(57)【要約】【課題】高負荷下において高速すなわち高回転で使用されても早期損傷が起こりにくく長寿命な特に高負荷用途のボールねじ装置を比較的低コストで製造可能にする。【解決手段】外周に螺旋状の軸ねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記軸ねじ溝と対向するように螺旋状のナットねじ溝を有するナットとを有し、前記軸ねじ溝と前記ナットねじ溝の両ねじ溝間に複数のセラミックボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、前記セラミックボールと前記軸ねじ溝との初期接触角を、鋼製ボールを使用した場合よりも大きくした。【選択図】図２
2011208732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に螺旋状の軸ねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記軸ねじ溝と対向するように螺旋状のナットねじ溝を有するナットとを有し、前記軸ねじ溝と前記ナットねじ溝の両ねじ溝間に複数のセラミックボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、
前記セラミックボールと前記軸ねじ溝との初期接触角を、鋼製ボールを使用した場合よりも大きくしたことを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
前記初期接触角を５０°以上、６０°以下としたことを特徴とする請求項1記載のボールねじ装置。
【請求項３】
複数の前記セラミックボール間に樹脂スペーサを配設したことを特徴とする請求項1乃至請求項２記載のボールねじ装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載したボールねじ装置を具備したことを特徴とする射出成形機。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３に記載したボールねじ装置を具備したことを特徴とするプレス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に高負荷用途のボールねじ装置、また、これを用いた射出成形機並びにプレス装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動射出成型機の射出軸やサーボプレス装置に用いられるボールねじ装置は比較的大型で、大荷重を付与して使用され、これに用いられる転動体は鋼材からなるボール（鋼球）が一般的である。近年、この高負荷用途のボールねじ装置も射出成形機の高速射出に対応し高速で使用されるようになってきた。また、プレス装置においても生産性を高めるための高速稼動が行われ、ボールねじ装置も高速で使用されるようになってきた。
従来、高速すなわち高回転で使用されるボールねじ装置は、比較的比重の高い鋼球が循環部品の掬い上げ部等に高速で衝突を繰り返すこととなり、循環部品が早期に損傷してしまうという課題があった。
【０００３】
この部分の改善の先行技術としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。この特許文献１によれば、転動体に軽量なセラミックス製のボール（セラミックボール）を使用し、循環部品への衝撃を緩和している。また、ヤング率（縦弾性係数）が高く比較的弾性変形の少ない上記セラミックボール使用による軸ねじ溝への接触面圧の増大、それによる特に軸ねじ溝部損傷による寿命への影響を防ぐため、溝Ｒ比を小さくしている。即ちボール径に合わせるようにねじ軸の溝Ｒ比を小さくし、鋼球使用時と同等の接触面圧となるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２０３５５０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、上記特許文献１に記載されたボールねじ装置のように、溝Ｒ比を小さくすることは製造上の制約が大きく、コストアップの一因となるという課題がある。また、ねじ軸を駆動するトルクが増大し、装置全体を小型化できない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に係るボールねじ装置は、外周に螺旋状の軸ねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記軸ねじ溝と対向するように螺旋状のナットねじ溝を有するナットとを有し、前記軸ねじ溝と前記ナットねじ溝の両ねじ溝間に複数のセラミックボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、前記セラミックボールと前記軸ねじ溝との初期接触角を、鋼製ボールを使用した場合よりも大きくしたことを特徴とするボールねじ装置である。
【０００７】
また、請求項２に係るボールねじ装置は、前記初期接触角を５０°以上、６０°以下としたことを特徴とする請求項1記載のボールねじ装置である。
【０００８】
さらに、請求項３に係るボールねじ装置は、複数の前記セラミックボール間に樹脂スペーサを配設したことを特徴とする請求項1乃至請求項２記載のボールねじ装置である。
【０００９】
さらにまた、請求項４に係る射出成形機は、請求項１乃至請求項３に記載したボールねじ装置を具備したことを特徴とする射出成形機である。
【００１０】
なおさらに、請求項５に係るプレス装置は、請求項１乃至請求項３に記載したボールねじ装置を具備したことを特徴とするプレス装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高速すなわち高回転で使用されても早期損傷が起こりにくく長寿命な特に高負荷用途のボールねじ装置を比較的低コストで製造することができる。また、このボールねじ装置を具備した射出成形機やプレス装置においても、高速すなわち高回転で使用されてもボールねじ装置の早期損傷が起こりにくく長寿命となり、比較的低コストで交換周期を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るボールねじ装置の一実施形態の平面図である。
【図２】図１のボールねじ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】樹脂スペーサの断面図である。
【図４】初期接触角と面圧との関係を示すグラフである。
【図５】初期接触角と乗り上げ率との関係を示すグラフである。
【図６】接触角，乗り上げ率を説明する図である。
【図７】高荷重試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるボールねじ装置の平面図であり、図２は図１のボールねじ装置のＡ−Ａ断面図である。
図１及び図２に示すように、ボールねじ装置１は、螺旋状の軸ねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３の軸ねじ溝３ａに対向する螺旋状のナットねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路７に転動自在に装填された複数のセラミックボール９と、隣接するセラミックボール９の間に配された樹脂スペーサ１１と、を備えている。
【００１４】
そして、セラミックボール９を介してねじ軸３に螺合されているナット５とねじ軸３とを相対回転運動させると、セラミックボール９の転動を介してねじ軸３とナット５とが軸方向に相対移動するようになっている。なお、それぞれの材質は後に詳述するが、ねじ軸３及びナット５はクロムモリブデン鋼等の鉄鋼材で、セラミックボール９はセラミックスで、樹脂スペーサ１１は合成樹脂で、それぞれ構成されている。また、両ねじ溝３ａ，５ａの断面形状は、２つの円弧を中間部で交差させて形成されるゴシックアーク状でもよいし、付加方向一定の場合には、軸方向に対向する溝形状が非対称なものとしてもよい。
【００１５】
ナット５の外周面の一部は、切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、ボール転動路７の始点と終点とを連通させて無端状のボール循環路を形成するチューブ１５（循環部品）が、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。セラミックボール９は、ボール転動路７内を移動しつつねじ軸３の回りを複数回回ってボール転動路７の終点に至ると、チューブ１５の一方の端部から掬い上げられてチューブ１５内を通り、チューブ１５の他方の端部からボール転動路７の始点に戻される。このように、ボール転動路７内を転動するセラミックボール９がチューブ１５により無限に循環されるようになっているので、ねじ軸３とナット５とは継続的に滑らかに相対移動することができる。
【００１６】
また、セラミックボール９がセラミックスで構成され比較的軽量（鋼球の４５％〜８５％）であるため、ボールねじ１を高速回転で使用しても、チューブ１５の掬い上げ部等の損傷が抑えられる。しかも、隣接するセラミックボール９の間には樹脂スペーサ１１（詳細は図３参照）が介装されているので、セラミックボール９同士の競り合いが解消され、セラミックボール９の移動がより円滑に行われるとともに、セラミックボール９の早期損傷が生じにくい。また、セラミックボール９の循環性能にも優れ、騒音や振動の発生もより一層抑制されることが期待できる。
【００１７】
セラミックスの種類は特に限定されるものではないが、例えば窒化ケイ素，炭化ケイ素，酸化ケイ素、ジルコニア，アルミナ等が適用可能である。
また、樹脂スペーサ１１の形状は特に限定されるものではないが、例えば図３の断面図のような略円柱状が挙げられる。円柱の２つの端面に、セラミックボール９の転動面に対面する凹面１１ａ，１１ａがそれぞれ形成されている。凹面１１ａの形状としては、例えば球面，円すい面が挙げられる。また、２つの円弧を中間部で交差させて形成される、所謂ゴシックアーク形の凹面でもよい。なお、この樹脂スペーサ１１には、図３に示すように、円柱の中心軸に沿った貫通穴１１ｂを設けて、この貫通穴内に潤滑剤を保持させてボール９との接触抵抗を低減させるようにしてもよい。
【００１８】
さらに、樹脂スペーサ１１の材質は、合成樹脂であれば特に限定されるものではないが、合成樹脂の例としては、ナイロン（例えば６６ナイロン），ポリアセタール，フッ素樹脂等が挙げられる。また、潤滑油を含浸させたポリオレフィン樹脂（例えばポリエチレン，ポリプロピレン）も使用可能である。また、ポリブチレンテレフタレート系の熱可塑性エラストマーも使用可能である。これを用いると、ボールの引っ掛かりが少なくなり作動性向上が期待できる。また、上記の合成樹脂にガラス等の繊維を含有させて強度向上を図ってもよい。
さらに、チューブ１５の形状は特に限定されるものではないが、略Ｕ字状が好ましい。このチューブ１５の掬い上げ部がねじ溝に沿って接線方向にセラミックボール９を掬い上げるような形状であれば更に好ましい。また、チューブ１５の材質は特に限定されるものではなく、金属でも差し支えないが、合成樹脂であると静音化を図ることができる。少なくとも、チューブ１５のセラミックボール９を掬い上げる端部については、合成樹脂で構成されていると静音化を図ることができる。合成樹脂の種類は特に限定されるものではないが、ナイロン（例えば６６ナイロン），ポリアセタール，フッ素樹脂等が挙げられる。また、これらの合成樹脂にガラス等の繊維を含有させて強度向上を図ってもよい。
【００１９】
さらに、本発明によるボールねじ装置１は、セラミックボール９と軸ねじ溝３ａとの初期接触角、すなわち無負荷状態でのねじ軸３の径方向に対する接触点までの角度（接触角は、図６におけるα）を、鋼製ボールを使用した場合よりも大きくしている。また、その初期接触角は、５０°以上、６０°以下としている。
この設定は、転動体がセラミックス製のボールであるがゆえに可能である。従来の鋼製ボールにおいては、セラミックボール９に比べヤング率が低いため弾性変形しやすく、ボールと軸ねじ溝との接触楕円の長径寸法が長くなる。このため、ボールが軸ねじ溝肩部に乗り上げることを避けるように初期接触角を５０°未満に設定せざるを得なかった。しかし、セラミックボール９は、弾性変形しにくいため、ボールと軸ねじ溝との接触楕円の長径寸法が短くなり、初期接触角をより大きく設定しても、ある程度（６０°）まではボールの軸ねじ溝肩部への乗り上げを避けることができる。
【００２０】
また、初期接触角を大きくしたことにより、軸ねじ溝の表面剥離に関わる接触面圧を下げることができ、ボールねじ装置をより長寿命にすることができる。
よって、本発明によれば、高負荷下において高速すなわち高回転で使用されても早期損傷が起こりにくく長寿命な高負荷用途のボールねじ装置１を比較的低コストで製造することができる。また、このボールねじ装置１を具備した射出成形機やプレス装置においても、高速すなわち高回転で使用されてもボールねじ装置の早期損傷が起こりにくく長寿命となり、比較的低コストで交換周期を長くすることができる。
【００２１】
このようなボールねじ装置１は、高速且つ高荷重条件下で使用されても長寿命であるので、例えば射出成形機において、溶融された材料を射出する射出軸を駆動するボールねじ装置として好適である。また、さらに射出成形機等に組み込まれた型締装置の型締機構に使用されるボールねじ装置としても好適である。これらのボールねじ装置は、電動モータで駆動されることにより射出や型締めを行うが、ボールねじ装置１を備える射出成形機は、高速且つ高荷重条件下で使用可能で且つ長寿命であるため射出成形における生産性向上が期待できる。
また、ボールねじ装置１の他の用途としてプレス装置がある。プレス加工には、板金プレスや打ち抜きプレス等が挙げられるが、ボールねじ装置１を備えるサーボプレス装置は、高速で使用可能で且つ長寿命であるためプレス加工における生産性向上が期待できる。
本発明のボールねじ装置１は、上記のような比較的大型で且つ高荷重が負荷される用途に好適であるが、上記の用途に限定されるものではない。
【００２２】
次に上記実施形態の作用について説明する。
本発明では、まず転動体にセラミックス製のボール（セラミックボール９）を用いているが、セラミックボールはその縦弾性係数とポアソン比が鋼と異なるために、鋼製のボール（鋼球）を使用した場合と比較して、接触面積が小さくなり接触面圧が高くなる。
例えば、ヘルツの接触理論から、軸ねじ溝とボールとの接触楕円の長軸ａは、
【００２３】
【数１】
2011208732.tif 000003
【００２４】
で求められ、この接触楕円の長軸ａは縦弾性係数（ヤング率）に反比例し、ポアソン比に比例することから、セラミックボール使用時には接触楕円が小さくなることが分かる。よって、同一荷重が作用するなら、接触面圧は高くなることになる。
（参考までに、表１にセラミックボールの材質Ｓｉ３Ｎ４，鋼球の材質ＳＵＪ２についての縦弾性係数とポアソン比を示す。）
【００２５】
【表１】
2011208732.tif 000004
【００２６】
この数値から、セラミックボールと鋼球とでは、ポアソン比はほぼ同等で、縦弾性係数の差による影響が大きく、上記のようにセラミックボール使用時には接触楕円が小さくなり、同一荷重で考えた場合、接触面圧は高くなることが分かる。
このように、接触面圧が高くなると軸ねじ溝表面に局所的な力がかかり、表面剥離の一因となり、ボールねじ装置の寿命に影響を及ぼすおそれがある。従い、このような接触面圧が高くなることをさける必要が出てくる。
【００２７】
このため、本発明では、鋼球を用いるボールねじ装置よりも初期接触角を大きくしている。これにより、同一軸方向荷重で考えた場合、後に詳述するようにボール荷重が小さくなり、接触面圧が低くなることで、高負荷用途で使用されても早期損傷が起こりにくくなる。
高負荷用途のボールねじ装置は、軸方向荷重が大きいので、代わりに例えば、スラスト軸受（隙間ゼロ）で考えると、そのボール荷重Ｑは、
【００２８】
【数２】
2011208732.tif 000005
【００２９】
で表される。すなわち、同一アキシアル荷重、同一ボール数で考えた場合、初期接触角が大きくなるほどボール荷重は小さくなり、その接触面圧も小さくなる。
【実施例】
【００３０】
図４に本発明による初期接触角と面圧の関係、図５に初期接触角と乗り上げ率との関係を示す。計算条件は、表２のとおりである。
【００３１】
【表２】
2011208732.tif 000006
【００３２】
ここで、乗り上げ率βは、図６のように接触楕円長軸２ａに対する接触楕円のはみ出し量εで定義する。
【００３３】
【数３】
2011208732.tif 000007
【００３４】
まず、図４より、接触角の下限値について説明する。接触面圧は、２３５０ＭＰａが限界と考える（例えば、ＮＳＫテクニカルジャーナルＴ６７２「高負荷駆動用ボールねじ「ＨＴＦシリーズ」の開発」内では、計算結果の一例、実験例として最大面圧約２３５０ＭＰａの例が紹介されている。）と、鋼球では接触角は３５°以上が好ましい。これに対しセラミックボールでは鋼球よりも大きい４５°以上が好ましいことが分かる。
【００３５】
次に、図５より、接触角の上限値について説明する。乗り上げ率は０％以下となる必要があり、鋼球では接触角は５０°以下が好ましい。これに対しセラミックボールでは鋼球よりも大きい６０°以下が好ましいことが分かる。
（高荷重試験結果）
【００３６】
日本精工（株）製ボールねじ装置、ＢＳ６３１６−１０．５（呼び：ＪＩＳ  Ｂ  １１９２  ６３×１６×３００−Ｃｔ７）に所定の熱処理を施したねじ軸，ナットに、鋼球，セラミックボールを組み込み、耐久試験を行った。耐久試験は、ボール，軸ねじ溝，ナットねじ溝の何れかに剥離が生じ、機能不全となった時点を寿命と判断した。試験条件は下記のとおりである。
・ねじ軸の外径：φ６３ｍｍ
・リード：１６ｍｍ
・ボール直径：１２．７ｍｍ
・試験荷重：２００ｋＮ
・最高回転数：１６００ｍｉｎ−１（Ｄｎ１０万）
・ねじ軸，ナットの材質：ＳＣＭ４２０Ｈ
・潤滑：リューベ（株）製ＹＳ２グリース
・樹脂スペーサ：有り
・循環部品：接線掬いタイプ
試験結果を表３及び図７に示す。
【００３７】
【表３】
2011208732.tif 000008
【００３８】
ここで、表３，図７は従来の一般的なボールねじ装置である比較例１の寿命を1として比較した相対寿命で示している。
比較例２は従来の一般的なボールねじ装置であり、初期接触角をやや大きくしたものである。寿命比は１．０５とやや上がる程度で大差はなかった。比較例３，４は本発明の初期接触角範囲５０°〜６０°から外れるものであり、短寿命となった。
実施例１〜５は本発明で提案する形態のボールねじ装置であり、従来例（鋼球）と比較して同等以上の寿命となった。特に初期接触角が５３°〜５８°であると効果が顕著であることが分かった。
なお、比較例，実施例いずれも損傷が生じたのは、ねじ軸であった。
（高速試験結果）
【００３９】
日本精工（株）製ボールねじ装置、ＢＳ６３１６−１０．５（呼び：ＪＩＳ  Ｂ  １１９２  ６３×１６×３００−Ｃｔ７）に所定の熱処理を施したねじ軸及びナットに、鋼球，セラミックボールを組み込み、耐久試験を行った。耐久試験は、ボール，軸ねじ溝，ナットねじ溝の何れかに剥離が生じる、もしくは循環部品が機能不全となった時点を寿命と判断した。試験条件は下記の通りである。
・ねじ軸の外径：φ６３ｍｍ
・リード：１６ｍｍ
・ボール直径：１２．７ｍｍ
・試験荷重：５０ｋＮ
・最高回転数：３２００ｍｉｎ−１（Ｄｎ２０万）
４０００ｍｉｎ−１（Ｄｎ２６万）
・ねじ軸，ナットの材質：ＳＣＭ４２０Ｈ
・潤滑：リューベ（株）製ＹＳ２グリース
・樹脂スペーサ：有り
・循環部品：接線掬いタイプ
試験結果を表４に示す。
【００４０】
【表４】
2011208732.tif 000009
【００４１】
ここで、表４は従来の一般的なボールねじ装置である比較例ａの寿命を1として比較した相対寿命で示している。
比較例ｂは、Ｄｎ２６万の超高速試験を行ったところ、０．４５倍の短寿命で循環部品に損傷が生じ、走行不能となった。
実施例ａ，ｃは、いずれも本発明で提案する形態のボールねじ装置であり、Ｄｎ２０万の高速試験を行っても比較例ａの３倍以上の走行後も損傷が生じなかった。
実施例ｂは、本発明で提案する形態のボールねじ装置であり、Ｄｎ２６万の超高速試験を行ったところ、比較例ａの２．２倍の走行距離で循環部品に損傷を生じた。
実施例ｄは、本発明で提案する形態のボールねじ装置であり，Ｄｎ２６万の超高速試験を行ったところ、比較例ａの２．８倍の走行距離で循環部品に損傷が生じた。
このように、本発明で提案するボールねじ装置は、高速・高荷重条件下で使用されても早期損傷が起こりにくく長寿命であることが分かった。
【符号の説明】
【００４２】
１      ボールねじ装置
３      ねじ軸
３ａ    軸ねじ溝
５      ナット
５ａ    ナットねじ溝
７      ボール転動路
９      セラミックボール
１１      樹脂スペーサ
１１ａ    凹面
１５      チューブ
【図１】
2011208732.tif 000010
【図２】
2011208732.tif 000011
【図３】
2011208732.tif 000012
【図４】
2011208732.tif 000013
【図５】
2011208732.tif 000014
【図６】
2011208732.tif 000015
【図７】
2011208732.tif 000016