JP2020070883A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部品や付帯設備の寿命を低下させずに大きな予圧力を付与でき、しかも小型化を図れるボールねじ装置を提供する。【解決手段】ボールねじ装置１００は、ねじ軸１１、ナット１３、複数の転動体１５を備える。ナット１３は、ねじ溝を有する内側ナット２１と、内側ナットの径方向外側に配置された外側ナット２３と、内側ナット２１及び外側ナット２３の軸方向一端部及び軸方向他端部を覆う一対のフランジ部２７Ａ，２７Ｂと、内側ナット２１の外周面２１ａ、外側ナット２３の内周面２３ａ、及び一対のフランジ部２７Ａで囲まれる圧力室３１と、圧力室３１に作動流体を供給する流体供給口３３とを有する。圧力室３１内に供給される作動流体の圧力に応じて内側ナット２１を縮径させて、ナット１３に予圧を付与する。【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ装置に関する。

工作機械等の各種機械装置においては、移動用のデバイスとしてボールねじ装置が広く使用されている。ボールねじ装置は回転軸と、回転軸に螺合されるナットと、回転軸とナットとの間を転動するボール（転動体）と、を備える。例えば工作機械に適用されたボールねじ装置の場合、切削加工時の剛性の確保や、位置決め精度の向上のため、ボールには常に予圧が付与される。しかし、この予圧は、高速送りや移動量が大きい場合には移動抵抗を生じて発熱源となり、機械精度を悪化させる一原因となっている。

そこで、予圧量が可変になるように構成されたボールねじ装置が種々提案されている（例えば、特許文献１、２。）。
特許文献１のボールねじ装置は、軸方向に分割された２つのナットの間に設けられた付勢子が、流体圧によって２つのナットを軸方向に互いに引き離すよう動作することで予圧を可変させている。特許文献２のボールねじ装置は、軸方向に２つに分割されて、それぞれ片側にフランジを持つ内側ナットが、フランジが背を向けるように対向した状態で外側ナットの内部に組み込まれている。内側ナットのフランジ部、内側ナットの胴体外径、外側ナットの内径で構成される油圧室には、ハウジング外部から内部を通って油が供給され、その油圧によって内側ナットと外側ナットとを互いに引き離すことで予圧を可変する。

特開平６−２３５４４６号公報 特開平５−１１８４０４号公報

しかしながら、特許文献１，２のボールねじ装置では、ナットが軸方向に２つ並ぶため、ナット全長が長くなり、装置の小型化を妨げる問題があった。また、特許文献１のボールねじ装置では、軸方向に付勢子を押圧するため、流体圧を受ける面積（受圧面積）を、ナット外径とナット内径との差の断面積以上にできない。特許文献２のボールねじ装置では、受圧面積を内側ナットの胴体外径とフランジ外径との差の断面積以上にできない。そのため、大きな押圧力を発生させるには流体圧を増加させることになるが、流体圧が高いほど流体の漏れを防ぐシール部品が多く必要となり、また、流体を供給するポンプ等に大きな負荷がかかる。そのため、シール部品や付帯設備の寿命が短くなる問題を生じた。

そこで本発明は、シール部品や付帯設備の寿命を低下させずに大きな予圧力を付与でき、しかも小型化を図れるボールねじ装置を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状のねじ溝を有して前記ねじ軸に挿通されたナットと、前記ねじ軸の前記ねじ溝及び前記ナットの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、を備えるボールねじ装置であって、
前記ナットは、
前記ねじ溝を有する内側ナットと、
前記内側ナットの径方向外側に配置された外側ナットと、
前記内側ナット及び前記外側ナットの軸方向一端部及び軸方向他端部を覆う一対のフランジ部と、
前記内側ナットの外周面、前記外側ナットの内周面、及び一対の前記フランジ部で囲まれる圧力室と、
前記圧力室に作動流体を供給する流体供給口と、
を有し、
前記流体供給口から前記圧力室内に供給される前記作動流体の圧力に応じて前記内側ナットを縮径させて、前記ナットに予圧を付与するボールねじ装置。

本発明のボールねじ装置によれば、シール部品や付帯設備の寿命を低下させずに大きな予圧力を付与でき、しかも小型化を図れる。

本発明に係るボールねじ装置の構成図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示すＢ部の部分拡大図である。 （Ａ），（Ｂ）は、油圧によりボールねじ装置に予圧を付与する様子を示す説明図である。 第２構成例のボールねじ装置の構成図である。 第３構成例のボールねじ装置における圧力室周辺の部分構成図である。 第４構成例のボールねじ装置におけるフランジ部材の取り付け構造を示す図であり、図１のＢ部に対応する部分拡大図である。 図７のＣ方向から見た側面図である。 図７に示すキー部材と、内側ナット、外側ナットの分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係るボールねじ装置は、流体圧（油圧等）によって予圧を調整する機能を有する。
図１は本発明に係るボールねじ装置１００の構成図である。図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

ボールねじ装置１００は、ねじ軸１１と、ねじ軸１１に挿通されるナット１３と、複数の転動体１５とを備える。
ねじ軸１１には、外周面に螺旋状のねじ溝１７が形成される。
ナット１３は、ねじ溝１９を有する内側ナット２１と、内側ナット２１の径方向外側に配置された外側ナット２３と、一対の環状のフランジ部材（フランジ部）２７Ａ，２７Ｂと、圧力室３１と、流体供給口３３とを有する。

ねじ軸１１のねじ溝１７と、ナット１３のねじ溝１９との転動面には、複数の転動体１５が転動自在に配置され、内側ナット２１に内蔵された不図示の循環構造によって循環される。転動体１５の循環方式は限定されず、種々の方式を採用できる。

フランジ部材２７Ａは、内側ナット２１及び外側ナット２３の軸方向一端部（図１の左側）を全周にわたって覆い、フランジ部材２７Ｂは、内側ナット２１及び外側ナット２３の軸方向他端部（図１の右側）を全周にわたって覆う。各フランジ部材２７Ａ，２７Ｂは、複数の固定用ボルト３５によって外側ナット２３に固定される。つまり、内側ナット２１は、一対のフランジ部材２７Ａ，２７Ｂによって軸方向両端部が挟み込まれて外側ナット２３の径方向内側に保持される。

内側ナット２１は、外側ナット２３の内周面２３ａと内側ナット２１の外周面２１ａとの間に隙間をあけて配置される。これにより、ナット１３には、内側ナット２１の外周面２１ａ、外側ナット２３の内周面２３ａ、及び一対のフランジ部材２７Ａ，２７Ｂで囲まれる圧力室３１が画成される。また、外側ナット２３には、圧力室３１に作動流体を供給する流体供給口３３が設けられる。

内側ナット２１、外側ナット２３、フランジ部材２７Ａ，２７Ｂは、いずれも鋼材等の金属材料で構成される。内側ナット２１は、後述する予圧付与のため、径方向の剛性が外側ナット２３より低く設定されるのが好ましい。

一対のフランジ部材２７Ａ，２７Ｂは、内側ナット２１、外側ナット２３とは別体に形成され、固定用ボルト３５によって着脱自在に取り付けられる。これにより、分解及び組み立てが簡単に行えるメンテナンス性に優れた構成となっている。

図３は図１に示すＢ部の部分拡大図である。
ここでは、フランジ部材２７Ａの配置側の構成について説明する。フランジ部材２７Ｂの配置側については、フランジ部材２７Ａの配置側と同様の構成であるため説明を省略する。

フランジ部材２７Ａ（２７Ｂも同様）は、内側ナット２１と外側ナット２３の軸方向一端部（図３の左側）に当接して圧力室３１の軸方向端部を閉塞する。また、フランジ部材２７Ａの圧力室３１より径方向外側には外側環状溝３７が形成され、圧力室３１より径方向内側には内側環状溝３９が形成される。外側環状溝３７と内側環状溝３９の内部には、Ｏリング等のシール部材４１が配置される。シール部材４１は、圧力室３１の作動流体が外部へ漏出するのを防止する。

内側ナット２１の軸方向一端部（図３の左側）には、軸方向外側に突出する係合凸部２１ｂが形成される。フランジ部材２７Ａには、係合凸部２１ｂが挿入されて係合する係合凹部２７ａが形成される。係合凸部２１ｂと係合凹部２７ａからなる係合部は、図２に示すように、軸断面形状が矩形状であり、フランジ部材２７Ａと内側ナット２１との相対回転を規制する。また、上記係合部は、内側ナット２１の軸方向への変位、及び径方向外側への変形を規制し、内側ナット２１の径方向内側への変形（縮径、及び縮径後の弾性復帰）を、係合凸部２１ｂの径方向内側に設けたクリアランス４７分だけ許容する。

また、図１に示す流体供給口３３は、外側ナット２３を径方向に貫通して外周部から圧力室３１まで連通する貫通孔３２を有する。流体供給口３３には、コネクタ４５が取り付けられ、油圧ポンプ等の流体圧供給部４３から、作動油等の作動流体が圧送される。流体圧供給部４３は、圧力室３１内の作動流体の圧力を制御する。

図４（Ａ），（Ｂ）は、油圧によりボールねじ装置に予圧を付与する様子を示す説明図である。
上記構成のボールねじ装置１００は、図４（Ａ）に示すように、初期状態（圧力室３１の圧力増加前の状態）で、転動体１５へねじ溝１９から最小限の押し付け力Ｆ１を負荷している。この押し付け力Ｆ１が、ボールねじ装置のがたつきを防止する予圧荷重として作用する。

そして、図４（Ｂ）に示すように、流体圧供給部４３の圧力制御によって、圧力室３１内の圧力を上昇させると、内側ナット２１の外周面２１ａの全体に荷重Ｐが負荷される。すると、内側ナット２１は、径方向内側に向けてクリアランス４７（図４（Ａ）参照）の分が縮径される。これにより、ねじ溝１９から転動体１５への押し付け力Ｆ２は、初期状態の押し付け力Ｆ１よりも増大し（Ｆ２＞Ｆ１）、大きな予圧荷重が得られるようになる。

内側ナット２１とフランジ部材２７Ａ，２７Ｂとの間にクリアランス４７を設けておくことで、圧力室３１内の圧力を高めた際に、内側ナット２１を、軸方向両端の係合凸部２１ｂを固定支持端として撓ませることなく、軸方向に沿って略均等に縮径させることができる。よって、押し付け力Ｆ２を複数のねじ溝１９から転動体１５へ均等に負荷できる。また、圧力室３１内の圧力を更に高めることで、内側ナット２１を撓ませて、より大きな押し付け力Ｆ２を発生することができる。

以上のように、本構成のボールねじ装置１００では、ナット１３を径方向の内側ナット２１と外側ナット２３とに２分割し、内側ナット２１と外側ナット２３との間の圧力室３１に作動流体を密封して、流体供給口３３から圧力室３１内に作動流体を供給する。これにより、供給される圧力室３１内の作動流体の圧力に応じて内側ナット２１を縮径させることで、予圧荷重を自在に変更できる。

この構成によれば、例えばボールねじ装置１００を工作機械に適用した場合に、高速送り時や移動量が大きい場合には予圧荷重を増加させ、低速送り時や送り量が小さい場合には予圧荷重を低下させる等、使用状況に応じて予圧荷重を変更することが簡単に行える。予圧荷重は、段階的に変更してもよく、連続的に変更してもよい。

また、本構成のナット１３は、径方向に２つに分割する構成であるため、２つのナットをねじ軸１１に沿って直列に接続する、所謂、ダブルナット構造と比較して、ナット１３の軸方向幅を短縮できる。このため、ナット１３を小型化でき、ねじ軸１１における可動範囲を拡大できる。また、ボールねじ装置１００全体の小型化にも寄与できる。

さらに、圧力室３１における作動流体からの受圧面積は、内側ナット２１の外周面２１ａの全体となるため、負荷する流体圧が小さくて済む。このため、シール部材４１や付帯設備の長寿命化を実現できる。

また、内側ナット２１の両端部の外周に設けられた係合凸部２１ｂを、係合凸部２１ｂの外径面の径方向寸法が、外径側のフランジ部材２７Ａ，２７Ｂの係合凹部２７ａの外径側内壁面の径方向寸法よりも僅かに大きくし、内側ナット２１にフランジ部材２７Ａ，２７Ｂを圧入して組み付けてもよい。その場合には、流体圧が負荷されない状態でも、例えば、転動体１５のがたつきを防止する程度の予圧荷重を生じさせることができる。

その上で、ねじ軸１１のねじ溝１７と、ナット１３のねじ溝１９との間に配置される転動体１５の直径をわずかに大きくする予圧方式、所謂、オーバーサイズボール予圧や、ねじ溝１７のリードを一部で大きくする予圧方式、所謂、オフセット予圧により、流体圧が負荷されない状態での予圧荷重をさらに高めることができる。

＜第２構成例＞
次に、ボールねじ装置の第２構成例を説明する。
図５は第２構成例のボールねじ装置２００の構成図である。
本構成のボールねじ装置２００は、外側ナット２３Ａの軸方向一端部（図５の左側）に、外側ナット２３Ａと一体構造のフランジ部２３ｂを有する点以外は、前述のボールねじ装置１００と同様の構成である。

外側ナット２３Ａのフランジ部２３ｂは、内側ナット２１の係合凸部２１ｂを挿入する係合凹部２３ｃが形成される。係合凹部２３ｃの径方向内側には環状溝５１が形成され、環状溝５１の内部にシール部材４１が配置される。

本構成によれば、シール部材４１を１箇所に設けるだけで済み、部品点数を削減できる。また、圧力室３１から作動油が漏出にくくなる。そして、前述の片側のフランジ部材２７Ａ（図１参照）の組み付け工程が不要となり、組立工数を削減できる。

＜第３構成例＞
次に、ボールねじ装置の第３構成例を説明する。
図６は第３構成例のボールねじ装置３００における圧力室３１周辺の部分構成図である。
本構成のボールねじ装置３００は、内側ナット２１Ａの形状が異なる点以外は、前述のボールねじ装置１００と同様の構成である。

本構成の内側ナット２１Ａの圧力室３１を画成する外周面２１ａには、径方向に窪む小径部５３が形成される。小径部５３は、内側ナット２１Ａの少なくともねじ溝１９が形成される軸方向領域に全周にわたって形成されることが好ましい。この構成では、内側ナット２１Ａの径方向厚さｔが、前述の第１構成例のボールねじ装置１００における内側ナット２１の厚さより薄くなっている。

本構成によれば、圧力室３１に流体圧が負荷された場合、内側ナット２１Ａの剛性が小径部５３を設けない場合と比較して、内側ナット２１Ａの径方向変形量を大きくできる。よって、前述した内側ナット２１（図１参照）の場合と比較して、同じ予圧荷重を得るために必要な流体圧を低くすることができる。

＜第４構成例＞
次に、ボールねじ装置の第４構成例を説明する。
図７は第４構成例のボールねじ装置４００におけるフランジ部材（フランジ部）２８の取り付け構造を示す図であり、図１のＢ部に対応する部分拡大図である。図８は図７のＣ方向から見た側面図である。

本構成のボールねじ装置４００では、環状のフランジ部材（フランジ部）２８が内側ナット２１Ｂに固定用ボルト３５で固定される。なお、図示は省略するが、ナット１３は、内側ナット２１Ｂ及び外側ナット２３Ｂの軸方向他端部（図７の右側）にも同様にフランジ部材（フランジ部）が固定された、同様のフランジ部材の支持形態を有する。

外側ナット２３Ｂの軸方向両端部には、フランジ部材２８を収容する環状溝６１が形成される。環状溝６１の底面（フランジ部材２８との接触面）は、内側ナット２１Ｂの軸方向端面と面一となっている。これにより、圧力室３１が内側ナット２１Ｂの外周面２１ａ、外側ナット２３Ｂの内周面２３ａ、一対のフランジ部材２８に囲まれて画成される。

図９はキー部材６３と、内側ナット２１Ｂ、外側ナット２３Ｂの分解斜視図である。
フランジ部材２８と外側ナット２３Ｂとは、Ｌ字型のキー部材６３が取り付けられることで、お互いの相対回転が阻止される。つまり、フランジ部材２８の内側ナット２１Ｂとの接触側と反対側の部分と、外側ナット２３Ｂの軸方向一端部とに、キー部材６３を収容する固定溝６５，６７が形成される。キー部材６３は、固定溝６５，６７に嵌入されて、固定ねじ６９によって外側ナット２３Ｂに固定される。

キー部材６３は、固定溝６５，６７への挿入方向に突出する凸部６３ａを有する。凸部６３ａの径方向外側面と、フランジ部材２８の固定溝６５の径方向内側面との間には、クリアランス７１が設けられる。このクリアランス７１は、内側ナット２１Ｂの径方向内側への変形（縮径）代となる。

本構成によれば、内側ナット２１Ｂに固定したフランジ部材２８と外側ナット２３Ｂに設けた固定溝６５，６７にＬ字型のキー部材６３を固定することで、内側ナット２１Ｂの径方向内側への縮径（及び弾性復帰）の変形のみを許容する構成にできる。キー部材６３の凸部６３ａの形状によってクリアランス７１の大きさを調整できるので、内側ナット２１Ｂの縮径量をキー部材６３の凸部６３ａの形状により簡単に変更できる。また、キー部材６３の径方向の寸法を、外側ナット２３Ｂとフランジ部材２８が同芯に配置された場合の、固定溝６５,６７の径方向に対向する面の寸法より僅かに大きくしてもよい。その場合、キー部材６３を固定溝６５,６７に圧入することで、流体圧が負荷されない状態でも、予圧荷重を生じさせることができる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状のねじ溝を有して前記ねじ軸に挿通されたナットと、前記ねじ軸の前記ねじ溝及び前記ナットの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、を備えるボールねじ装置であって、
前記ナットは、
前記ねじ溝を有する内側ナットと、
前記内側ナットの径方向外側に配置された外側ナットと、
前記内側ナット及び前記外側ナットの軸方向一端部及び軸方向他端部を覆う一対のフランジ部と、
前記内側ナットの外周面、前記外側ナットの内周面、及び一対の前記フランジ部で囲まれる圧力室と、
前記圧力室に作動流体を供給する流体供給口と、
を有し、
前記流体供給口から前記圧力室内に供給される前記作動流体の圧力に応じて前記内側ナットを縮径させて、前記ナットに予圧を付与するボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、圧力室内の作動流体の圧力によって、内側ナットを縮径させることで、予圧荷重を自在に変更できる。
また、ナットを径方向に２つに分割する構成であるため、ダブルナット構造と比較してナットの軸方向幅を短縮でき、小型化が図れる。
さらに、圧力室３１における作動流体からの受圧面積が、内側ナットの外周面の全体となるため、負荷する流体圧が小さくて済み、シール部材や付帯設備の長寿命化を実現できる。

（２） 一対の前記フランジ部は、前記外側ナットに固定され、
前記内側ナットの軸方向端部と前記フランジ部とは、お互いの相対回転を規制し、且つ前記内側ナットの径方向の変形を許容する係合部を有する（１）に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、内側ナットが係合部を介してフランジ部に支持されることで、内側ナットの軸方向の移動を規制し、径方向の変形のみ許容する内側ナットの支持構造にできる。

（３） 一対の前記フランジ部の少なくとも一方は、前記外側ナットと一体に形成されている（１）又は（２）に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、少なくとも一方のフランジ部が外側ナットと一体に形成されることで、部品点数や組立工数を削減できる。

（４） 一対の前記フランジ部は、前記内側ナットに固定され、
前記フランジ部と前記外側ナットの軸方向端部は、お互いの相対回転を規制し、且つ前記内側ナットの径方向の変形を許容する係合部を有する（１）に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、内側ナットの固定されたフランジ部が係合部を介して外側ナットに支持されることで、内側ナットの軸方向の移動を規制し、径方向の変形のみ許容する内側ナットの支持構造にできる。
内側ナット

（５） 前記係合部は、前記フランジ部と前記外側ナットに形成された溝部と、前記溝部に嵌合するキー部材とを有する（４）に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、溝部とキー部材との嵌合によって、フランジ部が固定された内側ナットと、外側ナットとの相対回転が防止される。

（６） 前記内側ナットは、前記圧力室を画成する外周面の少なくとも一部に、径方向に窪む小径部を有する（１）〜（５）のいずれか一つに記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、小径部が設けられることで、内側ナットが径方向に変形しやすくなる。

１１ ねじ軸
１３ ナット
１５ 転動体
１７，１９ ねじ溝
２１，２１Ａ，２１Ｂ 内側ナット
２１ａ 外周面
２１ｂ 係合凸部（係合部）
２３，２３Ａ，２３Ｂ 外側ナット
２３ａ 内周面
２３ｂ フランジ部
２３ｃ 係合凹部（係合部）
２７Ａ，２７Ｂ，２８ フランジ部
２７ａ 係合凹部（係合部）
３１ 圧力室
３３ 流体供給口
４３ 流体圧供給部
５３ 小径部
６３ キー部材（係合部）
６５，６７ 固定溝（係合部）
１００，２００，３００，４００ ボールねじ装置

Claims (6)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状のねじ溝を有して前記ねじ軸に挿通されたナットと、前記ねじ軸の前記ねじ溝及び前記ナットの前記ねじ溝との間に形成された転動路に転動可能に配置された複数の転動体と、を備えるボールねじ装置であって、
   前記ナットは、
   前記ねじ溝を有する内側ナットと、
   前記内側ナットの径方向外側に配置された外側ナットと、
   前記内側ナット及び前記外側ナットの軸方向一端部及び軸方向他端部を覆う一対のフランジ部と、
   前記内側ナットの外周面、前記外側ナットの内周面、及び一対の前記フランジ部で囲まれる圧力室と、
   前記圧力室に作動流体を供給する流体供給口と、
   を有し、
   前記流体供給口から前記圧力室内に供給される前記作動流体の圧力に応じて前記内側ナットを縮径させて、前記ナットに予圧を付与するボールねじ装置。
2. 一対の前記フランジ部は、前記外側ナットに固定され、
   前記内側ナットの軸方向端部と前記フランジ部とは、お互いの相対回転を規制し、且つ前記内側ナットの径方向の変形を許容する係合部を有する請求項１に記載のボールねじ装置。
3. 一対の前記フランジ部の少なくとも一方は、前記外側ナットと一体に形成されている請求項１又は２に記載のボールねじ装置。
4. 一対の前記フランジ部は、前記内側ナットに固定され、
   前記フランジ部と前記外側ナットの軸方向端部は、お互いの相対回転を規制し、且つ前記内側ナットの径方向の変形を許容する係合部を有する請求項１に記載のボールねじ装置。
5. 前記係合部は、前記フランジ部と前記外側ナットに形成された溝部と、前記溝部に嵌合するキー部材とを有する請求項４に記載のボールねじ装置。
6. 前記内側ナットは、前記圧力室を画成する外周面の少なくとも一部に、径方向に窪む小径部を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のボールねじ装置。

Images