆの各断面の長さよりも長い。すなわちＶ字状部４７は、完成後のねじ軸５側のねじ溝１３の断面形状を含む形状である。したがって、図６に示す、曲がり部４９の両端を通る直線と直線部５１とが成す角度θＭは、角度θＡまたは角度θＢと同じ角度である。

回動している状態の輪郭が上述したようなＶ字状部４７を有するようなエンドミル４１を用いることにより、ねじ軸５となるワーク４３にねじ溝１３を容易に成形することができる。具体的には、図７に示すように、ねじ軸５となるワーク４３に対し、加工後の溝深さが完成したねじ溝１３の深さとなるようにエンドミル４１で切削加工を行う。この場合、加工中すなわち回動中のエンドミル４１の輪郭は、完成後のねじ軸５側のねじ溝１３の形状を有しているので、ねじ軸５側のねじ溝１３は１パスで加工することが可能である。このとき、ボール循環溝１９となる部分については、１パス目では、溝幅はねじ溝１３と同じであって、深さは完成後のボール循環溝１９の深さとなるように加工する。

循環部すなわちボール循環溝１９の切削加工は、上記１パス目の加工位置からエンドミル４１を所定量オフセットさせて２パス目の加工を行う。具体的には、２パス目においては、ワーク４３のボール循環溝１９となる部分でエンドミル４１を溝幅方向に所定量オフセットさせる。オフセットさせる量は、ボール循環溝１９の中央部において、図４の断面図に示すように、最大となる。このとき、ワーク４３を切削する深さは１パス目と同じである。すなわち、完成後のボール循環溝１９の深さと同じ深さである。

このように、ボール循環溝１９となる部分において、１パス目の加工位置に対してエンドミル４１を溝幅方向にオフセットさせて２パス目の切削加工を行うことにより、負荷部１５のねじ軸５側のねじ溝１３とボール循環溝１９とを１つのエンドミル４１で加工することが可能となる。さらに、同一のエンドミル４１によって、１パス目でねじ軸５側のねじ溝１３を加工し、１パス目および２パス目でボール循環溝１９を加工することより、ねじ軸５側のねじ溝１３およびボール循環溝１９は段差のない滑らかな連続する面とすることができる。その結果、ボール１７が滑らかに循環し、作動性が良好なボールねじ１を提供することができる。さらにボール１７が滑らかに循環するので、ボールねじ１の作動時の音や振動を抑制することができる。

本実施形態に係るボールねじ１の製造方法によれば、１パス目でねじ軸５側のねじ溝１３を加工し、１パス目および２パス目でボール循環溝１９を加工するので、ねじ軸５側のねじ溝１３およびボール循環溝１９の加工時間を大幅に短縮するができる。さらに、このように加工されたねじ溝１３とボール循環溝１９とは滑らかに連続しているので、ボール１７が滑らかに転動し、作動性が良好なボールねじ１を製造することができる。

次に、図８を参照して、本実施形態に係るボールねじにおけるボールの循環について説明する。
図８は、負荷部１５との境界近傍における循環部１９の拡大断面図であり、ボール１７およびナット３に作用する力の方向を模式的に示している。図８においては、ねじ軸５が一方向に回動し、ナット３はねじ軸５に対して軸方向一方側（図８の紙面に向かって左方）に移動するものとする。

ねじ軸５が上述したように一方向に回動し、ねじ軸５とナット３とが相対回動すると、ボール１７はボール転動路１５の一方端から他方端に向かってボール転動路すなわち負荷部１５を転動する。負荷部１５においては、ねじ軸５側のねじ溝１３の曲面２１ａと、ナット３側のねじ溝９の曲面２５ｄ（図３参照）とが、ボール１７からの主負荷を受けることとなる。曲面２１ａと曲面２５ｄとは、負荷部１５を転動するボール１７の中心に関して対向している。ナット３はねじ軸５に対して軸方向一方側に移動してゆく。すなわち、ナット３の曲面２５ｄはねじ軸５に対して図８において左方に移動してゆく。負荷部１５を転動したボール１７が負荷部１５の他方端に達し、負荷部１５の他方端から循環部１９へ入ると、循環部１９の面取り部３１ｅがボール１７に接触する。同時に、面取り部３１ｅと曲面２５ｄとの間隔は徐々に狭くなってゆき、循環部１９の深さは増してゆく。ボール１７は、面取り部３１ｅと曲面２５ｄとを転動しつつ、間隔が狭くなるように相対的に近づく面取り部３１ｅと曲面２５ｄとによって径方向内方、すなわち循環部１９の底部の方へ押し出されてゆく。

ボール１７が負荷部１５の他方端から循環部１９へ入り、面取り部３１ｅがボール１７に接触すると、面取り部３１ｅとボール１７との接点Ｇにおいて、面取り部３１ｅがボール１７を垂直方向すなわち面取り部３１ｅの法線方向に押す力Ｆ１が生じる。面取り部３１ｅの法線方向には、循環部１９を転動するボール１７の中心に関して面取り部３１ｅと対向しているナット３側のねじ溝９の曲面２５ｄがある。したがって力Ｆ１は、ボール１７を曲面２５ｄに押し付ける力である。力Ｆ１は、ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈにおいてボール１７を曲面２５ｄに押し付ける。

ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈにおけるボール１７の接線ＴＨは、面取り部３１ｅの法線と垂直には交差しない。つまり面取り部３１ｅと接線ＴＨは平行ではない。接線ＴＨは、面取り部３１ｅに対して、径方向内方すなわちねじ軸５に近づくに従い面取り部３１ｅとの間隔が広がる方向に傾いている。したがって力Ｆ１は、ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈにおいて、図８に示すように、接線ＴＨに対して垂直方向の分力Ｆ２と、接線ＴＨに沿ってねじ軸５に近づく方向の分力Ｆ３とに分解される。

接点Ｈにおいては、ボール１７は、曲面２５ｄから垂直方向の反力を受ける。この反力は、図８に示す分力Ｆ２と同じ大きさで、分力Ｆ２の方向とは反対方向の向きである。ボール１７にはこのような反力が作用するが、力Ｆ１によって接点Ｈにおいて曲面２５ｄに押し付けられているボール１７は、上述した分力Ｆ３によって、曲面２５ｄから分力Ｆ３の方向すなわちねじ軸５に近づく方向に押し出される。すなわち、分力Ｆ３は、循環部１９に入ったボール１７をナット３側のねじ溝９からねじ軸５に近づく方向に押し出す方向に作用する力である。ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈにおいて分力Ｆ３が生じることにより、ボール１７をナット３側のねじ溝９から容易に掬い上げることができる。つまり、上述したように間隔が狭くなってくる面取り部３１ｅと曲面２５ｄとによってボール１７はボール循環溝１９の底部の方へ押し出されるが、同時に接点Ｈにおいて分力Ｆ３が生じることにより、ボール１７はよりスムーズにボール循環溝１９の底部の方へ移動することとなる。

ねじ軸５とナット３とがさらに相対回動し、ボール１７が循環部１９をさらに転動すると、循環部１９は深さがさらに深くなるとともに、ナット３のランド部１１と交差する。ボール１７は循環部１９の最深部を転動してナット３のランド部１１を乗り越え、循環部１９の一方端から負荷部１５すなわちボール転動路１５の一方端へ戻される。こうしてボール１７は負荷部１５および循環部１９を循環する。本実施形態によれば、ボール１７が循環部１９に入った段階でボール１７を滑らかにねじ軸５側に掬い上げることができるので、ボール１７はスムーズに循環部１９を転動し、負荷部１５の一方端に戻される。このように、本実施形態によれば、ボール１７はスムーズにボール転動路１５および循環部１９を循環する。

本実施形態に係るボールねじ１のねじ軸５は、負荷部１５との境界近傍における循環部１９の面取り部３１ｅが、循環部１９を転動するボール１７の中心に関して対向するナット３側のねじ溝９の曲面２５ｄにボール１７を押し付けたときに、ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈにおいて上述した分力Ｆ３、すなわちボール１７をナット３側のねじ溝９からねじ軸５に近づく方向に押し出す方向の力が生じるように、面取り部逃げ角度θＥ（図５参照）が設定されている。具体的には、角度Ｅが角度θＤ（図５参照）よりも大きく設定されている。このような構成とすることにより、ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈがナット側ねじ溝Ｒ部の内径側端にあるとき、すなわち、面取り部３１ｅと上述した接線ＴＨ（図８参照）とが最も平行に近い状態でボール１７が曲面２５ｄに接触しているときであっても、分力Ｆ３が生じることとなる。つまり、ボール１７と曲面２５ｄとの接点Ｈがナット側ねじ溝Ｒ部のどの位置であっても、分力Ｆ３が生じることとなる。したがって、本実施形態に係るボールねじ１によれば、ボール１７の循環性を良好に維持することができる。

ねじ軸５の回転方向が上記の例と反対方向の場合、すなわちねじ軸５が他方向に回動し、ナット３がねじ軸５に対して軸方向の他方側に移動する場合も同様である。すなわち、角度θＦが角度θＣよりも大きく設定されている。そのため、面取り部３１ｆから所定の力によってナット５側のねじ溝９の曲面２５ｃに押し付けられたボール１７は、ボール１７と曲面２５ｃとの接点において、該接点における接線に沿ってねじ軸５に近づく方向の分力によって、ねじ軸５に近づく方向に押し出される。その結果、ボール１７をナット３側のねじ溝から容易に掬い上げることができる。

このように、本実施形態によればボール１７の循環性を良好に維持することができる。また、本実施形態に係るボールねじ１は、ねじ軸５のねじ溝１３は、曲面２１ａと面取り部２３ａとは滑らかに連続し、曲面２１ｂと面取り部２３ｂとは滑らかに連続しているので、ボールねじ１が高荷重を受けて、ねじ軸５側のねじ溝１３に対するボール１７の接触範囲が曲面２１ａと面取り部２３ａとの境界、あるいは曲面２１ｂと面取り部２３ｂとの境界を越えても、ボール１７およびねじ溝１３に過度な応力が集中することがない。その結果、ボールねじ１の耐久性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ボール１７を循環させるためのボール循環溝１９がねじ軸５に形成されたボールねじにおいて、ねじ溝１３を成形するための加工時間を短縮し、製造の手間を低減することができるボールねじ１、およびボールねじの製造方法を提供することができる。さらに、本実施形態に係るボールねじの製造方法によって製造されたボールねじ１は、ボール１７の循環性を良好に維持することができ、その結果耐久性を向上させ、さらにボール１７が滑らかに転動するので静粛性を向上させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、ねじ軸５側のねじ溝１５の面取り部２３ａと面取り部２３ｂ、および循環部１９の面取り部３１ｅと面取り部３１ｆは、断面が直線の面取りとしたが、これらの面取り部を、断面の曲率半径が大きなＲ面取りとしても良い。この場合、面取り部逃げ角度θＡ、θＢ、θＥ、およびθＦは、Ｒ面取り部の上端を接点とするねじ軸の外周面の接線と、Ｒ面取り部の上端を接点とする各面取り部の接線とが成す角度であり、当該面取り部逃げ角度がナットねじ溝Ｒ部範囲角度よりも大きくなるように構成すれば、上記実施形態と同様の効果を発揮することができる。

また、上記実施形態においては、ねじ軸５側のねじ溝１３およびナット３側のねじ溝９の溝面をゴシックアーク形状としたが、これらの溝面を単一円弧状のサーキュラーアーク形状の溝面としても良い。

１ボールねじ
３ナット
５ねじ軸
７連結部
９（ナット側）ねじ溝
１１ランド部
１３（ねじ軸側）ねじ溝
１５ボール転動路（負荷部）
１７ボール
１９ボール循環溝（循環部）
２１ａ、２１ｂ曲面
２３ａ、２３ｂ面取り部
２５ｃ、２５ｄ曲面
２７ｃ、２７ｄ溝肩部
２９ｅ、２９ｆ曲面
３１ｅ、３１ｆ面取り部
４１エンドミル
４３ワーク
４５平行部
４７Ｖ字状部
４９曲がり部
５１直線部

Claims

軸方向に延在し、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
前記螺旋状のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝を内周面に有し、該ねじ溝と前記ねじ軸のねじ溝とで形成されるボール転動路に転動可能に配置された複数のボールを介して前記ねじ軸の径方向外方に嵌装されたナットとを備え、
前記ボールを前記ボール転動路の所定位置まで戻すためのボール循環溝が前記ねじ軸の外周面に形成されたボールねじにおいて、
前記ボール循環溝の断面形状は、第１の溝底部の断面と、前記第１の溝底部の断面の軸方向一方端および軸方向他方端と前記ねじ軸の外周面との間のそれぞれの部分である軸方向一方側の第１面取り部の断面と軸方向他方側の第２面取り部の断面とからなり、
前記ナット側のねじ溝の断面形状は、溝底で連続する軸方向一方側の第１円弧部と軸方向他方側の第２円弧部とを有し、
前記第１面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、前記第１面取り部の断面とが成す第１の角、および、前記第２面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、前記第２面取り部の断面とが成す第２の角は、それぞれ、前記ナット側のねじ溝の溝底から前記ナットの中心軸線に下ろした垂線と、前記第２円弧部を含む円の中心と前記第２円弧部の径方向内方端とを通る直線とが成す第３の角、および、前記垂線と、前記第１円弧部を含む円の中心と前記第１円弧部の径方向内方端とを通る直線とが成す第４の角よりも大きいことを特徴とするボールねじ。
前記ねじ軸側のねじ溝の断面形状は、第２の溝底部の断面と、前記第２の溝底部の断面の軸方向一方端および軸方向他方端と前記ねじ軸の外周面との間のそれぞれの部分である軸方向一方側の第３面取り部の断面と軸方向他方側の第４面取り部の断面とからなり、
前記ボール循環溝の前記第１の溝底部の断面は、前記第２の溝底部の断面の溝底の幅を広げた形状であり、前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は、それぞれ前記第３面取り部の断面および前記第４面取り部の断面を径方向外方に延ばした形状であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
前記第１の溝底部の断面と前記第１面取り部の断面とは滑らかに連続し、前記第１の溝底部の断面と前記第２面取り部の断面とは滑らかに連続していることを特徴とする請求項１または２に記載のボールねじ。
前記第２の溝底部の断面と前記第３面取り部の断面とは滑らかに連続し、前記第２の溝底部の断面と前記第４面取り部の断面とは滑らかに連続していることを特徴とする請求項２または３に記載のボールねじ。
前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は直線であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のボールねじ。
前記第１面取り部の断面および前記第２面取り部の断面は円弧であり、前記第１の角は、前記第１面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、該交点を接線とする前記第１面取り部の断面の接線とが成す角であり、前記第２の角は、前記第２面取り部の断面と前記ねじ軸の外周面との交点を接点とする前記ねじ軸の外周面の接線と、該交点を接線とする前記第２面取り部の断面の接線とが成す角であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のボールねじ。