JP2004069013A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】より高い耐食性及び非磁性が要求される環境下であっても、厳密な予圧調整を行うことを可能としたボールねじを提供する。
【解決手段】ねじ軸１及びナット２がチタン合金製であり、且つ、ボール３がセラミックス製であるボールねじにおいて、ナット２を、予圧調整用の間座２３を間に挿入した第一のナット２１と第二のナット２２とから形成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品機械、半導体製造装置、化学繊維製造装置などのように、水、海水、化学薬品などの腐食性環境下で用いられる機械装置や、半導体製造装置、液晶製造装置、Ｘ線或いは電子線を使用した計測装置などのように、非磁性が要求される環境下で用いられる機械装置に好適に用いられるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ボールねじを構成するナットやねじ軸は、主に高炭素クロム軸受鋼や肌焼鋼などの鉄鋼材料が一般的に使用されている。
このボールねじの使用環境は多種多用であり、水、海水、化学薬品中などの腐食性環境下で使用されることもある。このような高い耐食性が要求される環境下で使用される場合には、ステンレス鋼からなるボールねじが多々使用されている。しかし、近年、転動部材の使用環境がさらに過酷になるにつれ、従来のステンレス鋼からなるボールねじであっても、耐食性が不足する場合が生じている。
【０００３】
また、半導体製造装置、液晶製造装置、Ｘ線や電子線を使用した測定装置などのように、磁場を利用した装置や磁場によって測定精度が低下する装置において使用されることもある。
このような装置において適用される構成部品としては、回転及び移動によって周辺の磁場を乱さないように非磁性が要求されるため、非磁性ステンレス鋼やベリリウム銅から構成されたものが使用されている。
【０００４】
しかし、この非磁性ステンレス鋼の透磁率は、１．００２〜１．０４０程度であるが、この程度の透磁率では、構成部品がわずかに磁化するだけでも精度不良の原因となる電子線などを用いた分析装置や測定装置において適用することは困難である。
そこで、より完全に近い非磁性が要求される場合には、透磁率が１．００１以下であるベリリウム銅から構成されたボールねじが使用されている。ところが、このベリリウム銅を構成する元素であるベリリウムやその化合物の一部は、環境負荷物質として認識されているため、ベリリウム銅以外の材料から非磁性能力に優れたボールねじを形成することが切望されている。
【０００５】
このような状況から、特開２００１−２２７５５０号公報において、ねじ軸とナットとを、耐食性、非磁性能力に優れるチタン合金製とした手段が提案されている。
この手段によると、ねじ軸及びナットにおける耐食性及び非磁性を確保できるようになった。ところが、さらなる耐食性及び非磁性が要求される環境下では、このねじ軸及びナット以外の構成部品であるボールなどの耐食性及び非磁性が問題となる場合があった。
【０００６】
ここで、ボールもチタン合金製とすることが考えられるが、難削材であるチタン合金から、ボールねじに要求される高精度なボールを数多く製造することは非常に困難であった。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
ところで、上述した半導体製造装置、液晶製造装置、或いは計測装置などに使用するボールねじは、軸方向の位置決め精度を確保するため、ボールねじに予圧を付与することにより剛性を向上させることが一般に行われている。
ここで、特に、真空環境や腐食性環境など、ボールねじにとって過酷な使用条件となる環境下においては、必要以上に予圧量を大きくすることは寿命低下につながるため、厳密な予圧調整が必要とされている。
【０００８】
この予圧調整は、例えば、約１μｍ毎にサイズを有する複数のボールを用意し、図５に示すように、ねじ軸１の外周面に形成された第一のねじ溝１ａと、ナット２の内周面に形成された第二のねじ溝２ａとの間に、第一のねじ溝１ａ及び第二のねじ溝２ａの対角寸法Ｌ以上のサイズのボール３を充填するオーバーサイズボールによって行うことができる。なお、図５中の符号４はボールを循環させるためのリターンチューブ、５はこのリターンチューブ４をナット２に固定するためのチューブ止め具、６はチューブ止め具５と同様にリターンチューブ４をナット２に固定するための循環路固定ボルトを示し、いずれもねじ軸１及びナット２、並びにボール３と同様に、ステンレス鋼から構成されている。また、図５中の符号７はボールねじ内に外部から異物が侵入するのを抑制するためのラビリンスシールを示し、ポリアセタールから構成されている。
【０００９】
しかしながら、耐食性及び非磁性を確保するのに最適なセラミックス製のボールにおいて、一般的に入手可能なものは約２．５μｍ毎のサイズしかなく、ボールサイズのみで厳密な予圧調整を行うことは非常に困難であった。
ここで、第一のねじ溝１ａ及び第二のねじ溝２ａのボール軌道面を精密加工することにより予圧を調整することも考えられるが、難削材であるチタン合金を予圧調整のレベルで加工することは非常に困難であった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ねじ軸及びナットをチタン合金製とし、且つ、ボールをセラミックス製とし、耐食性及び非磁性が要求される環境下で好適に用いることできるボールねじにおいて、厳密な予圧調整を可能としたボールねじを提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明のボールねじは、外周面に第一のねじ溝を有するねじ軸と、このねじ軸に形成された第一のねじ溝に対向する内周面に第二のねじ溝を有するナットと、前記第一及び第二のねじ溝間に転動自在に配設された複数のボールとを備え、前記ねじ軸及び前記ナットがチタン合金製であり、且つ、前記ボールがセラミックス製であるボールねじにおいて、前記ナットが、予圧調整用の間座を間に挿入した第一のナットと第二のナットとから構成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明のボールねじにおいて、前記間座が、チタン合金製であることが好ましい。
さらに、本発明のボールねじにおいて、前記間座が、異なる二種類以上の材料を軸方向に重ね合わせて構成されているとともに、当該間座全体での軸方向における線膨張係数がチタン合金と同等となるように、前記材料の軸方向における厚みが調整されているようにしてもよい。
【００１３】
ここで、前記間座を構成する前記材料は、チタン合金とアルミ合金であるようにしてもよい。
また、前記間座を構成する前記材料は、チタン合金とセラミックスであるようにしてもよい。
さらに、前記間座を構成する前記材料は、セラミックスとアルミ合金であるようにしてもよい。
【００１４】
本発明のボールねじによれば、ねじ軸及びナットがチタン合金製であり、且つ、ボールがセラミックス製であるボールねじにおいて、ナットが、予圧調整用の間座を間に挿入した第一のナットと第二のナットとから構成されていることによって、この間座の軸方向における厚さを調整することにより、軸方向と回転方向の位置決めができ、予圧調整を行うことが可能となる。これにより、ボールサイズによる予圧調整や、第一のねじ溝及び第二のねじ溝における軌道面の加工調整を行うことなく、容易且つ確実に厳密な予圧調整を行うことができる。
【００１５】
すなわち、ねじ軸及びナットをチタン合金製とし、且つ、ボールをセラミックス製とすることで、高い耐食性及び非磁性が要求される環境下であっても好適に用いられるとともに、容易且つ低コストで厳密な予圧調整を行うことを可能としたボールねじを提供することができる。
また、本発明のボールねじによれば、間座をチタン合金製とすることによって、間座、ねじ軸、及びナットの線膨張係数が等しくなり、ボールねじの使用条件によりボールねじ温度が変化した場合であっても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。
【００１６】
さらに、本発明のボールねじによれば、間座を、異なる二種類以上の材料を軸方向に重ね合わせて構成するとともに、当該間座全体での軸方向における線膨張係数がチタン合金と同等となるように、材料の軸方向における厚みを調整することによって、間座をチタン合金単独で構成した場合とほぼ同等の効果を低コストで得ることが可能となる。
【００１７】
ここで、本発明のボールねじにおける間座を、チタン合金と、アルミ合金或いはセラミックスとから構成する場合には、アルミ合金或いはセラミックスの厚さを、チタン合金よりも薄くすることで、間座全体としての線膨張係数をチタン合金の線膨張係数に近づけることが好ましい。このことによって、ボールねじの使用条件によりボールねじ温度が変化した場合であっても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。このとき、チタン合金よりも薄く形成したアルミ合金或いはセラミックスの間座の厚みによって予圧調整を行うようにすれば、難削材であるチタン合金を加工する場合に比べて、大幅に低コストで予圧調整を行うことが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明のボールねじの一構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。なお、図１に示すボールねじにおいて、図５に示した従来のボールねじと同一の部品には、同一の符号を付して説明する。
【００１９】
本実施例におけるボールねじは、外周面に螺旋状の第一のねじ溝１ａを有するねじ軸１と、このねじ軸１の第一のねじ溝１ａと対向する内周面に第二のねじ溝２ａを有するナット２と、この第一のねじ溝１ａと第二のねじ溝２ａとの間に形成されたボール転動路（図示しない）に転動自在に配設された複数のボール３とを備えている。
【００２０】
また、ナット２は、軸方向（図１における左右方向）に並べられた第一のナット２１及び第二のナット２２と、この第一のナット２１及び第二のナット２２間に挿入された予圧調整用の間座２３とが、ナット２の外周部に設けられたキー材８によって一体に構成されており、ボール転動路内のボール３には、間座２３から第一及び第二のナット２１、２２に各々向かう方向（図１に示す矢印方向）に予圧が付与されている。ここで、間座２３の軸方向における厚みＷを調整することによって、軸方向と回転方向の位置決めができ、所望の予圧量に調整を行うようにする。
【００２１】
さらに、ボールねじには、ナット２の外周に、リターンチューブ４と、このリターンチューブ４をナット２に固定するためのチューブ止め具５及び循環路固定ボルト６とを備えており、このリターンチューブ４内には、ボール転動路と連通させるボール戻し路が形成されている。
ここで、本実施例におけるボールねじにおいて、ねじ軸１、ナット２、リターンチューブ４及び循環路固定ボルト６は、チタン合金から構成している。
【００２２】
また、ボール３は、セラミックスから構成している。
さらに、間座２３及びキー材８は、アルミ合金もしくは非磁性ＳＵＳから構成している。
さらに、ラビリンスシール７は、フッ素樹脂から構成している。
このように、本実施例におけるボールねじによれば、ねじ軸１及びナット２がチタン合金製であり、且つ、ボール３がセラミックス製であるとともに、ナット２を、予圧調整用の間座２３を間に挿入した第一のナット２１と第二のナット２２とから構成することによって、この間座２３の軸方向における厚みＷを調整することで、軸方向と回転方向の位置決めができ、予圧調整を行うことができる。ここで、間座２３の厚み調整は、平面加工によるため、高精度な加工調整が可能となる。よって、厳しい耐食性及び非磁性が要求される環境下で用いられる機械装置において、厳密な予圧調整を容易且つ確実に行うことが可能となる。
【００２３】
また、本発明におけるボールねじによれば、その構成部品である間座２３及びキー材８を、アルミ合金もしくは非磁性ＳＵＳから構成したことによって、さらに厳しい耐食性及び非磁性が要求される環境下で用いられる機械装置において、好適に用いることが可能となる。
（実施例２）
本実施例におけるボールねじは、実施例１で示すボールねじにおいて、間座２３及びキー材８を、チタン合金から構成している。
【００２４】
このように、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３をチタン合金から構成したことによって、間座２３、ねじ軸１、第一のナット２１、及び第二のナット２２の線膨張係数が等しくなり、ボールねじの使用条件により予圧調整時と比べてボールねじ温度が変化してしまったとしても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。
【００２５】
また、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３及びキー材８もチタン合金から構成したことによって、さらに厳しい耐食性及び非磁性が要求される環境下で用いられる機械装置において、好適に用いることが可能となる。
（実施例３）
図２は、本発明のボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。なお、本実施例におけるボールねじは、実施例１で示すボールねじに対して、ボールの循環路における形成方式が相違するだけであるため、相違する部分についてのみ説明する。
【００２６】
本実施例におけるボールねじは、実施例１で示したボールねじにおけるリターンチューブ７に代わって、ナット２の軸方向両端に設けられたエンドキャップ９と、ナット２の内周面に設けられた循環穴２Ａとにより、ボール３の循環を行うようになっている。
このナット２の軸方向両端とは、第一のナット２１の軸方向一端と、第二のナット２２の第一のナット２１側とは反対の軸方向一端とを指し、この第一のナット２１及び第二のナット２２のそれぞれに、循環路固定ボルト６によってエンドキャップ９が固定されている。また、実施例１と同様に、この第一のナット２１と第二のナット２２と、その間に介在された間座２３とは、ナット２の外周面に設けられたキー材８によって、一体に構成されている。
【００２７】
ここで、本実施例におけるボールねじにおいては、エンドキャップを、例えばピーク材などの剛性の低い樹脂から構成した以外は、実施例２と同様の材料からそれぞれの構成部品を構成している。
このように、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３がエンドキャップ９を跨いで構成されているため、実施例１及び実施例２に示したチューブ式ボールねじよりも間座２３の長さが長くなる。すなわち、実施例１及び実施例２に示したボールねじと比べて、ボールねじ温度変化に起因する寸法の変化が大きくなった場合であっても、間座２３をチタン合金から構成したことによって、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。
【００２８】
また、本実施例におけるボールねじによれば、実施例２に示したボールねじと同様の効果を得ることができる。
（実施例４）
図３は、本発明におけるボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。本実施例におけるボールねじは、実施例３で示すボールねじにおいて、間座２３の形成材料のみが相違するだけであるため、相違する部分についてのみ説明する。
【００２９】
本実施例におけるボールねじは、実施例３で示すボールねじにおいて、間座２３を、チタン合金からなる第一の間座２３Ａと、このチタン合金の厚みＷ１よりも薄い、厚みＷ２を有するアルミ合金からなる第二の間座２３Ｂとを、軸方向（図３における左右方向）に重ね合わせて構成している。
ここで、予圧量を調整するための間座２３の厚み調整は、第二の間座２３Ｂの厚みＷ２を調整することで行うようにする。
【００３０】
このように、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３を、チタン合金からなる第一の間座２３Ａと、アルミ合金からなる第二の間座２３Ｂとから構成し、第二の間座２３Ｂの厚みＷ２を第一の間座２３Ａの厚みＷ１よりも十分に薄く形成したことによって、間座２３の全体としての線膨張係数は、ねじ軸１、第一のナット２１、及び第二のナット２２を構成するチタン合金の線膨張係数により近くなる。よって、ボールねじの使用条件により、ボールねじ温度が予圧調整時と比べて変化したとしても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。　また、本実施例におけるボールねじによれば、第二の間座２３Ｂを構成するアルミ合金の厚みＷ２を調整することで予圧量の調整を行うようにしたことによって、特殊な精密加工が要求され、高コストを要するチタン合金単独で間座２３が構成された実施例２及び実施例３と比べて、予圧調整にかかるコストを低減させることが可能となる。
（実施例５）
本実施例におけるボールねじは、実施例４で示したボールねじにおける第一の間座２３Ａをチタン合金から構成するとともに、第二の間座２３Ｂをこのチタン合金の厚みＷ１よりも薄い厚みＷ２を有するセラミックスから構成している。
【００３１】
ここで、予圧量を調整するための間座２３の厚み調整は、第二の間座２３Ｂの厚みＷ２を調整することで行うようにする。
このように、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３を、チタン合金からなる第一の間座２３Ａと、セラミックスからなる第二の間座２３Ｂとから構成し、第二の間座２３Ｂの厚みを第一の間座２３Ａよりも十分に薄く形成したことによって、間座２３の全体としての線膨張係数は、ねじ軸１、第一のナット２１、及び第二のナット２２を構成するチタン合金の線膨張係数により近くなる。よって、ボールねじの使用条件により、ボールねじ温度が予圧調整時と比べて変化したとしても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。
【００３２】
また、本実施例におけるボールねじによれば、セラミックスからなる第二の間座２３Ｂの厚みＷ２を調整することで予圧量の調整を行うようにしたことによって、特殊な精密加工が要求され、高コストを要するチタン合金単独で間座２３が構成された実施例２及び実施例３と比べて、予圧調整にかかるコストを低減させることが可能となる。
（実施例６）
図４は、本発明におけるボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。本実施例におけるボールねじは、実施例４で示すボールねじにおいて、間座２３の形成材料のみが相違するだけであるため、相違する部分についてのみ説明する。
【００３３】
本実施例におけるボールねじは、実施例４で示したボールねじにおいて、間座２３を、窒化珪素系セラミックスからなる第一の間座２３Ａと、アルミ合金からなる第二の間座２３Ｂとから構成している。
ここで、間座２３全体の軸方向における線膨張係数をチタン合金の線膨張係数と略等しくなるように、第一の間座２３Ａ厚みＷ１と第二の間座２３Ｂの厚みＷ２との軸方向における予圧調整時の比率を、約７３：２７となるように構成している。なお、チタン合金の線膨張係数は８．４×１０^−６／℃で、第一の間座２３Ａを構成する窒化珪素系セラミックスの線膨張係数は２．８×１０^−６／℃で、第二の間座２３Ｂを構成するアルミ合金の線膨張係数は２３．６×１０^−６／℃である。
【００３４】
このように、本実施例におけるボールねじによれば、間座２３を、窒化珪素系セラミックスからなる第一の間座２３Ａと、アルミ合金からなる第二の間座２３Ｂとから構成し、第一の間座２３Ａの厚みＷ１と第二の間座２３Ｂの厚みＷ２とを調整して間座２３全体の軸方向における線膨張係数をチタン合金の線膨張係数と略等しくすることによって、ボールねじの使用条件によりボールねじ温度が予圧調整時と比べて変化した場合でも、予圧調整時の予圧量を保持することが可能とある。
【００３５】
また、間座２３を構成する第一の間座２３Ａ及び第二の間座２３Ｂを、いずれも精密加工が容易な材料から構成することによって、容易且つ安価で厳密な予圧量の調整を行うことが可能となる。
なお、実施例４〜実施例６におけるボールねじにおいて、間座２３を、異なる材料からなる第一の間座２３Ａ及び第二の間座２３Ｂの二種類で構成したが、間座２３全体での軸方向における線膨張係数がチタン合金と同等となるように厚みが調整されているのであれば、二種類以上の材料から構成するようにしてもかまわない。
【００３６】
また、実施例１〜実施例６におけるボールねじにおいて、間座２３から第一のナット２１及び第二のナット２２の方向に向かう引張り予圧が付与される場合について説明したが、これに限らず、第一のナット２１及び第二のナット２２から間座２３に向かう方向に圧縮予圧が付与されるように設定してもかまわない。
【００３７】
【発明の効果】
このように、本発明のボールねじによれば、ねじ軸及びナットがチタン合金製であり、且つ、ボールがセラミックス製であるボールねじにおいて、ナットを、予圧調整用の間座を間に挿入した第一のナットと第二のナットとから構成したことによって、高い耐食性及び非磁性が要求される環境下であっても好適に用いられるとともに、容易且つ低コストで厳密な予圧調整を行うことが可能となる。
【００３８】
また、本発明のボールねじによれば、間座を、チタン合金製とすることによって、ボールねじの使用条件により予圧調整時と比べてボールねじ温度が変化した場合であっても、予圧調整時の予圧量を保持することが可能となる。
さらに、本発明のボールねじによれば、間座を、異なる二種類以上の材料を軸方向に重ね合わせて構成するとともに、当該間座全体での軸方向における線膨張係数がチタン合金と同等となるように、材料の軸方向における厚みを調整することによって、ボールねじの使用条件により予圧調整時に比べてボールねじ温度が変化した場合であっても、予圧調整時の予圧量を低コストで保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるボールねじの一構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図２】本発明におけるボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図３】本発明におけるボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図４】本発明におけるボールねじの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図５】従来におけるボールねじの一構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正断面図、（ｃ）はボールの拡大断面図である。
【符号の説明】
１　　　　ねじ軸
１ａ　　　第一のねじ溝
２　　　　ナット
２ａ　　　第二のねじ溝
２Ａ　　　貫通穴
３　　　　ボール
４　　　　リターンチューブ
５　　　　チューブ止め具
６　　　　循環路固定ボルト
７　　　　ラビリンスシール
８　　　　キー材
９　　　　エンドキャップ
２１　　　　第一のナット
２２　　　　第二のナット
２３　　　　間座
２３Ａ　　　第一の間座
２３Ｂ　　　第二の間座

Claims (6)

1. 外周面に第一のねじ溝を有するねじ軸と、このねじ軸に形成された第一のねじ溝に対向する内周面に第二のねじ溝を有するナットと、前記第一及び第二のねじ溝間に転動自在に配設された複数のボールとを備え、前記ねじ軸及び前記ナットがチタン合金製であり、且つ、前記ボールがセラミックス製であるボールねじにおいて、
   前記ナットが、予圧調整用の間座を間に挿入した第一のナットと第二のナットとから構成されていることを特徴とするボールねじ。
2. 前記間座が、チタン合金製であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記間座が、異なる二種類以上の材料を軸方向に重ね合わせて構成されているとともに、当該間座全体での軸方向における線膨張係数がチタン合金と同等となるように、前記材料の軸方向における厚みが調整されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
4. 前記間座を構成する前記材料は、チタン合金とアルミ合金であることを特徴とする請求項３に記載のボールねじ。
5. 前記間座を構成する前記材料は、チタン合金とセラミックスであることを特徴とする請求項３に記載のボールねじ。
6. 前記間座を構成する前記材料は、セラミックスとアルミ合金であることを特徴とする請求項３に記載のボールねじ。

Images