JP6954220B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじに関し、より詳細には、ねじ軸とナットとの間に形成される転動路を循環する複数のボールを循環するようにした、内部循環方式のボールねじに関する。

ボールねじは、精密な位置決めを実現する装置として、工作機械や産業機械等の搬送装置やテーブル送り装置、自動車のステアリング装置等に適用されている。また、内部循環方式のボールねじのうち、循環こまを用いたこま式のボールねじは、各種ボールねじの中でも、最もコンパクトにできるという長所を有している。

特許文献１には、水平状態に配置されて回転するねじ軸と、該ねじ軸に外嵌するナットと、ねじ軸及びナットのボール転動溝によって形成される軌道内に転動可能に充填される複数のボールと、ボール戻し溝を有しナットに内装する複数の循環こまとを備えるボールねじ装置が開示されている。複数の循環こまは、ナットの軸方向に一列に、且つ、各循環こまの位相がほぼ上となるように配置することで、ボール戻し溝内に常に隙間を生じさせてボールのつまり現象を防止し、ボール通過周期の作動トルクの変動を抑制して、作動トルクの変動に伴う不具合の抑制を図っている。

また、特許文献２には、各ボール間に弾性体を介在させて、循環部一端のボールと他端のボールの間に作用するボール出入り方向の弾性体のばね定数を規定することで、循環部内でのボールの出入り変動を吸収するようにしたボールねじが知られている。

特開２０１２−４７３３３号公報 特開２００４−１０８３９５号公報

ところで、溝や円筒などでできた曲線路に球体を並べて移動させると、球体列の全長が曲線路における球体の位置によって変化する現象が生じる。たとえば、図１４のような曲線路に球体Ｂを充填した場合、図１４の（ａ）と（ｂ）で球体Ｂの位置に差があり、その全長は微妙に異なる。これは、球体Ｂの中心を結んだ線Ｓ１が溝の中心線Ｓ２から外れてショートカットするが、そのショートカット量が球体Ｂの位置によって変わることに起因する。つまり、図１４のような溝の中を球体列が通過すると、その全長Ｌ１、Ｌ２が伸び縮みすることになる。

もし、無限に続く球体列が曲線路を通過すると、伸縮が生じても前後に球体Ｂがいて伸びることができずに、球体Ｂ自身が弾性変形して伸びを打ち消すことになる。その結果、伸びるタイミングで球体Ｂが押し合ってつっかかるため、スムーズに曲線路を通過できなくなる。ただし、伸縮量は曲線路の曲率半径や曲線の長さによって変化するため、伸縮量が小さくなる曲線形状が分かればスムーズな球体Ｂの通過を実現することができる。
なお、球体列が伸縮すると曲線路の出入り口において、球体Ｂが入り口に進入した量と出口から出てきた量が同じにならずに伸縮の分異なる。そのため、この現象を出入り変動と呼び、伸縮量を出入り変動量という場合がある。

こま式ボールねじは循環こまの内部に複雑な３次元曲線形状の循環路を持ち、その中を球体列が通過する構造になっている。即ち、図１４に示すように、ボール戻し通路を一定の曲率の曲線で描く場合、その出入り変動量は計算式によって求めることができるが、循環こまのボール戻し通路は一定の曲率の曲線で構成されておらず、３次元曲線形状であるため（図２参照）、出入り変動量を計算で求めることが難しい。その結果、出入り変動を小さくすることができずに球体がボール戻し通路内をスムーズに循環しないという課題があった。

また、特許文献１に記載のボールねじ装置によると、循環こまを嵌合するための穴または溝をナットに設ける必要があり、ナットの熱処理時に変形し易いという生産上の課題がある。また、循環こま内にあるボールは、負荷を受けることができず、各ボールの負荷バランスが悪くなるため、結果として、ボールねじ装置の寿命が低下する可能性がある。

また、特許文献２に記載のボールねじは、ボール間に弾性体を介在させる分、ボール数を減らす必要がある。このため、ボールねじの負荷容量が低減する。また、組み立て時のボール充填作業が煩雑になると共に、柔軟性の高い材質で構成される弾性体の強度や耐摩耗性が懸念され、高速回転条件での使用は困難である。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ボールがボール戻し通路を通過する際の出入り変動を小さくすることができる循環部を備えたボールねじを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
前記ねじ軸の周囲に配置され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、
対向する前記両ねじ溝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、
該複数のボールを１巻き以下の前記転動路で循環させるためのボール戻し通路を構成する循環部と、
を有するボールねじであって、
前記循環部のボール戻し通路は、リードをＬ、玉径をＤａ、リード角をβとすると、前記ボール戻し通路の最大傾斜角度αが、下記（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかを満たすように形成されることを特徴とするボールねじ。
α＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００−β±５・・・（ｃ１）
α＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５−β±５・・・（ｃ２）
α＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３−β±５・・・（ｃ３）
（２） 前記循環部は、循環こまによって構成されることを特徴とする（１）に記載のボールねじ。

本発明のボールねじによれば、循環部のボール戻し通路は、ボール戻し通路の最大傾斜角度αが、上記（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかを満たすように形成されることで、ボールがボール戻し通路を通過する際の出入り変動を小さくすることができる。

本発明に係るボールねじの斜視図である。 循環路を通過する鋼球列とともに、ねじ軸及び循環こまを示す斜視図である。 （ａ）は、ねじ軸のねじ溝と循環こまのボール戻し通路とを示す模式図、（ｂ）は、循環こまのボール戻し通路の形状を示す平面図、（ｃ）は、（ａ）のボール戻し通路中心線に沿う断面図である。 直径がボール中心円と同じである円筒面上に描かれているボール戻し通路を平面に展開した際に求まるボール戻し通路の曲率半径を示す説明図である。 出入り変動量と、こま中心の経路角度αとの関係を示すグラフである。 経路の半径Ｒ／玉径Ｄａを１．５〜２．２の間で変化させた際の経路変動が最小となる最大傾斜角度αを示すグラフである。 経路の半径Ｒ／玉径Ｄａを１．５〜２．２の間で変化させた際の経路変動が最小となるγを示すグラフである。 リード／玉径と、γと、の関係を示すグラフである。 （ａ）は、出入り変動量と、こま中心の経路角度αとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、出入り変動量と、こま中心の経路角度αとの関係を示すグラフである。 経路の半径Ｒ／玉径Ｄａと、出入り変動量が最小となるように最大傾斜角度αを設定した際の、出入り変動量の値の関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、溝のつなぎ目を説明するための側面図と内側断面図である。 段差がある場合のボール列を示す図である。 位置決め用の突き出し部を有する循環こまの平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、球体の位置による球体列の全長の変化を表す図である。

以下、本発明に係るボールねじの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじの斜視図であり、図２は、循環路を通過する鋼球列とともに、ねじ軸及び循環こまを示す斜視図である。

このボールねじ１は、ねじ軸１０と、ナット２０と、複数のボール３０と、循環部としての複数の循環こま４０と、を備えて構成されている。ねじ軸１０は、中心軸ＣＬを中心とした円筒形状に形成され、その外周面に所定のリードを有する螺旋状の第１ねじ溝１１が形成されている。

ナット２０は、略円筒状をなし、その内径はねじ軸１０の外径よりも大きく形成されており、ねじ軸１０に所定の隙間をもって外嵌している。ナット２０の一端部には、案内対象と結合するためのフランジ２５が設けられている。ナット２０の内周面には、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１と等しいリードを有し、第１ねじ溝１１と対向する第２ねじ溝２１が形成されている。そして、ねじ軸１０の第１ねじ溝１１とナット２０の第２ねじ溝２１とによって断面略円形状の転動路２３が形成されている。この転動路２３内に複数のボール３０が転動可能に充填配置されている。

また、ナット２０の内周面には、ボール３０を手前の転動路２３に戻すための複数の循環こま４０が装着されている。各循環こま４０には、転動路２３の一端と一巻き手前の転動路２３の他端とを連結するボール戻し通路４２が形成されている。このボール戻し通路４２により、各循環こま４０に向かって転動路２３を転がってくるボール３０をねじ軸１０の径方向にすくい上げ、さらに、ねじ軸１０のねじ山１２を乗り越えさせ、一巻き手前（一リード手前）の転動路２３に戻すことでボール３０を循環可能にしている。

そして、このボール戻し通路４２及び転動路２３によってねじ軸１０の外側に略円環状の無限循環路２４が形成される。これにより、ナット２０に対するねじ軸１０の相対的な回転に伴って、複数のボール３０が無限循環路２４内を無限循環することによって、ナット２０がねじ軸１０に対してねじ軸１０の軸方向に相対的に直線運動することが可能となる。

次に、各循環こま４０について図３を参照して詳細に説明する。循環こま４０は、例えば焼結合金によって形成された、平面視、略小判形の部材であり、その内面には、略Ｓ字型のボール戻し通路４２が形成されている。

ねじ軸１０の中心軸ＣＬに直交する面Ｓと、ボール戻し通路４２内でのボール３０の軌跡Ｔ_２とのなす傾斜角度は、循環こま４０の経路上のこま中心Ｃでの角度が最大傾斜角度αとなる。また、ねじ軸１０上でのボール３０の軌跡Ｔ_１と、ねじ軸１０の中心軸ＣＬに直交する面Ｓとのなす角度が、ねじ溝１１，２１のリード角βとなる。

ここで、発明者は、鋭意研究した結果、出入り変動量を解析によって求めることで、出入り変動が小さくなる循環こま４０の設計を確立した。
循環こま４０のボール戻し通路４２は、最大傾斜角度αとボール戻し通路４２の曲率半径Ｒが決まればその形状がほぼ決まる。そのため、これら２つの値が設計において重要となる。本実施形態では、種々の諸元のボールねじ１において出入り変動が小さくなるボール戻し通路４２の最大傾斜角度αと曲率半径Ｒを求めることで、出入り変動が小さいボール戻し通路４２を設計するためには、最大傾斜角度αと曲率半径Ｒをどのように設定すればよいかを明らかにした。
そして、計算の結果、出入り変動量を小さくするには、曲率半径Ｒよりも最大傾斜角度αをある値に設定することが重要であることがわかった。詳細を以下に説明する。

なお、ここでの曲率半径Ｒは、厳密には、ボール戻し通路４２を図３（ｂ）に記載の方向からみた際の曲率半径ではなく、図４に示すように、直径がボール中心円と同じである円筒面上に描かれているボール戻し通路４２を平面に展開した際に求まる曲率半径である。一方で、最大傾斜角度αは、図３（ｂ）に記載の方向から見て求めた値である。

まず、ボール戻し通路４２の曲率半径Ｒを一定として、ボール戻し通路４２の最大傾斜角度αを変えて出入り変動を計算すると、図５に示すように、出入り変動量が変化して出入り変動が最小となる最大傾斜角度αが存在することがわかった。（図５では、α＝３２°周辺。なお、この例では、軸径を４０ｍｍ、曲率半径Ｒを１２ｍｍとしている。）

次に、軸径３２ｍｍ〜６３ｍｍの種々のボールねじにおいてボール戻し通路４２の曲率半径Ｒを玉径Ｄａで割った値Ｒ／Ｄａを１．５〜２．２の間で変化させて、出入り変動が最小となった時のボール戻し通路４２の最大傾斜角度αをまとめると、図６に示すようになった。なお、Ｒ／Ｄａを１．５〜２．２の間で変化させたのは、Ｒ／Ｄａが１．５未満であると、図１０に示すとおり出入り変動が小さくなりにくく、Ｒ／Ｄａが２．２より大きいと、ボール戻し通路４２の全長が長くなって循環こまが大きくなるためである。

さらに、図６の縦軸を最大傾斜角度αではなく、角度γ（γ＝α＋リード角β）とすると、図８に示すように線が重なり、３つのグループに分かれた。ここで、それぞれのグループの共通項を確認したところ、線が重なったボールねじのリード／玉径がほぼ同じ値となることがわかった。図７は、３つのグループそれぞれのリード／玉径を示す。

図６及び図７により、ボール戻し通路４２の曲率半径Ｒを変えても出入り変動が最小となる角度γはほとんど変わらないことがわかる。γ＝α＋リード角βであるため、最大傾斜角度αさえ規定すれば曲率半径Ｒに関係なく出入り変動が最小となる循環こま４０のボール戻し通路４２の形状を決定することができる。これは、循環こま４０のボール戻し通路４２を図４（ａ）で見た際の曲線の曲率半径Ｒによらずに、最大傾斜角度αのみで出入り変動が最小となるボール戻し通路４２の形状が決まることを示している。

また、出入り変動が最小となる最大傾斜角度αは、図７により、ボールねじ１のリード／玉径が同じであれば、ほぼ同じようになることがわかった。たとえば、下記３種類Ａ〜Ｃのボールねじ１は軸径にかかわらず、出入り変動が最小となる最大傾斜角度αがほとんど同じになる。
Ａ：リード２０ｍｍ、玉径６．３５ｍｍ
Ｂ：リード１５ｍｍ、玉径４．７６２５ｍｍ
Ｃ：リード１０ｍｍ、玉径３．１７５ｍｍ

２２種類のボールねじについて出入り変動が最小となるγを求めたところ、図８に示すように、γがリード／玉径の関係であらわせることがわかった。
ここで、出入り変動が最小となる最大傾斜角度αは、図７に示すように、曲率半径Ｒによってわずかに変動する。そこで、図８では、Ｒ／Ｄａ＝１．５〜２．２の間で得られた出入り変動が最小となる最大傾斜角度αの平均値を求めて、その平均値からγの値を算出して使用した。
図８により、以下の式を満たす最大傾斜角度αで、循環こま４０を設計すると、出入り変動を小さくすることができる。式中において、Ｌはリード、Ｄａは玉径である。

γ＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００・・・（ａ１）
γ＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５・・・（ａ２）
γ＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３・・・（ａ３）

つまり、
α＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００−β・・・（ｂ１）
α＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５−β・・・（ｂ２）
α＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３−β・・・（ｂ３）

また、出入り変動量の値は０．１ｍｍ以下とすることができれば好ましく、変動量が最小となる最大傾斜角度αの値に対しておおむね±５°の範囲に入れば出入り変動量が０．１ｍｍ以下を達成できることを確認した。例として、図９（ａ）は、軸径が５０ｍｍ、曲率半径Ｒが１２．５ｍｍの場合のボールねじを示し、図９（ｂ）は、軸径が４０ｍｍ、曲率半径Ｒが１２ｍｍの場合のボールねじを示している。そこで、出入り変動量が０．１ｍｍ以下を達成するため、上記の式（ｂ１）〜（ｂ３）を用いて、以下の式（ｃ１）〜（ｃ３）が与えられる。
α＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００−β±５・・・（ｃ１）
α＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５−β±５・・・（ｃ２）
α＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３−β±５・・・（ｃ３）

さらに、出入り変動量は０．０６ｍｍ以下とすることができればより好ましい。そのため、図９（ａ）及び図９（ｂ）から上式（ｃ１）〜（ｃ３）において±５°を±３．５°とすれば、０．０６ｍｍ以下を達成できる。

しかしながら、循環こま４０の設計においては、最大傾斜角度αが小さいほどボール戻し通路４２の全長が短くなって、循環こま４０の大きさを小さく抑えられることができ、逆に最大傾斜角度αが大きいと、図３に示す循環こま４０の外周とボール戻し通路４２との間の肉厚Ｔを大きくできるといったメリットがある。そのため、循環こま４０の大きさや肉厚Ｔを優先する必要があり、出入り変動量のみを考慮して最大傾斜角度αを設定できない場合も多い。そのため、式（ｂ１）〜（ｂ３）に対して±５°程度の範囲に入るようにした式（ｃ１）〜（ｃ３）とすることが現実的と考えられる。
したがって、最大傾斜角度αの設定においては、出入り変動量以外に、循環こま４０の大きさや、循環こま４０の外周とボール戻し通路４２との間の肉厚Ｔ等を考慮して、式（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかが選択される。

図１０は、ボール戻し通路４２の曲率半径Ｒ／玉径Ｄａと、出入り変動量が最小となるように最大傾斜角度αを設定した際の、出入り変動量の値の関係を示している。この図から曲率半径Ｒ／玉径Ｄａを１．５以上とするとより小さな出入り変動量を得られることがわかる。このことからボール戻し通路４２をねじ軸径方向から見た際の曲率半径Ｒはボール戻し通路４２のどの部分であっても曲率半径Ｒ／玉径Ｄａ＞１．５となるよう設定することが望ましい。

また、図１１に示すように、ボール戻し通路４２とナット２０の第２ねじ溝２１のつなぎ目Ｊに段差ｓがあると、これも出入り変動が生じる要因となる。図１２は、つなぎ目Ｊに段差ｓがある場合の循環路内のボール列を示す。ここで、つなぎ目Ｊの段差ｓを小さくするためには、循環こま４０とナット２０の第２ねじ溝２１を精度よく位置合わせをすることが求められる。精度よく位置合わせする方法としては、例えば、図１３のように、循環こま４０にナット２０と嵌合するための突き出し部４６を設ける方法がある。

また、循環こま４０内のボール３０に対してボール戻し通路４２の幅が広いと、ボール３０がボール戻し通路４２の中心からずれてしまうため、ボール３０のならびが不安定になり、循環こま４０内でのボール３０の軌跡Ｔ_２にも影響する。ボール３０を設計どおり、ボール戻し通路４２の中央付近に並べるため、図３（ｂ）に示すように、ボール戻し通路４２の幅Ｗは、ボール３０の直径×１．０７以下とすることが望ましく、ボール３０の直径×１．０５以下とすることがより望ましい。

以上説明したように、本実施形態のボールねじ１によれば、外周面に螺旋状の第１ねじ溝１１が形成されたねじ軸１０と、ねじ軸１０の周囲に配置され、内周面に螺旋状の第２ねじ溝２１が形成されたナット２０と、対向する両ねじ溝１１，２１により形成される転動路２３内に収容される複数のボール３０と、複数のボール３０を１巻き以下の転動路２３で循環させるためのボール戻し通路４２を構成する循環こま４０と、を有する。そして、循環こま４０のボール戻し通路４２は、リードをＬ、玉径をＤａ、リード角をβとすると、ボール戻し通路４２の最大傾斜角度αが、下記（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかを満たすように形成される。
α＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００−β±５・・・（ｃ１）
α＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５−β±５・・・（ｃ２）
α＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３−β±５・・・（ｃ３）
これによって、ボール３０がボール戻し通路４２を通過する際の出入り変動を小さくすることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
ボール戻し通路４２は、ボール３０が１巻き以下の転動路２３で循環するように形成されればよく、任意の形式が採用可能である。例えば、本実施形態では、ナット２０の内面に配設した循環こま４０によってボール戻し通路４２を形成したが、循環こま４０に限定されず、ボール戻し通路を内周面に一体形成したナット（日本国特開２００３−３０７６２３参照）が循環部を構成するものであってもよい。この場合、ボール戻し通路がナットと一体化されるので、ボール戻し通路とナットのねじ溝が段差なく形成され、ボール３０が段差に引っかかることなく、滑らかな作動を実現できる。

また、ボール戻し通路は、ねじ軸の外周面からボールを離隔して、循環こまのみによってボール３０が循環するようにしてもよく（日本国特開１９９３−１０４１２参照）、また、ボール戻し通路が、トンネル状に形成されてもよい（日本国特許第４４６２４５８参照）。さらに、循環こまは、ねじ軸のねじ溝内に入り込むタング部分を有していてもよい。

１ ボールねじ
１０ ねじ軸
１１ 第１ねじ溝（ねじ溝）
２０ ナット
２１ 第２ねじ溝（ねじ溝）
２３ 転動路
３０ ボール
４０ 循環こま（循環部）
４２ ボール戻し通路
Ｄａ 玉径
Ｌ リード
Ｒ ボール戻し通路の曲率半径
Ｓ ねじ軸の軸方向に対して垂直な面
α ボール戻し通路の経路上のこま中心での角度（最大傾斜角度）
β ねじ溝のリード角

Claims (2)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
   前記ねじ軸の周囲に配置され、内周面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、
   対向する前記両ねじ溝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、
   該複数のボールを１巻き以下の前記転動路で循環させるためのボール戻し通路を構成する循環部と、
   を有するボールねじであって、
   前記循環部のボール戻し通路は、リードをＬ、玉径をＤａ、リード角をβとすると、前記ボール戻し通路の最大傾斜角度αが、下記（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかを満たすように形成されることを特徴とするボールねじ。
   α＝２２．６３（Ｌ／Ｄａ）^２−３２．１７（Ｌ／Ｄａ）＋２７．００−β±５・・・（ｃ１）
   α＝５．８６（Ｌ／Ｄａ）^２＋２．０９（Ｌ／Ｄａ）＋２．４５−β±５・・・（ｃ２）
   α＝７．２４（Ｌ／Ｄａ）^２−２３．６５（Ｌ／Ｄａ）＋４４．８３−β±５・・・（ｃ３）
2. 前記循環部は、循環こまによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。

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