特開 2024-64566 ボールねじおよびボールねじ装置

(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】P2024064566

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】ボールねじおよびボールねじ装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/22 20060101AFI20240507BHJP

   F16H 25/24 20060101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

F16H25/22 C

F16H25/24 B

F16H25/24 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022173252

(22)【出願日】2022-10-28

(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】100183357

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義美

(72)【発明者】

【氏名】石川 明彦

【テーマコード（参考）】

3J062

【Ｆターム（参考）】

3J062AA21

3J062AA25

3J062AA28

3J062AB22

3J062AC07

3J062BA33

3J062CD05

3J062CD22

3J062CD54

3J062CD73

(57)【要約】

【課題】ボールねじ複雑な構造を待たずナット内の温度差を極力小さく抑えるボールねじを提供する。
【解決手段】本発明のボールねじ１は、ボールねじ軸２と、ボールねじ軸上を移動するナット３と、ナット内部に形成されるボール転動路とボール循環させるボール循環路３ａ～３ｄと、ナット３にナットフランジ４と、を備え、ナットフランジの端面４１からナットフランジ４に最も近いボール循環路３ａの位置までの距離ができるだけ離間されるように配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

螺旋状のねじ溝を外周面に有するボールねじ軸と、
前記ボールねじ軸上に複数のボールを介して支持されており、前記ボールねじ軸の一方向及び他方向の回転に伴い前記ボールねじ軸上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナットと、
前記ナット内部に形成され、前記ボールねじ軸と前記ナットとの両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路と、
前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、
前記ナットには、ナットフランジと、
を備えたボールねじであって、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離ができるだけ離間されるように配置されていることを特徴するボールねじ。

【請求項2】

前記ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、その代替に前記ナットの軸方向全体長さを延長してナットフランジに最も遠いボール循環路に追加配置され、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離が離間されていることを特徴する請求項１に記載のボールねじ。

【請求項3】

前記ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、その代替に前記ナットの軸方向全体長さが同じのまま、ナットフランジに次に近いボール循環路の位置の近傍まで、ナットフランジに最も近いボール循環路の位置が配置変更され、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離が離間されていることを特徴する請求項１に記載のボールねじ。

【請求項4】

請求項１～３いずれかのボールねじを有し、前記ボールねじ軸を回転自在に支持する軸受部と、前記ボールねじ軸を回転させる駆動部と、を備えたことを特徴とするボールねじ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械、射出性成形機、半導体製造装置などで用いられるボールねじおよびボールねじ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ボールねじが射出成形機等の高負荷条件下で使用されるようになってきている。このような条件下でのボールねじにおいて、大荷重を受けながら作動する際に生ずる熱により温度上昇すると、フランジと接触する駆動部分の体積が大きいことから、フランジ接触部からの熱伝達において、ナット内部に発生するナット内温度差が生じやすい。そのナット内温度差により、内部荷重分布が変化して、寿命に悪影響を与えることがあった。

【0003】

そこで、ナット内部に発生するナット内温度を一定温度に保つための対処が検討されている。例えば、特許文献１のボールねじ用ナット構造の発明は、ナット内に軸方向の貫通穴をあけて、その貫通穴に小型扇風機により強制的に送風する構成で、これによりナット内の温度上昇を減少させ温度分布の均一化を図ることができるとする。また、同様にナットに貫通穴をあけて、その貫通穴に冷却媒体を流すことによりナット内の温度を冷却することも考えられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実用新案登録第３１７７１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のように、ナットに貫通穴をあけて強制的に風を通しナット内の温度を一定温度に保とうとするボールねじの構造は複雑すぎるという課題があった。
本発明はこのような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、ボールねじに複雑な構造を待たずにナット内の温度差を極力小さく抑え、ボールねじの劣化を抑えることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述したこの発明の目的を達成するために、第１の発明は、螺旋状のねじ溝を外周面に有するボールねじ軸と、
前記ボールねじ軸上に複数のボールを介して支持されており、前記ボールねじ軸の一方向及び他方向の回転に伴い前記ボールねじ軸上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナットと、
前記ナット内部に形成され、前記ボールねじ軸と前記ナットとの両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路と、
前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、
前記ナットには、ナットフランジと、
を備え、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離ができるだけ離間されるように配置されているボールねじであることを特徴する。
第２の発明は、第１の発明において、前記ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、その代替に前記ナットの軸方向全体長さを延長してナットフランジに最も遠いボール循環路に追加配置され、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離が離間されていることを特徴する。
第３の発明は、第１の発明において、前記ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、その代替に前記ナットの軸方向全体長さが同じのまま、ナットフランジに次に近いボール循環路の位置の近傍まで、ナットフランジに最も近いボール循環路の位置が配置変更され、
前記ナットフランジの端面から前記ナットフランジに最も近い前記ボール循環路の位置までの距離が離間されていることを特徴する。
第４の発明は、第１～３いずれかのボールねじを有し、前記ボールねじ軸を回転自在に支持する軸受部と、前記ボールねじ軸を回転させる駆動部と、を備えたボールねじ装置であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ボールねじに複雑な構造を待たずナット内の温度差を極力小さく抑えるボールねじおよびボールねじ装置を実現するができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】（ａ）は、本発明の実施形態１と対比するための従前のボールねじおよびボールねじ装置の概略断面図で、（ｂ）は本発明の実施形態１のボールねじおよびボールねじ装置の概略断面図である。

【図2】本発明の実施形態２と対比するための従前のボールねじおよびボールねじ装置の概略断面図で、（ｂ）は本発明の実施形態２のボールねじおよびボールねじ装置の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［実施形態１］
本発明の実施形態１である図１（ｂ）を説明する前に図１（ａ）による従前のボールねじ２０およびボールねじ装置について説明する。図１（ａ）に示すように、螺旋状のねじ溝（図示せず）を外周面に有するボールねじ軸２１と、ボールねじ軸２１を回転自在に支持する軸受部４０と、ボールねじ軸２１を回転させる駆動部５０と、ボールねじ軸２１上に複数のボール（図示せず）を介して支持されており、ボールねじ軸２１の一方向及び他方向の回転に伴いボールねじ軸２１上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナット２２と、ナット２２内部に形成され、ボールねじ軸２１とナット２２との両ねじ溝（図示せず）により形成される螺旋状のボール転動路（図示せず）と、ボールをボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路（回路ともいう。）２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、ナット２２には、駆動部５０側と接触されるナットフランジ２３と、を備えて、大型射出成形機向けの高負荷駆動用として用いられる。なお、

【0010】

ボールねじ２０は、ボールねじ軸２１と、複数のボールと、ナット２２と、を備えており、ボールねじ装置は更に、ボールねじ軸２１を回転自在に支持する軸受４０と、ボールねじ軸２１を回転させる駆動部５０と、を備えている。ボールねじ軸２１は、駆動部５０の出力軸に対し直接又は公知の回転力伝達手段を介して間接的に連結されている。本実施の形態においては、駆動部５０は電動モータなどであり軸受部４０が図示されていない機台に固定される。
また、ナット２２の一方の駆動部５０側端部にはナットフランジ２３が形成され、このナットフランジ２３と駆動部５０とが接触するようになっている。

【0011】

図１（ａ）には詳細に図示していないが、ボールねじ軸２１の外周面には螺旋溝が設けられ、ナット２２の内周面にも、螺旋溝と同様のリードで螺旋溝（図示せず）が設けられている。そして、ボールねじ軸２１の螺旋溝及びナット２２の螺旋溝により複数のボール（図示せず）が転動する転動路（図示せず）が形成されている。

【0012】

ナット２２は、貫通孔が形成された筒形状（例えば、円筒形状）をなし、この貫通孔にボールねじ軸２１が貫通するように設置されている。
このナット２２内には、ボールを転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが構成される。これらの各ボール循環路の両端は、ナット２２を貫通して転動路に至り、転動路内を転動するボールがボール循環路を通って循環する。また、ナット２２の軸方向の駆動部５０側端部には、駆動部５０側と接触され、径方向に突出したナットフランジ２３が形成されている。
また、図１（ａ）において、このナット２２の軸方向には、ナットフランジ２３側から軸受部４０に向かってナット２２内のボール循環路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの回路位置が分かるように矢印符号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が等間隔で示され、ナットフランジ２３側（図では右側）からＦ１位置の２２ａ、Ｆ２位置の２２ｂ、Ｆ３位置の２２ｃ、Ｆ４位置の２２ｄの４列のボール循環路が示されている。
なお、図１（ａ）においては、Ｆ４位置までのボール循環路までが例示されているが、その個数はこの限りではない。

【0013】

また、ナットフランジ２３と駆動部５０側と接触位置Ｌ０からナットフランジ２３に最も近いボール循環路２２ａの位置までの長さ（距離）のＬ２１が示されている。ナット２２のナットフランジ２３を含む軸方向全体長さ（距離）のＬ２２が示されている。

【0014】

上述した如く構成されているボールねじ２０およびボールねじ装置においては、高負荷を受けることにより、ナットフランジ２３と接触する駆動部５０部分は通常大きな重量物となるため、ナット２２内のＦ１位置とＦ４位置においては温度差が生じてしまいリード精度が変わり内部荷重のボール循環路の回路位置毎に変わり寿命に影響を及ぼす問題がある。

【0015】

そこで、このような問題を解消する本発明は、ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、そのボール循環路の配置を無くした代替にナットの軸方向全体長さを延長してナットフランジに最も遠いボール循環路に追加配置され、ナットフランジと駆動部との接触位置からナットフランジに最も近いボール循環路の位置までの距離が離間されることに特徴があり、以下、図に基づいて説明する。

【0016】

先ず、本実施形態１について、図１（ｂ）を用いて説明する。基本となる構成は図１（ａ）と同じで、螺旋状のねじ溝（図示せず）を外周面に有するボールねじ軸２と、ボールねじ軸２を回転自在に支持する軸受部４０と、ボールねじ軸２を回転させる駆動部５０と、ボールねじ軸２上に複数のボール（図示せず）を介して支持されており、ボールねじ軸２の一方向及び他方向の回転に伴いボールねじ軸２上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナット３と、ナット３内部に形成され、ボールねじ軸２とナット３との両ねじ溝（図示せず）により形成される螺旋状のボール転動路（図示せず）と、ボールをボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）と、ナット３には、駆動部５０側と接触されるナットフランジ４と、を備えている。

【0017】

上述した如く構成されているボールねじ１およびボールねじ装置において、ナット３内の温度差が生じる悪影響を小さくするために、図１（ａ）とは異なり、ナットフランジ４と駆動部５０との接触位置であるナットフランジの端面４１の位置Ｌ０からナットフランジ４に最も近いボール循環路３ａの位置までの軸方向の長さ（距離）Ｌ１ができるだけ離間されるように配置されている。

【0018】

すなわち、図１（ｂ）に示すように、ナットフランジの端面４１の位置Ｌ０からの距離をできるだけ離す構造とさせるため、Ｆ１位置のボール循環路２２ａ（図１（ａ）参照）をなくし、位置Ｌ０から一番遠い部分のＦ５位置にボール循環路３ｄを新たに設けて、Ｆ２位置とＦ５位置における温度差を縮小させる構造としている。

【0019】

この構造を達成するために、ナットフランジの端面４１の位置Ｌ０からの長さ（距離）Ｌ２２（図１（ａ）参照）と対比して、ボール循環路の計４列の個数を変えずに長さ（距離）Ｌ２のようにナット３を長目に延長して形成している。これにより、ナットに貫通穴を開けて風或いは流体を通すという複雑な構造を持つことなく、ナット内温度差を小さくする機能を持たせボールねじの劣化を抑える効果が得ることができる。また、製造するのに複雑さを要しないので製造コスト面においても合理的である。また、ナットフランジの端面４１の位置Ｌ０からナットフランジ４に最も近いボール循環路３ａの位置までの軸方向の長さ（距離）Ｌ１ができるだけ離間されるように配置する為には、ナット３においてナットフランジの端面とは反対側の端面３５から一番近いボール循環路３ｄまでの長さＬ１２よりも、ナットフランジのボール循環路に一番近い面４２からナット循環路３ａまでの長さＬ１１を長くすること（つまりＬ１２＜Ｌ１１であること）が好ましい。

【0020】

［実施形態２］
本実施形態２の発明は、実施形態１とは問題解決手段が異なり、ナットフランジに最も近いボール循環路の配置を無くし、そのボール循環路の配置を無くした代替にナットの軸方向全体長さが同じのまま、ナットフランジに次に近いボール循環路の位置の近傍まで、ナットフランジに最も近いボール循環路の位置が配置変更されたものである。つまり、ナットフランジの端面位置からナットフランジに最も近いボール循環路の位置までの距離が離間されることに特徴がある。以下、図に基づいて説明する。

【0021】

図２（ａ）による従前のボールねじ３０またはボールねじ装置は、螺旋状のねじ溝（図示せず）を外周面に有するボールねじ軸３１と、ボールねじ軸３１を回転自在に支持する軸受部４０と、ボールねじ軸３１を回転させる駆動部５０と、ボールねじ軸３１上に複数のボール（図示せず）を介して支持されており、ボールねじ軸３１の一方向及び他方向の回転に伴いボールねじ軸３１上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナット３２と、ナット３２内部に形成され、ボールねじ軸３１とナット３２との両ねじ溝（図示せず）により形成される螺旋状のボール転動路（図示せず）と、ボールをボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路３２ａ、３２ｂ、３２ｃと、ナット３２には、駆動部５０側と接触されるナットフランジ３３と、を備えて、大型射出成形機向けの高負荷駆動用として用いられる。

【0022】

なお、図２（ａ）によるボールねじ３０およびボールねじ装置の構成と図１（ａ）とボールねじ３０およびボールねじ装置の構成において共通する要素の詳細な説明は、記載内容が重複するので、ここでの説明は省略し、相違箇所を中心に説明する。

【0023】

ナット３２内には、ボールを転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路（回路ともいう。）３２ａ、３２ｂ、３２ｃが構成される。これらの各ボール循環路の両端は、ナット３２を貫通して転動路に至り、転動路内を転動するボールがボール循環路を通って循環する。また、ナット３２の軸方向の駆動部５０側端部（図１の右側）には、駆動部５０側と接触され、径方向に突出したナットフランジ３３が形成されている。

【0024】

また、図２（ａ）において、このナット３２の軸方向には、ナットフランジ３３側から軸受部４０に向かってナット３２内のボール循環路３２ａ、３２ｂ、３２ｃの回路位置が分かるように矢印符号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が等間隔で示され、ナットフランジ３３側（図では右側）からＦ１位置の３２ａ、Ｆ３位置の３２ｂ、Ｆ５位置の３２ｃの３列のボール循環路が示されている（Ｆ２位置とＦ４位置にはボール循環路の回路構成がない）。
なお、図２（ａ）においては、Ｆ１からＦ５位置の回路構成が例示されているが、その回路構成にこれに限定されない。

【0025】

また、ナットフランジ３３と駆動部５０側との接触位置Ｌ０からナットフランジ３３に最も近いボール循環路３２ａの位置までの長さ（距離）Ｌ１３が示されている。ナット３２のナットフランジ３３を含む軸方向全体長さ（距離）のＬ１４が示されている。

【0026】

上述した如く構成されているボールねじ３０またはボールねじ装置においては、高負荷を受けることにより、ナットフランジ３３と接触する駆動部５０部分は通常大きな重量物となるため、ナット３２内のＦ１位置とＦ５位置においては温度差が生じてしまいリード精度が変わり内部荷重の回路位置毎に変わり寿命に影響を及ぼす問題がある。

【0027】

そこで、このような問題を解消する本発明の実施形態２について、図２（ｂ）を用いて説明する。基本となる構成は図２（ａ）と同じで、螺旋状のねじ溝（図示せず）を外周面に有するボールねじ軸１２と、ボールねじ軸１２を回転自在に支持する軸受部４０と、ボールねじ軸１２を回転させる駆動部５０と、ボールねじ軸１２上に複数のボール（図示せず）を介して支持されており、ボールねじ軸１２の一方向及び他方向の回転に伴いボールねじ軸１２上を軸方向に沿い一方向及び他方向に移動するナット１３と、ナット１３内部に形成され、ボールねじ軸１２とナット１３との両ねじ溝（図示せず）により形成される螺旋状のボール転動路（図示せず）と、ボールをボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、ナット１３には、駆動部５０側と接触されるナットフランジ１４と、を備えている。

【0028】

上述した如く構成されているボールねじ装置１において、ナット１３内の温度差が生じる悪影響を小さくするために、図２（ａ）とは異なり、ナットフランジ１４と駆動部５０との接触位置であるナットフランジの端面１４１の位置Ｌ０からナットフランジ１４に最も近いボール循環路１３ａの位置までの長さ（距離）Ｌ３ができるだけ離間されるように配置されている。

【0029】

すなわち、図２（ｂ）に示すように、ナットフランジの端面１４１の位置Ｌ０からの距離をできるだけ離す構造とさせるため、ナットフランジ１４に最も近いＦ１位置のボール循環路３２ａ（図２（ａ）参照）の配置を無くし、代替にナット１３の軸方向全体長さが同じのまま、ナットフランジ１４に次に近いボール循環路１３ｂの位置の近傍まで、ナットフランジに最も近いＦ２位置にボール循環路１３ａの位置が配置変更されている。
このように配置変更して、Ｆ２位置とＦ５位置における温度差を縮小させる構造としている。また、ナットフランジの端面１４１の位置Ｌ０からナットフランジ１４に最も近いボール循環路１３ａの位置までの軸方向の長さ（距離）Ｌ３ができるだけ離間されるように配置する為には、ナット１３においてナットフランジの端面とは反対側の端面１３１から一番近いボール循環路１３ｃまでの長さＬ３２よりも、ナットフラン
ジのボール循環路に一番近い面１４２からナット循環路１３ａまでの長さＬ３１を長くすること（つまりＬ３２＜Ｌ３１であること）が好ましい。

【0030】

なお、実施形態１では、長さ（距離）Ｌ２２（図１（ａ）参照）から長さ（距離）Ｌ２（図１（ｂ）参照）のようにナット３を長目に延長し形成しているが、実施形態２では、ナット１３の長さ（距離）Ｌ４は、長さ（距離）Ｌ１４（図２（ａ）参照）と同じ長さにある。このように、ナット長を変えないまま、ナットフランジ１４とナットフランジ１４に近いボール循環路までの距離をできるだけ離した回路構成にすることにより、ナット３に貫通穴を開けて風或いは流体を通すという複雑な構造を持つことなく、ナット３内温度差を小さくする機能を持たせボールねじの劣化を抑える効果が得ることができる。また、製造するのに複雑さを要しないので製造コスト面においても合理的である。

【0031】

［評価試験］
以下に、具体的な数値を挙げて、本発明の実施形態２で実際に稼働させたときの温度を確認した評価試験を表１に示す。本評価試験におけるボールねじの仕様と駆動条件は、次のとおりである。
（１）ボールねじの仕様：
・軸径 １００ｍｍ
・リード ２０ｍｍ
・有効巻数 ３．５巻き×３列
・Ｆ１位置とＦ２位置の距離 ８０ｍｍ
（２）駆動条件：
・速度９００ｍｉｎ^―１
・ストローク ２００ｍｍ
・往復運転。

【0032】

［表１］

【0033】

評価試験結果は、上記の条件で、軸方向に負荷荷重として２３０ＫＮを与えた場合、ボール循環路３２ａのＦ１位置では１０１．２℃でありＦ５位置では１０５．２℃であり、その温度差は４．０℃であった。次に、ボール循環路１３ａをＦ１位置からＦ２位置に配置変更して、軸方向に負荷荷重として２００ＫＮを与えた場合、Ｆ２位置で９９．５℃であり、Ｆ５位置では１００．９℃であり、その温度差は１．４℃であった。すなわち、ボール循環路１３ａをＦ１位置からＦ２位置に配置変更することにより温度差は、４．０℃から１．４℃と低くなった。

【0034】

この結果から分かるように、本願の課題であった大荷重を受けながら作動する際に生ずる熱によりボールねじ装置が温度上昇すると、フランジと接触する駆動部分の体積が大きいことから、フランジ接触部からの熱伝達において、ナット内部に発生するナット内温度差が生じそのナット内温度差によって内部荷重分布が変化して寿命に悪影響を与えるところ、本発明によれば、ナット長を変えないまま、ナットフランジとナットフランジに近いボール循環路までの距離をできるだけ離したボール循環路の回路構成にすることでナット内温度差を小さくできる効果が立証された。

【0035】

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が実施可能である。

【符号の説明】

【0036】

１、１０、２０、３０ ボールねじ
２、１２、２１、３１ ボールねじ軸
３、１３、２２、３２ ナット
４、１４、２３、３３ ナットフランジ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 循環路（回路）
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 循環路（回路）
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 循環路（回路）
３２ａ、３２ｂ、３０ｃ 循環路（回路）
４０ 軸受部
５０ 駆動部

【図1】

【図2】