JP2010014236A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】ボールの円滑な循環を確保しつつ、掬い上げ部の先端部の肉厚を可及的に確保してその耐久性を向上させる。
【解決手段】このボールねじは、ボール循環通路８とボール軌道路６とを跨ぐ位置Ｔで隣り合う３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールＢｍの中心位置Ｂｍｃがその両側のボールＢｓ，Ｂｓの中心Ｂｓｃ，Ｂｓｃを結んだ線分ＳＳと一致する等の条件を満たす掬い限界点Ｒｋを規定したときに、その掬い上げ部１５の先端部１７および上面１６が、掬い限界点Ｒｋを基準とした所定の位置に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種産業機械等に用いられるボールねじに係り、特に、ボールねじ稼働時の使用速度が高速で且つ使用環境が高温であっても、樹脂製のボール循環部材を好適に用い得るボールねじに関する。

ボールねじは、例えば図８に示すボールねじ１０１のように、ねじ軸２と、そのねじ軸２に嵌合するナット４とを有して構成されている。これらねじ軸２およびナット４は、螺旋状のボール転動溝をそれぞれ有し、互いのボール転動溝が対向して両者の間にボール軌道路６を構成している。そして、このボール軌道路６には、転動体としての複数のボールＢが転動自在に装填されている。

また、同図に示すボールねじ１０１は、ナット４の側面に、一対の脚部１２０を有するとともに内部にボール循環通路８が構成されたボール循環部材１００が固定されており、このボール循環部材１００によって、上記ボール軌道路６を転動するボールＢを、一方の脚部１２０の掬い上げ部１５０から掬い上げてボール循環通路８内に導き、他方の脚部１２０からボール軌道路６に戻す無限循環軌道を形成している。

近年、この種のボール循環部材を備えるボールねじでは、ボールの円滑な循環を確保するために、つまり、螺旋状のボール軌道路を転がるボールをボール循環部材内のボール循環通路に円滑に導き、且つボール循環通路を移動するボールをボール軌道路に円滑に戻すために、ボール軌道路の接線方向にボールを掬い上げ、且つボール軌道路の接線方向からボール軌道路内にボールを戻すことが多くなってきた（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２３２４２１号公報

ところで、この種のボール循環部材は、その製造コスト等の問題から、樹脂成形によって製造されることが一般的である。しかしながら、この種のボール循環部材では、その掬い上げ部の先端部は、ボール循環通路と負荷圏側のボール軌道路とを跨ぐ位置でボールを円滑に掬い上げる必要があるために薄肉になっている。そのため、特に、ボールねじ稼働時の使用速度が高速で且つ使用環境が高温の場合、温度や油（グリス）等の影響で樹脂が劣化すると、薄肉な掬い上げ部の先端部が割れたり欠けたりすることがある。

具体的には、図９に例示するように、ボール循環部材１００に、ボールが高速で接触する際に発生する振動で、掬い上げ部１５０の先端部１５０ａにクラックＫが発生し、掬い上げ部１５０の縦方向ＫｔにクラックＫが進行する場合がある。このようなクラックＫは、縦方向Ｋｔにある程度進行した後に横方向Ｋｙに進行することが多く、これにより、掬い上げ部１５０に大きな割れや欠けが生じる可能性がある。

ここで、このようなクラックは、掬い上げ部の肉厚が厚くなると進展しづらくなることから、掬い上げ部の先端部の肉厚を厚くしておけばクラックの発生を防止または抑制することが可能となる。一方、掬い上げ部の先端部の肉厚を単に厚くしてしまえば、ボールを円滑に掬い上げるという本来の機能に影響が及ぶため、度を越して掬い上げ部の先端部の肉厚を厚くすることもできない。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ボールの円滑な循環を確保しつつ、ボール循環部材の掬い上げ部の先端部の肉厚を可及的に確保してその耐久性を向上させることのできるボールねじを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明者は、ボール軌道路とボール循環通路とを跨ぐ位置において、掬い上げ部の先端部がどの程度まで必要なのかという問題について改めて子細に検討した。つまり、上述した問題点に係る従来の技術常識では、ボールを円滑に掬い上げるためには、掬い上げ部の先端部を負荷圏側に可及的に延長すべきであるという思想であったために掬い上げ部の先端部が薄肉になっており、それ故、上述のような問題点が生じていたからである。

具体的には、本発明者は、図１に例示するように、ボール軌道路６とボール循環通路８とを跨ぐ位置Ｔにおいて、隣り合う３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓを相互に密着させたときのボールの挙動に着目した。その結果、同図（ａ）に示すように、その３個のうちの中央のボールＢｍは、負荷圏側のボール軌道路６においては、その両側のボールＢｓ，Ｂｓから受ける圧力Ｐによって、掬い上げ部の先端部側とは反対の側に向けて押し出すような外向きの力Ｆｓが作用する。そのため、この外向きの力Ｆｓによって、中央のボールＢｍの中心位置Ｂｍｃは、ねじ軸２の中心から常に遠い側に位置しつつ循環されており、このような循環状態のときには、掬い上げ部を不要とし得る。

そして、この力の方向がねじ軸２の中心方向に反転する変化点は、ボール軌道路６とボール循環通路８とを跨ぐ位置Ｔにおいて、同図（ｂ）に示すように、隣り合う３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓの中心が一直線に並んだとき（中央のボールＢｍの中心位置Ｂｍｃがその両側のボールＢｓ，Ｂｓの中心を結んだ線分ＳＳと一致したとき）であり、これ以降では、同図に示すように内向きの力Ｆｎが作用することになる。本発明者は、この内向きの力Ｆｎの大きさが想像していたよりも大きいという知見を得た。

つまり、ボールが拘束を受けない循環通路内であっても、３個並んだボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓのうち中央のボールＢｍに作用する内向きの力Ｆｎは無視できない大きさであり、掬い上げ部先端よりも手前にある状態でこの内向きの力Ｆｎが作用すると、掬い上げ部をスムーズに乗り越えるのに障害となる場合があることがわかった。換言すれば、中央のボールに作用する力の向きが内向きに変わったときに、ボールが掬い上げ部に達していればよいということである。したがって、この位置が、ボールを円滑に掬い上げるために掬い上げ部の先端部を設けるべき「掬い限界点」であり、この掬い限界点よりも負荷圏側（同図（ｂ）の例で掬い上げ部（１５０）のハッチングを施した先端部（１５０ａ）の部分）においては、掬い上げ部の先端部を省略し得るということである。

また、本発明者は、上記知見に加えて、ボールねじの稼働中の振動や温度に対して十分な耐久性を確保するために確保すべき掬い上げ部の先端部の最小の肉厚についても更に検討を加えた。本発明者は、上記図９に例示した、クラックＫの進行が、縦方向Ｋｔにある程度進行した後に、横方向Ｋｙに進行する多くの例は、ボール径の３％（例えばφ６．３５ｍｍの鋼球で０．２ｍｍ）近傍の箇所であることを見いだした。つまり、上記知見に加えて、少なくともボール径の３％以上の先端部の肉厚（例えばφ６．３５ｍｍの鋼球で０．２ｍｍ以上の肉厚）とすることが望ましいということがわかった。

すなわち、本発明は、外周面にボール転動溝を有するねじ軸と、該ねじ軸の外周面と対向する内周面にボール転動溝を有するナットと、前記ナットおよびねじ軸の両ボール転動溝間で構成する負荷圏となるボール軌道路に配置された複数のボールと、前記ボール軌道路内のボールを一方の側から掬い上げる掬い上げ部、およびその掬い上げ部で掬い上げたボールを他方の側へ戻すボール循環通路を有するボール循環部材と、を備えるボールねじであって、
前記ボール軌道路と前記ボール循環通路とを跨ぐ位置で隣り合う３個のボールを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールの中心位置がその両側のボールの中心を結んだ線分と一致する掬い限界点を規定したときに、前記掬い上げ部の先端部が、前記掬い限界点に在る中央のボールに当接するように前記掬い限界点を含みこれよりも負荷圏側に配置されるとともに、その掬い限界点よりも負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の外側（ねじ軸の中心から遠い側）にあり、また、その掬い限界点よりも反負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の内側（ねじ軸の中心に近い側）に位置させるボール経路構成となっていることを特徴としている。

本発明に係るボールねじによれば、上述した知見に基づいて、ボール軌道路とボール循環通路とを跨ぐ位置で隣り合う３個のボールを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールの中心位置がその両側のボールの中心を結んだ線分と一致する掬い限界点を規定しており、掬い上げ部の先端部を、掬い限界点に在る中央のボールに当接するように掬い限界点を含みこれよりも負荷圏側に配置するとともに、その掬い限界点よりも負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の外側にあり、また、その掬い限界点よりも反負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の内側に位置させるボール経路構成としたので、上記知見にて述べたように、ボールの円滑な循環を確保しつつ、ボール循環部材の掬い上げ部の先端部の肉厚を可及的に確保してその耐久性を向上させることが可能である。さらに、本発明に係るボールねじにおいて、掬い上げ部の先端部の肉厚を、ボールの直径の３％以上の厚さに設定するようにすれば、ボールねじの稼働中の振動や温度変化などがある場合でもボール循環部材の掬い上げ部の耐久性を向上させる上でより好適である。

なお、本明細書において、「隣り合う３個のボール」とは、ボール同士の間にスペーサが介装されていない場合には、相互に隣接する３個のボールを意味し、ボール同士の間にスペーサが介装されている場合には、隣り合う３個のボールとこれら３個のボール間に介装される２個のスペーサを含む意味である。また、「相互に密着」とは、ボール同士の間にスペーサが介装されていない場合には、隣接する３個のボール相互の密着を意味し、ボール同士の間にスペーサが介装されている場合には、隣り合う３個のボールとこれら３個のボール間に介装される２個のスペーサを含む全体が相互に密着する意味である。なおさらに、本明細書において、「隣り合う３個のボール」には、スペーサボールを含む意味で用いる。つまり、「スペーサボール」は、負荷を受ける負荷ボールとは別の、負荷ボールよりも僅かに直径の小さいボールであって、負荷ボール同士の間に介装されるボールであるが、この、「スペーサボール」については、「隣り合う３個のボール」に含むものとする。

上述のように、本発明によれば、ボールの円滑な循環を確保しつつ、ボール循環部材の掬い上げ部の先端部の肉厚を可及的に確保してその耐久性を向上させることのできるボールねじおよびその使用方法、並びにボールねじの掬い上げ部設定方法を提供することができる。

以下、本発明に係るボールねじの一実施形態を、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図２は本発明の一実施形態であるボールねじの平面図、図３は図２の右側面図、図４は循環路を説明するための横断面図（図２でのＡ−Ａ断面図）、図５はボール循環部材を構成する一方の分割体を示す斜視図である。
図２及び図３に示すように、このボールねじ１は、外周面に螺旋状のボール転動溝３が形成されたねじ軸２を有し、このねじ軸２に、ねじ軸２のボール転動溝３に対応する螺旋状のボール転動溝５の内周面に形成されたナット４が嵌合されている。ナット４のボール転動溝５とねじ軸２のボール転動溝３とは、互いに対向して両者の間に負荷を受けるボール軌道路６を構成している。そして、このボール軌道路６には、転動体としての複数のボールＢが転動自在に装填されており、ねじ軸２（又はナット４）の回転により、ナット４（又はねじ軸２）がボールＢの転動を介して軸方向に移動するようになっている。なお、本実施形態は、隣り合うボール間にスペーサを介装していない例である。

ナット４には、その周方向の側面の一部に平坦面４ａが形成されており、この平坦面４ａに、ボール循環部材１０が押え具１９を介して止めねじ１８によって固定されている。このボール循環部材１０は、上記ボール軌道路６の略接線方向からボールＢを掬い上げるタイプのボール循環部材である。
詳しくは、このボール循環部材１０は、図４に示すように、一対の脚部１２と、その一対の脚部１２相互を接続する本体部１４とを備えており、その内部が上記ボール循環通路８になっている。上記ナット４の平坦面４ａには、ナット４の軸線に対して略直交する方向に一対の循環孔７が形成されている。この一対の循環孔７は、ボール軌道路６に連通して穿孔されており、一対の脚部１２は、一対の循環孔７に嵌合されている。なお、図４において、符号Ｔは、ボール循環通路８とボール軌道路６とを跨ぐ位置を示しており、ボール軌道路６部分のハッチングは、負荷圏にあるボールＢを示している。

このボール循環部材１０は、樹脂成形によって製造されており、図５に拡大図示するように、上記ボール循環通路８をその経路方向に沿って点対称で二つに分割された分割体１１を互いに接合して構成されている。各分割体１１には、互いの対向する側に溝がそれぞれ形成されており、同一形状の２つの分割体１１を接合して一のボール循環部材１０とし、その内部に上記ボール循環通路８が構成されている。
そして、図５に示すように、一対の脚部１２には、各脚部１２の先端に、上記負荷圏側のボール軌道路６を転動するボールＢを、ボール軌道路６の接線方向とは略一致する方向に掬い上げる掬い上げ部１５が設けられている。なお、掬い上げ部１５が設けられていない側の脚部１２の先端には、ねじ軸２と接触しないように逃げ部１３が形成されている。

このボール循環部材１０は、一対の脚部１２の掬い上げ部１５によって、ボール軌道路６から掬い上げたボールＢの進行方向をナット４の外部側の方向で、且つ循環孔７の軸線方向に対して略一致又は所定の角度を持った方向に導くようになっている。そして、このボール循環部材１０は、一方の脚部１２の掬い上げ部１５によって、ボール軌道路６を転動するボールＢを掬い上げて、ナット４外部に位置する本体部１４内のボール循環通路８に導き、他方の脚部１２からボール軌道路６に戻すというボールの循環回路（無限循環軌道）を形成している。なお、本実施形態は、ボール循環部材１０を２つ配置して２つの循環回路を有する例である。

ここで、このボールねじ１では、上記掬い上げ部１５を設けるに際し、所定の掬い限界点を規定し、この掬い限界点において、所定の条件を満たすように掬い上げ部１５を設けている。
詳しくは、本実施形態では、「課題を解決するための手段」で述べた知見に基づいて、図６に示すように、ボール軌道路６とボール循環通路８とを跨ぐ位置Ｔで隣り合う３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールＢｍの中心位置Ｂｍｃがその両側のボールＢｓ，Ｂｓの中心Ｂｓｃ，Ｂｓｃを結んだ線分ＳＳと一致する掬い限界点Ｒｋを規定しており、これに基づいて、ボールねじ１の掬い上げ部１５を設定している。

すなわち、同図に示すように、この掬い上げ部１５は、その先端部１７が、掬い限界点Ｒｋに在る中央のボールＢｍに当接するように設けられている。また、この掬い上げ部１５は、その先端部１７の厚さＷが、ボールＢの直径の３％以上の厚さになっている。
なお、図６の例では、掬い上げ部１５の先端部１７の位置が、掬い限界点Ｒｋの位置と一致するように設定していることにより、ボール循環部材１０の掬い上げ部１５の先端部１７の肉厚（厚さ）Ｗを可及的に確保し得る最大値として得られる。
但し、掬い上げ部１５の先端部１７は、その肉厚（厚さ）ＷがボールＢの直径の３％（例えばφ６．３５ｍｍの鋼球で０．２ｍｍ）以上ならば、同図の位置を含み、この位置からこれよりも負荷圏側に（ボール軌道路６側に）ボールＢの直径の３％の厚さとなる範囲（同図での符号Ｈに示す範囲）内で任意に配置することができる。

次に、このボールねじ１の作用・効果について説明する。
このボールねじ１の稼働時は、負荷圏であるボール軌道路６を転動していたボールＢが、ボール循環部材１０の一方の脚部１２の掬い上げ部１５によってボール軌道路６の略接線方向に掬い上げられてボール軌道路６から外れ、ボール循環通路８内に進入する。そして、ボール循環通路８に進入したボールＢは、ボール循環通路８に沿って進行し、他方の脚部１２を通ってからボール軌道路６に戻される。

ここで、このボールねじ１によれば、ボール軌道路６とボール循環通路８とを跨ぐ位置Ｔで隣り合う３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールＢｍの中心位置Ｂｍｃがその両側のボールＢｓ，Ｂｓの中心Ｂｓｃ，Ｂｓｃを結んだ線分ＳＳと一致する掬い限界点Ｒｋを規定しており、掬い上げ部１５の先端部１７を、掬い限界点Ｒｋに在る中央のボールＢｍに当接するように前記掬い限界点Ｒｋを含みこれよりも負荷圏側（ボール軌道路６側）に設けたので、上記知見にて述べたように、掬い上げ部１５に到達する前の中央のボールＢｍには、内向きの力Ｆｎが作用することはないため、ボールＢの円滑な循環を確保できる。すなわち、掬い上げ部１５とボール軌道路との段差が障害となることがない。また、上記範囲内で掬い上げ部１５の先端部１７を負荷圏側から遠い位置（最も遠い場合では、図６に示すように掬い限界点Ｒｋと一致する位置）に設定することにより、ボール循環部材１０の掬い上げ部１５の先端部１７の肉厚Ｗを可及的に確保してその耐久性を向上させることが可能である。さらに、このボールねじ１では、掬い上げ部１０の先端部１７の厚さＷを、ボールの直径の３％以上の厚さに設定しているので、ボールねじが振動や温度変化の厳しい条件下で使用される場合でも、ボール循環部材１０の掬い上げ部１５の先端部１７の肉厚Ｗを可及的に確保してその耐久性を向上させることができる。

ここで、３個のボールＢｓ，Ｂｍ，Ｂｓが互いに密着したまま、図６の状態から同図で右側へさらに移動すると、中央のボールＢｍの中心Ｂｍｃは、両側のボールＢｓ，Ｂｓの中心Ｂｓｃ，Ｂｓｃを結んだ線分よりも内側に位置するため、中央のボールＢｍは、内向きの力Ｆｎを受けることになるが、このとき、中央のボールＢｍは、掬い上げ部１５の先端部１７を通過しているため、問題ない。

以上説明したように、このボールねじ１によれば、ボールＢの円滑な循環を確保しつつ、ボール循環部材１０の掬い上げ部１５の先端部１７の肉厚Ｗを可及的に確保してその耐久性を向上させることができる。
なお、本発明に係るボールねじは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態は、隣り合うボールＢ間にスペーサを介装していない例で説明したが、これに限定されず、本発明は隣り合うボールＢ間にスペーサを介装したボールねじについても適用することができる。
図７に変形例を示す。なお、この変形例は、図６に示す実施形態の例に対して、隣り合うボールＢ間にスペーサ２０が介装されている点のみが異なっている。

同図に示すように、隣り合うボールＢ間にスペーサ２０が介装されている場合においても、上述した知見に基づいて、上記実施形態の例同様に、掬い上げ部１５を設定することができる。なおさらに、スペーサ２０に替えて、負荷を受けるボールＢとは別の、ボールＢよりも僅かに直径の小さい「スペーサボール」を介装してもよい。但し、この場合においては、負荷ボール同士の間に介装される「スペーサボール」は、「隣り合う３個のボール」に含むものとする。

また、上記実施形態では、掬い上げ部１５の先端部１７の断面形状等について特に言及しなかったが、種々の形状を採用可能である。たとえば、本発明の条件を満たす範囲において、掬い上げ部１５の先端部１７は、その肉厚（厚さ）Ｗが、図６の例での掬い限界点Ｒｋを含みこれよりも負荷圏側に配置されたときに、ボールＢの直径の３％（例えばφ６．３５ｍｍの鋼球で０．２ｍｍ）よりも厚ければ、負荷圏側に向けて徐々に肉厚を薄くすることは好ましい。このように構成すれば、掬い上げ部の先端部の肉厚を可及的に確保してその耐久性を向上させつつも、ボールの円滑な循環を確保する上で好適である。また、例えばボールに当接する側に平面取りを設けてもよいし、Ｒ（円弧状）面取りを形成してもよい。

本発明の技術に思想に係る知見について説明する図であり、同図（ａ）は、ボール軌道路とボール循環通路とを跨ぐ位置において、隣り合う３個のボールを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールに対し、その両側のボールから受ける圧力によって、掬い上げ部の先端部側とは反対の側に向けて押し出すような外向きの力が作用している状態を説明する概略図であり、また、同図（ｂ）は、ボール軌道路とボール循環通路とを跨ぐ位置において、隣り合う３個のボールを相互に密着させたときに、隣り合う３個のボールの中心が一直線に並んだ状態を説明する概略図である。 本発明の一実施形態であるボールねじの平面図である。 図２の右側面図である。 図２でのＡ−Ａ断面図である。 ボール循環部材を構成する一方の分割体を示す斜視図である。 ボールねじの掬い上げ部の設定位置を説明する図である。 ボールねじの掬い上げ部の設定位置を説明する図であり、同図では、図６に示す例に対して、隣り合うボール間にスペーサが介装されている例である。 従来のボールねじを説明するための概略平面図である。 従来のボールねじの掬い上げ部の先端部に発生するクラックの例を説明する図である。

符号の説明

１ ボールねじ
２ ねじ軸
３ （ねじ軸の）ボール転動溝
４ ナット
５ （ナッの）ボール転動溝
６ ボール軌道路
７ 循環孔
８ ボール循環通路
１０ ボール循環部材
１１ 分割体
１２ 脚部
１３ 逃げ部
１４ 本体部
１５ 掬い上げ部
１６ （掬い上げ部の）上面
１７ （掬い上げ部の）先端部
１８ 止めねじ
１９ 押え具
２０ スペーサ
Ｂ ボール
Ｂｍ 中央のボール
Ｂｓ 両側のボール
Ｒｋ 掬い限界点
Ｔ ボール循環通路とボール軌道路とを跨ぐ位置

Claims (2)

1. 外周面にボール転動溝を有するねじ軸と、該ねじ軸の外周面と対向する内周面にボール転動溝を有するナットと、前記ナットおよびねじ軸の両ボール転動溝間で構成する負荷圏となるボール軌道路に配置された複数のボールと、前記ボール軌道路内のボールを一方の側から掬い上げる掬い上げ部、およびその掬い上げ部で掬い上げたボールを他方の側へ戻すボール循環通路を有するボール循環部材と、を備えるボールねじであって、
   前記ボール軌道路と前記ボール循環通路とを跨ぐ位置で隣り合う３個のボールを相互に密着させたときに、その３個のうちの中央のボールの中心位置がその両側のボールの中心を結んだ線分と一致する掬い限界点を規定したときに、
   前記掬い上げ部の先端部が、前記掬い限界点に在る中央のボールに当接するように前記掬い限界点を含みこれよりも負荷圏側に配置されるとともに、その掬い限界点よりも負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の外側にあり、また、その掬い限界点よりも反負荷圏側にある中央のボールの中心位置がその両端のボールの中心を結んだ線分の内側に位置させるボール経路構成となっていることを特徴とするボールねじ。
2. 掬い上げ先端部の厚さが、ボールの直径の３％以上の厚さになってい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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