JP3648985B2 - ケージ型保持器付きボールねじ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はケージ型保持器付きボールねじの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば図１０に示すような保持器なしの通常のボールねじでは、ボール５０がねじ軸２０のボールねじ溝２２、ボールナット３０のボールねじ溝３２、循環こま６０のボール循環路６２内に、ボール同士互いに接触した状態で密に配されており、個々のボールが転動するとき、隣り合うボール同志の接触点では互いに逆方向の動きになる。そのため、ボール同士の接触部分にすべりを生じていわゆる競り合い現象によりボールの自由な転動は妨げられ、トルク抵抗が大きくなってトルクむらが生じる。このようなボール同士の競り合いによるトルクむらは、一般に低速運転や揺動運転において悪化するから、例えば低速・揺動運転が要求される放電加工機やワイヤーカット機に使用するボールねじの場合に特に問題となる。また、輪郭制御性が重要視されるマシニングセンタにおいては、モータ制御の外乱となるので極端に嫌われる。
【０００３】
このような場合の対応策としては、ボール同士の直接接触を避けてボールの競り合いを無くし、トルク性能を向上させる必要があり、例えば図１１に示すようなボール保持器Ｈを用いたボールねじが知られている。この保持器Ｈは、円筒部材Ｈ１にボールを転動自在に保持させるための多数の丸穴Ｈ２をあけたもので、この丸穴Ｈ２にボールを転動自在に配してねじ軸とボールナットとの間に装着される。そのためボールが互いに接触することがなく、前記のようなボール同士のすべり抵抗によるトルクの変動は発生しない。しかし、この保持器Ｈは、ねじ軸が定位置で回転し、ボ−ルナットが回転しないようような使用態様の場合に、ねじ軸の回転につれてボールナツトとともに軸方向に移動する（保持器の移動量はナツトの移動量の半分）のであるが、ボールナットの移動ストロークが大きいと、ボールナットの螺旋溝から保持器Ｈが抜けてボールが脱落してしまう。
【０００４】
そこで、そうした点を改善したケージ型保持器付きボールねじが、例えば実公平２−５１４５号公報に提案されている。このものは、ねじ軸とボールナットとの間に遊嵌される図１２に示したような薄肉円筒状の胴体部にほぼ軸方向の長孔４２を多数形成してなるケージ型保持器４０を備えており、その長孔４２内にボールが転動自在に配置されている。一方、ボールナットは、図１０と同じくボールねじ溝３２の隣り合う二つの溝にまたがる穴部を設けて、この穴部にボール循環用のこま６０を嵌着してなる内部循環式の循環路６２を備えている。ボールは、ボールねじ溝に沿って転動しつつ前記ケージ型保持器４０の長孔４２内を軸方向に移動し、ボール循環用のこま６０のボール循環路６２を通過することによりねじ軸のねじ山（ランド部）を乗り越えて内部循環を繰り返す。保持器４０の長孔４２は、ボールの内部循環を妨げないように保持器に対してボールが軸方向に移動可能な長さにしてある。このケージ型保持器付きボールねじの場合は、トルク変動が小さく、しかもボ−ルナットの移動ストロ−クが転動するボ−ルにより制限されることがないという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のケージ型保持器付きボールねじの場合、次のような点になお改善の余地がある。
【０００６】
▲１▼循環部品であるこま６０は、ボールを無理なくすくい上げるために、一般にこま内径側がボールナット内径側に突き出すような寸法関係に設計されている。そのため、ねじ軸とボールナットとの間の空間に配置したケージ型保持器４０が、当該こま６０の内径側と干渉して、ボールナットに対する相対運動が円滑を欠くことがある。
【０００７】
▲２▼低速・揺動運転で加工を行う放電加工機やワイヤーカット機でも、作業性の効率向上のために、加工以外の時間では高速送り運転されることが多い。その場合、こま６０を通って循環するボールがケージ型保持器４０の長孔４２部に衝突して保持器４０に打痕が形成され、その打痕の影響でトルク特性が悪化することがある。
【０００８】
▲３▼ボールが保持器４０を離れ、循環路６２内でねじ軸のランド部表面を滑りながら乗り越えて隣の溝に移動する時に、ボールは遠心力の作用でＢＣＤ（ボールサークルダイア）上から外側に一旦離れて再びＢＣＤ上に戻る軌跡を描く。そのため、ボールが保持器４０に戻る際に保持器４０に強く衝突したり、あるいはナットと保持器にボールが挟まれる現象（楔のように食い込む現象）が発生することがある。
【０００９】
本発明は、このような従来のケージ型保持器付きボールねじの未解決の課題を解決するためになされたものであり、ケージ型保持器の径方向の相対寸法，硬さ等を工夫することにより、保持器とこまとの干渉，ボールとの衝突，ボールの食い込み等を防止して、トルク性能をより向上させたケージ型保持器付きボールねじを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、螺旋状のボールねじ溝を外周面に有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対応するボールねじ溝を内周面に有すると共に該ボールねじ溝の一部にボールが前記ねじ軸のねじ山を乗り越えて循環するよう案内するこまを設けて循環路を形成した内部循環式のボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝に転動自在に嵌合する多数のボールと、前記ねじ軸とボールナットとの間の空間に配され、前記ボールを周方向において互いに離間すると共に転動自在に保持するために軸方向に延びる複数本の長孔を周面に設けた薄肉円筒状のケージ型保持器とを具えたケージ型保持器付きボールねじにおいて、前記ねじ軸と前記ケージ型保持器とのすき間を、前記こまと前記ケージ型保持器とのすき間よりも小さく設定した。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明であるケージ型保持器付きボールねじにおいて、ケージ型保持器の硬さを、調質材の硬さ（ＨＲＣ２２〜３０）よりも大きく、ボールの硬さ（ＨＲＣ６２〜６７）よりも小さいものとした。
【００１２】
さらに、請求項３に係る発明は、上記請求項１又は請求項２に係る発明であるケージ型保持器付きボールねじにおいて、前記ケージ型保持器に磁力を付与したものとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１〜図５は本発明のケージ型保持器付きボールねじの一実施の形態を示すもので、図１は正面の断面図、図２はそのII−II断面図、図３は保持器の斜視図、図４は循環用のこまの斜視図、図５は要部の拡大断面図である。先ず、構成を説明すると、ボールねじ１０は、外周面に螺旋状のボールねじ溝２２を形成したねじ軸２０と、このボールねじ溝２２に対応する螺旋状のボールねじ溝３２を内周面に形成したボールナット３０と、ねじ軸２０とボールナット３０との間の空間に配した薄肉円筒状のケージ型保持器（以下、単に保持器という）４０と、ねじ軸２０のボールねじ溝２２及びボールナット３０の対向するボールねじ溝３２との間に介在され、保持器の長孔４２に遊嵌する多数のボール５０及びボールナット３０に設けた穴３６に接合されたこま６０を備えている。
【００１４】
保持器４０は、図３に示すように、薄肉円筒形状でその周面には内外面に貫通する軸方向の複数本の長孔４２が形成され、それらの孔同士の間には柱状部４４が形成されている。ボール５０は、ねじ軸２０及びボールナット３０のそれぞれのボールねじ溝２２及び３２内に装入されると共に、保持器４０の長孔４２に係合することによって転動自在に互いに離間されている。こま６０は、図４に示すように、ボールナット３０の隣り合う二つのボ一ルねじ溝３２を跨いでボールナツト３０の胴部に形成されている貫通穴３６に嵌合する形状を有し、その内周側の面に、ボール５０がねじ軸２０のボールねじ溝２２間のねじ山を乗り越えることを許容する深いボール循環路６２が形成されている。こま６０は、図１に示した左側のボール回路用のものの他、右側のボール回路に対しても設けられている。その右側のこまの位置は、左側のこまに対してちようど９０°位相をずらせてあり、図１には右側こま内を通過中の一個のボール５０ａがねじ軸のねじ山を乗り越える所が示されている。保持器４０は、ボールナット３０の内周面に装着された止め輪７０，７１により、ボールナット３０に対して相対回転可能で軸方向には移動不能とされている。
【００１５】
図５に示すように、ねじ軸２０とボールナット３０との間の空間に配した保持器４０は、その外径面４３とこま６０の内径面６３との間に、間隔Ａのすき間を有し、保持器内径面４４とねじ軸２０のねじ山ランド部２３のねじ山外径面２３ａとの間には間隔Ｂのすき間を有している。そして、これらの両すき間の間隔の大きさが、間隔Ａ＞間隔Ｂとなるように設定している。
【００１６】
次に、この実施の形態の作用を述べる。
ボールナット３０を回転不能かつ軸方向に移動可能に支持して、軸方向に移動不能とされたねじ軸２０を図１の右方よりみて右回転させる。すると、ねじ軸２０のボールねじ溝２２及びボールナット３０のボールねじ溝３２に嵌合された多数のボール５０がボールねじ溝２２に沿って転動し、ボールナット３０はねじ軸２０の回転量に比例したストローク分だけ軸方向に右方に移動する。この時ボール５０はボールねじ溝２２，３２に沿って転動するが、保持器４０はボールナット３０に止め輪７０，７１により回転自在に支持されているからボール５０の転動に伴なつて回転し、ボール５０は保持器４０の長孔４２内を軸方向に略ねじのリード分移動する。保持器４０の前端側（図１中左端側）に移動したボール５０は、保持器４０の柱状部４４によって押され、こま６０のボール循環路６２に案内されつつねじ軸２０のねじ山ランド部２３を乗り越えて一つ隣り（図１中右側）のボールねじ溝２２内に戻される。この循環中、ボールねじ溝２２及び３２内の各ボール５０は保持器４０の長孔４２によって互いに隔絶されており、接触することがない。よって、ねじ軸２０の回転及びそれに基づくボールナット３０の軸方向の移動が極めてスムーズに行なわれ、トルク変動は殆んど生じない。また、ボール５０はねじ軸２０の外面に沿って循環しても、保持器４０はボールナット３０に対して軸方向に移動しないので、ボールナット３０の移動ストロークがボールの転動により制限されることはなく、大きなストロークでも使用できる。
【００１７】
さらに、本実施の形態によれば、ボールナット３０に固着されたこま６０の内径面６３と保持器４０の外径面４３とのすき間Ａよりも、ねじ軸２０のねじ山外径面２３ａと保持器４０の内径面４４とのすき間Ｂの方を小さく設定（Ａ＞Ｂ）したため、回転中に保持器４０が振れ回っても、保持器４０とこま６０とが接触する前にねじ軸２０と保持器４０とが接触する。したがって、保持器４０がこま６０に引っ掛かってしまうおそれは全くない。保持器４０とねじ軸２０との接触については、ねじ軸２０のねじ山外径面２３ａは一般に基準面とされるために滑らかに研磨されているから、保持器４０と接触しても何ら問題は生じない。かくして、トルク変動がなく一層安定した滑らかなボールねじの作動が得られる。
【００１８】
続いて、本発明のケージ型保持器付きボールねじの他の実施の形態を、上記図１を援用して説明する。
この実施の形態は、鋼製保持器４０を、硬さが調質材のそれ（ＨＲＣ２２〜３０）よりも大きく、鋼製のボール５０のそれ（ＨＲＣ６２〜６７）よりも小さい材料を使用して作製し、保持器とボールが互いに傷つけ合わないようにしたものである。このように、保持器４０の硬さの範囲を規制することにより、ねじ軸２０を高速回転させてボールナット３０を高速送りする時、保持器４０にボールが勢いよく衝突しても保持器４０に打痕がつかないため、高速送り時の保持器４０の耐久性が確保できるとともに、ボールねじのトルク特性も良好になる。この保持器の硬さＨＲＣ２２〜６７の規制範囲は、実験の結果に基づいて定めている。すなわち、硬さＨＲＣ２２〜３０の調質材製の鋼製保持器４０を用いた実験では打痕傷が見られたのに対し、焼入れした保持器（硬さはおよそＨＲＣ５０）には打痕傷は見られなかった。この結果から、本発明のケージ型保持器の硬さの下限をＨＲＣ２２に設定した。一方、保持器の硬さがボールの硬さＨＲＣ６２〜６７を越えない限り、ボールに損傷を与えることがなかったので、保持器硬さの上限をＨＲＣ６７に設定した。
【００１９】
その他の構成及び作用・効果は上記第１の実施の形態の場合と同様である。
図６〜図９に、本発明のケージ型保持器付きボールねじのさらに他の実施の形態を示す。
【００２０】
この実施の形態は、保持器４０を磁化した材料で作製した点が上記第１の実施の形態と異なっている。磁化した材料としては、次のようなものを例示することができる。▲１▼焼入れ磁石（ＫＳ磁石鋼）、▲２▼粉末形磁石。例えばアルニコ系磁石粉の焼結体、金属酸化物粉末を用いたフェライト磁石など、▲３▼フェライト粉末を可撓性ピラスチックと混合したプラスチック磁石、▲４▼ケイ素鋼，パーマロイ合金のような高導磁率合金、▲５▼Ｃｏ系その他の非晶質合金。
【００２１】
図８により、本実施の形態の作用を、保持器を磁化しない場合（図９）と比べて説明する。一般的にこま循環タイプのケージ型保持器付きボールねじにおいて、当該保持器が磁化なしの場合（図９）には、ボール５０がボールナット３０内でねじ軸２０の表面を滑りながらこまのボール循環路６２を経て隣の溝に移動する際、軸方向からボール５０をみると、図９に示すように、各ボール５０は遠心力の作用を受けてボール循環路６２の内壁に押しつけられる結果、ボールの軌跡はＢＣＤ上から一旦離れて外側に膨らむ（図７のラインＬ参照）。そして、ボール循環路６２を通過しおわると、再びＢＣＤ上に戻る軌跡を描く。ボールが保持器４０の長孔４２にもどる際に、ボールが保持器に強く衝突して損傷させる。または、図９に示すように、矢符号ｍのように進行するボール５０が、ボール循環路６２の端部壁面に衝突してｋ方向に反発力を受けると共に、保持器４０に衝突してｌ方向に反発力を受けることになり、ボール５０はＢＣＤ上には戻りにくくなる。
【００２２】
これに対して、本実施の形態（図８）の場合は、ＢＣＤ上を移動してきたボール５０がボール循環路６２を通過する際、遠心力の作用を受けると同時に、保持器４０の有する磁力により、当該遠心力に抗して矢符号ｇの方向に引っ張られる。その磁力の方が遠心力に勝れば、ボール５０は矢符号ｈの方向、つまりＢＣＤの方向に向かう。そのため、保持器４０の長孔４２にもどる際に、ボールが保持器に強く衝突して損傷させることがない。また、ボール循環路６２の端部壁面や保持器４０に衝突して強い反発力を受けたり、楔のように挟まれたりする現象も防止できて、滑らかな作動が得られる。
【００２３】
なお、本発明のケージ型保持器付きボールねじは、上記第１〜第３の各実施の形態を二つまたは全て組み込んだものとすることができる。
また、上記各実施の形態のケージ型保持器４０は、複数の各長孔４２の長さを、それぞれ保持器の一端側から他端側に及ぶ長いものとしているが、隣合うボール回路が十分に離れている場合は、各長孔の長さを、個々のボール回路のボール５０の軸方向移動量に応じて軸方向に分割（例えば２分割）することができる。また、そのように軸方向に分割した場合、軸方向前後の長孔をちどり状に配置しても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ねじ軸とケージ型保持器とのすき間を、こまとケージ型保持器とのすき間よりも小さく設定したため、保持器とこまとが干渉して保持器のボールナットに対する相対運動が円滑を欠くという現象を防止できて、その結果ケージ型保持器付きボールねじのトルク性能をより一層向上できるという効果を奏する。
【００２５】
また、請求項２に係る発明によれば、ケージ型保持器の硬さを、調質材の硬さよりも大きく、ボールの硬さよりも小さいものとしたため、ケージ型保持器付きボールねじを高速送り運転する場合に、こまを通って循環するボールがケージ型保持器の長孔部に勢いよく衝突して保持器に打痕が形成され、その打痕の影響でトルク特性が悪化することがあるという現象を防止できて、その結果ケージ型保持器付きボールねじのトルク性能をより一層向上できるという効果を奏する。
【００２６】
さらに、請求項３に係る発明によれば、ケージ型保持器に磁力を付与したため、ボールが保持器を離れて循環こまの循環路内をＢＣＤから外側に外れて通過した後に再び保持器に戻る際に、当該ボールが保持器に強く衝突したり、あるいはナットと保持器にボールが食い込む現象が発生するのを防止できて、その結果ケージ型保持器付きボールねじのトルク性能をより一層向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の正面断面図。
【図２】図１のII−II断面図。
【図３】ケージ型保持器の斜視図。
【図４】循環用のこまの斜視図。
【図５】保持器とこま及びねじ軸とのすき間の関係を説明する拡大断面図。
【図６】本発明の他の実施の形態の保持器とボール転動の軌跡とを説明する要部の正面模式断面。
【図７】その軸直角の模式断面図。
【図８】本発明の他の実施の形態の保持器の作用を説明する模式断面図。
【図９】従来の保持器の作用を説明する模式断面図。
【図１０】従来の保持器なしボールねじの正面断面図。
【図１１】従来の穴付き保持器の斜視図。
【図１２】従来のケージ型保持器の正面図。
【符号の説明】
１０ ボールねじ
２０ ねじ軸
２２ ボールねじ溝
３０ ボールナット
３２ ボールねじ溝
４０ ケージ形保持器
４２ 長孔
５０ ボール
６０ こま
６２ ボール循環路

Claims (3)

1. 螺旋状のボールねじ溝を外周面に有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対応するボールねじ溝を内周面に有すると共に該ボールねじ溝の一部にボールが前記ねじ軸のねじ山を乗り越えて循環するよう案内するこまを設けて循環路を形成した内部循環式のボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝に転動自在に嵌合する多数のボールと、前記ねじ軸とボールナットとの間の空間に配され、前記ボールを周方向において互いに離間すると共に転動自在に保持するために軸方向に延びる複数本の長孔を周面に設けた薄肉円筒状のケージ型保持器とを具えたケージ型保持器付きボールねじにおいて、
   前記ねじ軸と前記ケージ型保持器とのすき間を、前記こまと前記ケージ型保持器とのすき間よりも小さく設定したことを特徴とするケージ型保持器付きボールねじ。
2. 前記ケージ型保持器は、その硬さを、調質材の硬さ（ＨＲＣ２２〜３０）よりも大きく、ボールの硬さ（ＨＲＣ６２〜６７）よりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載のケージ型保持器付きボールねじ。
3. 前記ケージ型保持器に磁力を付与したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のケージ型保持器付きボールねじ。

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