JP4396375B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や精密機械等の移動体の送り機構等に用いられるボールねじ装置であって、特に高速の送り機構等に用いられるボールねじ装置に関する。

一般に、ボールねじ装置にはグリース等の潤滑剤が塗布され、ねじ軸の軸転動溝やナットのナット転動溝と転動球との間に油膜を形成させて円滑な作動を行わせているが、グリース等は温度や水分、異物等の影響により比較的短期間で潤滑剤としての機能が低下するため、定期的にその補充作業を行う必要がある。
このような補充作業の煩雑さを解消するために従来のボールねじ装置は、ねじ軸に設けた螺旋状の軸転動溝とナットに設けた軸転動溝に対向するナット転動溝とを転動球を介して螺合させ、ナットの端部に比較的弾性に富んだ樹脂材料を母材とした潤滑剤含有ポリマからなる円環状の潤滑リングを設け、この潤滑リングの内周面をねじ軸の外周面に摺接させてねじ軸の潤滑を行うと共に、潤滑リングの外側に設けたシール体により塵埃等の異物の侵入を防止している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−８１１０３号公報（第３頁段落００２０−第５頁段落００３７、第１図、第２図）

しかしながら、上述した従来の技術においては、異物の侵入を防止するためのシール体がねじ軸の外周面と摺接するように設けられているため、潤滑剤を含んだ潤滑リングから滲み出した潤滑剤がシール体により掻き取られ、比較的弾性に富んだ材料からなる潤滑リングの摺接面の潤滑状態が不安定となって、潤滑剤が不十分な部位での引っかかりによる変形と潤滑リングの弾性による復元が不連続に生ずるスティックスリップ現象が発生することがある。

この現象はねじ軸を低速で回転させる場合には発生しないが、ねじ軸を高速で回転させた場合や急加減速を行わせた場合に発生しやすくなり、この現象が発生するとこれが自励振動となって異音を発生させるという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ボールねじ装置を高速で使用する場合にその潤滑リングの異音の発生を防止する手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットとを有し、前記軸転動溝とナット転動溝とを複数の転動球を介して螺合させたボールねじ装置において、前記ナットの端部に、前記ねじ軸の外周面に摺接する内周面を有する半円筒状のリング片の両側の端面を隙間を介して対向させて円環状に構成した潤滑剤含有材からなる潤滑リングを設け、前記リング片の内周面に、前記ねじ軸の軸方向の軸直交方向に掘り込んだ円周方向のスリット状の溝からなる非接触部を、軸方向に複数配置したことを特徴とする。

このように、本発明は、潤滑剤含有材からなる潤滑リングに非接触部を形成してねじ軸に摺接させるようにしたことによって、ねじ軸との摺接面の接触面積を減少させてその摩擦力を低減させると共に滲み出した潤滑剤の油溜りとして機能させることができ、ねじ軸を高速で回転させた場合や急加減速を行わせた場合スティックスリップ現象の発生を抑制して異音の発生を防止することができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明によるボールねじ装置の実施例について説明する。

図１は実施例のボールねじ装置を示す部分断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は実施例のリング片を示す正面図、図４は図３のＢ矢視図である。
図１、図２において、１はボールねじ装置である。
２はボールねじ装置１のねじ軸であり、合金鋼等の鋼材で製作され、その外周面には略半円弧形状の軸転動溝３が所定のピッチで螺旋状に形成されている。

４はボールねじ装置１のナットであり、合金鋼等の鋼材で製作され、その内周面には軸転動溝３と対向する略半円弧形状のナット転動溝５が形成されている。
６は転動球であり、合金鋼等の鋼材またはセラミック材等で製作された球体である。
７は潤滑リングであり、図２に示すように略半円筒状のリング片７ａ、７ｂの両側の端面を一定の隙間δを介して互いに対向させて略円環状に構成し、ナット４の片側または両側の端部に配置される。

この潤滑リング７は、潤滑剤を供給するためにねじ軸２との摺接による摩擦熱等で潤滑剤が滲み出すように後述する潤滑剤含有ポリマ等の潤滑剤含有材を射出成形等の成形手段により成形して製作される。
８は非接触部であり、リング片７ａ、７ｂの内周面に設けられ、その内周面をねじ軸２の軸方向の軸直交方向に掘り込んだ円周方向のスリット状の溝として形成され、リング片７ａ、７ｂの内周面の軸方向に複数配置されている。

９は係止溝であり、両方のリング片７ａ、７ｂの外周面の頂部付近を外周面側を開放して半長円状に切欠いた軸方向の溝である。
１０はシールキャップであり、金属材料や樹脂材料等により製作され、スリーブ１１を介してボルト１２によりナット４の端部に固定され、潤滑リング７を内在している。
このスリーブ１１の外径は、図２に示すように隙間δよりは小さく成形されており、リング片７ａ、７ｂの両方の端部との間に所定の隙間を形成する一方、リング片７ａ、７ｂの係止溝９に係合するスリーブ１１はリング片７ａ、７ｂの回転を停止させる機能を有している。

また、スリーブ１１の全長は、潤滑リング７の軸方向長さより大きく成形され、シールキャップ１０がボルト１２によりナット４の端部に固定されたときに潤滑リング７とナット４の端面およびシールキャップ１０の内面との間に隙間を形成して潤滑リング７の軸方向の移動を制限する。
１３はガータスプリングであり、バネ鋼等の鋼線をコイル状に成形し、その端部を溶接、ロー付等による接合またはその端部をフック状に成形して係止したリング状のバネ部材であって、両方のリング片７ａ、７ｂの外周面に設けられたスプリング嵌合溝に嵌め込まれてリング片７ａ、７ｂを軸芯方向に付勢する付勢力を発揮する。

これにより、ねじ軸２が回転したときにリング片７ａ、７ｂの内周面が所定の押圧力でねじ軸２の外周面に摺接する。
１４はシール体であり、樹脂材料等で製作され、シールキャップ１０に設けられたシール嵌合部１０ａに係止されてねじ軸２の軸転動溝３に螺合するように設置され、ねじ軸２の外周面および軸転動溝３の内面に略接触して比較的高い防塵性を発揮する。

上記の軸転動溝３とナット転動溝５とは図示しないリターンチューブ等の連結路により連結されて循環転動路を形成し、この循環転動路に複数の転動球６と所定の量の潤滑剤、例えばグリースとが封入される。これにより軸転動溝３とナット転動溝５とが転動球６を介して螺合し、ねじ軸２の回転に伴って転動球６が循環転動路を循環しながら転動する。
また、潤滑リング７に用いる潤滑剤含有材の一例としての潤滑剤含有ポリマは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂の群から選定された合成樹脂に、潤滑剤としてポリα−オレフィン油等のパラフィン系炭化水素油、ナフテン系炭化水素油、鉱油、ジアルキルジフェニルエーテル油等のエーテル油、フタル酸エステル油等のエステル油等を単独または複数混合して混ぜ合わせた原料を樹脂の融点以上に加熱して溶融した後に冷却して固化させたものである。

この場合に、上記の潤滑剤に酸化防止剤、錆止め剤、磨耗防止剤、あわ消し剤、極圧剤等の添加剤を予め添加して用いるようにしてもよい。
上記の潤滑剤含有ポリマは、ポリオレフィン系樹脂を１０〜５０重量％とし、潤滑剤を９０〜５０重量％とした組成比とすることが望ましい。ポリオレフィン系樹脂が１０重量％未満の場合は、必要とする硬さや強度を得ることが難しく、負荷がかかったときに初期の形状を維持することが困難であり、ポリオレフィン系樹脂が５０重量％を超える場合、つまり潤滑剤が５０重量％未満の場合は、潤滑油の供給量が少なくなってボールねじ装置１の寿命が低下するからである。

また、上記の合成樹脂の群は、その平均分子量がワックス（例えばポリエチレンワックス）に分類されるものと、平均分子量が比較的低分子量のものと、平均分子量が超高分子量のものとに及んでおり、これらを単独または必要に応じて混合して用いる。

比較的低分子量のものと潤滑剤とを組合せた場合は、一定の機械的強度、潤滑剤供給能力、保油性を有する潤滑剤含有ポリマが得られる。
この比較的低分子量のものの一部をワックスに分類されるものに置き換えた場合は、機械的強度は低下するが、ワックスに分類されるものと潤滑油との分子量の差が小さいために潤滑油との親和性が高くなり、潤滑剤含有ポリマの保油性が向上して長期間にわたる潤滑剤の供給が可能になる。

なお、ワックスとしては上記のポリエチレンワックス等のポリオレフィン系のものの他、融点が１００〜１３０℃の範囲にある炭化水素系のもの、例えばパラフィン系合成ワックスを用いるようにしてもよい。
一方、比較的低分子量のものの一部を超高分子量のものに置き換えた場合は、機械的強度を向上させることができるが、超高分子量のものと潤滑油との分子量の差が大きくなるために潤滑油との親和性が低くなり、保油性が低下して潤滑剤含有ポリマからの潤滑剤の滲み出しが速くなって潤滑剤の供給量が不十分となるまでの時間が短くなり、ボールねじ装置１の寿命を低下させることになる。

このため、成形性、機械的強度、保油性、潤滑剤供給量のバランスを考慮すると、潤滑剤含有ポリマは、ワックスに分類されるものを０〜５重量％、比較的低分子量のものを８〜４８重量％、超高分子量のものを２〜１０重量％の範囲で組合せて３つの樹脂の合計を１０〜５０重量％とし、潤滑剤を９０〜５０重量％とした組成比とすることが望ましい。
また、本実施例の潤滑剤含有ポリマの機械的強度を向上させるために上記のポリオレフィン系樹脂に以下に示す熱可塑性樹脂および／もしくは熱硬化性樹脂を添加するようにしてもよい。

熱硬化性樹脂としては、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂）等の樹脂材料を用いることができる。
また、熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。

更に、ポリオレフィン樹脂とそれ以外の樹脂とをより均一な状態で分散させるために適切な相溶化剤を加えるようにしてもよく、機械的強度を更に向上させるために充填剤、例えば炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、チタン酸カリウムウィスカやホウ酸アルミニウムウィスカ等の無機ウィスカ、ガラス繊維や金属繊維等の無機繊維、これらの無機繊維を布状に編組したもの、およびカーボンブラックや黒鉛粉末、カーボン繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維等の有機化合物を単独または複数組合せて添加するようにしてもよい。

更に、ポリオレフィン系樹脂の熱による劣化を防止するために、Ｎ，Ｎ‘−ジフェニル−Ｐ−フェニルジアミン、２，２‘−メチレンビス（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）等の酸化防止剤を添加するようにしてもよく、光による劣化を防止するために、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクトキシベンゾフェノン、２（２‘−ヒドロキシ−３‘−ｔ−ブチル−５‘−メチル−フェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール等の紫外線吸収剤を添加するようにしてもよい。

上記のポリオレフィン系樹脂および潤滑剤以外の全ての添加剤の添加量は、添加剤全体として成形原料全体の２０重量％以下であることが潤滑剤の供給能力を維持する上で望ましい。
上記の潤滑剤含有材を用いた潤滑リング７は、その内周面をねじ軸２の外周面に摺接させてナット４の端部でその内周面をねじ軸２の外周面に摺接させれば、その時の摩擦熱等により潤滑剤が滲み出して軸転動溝３等へ潤滑剤を供給することができる。

上記の構成の作用について説明する。
ボールねじ装置１は、ねじ軸２の軸転動溝３とナット４のナット転動溝５とを対向させて転動球６を介して螺合させ、潤滑リング７のリング片７ａ、７ｂを対向させてこれらをガータスプリング１３によりねじ軸２に組付けてナット４の端部に配置し、シールキャップ１０をボルト１２によりスリーブ１１を介してナット４の端部に固定して潤滑リング７を係止すると共に、シール体１４を軸転動溝３に螺合させながら圧入または接着等によりシールキャップ１０のシール係止部１０ａに係止して組立てる。

そして、ねじ軸２が回転すると、ねじ軸２に摺接する潤滑リング７から潤滑剤が滲み出し、潤滑剤をねじ軸２の外周面や軸転動溝３へ供給する。
この時、潤滑リング７のリング片７ａ、７ｂにはその内周面を掘り込んだ非接触部８が形成されており、ねじ軸２との摺接面の接触面積を減少させてその摩擦力を低減すると共に滲み出した潤滑剤の油溜りとして機能する。

このため、ねじ軸２の高速回転等に伴ってシール体１４がねじ軸２の外周面の潤滑剤を掻き取ってしまったとしても、潤滑状態を良好に保ってスティックスリップ現象の発生を防止する。
また、シール体１４等の影響により潤滑状態が不十分な状態で停止しているねじ軸２を急加速させる際の起動時には、摺接面の接触面積を減少させてあるのでその静摩擦力が減少し、スティックスリップ現象の誘発を防止する。

以上説明したように、本実施例では、潤滑剤含有材からなる潤滑リングに非接触部を形成してねじ軸に摺接させるようにしたことによって、ねじ軸との摺接面の接触面積を減少させてその摩擦力を低減させると共に滲み出した潤滑剤の油溜りとして機能させることができ、ねじ軸を高速で回転させた場合や急加減速を行わせた場合のスティックスリップ現象の発生を抑制して異音の発生を防止することができる。

このことは、ねじ軸の高速回転および／もしくは急加減速を行う精密機械等の装置において、塵埃等の異物の混入や発塵を避ける必要がある場合に特に有効である。
また、潤滑リングに形成する非接触部を軸直交方向に掘り込んで形成するようにしたことによって、射出成形等による成形時の成形型の型抜けが容易となり、潤滑リングを容易に製作することができると共に成形型の寿命を向上させることができる。

このような効果を発揮する潤滑リング７の非接触部８の形状は、実施例で示した円周方向のスリット状の形状に限らず、以下に示す態様であってもよい。
実施の態様１
図５はリング片の実施の態様１を示す正面図、図６は図５のＣ矢視図である。
なお、上記実施例と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の態様の非接触部８は、潤滑リング７のリング片７ａの内周面を軸直交方向に掘り込んだ略円形の穴として形成され、リング片７ａの内周面の円周方向に２列に複数配置されている。リング片７ｂも同様である。
本実施の態様においても上記の摺接面の接触面積低減効果、油溜り効果、型抜け性向上効果を得ることができる。
実施の態様２
図７はリング片の実施の態様２を示す正面図、図８は図７のＤ矢視図である。

なお、上記実施例と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の態様の非接触部８は、潤滑リング７のリング片７ａの内周面を軸直交方向に掘り込んだ軸方向のスリット状の溝として形成され、リング片７ａの内周面の円周方向に複数配置されている。リング片７ｂも同様である。
本実施の態様においても上記の摺接面の接触面積低減効果、油溜り効果、型抜け性向上効果を得ることができる。

なお、上記の実施の態様１および２において、非接触部８を掘り込む方向を半径方向としても上記の摺接面の接触面積低減効果、油溜り効果を同様に得ることができる。
なお、本実施例では、ボールねじ装置の転動球の循環方式をリターンチューブを連結路として循環させるチューブ式の循環方式として説明したが、循環方式はチューブ式に限らず連結路をこま式やエンドキャップ式等とした循環方式であっても同様の効果を得ることができる。

また、本実施例では、ボールねじのねじ軸を回転させてナットを移動させるとして説明したが、ねじ軸を固定してナットを回転させる形式のボールねじに本発明を適用しても同様の効果を奏することができる。

実施例のボールねじ装置を示す部分断面図 図１のＡ−Ａ断面図 実施例のリング片を示す正面図 図３のＢ矢視図 リング片の態様１を示す正面図 図５のＣ矢視図 リング片の態様２を示す正面図 図７のＤ矢視図

符号の説明

１ ボールねじ装置
２ ねじ軸
３ 軸転動溝
４ ナット
５ ナット転動溝
６ 転動球
７ 潤滑リング
７ａ、７ｂ リング片
８ 非接触部
９ 係止溝
１０ シールキャップ
１１ スリーブ
１２ ボルト
１３ ガータスプリング
１４ シール体

Claims (3)

1. 外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットとを有し、前記軸転動溝とナット転動溝とを複数の転動球を介して螺合させたボールねじ装置において、
   前記ナットの端部に、前記ねじ軸の外周面に摺接する内周面を有する半円筒状のリング片の両側の端面を隙間を介して対向させて円環状に構成した潤滑剤含有材からなる潤滑リングを設け、
   前記リング片の内周面に、前記ねじ軸の軸方向の軸直交方向に掘り込んだ円周方向のスリット状の溝からなる非接触部を、軸方向に複数配置したことを特徴とするボールねじ装置。
2. 外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットとを有し、前記軸転動溝とナット転動溝とを複数の転動球を介して螺合させたボールねじ装置において、
   前記ナットの端部に、前記ねじ軸の外周面に摺接する内周面を有する半円筒状のリング片の両側の端面を隙間を介して対向させて円環状に構成した潤滑剤含有材からなる潤滑リングを設け、
   前記リング片の内周面に、前記ねじ軸の軸方向の軸直交方向に掘り込んだ円形の穴からなる非接触部を、円周方向に複数配置したことを特徴とするボールねじ装置。
3. 外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットとを有し、前記軸転動溝とナット転動溝とを複数の転動球を介して螺合させたボールねじ装置において、
   前記ナットの端部に、前記ねじ軸の外周面に摺接する内周面を有する半円筒状のリング片の両側の端面を隙間を介して対向させて円環状に構成した潤滑剤含有材からなる潤滑リングを設け、
   前記リング片の内周面に、前記ねじ軸の軸方向の軸直交方向に掘り込んだ軸方向のスリット状の溝からなる非接触部を、円周方向に複数配置したことを特徴とするボールねじ装置。