特開 2023-144720 ボールねじ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023144720

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】ボールねじ

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/22 20060101AFI20231003BHJP

【ＦＩ】

F16H25/22 L

F16H25/22 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022051839

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】川田 直樹

【テーマコード（参考）】

3J062

【Ｆターム（参考）】

3J062AA21

3J062AA38

3J062AB22

3J062BA11

3J062BA16

3J062BA35

3J062CD04

3J062CD06

3J062CD07

3J062CD08

3J062CD60

3J062CD62

(57)【要約】

【課題】余計な設備を設けずに、予圧をリアルタイムに変更することのできるボールねじを提供する。
【解決手段】複数の転動体は、第１の寸法を有する複数の第１転動体と、第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する複数の第２転動体と、を少なくとも含む。ボールねじに外部荷重が掛かる、ねじ軸およびナットが第１の相対位置にあるときには、複数の第２転動体が、転動路の全長に渡って配置される。ボールねじに外部荷重が掛からない、ねじ軸およびナットが第２の相対位置にあるときには、複数の第１転動体の少なくとも一つが、転動路に配置される、
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の転動体と、
外周面にらせん状のねじ軸側溝を有するねじ軸と、
前記ねじ軸の周囲に配置され、内周面にらせん状のナット側溝を有するナットと、
対向する前記ねじ軸側溝及び前記ナット側溝により形成され、前記複数の転動体が配置される転動路と、
前記複数の転動体が配置されるとともに、前記転動路に接続され、前記ねじ軸および前記ナットの相対的な移動に伴い、前記転動路から送出された前記複数の転動体が移動して前記転動路に戻るための循環路と、
を備えるボールねじであって、
前記複数の転動体は、第１の寸法を有する複数の第１転動体と、前記第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する複数の第２転動体と、を少なくとも含み、
前記ボールねじに外部荷重が掛かる、前記ねじ軸および前記ナットが第１の相対位置にあるときには、前記複数の第２転動体が、前記転動路の全長に渡って配置され、
前記ボールねじに外部荷重が掛からない、前記ねじ軸および前記ナットが第２の相対位置にあるときには、前記複数の第１転動体の少なくとも一つが、前記転動路に配置される、
ボールねじ。

【請求項2】

前記ねじ軸および前記ナットが前記第２の相対位置にあるときには、前記複数の第１転動体が、前記転動路の全長に渡って配置される、
請求項１に記載のボールねじ。

【請求項3】

前記ねじ軸および前記ナットが前記第２の相対位置にあるときには、前記第１転動体および前記第２転動体が、前記転動路において、交互に配置される、
請求項１に記載のボールねじ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボールねじに関する。

【背景技術】

【0002】

ボールねじは、工作機械やロボットなど、精密な位置決めを必要とする装置に利用される。ボールねじにおいて高精度の位置決めを行う場合は、一般的に、ボールねじの軸方向のすきまを零とし、さらに軸方向荷重に対する弾性変位量を小さくし、剛性を上げるために、ボールねじに予圧を付与する。このような予圧方法としては、たとえば間座予圧方式など、種々の方式が存在する。

【0003】

既存のボールねじの設計においては、想定される外部荷重に応じて予圧荷重を設定している。しかしながら、ボールねじに外部荷重が掛かる時間が短い装置においては、外部荷重を受けない（予圧荷重が仕事をしない）時間が長くなるため、無駄なトルク（摩擦損失）が発生している時間も長くなる。加えて、ハイサイクルの装置においては、予圧荷重によるボールねじの発熱が無視できないものとなる。

【0004】

特許文献１および２は、予圧の制御方法について開示している。

【0005】

特許文献１は、ねじ軸に螺合する第１のナット及び第２のナットを有し、第１のナットと第２のナットの相対回転をキー手段により阻止すると共に該ナットの間に間座を介挿し、該間座の軸方向の厚みを可変制御することにより予圧調整を行うようにしたボールねじ装置を開示している。間座は、第１のナットに面した面と第２のナットに面した面とに互い違いに圧電シートを張りつけて両ナットで強く挟持したとき、当該間座に弾性変形を生じさせるように構成される。

【0006】

特許文献２は、ねじ軸と、このねじ軸に複数の転動体を介して螺合する複数のナットと、隣接するナット間に配置された予圧付与機構と、を備えるボールねじの予圧回復装置を開示する。予圧付与機構は、隣接するナット間の接合部に配置される円筒内面を有する筒部を形成した間座と、隣接するナットの少なくとも一方に形成した間座の円筒部を収納する小径円筒部を有する間座収納部と、を含む。間座及び間座収納部の接触面にねじ部を形成し、隣接するナット間の予圧低下時に、間座及び間座収納部間の雌ねじ部及び雄ねじ部の螺合位置を調整して、隣接するナット間の予圧を回復させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１７－００９０５４号公報

【特許文献2】特開平０２－２２１７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１の技術は、ボールねじをダブルナット型とし、その間座部に調整機構を設けて予圧を調整するというものである。しかしながら、この方法では、予圧調整用の付帯設備を設けていないので、サイクル中に予圧をリアルタイムに変更することはできない。

【0009】

特許文献２の技術においては、サイクル中に予圧をリアルタイムに変更することはできるが、別途、予圧調整用の付帯設備が必要となり、装置のサイズ、コストが増大する。

【0010】

上述した既存のボールねじは、予圧荷重によるボールねじの発熱対策についても、冷却装置などの付帯設備によって冷却しているが、装置のサイズ、コストが増大する。

【0011】

本発明は、余計な設備を設けずに、予圧をリアルタイムに変更することのできるボールねじを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 複数の転動体と、
外周面にらせん状のねじ軸側溝を有するねじ軸と、
前記ねじ軸の周囲に配置され、内周面にらせん状のナット側溝を有するナットと、
対向する前記ねじ軸側溝及び前記ナット側溝により形成され、前記複数の転動体が配置される転動路と、
前記複数の転動体が配置されるとともに、前記転動路に接続され、前記ねじ軸および前記ナットの相対的な移動に伴い、前記転動路から送出された前記複数の転動体が移動して前記転動路に戻るための循環路と、
を備えるボールねじであって、
前記複数の転動体は、第１の寸法を有する複数の第１転動体と、前記第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する複数の第２転動体と、を少なくとも含み、
前記ボールねじに外部荷重が掛かる、前記ねじ軸および前記ナットが第１の相対位置にあるときには、前記複数の第２転動体が、前記転動路の全長に渡って配置され、
前記ボールねじに外部荷重が掛からない、前記ねじ軸および前記ナットが第２の相対位置にあるときには、前記複数の第１転動体の少なくとも一つが、前記転動路に配置される、
ボールねじ。
（２） 前記ねじ軸および前記ナットが前記第２の相対位置にあるときには、前記複数の第１転動体が、前記転動路の全長に渡って配置される、
（１）に記載のボールねじ。
（３） 前記ねじ軸および前記ナットが前記第２の相対位置にあるときには、前記第１転動体および前記第２転動体が、前記転動路において、交互に配置される、
（１）に記載のボールねじ。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、余計な設備を設けずに、予圧をリアルタイムに変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係るボールねじの側面図であり、外部荷重が掛かっていない状態を示す。

【図2】図２は、第１実施形態に係るボールねじの側面図であり、外部荷重が掛かっている状態を示す。

【図3】図３は、第２実施形態に係るボールねじの側面図である。

【図4】図４は、第３実施形態に係るボールねじの側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係るボールねじの実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係るボールねじ１００の側面図であり、図１は外部荷重が発生していない状態、図２は外部荷重が発生している状態を示す。

【0016】

ボールねじ１００は、工作機械やロボットなど、精密な位置決めを必要とする装置に利用される。ボールねじ１００は、図示せぬ架台などの上に設置される。ボールねじ１００は、ねじ軸１０と、ねじ軸１０の周囲に配置されたナット２０と、複数の転動体３０と、を備えている。ねじ軸１０は、モータなどの動力源に接続され回転し、ねじ軸１０に複数の転動体３０を介して螺合するナット２０が直線に沿って往復運動をする。すなわち、ボールねじ１００は、回転運動を直線運動に変換する。ナット２０には、スライダ、テーブルなどの部材を含む装置が接続される。

【0017】

転動体３０は、たとえば鋼球のような球体であり、転動路４０および転動路４０に接続された循環路５０に配置される。転動路４０は、互いに対向する、ねじ軸１０の外周面に形成されたらせん状のねじ軸側溝４２と、ナット２０の内周面に形成されたらせん状のナット側溝４１と、により形成される。循環路５０はチューブ状の経路であり、転動路４０と協働して、転動体３０が移動可能なループ状の経路を形成する。転動路４０と循環路５０との間は、ナット２０に設けられた接続路２１によって接続される。転動路４０から送出された複数の転動体３０は、循環路５０を移動して、接続路２１を介して転動路４０に戻る。

【0018】

ボールねじ１００の駆動に伴い、ねじ軸１０およびナット２０が相対的に移動する。この移動に伴い、転動体３０は、転動路４０および循環路５０を移動する。具体的には、転動路４０から送出された複数の転動体３０が、循環路５０を移動した後、転動路４０に戻る。転動路４０における転動体３０の転がりにより、ねじ軸１０とナット２０の接触抵抗が減少する。なお、循環路５０を構成する循環部品は不図示であるが、リターンチューブ、リターンプレート、こま、エンドキャップ、エンドデフレクタ等、用途に応じて適用すればよい。
また、図１では、便宜上、循環部品の一端部と他端部を同一位相に示している。

【0019】

ボールねじ１００においては、動作時に軸方向に外部荷重（軸方向荷重）が発生する。このため、ボールねじの設計においては、搬送物重量、最高速度などの要素から想定される外部荷重に応じて予圧を設定する。

【0020】

ボールねじ１００への外部荷重は、所定のタイミング、正確には、図２に示すように、ねじ軸１０とナット２０が、軸方向において所定の第１の相対位置（所定のストローク）にあるときに発生、変動する。たとえば、ねじ軸１０とナット２０が、図１に示すような第２の相対位置にあるとき、ボールねじ１００への外部荷重は発生しない。従来の方法においては、このような外部荷重の変動を検知する検知装置が、別途、ボールねじに設けられ、検知した外部荷重に応じて、ボールねじが、予圧を変動させている。たとえば、図１の場合は与圧が付与されないが、図２の場合は与圧が付与される。しかしながら、このような外部装置は、ボールねじを含む装置全体の大型化を招くとともに、コストの増加をも招くことになる。

【0021】

本実施形態のボールねじ１００においては、このような特別な検知装置を設けることはしない。その代わり、本実施形態のボールねじ１００は、複数の転動体３０に工夫を凝らしている。

【0022】

すなわち、本実施形態において、複数の転動体３０は、第１の寸法を有する複数の第１転動体３１と、第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する複数の第２転動体３２と、を少なくとも含む。転動体３０が球体の場合は、寸法は転動体３０の直径によって決定される。さらに、第１転動体３１および第２転動体３２の配置が、外部荷重の有無によって決定される。

【0023】

図１は、ボールねじ１００に外部荷重が掛かっておらず、ねじ軸１０とナット２０とが第２の相対位置にある状態を示す。この状態においては、複数の第１転動体３１の少なくとも一つが、転動路４０に配置される。

【0024】

なお、図１に示すように、転動路４０の全長に渡って第１転動体３１が配置されることがより好ましい。この場合、全ての第２転動体３２が循環路５０に配置される。

【0025】

一方、図２は、ボールねじ１００に外部荷重が掛かる、ねじ軸１０とナット２０とが第１の相対位置にある状態を示す。この状態においては、図２に示すように、転動路４０の全長に渡って第２転動体３２が配置され、全ての第１転動体３１が循環路５０に配置される。

【0026】

すなわち、第２転動体３２は、ボールねじ１００に外部荷重が掛かっている場合、必ず転動路４０に配置される。寸法の大きな第２転動体３２が転動路４０に配置されることにより、転動路４０に付与された外部荷重に応じて、効果的に予圧の付与を行うことができる。特に、複数の第２転動体３２が、転動路４０の全長に渡って配置されているので、より確実に予圧の付与を行うことができる。

【0027】

また、第１転動体３１は、ボールねじ１００に外部荷重が掛かっていない場合、必ず転動路４０に配置される。寸法の小さな第１転動体３１が転動路４０に配置されることにより、外部荷重が付与されていない転動路４０に対し、予圧の付与を抑制することができる。これにより、摩擦損失によるトルクと発熱の発生を抑止し、装置の効率性を向上させることができる。特に、複数の第１転動体３１が、転動路４０の全長に渡って配置される場合は、より効果的に予圧の付与を抑制することができる。

【0028】

図３は、第２の実施形態に係るボールねじ１００の側面図である。本実施形態においては、ボールねじ１００に外部荷重が掛かっておらず、ねじ軸１０とナット２０とが第２の相対位置にあるとき、第１転動体３１および第２転動体３２が、転動路４０において、交互に配置され、並んでいる。このような第１転動体３１および第２転動体３２の配列によっても、予圧の付与を抑制し、摩擦損失によるトルクと発熱の発生を抑止することができる。

【0029】

総括すると、実施形態のボールねじ１００は、予圧調整のための特別な設備を設けずに、装置の稼働中において、予圧をリアルタイムに変更することが可能である。このことは、大きさの異なる第１転動体３１および第２転動体３２が、循環する転動路４０および循環路５０に適切に配列されることにより達成される。すなわち、ボールねじ１００に外部荷重が掛かるねじ軸１０とナット２０との第１の相対位置においては、ボールねじ１００に予圧が付与されるように、第１転動体３１および第２転動体３２が、転動路４０および循環路５０の所定位置に配置される。また、ボールねじ１００に外部荷重が掛からないねじ軸１０とナット２０との第２の相対位置においては、予圧を抑制またはなくすように、第１転動体３１および第２転動体３２が、転動路４０および循環路５０の所定位置に配置される。

【0030】

これにより、ストローク位置に応じて、適切な予圧を確保するとともに、予圧の付与を抑制し、摩擦損失によるトルクと発熱の発生を抑止することができる。第１転動体３１および第２転動体３２の配列は、ボールねじ１００のストローク長、転動路４０および循環路５０の長さ、運転条件などの要素に応じて、適宜設計することができる。たとえば、ストローク位置の一の特定箇所でしか外部荷重が発生しない場合は、第２転動体３２の数を少なくしてもよいし、循環路５０の長さを長くしてもよい。

【0031】

図４は、第３実施形態に係るボールねじ１００の側面図である。本実施形態においては、アダプタ６０が、ナット２０の端部に取り付けられている。アダプタ６０は、ナット２０と同様に、ねじ軸１０に対し相対的に移動可能であるとともに、循環路５０を延長可能な延長路６１を備えている。

【0032】

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

【符号の説明】

【0033】

１０ ねじ軸
２０ ナット
２１ 接続路
３０ 転動体
３１ 第１転動体
３２ 第２転動体
４０ 転動路
４１ ナット側溝
４２ ねじ軸側溝
５０ 循環路
６０ アダプタ
６１ 延長路
１００ ボールねじ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】