JPH08121563A

JPH08121563A - ボールねじ

Info

Publication number: JPH08121563A
Application number: JP26069794A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Hayashida; 一徳林田; Yoshiki Fujii; 義樹藤井; Yasushi Toyoda; 豊田　　泰; Koya Doi; 孝彌土肥
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Koyo Machine Industries Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; JTEKT Machine Systems Corp
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1994-10-25
Publication date: 1996-05-14
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JP3160742B2

Abstract

(57)【要約】【目的】潤滑膜からの発塵量を低減できるようにしなが
ら、トルク寿命を向上できるようにすること。【構成】外周面に螺旋状のボール転動溝１１を有するね
じ軸１と、このねじ軸１のボール転動溝１１に対向する
螺旋状のボール転動溝２１を内周面に有するボールナッ
ト２と、ねじ軸１のボール転動溝１１とボールナット２
のボール転動溝２１との間に転動自在に嵌合される多数
のボール３とを備えたボールねじにおいて、ねじ軸１、
ボールナット２およびボール３が耐食性を有する材料で
構成されているとともに、ねじ軸１の少なくともボール
転動溝１１、ボールナット２の少なくともボール転動溝
２１およびボール３の表面の少なくともいずれかに、熱
硬化性合成樹脂バインダー中にふっ素系合成樹脂を分散
混合した潤滑膜６が被覆されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、グリースやオイルを使
用できない真空環境や清浄環境で用いるのに有利なボー
ルねじに関する。

【０００２】

【従来の技術】前述の環境として、例えば半導体製造装
置内部に配設される搬送系（半導体ウエハを真空中のチ
ャンバ内に出し入れするＸ−Ｙテーブル）などが挙げら
れるが、このような環境では、転がり軸受の潤滑剤とし
てグリースを用いていると、グリースの油分が蒸発、飛
散することにより、潤滑機能の劣化や使用環境の汚染と
いった不具合が発生する。

【０００３】そのため、従来では、ねじ軸、ボールナッ
トおよびボールの素材を耐食性を有するステンレス鋼と
するとともに、ねじ軸のボール転動溝、ボールナットの
ボール転動溝およびボールの表面に、金、銀、銅、鉛な
どの軟質金属、カーボンや二硫化モリブデンなどからな
る潤滑膜を被覆することが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の潤滑
膜は、転動体との接触により僅かずつ剥がれて潤滑を行
うようになるが、発塵量が多く、潤滑膜の寿命が短いこ
とが指摘される。この発塵量は、清浄環境では不適合と
なるレベルとなる。

【０００５】これに対して、ふっ素系合成樹脂（ポリテ
トラフルオロエチレン：ＰＴＦＥ）からなる潤滑膜をボ
ール表面に採用することが考えられており、これは、前
述の潤滑膜よりも発塵量を桁違いに減らせるようになる
（特開平５−３０６７４１号公報参照）。しかしなが
ら、この潤滑膜は、剪断抵抗は小さいものの金属からな
るねじ軸、ボールナットに対する付着強度が小さくて回
転初期などに剥がれやすいことが指摘される他、比較的
軟質であるために、ボールの転動時の抵抗が大きくて回
転トルクが大きくなり、いわゆるトルク寿命が短くなり
やすいことが指摘される。

【０００６】また、従来のものは、ボールあるいはねじ
軸の軌道面のみに潤滑膜が形成されることになるため、
例えばハロゲン系腐食性ガス雰囲気中などでは、ステン
レス鋼製ねじ軸の軌道面以外が腐食され、生じた腐食粉
をかみ込んで、ボールねじ軸を破損するという不具合も
指摘されている。

【０００７】さらに、従来のものは、比較的軟質な潤滑
膜であり、金属母材への付着強度も小さいため、ボール
をねじ軸およびボールナットに対して隙間を「０」ある
いは正隙間で配設しないと剥離の進展が早くなるという
不具合も指摘され、結果としてガタを招来し、ボールね
じの高精度化を阻害していた。

【０００８】したがって、本発明は、潤滑膜からの発塵
量を低減できるようにしながら、トルク寿命を向上でき
るようにすることを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、外周面に螺旋
状のボール転動溝を有するねじ軸と、このねじ軸のボー
ル転動溝に対向する螺旋状のボール転動溝を内周面に有
するボールナットと、前記ねじ軸のボール転動溝と前記
ボールナットとの間に転動自在に嵌合し前記ねじ軸と前
記ボールナットの相対螺旋運動時に転動移動する多数の
ボールとを備えたボールねじにおいて、前記ねじ軸、
ボールナットおよびボールが耐食性を有する材料で構成
されているとともに、前記ねじ軸の少なくともボール転
動溝、ボールナットの少なくともボール転動溝およびボ
ールの表面の少なくともいずれかに、熱硬化性合成樹脂
からなるバインダー中にふっ素系合成樹脂を分散混合し
た潤滑膜が被覆されている。

【００１０】なお、前述のねじ軸のボール転動溝を含む
外表面全面には、前記潤滑膜が被覆されている。また、
前述のボールは、負すきまにて前記ねじ軸およびボール
ナット間に配設されている。

【００１１】

【作用】本発明の潤滑膜は、被覆対象に対する付着強度
が高くなるから、回転初期にはがれにくくなる。また、
従来例のものに比べて硬質であり、ボールの転動抵抗が
小さくなる。

【００１２】そして、ボール転動時には、潤滑膜に含ま
れるふっ素系合成樹脂が剥離して所要の潤滑を行うが、
必要以上の剥離がないので、発塵量としては、従来例の
ふっ素系合成樹脂からなる潤滑膜に比べて遥かに少なく
なる。

【００１３】また、ねじ軸の外表面全面を上記潤滑膜で
被覆すれば、ハロゲン系腐食性ガス雰囲気中でもねじ軸
の腐食が防止される。なお、この際、ボールナットの露
出面をねじ軸と同様、潤滑膜で被覆すればなおよい。

【００１４】さらに、上記潤滑膜は、比較的硬度なた
め、ボールをねじ軸およびボールナット間にある程度、
負隙間で配設することが可能となるためボールねじの高
精度化に寄与できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の詳細を図１ないし図５に示す
実施例に基づいて説明する。図１は、ボールねじの概略
構成を示す縦断面図、図２は、図１のＢ部拡大図であ
る。図中、Ａはボールねじ、１はねじ軸、２はボールナ
ット、３は複数のボールである。

【００１６】ねじ軸１は、その外周面に螺旋状のボール
転動溝１１が形成されており、ボールナット２は、その
内周面にねじ軸１のボール転動溝１１に対向する螺旋状
のボール転動溝２１が形成されている。このボールナッ
ト２はねじ軸１に外嵌されており、ねじ軸１のボール転
動溝１１と、ボールナット２のボール転動溝２１との間
に複数のボール３が介装されている。そして、ボールナ
ット２の外周面にはボール循環機能を有するサーキュレ
ータチューブ４が設けられていて、ねじ軸１またはナッ
ト２のいずれか一方の回転によりボール転動溝１１、２
１間のボール３がサーキュレータチューブ４を介して循
環するようになっている。

【００１７】ねじ軸１のボール転動溝１１およびボール
ナット２のボール転動溝２１は、断面形状が、ゴチック
アーチ状、すなわち二つの曲率中心の異なる円弧の組み
合わせによりほぼＶ字形に形成されている。このボール
転動溝１１、２１の断面形状は、図３に示すような円弧
とすることができる。

【００１８】そして、ボールナット２の軸方向一端（右
側）には、必要に応じねじ軸１のボール転動溝１１に対
して近接する非接触タイプのシール５が設けられてい
る。このシール５は、合成ゴムなどの弾性体により円筒
形に形成されており、内周面の所要角度範囲にねじ軸１
のボール転動溝１１に近似する形状の凸部５１が設けら
れている。なお、図４に示すような接触タイプのシール
５Ａを用いてもよい。このシール５Ａは、四角形状のチ
ップの一面にボール転動溝１１の断面形状に近似する形
状の凸部５１Ａを形成したものであり、この凸部５１Ａ
がねじ軸１のボール転動溝１１の局部にばね５２Ａによ
り圧接されるものである。また、これらのシール５、５
Ａは、ボールナット２の軸方向両端に設けていもよい。

【００１９】これらねじ軸１、ボールナット２およびボ
ール３の素材としては、ＨＲＣ５８〜６２に設定される
もの、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテン
サイト系ステンレス鋼に適当な硬化熱処理を施したもの
や、ＪＩＳ規格ＳＫＨ４、ＡＩＳＩ規格Ｍ−５０材など
の耐熱性鋼や、セラミックスとすることができる。この
セラミックスとしては、焼結助剤として、イットリア
（Ｙ₂Ｏ₃）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、その他、適
宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、
スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を用いた窒化けい素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）を主体とするものの他、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や
炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、窒化
アルミ（ＡｌＮ）などが好ましい。このような材料でボ
ールねじＡの各構成要素を形成すれば、ボールねじＡ
を、例えば半導体製造の膜生成装置などにおいて、膜を
生成すべき半導体ウエハなどの素材を真空中のチャンバ
内に出し入れするＸ−Ｙテーブルなどに用いる場合で
も、チャンバ内に入れられるハロゲン系腐食性ガスに対
しても、腐食しにくくなる。

【００２０】サーキュレータチューブ４は、例えばＳＵ
Ｓ３０４などのステンレス鋼で形成される。潤滑性を有
する合成樹脂で形成してもよい。

【００２１】そして、ねじ軸１の表面全面には、熱硬化
性合成樹脂からなる樹脂バインダー中にふっ素系合成樹
脂を分散混合した潤滑膜６が被覆されている。この潤滑
膜６は、潤滑主体となるふっ素系合成樹脂としての、例
えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、熱硬
化性合成樹脂バインダーとしての、例えばポリアミドイ
ミドとからなり、１０〜５０重量％の樹脂バインダー中
に１〜２０重量％のふっ素系合成樹脂をＮ−メチル−２
−ピロリドンなどの溶媒を用いて分散混合させたものを
被覆対象面にボンデッドフィルム法などで塗布すること
により得られる。

【００２２】熱硬化性合成樹脂としては、それ自身ある
程度の摺動性を有していることが望ましく、例えば、イ
ミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂が望まし
い。イミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂バ
インダーとしては、例えば、熱硬化性の縮合重合型ポリ
イミド、ポリアミドイミドなどが挙げられる。これらの
樹脂は、一般に、耐熱性がよく、接着性が優れかつ高温
においても接着強度の低下がきわめて少ないこと、寸法
安定性に優れること、摩擦摩耗特性がよいことなどの特
徴を有する。また、これらの樹脂は、硬化（付加重合）
が進む過程で、水分やその他の揮発分の生成を伴わず、
しかもこのもの自体吸湿性がきわめて小さいから、被着
形成される潤滑膜層に気泡や亀裂を生ぜしめるおそれも
ない。ふっ素系合成樹脂としては、ポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＦＥ）の他、エチレンテトラフルオロエ
チレン（ＥＴＦＥ）が好ましい。これらふっ素系合成樹
脂が実質的な潤滑主体とされる。上述の熱硬化性合成樹
脂バインダーのみを使用した場合には、これらが非常に
硬く、耐熱性に優れているが、摩耗が激しく簡単にはが
れてしまうため、潤滑層の摩擦力を軽減させることを目
的として添加される。ＰＴＦＥを用いる際には、平均分
子量１×１０⁴〜５×１０⁴のポリマーが選ばれる。中で
も、３×１０⁴〜５×１０⁴の平均分子量のものが好適に
用いられる。平均分子量が１×１０⁴を下回ると付着強
度が低下するとともに摺動抵抗も大きくなる。平均分子
量が５×１０⁴を超えると、剪断抵抗が大きく、また硬
くなりすぎるため、密着性に劣るとともに剥離した際、
摩耗粉となりやすい。

【００２３】なお、ＰＴＦＥの粒子径は２〜３μｍのも
のが好適に使用される。３μｍを超えると、流動性、分
散性が低下するとともに、潤滑膜から突出し、潤滑膜の
平滑性が損なわれ、円滑な駆動が妨げられるとともに、
異音も発生する。２μｍを下回ると、潤滑効果が飽和す
る反面、経済的にもマイナスとなる。

【００２４】潤滑膜６の厚みは、少なくともねじ軸の表
面の凹凸をならす程度は必要とされ、例えば５±２μｍ
に、また、硬度はＪＩＳ規格Ｋ５４００に基づく鉛筆引
っかき値の３Ｈ〜６Ｈにそれぞれ設定するのが好まし
い。この硬度は、潤滑膜６の樹脂バインダーとふっ素系
合成樹脂との混合比や、焼成条件により適宜に管理する
ことができる。

【００２５】次に、潤滑膜６の形成方法の一例を具体的
に説明する。

【００２６】（ａ）被覆対象相手（ねじ軸１）を脱脂
するとともに、被覆対象面にサンドブラストを施し、表
面粗さをＲｚ５〜１０μｍとする。この処理により、被
覆対象面に対する潤滑膜６の付着力が高められるととも
に、耐圧性が高められる。

【００２７】（ｂ）被覆対象面に、ＰＴＦＥ粉末とポ
リアミドイミド粉末とをＮ−メチル−２−ピロリドンで
溶かした流動体を複数回繰り返してスプレーする。これ
はいわゆるボンデッドフィルム法と呼ばれる塗布方法で
あり、前記各粉末がスプレー面にほぼ均等に拡散した状
態になる。なお、前述の流動体の成分比は、例えばＰＴ
ＦＥ粉末５％、ポリアミドイミド粉末２５％、Ｎ−メチ
ル−２−ピロリドン７０％である。

【００２８】（ｃ）前記スプレーした被膜を１８０℃
±１０℃の温度で所定時間（約３０分〜１２０分）加熱
焼成することにより定着させる。

【００２９】なお、必要に応じて（ｂ）、（ｃ）を数回
繰り返し、最終的に潤滑膜６の膜厚を例えば５±２μｍ
とする。

【００３０】次に、一定時間での発塵量、トルク、トル
ク寿命について試験を行った。その結果に基づき、表１
に相対比で示している。

【００３１】試験に用いたボールねじＡは、呼び番号１
４０４、７ＴＳ３、５Ｃ７で、ねじ軸１の軸径を１４ｍ
ｍ、ボール３の径を２ｍｍ（３．５巻、１列）、リード
を３／１６″（４．７６３ｍｍ）としている。

【００３２】試験対象として、ねじ軸１の表面全面のみ
に潤滑膜６を被覆した実施例１と、ねじ軸１の表面全
面、ボールナット２の内周面全面およびサーキュラーチ
ューブ４の内面に潤滑膜６を被覆した実施例２と、ボー
ル３の表面全面のみに潤滑膜６を被覆した実施例３と、
ボール３の表面全面にＡｇからなる潤滑膜をイオンプレ
ーティング法により被覆した比較例１と、ボール３の表
面全面にＰＴＦＥテロマー（平均分子量５０００以下）
からなる潤滑膜を被覆した比較例２との五種類とを用意
している。実施例１〜３の潤滑膜６の硬度は、ＪＩＳ規
格Ｋ５４００に基づく鉛筆引っかき値で「３Ｈ〜５Ｈ」
に、また、比較例１、２の潤滑膜の硬度は、「Ｂ」に設
定してある。実施例１〜３の潤滑膜の膜厚は、ねじ軸お
よびボールナットは５μｍ、サーキュレータチューブは
１０μｍ、ボールは１μｍ以下に、また、比較例１の膜
厚は、０．３μｍ、比較例２の膜厚は、１μｍ以下に設
定してある。

【００３３】試験は、図５に示す装置を用いている。図
中、６０はボールねじＡの支柱、６１はボールねじＡの
サポート軸受、６２は負荷用ばね、６３はパーティクル
カウンター、６４はストレインゲージ、６５はボールナ
ット２の移動案内用のレール、６６はボールナット２の
スライドサポート軸受である。

【００３４】発塵量は、試験装置の図示しないケース内
に存在する粒子径０．３８μｍ以上の塵埃をパーティク
ルカウンター６３で計測する。計測は１０分間隔とす
る。前記ケース内雰囲気は大気中クラス１０の清浄度
に、また環境温度は室温に設定される。試験条件とし
て、軸方向荷重をＭａｘ４９Ｎ（５ｋｇｆ）、ストロー
クを１００ｍｍ、回転速度を３１５ｒｐｍ、圧力を１Ｐ
ａ、計測時間を７０時間としている。トルクは、ストレ
インゲージで計測する。トルク寿命とは、初期トルクの
約３倍になるまでの時間を言う。

【００３５】なお、実施例４として、高温仕様のボール
ねじについても試験した。高温仕様ボールねじは、上述
のセラミックスあるいはＳＫＨ４、Ｍ−５０材でねじ軸
１、ボールナット２、ボール３を形成し、潤滑膜６が焼
き付け温度３００〜３５０℃で約９０分の熱処理が施さ
れている。

【００３６】

【表１】

【００３７】このように、実施例１〜４と比較例１との
対比より、潤滑膜６を本実施例のように特定すれば、実
施例のほうが優れることが判る。なお、実施例１、２と
の対比より、潤滑膜をねじ軸１の表面全面のみに被覆す
るのが最も好ましいことが判る。これは、必要最小限の
潤滑成分を施しているため、摩耗粉の発生が少ないため
と考えられる。

【００３８】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ない。例えば、潤滑膜６は、ねじ軸１の少なくともボー
ル転動溝１１、ボールナット２の少なくともボール転動
溝２１およびボール３の表面の少なくともいずれかに被
覆すればよく、それら総てを本発明は含む。

【００３９】但し、ボール３に潤滑膜６を被覆する場合
には、潤滑膜６の厚みを１μｍ前後にと薄く設定するの
が好ましい。これはボールねじＡの組み立てを高精度に
行う上で重要なのである。つまり、ボールねじＡの組み
立ては、一般的に、ねじ軸１とボールナット２の各加工
誤差を計測して、その加工誤差を相殺する径のボール３
を選択するようにしており、その関係から、ボール３の
径の誤差を小さくする必要がある。これに対して、潤滑
膜６の形成手法である前述のボンデッドフィルム法で
は、潤滑膜６の膜厚誤差が、得ようとする潤滑膜６の膜
厚に比例する。ゆえに、ボール３に被覆する潤滑膜６の
膜厚を薄く設定してボール３の径の誤差を小さく抑制す
るのが好ましいと考えている。

【００４０】また、ステンレス鋼製のねじ軸１の表面全
面とステンレス鋼製のボールナット２の内周面全面とに
潤滑膜６を被覆したものと、セラミックス製のボール３
とを組み合わせれば、耐食性において優れたボールねじ
Ａにできる。もちろん、ボールねじＡにおいて、ねじ軸
１、ボールナット２、ボール３の総てをセラミックスで
形成してもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明では、特殊な潤滑膜を用いること
により潤滑膜の剥離を必要最小限に抑制できるようにし
ているから、発塵量を低減できるようになり、ボールね
じの使用環境を清浄に保つ上で効果を発揮するととも
に、潤滑膜の長寿命化が達成されるようになる。また、
潤滑膜が適度に硬質であるから、ボールの転動抵抗を軽
減できて、トルク低減に貢献できるようになる。

【００４２】また、ねじ軸の外表面全面を上記潤滑膜で
被覆すれば、ハロゲン系腐食性ガス雰囲気中でもねじ軸
の腐食が防止される。なお、この際、ボールナットの露
出面をねじ軸と同様、潤滑膜で被覆すればなおよい。

【００４３】さらに、上記潤滑膜は、比較的硬度なた
め、ボールをねじ軸およびボールナット間にある程度、
負隙間で配設することが可能となるためボールねじの高
精度化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボールねじの概略構成を示す縦断面
図。

【図２】図１のＢ部を拡大した断面図。

【図３】ボール転動溝の他の例を示す部分断面図。

【図４】シールの他の例を示す部分断面図。

【図５】試験装置の概略構成を示す縦断面図。

【符号の説明】

１ねじ軸２ボールナット３ボール６潤滑膜１１ねじ軸のボール転動溝２１ボールナットのボール転動溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者豊田泰大阪市中央区南船場三丁目５番８号光洋精工株式会社内 (72)発明者土肥孝彌大阪府八尾市南植松町２丁目34番地光洋機械工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周面に螺旋状のボール転動溝を有する
ねじ軸と、このねじ軸のボール転動溝に対向する螺旋状
のボール転動溝を内周面に有するボールナットと、前記
ねじ軸のボール転動溝と前記ボールナットとの間に転動
自在に嵌合し前記ねじ軸と前記ボールナットの相対螺旋
運動時に転動移動する多数のボールとを備えたボールね
じであって、前記ねじ軸、ボールナットおよびボールが耐食性を有す
る材料で構成されているとともに、前記ねじ軸の少なくともボール転動溝、ボールナットの
少なくともボール転動溝およびボールの表面の少なくと
もいずれかに、熱硬化性合成樹脂からなるバインダー中
にふっ素系合成樹脂を分散混合した潤滑膜が被覆されて
いる、ことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】前記ねじ軸のボール転動溝を含む外表面
全面に前記潤滑膜が被覆されている、ことを特徴とする
請求項１のボールねじ。
【請求項３】前記ボールが負すきまにて前記ねじ軸お
よびボールナット間に配設されている、ことを特徴とす
る請求項１のボールねじ。