JP5407671B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

この発明はボールねじに関する。

ボールねじは、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、を備えている。
工作機械、射出成形機、半導体素子製造装置等の精密送り機構として使用されるボールねじは、高温になると、ねじ軸やナットの熱変形により、ボールの負荷分布異常や作動性の悪化が生じて、送り機構としての位置決め精度等に影響を及ぼすため、冷却した状態で使用されている。

下記の特許文献１には、ボールねじの冷却方法として、ナットを軸方向に貫通する冷却用貫通孔（冷却流路孔）を、少なくとも１個設け、冷却用貫通孔に冷却媒質を通してナットを冷却することが記載されている。
また、この文献には、ナットに冷却用貫通孔を６個設けた例として、隣り合う２個の貫通孔を連結する凹部（スロット）を設けた端部キャップを、ナットの両端に漏洩防止用パッキングを介して固定したものが記載されている。この例では、冷却用貫通孔の断面積がこれに接続された凹部の断面積より小さいため、流路に断面積の変化が生じることで、流路内を流れる冷却媒質の圧力損失が大きくなる。

特開２００２−３１０２５８号公報

この発明の課題は、冷却機構として、ナットを軸方向に貫通する複数の冷却用貫通孔を備えたボールねじであって、冷却媒質の圧力損失が小さく、冷却効率が高いものを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のボールねじは、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、を備えたボールねじであって、ナットを軸方向に貫通する複数の冷却用貫通孔を有し、隣り合う冷却用貫通孔は、断面形状および断面積が同じであり、ナットの軸方向端部で、これらの冷却用貫通孔が、流路断面の形状および面積が同じである流路形成部材で直列に接続されて流路をなし、この流路の入口および出口に、流路断面の形状および面積が同じである冷却媒質導入配管および冷却媒質排出配管が直列に接続され、前記流路の入口および出口は、隣り合う冷却用貫通孔の前記流路形成部材で接続されていない前記ナットの軸方向端部に設けられ、前記流路形成部材は、前記ナットの外側に配置された配管であることを特徴とする。

流路の断面積の変化に伴う圧力損失について以下に説明する。
図１に示すように、上流側の流路１０１の断面積Ａ₁ が下流側の流路１０２の断面積Ａ₂ より小さい場合、損失ヘッドｈ’は、流路１０１の平均流速をＶ₁ 、流路１０２の平均流速をＶ₂ 、重力加速度をｇとした時に、ベルヌーイの定理から下記の(1) 式で表される。
ｈ＝（Ｖ₁ −Ｖ₂ ）／２ｇ＝ζ・Ｖ₁ ² ／２ｇ‥‥(1)
ただし、ζ＝（１−Ａ₁ ／Ａ₂ ）² である。
(1) 式から、Ａ₁ ≒Ａ₂ の時に損失ヘッドｈが最小となることが分かる。

図２に示すように、上流側の流路１０１の断面積Ａ₁ が下流側の流路１０２の断面積Ａ₂ より大きい場合、損失ヘッドｈは、流路１０１の平均流速をＶ₁ 、流路１０２の平均流速をＶ₂ 、重力加速度をｇとした時にベルヌーイの定理から下記の(2) 式で表される。
ｈ’＝（Ｖ₂ −Ｖ₁ ）／２ｇ＝ζ’・Ｖ₂ ² ／２ｇ‥‥(2)
ただし、ζ’＝（Ａ₁ ／Ａ₂ −１）² である。
(2) 式から、Ａ₁ ≒Ａ₂ の時に損失ヘッドｈ’が最小となることが分かる。
以上のことから、上流側の流路１０１の断面積Ａ₁ と下流側の流路１０２の断面積Ａ₂ を同じにすることで、圧力損失を低減できることが分かる。

そのため、ナットの冷却用貫通孔と流路形成部材とで形成される流路、およびその出入り口に接続される配管の流路断面の形状および面積を極力同じにする（同じかほぼ同じにする）ことで、前記流路の出入り口および前記流路内での冷却媒質の圧力損失を小さくすることができる。
なお、この圧力損失を小さくできる効果が特に発揮されるのは、油等の粘性が高いもの（動粘度係数１．５８５ｍｍ² ／ｓ以上）を流した場合と、乱流（レイノルズ数が３０００以上）の場合である。

流路の断面積の変化に伴う流速の変化について以下に説明する。
図３に示すように、断面の形状および面積が同じ４つの流路を、断面の形状および面積が同じ流体導入配管に対して並列に接続した場合、各流路への分岐点で流路断面積が各流路の４倍となる。これに対して、断面の形状および面積が同じ４つの流路を直列に接続して、その一端に断面の形状および面積が同じである流体導入配管を接続した場合、流路断面積は変化しない。

流量をＱ、流路断面積をＡとした時、流速Ｖは下記の(3) 式で表される。
Ｖ＝Ｑ／Ａ‥‥(3)
(3) 式から、冷却媒質の流速が大きいほど放熱量が大きくなって冷却効果は高くなるため、流路断面積が大きくなるほど逆に冷却効果は小さくなることが分かる。
以上のことから、複数の冷却流路を接続する際には、並列でなく直列で接続する方が高い冷却効果が得られることが分かる。

よって、例えば図４（ａ）に示すように、ナット１の冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂを流路形成部材４で接続して流路を形成し、この流路の入口５０および出口６０を、冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂの流路形成部材４で接続されていない端部に設けることにより、２つの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂが直列に接続されて、流路の入口５０から出口６０まで流路断面（形状および面積）が同じになる。

これに対して、例えば図４（ｂ）に示すように、流路の入口５０を流路形成部材４に設けて、２つの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂを並列に接続した場合には、各冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂへの分岐点で流路断面が一時的に大きくなる。この場合と比較して、図４（ａ）に示す場合の方が、流路断面積の変化がないことで流速を一定に保つことができるため、冷却効果が高くなる。

この発明のボールねじは、隣り合う冷却用貫通孔を、これらと断面積が異なる流路形成部材を接続して流路を形成したものと比較して、流路内を流れる冷却媒質の圧力損失が小さいため、冷却効率が高いものとなる。

流路断面の変化に伴う圧力損失を説明する図であって、上流側の流路の断面積が下流側の流路の断面積より小さい場合を示す。 流路断面の変化に伴う圧力損失を説明するための図であって、上流側の流路の断面積が下流側の流路の断面積より大きい場合を示す。 流路断面の変化に伴う流速の変化を説明する図であって、断面が同じ４つの流路を流体導入配管と並列に接続した場合を示す。 この発明のボールねじにおける流路の入口および出口の設け方を説明する図であって、冷却効果の高い例（ａ）と低い例（ｂ）を示す。 この発明の実施形態に相当するボールねじを示す図であって、ナットのみが断面図になっている。 図５のボールねじのＡ矢視図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。
この実施形態のボールねじは、図５および６に示すように、ナット１と、ねじ軸２と、ボール３と、半円弧状のチューブ（流路形成部材）４と、冷却液導入配管（冷却媒質導入配管）５と、冷却液排出配管（冷却媒質排出配管）６と、コネクタ７１〜７４とを備えている。図５および６において、ボール循環部材およびシールは省略されている。

ナット１の内周面に、螺旋溝１ａが形成されている。ねじ軸２の外周面に、螺旋溝２ａが形成されている。ナット１の螺旋溝１ａとねじ軸２の螺旋溝２ａで形成される軌道溝の間にボール３が配置されている。ナット１の軸方向一端にはフランジ１１が形成されている。
ナット１には、軸方向に貫通する２つの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂが、ナット１の直径方向で対向する位置に形成されている。ナット１のフランジ１１側の端部で、これらの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂが半円弧状のチューブ４により接続されている。チューブ４の一端と冷却用貫通孔１２ａは、コネクタ７１で連結されている。チューブ４の他端と冷却用貫通孔１２ｂは、コネクタ７２で連結されている。これにより、冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂとチューブ４からなる流路が形成されている。

冷却用貫通孔１２ａのチューブ４が接続されていない端部が、コネクタ７３を介して冷却液導入配管５と接続されている。冷却用貫通孔１２ｂのチューブ４が接続されていない端部が、コネクタ７４を介して冷却液排出配管６と接続されている。すなわち、この流路の入口および出口は、冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂのチューブ４で接続されていない端部に設けてある。

これにより、冷却液は、冷却液導入配管５→コネクタ７３→ナット１の冷却用貫通孔１２ａ→コネクタ７１→チューブ４→コネクタ７２→ナット１の冷却用貫通孔１２ｂ→コネクタ７４→冷却液排出配管６の順に流れる。この冷却液の流れにおいて、直接的には冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂ内の冷却水の流れにより、ナット１が冷却される。
この実施形態のボールねじによれば、ナット１の冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂとチューブ４からなる流路、この流路の出入り口に接続される冷却液導入配管５と冷却液排出配管６の全てにおいて、流路断面（流路の断面形状および断面積）が同じであるため、冷却液の圧力損失が小さくなる。よってい、冷却効率が高くなり、冷却液供給用ポンプの負担も軽減される。

また、２つの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂが冷却液導入配管５に対して直列に接続されていることから、流速が一定に保持されるため、２つの冷却用貫通孔１２ａ，１２ｂが冷却液導入配管５に対して並列に接続されている場合のように、分岐点で流路断面が大きくなって流速が低下する場合と比較して、冷却効果が高くなる。

１ ナット
１１ フランジ
１２ａ 冷却用貫通孔
１２ｂ 冷却用貫通孔
２ ねじ軸
３ ボール
４ チューブ（流路形成部材）
５ 冷却液導入配管
５０ 流路の入口
６ 冷却液排出配管
６０ 流路の出口
７１〜７４ コネクタ

Claims (1)

1. 内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道溝の間に配置されたボールと、を備えたボールねじであって、
   ナットを軸方向に貫通する複数の冷却用貫通孔を有し、隣り合う冷却用貫通孔は、断面形状および断面積が同じであり、
   ナットの軸方向端部で、これらの冷却用貫通孔が、流路断面の形状および面積が同じである流路形成部材で直列に接続されて流路をなし、
   この流路の入口および出口に、流路断面の形状および面積が同じである冷却媒質導入配管および冷却媒質排出配管が直列に接続され、
   前記流路の入口および出口は、隣り合う冷却用貫通孔の前記流路形成部材で接続されていない前記ナットの軸方向端部に設けられ、
   前記流路形成部材は、前記ナットの外側に配置された配管であるボールねじ。

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