JP4459545B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、測定機用の送り装置等に組み込まれるボールねじ装置のように、トルク変動やボールのつまりを嫌い、低トルクで優れた作動性を必要とする用途に好適なボールねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のボールねじ装置としては、例えば図７に示すものが知られている。このボールねじ装置１は、外周面に螺旋状のねじ溝２を有するねじ軸３に、内周面にねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４を有するナット６が螺合されている。
【０００３】
ナット６のねじ溝４とねじ軸３のねじ溝２とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成しており、該負荷軌道には転動体としての多数のボール５が転動可能に装填されている。そして、ねじ軸３（又はナット６）の回転により、ナット６（又はねじ軸３）がボール５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。
【０００４】
なお、図のようにボール循環式のボールねじ装置の場合は、例えばナット６の外周面の一部を平坦面にしてこの平坦面に両ねじ溝２，４に連通する２個一組の孔７をねじ軸３を跨ぐように形成し、この一組の孔７にボール循環部材の一例としての略コ字状の循環チューブ８の両端を嵌め込むことにより、両ねじ溝２，４間の負荷軌道に沿って公転するボール５を該負荷軌道の途中から循環チューブ８で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、これにより、ボール５を無限循環させるようにしている。
【０００５】
ところで、従来のボールねじ装置１においては、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４の溝形状は共に、ボール５に対して２点で接触するゴシックアーク形状（オフセットＲ）やボール５に対して１点で接触するサーキュラーアーク形状（単一Ｒ）となっている。
【０００６】
図８は、ねじ軸３のねじ溝２の溝形状がゴシックアーク形状で、ナット６のねじ溝４の溝形状がゴシックアーク形状とされた最も一般的な例であり、この他に、図９に示すように、ねじ軸３のねじ溝２の溝形状がゴシックアーク形状で、ナット６のねじ溝４の溝形状がサーキュラーアーク形状とされたものや、図１０に示すように、ねじ軸３のねじ溝２の溝形状がサーキュラーアーク形状で、ナット６のねじ溝４の溝形状がゴシックアーク形状とされたものや、図１１に示すように、ねじ軸３のねじ溝２の溝形状がサーキュラーアーク形状で、ナット６のねじ溝４の溝形状がサーキュラーアーク形状とされたもの等が例として挙げられる。
【０００７】
そして、いずれのねじ溝形状の場合も、ボール直径をＤｗ、ねじ溝の溝直角断面における溝半径をＲとすると、その比Ｒ／Ｄｗは、概ね０．５０＜Ｒ／Ｄｗ≦０．７０の範囲で設定されているのが一般的である。
Ｒ／Ｄｗをこのような範囲に設定するのは、ねじ溝２，４のボール５との接触面をボール５の外形形状に近い凹面とすることによって、ボール５とねじ溝２，４との接触面積（接触楕円）を大きくして接触面圧を下げ、ボールねじ装置の剛性や負荷容量を高めるためである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、すべり軸受では、摩擦をひとつの仕事と考えた場合の圧力Ｐとすべり速度Ｖとの積であるＰＶ値が負荷容量（耐久性）の目安となっており、ＰＶ値が高ければ、摩耗は促進し、低ければ摩耗はしにくくなるといわれている。
従って、ボールねじ装置に関しては、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４をボール５の外形形状に近い凹面形状としてねじ溝２，４とボール５とを面接触に近づけることによって接触面圧Ｐを下げ、剛性や負荷容量を上げる効果はあるが、裏を返せば、ねじ溝２，４とボール５とが点接触ではないため、接触面内では微小すべりＶも存在していることになる。特にボールねじ装置の場合は、転がり軸受と違ってリードによる捩じれがあることから、このすべり成分Ｖが必然的に大きくなることもあり、このことが純粋な転がり摩擦ではないボールねじ装置特有のすべり摩擦を生み出し、低トルクで優れた作動性を得るには限界がある。
【０００９】
また、ねじ溝２，４の溝半径Ｒがボール５の半径に近くなるほど、ねじ溝２，４の加工誤差よるボール５の接触角の変化が敏感になり、安定した接触角を得ることが難しくなってくる。すなわち、ねじ溝２，４の加工誤差によってボール５の接触角にばらつきが生じることになる。
更に、ねじ溝２，４の溝形状を共にゴシックアーク形状として４点接触を狙ったとしても、加工誤差により２点、３点接触のボール５が存在してしまうといったように、安定したボール５の接触状態が得られなくなることがあり、特に、ボールねじ装置に積極的に予圧を与えない仕様（低トルク、低予圧）の場合には、前記加工誤差の影響が強くなる。
【００１０】
ボールねじ装置のナット６内におけるボール５の運動状態（自転・公転）は、ボール５の接触角や接触状態に影響を受けるので、１つのナット６内でボール５の接触角や接触状態が変化すると、個々のボール５の運動状態（ボールの自転数、公転速度）にばらつきが発生し、ボール５のつまりやトルク変動となってボールねじ装置の作動性に悪影響を与える要因となる。
【００１１】
更に、ねじ溝２，４の溝形状をサーキュラーアーク形状とした場合には、外部荷重や初期すきまによってボール５の接触角が大きく変化してしまうので、低トルクで優れた作動性を安定して得るための溝形状としては不向きである。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができるボールねじ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に形成される負荷軌道に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、前記ボールの直径をＤｗ、前記ねじ軸のねじ溝及び前記ナットのねじ溝の溝直角断面における溝半径をＲとしたとき、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が０．７０＜Ｒ／Ｄｗ≦１．０の関係を満足することを特徴とする。
【００１３】
この発明のボールねじ装置の好ましい形態としては、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が０．８０≦Ｒ／Ｄｗ≦１．０の関係を満足するものが挙げられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図２は本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図３は本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図４〜図６はＰＶ値及びトルクとＲ／Ｄｗとの関係を示すグラフ図、なお、各実施の形態共に、ボールねじ装置の基本的構成については図７で説明した従来のボールねじ装置を採用して相違点についてのみ説明し、また、重複する部分については各図に同一符号を付してその説明を省略する。
【００１５】
本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置は、図１に示すように、ボール５の直径をＤｗ、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４の溝直角断面における溝半径をＲとしたとき、前記両ねじ溝２，４の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つねじ軸３のねじ溝２がＲ／Ｄｗ＞０．７０の関係を満足する溝形状とされている。
【００１６】
このようにこの実施の形態では、Ｒ／Ｄｗを意図的に大きくしてねじ軸３のねじ溝２面を平面に近づけることで、ボール５とねじ溝２との接触面圧Ｐは増加してもすべり成分Ｖが減少するので、ＰＶ値としては低くなり、これにより、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができる。
【００１７】
なお、図１では、便宜上、分かりやすくするためにねじ溝２の溝形状をＶ溝としている。究極的にはボール５が接触するねじ溝面が平面となるＲ／Ｄｗ＝∞（溝形状としてはＶ溝で本発明ではこれもゴシックアーク溝に含む）であるが、実用的には、Ｒ／Ｄｗ＞０．７０であれば、その効果は十分に得られることを確認した。
【００１８】
また、溝半径Ｒが大きくなるほどねじ溝２の加工誤差の影響を受けにくくなり、安定したボール５の接触角、接触状態を得ることができ、ボール５の運動状態のばらつきも少なくなる。更に、ねじ溝形状がＶ溝であれば、ボール５の接触角は一定である。
次に、図２及び図３を参照して、本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置を説明する。なお、作用効果については、上記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。
【００１９】
図２に示す実施の形態では、ボール５の直径をＤｗ、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４の溝直角断面における溝半径をＲとしたとき、前記両ねじ溝２，４の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つナット６のねじ溝４がＲ／Ｄｗ＞０．７０（図２では、上記同様に、便宜上、分かりやすくするためにＲ／Ｄｗ＝∞としてねじ溝４の溝形状をＶ溝としている）の関係を満足する溝形状とされている。
【００２０】
図３に示す実施の形態では、ボール５の直径をＤｗ、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４の溝直角断面における溝半径をＲとしたとき、前記両ねじ溝２，４の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４が共にＲ／Ｄｗ＞０．７０（図３では、上記同様に、便宜上、分かりやすくするためにＲ／Ｄｗ＝∞としてねじ溝２，４の溝形状をＶ溝としている）の関係を満足する溝形状とされている。
【００２１】
【実施例】
Ｒ／Ｄｗが変化した場合の、４点接触（ねじ軸のねじ溝：２点接触、ナットのねじ溝：２点接触）の各接触部における最大ＰＶ値の総和（ΣＰＶmax ）と、摩擦トルクの計算結果を図４〜図６に示す。
【００２２】
図４は、ナット６のねじ溝４をゴシックアーク形状としてＲ／Ｄｗ＝０．５４と一定とし、ねじ軸３のねじ溝２をゴシックアーク形状としてＲ／Ｄｗを０．５４〜１．５まで変化させた場合（図１相当）、図５は、ねじ軸３のねじ溝２をゴシックアーク形状としてＲ／Ｄｗ＝０．５４と一定とし、ナット６のねじ溝４をゴシックアーク形状としてＲ／Ｄｗ＝０．５４〜１．５まで変化させた場合（図２相当）、図６は、ねじ軸３のねじ溝２及びナット６のねじ溝４をゴシックアーク形状とし、Ｒ／Ｄｗを共に０．５４〜１．５まで変化させた場合（図３相当）である。なお、各図は、Ｒ／Ｄｗを横軸、ΣＰＶmax を左縦軸、摩擦トルクを右縦軸に示している。また、ねじ溝の形状以外は同一仕様のボールねじ装置を用いた。ボールねじ装置の仕様を次に示す。
【００２３】
（ボールねじ装置の仕様）
軸径２５ｍｍ×リード６−２．５巻１列、ボール径Ｄｗ＝３．９６８ｍｍ
総ボール
予圧荷重Ｆａ０＝５００Ｎ、予圧方式＝４点接触オーバーサイズボール予圧
外部荷重＝無し、潤滑剤＝メカニックオイルＶＧ６８、軸回転−ナット移動、
回転速度＝１００ｍｉｎ-1
図４〜図６から明らかなように、いずれの場合も、Ｒ／Ｄｗが大きくなることで、予圧荷重が一定でもＰＶ値、摩擦トルク共に低下させることが可能となり、また、その低下の割合もＲ／Ｄｗ＞０．７０で緩やかになってくることが判る。さらに、Ｒ／Ｄｗ≧０．８で、ＰＶ値、摩擦トルク共、その低下がほぼ飽和し、Ｒ／Ｄｗ≧１．０でその低下がさらに飽和状態となることが判る。
【００２４】
なお、本発明のボールねじ装置は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、循環チューブ式のボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に採ったが、これに代えて、エンドキャップ式やこま式のボールねじ装置に本発明を適用してもよく、更に、非循環式のボールねじ装置に本発明を適用してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、Ｒ／Ｄｗを意図的に大きくしてねじ溝面を平面に近づけることで、ボールとねじ溝との接触面圧が増加してもすべり成分を減少させてＰＶ値を低くしているので、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図３】本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図４】ＰＶ値及びトルクとＲ／Ｄｗとの関係を示すグラフ図である。
【図５】ＰＶ値及びトルクとＲ／Ｄｗとの関係を示すグラフ図である。
【図６】ＰＶ値及びトルクとＲ／Ｄｗとの関係を示すグラフ図である。
【図７】ボールねじ装置の一例を示す断面図である。
【図８】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図９】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図１０】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図１１】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【符号の説明】
２…ねじ溝（ねじ軸側）
３…ねじ軸
４…ねじ溝（ナット側）
５…ボール
６…ナット

Claims (1)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に形成される負荷軌道に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、
   前記ボールの直径をＤｗ、前記ねじ軸のねじ溝及び前記ナットのねじ溝の溝直角断面における溝半径をＲとしたとき、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が０．７０＜Ｒ／Ｄｗ≦１．０の関係を満足することを特徴とするボールねじ装置。

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