JP2015124883A - Ball screw device and electrically-driven injection molding machine - Google Patents
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Abstract
Description
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関するものである。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。 The present invention relates to a ball screw device that converts rotational motion into linear motion or converts linear motion into rotational motion, and an electric injection molding machine incorporating the ball screw device. In particular, it relates to improving the durability of ball screws used for high load applications.
ボールねじ装置におけるねじ軸とボールナットは、ねじ軸とボールナットによって形成されるボールねじ溝内を循環する複数のボールを介して連結している。ねじ軸とボールナットは、小さい駆動力で相対的に螺旋運動することにより、回転運動を直線運動に変換する。
一般のボールねじ装置は、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軸方向荷重が加わったとき、ボールねじ溝内の全てのボールに均等に荷重が掛かると仮定されている。そのため、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は、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。
The screw shaft and the ball nut in the ball screw device are connected via a plurality of balls circulating in a ball screw groove formed by the screw shaft and the ball nut. The screw shaft and the ball nut convert a rotational motion into a linear motion by relatively spiraling with a small driving force.
In a general ball screw device, it is assumed that when an axial load is applied to the ball nut from a mounting member to which the ball nut is attached, all the balls in the ball screw groove are equally loaded. Therefore, the ball screw groove of the ball screw shaft and the ball screw groove of the ball nut are processed so as to have the same lead and the same effective diameter, respectively.
しかし、過大な軸方向荷重が加わった場合、ボールナット自体が軸方向に弾性変形する。即ち、ボールねじ溝内にある各ボールへの荷重分布は均等ではなく、軸方向に沿ってばらつきがでる。つまり、大きな荷重が一部のボールに負荷される。これは、ボールねじ装置の寿命を短くすることに繋がる。従って、この大きな荷重が掛かる部分を考慮した安全設計を行う必要がある。 However, when an excessive axial load is applied, the ball nut itself is elastically deformed in the axial direction. In other words, the load distribution on each ball in the ball screw groove is not uniform and varies along the axial direction. That is, a large load is applied to some of the balls. This leads to shortening the life of the ball screw device. Therefore, it is necessary to perform a safety design in consideration of the portion where the large load is applied.
このボールナットの弾性変形を小さく抑えるための従来の対応策としては、ボールナットの外径寸法を大きくしてその断面積を大きくする方法や、弾性係数の大きい材料を使用する方法などがあった。また、ボールの径を大きくしたり、ボールの数を増やしたりすることも考えられる。しかし、これらの対策は、ボールねじ装置全体の大型化や、製造コストの増加、重量の増大等を招いてしまうことがある。 Conventional countermeasures for suppressing the elastic deformation of the ball nut include a method of increasing the outer diameter of the ball nut to increase its cross-sectional area and a method of using a material having a large elastic coefficient. . It is also conceivable to increase the diameter of the balls or increase the number of balls. However, these measures may lead to an increase in the overall size of the ball screw device, an increase in manufacturing cost, an increase in weight, and the like.
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、特許文献１や特許文献２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、ボールねじ溝の有効径やリードを軸方向に沿って異なる加工をすることで、ボールねじ溝内の全てのボールに均一に荷重が負荷されるようにするものである。
As techniques for improving the life of the ball screw device while avoiding an increase in the size of the entire ball screw device, there are those disclosed in Patent Document 1 and
しかしながら、上記特許文献２等に記載の技術を採用すると、軸方向のボールねじ溝の径等にそれぞれ異なる加工をする必要がある。複雑な加工はコストアップを伴いやすい。
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ある。即ち、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軸方向の荷重分布（負荷分布）のばらつきを抑制し、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。
However, when the technique described in the above-mentioned
The present invention has been made paying attention to the above problems. That is, a ball screw device and a ball screw device that can suppress the variation in the load distribution (load distribution) in the axial direction of each ball in the ball nut and improve the life of the ball screw device with a simple configuration are incorporated. The object is to provide an electric injection molding machine.
上述のように、従来の対応策にあっては、ボールナットの弾性変形に伴ってボールねじ溝内のボールへの荷重分布が軸方向に均一でないことは考慮されているものの、ねじ軸の弾性変形の影響に対する考慮が不足している。
本発明は、このことに鑑み、大きな軸方向荷重が負荷された際のボールナットの弾性変形と共に、ねじ軸の弾性変形による影響も考慮したものである。すなわち、ボールねじとボールナットとの縦断面積比の特定と、ボールナットの軸方向荷重作用部の位置を特定することで、ボールねじ溝内のボールへの荷重分布を軸方向に均一化しようとする発明である。これによれば、上述のような、複雑な加工技術を採用しなくても良く、ボールねじ装置の大型化やコストアップを伴うことなくボールねじ装置の寿命向上が期待できる
As described above, in the conventional countermeasures, although it is considered that the load distribution on the ball in the ball screw groove is not uniform in the axial direction due to the elastic deformation of the ball nut, the elasticity of the screw shaft is considered. Lack of consideration for the effects of deformation.
In view of this, the present invention considers the influence of the elastic deformation of the screw shaft as well as the elastic deformation of the ball nut when a large axial load is applied. That is, by specifying the longitudinal cross-sectional area ratio between the ball screw and the ball nut, and by specifying the position of the axial load acting portion of the ball nut, an attempt is made to make the load distribution on the ball in the ball screw groove uniform in the axial direction. It is an invention to do. According to this, it is not necessary to employ a complicated processing technique as described above, and the life of the ball screw device can be expected to be improved without increasing the size and cost of the ball screw device.
ここで、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複数のボールと、その複数のボールの戻り路とを備えると共に、上記ねじ軸は、負荷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、ねじ軸の縦断面積に対するボールナットの縦断面積の比を、０．５以上２以下としたことを特徴とするボールねじ装置。 Here, the invention described in claim 1 of the present invention includes a screw shaft having a ball screw groove on the outer surface, and at least one ball nut having an inner surface having a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft. A spiral passage formed by the ball screw groove of the ball nut and the ball screw groove of the screw shaft, a plurality of balls circulating in the spiral passage, and a return path of the plurality of balls. In the ball screw device, the screw shaft receives a loaded axial load mainly on one end side in the axial direction, and the ball nut is on the end side in the axial direction distal to the one end portion in the axial direction of the screw shaft. An axial load acting portion for receiving an axial load from a mounting member for attaching the ball nut is provided, and a ratio of the longitudinal sectional area of the ball nut to the longitudinal sectional area of the screw shaft is 0.5 or more and 2 or less Ball screw device, characterized in that the.
ここで、上記ねじ軸における、上記負荷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とは、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。
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を想定している。この場合には、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負荷されると、上記ねじ軸の弾性変形による荷重分布のばらつきもボールナットと同じように発生する。それだけでなく、むしろボールナットよりもねじ軸の方が弾性変形による軸方向の荷重分布への影響、つまり、ばらつきが大きいという知見によってなされたものである。これは、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、ボールナットよりもねじ軸の方が小さいからである。
Here, the portion of the screw shaft that receives the loaded axial load mainly on one end side in the axial direction is, for example, the position of the support portion when the screw shaft is cantilevered. The axial load acting portion in the ball nut is a mounting portion position where a mounting member connected to the ball nut is mounted.
The present invention assumes a case where the screw shaft is configured to receive the axial load transmitted from the ball nut mainly on one end side in the axial direction, such as the screw shaft being cantilevered. In this case, when a large axial load is applied to the ball nut from the ball nut mounting member, variation in load distribution due to elastic deformation of the screw shaft also occurs in the same manner as the ball nut. In addition, it is based on the knowledge that the screw shaft has more influence on the axial load distribution due to elastic deformation, that is, the variation is larger than the ball nut. This is because the vertical cross-sectional area perpendicular to the screw shaft direction (hereinafter simply referred to as the vertical cross-sectional area) is smaller on the screw shaft than on the ball nut.
ボールナットにおいて、最も負荷が大きい部位は、軸方向荷重作用部付近に位置するボールとの接触部である。螺旋状通路内の各ボールへの負荷は、当該作用部から離れるにつれて小さくなる。また、ねじ軸にあっては、軸方向荷重を受ける側、つまり、軸方向一端部に近い部分に位置するボールへの負荷が最も大きく、その位置から離れるにつれてボールへの負荷は小さくなる。これらのことに鑑み、ボールナットの軸方向荷重作用部とねじ軸の軸方向一端部を、軸方向に最も遠位となるよう配置する。言い換えれば、それぞれの軸方向荷重作用位置を、軸方向反対側に配置する。これにより、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合う傾向となる。この結果、軸方向に沿ったボールの荷重分布のばらつきが抑制される。 In the ball nut, the portion with the largest load is a contact portion with the ball located in the vicinity of the axial load acting portion. The load on each ball in the spiral passage decreases as the distance from the action portion increases. Further, in the screw shaft, the load on the ball located on the side receiving the axial load, that is, the portion close to the one end in the axial direction is the largest, and the load on the ball becomes smaller as the distance from the position is increased. In view of these, the axial load acting portion of the ball nut and the one axial end portion of the screw shaft are disposed so as to be the most distal in the axial direction. In other words, the respective axial load application positions are arranged on the opposite side in the axial direction. As a result, the influence of the elastic deformation of the ball nut tends to cancel out the influence of the elastic deformation of the screw shaft. As a result, variation in the load distribution of the ball along the axial direction is suppressed.
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。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。これにより、ボールナットの弾性変形とねじ軸の弾性変形とが対称的に影響を及ぼし合い、荷重分布の均一化を促進できる。この結果、ボールナットの大型化や難しい加工を伴う技術を採用しなくても、高負荷に耐えるボールねじ装置を構成でき、寿命の向上が期待できる。 At this time, the vertical cross-sectional area of the ball nut is relatively brought close to the vertical cross-sectional area of the screw shaft. That is, the longitudinal sectional area of the ball nut and the longitudinal sectional area of the screw shaft are made equal or substantially equal. Thereby, the elastic deformation of the ball nut and the elastic deformation of the screw shaft affect each other symmetrically, and the load distribution can be made uniform. As a result, it is possible to configure a ball screw device that can withstand high loads without adopting a technique involving an increase in the size of the ball nut or difficult processing, and an improvement in life can be expected.
更に、本発明の第二形態のボールねじ装置は以下の構成であってもよい。すなわち、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複数のボールと、その複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しても良い。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付近が好ましい。 Further, the ball screw device according to the second aspect of the present invention may have the following configuration. That is, a screw shaft having a ball screw groove on the outer surface, at least one ball nut having on the inner surface a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft, a ball screw groove of the ball nut, and a ball of the screw shaft The screw shaft includes a spiral passage formed by a thread groove, a plurality of balls circulating in the spiral passage, and a return path of the balls, and the screw shaft mainly receives an input axial load. In the ball screw device that receives at one end in the axial direction, the main load direction of all the balls in the spiral passage is set to the same direction with respect to the external load, and the axial load from the mounting member to which the ball nut is attached is received. The axial position of the axial load acting portion of the ball nut is indicated on the both sides in the axial direction of the axial load acting portion. It may be characterized in that the position. The axial position of the axial load acting portion is preferably at or near the axial center of the ball nut.
軸方向に荷重分布のばらつきが生じる主因は、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である。部材の弾性変形、つまり部材変形の大きさは、軸方向荷重作用部から最も遠位にある螺旋状通路内のボール位置までの長さで決まり、その長さが長いほど部材変形は大きくなる。 The main cause of variation in the load distribution in the axial direction is elastic deformation in the axial direction of the ball nut and screw shaft members themselves. The elastic deformation of the member, that is, the magnitude of the member deformation is determined by the length from the axial load acting portion to the ball position in the distalmost spiral passage, and the longer the length, the larger the member deformation.
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、部材変形の大きさに影響する長さが、ほぼボールナット全長に相当する。これは、軸方向荷重作用部がボールナットの軸方向中央部又はその付近にある場合に比べ、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、つまりねじ軸とボールナットの部材変形が軸方向に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は均一化されるようになる。 Therefore, when the axial load acting portion is located at the axial end of the ball nut, the length that affects the magnitude of deformation of the member substantially corresponds to the entire length of the ball nut. This is more affected by the deformation of the member than when the axial load acting portion is at or near the axial center of the ball nut. However, even in this case, by adopting the invention of claim 1 above, that is, by making the deformation of the screw shaft and the ball nut opposite to each other in the axial direction, the load distribution of the ball along the axial direction results. Becomes uniform.
これに対して、この発明では、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ることで、軸方向荷重作用部からもっとも遠位にある螺旋状通路内のボール位置までの長さが約半分となる。つまり、軸方向に沿ったボールへの荷重分布は、ボールナットの軸方向長さが半分になったのとほぼ同等となる。これにより、ねじ軸とボールナットの軸方向の弾性変形量も小さくなり、軸方向の荷重分布の均一化が期待出来る。 On the other hand, in the present invention, by setting the axial load acting portion at, for example, the central portion of the ball nut, the length from the axial load acting portion to the ball position in the most distal spiral passage is reduced. It becomes about half. That is, the load distribution on the ball along the axial direction is substantially the same as when the axial length of the ball nut is halved. Thereby, the amount of elastic deformation in the axial direction of the screw shaft and the ball nut is also reduced, and a uniform load distribution in the axial direction can be expected.
つまり、第二の実施形態に係る発明によれば、軸方向荷重作用部からみて、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、軸方向に沿ったボールのへ荷重分布が均一化するようになる。これは、請求項１と同様の作用によるものである。それと同時に、第二の実施形態では、軸方向荷重作用部から最も遠位にある螺旋状通路内のボール位置までの長さが請求項１の場合に比べて短くなる分、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荷重分布が均一化するようになる。 That is, according to the invention according to the second embodiment, as viewed from the axial load acting portion, the side closer to the one axial end portion that mainly receives the axial load of the screw shaft than the position of the axial load acting portion ( In the proximal portion, the load distribution on the ball along the axial direction becomes uniform. This is due to the same action as in the first aspect. At the same time, in the second embodiment, the amount of elastic deformation is small because the length from the axial load acting portion to the ball position in the most distal spiral passage is shorter than in the case of claim 1. As a result, the load distribution of the balls along the axial direction becomes uniform.
なお、第二の実施形態においても、上記請求項１の作用で説明したように、軸方向一端部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。 In the second embodiment as well, as explained in the operation of claim 1, the longitudinal sectional area of the ball nut portion on the side proximal to the axial one end is equal to or substantially equal to the longitudinal sectional area of the screw shaft. Preferably equal.
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。
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で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とする（図１１及び図１２参照）。この場合には、軸方向荷重が掛かる向きによって、主に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負担することとなる。これでは、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り、軸方向全域でのボールの荷重分布の均一化が困難となるためである。
Here, the reason that “the main load direction of all the balls in the spiral passage is set to the same direction with respect to the external load” is as follows.
It is assumed that the main load directions with respect to the external loads of the two sets of balls existing on both sides in the axial direction of the balls in the spiral passage are set opposite to each other with the axial load acting portion interposed therebetween (FIG. 11). And FIG. 12). In this case, depending on the direction in which the axial load is applied, the load is mainly borne by one ball group on both sides in the axial direction across the axial load acting portion. In this case, the sharing of the axial load that is borne by the two sets of balls on both sides in the axial direction across the axial load acting portion becomes significantly unbalanced, and it is difficult to make the load distribution of the balls uniform in the entire axial direction. It is to become.
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る。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。これにより、前記分担の割合が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。
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わた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したりすればよい（図１３及び図１４参照）。 ここから
On the other hand, by setting the main load direction of all the balls in the spiral passage to the same direction with respect to the external load, the main load direction of all the balls in the spiral passage with respect to the axial load is the same direction. Become. That is, the share of the axial load borne by the two sets of balls on both sides in the axial direction across the axial load acting portion is substantially equal. As a result, the sharing ratio is prevented from becoming significantly imbalanced, and the above action is effectively exhibited.
In order to set the main load direction of all the balls in the spiral passage to the same direction with respect to the external load, for example, the preload direction is set to be the same direction on both sides in the axial direction of the axial load acting portion. Or set to a state in which no preload is applied (see FIGS. 13 and 14). from here
次に、参考３の発明は、参考２の発明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縦断面積が、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。
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異なるものとし、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荷重分布の均一化を向上させることが可能となる。
Next, the invention of
According to the present invention, the longitudinal cross-sectional areas on both sides of the ball nut acting on the axial load acting portion of the ball nut are different, and the entire load on the ball along the axial direction is balanced, thereby further along the axial direction. It is possible to improve the uniformity of the load distribution of the balls.
即ち、上記参考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軸方向荷重作用部を除いて均一であれば、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に近い側（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くなる（例えば図８参照）。これに対して、参考３の発明のように、遠位にある側のボールナット部分の縦断面積を同じく近位にある部分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を小さく抑えることができる。従って、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荷重分布の均一化を図ることができる。
That is, when the configuration according to
次に請求項２に記載した発明は、請求項１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用いるのに好適なものである。 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・大３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。
Next, the invention described in
Ball screw devices such as those described above are usually very large loads by converting the rotational force of the motor into axial thrust when the injection molding machine, punching press, and various jacks that are driven by a hydraulic cylinder are driven by an electric motor. It is suitable for use in a place where it receives. Particularly, it is suitable for use in an injection molding machine driven by an electric motor, and by using the ball screw device according to claim 1 as in the present invention, the ball screw device is increased in size and increased in weight to 3 weights. The service life and durability are improved and the life of the injection molding machine is improved.
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の荷重分布の影響を相反させることで、ボールの荷重分布が均一化する。この結果、外部荷重によるボールへの最大負荷を低減できる。従って、高負荷使用環境下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。
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、さらにボールへの荷重分布の均一化を図り、耐久性の向上を期待することができる。また、請求項２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。
As described above, when the ball screw device of the present invention is employed, the load distribution of the balls is made uniform by reciprocally affecting the influence of the axial load distribution caused by the elastic deformation of the screw shaft and the ball nut. As a result, the maximum load on the ball due to an external load can be reduced. Therefore, there is an effect that it is possible to easily improve the durability under a high load use environment.
In addition, by making the longitudinal cross-sectional areas of the screw shaft and the ball nut substantially the same, and aligning the amount of elastic deformation of both, the load distribution to the ball can be made more uniform and the durability can be expected to be improved. Further, when the invention according to
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について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る。即ち、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複数のボール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を備えている。
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The basic configuration of the ball screw device according to the present invention is the same as that of a general ball screw device. That is, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, at least one ball nut having a screw shaft 1 having a ball screw groove 1d on the outer surface and a
上記ねじ軸１は、片持ち支持構造を想定している。軸方向一端部１ａ側は、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に使用され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が用いられる。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が取り付けられている。そのプーリ５の回転に伴ってねじ軸１が回転する。ねじ軸１の回転により、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が取り付けられている。このストッパ６は当該軸方向他端部１ｂからボールナット２が抜け落ちることを防止している。
The screw shaft 1 assumes a cantilever support structure. One end 1a in the axial direction is rotatably supported by the
A pulley 5 is attached to one axial end of the screw shaft 1. As the pulley 5 rotates, the screw shaft 1 rotates. The
A
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が設けられている。そのフランジ部７ａは取付け部７を構成している。この取付け部７には、スライドさせる取付け部材８がボルト止めで取付けられている。この取付け部７は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。
Further, the
In the ball screw device having the above configuration, as shown in FIG. 3A, when an axial load F1 is applied from the mounting member 8 to the mounting
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。そうすると、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の位置で最も荷重が大きくなり、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。そうすると、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）で最も荷重が大きくなり、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。
At this time, the screw shaft 1 is assumed to be a rigid body as in the conventional case, and the elastic deformation of the
On the other hand, the
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ため、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。即ち、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、ボールナット２の荷重作用位置とねじ軸１の荷重作用側とが反対側になるように配置したものである。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。
Actually, since both the
ここで、比較の為に、本発明とは異なる形態について述べる。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である。ｒ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で最も荷重が大きくなり、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）で最も荷重が大きくなり、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。従って、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。
Here, for comparison, a mode different from the present invention will be described. As shown in FIG. 4A, when the mounting
Further, when the
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。しかし、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る。その結果、上述のように、ボールに掛かる軸方向荷重の分布にばらつきが発生することになる。そして、耐久面において、荷重が最も大きく掛かるボールの位置が最も弱い部分となり、その部分から損傷が始まるものと推定される。
Basically, such a problem does not occur if both the screw shaft 1 and the
高負荷用途では、大きな荷重を受けられるように設計される。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。この設計により、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大きくなる場合がある。
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。つまり、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形による影響を大幅に低減し、ボールねじ装置の耐久性・寿命の向上に繋がる設計を行うのである。
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。
In high load applications, it is designed to receive large loads. In other words, the ball screw tends to be designed to increase the number of load balls by increasing the number of turns and the number of rows of the spiral passages in order to reduce the load of individual balls. With this design, the influence of elastic deformation of the
On the other hand, in the ball screw device according to the present invention, the position of the mounting
The present invention is an effective technique that is more effective as it becomes a ball nut device for high load applications.
ここで、本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。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、ねじ軸荷重作用側とボールナット荷重作用側と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。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、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。これは、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ことによって、ねじ軸荷重作用側とボールナット荷重作用側とに差が生じ、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）のボールへの最大荷重が大きくなるからである。
Here, in the configuration of the present embodiment, an operation when the longitudinal sectional area of the screw shaft 1 and the longitudinal sectional area of the
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（ａ）は両者の縦断面積を大きくした場合であり、図５（ｂ）は両者の縦断面積を小さくした場合である。即ち、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、それぞれの縦断面積ができるだけ大きい方が望ましい。従って、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の弾性変形を考慮し、ボールへ掛かる荷重による影響のバランスがある程度とれる範囲が好ましい。従って、縦断面積比の最大値は、概ね２以下が好ましい。
The difference in load distribution between FIGS. 5A and 5B is obtained by changing the vertical cross-sectional areas of the screw shaft 1 and the
When the screw shaft 1 and the
（第２の実施形態）
次に、第２の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の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の実施形態と同様である。即ち、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複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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings. Note that components similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and described.
The basic configuration of the ball screw device of this embodiment is the same as that of the first embodiment as shown in FIG. That is, it is composed of a screw shaft 1 having a ball screw groove 1d on the outer surface, and a
上記ねじ軸１は、片持ち支持構造を想定している。軸方向一端部１ａ側は、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に使用され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が用いられる。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が取り付けられている。そのプーリ５の回転に伴ってねじ軸１が回転する。ねじ軸１の回転により、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が取り付けられている。このストッパ６は当該軸方向他端部１ｂからボールナット２が抜け落ちることを防止している。
The screw shaft 1 assumes a cantilever support structure. One end 1a in the axial direction is rotatably supported by the
A pulley 5 is attached to one axial end of the screw shaft 1. As the pulley 5 rotates, the screw shaft 1 rotates. The
A
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デムナット構造により構成されている。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は、取付け部７を構成している。この取付け部７に、スライドさせる取付け部材８がボルト止めで取り付けられている。この取付け部７は軸方向荷重作用部を構成する。
ここで、ボールナット２の軸方向中央部に取付け部７を設けることで、軸方向荷重が負荷されるボールが、当該ボールナット２内の螺旋状通路内であって、当該取付け部７の軸方向両側にそれぞれ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。
The
Here, by providing the
In the following description, the ball nut portion closer to the
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、フランジ合わせのタンデムナット構造のボールねじは、従来から存在する。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。
即ち、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、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る。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る。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、本実施形態の対象外（範囲外）となっている。
Conventionally, a ball screw having a flange-matched tandem nut structure in which the
That is, in the conventional ball screw shown in FIG. 11, a tensile preload is applied by inserting a
Further, in the conventional ball screw shown in FIG. 12, a compression preload is applied by inserting a
As described above, in the conventional ball nut, the main load direction of the ball in the spiral path with respect to the external load is opposite to the
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の軸方向両側にわたって全て同一方向となるように設定されている。即ち、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。
On the other hand, in the ball screw that is the subject of the present embodiment, the main load direction of the ball in the spiral passage with respect to the external load is set to be the same in both axial directions of the
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、ボールを４点接触させて予圧を与える方法がある。また、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い。また、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。
In order to set all the main load directions of the balls in the spiral passage with respect to the external load to the same direction, for example, as shown in FIG. 13, a ball (oversize ball) slightly larger than the space of the ball screw groove is used. There is a method of applying a preload by bringing the ball into contact with four points. Moreover, as shown in FIG. 14, it can achieve by employ | adopting the structure which does not provide a preload.
Here, in FIGS. 13 and 14, a single nut structure is illustrated, but a tandem nut structure may be used. Moreover, it is not necessary to insert a spacer between the opposing
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。
Next, the operation and the like will be described.
In the ball screw device having the above-described configuration, as shown in FIG. 8A, when an axial load F1 is applied from the mounting member 8 to the mounting
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）に示すようになる。即ち、取付け部７の位置で最も荷重が大きくなり、その位置から軸方向両側に向けて荷重は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）に示すようになる。即ち、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）で最も荷重が大きくなり、サポートユニット３から離れていく方向に向けて荷重は徐々に小さくなる。
At this time, assuming that the screw shaft 1 is a rigid body as in the prior art and considering the elastic deformation of the
On the other hand, assuming that the
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ため、両者１、２の弾性変位を考慮すると、ボールに掛かる荷重の分布は図８（ｄ）に示すようなる。
即ち、近位ボールナット２Ａ側では、ボールへの負荷が均一化される。これは、上記第１の実施形態と同様に、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ことによる。つまり、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り、最大値と最小値との差が小さくなるからである。特に、上記第１の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の実施形態よりもボールへの負荷が均一化している。
Actually, since both the
That is, the load on the ball is made uniform on the
また、遠位ボールナット２Ｂ側では、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。これは、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）が小さくなっていることによるものである。
In addition, on the distal ball nut 2B side, the load on the ball is made uniform as a whole of the
これによって、上記第１の実施形態と同様に、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とボールナット２の取付け部７との位置関係を特定するだけで、ねじ軸１及びボールナット２の弾性変形によるボールに掛かる荷重分布のばらつきが均一化され、ボールねじ装置の耐久性・寿命の向上に繋がる。即ち、本実施形態は、ボールねじ装置が高負荷用途のものであるほど効果が発揮される有効な技術である。
Thus, similarly to the first embodiment, in the ball screw device of the present embodiment, the screw shaft 1 and the screw shaft 1 and the mounting
特に、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ボールの荷重分布の均一化を図り、また、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）に近づいたことで、ボールねじ装置全体を、上記第１の実施形態よりもコンパクト化することが可能となる。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が期待できる。
In particular, the mounting
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。
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。
Further, in the
At this time, if the vertical cross-sectional area of the screw shaft 1 and the vertical cross-sectional area of the
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の弾性変形の影響によるボールの荷重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。
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荷重分布を均一化できる。即ち、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。また、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。
At this time, the maximum value of the longitudinal sectional area ratio is preferably about 2 or less as a range in which the load of the ball due to the elastic deformation of the screw shaft 1 and the
Furthermore, if the longitudinal cross-sectional area of the distal ball nut 2B is set larger than that of the
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例を示す。なお、アクチュエータを、油圧シリンダー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。
Next, an embodiment in which the ball screw device having the above configuration is adopted in an electric injection molding machine as shown in FIG. 6 will be described. Note that the energy consumption of the electric injection molding machine can be reduced by changing the actuator from the hydraulic cylinder device to the electric motor 19 and the ball screw device A.
In FIG. 6,
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、本実施形態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ている。また、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を介して連結している。この連結により、モータ１９からの駆動力が伝達可能となっている。
And the bracket 17 (attachment member 8) provided in the one end part of the
One end side in the axial direction of the screw shaft 1 of each ball screw device A is fixed to the frame of the injection unit 11 via the
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が回転する。この各ねじ軸１の回転により、各ボールナット２が軸方向に直線移動する。各ボールナット２の直線移動により、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側に向けて軸方向荷重が掛かる。該軸方向荷重はねじ軸１に伝達される。該ねじ軸１はこの軸方向荷重を主にサポートユニット３の位置で受けることとなる。
In such an injection molding machine, each screw shaft 1 is rotated by driving the electric motor 19. As the screw shafts 1 rotate, the
Then, an axial load is applied from the
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に弾性変形が生じる。しかし、上述したように、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、上記弾性変形の影響が低減する。従って、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。
At this time, when the axial load is large, such as a high radiation output, the
即ち、本実施形態に基づくボールねじ装置は、大型化や特殊な加工などを必要としないにも拘わらず、高負荷用途に好適である。また、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の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の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。
That is, the ball screw device according to the present embodiment is suitable for high-load applications, although it does not require an increase in size or special processing. Moreover, it can be used for an electric injection molding machine without increasing the cost.
In the above description, the case where the device of the first embodiment is adopted as the ball screw device has been described as an example. However, even if the ball screw device of the second embodiment is applied, the same operation and effect are achieved. Demonstrate.
ここで、上記全実施形態では、ねじ軸１が回転することでボールナット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の一端部から反対方向のねじ軸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が回転することでボールナット２が移動するボールねじ装置以外にも同様の作用・効果を有する場合がある。例えば、ボールナット２が回転することでねじ軸１が移動する場合である。また、ねじ軸１が固定されてボールナット２が回転することで直線移動する場合や、ボールナット２が固定されてねじ軸１が回転することで直線移動する場合などにも有効である。
Here, in all the above embodiments, the case where the
In addition to the ball screw device in which the
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。
４種類のボールねじ装置を図９に示す。（ａ）は第１の実施形態に基づく仕様の装置である。（ｂ）は従来の仕様に基づく装置である。（ｃ）及び（ｄ）は、第２の実施形態に基づくものである。なお、（ｃ）は参考２の発明に基づき取付け部７を軸方向中央部又はその付近に設置した装置である。（ｄ）は参考３の発明に基づき、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。
Examples of the operational effects of the above ball screw devices will be described.
Four types of ball screw devices are shown in FIG. (A) is the apparatus of the specification based on 1st Embodiment. (B) is an apparatus based on the conventional specification. (C) and (d) are based on the second embodiment. In addition, (c) is the apparatus which installed the attaching
ここで、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列を同一に設計したものである。そして、取付け方法とフランジ位置、ナット外径のみを変更した。
Here, as shown in each drawing of FIG. 9, the internal specifications of each ball screw device are: shaft diameter φ100 of all screw shafts 1, leads 20, ball diameter of balls 15.875, and
図１０は各ボールねじ装置内部でボールに掛かる荷重の分布を表したものである。この図１０の結果から、ボールねじ装置の内部仕様によって決定される負荷容量（定格荷重)と、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、軸方向荷重作用部の設置位置、ナット外径（縦断面積）の関係によって、実際の内部の荷重分布は大きく異なることがわかる。 FIG. 10 shows the distribution of the load applied to the ball inside each ball screw device. From the results of FIG. 10, even if the load capacity (rated load) determined by the internal specifications of the ball screw device and the axial load applied thereto are the same, the mounting conditions, the installation position of the axial load acting portion, It can be seen that the actual internal load distribution varies greatly depending on the relationship of the nut outer diameter (vertical cross-sectional area).
即ち、従来に基づく（ｂ）の装置条件では荷重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荷重分布の均一化が図れることが分かる。ナットの縦断面積が２Ａ側と２Ｂ側で同じとした（ｃ)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荷重分布が均一化していることが分かる。また、（ｄ）は（ａ）と比較したとき、ボールに掛かる最大荷重は同等かそれ以下となっており、何ら遜色はない。 That is, it can be seen that the load distribution cannot be made uniform under the conventional apparatus condition (b), but the load distribution can be made uniform under the apparatus condition (a) according to claim 1. (C) where the vertical cross-sectional area of the nut is the same on the 2A side and 2B side, the maximum ball load is slightly inferior to (a), but clearly along the axial direction compared to the conventional (b). It can be seen that the ball load distribution is uniform. In addition, when (d) is compared with (a), the maximum load applied to the ball is equal to or less than that, and there is no inferiority.
（第３の実施形態）
図面を参照し本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態のボールねじは、３回路のボール循環路を有するチューブ方式のボールねじである。上記ボールナット１０３のボールねじ溝１０９は、図１６のように、軸方向に沿って３つの区画に分けられている。各区画におけるボールねじ溝１０９の両端部は、それぞれ戻り路を形成する循環チューブ１０５、１０６、１０７によって連結されている。これにより３回路のボール循環路が形成される。なお、説明の便宜上、図１及び図２における左側から第１回路Ｘ、第２回路Ｙ、第３回路Ｚとする。本実施形態では、第１及び第３回路Ｘ、Ｚの循環チューブ１０５、１０７取付け位置に対し、図１５に示すように、２回路目Ｙの循環チューブ１０６取付け位置を、円周方向１８０°反転した位置に設けている。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The ball screw of the present embodiment is a tube type ball screw having a three-circuit ball circulation path. The
第２回路Ｙ目の循環路は、図１６に示すように、第３回路Ｚ側に数十μｍだけ近づけるように軸方向にオフセットしている。即ち、ボールナット１０３における第１回路Ｘのボールねじ溝１０９ａと第２回路Ｙのボールねじ溝１０９ｂとの間のリードＬａを、各ボールねじ溝１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃのリードＬより数十μｍ（α）だけ多くする（Ｌａ＝Ｌ＋α）。それと同時に、第２回路Ｙのボールねじ溝１０９ｂと第３回路Ｚのボールねじ溝１０９ｃとの間のリードＬｂを前記リードＬより数十μｍ（α）だけ小さく設定（Ｌｂ＝Ｌ−α）している。なお、当然にねじ軸１０２側のボールねじ溝１０２ａのリードは等間隔である。
As shown in FIG. 16, the circulation path of the second circuit Y is offset in the axial direction so as to approach the third circuit Z side by several tens of μm. That is, the lead La between the
ボールねじの負荷容量を大きくするには、ボール１０１の接触角の大きさ、ボールねじ溝１０２ａ、１０９の曲率半径をできる限り大きくしたいところである。しかし、図１８に示すように接触角を過大に大きくした状態で軸方向の負荷を掛けると、接触楕円Ｆの端部がボールねじ溝１０２ａ、１０９の溝端からはみ出して切れてしまう。接触楕円Ｆの一部が切れると負荷される応力が大きくなり、ボールねじの寿命が極端に悪くなる。このため、本実施形態では、図１７に示すように、初期接触角Ｄを５０°以上５５°以下、最大接触角Ｅを７５°以下としている。好ましくは、初期接触角５１°以上５４°以下、且つ最大接触角は７２°以下である。
In order to increase the load capacity of the ball screw, it is desired to increase the size of the contact angle of the
また、各ボール１０１については、ボールねじ溝１０９のリードＬに対して、下式のような関係となるボール径Ｄａのものを使用している。
０．７≦（Ｄａ／Ｌ）
従来においては、Ｄａ／Ｌを０．７以上に設定すると、循環チューブの外径が隣のボールねじ溝に干渉する可能性があるために、Ｄａ／Ｌを０．７未満に設定していた。これに対して、本実施形態では、ボールねじ溝からチューブへのボール１０１の、掬い上げ部分の軸方向の角度を従来より大きい方向に変更することで、Ｄａ／Ｌを０．７以上に設定できるようにしている。
Further, for each
0.7 ≦ (Da / L)
Conventionally, when Da / L is set to 0.7 or more, the outer diameter of the circulation tube may interfere with the adjacent ball screw groove, so Da / L was set to less than 0.7. . On the other hand, in this embodiment, Da / L is set to 0.7 or more by changing the angle in the axial direction of the scooping-up portion of the
次に、本実施形態に係るのボールねじの作用効果等について説明する。第２回路Ｙ目の循環路位置を第３回路Ｚ側にオフセットすることで、第２回路Ｙ部分のボールねじ溝１０９ｂ内のボールに予圧が付与されている。そのためボールナット１０３にアキシアル荷重Ｆａが負荷されたときの当該ボールねじ溝１０９ｂの弾性変位量は、オフセットさせない場合に比べて大きくなり、ボールとの接触面積が増大する。これにより当該オフセットさせた回路Ｙ内のボールによる負荷分担量が増大し、且つオフセットしない状態で応力集中が生じるナット端部側の回路である第１回路Ｘ及び第３回路Ｚの負荷分担量が減少する。そのため、ボールナット１０３における軸方向の負荷分布が平均化されてばらつきが低減する。
Next, functions and effects of the ball screw according to this embodiment will be described. The preload is applied to the ball in the
第２回路Ｙの循環チューブ１０６の取付け位置は、第１回路Ｘ及び第３回路Ｚの循環チューブ１０５及び１０７の取付け位置に対し、円周方向１８０°反転させている。これにより、円周方向における第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの有効ボール数が少ない部分と、第２回路Ｙ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１０１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１０１に対する負荷分布のばらつきが抑えられる。
The attachment position of the
以上のように、有効ボール（ねじ軸１０２とボールナット１０３間を転動しているボール１０１）に対する軸方向及び円周方向の負荷分布が従来よりも均一化する。したがって、各有効ボールに対する負荷分布、さらにはそのボールに接触するねじ軸１０２とボールナット１０３の各ボールねじ溝１０２ａ、１０９に対する負荷分布が平均化し負荷容量が増大する。
As described above, the load distribution in the axial direction and the circumferential direction with respect to the effective ball (the
また、本実施形態では、ボール１０１の初期接触角Ｅ及び最大接触角Ｆを従来よりも大きくすると共にＤａ／Ｌを０．７以上に設定することで、さらに負荷容量の増大が図られている。
In this embodiment, the initial contact angle E and the maximum contact angle F of the
玉径が１０ｍｍ以上の場合にも効果があると想定される。電動射出成形機用ボールねじであれば、下式のような関係となるボール径Ｄａのものが好ましい。
０．７≦（Ｄａ／Ｌ）≦０．９（即ち、ＤａはＬの７０〜９０％）
It is assumed that there is an effect also when the ball diameter is 10 mm or more. In the case of a ball screw for an electric injection molding machine, a ball screw having a relation of the following formula is preferable.
0.7 ≦ (Da / L) ≦ 0.9 (ie, Da is 70 to 90% of L)
上記構成の本発明に基づくボールねじと、３つの循環チューブ１０５、１０６、１０７取付け位置を円周方向同位相に設定し且つ第２回路Ｙの循環路をオフセットさせない従来と同じ仕様のボールねじ（比較例）とに対して、負荷分布の状態について解析してみたところ、図１９及び図２０ような結果が得られた。
The ball screw according to the present invention having the above-described configuration and the ball screw having the same specifications as the conventional one in which the three
図１９は、円周方向での負荷分布のばらつきを無視し軸方向のばらつきのみを考慮したときの有効ボール１０１に負荷される軸方向の荷重の分布を示したものである。Ａが本発明のボールねじのものであり、Ｂが比較例のボールねじのものである。この図５から分かるように、本発明に基づくボールねじでは、第２回路Ｙでの負荷が増大すると共に第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの負荷が減少して、軸方向の負荷分布が平均化している。
FIG. 19 shows the distribution of the axial load applied to the
図２０は、軸方向のばらつき及び円周方向での負荷分布を考慮したときのボールねじ溝１０９に沿った各有効ボール１０１に負荷される軸方向の荷重を示したものである。Ａ（実線）が本発明のボールねじのものであり、Ｂ（破線）が比較例のボールねじのものである。この図６から分かるように、本発明に基づくボールねじの方がボールねじ溝１０９に沿った負荷の振幅が小さくなり、円周方向での負荷分布状態が平均化している。
FIG. 20 shows the axial load applied to each
なお、本実施形態では、第１回路Ｘの循環チューブ１０５の取付け位置に対して、第２回路Ｙの循環チューブ１０６の取付け位置だけを１８０°反転しているが、第３回路Ｚの循環チューブ１０７の取付け位置も第１回路Ｘの循環チューブ１０５の取付け位置に対して１８０°反転させてもよい。また、第１回路Ｘと第２回路Ｙを円周方向に同一位相とし、第３回路Ｚのみを１８０°反転させてもよい。
In this embodiment, only the attachment position of the
本実施形態においては、循環路を１８０°反転することと、オフセットすることの両方を採用しているが、循環路を１８０°反転することだけでも負荷分布のばらつきが低減し、従来よりも負荷容量が増大する。 In this embodiment, both reversing the circulation path by 180 ° and offsetting it are adopted. However, by simply reversing the circulation path by 180 °, the variation in load distribution is reduced, and the load is more than conventional. Capacity increases.
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図２１及び図２２は、本発明に係るサイドキャップを示す説明図である。図２１はサイドキャップの説明的斜視図、図２２は、そのサイドキャップを分割した、一方のサイドキャップ構成部材を示す説明的斜視図である。
(Fourth embodiment)
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. 21 and 22 are explanatory views showing a side cap according to the present invention. FIG. 21 is an explanatory perspective view of a side cap, and FIG. 22 is an explanatory perspective view showing one side cap constituent member obtained by dividing the side cap.
図２１に示すように、このサイドキャップ２１７は、樹脂成形により製作されており、例えば樹脂材をモールド成形してなる一対のボール循環部材構成部材であるサイドキャップ構成部材２２３、２２３を組み合わせて構成されている。ここで、同図に符号ＰＬで示す線は、ボール循環部材２１７を各サイドキャップ構成部材２２３に分割する分割線を示している。
図２２に示すように、このサイドキャップ２１７は、ボール掬い上げ（戻し）通路２２１およびボール送り通路２２２からなるボール循環通路２２７が、その内側に形成されている。そして、ボール２１５の進行方向に沿って点対称に二つに分割されたサイドキャップ構成部材２２３から構成される。
As shown in FIG. 21, the
As shown in FIG. 22, the
ここで、本発明に係るサイドキャップ２１７では、図２３に示すように、分割線ＰＬが、一対の脚部２１９の、それぞれの切欠き部２２５の最も深い部分を通る位置で形成されている。
すなわち、サイドキャップ２１７を二つのサイドキャップ構成部材２２３、２２３に分ける分割線ＰＬの位置は、掬い上げ基端部２２４ａで生じる各切欠き部２２５を予め分断し、それぞれの分割面２２３ｄを形成している。つまり、分割線ＰＬの位置は、一方の側での切欠き部２２５と他方の側での切欠き部２２５とを、そのＶ字状の頂点でそれぞれ予め分断して各々の分割面２２３ｄを形成する位置としている。
Here, in the
That is, the position of the dividing line PL that divides the
また、各切欠き部２２５を通る分割線ＰＬは、掬い上げ基端部２２４ａの近傍であり、同図に符号２２３ｆで示すように、円弧をもつ。また、その円弧と直線部とが連続する部分からなる周壁延出部で、なだらかに繋がるように設定されている。換言すれば、図２２に示すように、ボール循環部材構成部材２２３の分割面２２３ｄは、掬い上げ基端部２２４ａの近傍（図２２に示すＦ部）において、その掬い上げ基端部２２４ａでの分割線ＰＬを、ボール軌道路８でのボール２１５の中心の軌跡ＢＣＤに対し、ボール掬い上げ部２２４の反対の側（同図での脚部２１９側）をボール掬い上げ部２２４の側にずらしてなる周壁延出部２２３ｆを有する。そのため、掬い上げ基端部２２４ａでの分割面２２３ｄは、この周壁延出部２２３ｆによる、なだらかな稜線によって分割されている。そのため、掬い上げ基端部２２４ａでの応力集中を、より好適に緩和可能になっている。これにより、掬い上げ基端部２２４ａ、あるいは掬い上げ基端部２２４ａの近傍が起点となる疲労破壊が生じるおそれがほとんどない。したがって、ボールねじ２１０の高速運転性能や耐久性能を向上させることができる。
The dividing line PL passing through each
（第５の実施形態）
次に本発明に係る第５の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図２４は、本実施形態に係るシール３１５の正面図である。図２５は、図２４のシール３１５をＡ−Ａ線で切断して矢印方向に見た図である。シール３１５は、円板状のシール本体３１５ｃと、シール本体３１５ｃから内方に延在する類似円錐形状（左方に傾斜した形状）のシール片３１５ｄとからなる。シール片３１５ｄは、その内方縁に環状円筒部３１５ｂを形成している。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 24 is a front view of the
環状円筒部３１５ｂの内側は、ねじ軸１の断面形状に対応した開口３１５ａとなっている。外周を不図示のナットに取り付ける取付け部であるシール本体３１５ｃと、シール片３１５ｄと、環状円筒部３１５ｂは、耐摩耗性及び可撓性を有する樹脂又はゴムから一体形成されている。
The inside of the annular
図２６は、本実施形態にかかるシール３１５の一部拡大軸線方向断面図であり、図２７は、図２６のシール３１５の環状円筒部３１５ｂを更に拡大し、ねじ溝（点線）との当接状態を示し図である。なお、環状円筒部３１５ｂは、図に示すように断面が円形であるＯ−リングのような形状を有する。
26 is a partially enlarged axial sectional view of the
図２６において点線は、シール３１５とねじ軸１との相対角度に応じて変位する、ねじ軸３１に当接するシール３１５の環状円筒部３１５ｂの位置（３１５Ａないし３１５Ｇ）を示している。図２７から明らかなように、環状円筒部３１５ｂの当接点３１５ｅ（当接領域）は、ねじ軸３１の周面に当接する位置に応じて、環状円筒部３１５ｂ上を変移する。
In FIG. 26, the dotted line indicates the position (315A to 315G) of the annular
即ち、ねじ軸１の何れの周面に環状円筒部３１５ｂが当接しても、図２７に示すように当接面の法線は必ず環状円筒部３１５ｂの断面中心を通過する。従って、当接位置に関わらず、シール３１５とねじ軸３１との当接関係は一定に維持されることになり、もって密封機能を確保できることとなる。その結果、ボールねじの内部に異物が侵入するのを防止し、ボールねじ装置の寿命を延長することができる。
That is, no matter which circumferential surface of the screw shaft 1 is in contact with the annular
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
1 screw shaft 1a axial end 1d ball screw
Claims (10)
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、
ねじ軸の縦断面積に対するボールナットの縦断面積の比を、０．５以上２以下としたことを特徴とするボールねじ装置。 A screw shaft having a ball screw groove on the outer surface, at least one ball nut having a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft on the inner surface, the ball screw groove of the ball nut, and the ball screw groove of the screw shaft And a plurality of balls circulating in the spiral passage, and a return path of the plurality of balls, and the screw shaft mainly receives an input axial load in the axial direction. In the ball screw device received on one end side,
In the ball screw device, wherein the screw shaft receives an input axial load mainly on one end side in the axial direction, the ball nut is a shaft that is distal from an axial end that mainly receives the axial load of the screw shaft. An axial load acting portion that receives an axial load from a mounting member for attaching the ball nut is provided on the direction end side,
A ball screw device, wherein a ratio of a vertical cross-sectional area of a ball nut to a vertical cross-sectional area of a screw shaft is set to 0.5 or more and 2 or less.
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。 A screw shaft having a ball screw groove on the outer surface, at least one ball nut having a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft on the inner surface, the ball screw groove of the ball nut, and the ball screw groove of the screw shaft And a plurality of balls circulating in the spiral passage, and a return path of the plurality of balls, and the screw shaft mainly receives an input axial load in the axial direction. In the ball screw device received on one end side,
The axial position of the axial load application portion of the ball nut that receives the axial load from the mounting member to which the ball nut is attached, and the balls in the spiral passage are present on both axial sides of the axial load application portion. A ball screw device characterized by being in a position to perform.
循環路のうち少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対して円周方向に１８０°反転させ、且つ全循環路のうち少なくとも１回路を他の回路に対して軸方向にオフセットさせたことを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載のボールねじ装置。 A screw shaft having a ball screw groove on the outer surface, at least one ball nut having an inner surface having a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft, and the ball screw groove of the ball nut and the ball screw groove of the screw shaft And a plurality of balls circulating in the spiral passage, and a return path for the plurality of balls, and formed by the spiral path and the ball return path provided in the ball nut. In a ball screw having three or more circuits,
At least two circuits in the circulation path have the same phase in the circumferential direction, the remaining circuits are inverted by 180 ° in the circumferential direction with respect to the other circuits, and at least one circuit in the entire circulation path with respect to the other circuits 6. The ball screw device according to claim 1, wherein the ball screw device is offset in the axial direction.
Priority Applications (1)
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| JP2013272258A JP2015124883A (en) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | Ball screw device and electrically-driven injection molding machine |
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| CN116953206A (en) * | 2023-08-02 | 2023-10-27 | 吉林大学 | Device and method for testing storage reliability of lubricating grease for simulated rolling mechanism |
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| CN116953206B (en) * | 2023-08-02 | 2024-05-24 | 吉林大学 | Device and method for testing storage reliability of lubricating grease for simulated rolling mechanism |
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