JP2006112517A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】クリーンルームのような清浄な環境下での使用に好適なボールねじを提供する。
【解決手段】ねじ軸１及びナット２のボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成された螺旋状のボール転動路を転動するボール５をねじ軸１の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝３ｓ，３ｎのリード分だけ傾斜した方向にすくい上げてナット２に形成されたボール戻し通路に導入するボール循環コマ８をナット２の両端部内に設け、ボール等に付着したグリースが循環時に飛散しないように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転運動を直線運動に変換する機械要素として、半導体製造装置や液晶表示パネル製造装置などで用いられるボールねじに関する。

クリーンルームのような清浄な環境下でボールねじを使用する場合には、摩耗粉や油分などの微粒子がボールねじから大量に発生してクリーンルーム内等を汚染しないように十分に注意する必要がある。このため、従来においては、ボールねじのボールねじ溝やボールに塗布される潤滑剤として、発塵性の低いグリースを使用して微粒子の発生を抑制している。

しかしながら、半導体製造装置や液晶表示パネル製造装置などで用いられるボールねじは、ボールを循環させる部品として金属製のボール循環チューブを用い、ねじ軸側ボールねじ溝とナット側ボールねじ溝との間に形成されたボール転動路を転動するボールをボール循環チューブのタング部に衝突させてナットの外部にボールをすくい上げる構成となっている。このため、ボール転動路を転動するボールがボール循環チューブのタング部に衝突した際にボール等に付着したグリースの油分が飛散し、飛散した油分が微粒子としてねじ軸とナットの間から外部に放出されることがあった。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、クリーンルームのような清浄な環境下での使用に好適なボールねじを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明は、ねじ軸と、このねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を有するナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボールねじ溝間に形成された螺旋状のボール転動路を前記ねじ軸または前記ナットの回転運動に伴って転動する多数のボールと、前記ボールねじ溝及び前記ボールに塗布された低発塵性グリースと、を備えたボールねじにおいて、前記ボール転動路を転動するボールをその中心軌道円上に接点を有する接線に沿って且つ前記ねじ軸の中心線と直交する直線に対して前記ボールねじ溝のリード分だけ傾斜した方向にすくい上げて前記ナットに形成されたボール戻し通路に導入するボール循環コマを前記ナットの両端部内に設けたことを特徴とする。

本発明に係るボールねじにおいて、前記ボール循環コマは樹脂から形成されるものでもよいし、あるいは焼結金属から形成されるものでもよい。また、前記ボール循環コマに形成されたボール案内片部と協働して前記ボールを前記ボール戻し通路に案内するボール案内面を前記ナットに設けた構成であってもよい。
また、本発明に係るボールねじにおいて、前記ボールよりも弾性係数が小さく且つ前記ボールの直径よりも１０μｍ以上小さい直径で球状に形成されたスペーサボールを前記各ボールの間に設けてもよいし、あるいは前記ボールの直径よりも小さい直径で円板状に形成された樹脂製のリテーニングピースを前記各ボールの間に設けてもよい。また、前記ねじ軸と前記ナットとの間に形成された環状間隙をシールするサイドシールを前記ナットの両端に設けてもよい。この場合、前記サイドシールは前記ねじ軸のボールねじ溝に接触するタイプのサイドシールであることが好ましい。

本発明に係るボールねじによれば、ボール転動路を転動するボールをその中心軌道円上に接点を有する接線に沿って且つねじ軸の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝のリード分だけ傾斜した方向にすくい上げてナットに形成されたボール戻し通路に導入するボール循環コマをナットの両端部内に設けたことにより、ボール転動路を転動するボールをタングに衝突させることなく循環させることができる。したがって、ボール等に付着したグリースの油分が微粒子としてねじ軸とナットの間から外部に放出されることを抑制できるので、クリーンルームのような清浄な環境下でボールねじを使用する場合にグリースの飛散による微粒子の発生を抑制することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るボールねじの概略構成を示す図である。同図に示すように、第１の実施形態に係るボールねじはねじ軸１及びナット２を備えており、ねじ軸１の外周面にはボールねじ溝３ｓが形成されている。このボールねじ溝３ｓはナット２の内周面に形成されたボールねじ溝３ｎと対向しており、ねじ軸側ボールねじ溝３ｓとナット側ボールねじ溝３ｎとの間には多数のボール５が転動自在に設けられている。これらのボール５はねじ軸１及びナット２と同様に鋼等の金属材料で形成されており、ボール５の表面やボールねじ溝３ｓ，３ｎの溝面には、例えばパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を基油として用い、かつポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を増ちょう剤として用いたフッ素系の低発塵性グリース（図示せず）が塗布されている。

また、ボール５はボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成された螺旋状のボール転動路をねじ軸１またはナット２の回転運動に伴って転動するようになっており、ナット２には、上記ボール転動路を転動したボール５を循環させるためのボール戻し通路７が形成されている。このボール戻し通路７はナット２の軸方向に貫通しており、ナット２の両端部には、樹脂材を射出成形してなるボール循環コマ８が組み込まれている。

ボール循環コマ８はタング部８１（図２参照）を有しており、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間のボール転動路を転動するボール５は、図４に示すように、ボール循環コマ８のタング部８１によりボール５の中心軌道円９上に接点を有する接線１０に沿ってすくい上げられるようになっている。また、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間のボール転動路を転動するボール５は、ねじ軸１の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝３ｓ，３ｎのリード分だけ傾斜した方向に上記タング部８１によってすくい上げられるようになっている。

ボール循環コマ８はボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路とボール戻し通路７とを接続する接続路８２（図３参照）を有しており、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間を転動したボール５は、上記接続路８２を通ってボール戻し通路７に導入されるようになっている。
ナット２はねじ軸１の外径より大きな内径で円筒状に形成されており、このナット２の両端には、ねじ軸１とナット２との間に形成された環状間隙をシールする接触型のサイドシール１１（図１参照）が装着されている。このサイドシール１１はリング状に形成されており、ねじ軸１の外周面に形成されたボールねじ溝３ｓには、サイドシール１１の内周縁部が弾接している。

ボールねじ溝３ｓとボールねじ溝３ｎとの間に設けられた多数のボール５のうち隣り合う二つのボールの間には、樹脂製のリテーニングピース１２（図１参照）が設けられている。このリテーニングピース１２はボール５の直径よりも小さい直径で円板状に形成されており、各リテーニングピース１２の両端面には、凹球状のボール接触面１２１（図５参照）が形成されている。

このように構成される本発明の第１の実施形態では、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路を転動するボール５をその中心軌道円９上に接点を有する接線１０に沿って且つねじ軸１の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝３ｓ，３ｎのリード分だけ傾斜した方向にすくい上げてボール戻し通路７に導入するボール循環コマ８をナット２の両端部内に設けたことにより、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間のボール転動路を転動するボール５をタングに衝突させることなく循環させることができる。したがって、ボール５等に付着したグリースの油分が微粒子としてねじ軸１とナット２の間から外部に放出されることを抑制できるので、クリーンルームのような清浄な環境下でボールねじを使用する場合にグリースの飛散による微粒子の発生を抑制することができる。

また、ねじ軸１とナット２との間に形成された環状間隙をシールするサイドシール１１をナット２の両端に設けたことにより、ボール５等に付着したグリースの油分が微粒子としてねじ軸１とナット２の間から外部に放出されることを防止することができる。
さらに、ボール５の直径よりも小さい直径で円板状に形成された樹脂製のリテーニングピース１２を各ボール５の間に設けたことにより、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路とナット２に形成されたボール戻し通路７との境界部分でボール同士の競合いが発生することをリテーニングピース１２によって抑制することができる。したがって、ボール同士の競合いによる騒音や振動等の発生を低減することができる。

次に、図６〜図９を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図６において、第２の実施形態に係るボールねじはねじ軸１及びナット２を備えており、ねじ軸１の外周面にはボールねじ溝３ｓが形成されている。このボールねじ溝３ｓはナット２の内周面に形成されたボールねじ溝３ｎと対向しており、ねじ軸側ボールねじ溝３ｓとナット側ボールねじ溝３ｎとの間には多数のボール５が転動自在に設けられている。これらのボール５はねじ軸１及びナット２と同様に鋼等の金属材料で形成されており、ボール５の表面やボールねじ溝３ｓ，３ｎの溝面には、例えばパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を基油として用い、かつポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を増ちょう剤として用いたフッ素系の低発塵性グリース（図示せず）が塗布されている。

また、ボール５はボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成された螺旋状のボール転動路をねじ軸１またはナット２の回転運動に伴って転動するようになっており、ナット２には、上記ボール転動路を転動したボール５を循環させるためのボール戻し通路７が形成されている。このボール戻し通路７はナット２の軸方向に貫通しており、ナット２の両端部には、樹脂材を射出成形してなるボール循環コマ８が組み込まれている。

ボール循環コマ８はタング部８１（図７参照）を有しており、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間を転動するボール５は、上記タング部８１によりボール５の中心軌道円上に接点を有する接線に沿って且つねじ軸１の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝３ｓ，３ｎのリード分だけ傾斜した方向にすくい上げられるようになっている。
また、ボール循環コマ８はボール案内片部８３（図 参照）を有しており、ナット２には、上記ボール案内片部８３と協働してボール５をボール戻し通路７に案内するボール案内面１３（図６及び図９参照）が形成されている。

ボールねじ溝３ｓとボールねじ溝３ｎとの間に設けられた多数のボール５のうち隣り合う二つのボールの間には、スペーサボール１４（図６参照）が設けられている。このスペーサボール１４はボール５よりも弾性係数の小さい材料（例えば樹脂等）で形成されており、その直径はボール５の直径よりも１０μｍ以上小さい直径となっている。

このように構成される本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路を転動するボール５をその中心軌道円上に接点を有する接線に沿って且つねじ軸１の中心線と直交する直線に対してボールねじ溝３ｓ，３ｎのリード分だけ傾斜した方向にすくい上げてボール戻し通路７に導入するボール循環コマ８をナット２の両端部内に設けたことにより、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間のボール転動路を転動するボール５をタングに衝突させることなく循環させることができる。したがって、ボール５等に付着したグリースの油分が微粒子としてねじ軸１とナット２の間から外部に放出されることを抑制できるので、クリーンルームのような清浄な環境下でボールねじを使用する場合にグリースの飛散による微粒子の発生を抑制することができる。

また、上述した第２の実施形態ではボール循環コマ８のボール案内片部８３と協働してボール５をボール戻し通路７に案内するボール案内面１３をナット２に設けたことにより、上述した第１の実施形態のように、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路とボール戻し通路７とを接続する接続路８２をボール循環コマ８に形成しなくてもボール５を循環させることができる。したがって、ボールねじ溝３ｓ，３ｎのリードが小さい場合やボールねじ溝３ｓ，３ｎが多条ねじ溝である場合でもボール循環コマ８をボールねじ溝３ｎに干渉させることなくボール５を循環させることができる。

さらに、ボール５の直径よりも小さい直径で球状に形成された樹脂製のスペーサボール１３を各ボール５の間に設けたことにより、ボールねじ溝３ｓ，３ｎ間に形成されたボール転動路とナット２に形成されたボール戻し通路７との境界部分でボール同士の競合いが発生することをスペーサボール１３によって抑制することができる。したがって、ボール同士の競合いによる騒音や振動等の発生を低減することができる。

本発明者は、上述した循環コマ式ボールねじから発生する微粒子量と従来のチューブ式ボールねじから発生する微粒子量とを比較するために、試験用ボールねじとしてＮＳＫ製ボールねじ（呼び番：ＮＳＫボールねじ２５×２０×７００−Ｃ５、ボール径：３／１６インチ）を使用し、予圧荷重：２００Ｎ、加速度荷重：４００Ｎ、最高回転数：２０００ｍｉｎ^−１、使用ボールねじ：ＮＳＫ製ボールねじ（呼び番：ＮＳＫボールねじ２５×２０×７００−Ｃ５、ボール径：３／１６インチ）、ストローク：５００ｍｍ、試験時間：２００時間、低発塵グリース：ＮＳＫ製グリースＬＧ２（商品名）の試験条件でボールねじのナットを走行させた。そして、そのときに発生した０．５μｍ以上の微粒子をパーティクルカウンターで測定し、その測定値に基づいて循環コマ式ボールねじの微粒子発生量とチューブ式ボールねじの微粒子発生量との比（以下「発塵比率」と称す）を求めた。

このようにして求めた発塵比率とボールねじの回転数との関係を図１０に示す。同図に示されるように、本発明に係る循環コマ方式と従来のチューブ方式とを比較すると、ボールねじの回転数が増加するほど発塵比率が低下することがわかる。したがって、ボール５の循環方式を循環コマ方式とすることにより、摩耗粉や油分等の微粒子がボールねじから発生することを抑制することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、第１及び第２の実施形態ではボールねじ溝３ｓ，３ｎ間のボール転動路を転動するボール５をナット２のボール戻し通路７に導入するボール循環コマとして樹脂製のボール循環コマを用いたが、焼結金属からなるボール循環コマを用いてもよい。

また、第１及び第２の実施形態ではボールねじ溝やボールに塗布される低発塵性グリースの基油としてパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を用いたが、一般にＰＦＰＥは高粘度であるため、トルクが大きい。したがって、鉱油や合成炭化水素油等を基油として用いたグリースと比べると、ＰＦＰＥを基油として用いたグリースは流動性が乏しく、潤滑性能に劣る傾向があるので、使用用途に応じて、ウレア系のグリースや基油がポリαオレフィン油単体あるいは混合油で構成されたグリースを用いてもよい。ウレア系のグリースはフッ素系グリースに比べて流動性や潤滑性能に優れていることから、低トルクを実現できる。しかも、ウレア化合物はグリースの高温特性を改善する効果もあることから、清浄で高温に晒されるような環境下でも好適に使用できる。

ボールねじに使用される低発塵性グリースの基油としては、４０℃における動粘度が８〜４６０ｍｍ²／ｓのものがよい。これは、基油の動粘度が８ｍｍ²／ｓ未満では高温で蒸発し易くなり、４６０ｍｍ²／ｓを超える動粘度では、摩擦トルクを増大させるだけでなく発塵量も増加するという理由からである。なお、ボールねじに使用される低発塵性グリースとしては、混和ちょう度が最大で３００、好ましくは１９０以上２５０以下程度のものがよい。

本発明の第１の実施形態に係るボールねじの概略構成を示す図である。 図１に示すボールねじのボール循環コマを示す斜視図である。 図２に示すボール循環コマに形成された接続路を示す図である。 図２のボール循環コマによってすくい上げられるボールのすくい上げ方向を説明するための図である。 図１に示す樹脂製リテーニングピースの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るボールねじの概略構成を示す図である。 図６に示すボールねじのボール循環コマを示す斜視図である。 図７に示すボール循環コマの底面図である。 本発明の第２の実施形態に係るボールねじのナットに形成されたボール案内面を示す斜視図である。 循環コマ式ボールねじとチューブ式ボールねじとの発塵比率とボールねじ回転数との関係を示す図である。

符号の説明

１ ねじ軸
２ ナット
３ｓ，３ｎ ボールねじ溝
５ ボール
７ ボール戻し通路
８ ボール循環コマ
８１ タング部
８２ 接続路
８３ ボール案内片部
１１ サイドシール
１２ リテーニングピース
１３ スペーサボール

Claims (8)

1. ねじ軸と、このねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を有するナットと、前記ねじ軸及び前記ナットのボールねじ溝間に形成された螺旋状のボール転動路を前記ねじ軸または前記ナットの回転運動に伴って転動する多数のボールと、前記ボールねじ溝及び前記ボールに塗布された低発塵性グリースと、を備えたボールねじにおいて、
   前記ボール転動路を転動するボールをその中心軌道円上に接点を有する接線に沿って且つ前記ねじ軸の中心線と直交する直線に対して前記ボールねじ溝のリード分だけ傾斜した方向にすくい上げて前記ナットに形成されたボール戻し通路に導入するボール循環コマを前記ナットの両端部内に設けたことを特徴とするボールねじ。
2. 前記ボール循環コマは樹脂からなることを特徴とする請求項１記載のボールねじ。
3. 前記ボール循環コマは焼結金属からなることを特徴とする請求項１記載のボールねじ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載のボールねじにおいて、前記ボール循環コマに形成されたボール案内片部と協働して前記ボールを前記ボール戻し通路に案内するボール案内面を前記ナットに設けたことを特徴とするボールねじ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のボールねじにおいて、前記ボールよりも弾性係数が小さく且つ前記ボールの直径よりも１０μｍ以上小さい直径で球状に形成されたスペーサボールを前記各ボールの間に設けたことを特徴とするボールねじ。
6. 請求項１〜４のいずれか一項記載のボールねじにおいて、前記ボールの直径よりも小さい直径で円板状に形成された樹脂製のリテーニングピースを前記各ボールの間に設けたことを特徴とするボールねじ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載のボールねじにおいて、前記ねじ軸と前記ナットとの間に形成された環状間隙をシールするサイドシールを前記ナットの両端に設けたことを特徴とするボールねじ。
8. 前記サイドシールは前記ねじ軸のボールねじ溝に接触するタイプのサイドシールであることを特徴とする請求項７記載のボールねじ。

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