(57)【要約】【課題】回転するねじ軸においてもねじ軸の温度分布の均一化を図ることができる直動装置を提供する。【解決手段】ねじ軸またはナットの一方を回転させて他方を軸方向に移動させる直動装置において、ねじ軸に軸方向に伸長する中空部を設け、この中空部に固体の高熱伝導性材料で形成した高熱伝導性部材を埋設する。【選択図】        図１
2007051686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸またはナットの一方を回転させて他方を軸方向に移動させる直動装置において、
前記ねじ軸に、軸方向に伸長する中空部を設け、該中空部に固体の高熱伝導性材料で形成した高熱伝導性部材を埋設したことを特徴とする直動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記高熱伝導性材料が、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする直動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械や精密機械、射出成形機、プレス成形機等の機械装置の送り機構等に用いられるボールねじ装置や遊星ローラねじ装置等のねじ軸またはナットの一方を回転させて他方を軸方向に移動させる直動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、機械装置の送り機構に用いられる直動装置は、高い位置決め精度と高い剛性および安定した摩擦特性が要求される。このような要求を満足させるために直動装置は予圧をかけて使用するのが一般的である。
この予圧をかけた状態で直動装置の部品が熱変形を起こすと、各部品の寸法が変化し、位置決め精度の低下を生ずる他、予圧荷重の変化に伴って剛性の変化や摩擦特性の変化が生ずることになり、直動装置を冷却することが求められる。
【０００３】
このような冷却を行う場合に、従来の直動装置としてのボールねじ装置は、ボール軸に軸方向に伸長する密閉空間を設け、この密閉空間にアルコール等の液体の冷媒を封入し、その内壁に毛細管現象を利用して冷媒の循環に用いるウイックを設けてヒートパイプを形成して高温部の熱を放熱している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１９３８５７号公報（第３頁段落００１９−００２３、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術においては、回転するねじ軸としてのボール軸の内部に設けた密閉空間に液体の冷媒を封入し、これを毛細管現象を利用したウイックにより循環させているため、ボール軸の回転に伴ってウイックを毛細管現象により移動する液体に遠心力が作用し、液体が密閉空間の内壁側に押し付けられて冷媒の循環が阻害され、高温部への冷媒の供給が不十分になってヒートパイプの熱輸送能力が低下し、ボール軸に局部的な熱変形が生じて予圧荷重の変化に伴う剛性の変化や摩擦特性の変化が生ずるという問題がある。このことは、高速回転化が進む今日において特に重要である。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、回転するねじ軸においてもねじ軸の温度分布の均一化を図ることができる手段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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、ねじ軸またはナットの一方を回転させて他方を軸方向に移動させる直動装置において、前記ねじ軸に軸方向に伸長する中空部を設け、該中空部に固体の高熱伝導性材料で形成した高熱伝導性部材を埋設したことを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
これにより、本発明は、発熱部からの熱を固体の高熱伝導性部材によりねじ軸の各部へ輸送して拡散させることができ、回転するねじ軸においても安定した放熱性能を発揮させることができると共に、ねじ軸の温度分布を均一化して予圧荷重や摩擦特性の安定化を図ることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、図面を参照して本発明による直動装置の実施例について説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は実施例１のボールねじ装置を示す側面図、図２は実施例１のボールねじ装置を示す断面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１、図２において、１は直動装置としてのボールねじ装置である。
２は直動装置のねじ軸としてのボール軸であり、合金鋼等の鋼材で製作された棒状部材であって、その外周面には略半円弧形状の軸軌道溝３が所定のリードで螺旋状に形成されている。
【００１０】
ボール軸２の両端部には、図３に示す軸軌道溝３の谷径Ｄｔと略同等の外径を有する支持部４が設けられており、この支持部４に図示しない転がり軸受の内輪が嵌合してボール軸２を回転自在に支持する。
５は直動装置のナットとしてのボールナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内周面には軸軌道溝３と対向する略半円弧形状の一対のナット軌道溝６が軸軌道溝３と同じリードで形成されている。
【００１１】
７は直動装置の転動体としてのボールであり、合金鋼等の鋼材等で製作された球体であって、軸軌道溝３とナット軌道溝６の間に複数装填されてボール軸２とボールナット５を螺合させる。
本実施例の一対のナット軌道溝６は、軸軌道溝３に対してそれぞれ軸方向の外側にずれた状態で形成されており、それぞれに対向する軸軌道溝３とナット軌道溝６の間にボール７が挟持されボールねじ装置１に適切な予圧が付与される。
【００１２】
８はボールねじ装置１の連結路としてのリターンチューブであり、鋼材や樹脂材料等で製作され、ボール７が循環できる内径を有する略Ｕ字形に曲折した管であって、ボールナット５の一部を軸方向に切欠いた平面５ａに設けられた穴にその端部が嵌合して、ナット軌道溝６を連結する。
９はフランジ部であり、ボールナット５の外周部に設けられ、フランジ部９に設けた図示しないボルト穴により図示しない機械装置の移動体にボルト等で固定される。
【００１３】
１０は中空部であり、ボール軸２の軸芯に沿って穿孔された止り穴であって、ボール軸２の一方の支持部４の端面４ａに開口する開口部１１から軸軌道溝３の有効長さの終端部３ａ近傍の底部１２まで略軸軌道溝３の有効長さの全長に渡って軸方向に伸長する穴である。
１５は固体の高熱伝導性材料で形成した高熱伝導性部材であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性の複合焼結材料をパイプ状に成形したパイプ状部材であって、中空部１０の開口部１１から底部１２の間に圧入等により中空部１０の側壁との境界面に隙間が生じないように埋設される。
【００１４】
本実施例の高熱伝導性の複合焼結材料は、例えば特開２００３−２１３３５１号公報や特開２００２−８０２８０号公報に開示されている炭化物や黒鉛粉末、炭素繊維を含む焼結材料である高熱伝導性複合材料である。この材料は熱伝導性に異方性を有する材料であるので、本実施例で用いる場合は少なくとも軸方向に２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有するように形成することが必要である。
【００１５】
なお、本実施例の高熱伝導性部材に用いる材料は、前記に限らず、銅や銀、金、アルミニウム等の２００Ｗ／ｍＫ以上の等方性の熱伝導率を有する金属材料であってもよい。
図３において、ボール軸２の中空部１０の内径Ｄｉは、軸軌道溝３の谷径Ｄｔの５０パーセント以上の直径となるように成形する。５０パーセント未満では埋設された高熱伝導性部材１５の軸方向への熱輸送能力が不十分となって後述するボール軸２の温度分布の均一化効果が得られないからである。
【００１６】
また、高熱伝導性部材１５の形状は、上記のパイプ状であっても実軸であってもよい。  上記のボール軸２の軸軌道溝３とこれに対向するボールナット５のナット軌道溝６およびこれを連結するリターンチューブ８の内径面により循環路が形成され、この循環路に複数のボール７と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入される。
これにより、軸軌道溝３とナット軌道溝６とがボール７を介して予圧を与えられた状態で螺合し、ボール軸２を回転させることによってボール７が循環路を循環しながらボールナット５を軸方向に移動させる。これによりボール軸２の回転運動がボールナット５の直線運動に変換され、ボールねじ装置１が直動装置として機能する。
【００１７】
本実施例のボールねじ装置１のボール軸２の外径は３２ｍｍ、軸転動溝３のリードは５ｍｍ、軸転動溝３の有効長さ６００ｍｍ、軸転動溝３の谷径Ｄｔ＝２９ｍｍ、中空部１０の内径Ｄｉ＝２０ｍｍである。
また、上記に合金鋼として示したボール軸２やボールナット５等の金属部品の材料は、クロムモリブデン鋼（ＳＡＥ４１５０やＳＣＭ４２０Ｈ等）およびマルテンサイト系のステンレス鋼であり、その熱伝導率は約５０Ｗ／ｍＫ以下の材料である。これに対して本実施例の高熱伝導性部材１５の熱伝導率は上記のように２００Ｗ／ｍＫ以上であり、４倍以上の熱伝導率を有しているので工作機械等の直動装置に用いるねじ軸（本実施例ではボール軸２）の温度分布の均一化のためには十分な熱伝導率と時間応答性を備えている。
【００１８】
上記の構成の作用について説明する。
図１のように組立てたボールねじ装置１のボール軸２を図示しないモータ等の駆動装置によって回転させると、予圧およびボールナット５に負荷された軸方向の荷重に応じて軸軌道溝３、ボール７、ナット軌道溝６の間で摩擦により発熱し、その熱が熱伝導によりボール軸２の外径側から内径側へ金属材料を半径方向に伝わってそこに埋設されている高熱伝導性部材１５に伝導する。
【００１９】
この高熱伝導性部材１５に伝導した熱は、高熱伝導性部材１５の高い熱伝導率によって軸方向に輸送され、その途中でボール軸２の金属材料に伝導して内径側から外径側へ半径方向に伝わってボール軸２の外表面に達し、そこから外部へ熱放射により放熱され、ボールナット５、ボール７温度を低下させると共に、発熱部からボール軸２へ伝導された熱を拡散してボール軸２の温度分布を均一化させる。
【００２０】
このように、発熱部からの熱を中空部１０に埋設された高熱伝導性部材１５により軸方向に輸送し、ボール軸２の各部へ拡散させて放熱することよりボール軸２の温度分布を均一化することが可能になり、ボール軸２の各部の熱膨張を一定にして予圧荷重の変化に伴う剛性の変化や摩擦特性の変化を抑制を抑制することができる。
以上説明したように、本実施例では、直動装置としてのボールねじ装置のボール軸に中空部を設け、この中空部に固体の高熱伝導性材料で形成した高熱伝導性部材を埋設するようにしたことによって、発熱部からの熱を固体の高熱伝導性部材によりボール軸の各部へ輸送して拡散させることができ、回転するボール軸においても安定した放熱性能を発揮させることができると共に、ボール軸の温度分布を均一化して予圧荷重や摩擦特性の安定化を図ることができる。このことは高速回転を必要とするボールねじ装置の作動の安定化に有用である。
【００２１】
また、固体の高熱伝導性部材の熱伝導率を２００Ｗ／ｍＫ以上にすることによって、発熱部からの熱を主に高熱伝導性部材により軸方向に輸送することができ、ボール軸による熱の拡散を速やかに行うことができると共に、ボール軸の回転速度に関わらず優れた放熱性能を発揮させることができる。
なお、本実施例では、ボールナットをボール軸に予圧を与えて螺合させるボールねじ装置を例に説明したが、ボールナットをボール軸に予圧を与えずに螺合させる形式のボールねじ装置の場合も同様である。この場合の発熱はボールねじ装置に負荷される軸方向の荷重によりボールがナット軌道溝と軸軌道溝とに挟持されることによって発生し、上記と同様にその熱は熱伝導によりねじ軸の高熱伝導性部材へ伝導し、高熱伝導性部材によりねじ軸の各部へ拡散されて外部へ放熱される。
【００２２】
また、本実施例においては、リターンチューブを連結路としてボールを循環させるチューブ式の循環方式を用いたボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、連結路は上記に限らず、連結路をこま式やエンドキャップ式等とした循環方式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
更に、本実施例においては、ボールねじ装置のボール軸を回転させてボールナットを軸方向に移動させるとして説明したが、ボールナットを回転させてボール軸を軸方向に移動させる形式のボールねじに本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２３】
図４は実施例２の遊星ローラねじ装置を示す側面図、図５は実施例２の遊星ローラねじ装置を示す断面図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図４、図５において、２１は直動装置としての遊星ローラねじ装置である。
２２は直動装置のねじ軸としての中央軸であり、合金鋼等の鋼材で製作された棒状部材であって、その外周面には１条または多条の軸ねじ２３が所定のピッチＰおよびリードで螺旋状に形成されている。
【００２４】
中央軸２２の両端部には、軸ねじ２３の谷径と略同等の外径を有する支持部４が実施例１と同様に設けられており、中央軸２２を回転自在に支持する。
２４は直動装置のナットとしてのローラナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内周面には多条のナットねじ２５が軸ねじ２３と同じピッチＰで形成されている。
【００２５】
２６は直動装置の転動体としての遊星ローラであり、合金鋼等の鋼材で製作された棒状部材であって、両方の端部には円柱状に突出した軸部２７が形成されており、両方の軸部２７間の外周面には軸ねじ２３と同じピッチＰで１条または多条のローラねじ２８が形成されている。
また、遊星ローラ２６の両方の軸部２７の内側に隣接して遊星ローラ２６と同軸に平歯車を形成した遊星ピニオンギア２９が設けられており、両方の遊星ピニオンギア２９の間のローラねじ２８が軸ねじ２３とナットねじ２５とに嵌合する。
【００２６】
３０は保持器であり、樹脂材料や金属材料で製作された円環状部材であって、遊星ローラ２６の軸部２７が嵌合する保持孔が所定の角度ピッチで複数設けられており、遊星ローラ２６の軸部２７を保持孔で保持して中央軸２２とローラナット２４の間に複数の遊星ローラ２６を所定の角度ピッチで配置する。
３１はＣ型輪止め等の抜止部材であり、保持器３０の外側に配置され、ローラナット２４の内側に設けられた図示しない取付溝に嵌め込まれて取付けられる。これにより保持器３０の軸方向の移動が制限され、保持器３０の脱落が防止される。
【００２７】
３２はリングギアであり、保持器３０に保持された小径の平歯車である遊星ピニオンギア２９に噛合う内歯の平歯車であって、ローラナット２４の内側に圧入等により固定されており、遊星ピニオンギア２９がリングギア３２に噛合うことにより遊星ローラ２６の公転を案内する。
本実施例の中央軸２２には、上記実施例１のボール軸２と同様に中央軸２２の一方の支持部４の端面４ａの開口部１１から軸ねじ２３の有効長さの終端部２３ａ近傍の底部１２まで略軸ねじ２３の有効長さの全長に渡って軸方向に伸長する中空穴１０が設けられており、実施例１と同様に熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性材料で形成されたパイプ状の高熱伝導性部材が中空部１０の側壁との境界面に隙間が生じないように埋設されている。
【００２８】
上記の中央軸２２の軸ねじ２３とローラナット２４のナットねじ２５とに、保持器３０に保持されてリングギア３２と遊星ピニオンギア２９により公転を案内された遊星ローラ２６のローラねじ２８が嵌合し、中央軸２２を回転させることによって遊星ローラ２６が中央軸２２の周りを自転しながら公転してローラナット２４を軸方向に移動させる。これにより中央軸２２の回転運動がローラナット２４の直線運動に変換され、遊星ローラねじ装置２１が直動装置として機能する。
【００２９】
このような構成の遊星ローラねじ装置２１の中央軸２２の中空部１０に高熱伝導性部材１５を埋設することにより、上記実施例１と同様に遊星ローラねじ装置２１に負荷された軸方向の荷重により軸ねじ２３、ローラねじ２８、ナットねじ２５の間でそれぞれ摩擦により発熱した熱が中央軸２２の中空部１０に埋設された高熱伝導性部材１５へ伝導し、高熱伝導性部材１５により拡散されて中央軸２２の表面から外部へ放射により放熱され、ローラナット２４、遊星ローラ２６の温度を低下させると共に、発熱部から中央軸２２へ伝導された熱を拡散して中央軸２２の温度分布を均一化させる。
【００３０】
以上説明したように、本実施例では、直動装置としての遊星ローラねじ装置の中央軸に高熱伝導性部材を埋設するようにしても、上記実施例１と同様の効果を奏することができる。
なお、本実施例においては、遊星ローラねじ装置の中央軸を回転させてローラナットを軸方向に移動させるとして説明したが、ローラナットを回転させて中央軸を軸方向に移動させる形式の遊星ローラねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
上記各実施例においては、中空部へ高熱伝導性部材を圧入して直動装置のねじ軸に高熱伝導性部材を埋設するとして説明したが、ねじ軸を暖めた後に高熱伝導性部材を中空部へ挿入して固定する焼嵌めや高熱伝導性部材を冷却した後に中空部へ挿入して固定する冷嵌め等により高熱伝導性部材をねじ軸に埋設するようにしてもよく、カーボンウィスカ等を混入した樹脂材料を溶融して中空部へ加圧注入することにより高熱伝導性部材をねじ軸に埋設するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１のボールねじ装置を示す側面図
【図２】実施例１のボールねじ装置を示す断面図
【図３】図１のＡ−Ａ断面図
【図４】実施例２の遊星ローラねじ装置を示す側面図
【図５】実施例２の遊星ローラねじ装置を示す断面図
【符号の説明】
【００３３】
１    ボールねじ装置
２    ボール軸
３    軸軌道溝
３ａ、２３ａ  終端部
４    支持部
５    ボールナット
５ａ  平面
６    ナット軌道溝
７    ボール
８    リターンチューブ
９    フランジ部
１０  中空部
１１  開口部
１２  底部
１５  高熱伝導性部材
２１  遊星ローラねじ装置
２２  中央軸
２３  軸ねじ
２４  ローラナット
２５  ナットねじ
２６  遊星ローラ
２７  軸部
２８  ローラねじ
２９  遊星ピニオンギア
３０  保持器
３１  抜止部材
３２  リングギア
【図１】
2007051686.tif 000003
【図２】
2007051686.tif 000004
【図３】
2007051686.tif 000005
【図４】
2007051686.tif 000006
【図５】
2007051686.tif 000007