JP7166185B2 - 予圧検知可能なねじ装置 - Google Patents

Description

本発明は、予圧検知可能なねじ装置に関する。

ねじ装置は、ねじ軸と、ナットと、ねじ軸とナットとの間に介在する複数の転動体と、を備える。モータ等によってねじ軸を回転させると、ナットが直線運動する。ねじ装置は、回転運動と直線運動との間で運動を変換する機械要素として使用される。ねじ軸が回転する間、転動体が転がり運動するので、摩擦抵抗を減らすことができるという特徴がある。

ねじ装置の剛性を向上させ、位置決め精度を向上させるために、ねじ装置には予圧が与えられる。ねじ装置の予圧方式として、ダブルナット予圧、オフセット予圧、オーバーサイズボール予圧が知られている。ダブルナット予圧においては、ナットを２つ使用し、２つのナットの間にスペーサを入れて、各ナットのねじ軸、ナット及びボール間に生ずる軸方向隙間をゼロにする。オフセット予圧は、シングルナットで予圧を与える方式であり、ナットの螺旋状の内面溝の一部を内面溝の他の一部に対してナットの軸方向にオフセットさせることで、軸方向隙間をゼロにする。オーバーサイズボール予圧は、シングルナットで予圧を与える方式であり、ナットの螺旋状の内面溝とねじ軸の螺旋状の外面溝との間の通路よりも大きい転動体を挿入することで、軸方向隙間をゼロにする。

ねじ装置を長期間使用すると、転動体、ねじ軸、ナットが摩耗する。これらが摩耗すると、ねじ装置の予圧が低下し、ねじ装置の剛性、位置決め精度が低下する。予圧を検知するために、特許文献１には、ダブルナット予圧方式のボールねじにおいて、２つのナットの間にスペーサとしてひずみセンサを介在させるものが開示されている。ひずみセンサによって２つのナットの対向面に働く軸方向力を検出することによって、経年変化に起因する予圧の低下を監視することができる。

特開２０１６－２２３４９３号公報

シングルナットで予圧を与えるねじ装置には、ダブルナットで予圧を与えるねじ装置よりも予圧を検知しにくいという課題がある。なぜならば、たとえナットの外面にひずみセンサを貼り付けても、予圧荷重に起因するナットの外面のひずみ量が小さいからである。

そこで本発明は、シングルナットで予圧を与えるねじ装置において、予圧を容易に検知できるねじ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸が嵌められ、螺旋状の内面溝及び戻し路を有し、前記外面溝と前記内面溝との間に形成される通路が前記戻し路に繋がるナットと、前記通路と前記戻し路に配置される複数の転動体と、前記ナットの外面に貼り付けられるひずみセンサと、を備え、前記ひずみセンサが貼り付けられる前記ナットの貼付け面及び／又はその近傍と前記ナットの内面との間に少なくとも１つの穴を設ける予圧検知可能なねじ装置である。

本発明の一態様によれば、ひずみセンサが貼り付けられるナットの貼付け面及び／又はその近傍とナットの内面との間に少なくとも１つの穴を設けるので、少なくとも１つの穴を設けた部分において、ナットの外面に予圧荷重が伝わりにくくなる。ナットの外面の変形する部分と変形しにくい部分との境目に応力集中が発生し、ひずみ量が拡大されるので、ひずみセンサによる予圧の検知が容易になる。

本発明の第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の外観斜視図である。 本実施形態のねじ装置の軸線に沿った断面図である。 本実施形態のねじ装置の側面図である。 オーバーサイズボール予圧の原理を示す模式図（図４（ａ）はねじ装置の部分断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ部拡大図）である。 オーバーサイズボール予圧によるナットの変形を示す模式図（図５（ａ）はナットの側面図、図５（ｂ）はナットの正面図）である。 ナットの外面のひずみ量の大きさを示す模式図（図６（ａ）はねじ装置の軸線に直角な断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ部拡大図）である。 ねじ装置の軸線に直角な断面図（図７（ａ）はナットに１つの穴を設けた本発明例１、図７（ｂ）はナットに２つの穴を設けた本発明例２）である。 実験により求めた予圧量とみかけひずみ量との関係を示すグラフである。 経年変化に伴う予圧量の推移を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態のねじ装置の外観斜視図である。 本実施形態のねじ装置の軸線に沿った断面図である。 オフセット予圧の原理を示す模式図（図１２（ａ）はねじ装置の部分断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のｂ部拡大図）である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の予圧検知可能なねじ装置（以下、単にねじ装置という）を詳細に説明する。ただし、本発明のねじ装置は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態のねじ装置１の外観斜視図を示し、図２は、ねじ装置１の軸線に沿った断面図を示す。本実施形態のねじ装置１は、ねじ軸２と、ナット３と、ねじ軸２の外面溝２ａとナット３の内面溝３ａとの間に介在する転動体としてのボール４と、を備える。

ねじ軸２の外面には、ボール４が転がる螺旋状の外面溝２ａが形成される。外面溝２ａの長さ方向に直交する断面形状は、ボール４の半径よりも僅かに大きな半径を持つ２つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ状である（図４（ｂ）参照）。ボール４は、外面溝２ａに２点で接触する。

ナット３には、ねじ軸２が嵌められる。ナット３の軸方向の一端部には、相手部品に取りつけるためのフランジ３ｂが設けられる。ナット３の外面は、フランジ３ｂを除いて略円筒状である。ナット３の外面には、平坦な平取り部３ｃが形成される。ナット３の内面には、ねじ軸２の外面溝２ａに対向する螺旋状の内面溝３ａが形成される。内面溝３ａの長さ方向に直交する断面形状は、ボール４の半径よりも僅かに大きな半径を持つ２つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ状である（図４（ｂ）参照）。ボール４は、内面溝３ａに２点で接触する。

図１及び図２に示すように、ナット３の外面の平取り部３ｃには、接着剤等の接着手段によってひずみセンサ５が貼り付けられる。ひずみセンサ５は、金属又は半導体が伸び縮みすると、抵抗値が変化するという原理を利用して、ナット３の外面のひずみを検出する。この実施形態のひずみセンサ５は、ナット３の外面の少なくとも円周方向（図１のねじ軸２の軸線と直角なＹ方向）のひずみを検出する。

ひずみセンサ５の種類は、特に限定されるものではなく、例えば絶縁体上に金属の抵抗体を取り付けた金属ひずみゲージ、絶縁体上に半導体を取り付けた半導体ひずみゲージ、半導体加工技術を使って作成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ひずみセンサ等を使用することができる。

図２に示すように、ねじ軸２の外面溝２ａとナット３の内面溝３ａとの間に螺旋状の通路８が形成される。この通路８には、複数のボール４が配置される。

図３は、ねじ装置１の側面図を示す。図３には、通路８の中心線と通路８に繋がる戻し路９の中心線を一点鎖線で示す。図３に示すように、ナット３には、ボール４が循環できるように、この通路８の一端と他端に繋がる戻し路９が設けられる。戻し路９は、ナット３に設けた軸方向の貫通穴９ａと、貫通穴９ａの両端部に設けられる循環部品９ｂ，９ｃによって構成される。循環部品９ｂ、９ｃは、ナット３の軸方向の端面の凹部に装着される。循環部品９ｂ，９ｃには、通路８を転がるボール４をナット３の貫通穴９ａに導く方向転換路が形成される。なお、戻し路９をナット３の外面に取り付けられるリターンパイプによって構成してもよい。

図１及び図２に示すように、ひずみセンサ５が貼り付けられるナット３の貼付け面３ｅとナット３の内面３ｄとの間には、穴１１が設けられる。穴１１をナット３の貼付け面３ｅの近傍とナット３の内面３ｄとの間に設けることもできる。穴１１は、軸方向に延びる。穴１１は、ナット３の端面から空けられ、貼付け面３ｅの下方を通過する。

本実施形態のねじ装置１の予圧方式は、オーバーサイズボール予圧である。図４（ａ）（ｂ）は、オーバーサイズボール予圧の原理を示す模式図である。ボール４には、ねじ軸２の外面溝２ａとナット３の内面溝３ａとの間の通路８よりも直径が大きいオーバーサイズのボール４が使用される。ボール４は、外面溝２ａと内面溝３ａとの間で圧縮される。符号７は、接触角線である。ねじ軸２の外面溝２ａのピッチＰは、外面溝２ａの全長にわたって一定である。ナット３の内面溝３ａのピッチＰも、内面溝３ａの全長にわたって一定である。

図５（ａ）（ｂ）は、オーバーサイズボール予圧によるナット３の変形を示す模式図である。図５（ａ）（ｂ）の実線が予圧をかける前のナット３を示し、図５（ａ）（ｂ）の破線が予圧をかけた後のナット３を示す。オーバーサイズボール予圧をかけた場合、ナット３は、その外径部が膨らむように変形する。図５（ａ）（ｂ）には、ナット３の変形を誇大に示すが、ナット３の実際の変形は僅かである。オーバーサイズボール予圧の場合、ボール４からナット３に働く予圧荷重がナット３の全体に分散するからである。

図６（ａ）（ｂ）は、ナット３の外面のひずみ量の大きさを示す模式図である。図６（ａ）（ｂ）において、ナット３の外面のひずみ量の大きさを２点鎖線で示す。図６（ｂ）に示すように、ナット３の内部に穴１１を設けることで、予圧荷重Ｆが穴１１を伝わらず、穴１１を設けた部分の半径方向外側のナット３の外面の膨らみが抑えられる。このため、ナット３の外面の変形する部分と変形しにくい部分との境目に応力集中が発生し、ひずみ量が拡大される。ひずみ量が拡大された部分にひずみセンサ５を配置すれば、ひずみセンサ５の出力を大きくすることができる。例えば、ノイズの影響を抑えたり、ひずみセンサ５の分解能を上げたり、ひずみセンサ５用のアンプ基板を簡素化できたりする。

図７（ａ）は、１つの穴１１を空けたナット３の断面図を示し、図７（ｂ）は２つの穴１１を空けたナット３の断面図を示す。ナット３には、１つの穴１１を空けてもよいし、互いに平行で隣接する２つの穴１１を空けてもよい。上記のように、ひずみ量は、ナット３の外面の変形する部分と変形しにくい部分との境目において拡大する。２つの穴１１を空けることで、拡大させたひずみ量を重畳させることができる。

図７（ａ）に示すように、１つの穴１１を空ける場合、穴１１を戻し路９の貫通穴９ａと円周方向に１８０度離れた位置に配置するのが望ましい。また、図７（ｂ）に示すように、２つの穴１１を空ける場合、２つの穴１１の中心を 戻し路９の貫通穴９ａと円周方向に１８０度離れた位置に配置するのが望ましい。ナット３の重心をナット３の中心に近づけられるからである。

図８は、実験により求めた予圧量とみかけひずみ量との関係を示すグラフである。みかけひずみ量は、ナット３の外面の円周方向のひずみ量である。図８の▲がナット３に穴１１を設けない比較例を表し、図８の◆がナット３に１つの穴１１を設けた本発明例１を表し、図８の■がナット３に２つの穴１１を設けた本発明例２を表す。ナット３に１つの穴１１を設けることで、穴１１を設けない場合に比べて、みかけひずみ量、言い換えればひずみセンサ５の感度を約２倍に向上させることができる。また、ナット３に２つの穴１１を設けることで、穴１１を設けない場合に比べて、みかけひずみ量、言い換えればひずみセンサ５の感度を約３．５倍に向上させることができる。

ねじ装置１を長期間使用すると、ボール４、ねじ軸２、ナット３が摩耗し、ねじ装置１の予圧が低下する。予圧が低下すると、ナット３の外面のひずみが小さくなり、ひずみセンサ５の抵抗値が低下する。ひずみセンサ５は、図示しないアンプ基板に接続される。アンプ基板は、ひずみセンサ５の抵抗値に基づいた電圧信号を出力する。アンプ基板の電圧信号によって、予圧の低下を監視することができる。図９は、アンプ基板が出力する電圧の推移を示すグラフである。横軸はねじ装置１の使用期間であり、縦軸はアンプ基板が出力する電圧（すなわち予圧残存レベル）である。図９に示すように、経年変化に伴う予圧残存レベルの低下を知ることができる。

なお、ＩｏＴを導入し、アンプ基板が出力する電圧信号を送信機によってインターネット回線を通じてクラウドに送信してもよい。そして、クラウド上の故障診断システムが、アンプ基板が出力する電圧信号を人口知能を用いた深層学習（ディープラーニング）し、ねじ装置１の故障を診断してもよい。

以上に本実施形態のねじ装置の構成を説明した。本実施形態のねじ装置１によれば、以下の効果を奏する。

ひずみセンサ５が貼り付けられるナット３の貼付け面３ｅ及び／又はその近傍とナット３の内面３ｄとの間に穴１１を設けるので、穴１１を設けた部分において、ナット３の外面に予圧荷重が伝わりにくくなる。ナット３の外面の変形する部分と変形しにくい部分との境目に応力集中が発生し、ひずみ量が拡大されるので、ひずみセンサ５による予圧の検知が容易になる。

オーバーサイズボール予圧の場合、ナット３の円周方向のひずみを検出することにより、ひずみセンサ５による予圧の検知が容易になる。

１つの穴１１を設けることで、穴１１を設けない場合に比べて、ひずみセンサ５の感度を例えば約２倍に向上させることができる。

平行な２つの穴１１を設けることで、穴１１を設けない場合に比べて、ひずみセンサ５の感度を例えば約３．５倍に向上させることができる。

ひずみセンサ５をナット３の平取り部３ｃに取り付けることで、ナット３にひずみセンサ５を取り付けるのが容易である。
（第２の実施形態）

図１０は、本発明の第２の実施形態のねじ装置２１の外観斜視図を示し、図１１は、ねじ装置２１の軸線に沿った断面図を示す。第２の実施形態のねじ装置２１も、ねじ軸２、ナット３、ねじ軸２の外面溝２ａとナット３の内面溝３ａとの間に介在する転動体としてのボール４を備える。

第１の実施形態のねじ装置１は、オーバーサイズボール予圧のねじ装置１であるのに対し、第２の実施形態のねじ装置２１は、オフセット予圧のねじ装置２１である。すなわち、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、ナット３の内面溝３ａの一部３ａ１をナット３の内面溝３ａの他の一部３ａ２に対してナット３の軸方向にオフセットさせている。内面溝３ａの一部３ａ１が使用される循環回路と、内面溝３ａの他の一部３ａ２が使用される循環回路とは、互いに異なる。内面溝３ａの一部３ａ１のリードはＬであり、内面溝３ａの他の一部３ａ２のリードはＬであり、一部３ａ１と他の一部３ａ２との間のオフセット部１８のリードはＬ＋αである。なお、１条の内面溝３ａ内でオフセット予圧をかけてもよいし、２条の内面溝３ａの条間でオフセット予圧をかけてもよい。

図１２（ｂ）に示すように、ねじ軸２の外面溝２ａの断面形状は、ボール４の半径よりも僅かに大きな半径を持つ単一の円弧からなるサーキュラーアーク状である。ボール４は、外面溝２ａに１点で接触する。ナット３の内面溝３ａの断面形状は、ボール４の半径よりも僅かに大きな半径を持つ単一の円弧からなるサーキュラーアーク状である。ボール４は、内面溝３ａに１点で接触する。符号７は、接触角線である。

図１０及び図１１に示すように、ナット３の外面の平取り部３ｃには、接着剤等の接着手段によってひずみセンサ５が貼り付けられる。ひずみセンサ５が取り付けられるナット３の貼付け面３ｅとナット３の内面３ｄとの間には、穴１１が設けられる。穴１１をナット３の貼付け面３ｅの近傍とナット３の内面３ｄとの間に設けてもよい。穴１１は、軸方向に直角な方向に延びる。隣接する平行な２つの穴１１を設けてもよい。穴１１はナット３の側面から空けられ、貼付け面３ｅの下方を通過する。

第２の実施形態のねじ装置２１によれば、ひずみセンサ５が貼り付けられるナット３の貼付け面３ｅ及び／又はその近傍とナット３の内面３ｄとの間に穴１１を設けるので、穴１１を設けた部分において、ナット３の外面に予圧荷重が伝わりにくくなる。ナット３の外面の変形する部分と変形しにくい部分との境目に応力集中が発生し、ひずみ量が拡大されるので、ひずみセンサ５による予圧の検知が容易になる。

オフセット予圧の場合、ナット３の外面の軸方向のひずみ量を検知することにより、予圧の検知が容易になる。オフセット予圧によってナット３は軸方向（図１０のＸ方向）に延びるように変形するからである。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化可能である。例えば、転動体にはボールの替わりにローラを使用してもよい。

上記実施形態では、穴の延びる方向と直交する穴の断面形状が円形であるが、円形に限られることはなく、四角形等であってもよい。また、穴は、直線状もしくは円弧状の長穴、及び／又はスリット状であってもよい。

上記実施形態では、穴の内部が空間になっているが、穴の内部を充填材によって充填することもできる。

１，２１…ねじ装置、２…ねじ軸、２ａ…外面溝、３…ナット、３ａ…内面溝、３ａ１…ナットの内面溝の一部、３ａ２…ナットの内面溝の他の一部、３ｃ…平取り部、３ｄ…ナットの内面、３ｅ…貼付け面、４…ボール（転動体）、５…ひずみセンサ、８…通路、９…戻し路、１１…穴

Claims (5)

1. 螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、
   前記ねじ軸が嵌められ、螺旋状の内面溝及び戻し路を有し、前記外面溝と前記内面溝との間に形成される通路が前記戻し路に繋がるナットと、
   前記通路と前記戻し路に配置される複数の転動体と、
   前記ナットの外面に貼り付けられるひずみセンサと、を備え、
   前記ひずみセンサが貼り付けられる前記ナットの貼付け面及び／又はその近傍と前記ナットの内面との間に少なくとも１つの穴を設ける予圧検知可能なねじ装置。
2. 前記ねじ装置の予圧が、前記通路よりも大きい前記転動体を使用するオーバーサイズボール予圧であり、
   前記ひずみセンサが前記ナットの少なくとも円周方向のひずみを検出することを特徴とする請求項１に記載の予圧検知可能なねじ装置。
3. 前記ねじ装置の予圧が、前記ナットの前記内面溝の一部を前記ナットの前記内面溝の他の一部に対して前記ナットの軸方向にオフセットさせるオフセット予圧であり、
   前記ひずみセンサが前記ナットの軸方向のひずみを検出することを特徴とする請求項１に記載の予圧検知可能なねじ装置。
4. 前記少なくとも１つの穴が互いに平行で隣接する少なくとも２つの穴であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の予圧検知可能なねじ装置。
5. 前記ひずみセンサが前記ナットの前記外面の平取り部に貼り付けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の予圧検知可能なねじ装置。

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