JP5382165B2

JP5382165B2 - ボールねじ

Info

Publication number: JP5382165B2
Application number: JP2012114847A
Authority: JP
Inventors: 吉章矢野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: JP2012149777A; JP2010007851A; JP2012149778A; JP5195434B2

Description

本発明は、ボールねじに関する。

電動射出成形機などで使用されるボールねじは、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、を備えている。
このようなボールねじのボールは、ねじ軸の回転運動に伴ってねじ溝を転動するため、ねじ軸に付着した塵埃や摩耗粉などの異物がナット内に入り込むと、ナット内に入り込んだ異物によってボールの転がり運動が阻害され、焼付きなどの損傷が生じることがある。そこで、ナット内への異物の侵入等を防ぐために、ナットの軸方向両端にリング状のシールが配置されている。
下記の特許文献１には、ボールねじのシールとして、ナットに固定される縁部を備えた本体（円板状のシール本体）と、ねじ軸の外周面および螺旋溝に弾性変形状態で接触するリップ部（シール片の環状円筒部）と、を有し、リップ部のねじ軸と接触する先端部の断面を円弧状にしたものが記載されている。

特許第３６１６４５２号公報

ボールねじは、通常、予圧を付与してボールと軌道溝との軸方向での隙間をゼロにしてあるが、シールのリップ部の、ねじ軸（ねじ軸の外周面および螺旋溝）に対する締めつけ力が大きい（シールのねじ軸に対するしめしろが大きい）と、リップ部のねじ軸との接触面の潤滑状態が不良になり易く、リップ部が早期に摩耗してシール性能が低下するという問題点がある。
本発明の課題は、シールのリップ部のねじ軸との接触面の潤滑状態を良好にして、ボールねじのシール性能を向上させることである。

上記課題を解決するために、本発明は、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、ナットの軸方向両端に配置されたリング状のシールを備えたボールねじであって、前記シールは、ナットの内周面に内嵌される縁部を備えた本体と、ねじ軸の外周面および螺旋溝に弾性変形状態で接触するリップ部と、を有し、前記縁部は、円板状の本体の外周部が板面に対して垂直に曲げられた部分であって、前記本体の円板部と前記縁部との間に傾斜状の屈曲部を有し、この屈曲部の傾斜面に、止め部材を当接させて前記止め部材をナットに固定することで、シールがナットに固定され、前記止め部材は、前記シールの本体より剛性が低いものであることを特徴とするボールねじを提供する。

このボールねじは、シールのナットに対する固定が、シールの本体の屈曲部に、ナットに固定された止め部材を当接させることで行われている。そのため、ナットに対するシールの固定位置がシールおよびナットの円周方向で調整できる。よって、円周方向で微妙に位置調整しながらシールをナットに固定することで、最適な位置関係とすることができるため、高いシール性を得ることができる。

本発明のボールねじによれば、円周方向で微妙に位置調整しながらシールをナットに固定することで、最適な位置関係とすることができるため、シール性能が向上する。

本発明の実施形態に相当するボールねじの外形を示す図である。図１のボールねじにおいて、外向きフランジを一部破断した図である。図１のボールねじのシールの正面図である。理想状態でのシールのねじ軸との接触状態を説明する図である。ナットがねじ軸に対して相対的に右側に移動している状態でのシールのねじ軸との接触状態を説明する図である。ナットがねじ軸に対して相対的に左側に移動している状態でのシールのねじ軸との接触状態を説明する図である。ねじ軸の螺旋溝の断面形状が、ゴシックアーク状であって二つの円弧が半径Ｒの円弧で滑らかに連結され、半径Ｒとシール先端部の断面円弧の半径ｒとの関係がｒ＜Ｒの例（ａ）と、ゴシックアーク状であって二つの円弧が尖った状態で連結されている例（ｂ）を示す図である。ねじ軸の螺旋溝の断面形状が、ゴシックアーク状であって二つの円弧が半径Ｒの円弧で滑らかに連結されている例であって、半径Ｒとシール先端部の断面円弧の半径ｒとの関係がｒ＞Ｒの場合（ａ）と、ｒ＜Ｒの場合（ｂ）を示す図である。本発明が適用できる図１とは異なるボールねじの外形を示す図である。ナットのフランジ側に対するシールの固定方法であって、図２とは異なる例を示す図である。ナットのフランジとは反対側に対するシールの固定方法であって、図２とは異なる例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態のボールねじの外形を示す図である。
このボールねじは、ナット１とねじ軸２とボール３とシール４とリターンチューブ５を備えている。ナット１の内周面に螺旋溝１１が形成されている。ねじ軸２の外周面に螺旋溝２１が形成されている。ボール３は、ナット１の螺旋溝１１とねじ軸２の螺旋溝２１で形成される軌道溝の間に配置されている。シール４はリング状で、ナット１の内部の軸方向両端に配置されている。リターンチューブ５は、ボール３を軌道溝の終点から始点まで外部を経由して戻すためのものであり、この例ではサーキット数が３であるため３個設けてある。また、図示されていないが、ナット１には、各サーキットに１カ所の給脂穴が形成され、軸方向両端部に排出穴が形成されている。

ナット１の軸方向一端に外向きフランジ６が形成されている。図２は、この外向きフランジ６を一部破断した図である。この図に示すように、外向きフランジ６には、径方向に貫通するねじ穴６１が周方向に複数個形成され、このねじ穴６１に螺合するねじ１７により、シール４がナット１の軸方向一端に固定されている。ナット１の軸方向他端にも同様のねじ穴が形成されて、このねじ穴に螺合するねじにより、シール４がナット６の軸方向他端に固定されている。

図３はシール４の正面図である。シール４は本体４１とゴム成形体４２とからなる。シール４の本体４１は、ナット６の内周面１３（軸方向一端側では、外向きフランジ６の内周面６２）に固定される縁部４１ａを備えている。この例の縁部４１ａは、円板状の本体４１の外周部が板面に対して垂直に曲げられた形状である。ゴム成形体４２は、ねじ軸２の外周面２２および螺旋溝２１に弾性変形状態で接触するリップ部４２ａを有する。リップ部４２ａの先端部は断面が円弧状に形成されている。

図４は、理想状態でのシール４のねじ軸２との接触状態を説明する図である。
理想状態とは、図４（ａ）に示すように、ナット１の螺旋溝１１とねじ軸２の螺旋溝２１で形成される軌道溝をなす円の中心と、この軌道溝内に配置されたボール３の中心が一致している状態を指す。
この実施形態では、ナット１の螺旋溝１１とねじ軸２の螺旋溝２１の断面が円弧状に形成され、この軌道溝とボール３との間に、シール４のねじ軸２に対する「しめしろ」よりも小さい寸法（例えば、しめしろの２０％以下の寸法）の隙間を設けてある。すなわち、軌道溝をなす円の直径Ａ１より「しめしろよりも小さい寸法」の分だけ小さい直径Ａ２のボール３が組み込まれている。また、リップ部４２ａを含むゴム成形体４２の硬さはデュロメ−タＡ５０〜９０であり、シール４のねじ軸２に対する「しめしろ」はボール３の直径Ａ２の１０％以下である。
この理想状態で、ねじ軸２の同一断面円の各位置での、シール４のリップ部４２ａとねじ軸２の螺旋溝２１および外周面２２との接触状態は、図４（ａ）〜（ｄ）のようになっている。破線はリップ部４２ａの設計形状を示す。

図５は、ナット１がねじ軸２に対して相対的に右側に移動している状態を示す。この場合、ボール３がナット１の螺旋溝１１とねじ軸２の螺旋溝２１に接触して、ボール３と両螺旋溝１１，２１との間に軸方向の力がかかる。この力の向きは右側であり、これに伴って、図４（ａ）で設計形状より右側に傾き、螺旋溝２１の中心Ｃより右側に配置されていたリップ部４２ａは、図５（ａ）で設計形状より左側に傾き、先端がほぼ中心線Ｃに一致した状態となる。すなわち、シール４のリップ部４２ａとねじ軸２との軸方向での接触位置が変化する。同様に、図４（ｂ）〜（ｄ）に示す、ねじ軸２の同一断面円の各位置での、シール４のリップ部４２ａとねじ軸２の螺旋溝２１および外周面２２との接触状態は、図５（ｂ）〜（ｄ）のように変化する。
このように、図４（ａ）〜（ｄ）の状態から図５（ａ）〜（ｄ）の状態になる間に、リップ部４２ａの先端が、軸方向でねじ軸２の螺旋溝２１および外周面２２を摺動する。これに伴って、ナット１の内部に封入された潤滑剤がリップ部４２ａの異なる位置に付着する。

図６は、ナット１がねじ軸２に対して相対的に左側に移動している状態を示す。この場合、ボール３がナット１の螺旋溝１１とねじ軸２の螺旋溝２１に接触して、ボール３と両螺旋溝１１，２１との間に軸方向の力がかかる。この力の向きは左側であり、これに伴って、図４（ａ）で設計形状より右側に傾き、先端が螺旋溝２１の中心Ｃより距離Ｌ４だけ右側に配置されていたリップ部４２ａは、図６（ａ）で先端が螺旋溝２１の中心Ｃより距離Ｌ６（＜Ｌ４）だけ右側に配置される。すなわち、図４（ａ）と図６（ａ）で、シール４のリップ部４２とねじ軸２との軸方向での接触位置が変化する。

同様に、図４（ｂ）〜（ｄ）に示す、ねじ軸２の同一断面円の各位置での、シール４のリップ部４２ａとねじ軸２の螺旋溝２１および外周面２２との接触状態は、図６（ｂ）〜（ｄ）のように変化する。
このように、図４（ａ）〜（ｄ）の状態から図６（ａ）〜（ｄ）の状態になる間に、リップ部４２ａの先端が、軸方向でねじ軸２の螺旋溝２１および外周面２２を摺動する。これに伴って、ナット１の内部に封入された潤滑剤がリップ部４２ａの異なる位置に付着する。

したがって、ナットが軸方向で往復運動する際に、シールのリップ部とねじ軸との軸方向での接触位置が、図４の状態を挟んで図５の状態と図６の状態の範囲で変化するため、この範囲のリップ部の接触位置にナットの内部に封入された潤滑剤が付着する。これにより、リップ部の先端にまで潤滑剤が行き渡るため、シールのリップ部のねじ軸との接触面における潤滑状態が良好になる。その結果、リップ部が摩耗し難くなるため、ボールねじのシール性能が向上する。

図７（ａ）は、ねじ軸２の螺旋溝２１Ａの断面形状が、半径が同じ（ボールの半径より大きく直径より小さい）で中心が異なる二つの円弧が連結された形状（ゴシックアーク状）であって、二つの円弧が半径Ｒの円弧で滑らかに連結されている例を示す。また、リップ部４２ａの先端部の断面が半径ｒ（＜Ｒ）の円弧状に形成されている。
このように、半径Ｒと半径ｒの関係がｒ＜Ｒの場合には、シールのリップ部４２ａとねじ軸の螺旋溝２１Ａとの間に隙間が生じない。そのため、図７（ｂ）に示すような、ねじ軸２の螺旋溝２１Ｂの断面形状が、ゴシックアーク状であって、両円弧が尖った状態で連結されているものと比較して、シールのリップ部とねじ軸との接触状態が良好となる。

図８（ａ）は、ゴシックアーク状の螺旋溝２１Ｃの形成を砥石や砥石ドレッサーで行うことで、溝底部が円弧状に形成された場合を示すが、この場合には半径Ｒと半径ｒの関係がｒ＞Ｒとなり、シールのリップ部４２ａの先端部とねじ軸２の螺旋溝２１Ａとの間に隙間が生じる。
図８（ｂ）は、シールのリップ部４２ａの断面形状が図７（ａ）と異なる例を示すが、この例でも、ねじ軸２の螺旋溝２１Ｄの断面形状がゴシックアーク状であって、二つの円弧が半径Ｒの円弧で滑らかに連結されている。また、リップ部４２ａの先端部の断面が半径ｒ（＜Ｒ）の円弧状に形成されている。この例でも、シールのリップ部４２ａとねじ軸の螺旋溝２１Ｄとの間に隙間が生じないため、シールのリップ部とねじ軸との接触状態が良好となる。

なお、螺旋溝の断面形状が図７（ｂ）および図８（ａ）に示す形状であっても、軌道溝とボールとの隙間をシールのねじ軸に対するしめしろより小さく設定することにより、リップの先端が弾性変形するため、シールのリップ部とねじ軸との接触状態は保持できる。これに対して、図７（ａ）および図８（ｂ）の形状の場合には、軌道溝とボールとの隙間をシールのねじ軸に対するしめしろより小さく設定しなくても、シールのリップ部とねじ軸との接触状態が保持できる。

また、本発明が適用できるボールねじのタイプとしては、図１に示すリターンチューブ方式だけでなく、図９に示すようにナットの外部に循環部材が露出しないタイプ（コマ方式など）などがあり、本発明は各種タイプのボールねじに適用できる。
さらに、軌道溝とボールとの隙間をシールのねじ軸に対するしめしろより小さくするためには、螺旋溝の断面形状をゴシックアーク状とすることが有利である。

図１０および図１１には、シール４のナット１に対する固定方法が図２とは異なる例が示してある。
図１０は、ナット１のフランジ６側に対するシール４の固定方法を示している。図１０（ａ）は、ナット１をフランジ６側から見た図である。図１０（ｂ）はナット１のフランジ６側にシール４が固定された状態を示す部分破断断面図である。図１０（ａ）では、フランジ６の内周面６２をなす円と、ナット１の螺旋溝１１間の内周面１２をなす円が見えている。

シール４の縁部４１ａが嵌合されるフランジ６の内周面６２より、径方向で外側であって、軸方向で端部側となる位置に、周方向に等間隔で４個の略円形の凹部６３が形成されている。各凹部６３をなす円は、フランジ６の内周面６２側で円弧が一部欠けている。各凹部６３内には、各凹部６３をなす円と同心で、雌ねじ６４が形成されている。各雌ねじ６４に座金（止め部材）７を介してボルト８が螺合されるため、各凹部６３の深さはボルト８の頭部８１と座金７の厚さの合計寸法より少し大きな寸法で形成されている。また、座金７の外径は、凹部６３をなす円の直径より僅かに小さく、凹部６３に配置された座金７がフランジ６の内周面６２よりナット１の径方向中心側に突出する寸法に形成されている。

シール４をナット１のフランジ６側に取り付ける際には、先ず、シール４の本体４１の縁部４１ａをフランジ６の内周面６２に内嵌する。次に、各凹部６３内に、座金７の穴に軸部８２を通したボルト８を入れて、軸部８２を雌ねじ６４に螺合する。これに伴って、座金７のナット１の径方向中心側の先端部７１が、シール４の屈曲部４１ｂに当って変形する。図１０（ｂ）はこの状態を示し、先端部７１の変形前の状態を２点鎖線で示してある。すなわち、この例では、シール４の屈曲部４１ｂに、ナット１のフランジ６側に固定された座金（止め部材）７を当接させることで、シール４がナット１のフランジ６側に固定されている。

なお、座金７は、シール４の本体４１より剛性が低いものにする。具体的には、シール４の本体４１の材料として、座金７の材料よりもヤング率が高いものを使用したり、同じ材料の場合は厚さを変えたりする。例えば、座金７とシール４の本体４１を同じステンレス鋼で形成した場合には、シール４の本体４１を絞り加工により形成して、板厚を座金７の厚さの１．５〜２倍程度とする。これにより、ボルト８を締め込んだ時に、実質的に座金７のみが弾性変形または塑性変形して、シール４の本体４１の変形量を無視できる程度に抑えることができる。

したがって、この例では、ナット１のフランジ６側に対するシール４の固定位置がシール４およびナット１の円周方向で調整できる。よって、円周方向で微妙に位置調整しながらシール４をナット１に固定することで、最適な位置関係とすることができるため、高いシール性を得ることができる。また、図２の固定方法と比較して、フランジ６の厚さ方向に深いねじ穴６１を設ける必要がないため、加工が容易になる利点もある。

図１１は、ナット１のフランジ６とは反対側の軸方向端部に対するシール４の固定方法を示している。
この例では、ナット１の軸方向端部の、シール４の取り付け部となる内周面１３の位置を貫通する雌ねじ１４を、周方向４カ所に形成し、この雌ねじ１４に螺合する止めねじ（止め部材）９を用いて、シール４をナット１に固定している。止めねじ９は、雌ねじ１４に螺合する軸部９１と、先端の円錐状部分９２とからなる。

シール４をナット１の内周面１３に取り付ける際には、先ず、シール４の本体の縁部４１ａをナット１の内周面１３に内嵌する。次に、各雌ねじ１４に止めねじ９の軸部９１を螺合する。これに伴って、止めねじ９の円錐状部分９２がシール４の屈曲部４１ｂに当たる。すなわち、この例では、シール４の屈曲部４１ｂに、ナット１に固定された止めねじ（止め部材）９を当接させることで、シール４がナット１に固定されている。
したがって、この例では、ナット１に対するシール４の固定位置がシール４およびナット１の円周方向で調整できる。よって、円周方向で微妙に位置調整しながらシール４をナット１に固定することで、最適な位置関係とすることができるため、高いシール性を得ることができる。

１ナット
１１ナットの螺旋溝
１２ナットの螺旋溝間の内周面
１３ナットのシール取り付け部となる内周面
１４雌ねじ
１７ねじ
２ねじ軸
２１ねじ軸の螺旋溝
２１Ａ〜２１Ｄねじ軸の螺旋溝
３ボール
４シール
４１本体
４１ａ縁部
４２ゴム成形体
４２ａリップ部
５リターンチューブ
６外向きフランジ
６１ねじ穴
６２外向きフランジの内周面
６３凹部
６４雌ねじ
７座金（止め部材）
８ボルト
８１ボルトの頭部
８２ボルトの軸部
９止めねじ（止め部材）
９１止めねじの軸部
９２止めねじの先端の円錐状部分
Ａ１軌道溝をなす円の直径
Ａ２ボールの直径
Ｃねじ軸の螺旋溝の中心

Claims

内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、ナットの軸方向両端に配置されたリング状のシールを備えたボールねじであって、
前記シールは、ナットの内周面に内嵌される縁部を備えた本体と、ねじ軸の外周面および螺旋溝に弾性変形状態で接触するリップ部と、を有し、
前記縁部は、円板状の本体の外周部が板面に対して垂直に曲げられた部分であって、
前記本体の円板部と前記縁部との間に傾斜状の屈曲部を有し、この屈曲部の傾斜面に、止め部材を当接させて前記止め部材をナットに固定することで、シールがナットに固定され、
前記止め部材は、前記シールの本体より剛性が低いものであることを特徴とするボールねじ。