ボールねじ
【課題】二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制するのに好適なボールねじを提供する。
【解決手段】このボールねじ１は、軌道７と負荷ボール４との接触状態が常に二点接触になっているとともに、複数の負荷ボール４同士の間に自転可能なスペーサボール８が介装されており、このスペーサボール８を、所定の外部負荷を受ける条件下で、前記軌道７との隙間ゼロ以上を維持する外径を有するものとした。
【解決手段】このボールねじ１は、軌道７と負荷ボール４との接触状態が常に二点接触になっているとともに、複数の負荷ボール４同士の間に自転可能なスペーサボール８が介装されており、このスペーサボール８を、所定の外部負荷を受ける条件下で、前記軌道７との隙間ゼロ以上を維持する外径を有するものとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷ボールと軌道との接触状態が二点で接触するように構成されたボールねじに係り、低摩擦、低トルク変動を要求される予圧ボールねじ一般に適用することができ、特に、定格荷重はそれほど要求されず、高速性、低発熱性、低トルクが要求される用途に好適なボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボール転がり要素であるボールねじは、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、ねじ軸およびナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールとを備えて構成されており、その負荷ボールと軌道との接触状態は、三点または四点接触であるものが一般的である。これに対し、同じくボール転がり要素である軸受は、内外輪の軌道と負荷ボールとの接触状態が、予圧状態において通常二点接触である。
【０００３】
一般的なボールねじにおいて、その負荷ボールと軌道との接触状態を三点または四点接触形式とする理由は、ボール転動溝への負荷ボールの食い込みを防止するためである。つまり、一般に、ボールねじは、ボール転動溝が螺旋状にねじれていることに起因して、特に低速運転時にトルクの上昇が起こる（以下、「異常トルク上昇」ともいう）という問題がある。この異常トルク上昇は、負荷ボールがボール転動溝に食い込む、「溝−ボール間のつまり」が原因と考えられている。そのため、負荷ボールと軌道との接触状態を三点または四点接触形式とすることによって負荷ボールの支持点を増やし、これにより、食い込みを防止または抑制することを意図しているのである。食い込みによるトルク上昇が、三点目、四点目が接触することによるトルク上昇を上回るということが前提となっている。
【０００４】
しかし、三点または四点接触形式のボールねじにおいては、軌道に対して負荷ボールを三点または四点で支持するので、三点目や四点目でのすべり成分が存在してしまう。そのため、予圧荷重を大きくした場合には、そのすべり成分に起因して摩擦による発熱や摩耗が問題となる。これに対し、二点接触形式のボールねじとすれば、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。
例えば特許文献１に記載の技術では、ボール転動溝にゴシックアーク溝を採用しつつ、軌道とボールとの軸方向隙間を所定に管理する等により、二点接触形式の特性を最大限に発揮しうる条件を備えたボールねじを、安定した品質で提供することを可能としている。
【０００５】
同文献記載の構成を採用すると、二点接触形式のボールねじにおいて、精度良く二点接触の状態を実現できる。これにより、二点接触形式のボールねじとすることで、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて抑制することが可能となる。また、例えば高速運転（軸径φ３０ｍｍ程度で、５０ｒｐｍ以上）に於いて、三点ないし四点接触状態の通常予圧のボールねじに比べて低トルクが実現できる。
【特許文献１】特開２００４−２５７４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本願発明者らは、二点接触形式のボールねじにおいて種々の要素試験を行ったところ、特に低速で起こる異常トルク上昇は、ボールの転動溝への食い込みによるものではなく、三点目、四点目の接触点に拘束されることがないため、ボールが不安定となることにより、隣り合う負荷ボール同士と競り合い易くなることが主要因であることを見いだした。スペーサボールは、負荷ボールのそれとは逆方向に自転することにより、ボール間での滑りを緩和する。
【０００７】
また、二点接触形式のボールねじは、ボール転動溝と負荷ボールとの間の摩擦が三点ないし四点接触状態に比べて小さい。このため、二点接触形式のボールねじでは、ボール４同士の競り合いによる摩擦変動が相対的に目立ってしまう。特に、作動特性が要求される用途のボールねじは鋼球径の小さいものが多い。そのため、回路内の負荷ボールの数が多くなるとともに、作動特性が要求されるものでは予圧荷重も比較的に小さいので、負荷ボールが予圧荷重によって圧縮されることによるトルク増加も小さくなる。
【０００８】
また、負荷ボール同士の競り合いによる摩擦は、ボールねじの使用状況（例えば速度やストローク等）によって変化する。そのため、負荷ボール同士の競り合いによる摩擦変動はその予測が難しく、二点接触形式のボールねじでは、隣り合う負荷ボール同士の競り合いが、ボールねじを安定して駆動するための障害となる。
ここで、隣り合う負荷ボール同士の競り合いを防止するためには、上記特許文献１にも記載のように、隣り合う負荷ボール間にスペーサ（保持ピース）を介装することが考えられる。
【０００９】
しかしながら、ボールねじの負荷ボール数は、例えばボール転がり要素である軸受でのそれと比較して非常に多い。また、通常のスペーサ（保持ピース）を介装する場合はスペーサ自身が自転するものではない。また、スペーサが脱落しないように保持するために、ある程度回路内に隙間なく負荷ボールおよびスペーサを挿入しなければならないので、特に作動特性が必要とされる、鋼球径が小さい負荷ボールを有するボールねじにおいては、負荷ボールとスペーサとの競り合いによるトルク上昇の影響が大きくなり、トルクの異常上昇などを完全に抑えることが難しかった。
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、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制するのに好適なボールねじを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、実験を重ねて検討したところ、二点接触形式のボールねじにおいて、隣接する負荷ボール同士の間に、所定のスペーサボールを介装すると、他の三点ないし四点接触タイプのボールねじにスペーサボールを適用した場合比べ、特に優れたトルク特性を実現できることを見いだした。
すなわち、本発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールと、を備えたボールねじにおいて、前記軌道と前記負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているとともに、前記複数の負荷ボール同士の間に負荷ボールと反対方向に自転可能なスペーサボールが介装されており、前記負荷ボールが所定の外部負荷を受ける条件下で、当該スペーサボールは、前記軌道との隙間ゼロ以上を維持する外径を有することを特徴としている。
【００１１】
本発明に係るボールねじによれば、軌道と負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているので、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。
そして、複数の負荷ボール同士の間に自転可能なスペーサボールが介装されており、このスペーサボールは、無負荷または動定格荷重の１／１０以下の荷重で前記軌道との隙間を維持する外径を有するものなので、後述する種々の要素試験の結果からも明らかにするように、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができる。
【００１２】
ここで、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールと前記負荷ボールとの比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上でより好適である。
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記軌道と前記負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、ダブルナット間座予圧方式、オフセットリード予圧方式、または条間オフセットリード予圧方式であることは好ましい。このような構成であれば、軌道と負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になるように予圧を付加するための予圧方式として好適である。
【００１３】
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールを含むボール充填率が９８％以下であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上で好適である。
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールは樹脂製であることが好ましく、前記スペーサボールが樹脂製である場合に、前記樹脂がポリアセタール樹脂であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制するためのスペーサボールとして好適である。
【発明の効果】
【００１４】
上述のように、本発明によれば、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制するのに好適なボールねじを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるボールねじの構成を、一部を断面にて示す平面図であり、同図では、ナットを、ナットの軸方向の中心を含む平面で破断して示している。また、図２は、図１に示すボールねじに予圧を付加している状態における、軌道と負荷ボールとの関係を説明する図である。
【００１６】
図１に示すように、このボールねじ１は、螺旋状のボール転動溝５を外周面に有するねじ軸２と、ねじ軸２のボール転動溝５に対向する螺旋状のボール転動溝６を内周面に有し、ねじ軸２に螺合される円筒状のナット３と、ねじ軸２のボール転動溝５とナット３のボール転動溝６とで形成される軌道７に転動自在に装填された複数の負荷ボールであるボール４と、を備えている。そして、複数のボール４を介してねじ軸２に螺合されているナット３と、ねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動するようになっている。
【００１７】
ここで、前記複数のボール４同士の間には、樹脂製のスペーサボール８が自転可能に介装されており、このスペーサボール８によってボール４同士の競り合いが抑制され、これにより、作動性の悪化が防止されるとともにボール４の摩擦や損傷が低減されている。
詳しくは、このスペーサボール８として、本実施形態では、動定格荷重の１／１０以下の荷重（負荷ボール４に作用する予圧以外の負荷。以下、「外部負荷」と称する。）で前記軌道７との隙間をゼロ（零）以上に維持する外径（すなわち、スペーサボール８が、このような負荷条件下で負荷を受け持つことがない大きさの外径）のものを用いている。
【００１８】
ボールねじ１に作用する外部負荷は、そのボールねじの動定格荷重の１／１０に比べると十分小さな値となるように設計するのが普通である。したがって、動定格荷重の１／１０の外部負荷が作用したときに軌道７との隙間をゼロ（零）以上に維持できる大きさ（以下、「動定格荷重の１／１０の外部負荷に対応する径」と称する。）をスペーサボール８の外径として設定すれば実用上問題ない。
【００１９】
ただし、スペーサボール８の外径の大きさは、これに限定されるものではなく、ボールねじの使用条件に応じて所定の大きさを選択できる。例えば、実質的に外部負荷の大きさが無視しうる小ささである場合は、無負荷（すなわち負荷ボール４に外部負荷が作用せず、予圧のみが作用している状態）で、スペーサボール８と軌道７との隙間がゼロにほぼ等しくなるような外径であればよい。すなわち、スペーサボール８の最大径は、スペーサボール８が軌道７との間で荷重を受けることにより、負荷ボール４と反対方向の自転が不能になることがない大きさであればよい。
【００２０】
さらに、動定格荷重の１／１０の外部負荷が作用したときに軌道７との隙間をゼロ以上に維持できる大きさよりも小さい外径を選ぶこともできる。スペーサボール８の外径が動定格荷重の１／１０の外部負荷に対応する径よりも小さい場合であっても、軌道７との隙間が大きすぎることによる不具合が生じない範囲内であればよい。例えば、スペーサボール８と軌道７との隙間が大きすぎることにより、負荷溝（螺旋溝）内または循環経路内でボールが千鳥状態となり、ボールが進行方向に進むのに障害となるようなことがなければよい。具体的には、負荷ボール４の寸法公差を考慮し、スペーサボール８の外径が、負荷ボール４の設計寸法に対し、−３０μｍ程度の大きさでも問題ないことを確認した。
【００２１】
したがって、無負荷（すなわち負荷ボール４に外部負荷が作用せず、予圧のみが作用している状態）で、スペーサボール８と軌道７との隙間がゼロにほぼ等しくなるような外径がスペーサボール８の外径として設定しうる最大径である。スペーサボール８の外径は、この最大径と、負荷ボール４の設計寸法に対し−３０μｍに相当する径との間の値を、外部負荷の大きさ等、実際の使用条件に即して選択できる。
【００２２】
また、本発明に係るスペーサボールの樹脂としては、ポリアセタール樹脂(ＰＯＭ)等のエンジニアリングプラスチックを好適に用いることができるが、本実施形態では、このスペーサボール８として、デルリン（商標登録）製のスペーサボールを介装している。さらに、本発明に係るボールねじにおいて、一回路内でのスペーサボール８とボール４との比率は、スペーサボール８の数をＳ、ボール４の数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲が好ましく、また、ボール循環経路全長に対するボール充填率が９８％以下であることが望ましい。そのため、本実施形態では、スペーサボール８とボール４との比率Ｓ／Ｆは、「１」としており、また、ボール循環経路全長に対するボール充填率は９４％とした。
【００２３】
そして、このボールねじ１は、ナット３の軸方向一端には、ナット３をテーブル等に固定するためのフランジ２２が設けてある。このフランジ２２とねじ軸２との間、および、ナット３の軸方向他端部とねじ軸２との間は、防塵用シール１０で塞がれている。
ナット３の外周面には切欠部２１が形成され、この切欠部２１に略コ字状に屈曲したチューブからなる循環通路９が配置されている。この循環通路９は、循環通路押え８１で切欠部２１に固定されている。この循環通路９の両端は、ナット３を貫通して軌道７に至り、軌道７内を転動するボール４が循環通路９を通って循環するという「回路」が構成されている。
【００２４】
つまり、このボールねじ１は、上記「回路」により、ボール４が軌道７内を移動し、ねじ軸２の回りを複数回回ってから、軌道７の一端（循環通路９の端部と軌道７との交点）において循環通路９の一方の端部（開口部）を掬い上げ部（ボール転動溝５、６から循環通路９へとボール４を掬う点、つまり、負荷圏から非負荷圏へと移行する点）として、その掬い上げ部から循環通路９内に掬い上げられ、掬い上げられたボール４は、循環通路９の中を通って、循環通路９の他方の端部（開口部）をボール戻し部（循環通路９からボール転動溝５、６へとボール４を戻す点、つまり、非負荷圏から負荷圏へと移行する点）として、そのボール戻し部から軌道７の他端に戻される。なお、循環通路９は、第１ナット３１及び第２ナット３２にそれぞれ１個ずつ軸方向に並べて配設されており、合計２個が設けられている。
【００２５】
ここで、ナット３は、ダブルナットタイプを使用し、予圧を付加している。詳しくは、ナット３は、軸方向に並べられた第１ナット３１及び第２ナット３２と、両ナット２１、２２の間に介在された間座３３と、が一体となって構成されている。そして、間座３３の介在によって、軌道７内のボール４には、同図に示す矢印方向に予圧が付与され、各ボール４はナット３のボール転動溝６の１点と、これに対向する位置のねじ軸２のボール転動溝５の１点と、の２点で接触している。該２点を結ぶ線に直角な方向においては、ボール４は両ボール転動溝５、６に接触していないか、あるいは接触していても予圧は付与されていない（図２参照）。
すなわち、このボールねじ１は、予圧付加方式にダブルナット間座予圧方式を採用し、左右それぞれの回路間のリードをずらして予圧をかけることによって、ボール４と軌道７との接触を二点接触形式としている。
【００２６】
なお、ボール転動溝５、６の溝形式については、ナット３とねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動する際に、３点目の接触が生じないような溝形式を設定している。
具体的には、本実施形態の例では、ゴシックアーク溝を上記ボール転動溝５、６それぞれに採用している。すなわち、ボール転動溝５，６の横断面形状は曲率中心の異なる２つの同一円弧を組合せた略Ｖ字状である。好ましくは、ボール４と軌道７との間に予圧をかける前のそれらの軸方向隙間Δを、ボール４の直径をＤｗとするとき、０．５％Ｄｗ以上５％Ｄｗ以下とする。また、ゴシックアーク溝の円弧の曲率半径を、ボール４の直径をＤｗとするとき、５２％Ｄｗ以上６０％Ｄｗ以下の範囲とする。ここで、「軸方向隙間Δ」とは、予圧付加前での、ボール４とボール転動溝５、６とのねじ軸２の軸方向における隙間である。
【００２７】
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は、上述のように、軌道７とボール４との接触状態が常に二点接触になっているので、高作動（トルク変動が少ない）、低摩擦トルク（低発熱）、耐磨耗性に優れている。
すなわち、このボールねじ１は、軌道７とボール４との接触状態が常に二点接触になっているので、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。そして、このボールねじ１は、複数のボール４同士の間に自転可能なスペーサボール８が介装されており、このスペーサボール８は、動定格荷重の１／１０の荷重で軌道７との隙間を維持する外径を有するものなので、二点接触形式でのボール転動溝５，６とボール４との間の摩擦損失が少ないという優位点をより引き出すことができる。つまり、後述する実施例の結果からも明らかなように、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができるのである。
【００２８】
さらに、このボールねじ１によれば、各回路内でのスペーサボール８とボール４との比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆを「１」としたので、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制することができる。
また、このボールねじ１によれば、軌道７とボール４との間に予圧を付加する予圧方式を、ダブルナット間座予圧方式としたので、軌道７とボール４との接触状態を常に二点接触になるように予圧を付加する上で好適である。
【００２９】
また、このボールねじ１によれば、ボール循環経路全長に対するボール充填率を９４％としているので、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上で好適である。
また、このボールねじ１によれば、スペーサボール８は樹脂製であり、当該樹脂がポリアセタール樹脂なので、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制するためのスペーサボールとして好適である。
【００３０】
［実施例］
以下、上述した本発明に係るボールねじの実施例について、従来の二点接触形式のボールねじと対比して、試験データを参照しつつ詳しく説明する。
まず、本発明に係るボールねじの実施例を説明する前に、従来の二点接触形式のボールねじについて試験データを参照してその特徴について説明する。なお、以下、各図に示す試験のデータは、各図での説明において差異を示した点を除き、下記の［試験条件］を共通とする試験結果である。
【００３１】
［試験条件］
ボールねじの呼び：日本精工株式会社製ボールねじ、３２×０５×７００ Ｃ３（ボール１／８インチ）
軸径：φ３２ｍｍ
リード：５ｍｍ
回路数：２．５巻×２列（ボール転動溝はゴシックアーク溝形状とし、ダブルナット間座予圧による二点接触形式を実現している。）
試験機：日本精工株式会社製ボールねじトルク試験機
予圧荷重：５００Ｎ〜
軸回転数：１〜５００ｒｐｍ
単体隙間を３％Ｄｗ（Ｄｗ＝ボール４の鋼球径）
潤滑：潤滑油＃６８
【００３２】
図３は、オーバーボールサイズ予圧によって、接触形式を変えたときの予圧量と予圧トルクとの関係を示すグラフである。
同図に示すように、二点接触形式のボールねじは、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して、予圧荷重が大きくなってもトルクが小さいという特性を有していることがわかる。これは、二点接触形式のボールねじは、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して摩擦損失が小さいことを示している。しかし、従来の二点接触形式のボールねじでは以下の弱点がある。
【００３３】
つまり、同図において、例えば１０Ｎ・ｃｍの予圧トルクに調整する場合、三点接触形式や四点接触形式を採用するときは、０．５〜１μｍ程度の予圧量である。これに対し、二点接触を採用するときは、３μｍ程度の予圧量になっている。一般に、ボールねじの予圧量が大きいと、ボール同士の競り合いによる変動も大きくなる。そのため、予圧トルク一定の場合には、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して、従来の二点接触形式の方が、トルク変動が大きいことになる。また、ベーストルクの小さい二点接触形式のボールねじは、負荷ボール間の競り合いなどによるトルク変動がある場合、そのトルク変動が非常に目立つようになる。
【００３４】
次に、図４、図５に従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す。なお、図４は、高速（１００ｒｐｍ）での動トルク特性であり、図５は低速（１０ｒｐｍ）での動トルク特性である。
図４と図５とを比較して明らかなように、低速ではトルクの変動が大きくなっている。この変動は、「つまり」とよばれる、長周期（〜軸数回）のトルク上昇である。図５中に示すように、約３回転周期の山も見られる。この変動（つまり）の原因は、負荷圏（ボール転動溝５，６がつくる軌道７内）での、ボール同士の競り合いによるものであると考えられる。このため、特に、図１に示す循環通路９を上向きにした場合、循環通路９内でボール４同士間の隙間が生じ、これにより、負荷圏でボール４同士間の隙間が詰まるため、特にこの変動（つまり）が大きくなる。
【００３５】
次に、図６に、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、軸回転数（ボールの公転速度）によって、トルク変動の大きさが変化する結果を示す。
同図から分かるように、従来の二点接触ボールねじは、低速では、極端にトルクの変動が大きくなる。これは、高速では、負荷ボールがある程度の速度で運動しているために、負荷圏に進入する際、負荷ボール同士の衝突による反発力で負荷ボール同士間に隙間ができるのに対し、低速では、重力の影響が大きく作用し、負荷ボールが下側（負荷圏側）に集まり、負荷圏内でボール同士が競り合い易くなるためである。このように、従来の二点接触形式のボールねじは、高速時には、ボール転動溝５，６とボール４との間で生じる損失が少ない（純粋な転がりに近い）が、低速時には、ボール４同士の競り合いによるトルクの変動が大きいという特徴がある。
【００３６】
図７および図８に、従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す。なお、図７は、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、回路内には、スペーサボールを介装しておらず、負荷ボールのみを充填した「総ボール」とし、チューブ上（循環通路９が重力方向に対して軸心よりも上方に位置）とした姿勢でのトルク特性を示している。また、図８は、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、「総ボール」とし、「チューブ下（循環通路９が重力方向に対して軸心よりも下方に位置）」とした姿勢でのトルク特性を示している。
【００３７】
図７に示すように、スペーサボールを介装していない従来の二点接触形式のボールねじでは、１０ｒｐｍの低速時に、ボール同士の競り合いが原因のトルク変動が見られる。
また、図８に示すように、「総ボール、チューブ下」でのトルク特性においては、上記「総ボール、チューブ上」の場合ほどのトルク変動はないものの、短周期のトルク変動（以下、この短周期のトルク変動を「ひげ」ともいう）が見られる。なお、「ひげ」は、その周期が軸の０．１回転程度と短く、「つまり」とは異なる特性がある。本明細書では、トルク上昇が軸の０．２回転以下で解消されるものを「ひげ」とし、それを超えるものを「つまり」と定義する。
【００３８】
二点接触形式のボールねじでは、循環通路９が重力方向に対して軸心よりも下方に位置した状態で、低速の場合に、負荷圏においてはボール４同士の間に隙間ができ易くなる。そのため、負荷圏でのボール４同士の競り合いによるトルク上昇が比較的に少ない。しかし、「総ボール」でのトルク特性においては、循環通路９内にもボール４が隙間無く入るために、掬い上げ部とボール戻し部間の干渉によって、短周期のトルク上昇（上記「ひげ」）が発生するものと考えられる。
そこで、本発明の二点接触形式のボールねじは、上述したような従来の二点接触形式のボールねじでの、低速時におけるボール４同士の競り合いによるトルク特性を改善しようとするものである。
【００３９】
図９は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、この例は、上記図７に示したトルク特性をもつ従来のボールねじに対して、回路内にボール４とスペーサボール８とを１：１の割合で介装した場合の「チューブ上」でのトルク特性を示している。同図に示すように、負荷ボール同士の間に、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間ゼロ（零）以上を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８を介装することによって、ボール４同士の競り合いが解消され、トルク変動が小さく抑えられていることがわかる。なお、スペーサボール８の外径が、無負荷で軌道７との隙間がほぼゼロに等しい大きさから負荷ボール４の外径−３０μｍまでの範囲でも同様であることが確認できる。
【００４０】
図１０は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、上記樹脂製のスペーサボール８をボール４同士の間に１：１の割合で介装した場合の、「チューブ下」でのトルク特性を示す。
同図から明らかなように、ボール４同士の間に、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８を介装した場合、「ひげ」の発生が抑えられている。これは、スペーサボール８によって、上述の掬い上げ部およびボール戻し部間でのボール同士の干渉が緩和されているためであると考えられる。なお、スペーサボール８の外径が、無負荷で軌道７との隙間がほぼゼロに等しい大きさから負荷ボール４の外径−３０μｍまでの範囲でも同様であることが確認できる。
【００４１】
図１１は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間ゼロ（零）以上を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８をボール４同士の間に１：１の割合で介装している。
そして、そのスペーサボール８中に占める樹脂製のスペーサボール８（他のスペーサボールは鋼球としている）の割合を変えた場合の「ひげ」の発生比率を示している。なお、「ひげ」の発生比率は、図８に示した総ボールの場合に、１往復で発生した「ひげ」の発生回数を基準としており、図１１において、符号Ｋでは、介装した全てのスペーサボールが鋼球（樹脂スペーサ比：０％）であり、符号Ｐでは、介装した全てのスペーサボールが樹脂（樹脂スペーサ比：１００％）である。
【００４２】
同図から分かるように、介装しているスペーサボール８中に占める樹脂製のスペーサボールの割合が多くなるほど、「ひげ」の発生回数が少なくなっている。つまり、循環通路９内に存在する樹脂製のスペーサボールの割合を多くするほど、樹脂などのように軟らかい部分によって「ひげ」の発生の抑制に効果がある。このように、「ひげ」の発生の抑制効果は、スペーサボール８を、樹脂などのように軟らかい素材とした場合に特に効果的である。
【００４３】
図１２は、本発明の二点接触形式のボールねじにおいて、ボール４とボール４同士の間に介装するスペーサボール８の充填率を変えたときのトルク変動を示している。つまり、同図に示すグラフは、一回路（ボール転動溝５，６のつくる軌道７と循環通路９とを合わせた経路長）に詰めるボール数を変化させた場合のトルク特性を示したものである。なお、一回路の循環経路内に隙間無くボールが挿入された場合をボール充填率１００％とする。
【００４４】
ここで、自転しないスペーサ（保持ピース）を介装した、従来の二点接触形式のボールねじにおいては、ボール４同士の間からスペーサが抜け落ちないように、回路内に抜け落ちの生じない程度の隙間となるように充填する必要がある。そのため、ボール充填率を（スペーサ（保持ピース）がボール同士の間から抜け落ちないように）、９５％以上としなければならないので、特に低速運転時には、良好な作動特性を得ることが難しいという問題がある。
【００４５】
これに対し、本発明に係る二点接触形式のボールねじ１のように、自転可能なスペーサボール８を介装したときは、ボール４同士の間からスペーサボール８が抜け落ちるという問題をなくすことができる。そして、この自転可能なスペーサボール８を介装したときは、負荷ボールであるボール４とは自転の方向が逆方向に回転できるという効果と、循環経路内に隙間をつくることができるという効果とを併せ持たせることができる。そのため、二点接触形式のボールねじでの低速作動特性を改善することができる。
【００４６】
ここで、本発明の二点接触形式のボールねじにおいて、ボール循環経路全長に対するボール充填率は９８％以下であることが好ましく、特に、同図からも分かるように、ボール充填率が９０％以下であれば一層好ましい。つまり、同図から分かるように、スペーサボール８を介装した場合であっても、自転しないスペーサ（保持ピース）を介装したとき同様に、充填率が９０％よりも大きくなるとトルク特性が悪くなる（トルク変動が大きくなる）からである。
以上説明したように、このボールねじ１によれば、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができる。
【００４７】
なお、本発明に係るボールねじは、上記実施形態ないし実施例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、上記実施形態では、軌道７とボール４との接触状態を常に二点接触形式にするための予圧方式として、予圧付加構造にダブルナット間座予圧方式を採用し、左右それぞれの回路間のリードをずらして予圧をかけた例で説明したが、これに限定されず、軌道と負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、間座に代えてばねを用いたダブルナット予圧方式やオフセットリード予圧方式等を用いてもよく、また、ボールねじとして多条のものを用いる場合では、条間オフセットリード予圧方式等を採用することができる。
【００４８】
また、ボール４同士の間に介装するスペーサボール８は、ボール４と１：１の割合で交互に挿入されることが望ましいが、交互の挿入に限定されず、また、挿入割合も１：１に限らず、例えば組み立て時間を短縮する上では、ランダムに介装した場合でも、介装された割合に応じて低速作動特性を改善することができる。また、循環通路としてチューブを使用したボールねじを例に説明したが、エンドキャップ式やコマ式等のボールねじにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態における二点接触形式のボールねじの平断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における二点接触形式とした予圧付加部分の説明図である。
【図３】接触形式を変えたときの予圧量と予圧トルクとの関係を示すグラフである。
【図４】従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す図である。
【図５】従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す図である。
【図６】従来の二点接触形式のボールねじにおいて、軸回転数（ボールの公転速度）によって、トルク変動の大きさが変化する結果を示す図である。
【図７】従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す図である。
【図８】従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す図である。
【図９】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１０】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１１】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１２】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・ボールねじ
２・・・ねじ軸
３・・・ナット
４・・・ボール（負荷ボール）
５・・・（ねじ軸の）ボール転動溝
６・・・（ナットの）ボール転動溝
７・・・軌道
８・・・スペーサボール
９・・・循環通路
１０・・・防塵用シール
２１・・・切欠部
２２・・・フランジ
３１・・・第１ナット
３２・・・第２ナット
３３・・・間座
８１・・・循環通路押え
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷ボールと軌道との接触状態が二点で接触するように構成されたボールねじに係り、低摩擦、低トルク変動を要求される予圧ボールねじ一般に適用することができ、特に、定格荷重はそれほど要求されず、高速性、低発熱性、低トルクが要求される用途に好適なボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボール転がり要素であるボールねじは、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、ねじ軸およびナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールとを備えて構成されており、その負荷ボールと軌道との接触状態は、三点または四点接触であるものが一般的である。これに対し、同じくボール転がり要素である軸受は、内外輪の軌道と負荷ボールとの接触状態が、予圧状態において通常二点接触である。
【０００３】
一般的なボールねじにおいて、その負荷ボールと軌道との接触状態を三点または四点接触形式とする理由は、ボール転動溝への負荷ボールの食い込みを防止するためである。つまり、一般に、ボールねじは、ボール転動溝が螺旋状にねじれていることに起因して、特に低速運転時にトルクの上昇が起こる（以下、「異常トルク上昇」ともいう）という問題がある。この異常トルク上昇は、負荷ボールがボール転動溝に食い込む、「溝−ボール間のつまり」が原因と考えられている。そのため、負荷ボールと軌道との接触状態を三点または四点接触形式とすることによって負荷ボールの支持点を増やし、これにより、食い込みを防止または抑制することを意図しているのである。食い込みによるトルク上昇が、三点目、四点目が接触することによるトルク上昇を上回るということが前提となっている。
【０００４】
しかし、三点または四点接触形式のボールねじにおいては、軌道に対して負荷ボールを三点または四点で支持するので、三点目や四点目でのすべり成分が存在してしまう。そのため、予圧荷重を大きくした場合には、そのすべり成分に起因して摩擦による発熱や摩耗が問題となる。これに対し、二点接触形式のボールねじとすれば、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。
例えば特許文献１に記載の技術では、ボール転動溝にゴシックアーク溝を採用しつつ、軌道とボールとの軸方向隙間を所定に管理する等により、二点接触形式の特性を最大限に発揮しうる条件を備えたボールねじを、安定した品質で提供することを可能としている。
【０００５】
同文献記載の構成を採用すると、二点接触形式のボールねじにおいて、精度良く二点接触の状態を実現できる。これにより、二点接触形式のボールねじとすることで、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて抑制することが可能となる。また、例えば高速運転（軸径φ３０ｍｍ程度で、５０ｒｐｍ以上）に於いて、三点ないし四点接触状態の通常予圧のボールねじに比べて低トルクが実現できる。
【特許文献１】特開２００４−２５７４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本願発明者らは、二点接触形式のボールねじにおいて種々の要素試験を行ったところ、特に低速で起こる異常トルク上昇は、ボールの転動溝への食い込みによるものではなく、三点目、四点目の接触点に拘束されることがないため、ボールが不安定となることにより、隣り合う負荷ボール同士と競り合い易くなることが主要因であることを見いだした。スペーサボールは、負荷ボールのそれとは逆方向に自転することにより、ボール間での滑りを緩和する。
【０００７】
また、二点接触形式のボールねじは、ボール転動溝と負荷ボールとの間の摩擦が三点ないし四点接触状態に比べて小さい。このため、二点接触形式のボールねじでは、ボール４同士の競り合いによる摩擦変動が相対的に目立ってしまう。特に、作動特性が要求される用途のボールねじは鋼球径の小さいものが多い。そのため、回路内の負荷ボールの数が多くなるとともに、作動特性が要求されるものでは予圧荷重も比較的に小さいので、負荷ボールが予圧荷重によって圧縮されることによるトルク増加も小さくなる。
【０００８】
また、負荷ボール同士の競り合いによる摩擦は、ボールねじの使用状況（例えば速度やストローク等）によって変化する。そのため、負荷ボール同士の競り合いによる摩擦変動はその予測が難しく、二点接触形式のボールねじでは、隣り合う負荷ボール同士の競り合いが、ボールねじを安定して駆動するための障害となる。
ここで、隣り合う負荷ボール同士の競り合いを防止するためには、上記特許文献１にも記載のように、隣り合う負荷ボール間にスペーサ（保持ピース）を介装することが考えられる。
【０００９】
しかしながら、ボールねじの負荷ボール数は、例えばボール転がり要素である軸受でのそれと比較して非常に多い。また、通常のスペーサ（保持ピース）を介装する場合はスペーサ自身が自転するものではない。また、スペーサが脱落しないように保持するために、ある程度回路内に隙間なく負荷ボールおよびスペーサを挿入しなければならないので、特に作動特性が必要とされる、鋼球径が小さい負荷ボールを有するボールねじにおいては、負荷ボールとスペーサとの競り合いによるトルク上昇の影響が大きくなり、トルクの異常上昇などを完全に抑えることが難しかった。
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、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制するのに好適なボールねじを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、実験を重ねて検討したところ、二点接触形式のボールねじにおいて、隣接する負荷ボール同士の間に、所定のスペーサボールを介装すると、他の三点ないし四点接触タイプのボールねじにスペーサボールを適用した場合比べ、特に優れたトルク特性を実現できることを見いだした。
すなわち、本発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールと、を備えたボールねじにおいて、前記軌道と前記負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているとともに、前記複数の負荷ボール同士の間に負荷ボールと反対方向に自転可能なスペーサボールが介装されており、前記負荷ボールが所定の外部負荷を受ける条件下で、当該スペーサボールは、前記軌道との隙間ゼロ以上を維持する外径を有することを特徴としている。
【００１１】
本発明に係るボールねじによれば、軌道と負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているので、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。
そして、複数の負荷ボール同士の間に自転可能なスペーサボールが介装されており、このスペーサボールは、無負荷または動定格荷重の１／１０以下の荷重で前記軌道との隙間を維持する外径を有するものなので、後述する種々の要素試験の結果からも明らかにするように、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができる。
【００１２】
ここで、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールと前記負荷ボールとの比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上でより好適である。
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記軌道と前記負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、ダブルナット間座予圧方式、オフセットリード予圧方式、または条間オフセットリード予圧方式であることは好ましい。このような構成であれば、軌道と負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になるように予圧を付加するための予圧方式として好適である。
【００１３】
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールを含むボール充填率が９８％以下であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上で好適である。
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記スペーサボールは樹脂製であることが好ましく、前記スペーサボールが樹脂製である場合に、前記樹脂がポリアセタール樹脂であることは好ましい。このような構成であれば、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制するためのスペーサボールとして好適である。
【発明の効果】
【００１４】
上述のように、本発明によれば、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制するのに好適なボールねじを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるボールねじの構成を、一部を断面にて示す平面図であり、同図では、ナットを、ナットの軸方向の中心を含む平面で破断して示している。また、図２は、図１に示すボールねじに予圧を付加している状態における、軌道と負荷ボールとの関係を説明する図である。
【００１６】
図１に示すように、このボールねじ１は、螺旋状のボール転動溝５を外周面に有するねじ軸２と、ねじ軸２のボール転動溝５に対向する螺旋状のボール転動溝６を内周面に有し、ねじ軸２に螺合される円筒状のナット３と、ねじ軸２のボール転動溝５とナット３のボール転動溝６とで形成される軌道７に転動自在に装填された複数の負荷ボールであるボール４と、を備えている。そして、複数のボール４を介してねじ軸２に螺合されているナット３と、ねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動するようになっている。
【００１７】
ここで、前記複数のボール４同士の間には、樹脂製のスペーサボール８が自転可能に介装されており、このスペーサボール８によってボール４同士の競り合いが抑制され、これにより、作動性の悪化が防止されるとともにボール４の摩擦や損傷が低減されている。
詳しくは、このスペーサボール８として、本実施形態では、動定格荷重の１／１０以下の荷重（負荷ボール４に作用する予圧以外の負荷。以下、「外部負荷」と称する。）で前記軌道７との隙間をゼロ（零）以上に維持する外径（すなわち、スペーサボール８が、このような負荷条件下で負荷を受け持つことがない大きさの外径）のものを用いている。
【００１８】
ボールねじ１に作用する外部負荷は、そのボールねじの動定格荷重の１／１０に比べると十分小さな値となるように設計するのが普通である。したがって、動定格荷重の１／１０の外部負荷が作用したときに軌道７との隙間をゼロ（零）以上に維持できる大きさ（以下、「動定格荷重の１／１０の外部負荷に対応する径」と称する。）をスペーサボール８の外径として設定すれば実用上問題ない。
【００１９】
ただし、スペーサボール８の外径の大きさは、これに限定されるものではなく、ボールねじの使用条件に応じて所定の大きさを選択できる。例えば、実質的に外部負荷の大きさが無視しうる小ささである場合は、無負荷（すなわち負荷ボール４に外部負荷が作用せず、予圧のみが作用している状態）で、スペーサボール８と軌道７との隙間がゼロにほぼ等しくなるような外径であればよい。すなわち、スペーサボール８の最大径は、スペーサボール８が軌道７との間で荷重を受けることにより、負荷ボール４と反対方向の自転が不能になることがない大きさであればよい。
【００２０】
さらに、動定格荷重の１／１０の外部負荷が作用したときに軌道７との隙間をゼロ以上に維持できる大きさよりも小さい外径を選ぶこともできる。スペーサボール８の外径が動定格荷重の１／１０の外部負荷に対応する径よりも小さい場合であっても、軌道７との隙間が大きすぎることによる不具合が生じない範囲内であればよい。例えば、スペーサボール８と軌道７との隙間が大きすぎることにより、負荷溝（螺旋溝）内または循環経路内でボールが千鳥状態となり、ボールが進行方向に進むのに障害となるようなことがなければよい。具体的には、負荷ボール４の寸法公差を考慮し、スペーサボール８の外径が、負荷ボール４の設計寸法に対し、−３０μｍ程度の大きさでも問題ないことを確認した。
【００２１】
したがって、無負荷（すなわち負荷ボール４に外部負荷が作用せず、予圧のみが作用している状態）で、スペーサボール８と軌道７との隙間がゼロにほぼ等しくなるような外径がスペーサボール８の外径として設定しうる最大径である。スペーサボール８の外径は、この最大径と、負荷ボール４の設計寸法に対し−３０μｍに相当する径との間の値を、外部負荷の大きさ等、実際の使用条件に即して選択できる。
【００２２】
また、本発明に係るスペーサボールの樹脂としては、ポリアセタール樹脂(ＰＯＭ)等のエンジニアリングプラスチックを好適に用いることができるが、本実施形態では、このスペーサボール８として、デルリン（商標登録）製のスペーサボールを介装している。さらに、本発明に係るボールねじにおいて、一回路内でのスペーサボール８とボール４との比率は、スペーサボール８の数をＳ、ボール４の数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲が好ましく、また、ボール循環経路全長に対するボール充填率が９８％以下であることが望ましい。そのため、本実施形態では、スペーサボール８とボール４との比率Ｓ／Ｆは、「１」としており、また、ボール循環経路全長に対するボール充填率は９４％とした。
【００２３】
そして、このボールねじ１は、ナット３の軸方向一端には、ナット３をテーブル等に固定するためのフランジ２２が設けてある。このフランジ２２とねじ軸２との間、および、ナット３の軸方向他端部とねじ軸２との間は、防塵用シール１０で塞がれている。
ナット３の外周面には切欠部２１が形成され、この切欠部２１に略コ字状に屈曲したチューブからなる循環通路９が配置されている。この循環通路９は、循環通路押え８１で切欠部２１に固定されている。この循環通路９の両端は、ナット３を貫通して軌道７に至り、軌道７内を転動するボール４が循環通路９を通って循環するという「回路」が構成されている。
【００２４】
つまり、このボールねじ１は、上記「回路」により、ボール４が軌道７内を移動し、ねじ軸２の回りを複数回回ってから、軌道７の一端（循環通路９の端部と軌道７との交点）において循環通路９の一方の端部（開口部）を掬い上げ部（ボール転動溝５、６から循環通路９へとボール４を掬う点、つまり、負荷圏から非負荷圏へと移行する点）として、その掬い上げ部から循環通路９内に掬い上げられ、掬い上げられたボール４は、循環通路９の中を通って、循環通路９の他方の端部（開口部）をボール戻し部（循環通路９からボール転動溝５、６へとボール４を戻す点、つまり、非負荷圏から負荷圏へと移行する点）として、そのボール戻し部から軌道７の他端に戻される。なお、循環通路９は、第１ナット３１及び第２ナット３２にそれぞれ１個ずつ軸方向に並べて配設されており、合計２個が設けられている。
【００２５】
ここで、ナット３は、ダブルナットタイプを使用し、予圧を付加している。詳しくは、ナット３は、軸方向に並べられた第１ナット３１及び第２ナット３２と、両ナット２１、２２の間に介在された間座３３と、が一体となって構成されている。そして、間座３３の介在によって、軌道７内のボール４には、同図に示す矢印方向に予圧が付与され、各ボール４はナット３のボール転動溝６の１点と、これに対向する位置のねじ軸２のボール転動溝５の１点と、の２点で接触している。該２点を結ぶ線に直角な方向においては、ボール４は両ボール転動溝５、６に接触していないか、あるいは接触していても予圧は付与されていない（図２参照）。
すなわち、このボールねじ１は、予圧付加方式にダブルナット間座予圧方式を採用し、左右それぞれの回路間のリードをずらして予圧をかけることによって、ボール４と軌道７との接触を二点接触形式としている。
【００２６】
なお、ボール転動溝５、６の溝形式については、ナット３とねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動する際に、３点目の接触が生じないような溝形式を設定している。
具体的には、本実施形態の例では、ゴシックアーク溝を上記ボール転動溝５、６それぞれに採用している。すなわち、ボール転動溝５，６の横断面形状は曲率中心の異なる２つの同一円弧を組合せた略Ｖ字状である。好ましくは、ボール４と軌道７との間に予圧をかける前のそれらの軸方向隙間Δを、ボール４の直径をＤｗとするとき、０．５％Ｄｗ以上５％Ｄｗ以下とする。また、ゴシックアーク溝の円弧の曲率半径を、ボール４の直径をＤｗとするとき、５２％Ｄｗ以上６０％Ｄｗ以下の範囲とする。ここで、「軸方向隙間Δ」とは、予圧付加前での、ボール４とボール転動溝５、６とのねじ軸２の軸方向における隙間である。
【００２７】
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は、上述のように、軌道７とボール４との接触状態が常に二点接触になっているので、高作動（トルク変動が少ない）、低摩擦トルク（低発熱）、耐磨耗性に優れている。
すなわち、このボールねじ１は、軌道７とボール４との接触状態が常に二点接触になっているので、三点目や四点目でのすべり成分が存在しないことから、予圧荷重を大きくした場合でも、摩擦による発熱や摩耗が三点または四点接触形式のものに比べて有利である。そして、このボールねじ１は、複数のボール４同士の間に自転可能なスペーサボール８が介装されており、このスペーサボール８は、動定格荷重の１／１０の荷重で軌道７との隙間を維持する外径を有するものなので、二点接触形式でのボール転動溝５，６とボール４との間の摩擦損失が少ないという優位点をより引き出すことができる。つまり、後述する実施例の結果からも明らかなように、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができるのである。
【００２８】
さらに、このボールねじ１によれば、各回路内でのスペーサボール８とボール４との比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆを「１」としたので、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制することができる。
また、このボールねじ１によれば、軌道７とボール４との間に予圧を付加する予圧方式を、ダブルナット間座予圧方式としたので、軌道７とボール４との接触状態を常に二点接触になるように予圧を付加する上で好適である。
【００２９】
また、このボールねじ１によれば、ボール循環経路全長に対するボール充填率を９４％としているので、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制する上で好適である。
また、このボールねじ１によれば、スペーサボール８は樹脂製であり、当該樹脂がポリアセタール樹脂なので、低速運転時の異常トルク上昇を好適に防止または抑制するためのスペーサボールとして好適である。
【００３０】
［実施例］
以下、上述した本発明に係るボールねじの実施例について、従来の二点接触形式のボールねじと対比して、試験データを参照しつつ詳しく説明する。
まず、本発明に係るボールねじの実施例を説明する前に、従来の二点接触形式のボールねじについて試験データを参照してその特徴について説明する。なお、以下、各図に示す試験のデータは、各図での説明において差異を示した点を除き、下記の［試験条件］を共通とする試験結果である。
【００３１】
［試験条件］
ボールねじの呼び：日本精工株式会社製ボールねじ、３２×０５×７００ Ｃ３（ボール１／８インチ）
軸径：φ３２ｍｍ
リード：５ｍｍ
回路数：２．５巻×２列（ボール転動溝はゴシックアーク溝形状とし、ダブルナット間座予圧による二点接触形式を実現している。）
試験機：日本精工株式会社製ボールねじトルク試験機
予圧荷重：５００Ｎ〜
軸回転数：１〜５００ｒｐｍ
単体隙間を３％Ｄｗ（Ｄｗ＝ボール４の鋼球径）
潤滑：潤滑油＃６８
【００３２】
図３は、オーバーボールサイズ予圧によって、接触形式を変えたときの予圧量と予圧トルクとの関係を示すグラフである。
同図に示すように、二点接触形式のボールねじは、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して、予圧荷重が大きくなってもトルクが小さいという特性を有していることがわかる。これは、二点接触形式のボールねじは、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して摩擦損失が小さいことを示している。しかし、従来の二点接触形式のボールねじでは以下の弱点がある。
【００３３】
つまり、同図において、例えば１０Ｎ・ｃｍの予圧トルクに調整する場合、三点接触形式や四点接触形式を採用するときは、０．５〜１μｍ程度の予圧量である。これに対し、二点接触を採用するときは、３μｍ程度の予圧量になっている。一般に、ボールねじの予圧量が大きいと、ボール同士の競り合いによる変動も大きくなる。そのため、予圧トルク一定の場合には、三点接触形式や四点接触形式のものと比較して、従来の二点接触形式の方が、トルク変動が大きいことになる。また、ベーストルクの小さい二点接触形式のボールねじは、負荷ボール間の競り合いなどによるトルク変動がある場合、そのトルク変動が非常に目立つようになる。
【００３４】
次に、図４、図５に従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す。なお、図４は、高速（１００ｒｐｍ）での動トルク特性であり、図５は低速（１０ｒｐｍ）での動トルク特性である。
図４と図５とを比較して明らかなように、低速ではトルクの変動が大きくなっている。この変動は、「つまり」とよばれる、長周期（〜軸数回）のトルク上昇である。図５中に示すように、約３回転周期の山も見られる。この変動（つまり）の原因は、負荷圏（ボール転動溝５，６がつくる軌道７内）での、ボール同士の競り合いによるものであると考えられる。このため、特に、図１に示す循環通路９を上向きにした場合、循環通路９内でボール４同士間の隙間が生じ、これにより、負荷圏でボール４同士間の隙間が詰まるため、特にこの変動（つまり）が大きくなる。
【００３５】
次に、図６に、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、軸回転数（ボールの公転速度）によって、トルク変動の大きさが変化する結果を示す。
同図から分かるように、従来の二点接触ボールねじは、低速では、極端にトルクの変動が大きくなる。これは、高速では、負荷ボールがある程度の速度で運動しているために、負荷圏に進入する際、負荷ボール同士の衝突による反発力で負荷ボール同士間に隙間ができるのに対し、低速では、重力の影響が大きく作用し、負荷ボールが下側（負荷圏側）に集まり、負荷圏内でボール同士が競り合い易くなるためである。このように、従来の二点接触形式のボールねじは、高速時には、ボール転動溝５，６とボール４との間で生じる損失が少ない（純粋な転がりに近い）が、低速時には、ボール４同士の競り合いによるトルクの変動が大きいという特徴がある。
【００３６】
図７および図８に、従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す。なお、図７は、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、回路内には、スペーサボールを介装しておらず、負荷ボールのみを充填した「総ボール」とし、チューブ上（循環通路９が重力方向に対して軸心よりも上方に位置）とした姿勢でのトルク特性を示している。また、図８は、従来の二点接触形式のボールねじにおいて、「総ボール」とし、「チューブ下（循環通路９が重力方向に対して軸心よりも下方に位置）」とした姿勢でのトルク特性を示している。
【００３７】
図７に示すように、スペーサボールを介装していない従来の二点接触形式のボールねじでは、１０ｒｐｍの低速時に、ボール同士の競り合いが原因のトルク変動が見られる。
また、図８に示すように、「総ボール、チューブ下」でのトルク特性においては、上記「総ボール、チューブ上」の場合ほどのトルク変動はないものの、短周期のトルク変動（以下、この短周期のトルク変動を「ひげ」ともいう）が見られる。なお、「ひげ」は、その周期が軸の０．１回転程度と短く、「つまり」とは異なる特性がある。本明細書では、トルク上昇が軸の０．２回転以下で解消されるものを「ひげ」とし、それを超えるものを「つまり」と定義する。
【００３８】
二点接触形式のボールねじでは、循環通路９が重力方向に対して軸心よりも下方に位置した状態で、低速の場合に、負荷圏においてはボール４同士の間に隙間ができ易くなる。そのため、負荷圏でのボール４同士の競り合いによるトルク上昇が比較的に少ない。しかし、「総ボール」でのトルク特性においては、循環通路９内にもボール４が隙間無く入るために、掬い上げ部とボール戻し部間の干渉によって、短周期のトルク上昇（上記「ひげ」）が発生するものと考えられる。
そこで、本発明の二点接触形式のボールねじは、上述したような従来の二点接触形式のボールねじでの、低速時におけるボール４同士の競り合いによるトルク特性を改善しようとするものである。
【００３９】
図９は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、この例は、上記図７に示したトルク特性をもつ従来のボールねじに対して、回路内にボール４とスペーサボール８とを１：１の割合で介装した場合の「チューブ上」でのトルク特性を示している。同図に示すように、負荷ボール同士の間に、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間ゼロ（零）以上を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８を介装することによって、ボール４同士の競り合いが解消され、トルク変動が小さく抑えられていることがわかる。なお、スペーサボール８の外径が、無負荷で軌道７との隙間がほぼゼロに等しい大きさから負荷ボール４の外径−３０μｍまでの範囲でも同様であることが確認できる。
【００４０】
図１０は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、上記樹脂製のスペーサボール８をボール４同士の間に１：１の割合で介装した場合の、「チューブ下」でのトルク特性を示す。
同図から明らかなように、ボール４同士の間に、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８を介装した場合、「ひげ」の発生が抑えられている。これは、スペーサボール８によって、上述の掬い上げ部およびボール戻し部間でのボール同士の干渉が緩和されているためであると考えられる。なお、スペーサボール８の外径が、無負荷で軌道７との隙間がほぼゼロに等しい大きさから負荷ボール４の外径−３０μｍまでの範囲でも同様であることが確認できる。
【００４１】
図１１は、本発明に係る二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を示す図であり、動定格荷重の１／１０以下の荷重で軌道７との隙間ゼロ（零）以上を維持する外径を有する自転可能なスペーサボール８をボール４同士の間に１：１の割合で介装している。
そして、そのスペーサボール８中に占める樹脂製のスペーサボール８（他のスペーサボールは鋼球としている）の割合を変えた場合の「ひげ」の発生比率を示している。なお、「ひげ」の発生比率は、図８に示した総ボールの場合に、１往復で発生した「ひげ」の発生回数を基準としており、図１１において、符号Ｋでは、介装した全てのスペーサボールが鋼球（樹脂スペーサ比：０％）であり、符号Ｐでは、介装した全てのスペーサボールが樹脂（樹脂スペーサ比：１００％）である。
【００４２】
同図から分かるように、介装しているスペーサボール８中に占める樹脂製のスペーサボールの割合が多くなるほど、「ひげ」の発生回数が少なくなっている。つまり、循環通路９内に存在する樹脂製のスペーサボールの割合を多くするほど、樹脂などのように軟らかい部分によって「ひげ」の発生の抑制に効果がある。このように、「ひげ」の発生の抑制効果は、スペーサボール８を、樹脂などのように軟らかい素材とした場合に特に効果的である。
【００４３】
図１２は、本発明の二点接触形式のボールねじにおいて、ボール４とボール４同士の間に介装するスペーサボール８の充填率を変えたときのトルク変動を示している。つまり、同図に示すグラフは、一回路（ボール転動溝５，６のつくる軌道７と循環通路９とを合わせた経路長）に詰めるボール数を変化させた場合のトルク特性を示したものである。なお、一回路の循環経路内に隙間無くボールが挿入された場合をボール充填率１００％とする。
【００４４】
ここで、自転しないスペーサ（保持ピース）を介装した、従来の二点接触形式のボールねじにおいては、ボール４同士の間からスペーサが抜け落ちないように、回路内に抜け落ちの生じない程度の隙間となるように充填する必要がある。そのため、ボール充填率を（スペーサ（保持ピース）がボール同士の間から抜け落ちないように）、９５％以上としなければならないので、特に低速運転時には、良好な作動特性を得ることが難しいという問題がある。
【００４５】
これに対し、本発明に係る二点接触形式のボールねじ１のように、自転可能なスペーサボール８を介装したときは、ボール４同士の間からスペーサボール８が抜け落ちるという問題をなくすことができる。そして、この自転可能なスペーサボール８を介装したときは、負荷ボールであるボール４とは自転の方向が逆方向に回転できるという効果と、循環経路内に隙間をつくることができるという効果とを併せ持たせることができる。そのため、二点接触形式のボールねじでの低速作動特性を改善することができる。
【００４６】
ここで、本発明の二点接触形式のボールねじにおいて、ボール循環経路全長に対するボール充填率は９８％以下であることが好ましく、特に、同図からも分かるように、ボール充填率が９０％以下であれば一層好ましい。つまり、同図から分かるように、スペーサボール８を介装した場合であっても、自転しないスペーサ（保持ピース）を介装したとき同様に、充填率が９０％よりも大きくなるとトルク特性が悪くなる（トルク変動が大きくなる）からである。
以上説明したように、このボールねじ１によれば、二点接触形式のボールねじにおいて、低速運転時の異常トルク上昇を防止または抑制することができる。
【００４７】
なお、本発明に係るボールねじは、上記実施形態ないし実施例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、上記実施形態では、軌道７とボール４との接触状態を常に二点接触形式にするための予圧方式として、予圧付加構造にダブルナット間座予圧方式を採用し、左右それぞれの回路間のリードをずらして予圧をかけた例で説明したが、これに限定されず、軌道と負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、間座に代えてばねを用いたダブルナット予圧方式やオフセットリード予圧方式等を用いてもよく、また、ボールねじとして多条のものを用いる場合では、条間オフセットリード予圧方式等を採用することができる。
【００４８】
また、ボール４同士の間に介装するスペーサボール８は、ボール４と１：１の割合で交互に挿入されることが望ましいが、交互の挿入に限定されず、また、挿入割合も１：１に限らず、例えば組み立て時間を短縮する上では、ランダムに介装した場合でも、介装された割合に応じて低速作動特性を改善することができる。また、循環通路としてチューブを使用したボールねじを例に説明したが、エンドキャップ式やコマ式等のボールねじにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態における二点接触形式のボールねじの平断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における二点接触形式とした予圧付加部分の説明図である。
【図３】接触形式を変えたときの予圧量と予圧トルクとの関係を示すグラフである。
【図４】従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す図である。
【図５】従来の二点接触形式のボールねじの動トルク特性を示す図である。
【図６】従来の二点接触形式のボールねじにおいて、軸回転数（ボールの公転速度）によって、トルク変動の大きさが変化する結果を示す図である。
【図７】従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す図である。
【図８】従来の二点接触形式のボールねじでのトルク特性を示す図である。
【図９】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１０】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１１】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【図１２】本発明の二点接触形式のボールねじの実施例でのトルク特性を説明する図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・ボールねじ
２・・・ねじ軸
３・・・ナット
４・・・ボール（負荷ボール）
５・・・（ねじ軸の）ボール転動溝
６・・・（ナットの）ボール転動溝
７・・・軌道
８・・・スペーサボール
９・・・循環通路
１０・・・防塵用シール
２１・・・切欠部
２２・・・フランジ
３１・・・第１ナット
３２・・・第２ナット
３３・・・間座
８１・・・循環通路押え
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールと、を備えたボールねじにおいて、
前記軌道と前記負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているとともに、前記複数の負荷ボール同士の間に負荷ボールと反対方向に自転可能なスペーサボールが介装されており、前記負荷ボールが所定の外部負荷を受ける条件下で、当該スペーサボールは、前記軌道との隙間ゼロ以上を維持する外径を有することを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記スペーサボールと前記負荷ボールとの比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
前記軌道と前記負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、ダブルナット間座予圧方式、オフセットリード予圧方式、または条間オフセットリード予圧方式であることを特徴とする請求項１または２に記載のボールねじ。
【請求項４】
前記スペーサボールを含むボール充填率が９８％以下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。
【請求項５】
前記スペーサボールは、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじ。
【請求項６】
前記樹脂は、ポリアセタール樹脂であることを特徴とする請求項５に記載のボールねじ。
【請求項１】
外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数の負荷ボールと、を備えたボールねじにおいて、
前記軌道と前記負荷ボールとの接触状態が常に二点接触になっているとともに、前記複数の負荷ボール同士の間に負荷ボールと反対方向に自転可能なスペーサボールが介装されており、前記負荷ボールが所定の外部負荷を受ける条件下で、当該スペーサボールは、前記軌道との隙間ゼロ以上を維持する外径を有することを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記スペーサボールと前記負荷ボールとの比率は、スペーサボールの数をＳ、負荷ボールの数をＦとするとき、比率Ｓ／Ｆが、０．５≦Ｓ／Ｆ≦１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
前記軌道と前記負荷ボールとの間に予圧を付加する予圧方式は、ダブルナット間座予圧方式、オフセットリード予圧方式、または条間オフセットリード予圧方式であることを特徴とする請求項１または２に記載のボールねじ。
【請求項４】
前記スペーサボールを含むボール充填率が９８％以下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。
【請求項５】
前記スペーサボールは、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじ。
【請求項６】
前記樹脂は、ポリアセタール樹脂であることを特徴とする請求項５に記載のボールねじ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２０４１４１（Ｐ２００９−２０４１４１Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４９５４７（Ｐ２００８−４９５４７）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【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２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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