JP2006064029A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路数が１列でオフセットリード予圧を付与した場合においても、オフセット点でのボールの受ける負荷を大幅に軽減して良好な作動性を確保すると共に、低コスト化及び低騒音化を図る。
【解決手段】 回路数が１列の循環こま式ボールねじ装置において、負荷軌道でのナット１６の内ねじ溝１４の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝１４間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側でボール１５を介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つオフセット点の軸方向両側の所定位置でボール１５の受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるように前記内ねじ溝１４を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば各種機器の送り機構や搬送機構等に用いられるボールねじ装置に関し、特に高速運転や小ストローク運動を繰り返す用途に好適なボールねじ装置に関する。

従来のこの種のボールねじ装置は、外周面に外ねじ溝を有して軸方向に延びるねじ軸に、内周面に前記外ねじ溝に対応する内ねじ溝を有するナットが螺合されており、ナットの内ねじ溝とねじ軸の外ねじ溝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いる。該負荷軌道には転動体としての多数のボールが転動可能に装填されており、ねじ軸（又はナット）の回転により、ナット（又はねじ軸）がボールの転動を介して軸方向に移動するようになっている。

ところで、ナット（又はねじ軸）が軸方向に移動する際には、ボールが両ねじ溝で形成される螺旋状の負荷軌道を転動しつつ移動するが、ナット（又はねじ軸）を継続して移動させていくためには、ボールを無限循環させる必要がある。
ボールを無限循環させる方式としては、循環チューブ式やエンドキャップ式等が一般的であるが、コンパクトタイプのボールねじ装置では、ナットに軸方向に貫通するボール戻し通路を形成すると共に、ナットの両端部に前記ボール戻し通路の端部が開口する切欠きを形成して該切欠きに該ボール戻し通路と前記両ねじ溝間の負荷軌道とを連通するボール循環溝（ボール循環通路）を有する循環こま（ボール循環部材）を嵌合固定し、これにより、ボールを無限に循環させるようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ここで、ボールねじ装置では、予圧方式として、一般に、ねじ溝に対して数μｍサイズの大きなボール（鋼球）を挿入することによって予圧をかけるオーバーサイズ予圧やナットの途中でリードを変化させて予圧をかけるオフセットリード予圧タイプがある。
オフセットリード予圧は、通常、循環チューブ式のボールねじ装置のように回路数が多列の場合に用いられ、図７に示すように、ねじ軸１の外ねじ溝２とナット３の内ねじ溝４との間に形成される負荷軌道において各回路間での内ねじ溝４のピッチをリード方向にオフセットさせ、これにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝４間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側でボール５を介して互いに逆方向に予圧を付与するようにしたもので、オフセット点は回路外に配置されている。

これに対し、上記特許文献１では、基本的に回路数が１列となるため、オーバーサイズ予圧が主となるが、小さいストロークを繰り返して往復運動するような用途のボールねじ装置では、ねじ溝とボールとが４点接触するオ―バーサイズ予圧よりも、上記のオフセットリード予圧方式が―般的によく用いられているため、上記特許文献１の循環方式でもこのオフセットリード予圧を実現することが望まれる。

しかしながら、上記特許文献１の循環方式にオフセットリード予圧を採用した場合には、図８に示すように、１回路内で負荷軌道での内ねじ溝４の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、オフセット点を基準に軸方向両側でボール５を介して互いに逆方向に予圧を付与することになることから、オフセット点でボール５が受ける予圧が段差状に急激に変化し、このオフセット点をボール５が負荷を受けながら通過することになるため、オフセット点でボール５が詰まり、良好な作動性を得ることが困難になる。

このため、従来においては、２条ねじにして条間でオフセットリード予圧をかけるか、又はナットを２個にして、両ナットの間に円盤状の間座を挟んでオフセットリード予圧をかける方法が採られている。
実用新案登録第３０３４０５２号公報

しかしながら、２条ねじにしたり、ナットを２個用いてオフセットリード予圧をかける方法では、大幅なコスト増につながり、また、ボールの循環長が増えることになるため、騒音や振動が大きくなる。
因みに、条数やナット数が２つに増加するということはボールねじ装置が１本増えることと同様になるので、理論上、騒音レベルが３ｄＢも大きくなる。
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、回路数が１列でオフセットリード予圧を付与した場合においても、オフセット点でのボールの受ける負荷を大幅に軽減して良好な作動性を確保することができると共に、低コスト化及び低騒音化を図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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状の外ねじ溝を有するねじ軸と、該外ねじ溝に対応する螺旋状の内ねじ溝を内周面に有すると共に軸方向に貫通するボール戻し通路を有して前記ねじ軸に嵌合されるナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される負荷軌道と前記ボール戻し通路とを連通させるボール循環通路を形成すべく前記ナットの端部に取り付けられるボール循環部材と、前記負荷軌道、前記ボール循環通路および前記ボール戻し通路を転動しつつ循環可能に配設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、
前記負荷軌道での前記内ねじ溝の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側で前記ボールを介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つ前記オフセット点の軸方向両側の所定位置で前記ボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるように前記内ねじ溝を形成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記オフセット点の軸方向両側の所定位置で前記ボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるまでの領域を前記オフセット点の軸方向両側でそれぞれ０．１リード以上としたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、外周面に螺旋状の外ねじ溝を有するねじ軸と、該外ねじ溝に対応する螺旋状の内ねじ溝を内周面に有すると共に軸方向に貫通するボール戻し通路を有して前記ねじ軸に嵌合されるナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される負荷軌道と前記ボール戻し通路とを連通させるボール循環通路を形成すべく前記ナットの端部に取り付けられるボール循環部材と、前記負荷軌道、前記ボール循環通路および前記ボール戻し通路を転動しつつ循環可能に配設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、
前記負荷軌道での前記内ねじ溝の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側で前記ボールを介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つ前記オフセット点の軸方向両側の所定位置までの前記内ねじ溝を径方向外方にオフセットさせたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記オフセット点を境にして軸方向の一側のみの前記負荷軌道に前記ボールを挿入した際に、該ボールと前記負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量ＳがＳ≦Ｄｗ／４００（Ｄｗ：ボール直径）であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、回路数が１列でオフセットリード予圧を付与した場合に、オフセット点の軸方向両側の所定位置でボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるようにナットの内ねじ溝を形成しているので、オフセット点近傍でボールが受ける予圧を緩やかに変化させることができ、これにより、ボールがオフセット点を通過する際に受ける負荷を大幅に軽減してオフセット点でのボールの詰まりを防止し、良好な作動性を得ることができる。
また、２条ねじにしたり、ナットを２つ用いてオフセットリード予圧をかける必要はなく、１条ねじで且つ一つのナットでオフセットリード予圧を付与することができるので、低コスト化を図ることができると共に、低騒音化及び低振動化を図ることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明に加えて、オフセット点の軸方向両側の所定位置でボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるまでの領域をオフセット点の軸方向両側でそれぞれ０．１リード以上とすることで、オフセット点近傍でボールが受ける予圧を緩やかに変化させて良好な作動性を得ることができる。

請求項３の発明では、オフセット点の軸方向両側の所定位置までのナットの内ねじ溝を径方向外方にオフセットさせることで、ボールがオフセット点を通過する際に受ける負荷を大幅に軽減してオフセット点でのボールの詰まりを防止し、良好な作動性を得ることができる。
また、２条ねじにしたり、ナットを２つ用いてオフセットリード予圧をかける必要はなく、１条ねじで且つ一つのナットでオフセットリード予圧を付与することができるので、低コスト化を図ることができると共に、低騒音化及び低振動化を図ることができる。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか一項の発明に加えて、オフセット点を境にして軸方向の一側のみの負荷軌道にボールを挿入した際に、ボールと負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量ＳをＳ≦Ｄｗ／４００（Ｄｗ：ボール直径）としているので、軸方向のがたつき量Ｓが小さくなってより良好な作動性を得ることができる。

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を軸方向から見た図、図２は図１のボールねじ装置のＸ−Ｘ線断面図を含む側面図、図３はオフセットリード予圧構造とボールが受ける予圧の向きと変化との関係を説明するための説明図、図４は本発明例、従来例及び比較例における作動比の比較を示すグラフ図、図５はがたつき量Ｓと作動比との関係を示すグラフ図である。

本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置１０は、図１及び図２に示すように、外周面に螺旋状の外ねじ溝１２を有して軸方向に延びるねじ軸１３に、内周面に前記外ねじ溝１２に対応する内ねじ溝１４を有するナット１６が嵌合されており、ナット１６の内ねじ溝１４とねじ軸１３の外ねじ溝１２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いる。該負荷軌道には転動体としての多数のボール１５が転動可能に装填されており、ねじ軸１３（又はナット１６）の回転により、ナット１６（又はねじ軸１６）がボール１５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。

また、ナット１６には、周壁部に軸方向に貫通するボール戻し通路１７が形成されていると共に、軸方向の端面にボール戻し通路１７の端部が開口する切欠き１９が形成されており、該切欠き１９にはボール戻し通路１７と前記両ねじ溝１２，１４間の負荷軌道とを連通する循環こま（ボール循環部材）１８が嵌合固定されている。
循環こま１８は、例えば合成樹脂の成形品からなり、前記ボール戻し通路１７と前記両ねじ溝１２，１４間の負荷軌道との間を連通する湾曲状のボール循環溝（ボール循環通路）２１と、該ボール循環溝２１の先端に設けられ、ねじ軸１３の外ねじ溝１２に嵌合されて前記両ねじ溝１２，１４間の負荷軌道を転動するボール１５を掬い上げるタング部２０とを備えている。

そして、タング部２０を含むボール循環溝２１、前記両ねじ溝１２，１４間の負荷軌道および前記ボール戻し通路１７によって回路数が１列のボール無限循環通路を形成している。
ここで、この実施の形態では、図３を参照して、前記負荷軌道でのナット１６の内ねじ溝１４の一部のピッチをリード方向に所定量αだけオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝１４間の略中央をオフセット点とした場合に、オフセット点を基準に軸方向両側でボール１５を介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つオフセット点の軸方向両側の所定位置でボール１５の受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるように内ねじ溝１４を形成している。

また、この実施の形態では、オフセット点を境にして軸方向の一側のみの前記負荷軌道にボール１５を挿入した際に、該ボール１５と負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量ＳをＳ≦Ｄｗ／４００（Ｄｗ：ボール直径）としている。
このようにこの実施の形態では、回路数が１列でオフセットリード予圧を付与した場合に、オフセット点の軸方向両側の所定位置でボール１５の受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるようにナット１６の内ねじ溝１４を形成しているので、オフセット点近傍でボール１５が受ける予圧を緩やかに変化させることができ、これにより、ボール１５がオフセット点を通過する際に受ける負荷が大幅に軽減されてオフセット点でのボール１５の詰まりが防止され、良好な作動性を得ることができる。

また、２条ねじにしたり、ナットを２つ用いてオフセットリード予圧をかける必要はなく、１条ねじで且つ一つのナット１６でオフセットリード予圧を付与することができるので、低コスト化を図ることができると共に、低騒音化及び低振動化を図ることができる。 更に、オフセット点を境にして軸方向の一側のみの負荷軌道にボール１５を挿入した際に、ボール１５と負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量ＳをＳ≦Ｄｗ／４００（Ｄｗ：ボール直径）としているので、軸方向のがたつき量Ｓが小さくなってより良好な作動性を得ることができる。

更に、オフセット点の軸方向両側の所定位置でボール１５の受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるまでの領域は、狭いほど急激な予圧変化を受けてボール詰まりが発生する可能性が大きくなるため、この領域はオフセット点の軸方向両側でそれぞれ０．１リード以上広くとるのが好ましく、一方、この領域が広すぎると負荷容量が低下してしまうため、１リード以下が好ましい。前記領域をオフセット点の軸方向両側でそれぞれ０．１リード以上１リード以下とすることで、負荷容量の低下を招くことなく、オフセット点近傍でボール１５が受ける予圧を緩やかに変化させて良好な作動性を得ることができる。

なお、本発明のボールねじ装置は上記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、上記実施の形態に代えて、オフセット点の軸方向両側の所定位置までのナット１６の内ねじ溝１４を径方向外方にオフセットさせることによっても、ボール１５がオフセット点を通過する際に受ける負荷を大幅に軽減してオフセット点でのボールの詰まりを防止することができ、上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。内ねじ溝１４を径方向外方にオフセットさせる場合は、徐々にオフセットさせることが好ましい。
また、上記実施の形態では、ボール循環部材として循環こま１８を用いたボールねじ装置を例に採ったが、ボール循環部材としてエンドキャップを用いたボールねじ装置に本発明を適用してもよい。

回路数が２列の循環チューブ式ボールねじ装置にオフセットリード予圧を付与したものを従来例（図６参照）とし、回路数が１列の循環こま式ボールねじ装置に通常のオフセットリード予圧を付与したものを比較例（図７参照）とし、回路数が１列の循環こま式ボールねじ装置で、オフセット点の軸方向両側の所定位置でボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるようにナットの内ねじ溝を形成してオフセットリード予圧を付与したものを本発明例１（図３参照）とし、回路数が１列の循環こま式ボールねじ装置で、オフセット点の軸方向両側の所定位置までのナット１６の内ねじ溝１４を径方向外方にオフセットさせてオフセットリード予圧を付与したものを本発明例２として、それぞれについて作動性の評価を行った。なお、いずれの場合も、循環方式及び予圧付与方式以外の条件は同一とした。

また、本発明例１については、オフセット点を境にして軸方向の一側のみの負荷軌道にボールを挿入した際に、ボールと負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量Ｓを変えての作動性評価も行った。試験条件は次の通りである。
（試験条件）
呼び番：ＮＳＫボールねじ４０×２０×１０００−Ｃ５
ボールねじ鋼球径：１／４ｉｎｃｈ
試験機名：日本精工株式会社製、ボールねじ動摩擦測定機
予圧荷重：１５００Ｎ
最高回転数：１００ｍｉｎ^-1
ストローク：８００ｍｍ
潤滑：ＶＧ♯６８（出光興産）

図４に作動性の試験結果を、図５に前記がたつき量Ｓを変えた場合の作動性の試験結果をそれぞれ示す。なお、各図共に、縦軸の作動比は作動性の良し悪しを示すパラメータで動摩擦の微小変動トルク幅を平均実トルクで除した値である。この作動比が小さいほど、微小変動トルク幅が小さいので、良好な作動性であるといえる。
図４から、比較例はオフセット点近傍でのボール詰まりにより微小変動トルク幅が極端に大きく、作動性が悪化しているのに対し、本発明例１及び本発明例２は共に、循環チューブ式のボールねじ装置である従来例と殆ど変わらない良好な作動性を確保できているのが判る。
また、図５から、前記がたつき量ＳはＤｗ／４００以下（作動比０．５以下）、望ましくはＤｗ／８００以下（作動比０．３以下）とすることで良好な作動性が得られるのが判る。

本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置を軸方向から見た図である。 図１のボールねじ装置のＸ−Ｘ線断面図を含む側面図である。 オフセットリード予圧構造とボールが受ける予圧の向きと変化との関係を説明するための説明図である。 本発明例、従来例及び比較例における作動比の比較を示すグラフ図である。 がたつき量Ｓと作動比との関係を示すグラフ図である。 回路数が２列の循環チューブ式ボールねじ装置のオフセットリード予圧構造とボールが受ける予圧の向きと変化との関係を説明するための説明図である。 回路数が１列のボールねじ装置のオフセットリード予圧構造とボールが受ける予圧の向きと変化との関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ ボールねじ装置
１２ 外ねじ溝（ねじ軸側）
１３ ねじ軸
１４ 内ねじ溝（ナット側）
１５ ボール
１６ ナット
１７ ボール戻し通路
１８ 循環こま（ボール循環部材）
２１ ボール循環溝（ボール循環通路）

Claims (4)

1. 外周面に螺旋状の外ねじ溝を有するねじ軸と、該外ねじ溝に対応する螺旋状の内ねじ溝を内周面に有すると共に軸方向に貫通するボール戻し通路を有して前記ねじ軸に嵌合されるナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される負荷軌道と前記ボール戻し通路とを連通させるボール循環通路を形成すべく前記ナットの端部に取り付けられるボール循環部材と、前記負荷軌道、前記ボール循環通路および前記ボール戻し通路を転動しつつ循環可能に配設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、
   前記負荷軌道での前記内ねじ溝の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側で前記ボールを介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つ前記オフセット点の軸方向両側の所定位置で前記ボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるように前記内ねじ溝を形成したことを特徴とするボールねじ装置。
2. 前記オフセット点の軸方向両側の所定位置で前記ボールの受ける予圧が漸次ゼロに近づいて該オフセット点でゼロになるまでの領域を前記オフセット点の軸方向両側でそれぞれ０．１リード以上としたことを特徴とする請求項１に記載したボールねじ装置。
3. 外周面に螺旋状の外ねじ溝を有するねじ軸と、該外ねじ溝に対応する螺旋状の内ねじ溝を内周面に有すると共に軸方向に貫通するボール戻し通路を有して前記ねじ軸に嵌合されるナットと、前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される負荷軌道と前記ボール戻し通路とを連通させるボール循環通路を形成すべく前記ナットの端部に取り付けられるボール循環部材と、前記負荷軌道、前記ボール循環通路および前記ボール戻し通路を転動しつつ循環可能に配設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、
   前記負荷軌道での前記内ねじ溝の一部のピッチをリード方向にオフセットさせることにより、該オフセット部分における互いに隣り合う各内ねじ溝間の略中央をオフセット点とした場合に、該オフセット点を基準に軸方向両側で前記ボールを介して互いに逆方向に予圧を付与し、且つ前記オフセット点の軸方向両側の所定位置までの前記内ねじ溝を径方向外方にオフセットさせたことを特徴とするボールねじ装置。
4. 前記オフセット点を境にして軸方向の一側のみの前記負荷軌道に前記ボールを挿入した際に、該ボールと前記負荷軌道との間に発生する軸方向のがたつき量ＳがＳ≦Ｄｗ／４００（Ｄｗ：ボール直径）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじ装置。

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