特開 2024-118268 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】P2024118268

(43)【公開日】2024-08-30

(54)【発明の名称】ボールねじ

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/24 20060101AFI20240823BHJP

   F16H 25/22 20060101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

F16H25/24 K

F16H25/22 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024614

(22)【出願日】2023-02-20

(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】チハ リガ

【テーマコード（参考）】

3J062

【Ｆターム（参考）】

3J062AA21

3J062AA27

3J062AB22

3J062AC07

3J062BA16

3J062BA33

3J062CD06

3J062CD72

(57)【要約】

【課題】高速化に対応しつつ、発熱を効果的に抑制できるボールねじを提供する。
【解決手段】ボールねじは、外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、内周ねじ溝が形成されたナットと、対向する外周ねじ溝と内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、転動路の一端側から他端側へとボールを戻すための循環部品と、を有し、循環部品が、ナットより高い熱伝導率を持つ材料から構成され、且つ少なくとも１ピッチ以上でナットを取り巻いている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、
内周ねじ溝が形成されたナットと、
対向する前記外周ねじ溝と前記内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、
前記転動路の一端側から他端側へと前記ボールを戻すための循環部品と、
を有し、
前記循環部品が、前記ナットより高い熱伝導率を持つ材料から構成され、且つ少なくとも１ピッチ以上で前記ナットを取り巻いている、
ことを特徴とするボールねじ。

【請求項2】

前記循環部品は、らせん状に前記ナットを取り巻く本体管と、一端が前記本体管の端部に整合し他端が前記ナットの前記転動路に連通する開口に挿入される端部管と、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。

【請求項3】

前記本体管の断面形状は円形である、
ことを特徴とする請求項２に記載のボールねじ。

【請求項4】

前記本体管は、前記ナットに近接する側に延在方向に沿ってスリットを有する、
ことを特徴とする請求項２に記載のボールねじ。

【請求項5】

前記本体管は、前記ナットから離間する側に延在方向に沿ってくぼみを有しており、前記本体管内を通過する前記ボールは、前記くぼみと線接触する、
ことを特徴とする請求項２に記載のボールねじ。

【請求項6】

前記本体管の軸線方向断面において、前記くぼみの曲率半径は前記ボールの外周の曲率変形に略等しい、
ことを特徴とする請求項５に記載のボールねじ。

【請求項7】

前記本体管は、前記ナットから離間している、
ことを特徴とする請求項２～請求項６のいずれか一項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、螺旋溝を外周面に有する略円柱状のねじ軸と、ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有する略筒状のナットと、両螺旋溝により形成される螺旋状の負荷圏転動路内に転動自在に装填された複数のボールと、ボールを負荷圏転動路の一端から他端へと戻す循環部品と、を備えている。

【0003】

ナットに対してねじ軸を相対的に回転させると、ねじ軸とナットとの間に介在するボールが負荷圏転動路に沿って転がり運動する。負荷圏転動路の一端まで転がったボールは循環部品に進入し、戻し路を経由した後、負荷圏転動路の他端に戻る。これを繰り返すことで、負荷を受けるボールが摩擦によって発熱し、ボールねじの温度が上昇する。

【0004】

特に、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の温度が上昇して高温になると、ねじ軸やナットに熱変形が生じて、負荷圏転動路の断面形状が変化し、それによりボールの負荷分布異常や作動性の悪化が生じて、精密送り機構としての位置決め精度等に影響を及ぼす恐れがある。このため、ボールねじの温度を抑える工夫が必要とされている。

【0005】

これに対し、特許文献１によれば、ナット内に軸方向と径方向に冷却穴をあけ、その中に外部装置から冷却媒体を循環させてボールねじを冷却し、発熱を抑えることが提案されている。

【0006】

また、特許文献２によれば、ナット本体外部に冷却ファンを装着し、空冷または外部から冷却ファンに冷却媒体を供給し、ナット部の発熱を抑えることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０００－２４８７６号公報

【特許文献2】特許第２５４１１６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ナットに冷却媒体を循環させるため軸方向に細長い穴を穿設する必要があり、その加工の手間がかかる。特に、軸方向寸法が長いナットほど、この冷却用穴を長くする必要があり、それに応じて加工コストが増加する。また、外部の冷却液を供給するためのシステムと配管等を構築する必要もあり、それによりボールねじを使用する装置全体の高コスト化を招き、また構築の手間も掛かる。

【0009】

また、特許文献２に記載の技術では、ナットとその循環部品以外に、冷却ファン、冷却筒体、スリット、ジャケットなど多数の付属部品が必要であり、ボールねじに必要な部品点数が増え、組立手間やコストが増えることが想定される。さらには、外部から冷却筒体に冷却媒体を流す供給システムも必要となり、ボールねじを使用する装置全体の高コスト化は避けられない。

【0010】

加えて、特許文献１及び特許文献２の技術では、ナット本体を冷却することによりボールねじの冷却効果が得られるとされているが、ボールねじの発熱源であるボールを直接的に冷却していないため、発熱抑制の効果は限定的である。

【0011】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、高速化に対応しつつ、発熱を効果的に抑制できるボールねじを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明のボールねじは、
外周ねじ溝が形成されたねじ軸と、
内周ねじ溝が形成されたナットと、
対向する前記外周ねじ溝と前記内周ねじ溝とにより形成される転動路内に収容される複数のボールと、
前記転動路の一端側から他端側へと前記ボールを戻すための循環部品と、を有し、
前記循環部品が、前記ナットより高い熱伝導率を持つ材料から構成され、且つ少なくとも１ピッチ以上で前記ナットを取り巻いている、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、高速化に対応しつつ、発熱を効果的に抑制できるボールねじを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の実施形態にかかるボールねじの上面図である。

【図2】図２は、本実施形態のボールねじをフランジとは反対側の端部から軸線方向に見た図である。

【図3】図３は、本実施形態のボールねじの斜視図である。

【図4】図４は、本実施形態のボールねじを分解して示す図である。

【図5】図５は、本実施形態のリターンチューブ単体の分解斜視図である。

【図6】図６は、リターンチューブの止め具周辺を拡大して示す斜視図である。

【図7】図７は、第１の変形例にかかるリターンチューブの本体管を示す斜視図である。

【図8】図８は、第１の変形例にかかる本体管の延在方向直交断面である。

【図9】図９は、第２の変形例にかかるリターンチューブの本体管の延在方向直交断面である。

【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を参照して説明する。本実施形態のボールねじは、特に、電動式射出成形機の駆動装置、電動式プレス機の駆動装置、工作機械等に好適に用いられる。

【0016】

図１は、本発明の実施形態にかかるボールねじの上面図である。図２は、本実施形態のボールねじをフランジとは反対側の端部から軸線方向に見た図である。図３は、本実施形態のボールねじの斜視図である。図４は、本実施形態のボールを分解して示す図である。図５は、リターンチューブ単体の分解斜視図である。図６は、リターンチューブの止め具周辺を拡大して示す斜視図である。

【0017】

ボールねじは、外周ねじ溝１１が外周に形成されたねじ軸１０と、内周ねじ溝３５（図４）が内周に形成されたナット３０と、対向する外周ねじ溝１１と内周ねじ溝３５とにより形成される転動路内に収容される複数のボール（不図示）と、ボールを転動路の一端から他端へと戻す循環部品であるリターンチューブ４０と、を備えている。

【0018】

ナット３０のフランジ３１を除く外周面には、軸線に平行な平面部３２が形成されている。平面部３２には、４つ（図４では２つのみ図示）のねじ穴３２ａが形成されている。また、ナット３０は、ねじ穴３２ａの近傍においてリターンチューブ４０の両端部が挿入される第１開口３３と第２開口３４とを有する。第１開口３３は、ナット３０とねじ軸１０との間の転動路の一端に連通し、第２開口３４は転動路の他端に連通する。

【0019】

リターンチューブ４０は、断面がボール径よりわずかに大きな円形状を有し、リターンチューブ４０内を転動する際にボールがリターンチューブ４０から負荷を受けないようになっている。リターンチューブ４０は、本体管４１と、本体管４１の一端に接続された第１端部管４２と、本体管４１の他端に接続された第２端部管４３と、からなる。

【0020】

本体管４１と、第１端部管４２と、第２端部管４３は、断面形状が互いに同一の円形状であって、ナット３０よりも熱伝導率の高い材質で構成され、例えば銅、アルミニウム、真鍮、ＳＰＣＣ等の好ましくは共通する金属素材から形成されている。これにより、発熱したボールがリターンチューブ４０内を通過する時に、リターンチューブ４０を介して外部へ放熱しやすくしている。また、リターンチューブ４０の内壁面に摩擦を低減できる固体潤滑コーティング処理、テフロン（登録商標）コーティング等の処理を実施し、ボール通過時の摩擦発熱を最小限にすることが望ましい。

【0021】

第１端部管４２と第２端部管４３は、それぞれ転動路側へ略９０度に滑らかに曲がっており、その先端にタング部４２ａとタング部４３ａを突出して有する（図５参照）。タング部４２ａとタング部４３ａは、転動路からリターンチューブ４０へボールを掬い上げ、またリターンチューブ４０から転動路へとボールを戻す機能を有する。

【0022】

本体管４１は、少なくとも１ピッチ以上のらせん形状を有し、本実施形態ではナット３０から離間した状態で、ナット３０を二巻きして取り巻いている。ここで、１ピッチとは、内周ねじ溝３５の１ピッチに相当する長さをいう。

【0023】

本体管４１の両端に、本体止め具５１が取り付けられる。図６に示すように、本体止め具５１は、矩形板状の基部５１ａと、基部５１ａに連設された半環状の下部５１ｂと、下部５１ｂとは別部品である半環状の上部５１ｃと、からなる。基部５１ａの通し穴に挿通したボルトＢＴを、ナット３０の平面部３２のねじ穴３２ａに螺合させることによって、本体止め具５１はナット３０に固定される。また、下部５１ｂに本体管４１の端部を載置し、下部５１ｂに対向して上方から上部５１ｃを被せ、本体管４１の両側において下部５１ｂと上部５１ｃとを小ねじＢＳを用いて締結することにより、本体管４１は本体止め具５１により把持される。

【0024】

第１端部管４２と第２端部管４３において、タング部４２ａとタング部４３ａとは反対側の端部に、端部止め具５２がそれぞれ取り付けられる。図６に示すように、端部止め具５２は、矩形板状の基部５２ａと、基部５２ａに連設された半環状の下部５２ｂと、下部５２ｂとは別部品である半環状の上部５２ｃと、からなる。

【0025】

基部５２ａの通し穴に挿通したボルトＢＴを、ナット３０の平面部３２のねじ穴３２ａに螺合させることによって、端部止め具５２はナット３０に固定される。第１端部管４２のタング部４２ａを備えた端部を第１開口３３に挿入しつつ、下部５２ｂに第１端部管４２の端部を載置し、下部５２ｂに対向して上方から上部５２ｃを被せ、第１端部管４２の両側において下部５１ｂと上部５１ｃとを小ねじＢＳを用いて締結することにより、第１端部管４２は端部止め具５２により把持される。

【0026】

同様に、第２端部管４３のタング部４３ａを備えた端部を第２開口３４に挿入しつつ、下部５２ｂに第２端部管４３の端部を載置し、下部５２ｂに対向して上方から上部５２ｃを被せ、第２端部管４３の両側において下部５１ｂと上部５１ｃとを小ねじＢＳを用いて締結することにより、第２端部管４３は端部止め具５２により把持される。

【0027】

リターンチューブ４０の組付順序を説明する。まず、第１端部管４２をフランジ３１側の第１開口３３に挿入し、端部止め具５２により第１端部管４２をナット３０に固定する。その後、らせん状の本体管４１をフランジ３１とは反対側の端部からナット３０の外周に挿入する。さらに、一方の本体止め具５１により、ナット３０の外周に挿入した本体管４１をナット３０に固定すると、本体管４１の一端と第１端部管４２の端部とが端面中心を整合させた状態で設置される。なお、ボールねじへのボールの装填については、従来のコマ式ボールねじと同様な態様（例えば、特許第４２２２２６３号公報に記載の組立方法）で行うことができる。

【0028】

また、他方の本体止め具５１により、本体管４１の他端をナット３０に固定する。その後、第２端部管４３をフランジ３１から離れた側の第２開口３４に挿入し、端部止め具５２により第２端部管４３をナット３０に固定することで、本体管４１の他端と第２端部管４３の端部とが端面中心を整合させた状態で設置される。これにより、第１端部管４２と本体管４１との間、また本体管４１と第２端部管４３との間で、ボールがスムーズに転動できるようになる。なお、本体管４１の端部と、第１端部管４２及び第２端部管４３の端部のうち一方に凹部を設け、他方に凸部を設けて、該凸部と該凹部とを係合させることで、これらの端部を整合させてリターンチューブ４０を形成してもよい。

【0029】

ナット３０とねじ軸の間の転動路、及びリターンチューブ４０で構成されるボール循環回路中のボール充填率は９０％以上が望ましい。また、リターンチューブ４０においてボール転動中に生じる千鳥現象を抑制するために、リターンチューブ４０の内径はボール直径を超え、ボール直径の０．５ｍｍ以内であることが望ましい。

【0030】

（ボールねじの動作）
ナット３０に対してねじ軸１０を相対的に回転させると、ねじ軸１０とナット３０との間に介在するボールが負荷を受けつつ転動路に沿って転がり運動する。転動路の一端まで転がったボールは、リターンチューブ４０に入って負荷を受けることなく転動し、転動路の他端に戻る。

【0031】

本実施の形態によれば、リターンチューブ４０がナット３０よりも熱伝導率の高い材質で構成されるとともに、リターンチューブ４０をらせん状に構成し、少なくとも１ピッチ（３６０度）以上の長さでナット３０の外周を取り巻くように配置することによって、負荷圏である転動路内で発熱したボールが、非負荷圏であるリターンチューブ４０内を通過するときにリターンチューブ４０を介して外部に放熱するため、それによりボールを直接的に冷却することができる。冷却されたボールが転動路内に戻されると、ボールによって負荷圏にあるねじ軸１０のねじ溝１１やナット３０のねじ溝が冷却され、転動路の断面形状の変形等が抑制されるため、高精度なボールねじの動作が確保される。

【0032】

また、通常の長さのリターンチューブを用いた場合に比べると、リターンチューブが長く、ボールの数が増大するため、各ボールが転動路からリターンチューブ４０側に出た後、再度転動路に戻されるまでの時間が長い（非負荷圏いる時間が長い）、即ち、各ボールあたりの負荷を受ける（転動路に転動する）時間と負荷圏に入る回数が減る。これにより、ボールの摩耗度や疲労度が減少し耐久性を向上させることができる。本実施形態によれば、外部の冷却システムに頼らない、且つ部品点数を抑えるとともに組立が簡易で、長
寿命化且つ温度上昇を抑制できる冷却機能に優れるボールねじを提供することができる。

【0033】

（第１の変形例）
図７は、第１の変形例にかかるリターンチューブの本体管を示す斜視図である。図８は、第１の変形例の本体管の延在方向直交断面であり、ボールとともに示している。本体管４１Ａ以外の構成については、上述した実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

【0034】

本体管４１Ａは、図に示すように完全な筒状ではなく、ナット３０（図３）の外周に近い側に延在方向全長にわたって等幅のスリット４１Ａａを有しており、すなわち本体管４１Ａの延在方向に直交する断面が一様なＣ字状である。このため、ボール２０が通過する本体管４１Ａの内部は、スリット４１Ａａを通して外部と通気可能に連通する状態となる。スリット４１Ａａの幅はボール２０の外径よりも狭いため、スリット４１Ａａからボール２０が脱落することはない。本体管４１Ａは、上述した実施形態と同様に、第１端部管４２及び第２端部管４３と接続されてナット３０に固定される。

【0035】

本変形例によれば、本体管４１Ａの内部がスリット４１Ａａを通して外部と通気可能に連通しているため、スリット４１Ａａを介して内部の熱が外部へと放出されやすく、それにより冷却効果をさらに高めることができる。本体管４１Ａを通過するボール２０は、遠心力によりスリット４１Ａａから離間する側に付勢されるため、たとえばスリット４１Ａａのエッジ等により表面が傷つくことが抑制される。

【0036】

（第２の変形例）
図９は、第２の変形例にかかるリターンチューブの本体管の延在方向直交断面である。本体管４１Ｂ以外の構成については、上述した実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

【0037】

本体管４１Ｂは、その内周が図に示すように完全な円形断面ではなく、ナット３０（図３）の外周から離間する側に、くぼみ４１Ｂａを延在方向全長にわたって有している。具体的には、本体管４１Ｂの延在方向に直交する断面（図９）において、くぼみ４１Ｂａ以外の本体管４１Ｂの内周曲率半径がＡであるのに対し、くぼみ４１Ｂａの内周曲率半径は、ボール２０の半径とほぼ同じＢ（＜Ａ）である。くぼみ４１Ｂａ以外の本体管４１Ｂの内周と、くぼみ４１Ｂａとは滑らかに接続されていると好ましい。本体管４１Ｂも、上述した実施形態と同様に、第１端部管４２及び第２端部管４３と接続されてナット３０に固定される。なお、図９の延在方向直交断面において、くぼみ４１Ｂａは１８０度未満の角度範囲θ（くぼみ４１Ｂａ以外の本体管４１Ｂの中心を基準とする）にわたって形成されると好ましい。

【0038】

本変形例によれば、本体管４１Ｂを通過するボール２０が、遠心力によりくぼみ４１Ｂａに向かって付勢され、くぼみ４１Ｂａに沿って転動する。くぼみ４１Ｂａの曲率変形Ｂがボール２０の半径とほぼ同じであるから、転動するボール２０はくぼみ４１Ｂａに対して、点接触ではなく線接触することとなる。それにより接触領域が増大することから、ボール２０から本体管４１Ｂへの放熱量が増大し、冷却効果をさらに高めることができる。

【0039】

本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

【符号の説明】

【0040】

１０ ねじ軸
２０ ボール
３０ ナット
４０ リターンチューブ
４１，４１Ａ，４１Ｂ 本体管
４２ 第１端部管
４３ 第２端部管
５１ 本体止め具
５２ 端部止め具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】