JP6183534B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじに関し、特に、ナットを冷却する機能を備えたボールねじに関する。

従来より、ねじ軸と、複数の転動体（例えば、ボール）を介して上記ねじ軸に螺合するナットとを有し、上記ねじ軸と上記ナットとが相対的に回転可能とされたボールねじが知られている。このボールねじにおいては、回転時に上記ねじ軸と上記ナットとの間で点接触又は面接触による摩擦熱が生じるため、その摩擦熱を冷却する冷却部が設けられることがあった。

従来のボールねじにおける冷却部の設置態様としては、軸心冷却方式とナット冷却方式とが挙げられる。上記軸心冷却方式は、冷却対象を上記ねじ軸として上記ねじ軸に上記冷却部を設ける態様である。この軸心冷却方式の一例としては、上記ねじ軸を中空にして、上記ねじ軸内に冷却媒体を流す構成が挙げられる。また、上記ナット冷却方式は、冷却対象を上記ナットとして上記ナットに上記冷却部を設ける態様である。

ここで、上記軸心冷却方式は、大型・長尺のボールねじ装置に採用するにあたって、上記ねじ軸に中空穴を空けるために要するコストが問題となることがあるため、ナット冷却方式が採用されることが多い。
このようなナット冷却方式を採用したボールねじとしては、特許文献１に開示された技術が挙げられる。この特許文献１は、具体的には、軸方向に沿ってナットに設けた流路に冷却媒体を通し、該ナットを冷却する技術である。

特開２０１０−１３３５５６号公報

近年の大型・長尺のボールねじの主流は、ダブルナット予圧を採用したボールねじであり、このようなボールねじにおいては、複数のナットを効率的な冷却し、かつ分解時、組立時、及びメンテナンス時における冷却媒体の漏洩を抑制することは重要である。
しかしながら、特許文献１に開示されたボールねじを、ダブルナット予圧を採用したボールねじに適用しても、複数のナットの効率的な冷却と、冷却媒体の漏洩の抑制とのバランスがとれたボールねじを提供することは改善の余地があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却効率に優れ、分解・組立更にはメンテナンス時にも冷却媒体の漏洩が抑制され、これらのバランスがとれたボールねじを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある実施形態のボールねじは、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、
上記螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有し、該螺旋溝と上記ねじ軸の螺旋溝との間に配置された複数のボールを介して上記ねじ軸に螺合する２つのナットと、
上記ボールに予圧を付与する予圧付与部材とを有し、
上記２つのナットのそれぞれに冷却部が独立して設けられ、
これらの上記冷却部は、上記２つのナット間を基準として対称となるように上記ナットのそれぞれに配設され、
前記冷却部が、冷却媒体を通過させる流路であり、その流路が前記軸方向に沿う軸方向流路、及び前記軸方向に直交して設けられる周方向流路の少なくとも何れかを有し、
前記予圧付与部材が、前記２つのナットと同軸で前記２つのナット間に配置される間座であり、
前記軸方向流路が前記２つのナットのそれぞれを軸方向に貫通して設けられ、
前記２つのナットのそれぞれの端部に設けられ、一方の面が前記軸方向流路及び前記周方向流路を形成し、他方の面が前記間座に接するシール部が前記２つのナットと同軸で設けられる。

すなわち、本発明のある実施形態のボールねじは、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、上記螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有し、該螺旋溝と上記ねじ軸の螺旋溝との間に配置された複数のボールを介して上記ねじ軸に螺合する２つのナットと、上記ボールに予圧を付与する予圧付与部材とを有するボールねじにおいて、
上記２つのナットのそれぞれに冷却部（冷却機構）が独立して設けられ、
これらの上記冷却部は、上記２つのナット間を基準として対称となるように上記ナットのそれぞれに配設される。なお、上記２つのナットは、連結もしくは連接あるいは隣接して組み込まれている。

ここで、上記ボールねじにおいては、上記冷却部が、冷却媒体を通過させる流路であり、その流路が上記軸方向に沿う軸方向流路、及び上記軸方向に直交して設けられる周方向流路の少なくとも何れかを有する。すなわち、この冷却部は、それぞれ独立した経路として冷却媒体を通過させるための流路を有する。これらの流路は、軸方向流路及び周方向流路の少なくとも何れか一方を含む。上記軸方向流路は、上記ナットの内周と上記ナットの外周との間に軸方向に設けられた流路である。また、上記周方向流路は、上記ナットの内周と上記ナットの外周との間に上記ナットの軸と直交方向に設けられた流路である。このように上記冷却部は、上記ナット毎に独立して上記冷却媒体が循環できるように構成されている。

また、上記ボールねじは、上記流路に連結され、冷却媒体を流入する流入孔、及び上記流路に連結され、冷却媒体を排出する排出孔が上記ナット毎に設けられることが好ましい。すなわち、各ナットそれぞれが、冷却媒体の流入部である流入孔と流出部である排出孔を少なくとも１組以上有している形態が好ましい。
また、上記ボールねじは、上記予圧付与部材が、上記２つのナットと同軸で上記２つのナット間に配置される間座である。
なお、上記予圧付与部材としては、上記ナット間の位置調整による定位置予圧、ばね等の弾性体による定圧予圧、流体圧や圧電素子等のアクチュエータを用いて所定の予圧荷重を設定する可変制御予圧等を用いた構成が使用できる。より具体的には複数のナット同士が押し合う、もしくは引き合う形態になるよう上記予圧の構成を上記ナット間に配置する構成を使用することができる。

本発明によれば、冷却効率に優れ、分解・組立更にはメンテナンス時にも冷却媒体の漏洩が抑制され、これらのバランスがとれたボールねじを提供することができる。

本発明のボールねじのある実施形態における構成を示す側面図である。 本発明のボールねじのある実施形態における構成を示す部分断面図である。 本発明のボールねじのある実施形態における構成を示す側面図である。

以下、ボールねじのある実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ボールねじのある実施形態における構成を示す側面図である。また、図２は、ボールねじのある実施形態における構成を示す部分断面図である。また、図３は、ボールねじのある実施形態における構成を示す側面図であり、流路をハッチングにて強調して示している。
図１に示すように、本実施形態のボールねじ１は、２つのナット（第一ナット１００，第二ナット２００）と、ねじ軸３００と、２つのナットの間に設けられ、前記ボールに予圧を付与する予圧付与部材とを有する。

＜ナット＞
第一ナット１００は、ねじ軸３００の外径より大きい内径で筒状に形成された本体部１００Ａと、キャップ１１０と、チューブ１２０，１２１とを有する。キャップ１１０は、図示しないねじ等で本体部１００Ａの一方の端部にシール材１１１を介して取り付けられる。また、チューブ１２０，１２１は、本体部１００Ａの外周面のうちの平面部１１５に設けられた転動体循環用の部材であり、ねじ１２３〜１２５によって第一ナット１００に締結された押さえ板１２２によって固定されている。第一ナット１００は、いわゆるフランジの無いタイプのナットである。

第二ナット２００は、ねじ軸３００の外径より大きい内径で筒状に形成された本体部２００Ａと、その一方の端部に設けられたフランジ部２０１と、キャップ２１０と、チューブ２２０，２２１とを有する。キャップ２１０は、図示しないねじ等で本体部２００Ａの端部にシール材２１１を介して取り付けられる。また、チューブ２２０，２２１は、本体部２００Ａの外周面のうちの平面部２１５に設けられた転動体循環用の部材であり、ねじ２２３〜２２５によって第二ナット２００に締結された押さえ板２２２によって固定されている。

ここで、図２に示すように、第一ナット１００の内周面１００ａには、ねじ軸３００の外周面３００ａに螺旋状に形成された螺旋溝３０１に対向するように螺旋溝１０１が形成されている。また、第二ナット２００の内周面２００ａにも、ねじ軸３００の螺旋溝３０１に対向するように螺旋溝２０１が形成されている。そして、螺旋溝１０１と螺旋溝２０１との間に配設された複数の転動体Ｂにより、ねじ軸３００と、ねじ軸３００の軸方向に同軸で配列された第一ナット１００及び第二ナット２００とが螺合している。このようにして、螺旋溝３０１と螺旋溝１０１，２０１とによって形成された転動路において転動体Ｂが転動可能とされ、ねじ軸３００と第一ナット１００及び第二ナット２００とが軸方向に相対移動可能とされる。

＜予圧付与部材＞
図１及び図２に示すように、第一ナット１００の他方の端部と、第二ナット２００の他方の端部との間には、シール材１２９，１３０を介して、間座１２８が第一ナット１００及び第二ナット２００と同軸で設けられている。また、この間座１２８及びシール材１２９，１３０を介して第一ナット１００と第二ナット２００とが連結部材１２７により連結されている。連結部材１２７は、図１及び図２では１つだが、必要に応じて複数の連結部材１２７で第一ナット１００と第二ナット２００とを複数個所で連結してもよい。

このように、第一ナット１００と第二ナット２００とを間座１２８を介して連結部材１２７で連結することで、間座１２８及び連結部材１２７が予圧付与部材として機能し、いわゆる定位置予圧をかけた態様となる。そして、本実施形態のボールねじ１では、引張方向の２点接触予圧を第一ナット１００及び第二ナット２００に与えることにより、第一ナット１００及び第二ナット２００を冷却することによる予圧トルクの増大を打ち消し、効率的に第一ナット１００及び第二ナット２００を冷却することができる。
上記予圧付与部材としては、上述のナット１００，２００間の位置調整による定位置予圧に限られることなく、ばね等の弾性体による定圧予圧、流体圧や圧電素子等のアクチュエータを用いて所定の予圧荷重を設定する可変制御予圧等を用いた構成を選択することができる。

＜冷却部＞
第一ナット１００及び第二ナット２００のそれぞれには、独立して各ナット１００，２００を冷却する冷却部１５０，２５０が設けられている。そして、これらの冷却部１５０，２５０は、２つのナット１００，２００間（例えば、間座１２８の軸方向の中間点を通り、軸方向に直交する面Ａ（図２参照））を基準として対称となるようにナット１００，２００のそれぞれに配設される。このように冷却部１５０，２５０が設けられることで、ボールねじ装置としての重量バランスが保たれ、スムーズな駆動を妨げることがない。ここで、冷却部１５０，２５０の態様は、２つのナット１００，２００間を基準として対称となるように配設され、第一ナット１００及び第二ナット２００のそれぞれを独立して冷却すれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。

冷却部１５０，２５０は、例えば、図１及び図２に示すように、第一ナット１００及び第二ナット２００のそれぞれに穿孔され、冷却媒体を通過可能とした複数の流路１５２〜１５４，２５２〜２５６である。これら流路は、軸方向に沿う軸方向流路と、軸方向に直交して設けられる周方向流路の少なくとも何れかを有することが好ましい。上記「軸方向流路」は、第一ナット１００内で軸方向に沿う軸方向流路１５２，１５４と、第二ナット２００内で軸方向に沿う軸方向流路２５３，２５５とが挙げられる。これら軸方向流路１５２，１５４，２５３，２５５のうち、軸方向流路１５２と軸方向流路２５３とが、２つのナット１００，２００間で対称に設けられた流路である。また、軸方向流路１５４と軸方向流路２５５とが、２つのナット１００，２００間で対称に設けられた流路である。

また、上記「周方向流路」は、第一ナット１００内で軸方向に直交して周方向に沿って設けられる周方向流路１５３と、第二ナット２００内で軸方向に直交して周方向に沿って設けられる周方向流路２５２、２５４，２５６が挙げられる。これら周方向流路１５３，２５２，２５４，２５６のうち、周方向流路１５３と軸方向流路２５４とが、２つのナット１００，２００間で対称に設けられた流路である。このように冷却部１５０，２５０は、ナット１００，２００毎に独立して冷却媒体が循環できるように構成されている。

また、本実施形態のボールねじ１は、流路１５２〜１５４に連結され、冷却媒体を流入する流入孔１５１と、冷却媒体を排出する排出孔１５５が第一ナット１００に設けられることが好ましい。また、本実施形態のボールねじ１は、流路２５２〜２５６に連結され、冷却媒体を流入する流入孔２５１と、冷却媒体を排出する排出孔２５７が第二ナット２００に設けられることが好ましい。すなわち、各ナット１００，２００それぞれが、冷却媒体の流入部である流入孔１５１，２５１と排出部である排出孔１５５，２５７を少なくとも１組以上有している形態が好ましい。

よって、図１〜３に示すように、第一ナット１００の冷却部１５０は、キャップ１１０の端部に軸方向に設けられた流入部１５１、軸方向流路１５２、周方向流路１５３、軸方向流路１５４、キャップ１１０の端部に軸方向に設けられた排出部１５５で構成されている。すなわち、第一ナット１００に対して１系統の独立の流路が形成されている。なお流路は、ナット１００，２００毎に独立であれば２系統以上あってもよい。

また、図１〜３に示すように、第二ナット２００の冷却部２５０は、フランジ部２０１の外周に軸と直交方向に設けられた流入部２５１と、周方向流路２５２、軸方向流路２５３、周方向流路２５４、軸方向流路２５５、周方向流路２５６、及びフランジ部２０１の外周に軸と直交方向に設けられた流出部２５７で構成されている。すなわち、第二ナット２００に対して１系統の独立の流路が形成されている。なお流路は、ナット１００，２００毎に独立であれば２系統以上あってもよい。
ここで、流入部１５１，２５１、及び排出部１５５，２５７には、配管締結用の管用テーパねじが設けられており、これらに配管を接続して冷却媒体を供給及び排出することができる。

＜冷却媒体＞
上記冷却媒体としては、流体として各種の気体、液体が使用できる。気体としては、空気あるいは圧縮空気の他、窒素、不活性ガス（アルゴン等）、炭化水素（ブタン、イソブタン等）、ヘリウム、アンモニア、二酸化炭素等、更にはこれらの混合物が使用できる。液体としては、水の他、水に防錆剤を加えたクーラント、水に各種添加剤を加えたクーラント、もしくは冷却媒体油として各種の油も使用できる。具体的には鉱油、動植物油、合成油が使用できる。これらは使用環境等に応じて適宜選択すれば良い。更に、冷却媒体は温度管理されており、流量も管理されていることが好ましい。特に、冷却媒体を乱流状態で使用するのが好ましい。
また、本実施形態では、ナット毎に独立して温度管理を行い、例えば予圧の制御を行うことも可能である。
さらに、流入部、排出部の位置、大きさ、各流路の断面形状、断面積等は使用条件に応じて適宜調整することができる。

本実施形態のボールねじによれば、予圧荷重を大きくすることができるため、いわゆる大型（概ねねじ軸３００の外径寸法が８０ｍｍ以上）のボールねじへの適用が好適に行える。
本実施形態のボールねじによれば、ナット毎に独立して冷却媒体が循環できるようにしたため冷却効率が良い。この冷却効率の良さにより、先ずナットが冷却され、冷却の効果はナット内周の螺旋溝から転動体であるボールに伝達され、更にはねじ軸の螺旋溝に伝達されねじ軸をも冷却し、発熱による予圧変化や潤滑の悪化を抑制すると考えられる。この冷却の効果は、ある程度予圧荷重が高く、螺旋溝と転動体、螺旋溝と転動体との接触状態が保たれる場合により一層効果を発揮する。そのため、本発明のボールねじは比較的大型のボールねじに好適である。

なお、本実施形態のボールねじによれば、いわゆる軸心冷却方式の採用が困難な長尺（概ね４ｍ以上）のボールねじ軸であっても、軸心冷却なしで適用できるが、必要であれば軸心冷却を併用することも可能である。
また、本実施形態のボールねじによれば、冷却のための冷却媒体の流路がナット毎に独立して設けられているため、例えば複数のナットのうちのいくつかのナットを交換する必要がある等のメンテナンス時にも、それぞれの冷却媒体流路への配管を遮断すれば、メンテナンス時の冷却媒体の漏洩も効果的に抑制できる。
そのため、本実施形態のボールねじは、加工精度を特に要し、いわゆるメンテナンスも行われることのある大型の工作機械の直動部分に用いられるボールねじとして好適に使用できる。

また、本実施形態のボールねじは冷却効率に優れるため、予圧荷重の変化や、ねじ軸の長さの変化が少なく、過度の発熱にいたることも抑制されるため潤滑剤の劣化も少ないため、ボールねじの発熱による直動部分の位置決め精度の悪化が少なく、いわゆるトルク変動の少ない安定した稼動が長期に渡り維持でき、長尺のねじ軸であってもその効果を発揮できるため、大型の精密加工用の工作機械の直動部分に用いられるボールねじとして、特に好適である。なお、軸心冷却と併用することも可能である。

本実施形態のボールねじは、大型の精密加工用の工作機械の直動部分に用いられるボールねじとして好適である。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

１ ボールねじ
１００ 第一ナット
１５０ 冷却部
２００ 第二ナット
２５０ 冷却部
３００ ねじ軸

Claims (2)

1. 外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、
   前記螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有し、該螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝との間に配置された複数のボールを介して前記ねじ軸に螺合する２つのナットと、
   前記ボールに予圧を付与する予圧付与部材とを有し、
   前記２つのナットのそれぞれに冷却部が独立して設けられ、
   これらの前記冷却部は、前記２つのナット間を基準として対称となるように前記ナットのそれぞれに配設され、
   前記冷却部が、冷却媒体を通過させる流路であり、その流路が前記軸方向に沿う軸方向流路、及び前記軸方向に直交して設けられる周方向流路の少なくとも何れかを有し、
   前記予圧付与部材が、前記２つのナットと同軸で前記２つのナット間に配置される間座であり、
   前記軸方向流路が前記２つのナットのそれぞれを軸方向に貫通して設けられ、
   前記２つのナットのそれぞれの端部に設けられ、一方の面が前記軸方向流路及び前記周方向流路を形成し、他方の面が前記間座に接するシール部が前記２つのナットと同軸で設けられたことを特徴とするボールねじ。
2. 前記流路に連結され、冷却媒体を流入する流入孔、及び前記流路に連結され、冷却媒体を排出する排出孔が前記ナット毎に設けられる請求項１に記載のボールねじ。

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