JP2005273680A - ボールねじのシール装置およびボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールねじにおいて、外部からナット内への異物の侵入を防止できるとともに、ナット内の潤滑剤の外部への漏出を防止でき、寿命の長いシール技術を提供する。
【解決手段】 シール装置１は、ボールねじ２のナット８の端部に装着されるものであって、弾性変形可能なシールリップ１３を有する一対の環状シール１０、１１が、環状スペーサ１２により所定の間隔をもって配置されてなり、シール１０、１１のシールリップ１３内径輪郭は、ねじ軸６の垂直断面形状と相似形とされるとともに、ねじ軸６の外径よりも若干小さい径寸法を有し、スペーサ１２の内径側における両シール１０、１１間の空間が潤滑剤充填空間１４とされている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ボールねじのシール装置およびボールねじに関し、さらに詳細には、特に工作機械等における移動装置や位置決め装置の作動部として用いられるボールねじに適したシール技術に関する。

この種のボールねじの一般的なシール構造としては、図９(a)に示すように、ねじ軸ａの外周面形状に対応した内径面形状を有するシールｂが、ナットｃの両端部に取付け固定されてなるが、シールｂの内径面とねじ軸ａの外周面とが非接触で、両者間に隙間があることから、外部からナットｃ内への大きな異物の侵入は防げるが、小さなあるいは微細な異物の侵入は防ぐことができず、これら侵入した異物の存在がボールねじの動作精度の低下の原因となっていた。

また、ナットｃ内部に封入された潤滑剤としてのグリースが、ねじ軸ａ外周面に付着してナットｃ外へ漏出してしまい、このナットｃ内のグリースの減少が潤滑寿命の低下の原因となっていた。

この点に関して、例えば特許文献１に記載されるシール装置が提案されている。このシール装置は、図９(b)に示すように、耐磨耗性に優れた合成樹脂等の弾性変形可能な材質の薄板からなり、ねじ軸ａの軸直角断面とほぼ相似しかつそれより小径の内径形状を有するシールリングｄと、このシールリングｄの両側に固着され、上記ねじ軸ａのねじ溝ｅに対する周り止め形状を内径に有する２つの金属リングｆ、ｇとからなり、上記ナットｃの両側に、軸方向に対してのみ固定状態で装着される構造とされている。

このシール装置においては、上記シールリングｄの内径部分がリップ状に弾性変形してねじ軸ａ外周面に密着係合するので、細かい異物のナットｃ内への侵入も有効に防止されて、そのシール性能が向上されている。

しかしながら、このシール装置にあっては、シールリングｄとねじ軸ａとの接触部分において、グリースが封入されるナットｃ内側は潤滑されるが、外側は潤滑されないという状況があり、これがため、シールリングｄの外側が摩耗しやすくて、早期にシール性能の低下を招いてしまい、シール装置の寿命が比較的短いという問題があった。

実開昭６０−１６４１５８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、大小を問わず外部からナット内への異物の侵入を防止できるとともに、ナット内の潤滑剤の外部への漏出を防止でき、しかも寿命の長い構造を備えたボールねじのシール装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的とするところは、上記シール装置を備えるボールねじを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のボールねじのシール装置は、ボールねじのナットの端部に装着されるものであって、弾性変形可能なシールリップを有する一対の環状シールが、環状スペーサにより所定の間隔をもって配置されてなり、上記シールのシールリップ内径輪郭は、ねじ軸の垂直断面形状と相似形とされるとともに、ねじ軸の外径よりも若干小さい径寸法を有し、上記スペーサの内径側における上記両シール間の空間が潤滑剤充填空間とされていることを特徴とする。

好適な実施態様として、上記シールは、エラストマー製の薄板状シール体と、このシール体を補強する補強板とからなり、上記シール体の内径部が上記シールリップを形成するとともに、上記補強板の内径輪郭が上記ねじ軸の垂直断面形状と相似形でかつねじ軸の外径よりも若干大きい径寸法を有する。

上記シール体と補強板の一体化構造としては、次の２態様が好適に採用される。
（１）上記シール体と補強板は一体成形されるとともに、上記補強板が上記シール体内に埋設された芯金の形態とされる。

（２）上記シール体の両側面に２枚の上記補強板が積層固定されて、上記補強板が上記シール体を両側から挟持状に補強する押え板の形態とされる。

また、上記一対のシールとスペーサは、好適には、円周方向へ所定間隔をもって等配された複数の締付部材により締付け固定されてなり、上記一対のシールの配置間隔（Ｗ）は、下記の計算式を満たすように設定される。
計算式：Ｗ＝Ｐ×ｍ／ｎ
（ただし、Ｐ：ねじ軸のボール転動溝のピッチ、ｎ：締付部材の等配数、ｍ：整数）

本発明のボールねじは、上記シール装置を備えるものであって、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に上記ボール転動溝に対向するボール転動溝を有するナットと、上記ねじ軸のボール転動溝およびナットのボール転動溝の間に転動走行可能に配列された複数のボールとを備えてなり、上記ナットの少なくとも一端部に、この部位を密封する上記シール装置が装着され、このシール装置の上記一対のシールが、上記ねじ軸の外周面に所定の締め代をもって摺接するとともに、これらシール間の上記潤滑剤充填空間に潤滑剤が充填されていることを特徴とする。

本発明のシール装置によれば、弾性変形可能なシールリップを有する一対の環状シールが、環状スペーサにより所定の間隔をもって配置されてなり、上記シールのシールリップ内径輪郭は、ねじ軸の垂直断面形状と相似形とされるとともに、ねじ軸の外径よりも若干小さい径寸法を有し、上記スペーサの内径側における上記両シール間の空間が潤滑剤充填空間とされているから、以下に列挙するような種々のすぐれた効果が得られ、大小を問わず外部からナット内への異物の侵入を防止できるとともに、ナット内の潤滑剤の外部への漏出を防止でき、しかもシール性能の低下がなくて、装置寿命の長いシール装置を提供することができる。

（１）上記一対のシール（外側に位置する第１シールと内側に位置する第２シール）は、共にそのシールリップがねじ軸と所定の締め代をもって摺接し、第１シールは、外部からナット内への異物の侵入を有効に防止するとともに、第１および第２シール間の潤滑剤充填空間に充填された潤滑剤としてのグリースがナットの外部へ漏出するのを有効に防止することができる。

（２）また、第２シールは、上記ナット内の潤滑剤としてのグリースが外部に漏れることを有効に防止するとともに、第１および第２シール間の上記グリースがナット内へ侵入するのを有効に防止することができる。

（３）上記ねじ軸が回転して、ねじ軸とナットが軸方向へ相対的に移動するとき、第１シールの外側は、グリースによって潤滑がされない状態でねじ軸と摺動するため、摩耗しやすいが、第２シールは、内外両面が上記両グリースによって潤滑されるため、摩耗がほとんど生じない。

（４）第１シールが摩耗して外部からの異物の侵入が生じても、第１および第２シール間にグリースが存在することにより、第２シールが十分にねじ軸外周面と接触しているため、これら異物のナット内への侵入は有効に阻止され得る。

（５）第１シールの摩耗が進行して、ねじ軸外周面との接触圧が低下すると、それ以上の摩耗の進行がなくなるので、第１シールを異物が内側へ通過することはあっても、第１および第２シール間のグリースがなくなるほどグリースの漏出は生じない。

また、上記シール装置をナットの両側端部または片側端部に備えた本発明のボールねじにおいては、上述したシール装置の効果が得られる結果、工作機械等における移動装置や位置決め装置の作動部など、金属の切削屑やセラミックス切削粉あるいは研削粉がねじ軸に付着するような過酷な環境下で使用しても、長期間にわたってボールねじ本来の機能を維持することができる。

さらに、上記のような過酷な環境下はもちろんのこと、異物が侵入しない比較的クリーンな環境下で使用する場合にあっても、ボールねじに対して定期的にグリースアップする必要があったが、長期間にわたってグリースアップする必要のない、いわゆるメンテナンスフリーの状態で使用することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施形態１
本発明に係るボールねじのシール装置が図１〜図４に示されており、このシール装置１は、具体的にはボールねじ２のナット端部をシールするものである。

すなわち、ボールねじ２は、図１に示すように、外周面に螺旋状のボール転動溝５を有するねじ軸６と、内周面に上記ボール転動溝５に対向するボール転動溝７を有するナット８と、上記両ボール転動溝５、７の間に転動走行可能に配列された複数のボール９、９、…とを備えてなり、ナット８の少なくとも一端部（図示の実施形態においては両端部）に、シール装置１、１がそれぞれ装着されている。

そして、ねじ軸６が回転すると、ボール９、９、…が上記両ボール転動溝５、７に沿って転動走行して、これら両ボール転動溝５、７の一端に到達したボールは図示しないリターンチューブを介してボール転動溝５、７の他端に戻って循環し、これにより、ねじ軸６とナット８が軸方向へ相対的に移動するようにされている。

シール装置１は、一対の環状シール１０、１１が、環状スペーサ１２により所定の間隔をもって配置されてなる環状のものであり、スペーサ１２の内径側における両シール１０、１１間の環状空間が潤滑剤充填空間１４とされている。

シール１０、１１は、いずれも弾性変形可能なシールリップ１３を有する薄肉円環状のもので、同一構造を備えており、具体的には、エラストマー製のシール体１５と、このシール体１５を補強する補強板１６とからなる。

図示の実施形態においては、上記シール体１５と補強板１６が一体成形されて、補強板１６はシール体１５内に埋設された芯金の形態とされている。

シール体１５は、上記シール１０の弾性部位を構成する薄肉円環状のもので、その内径部位が上記シールリップ１３を形成する。このシールリップ１３の断面形状は接触するねじ軸６の外周面との関係を考慮して適宜設定されるが、図示の実施形態においては矩形状に形成されている。このような断面矩形状のシールリップ１３にあっては、製作が容易であるとともに、ねじ軸６のボール転動溝５との接触が線接触になり、ボールねじ２の回転作動時において発熱を最小限に抑えることができるという利点がある。この点を考慮して、ねじ軸６のボール転動溝５以外の外径部と接触する部位のみ、線接触可能な断面Ｖ字形状に形成しても良い。

このシールリップ１３の内径輪郭は、図４(a)に示すように、ねじ軸６の垂直断面形状（図３のＸ−Ｘ断面形状参照）と相似形とされるとともに、このねじ軸６の外径よりも若干小さい径寸法を有するように設定されている。

シール体１５の構成材料であるエラストマーとしては、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ふっ素ゴム、ウレタンゴムあるいはテフロン（登録商標）などの一般的なシール材として用いられるものが使用され、図示の実施形態においてはニトリルゴムが用いられている。

補強板１６は、具体的には金属製の薄肉円環状のもので、その内径輪郭は、図４(b)に示すように、上記シールリップ１３の内径輪郭と同様に、上記ねじ軸６の垂直断面形状と相似形とされるとともに、このねじ軸６の外径よりも若干大きい径寸法を有するように設定されている。

そして、このようにシール体１５と補強板１６が一体成形されてなるシール１０、１１において、上記シール体１５からなるシールリップ１３がねじ軸６の外周面に所定の締め代をもって弾発的に摺接するとともに、補強板１６はこのシールリップ１３の変形しやすさを補強して、ねじ軸６との適正な接触圧を維持する機能を有する。

スペーサ１２は、上記一対のシール１０、１１、つまりナット８に対して軸方向外側に配置される第１シール１０と、軸方向内側に配置される第２シール１１との間に潤滑剤充填空間１４を形成するためのものである。このスペーサ１２は、具体的には硬質材料からなる円環状体とされ、図示の実施形態においては金属製リングの形態とされている。スペーサ１２の円筒内径面の径寸法は、ねじ軸６の外径よりも大きく設定されている。

スペーサ１２は、図１および図２に示すように、上記一対のシール１０、１１の間に介装された状態で、円周方向へ所定間隔をもって等配された複数の締付部材２０、２０、…により締付け固定されて一体化される。

図示の実施形態のシール装置１においては、上記締付部材２０としてリベットが使用されるとともに、このリベット２０の等配数との関係で上記一対のシール１０、１１が互換性を持つ構造が採用されている。

すなわち、上記スペーサ１２の軸方向幅、つまり一対のシール１０、１１の配置間隔Ｗ（具体的には、図１に示すごとく両シール１０、１１のシールリップ１３、１３の厚さ方向中央間の距離）は、下記の計算式を満たすように設定されている。
計算式：Ｗ＝Ｐ×ｍ／ｎ
（ただし、Ｐ：ねじ軸６のボール転動溝５のピッチ、ｎ：リベット２０の等配数、ｍ：整数）

一対のシール１０、１１の配置間隔Ｗが上記のように設定される理由は、次のとおりである。

ねじ軸６の垂直断面形状は、そのねじピッチつまりボール転動溝５のピッチＰ毎に同一形状を有している。

したがって、第１および第２シール１０、１１の配置間隔Ｗ（具体的には、図１に示すごとく両シール１０、１１のシールリップ１３、１３の厚さ方向中央間の距離）がねじピッチPに等しければ、ねじ軸６の垂直断面形状と相似形の内径輪郭を有する上記両シール１０、１１は、周方向において同じ向きに取り付けられる必要がある。

また、第１および第２シール１０、１１の配置間隔ＷがねじのピッチPの１／２であれば、ねじ軸６の垂直断面形状は周方向に１８０°ずれた形状、つまり周方向に逆転した形状になるので、両シール１０、１１も周方向へ相対的に１８０°ずらした状態で取り付けられる必要がある。

このとき、両シール１０、１１のリベット穴２１が２の倍数つまり偶数で等配されていれば、両シール１０、１１においてリベット穴２１の周方向位置がそれぞれ一致するが、３等配や５等配のような奇数で等配されていると、リベット穴２１の周方向位置は一致しない。

例えば、両シール１０、１１のリベット穴２１が３等配であれば、両シール１０、１１を周方向へ１２０°ずらすごとに一致する。また、ねじ軸６をそのねじピッチＰの１／３ごとに切断した場合の垂直断面形状も１２０°ずれている。

ゆえに両シール１０、１１の配置間隔ＷをねじピッチＰの１／３にすれば、両シール１０、１１を周方向へ１２０°ずらして取り付けて、両シール１０、１１の内径輪郭とねじ軸６の垂直断面形状を一致させたときに、両シール１０、１１のリベット穴２１の周方向位置も一致する。

また、両シール１０、１１の配置間隔ＷをねじピッチPの４／３にすれば、両シール１０、１１を周方向へ１２０°×４＝４８０°（つまり１２０°）ずらして取り付けて、両シール１０、１１の内径輪郭とねじ軸６の垂直断面形状を一致させたときに、両シール１０、１１のリベット穴２１の周方向位置も一致する。

以上より、一対のシール１０、１１の配置間隔Ｗが、上記計算式を満たすように設定されることにより、両シール１０、１１はリベット２０の等配数との関係で互換性を持つ構造となる。

以上のように構成されたシール装置１は、ボールねじ２のナット８の両端部に挿入係止されるとともに、ナット８の外径側からセットボルト２２によりそれぞれのスペーサ１２部分が回り止めおよび抜け止めされて固定される。

これにより、シール装置１の一対のシール（第１シール１０および第２シール１１）が、ねじ軸６の外周面に所定の締め代をもって摺接するとともに、これらシール１０、１１間の潤滑剤充填空間１４には、潤滑剤としてグリースが充填封入される。

しかして、ナット８の両端部に装着されたシール装置１にあっては、以下のような作用効果を奏する結果、大小を問わず外部からナット８内への異物の侵入を有効に防止できるとともに、ナット８内の潤滑剤としてのグリースの外部への漏出も有効に防止でき、しかもシール性能の低下がなくて、装置寿命が長い。

（１）外側に位置する第１シール１０と内側に位置する第２シール１１は、共にそのシールリップ１３、１３がねじ軸６の外周面と所定の締め代をもって摺接し、第１シール１０は、外部からナット８内への異物の侵入を有効に防止するとともに、第１および第２シール１０、１１間の潤滑剤充填空間１４に充填されたグリースがナット８の外部へ漏出するのを有効に防止する。

（２）第２シール１１は、ナット８内のグリースが外部に漏れることを有効に防止するとともに、第１および第２シール１０、１１間のグリースがナット８内へ侵入するのを有効に防止する。

（３）ねじ軸６が回転して、ねじ軸６とナット８が軸方向へ相対的に移動するとき、第１シール１０にあっては、そのシールリップ１３が、その外側をグリースによって潤滑されない状態でねじ軸６の外周面と摺動するため、摩耗しやすいが、第２シール１１にあっては、そのシールリップ１３が、その内外両側を上記両グリースによって潤滑されるため、摩耗がほとんど生じない。

（４）第１シール １０が摩耗して外部からの異物の侵入が生じても、第１および第２シール１０、１１間にグリースが存在することにより、第２シール１１が十分にねじ軸６の外周面と接触しているため、これら異物のナット８内への侵入は有効に阻止され得る。

（５）第１シール１０シール１０、１１を構成するの摩耗が進行して、ねじ軸６の外周面との接触圧が低下すると、それ以上の摩耗の進行がなくなるので、第１シール１０を異物が内側へ通過することはあっても、第１および第２シール１１間のグリースがなくなるほどグリースの漏出は生じない。

また、上記シール装置１をナット８の両側端部に備えたボールねじ２においては、上述したシール装置の作用効果により、工作機械等における移動装置や位置決め装置の作動部など、金属の切削屑やセラミックス切削粉あるいは研削粉がねじ軸に付着するような過酷な環境下で使用しても、長期間にわたってボールねじ２本来の機能を維持することができる。

さらに、上記のような過酷な環境下はもちろんのこと、異物が侵入しない比較的クリーンな環境下で使用する場合にあっても、ボールねじ２に対して定期的にグリースアップする必要があったが、長期間にわたってグリースアップする必要のない、いわゆるメンテナンスフリーの状態で使用することができる。

実施形態２
本実施形態は図５に示されており、シール装置１におけるシール１０、スペーサ１２およびシール１１の整列構造が若干改変されたものである。

すなわち、本実施形態のシール装置１は、図示のごとく、一対のシール１０、１１の配列方向を実施形態１の場合と逆向きにした状態で、シール１０、スペーサ１２およびシール１１が、複数のリベット２０、２０、…により締付け固定されて一体化されてなる。
その他の構成および作用は実施形態１と同様である。

実施形態３
本実施形態は図６および図７に示されており、シール装置１における一対のシール１０、１１の構造が改変されたものである。

すなわち、本実施形態のシール装置１における一対のシール１０、１１の具体的構造は、図示のごとく、シール体１５の両側面に、２枚の補強板１６が適宜の固定手段により挟持状に積層固定されて、補強板１６，１６がシール体１５を両側から挟持状に補強する押え板の形態とされている。

なお、シール体１５および補強板１６の形状寸法や構成材料に関する設計条件は実施形態１におけるものと同様である。
また、その他の構成および作用も実施形態１と同様である。

実施形態４
本実施形態は図８に示されており、シール装置１のボールねじ２のナット８に対する取付け固定構造が改変されたものである。

すなわち、本実施形態のシール装置１のナット８に対する取付け固定構造は、シール装置１がナット８の端面に当接係合された状態で、複数の取付けボルト２５、２５、…により締付け固定されている。
その他の構成および作用は実施形態１と同様である。

なお、上述した実施形態１〜４はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく、その範囲において種々の設計変更が可能である。

本発明の実施形態１であるシール装置を備えるボールねじを示す正面断面図で、同シール装置の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 同シール装置を分解して示す側面断面図で、同シール装置の構成部材の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 同ボールねじのねじ軸を示す正面図で、同ねじ軸のＸ−Ｘ線に沿った垂直断面形状の拡大図を併せて示している。 図４(a)は同シール装置のシール体の輪郭形状を示す正面図、図４(b)は同シール装置の補強板の輪郭形状を示す正面図である。 本発明の実施形態２であるシール装置を分解して示す側面断面図で、同シール装置の構成部材の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 本発明の実施形態３であるシール装置を備えるボールねじを示す正面断面図で、同シール装置の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 同シール装置を分解して示す側面断面図で、同シール装置の構成部材の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 本発明の実施形態４であるシール装置を備えるボールねじの要部を示す正面断面図であり、同シール装置の要部を拡大した側面断面図を併せて示している。 図９(a)は従来のボールねじのシール構造を示す正面断面図、図９(b)は従来の他のボールねじのシール構造の要部を拡大して示す側面断面図である。

符号の説明

１ シール装置
２ ボールねじ
５ ボール転動溝
６ ねじ軸
７ ボール転動溝
８ ナット
９ ボール
１０ 第１シール（シール）
１１ 第２シール（シール）
１２ スペーサ
１３ シールリップ
１４ 潤滑剤充填空間
１５ シール体
１６ 補強板
２０ リベット（締付部材）
２１ リベット穴

Claims (6)

1. ボールねじのナットの端部に装着されるシール装置であって、
   弾性変形可能なシールリップを有する一対の環状シールが、環状スペーサにより所定の間隔をもって配置されてなり、
   前記シールのシールリップ内径輪郭は、ねじ軸の垂直断面形状と相似形とされるとともに、ねじ軸の外径よりも若干小さい径寸法を有し、
   前記スペーサの内径側における前記両シール間の空間が潤滑剤充填空間とされている
   ことを特徴とするボールねじのシール装置。
2. 前記シールは、エラストマー製の薄板状シール体と、このシール体を補強する補強板とからなり、
   前記シール体の内径部が前記シールリップを形成するとともに、前記補強板の内径輪郭が前記ねじ軸の垂直断面形状と相似形でかつねじ軸の外径よりも若干大きい径寸法を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじのシール装置。
3. 前記シール体と補強板は一体成形されるとともに、前記補強板が前記シール体内に埋設された芯金の形態とされている
   ことを特徴とする請求項２に記載のボールねじのシール装置。
4. 前記シール体の両側面に２枚の前記補強板が積層固定されて、前記補強板が前記シール体を両側から挟持状に補強する押え板の形態とされている
   ことを特徴とする請求項２に記載のボールねじのシール装置。
5. 前記一対のシールとスペーサは、円周方向へ所定間隔をもって等配された複数の締付部材により締付け固定されてなり、
   前記一対のシールの配置間隔（Ｗ）は、下記の計算式を満たすように設定される
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のボールねじのシール装置。
   計算式：Ｗ＝Ｐ×ｍ／ｎ
   （ただし、Ｐ：ねじ軸のボール転動溝のピッチ、ｎ：締付部材の等配数、ｍ：整数）
6. 外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、
   内周面に前記ボール転動溝に対向する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ナットのボール転動溝の間に転動走行可能に配列された複数のボールとを備えてなり、
   前記ナットの少なくとも一端部に、この部位を密封する請求項１から５のいずれか一つに記載のシール装置が装着され、
   このシール装置の前記一対のシールが、前記ねじ軸の外周面に所定の締め代をもって摺接するとともに、これらシール間の前記潤滑剤充填空間に潤滑剤が充填されている
   ことを特徴とするボールねじ。

Images