JP2003074663A

JP2003074663A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2003074663A
Application number: JP2001268360A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Okubo; 努大久保
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-03-12
Also published as: EP1764531A1; EP1291555A1; US20030047019A1; US6978693B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速送り，高速回転で使用されても、破損や
騒音が発生しにくい大リードのボールねじを提供する。【解決手段】螺旋状のねじ溝２ａを外周面に有するね
じ軸２と、ねじ軸２のねじ溝２ａに対向するねじ溝３ａ
を内周面に有し、両ねじ溝２ａ，３ａ間に形成される螺
旋状のボール転動路６に転動自在に装填された多数のボ
ール４を介してねじ軸２に螺合されるナット３と、ボー
ル４をボール転動路６の一端Ｐですくい上げて他端に送
るリターンチューブ７と、を備えるボールねじ１におい
て、ナット３のねじ溝３ａのボール４との接触部とリタ
ーンチューブ７の端部７ａの内面７ｂとの段差Δｔが
０．２ｍｍ以下、且つボール４がボール転動路６からリ
ターンチューブ７にすくい上げられることによって生じ
るボール４の転動方向の角度変化が１０°以下となるよ
うに、リターンチューブ７の端部７ａをボール転動路６
の一端Ｐに連結した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、破損や騒音が発生
しにくいボールねじに係り、特に、高速送り，高速回転
で好適に使用される大リードのボールねじに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工作機械，各種装置等は高速化の
要求が高まっているため、それに伴って、工作機械，各
種装置等に使用されるボールねじも高速化が進んでい
る。高速化のための手法としては大リード化があるが、
大リードのボールねじにおいては、従来のリターンチュ
ーブ方式では、ボールの上方に位置するリターンチュー
ブにボールを円滑にすくい上げることが困難である。

【０００３】このことを、図６を参照しながら説明す
る。図６は、軸径２０ｍｍ，リード４０ｍｍのボールね
じのねじ軸６１を、図６においては紙面に対して前方に
位置するリターンチューブ側から見た図である。このボ
ールねじにおいては、リターンチューブ（図示せず）
は、ボール６２のすくい上げ角度が０°となるように配
設されている。すなわち、リターンチューブの端部（ボ
ール６２の導入口を備える部分）は、ボール６２がすく
い上げられる位置におけるねじ軸６１の接線と一致する
ように配設されている。

【０００４】よって、すくい上げられる位置におかれた
ボール６２をリターンチューブにすくい上げようとする
と、ねじ軸６１のランド部のうちの斜線部（図６を参
照）と干渉するため、ボールねじの作動性が悪化した
り、ボールの摩耗やランド部の破損が生じたりする場合
がある。したがって、現在の大リードのボールねじにお
いては、上記のような不具合を解消するため、すくい上
げ角度を大きく取ってリターンチューブが配設され（す
なわち、リターンチューブの端部と、ボールがすくい上
げられる位置におけるねじ軸の接線と、が角度を有する
ようにリターンチューブが配設され）、前記干渉が生じ
ることが防止されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、すくい
上げ角度を大きく取ってリターンチューブを配設する
と、ボールの軌道からリターンチューブにボールがすく
い上げられる際のボールの転動方向の角度変化が大きく
なる。そうすると、ボールをすくい上げるためにリター
ンチューブの端部に凸設されたタング部にボールが衝突
して加わる力が大きくなって、タング部が破損しやすく
なるので、タング部の強度が高速化（高回転性能化）を
進める上でのネックとなる。

【０００６】また、前記角度変化が大きいと、ねじ軸の
ねじ溝やランド部にボールが衝突して加わる力が大きく
なるので、ねじ軸のねじ溝等が損傷しやすいという問題
点も有している。一方、特開２０００−１８３５９号公
報には、ボールを衝突させてリターンチューブにすくい
上げるためのタング部がリターンチューブの端部に備え
られていないボールねじが記載されている。このボール
ねじは、徐々に幅が狭くなる切り口をリターンチューブ
の端部に備えているので、ボールが前記切り口の両脇に
よって案内されながら、徐々にリターンチューブの奥の
方に導かれるようになっている。

【０００７】しかしながら、このようなボールねじは、
前記切り口の形状を精密に形成しないと、ボールを確実
にすくい上げられなかったり、前記切り口のエッジ部に
偏摩耗が生じる等の問題が生じるおそれがある。また、
前記切り口からボールをより多くすくい上げるために
は、ねじ軸のねじ溝の深さを浅くする必要があるが、浅
いねじ溝では大きな荷重に対応できないおそれがある。

【０００８】さらに、大リードのボールねじの場合は、
前記切り口の形状を精密に形成しにくくなり、コスト面
でも問題が生じるおそれがあると考えられる。他方、現
在のボールねじにおいては、通常は、ボールの中心が通
る経路を基準にして、ボールをすくい上げる部分（リタ
ーンチューブの端部やねじ溝）の設計が行われている。
しかしながら、従来の設計方法では、ボールの軌道から
リターンチューブにボールがすくい上げられる際のボー
ルの転動方向の角度変化や、ナットのねじ溝の表面とリ
ターンチューブの端部の内面との段差が大きくなる傾向
がある。

【０００９】ボールねじが高速回転で使用される場合
は、ボールはその遠心力によって、ナットのねじ溝の表
面に押しつけられながら回転するので、ボールをすくい
上げる部分をボールが通過する際に、前記角度変化や前
記段差によって、大きな騒音が生じる場合があるという
問題点があった。そこで、本発明は、上記のような従来
のボールねじが有する問題点を解決し、高速送り，高速
回転で使用されても、破損や騒音が発生しにくい大リー
ドのボールねじを提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発
明のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するね
じ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面
に有し、前記両ねじ溝間に形成される螺旋状のボール転
動路に転動自在に装填された多数のボールを介して前記
ねじ軸に螺合されるナットと、前記ボールを前記ボール
転動路の一端ですくい上げて他端に送るボール循環路
と、を備えるボールねじにおいて、前記ナットのねじ溝
の前記ボールとの接触部と前記ボール循環路の端部の内
面との段差Δｔが０．２ｍｍ以下、且つ前記ボールが前
記ボール転動路から前記ボール循環路にすくい上げられ
ることによって生じる前記ボールの転動方向の角度変化
が１０°以下となるように、前記ボール循環路の端部を
前記ボール転動路の一端に連結したことを特徴とする。

【００１１】なお、前記角度変化は、前記多数のボール
の中心を含む曲線の前記ボール転動路の一端における接
線と前記ボール循環路の端部とがなす角度と換言するこ
とができる。このような構成であれば、前記段差Δｔ及
び前記角度変化が小さいので、ボールねじが大リードの
ボールねじであって、しかも高速送り，高速回転で使用
されても、破損や騒音が発生しにくい。

【００１２】前記段差Δｔが０．２ｍｍ超過であると、
使用時の騒音が大きくなるおそれがある。また、前記角
度変化が１０°超過であると、ボールねじ（前記ねじ溝
や前記ボール循環路等）に破損が生じやすくなり、使用
時に騒音も生じやすい。このような問題がより生じにく
くするためには、前記ボール循環路の端部をリード角方
向に沿って配設することがより好ましい。

【００１３】また、前記ボール循環路の内径ｄｔ及び前
記ボールのすくい上げ角度αは、下記式を満足するよう
に設定することが好ましい。｜Δｔ−Δｔ’｜＜０．２ Δｔ＝（ｄｔ−Ｄｗ）／２ Δｔ’＝ＢＣＤ・（１−ｃｏｓα）／２ここで、Δｔ’は前記すくい上げ角度αによる前記段差
Δｔのずれ、ＢＣＤはボールねじのボールピッチ径、Ｄ
ｗは前記ボールの直径である（図１の（ａ）及び（ｂ）
の概念図を参照）。

【００１４】｜Δｔ−Δｔ’｜が０．２以上となるよう
に前記ボール循環路の内径ｄｔ及び前記ボールのすくい
上げ角度αを設定すると、ボールねじの破損や騒音が生
じやすくなる。なお、図１の（ａ）のボールねじは、ボ
ール循環路がリターンチューブのみで構成されており、
ボール転動路からリターンチューブへ、ボールが直接移
るようになっている。しかし、図１の（ｂ）のように、
ナットに設けた穴と該穴に連結するリターンチューブと
でボール循環路が構成されたボールねじでもよい。この
ようなボールねじにおいては、ボールはボール転動路か
ら前記穴にすくい上げられ、連結するリターンチューブ
へと移るようになっている。

【００１５】また、図１の（ａ）及び（ｂ）のボール循
環路の配設位置は、すくい上げ角度αが１０°の場合で
ある。すくい上げ角度αを１０°とすれば、すくい上げ
角度αが０°の場合よりも段差Δｔの値を小さくするこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に係るボールねじの実施の
形態を、図面を参照しながら説明する。図２は、本発明
のボールねじの一実施形態を示す断面図である。また、
図３の（ａ）は、図２のボールねじのうちナット及びボ
ールを省略し要部を拡大して示した側面図であり、図３
の（ｂ）は、図３の（ａ）を軸方向から見た正面図であ
る。

【００１７】ボールねじ１（軸径：４０ｍｍ，リード：
２０ｍｍ，ボールねじ１のボールピッチ径ＢＣＤ：４１
ｍｍ，ボール４の直径Ｄｗ：６．３５ｍｍ，リターンチ
ューブ７の内径ｄｔ：６．９ｍｍ）は、断面円弧状の螺
旋状のねじ溝２ａを外周面に有するねじ軸２と、ねじ軸
２のねじ溝２ａに対向する断面円弧状の螺旋状のねじ溝
３ａを内周面に有しねじ軸２に螺合される円筒状のナッ
ト３と、ねじ軸２のねじ溝２ａとナット３のねじ溝３ａ
とで形成される断面ほぼ円形の螺旋状のボール転動路６
に転動自在に装填された多数のボール４と、を備えてい
る。

【００１８】また、ナット３には略コ字状に屈曲したリ
ターンチューブ７が備えられていて、ボール転動路６内
のボール４がリターンチューブ７を通って循環されるよ
うになっている。すなわち、ボール転動路６内を転動す
るボール４は、該ボール転動路６内を移動しねじ軸２の
回りを複数回回ってから、ボール転動路６の一端Ｐでリ
ターンチューブ７の一方の端部７ａにすくい上げられ
る。その際には、リターンチューブ７の端部７ａに凸設
されたタング部８にボール４が衝突することにより、ボ
ール４がリターンチューブ７内にすくい上げられる。す
くい上げられたボール４は、リターンチューブ７の中を
通って、リターンチューブ７の他方の端部からボール転
動路６の他端に戻される。

【００１９】そして、ボール４を介してねじ軸２に螺合
されているナット３と、ねじ軸２とが、この多数のボー
ル４の転動を介して相対螺旋運動することにより、ねじ
軸２とナット３とが軸方向に相対移動するようになって
いる。このようなボールねじ１においては、ボール４の
すくい上げ角度αは約１０°とされている。さらに、図
３の（ａ）のように軸と直角をなす方向から見た場合
に、リターンチューブ７の端部７ａは、ボール４の中心
を含む曲線Ｃ（ねじ溝２ａ）に沿って（リード角に合わ
せて）配設されている。

【００２０】これらのことから、ボール４がボール転動
路６からリターンチューブ７にすくい上げられる際にお
いて、ボール４のリード角方向の転動方向の角度変化は
０°に近い値となっている。前記角度変化が０°に近い
値であるので、ボールねじが大リードのボールねじであ
って、しかも高速送り，高速回転で使用されても、ねじ
溝２ａ，リターンチューブ７のタング部８等の破損や騒
音が発生しにくい。

【００２１】また、ナット３のねじ溝３ａのボール接触
部である底面とリターンチューブ７の端部７ａの内面７
ｂとの段差Δｔが、０．２ｍｍ以下とされている。段差
Δｔが０．２ｍｍ以下と小さいので、この段差Δｔを有
する部分をボール４が通過しても、発生する音が小さ
い。よって、ボールねじ１の使用時の騒音が小さい。さ
らに、ボールねじ１のボールピッチ径ＢＣＤ，ボール４
の直径Ｄｗ，リターンチューブ７の内径ｄｔ，及びボー
ル４のすくい上げ角度αが前述のような値となっている
ので、｜Δｔ−Δｔ’｜は０．２未満となる。

【００２２】なお、前記両ねじ溝２ａ，３ａの断面形状
はゴシックアーチ状、すなわち二つの曲率中心の異なる
円弧の組み合わせによる略Ｖ字形としてもよい。上記の
ボールねじ１においては、ねじ溝２ａ，３ａは断面円弧
状であるので、ボール４はねじ溝２ａ，３ａの底面と接
触する。しかし、ねじ溝２ａ，３ａの断面形状がゴシッ
クアーチ状である場合は、ボール４はねじ溝２ａ，３ａ
の底面とは接触せず側面と接触するので、その場合に
は、ナット３のねじ溝３ａのボール４との接触点とリタ
ーンチューブ７の端部７ａの内面７ｂとの段差Δｔを
０．２ｍｍ以下とする。

【００２３】また、本実施形態においては、ボール４の
すくい上げ角度αを適切に設定することにより段差Δｔ
を０．２ｍｍ以下としているが、ナット３のねじ溝３ａ
にクラウニング加工を施して、ボール４がすくい上げら
れる位置（ボール転動路６の一端Ｐ）付近のねじ溝３ａ
の径を段階的に大きくすることにより、段差Δｔを０．
２ｍｍ以下としても同様の効果が得られる。

【００２４】さらに、ボール４は、高速回転下において
は遠心力によってナット３のねじ溝３ａに押しつけられ
て転動するので、ボール４がタング部８によってすくい
上げられる際に、タング部８には大きな力は加わらな
い。このため、タング部８はある程度の強度を有してい
れば問題ないので、その材質，形状等が大きく制限され
ることがなくコスト面でも有利である。タング部８は、
低速回転下においてはボール４をすくい上げる役割を有
し、高速回転下においてはボール４をすくい上げること
を補助する役割を有する。

【００２５】さらに、前述のように、リターンチューブ
７がリード角に合わせて配設されていることによって、
ボール４とねじ溝２ａとの干渉が緩和されるため、タン
グ部８の幅を広くしている。さらに、ボール４がすくい
上げられる位置（ボール転動路６の一端Ｐ）における前
記角度変化及び段差Δｔが小さいことから、保持ピース
（ボール同士が直接競合わないように、ボール間に介在
させる樹脂製の保持器）を使用しても、ボール４がすく
い上げられる位置付近で保持ピースが他の部品と干渉し
にくい。よって、保持ピースを併用することができるの
で、保持ピースを用いた場合の効果を合わせて得ること
ができる。

【００２６】さらに、端部７ａが軸方向に対して傾斜し
た状態でリターンチューブ７をナット３に装着するため
には、リターンチューブ７を挿入するためにナット３に
設けられている穴を長穴としたり、２つ以上に分割可能
なタイプのリターンチューブ７を使用する必要がある。
次に、上記のようなボールねじ１と従来の標準的なボー
ルねじとについて、駆動時の騒音を評価した結果につい
て説明する。

【００２７】図７は従来の標準的なボールねじの構成を
説明する図であって、図７の（ａ）はナット及びボール
を省略してねじ軸及びリターンチューブのみを示した側
面図であり、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）を軸方向か
ら見た正面図である。従来の標準的なボールねじは、図
示しないナットのねじ溝の底面とリターンチューブ７２
の端部７２ａの内面７２ｂとの段差が、０．２ｍｍ超過
とされている。また、ボールのすくい上げ角度が２０°
（すなわち、図７の（ｂ）のように軸方向から見た場合
の、ボールの中心を含む曲線Ｃの一端Ｐにおける接線と
リターンチューブ７２の端部７２ａとのなす角度が２０
°）とされ、さらに、図７の（ａ）のように軸と直角を
なす方向から見た場合に、リターンチューブ７２の端部
７２ａが、軸方向に対して直角をなして配設されている
（リード角に合わせていない）。これらの点以外の構成
は、前述のボールねじ１と同様である。

【００２８】これらの２つのボールねじを種々の回転速
度で回転させ、その際に発生した騒音を測定した。その
結果を図４のグラフに示す。図４のグラフの縦軸は騒音
レベル（ｄＢ（Ａ））を示し、横軸はＤｗ・ｄｍ・ｎを
示す。なお、Ｄｗはボールの直径、ｄｍはボールねじの
ボールピッチ径（ＢＣＤ）、ｎはボールねじの回転速度
である。

【００２９】また、図４のグラフにおける●印が本実施
形態のボールねじ１の測定値で、▲印が図７の従来の標
準的なボールねじの測定値である。なお、参考のため、
日本精工株式会社製のボールねじ全体の平均値（実線）
と最大値（点線）を併せて示す。図４のグラフから分か
るように、本実施形態のボールねじ１は、従来の標準的
なボールねじと比較して１０ｄＢ（Ａ）程度低騒音であ
る。

【００３０】次に、これらの２つのボールねじの高回転
性能及び寿命について考察する。前述のように、ボール
ねじの高速限界はリターンチューブのタング部付近の強
度に強く依存している。２つのボールねじについて、高
速回転試験後のタング部付近の状態を比較したところ、
本実施形態のボールねじ１の方が従来の標準的なボール
ねじよりも、摩耗や当たりが少ないことが確認された。
したがって、本実施形態のボールねじ１の方が、より高
速化することが可能であると言える。

【００３１】また、本実施形態のボールねじ１において
は、高速回転時にボール４がナット３側に押しつけられ
た状態で転動していることが、タング部８の先端やリタ
ーンチューブ７の内面等の状態（当たり具合等）から推
測できる。ナット３側に拘束されてボール４が転動して
いれば、ボール４はねじ軸２側のねじ溝２ａとはほとん
ど衝突をしないと考えられるので、ボールねじ１を高速
運転した際にボール４の摩耗やねじ溝２ａの破損が生じ
にくく、したがって、ボールねじが長寿命となる。

【００３２】また、リターンチューブ７がねじ溝に沿っ
て配設されているので、リターンチューブ７とねじ溝の
ランド部との干渉が避けられる。つまり、より大径のボ
ールを使用することができるから定格荷重が向上し、よ
って、ボールねじが長寿命となる。次に、段差Δｔと騒
音との相関を評価した結果について説明する。前述のボ
ールねじ１において、段差Δｔを０．２５ｍｍとしたも
のと、ナットのねじ溝にクラウニング加工を施して、ボ
ールがすくい上げられる位置付近のねじ溝の径を段階的
に大きくすることにより、段差Δｔを０．２ｍｍ以下と
したものと、の２種のボールねじについて、種々の回転
速度で回転させ、その際に発生した騒音を測定した。

【００３３】その結果を図５のグラフに示す。図５のグ
ラフの縦軸及び横軸は、図４の場合と同様である。ま
た、図５のグラフにおける■印がクラウニング加工を施
して段差Δｔを０．２ｍｍ以下としたボールねじの測定
値で、＋印がクラウニング加工を施していない段差Δｔ
が０．２５ｍｍであるボールねじの測定値である。図５
のグラフから分かるように、段差Δｔの小さい方が７〜
８ｄＢ（Ａ）程度低騒音である。

【００３４】なお、本実施形態は本発明の一例を示した
ものであって、本発明は本実施形態に限定されるもので
はない。例えば、ボールねじ１の上記の各寸法やリター
ンチューブ７の形状等は、本発明の目的を損なうもので
ないならば、適宜変更可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明のボールねじは、
リードが大きく、しかも高速送り，高速回転で使用され
ても、破損や騒音が発生しにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボールねじを説明する概念図である。

【図２】本発明のボールねじの一実施形態を示す断面図
である。

【図３】図３の（ａ）は、図２のボールねじのうちナッ
ト及びボールを省略し要部を拡大して示した側面図であ
り、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）を軸方向から見た正
面図である。

【図４】高速回転時のボールねじの騒音を評価した結果
を説明するグラフである。

【図５】高速回転時のボールねじの騒音を評価した結果
を説明するグラフである。

【図６】従来の大リードのボールねじの構成を説明する
図である。

【図７】従来の標準的なボールねじの構成を説明する図
である。

【符号の説明】

１ボールねじ２ねじ軸２ａねじ溝３ナット３ａねじ溝４ボール６ボール転動路７リターンチューブ７ａリターンチューブの端部７ｂリターンチューブの端部の内面ＢＣＤボールねじのボールピッチ径Ｄｗボールの直径ｄｔリターンチューブの内径Ｐボール転動路の一端 Δｔ段差 Δｔ’ すくい上げ角度による段差のずれ α ボールのすくい上げ角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸
と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有
し、前記両ねじ溝間に形成される螺旋状のボール転動路
に転動自在に装填された多数のボールを介して前記ねじ
軸に螺合されるナットと、前記ボールを前記ボール転動
路の一端ですくい上げて他端に送るボール循環路と、を
備えるボールねじにおいて、前記ナットのねじ溝の前記ボールとの接触部と前記ボー
ル循環路の端部の内面との段差Δｔが０．２ｍｍ以下、
且つ前記ボールが前記ボール転動路から前記ボール循環
路にすくい上げられることによって生じる前記ボールの
転動方向の角度変化が１０°以下となるように、前記ボ
ール循環路の端部を前記ボール転動路の一端に連結した
ことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】前記ボール循環路の端部をリード角方向
に沿って配設したことを特徴とする請求項１記載のボー
ルねじ。
【請求項３】前記ボール循環路の内径ｄｔ及び前記ボ
ールのすくい上げ角度αを、下記式を満足するように設
定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
ボールねじ。｜Δｔ−Δｔ’｜＜０．２ Δｔ＝（ｄｔ−Ｄｗ）／２ Δｔ’＝ＢＣＤ・（１−ｃｏｓα）／２ここで、Δｔ’は前記すくい上げ角度αによる前記段差
Δｔのずれ、ＢＣＤはボールねじのボールピッチ径、Ｄ
ｗは前記ボールの直径である。