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JP7525905B2 - Rolling element screw device - Google Patents
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Description

本発明は、ねじ軸とナットとの間に転がり運動可能に転動体を介在させたボールねじ等の転動体ねじ装置に関する。 The present invention relates to a rolling element screw device such as a ball screw in which rolling elements are interposed between a screw shaft and a nut so as to be capable of rolling motion.

工作機械等の産業用機械は、内部に送り駆動機構を持っている。送り駆動機構には、ボールねじが多用されている。ボールねじは、送り駆動機構を通して産業用機械の性能を支配する重要な機械要素になっている。 Industrial machines such as machine tools have an internal feed drive mechanism. Ball screws are often used in the feed drive mechanism. Ball screws are an important mechanical element that controls the performance of industrial machines through the feed drive mechanism.

ボールねじは、ねじ機構を転がり化したものである。すなわち、ボールねじは、ねじ軸と、ナットと、ねじ軸とナットとの間に転がり運動可能に介在する複数のボールと、を備える。ねじ軸の外面には、螺旋状の軌道面が形成される。ナットの内面には、ねじ軸の軌道面に対向する螺旋状の軌道面が形成される。ねじ軸の軌道面とナットの軌道面との間には、ボールが介在される。 A ball screw is a rolling screw mechanism. That is, a ball screw comprises a screw shaft, a nut, and a number of balls interposed between the screw shaft and the nut to enable rolling motion. A helical raceway surface is formed on the outer surface of the screw shaft. A helical raceway surface is formed on the inner surface of the nut that faces the raceway surface of the screw shaft. Balls are interposed between the raceway surface of the screw shaft and the raceway surface of the nut.

従来のボールねじにおいて、ねじ軸の軌道面とナットの軌道面の形状は、いずれもゴシックアーチ溝である。そして、接触角は40~50度に設定される(特許文献1参照)。ナットの往路も復路も荷重を受けられるようにするためである。In conventional ball screws, the raceway surface of the screw shaft and the raceway surface of the nut are both shaped like a Gothic arch groove. The contact angle is set to 40 to 50 degrees (see Patent Document 1). This is to allow the nut to receive load on both its forward and return travels.

特開2015-108400号公報JP 2015-108400 A

宮口和男、二宮瑞穂、渡辺靖巳、新井覚、浜村実、垣野義昭著、「ボールねじ運動方向反転時の摩擦トルク変動に関する研究(第1報)」精密工学会誌、Vol.68,No.6,2002、p.833~p.837」Kazuo Miyaguchi, Mizuho Ninomiya, Yasumi Watanabe, Satoru Arai, Minoru Hamamura, Yoshiaki Kakino, "Study on Friction Torque Fluctuation When Ball Screw Motion Direction is Reversed (1st Report)," Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 68, No. 6, 2002, pp. 833-837

ボールねじは、基本的に軸方向の荷重を受けるものである。しかし、従来のボールねじにおいては、接触角が40~50度に設定されるので、ボールねじに軸方向の荷重が働くと、ボールねじの内部に軸方向と軸直角方向(半径方向)の荷重が発生する。後者の半径方向の荷重は、軸方向の荷重を受けるのに何の役にも立っていないので、従来のボールねじには、軸方向の定格荷重が小さいという課題がある。さらに、ねじがボールに接する半径位置は、ナットがボールに接する半径位置に比べて小さいため、軌道面が伸びる方向に見ると凸側の曲率を持つ。この凸側の曲率によって弾性接触の面積が減少し、大きな接触荷重を受けることができない。すなわち、従来のボールねじには、さらに定格荷重が小さくなるという課題がある。 A ball screw is basically designed to receive axial loads. However, in conventional ball screws, the contact angle is set to 40 to 50 degrees, so when an axial load acts on the ball screw, loads are generated inside the ball screw in the axial direction and in the direction perpendicular to the axis (radial direction). The latter radial load is of no use in receiving the axial load, so conventional ball screws have a problem in that their axial load rating is low. Furthermore, the radial position where the screw contacts the ball is smaller than the radial position where the nut contacts the ball, so the raceway surface has a convex curvature when viewed in the direction in which it extends. This convex curvature reduces the area of elastic contact, making it impossible to receive a large contact load. In other words, conventional ball screws have a problem in that their load rating is even smaller.

また、従来のボールねじにおいては、ボールはねじ軸及びナットのゴシックアーチ溝とそれぞれ1点、合計2点で接触して荷重を受ける。しかし、ねじがナットに対して回転している状態では、回転の正又は逆に依存して第3の接触点を伴う(非特許文献1参照)。この第3の接触点では転がりではなく滑りを生じるため、摩擦損失が増大し発熱が大きいという課題もある。ボールねじが発熱すると、ねじ軸やナットが金属膨張を起こすので、送り精度の変化、悪化を招く。 In addition, in conventional ball screws, the balls receive the load by contacting the screw shaft and the gothic arch groove of the nut at two points in total, one each. However, when the screw is rotating relative to the nut, a third contact point is involved depending on whether the rotation is forward or reverse (see Non-Patent Document 1). This third contact point causes sliding rather than rolling, which increases friction loss and generates a large amount of heat. When the ball screw generates heat, the metal of the screw shaft and nut expands, leading to changes and deterioration in feed accuracy.

さらに、従来のボールねじにおいては、ボールの転がり方向反転時に、ボールと軌道面との接触状態が3点接触状態→2点接触状態→3点接触状態に変化するので、2点接触状態に起因して摩擦トルクが低下する所謂フリーゾーンが発生するという課題もある。このフリーゾーンは、運動反転時の軌跡制御誤差の補正を複雑・困難にしている。 Furthermore, in conventional ball screws, when the balls reverse their rolling direction, the contact state between the balls and the raceway changes from a three-point contact state to a two-point contact state to a three-point contact state, which creates a problem of a so-called free zone where friction torque decreases due to the two-point contact state. This free zone makes it complicated and difficult to correct trajectory control errors when the motion is reversed.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、軸方向の定格荷重が大きく、発熱が少なく、転がり方向反転時のフリーゾーンによる摩擦トルクの変動も抑制できる転動体ねじ装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a rolling element screw device that has a large axial load rating, generates little heat, and can suppress fluctuations in friction torque due to the free zone when the rolling direction is reversed.

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、外面に螺旋状のねじ山を有し、前記ねじ山の側面にねじ軸軌道面が形成されるねじ軸と、内面に螺旋状のナットねじ山を有し、前記ナットねじ山の側面に前記ねじ軸軌道面に対向するナット軌道面が形成されるナットと、前記ねじ軸軌道面と前記ナット軌道面との間に転がり可能に介在する複数の転動体と、を備え、前記ねじ軸の前記ねじ山の外径が前記ナットの前記ナットねじ山の内径よりも大きい転動体ねじ装置である。In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is a rolling element screw device comprising: a screw shaft having a helical thread on its outer surface, the screw shaft raceway surface being formed on the side of the thread; a nut having a helical nut thread on its inner surface, the nut raceway surface being formed on the side of the nut thread facing the screw shaft raceway surface; and a plurality of rolling elements interposed in a rollable manner between the screw shaft raceway surface and the nut raceway surface, wherein the outer diameter of the thread of the screw shaft is larger than the inner diameter of the nut thread of the nut.

本発明によれば、軸方向の定格荷重が大きく、発熱が少なく、転がり方向反転時のフリーゾーンによる摩擦トルクの変動も抑制できる転動体ねじ装置が得られる。 According to the present invention, a rolling element screw device is obtained which has a large axial load rating, generates little heat, and suppresses fluctuations in friction torque due to the free zone when the rolling direction is reversed.

本発明の第1の実施形態の転動体ねじ装置の軸線に沿った断面図である。1 is a cross-sectional view taken along an axis of a rolling body screw device according to a first embodiment of the present invention. 図1のII部拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of part II in FIG. 第1の実施形態の転動体ねじ装置の循環構造を示す図である(図3(a)は転動体ねじ装置の平面図、図3(b)はナットの上側半分のみを示す転動体ねじ装置の側面図、図3(c)は図3(b)のc矢視図)。3A is a plan view of the rolling body screw device, FIG. 3B is a side view of the rolling body screw device showing only the upper half of the nut, and FIG. 3C is a view taken along the arrow c in FIG. 3B. ねじ山の側面の傾き砥石の傾きの関係を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing the relationship between the inclination of the side of a screw thread and the inclination of a grindstone. 本発明の第2の実施形態の転動体ねじ装置の軸線に沿った断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the axis of a rolling body screw device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態の転動体ねじ装置の軸線に沿った断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the axis of a rolling body screw device according to a third embodiment of the present invention.

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態の転動体ねじ装置を説明する。ただし、本発明の転動体ねじ装置は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
(第1の実施形態)
Hereinafter, a rolling element screw device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the rolling element screw device according to the present invention can be embodied in various forms and is not limited to the embodiments described in this specification. This embodiment is provided with the intention of enabling a person skilled in the art to fully understand the scope of the invention by fully disclosing the specification.
First Embodiment

図1は、本発明の第1の実施形態の転動体ねじ装置としてのボールねじ1の軸線に沿った断面図である。図2は、図1のII部拡大図である。2はねじ軸、2aはねじ軸の軸線、3はナット、5a,5bは転動体としてのボールである。 Figure 1 is a cross-sectional view along the axis of a ball screw 1 as a rolling element screw device according to a first embodiment of the present invention. Figure 2 is an enlarged view of part II in Figure 1. 2 is a screw shaft, 2a is the axis of the screw shaft, 3 is a nut, and 5a and 5b are balls as rolling elements.

図1に示すように、ねじ軸2の外面には、螺旋状のねじ山10が設けられる。ねじ軸2のねじ山10は、左右一対の側面10b,10cと、山頂10aと、を有する(図2参照)。ねじ山10の一方の側面10c(図1のねじ山10の右側の側面)には、第1ねじ軸軌道面11が形成される。ねじ山10の他方の側面10b(図1のねじ山10の左側の側面)には、第2ねじ軸軌道面12が形成される。ねじ軸2のねじ山10の外径、すなわちねじ山10の山頂10aに接する仮想的な円筒の直径はD1である。As shown in FIG. 1, a helical thread 10 is provided on the outer surface of the screw shaft 2. The thread 10 of the screw shaft 2 has a pair of left and right side surfaces 10b, 10c and a crest 10a (see FIG. 2). A first screw shaft raceway surface 11 is formed on one side surface 10c of the thread 10 (the side surface on the right side of the thread 10 in FIG. 1). A second screw shaft raceway surface 12 is formed on the other side surface 10b of the thread 10 (the side surface on the left side of the thread 10 in FIG. 1). The outer diameter of the thread 10 of the screw shaft 2, i.e., the diameter of an imaginary cylinder in contact with the crest 10a of the thread 10, is D1.

ナット3は、軸方向に連結される第1ナット部3aと第2ナット部3bを備える。第1ナット部3aには、ねじ軸2が挿入される穴8aが設けられる。穴8aの内面には、螺旋状のナットねじ山6aが形成される。ナットねじ山6aは、ねじ山10と同様に、左右一対の側面7b,7cと、山頂7aと、を有する(図2参照)。ナットねじ山6aの一対の側面7b,7cのうち一方の(図1の左側の)側面7bには、ねじ軸2の第1ねじ軸軌道面11に対向する第1ナット軌道面21が形成される。第1ナット軌道面21は、ナットねじ山6aの一方の側面7bのみに形成される(図2参照)。なお、ナットねじ山6aの左右一対の側面7b,7cのそれぞれに1ナット軌道面21を形成してもよい。The nut 3 comprises a first nut part 3a and a second nut part 3b which are connected in the axial direction. The first nut part 3a is provided with a hole 8a into which the screw shaft 2 is inserted. A helical nut thread 6a is formed on the inner surface of the hole 8a. The nut thread 6a has a pair of left and right side surfaces 7b, 7c and a crest 7a, similar to the thread 10 (see FIG. 2). A first nut raceway surface 21 facing the first screw shaft raceway surface 11 of the screw shaft 2 is formed on one side surface 7b (left side surface in FIG. 1) of the pair of side surfaces 7b, 7c of the nut thread 6a. The first nut raceway surface 21 is formed only on one side surface 7b of the nut thread 6a (see FIG. 2). Note that one nut raceway surface 21 may be formed on each of the pair of left and right side surfaces 7b, 7c of the nut thread 6a.

第2ナット部3bには、ねじ軸2が挿入される穴8bが設けられる。第2ナット部3bの穴8bの内面には、第1ナット部3aと同様に、螺旋状のナットねじ山6bが形成される。ナットねじ山6bは、左右一対の側面と、山頂と、を有する。ナットねじ山6bの一対の側面のうち他方の(図1の右側の)側面には、ねじ軸2の第2ねじ軸軌道面12に対向する第2ナット軌道面22が形成される。第2ナット軌道面22は、ナットねじ山6bの他方の(図1の右側の)側面のみに形成される。なお、ナットねじ山6bの一対の側面のそれぞれに第2ナット軌道面22を形成してもよい。The second nut portion 3b is provided with a hole 8b into which the screw shaft 2 is inserted. A helical nut thread 6b is formed on the inner surface of the hole 8b of the second nut portion 3b, similar to the first nut portion 3a. The nut thread 6b has a pair of left and right side surfaces and a crest. A second nut raceway surface 22 that faces the second screw shaft raceway surface 12 of the screw shaft 2 is formed on the other side surface (on the right side in FIG. 1) of the pair of side surfaces of the nut thread 6b. The second nut raceway surface 22 is formed only on the other side surface (on the right side in FIG. 1) of the nut thread 6b. The second nut raceway surface 22 may be formed on each of the pair of side surfaces of the nut thread 6b.

ナットねじ山6a,6bの内径、すなわちナットねじ山6a,6bの山頂7aに接する仮想的な円筒の直径は、いずれもD2である。ねじ軸2のねじ山10の外径D1は、ナット3のナットねじ山6a,6bの内径D2よりも大きい。ナットねじ山6a,6bは、ねじ軸2の隣接するねじ山10に入り込む。The inner diameters of the nut threads 6a and 6b, i.e., the diameters of the imaginary cylinders that are in contact with the crests 7a of the nut threads 6a and 6b, are both D2. The outer diameter D1 of the threads 10 of the screw shaft 2 is larger than the inner diameter D2 of the nut threads 6a and 6b of the nut 3. The nut threads 6a and 6b enter the adjacent threads 10 of the screw shaft 2.

ねじ軸2の第1ねじ軸軌道面11と第1ナット部3aの第1ナット軌道面21との間には、第1ボール5aが介在する。第1ボール5aは、ねじ軸2のねじ山10の第1ねじ軸軌道面11側にのみ存在していて、第2ねじ軸軌道面12側に存在していない。第1ボール5aには、第1ナット部3aに働く一方向(図1の矢印(1)方向)のみの荷重が負荷される。A first ball 5a is interposed between the first screw shaft raceway surface 11 of the screw shaft 2 and the first nut raceway surface 21 of the first nut portion 3a. The first ball 5a is present only on the first screw shaft raceway surface 11 side of the thread 10 of the screw shaft 2, and is not present on the second screw shaft raceway surface 12 side. The first ball 5a is subjected to a load acting on the first nut portion 3a in only one direction (the direction of the arrow (1) in FIG. 1).

ねじ軸2の第2ねじ軸軌道面12とナット3の第2ナット軌道面22との間には、第2ボール5bが介在する。第2ボール5bは、ねじ軸2のねじ山10の第2ねじ軸軌道面12側にのみ存在していて、第1ねじ軸軌道面11側に存在していない。第2ボール5bには、第2ナット部3bに働く他方向(図1の矢印(2)方向)のみの荷重が負荷される。A second ball 5b is interposed between the second screw shaft raceway surface 12 of the screw shaft 2 and the second nut raceway surface 22 of the nut 3. The second ball 5b is present only on the second screw shaft raceway surface 12 side of the thread 10 of the screw shaft 2, and is not present on the first screw shaft raceway surface 11 side. The second ball 5b is subjected to a load acting on the second nut portion 3b only in the other direction (the direction of the arrow (2) in FIG. 1).

図2に示すように、ねじ軸2のねじ山10に形成される第1ねじ軸軌道面11の形状は、単一円弧のサーキュラーアーク溝に形成される。このサーキュラーアーク溝の半径は、第1ボール5aの半径よりも僅かに大きい。第1ねじ軸軌道面11と第1ボール5aとは、溝底の点P1で接触する。ねじ山10はリード角を持つので、正確にいえば、ねじ山10の直角断面視において、第1ねじ軸軌道面11の形状がサーキュラーアーク溝に形成される。なお、第1ねじ軸軌道面11の形状を第1ボール5aと2点で接触するゴシックアーチ溝にしてもよい。As shown in FIG. 2, the shape of the first screw shaft raceway 11 formed on the thread 10 of the screw shaft 2 is formed into a circular arc groove of a single arc. The radius of this circular arc groove is slightly larger than the radius of the first ball 5a. The first screw shaft raceway 11 and the first ball 5a contact each other at point P1 at the bottom of the groove. Since the thread 10 has a lead angle, to be precise, in a perpendicular cross-sectional view of the thread 10, the shape of the first screw shaft raceway 11 is formed into a circular arc groove. The shape of the first screw shaft raceway 11 may be a gothic arch groove that contacts the first ball 5a at two points.

ねじ軸2のねじ山10の側面10c(図2のねじ山10の根元部10-1の側面と頂部10-2の側面を結んだ線)は、ねじ軸2の軸線2a(図2には図1のねじ軸2の軸線2aと平行な軸線2aを示す)と直交する線2bに対して傾斜する。ねじ軸2のねじ山10の根元部10-1の幅は、頂部10-2の幅よりも太い。側面10cが傾斜していても、第1ねじ軸軌道面11は、その溝底の点P1で第1ボール5aと点接触する。すなわち、後述する接触角αは90°近傍に保たれる。このため、第1ねじ軸軌道面11の、点P1から根元部10-1側(図2の下側)の溝端N1までの弧長が、第1ねじ軸軌道面11の、点P1から頂部10-2側(図2の上側)の溝端N2までの弧長よりも長い。 The side surface 10c of the thread 10 of the screw shaft 2 (the line connecting the side surface of the root portion 10-1 and the side surface of the crest portion 10-2 of the thread 10 in FIG. 2) is inclined with respect to a line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2 (FIG. 2 shows the axis 2a parallel to the axis 2a of the screw shaft 2 in FIG. 1). The width of the root portion 10-1 of the thread 10 of the screw shaft 2 is greater than the width of the crest portion 10-2. Even if the side surface 10c is inclined, the first screw shaft raceway surface 11 makes point contact with the first ball 5a at point P1 at the bottom of the groove. In other words, the contact angle α described later is maintained at approximately 90°. Therefore, the arc length of the first screw shaft raceway surface 11 from the point P1 to the groove end N1 on the root portion 10-1 side (lower side in FIG. 2) is longer than the arc length of the first screw shaft raceway surface 11 from the point P1 to the groove end N2 on the apex portion 10-2 side (upper side in FIG. 2).

ねじ軸2の第1ねじ軸軌道面11の溝幅(図2の中心角θ1で表される領域)は、第1ボール5aと第1ねじ軸軌道面11との接点P1に許容面圧4200MPaが働いたときに、当該溝幅から接触長軸半径(図2の中心角θ2で表される領域)が外れないように設定されるのが望ましい。It is desirable that the groove width (area represented by central angle θ1 in Figure 2) of the first screw shaft raceway surface 11 of the screw shaft 2 is set so that the contact major axis radius (area represented by central angle θ2 in Figure 2) does not deviate from the groove width when an allowable surface pressure of 4,200 MPa acts on the contact point P1 between the first ball 5a and the first screw shaft raceway surface 11.

ねじ軸2のねじ山10の側面10bは、側面10cと反対方向に傾斜する。ねじ山10の側面10bには、第2ねじ軸軌道面12が形成される。第2ねじ軸軌道面12の形状は、第1ねじ軸軌道面11と同様に、単一円弧のサーキュラーアーク溝に形成される。ねじ山10の直角断面視において、ねじ山10は左右対称に形成される。 The side surface 10b of the thread 10 of the screw shaft 2 is inclined in the opposite direction to the side surface 10c. A second screw shaft raceway surface 12 is formed on the side surface 10b of the thread 10. The shape of the second screw shaft raceway surface 12 is formed into a circular arc groove of a single arc, similar to the first screw shaft raceway surface 11. In a perpendicular cross-sectional view of the thread 10, the thread 10 is formed symmetrically.

第1ナット部3aのナットねじ山6aに形成される第1ナット軌道面21の形状も、単一円弧のサーキュラーアーク溝に形成される。このサーキュラーアーク溝の半径は、第1ねじ軸軌道面11と同様に、第1ボール5aの半径よりも僅かに大きい。第1ナット軌道面21と第1ボール5aとは、溝底の点P2で接触する。ナットねじ山6aはリード角を持つので、正確にいえば、ナットねじ山6aの直角断面視において、第1ナット軌道面21の形状がサーキュラーアーク溝に形成される。なお、第1ナット軌道面21の形状を第1ボール5aと2点で接触するゴシックアーチ溝にしてもよい。The shape of the first nut raceway surface 21 formed on the nut thread 6a of the first nut portion 3a is also formed into a circular arc groove of a single arc. The radius of this circular arc groove is slightly larger than the radius of the first ball 5a, as with the first screw shaft raceway surface 11. The first nut raceway surface 21 and the first ball 5a contact each other at point P2 at the bottom of the groove. Since the nut thread 6a has a lead angle, to be precise, in a perpendicular cross-sectional view of the nut thread 6a, the shape of the first nut raceway surface 21 is formed into a circular arc groove. The shape of the first nut raceway surface 21 may be a gothic arch groove that contacts the first ball 5a at two points.

第1ナット部3aの第1ナット軌道面21の溝幅も、第1ねじ軸軌道面11と同様に、第1ボール5aと第1ナット軌道面21との接点P2に許容面圧4200MPaが働いたときに、当該溝幅から接触長軸半径が外れないように設定されるのが望ましい。 Similarly to the first screw shaft raceway surface 11, the groove width of the first nut raceway surface 21 of the first nut portion 3a is desirably set so that the contact major axis radius does not deviate from the groove width when an allowable surface pressure of 4,200 MPa acts on the contact point P2 between the first ball 5a and the first nut raceway surface 21.

第1ナット部3aのナットねじ山6aの側面7bも、ねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して傾斜する。ナットねじ山6aの根元部6-1の幅は、頂部6-2の幅よりも太い。側面7bが傾斜していても、第1ナット軌道面21は、その溝底の点P2で第1ボール5aと点接触する。すなわち、後述する接触角αは90°近傍に保たれる。このため、第1ナット軌道面21の、点P2から根元部6-1側(図2の上側)の溝端M1までの弧長が、第1ナット軌道面21の、点P2から頂部6-2側(図2の下側)の溝端M2までの弧長よりも長い。 The side surface 7b of the nut thread 6a of the first nut portion 3a is also inclined with respect to a line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2. The width of the root portion 6-1 of the nut thread 6a is greater than the width of the crest portion 6-2. Even if the side surface 7b is inclined, the first nut raceway surface 21 makes point contact with the first ball 5a at point P2 at the bottom of the groove. In other words, the contact angle α described later is kept close to 90°. For this reason, the arc length of the first nut raceway surface 21 from point P2 to the groove end M1 on the root portion 6-1 side (upper side of FIG. 2) is longer than the arc length of the first nut raceway surface 21 from point P2 to the groove end M2 on the crest 6-2 side (lower side of FIG. 2).

第1ナット部3aのナットねじ山6aの側面7cは、側面7bと反対方向に傾斜する。ナットねじ山6aの側面7cには、第1ナット軌道面21は形成されていない。The side surface 7c of the nut thread 6a of the first nut portion 3a is inclined in the opposite direction to the side surface 7b. The first nut raceway surface 21 is not formed on the side surface 7c of the nut thread 6a.

接点P1と接点P2を結んだ線とねじ軸2の軸線2aに直交する線2bとのなす角度α、すなわち接触角αは、90°±30°の範囲、望ましくは90°±20°の範囲、さらに望ましくは90°±10°の範囲に設定される。なお、第1ねじ軸軌道面11と第1ナット軌道面21の形状をゴシックアーチ溝にした場合、接触角αを便宜的にゴシックアーチ溝の底を結んだ線とする。The angle α between the line connecting the contact points P1 and P2 and the line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2, i.e., the contact angle α, is set in the range of 90°±30°, preferably in the range of 90°±20°, and more preferably in the range of 90°±10°. If the first screw shaft raceway surface 11 and the first nut raceway surface 21 are shaped into a gothic arch groove, the contact angle α is conveniently set to a line connecting the bottoms of the gothic arch groove.

図1に示すように、第2ナット部3bのナットねじ山6bは、第1ナット部3aのナットねじ山6aと左右対称に形成される。As shown in FIG. 1, the nut thread 6b of the second nut portion 3b is formed symmetrically with the nut thread 6a of the first nut portion 3a.

第1ナット部3aと第2ナット部3bとの間には、第1ボール5aと第2ボール5bに予圧を付与するための予圧付与手段としての間座4が存在する。間座4は、第1ナット部3aを一方向(図1の矢印(1)方向)に押し、第1ナット部3aとねじ軸2との間で第1転動体を圧縮させる。また、間座4は、第2ナット部3bを他方向(図1の矢印(2)方向)に押し、第2ナット部3bとねじ軸2との間で第2転動体を圧縮させる。なお、予圧付与手段として、間座4の替わりにばねを用いてもよい。Between the first nut portion 3a and the second nut portion 3b, there is a spacer 4 as a preload applying means for applying a preload to the first ball 5a and the second ball 5b. The spacer 4 presses the first nut portion 3a in one direction (the direction of the arrow (1) in FIG. 1) and compresses the first rolling element between the first nut portion 3a and the screw shaft 2. The spacer 4 also presses the second nut portion 3b in the other direction (the direction of the arrow (2) in FIG. 1) and compresses the second rolling element between the second nut portion 3b and the screw shaft 2. Note that a spring may be used instead of the spacer 4 as a preload applying means.

ナット3を第1ナット部3a、第2ナット部3bを一体にしたシングルナットにしてもよい。シングルナットの中央部で第1ナット部3aのナットねじ山6aと第2ナット部3bのナットねじ山6bをシフトさせれば、第1ボール5aと第2ボール5bに予圧を付与することができる。The nut 3 may be a single nut in which the first nut portion 3a and the second nut portion 3b are integrated. By shifting the nut thread 6a of the first nut portion 3a and the nut thread 6b of the second nut portion 3b in the center of the single nut, a preload can be applied to the first ball 5a and the second ball 5b.

また、第1ナット部3aと第2ナット部3bを図1に示す状態から左右反対に配置し、すなわち、第1ナット部3aを右側に、第2ナット部3bを左側に配置し、第1ナット部3aと第2ナット部3bとが互いに引っ張り合うように、第1ボール5aと第2ボール5bに予圧を付与してもよい。In addition, the first nut portion 3a and the second nut portion 3b may be arranged in a left-right reversed position from that shown in FIG. 1, i.e., the first nut portion 3a may be arranged on the right side and the second nut portion 3b on the left side, and a preload may be applied to the first ball 5a and the second ball 5b so that the first nut portion 3a and the second nut portion 3b pull against each other.

図3は、本実施形態のボールねじ1の循環構造を示す。図3(a)はボールねじ1の平面図、図3(b)はナット3の上側半分のみを示すボールねじ1の側面図、図3(c)は図3(b)のc矢視図である。 Figure 3 shows the circulation structure of the ball screw 1 of this embodiment. Figure 3(a) is a plan view of the ball screw 1, Figure 3(b) is a side view of the ball screw 1 showing only the upper half of the nut 3, and Figure 3(c) is a view seen from the arrow c in Figure 3(b).

第1ナット部3aには、例えば2.5巻きの循環路が2列設けられる。第1ナット部3aには、循環路の一端と他端に接続される2つのリターンパイプ23が設けられる。リターンパイプ23は、循環路の一端まで転がる第1ボール5aを掬い上げ、循環路の他端に戻す。第2ナット部3bには、例えば2.5巻きの循環路が2列設けられる。第2ナット部3bにも、循環路の一端と他端に接続される2つのリターンパイプ25が設けられる。24は、第1ナット部3aと第2ナット部3bを回り止めするためのキーである。The first nut portion 3a is provided with two rows of circulation paths, each of which is, for example, 2.5 turns. The first nut portion 3a is provided with two return pipes 23 connected to one end and the other end of the circulation paths. The return pipes 23 scoop up the first balls 5a that roll to one end of the circulation paths and return them to the other end of the circulation paths. The second nut portion 3b is provided with two rows of circulation paths, each of which is, for example, 2.5 turns. The second nut portion 3b is also provided with two return pipes 25 connected to one end and the other end of the circulation paths. 24 is a key for preventing the first nut portion 3a and the second nut portion 3b from rotating.

なお、循環路の巻き数、列数は一例であり、定格荷重に合わせて適宜設定される。また、循環方式として、リターンパイプ方式の替わりに、こま式、エンドキャップ式、エンドデフレクタ式、リターンプレート式等の循環方式を採用してもよい。 Note that the number of turns and rows of the circulation path are just an example and are set appropriately according to the rated load. Also, instead of the return pipe system, other circulation systems such as the top system, end cap system, end deflector system, and return plate system may be used.

以上に本実施形態のボールねじ1の構成を説明した。本実施形態のボールねじ1によれば、以下の効果を奏する。The configuration of the ball screw 1 of this embodiment has been described above. The ball screw 1 of this embodiment has the following effects.

接触角αを軸方向の荷重を受けるのに有利な角度に設定できるし、ボール5a,5bとねじ軸2との接触面積が大きいので、軸方向の定格荷重を大きくすることができる。従来のボールねじでは、ねじ軸とボールの接触面積が小さい代わりに、ナットとボールの接触面積が大きい。そのため、定格荷重は小さい方のねじ軸側で決まる。一方、本実施形態状では、両者の接触面積の差が減少・消失するため、定格荷重が大きくなる。 The contact angle α can be set to an angle that is favorable for receiving axial loads, and the contact area between the balls 5a, 5b and the screw shaft 2 is large, so the axial rated load can be increased. In conventional ball screws, the contact area between the screw shaft and balls is small, but the contact area between the nut and balls is large. Therefore, the rated load is determined by the smaller screw shaft side. On the other hand, in this embodiment, the difference in contact area between the two is reduced or eliminated, so the rated load is increased.

ねじ軸2とボール5a,5bの接点位置の半径(ねじ軸を中心とする半径)とナット3とボール5a,5bの接点位置の半径とが略一致するので、ボール5a,5bが転動しても、ゴシックアーチ溝の場合には第3の接触点を生じず、本実施形態のサーキュラーアーク溝においても2つの接触点P1,P2とボール中心Oを結ぶ2つの線の成す角度がほぼ180度となる。このため、滑り(摩擦)を少なくすることができ、摩擦に起因するボールねじの発熱を抑制することができる。 The radius (radius centered on the screw shaft) of the contact position between the screw shaft 2 and the balls 5a, 5b is approximately the same as the radius of the contact position between the nut 3 and the balls 5a, 5b, so even if the balls 5a, 5b roll, in the case of a Gothic arch groove, a third contact point is not generated, and even in the circular arc groove of this embodiment, the angle between the two lines connecting the two contact points P1, P2 and the ball center O is approximately 180 degrees. This makes it possible to reduce slippage (friction) and suppress heat generation in the ball screw due to friction.

転がり方向反転時にボール5a,5bの接触状態が2点接触状態のままなので、フリーゾーンによる摩擦トルクの変動を抑制できる。 When the rolling direction is reversed, the contact state between the balls 5a and 5b remains in a two-point contact state, so fluctuations in friction torque due to the free zone can be suppressed.

ねじ軸2のねじ山10の一対の側面10b,10cそれぞれに第1ねじ軸軌道面11と第2ねじ軸軌道面12それぞれを形成し、第1ナット部3aの第1ボール5aをねじ軸2の第1ねじ軸軌道面11側にのみ設け、第2ナット部3bの第2ボール5bをねじ軸2の第2ねじ軸軌道面12側にのみ設けるので、ねじ軸2のリード角を小さくすることができる。また、第1ボール5a、第2ボール5bに予圧を付与することができる。A first screw shaft raceway surface 11 and a second screw shaft raceway surface 12 are formed on each of a pair of side surfaces 10b, 10c of the thread 10 of the screw shaft 2, and the first ball 5a of the first nut portion 3a is provided only on the first screw shaft raceway surface 11 side of the screw shaft 2, and the second ball 5b of the second nut portion 3b is provided only on the second screw shaft raceway surface 12 side of the screw shaft 2, so that the lead angle of the screw shaft 2 can be reduced. In addition, a preload can be applied to the first ball 5a and the second ball 5b.

第1ナット部3aと第2ナット部3bとの間に間座4を設けるので、第1ナット部3aと第2ナット部3bに予圧を付与することができる。A spacer 4 is provided between the first nut portion 3a and the second nut portion 3b, so that a preload can be applied to the first nut portion 3a and the second nut portion 3b.

ねじ軸2のねじ山10の側面10b,10cが、ねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して傾斜しているので、ねじ山10の側面10b,10cにねじ軸軌道面11,12を加工するのが容易である。図4に示すように、ねじ軸2のねじ山10の側面10b,10cを図中実線から破線に示すように傾斜させることで、第1ねじ軸軌道面11を研削する砥石Tを実線から破線に示すように傾斜させることができ、砥石Tの周面T1で第1ねじ軸軌道面11を研削できるようになる。Since the side surfaces 10b, 10c of the thread 10 of the screw shaft 2 are inclined with respect to a line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2, it is easy to machine the screw shaft raceway surfaces 11, 12 on the side surfaces 10b, 10c of the thread 10. As shown in Figure 4, by inclining the side surfaces 10b, 10c of the thread 10 of the screw shaft 2 from the solid line to the dashed line in the figure, the grindstone T for grinding the first screw shaft raceway surface 11 can be inclined from the solid line to the dashed line, and the first screw shaft raceway surface 11 can be ground with the peripheral surface T1 of the grindstone T.

ねじ軸2のねじ山10の根元部10-1が頂部10-2よりも太いので、ねじ軸2のねじ山10の強度を向上させることができる。同様に、ナット3のナットねじ山6a,6bの強度を向上させることができる。
(第2の実施形態)
Since the root portion 10-1 of the thread 10 of the screw shaft 2 is thicker than the top portion 10-2, it is possible to improve the strength of the thread 10 of the screw shaft 2. Similarly, it is possible to improve the strength of the nut threads 6a, 6b of the nut 3.
Second Embodiment

図5は、本発明の第2の実施形態の転動体ねじ装置としてのボールねじ31の断面図である。2はねじ軸、2aはねじ軸の軸線、3はナット、3aは第1ナット部、3bは第2ナット部、5aは第1ボール、5bは第2ボール、4は間座である。第2の実施形態のボールねじ31の基本構成は、第1の実施形態のボールねじ1と同様なので、同一の符号を附してその説明を省略する。 Figure 5 is a cross-sectional view of a ball screw 31 as a rolling body screw device according to a second embodiment of the present invention. 2 is a screw shaft, 2a is the axis of the screw shaft, 3 is a nut, 3a is a first nut portion, 3b is a second nut portion, 5a is a first ball, 5b is a second ball, and 4 is a spacer. The basic configuration of the ball screw 31 of the second embodiment is the same as that of the ball screw 1 of the first embodiment, so the same reference numerals are used and the description thereof is omitted.

第1の実施形態のボールねじ1では、ねじ軸2のねじ山10の側面10b,10cがねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して傾斜しているのに対し、第2の実施形態のボールねじ31では、ねじ軸2のねじ山10の側面10b,10cがねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して平行である。同様に、第1の実施形態のボールねじ1では、ナット3のナットねじ山6a,6bの側面7b,7cがねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して傾斜しているのに対し、第2の実施形態のボールねじ31では、ナット3のナットねじ山6a,6bの側面7b,7cがねじ軸2の軸線2aと直交する線2bに対して平行である。In the ball screw 1 of the first embodiment, the side surfaces 10b, 10c of the thread 10 of the screw shaft 2 are inclined with respect to the line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2, whereas in the ball screw 31 of the second embodiment, the side surfaces 10b, 10c of the thread 10 of the screw shaft 2 are parallel to the line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2. Similarly, in the ball screw 1 of the first embodiment, the side surfaces 7b, 7c of the nut threads 6a, 6b of the nut 3 are inclined with respect to the line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2, whereas in the ball screw 31 of the second embodiment, the side surfaces 7b, 7c of the nut threads 6a, 6b of the nut 3 are parallel to the line 2b perpendicular to the axis 2a of the screw shaft 2.

第2の実施形態のボールねじ31においては、ねじ山10の側面10b,10cとナットねじ山6a,6bの側面7b,7cが傾斜していないので、ねじ軸軌道面11,12とナット軌道面21,22を加工しにくいという欠点があるが、この点を除いて、第1の実施形態のボールねじ1と同様な効果を奏する。
(第3の実施形態)
In the ball screw 31 of the second embodiment, the side surfaces 10b, 10c of the thread 10 and the side surfaces 7b, 7c of the nut threads 6a, 6b are not inclined, which has the disadvantage that it is difficult to machine the screw shaft raceway surfaces 11, 12 and the nut raceway surfaces 21, 22. However, apart from this point, the same effects as those of the ball screw 1 of the first embodiment are achieved.
Third Embodiment

図6は、本発明の第3の実施形態の転動体ねじ装置としてのボールねじ40の断面図である。41はねじ軸、41aはねじ軸の軸線、42はナット、43はボールである。第1の実施形態のボールねじ1と第2の実施形態のボールねじ31では、ボールねじ1,31が往路と復路の二方向の荷重を受けられるように構成されているが、第3の実施形態のボールねじ40では、ボールねじ40が一方向(図6の矢印(3)で示すZ軸下方向)の荷重を受けられるように構成される。 Figure 6 is a cross-sectional view of a ball screw 40 as a rolling body screw device according to a third embodiment of the present invention. 41 is a screw shaft, 41a is the axis of the screw shaft, 42 is a nut, and 43 is a ball. In the ball screw 1 of the first embodiment and the ball screw 31 of the second embodiment, the ball screws 1 and 31 are configured to receive loads in two directions, forward and backward, but in the ball screw 40 of the third embodiment, the ball screw 40 is configured to receive loads in one direction (the downward Z-axis direction indicated by the arrow (3) in Figure 6).

ねじ軸41はZ軸方向に配置される。そして、ナット42に取り付けられる図示しない可動体の重力によって、がたつきが発生するのを防止する。The screw shaft 41 is arranged in the Z-axis direction. It prevents rattling due to the gravity of a movable body (not shown) attached to the nut 42.

第3の実施形態のボールねじ40においても、ねじ軸41の螺旋状のねじ山44の側面には、ねじ軸軌道面45が形成される。ナット42の螺旋状のナットねじ山46の側面には、ねじ軸軌道面45に対向するナット軌道面47が形成される。ねじ軸軌道面45とナット軌道面47との間には、転がり可能に複数のボール43が介在する。ねじ軸41のねじ山44の外径は、ナット42のナットねじ山46の内径よりも大きく、接触角は90°±30°の範囲に設定される。In the ball screw 40 of the third embodiment, a screw shaft raceway surface 45 is also formed on the side of the helical thread 44 of the screw shaft 41. A nut raceway surface 47 facing the screw shaft raceway surface 45 is formed on the side of the helical nut thread 46 of the nut 42. A plurality of balls 43 are interposed between the screw shaft raceway surface 45 and the nut raceway surface 47 in a rollable manner. The outer diameter of the thread 44 of the screw shaft 41 is larger than the inner diameter of the nut thread 46 of the nut 42, and the contact angle is set in the range of 90°±30°.

第3の実施形態のボールねじ40によれば、第1の実施形態のボールねじ1と第2の実施形態のボールねじ31と同様に、軸方向の定格荷重が大きく、発熱が少なく、転がり方向反転時のフリーゾーンによる摩擦トルクの変動も抑制できる。 According to the ball screw 40 of the third embodiment, similar to the ball screw 1 of the first embodiment and the ball screw 31 of the second embodiment, the axial load rating is large, heat generation is low, and fluctuations in friction torque due to the free zone when the rolling direction is reversed can be suppressed.

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化できる。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention.

例えば上記実施形態では、転動体としてボールを使用しているが、転動体としてローラを使用してもよい。For example, in the above embodiment, balls are used as rolling elements, but rollers may also be used as rolling elements.

本明細書は、2019年8月1日出願の特願2019-141986に基づく。この内容はすべてここに含めておく。This specification is based on Japanese Patent Application No. 2019-141986, filed on August 1, 2019, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

1,31,40…ボールねじ(転動体ねじ装置)、2…ねじ軸、3a…第1ナット部(ナット)、3b…第2ナット部(ナット)、4…間座、5a…第1ボール(転動体)、5b…第2ボール(転動体)、6a,6b…ナットねじ山、6-1…ナットねじ山の根元部、6-2…ナットねじ山の頂部、7b,7c…ナットねじ山の側面、10…ねじ山、10-1…ねじ山の根元部、10-2…ねじ山の頂部、10b,10c…ねじ山の側面、11…第1ねじ軸軌道面(ねじ軸軌道面)、12…第2ねじ軸軌道面(ねじ軸軌道面)、21…第1ナット軌道面(ナット軌道面)、22…第2ナット軌道面(ナット軌道面)、41…ねじ軸、43…ボール(転動体)、44…ねじ山、45…ねじ軸軌道面、46…ナットねじ山、47…ナット軌道面、D1…ねじ山の外径、D2…ナットねじ山の内径、α…接触角 1, 31, 40...ball screw (rolling body screw device), 2...screw shaft, 3a...first nut portion (nut), 3b...second nut portion (nut), 4...spacer, 5a...first ball (rolling body), 5b...second ball (rolling body), 6a, 6b...nut thread, 6-1...root of nut thread, 6-2...top of nut thread, 7b, 7c...side of nut thread, 10...thread, 10-1...root of thread, 10-2...top of thread portion, 10b, 10c...side surface of thread, 11...first thread shaft raceway surface (thread shaft raceway surface), 12...second thread shaft raceway surface (thread shaft raceway surface), 21...first nut raceway surface (nut raceway surface), 22...second nut raceway surface (nut raceway surface), 41...thread shaft, 43...ball (rolling element), 44...thread, 45...thread shaft raceway surface, 46...nut thread, 47...nut raceway surface, D1...outside diameter of thread, D2...inside diameter of nut thread, α...contact angle

Claims (7)

外面に螺旋状のねじ山を有し、前記ねじ山の側面にねじ軸軌道面が形成されるねじ軸と、
内面に螺旋状のナットねじ山を有し、前記ナットねじ山の側面に前記ねじ軸軌道面に対向するナット軌道面が形成されるナットと、
前記ねじ軸軌道面と前記ナット軌道面との間に転がり可能に介在する複数の転動体と、を備え、
前記ねじ軸の前記ねじ山の外径が前記ナットの前記ナットねじ山の内径よりも大きく、
前記ねじ軸の前記ねじ山の一対の側面それぞれに第1ねじ軸軌道面と第2ねじ軸軌道面それぞれが形成され、
前記ナットは、前記ねじ軸の前記第1ねじ軸軌道面に対向する第1ナット軌道面が形成される第1ナット部と、前記ねじ軸の前記第2ねじ軸軌道面に対向する第2ナット軌道面が形成される第2ナット部と、を備え、
前記第1ナット部における第1転動体が前記ねじ軸の前記第1ねじ軸軌道面側にのみ存在し、
前記第2ナット部における第2転動体が前記ねじ軸の前記第2ねじ軸軌道面側にのみ存在することを特徴とする転動体ねじ装置。
A screw shaft having a helical thread on an outer surface thereof and a screw shaft raceway surface formed on a side surface of the thread;
A nut having a helical nut thread on an inner surface thereof, and a nut raceway surface facing the screw shaft raceway surface is formed on a side surface of the nut thread;
A plurality of rolling elements are rollably interposed between the screw shaft raceway surface and the nut raceway surface,
The outer diameter of the thread of the screw shaft is larger than the inner diameter of the nut thread of the nut,
A first screw shaft raceway surface and a second screw shaft raceway surface are formed on each of a pair of side surfaces of the thread of the screw shaft,
The nut includes a first nut portion having a first nut raceway surface facing the first screw shaft raceway surface of the screw shaft, and a second nut portion having a second nut raceway surface facing the second screw shaft raceway surface of the screw shaft,
The first rolling element in the first nut portion is present only on the first screw shaft raceway surface side of the screw shaft,
A rolling element screw device , characterized in that a second rolling element in the second nut portion is present only on the second screw shaft raceway surface side of the screw shaft .
前記第1ナット部と前記第2ナット部との間には、前記第1転動体と前記第2転動体に予圧を付与するための間座が存在することを特徴とする請求項に記載の転動体ねじ装置。 2. The rolling element screw device according to claim 1 , characterized in that a spacer for applying a preload to the first rolling element and the second rolling element is provided between the first nut portion and the second nut portion. 前記ナットは、前記第1ナット部と前記第2ナット部を有するシングルナットであることを特徴とする請求項又はに記載の転動体ねじ装置。 3. The rolling element screw device according to claim 1 , wherein the nut is a single nut having the first nut portion and the second nut portion. 前記ねじ軸の前記ねじ山の前記側面及び/又は前記ナットの前記ナットねじ山の前記側面が前記ねじ軸の軸線と直交する線に対して傾斜することを特徴とする請求項1ないしのいずれか一項に記載の転動体ねじ装置。 The rolling element screw device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the side surface of the thread of the screw shaft and/or the side surface of the nut thread of the nut are inclined with respect to a line perpendicular to the axis of the screw shaft. 前記ねじ軸の前記ねじ山及び/又は前記ナットの前記ナットねじ山の根元部が頂部よりも太いことを特徴とする請求項に記載の転動体ねじ装置。 5. The rolling element screw device according to claim 4 , characterized in that a root portion of the thread of the screw shaft and/or a nut thread of the nut is thicker than a top portion. 前記ねじ軸軌道面と前記ナット軌道面の形状がサーキュラーアーク溝であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか一項に記載の転動体ねじ装置。 6. The rolling element screw device according to claim 1, wherein the screw shaft raceway surface and the nut raceway surface have a circular arc groove shape. 接触角が90°±30°の範囲に設定されることを特徴とする請求項1ないしのいずれか一項に記載の転動体ねじ装置。 7. The rolling element screw device according to claim 1, wherein the contact angle is set in the range of 90°±30°.
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