(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝との間に転動自在に嵌合する転動体とを備えたボールねじ装置であって、上記転動体が比重２〜４のセラミックス材料からなり、かつ少なくともボールナット側の熱膨張量をねじ軸側の熱膨張量よりも小さくしたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
前記ボールナット側の熱膨張量を小さくする手段として、少なくともボールナット側を冷却する冷却機構を設けた請求項１記載のボールねじ装置。
【請求項３】
前記ボールナット側の熱膨張量を小さくする手段として、ボールねじ軸材の線膨張係数をボールナット材の線膨張係数より大きくした請求項１記載のボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はボールねじ装置に関し、特に、工作機械の高速送りの駆動用に使用され、高速化・高精度化を実現したボールねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ボールねじ装置としては、例えば、実公平６−１１４３３号公報に開示されるように、螺旋溝を有するねじ軸に、剛球ボール等の転動体を介してナットが螺合されているチューブ式ボールねじを用いたものが知られている。上記ナットの内面にはねじ軸の螺旋溝に対応させた螺旋溝が設けられている。そして、ねじ軸の回転により、ボールが両螺旋溝内を転動しつつ移動し、ナットがねじ軸に沿って直線運動するようになっている。
【０００３】
上記のようなボールねじ装置においては、従来、転動体には軸受鋼のＳＵＪ２からなる鋼球が用いられていた。このような鋼球を用いたボールねじ駆動においては、例えば６０ｍ／分以上の高速送りを行う場合、発熱量が増加し温度上昇を引き起こし、また騒音が大きくなり、更にボールねじのチユーブのタング部にかかる応力が高くなりボールねじの実用上の寿命が低下するなどの問題があり、このため、ボールねじ装置を高速で使用することは困難であった。
【０００４】
当該分野においては、上記の問題を解決するため、転動体として、例えば、比重が小さく、線膨張係数も小さいセラミックス材からなるボールを用いることが行われてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ボールねじにおいては、高精度位置決めに対して、ボールねじの軸方向すきまをゼロとし、更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与えるのが一般的である。このため、線膨張係数の比較的大きな材料からなる転動体を使用した場合、ねじ軸の高速回転による温度上昇に起因する転動体の熱膨張や遠心力により予圧量が増大する傾向がある。
【０００６】
しかしながら、転動体としてセラミックス球を使用した場合、高速送りを行うと、線膨張係数が小さいため温度上昇は小さくなるものの、その比重が小さいことから予圧の増加が小さい。また、転動体の線膨張係数がボール軸・ボールナットのそれに対して小さいので、ボールねじ内部にすきまを生じやすくなり予圧がなくなる等の問題があり、この結果、ボールねじ装置の位置決め精度が悪化することがあった。
【０００７】
このように、転動体としてセラミックス球を使用する際に内部すきまを生じやすくなるのは、ボール軸・ボールナットに対して転動体の径が小さく、線膨張係数も小さいので、温度上昇の大きさに影響を受けやすくなるからである。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決することを課題とする。すなわち、本発明の目的は、高速送りの駆動用に使用され、転動体にセラミックス材料を用いた場合に、セラミックス球の線膨張係数が小さいために生じる内部すきまの発生を抑制し、内部予圧の低下を防止し、かつ高速化、高精度化を実現しうるボールねじ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意に研究を重ねた結果、ボールナット側の熱膨張量を小さくすることが上記目的を達成するうえで有効であることを見いだした。特に、ボールねじ装置を冷却しボール軸側に対してボールナット側の温度を低く設定することにより、または、ボール軸側に対してボールナット側の材料の線膨張係数を小さく設定することにより、セラミックス球の線膨張係数が小さいために生じる内部すきまの発生を抑制することができ、内部予圧の低下を抑制でき、高速送りを可能にし、高精度化を実現することができることを見出し本発明を達成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明に係るボールねじ装置は、外周面に螺旋状のボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周面に有するボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝との間に転動自在に嵌合する転動体とを備えたボールねじであって、上記転動体が比重２〜４のセラミックス材料からなり、かつ少なくともボールナット側の熱膨張量を小さくしたことを特徴とする。特に、ボールナット側の熱膨張量を小さくする手段として、ボールねじ装置に冷却機構を設けるかあるいは上記ボールナットをステンレス鋼で構成することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。尚、本発明の実施形態は以下の例に限定されるものではない。
【００１２】
（１）軸側中空冷却の例
図１は、本発明のボールねじ装置の一例を示す全体構成図である。図１において、ボールねじ装置は、主として、ねじ軸１、フランジ５を有するボールナット２Ａ、２Ｂ（以下、まとめてボールナット２ということがある）、ボールナット２Ａと２Ｂの間に挿入された間座３、ねじ軸１のボールねじ溝とボールナット２のボールねじ溝に転動自在に嵌合する多数の転動体（ボール）、及びねじ軸１を中空冷却する冷却機構４を備えて構成されている。ねじ軸は、工作機械が設置される工場等の建造物等に固定される。
【００１３】
ねじ軸１の外周面には螺旋状のボールねじ溝７が形成され、ボールナット２の内周面にはボールねじ溝７に対向したボールねじ溝が形成されている。ねじ軸１のボールねじ溝７とボールナット２のボールねじ溝には多数のボールが転動自在に嵌合、あるいは収容されており、ボールナット２がボールを介してねじ軸１に支持される。上記ボールは、比重２〜４のセラミックス材料からなり、好ましくは線膨張係数４×１０-6／℃以下のセラミックス材料からなる。本発明においては、セラミックス材料として、窒化珪素（Sｉ3N4）、ジルコニア（ＺｒＯ2）からなるものを使用することができる。また、ボール軸１、ボールナット２は、一般にクロムモリブテン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）の材料からなるものが用いられる。
【００１４】
ねじ軸１は、その内部が中空になっており、これに水、油等からなる冷却剤を通じることによりボールねじ装置全体の冷却を行うことができる。すなわち、冷却装置Ｒ１から供給された冷却剤は流入パイプ１ｉからねじ軸１の中空内に導入され、軸内部を通過しボールねじ全体を冷却しつつ、排出パイプ１ｏから排出され、冷却装置Ｒ１に戻り再び循環使用される。
【００１５】
ボールナット２はほぼ円筒状に形成されており、そのボールナット２Ａ、２Ｂにはそれぞれの外周面の一部には平面部８が形成されている。この平面部８には４個の孔９がねじ軸１を間にして形成されており、各孔９にはねじ軸１を跨ぐようにして２組のボール循環チューブ１０が挿入されている。
【００１６】
上記のようなボールねじ装置においては、ねじ軸１が回転すると、ねじ軸１とボールナット２のボールねじ溝内をボールが転動しながら進み、ボールがボールねじ溝内を所定回まわると、このボールはボール循環チューブ１０の一端からすくい上げられて、チューブ１０を通過してチューブ１０の他端からボールねじ溝内に戻るようになっている。ねじ軸１の回転により、ボールがボールねじ溝内を転動しつつ移動する過程で、ボールナット２が直線運動することになる。
【００１７】
上記のような過程において、本実施形態では、比重２〜４のセラミックス材料からなるボールを用いる場合、上記冷却機構を備えることにより、高い位置決め精度が達成され、かつセラミックス材料の線膨張係数が小さいために生じるボールねじ装置の内部すきまの発生を抑制することができる。すなわち、軸中空に冷却剤を通じることにより、ボールねじ装置全体の温度上昇を低く抑え、内部予圧の低下を防ぐことができる。
【００１８】
（２）軸側中空冷却にナット側冷却を付加した例−直列方式−
図２は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す全体構成図である。図２において、ボールねじ装置の概略構成は、上記図１示す実施形態のものとほぼ同様であるが、本実施形態においては、上記（１）の軸側中空冷却に更にナット側冷却を直列方式で付加した例が示される。すなわち、本実施形態においては、冷却装置Ｒ１から供給された冷却剤は、先ずボールナット２の流入パイプ２ｉからボールナット２内の冷却通路に導入され、ボールナット２を冷却しつつ排出パイプ２ｏから排出される。排出された冷却剤は、更にねじ軸１の流入パイプ１ｉからねじ軸１の中空内に導入され、軸内部を通過しボールねじ全体を冷却した後、排出パイプ１ｏから排出され、冷却装置Ｒ１に戻り更に循環使用される。
【００１９】
この実施形態の冷却機構においては、先ず、ボールナット側を冷却剤により冷却し、次に、この冷却作用により少し温度が高くなった冷却剤を今度はボール軸中空に循環させ、該中空軸を冷却する。従って、この方式によれば、ボール軸側に比べボールナット側の温度上昇を低く設定することが可能となる。
【００２０】
尚、本発明においては、本発明の目的を達成しうるものであれば、上記軸中空冷却とボールナット冷却の組合せ、順序等の循環方式については特に限定されず、種々の組合せ、順序による方式を採用することができる。
【００２１】
本実施形態においては、上記のような冷却機構を備えることにより、高い位置決め精度が達成され、かつボールねじ装置の内部すきまの発生を更に有効に抑制することができる。
【００２２】
（３）軸側中空冷却にナット側冷却を付加した例−並列方式−
図３は、本発明のボールねじ装置の更に別の一例を示す全体構成図である。図３において、ボールねじ装置の構成は、やはり上記図１示す実施形態のものとほぼ同様であるが、本実施形態においては、上記（１）の軸側中空冷却に更にナット側冷却を並列方式で付加するため、冷却装置を２基（Ｒ１，Ｒ２）設けることを特徴とする。すなわち、本実施形態においては、冷却装置Ｒ１から供給された冷却剤は、ねじ軸１の流入パイプ１ｉからねじ軸１の空筒内に導入され、軸内部を通過しボールねじ全体を冷却しつつ、排出パイプ１ｏから排出され、冷却装置Ｒ１に戻り循環使用される。一方、冷却装置Ｒ２から供給された冷却剤は、ボールナット２の流入パイプ２ｉからボールナット２内の冷却通路に導入され、ボールナット２を冷却しつつ排出パイプ２ｏから排出され、冷却装置Ｒ２に戻り循環使用される。
【００２３】
この実施形態の冷却機構は、ボール軸側とボールナット側を別々の冷却装置で冷却することができる方式であり、これらの温度を自由に設定しうるものであるが、本発明においては、好ましくは、ボールナット側の冷却装置Ｒ２の温度設定を軸側の冷却装置Ｒ１の設定に比べて少し低くすることで本発明の目的を更に有効に達成することができる。
【００２４】
すなわち、本実施形態においては、上記のような冷却機構を備えることにより、高い位置決め精度が達成され、かつボールねじ装置の内部すきまの発生を更に有効に抑制することができる。
【００２５】
（４）ボールナット側からのオイルエア，オイルミスト潤滑で冷却効果を付与した例
図４は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す全体構成図である。図４においては、ボールねじ装置の構成は、上記図１に示す実施形態とほぼ同様であるが、本実施形態は、軸側の中空冷却は行わず、簡便な方式として、オイルエアやオイルミスト等による潤滑に冷却効果を持たせた方式である。すなわち、本実施形態においては、ボールナット側の流入パイプ２ｉからオイルエアやオイルミスト等を供給してボールねじの潤滑を行う際、これにエアー冷却の効果を持たせることにより、ボールナット側の温度上昇をボール軸側より低くできるよう設定することができる。
【００２６】
（５）ボールナット側の材質にステンレス鋼を用いた例
図５は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す構成図である。図５において、ボールねじは、ねじ軸１、フランジ５を有するボールナット２Ａ及び２Ｂ、ボールナット２Ａと２Ｂの間に挿入された間座３を備えて構成されている。
【００２７】
ねじ軸１の外周面には螺旋状のボールねじ溝７が形成され、ボールナット２Ａ及び２Ｂの内周面にはボールねじ溝７に対向したボールねじ溝が形成されている。ねじ軸１のボールねじ溝７とボールナット２Ａ及び２Ｂのボールねじ溝には、比重２〜４のセラミックス材料からなる多数のボール１１が転動自在に嵌合、あるいは収容されており、ボールナット２Ａ及び２Ｂがボール１１を介してねじ軸１に支持される。
【００２８】
本実施形態においては、上記ボールナット２Ａ及び２Ｂを、ボール軸１の材料の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する材料で構成することが、ボール（転動体）としてセラミックス材料を用いたことによるボールねじの内部すきまの発生を抑制するうえで好ましく、本発明においては、このような材料として、線膨張係数が１0.５×１０-6／℃以下の材料、特に、ＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼が好ましく用いられる。
【００２９】
すなわち、本実施形態においては、上記のような材料構成を有することにより、高い位置決め精度が達成され、かつセラミックス材料の線膨張係数が小さいために生じるボールねじ装置の内部すきまの発生を有効に抑制することができる。
【００３０】
上記（１）〜（５）の実施形態においては、そのいずれにおいても、ボールナット２Ａ及び２Ｂの２個のナットを使用し、その間に間座３を挿入することによりボールねじに予圧を与えるダブルナット予圧（Ｄ予圧）方式を採用している。この方式においては、ナット間のすきまよりも予圧量だけ厚い間座を使用する。このことより、例えば図５においては、ボールナット２Ａ、２Ｂは予圧荷重Ｆa0によって、あらかじめ弾性変位して組み立てられる。この状態で外部荷重Ｆa がボールナット２Ａに加わると、Ｆa はボールナット２Ｂの変位減少により緩衝吸収され、結果としてボールナット２Ａの弾性変位は小さくなる。このように、ボールねじにおいては、予圧を与えることにより、軸方向荷重に対する弾性変位量を小さくし、剛性を上げることができる。
【００３１】
図６は上記ダブルナット予圧方式におけるボールナット２及びねじ軸１のねじ溝７とボール１１との接触の通常の状態を示す断面図である。ボールとして従来のような線膨張係数の高い鋼球を用いた場合、ねじ軸１が高速回転すると、ボール１１とボール軸１，ボールナット２との線膨張係数が同じであるので、ボール軸１・ボールナット２に対してボール径がある程度小さくても、図６におけるように、遠心力によりボール１１が矢印に示す方向に動きＬの値が狭くなり内部予圧が増加する。この結果、上記内部予圧の増加分が、ボール１１とこれに対応するボール軸１・ボールナット２の径差による内部すきまの増加量（膨張量の差）による予圧の変動分より大きくなり、回転時においても内部予圧が小さくなることはなかった。
【００３２】
しかし、ボールとして比重２〜４のセラミックス球を用いた場合は、上記のようなボールの遠心力による内部予圧の増加分が少なく、この結果、高速回転においては、ボール１１とこれに対応するボール軸１・ボールナット２の径差による内部すきまの増加量（膨張量の差）やセラミックス球の線膨張係数が小さいこと等の影響の方が大きくなり、回転時の内部予圧が減少することとなる。
【００３３】
具体的な計算で上記の点を説明すると、例えば、軸径４０ｍｍ、リード３０ｍｍの高速ねじでは、ボール径が6.３５ｍｍであり、ボール軸の平均温度上昇を２０℃とすると、一般にはボール軸の放熱のほうが大きいので、ボールナットの温度上昇の方が大きくなる。ボールナットの温度上昇を２５℃とすると、ボールの温度上昇はボール軸・ボールナットよりかなり大きいので、４０℃程度と仮定できる。
【００３４】
鋼材の線膨張係数を１2.５×１０-6／℃とすると、ボールナットの膨張量は０．００７２ｍｍ、ボール軸の膨張量は０．００４２ｍｍ、鋼球の膨張量は0.００３２ｍｍとなる。また、セラミックス球の線膨張係数を3.２×１０-6／℃とすると、その膨張量は0.０００８ｍｍとなる。ボールナットとボール軸の膨張量の差からボールの膨張量を除いたものが内部すきまの増加量であるので、これを下記式より計算すれば、鋼球の場合の内部すきまの増加量がほとんど０であるに対して、セラミックス球では0.００２２ｍｍの増加を生じることになる。すなわち、セラミックス球を用いた場合のほうが、内部すきまの増大が大きいことがわかる。
【００３５】
Ｒ＝〔（Ｄm＋Ｄa）／２〕×ｔ１×α１−〔（Ｄm−Ｄa）／２〕×ｔ２×α２−Ｄa×ｔ３×α３
（式中、Ｄm はボールねじピッチ円径、Ｄa はボール径、α１ はボールナットの線膨張係数、α２ はボール軸の線膨張係数、α３ はボールの線膨張係数、ｔ１ はボールナットの温度上昇値、ｔ２ はボール軸の温度上昇値、ｔ３ はボールの温度上昇値である。）
上記のような例では、セラミックス球を用いて内部すきまを生じさせないためには、ボールナット側の温度上昇をボール軸側のそれより３℃以上低く設定するか、あるいはボールナット側の材料の線膨張係数を１0.８×１０-6／℃以下に設定する必要がある。ボールの温度上昇が実際にどの程度かは不明であるが、高速送りにより更にボールねじの温度上昇が大きくなるとすれば、その影響が益々大きくなることは容易に予想できる。本発明者らは上記の知見から鋭意に研究を行い、上記ボールナット側の材料の線膨張係数を１0.５×１０-6／℃以下に設定することが本発明の目的を達成するうえで好ましいことを見出した。
【００３６】
図７には、実施形態（１）の方式で、冷却機構を有しないボールねじにおいて、転動体（ボール）として鋼球（線膨張係数１2.５×１０-6／℃）を使用した場合と、セラミックス球（線膨張係数3.２×１０-6／℃）を使用した場合と、上記セラミックス球を用い前記実施形態（１）の軸側中空冷却を行った場合と、更にセラミックス球を用い前記実施形態（５）のボールナットがステンレス鋼（線膨張係数１0.１×-6／℃）からなる場合の各々について、ボール軸の平均回転数に対するナット表面温度の上昇値を測定した結果を示す。
【００３７】
これによれば、先ず転動体としてとしてセラミックス球を用いた場合は、回転数が高くなるに伴い、鋼球を用いた場合に比較して温度上昇値の増大が少ない。
【００３８】
これより、セラミックス球を用いた場合、ボールの遠心力の効果だけでなく、ボールの膨張量が小さいことによる予圧の減少が起きていることが予想される。軸側中空冷却を行った場合は、高速回転においても温度上昇が著しく小さい。なお、ボールナットにステンレス鋼を用いた場合は、高速回転による温度上昇は若干大きくなるが鋼球を用いた場合より小さい。この場合、より性能を上げたい場合はボール軸側の冷却を必要とする。
【００３９】
なお、本発明のボールねじ装置は、例えば、高速回転による高速送りを行う工作機械の駆動用等に好適に使用され、ボールねじ装置の高速化・高精度化を実現することができるものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明におけるように、ボールナット側の熱膨張量を小さくすることにより、特に、ボールねじに冷却機構を設けてボールナット側の温度をボール軸側の温度より低く設定制御することにより、あるいはボールナット側の材料の線膨張係数をボール軸側に対して低く設定することにより、セラミックスからなる転動体の線膨張率が小さいために生じるボールねじの内部すきまの発生を抑制する効果が見込まれる。従って、これにより、高速送りが可能となり、内部予圧の低下が抑制できる。更に、冷却効果によって熱変位も抑えられ高精度化も達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中空冷却の例）を示す全体構成図である。
【図２】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中空冷却にナット側冷却を付加した例−直列方式−）を示す全体構成図である。
【図３】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中空冷却にナット側冷却を付加した例−並列方式−）を示す全体構成図である。
【図４】本発明のボールねじ装置の一実施形態（ボールナット側からのオイルエア，オイルミスト潤滑で冷却効果をもたせた例）を示す全体構成図である。
【図５】本発明のボールねじ装置の一実施形態（ボールナット側の材質にステンレス鋼を用いた例）を示す構成図である。
【図６】ダブルナット予圧方式におけるボールナット及びねじ軸のねじ溝とボールとの接触の通常の状態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態及び従来の技術における平均回転数と温度上昇の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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