(57)【要約】【課題】特定範囲に過大な荷重が作用するナットにおいて、ナット内部の複数のボールが受ける負荷分布の均一化を図る。【解決手段】このボールねじ１０のナット２は、負荷転動路を構成するねじ溝２ａが内周面に形成されている円筒部４に、円筒部４の特定の部分に設けられた低剛性部と、円筒部４の特定の部分以外の部分に設けられて低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを有する。【選択図】図２
2017072233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸と、前記ねじ軸が貫通するナットと、前記ナットと前記ねじ軸との間の負荷転動路に介装される複数のボールとを備えるボールねじであって、
前記ナットは、前記負荷転動路を構成するねじ溝が内周面に形成されている円筒部に、当該円筒部の特定の部分に設けられた低剛性部と、当該円筒部の特定の部分以外の部分に設けられて前記低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを有するボールねじ。
【請求項２】
前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面が軸方向に連続するテーパ形状に形成され、前記テーパ形状の径の太い側が前記高剛性部であり、前記テーパ形状の径の細い側が前記低剛性部になっている請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面の径が、軸方向に段階的に変化する複数の円筒状段部に形成され、前記複数の円筒状段部のうち、外径形状の径の太い側が前記高剛性部であり、外径形状の径の細い側が前記低剛性部になっている請求項１に記載のボールねじ。
【請求項４】
前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面が、前記負荷転動路が描く螺旋軌道に沿って軸方向に交互に形成された複数の小径部と複数の大径部とを有し、前記複数の大径部が前記高剛性部であり、前記複数の小径部が前記低剛性部になっている請求項１に記載のボールねじ。
【請求項５】
射出成型機またはプレス機の駆動部に用いられる請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじに係り、特に、高負荷用に好適なボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般のボールねじにおいては、螺旋軌道内の各ボールに全て均等に荷重が加わると仮定して、ねじ軸の螺旋溝およびナットの螺旋溝が、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。
しかし、ナットに固定された部材からナットに大きな軸方向荷重が加わったときには、ナット自体が軸方向に弾性変形することにより、ナット内のボールへの負荷分布が軸方向に沿って変化し、軌道の一部に位置するボールに他の部分よりも大きな荷重が加わる。このことは、ボールねじの寿命を短くすることに繋がり、また、このような大きな荷重が加わる部分に合わせて安全設計を行う必要がある。
そこで、例えば特許文献１に記載の技術では、ナットの横断面積Ｓ１と、ねじ軸の横断面積Ｓ２との比率を近づけるように断面積を調整して（Ｓ１／Ｓ２が１．０以上５．０以下）、負荷分布の均一化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５５２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、ナットの外径寸法を単一的に調整して、ねじ軸の横断面積に対してナットの横断面積を所定の比率を近づけるため、例えば、ナットの特定範囲に過大な荷重が作用する場合には、負荷分布の均一化を図る上で対応が困難である。
そこで、本発明は、ナットの特定範囲に過大な荷重が作用する場合であっても、ナット内部の複数のボールが受ける負荷分布の均一化を図ることができるボールねじを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るボールねじは、ねじ軸と、前記ねじ軸が貫通するナットと、前記ナットと前記ねじ軸との間の負荷転動路に介装される複数のボールとを備えるボールねじであって、前記ナットは、前記負荷転動路を構成するねじ溝が内周面に形成されている円筒部に、当該円筒部の特定の部分に設けられた低剛性部と、当該円筒部の特定の部分以外の部分に設けられて前記低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを有する。
【０００６】
本発明の一態様に係るボールねじによれば、負荷転動路を構成するねじ溝が内周面に形成されている円筒部に、当該円筒部の特定の部分に設けられた低剛性部と、当該円筒部の特定の部分以外の部分に設けられて低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを有するので、ナットの特定の部分に対して特定の部分以外の部分と剛性の異なる剛性部を設定することができる。そのため、ナットの特定範囲に過大な荷重が作用する場合であっても、ナット内部の負荷分布の均一化を図ることができる。
【０００７】
ここで、本発明の一態様に係るボールねじにおいて、前記ナット内部のボールが受ける負荷分布に応じて、複数の回路毎に、または一の負荷転動路に対し、前記低剛性部と前記高剛性部とを連側的に、または段階的に設けることは好ましい。
例えば、本発明の一態様に係るボールねじにおいて、前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面が軸方向に連続するテーパ形状に形成され、前記テーパ形状の径の太い側が前記高剛性部であり、前記テーパ形状の径の細い側が前記低剛性部になっていることは好ましい。このような構成であれば、円筒部の外径形状に低剛性部と高剛性部とを連側的に設定して、ナット内部のボールの負荷分布の均一化を図る上で好適である。
【０００８】
また、本発明の一態様に係るボールねじにおいて、前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面の径が、軸方向に段階的に変化する複数の円筒状段部に形成され、前記複数の円筒状段部のうち、外径形状の径の太い側が前記高剛性部であり、外径形状の径の細い側が前記低剛性部になっていることは好ましい。このような構成であれば、複数の回路毎に、円筒部の外径形状を段階的に設定して、ナット内部のボールの負荷分布の均一化を図る上で好適である。
【０００９】
また、本発明の一態様に係るボールねじにおいて、前記円筒部の外径形状は、前記円筒部の外周面が、前記負荷転動路が描く螺旋軌道に沿って軸方向に交互に形成された複数の小径部と複数の大径部とを有し、前記複数の大径部が前記高剛性部であり、前記複数の小径部が前記低剛性部になっていることは好ましい。このような構成であれば、一の負荷転動路に対し、負荷転動路が描く螺旋軌道に沿って円筒部の外径形状を設定して、ナット内部のボールの負荷分布の均一化を図る上で好適である。
【発明の効果】
【００１０】
上述のように、本発明によれば、ナットの特定範囲に過大な荷重が作用する場合であっても、ナット内部の負荷分布の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一態様に係るボールねじの第一実施形態（ナット外周面がテーパ形状に形成されている）を示す説明図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１（ｂ）での、ナットの軸線に沿った断面図である。
【図３】図１のボールねじのナット内部のボールの負荷分布を検証（シミュレーション）した結果を示すグラフである。
【図４】本発明の一態様に係るボールねじの第二実施形態を示す説明図（平面図）である。
【図５】本発明の一態様に係るボールねじの第三実施形態を示す説明図（平面図）である。
【図６】図５のボールねじのナット内部のボールの負荷分布を検証（シミュレーション）した結果を示すグラフであり、同図（ａ）は比較例、（ｂ）が実施例である。
【図７】円筒部全体が同一径のナットを有する比較例のボールねじの一例を示す説明図（平面図）である。
【図８】図７のボールねじのナット内部のボールの負荷分布を検証（シミュレーション）した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一態様に係るボールねじの一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。本実施形態のボールねじは、射出成型機やプレス機等の設備に用いられる高負荷用のボールねじである。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す各実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態のボールねじ１０は、３回路のボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃを有するチューブ方式のボールねじである。このボールねじ１０は、ねじ軸１と、ねじ軸１の外周に複数のボール３（図２参照）を介して螺合するナット２とを有する。ナット２の円筒部４の一端には、円環状のフランジ５が設けられている。なお、本実施形態では、射出成型機やプレス機等の設備に用いるに際し、同図において、ねじ軸１は、同図右側が固定されるとともに、主荷重Ｆの作用方向がナット２のフランジ４に対して同図左側から軸線ＣＬと並行に入力されるものとする。
【００１４】
図２に断面を示すように、ねじ軸１の外周面には、螺旋状のねじ溝１ａが設けられ、また、ナット２の円筒部４の内周面には、ねじ軸１のねじ溝１ａと径方向で対向する位置に螺旋状のねじ溝２ａが設けられている。そして、両ねじ溝１ａ，２ａによって形成される負荷転動路に複数のボール３が介装されており、ねじ軸１又はナット２の一方が相対回転することで、複数のボール３が負荷転動路を転動し且つ循環し、ねじ軸１又はナット２の他方が直線移動するようになっている。
このナット２は、３回路のボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃによって軸方向に沿って円筒部４が軸方向で３つの区画に分けられており、各区画におけるねじ溝２ａの両端部が、戻り路をそれぞれ形成する循環チューブ６、７、８によって連結されることで、３回路のボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃが形成されている。以下、図１及び図２における左側から順に、第１回路Ａ，第２回路Ｂ，第３回路Ｃと呼ぶ。
【００１５】
本実施形態では、第１回路Ａ及び第３回路Ｃの循環チューブ６、８の取付け位置に対し、図１に示すように、第２回路Ｂの循環チューブ７取付け位置を、円周方向に１８０度反転した位置に設けている。第１回路Ａ及び第３回路Ｃの循環チューブ６及び循環チューブ８の取付け位置に対し、第２回路Ｂの循環チューブ７の取付け位置を円周方向１８０度反転させることで、円周方向における第１回路Ａ及び第３回路Ｃでの有効ボール数が少ない部分と、第２回路Ｂでの有効ボール数が少ない部分とが円周方向で重なることが回避される。つまり、円周方向における無負荷圏（ボール３が存在しない部分）が分散することで、円周方向での各有効ボール３に対する負荷分布のバラツキが抑えられている。
さらに、この第一実施形態では、図１に示すように、ナット２は、円筒部４の外径形状が軸方向に連続的にテーパ状に変化している。
【００１６】
本実施形態では、円筒部４の外周面は、荷重の入力部となるフランジ４側の外径寸法が小さく、フランジ４の反対側に向かうにつれて拡径するように、軸方向に連続的にテーパ状に変化している。つまり、本実施形態のナット３の円筒部４は、テーパ形状の径の太い側が高剛性部であり、テーパ形状の径の細い側が低剛性部になっている。なお、本実施形態においては、円筒部４のうち、第１回路Ａのねじ溝２ａを内周面に有する部分が、「課題を解決するための手段」に記載の「特定の部分」に対応し、第２回路Ｂ及び第３回路Ｃのねじ溝２ａを内周面に有する部分が「特定の部分以外の部分」に対応している。
【００１７】
次に、上記第一実施形態のボールねじの作用効果について説明する。
ここで、図７に比較例のボールねじ１００を示す。同図に示すように、比較例のボールねじ１００は、円筒部１０４の外径が同一径のナット１０２を有する。なお、比較例のボールねじ１００は、円筒部１０４全体が同一径である点以外は上記第一実施形態のボールねじ１０と同様の構成である。比較例のボールねじ１００のナット１０２内部のボールの負荷分布を検証（シミュレーション）した結果を図８に示す。同図に示すように、比較例のボールねじ１００では、円筒部１０４の外径が同一径のナット１０２の場合、３つのボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃのうち、特に、最も左側の第１回路Ａ（図３中に破線で囲って示す）での負荷が他の部分よりも大きくなっており、ナット内部の負荷分布が不均一であることがわかる。
【００１８】
これに対し、第一実施形態のボールねじ１０では、上述したように、ナット２の外径形状を、主荷重作用位置となる最も左側の第１回路Ａの周囲の円筒部４の肉厚が薄くなるようにテーパ状に形成して、第１回路Ａの部分の剛性を第２回路Ｂ及び第３回路Ｃの部分の剛性よりも下げている。これにより、主荷重作用位置でナット外径を「小さく」すると肉厚が減るので中央の第２回路Ｂと最も右側の第３回路Ｃでの剛性が相対的に上がる。そのため、ナット内部のボール３が負荷を受けたときにナット２がより弾性変形し易くなる。これにより、主荷重作用位置で負荷を受けるとナット２の第１回路Ａの部分の弾性変形量が他の箇所よりも大きくなるので、主荷重作用位置近傍でのボール３が受ける負荷が軽減され、他の箇所のボール３が担う負荷が相対的に増える。したがって、３つのボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃの全体として、図３にナット内部のボール３の位置と作用荷重との関係を示すように、ナット内部の負荷分布を均一化することができる。
【００１９】
このように、第一実施形態のボールねじ１０によれば、円筒部４の外周面を、主荷重Ｆの入力部となるフランジ４側の外径寸法を小さくし、フランジ４の反対側に向かうにつれて拡径するように、軸方向に連続的にテーパ状に形成しているので、円筒部４の特定の部分に対して特定の部分以外の部分とは異なる剛性を設定することができる。そのため、ナット２の特定範囲に過大な荷重が作用する場合であっても、ナット内部の負荷分布の均一化を図ることができるのである。
【００２０】
なお、本発明に係るボールねじは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記第一実施形態では、円筒部４の外径形状は、円筒部４の外周面が軸方向に連続するテーパ形状に形成され、テーパ形状の径の太い側が高剛性部であり、テーパ形状の径の細い側が低剛性部になっている例を説明したが、これに限定されず、本発明に係るボールねじは、円筒部４に、当該円筒部４の特定の部分に設けられた低剛性部と、当該円筒部４の特定の部分以外の部分に設けられて低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを有する構成であれば、種々の態様とすることができる。
【００２１】
例えば、図４に第二実施形態を示す。同図に示すように、第二実施形態では、ナット２の円筒部４は、３つのボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃの周囲の円筒部４の肉厚が異径に変化する複数の円筒状段部を軸方向に段階的に有する。
つまり、第二実施形態のボールねじでは、３つのボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃに対応させて、各回路Ａ、Ｂ、Ｃ毎に、円筒部４の外径形状を、最も左側の第１回路Ａの周囲の円筒部４の肉厚が薄くなるように複数の円筒状段部４ａ、４ｂ、４ｃを形成して、最も左側の第１回路Ａの部分の剛性を第２回路Ｂ及び第３回路Ｃの部分の剛性よりも下げている。
【００２２】
この例では、第一円筒状段部４ａの外径が最も小さく、第二円筒状段部４ｂ外径が第一円筒状段部４ａの外径よりも大きく且つ第三円筒状段部４ｃの外径よりも小さく、第三円筒状段部４ｃの外径が最も大きい。これにより、第１回路Ａの部分の円筒部４の剛性が最も低く、第２回路Ａの部分の円筒部４の剛性が１回路Ａの部分よりも高く且つ第３回路Ｃの部分よりも低く、第３回路Ｃの部分の円筒部４の剛性が最も高くなっている。
【００２３】
第二実施形態のボールねじ１０によれば、複数の円筒状段部４ａ、４ｂ、４ｃにより、上記第一実施形態同様に、同図左側から順に段階的に剛性を上げて低剛性部と高剛性部とを設けることで、最も左側の第１回路Ａの部分の剛性に対し、中央の第２回路Ｂと最も右側の第３回路Ｃでの剛性が相対的に上がる。そのため、特定範囲（この例では図３の最も左側の第１回路Ａが形成されている円筒状段部４ａ部分）に過大な荷重が作用しても、３つのボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃの全体として、ナット内部の負荷分布を均一化することができる。なお、各段部に対して、第一実施形態のような、外周面が軸方向に連続的にテーパ状に変化する構成を更に組み合わせてもよい。
【００２４】
また、例えば図４に第三実施形態を示す。同図に示すように、第三実施形態では、ナット２の円筒部４は、その外周面が、負荷転動路が描く螺旋軌道に沿って軸方向に交互に形成された複数の小径部４ｄと複数の大径部４ｅとを有する。
第三実施形態では、図６（ａ）に示す比較例（図７の円筒部１０４全体が同一径のボールねじ１００）のように、ナット内部の螺旋軌道に沿って転動するボール３の荷重が大きくなる範囲（図６（ａ）での二つの破線間の幅を示す符号Ｔｎ）に着目し、各ボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃの螺旋軌道に沿って、ナット内部のねじ溝２ａの位相に合わせてボール３の荷重が大きくなる箇所の円筒部４の外周部分を小径とし、ボール３の荷重が小さくなる箇所の外周部分を大径とするように、複数の小径部４ｄと複数の大径部４ｅとを軸方向に交互に設けている。第四実施形態のボールねじ１０によれば、螺旋軌道に沿ってナット２の円筒部４の外径形状を異径に設定することにより、図６（ｂ）に実施例を示すように、二つの破線間の幅Ｔｐを狭くして、ナット内部の負荷分布の均一化を図ることができる。
【００２５】
なお、ナット内部のボール３の荷重が大きくなる範囲に応じ、ナット内部のねじ溝２ａの位相に合わせて、ナット２の円筒部４の外径形状を、螺旋状をなす凹凸形状とすることができる。このような構成としても、螺旋軌道に沿って円筒部４の外径形状を設定してナット内部の負荷分布の均一化を図ることができる。
更に、軸方向に交互に形成された複数の小径部４ｄと複数の大径部４ｅや、螺旋状をなす凹凸形状とすることに加えて、第一実施形態のような、外周面が軸方向に連続的にテーパ状に変化する構成を組み合わせたり、第二実施形態のような、各回路に対して軸方向に段階的に異径に変化する構成を組み合わせたりしてもよい。
【００２６】
また、上記各実施形態では、ナット２の円筒部４の剛性を変える方策として、円筒部４の外径形状（外径寸法）を異ならせた例で説明したが、これに限らず、本発明に係るボールねじは、例えば熱処理、材質、密度等を変えることにより、円筒部４の特定の部分に設けられた低剛性部と、円筒部４の特定の部分以外の部分に設けられて低剛性部よりも剛性が高い高剛性部とを設けることができる。
【００２７】
また、本発明を適用できるボールねじは、上記実施形態に示したようなチューブ循環方式に限定されない。例えば、いわゆるデフレクタ循環方式（複数組のボール連通路を互いに連通するボール戻し溝を有してナットの外周部に取付けられるガイドプレートと、各ボール連通路の内方側に配設されてボールねじ軸及びナットのねじ溝間に介装されたボール群をボール連通路側へ順次導くボール掬上げ部材とで循環路が構成されている）のものにも適用できる。
【００２８】
また、ガイドプレート循環方式（ボール連通路を互いに連通するボール戻し溝を有してナットの外周部に取付けられるガイドプレートに、ボール連通路内に嵌挿される案内片を突設し、この案内片の内面側に外側ボール案内面を形成し、該外側ボール案内面でボール戻し溝の両端と各ボール連通路との間での実質的なボールの方向転換を行うように構成されている。）のものに対しても適用可能である。
【００２９】
また、上記実施形態では、循環回路として、ボール循環路Ａ、Ｂ、Ｃの３回路を有するボールねじについて説明したが、本発明のボールねじは、３回路に限定されるものではなく、３回路以上の循環路を有するボールねじにも適用できるし、１回路のみを有するボールねじにも適用できる。また、上記実施形態では、ナットの数が一個のいわゆるシングルナットタイプの例について述べたが、一個のナットに限らず、ダブルナットタイプのように２個以上のナットを使用して全ナットで一のボールねじを構成する場合であっても適用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１    ねじ軸
２    ナット
３    ボール
４    （ナットの）円筒部
５    （ナットの）フランジ
６、７、８    循環チューブ
１０    ボールねじ
【図１】
2017072233.tif 000003
【図２】
2017072233.tif 000004
【図３】
2017072233.tif 000005
【図４】
2017072233.tif 000006
【図５】
2017072233.tif 000007
【図６】
2017072233.tif 000008
【図７】
2017072233.tif 000009
【図８】
2017072233.tif 000010