JP5732739B2

JP5732739B2 - ボールねじ装置

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Publication number: JP5732739B2
Application number: JP2010090389A
Authority: JP
Inventors: 水口　淳二; 淳二水口; 信朝　雅弘; 雅弘信朝
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP2011220446A

Description

本発明は、ボールねじ装置に関し、特に、ナットを冷却可能なボールねじ装置に関する。

従来より、ねじ軸と、該ねじ軸に螺合して相対的に回転可能とされた送りナットとを有するねじ装置では、回転時に点接触又は面接触が生じるため、熱源（例えば、前記送りナット）に冷却手段が設けられることがあった。
このような前記送りナットを冷却する技術としては、特許文献１に示されているねじ装置（ボール・スクリュー）がある。具体的には、送りナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通し、該送りナットを冷却する技術である。

特開２００２−３１０２５８号公報

千輝淳二（１９８１）、伝熱計算法、工学図書株式会社

しかしながら、発明者らは、特許文献１に開示されたねじ装置（ボール・スクリュー）のナットを冷却する場合、その冷却液を通す貫通穴の径によって冷却効果が大きく変化することを、非特許文献１に示されているNusseltの方法で推定し、実験によって上記冷却効果の変化について確認した。
この実験によって得られた結論は、冷却媒体の種類、流量が同一であれば、貫通穴の径を小さくすればするほど熱伝導率が上がり冷却効果が高くなることである。

しかし、高い冷却効果を得る目的で貫通穴の径を小さくすると、以下に示す２つの問題点が生じることがあった。
（１）貫通穴の加工が小径かつ長穴の加工となることから、加工効率が落ち、ボールねじ装置のコストアップに繋がる。
（２）冷却媒体を通すときの圧力損失が大きくなってしまう。

そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ナット内の軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通すことで冷却を行なうボールねじ装置において、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないボールねじ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通すことで冷却を行なうボールねじにおいて、貫通穴に内挿部材を配設することによって貫通穴の流路の断面積を小さくし、貫通穴に通る冷却媒体と貫通穴が接する面積を大きく確保することにより、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下を招くことのないことを知見した。

本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項１に係るボールねじ装置は、ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
前記貫通穴内で冷却媒体を循環させるための循環装置が前記ナットに備えられ、
前記貫通穴の長さ方向に延び、前記貫通孔の内周面に対向する外周面が前記長さ方向に一様の曲面をなして前記貫通穴の流路の断面形状を略円形又は楕円形とする内挿部材が前記貫通穴に配設されたことを特徴としている。
また、本発明の請求項２に係るボールねじ装置は、請求項１に記載のボールねじ装置において、前記内挿部材が、前記貫通穴をその長さ方向に複数の流路に分ける断面形状を有することを特徴としている。

本発明の請求項１に係るボールねじ装置によれば、前記貫通穴の長さ方向に延びる内挿部材を前記貫通穴に配設することで、冷却媒体と貫通穴が接触する面積を大きく確保しながら前記貫通穴の流路の断面積を小さくすることができる。従って、冷却効果ができるだけ高くなり、過度な加工効率の低下を招くことのないボールねじ装置を提供することができる。
また、本発明の請求項２に係るボールねじ装置によれば、前記内挿部材が、前記貫通穴をその長さ方向に複数の流路に分ける断面形状を有することで、冷却媒体と貫通穴が接する面積を大きく確保したまま、断面積が小さくされた前記貫通穴の流路が複数形成されるので、冷却液の流速が高まり、過度な加工効率の低下をより効率的に低減することができる。

本発明に係るボールねじ装置の一実施形態における構成を示す側面図である。本発明に係るボールねじ装置の一実施形態における構成を示す断面図であり、（ａ）は図１の２ａ−２ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。本発明に係るボールねじ装置の一実施形態における内挿部材の構成を示す斜視図である。

以下、本発明に係るボールねじ装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るボールねじ装置の一実施形態における構成を示す側面図である。また、図２は、本実施形態における構成を示す断面図であり、（ａ）は図１の２ａ−２ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。また、図３（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態における内挿部材の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態のボールねじ装置１は、ねじ軸１０と、ナット２０とを有する。ねじ軸１０及びナット２０は、複数の転動体３０を介して螺合している。ナット２０は、ねじ軸１０の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット２０の内周面には、ねじ軸１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝１０ａに対向するようにねじ溝２０ａが形成されている。ねじ溝１０ａとねじ溝２０ａとによって形成された転動路において転動体３０は転動可能とされている。

また、ナット２０には、軸方向に貫通する貫通穴２０ｂが形成されている（図１ではナット２０の軸方向に３つの貫通穴２０ｂが形成されている。）。この貫通穴２０ｂは、冷却媒体の通路として用いられ、貫通穴２０ｂ内で冷却媒体を循環させるための循環装置（図示せず）がボールねじ装置１に接続されている。この循環装置及び貫通穴２０ｂが冷却手段４０を構成する。冷却手段４０は、前記循環装置と貫通穴２０ｂとを連結して冷却媒体を貫通穴２０ｂに流入される管４１及び貫通穴２０ｂから冷却媒体を流出させる管４１を含む。このように、図示しない循環装置によって貫通穴２０ｂ内を冷却媒体が循環することによって、ナット２０が冷却される。

また、図１及び図２（ａ）に示すように、貫通穴２０ｂには、該貫通穴２０ｂの長さ方向に延びる内挿部材５０が内部に配設されている。この内挿部材５０の断面形状は、貫通穴２０ｂの流路の断面積を小さくし、かつ貫通穴２０ｂの内周面との接触面積を可能な限り小さくするように形成されている。具体的には、図２（ｂ）に示すように、菱形形状の断面形状を有する内挿部材５０が貫通穴２０ｂの内部に配設されている。この菱形形状の断面形状を有する内挿部材５０は、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に４点で接触している。
なお、この内挿部材５０の形状は、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの流路の断面積を小さくし、かつ貫通穴２０ｂの内周面との接触面積が可能な限り小さければ、特に限定されない。

また、内挿部材５０は、貫通穴２０ｂをその長さ方向に複数の流路に分ける断面形状を有してもよい。
図３（ａ）〜（ｆ）に、内挿部材５０の具体的な形状を示す。
図３（ａ）に示す内挿部材５０は、断面形状を円形とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に接触しないように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。なお、この内挿部材５０によっては貫通穴２０ｂ内に複数の流路は形成されない。

図３（ｂ）に示す内挿部材５０は、断面形状を円形とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に１点で接触するように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。なお、この内挿部材５０によっては貫通穴２０ｂ内に複数の流路は形成されない。
図３（ｃ）に示す内挿部材５０は、断面形状を矩形とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に４点で接触して４つの流路を形成するように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。

図３（ｄ）に示す内挿部材５０は、断面形状を三角形とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に３点で接触して３つの流路を形成するように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。
図３（ｅ）に示す内挿部材５０は、図２（ｂ）に示された断面形状の内挿部材５０であ断面形状を菱形形状とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に４点で接触して４つの流路を形成するように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。

図３（ｆ）に示す内挿部材５０は、断面形状を２つの円形が接触した形状とし、貫通穴２０ｂの長さ方向に延び、貫通穴２０ｂの断面において貫通穴２０ｂの内面に２点で接触して２つの流路を形成するように貫通穴２０ｂの内部に配設されている。
図３（ａ）〜（ｆ）で示される内挿部材５０のうち、図３（ｃ）〜（ｆ）で示した内挿部材５０は、貫通穴２０ｂ内に小さな断面の流路を複数形成するので、冷却液の流速を高める効果がある。ただし、循環装置（図示せず）の圧送容量が小さい場合には、内挿部材５０の断面積を大きくしすぎることで、配管抵抗によって流速を上げることができなくなるため、前記循環装置の圧送容量に応じて内挿部材５０の形状（断面形状及び貫通穴２０ｂの内周面への接触面積）を決定する必要がある。

また、被冷却物（ナット２０）と、貫通穴２０ｂ内の冷却媒体との熱交換は、貫通穴２０ｂの内面で行われるため、内挿部材５０の形状は、できるだけ貫通穴２０ｂの内周面に接触する部分が少ない形状が好ましい。すなわち、図３（ｃ），（ｅ）に示す形状の内挿部材５０よりも図３（ｄ）に示す形状の内挿部材５０が好ましく、図３（ｆ）に示す形状の内挿部材５０がより好ましく、図３（ｂ）に示す形状の内挿部材５０がさらに好ましく、図３（ａ）に示す形状の内挿部材５０が特に好ましい。

ここで、一般に、冷却効果を左右するレイノルズ数Ｒｅ_ｍは、
ｕ_ｍ：冷却媒体の流速
ｖ：冷却媒体の動粘度
ａ：冷却媒体の温度伝導率
としたとき、下記式（１）で表される。

ここで、冷却媒体の流速ｕ_ｍは、
ｗ：冷却媒体の流量
Ａ：貫通穴２０ｂの断面積
としたとき、下記式（２）で表される。

なお、貫通穴２０ｂの断面積Ａは下記式（３）で表される。

以上の式（２）及び（３）を、式（１）に代入して整理すると、レイノルズ数Ｒｅ_ｍは、下記式（４）で表される。

これにより、式（４）で示されるレイノルズ数Ｒｅ_ｍは、冷却媒体の流量ｗを一定とした場合、貫通穴２０ｂの径Ｄが小さい方が高くなることがわかる。ただし、貫通穴２０ｂの径Ｄの縮小にあっては、過度な圧力損失が生じない範囲としなければならない。
一方、被冷却物（ナット２０）と、貫通穴２０ｂ内の冷却媒体との熱交換は、被冷却物（ナット２０）と、貫通穴２０ｂ内の冷却媒体との接触面積に比例する。

これらを考慮すると、レイノルズ数Ｒｅ_ｍを上げるためには、貫通穴２０ｂの径Ｄを小さくし、前記接触面積を増やすために、貫通穴２０ｂの数を多くすることが被冷却物（ナット２０）を効率的に冷却する方法であることがわかる。しかし、断面積が小さい貫通穴２０ｂを形成し、かつその貫通穴２０ｂの数を増やすことは、加工効率の低下を招き、結果として加工コストの大幅な増加に繋がる。
そこで、本実施形態では、貫通穴２０ｂの内部に内挿部材５０を配設し、該内挿部材５０の配設によって小さな径の貫通穴を形成し、かつ前記接触面積を増やすことで、レイノルズ数Ｒｅ_ｍを上げる構成を実現した。

この構成を用いることによって、上記貫通穴２０ｂの径Ｄは、相当直径Ｄ_ｅに置き換えられ、下記式（５）のように表される。ここで、下記式（５）において、相当直径Ｄ_ｅは、冷却液の流路の断面積を同じ断面積の円を考えた場合の、その円の直径を指す。すなわち、内挿部材の断面積が大きければ大きい程、相当直径Ｄ_ｅが小さくなり、この相当直径Ｄ_ｅを上記式（４）のＤに代入することによって求められるレイノルズ数Ｒｅ_ｍが上がる（冷却効果が上がる）ことになる。なお、ナットに設けられる貫通穴径Ｄは変わらないので、加工効率は同等である。また、Ａ_ｄは流路の断面積である。また、Ｌ_ｗｅｔは、貫通穴の円周長さから、内挿部材が貫通穴の内面に接している接触部分の長さを引いた長さを指す。すなわち、図３（ａ）〜（ｆ）で示される内挿部材の設置態様においては、図３（ａ）の態様でＬ_ｗｅｔは、貫通穴の円周長さに等しく、図３（ｂ），（ｆ）の態様でＬ_ｗｅｔは、貫通穴の円周長さにほぼ等しく、図３（ｃ），（ｅ）の態様でＬ_ｗｅｔは、貫通穴の円周長さから、内挿部材が貫通穴の内面に接している４箇所の接触部分の長さを引いた長さに等しく、図３（ｄ）の態様でＬ_ｗｅｔは、貫通穴の円周長さから、内挿部材が貫通穴の内面に接している３箇所の接触部分の長さを引いた長さに等しい。

以上説明したように、本実施形態のボールねじ装置１によれば、貫通穴２０ｂの長さ方向に延びる内挿部材５０を貫通穴２０ｂに配設したので、貫通穴２０ｂの流路の断面積を小さくし、貫通穴２０ｂに通る冷却媒体と貫通穴が接する面積を大きく確保できる。従って、冷却効果ができるだけ高くなり、過度な加工効率の低下を招くことのないボールねじ装置１を提供することができる。

また、本実施形態のボールねじ装置１では、内挿部材５０が、貫通穴２０ｂをその長さ方向に複数の流路に分ける断面形状を有することによって、冷却媒体と貫通穴が接する面積を大きく確保したまま、断面積が小さくされた貫通穴２０ｂの流路が複数形成されるので、冷却液の流速が高まり、過度な加工効率の低下をより効率的に低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、上記実施形態では、ナット内に１本の貫通穴を形成し、その貫通穴に冷却媒体を通すことで冷却した場合について述べてきたが、ナット内に形成した複数の貫通穴を連結して冷却するボールねじ装置についても上記と同様の構成を適用することによって予想し得ない効果を奏する。

１ボールねじ装置
１０ねじ軸
２０ナット
３０転動体
４０冷却装置
４１管
５０内挿部材

Claims

ねじ軸と、複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、該ナットの軸方向に設けた貫通穴に冷却媒体を通して前記ナットを冷却する冷却手段とを備えたボールねじ装置において、
前記貫通穴内で冷却媒体を循環させるための循環装置が前記ナットに備えられ、
前記貫通穴の長さ方向に延び、前記貫通孔の内周面に対向する外周面が前記長さ方向に一様の曲面をなして前記貫通穴の流路の断面形状を略円形又は楕円形とする内挿部材が前記貫通穴に配設されたことを特徴とするボールねじ装置。
前記内挿部材が、前記貫通穴をその長さ方向に複数の流路に分ける断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。