(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、そのねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、そのボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と、その螺旋状通路内を循環する多数のボールと、その多数のボールの戻り路とを備えると共に、上記ねじ軸は、入力された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受けるボールねじ装置において、
上記ボールナットは、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から遠位にある軸方向端部側に、上記ボールナットを取り付ける取付け部材からの軸方向荷重を受ける軸方向荷重作用部を設け、かつ上記ボールナットの縦断面積と上記ねじ軸の縦断面積とを略等しくしたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、そのねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、そのボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と、その螺旋状通路内を循環する多数のボールと、その多数のボールの戻り路とを備えると共に、上記ねじ軸は、入力された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受けるボールねじ装置において、
外部荷重に対し上記螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向を同一方向に設定すると共に、上記ボールナットを取り付ける取付け部材からの軸方向荷重を受ける当該ボールナットの軸方向荷重作用部の軸方向位置を、上記螺旋状通路内のボールが当該軸方向荷重作用部の軸方向両側にそれぞれ存在する位置としたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項３】
上記ボールナットにおける軸方向荷重作用部を挟んだ軸方向両側の各縦断面積について、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から近位にある側の縦断面積に比べて、遠位にある側の縦断面積を大きくしたことを特徴とする請求項２に記載したボールねじ装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載したボールねじ装置を使用したことを特徴とする電動射出成形機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動を直線運動に変換、又は直線運動を回転運動に変換するボールねじ装置、及びそのボールねじ装置を組み込んだ電動射出成形機に係り、特に高負荷用途に使用されるボールねじの耐久性向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじ装置におけるねじ軸とボールナットとは、ボールねじ溝を循環する複数のボールを介して連結し、ねじ軸をボールナットに対して、小さい駆動力で相対的に螺旋運動させることで、回転運動を直線運動に変換する。
そして、一般のボールねじ装置においては、ボールねじ溝内の各ボールには全て均等に荷重が掛かると仮定して、ボールねじ軸のボールねじ溝、及びボールナットのボールねじ溝が、それぞれ同一リード且つ同一有効径となるように加工されている。
【０００３】
しかし、ボールナットを取り付ける取付け部材からボールナットに大きな軸方向荷重が加わったときには、ボールナット自身が軸方向に弾性変形することによりボールナット内のボールへの荷重分布が軸方向に沿って変化して、一部のボールねじ溝部分に位置するボールに大きな荷重が負荷される。このことは、ボールねじ装置の寿命を短くすることに繋がり、また、この大きな荷重が掛かる部分に合わせて安全設計を行う必要がある。
【０００４】
すなわち、従来の対応策としては、ボールナットの弾性変形を小さく抑えるためにボールナット外径寸法を大きくしてその断面積を稼いだり、弾性係数の大きい材料を使用する。または、ボールの径を大きくしたりボールの数を増加することが考えられる。しかし、これらの対策は、ボールナット等の寸法が大きくなりボールねじ装置全体が大型化したり、製造コストの増大や重量の増大を招く。
【０００５】
このボールねじ装置全体が大型化することを回避しながら、ボールねじ装置の寿命を向上させる技術としては、特開平６−３００１０７号公報や特開平６−３００１０８号公報に開示されているものがある。これらは、ボールナットの弾性変形を考慮してボールねじ溝の有効径やリードを軸方向に沿って違えるように加工することで、ボールねじ溝の全てのねじ溝部のボールで均一に荷重を支持するようにするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平６−３００１０８号公報等に記載の技術を採用するにしても、軸方向のボールねじ溝の径等を違えるように加工する必要があり、加工が難しくなるなど、コストアップを伴うという問題がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、簡易な構成によって、ボールナット内における各ボールの荷重分布を軸方向で均一化してボールねじ装置の寿命向上を図ることができるボールねじ装置及びそのボールねじ装置を組み込んだ電動射出成形機を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のように、従来にあっては、ボールナットに大きな軸方向荷重が加わったとき、ボールナット自身が軸方向に弾性変形することによるボールナット内のボールへの荷重分布が軸方向に変化することは考慮されているものの、ねじ軸の弾性変形による影響に対する考慮が不足している。
【０００８】
本発明は、このようなことに鑑み、大きな軸方向荷重に対するボールナット側の弾性変形と共にねじ軸の弾性変形による影響も考慮して、上述のように使用するボール径の拡大や軸方向に沿ったねじ溝の補正等の手設を採用しなくても（コストアップを伴うことなく）、ボールナットに作用する軸方向荷重の作用部位置を特定することによって、ボールナット内の軸方向に沿ったボール荷重分布の均一化を図る発明である。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、そのねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、そのボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と、その螺旋状通路内を循環する多数のボールと、その多数のボールの戻り路とを備えると共に、上記ねじ軸は、入力された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受けるボールねじ装置において、
上記ボールナットは、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から遠位にある軸方向端部側に、上記ボールナットを取り付ける取付け部材からの軸方向荷重を受ける軸方向荷重作用部を設け、かつ上記ボールナットの縦断面積と上記ねじ軸の縦断面積とを略等しくしたことを特徴とするボールねじ装置を提供するものである。
【００１０】
ここで、上記ねじ軸における、上記入力された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受ける部分とは、例えば、ねじ軸を片持ち支持した場合における当該支持部位置である。
また、上記ボールナットにおける軸方向荷重作用部は、通常は、当該ボールナットに連結する取付け部材を取り付ける取付け部位置である。
【００１１】
本発明は、ねじ軸が片持ち支持となっているなど、ねじ軸が、ボールナットから伝達された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受ける構成となっている場合には、ボールナットの取付け部材から当該ボールナットに大きな軸方向荷重が作用すると、上記ねじ軸の弾性変形による上記荷重分布への影響もボールナットと同じようにあるばかりでなく、むしろボールナットよりもねじ軸方向に垂直な縦断面積（以下、単に縦断面積と記す）が小さいねじ軸の弾性変形による軸方向の荷重分布への影響が大きいという知見によってなされたものである。
【００１２】
そして、ボールナットにあっては、軸方向荷重の作用部がボールへの負荷が一番大きく、当該作用部から離れるにつれてボールへの負荷が小さくなり、また、ねじ軸側にあっては、軸方向荷重を受ける側のボールへの負荷が一番大きく、その受ける側から離れるにつれてボールへの負荷が小さくなることに鑑み、ボールナットとねじ軸の各軸方向荷重作用位置をそれぞれ軸方向で反対側になるように配置することで、ボールナットの弾性変形による影響とねじ軸の弾性変形による影響とが相殺して釣合う傾向になる。この結果、軸方向に沿ったボールの荷重分布が均一化する。
【００１３】
このとき、ボールナットの縦断面積を、相対的にねじ軸の縦断面積に近づけることで、つまりボールナットの縦断面積とねじ軸の縦断面積とを等しく若しくは略等しくすることで、ボールナットの弾性変形とねじ軸の弾性変形とが、各軸方向荷重作用点からそれぞれみてより対称的となることで、さらに、上記ボールナットの弾性変形による影響とねじ軸の弾性変形による影響とがさらに相殺されて、弾性変形による荷重分布の均一化が促進される。この結果、よりコンパクトなボールナットで高負荷に耐えるボールねじ装置を構成できる。
【００１４】
次に、請求項２に記載したボールねじ装置は、外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、そのねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、そのボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と、その螺旋状通路内を循環する多数のボールと、その多数のボールの戻り路とを備えると共に、上記ねじ軸は、入力された軸方向荷重を主として軸方向一端部側で受けるボールねじ装置において、
外部荷重に対し上記螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向を同一方向に設定すると共に、上記ボールナットを取り付ける取付け部材からの軸方向荷重を受ける当該ボールナットの軸方向荷重作用部の軸方向位置を、上記螺旋状通路内のボールが当該軸方向荷重作用部の軸方向両側にそれぞれ存在する位置としたことを特徴とするものである。
【００１５】
なお、上記軸方向荷重作用部の軸方向位置は、ボールナットの軸方向中央部又はその近傍が好ましい。
軸方向に負荷分布が生じる最大の原因は、ボールナット及びねじ軸の各部材そのものの軸方向の弾性変形が原因である。 部材変形の大きさは、軸方向荷重作用部からもっとも遠い螺旋状通路内のボール位置までの長さで決まり、その長さが長ければ長いほど部材変形は大きくなる。
【００１６】
従って、軸方向荷重作用部がボールナットの軸方向端部に位置すると、部材変形を決める長さは、ほぼボールナット全長に相当して、その分部材変形による影響が大きくなる。もっともこの場合でも、上記請求項１の発明を採用することで、つまり軸とナットの変形が相反する方向とすることで、結果的に軸方向に沿ったボールの荷重分布が均一化される。
【００１７】
これに対して、本請求項２に係る発明では、軸方向荷重作用部を例えばボールナットの中央部に設定すれば、軸方向荷重作用部からもっとも遠い螺旋状通路内のボールまでの距離は約半分となり、軸方向に沿ったボールの負荷分布については、ボールナツトの軸方向長さが半分になったのとほぼ同等の効果が得られ、それにより、軸方向に弾性変形量も小さくなり軸方向の負荷分布を向上させることが期待出来る。
【００１８】
つまり、請求項２に係る発明によれば、軸方向荷重作用部を境に、当該軸方向荷重作用部の位置よりも、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部に近い側（近位にある部分）にあっては、請求項１と同様の作用によって、軸方向に沿ったボールの負荷分布が均一化すると同時に、軸方向荷重作用部からもっとも遠い螺旋状通路内のボールまでの距離が請求項１の場合に比べて短くなる分だけ弾性変形量が小さくなって更に軸方向に沿ったボールの負荷分布が均一化する。
【００１９】
また、上記軸方向荷重作用部の位置よりも、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から遠い側（遠位にある部分）にあっては、形式的には上記従来例と同様な構成となるものの、軸方向荷重作用部からもっとも遠い螺旋状通路内のボールまでの距離が短くなる分だけ弾性変形量が小さく抑えられると同時に、軸方向荷重作用部に作用した軸方向荷重は、上記軸方向荷重作用部を境とした近位にある部分と遠位にある部分とで分担される分、当該遠位にある部分に負荷される軸方向荷重が小さいために、当該遠位にある部分においても、軸方向に沿ったボールの負荷分布が均一化する。
【００２０】
なお、上記請求項１の作用で説明したように、近位にある側のボールナット部分の縦断面積は、ねじ軸の縦断面積と等しく若しくは略等しくすることが好ましい。
ここで、「外部荷重に対し上記螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向を同一方向に設定する」としているのは、次の理由による。
【００２１】
すなわち、上記螺旋状通路内のボールにおける、軸方向荷重作用部を挟ん軸方向両側にそれぞれ存在する２組のボール群の外部荷重に対する主負荷方向が互いに反対方向に設定されている場合には（図１１及び図１２参照）、軸方向荷重の向きによって軸方向荷重が、軸方向荷重作用部を挟んだ軸方向両側のうちの一方のボール群でのみ主に負担することとなり、軸方向荷重作用部を挟んだ軸方向両側の２組のボール群で負担する軸方向荷重に対する分担が大幅に不均衡となるので、軸方向全域でのボールの負荷分布の均一化が困難となるためである。
【００２２】
これに対し、外部荷重に対し上記螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向を同一方向に設定することで、軸方向荷重に対して螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向が同一方向となり、つまり軸方向荷重作用部を挟んだ軸方向両側の２組のボール群で負担する軸方向荷重に対する分担の割合が略等しくなるなど大幅に不均衡となることが防止され、上記作用が有効に発揮される。
【００２３】
なお、外部荷重に対し上記螺旋状通路内の全ボールの主負荷方向を同一方向に設定するためには、例えば、軸方向荷重作用部の軸方向両側に亘って予圧方向を同一方向となるように設定したり、予圧を付与しない状態に設定すればよい（図１３及び図１４参照）。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した構成に対し、上記ボールナットにおける軸方向荷重作用部を挟んだ軸方向両側の各断面積について、上記ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から近位にある側の縦断面積に比べて、遠位にある側の縦断面積を大きくしたことを特徴とするものである。
【００２４】
本発明によれば、ボールナットにおける軸方向荷重作用部を挾んだ両側の縦断面積を変えて、軸方向に沿ったボールへの荷重の全体のバランスを取ることで、さらに軸方向に沿ったボールの負荷分布の均一化を向上させることが可能となる。
すなわち、上記請求項２に係る構成を採用すると、例えば軸方向に沿ったボールナットの縦断面積が均一であれば、軸方向荷重作用部を境に、ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部近い側（近位にある部分）よりも、遠位にある部分でのボールへの荷重が全体的に小さい（例えば図８参照）。これに対して、請求項３に係る発明のように、遠位にある側のボールナット部分の縦断面積を近位にあるボールナットの縦断面積よりも大きく設定することで、当該遠位にある部分の弾性変形量が小さく抑えられて、当該遠位にある部分でのボールへの荷重が全体として増加すると共に近位にある部分でのボールへの荷重が全体として軽減して、さらに軸方向に沿ったボールの負荷分布の均一化を図ることができる。
【００２５】
次に請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載したボールねじ装置を使用したことを特徴とする電動射出成形機を提供するものである。
上述のようなボールねじ装置は、通常、油圧シリンダー駆動である射出成形機やパンチングプレス、各種ジャッキなどを電動モータ駆動とした際における、モータの回転力を軸方向推力に変換して極めて大きな荷重を受けるような箇所への適用に好適なものである。
【００２６】
特に、電動モータ駆動とした射出成形機への使用に好適であり、本発明のように上記請求項１〜請求項３のいずれかのボールねじ装置を使用することで、ボールねじ装置を大型化・重量化することなく寿命・耐久性が向上し、射出成形機の寿命向上に繋がる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明に基づくボールねじ装置の基本構成は、一般のボールねじ装置と同様であり、図１及び図２に示すように、外面にボールねじ溝１ｄを有するねじ軸１と、該ねじ軸１のボールねじ溝１ｄに対向するボールねじ溝２ｄを内面に有する少なくとも１つのボールナット２とから構成され、上記ボールナット２のボールねじ溝２ｄと上記ねじ軸１のボールねじ溝１ｄとにより形成された螺旋状通路内を多数のボール９が転がりながら循環可能となっていると共に、螺旋状通路の軸方向一端部まで移動したボールを軸方向他端部まで戻す戻り路２ｅを備える。
【００２８】
上記ねじ軸１は、片持ち支持構造となっていて、軸方向一端部１ａ側が、サポートユニット３に回転自在に支持されている。このサポートユニット３によるボールねじの支持軸受は、例えばスラストアンギュラ玉軸受からなる。また、サポートユニット３は固定部材４に固定される。
また、上記ねじ軸１の軸方向一端にはプーリ５が取り付けられ、そのプーリ５を回転することでねじ軸１は回転しボールナット２が直線移動するように構成されている。なお、ねじ軸１の軸方向他端部１ｂにはストッパ６が取り付けられ、当該軸方向他端部１ｂからボールナット２が抜けることを防止している。
【００２９】
また、ボールナット２には、上記サポートユニット３から遠位にある軸方向端部側にフランジ部７ａが設けられ、そのフランジ部７ａが取付け部材８を取り付ける取付け部７を構成する。そして、当該取付け部７に対しスライドさせる取付け部材８がボルト止めされる。この取付け部７が軸方向荷重作用部を構成する。上記構成のボールねじ装置にあっては、図３（ａ）に示すように、取付け部材８からボールナット２の取付け部７に軸方向荷重Ｆ１が作用すると、ボールナット２からねじ軸１に軸方向荷重が伝達され、固定側である軸方向一端部１ａに反力として反対向きの軸方向荷重Ｆ２が発生する。
【００３０】
このとき、従来のようにねじ軸１を剛体と仮定し、ボールナット２の弾性変形を考慮すると、軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図３（ｂ）に表されるように、取付け部７の位置で一番荷重が大きくなり、他端部（サポートユニット３側）に向けて徐々に小さくなる。
一方、ボールナット２を剛体と仮定し、ねじ軸１の弾性変形を考慮すると、軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図３（ｃ）に表されるように、サポートユニット３側（ねじ軸１における軸方向一端部１ａ側）で一番荷重が大きくなり、他端部（ボールナット２の取付け部７）に向けて徐々に小さくなる。
【００３１】
実際には、ボールナット２もねじ軸１も軸方向に弾性変形するので、両者１，２の弾性変位を考慮すると、図３（ｄ）に示すようなボールの荷重分布となる。すなわち、本実施形態では、サポートユニット３から遠位にある位置にボールナット２の取付け部７を設けて、ボールナット２の荷重作用位置とねじ軸１の荷重作用側とを反対側になるように配置したので、軸方向に沿った荷重分布は両端が相対的に大きく中央部が相対的に小さい分布となるものの、最大値と最小値との差が小さくなる。つまり、ボールへの負荷が均一化される。
【００３２】
ここで、本発明とは異ならせて、図４（ａ）に示すように、サポートユニット３から近位の位置にボールナット２の取付け部７を設けて、ボールナット２の荷重作用位置と軸の荷重作用側を同じ側にした場合には、ねじ軸１を剛体と仮定し且つボールナット２の弾性変形を考慮すると、ボールの荷重分布は、図４（ｂ）に表されるように、取付け部７で一番荷重が大きくなり、他端部（ねじ軸の軸方向他端部１ｂ側）に向けて徐々に小さくなる。また、ボールナット２を剛体と仮定し且つねじ軸１の弾性変形を考慮すると、ボールの荷重分布は、図４（ｃ）に表されるように、サポートユニット３側（ねじ軸１における軸方向一端部１ａ側）で一番荷重が大きくなり、他端部（ねじ軸の軸方向他端部１ｂ側）に向けて徐々に小さくなる。したがって、両者１，２の弾性変形を考慮すると、図４（ｄ）に示されるように、玉荷重の最大値と最小値との差が極めて大きくなる。
【００３３】
基本的にはねじ軸１及びボールナット２とも剛体であればこのような問題は生じないが、現実的に限られたスペースの中で大きな軸方向荷重を受ければ必然的にねじ軸１及びボールナット２とも軸方向に弾性変形を生じ、その結果、上述のように玉荷重の軸方向分布が発生することになる。そして、当然に耐久的には玉荷重が一番大きい部分が最もつらい部分となり、その部分から損傷が始まるものと推定される。
【００３４】
高負荷用途では大きな荷重を受けられるように、つまり、ボールねじは個々のボールの負荷を軽減するために螺旋状通路の巻数や列数を多くして負荷ボールを増やす設計を行う傾向にあるが、それによりボールナット２の長さが長くなることでボールナット２やねじ軸１の弾性変形の影響はさらに無視できなくなる傾向となる。これに対して、本発明に基づく、ボールねじ装置にあっては、サポートユニット３との関係でボールナット２の取付け部７の位置を特定するだけ、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形による悪影響が大幅に低減されて、ボールねじ装置の耐久性・寿命の向上に繋がる。
【００３５】
すなわち、本発明は、高負荷用途のボールナット装置になるほど効果が発揮される有効な技術である。
ここで、上記実施形態の構成において、ねじ軸１の縦断面積とボールナット２の縦断面積を等しくした場合の作用について説明すると、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ボールへの負荷は、軸方向両端部側が同程度大きくなることで左右バランスがとれて、ボールに対する最大荷重を抑えることができる。一方、例えば、従来と同様に、ねじ軸１の縦断面積よりもボールナット２の縦断面積を大きくした場合には、左右差が生じて、ねじ軸１の荷重作用側（取付け部７と反対側つまりサポートユニット側）でボールへの最大荷重が大きくなって、ねじ軸１の縦断面積とボールナット２の縦断面積を等しくした場合に比べて不利となる。なお、上記図５（ａ）及び（ｂ）の荷重分布の違いは、ねじ軸１及びボールナット２の縦断面積を変えたものである。つまり、図５（ｂ）は両者の縦断面積を小さくした場合であり、図５（ａ）は両者の縦断面積を大きくした場合である。すなわち、縦断面積が大きいほど有効なことが分かる。なお、ねじ軸１とボールナット２とを比べると、内側となるねじ軸１の縦断面積の方がどうしてもボールナット２の縦断面積よりも小さくなる傾向にある。弾性変形の影響を有効に抑えるためにはできるだけそれぞれの縦断面積が大きい方が望ましいことになるので、ねじ軸１の縦断面積を大きくしてボールナット２縦断面積と概ね等しくすることが好ましい。また、縦断面積比の最大値は、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形のため玉荷重による影響のバランスがある程度とれる範囲として概ね２以下が好ましい。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記第１実施形態と同様な部品等については同一の符号を付して説明する。
本実施形態のボールねじ装置の基本構成は、図７に示すように、上記第１実施形態と同様である。すなわち、外面にボールねじ溝１ｄを有するねじ軸１と、該ねじ軸１のボールねじ溝１ｄに対向するボールねじ溝を内面に有するボールナット２とから構成され、上記ボールナット２のボールねじ溝と上記ねじ軸１のボールねじ溝１ｄとにより形成された螺旋状通路内を多数のボールが転がりながら循環可能となっていると共に、螺旋状通路の軸方向一端部まで移動したボールを軸方向他端部まで戻す図示しない戻り路を備える。
【００３７】
上記ねじ軸１は、片持ち支持構造となっていて、軸方向一端部１ａ側が、サポートユニット３に回転自在に支持されている。このサポートユニット３によるボールねじの支持軸受は、例えばスラストアンギュラ玉軸受からなる。また、サポートユニット３は固定部材４に固定される。また、上記ねじ軸１の軸方向一端にはプーリ５が取り付けられ、そのプーリ５を回転することでねじ軸１は回転しボールナット２が直線移動するように構成されている。なお、ねじ軸１の軸方向他端部１ｂにはストッパ６が取り付けられ、当該軸方向他端部１ｂからボールナット２が抜けることを防止している。
【００３８】
上記ボールナット２は、フランジ部７ａを中央に設けたフランジ合わせのタンダムナット構造により構成され、上記ボールナット２の軸方向中央部に位置する上記フランジ部７ａが取付け部７を構成し、その取付け部７に対しスライドさせる取付け部材８がボルト止めされて取り付けられている。上記取付け部７が、軸方向荷重作用部を構成する。
【００３９】
ここで、軸方向荷重作用部を構成する取付け部７をボールナット２の軸方向中央部に設けることで、当該取付け部７の軸方向両側にそれぞれ、軸荷重が負荷される螺旋状通路内のボールが位置することになる。
なお、以下の説明では、上記取付け部７を挟んで、上記サポートユニット３に近い側のボールナット部分を近位ボールナット２Ａと呼び、上記サポートユニット３から遠い側のボールナット部分を遠位ボールナット２Ｂと呼ぶ。
【００４０】
ここで、従来から、フランジ部７ａをボールナット２の軸方向中央部に配置した、フランジ合わせのダブルナット構造のボールねじが存在するが、このボールねじで、フランジ部７ａをボールナット２の軸方向中央部に配置する目的は、図１１及び図１２に示すように、フランジ部７ａ間に間座２０等を挟み込んで螺旋状通路内のボールに予圧を付与するためである。すなわち、図１１に示す従来のボールねじでは、ねじピッチよりも厚い間座２０を介挿することで引張予圧が付与されて、フランジ部７ａを挟んだ近位ボールナット２Ａと遠位ボールナット２Ｂとで予圧方向が反対方向となり、この結果、外部荷重に対するボールの主負荷方向が近位ボールナット２Ａと遠位ボールナット２Ｂとでは反対方向に設定される。また、図１２に示す従来のボールねじでは、ねじピッチよりも薄い間座２０を介挿することで圧縮予圧が付与されて、フランジ部７ａを挟んだ近位ボールナット２Ａと遠位ボールナット２Ｂとで予圧方向が反対方向となり、この結果、外部荷重に対するボールの主負荷方向が近位ボールナット２Ａと遠位ボールナット２Ｂとでは反対方向に設定される。このように、従来のボールナットでは、フランジ部７ａがボールナット２の軸方向中央部に配置されていても、外部荷重に対する螺旋状通路内のボールの主負荷方向がフランジ部７ａを挟んで反対方向となり、本願発明の対象外（範囲外）となっている。
【００４１】
これに対し、本実施形態の対象とするボールねじでは、外部荷重に対する螺旋状通路内のボールの主負荷方向がフランジ部７ａの軸方向両側に亘って全て同一方向となるように設定されている。すなわち、軸方向荷重が入力された場合に、取付け部７を挟んだ、近位ボールナット２Ａ及び遠位ボールナット２Ｂにおける軸方向荷重の分担の割合が略等しくなるように設定されている。
【００４２】
外部荷重に対する螺旋状通路内のボールの主負荷方向を全て同一方向に設定するには、例えば図１３に示すように、ボールねじ溝の空間よりもわずかに大きなボール（オーバーサイズボール）を使用してボールを４点接触させて予圧を与えたり、図１４に示すように、予圧を付与しない構成を採用することで達成できる。ここで、図１３及び図１４ではシングルナット構造で図示しているが、タンデムナット構造であっても良く、対向するフランジ部７ａ間に間座を介挿しなくても良い。間座を介挿する場合には、ねじピッチと等しい厚さの間座を介挿すれば良い。
【００４３】
次に、作用などについて説明する。
上記構成のボールねじ装置にあっては、図８（ａ）に示すように、取付け部材８からボールナット２の取付け部７に軸方向荷重Ｆ１が作用すると、ボールナット２からねじ軸１に軸方向荷重が伝達され、固定側である軸方向一端部１ａに反力として反対向きの軸方向荷重Ｆ２が発生する。
【００４４】
このとき、従来のようにねじ軸１を剛体と仮定し、ボールナット２の弾性変形を考慮すると、軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図８（ｂ）に示すように、取付け部７の位置で一番荷重が大きくなり、その位置から軸方向両側に向けてそれぞれ徐々に小さくなる。
一方、ボールナット２を剛体と仮定し、ねじ軸１の弾性変形を考慮すると、軸方向に沿ったボールの荷重分布は、図８（ｃ）に示すように、サポートユニット３側（ねじ軸１における軸方向一端部１ａ側）で一番荷重が大きくなり、サポートユニット３から離れていく方向に向けて徐々に小さくなる。
【００４５】
実際には、ボールナット２もねじ軸１も軸方向に弾性変形するので、両者１，２の弾性変位を考慮すると、図８（ｄ）に示すようなボールの荷重分布となる。すなわち、近位ボールナット２Ａ側では、上記第１実施形態と同様に、ボールナット２での軸方向荷重分布状態とねじ軸１での軸方向荷重分布状態とが反対側になっているので、軸方向に沿った荷重分布は両端が相対的に大きく中央部が相対的に小さい分布となるものの、最大値と最小値との差が小さくなる。つまり、ボールへの負荷が均一化される。特に、上記第１実施形態と同じ負荷容量を有するボールねじにした場合には、近位ボールナット部の軸方向長さが短くなる分だけ上記第１実施形態よりもボールへの負荷が均一化している。
【００４６】
また、遠位ボールナット２Ｂ側では、ボールナット２での軸方向荷重分布状態とねじ軸１での軸方向荷重分布状態とが一致するものの、負荷される軸方向荷重が小さいことと、軸方向長さが短いことから、軸方向に沿った荷重分布における両端部での荷重差（最大値と最小値との差）が小さくなり、ボールナット２全体としてボールへの負荷が均一化している。
【００４７】
これによって、上記第１実施形態と同様に、本実施形態のボールねじ装置にあっては、サポートユニット３との関係でボールナット２の取付け部７の位置を特定するだけ、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形による悪影響が大幅に低減されて、ボールねじ装置の耐久性・寿命の向上に繋がる。
すなわち、本発明は、高負荷用途のボールナット装置になるほど効果が発揮される有効な技術である。
【００４８】
特に、取付け部７をボールナットの軸方向中央部に設けているので、ボールの負荷分布の均一化を図りつつ、当該取付け部７を中央に寄せた分だけ、取付け部材８の取付け部位置が上記サポートユニット３（ねじ軸の固定側）に近づき、ボールナット装置全体を、上記第１実施形態よりもコンパクト化することが可能となる。
【００４９】
ここで、ボールナット２としてフランジ合わせのタンデムナット構造を例に説明しているが、ボールナット２の構成はこれに限定されない。シングルナットでも同様の機能を奏することができる。
また、上記ボールナット２では、近位ボールナット２Ａと遠位ボールナット２Ｂの外径を等しく、つまり両ナット２Ａ、２Ｂの縦断面積を等しくしている。両ナット２Ａ、２Ｂを等しくすると、製造上のブランクや治工具などが共通にできるため、製造が容易となる。
【００５０】
またこのとき、ねじ軸１の縦断面積とボールナット２の縦断面積とを等しくすると、近位ボールナット２Ａ側では、ボールへの負荷が、軸方向両端部側が同程度の大きさとなることで左右のバランスがとれて、ボールに対する最大荷重を抑えることができる。
このとき、縦断面積比の最大値は、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形のため玉荷重による影響のバランスがある程度とれる範囲として概ね２以下が好ましい。
【００５１】
さらに、近位ボールナット２Ａよりも遠位ボールナット２Ｂの縦断面積を大きく設定すると、より一層、軸方向におけるボールの負荷分布を均一化できる。すなわち、遠位ボールナット側の縦断面積を大きくすることで、遠位ボールナット側で負担される軸方向荷重が増加して、近位ボールナット側でのボールの負荷が低くなると共に遠位ボールナット側でのボールの負荷が増加することで、全体のボールの負荷バランスがより均一化する。
【００５２】
次に、上記構成のボールねじ装置を、図６に示すように、電動射出成形機に採用した実施形態を示す。なお、アクチュエータを、油圧シリンダ装置から電動モータ１９及びボールねじ装置Ａとすることで、電動射出成形機の消費エネルギーを低減することができる。
図６中、符号１０は成形用基台部、符号１１は射出部、符号１２は型保持部、符号１５は樹脂ホッパをそれぞれ表している。
【００５３】
そして、射出機１６の一端部に設けられたブラケット１７（取付け部材８）が、本発明に基づく複数のボールねじ装置Ａにおけるボールナット２の取付け部７に取り付けられて、当該複数のボールねじ装置Ａで軸方向に送られるようになっている。
各ボールねじ装置Ａのねじ軸１における軸方向一端部側は、サポートユニット３を介して射出部１１のフレームに固定されると共に当該軸方向一端部に設けられたプーリに電動モータ１９の駆動軸がベルト１８を介して連結し、モータ１９からの駆動力が伝達可能となっている。
【００５４】
このような射出成形機では、電動モータ１９を駆動することで各ねじ軸１が回転し、各ボールナット２が軸方向に直線移動することで、射出機１６が軸方向に移動して型保持部１２に接近・離隔する。
そして、射出動作によって、射出機１６から各ボールナット２に対しサポートユニット３側に向かう軸方向荷重が入力し、該軸方向荷重はねじ軸１に伝達され、ねじ軸１では主にサポートユニット３の位置で受けることとなる。
【００５５】
このとき、射出力が大きいなど上記軸方向荷重が大きい場合には、ボールナット２及びねじ軸１に無視できない弾性変形が生じるが、上記説明したように、取付け部７をサポートユニット３に対して遠位に設定した本実施形態では、ボールの荷重分布が均一化して、上記弾性変形の悪影響が低減するので、電動射出成形機への適用に好適なボールねじ装置であることが分かる。
【００５６】
すなわち、本発明に基づくボールねじ装置は、大型化や特殊な加工を必要としないにも拘わらず、高負荷用途に好適であり、コストを上げることなく電動射出成形機に使用することができる。
なお、上記説明では、ボールねじ装置として第１実施形態の装置を採用した場合を例に説明しているが、上記第２実施形態のボールねじ装置を適用しても同様な作用・効果を発揮する。
【００５７】
ここで、上記全実施形態では、ねじ軸１が回転してボールナット２を直線移動させる場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。ボールナット２の軸方向一端部を固定し、そのボールナット２の一端部と反対方向のねじ軸１の位置から荷重が入力される場合も上述と同様の作用・効果を有する。
また、ねじ軸１が回転してボールナット２が移動するボールねじ装置のみならず、ボールナット２が回転してねじ軸１が移動、ねじ軸１が固定されてボールナット２が回転しながら直線移動、ボールナット２が固定されてねじ軸１が回転しながら直線移動する場合のすべての使用形態に対して有効である。
【００５８】
【実施例】
上記各ボールねじ装置の作用効果の実施例について、説明する。
ボールねじ装置としては、図９に示す４種類の装置であって、（ａ）は第１実施形態に基づく仕様の装置であり、（ｂ）は、比較のための従来の仕様に基づく装置であり、（ｃ）及び（ｄ）は、第２実施形態に基づくものであり、（ｄ）は請求項３に基づき近位ボールねじ２Ａよりも遠位ボールねじ２Ｂの縦断面積を大きくしたものである。
【００５９】
すなわち、各ボールねじ装置の内部仕様は、図９の各図に示されているように、すべてのねじ軸１の軸径φ100 、リード20、ボールの玉径15.875、ボールナット２での回路数２．５巻４列を同一に設計し、さらに、取付け方法とフランジ位置、ナット外径のみを変更したものである。
そして、各ボールねじ装置での内部の玉荷重分布を計算したところ。図１０に示す結果が得られた。
【００６０】
この図１０の結果から、ボールねじ装置の内部仕様で決まる負荷容量( 定格荷重) が同じで、それに加わる軸方向荷重が同一であっても、 その取付け条件、フランジ位置、ナット外径の関係によって、実際の内部の負荷分布は大きく違ってくることがわかる。
すなわち、従来に基づく（ｂ）の装置条件では負荷分布の均一化が図れないが、請求項１に基づく（ａ）の装置条件とすることで負荷分布の均―化が図れることが分かる。
【００６１】
また、（ｃ）及び（ｄ）は、請求項２に基づき取付け部７を軸方向中央に設置したものであるが、（ｄ）はナット外径をＡ側とＢ側であえて変えて、遠位ボールナット２Ｂ側の縦断面積を近位ボールナット２Ａよりも大きくしたもので、全体のボールへの負荷がより均一になる様にバランスを取ったものである。 これによると、上記請求項１に基づく（ａ）と比較しても、最大玉荷重は同等かそれ以下となっており、何ら遜色はない。
【００６２】
また、ナット外径がＡ側とＢ側で同じとした（ｃ) であっても、最大玉荷重では（ａ）にはやや及ばないものの、従来に基づく（ｂ）と比較して明らかに軸方向に沿ったボールの負荷分布が均一化していることが分かる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のボールねじ装置を採用すると、ねじ軸及びボールナットそれぞれの弾性変形による軸方向での荷重分布への影響の傾向を逆向きにすることでボールの荷重分布が均一化し、この結果、外力に対する最大玉荷重の大きさを小さく抑えられるので、高荷重使用環境化での耐久性向上を簡易に図ることができるという効果がある。
【００６４】
なお、ねじ軸及びボールナットの縦断面積をほぼ同一にして両者の弾性変形量をそろえることで、さらに玉荷重の分布のバランス化をはかって、耐久性の向上を図ってもよい。
ここで、請求項１に係る発明では、ねじ軸の軸方向荷重を主として受ける軸方向一端部から遠方にある軸方向端部側に軸方向荷重作用部が設けることから、ボールナットを取り付ける取付け部材は、ボールナット全体を間においてねじ軸の固定端よりもさらに遠いボールナット端部に取付ける分だけ、ボールねじ装置全体の設計としては軸方向に長くなってしまう。 これに対し、請求項２又は請求項３に係る発明を採用すると、同一負荷容量を有するボールねじであっても、請求項１に係る発明とほぼ同等の負荷分布均一化が実現できると共に、例えば、軸方向荷重作用部を例えば、ボールナットの軸方向中央付近に設置すれば、当該軸方向中央付近に寄せた分だけボールナットの取付け相手部品をねじ軸の固定端に近づけることが可能となり、ボールねじ装置全体の設計を短くすることが出来るという効果がある。
【００６５】
特に、請求項３に係る発明では、請求項１に係る発明と同程度の均一化を図ることができるという効果がある。
また、請求項４に記載の発明を採用すると、コストを上げることなく高負荷用途に好適な電動射出成形機を提供可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係るボールねじ装置を示す図である。
【図２】本発明の第１実施の形態に係るボールねじ装置本体の構造を示す図である。
【図３】本発明の第１実施の形態に係るボールねじ装置の作用・効果を説明する図であり、（ａ）は軸方向荷重の作用状態を、（ｂ）は、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｃ）は、ボールナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｄ）は、ねじ軸及びボールナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布をそれぞれ示している。
【図４】比較例に係るボールねじ装置の作用・効果を説明する図であり、（ａ）は軸方向荷重の作用状態を、（ｂ）は、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｃ）は、ボールナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｄ）は、ねじ軸及びボールナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布をそれぞれ示している。
【図５】本発明の第１実施の形態に係るねじ軸の縦断面積とボールナットの縦断面積との比によるボールの荷重分布への影響を説明する図であって、（ａ）及び（ｂ）は両縦断面積を等しくした場合であり、（ｃ）はボールナット側の縦断面積を相対的に大きくした場合を表している。
【図６】本発明に基づくボールねじ装置を使用した電動射出成形機を示す図である。
【図７】本発明の第２実施の形態に係るボールねじ装置を示す図である。
【図８】本発明の第２実施の形態に係るボールねじ装置の作用・効果を説明する図であり、（ａ）は軸方向荷重の作用状態を、（ｂ）は、ねじ軸を剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｃ）は、ボールナットを剛体と仮定した場合のボールの荷重分布を、（ｄ）は、ねじ軸及びボールナットの弾性変形を考慮したボールの荷重分布をそれぞれ示している。
【図９】実施例における各ボールねじ装置の仕様を説明する図であって、（ａ）は請求項１に基づく装置例を、（ｂ）は比較のための従来の装置例を、（ｃ）は請求項２に基づく装置例を、（ｄ）は請求項３に基づく装置例を、それぞれ示している
【図１０】図９における各ボールねじ装置における軸方向に沿ったボールの負荷分布を示す図である。
【図１１】螺旋状通路内のボールの主負荷方向を説明する図であって、引張により予圧が付与されている従来のボールねじを示す図である。
【図１２】螺旋状通路内のボールの主負荷方向を説明する図であって、圧縮により予圧が付与されている従来のボールねじを示す図である。
【図１３】螺旋状通路内のボールの主負荷方向を説明する図であって、オーバーサイズボールにより軸方向全体に亘って同一方向に予圧が付与されている場合の図である。
【図１４】螺旋状通路内のボールの主負荷方向を説明する図であって、予圧が付与されていない場合の図である。
【符号の説明】
１      ねじ軸
１ａ    軸方向一端部
１ｄ    ボールねじ溝
２      ボールナット
２ｄ    ボールねじ溝
２ｅ    戻り路
２Ａ    近位ボールナット
２Ｂ    遠位ボールナット
３      サポートユニット
４      固定部材
７      取付け部
８      取付け部材
９      ボール
Ｆ１    取付け部に作用する軸方向荷重
Ｆ２    ねじ軸側に生ずる反力
【図１】
0003714015.tif 000002
【図２】
0003714015.tif 000003
【図３】
0003714015.tif 000004
【図４】
0003714015.tif 000005
【図５】
0003714015.tif 000006
【図６】
0003714015.tif 000007
【図７】
0003714015.tif 000008
【図８】
0003714015.tif 000009
【図９】
0003714015.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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