JPWO2013014895A1

JPWO2013014895A1 - ボールねじの軸受装置

Info

Publication number: JPWO2013014895A1
Application number: JP2013525576A
Authority: JP
Inventors: 豊永井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: KR20140033505A; CN103703281A; US20140161380A1; WO2013014895A1; EP2738424B1; CN103703281B; EP2738424A4; EP2738424A1; JP5737404B2; TW201333338A

Abstract

ボールねじの軸受装置又は軸受装置近傍を効率良く冷却できる冷却機構を提供する。そのために、ボールねじの軸受装置(101)は、ボールねじのねじ軸(110)の端部に嵌合してねじ軸(110)と一体に回転する内輪(121)と、該内輪(121)の外周面(121a)に配設された複数の転動体(122)を介して内輪(121)を回転可能に支持する外輪(123)と、外輪(123)の外周面(123a)と当接する内周面(130a)を有してねじ軸(110)を回転可能に支持するハウジング(130)とを備える。ハウジング(130)には、ハウジング(130)の両端部(130b,130b)を貫通し、冷却媒体を通過させる冷却用貫通孔(170)がハウジング(130)の軸方向に沿って複数形成される。

Description

この発明は、ボールねじのねじ軸の端部を回転自在に支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内嵌されるハウジングを有する、ボールねじの軸受装置に関する。

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。
工作機械、射出成形機、半導体素子製造装置等の精密送り機構として使用されるボールねじは、高速、高サイクルで使用されると高温になり、ねじ軸やナットに熱変形が生じる（ねじ軸は熱膨張により伸びる）。これに伴い、ボールの負荷分布異常や作動性の悪化が生じて、送り機構としての位置決め精度が悪化する。そのため、高い位置決め精度が要求されるボールねじでは、ねじ軸、ナット、およびねじ軸の端部に配置された軸受装置を冷却する対策が施されている。

特許文献１には、ねじ軸の端部を回転自在に支持する転がり軸受の外輪が内嵌されるハウジングと、ハウジングに断熱材を介して固定された本体フレームとの間、およびナットと、ナットに断熱材を介して固定された移動体との間に隙間を設けて、各隙間に冷却用の空気を送り込むことで、上記ナットと転がり軸受を冷却することが記載されている。
また、特許文献２には、ナットに冷却機構を備えたボールねじが記載されている。

実開平０１−１１７８４７号公報特開２０１１−１７４１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術には、転がり軸受の冷却効率の点で改善の余地がある。具体的には、ハウジングの外周部を冷却しており、発熱源である軸受装置及びその近傍ではないため、効率的な冷却がなされないという点である。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ボールねじのねじ軸の端部を回転自在に支持する転がり軸受、又は軸受装置の近傍を効率的に冷却できるボールねじの軸受装置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の軸受装置は、ボールねじのねじ軸の端部に嵌合して上記ねじ軸と一体に回転する内輪と、
該内輪の外周に配設された複数の転動体を介して上記内輪を回転可能に支持する外輪と、
上記外輪の外周面と当接する内周面を有し、上記ねじ軸を回転可能に支持するハウジングとを備え、
上記ハウジングの両端部を貫通し、冷却媒体を通過させる冷却用貫通孔が上記ハウジングの軸方向に沿って複数形成されたことを特徴としている。

また、上記ボールねじの軸受装置は、上記冷却用貫通孔を連通する溝部が、上記ハウジングの端面に形成されたことを特徴としている。
また、上記冷却用貫通孔が、継手部材を介して配管によりハウジングの外部で連結されている構成とすることができる。
また、上記冷却用貫通孔が、上記ハウジングの周方向に沿って均等に配置されてもよい。

上記冷却用貫通孔をこのように配置することにより、ハウジングの外側よりも転がり軸受に近いハウジングの内部に設けた冷却用貫通孔を使用してハウジングの円周方向で均一な冷却を行うことができるため、ハウジングの外側を空冷する特許文献１の方法よりも、ボールねじのねじ軸の端部を回転自在に支持する転がり軸受を効率良く冷却できる。
また、上記冷却用貫通孔が３〜６本形成されてもよい。

上記冷却用貫通孔の数が多いほど冷却効果を高めることができるが、ハウジングの機械的強度が低下し、加工コストも嵩む。また、上記冷却用貫通孔が２個の場合は、円周方向に等間隔に配置されていても、配置間隔が大きいため、温度勾配が発生してハウジングが楕円状に熱変形しやすくなる。よって、上記冷却用貫通孔を３個以上６個以下の範囲で有することが好ましい。
また、上記冷却用貫通孔が上記ねじ軸の端部側、又はフランジ側に配置されることが好ましい。

本発明のある実施形態のボールねじの軸受装置によれば、ボールねじのねじ軸の端部を回転自在に支持する転がり軸受又は軸受装置の近傍を効率良く冷却することができる。

ボールねじの軸受装置の第１実施形態を示す正面図である。図１の軸受装置のａ矢視図である。図１の軸受装置のｂ矢視図である。図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図１の軸受装置を構成する押え蓋を示す平面図である。ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す正面図である。ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す右側面図である。ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す左側面図である。ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す軸方向に沿った断面図である。

（第１実施形態）以下、ボールねじの軸受装置の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
この実施形態のボ−ルねじの軸受装置は、図４に示すように、ボールねじのねじ軸１の端部１１を回転自在に支持する二個の転がり軸受２ａ，２ｂと、両転がり軸受２ａ，２ｂの外輪２１ａ，２１ｂが内嵌されるハウジング３を有する。また、転がり軸受２ａ，２ｂの内輪２２ａ，２２ｂの軸方向への移動を押えるカラー４およびロックナット５と、外輪２１ａ，２１ｂの軸方向への移動を押える押え蓋６を有する。さらに、図１〜４に示すように、継手部材７１ａ〜７１ｄ，７２ａ〜７２ｄと、配管７３〜７７と、押え蓋６をフランジ３に固定するボルト８を有する。

ねじ軸１の端部１１は小径部となっていて、その段差部と一方の転がり軸受２ａの内輪２２ａとの間に、カラー４が配置されている。他方の転がり軸受２ｂの内輪２２ｂの外側にもカラー４が配置され、その外側にロックナット５が配置されている。
転がり軸受２ａ，２ｂの外輪２１ａ，２１ｂは、ハウジング３の内周面の大径部に配置されている。一方の転がり軸受２ａの外輪２１ａの端面が段差面に当接し、他方の転がり軸受２ｂの外輪２１ｂが押え蓋６の端面に当接している。

図１〜４に示すように、ハウジング３の軸方向一端にはフランジ３１が形成されている。フランジ３１には、ボルト８を螺合させる雌ねじ３１ａと、取付用のボルトを挿入するボルト穴３１ｂが形成されている。ハウジング３には、また、軸方向に貫通する４本の冷却用貫通孔３２ａ〜３２ｄが、円周方向に等間隔で形成されている。各冷却用貫通孔３２ａ〜３２ｄの両端部に、管用テーパー雌ねじ部３２０が形成されている。

図５に示すように、押え蓋６は、ねじ軸２が遊嵌される大きさの中心穴６１を有する円板状部材であって、ボルト８の頭部側を配置するボルト穴６２が、円周方向の８カ所に等間隔で形成されている。これらのボルト穴６２は、ハウジング３の雌ねじ３１ａに対応する位置に設けてある。また、押え蓋６の外周部には、ハウジング３の各冷却用貫通孔３２ａ〜３２ｄに対応する位置に、凹部６３が形成されている。

組立時には、先ず、一方のカラー４を、ねじ軸１の端部１１の段差部に接触させて取り付けた後、ハウジング３とねじ軸１の端部１１との間に転がり軸受２ａ，２ｂを取り付ける。次に、押え蓋６の中心穴６１をねじ軸１に通して、押え蓋６をハウジング３のフランジ３１側に配置し、ボルト８を押え蓋６のボルト穴６２から挿入してフランジ３１の雌ねじ３１ａに螺合する。次に、他方のカラー４をねじ軸１の端部１１に取り付けて、ロックナット５を締め付ける。これにより、転がり軸受２ａ，２ｂの外輪２１ａ，２１ｂがハウジング３に固定され、内輪２２ａ，２２ｂがねじ軸１の端部１１に固定される。

この状態で、押え蓋６の凹部６３から各継手部材７１ａ〜７１ｄ，７２ａ〜７２ｄを入れて、図４に示すように、その先端部（管用テーパー雄ねじ部）を各冷却用貫通孔３２ａ〜３２ｄの管用テーパー雌ねじ部３２０に螺合する。
これにより、図１〜３に示すように、ハウジング３の各冷却用貫通孔３２ａ〜３２ｄの両端に、各継手部材７１ａ〜７１ｄ，７２ａ〜７２ｄが連結された状態となる。

そして、フランジ３１側の継手部材７１ａと継手部材７１ｄとを配管７３で連結する。フランジ３１側の継手部材７１ｂに冷却液導入用配管７４を接続する。フランジ３１側の継手部材７１ｃに冷却液排出用配管７５を接続する。ハウジング３のフランジ３１が形成されていない側では、継手部材７２ａと継手部材７２ｂとを配管７６で連結し、継手部材７２ｃと継手部材７２ｄとを配管７７で連結する。

この実施形態のボールねじにおいて、冷却液導入用配管７４から導入された冷却液は、継手部材７１ｂ→ハウジング３の冷却用貫通孔３２ｂ→継手部材７２ｂ→配管７６→継手部材７２ａ→ハウジング３の冷却用貫通孔３２ａ→継手部材７１ａ→配管７３→継手部材７１ｄ→ハウジング３の冷却用貫通孔３２ｄ→継手部材７２ｄ→配管７７→継手部材７２ｃ→ハウジング３の冷却用貫通孔３２ｃ→継手部材７１ｃ→冷却液排出用配管７５の順に流れる。この冷却液の流れによりハウジング３が冷却される。

したがって、この実施形態の軸受装置によれば、ハウジング３の円周方向で均一な冷却がなされるため、ハウジング３、転がり軸受２ａ，２ｂ、ねじ軸１の端部１１が周方向で均一に冷却されて、熱変形が抑制される。これに伴い、転がり軸受２ａ，２ｂが効率良く冷却されるため、転がり軸受２ａ，２ｂのボールの負荷分布異常や作動性の悪化を防ぐことができる。

なお、例えば特許文献２のように、ナットのみに冷却機構を備えたボールねじでは、ねじ軸の冷却がナットの移動範囲のみで行われ、ねじ軸の端部に対する冷却効果が期待できないため、本実施形態の軸受装置を併用することが有用である。

（第２実施形態）次に、ボールねじの軸受装置の第２実施形態について図面を参照して説明する。図６は、ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す正面図である。また、図７は、ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す右側面図である。また、図８は、ボールねじの軸受装置の第２実施形態における構成を示す左側面図である。また、図９は、ボールねじの第２実施形態における構成を示す軸方向に沿った断面図である。
図６〜９に示すように、本実施形態のボールねじの軸受装置１０１は、ボールねじのねじ軸１１０を回転可能に支持する複列の転がり軸受１２０と、転がり軸受１２０を収容するハウジング１３０とを備えている。

＜転がり軸受＞
図９示すように、転がり軸受１２０は、ねじ軸１１０の端部に嵌合してねじ軸１１０と一体に回転する二つの内輪１２１，１２１を有しており、これら内輪１２１，１２１の外周面１２１ａ，１２１ａには、複数の転動体１２２を介して内輪１２１を回転可能に支持する外輪１２３，１２３がそれぞれ設けられている。

転がり軸受１２０の内輪１２１は、ねじ軸１１０に形成された段部１１１とロックナット１４０とにより所定位置に位置決めされている。このロックナット１４０はねじ軸１１０の端部に螺嵌されており、ロックナット１４０と内輪１２１との間のねじ軸１１０の外周には、例えば皿バネ又はコイルバネあるいは縦弾性係数の金属等からなるカラー１５０が設けられている。

また、転がり軸受１２０の内輪１２１は、ロックナット１４０の締付け力により前述した段部１１１に押圧されており、この段部１１１と内輪１２１との間のねじ軸１１０の外周には、例えば皿バネ又はコイルバネあるいは縦弾性係数の金属等からなるカラー１５０が設けられている。
なお、転がり軸受１２０の内輪１２１はねじ軸１１０に形成された段部１１１とロックナット１４０とにより所定位置に位置決めされている。

＜ハウジング＞
ハウジング１３０は、例えば、円筒形状をなす。また、図９に示すように、ハウジング１３０の内周面１３０ａは、転がり軸受１２０の外周面（外輪１２３の外周面１２３ａ）に嵌合している。したがって、ハウジング１３０は、ねじ軸１１０を回転可能に支持することとなる。
また、図９に示すように、ハウジング１３０の外周面は、図示しないベアリングサポートの内周面と摺動可能に嵌合している。すなわち、ハウジング１３０を介してベアリングサポート（図示せず）が転がり軸受１２０を支持している。

＜押え蓋＞
転がり軸受１２０の外輪１２３は、ハウジング１３０の内周面１３０ａに形成された段部１３１及び第２の押え蓋１６２により所定位置に位置決めされている。この押え蓋１６１，１６２は、複数のボルト２００によりハウジング１３０の軸方向の端面１３０ｂ，１３０ｂに取り付けられている（図９参照）。

＜冷却用貫通孔＞
ハウジング１３０には、ハウジング１３０の両端部（両端面）を軸方向に貫通する冷却用貫通孔１７０が複数形成されている。これら冷却用貫通孔１７０は、ハウジング１３０の外周面に沿って、又は同一円周上に配置されることが好ましく、均等に配置されることがさらに好ましい。なお、これら冷却用貫通孔１７０は、冷却流体を通過させるために設けられるものである。冷却流体は、複数の冷却用貫通孔１７０のいずれかに連結された冷却管１９０によって供給又は排出される。冷却管１９０は、冷却媒体を供給し、かつ冷却媒体を回収して再び冷却機能を備えさせて再び供給させる冷却媒体循環装置（図示せず）に連結されている。

＜溝部＞
ハウジング１３０の端面１３０ｂ，１３０ｂには、冷却用貫通孔１７０の開口部を連通する溝部１８０が端面１３０ｂ，１３０ｂの外周に沿って形成されていることが好ましい。このように設けられた溝部１８０は、ガスケット１８５を介して、第１の押え蓋１６１又は第２の押え蓋１６２により密封されることで、冷却用貫通孔１７０に連通する流路Ｂ〜Ｄ（図７及び図８参照）が形成される。溝部１８０が形成される形態を採用することにより、ハウジング１３０に冷却用貫通孔１７０のみが形成された形態よりも冷却用貫通孔１７０に通過させる冷却媒体を供給するための部品点数を減少させ、結果としてコストの低減が図れる。

ここで、上述のように、流路は、溝部１８０と、第１の押え蓋１６１又は第２の押え蓋１６２とにより形成されるが、第１の押え蓋１６１及び第２の押え蓋１６２の溝部１８０に対向する面は平坦であることが好ましい。第１の押え蓋１６１及び第２の押え蓋１６２の溝部１８０に対向する面に、溝部１８０に対応する別の溝部を形成すると、フランジの組違いなどにより流路が好適に形成されない場合があり、加工コストも低減でき、製品管理も容易であるからである。

［冷却用貫通孔の設置位置］
複数形成される冷却用貫通孔１７０の設置位置としては、ハウジング１３０の周方向に沿って均等に配置することが好ましい。しかし、冷却用貫通孔１７０が２本である場合、すなわち、冷却用貫通孔１７０が均等配置（１８０°等配）では、冷却用貫通孔１７０から離れた部分では温度が高くなるため、温度勾配が発生し、転がり軸受１２０の外輪１２３の断面形状はラグビーボール状になる。これにより、転がり軸受１２０の外輪１２３の真円度（円筒度）が低下し、転がり軸受１２０への負荷が不均一となるため作動性などに影響が出やすくなってしまうので、好ましくない。

［冷却用貫通孔の本数］
また、冷却用貫通孔１７０の本数を増やすことで、転がり軸受１２０のより大きな冷却効果が得られると共に、転がり軸受１２０の外輪１２３の真円度（円筒度）が向上すると考えられるが、無闇に冷却用貫通孔１７０の本数を増やすべきではない。それは、冷却用貫通孔１７０の本数を増やすということは、ハウジング１３０の強度低下も意味し、結果として、ボールねじ軸の支持剛性を低下させることにつながってしまうためである。

加えて、冷却用貫通孔１７０の加工は縦長比が大きいため、加工に手間がかかりコストをアップさせてしまう。
そこで、本実施形態では、図６〜８に示すように、冷却用貫通孔１７０の本数を４本としているが、構造により冷却用貫通孔１７０を均等に４本設けることが難しい場合には３本でもよい。

［冷却媒体の循環経路］
このように冷却用貫通孔１７０が形成されたボールねじの軸受装置１０１においては、図６〜８に示すように、冷却管１９１から供給された冷却媒体が、「Ａ」部分で冷却管１９１に連結された冷却用貫通孔１７１に流入し、流路「Ｂ」を経て冷却用貫通孔１７２に流入し、流路「Ｃ」を経て冷却用貫通孔１７３に流入し、流路「Ｄ」を経て冷却用貫通孔１７４に流入し、「Ｅ」部分で連結された冷却管１９２から排出される。

このように、ボールねじの軸受装置１０１では、ハウジング１３０に複数の冷却用貫通孔１７０を設け、それら冷却用貫通孔１７０と、溝部１８０及び第１の押え蓋１６１あるいは第２の押え蓋１６２によって形成される流路に冷却流体を流すことで、発熱源である軸受の直近部を効率的に冷却することができる。その結果、転がり軸受１２０の発熱を抑制することができ、熱膨張によるボールねじとねじ軸１１０との間の伸びを減少させ、位置決め精度などを向上させることができる。

また、冷却用貫通孔１７０を均等に配置することで、温度分布が均一に近づき、不均一な熱変形を抑えることができるため、転がり軸受１２０の内部におけるボール（転動体１２２）の負荷分布異常や作動性の悪化を防ぐことができる。
ここで、本実施形態のボールねじの軸受装置１０１においては、冷却管１９０（１９１，１９２）がねじ軸１１０の端部１１２側（ねじ溝が形成されていない部分）に配置されてもよい。また、本実施形態のボールねじの軸受装置１０１においては、冷却管１９０（１９１，１９２）がフランジ１３２側に配置されてもよい。

冷却管１９０（１９１，１９２）がねじ軸１１０の端部１１２側に配置される、すなわち、冷却用貫通孔１７０がねじ軸１１０の端部１１２側に配置されることによって、ねじ軸１１０のねじ溝が形成された側に冷却用貫通孔１７０を配置した場合に比べて、ボールねじのナット（図示せず）の移動範囲に影響を与えないため、ボールねじのナット（図示せず）の移動範囲を大きくできる。

また、冷却管１９０（１９１，１９２）がフランジ１３２側に配置される、すなわち、冷却用貫通孔１７０がフランジ１３２側に配置されることによって、冷却管１９０（１９１，１９２）を組み付けたまま、ハウジング１３０を図示しないハウジング固定部材（例えば、ベアリングサポートなど）に組み付けることができる。具体的に、ハウジング１３０を上記ハウジング固定部材に組み付けるにあたっては、図９において、ハウジング１３０に対して、矢印の向きに上記ハウジング固定部材を組み付けることとなる。すなわち、ハウジング１３０におけるフランジ１３２が形成されていない側（第１の押え蓋１６１が設けられた側）に冷却管１９０（１９１，１９２）を配置すると、ハウジング１３０を上記ハウジング固定部材に組み付けた後に、冷却管１９０（１９１，１９２）を組み付ける必要がある。しかし、冷却管１９０（１９１，１９２）がフランジ１３２側に配置された態様では、ハウジング１３０を上記ハウジング固定部材に組み付ける際に、冷却管１９０（１９１，１９２）が干渉しない。したがって、冷却管１９０（１９１，１９２）がフランジ１３２側に配置されることによって、冷却管１９０（１９１，１９２）を組み付けたまま、ハウジング１３０を上記ハウジング固定部材に組み付けることができる。

以上、ボールねじの軸受装置の第２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。例えば、上述した実施形態ではボールねじのねじ軸を支持する軸受として複列転がり軸受を例示したが、これに限定されるものではなく、単列転がり軸受であってもよい。また、本実施形態のボールねじの軸受装置は、ナットを冷却するナット冷却装置と併用されることが好ましい。ボールねじの軸芯冷却では、ねじ軸内部に冷却経路が形成されるため軸受も冷却されるが、ナット冷却の場合にはナットが移動する部分しか冷却されず、軸受に対する冷却効果は期待できない場合に有効だからである。このため、ナット冷却では軸受の冷却も必要となる。

１ねじ軸
１１ねじ軸の端部
２ａ，２ｂ転がり軸受
２１ａ，２１ｂ外輪
２２ａ，２２ｂ内輪
３ハウジング
３１フランジ
３１ａ雌ねじ
３１ｂボルト挿入穴
３２ａ〜３２ｄ冷却用貫通孔
３２０管用テーパー雌ねじ部
４カラー
５ロックナット
６押え蓋
６１中心穴
６２ボルト穴
６３凹部
７１ａ〜７１ｄ継手部材
７２ａ〜７２ｄ継手部材
７３配管
７４冷却液導入用配管
７５冷却液排出用配管
７６配管
７７配管
８ボルト
１０１ボールねじの軸受装置
１１０ねじ軸
１１１段部
１２０転がり軸受
１２１内輪
１２２転動体
１２３外輪
１３０ハウジング
１３１段部
１３２フランジ
１４０ロックナット
１５０カラー
１６１，１６２押え蓋
１７０冷却用貫通孔
１８０溝部
１９０冷却管

Claims

ボールねじのねじ軸の端部に嵌合して前記ねじ軸と一体に回転する内輪と、
該内輪の外周面に配設された複数の転動体を介して前記内輪を回転可能に支持する外輪と、
前記外輪の外周面と当接する内周面を有して前記ねじ軸を回転可能に支持するハウジングとを備え、
前記ハウジングの両端部を貫通し、冷却媒体を通過させる冷却用貫通孔が前記ハウジングの軸方向に沿って複数形成されたことを特徴とするボールねじの軸受装置。
前記冷却用貫通孔が、継手部材を介して配管によりハウジングの外部で連結されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじの軸受装置。
前記冷却用貫通孔を連通する溝部が、前記ハウジングの端面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のボールねじの軸受装置。
前記冷却用貫通孔が、前記ハウジングの周方向に沿って均等に配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のボールねじの軸受装置。
前記冷却用貫通孔が３〜６本形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボールねじの軸受装置。
前記冷却用貫通孔が前記ねじ軸の端部側、又はフランジ側に配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボールねじの軸受装置。