JP2010133556A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却によってナットが収縮したときにも、動摩擦トルクが上昇しにくいボールねじ装置を提供する。また、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないボールねじ装置を提供する。
【解決手段】ねじ軸１０と、複数の転動体３０を介してねじ軸１０に螺合するナット２０と、ナット２０を冷却する冷却手段４０とを備えたボールねじ装置であり、ねじ軸１０のねじ溝１０ａとナット２０のねじ溝２０ａとの間には、予圧方向を引張り方向として２点接触状態で予圧を付与された複数の転動体３０が組み込まれている。又は、ナット２０の軸方向に形成された貫通穴２０ｂの軸方向の長さＬと、ナット２０の軸方向に設けた貫通穴２０ｂの径Ｄとの比（Ｌ/Ｄ）を「１０≦Ｌ／Ｄ≦６０」とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ装置に関し、特に、ナットを冷却可能なボールねじ装置に関する。

従来より、ねじ軸と、該ねじ軸に螺合して相対的に回転可能とされた送りナットとを有するねじ装置では、回転時に点接触又は面接触が生じるため、熱源（例えば、前記送りナット）に冷却手段が設けられることがあった。
このようなねじ装置としては、前記冷却手段（熱交換器）として、冷媒が循環する冷却パイプを前記送りナット内に配設したねじ装置が開示されている（例えば、特許文献１）。
また、前記送りナットを冷却する技術としては、特許文献２に示されているものがある。具体的には、送りナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通し、該送りナットを冷却する技術である。

特開昭５２−６３５５７号公報 特開２００２−３１０２５８号公報

千輝淳二著、伝熱計算法、第２版、工学図書株式会社、１９８１年、ｐ．１８〜９７

しかしながら、特許文献１に開示されたねじ装置では、熱交換器によって冷却された送りナットに熱収縮が生じ、結果として、トルクが上昇する問題があった。
具体的に、ねじ装置の温度上昇値θは、下記式（１）で表される。なお、下記式（１）において、ｔは経過時間、ＣＭはねじ装置の熱容量、βはねじ装置からの単位時間、単位温度差あたりの放熱量、Ｑはナットから発生する単位時間当たりの熱量である。

また、式（１）におけるＱは、下記式（２）で表される。なお、下記式（２）において、Ｔは動摩擦トルク、ｎは軸回転数である。
Ｑ＝Ｔｘ６０ｎｘ２π／１０００＝０．１２πｎＴ・・・・・・式（２）
特許文献１に示されているように、送りナットを単に冷却すると、式（１）のβが大きくなるが、上述のように同時にトルクが上昇してしまうと、式（２）よりＱも大きくなってしまい、Ｑ／βで得られる温度上昇値は大きくなる。従って、送りナットを単に冷却することにより、トータルとしての冷却効率は落ちてしまうという問題があった。

ここで、図７及び図８は予圧形式ごとの予圧方向とナットの熱収縮方向との関係を示した模式図である。図７は予圧方向を圧縮方向とした２点接触状態の予圧形式を示す図であり、図８はオーバーサイズボール予圧状態を示す図である。
図７及び図８に示すように、ボールねじ装置１００は、ねじ軸１１０と、ねじ軸１１０に対し、複数の転動体１３０を介して螺合するナット１２０とを有する。転動体１３０は、ねじ軸１１０のねじ溝１１０ａとナット１２０のねじ溝１２０ａとの間で予圧されている。
ナット１２０が冷却されて中心方向へ向かう熱収縮ｆが起きた場合、図７及び図８に示す予圧状態では、予圧荷重Ｆ_ａ０を高くする方向にナット１２０が収縮してしまい、動摩擦トルクが上昇してしまう。

一方、発明者らは、ボールねじ装置のナットを冷却する場合、その冷却液を通す貫通穴の径によって冷却効果が大きく変化することを、非特許文献１に示されているNusseltの方法で推定し、実験によって上記冷却効果の変化について確認した。
この実験によって得られた結論は、冷却媒体の種類、流量が同一であれば、貫通穴の径を小さくすればするほど熱伝導率が上がり冷却効果が高くなることである。

しかし、高い冷却効果を得る目的で貫通穴の径を小さくすると、以下に示す２つの問題点が生じることがあった。
（１）貫通穴の加工が小径かつ長穴の加工となることから、加工効率が落ち、ボールねじ装置のコストアップに繋がる。
（２）冷却媒体を通すときの圧力損失が大きくなってしまう。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、冷却によってナットが収縮したときにも、動摩擦トルクが上昇しにくいボールねじ装置を提供することにある。
また、本発明は、ナット内の軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通すことで冷却を行なうボールねじ装置において、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないボールねじ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、トータルの予圧荷重がほとんど増加しない予圧形式を採用することにより、冷却によってナットが収縮したときにも動摩擦トルクが上昇しにくいことを知見した。
また、本発明者らは、ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通すことで冷却を行なうボールねじにおいて、貫通穴の軸方向の長さLと貫通穴の径Ｄとの比Ｌ/Ｄを規定することにより、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないことを知見した。

本発明は、本発明者による前記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項１に係るボールねじ装置は、ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝との間には、予圧方向を引張り方向として２点接触状態で予圧を付与された前記複数の転動体が組み込まれていることを特徴としている。

また、上記課題を解決するための本発明の請求項２に係るボールねじ装置は、ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットに設けた軸方向への貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
前記貫通穴の軸方向の長さＬと、前記貫通穴の径Ｄとの比（Ｌ/Ｄ）を下記式（Ａ）としたことを特徴としている。
１０≦Ｌ／Ｄ≦６０・・・・・・・・・・・・・・・・・式（Ａ）

本発明の請求項１に係るボールねじ装置によれば、冷却手段がナットに具備されると共に、前記ナットの予圧方式を引張り方向の２点接触予圧としたので、径方向への収縮は予圧荷重を高める方向に作用するが軸方向への収縮はこれを軽減するように作用するため、トータルの予圧荷重はほとんど増加しない。従って、冷却によってナットが収縮したときにも、動摩擦トルクが上昇しにくいボールねじ装置を提供することができる。

また、本発明の請求項２に係るボールねじ装置によれば、前記貫通穴の軸方向の長さＬと、前記貫通穴の径Ｄとの比（Ｌ/Ｄ）を上記式（Ａ）に規定することで、熱伝達率と、ねじ軸と冷却媒体との温度差と、ねじ軸内の冷却媒体と接する面の面積とを勘案して、冷却効果及びトータルコストを両立した理想的なボールねじ装置１を提供することができる。

本発明に係るボールねじ装置の第１の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るボールねじ装置の第１の実施形態において引張方向を予圧方向とした２点接触状態の予圧状態と収縮との関係を示す図である。 本発明に係るボールねじ装置の第２の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。 実施例１のボールねじ装置を駆動し、ナットを冷却したときのナットの温度上昇値とトルクを同時に測定した結果を示すグラフである。 比較例１のボールねじ装置を駆動し、ナットを冷却したときのナットの温度上昇値とトルクを同時に測定した結果を示すグラフである。 比較例１のボールねじ装置の構成を示す軸方向に沿う断面図である。 予圧方向を圧縮方向とした２点接触状態の予圧状態と収縮との関係を示す図である。 オーバーサイズボール予圧状態と収縮との関係を示す図である。 本発明に係るボールねじ装置の第３の実施形態における構成を示す側面図である。 第３の実施形態において、貫通穴２０ｂの軸方向の長さＬを固定して、貫通穴２０ｂの径Ｄのみを変化させたときの計算結果としてのＬ／Ｄと冷却効果との関係を示すグラフである。 第３の実施形態において、表４のＴＰ２（Ｌ／Ｄ＝３０）での温度上昇値を基準とした場合のその他のＴＰの温度上昇値を計算結果と併せて示したＬ／Ｄと冷却効果との関係を示すグラフである。 第３の実施形態において、貫通穴２０ｂの形状や面粗さを保ちながら加工できる最大の送り速度から加工効率を検証したときのＬ／Ｄと冷却効果及び加工効率との関係を示すグラフである。 第３の実施形態において、熱流Ｑ’を一定とした場合のＬ／Ｄと冷却効果及び圧力損失との関係を示すグラフである。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係るボールねじ装置の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るボールねじ装置の第１の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。
図１に示すように、本実施形態のボールねじ装置１は、ねじ軸１０と、ナット２０とを有する。ねじ軸１０及びナット２０は、複数の転動体３０を介して螺合している。ナット２０は、ねじ軸１０の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット２０の内周面には、ねじ軸１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝１０ａに対向するようにねじ溝２０ａが形成されている。ねじ溝１０ａとねじ溝２０ａとによって形成された転動路において転動体３０は転動可能とされている。

また、ナット２０には、軸方向に貫通する貫通穴２０ｂが形成されている。この貫通穴２０ｂは、冷却媒体の通路として用いられ、貫通穴２０ｂ内で冷却媒体を循環させるための循環装置（図示せず）が接続されている。この循環装置及び貫通穴２０ｂが冷却手段４０を構成する。このように、図示しない循環装置によって貫通穴２０ｂ内を冷却媒体が循環することによって、ナット２０が冷却される。
ねじ軸１０のねじ溝１０ａと、ナット２０のねじ溝２０ａとの間には、予圧方向を引張り方向として、予圧荷重Ｆ_ａ０でオフセットリード予圧（２点接触予圧）された複数の転動体３０が組み込まれている。

図２は、引張方向を予圧方向とした２点接触状態の予圧状態と収縮との関係を示す図である。
図２に示すように、引張方向の２点接触予圧をナット２０に与えた場合は、径方向への熱収縮ｆ_１は予圧荷重Ｆ_ａ０を高める方向に作用するが、軸方向への熱収縮ｆ_２はこれを軽減するように作用するため、トータルの予圧荷重はほとんど増加しない。
このため、本発明に係るボールねじ装置１では、引張方向の２点接触予圧をナット２０に与えることにより、ナット２０を冷却しても予圧トルクが増大することなく効率的にボールねじ装置１全体を冷却することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係るボールねじ装置の第２の実施形態を示す図である。図３に示すように、本実施形態は、第１の実施形態が予圧方式として、オフセットリード予圧を採用したのに対し、ダブルナット予圧方式を採用している。
具体的には、図３に示すように、本実施形態のボールねじ装置１は、共通のねじ軸１０に、複数の転動体３０を介して螺合する第１のナット２１及び第２のナット２２と、間座５０とを有する。間座５０は、第１のナット２１及び第２のナット２２の内径とほぼ同じ内径を有する円環状をなし、第１のナット２１と第２のナット２２との相対回転を阻止する。また、間座５０が設けられることによって、第１のナット２１及び第２のナット２２のそれぞれのねじ溝２１ａ，２２ａと、ボールねじ１０のねじ溝１０ａとの間に組み込まれる複数の転動体３０に予圧荷重Ｆ_ａ０で２点接触状態の予圧が与えられている。なお、予圧方向は第１の実施形態と同様に引張方向である。

以下、本発明に係るボールねじ装置の実施例について説明する。
図４は、前述の第１の実施形態のボールねじ装置（図１参照）を実施例１のボールねじ装置として駆動し、駆動の途中でナットを冷却したときのナットの温度上昇値とトルクを同時に測定した結果を示すグラフである。
また、図５は、比較例１のボールねじ装置を駆動し、駆動の途中でナットを冷却したときのナットの温度上昇値とトルクを同時に測定した結果を示すグラフである。

実施例１及び比較例１のボールねじ装置の構成を表１に示し、実施例１及び比較例１の駆動条件を表２に示し、実施例１及び比較例１の冷却条件を表３に示す。
ここで、比較例１のボールねじ装置の構成は、図６に示すように、ねじ溝１０ａとねじ溝２０ａとの間において、予圧荷重Ｆ_ａ０でオーバーサイズボール予圧（４点接触予圧）された複数の転動体３０が組み込まれている点が実施例１と異なる。
なお、図４及び図５において、ナットの温度が急激に低下したときが、冷却開始時である。

図４及び図５に示すように、実施例１及び比較例１ともに、冷却を開始すればナットの温度が低下することが分かるが、実施例１のボールねじ装置の方が、軸の温度低下が大きいことが分かる。ボールねじ装置駆動の送り系ではテーブル精度に直接的に影響する軸の温度変化が重要になる。
また、トルクの変化に着目すると、比較例１では、冷却前の約２倍までトルクが上昇している。これは、冷却によってナットが熱収縮をおこし、その熱収縮の方向が予圧方向と一致し、予圧荷重が高くなっているためである。この発熱が、冷却による放熱効果を薄め、結果的にトータルとしての冷却効果が小さくなっている。また、過大予圧を招き、結果としてボールねじ装置の寿命を低下させてしまう。

これに対して、実施例１のボールねじ装置のトルクは、冷却前後でほとんど変化していない。これは冷却によるナットの熱収縮の方向の中で径方向は予圧荷重を高めるが軸方向は予圧荷重を低くする方向に作用し、これらが相互に作用しているためである。この結果、実施例１のボールねじ装置では、ナットの熟収縮の影響を受けず、高い冷却効果が得られる。

（第３の実施形態）
図９は、本発明に係るボールねじ装置の第３の実施形態における構成を示す側面図である。図９に示すように、本実施形態のボールねじ装置は、本実施形態のボールねじ装置１は、ねじ軸１０と、ナット２０とを有する。ねじ軸１０及びナット２０は、複数の転動体３０を介して螺合している。ナット２０は、ねじ軸１０の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット２０の内周面には、ねじ軸１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝１０ａに対向するようにねじ溝２０ａが形成されている。ねじ溝１０ａとねじ溝２０ａとによって形成された転動路において転動体３０は転動可能とされている。

また、ナット２０には、軸方向に貫通する貫通穴２０ｂが形成されている（図９ではナット２０の軸方向に３つの貫通穴２０ｂが形成されている。）。この貫通穴２０ｂは、冷却媒体の通路として用いられ、貫通穴２０ｂ内で冷却媒体を循環させるための循環装置（図示せず）がボールねじ装置１に接続されている。この循環装置及び貫通穴２０ｂが冷却手段４０を構成する。冷却手段４０は、前記循環装置と貫通穴２０ｂとを連結して冷却媒体を貫通穴２０ｂに流入される管４１及び貫通穴２０ｂから冷却媒体を流出させる管４１を含む。このように、図示しない循環装置によって貫通穴２０ｂ内を冷却媒体が循環することによって、ナット２０が冷却される。

ここで、非特許文献１によると、貫通穴２０ｂ内を乱流状態で冷媒が流れる場合の熱流Ｑ’は、
α：熱伝達率
△θ：ねじ軸１０と冷却媒体との温度差
Ｆ：ねじ軸１０内の冷却媒体と接する面の面積
としたとき、下記式（３）で表される。

また、熱伝達率α、及び、ねじ軸１０内の冷却媒体と接する面の面積Ｆは、
π：流体の熱伝導率
Ｄ：貫通穴２０ｂの径
Ｎｕ_ｍ：ヌセルト数
Ｌ:貫通穴２０ｂの軸方向の長さ
としたとき、下記式（４）及び式（５）で表される。

ここで、上記ヌセルト数Ｎｕ_ｍは、
Ｒｅ_ｍ：レイノルズ数
Ｐｒ_ｍ：プラントル数
としたとき、下記式（６）で表される。

なお、レイノルズ数Ｒｅ_ｍ、及びプラントル数Ｐｒ_ｍは、
ｕ_ｍ：冷却媒体の流速
ｖ：冷却媒体の動粘度
ａ：冷却媒体の温度伝導率
としたとき、それぞれ下記式（７）及び式（８）で表される。

ここで、冷却媒体の流速ｕ_ｍは、
ｗ：冷却媒体の流量
Ａ：貫通穴２０ｂの断面積
としたとき、下記式（９）で表される。

なお、貫通穴２０ｂの断面積Ａは下記式（１０）で表される。

以上の式（４）〜（１０）を、式（３）に代入して整理すると、熱流Ｑ’は下記式（１１）で表される。

式（１１）は、冷却媒体の種類、流量が変わらなければ冷却液が通る貫通穴２０の長さと貫通穴２０の径との関数となり、貫通穴２０の長さが長いほうが熱交換は多く行なわれ、貫通穴２０の径が小さいほうが熱交換は多く行なわれることを示している。すなわち、冷却効果が高いということである。これをナット２０の設計に置き換えてみると貫通穴２０の軸方向の長さＬと、貫通穴２０ｂの径Ｄとの比率であるＬ／Ｄが大きいほうが、冷却効果が高いといえる。実際のナット２０の設計において、上記のうち貫通穴２０の軸方向の長さＬは荷重条件や要求寿命、要求精度などで決まることが多く、冷却手段を有するナット２０を設計する際に重要なパラメータとしては貫通穴２０ｂの径Ｄということになる。

そこで、ナット１０を１本の貫通穴２０ｂに冷却媒体を通すことで冷却した場合、貫通穴２０ｂの軸方向の長さＬを固定して、貫通穴２０ｂの径Ｄのみを変化させたときのＬ／Ｄと、冷却効果との関係を図１０に示す。図１０中、冷却効果（縦軸）の数値は、ボールねじの単純往復時の飽和温度上昇値を測定し、Ｌ／Ｄ＝３０の値を基準（＝１）とする比で表した。図１０に示すように、Ｌ／Ｄが１０を下回ると冷却効果が大きく低下し、Ｌ／Ｄが１０以上ではほぼ線形的に冷却効果が高くなることがわかる。これにより、Ｌ／Ｄは、下記式（１２）とし、なるべく大きくすることが望ましいことがわかる。

ここで、式（１２）に示す関係と、下記表４に示す試験条件で実験したボールねじ装置１とを比較評価した。
図１１は、本実施形態において、表４のＴＰ２（Ｌ／Ｄ＝３０）での温度上昇値を基準とした場合のその他のＴＰの温度上昇値を、図１０の計算結果と併せて示したＬ／Ｄと冷却効果との関係を示すグラフである。図１１に示すように、実験結果と計算結果は概ね良好な一致が認められ、上述の計算方法が実験的に確認できた。

図１１から、ナット２０に冷却手段を設ける場合、貫通穴２０ｂの軸方向の長さＬに対する貫通穴の径の比率Ｌ／Ｄはできるだけ大きいほうがよいことになるが、あまりにもこの値が大きい場合には、以下の２点の問題が生じる。
（１）貫通穴２０ｂの加工が小径の長穴加工となることから加工効率が落ち、ボールねじ装置のコストアップに繋がる。
（２）冷却媒体を通すときの圧力損失が大きくなってしまう。

ここで、上記（１）の問題点に関して上述のナット２０を加工する際の、貫通穴２０ｂの軸方向の長さＬに対する貫通穴の径の比率Ｌ／Ｄと加工効率との関係を検証したので、この結果を図１１に重ね合わせたものを図１２に示す。図１２中、縦軸の加工効率の数値は、貫通穴２０ｂの形状や面粗さを保ちながら加工できる最大の送り速度による貫通穴２０ｂの加工時間を、Ｌ／Ｄ＝３０の値を基準（＝１）とする比で表した。

図１２から、Ｌ／Ｄが６０を超えたあたりから急激に加工効率が落ちていることがわかる。これは、工具が小径になることによって工具剛性が低くなることから、工具破損を防止するために加工速度を落とさなければならないことや、長大加工となることから切屑排出のための抜き動作（非加工時間）が増えるためである。したがって、Ｌ／Ｄの範囲としては下記式（１３）とすることが望ましいことがわかる。

また、貫通穴２０ｂ内を乱流状態で流れる流体の出入口での圧力損失ｈは、
ζ：貫通穴２０ｂ内の摩擦損失係数
ρ：流体の密度
ｕ_ｍ：流速
としたとき、下記式（１４）で表される。

ここで、流量が一定であれば、式（９），（１０）より圧力損失と流量ｗ，貫通穴２０ｂの径Ｄの関係は以下となる。

ここで、流量Ｑ’を一定とした場合のＬ／Ｄと冷却効果及び圧力損失との関係を図１３に示す。図１３は、図１１に流量Ｑ’を一定とした場合のＬ／Ｄと圧力損失との関係を重ねたものである。ここで圧力損失は右側の軸に従う。これよりＬ／Ｄが４０を超えたあたりから急激に圧力損失が上がっていることがわかる。
ボールねじ装置１を冷却する際には、ポンプや冷却機を有した冷却手段によって冷却した冷却媒体をボールねじ装置に供給する必要があり、この冷却手段をよりコンパクトにしたり、冷却手段自身の発熱を抑えるためには、ボールねじ装置１内での圧力損失はできるだけ小さくする必要がある。
すなわち、Ｌ／Ｄの範囲としては、下記式（１６）とすることが望ましいことがわかる。

以上の結果より、ナット２０を冷却する構造を有したボールねじ装置１において冷却効果とナット２０の加工効率を両立するためには、式（１２），（１３）より貫通穴２０の軸方向の長さＬと、貫通穴２０ｂの径Ｄとの比を、下記式（Ａ）の範囲とすることが好ましい。

さらに、冷却手段の負荷低減を図るためには、式（１２），（１５）より、下記式（１７）に表すようにすると、冷却効果とトータルコストを両立した理想的なボールねじ装置１を提供できる。

上記説明では、ナット内に１本の貫通穴が形成されたボールねじ装置について計算したが、図９に示すように、ナット内に、その軸方向に複数の貫通穴が並設され、それら複数の貫通穴を連結させた形態としたボールねじ装置においては、上記計算式のＬを４Ｌ（例えばナット内に４本の貫通穴が並設された場合）などとして計算すればよい。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

１ ボールねじ装置
１０ ねじ軸
２０ ナット
３０ 転動体
４０ 冷却装置
４１ 管

Claims (2)

1. ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
   前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝との間には、予圧方向を引張り方向として２点接触状態で予圧を付与された前記複数の転動体が組み込まれていることを特徴とするボールねじ装置。
2. ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
   前記貫通穴の軸方向の長さＬと、前記貫通穴の径Ｄとの比（Ｌ/Ｄ）を下記式（Ａ）としたことを特徴とするボールねじ装置。
   １０≦Ｌ／Ｄ≦６０・・・・・・・・・・・・・・・・・式（Ａ）

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