JP6922483B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

この発明は、ボールねじに関する。

ボールねじは、ナットとねじ軸と複数のボールと循環部品を有する。ナットは、内周面に螺旋溝が形成された円筒体からなり、通常、この円筒体の軸方向一端部にフランジを有し、フランジに取付穴が形成されている。この場合、ナットは、軸方向で、円筒体のフランジを有する部分であるフランジ部と、円筒体のフランジ部を有さない部分である円筒部と、からなる。

ねじ軸の外周面に、ナットの螺旋溝との間に軌道を形成する螺旋溝が形成されている。循環部品は、軌道の終点と始点を接続する戻し路を形成する部品である。ボールは、軌道および戻し路からなる循環経路に配置されている。循環経路内をボールが転動することで、ナットがねじ軸に対して相対移動し、直線運動が回転運動に又は回転運動が直線運動に変換される。

最近のボールねじでは、合成樹脂製の循環部品を、金属製の取付部品でナットの円筒部に固定することが行われている（特許文献１などを参照）。

ボールねじは、位置決め用途だけでなく力を伝える用途でも使用されている。力を伝える用途としては、例えば、電動射出成形機の射出軸や金型を移動する型締め軸を駆動する用途が挙げられる。近年、電動射出成形機の射出速度（射出成形機のスクリューの駆動速度）は高速化している。合成樹脂製の循環部品は、鋼製の循環部品よりも設計の自由度が高いことから、高速仕様のボールねじでもよく使用されている。

特許第５９９８７４９号公報

このような高速仕様の電動射出成形機用ボールねじでは、ナットのフランジ部の円筒部をプラテン（可動盤、固定盤）に接触させて固定する場合がある。このような固定方法で使用する際には、稼動中にナット内のボールの負荷分布が悪化し、ボールの公転が阻害される可能性があることが分かった。
この発明の課題は、ナットのフランジ部をプラテンなどの質量が大きな部材に接触させて固定し、高速に稼動させた場合でも、ナット内のボールの負荷分布が悪化しにくいボールねじを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の第一態様は、下記の構成要件(1) 〜(4) を有するボールねじである。
(1) 内周面に螺旋溝が形成された円筒体を有するナットを備える。このナットは、円筒体の軸方向一端部にフランジを有し、フランジに取付穴が形成され、軸方向で、フランジ部（円筒体のフランジを有する部分）と円筒部（円筒体のフランジ部以外の部分、円筒体のフランジを有さない部分）とからなる。

(2) ナットの螺旋溝との間に軌道を形成する螺旋溝が外周面に形成されたねじ軸と、軌道の終点と始点を接続する戻し路を形成する循環部品と、軌道および戻し路からなる循環経路に配置された複数のボールと、を備える。
(3) 円筒部に、円筒部を構成する材料よりも熱伝導率が高く、軸方向に延びる棒状部材が設置されている。
(4) 循環経路内を前記ボールが転動することでナットがねじ軸に対して相対移動し、直線運動を回転運動に又は回転運動を直線運動に変換する。

この発明の各態様のボールねじによれば、ナットのフランジ部をプラテンなどの質量が大きな部材に接触させて固定し、高速に稼動させた場合でも、ナット内のボールの負荷分布が悪化しにくくなる。

第一実施形態のボールねじを示す正面図である。 第一実施形態のボールねじを示す側面図（図１を右側から見た図）である。 第一実施形態のボールねじの軸方向に垂直な断面図であって、ナットの円筒部における断面図である。 第一実施形態のボールねじがプラテンに取り付けられた状態を示す正面図である。 第二実施形態のボールねじを示す正面図である。 第二実施形態のボールねじを示す側面図（図１を左側から見た図）である。 第三実施形態のボールねじの軸方向に垂直な断面図であって、ナットの円筒部における断面図である。 射出成形機を示す概略構成図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
〔第一実施形態〕
＜構成＞
図１〜図３を用いて第一実施形態のボールねじの構成を説明する。

図１および図３に示すように、この実施形態のボールねじ１０は、内周面に螺旋溝１０１が形成された円筒体からなるナット１と、外周面に螺旋溝２１が形成されたねじ軸２と、ボール２３と、四個の循環チューブ（循環部品）３と、循環チューブ３をナット１に固定する取付部品４と、ヒートパイプ７と、で構成されている。ボール２３は、ナット１の螺旋溝１０１とねじ軸２の螺旋溝２１で形成される軌道５と、循環チューブ３により形成された戻し路３５内に配置されている。ボールねじ１０は、軌道５と戻し路３５からなる循環経路を四個（複数）有するため、四個（複数）の循環チューブ３を備えている。

ナット１は、円筒体の軸方向一端部にフランジ１２ａを有し、軸方向で、円筒部（フランジを有さない部分）１１とフランジ部（フランジ１２ａを有する部分）１２とからなる。円筒部１１の外周部の一部に、循環チューブ３を取り付ける外側平坦面１１２が形成されている。外側平坦面１１２には、円筒部１１の軸方向に沿った四箇所に、二個を一組とした貫通穴１１３が形成されている。
図２に示すように、フランジ部１２のフランジ１２ａには、貫通穴１２１ａと座ぐり部１２１ｂとからなる取付穴１２１が、複数個、周方向に等間隔で形成されている。座ぐり部１２１ｂは、第一面１２２とは反対側の第二面１２３に形成されている。

また、円筒部１１の軸方向全体に、ヒートパイプ（棒状部材）７が、周方向で複数個、間隔を開けて設置されている。ヒートパイプ７は循環チューブ３と干渉しない位置に設置されている。ヒートパイプ７のフランジ部とは反対側の端面は露出している。ヒートパイプ７は、ナット１の円筒部１１に軸方向に延びる穴を設けて、この穴に挿入することで設置することができる。なお、図２では、循環チューブ３と取付部品４が省略されている。 四個の循環チューブ３は、脚部を外側平坦面１１２の各貫通穴１１３に挿入し、取付部品４を用いて、ナット１の円筒部１１の外側平坦面１１２の各位置に固定されている。

＜使用方法＞
図４に示すように、ボールねじ１０は、例えばプラテン（被固定部）６に設けた貫通穴６１にねじ軸２を貫通させ、ナット１のフランジ部１２の第一面１２２を被固定面６２に接触させて、第二面１２３側から取付穴１２１にボルトを挿入し、ボルトの先端雄ねじ部を被固定面６２に設けた雌ねじに螺合することで、プラテン６に固定される。
この固定状態で、ねじ軸２を回転させることによりボールねじ１０を稼動させると、循環経路内をボール２３が転動しナット１が直線移動する。これに伴い、ナット１と一体にプラテン６が直線移動する。ねじ軸２の回転の向きを変えることで、直線移動の向きが変化する。

＜作用、効果＞

円筒部１１にヒートパイプ７が設置されていないナット１を有するボールねじを、図４に示す固定状態で高速に稼動させた場合、ナット１（循環チューブ３および取付部品４を含む）は発熱により高温となるが、ナット１よりも質量が非常に大きなプラテン６は冷えているため、ナット１の熱がフランジ部１２からプラテン６に伝達されて、フランジ部１２の温度が急激に低下する。これに伴い、円筒部１１のフランジ部１２に近い部分には軸方向で大きな温度勾配が生じ、その部分に熱変形が生じることから、その部分の循環経路内ではボールの負荷分布が不均一になる。その結果、ボールの公転が阻害される恐れがある。

これに対して、この実施形態のボールねじ１０では、円筒部１１の軸方向全体に渡ってヒートパイプ７が設置されているため、ヒートパイプ７が円筒部１１の軸方向の温度を均一化する作用を発揮する。その結果、上述の温度勾配が小さくなる（軸方向での温度分布が均一に近づく）ため、ボールの負荷分布の不均一性が改善される。
このように、この実施形態のボールねじ１０によれば、ナット１のフランジ部１２をプラテン６などの質量が大きな部材に固定し、高速に稼動させた場合でも、ボールの負荷分布を悪化しにくくすることができる。

また、ヒートパイプ７のフランジ部１２とは反対側の端面が露出しているため、この端面をファンなどで冷やすことにより、ヒートパイプ７の作用で円筒部１１の軸方向全体を冷やすこともできる。なお、ヒートパイプ７のフランジ部１２とは反対側の端面は露出していなくてもよい。

〔第二実施形態〕
図５および図６に示すように、この実施形態のボールねじ１０では、ヒートパイプ７がナット１の円筒部１１だけでなく、フランジ部１２の円筒部１１と重なる部分１２ｂにも設置されている。これ以外の点は第一実施形態と同じである。なお、図５では取付穴を省略している。
第二実施形態のボールねじ１０によれば、ナット１の軸方向全体でヒートパイプ７の作用が得られるため、フランジ部１２の螺旋溝１０１がボール２３の軌道を構成する場合であっても、ボールの負荷分布の不均一性が改善される。

〔第三実施形態〕

図７に示すように、この実施形態のボールねじ１０では、ナット１の円筒部１１に軸方向に延びる穴を設ける代わりに、円筒部１１の外周面に軸方向に沿った溝１１５を設けて、この溝１１５にヒートパイプ７を嵌め込むことで、ヒートパイプ７を円筒部１１に設置している。これ以外の点は第一実施形態と同じである。
第三実施形態のボールねじ１０によれば、第一実施形態のボールねじ１０と同じ作用効果が得られるとともに、第一実施形態のボールねじ１０よりもヒートパイプ７の設置方法が容易になる効果も得られる。

〔備考〕
上記各実施形態では、ナット１を構成する材料よりも熱伝導率が高く、軸方向に延びる棒状部材として、ヒートパイプ７を用いているが、銅製またはアルミニウム合金製の棒材を用いてもよい。ナット１の材料であるＳＣＭ材の熱伝導率は約４８Ｗ／（ｍｋ）であり、銅の熱伝導率は約４７２Ｗ／（ｍｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率は約２０４Ｗ／（ｍｋ）である。

上記各実施形態では、循環部品として循環チューブを用いたボールねじについて説明しているが、循環部品としてエンドデフレクタ、コマ、およびエンドキャップのいずれを用いたボールねじでも、同じ効果（ナットのフランジ部をプラテンなどの質量が大きな部材に接触させて固定し、高速に稼動させた場合でも、ナット内のボールの負荷分布が悪化しにくい）を得ることができる。

〔用途〕
この発明の一態様のボールねじは、高負荷用途（軌道内のボールに加わる荷重が大きい用途）のボールねじ、例えば、電動射出成形機用やプレス機械用のボールねじとして使用することができる。
電動射出成形機は射出ユニットと型締めユニットで構成され、ボールねじで駆動される軸として、射出ユニットの射出軸および可塑化移動軸（ノズルタッチ用移動軸）と、型締めユニットの型締め軸および成形品突出し軸が挙げられる。

図８は、トグル式型締めユニットを備えた電動射出成形機を示す概略構成図である。この電動射出成形機における型締めユニット８１では、クロスヘッド６７にナットを取り付けて使用されるボールねじ１０７と、プラテン６にナットを取り付けて使用されるボールねじ１０８に、射出ユニット８２では、プレッシャープレート９にナットを取り付けて使用されるボールねじ１０９に、一態様のボールねじが適用できる。

１０ ボールねじ
１ ナット
１１ 円筒部
１２ フランジ部
１２ａ フランジ
１２１ 取付穴
１２１ａ 貫通穴
１２１ｂ 座ぐり部
１２２ 第一面
１２３ 第二面
１１２ ナットの外側平坦面
１１３ ナットの貫通穴
２ ねじ軸
２１ ねじ軸の螺旋溝
３ 循環チューブ（循環部品）
３５ 戻し路
４ 取付部品
５ 軌道
６ プラテン
６１ 貫通穴
６２ 被固定面
６７ クロスヘッド
７ ヒートパイプ
８１ 型締めユニット
８２ 射出ユニット
９ プレッシャープレート
１０７ ボールねじ
１０８ ボールねじ
１０９ ボールねじ
Ｌ ボールの移動方向を示すラインに相当する分割ライン

Claims (3)

1. 内周面に螺旋溝が形成された円筒体を有し、前記円筒体の軸方向一端部にフランジを有し、前記フランジに取付穴が形成され、軸方向で、前記円筒体の前記フランジを有する部分であるフランジ部と、前記円筒体の前記フランジ部以外の部分である円筒部と、からなるナットと、
   前記ナットの螺旋溝との間に軌道を形成する螺旋溝が外周面に形成されたねじ軸と、
   前記軌道の終点と始点を接続する戻し路を形成する循環部品と、
   前記軌道および前記戻し路からなる循環経路に配置された複数のボールと、
   を備え、
   前記円筒体は、当該円筒体の軸方向に延びる穴を軸方向全体に有し、
   前記穴の前記軸方向全体に、前記円筒部を構成する材料よりも熱伝導率が高く、軸方向に延びる棒状部材が設置され、
   前記循環経路内を前記ボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動し、直線運動を回転運動に又は回転運動を直線運動に変換するボールねじ。
2. 前記棒状部材はヒートパイプである請求項１記載のボールねじ。
3. 前記棒状部材は前記円筒部の周方向に複数個間隔を開けて配置され、前記円筒部の前記フランジ部とは反対側の端面が露出している請求項１または２記載のボールねじ。

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