JP2017067129A

JP2017067129A - ねじ軸、ナット、ボールねじ装置

Info

Publication number: JP2017067129A
Application number: JP2015191625A
Authority: JP
Inventors: 圭祐武藤; Keisuke Muto; 豊永井; Yutaka Nagai; 信朝　雅弘; Masahiro Nobutomo; 雅弘信朝
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】軽量化したねじ軸、ナット、及び、ボールねじ装置を提供する。【解決手段】外周面にねじ溝２ｄが形成され、ねじ溝２ｄ上に配置された複数の転動体７を介してナット３が外嵌することでボールねじ装置１を構成するねじ軸２であって、ねじ溝２ｄが形成された表層部６が、ねじ溝２ｄに沿って螺旋状に繊維Ｆが巻き付けられた繊維強化プラスチックからなるものとする。また、表層部６は、径方向において、ねじ溝２ｄの深さよりも厚いものとする。【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械、建設機械などに用いられ、回転運動を直線運動に変換するボールねじ装置に用いられるねじ軸及びナット、並びに、ボールねじ装置に関する。

工作機械や建設機械などに用いられるボールねじ装置においては軽量化の要請がある。そのため、ボールねじ装置のナットを高分子材料により形成したものがある（特許文献１）。

また、運動案内装置において、軌道を構成する軌道部材と、その軌道部材中を移動する移動部材とを繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により形成したものがある（特許文献２）。

特開平８−１２１５６１号公報特許第４８１３３７３号公報

近年、省エネルギーなどの観点から、ボールねじ装置の更なる軽量化が望まれている。

このような点に鑑みて、本発明は、軽量化したねじ軸、ナット、及び、ボールねじ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、
外周面にねじ溝が形成され、前記ねじ溝上に配置された複数の転動体を介してナットが外嵌することでボールねじ装置を構成するねじ軸であって、
前記ねじ溝が形成された表層部が、前記ねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなることを特徴とするねじ軸を提供する。

好ましくは、前記表層部は、径方向において、前記ねじ溝の深さよりも厚い。

また、好ましくは、前記表層部は、径方向内側に形成された筒状の深部と一体的に形成されている。

また、好ましくは、前記深部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなる。

また、好ましくは、前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックである。

また、上記課題を解決するために本発明では、上記ねじ軸を有することを特徴とするボールねじ装置を提供する。

また、上記課題を解決するために本発明では、
筒状部を有し、前記筒状部の内側にねじ溝が形成され、前記ねじ溝上に配置された複数の転動体を介してねじ軸に外嵌することでボールねじ装置を構成するナットであって、
前記ねじ溝が形成された内径部が、前記ねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなることを特徴とするナットを提供する。

好ましくは、前記内径部は、径方向において、前記ねじ溝の深さよりも厚い。

また、好ましくは、前記内径部は、径方向外側に形成された筒状の外径部と一体的に形成されている。

また、好ましくは、前記外径部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなる。

また、上記課題を解決するために本発明では、上記ナットを有することを特徴とするボールねじ装置を提供する。

また、上記課題を解決するために本発明では、
第１のねじ溝が形成された表層部が、前記第１のねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなるねじ軸と、
前記ねじ軸が貫通した筒状部を有し、前記筒状部の内径部に前記第１のねじ溝に対応する第２のねじ溝が形成されており、前記内径部が前記第２のねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなるナットと、を有することを特徴とするボールねじ装置を提供する。

好ましくは、前記表層部は、径方向において、前記第１のねじ溝の深さよりも厚い。

また、好ましくは、前記内径部は、径方向において、前記第２のねじ溝の深さよりも厚い。

本発明によれば、軽量化したねじ軸、ナット、及び、ボールねじ装置を提供することができる。

本願の実施形態に係るボールねじ装置を示す平面図である。本願の実施形態に係るボールねじ装置のねじ軸を示す一部切り欠き平面図である。本願の実施形態に係るボールねじ装置の図２に示すＡ−Ａ断面図である。本願のボールねじ装置のナットを示す一部切り欠き平面図である。

以下、本願の実施形態に係るボールねじ装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本願の実施形態に係るボールねじ装置１を示す平面図である。図１に示すとおり、ボールねじ装置１は、棒状のねじ軸２と、ねじ軸２に外嵌したナット３とを有している。

ねじ軸２は、外周面に螺旋状の第１のねじ溝２ｄが形成されたねじ溝部２ａと、ねじ溝部２ａの一方の端部に連続して形成された駆動側端部２ｂと、ねじ溝部２ａの他方の端部に連続して形成された反駆動側端部２ｃとを有している。駆動側端部２ｂは、ねじ軸２を回転させるトルクを電動モータなどの不図示の駆動機構から受ける。

ナット３は、内側をねじ軸２が通る筒状部３ａと、筒状部３ａの一方の端部に一体的に形成されたフランジ３ｂとを有する。筒状部３ａの内周面には、ねじ溝部２ａに形成された第１のねじ溝２ｄに対応する第２のねじ溝３ｃが形成されている（図４参照）。

筒状部３ａとねじ溝部２ａの間には、複数の転動体（ボール７）が介在している（図２参照）。ボール７は、第１のねじ溝２ｄと第２のねじ溝３ｃが形成する転動路内に並んで収容されている。

ナット３の筒状部３ａには、径方向に貫通した長円状の貫通孔に、上記転動体を循環させるコマ４ａ、４ｂが挿入されている。コマ４ａ、４ｂは、樹脂から形成されており、筒状部３ａの内側に形成された第２のねじ溝３ｃの離れた２箇所をつなぐ通路を形成し、転動路と共にボール７が循環する無限循環路を構成する。

以上の構成により、ボールねじ装置１は、ねじ軸２とナット３とが相対回転することで、ねじ軸２とナット３が軸方向に相対移動する。

図２は本願の実施形態に係るボールねじ装置１のねじ軸２を示す一部切り欠き平面図である。図２に向かって右上側は軸線方向に切断した断面を示している。図３は本願の実施形態に係るボールねじ装置１の図２に示すＡ−Ａ断面図である。

ねじ軸２のねじ溝部２ａは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって、中空に形成されている。ねじ軸２は、ボールねじ装置１の大部分を占めるため、金属材料から炭素繊維強化プラスチックへ変更することで、ボールねじ装置１は、強度を保ちながら、大幅な軽量化を実現することができる。また、ねじ溝部２ａを中空の円筒状とすることで更なる軽量化を図ることができる。ねじ軸２の材料は、炭素繊維強化プラスチックが好ましいが、その他の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることもできる。

ねじ軸２は、図２及び図３に示すように、径方向内側に円筒状に形成された深部５と、深部５の径方向外周を覆う円筒状の表層部６とから形成されている。深部５と表層部６は一体的に形成されている。

深部５は、炭素繊維がヘリカル巻きによって巻き付けられたＣＦＲＰによって形成されている。ヘリカル巻きとすることで、深部５に必要な強度を出しやすくなる。

図２において、破線Ｆは表層部６における炭素繊維の巻き付け方向を示している。表層部６は、炭素繊維が第１のねじ溝２ｄに沿って螺旋状に巻き付けて形成されている。つまり、炭素繊維が第１のねじ溝２ｄとほぼ等しいリード角で巻き付けられており、第１のねじ溝２ｄと交錯していない。

表層部６は、径方向において、第１のねじ溝２ｄの深さよりも厚い。言い換えれば、表層部６は、内周面が第１のねじ溝２ｄの最も深い部分（最も径方向内側の部分）よりも径方向内側に位置している。したがって、第１のねじ溝２ｄは全体が表層部６に形成されており、深部５までは達していない。第１のねじ溝２ｄの内側表面は全て第１のねじ溝２ｄに平行に巻かれた炭素繊維によって強化された炭素繊維強化プラスチックによって形成されている。

図４は本願の実施形態に係るボールねじ装置１のナット３を示す一部切り欠き平面図である。中心軸線よりも上側はナット３を中心軸線方向に切断した断面を示している。

図４に示すように、ナット３は、上述のコマ４ａ、４ｂを除いて、径方向外側の部分を形成する筒状の外径部８と、筒状をして、外径部８の径方向内側に一体的に形成された内径部９とから構成されている。外径部８と内径部９は、いずれも炭素繊維強化プラスチックから形成されている。これにより、ナット３は、強度を保ちながら大幅に軽量化することができ、ボールねじ装置１をより軽量化することができる。なお、コマ４ａ、４ｂも炭素繊維強化プラスチックなどの繊維強化プラスチックから形成しても良い。

外径部８は、炭素繊維がヘリカル巻きによって巻き付けられ、形成されている。炭素繊維をヘリカル巻きとすることで、外径部８に必要な強度を出しやすくなる。

内径部９は、図４において破線Ｆで示すように、炭素繊維が第２のねじ溝３ｃに沿って螺旋状に巻き付けて形成されている。つまり、炭素繊維が第２のねじ溝３ｃとほぼ等しいリード角で巻き付けられており、第２のねじ溝３ｃと交錯していない。

内径部９は、径方向において、第２のねじ溝３ｃの深さよりも厚い。言い換えれば、内径部９は、外周面が第２のねじ溝３ｃの最も深い部分（最も径方向外側の部分）よりも径方向外側に位置している。したがって、第２のねじ溝３ｃは全体が内径部９に形成されており、外径部８までは達していない。第２のねじ溝３ｃの内側表面は全て第２のねじ溝３ｃに平行に巻かれた炭素繊維によって強化された炭素繊維強化プラスチックによって形成されている。

ねじ軸２とナット３の成形はフィラメントワインディングにより行うことができる。仕上げに塑性加工を行っても良い。ねじ溝部２ａは、外周面に螺旋状の溝を形成した芯部材に、炭素繊維を巻きつけることで形成しても良いし、研削によって形成しても良い。

ねじ軸２とナット３との間に介在する複数のボール７は、セラミックにより形成することが好ましい。これにより、ボールねじ装置１は、強度を保ちながら、更に軽量化することができる。

以上に説明した本実施形態によれば、従来のボールねじ装置に比して大幅に軽量化したボールねじ装置を実現することができる。本実施形態は、特に、高い精度が要求されない大型のボールねじ装置、例えば、パワーショベル用ボールねじ装置に好適に用いることができる。

本実施形態は、フィラメント束（繊維）を巻き付ける方向が機械的強度および密着性と密接に関係している点に着目し、ねじ軸２に必要な機械的特性（引張り強度、曲げ強度、疲労強度）を満足しやすいものとしている。具体的には、接着用の樹脂を含浸させたフィラメント束を第１、第２のねじ溝２ｄ、３ｃと平行するように螺旋状に巻き付けることにより、第１、第２のねじ溝２ｄ、３ｃを形成する際の研削や、ボールねじ装置１が作動した際に繰り返しボール７が第１、第２のねじ溝２ｄ、３ｃ上を通過しても強化繊維が切断されにくいものとしている。これにより、高い強度と耐久性を備えながら軽量化されたボールねじ装置１を実現することができる。

以上、本願発明の説明のために具体的な実施形態を示したが、本願発明はこれに限られるものではなく、種々の変更、改良が可能である。

例えば、ねじ軸２は、一部のみをＦＲＰ製とすることができる。駆動側端部２ｂと反駆動側端部２ｃとを金属製とし、ＦＲＰ製のねじ溝部２ａの端部に固定した構成としても良い。また、ナット３も、筒状部３ａをＦＲＰ製とし、フランジ３ｂを金属製とするなど、一部のみをＦＲＰ製とすることができる。

炭素繊維強化プラスチック以外の繊維強化プラスチックとしては、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ、ＫＦＲＰ）、ダイニーマ（ポリエチレン）繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）、パラ系アラミド繊維強化プラスチック、ポリアレリート繊維強化プラスチック、及び、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維強化プラスチックを用いることができる。強化繊維の物性としては、引張り強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上のものが望ましい。

また、転動体としてのボール７は、セラミック製に限らず、金属製とすることもできる。

また、ボールねじ装置１の循環方式は、上述のように樹脂からなるコマ４ａ、４ｂを用いたコマ式が軽量化のためには好ましいが、その他の循環方式を採用することもできる。例えば、エンドデフレクタ式、チューブ式、エンドキャップ式などの循環方式を採用することもできる。

また、ねじ軸２の端部の構成は、上記実施形態に示したものに限られず、用途などに応じて変更することができる。

また、ねじ軸２の表層部６は、第１のねじ溝２ｄの深さと同じ厚さとするか、ねじ溝の深さよりも薄いものとすることもできる。ただし、この場合であっても、ボール７と接触する面は表層部６（第１のねじ溝２ｄに沿って繊維を巻き付けた部分）とすることが好ましい。

また、ねじ軸２の深部５は、中空の筒状とすることで軽量化を図ることができるが、中実の円柱状のものとすることもできる。

また、ねじ軸２の深部５は、繊維強化プラスチックによって形成することで軽量化を図ることができるが、金属など、繊維強化プラスチック以外の材料によって形成することもできる。

また、ナット３の内径部９は、径方向において、第２のねじ溝３ｃの深さと同じ厚さとするか、ねじ溝の深さよりも薄いものとすることもできる。ただし、この場合であっても、ボール７と接触する面は内径部９（第２のねじ溝３ｃに沿って繊維を巻き付けた部分）とすることが好ましい。

また、ナット３の外径部８は、繊維強化プラスチックによって形成することで軽量化を図ることができるが、金属など、繊維強化プラスチック以外の材料によって形成することもできる。

１ボールねじ装置
２ねじ軸
２ａねじ溝部
２ｂ駆動側端部
２ｃ反駆動側端部
２ｄ第１のねじ溝
３ナット
３ａ筒状部
３ｂフランジ
３ｃ第２のねじ溝
４ａ、４ｂコマ
５深部
６表層部
７ボール
８外径部
９内径部

Claims

外周面にねじ溝が形成され、前記ねじ溝上に配置された複数の転動体を介してナットが外嵌することでボールねじ装置を構成するねじ軸であって、
前記ねじ溝が形成された表層部が、前記ねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなることを特徴とするねじ軸。
前記表層部は、径方向において、前記ねじ溝の深さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のねじ軸。
前記表層部は、径方向内側に形成された筒状の深部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ軸。
前記深部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなることを特徴とする請求項３に記載のねじ軸。
前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のねじ軸。
請求項１ないし５のいずれか一項に記載のねじ軸を有することを特徴とするボールねじ装置。
筒状部を有し、前記筒状部の内側にねじ溝が形成され、前記ねじ溝上に配置された複数の転動体を介してねじ軸に外嵌することでボールねじ装置を構成するナットであって、
前記ねじ溝が形成された内径部が、前記ねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなることを特徴とするナット。
前記内径部は、径方向において、前記ねじ溝の深さよりも厚いことを特徴とする請求項７に記載のナット。
前記内径部は、径方向外側に形成された筒状の外径部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載のナット。
前記外径部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなることを特徴とする請求項９に記載のナット。
前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一項に記載のナット。
請求項７乃至１１のいずれか一項に記載のナットを有することを特徴とするボールねじ装置。
第１のねじ溝が形成された表層部が、前記第１のねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなるねじ軸と、
前記ねじ軸が貫通した筒状部を有し、前記筒状部の内径部に前記第１のねじ溝に対応する第２のねじ溝が形成されており、前記内径部が前記第２のねじ溝に沿って螺旋状に繊維が巻き付けられた繊維強化プラスチックからなるナットと、を有することを特徴とするボールねじ装置。
前記表層部は、径方向において、前記第１のねじ溝の深さよりも厚いことを特徴とする請求項１３に記載のボールねじ装置。
前記表層部は、径方向内側に形成された筒状の深部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のボールねじ装置。
前記深部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなることを特徴とする請求項１５に記載のボールねじ装置。
前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
前記内径部は、径方向において、前記第２のねじ溝の深さよりも厚いことを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
前記内径部は、径方向外側に形成された筒状の外径部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１３ないし１８のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
前記外径部は、繊維をヘリカル巻きした繊維強化プラスチックからなることを特徴とする請求項１９に記載のボールねじ装置。
前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１３ないし２０のいずれか一項に記載のボールねじ装置。