ボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置
【課題】プレス装置のように高い主荷重と低い非主荷重が繰り返し加わる用途であっても優れた耐久性および信頼性を発揮できる新規なボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置の提供。
【解決手段】（ａ）ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間をボール径の１／３００〜１／１２００にし、（ｂ）ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とし、（ｃ）ラジアル隙間のない場合のボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とし、（ｄ）ラジアル隙間のない場合のボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とする。これによって、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮できる。
【解決手段】（ａ）ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間をボール径の１／３００〜１／１２００にし、（ｂ）ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とし、（ｃ）ラジアル隙間のない場合のボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とし、（ｄ）ラジアル隙間のない場合のボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とする。これによって、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送り機構の１つであるボールねじ装置に係り、特にプレス機などのようにストロークが短く（例えば、２リード以下）、かつ高荷重負荷が繰り返しかかる機器に最適なボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、プレス機や射出成型機などでは油圧シリンダに代わりモータでボールねじを駆動して荷重を発生させる構成が増加しているが、ボールねじを用いた場合には、その耐久性や寿命が問題となってくる。
例えば、射出成型機に代表される用途では、数〜数十ストローク（ボールねじが数〜数十回転する）駆動される間、大きな荷重がボールねじに付与される。このため、ボールねじには射出成型機として設定されたショット数（型締めや射出の回数）まで剥離などが生ずることなく使用できる寿命が必要とされる。
このような要求に応じるためには、ねじ溝曲率をボール径にできるだけ近く設定して負荷容量を増加させて長寿命になる設計が行われていた。
【０００３】
しかし、板金などの曲げ加工や打ち抜き加工などのプレス機用では、１ｍｍ以下から数ｍｍ程度の板材を加工するため、ボールねじに力がかかるストローク長は、射出成型機よりも小さく、高負荷容量用ボールねじの通常リード（１６〜３２ｍｍ）より小さくなる。そのため、これらのプレス機用のボールねじでは、１ショット当たりに移動する距離が短くなり、同じ荷重であれば射出成型機用のボールねじの数倍から数十倍のショット数まで耐えられる。
このため、寿命までのシャット数は射出成型機より大きくなり、同寸のボールねじを用いると要求寿命より遙かに長い寿命となることから、ボールねじをダウンサイズして要求寿命と計算寿命を合わせられれば、プレス機のコンパクト化を図ることができる。
【０００４】
しかし、現状の設計でサイズダウンを行うと要求寿命は満足するものの、大きな荷重が負荷されるため、ボールがねじ溝肩部に乗り上げ、ねじ溝肩部を破損させる可能性が高まる。従って、このリスクを回避するため、今までは計算寿命が要求寿命より非常に長くなってもサイズの大きなボールねじを使用せざるを得なくなり、装置をコンパクトにできないといった問題があった。
一方、以下の特許文献１〜３などでは、ボールとねじ溝との初期接触角に着目し、その初期設定角を調整することで、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６８９９６号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５３０８号公報
【特許文献３】特開２００２−２７６７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１〜３のようにボールとねじ溝との初期接触角を調整しただけでは、高荷重用途に用いた場合に充分な耐久性と信頼性を発揮することが困難である。
すなわち、高荷重が加わった場合には、ボールとねじ溝との接触角は、ラジアル隙間との関係により上方に変化するため、単に初期接触角のみを調整してもボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止することはできない。また、ボールとねじ溝との接触楕円の長径寸法がねじ溝肩部に乗り上げるか否かが重要であるため、ボールとねじ溝曲率との関係も重要となってくる。
そこで、本発明は前記のような従来技術が有する問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、プレス機などのように高い主荷重と低い非主荷重が繰り返し加わる用途であっても優れた耐久性および信頼性を発揮できるボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題解決するために第１の発明は、
外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットとを有し、前記両ねじ溝間に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、
（ａ）前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすること、（ｂ）前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とすること、（ｃ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とすること、（ｄ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とすること、といった全ての条件を満たすことを特徴とするボールねじ装置である。
【０００８】
ここで、（ａ）の条件、すなわち前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００としたのは、この隙間が１／３００を超えると、ボールとねじ溝との接触角が上昇し、高荷重が加わった際にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、その一方、１／１２００未満では、その隙間が小さすぎて管理が困難となるからである。より望ましくは、ボールとねじ溝とのラジアル隙間は、１／５００〜１／１０００の範囲である。
【０００９】
また、（ｂ）の条件、すなわち、前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％と規定したのは、後に実証するように５１．５％未満では、最大荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、反対に５４．０％を超えると、プレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなるからである。より望ましくは、この曲率は５２．０％〜５３．０％の範囲である。
【００１０】
また、（ｃ）の条件、すなわち、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重が作用する側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°としたのは、同じく後に実証するように、３５°未満では、本発明をプレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなり、反対に４３°を超えると、最大主荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからである。より望ましくは、この初期接触角は約４０°である。
なお、ここで主荷重とは、本発明のボールねじ装置をプレス機などの一方向に大荷重を作用させて加圧するような装置に適用した場合のその大荷重をいい、また、主荷重が作用する側とは、この主荷重が前記ボールを介して直接作用するねじ溝の一方の面（円弧）をいう。
【００１１】
さらに、（ｄ）の条件、すなわち、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°としたのは、プレス機などの一方向に大荷重を作用させて加圧する用途では、バックラッシなどをあまり気にしないため、ねじ溝とボールとのラジアル隙間設定が大きい場合が殆どである。
その場合、接触角が６０°を超えると小さな荷重でもボールが溝肩部に乗り上げてしまうからである。そして、このように接触角が６０°では、戻り側の荷重が主荷重の２０％程度までボールが溝肩部に乗り上げることはない。
【００１２】
一方、この接触角が４４°未満では、ボールが溝肩部に乗り上げてしまうのを防止することはできるが、定格荷重が低下してしまうため、長寿命を発揮するのが難しくなるからである。
なお、ここで非主荷重とは、プレス機の戻り時などに発生する前記主荷重の反対方向の荷重をいい、また、この非主荷重が作用する側とは、この非主荷重が前記ボールを介して直接作用するねじ溝の他方の面（円弧）をいう。
【００１３】
つまり、このように非主荷重側では、主荷重側のように大きな荷重が作用しないため、その戻り側のねじ溝をボールとの接触角を大きくすることで定格荷重を増加させて寿命を確保するようにしたものである。
また、第２の発明は、
発明１のボールねじ装置をプレス型の送り機構として用いたことを特徴とするサーボプレス装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記（ａ）〜（ｃ）の条件を満足することによって、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。
また、さらに前記（ｄ）の条件を満足することによって、主荷重とは反対方向に作用する非主荷重側である戻り側のねじ溝とボールとの接触角を主荷重側よりも大きくできるため、定格荷重が増加して寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係るボールねじ装置１００のボールＢとねじ溝３０（４０）との関係などを示す概念図である。
【図３】本発明に係るボールねじ装置１００に主荷重が作用した場合のボールＢとねじ溝３０（４０）との位置関係などを示す概念図である。
【図４】本発明に係るボールねじ装置１００に非主荷重が作用した場合のボールＢとねじ溝３０（４０）との位置関係などを示す概念図である。
【図５】本発明に係るボールねじ装置１００を用いたサーボプレス装置２００の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
図１乃至図４は、本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこのボールねじ装置１００は、 外周に螺旋状のねじ溝４０を有するねじ軸１０と、内周に前記ねじ軸１０のねじ溝４０と対向するように螺旋状のねじ溝３０を有するナット２０とを有し、前記両ねじ溝３０，４０内に転動体となるボールＢを複数、転動自在に配設した構造となっている。
【００１７】
また、このナット２０の側面には、これを貫通するようにリターンチューブ５０，５０が設けられており、両ねじ溝３０，４０内を転動してきたボールＢを貫通孔２２を介してナット２０外に抜き出してから再び両ねじ溝３０，４０内に戻すように循環するようになっている。
図５は、このような構成をしたボールねじ装置１００をプレス型の送り機構として用いたサーボプレス装置２００の一例を示したものである。
【００１８】
図示するように、このサーボプレス装置２００は、鉄骨製の堅牢な機台１１０に対して、このボールねじ装置１００を垂直方向に備えた構成となっている。すなわち、このボールねじ装置１００のねじ軸１０の上端側は、軸受９２およびロックナット９３によって機台１１０に垂直方向に軸支されており、そのねじ軸１０の上端にはプーリー８０が設けられている。また、ナット２０には、プレス上型９０が取り付けられている。このプレス上型９０は、ナット２０のフランジ２１に設けられたボルト孔（図示せず）に通したボルト（図示せず）によってナット２０に一体的に固定されている。
【００１９】
そして、このねじ軸１０上端のプーリー８０（ねじ軸１０）を機台１１０に設けられたサーボモータ６０とタイミングベルト７０によって回転させてナット２０を上下動させることによって、プレス上型９０とその下部に固定されたプレス下型９１とを近接離間させて所定のプレス加工（板金の曲げ、打ち抜きプレス（プレスブレーキ、パンチングプレス、ベンダーなど）など）を行うことになる。
【００２０】
従って、このような構成をしたサーボプレス装置２００にあっては、プレス上型９０をプレス下型９１側に接近（降下）させてプレスを行うごとに、このボールねじ装置１００に対して大きな主荷重が繰り返し掛かり、反対にプレスを終えてプレス上型９０をプレス下型９１側から離す（上昇）ごとに、このボールねじ装置１００に対して主荷重方向とは反対方向の非主荷重、すなわちプレス上型９０自体の荷重などが繰り返し掛かることになる。
【００２１】
このようなサーボプレス装置２００に適用されるボールねじ装置１００にあっては、図２に示すように、先ず、ボールＢが一方のねじ溝３０（４０）に密着したときの他方のねじ溝４０（３０）とのラジアル隙間Ｓがこのボール径ｄの１／３００〜１／１２００の大きさに設定されている。
具体的には、このボールＢの径が３／８インチ（９．５２５ｍｍ）であるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約３０μｍ〜８μｍとなる。但し、このボールＢの径が１インチであるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約８５μｍ以下でその下限は、管理が容易な最小値である２０μｍ以上となる。
【００２２】
なお、このラジアル隙間Ｓとは、図２に示すようにボールＢをナット２０のねじ溝３０の２つの円弧３０ａ、３０ｂに接触するように配置し、ねじ軸１０を点線の位置まで移動させてねじ軸１０側のねじ溝４０の２つの円弧３０ａ、３０ｂをボールＢと接触させ、次に、このねじ軸１０およびナット２０のねじ溝３０，４０とボールＢが４点で接触している状態でナット２０をねじ軸１０の軸線と垂直な方向に移動させたときに動き得る距離をいう。
【００２３】
次に、図示するようにこのねじ溝３０および４０の断面形状は、それぞれ２つの円弧３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂで形成されるゴシックアーク形状となっていると共に、各円弧３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂの曲率Ｃは、前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲となっている。
また、図２および図３に示すようにこれら互いに対向するねじ溝３０、４０のうち、ラジアル隙間Ｓのない場合に前記ボールＢと接触する主荷重側の各円弧３０ａ、４０ａの初期接触角βは、ねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲となっている。
【００２４】
以下の表１は、ボールねじを図５に示したようなプレス装置２００に適用した場合に必要な寿命を満足する、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０、４０の各円弧３０ａ、４０ａとの接触角βの関係を示したものである。また、以下の表２は、最大主荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがない、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０、４０の各円弧３０ａ、４０ａとの接触角βの関係を示したものである。
【００２５】
ここで、各表中、塗り潰し領域が各条件を満足する範囲であり、また、表２はボールＢが循環する部分の配列や、ねじ軸１０とナット２０との軸方向弾性変形量を考慮した。
また、この評価に用いたボールねじ装置としては、軸径φ６３ｍｍ、リード１６ｍｍ、循環巻き数２．５巻３列、ボール径１／２インチ仕様のボールねじを用い、最大荷重１５０ｋＮ、要求寿命１０００万サイクルとして実験を行った。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
この結果、先ず表１に示すように、本発明のボールねじ装置１００を図５に示すようなプレス装置２００に用いた場合に必要な寿命を満足するボールＢとねじ溝３０、４０の主荷重側の円弧３０ａ、３０ｂとの初期接触角βをみてみると、ねじ軸１０の半径方向に対して少なくとも３０°以上必要であることがわかる。
また、これら円弧３０ａ、４０ａの曲率Ｃは、前記ボール径ｄに対して少なくとも曲率比（×１００）で０．５５０（５５．０％）以下が必要なことがわかる。
【００２９】
従って、本発明のボールねじ装置１００をプレス装置用に用いた場合に必要な寿命を満足するねじ溝曲率と、ボールとねじ溝との接触角との関係を調べてみると、同表の塗り潰し範囲に示したように、ねじ溝３０、４０の主荷重側の円弧３０ａ、４０ａではボールＢとの初期接触角βが３０°以上、かつねじ溝曲率が５５．０％以下が必要であることがわかる。
【００３０】
一方、表２に示すように、最大荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがないボールＢとの接触角βと、ねじ溝曲率Ｃとの関係をみてみると接触角βが小さく、かつねじ溝曲率Ｃが大きい領域ほど良好な結果が得られることがわかる。
従って、本発明装置１００をプレス装置に用いて図３に示すように主荷重を加えた場合に、これら両方の特性を満足する範囲としては、表１および表２の塗り潰し領域のうち、それぞれ太い実線で囲んだ重なり合った領域の範囲にすることが望ましい。
【００３１】
すなわち、上述したようにラジアル隙間Ｓのない場合の前記ボールＢと主荷重側のねじ溝３０，４０の各円弧３０ａ、３０ｂとの初期接触角βがねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲で、かつねじ溝３０，４０の円弧３０ａ、４０ａの曲率Ｃが前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲とすることが望ましい。
より好ましくは、表１および表２の太い実線で囲んだ領域の略中央の領域である、初期接触角αが約４０°±１°、かつねじ溝３０，４０の溝曲率Ｃが５２．０％〜５３．０％とすることが望ましい。
【００３２】
他方、図２および図４に示すようにこれら互いに対向するねじ溝３０、４０のうち、ラジアル隙間Ｓのない場合に前記ボールＢと接触する非主荷重側の円弧３０ｂ、４０ｂの初期接触角αは、ねじ軸１０の半径方向に対して４４°〜６０°の範囲となっている。
以下の表３および表４は、この非主荷重側の各円弧３０ｂ、４０ｂとボールＢとの初期接触角α（縦軸）と前記の主荷重側の円弧３０ａ、４０ａとボールＢとの初期接触角β（横軸）との動定格荷重比および寿命比の関係をそれぞれ示したものである。
【００３３】
【表３】
【００３４】
【表４】
【００３５】
表３からもわかるように図４に示すような非主荷重側のねじ溝３０、４０の各円弧３０ｂ、４０ｂの初期接触角αを大きくすればするほど動定格荷重を大きくすることができ、最小の動定格荷重の約１．５倍程度まで増加することができる。
また、表４に示すようにこの初期接触角αを大きくすればするほど寿命を延ばすことができ、６０°では最小寿命の約３倍程度まで延ばすことができる。なお、前述したようにこの初期接触角αが６０°を超えると、小さい負荷（非主荷重）がかかった場合でもボールＢがねじ溝肩部に乗り上げてしまいやすくなるため望ましくない。
このように本発明のボールねじ装置１００およびこれを備えたサーボプレス装置２００にあっては、プレス装置として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大主荷重が加わった場合でもボールＢがねじ溝肩部に乗り上げるようなことがなく、ねじ溝肩部の破損などを回避できる。
【００３６】
また、図４に示すように主荷重とは反対方向に作用する非主荷重側である戻り側のねじ溝の円弧３０ｂ、４０ｂについて、そのボールＢとの初期接触角αを主荷重側よりも大きくしたことから、定格荷重が増加して長寿命を発揮することができる。
従って、本発明のボールねじ装置１００は、プレス装置のような高い主荷重と低い非主荷重が繰り返し加わり、かつストロークが短い機器に用いた場合に特に優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。
なお、表１および表２からもわかるように、溝曲率Ｃ：０．５１０、接触角β：２５°〜３０°の範囲もオーバーラップ範囲であって両特性を満足するが、この範囲はボール径ｄに対して溝曲率Ｃが非常に小さく、精度の良い加工が困難であるといった不都合があるため、この範囲での設計は現実的でない。
【符号の説明】
【００３７】
１００…ボールねじ装置
１１０…機台
２００…サーボプレス装置
１０…ねじ軸
２０…ナット
２１…フランジ
３０、４０…ねじ溝
３０ａ、４０ａ…円弧（主荷重側）
３０ｂ、４０ｂ…円弧（非主荷重側）
５０…リターンチューブ
６０…サーボモータ
７０…タイミングベルト
８０…プーリー
９０…プレス上型
９１…プレス下型
９２…軸受
９３…ロックナット
Ｂ…ボール
Ｃ…ねじ溝曲率
Ｓ…ラジアル隙間
α…初期接触角（非主荷重側）
β…初期接触角（主荷重側）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送り機構の１つであるボールねじ装置に係り、特にプレス機などのようにストロークが短く（例えば、２リード以下）、かつ高荷重負荷が繰り返しかかる機器に最適なボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、プレス機や射出成型機などでは油圧シリンダに代わりモータでボールねじを駆動して荷重を発生させる構成が増加しているが、ボールねじを用いた場合には、その耐久性や寿命が問題となってくる。
例えば、射出成型機に代表される用途では、数〜数十ストローク（ボールねじが数〜数十回転する）駆動される間、大きな荷重がボールねじに付与される。このため、ボールねじには射出成型機として設定されたショット数（型締めや射出の回数）まで剥離などが生ずることなく使用できる寿命が必要とされる。
このような要求に応じるためには、ねじ溝曲率をボール径にできるだけ近く設定して負荷容量を増加させて長寿命になる設計が行われていた。
【０００３】
しかし、板金などの曲げ加工や打ち抜き加工などのプレス機用では、１ｍｍ以下から数ｍｍ程度の板材を加工するため、ボールねじに力がかかるストローク長は、射出成型機よりも小さく、高負荷容量用ボールねじの通常リード（１６〜３２ｍｍ）より小さくなる。そのため、これらのプレス機用のボールねじでは、１ショット当たりに移動する距離が短くなり、同じ荷重であれば射出成型機用のボールねじの数倍から数十倍のショット数まで耐えられる。
このため、寿命までのシャット数は射出成型機より大きくなり、同寸のボールねじを用いると要求寿命より遙かに長い寿命となることから、ボールねじをダウンサイズして要求寿命と計算寿命を合わせられれば、プレス機のコンパクト化を図ることができる。
【０００４】
しかし、現状の設計でサイズダウンを行うと要求寿命は満足するものの、大きな荷重が負荷されるため、ボールがねじ溝肩部に乗り上げ、ねじ溝肩部を破損させる可能性が高まる。従って、このリスクを回避するため、今までは計算寿命が要求寿命より非常に長くなってもサイズの大きなボールねじを使用せざるを得なくなり、装置をコンパクトにできないといった問題があった。
一方、以下の特許文献１〜３などでは、ボールとねじ溝との初期接触角に着目し、その初期設定角を調整することで、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６８９９６号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５３０８号公報
【特許文献３】特開２００２−２７６７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１〜３のようにボールとねじ溝との初期接触角を調整しただけでは、高荷重用途に用いた場合に充分な耐久性と信頼性を発揮することが困難である。
すなわち、高荷重が加わった場合には、ボールとねじ溝との接触角は、ラジアル隙間との関係により上方に変化するため、単に初期接触角のみを調整してもボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止することはできない。また、ボールとねじ溝との接触楕円の長径寸法がねじ溝肩部に乗り上げるか否かが重要であるため、ボールとねじ溝曲率との関係も重要となってくる。
そこで、本発明は前記のような従来技術が有する問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、プレス機などのように高い主荷重と低い非主荷重が繰り返し加わる用途であっても優れた耐久性および信頼性を発揮できるボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題解決するために第１の発明は、
外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットとを有し、前記両ねじ溝間に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、
（ａ）前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすること、（ｂ）前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とすること、（ｃ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とすること、（ｄ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とすること、といった全ての条件を満たすことを特徴とするボールねじ装置である。
【０００８】
ここで、（ａ）の条件、すなわち前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００としたのは、この隙間が１／３００を超えると、ボールとねじ溝との接触角が上昇し、高荷重が加わった際にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、その一方、１／１２００未満では、その隙間が小さすぎて管理が困難となるからである。より望ましくは、ボールとねじ溝とのラジアル隙間は、１／５００〜１／１０００の範囲である。
【０００９】
また、（ｂ）の条件、すなわち、前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％と規定したのは、後に実証するように５１．５％未満では、最大荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、反対に５４．０％を超えると、プレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなるからである。より望ましくは、この曲率は５２．０％〜５３．０％の範囲である。
【００１０】
また、（ｃ）の条件、すなわち、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重が作用する側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°としたのは、同じく後に実証するように、３５°未満では、本発明をプレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなり、反対に４３°を超えると、最大主荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからである。より望ましくは、この初期接触角は約４０°である。
なお、ここで主荷重とは、本発明のボールねじ装置をプレス機などの一方向に大荷重を作用させて加圧するような装置に適用した場合のその大荷重をいい、また、主荷重が作用する側とは、この主荷重が前記ボールを介して直接作用するねじ溝の一方の面（円弧）をいう。
【００１１】
さらに、（ｄ）の条件、すなわち、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°としたのは、プレス機などの一方向に大荷重を作用させて加圧する用途では、バックラッシなどをあまり気にしないため、ねじ溝とボールとのラジアル隙間設定が大きい場合が殆どである。
その場合、接触角が６０°を超えると小さな荷重でもボールが溝肩部に乗り上げてしまうからである。そして、このように接触角が６０°では、戻り側の荷重が主荷重の２０％程度までボールが溝肩部に乗り上げることはない。
【００１２】
一方、この接触角が４４°未満では、ボールが溝肩部に乗り上げてしまうのを防止することはできるが、定格荷重が低下してしまうため、長寿命を発揮するのが難しくなるからである。
なお、ここで非主荷重とは、プレス機の戻り時などに発生する前記主荷重の反対方向の荷重をいい、また、この非主荷重が作用する側とは、この非主荷重が前記ボールを介して直接作用するねじ溝の他方の面（円弧）をいう。
【００１３】
つまり、このように非主荷重側では、主荷重側のように大きな荷重が作用しないため、その戻り側のねじ溝をボールとの接触角を大きくすることで定格荷重を増加させて寿命を確保するようにしたものである。
また、第２の発明は、
発明１のボールねじ装置をプレス型の送り機構として用いたことを特徴とするサーボプレス装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記（ａ）〜（ｃ）の条件を満足することによって、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。
また、さらに前記（ｄ）の条件を満足することによって、主荷重とは反対方向に作用する非主荷重側である戻り側のねじ溝とボールとの接触角を主荷重側よりも大きくできるため、定格荷重が増加して寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係るボールねじ装置１００のボールＢとねじ溝３０（４０）との関係などを示す概念図である。
【図３】本発明に係るボールねじ装置１００に主荷重が作用した場合のボールＢとねじ溝３０（４０）との位置関係などを示す概念図である。
【図４】本発明に係るボールねじ装置１００に非主荷重が作用した場合のボールＢとねじ溝３０（４０）との位置関係などを示す概念図である。
【図５】本発明に係るボールねじ装置１００を用いたサーボプレス装置２００の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
図１乃至図４は、本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこのボールねじ装置１００は、 外周に螺旋状のねじ溝４０を有するねじ軸１０と、内周に前記ねじ軸１０のねじ溝４０と対向するように螺旋状のねじ溝３０を有するナット２０とを有し、前記両ねじ溝３０，４０内に転動体となるボールＢを複数、転動自在に配設した構造となっている。
【００１７】
また、このナット２０の側面には、これを貫通するようにリターンチューブ５０，５０が設けられており、両ねじ溝３０，４０内を転動してきたボールＢを貫通孔２２を介してナット２０外に抜き出してから再び両ねじ溝３０，４０内に戻すように循環するようになっている。
図５は、このような構成をしたボールねじ装置１００をプレス型の送り機構として用いたサーボプレス装置２００の一例を示したものである。
【００１８】
図示するように、このサーボプレス装置２００は、鉄骨製の堅牢な機台１１０に対して、このボールねじ装置１００を垂直方向に備えた構成となっている。すなわち、このボールねじ装置１００のねじ軸１０の上端側は、軸受９２およびロックナット９３によって機台１１０に垂直方向に軸支されており、そのねじ軸１０の上端にはプーリー８０が設けられている。また、ナット２０には、プレス上型９０が取り付けられている。このプレス上型９０は、ナット２０のフランジ２１に設けられたボルト孔（図示せず）に通したボルト（図示せず）によってナット２０に一体的に固定されている。
【００１９】
そして、このねじ軸１０上端のプーリー８０（ねじ軸１０）を機台１１０に設けられたサーボモータ６０とタイミングベルト７０によって回転させてナット２０を上下動させることによって、プレス上型９０とその下部に固定されたプレス下型９１とを近接離間させて所定のプレス加工（板金の曲げ、打ち抜きプレス（プレスブレーキ、パンチングプレス、ベンダーなど）など）を行うことになる。
【００２０】
従って、このような構成をしたサーボプレス装置２００にあっては、プレス上型９０をプレス下型９１側に接近（降下）させてプレスを行うごとに、このボールねじ装置１００に対して大きな主荷重が繰り返し掛かり、反対にプレスを終えてプレス上型９０をプレス下型９１側から離す（上昇）ごとに、このボールねじ装置１００に対して主荷重方向とは反対方向の非主荷重、すなわちプレス上型９０自体の荷重などが繰り返し掛かることになる。
【００２１】
このようなサーボプレス装置２００に適用されるボールねじ装置１００にあっては、図２に示すように、先ず、ボールＢが一方のねじ溝３０（４０）に密着したときの他方のねじ溝４０（３０）とのラジアル隙間Ｓがこのボール径ｄの１／３００〜１／１２００の大きさに設定されている。
具体的には、このボールＢの径が３／８インチ（９．５２５ｍｍ）であるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約３０μｍ〜８μｍとなる。但し、このボールＢの径が１インチであるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約８５μｍ以下でその下限は、管理が容易な最小値である２０μｍ以上となる。
【００２２】
なお、このラジアル隙間Ｓとは、図２に示すようにボールＢをナット２０のねじ溝３０の２つの円弧３０ａ、３０ｂに接触するように配置し、ねじ軸１０を点線の位置まで移動させてねじ軸１０側のねじ溝４０の２つの円弧３０ａ、３０ｂをボールＢと接触させ、次に、このねじ軸１０およびナット２０のねじ溝３０，４０とボールＢが４点で接触している状態でナット２０をねじ軸１０の軸線と垂直な方向に移動させたときに動き得る距離をいう。
【００２３】
次に、図示するようにこのねじ溝３０および４０の断面形状は、それぞれ２つの円弧３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂで形成されるゴシックアーク形状となっていると共に、各円弧３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂの曲率Ｃは、前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲となっている。
また、図２および図３に示すようにこれら互いに対向するねじ溝３０、４０のうち、ラジアル隙間Ｓのない場合に前記ボールＢと接触する主荷重側の各円弧３０ａ、４０ａの初期接触角βは、ねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲となっている。
【００２４】
以下の表１は、ボールねじを図５に示したようなプレス装置２００に適用した場合に必要な寿命を満足する、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０、４０の各円弧３０ａ、４０ａとの接触角βの関係を示したものである。また、以下の表２は、最大主荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがない、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０、４０の各円弧３０ａ、４０ａとの接触角βの関係を示したものである。
【００２５】
ここで、各表中、塗り潰し領域が各条件を満足する範囲であり、また、表２はボールＢが循環する部分の配列や、ねじ軸１０とナット２０との軸方向弾性変形量を考慮した。
また、この評価に用いたボールねじ装置としては、軸径φ６３ｍｍ、リード１６ｍｍ、循環巻き数２．５巻３列、ボール径１／２インチ仕様のボールねじを用い、最大荷重１５０ｋＮ、要求寿命１０００万サイクルとして実験を行った。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
この結果、先ず表１に示すように、本発明のボールねじ装置１００を図５に示すようなプレス装置２００に用いた場合に必要な寿命を満足するボールＢとねじ溝３０、４０の主荷重側の円弧３０ａ、３０ｂとの初期接触角βをみてみると、ねじ軸１０の半径方向に対して少なくとも３０°以上必要であることがわかる。
また、これら円弧３０ａ、４０ａの曲率Ｃは、前記ボール径ｄに対して少なくとも曲率比（×１００）で０．５５０（５５．０％）以下が必要なことがわかる。
【００２９】
従って、本発明のボールねじ装置１００をプレス装置用に用いた場合に必要な寿命を満足するねじ溝曲率と、ボールとねじ溝との接触角との関係を調べてみると、同表の塗り潰し範囲に示したように、ねじ溝３０、４０の主荷重側の円弧３０ａ、４０ａではボールＢとの初期接触角βが３０°以上、かつねじ溝曲率が５５．０％以下が必要であることがわかる。
【００３０】
一方、表２に示すように、最大荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがないボールＢとの接触角βと、ねじ溝曲率Ｃとの関係をみてみると接触角βが小さく、かつねじ溝曲率Ｃが大きい領域ほど良好な結果が得られることがわかる。
従って、本発明装置１００をプレス装置に用いて図３に示すように主荷重を加えた場合に、これら両方の特性を満足する範囲としては、表１および表２の塗り潰し領域のうち、それぞれ太い実線で囲んだ重なり合った領域の範囲にすることが望ましい。
【００３１】
すなわち、上述したようにラジアル隙間Ｓのない場合の前記ボールＢと主荷重側のねじ溝３０，４０の各円弧３０ａ、３０ｂとの初期接触角βがねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲で、かつねじ溝３０，４０の円弧３０ａ、４０ａの曲率Ｃが前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲とすることが望ましい。
より好ましくは、表１および表２の太い実線で囲んだ領域の略中央の領域である、初期接触角αが約４０°±１°、かつねじ溝３０，４０の溝曲率Ｃが５２．０％〜５３．０％とすることが望ましい。
【００３２】
他方、図２および図４に示すようにこれら互いに対向するねじ溝３０、４０のうち、ラジアル隙間Ｓのない場合に前記ボールＢと接触する非主荷重側の円弧３０ｂ、４０ｂの初期接触角αは、ねじ軸１０の半径方向に対して４４°〜６０°の範囲となっている。
以下の表３および表４は、この非主荷重側の各円弧３０ｂ、４０ｂとボールＢとの初期接触角α（縦軸）と前記の主荷重側の円弧３０ａ、４０ａとボールＢとの初期接触角β（横軸）との動定格荷重比および寿命比の関係をそれぞれ示したものである。
【００３３】
【表３】
【００３４】
【表４】
【００３５】
表３からもわかるように図４に示すような非主荷重側のねじ溝３０、４０の各円弧３０ｂ、４０ｂの初期接触角αを大きくすればするほど動定格荷重を大きくすることができ、最小の動定格荷重の約１．５倍程度まで増加することができる。
また、表４に示すようにこの初期接触角αを大きくすればするほど寿命を延ばすことができ、６０°では最小寿命の約３倍程度まで延ばすことができる。なお、前述したようにこの初期接触角αが６０°を超えると、小さい負荷（非主荷重）がかかった場合でもボールＢがねじ溝肩部に乗り上げてしまいやすくなるため望ましくない。
このように本発明のボールねじ装置１００およびこれを備えたサーボプレス装置２００にあっては、プレス装置として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大主荷重が加わった場合でもボールＢがねじ溝肩部に乗り上げるようなことがなく、ねじ溝肩部の破損などを回避できる。
【００３６】
また、図４に示すように主荷重とは反対方向に作用する非主荷重側である戻り側のねじ溝の円弧３０ｂ、４０ｂについて、そのボールＢとの初期接触角αを主荷重側よりも大きくしたことから、定格荷重が増加して長寿命を発揮することができる。
従って、本発明のボールねじ装置１００は、プレス装置のような高い主荷重と低い非主荷重が繰り返し加わり、かつストロークが短い機器に用いた場合に特に優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。
なお、表１および表２からもわかるように、溝曲率Ｃ：０．５１０、接触角β：２５°〜３０°の範囲もオーバーラップ範囲であって両特性を満足するが、この範囲はボール径ｄに対して溝曲率Ｃが非常に小さく、精度の良い加工が困難であるといった不都合があるため、この範囲での設計は現実的でない。
【符号の説明】
【００３７】
１００…ボールねじ装置
１１０…機台
２００…サーボプレス装置
１０…ねじ軸
２０…ナット
２１…フランジ
３０、４０…ねじ溝
３０ａ、４０ａ…円弧（主荷重側）
３０ｂ、４０ｂ…円弧（非主荷重側）
５０…リターンチューブ
６０…サーボモータ
７０…タイミングベルト
８０…プーリー
９０…プレス上型
９１…プレス下型
９２…軸受
９３…ロックナット
Ｂ…ボール
Ｃ…ねじ溝曲率
Ｓ…ラジアル隙間
α…初期接触角（非主荷重側）
β…初期接触角（主荷重側）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットとを有し、前記両ねじ溝間に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、以下の条件（ａ）〜（ｄ）を全て満たすことを特徴とするボールねじ装置。
（ａ）前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にする
（ｂ）前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とする。
（ｃ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とする。
（ｄ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とする。
【請求項２】
請求項１に記載のボールねじ装置をプレス型の送り機構として用いたことを特徴とするサーボプレス装置。
【請求項１】
外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットとを有し、前記両ねじ溝間に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、以下の条件（ａ）〜（ｄ）を全て満たすことを特徴とするボールねじ装置。
（ａ）前記ボールが一方のねじ溝に密着した状態で当該ボールと他方のねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にする
（ｂ）前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とする。
（ｃ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと主荷重側のねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とする。
（ｄ）前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールと非主荷重側のねじ溝との初期接触角を４４°〜６０°とする。
【請求項２】
請求項１に記載のボールねじ装置をプレス型の送り機構として用いたことを特徴とするサーボプレス装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６９４５５（Ｐ２０１１−１６９４５５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３６６５３（Ｐ２０１０−３６６５３）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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