JP5061568B2 - ボールねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や産業機械、半導体製造装置、電動射出成形機、電動プレス成形機等の機械装置の移動台の位置決め用等の直線移動機構の駆動や動力伝達用に用いられるボールねじ装置に関する。

ボールねじ装置に用いられるねじ軸は、一般に仕上代を残して切削加工や転造等で軸軌道溝を形成し、その軸素材の軸軌道溝を研削や切削により仕上げて形成されている。
また、工作機械では切削加工や研削加工を行うときに、電動射出成形機では射出時や型締め時にナットに大きな軸方向荷重が加わるので、この反力を受けるためにねじ軸の端部に支持部を設け、その支持部には、一般にアンギュラ玉軸受やテーパころ軸受等の支持軸受が配置されている。

このような耐荷重性を要求されるボールねじ装置においては、ナットの循環路を増加させる、またはボール径を大きくする等により比較的容易に耐荷重性を高めることができるが、支持軸受は適用する機械装置のスペースの関係上、軸方向長さの制約が大きく支持軸受の列数を増加させることが困難であるので、一般に大径の支持軸受が用いられ、軸方向荷重を支える内輪の側面の外径がボールねじ装置の軸軌道溝の外径より大きくなる場合があり、内輪の側面との接触面積を増加させるために軸軌道溝と支持部との間に外径の大きい軸フランジを設けることが行われている。

この場合に、ねじ軸に軸フランジを切削加工により一体で加工すると、軸フランジの仕上代を加えた丸棒から削り出すことが必要になり、加工時間や軸素材の無駄が生じ、ねじ軸の製造コストが増大するという問題が生ずる。
このため、従来のボールねじ装置は、ねじ軸の外周面に螺旋状に形成した軸軌道溝と、ナットの内周面に形成した軸軌道溝に対向するナット軌道溝とを複数のボールを介して螺合させて構成し、ねじ軸の軸端部に支持軸受の支持部やその軸フランジを形成する場合に、転造で軸軌道溝を形成した軸素材と、支持部や軸フランジを形成するための丸棒との接合面の間に、軸素材および丸棒より融点の低いインサート材を挟み、加熱温度、加圧力、保持時間および不活性雰囲気を管理しながら接合し、大径の軸フランジ等を有するねじ軸の生産性を向上させている。
特開平８−２８５０３０号公報（主に、第２頁段落０００３および第３頁段落０００７−００１０、第１図、表１）

しかしながら、上述した従来の技術においては、軸素材および丸棒の間にこれらより融点の低いインサート材を挟み、加熱温度、加圧力、保持時間および不活性雰囲気を管理しながら軸素材と丸棒とを接合しているため、加熱時間等の接合条件を適切に管理しなければ所定の接合強度を得ることができず、接合強度にバラツキが生じやすく、ボールねじ装置の運転中にねじ軸が接合部から破損する虞があるという問題がある。

このことは、ボールねじ装置の本質的な機能である軸方向位置の保持機能を損なうことであり、接合部の信頼性の確保が重要な課題になる。
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、円環状の軸フランジを設けたねじ軸の生産性を向上させると共に、その強度に対する信頼性を向上させ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、外周面に形成された螺旋状の軸軌道溝と、前記軸軌道溝の端部に形成された支持軸受の内輪を嵌合させる支持部とを有するねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝が形成されたナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールとを備えたボールねじ装置において、前記支持部の外周面の直径を前記ねじ軸の外周面の直径と同等以上として、前記軸軌道溝と前記支持部との間に嵌合溝を設けると共に、前記支持部の直径より大きい外径を有する円環部材を、直径方向に２つ割にした分割片を設けると共に、前記分割片の外周面に嵌合する内周面を有するリングを設け、前記分割片を、それぞれ前記嵌合溝に嵌合させて、前記ねじ軸に固定し、前記リングの外周面を、接触式シールの摺接面としたことを特徴とする。

これにより、本発明は、ねじ軸とは別に形成した分割片をねじ軸の嵌合溝に嵌合させて環状部材を形成することが可能になり、ねじ軸の軸強度を安定させてその強度に対する信頼性を向上させることができると共に、ねじ軸の半径方向の削り量を低減してその生産性を向上させ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１のボールねじ装置を示す説明図、図２は実施例１のねじ軸の側面を示す説明図、図３は図１のＡ−Ａ断面線に沿った軸フランジの断面を示す説明図である。
図１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た段付軸状部材であって、その外周面には略半円弧状断面形状の軸軌道溝３が所定のリードで螺旋状に形成されている。

５は支持部であり、ねじ軸２に形成された軸軌道溝３の軸方向の外側の端部に形成されたアンギュラ玉軸受やテーパころ軸受等の軸方向荷重と半径方向荷重とを同時に支持することが可能な支持軸受６の内輪６ａの内周面が嵌合する円柱状の部位であって、軸軌道溝３が形成された部位のねじ軸２の外周面の直径と同等の直径を有する外周面を有しており、その軸軌道溝３と反対側の端部にはロックナット２３を螺合させる取付ねじ部５ａが形成されている。

本実施例の支持軸受６は、背面組合せにした２個のアンギュラ玉軸受により形成されている。
７は取付部であり、支持部５に取付けられた支持軸受６により回転支持されたねじ軸２を回転させるための図示しないモータ等の駆動装置を取付けるために、ねじ軸２の支持部７の取付ねじ部５ａの軸方向の外側に同軸に設けられた円柱状の部位である。

９は嵌合溝であり、図２に示すように、支持部５の外周面の軸軌道溝３側に形成された矩形断面形状を有する円周溝であって、その円柱状の底部９ａの直径は支持部５の外周面の直径より小さい直径に形成されている。
１１はボールねじ装置１の転動体としてのボールであり、合金鋼等の鋼材で製作された球体である。

１２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た円筒状部材であって、その内周面には軸軌道溝３と対向する略半円弧状断面形状のナット軌道溝１３が軸軌道溝３と同じリードで形成されている。
１４はナットフランジ部であり、ナット１２の外周部の一方の端部に設けられ、ナットフランジ部１４に設けられた図示しないボルト穴より図示しない機械装置の移動台に取付ボルト等で固定される。

１５はリターンチューブであり、鋼材や樹脂材料等で製作され、ボール１１が通過できる内径を有する略Ｕ字形に曲折した管であって、ナット１２に設けられたナット軌道溝１３に達する穴にその端部が嵌合してナット軌道溝１３を連通する機能を有しており、チューブ固定具１６によりナット１２の外周面の一部を軸方向と平行に切欠いた平面１２ａに固定される。

上記のねじ軸２の軸軌道溝３とこれに対向するナット１２のナット軌道溝１３とによりボール１１が転動する負荷路が形成され、その両端部はリターンチューブ１５により連通されて循環路が形成される。
本実施例のリターンチューブ１５は、ナット１２の軸方向に２箇所設けられており、これにより本実施例の循環路は２列に形成されている。

これら循環路には、それぞれ複数のボール１１と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入され、軸軌道溝３とナット軌道溝１３とがボール１１を介して螺合し、ねじ軸２の回転に伴ってボール１１が循環路を循環し、負荷路を転動するボール１１が潤滑剤により潤滑されながらナット１２に加えられた荷重を往復動自在に支持してナット１２がねじ軸２の軸方向に沿った直線往復移動可能に支持され、ねじ軸２の回転運動がナット１２の直線運動に変換される。

１７は環状部材としての軸フランジであり、図３に示すように、合金鋼等の鋼材で、支持部５の外周面の直径より大きく、かつ支持軸受６の内輪の外径以上の外径と、嵌合溝９の底部９ａの外周面に嵌合する内径とを有する比較的厚いドーナツ板状に形成され、直径方向に２つ割にした円弧状の分割片としてのフランジ片１７ａ、１７ｂにより構成されている。

この場合に、軸フランジ１７の内径は、嵌合溝９の底部９ａの外周面の直径に、中間ばめまたは締まりばめとなる所定の嵌め合い代を設定して形成される。
軸フランジ１７の一方のフランジ片、例えばフランジ片１７ａにはそれぞれの分割面１８の鉛直方向に形成されたボルト１９が挿通するボルト穴２０が設けられ、他方のフランジ片１７ｂにはフランジ片１７ａのボルト穴２０に挿通させたボルト１９が螺合するねじ穴２１が設けられており、フランジ片１７ａ、１７ｂをそれぞれねじ軸２の嵌合溝９に挿入し、その内周面を嵌合溝９の底部９ａの外周面に嵌合させ、底部９ａの両側に配置されたボルト１９で締結してフランジ片１７ａ、１７ｂを嵌合溝９に嵌合させてねじ軸２に固定される。

これにより、フランジ片１７ａ、１７ｂが、それぞれの分割面１８を隙間を介して対向させて円環状に形成され、軸フランジ１７が支持部５の軸軌道溝３側に設置され、軸フランジ１７に当接させた支持軸受４が取付ねじ部５ａに螺合するロックナット２３により締結されて固定される。
この場合に、フランジ片１７ａ、１７ｂを締結するボルト１９の本数は嵌合溝９の底部９ａの両側にそれぞれ少なくとも一本配置されていれば、その合計本数は２本に限らず、３本以上であってもよい。

また、軸フランジ１７の取付精度を向上させるときは、軸フランジ１７の内周面および嵌合溝９の底部９ａの外周面を研削加工により仕上げるようにするとよい。
更に、軸フランジ１７のねじ軸２に対する直角度が要求されるときは、フランジ片１７ａ、１７ｂをねじ軸２に固定した後に、その要求される側の軸フランジ１７の端面を支持部９の外径を基準にして研削加工等により仕上げるようにするとよい。

更に、ねじ軸２の回転に伴って軸フランジ１７がねじ軸２と相対的に回転する虞があるときは、一方のフランジ片１７ａを半径方向に貫通し、嵌合溝９の底部９ａに嵌合する打込みピンを設けるとよい。
更に、フランジ片１７ａ、１７ｂのそれぞれの分割面１８の間の隙間により固定後の軸フランジ１７に変形が生ずる虞があるときは、隙間と同じ厚さを有するスペーサを分割面１８間に挿入するようにするとよい。

このように、本実施例の軸フランジ１７は、ねじ軸２とは別に形成したフランジ片１７ａ、１７ｂをねじ軸２の嵌合溝９に嵌合させて固定するので、軸フランジ１７の支持部５側の端面を用いて支持軸受６の軸方向荷重を受けることができる他、加熱時間等の接合条件の管理を不要にして所定の軸強度を安定して確保することができ、ねじ軸２運転中の破損を防止してその強度に対する信頼性を向上させることができると共に、ねじ軸２の半径方向の削り量を低減してその生産性を向上させることができる。

また、軸フランジ１７を接合により形成する場合には、接合後に軸軌道溝３を研削や切削により仕上げることが必要であり、研削工具や切削工具を軸方向に逃がすことを要するために軸フランジ１７の端面まで軸軌道溝３を加工することができず、同じ長さのねじ軸２の場合にストロークが短くなるという問題があるが、本実施例の軸フランジ１７は、ねじ軸２の軸軌道溝３の仕上加工後に別に形成したフランジ片１７ａ、１７ｂをねじ軸２の嵌合溝９に嵌合させて軸フランジ１７を形成するので、図４に示すように、軸軌道溝３を嵌合溝９の側面まで、つまり、軸フランジ１７の軸軌道溝３側の端面まで研削加工もしくは切削加工により嵌合溝９を工具の逃げ溝として機能させて仕上加工を行うことが可能になり、軸軌道溝３の有効ねじ範囲を長くして同じストロークのねじ軸２を形成する場合に、そのねじ軸２の全長の短縮化を図ることができる。

このことは、軸フランジ１７を接合により形成し、接合後の軸軌道溝３の仕上加工を省略する場合においても同様である。つまり、接合による場合にはその接合時の軸軌道溝３への熱影響を避けるために軸フランジ１７の端面と軸軌道溝３の端との間に間隔を設ける必要があり、同じ長さのねじ軸の場合にストロークが短くなってしまうからである。
以上説明したように、本実施例では、ボールねじ装置のねじ軸の軸端部に形成された支持部に嵌合溝を設け、この嵌合溝に支持部の直径より大きい外径と嵌合溝の底部に嵌合する内径とを有する軸フランジを直径方向に２つ割に分割したフランジ片を嵌合させてねじ軸に固定するようにしたことによって、ねじ軸とは別に形成したフランジ片をねじ軸の嵌合溝に嵌合させて軸フランジを形成することが可能になり、ねじ軸の軸強度を安定させてその強度に対する信頼性を向上させることができると共に、ねじ軸の半径方向の削り量を低減してその生産性を向上させることができる。

また、軸軌道溝を軸フランジの軌道溝側の端面まで研削加工もしくは切削加工により仕上加工を施したことによって、軸軌道溝の有効ねじ範囲を長くして同じストロークのねじ軸を形成する場合のねじ軸の全長の短縮化を図ることができる。
更に、フランジ片の一方に挿通し、他方に螺合する嵌合溝の底部の両側に配置された少なくとも２つのボルトを設けたことによって、分割された２つのフランジ片を容易かつ確実にねじ軸に固定することができる。

なお、本実施例においては、支持部の外周面の外径は軸軌道溝が形成されている部位のねじ軸の外周面の直径と同等であるとして説明したが、支持軸受の内輪の内周面の内径が軸軌道溝が形成されている部位のねじ軸の外周面の直径より大きい場合は、図５に示すように、支持部の外径を内輪の内径に合わせて大きくし、その支持部に嵌合溝を形成するようにすればよい。このようにすれば、内輪の内径が軸軌道溝が形成されている部位のねじ軸の外周面の直径より大きい場合におけるねじ軸の半径方向の削り量を最小限にしてその生産性を向上させることができる。

また、本実施例においては、軸フランジの内径を嵌合溝の底部に嵌合させるとして説明したが、それほど精度を必要としない場合には、軸フランジの内径を嵌合溝の底部の外径より大きくして隙間を設けた状態としてもよい。この場合に軸フランジは単独ではねじ軸に固定されないが、支持軸受を組付け、ロックナットで締め付けることによりねじ軸に固定される。

図６は実施例２のボールねじ装置を示す説明図、図７は図６のＢ−Ｂ断面線に沿った軸フランジの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例１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。
図６において、３１はリングであり、金属材料で形成された比較的肉厚の薄い円筒状部材であって、その内周面は、ねじ軸２の嵌合溝９に嵌合させたフランジ片１７ａ、１７ｂにより形成される外周面の直径から所定の締め代を減じた直径に形成され、フランジ片１７ａ、１７ｂの外周面に圧入等により嵌合して固定され、フランジ片１７ａ、１７ｂをねじ軸２に固定する機能を有している。

本実施例のフランジ片１７ａ、１７ｂには、図７に示すように、上記実施例１で示したボルト穴２０やねじ穴２１が形成されていないフランジ片である。
３３はハウジングであり、支持軸受６の外輪６ｂが固定される固定部材であって、その軸フランジ１７側にはオイルシール３４が取付けられており、そのオイルシール３４のリップ部は、フランジ片１７ａ、１７ｂの外周面に嵌合するリング３１の外周面に摺接している。

このように、本実施例のフランジ片１７ａ、１７ｂは、その外周面に嵌合するリング３１によりねじ軸２の嵌合溝９に固定されているので、フランジ片１７ａ、１７ｂのそれぞれの分割面１８付近が半径方向の外側に広がって、軸フランジ１７の外周面がレモン形に変形することを防止することができると共に、分割面１８間の隙間により形成される円周方向の不連続部を覆って軸フランジ１７の外周面を滑らかな円筒面とすることができ、オイルシール３４のリップ部の損傷を防止しながらリップ部をリング３１の外周面に摺接させることが可能になる。

この場合に、リング３１の外周面の円筒度や面粗度を向上させるときは、リング３１をフランジ片１７ａ、１７ｂの外周面に嵌合した後に、ねじ軸２の軸芯を基準として研削加工等により仕上加工を行うようにするとよい。このようにすれば、リング３１の外周面に摺接するオイルシール３４のシール性を向上させることができると共に、オイルシール３４のリップ部の損傷を更に防止することができる。

なお、本実施例では、リング３１のフランジ片１７ａ、１７ｂの外周面への固定は圧入により行うとして説明したが、焼きばめにより固定するようにしてもよく、形状記憶合金を用いてリング３１を形成し、その形状記憶性を利用して固定するようにしてもよい。
また、本実施例のフランジ片１７ａ、１７ｂは、ボルト穴２０やねじ穴２１が形成されていないフランジ片であるとして説明したが、上記実施例１で示したボルト穴２０やねじ穴２１を設けてフランジ片１７ａ、１７ｂをボルト１９によりねじ軸２固定した後に、リング３１を嵌合させるようにしてもよい。このようにしても上記のリング３１の効果が損なわれることはなく、リング３１を接着により固定することが可能になる。

以上説明したように、本実施例では、上記実施例１と同様の効果に加えて、ねじ軸の嵌合溝に嵌合するフランジ片の外周面に嵌合する内周面を有するリングを設けるようにしたことによって、フランジ片のそれぞれの分割面付近の変形を防止することができると共に、分割面間の隙間により形成される円周方向の不連続部を覆って軸フランジの外周面を滑らかな円筒面とすることができ、オイルシールのリップ部等を摺接させることが可能になる。

また、リングの外周面を、ねじ軸にリングを嵌合したフランジ片を固定した後に、ねじ軸の軸芯を基準にして仕上加工を施すようにしたことによって、リングの外周面の円筒度や面粗度を更に向上させることができ、リングの外周面に摺接するオイルシールのシール性を向上させることができると共に、オイルシールのリップ部の損傷を更に防止することができる。

なお、本実施例においては、リング３１は円筒状であるとして説明したが、図８に示すように、鍔部３５を有するＬ字状の断面形状を有するリング３１としてもよい。このようにすれば、オイルシール３４のリップ部を摺接させる機能を損なうことなく、円環状のリング３１の鍔部３５を利用してねじ止めによりリング３１を軸フランジ３１に固定することが可能になる。

上記各実施例においては、リターンチューブによりボールを循環させるチューブ式の循環方式を用いたボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、こま式やエンドキャップ式、デフレクタ式等の循環方式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
また、上記各実施例においては、ボールねじ装置のねじ軸を回転させてナットを軸方向に移動させるとして説明したが、ナットを回転させてねじ軸を軸方向に移動させる形式のボールねじ装置のねじ軸にストッパとして軸フランジを設ける場合に本発明を適用すれば上記と同様の効果を得ることができる。

実施例１のボールねじ装置を示す説明図 実施例１のねじ軸の側面を示す説明図 図１のＡ−Ａ断面線に沿った軸フランジの断面を示す説明図 実施例１のねじ軸の他の形態を示す説明図 実施例１のねじ軸の他の形態を示す説明図 実施例３のボールねじ装置を示す説明図 図６のＢ−Ｂ断面線に沿った軸フランジの断面を示す説明図 実施例２のリングの他の形態を示す説明図

符号の説明

１ ボールねじ装置
２ ねじ軸
３ 軸軌道溝
５ 支持部
５ａ 取付ねじ部
６ 支持軸受
７ 取付部
９ 嵌合溝
９ａ 底部
１１ ボール
１２ ナット
１２ａ 平面
１３ ナット軌道溝
１４ ナットフランジ部
１５ リターンチューブ
１６ チューブ固定具
１７ 軸フランジ
１７ａ、１７ｂ フランジ片
１８ 分割面
１９ ボルト
２０ ボルト穴
２１ ねじ穴
２３ ロックナット
３１ リング
３３ ハウジング
３４ オイルシール
３５ 鍔部

Claims (5)

1. 外周面に形成された螺旋状の軸軌道溝と、前記軸軌道溝の端部に形成された支持軸受の内輪を嵌合させる支持部とを有するねじ軸と、
   内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝が形成されたナットと、
   前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールとを備えたボールねじ装置において、
   前記支持部の外周面の直径を前記ねじ軸の外周面の直径と同等以上として、前記軸軌道溝と前記支持部との間に嵌合溝を設けると共に、前記支持部の直径より大きい外径を有する円環部材を、直径方向に２つ割にした分割片を設けると共に、前記分割片の外周面に嵌合する内周面を有するリングを設け、
   前記分割片を、それぞれ前記嵌合溝に嵌合させて、前記ねじ軸に固定し、
   前記リングの外周面を、接触式シールの摺接面としたことを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１において、
   前記支持部の外周面の直径を前記ねじ軸の外周面の直径と同等とし、
   前記軸軌道溝が、前記円環部材の前記軸軌道溝側の端面まで、研削加工もしくは切削加工により仕上げられていることを特徴とするボールねじ装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記分割片の一方に挿通し、他方に螺合する前記嵌合溝の底部の両側に配置された少なくとも２つのボルトを設けたことを特徴とするボールねじ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記円環部材の少なくとも一方の端面が、前記ねじ軸に前記分割片を固定した後に、前記支持部の外径を基準にして仕上げられた仕上面であることを特徴とするボールねじ装置。
5. 請求項１において、
   前記リングの外周面が、前記ねじ軸に、前記リングを嵌合した前記分割片を固定した後に、前記ねじ軸の軸芯を基準にして仕上げられた仕上面であることを特徴とするボールね
   じ装置。