特開 2024-123987 ボールねじ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123987

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】ボールねじ

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/22 20060101AFI20240905BHJP

【ＦＩ】

F16H25/22 L

F16H25/22 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031850

(22)【出願日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(72)【発明者】

【氏名】上岡 広樹

(72)【発明者】

【氏名】柴田 靖史

(72)【発明者】

【氏名】御厨 功

【テーマコード（参考）】

3J062

【Ｆターム（参考）】

3J062AB22

3J062AC07

3J062BA16

3J062BA26

3J062BA35

3J062CD08

3J062CD62

(57)【要約】

【課題】作動性や耐久性に優れたボールねじを低コストに提供する。
【解決手段】複数のボール４を介して相対回転するねじ軸２及びナット３と、ナット３に取り付けられた循環部材５とを備え、ねじ軸２とナット３の相対回転に伴い、ねじ軸２の雄ねじ溝２ａとナット３の雌ねじ溝３ａとの間に形成される螺旋状の転走路６と、循環部材５で形成される循環部７とを有する一連のボール通路８に沿ってボール４が循環移動するボールねじ１において、複数のボール４は、第１ボール４Ａと、第１ボール４Ａよりもボール径が小さい第２ボール４Ｂとを含み、第２ボール４Ｂのボール径を、第１ボール４Ａのボール径に対して９９．０％以上１００％未満とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のボールを介して相対回転するねじ軸及びナットと、前記ナットに固定された循環部材とを備え、前記ねじ軸と前記ナットの相対回転に伴い、前記ねじ軸の外周面に形成された雄ねじ溝と前記ナットの内周面に形成された雌ねじ溝との間に形成される螺旋状の転走路と、前記循環部材で形成される循環部とを有する一連のボール通路に沿って前記複数のボールが循環移動するボールねじにおいて、
前記複数のボールは、第１ボールと、前記第１ボールよりもボール径が小さい第２ボールとを含み、前記第２ボールのボール径が、前記第１ボールのボール径に対して９９．０％以上１００％未満であることを特徴とするボールねじ。

【請求項2】

前記第２ボールは、前記転走路の１巻きにつき１つ以上配されている請求項１に記載のボールねじ。

【請求項3】

前記第１ボールと前記第２ボールを前記ボール通路の路長方向に沿って交互に配置した請求項１又は２に記載のボールねじ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボールねじに関する。

【背景技術】

【0002】

ボールねじは、鋼材又はセラミックス等の剛体からなる複数のボールを介して相対回転するねじ軸及びナットと、ナットに取り付けられた循環部材とを備えており、ねじ軸とナットが相対回転すると、ねじ軸の外周面に形成した雄ねじ溝とナットの内周面に形成した雌ねじ溝との間に形成される螺旋状の転走路と、循環部材によって形成される循環部とを備えた一連のボール通路に沿ってボールが循環（周回）移動するようになっている。循環部材としては、エンドキャップ、こま、リターンチューブ、ガイドプレートなどがあり、ボールねじの用途等に応じて使い分けられている（以上、例えば特許文献１を参照）。

【0003】

特許文献１に記載のボールねじにおいては、隣り合うボール（特に転走路内で負荷を受けるボール）間に、ボール間方向のばね定数が０．１～１００Ｎ／ｍｍの範囲内であると共に、使用時におけるボール間方向の最大変位量がボール径の０．５～１００％の範囲内である弾性部材を介在させるようにしている。これにより、転走路内での「ボールの競り合い現象」に起因する循環部内でのボール詰まりやトルク変動等の問題発生を抑えることができる、としている。なお、「ボールの競り合い現象」とは、負荷を受ける転走路内でのボール同士の接触により相対滑り摩擦力が生じる現象であり、これが生じると、負荷を受ける転走路内のボールの公転速度に差が生じて、転走路から循環部に入るボールと、循環部から転走路に入るボールとの間に公転速度差が生じる結果、上記の問題が発生する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３－２４００９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、隣り合うボール間に弾性部材を介在させる特許文献１のボールねじには以下に列挙するような種々の問題が生じるおそれがある。
（１）転走路内に介在するボール数減少により負荷容量（荷重負荷能力）や寿命が低下する。
（２）ボールとは全く異なる形態の弾性部材追加により組立工数及びコストが増大する。
（３）一部又は全部が樹脂又はゴムで形成された弾性部材を長期使用する場合、弾性部材の劣化に起因して作動性が低下（トルク変動が増大）する。
（４）一部又は全部が樹脂又はゴムで形成された弾性部材を使用する場合、転走路に充填する潤滑剤（例えば、潤滑油又はグリース）の選択範囲が狭い。

【0006】

そこで、本発明は、上記のような種々の問題発生を可及的に防止し、もって作動性や耐久性に優れたボールねじを低コストに提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために創案された本発明は、複数のボールを介して相対回転するねじ軸及びナットと、ナットに取り付けられた循環部材とを備え、ねじ軸とナットの相対回転に伴い、ねじ軸の外周面に形成された雄ねじ溝とナットの内周面に形成された雌ねじ溝との間に形成される螺旋状の転走路と、循環部材で形成される循環部とを有する一連のボール通路に沿ってボールが循環移動するボールねじにおいて、
複数のボールは、第１ボールと、第１ボールよりもボール径が小さい第２ボールとを含み、第２ボールのボール径が、第１ボールのボール径に対して９９．０％以上１００％未満であることを特徴とする。

【0008】

上記の構成を有するボールねじによれば、通常使用時（転走路に介在するボールの弾性変形が生じないような荷重条件下）においては、第１ボール（のみ）によってナット又はねじ軸に作用する荷重（軸方向荷重及び／又は径方向荷重）が支持される一方で、転走路に介在するボールに弾性変形が生じるほどの大荷重がナット又はねじ軸に作用する高荷重条件下においては、第１ボール及び第２ボールの双方で上記荷重を支持することが可能となる。これは、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、第２ボールのボール径を第１ボールのボール径の９９％未満にすると、高荷重条件下でのねじ溝の溝底面（ボール転走面）の耐久性が第２ボールを省略した場合と同程度になる一方で、第２ボールのボール径を第１ボールのボール径の９９．０％以上（かつ１００％未満）にすると、高荷重条件下での上記溝底面の耐久性が良好であることを見出したことを理由とする。

【0009】

そして、本発明に係るボールねじにおいては、特許文献１に記載の弾性部材の代替品として第２ボールが用いられる。第２ボールはあくまでも「ボール」であることから、ボールねじの組立を困難なものにならしめることはなく、また、ボールねじのボールには、通常、鋼材やセラミックス等の剛体からなるボールが使用されることから、前述した（３）及び（４）の課題については特段考慮する必要がない。

【0010】

上記の作用効果を享受するには、第２ボールを、螺旋状の転走路の１巻きにつき１つ以上配するのが好ましい。

【0011】

上記構成において、第１ボールと第２ボールは、ボール通路の路長方向（長手方向）に沿って交互に配置することができる。

【0012】

なお、本発明は、循環部材の種類を問わず適用することができる。すなわち、本発明に係るボールねじにおいては、例えばエンドキャップ、エンドデフレクタ、リターンチューブ、ガイドプレート（リターンプレート）及びこま等の公知の循環部材の何れを用いる場合にも問題なく適用することができる。

【発明の効果】

【0013】

以上のことから、本発明によれば、作動性や耐久寿命に優れたボールねじを低コストに提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係るボールねじの概略縦断面図である。

【図2】図１に示すボールねじの転走路の部分拡大断面図であって、（ａ）図は、通常使用時の断面図、（ｂ）図は、高負荷時（高荷重が負荷されている時）の断面図である。

【図3】第２ボールの有無、及び第２ボールのボール径がボールの転走面寿命に与える影響を検証した結果を示す線図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係るボールねじの概略縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で使用する「軸方向」及び「径方向」とは、それぞれ、ボールねじ１を構成するねじ軸２の中心軸に沿う方向、及び上記中心軸を中心とする円の径方向である。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態に係るボールねじ１の概略縦断面図である。同図に示すボールねじ１は、外周面に螺旋状の雄ねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、内周面に螺旋状の雌ねじ溝３ａが形成されたナット３と、互いに対向する雄ねじ溝２ａと雌ねじ溝３ａとの間に形成される転走路６に介在する複数のボール（ここでは鋼球）４と、ナット３に取り付けられた循環部材５とを備える。

【0017】

このボールねじ１は、ねじ軸２がその中心軸回りに回転するのに伴ってナット３が軸方向に進退移動（直線運動）するねじ軸回転タイプとして使用される場合と、ナット３がその中心軸回りに回転するのに伴ってねじ軸２が軸方向に進退移動するナット回転タイプとして使用される場合とがある。ねじ軸回転タイプのボールねじ１では、ナット３の回転を規制するための回転規制手段（図示省略）が設けられ、ナット回転タイプのボールねじ１では、ねじ軸２の回転を規制するための回転規制手段（図示省略）が設けられる。

【0018】

ナット３は、金属材料で円筒状に形成され、軸方向一方側及び他方側の端部のそれぞれには、循環部材５としてのエンドキャップ５Ａ，５Ａが取り付けられている。従って、本実施形態のボールねじ１は、エンドキャップ式のボールねじである。

【0019】

ナット３には、雌ねじ溝３ａの径方向外側でナット３を軸方向に貫通する貫通孔３ｂが形成されている。各エンドキャップ５Ａは円環状（短円筒状）をなし、ナット３との対向端面には、上記転走路６の長手方向端部と上記貫通孔３ｂの長手方向端部とを接続する（連通させる）ための溝部５ａが形成されている。この溝部５ａと、ナット３に形成された上記貫通孔３ｂとで、転走路６に介在するボール４を循環させるための循環部７が形成される。そして、ねじ軸２とナット３が相対回転すると、上記転走路６と循環部７とからなる一連のボール通路８に沿って、このボール通路８内に配設された複数のボール４が循環移動する。これにより、ねじ軸２とナット３のうち、回転側の部材が滑らかに回転すると共に、直動側の部材が滑らかに直線運動する。

【0020】

図２（ａ）に示すように、転走路６（を含むボール通路８）に介在する複数のボール４は、ボール径が互いに異なる第１ボール４Ａと第２ボール４Ｂとを含む。第１ボール４Ａ及び第２ボール４Ｂは何れも鋼球である。図示例では、転走路６（ボール通路８）の長手方向に沿って複数の第１ボール４Ａと第２ボール４Ｂを交互に配している。

【0021】

第１ボール４Ａとしては、これが転走路６内に位置するとき（ねじ軸２とナット３の相対回転に伴って転走路６内を移動するとき）に、雄ねじ溝２ａの溝底面及び雌ねじ溝３ａの溝底面の双方に接触するようなボール径、すなわちねじ軸２及びナット３に作用する荷重を受けることが可能なボール径を有するものが使用される。つまり、第１ボール４Ａは、いわゆる「負荷ボール」として機能するボールである。

【0022】

第２ボール４Ｂとしては、ボール径が第１ボール４Ａのボール径よりも小さいもの、より具体的には、第１ボール４Ａのボール径に対して９９．０％以上１００％未満のボール径を有するものが使用される。係るボール径を有する第２ボール４Ｂがボールねじ１の通常運転状態で転走路６内に位置するとき、第２ボールねじ４Ｂは、ねじ軸２の雄ねじ溝２ａの溝底面（内径側のボール転走面）及びこれに対向するナット３の雌ねじ溝３ａの溝底面（外径側のボール転走面）の何れか一方又は双方に対して接触せず、２つのボール転走面の何れか一方又は双方との間にすきまδを形成する。図２（ａ）は、第２ボール４Ｂが雌ねじ溝３ａの溝底面に対して接触せず、第２ボール４Ｂ（の外球面）と雌ねじ溝３ａの溝底面との間にすきまδが存在する状態を示している。従って、ボールねじ１の通常運転状態において、第２ボール４Ｂはいわゆる「負荷ボール」として機能せず、ねじ軸２及びナット３に作用する荷重を受けることができない。

【0023】

一方、図２（ｂ）に例示するように、ねじ軸２とナット３の相対回転時にねじ軸２及びナット３の何れか一方又は双方に大荷重が負荷され（同図では、ナット３に縮径方向の大荷重Ｆが負荷されている）、その結果、転走路６内で荷重を受ける第１ボール４Ａが弾性的に圧縮変形すると、上記のボール径を有する第２ボール４Ｂが雄ねじ溝２ａ及び雌ねじ溝３ａの溝底面に接触する。これにより、第１ボール４Ａに加え、第２ボール４Ｂによっても荷重Ｆが支持されるので、負荷能力が高く、耐久性に優れたボールねじ１を実現することができる。

【0024】

本実施形態のボールねじ１において、転走路６を含むボール通路８に介在させる全てのボール４（ボール径が互いに異なる第１ボール４Ａ及び第２ボール４Ｂ）は鋼球である。要するに、本実施形態のボールねじ１においては、特許文献１に記載の弾性部材の代替品として第２ボール４Ｂが用いられる。第２ボール４Ｂはあくまでも「ボール」であることから、ボールねじ１の組立を困難なものにならしめることはなく、また、全てのボール４（４Ａ，４Ｂ）を鋼球としていることから、前述した（３）及び（４）の課題については考慮する必要もない。

【0025】

ボールねじ１の負荷能力及び耐久性を最優先に考えるのであれば、ボール４の全てを「負荷ボール」として機能する第１ボール４Ａとするのが好ましい。しかしながら、このようにすると、転走路６内で生じる「ボール４の競り合い現象」に起因する循環部７内でのボール詰まり、トルク変動等により、ボールねじ１が正確に作動しなくなる可能性がある。これに対し、本実施形態のように、第１ボール４Ａ間に、第１ボール４Ａよりもボール径が小さい第２ボール４Ｂを介在させておけば転走路６内での「ボール４の競り合い現象」の発生を防止し、ボールねじ１の良好な作動性を維持することができる。これは、第２ボール４Ｂが転走路６の幅方向で転走路６内を移動可能であることから、隣り合う第１ボール４Ａの回転方向を逆方向とすることができるためである。

【0026】

そこで本発明者らは、ボールねじ１の耐久性を極力低下させることなく、作動性が良好なボールねじ１を実現するため、第２ボール４Ｂのボール径に着目し、上記のとおり、第２ボール４Ｂのボール径を第１ボール４Ａのボール径の９９．０％以上１００％未満に制限することにした。上記のボール径の範囲は、以下に示す、転走路６（を含むボール通路８）に介在させるボール４の構成を互いに異ならせた７種類のボールねじサンプル（サンプル１～サンプル７）について、ボール転走面の耐久性を調査することで導き出した範囲である。
［サンプル１］第１ボール４Ａ：３０個、第２ボール４Ｂ：０個
［サンプル２］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ（ボール径が第１ボール４Ａのボール径に対して９９．９％のもの）：１５個
［サンプル３］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ（ボール径が第１ボール４Ａのボール径に対して９９．７％のもの）：１５個
［サンプル４］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ（ボール径が第１ボール４Ａのボール径に対して９９．３％のもの）：１５個
［サンプル５］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ（ボール径が第１ボール４Ａのボール径に対して９９．０％のもの）：１５個
［サンプル６］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ（ボール径が第１ボール４Ａのボール径に対して９８．７％のもの）：１５個
［サンプル７］第１ボール４Ａ：１５個、第２ボール４Ｂ：０個

【0027】

調査結果を、横軸を「転走面寿命回転数」とし、縦軸を「アキシャル荷重」とした図３に示す。「転走面寿命回転数」とは、ボール転走面が耐久寿命に至る回転数であり、「アキシャル荷重」とはサンプルに負荷した軸方向荷重である。
図３に示すサンプル１とサンプル７の線図を対比すると明らかなように、いわゆる「負荷ボール」として機能する第１ボール４Ａの個数が多いほどボール転走面（ボールねじ１）の耐久性が向上するのがわかる。また、サンプル２～サンプル６の線図からは、第２ボール４Ｂのボール径を小さくするほど高荷重条件下でのボール転走面の耐久性が低下し、ボール径が第１ボール４Ａのボール径の９９．０％未満である第２ボール４Ｂを含めたサンプル６の耐久性は、ボール４中に第２ボール４Ｂを含めていないサンプル７の耐久性と大差がないことがわかる。従って、第２ボール４Ｂとしては、第１ボール４Ａのボール径に対して９９．０％以上１００％未満のボール径を有するものを使用する。

【0028】

本実施形態のボールねじ１において、複数のボール４中に含める第２ボール４Ｂは、そのボール径が、第１ボール４Ａのボール径に対して１．０％未満小さいもの、と言い換えることができる。「第１ボール４Ａのボール径に対して１．０％」の具体的な数値は、例えば２０μｍ程度とすることができる。この場合、第１ボール４Ａのボール径に対して０．１％ボール径が変わると、２μｍ程度ボール径が変わることになる。ボール４のボール径は１μｍ単位で調整することができるので、ボール径が第１ボール４Ａのそれよりも１μｍ小さい第２ボール４Ｂを必要とする場合であっても、第１ボール４Ａ及び第２ボール４Ｂの双方を容易に準備（調達）可能である。

【0029】

以上、本発明の一実施形態に係るボールねじ１について説明したが、本発明の実施の形態はこれに限られない。

【0030】

例えば、以上で説明した実施形態では、転走路６（を含むボール通路８）内にボール径が互いに異なる第１ボール４Ａと第２ボール４Ｂを交互に配したが、転走路６内に、第１ボール４Ａよりも所定量ボール径が小さい第２ボール４Ｂを配することで享受される上記の作用効果は、螺旋状の転走路６の１巻きにつき１つ以上の第２ボール４Ｂを配することによっても享受することができる（図示省略）。

【0031】

また、以上では、循環部材５としてエンドキャップ５Ａを用いたボールねじ１（エンドキャップ式のボールねじ１）に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、循環部材５にエンドキャップ５Ａ以外のものを採用したボールねじ１にも好ましく適用することができる。図４は、その一例を示すものであり、循環部材５として、ナット３の外周面及び内周面に開口した孔部に嵌め込まれた「こま５Ｂ」を採用した、いわゆるこま式のボールねじ１である。循環部材５としてのこま５Ｂは、ねじ軸２の外周面（に形成された雄ねじ溝２ａ）との対向面に循環部７として機能する循環溝を有している。こま５Ｂは、ナット３の外径やナット３の全長に影響を与えないことから、こま式のボールねじ１は、図１等を参照して説明したエンドキャップ式のボールねじ１よりもコンパクトにし易いという利点がある。

【0032】

図示は省略するが、本発明は、上記のエンドキャップ５Ａやこま５Ｂ以外の公知の循環部材５、例えば、エンドデフレクタ、リターンチューブ又はガイドプレート（リターンプレート）を採用したボールねじ１に適用することもできる。ここで、ボール４中に第２ボール４Ｂを含めることにより享受される「ボール４の競り合い現象」に起因する循環部７内でのボール詰まり、トルク変動等の抑制効果は、特に循環部７の全長が長い循環方式のボールねじ１において有効に享受できる。これは、循環部７の全長が長い場合、ボール同士の競り合い箇所、換言すると摩擦量の蓄積量が多くなる分、大きなトルク変動が発生し易くなるからである。従って、本発明は、図４に示したこま式のボールねじ１よりも、図１に示したエンドキャップ式のボールねじ１や、エンドデフレクタ式、リターンチューブ式、リターンプレート式のボールねじ（図示省略）等に適用した方が大きな作用効果を享受することができる。

【0033】

本発明は前述した実施形態に何ら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内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

【符号の説明】

【0034】

１ ボールねじ
２ ねじ軸
２ａ 雄ねじ溝
３ ナット
３ａ 雌ねじ溝
４ ボール
４Ａ 第１ボール
４Ｂ 第２ボール
５ 循環部材
５Ａ エンドキャップ（循環部材）
５Ｂ こま（循環部材）
６ 転走路
７ 循環部
８ ボール通路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】