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ボールねじは、回転運動を摩擦の少ない直線運動に変換する機械式リニアアクチュエータです。ねじ付きシャフトは、精密ねじとして機能するボールベアリングのためのらせん状の軌道を提供します。高い推力荷重をかけたり、それに耐えたりできるだけでなく、内部摩擦を最小限に抑えることができます。厳密な公差で製造されているため、高精度な用途に適しています。ボールアセンブリはナットとして機能し、ねじ付きシャフトはねじとして機能します。
従来の送りねじとは対照的に、ボールねじはボールを再循環させる機構が必要なため、かなりかさばる傾向がある。
ボールねじは、H.M.スティーブンソンとD.グレンによってそれぞれ独立に発明され、1898年に特許番号601,451と610,044が付与された。
初期の精密ねじ軸は、低精度のねじ軸を出発点として、複数のバネ付きナットラップで軸をラッピングすることによって製造されました。 [ 1 ]。ナットラップを再配置および反転させることにより、ナットと軸の長さ方向の誤差が平均化されました。次に、再現性のあるピッチ軸のピッチが距離標準に対して測定されます。同様のプロセスは、今日でも基準ねじ軸の製造や、ねじ軸の製造マスターの作成に使用されることがあります。
ボールねじは摩擦が少ないため、他のねじに比べて高い機械効率を実現します。一般的なボールねじの効率は90%にも達するのに対し、同サイズのアクロねじの効率は20～25%程度です。ナットとねじの間に滑り摩擦がないため、ねじアセンブリの寿命が延び（特にバックラッシュのないシステムの場合）、メンテナンスや部品交換のためのダウンタイムが短縮されるとともに、潤滑油の使用量も減少します。これらの利点に加え、全体的な性能向上と消費電力の削減により、ボールねじを使用する際の初期コストを相殺できる可能性があります。
ボールねじは、リードねじとナットの組み合わせでよく見られるバックラッシュを低減または解消することもできます。ボールに予圧をかけることで、ボールねじとボールナットの間に「ぐらつき」が生じないようにすることができます。これは、工作機械のようにねじにかかる荷重が急激に変化する用途において特に有効です。
ボールねじは、特に従来のリードねじと比較して機械効率が高いため、逆回転する可能性があります（つまり、ナットに直接直線的な力が加わると、軸が回転してしまうことがあり、これはほとんどの用途において逆効果となります）。これは通常、電動アプリケーションでは影響が限定的で、場合によっては軽度の保護効果をもたらす可能性さえありますが、手動駆動システム、例えば手動送り式の工作機械などには一般的に不向きです。適切なサーボモーターの静的トルクとデジタル制御によって、この逆回転に抵抗し補償することは可能ですが、手動クランク機構では、望ましくない動作を防ぐための追加機構が必要になります。このような望ましくない動作は、機械の制御が単純に失われること（例えば、機械の工具がオペレーターの制御入力なしに軸を動かすなど）から、予期せぬ力がオペレーターの手足に伝わり、怪我のリスクをもたらすような危険なケースまで多岐にわたります。通常のリードねじはこのような逆回転に抵抗し、あるいは完全に防止するため、手動使用においては本質的に安全で信頼性が高いと言えます。結果としてアクロメねじを逆回転させるのに必要な力は、通常、機構を破壊し、機械を固定し、作業者に危険を及ぼす前に危険な力を吸収するのに十分な大きさである。
ボールはねじとナットのねじ山の中を循環し、様々なタイプの戻り機構によって再循環されます。ボールナットに戻り機構がない場合、ボールはナットの端に達したときにボールナットの端から落ちてしまいます。このため、いくつかの異なる再循環方法が開発されました。外部ボールナットは、小さなピックアップフィンガーを使用して軌道からボールを拾い上げるプレス加工されたチューブを使用します。ボールはチューブ内を移動し、その後ねじの軌道に戻されます。内部ボタンボールナットは、機械加工または鋳造されたボタン型の戻り機構を使用し、ボールが軌道から出て1つのねじ山を移動してから軌道に戻ることを可能にします。エンドキャップ戻りボールナットは、ボールナットの端にキャップを使用します。キャップは、ナットの端から出てくるボールを拾い上げ、ボールナットを横方向に貫通する穴に導くように機械加工されています。ナットの反対側にある補角キャップは、ボールを軌道に戻す役割を果たします。戻ってきたボールには大きな機械的負荷はかからず、戻り経路には射出成形された低摩擦プラスチック部品が使用される場合があります。
ボールねじは、多くの類似システムに比べて部品点数と表面相互作用が著しく多い。基本的なリードねじは、単純な嵌合形状を持つ中実のシャフトとナットのみで構成されているのに対し、ボールねじは、ベアリングボールの動作を円滑にするために、精密に成形された曲線形状と複数の部品からなるアセンブリを必要とする。そのため、製造コストが高くなり、場合によってはメンテナンスコストも高くなる。また、適切なメンテナンスが行われない場合、故障の原因となる可能性も高くなる。
回転入力駆動を従来の方法で行う、または
直線力がシステムを逆駆動している場合。
これらの式では、ねじまたはナットに加わるトルクは、加えられた直線力は、ボールねじのリードは、ボールねじの効率は、使用する規格の選択によって決まります。この規格の選択は、供給者と使用者間の合意事項であり、ねじの設計に一定の影響を与えます。米国では、ASMEが「ボールねじ」というタイトルのB5.48-1977規格を策定しました。
ボールねじ溝の曲率を正しく評価することで、この機構の構造パラメータを正確に設計し、その性能を向上させることができます。文献で一般的に使用されている定式化は、ボールベアリングの形状を参照しており、断面プロファイルの形状とらせん角は無視されています。特に、第一主曲率は次のように計算されます。ねじ軸溝用、そしてナット溝の場合、φは接触角であり、はピッチ円の半径であり、は球の半径です。第2主曲率は単純にねじ軸溝とナット溝の場合、そしてはそれぞれ、ねじ軸とナットの溝形状の適合係数です。これらの式は、溝形状とらせん角の存在を考慮していません。より最近の論文では、ねじ軸とナットの溝の曲率の正確な解が見つかっています。新しい研究では、実際の曲率値を最大相対誤差約0.5%で近似する新しい式が提案されています。[ 2 ]したがって、ねじ軸溝の第一主曲率のより正確な式は次のようになります。そしてナット溝の場合、はらせん角です。
本来の精度を維持し、長寿命を確保するためには、汚れや研磨粒子による汚染を避けるよう細心の注意を払う必要があります。そのためには、ゴム製または革製のベローズを用いて作業面を完全に、あるいは部分的に覆うことが有効です。また、半密閉型または開放型の筐体内で使用する場合は、ろ過された空気を正圧で供給することも有効な手段です。
ボールねじは摩擦を低減するだけでなく、ある程度の予圧をかけた状態で動作させることができ、入力（回転）と出力（直線運動）間のバックラッシュ（ガタつき）を効果的に排除します。この特性は、 CNC工作機械や高精度モーションアプリケーション（ワイヤボンディングなど）といったコンピュータ制御のモーションコントロールシステムで使用する場合に不可欠です。
標準的なボールベアリングと同様に、ボールが適切に転がるには、一方向に荷重がかかったときに、ボールがナットと一点で、そしてねじと一点で接触する必要があります。実際には、ほとんどのボールねじは軽く予圧されるように設計されているため、ボールには少なくとも4点でわずかな荷重がかかり、そのうち2点はナットと、2点はねじと接触します。これは、ボールよりもわずかに半径の大きいねじ山形状を使用することで実現されます。半径の差は小さく保たれます（例えば、平面を持つ単純なVねじは不適切です）。これにより、接触点周辺の弾性変形によって、他の転がり軸受と同様に、小さくてもゼロではない接触面積が得られます。この目的のために、ねじ山は通常「ゴシックアーチ」形状に加工されます。単純な半円形のねじ山形状を使用した場合、接触点は外縁と内縁の2点のみとなり、軸方向の荷重に耐えることができません。
バックラッシュを除去し、特定の用途に最適な剛性と耐摩耗特性を得るために、通常は制御された量の予圧が加えられます。これは、部品を機械加工して、組み立て時にボールが「きつく」嵌合するようにすることで実現される場合もありますが、この方法では予圧の制御が不十分であり、摩耗に合わせて調整することもできません。より一般的なのは、ボールナットを実質的に機械的にしっかりと結合された2つの独立したナットとして設計し、一方のナットを他方のナットに対して回転させて相対的な軸方向変位を生み出すか、両方のナットを軸方向にしっかりと固定したまま一方を他方に対して回転させ、そのボールセットを軸方向に変位させて予圧を生み出すことで調整する方法です。
ボールねじの軸は圧延加工によって製造することができ、精度は劣るものの、安価で機械的効率の良い製品となる。圧延加工されたボールねじの位置精度は、1フィートあたり数千分の1インチ程度である。
ボールねじは、C0（最も精密）からC10までの「精度等級」で分類されます。[ 3 ]高精度ねじ軸は通常、1フィートあたり1千分の1インチ（830 nm/cm）以上の精度です。従来は、粗形状に機械加工し、表面硬化処理を施し、研削加工を行っていました。高温での機械加工はワークピースを歪ませるため、3段階の工程が必要です。[ 4 ] ハードワーリングは、ワークの加熱を最小限に抑え、表面硬化処理を施した棒材から精密ねじを製造できる、最近（2008年）の精密機械加工技術です。[ 5 ]計測機器用ねじ軸は通常、1センチメートルあたり250ナノメートルの精度です。光学距離測定装置と特殊工具を備えた精密フライス盤で製造されます。同様の機械は、光学レンズやミラーの製造にも使用されます。計測機器用ねじ軸は、温度変化による公差の大きな変化を防ぐため、一般的にインバーで作られています。
ボールねじは、航空機やミサイルにおいて操縦翼面を動かすために使用され、特に電動フライバイワイヤシステムにおいて用いられます。また、自動車のパワーステアリングにおいては、電動モーターの回転運動をステアリングラックの軸方向運動に変換するために使用されます。さらに、工作機械、ロボット、精密組立装置にも使用されています。高精度ボールねじは、半導体製造用のステッピングモーターにも使用されています。
ボールねじは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の展開式タワーアセンブリ（DTA）構造を拡張するために使用されます。
テラパワー社のナトリウム原子炉では、制御棒駆動機構の一部としてボールねじが使用される予定である。 [ 6 ]
回転ロッドをベースとしたリニアアクチュエータのもう一つの形態は、ねじなしボールねじ、または「ローリングリングドライブ」です。この設計では、滑らかな（ねじなし）アクチュエータロッドまたはシャフトを囲むハウジング内に、3つ以上のローリングリングベアリングが対称的に配置されています。ベアリングはロッドに対してある角度で配置されており、この角度によってロッドの1回転あたりの直線運動の方向と速度が決まります。この設計の従来のボールねじやリードスクリューに対する利点は、バックラッシュやプリロードナットによる負荷を実質的に排除できることです。
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