JP2017009052A - ボールねじの予圧回復装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部に駆動部を設けることなく、予圧低下時に予圧を回復することができるボールねじの予圧回復装置を提供する。【解決手段】ねじ軸１１と、このねじ軸に複数の転動体を介して螺合する複数のナット１３Ａ，１３Ｂと、隣接するナット間に配置された予圧付与機構２０とを備え、予圧付与機構は、隣接するナット間に介挿される初期予圧を与える間座２１と、この間座の外周側に配置され、隣接するナットの一方側に配置された先端から一方のナット側に行くに従い径が大きくなる傾斜面２２ｃを円周方向に複数形成したガイド部材２２と、このガイド部材の複数の傾斜面に係合する傾斜面と他方のナットの端面に接触する接触面とを有する複数の楔２３と、これら複数の楔を中心軸方向に移動させる締め付けバンド２４とを備え、隣接するナット間の予圧低下時に、前記締め付けバンド２４を締め付けて複数の楔２３を中心軸方向に移動させて隣接するナット間の予圧を回復させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ軸に螺合される隣接するナット間に予圧付与機構を設けたボールねじの予圧回復装置に関する。

この種のボールねじは、ねじ軸と、複数の転動体（例えば、ボール）を介してねじ軸に螺合する複数のナットとを備え、隣接するナット間に平板状の間座等で構成される予圧付与機構を介在させて、隣接するナット間に予圧を与えるようにしている。
この予圧付与機構としては、特許文献１に記載されているように、隣接するナット間に介挿する間座の両面に、互い違いに圧電シートを貼り付け、両ナットで強く挟持したとき間座に弾性変形を生じさせるとともに、圧電シートに供給する電圧を外部から調整することにより、予圧を外部から自在に調整することが提案されている。

また、他の予圧付与機構としては、特許文献２に記載されているように、隣接するナット間に、回り止め手段と、軸方向において互いに逆方向の力を与える付勢子とを配置し、付勢子に対して、圧力源、流体圧供給路、圧力室等を含む付勢手段で付勢力を与えることにより、定位置予圧と予圧可変式の定圧予圧とを外部から調整することが提案されている。

特許第２８７６６１４号公報 特開平０６−２３５４４６号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されたボールねじにあっては、外部から予圧を調整することが可能であり、常時予圧を一定に調整することができるが、予圧を調整するために、外部に検出装置及び直流電圧を供給する駆動装置を設けたり、流体圧源、流体圧供給路、圧力室等を含む付勢手段を設けたりする必要があり、ボールねじ単独で予圧調整を行うことができないという未解決の課題がある。
上記従来例のような外部の予圧調整機構を設けないボールねじでは、隣接するナット間に平板状の間座を組み付け、間座の厚みによって隣接するナット間に予圧を与えるのが一般的である。

この場合に、予圧付与機構を平板状の間座を設けるのみのシンプルな構成とすることができるが、ボールねじを工作機械等に組み込んで稼働させた場合には、ボールねじの転動溝に切り屑等の異物が付着すると、この異物によって転動体又は転動溝若しくは転動体及び転動溝の双方が摩耗して予圧が徐々に低下し、剛性不足によって目的とする加工精度等がでず、工作機械を停止せざるを得ない状態となり、新たなボールねじの手配をし、ボールねじの交換作業が必要となっている。
そこで、本発明は、上記特許文献１及び２に記載された従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、外部に駆動部を設けることなく、予圧低下時に予圧を回復することができるボールねじの予圧回復装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るボールねじの予圧回復装置は、ねじ軸と、このねじ軸に複数の転動体を介して螺合する複数のナットと、隣接するナット間に配置された予圧付与機構とを備え、予圧付与機構は、隣接するナット間に介挿される初期予圧を与える間座と、この間座の外周側に配置され、隣接するナットの一方側に配置された先端から一方のナット側に行くに従い径が大きくなる傾斜面を円周方向に複数形成したガイド部材と、このガイド部材の複数の傾斜面に係合する傾斜面と他方のナットの端面に接触する接触面とを有する複数の楔と、これら複数の楔を中心軸方向に移動させる締め付けバンドとを備え、隣接するナット間の予圧低下時に、締め付けバンドを締め付けて複数の楔を中心軸方向に移動させて隣接するナット間の予圧を回復させる。

本発明の一態様によれば、予圧付与機構に予圧回復機能を持たせたので、ボールねじの転動溝に異物が侵入して転動体又は転動溝若しくは転動体及び転動溝の双方が摩耗して予圧が低下したときに、締め付けバンドで楔を締め付けて中心軸方向に移動させることにより、予圧を回復させることができ、ボールねじの初期性能を維持しながら長期間使用することが可能となる。このため、ボールねじの交換に要する準備期間を長くすることができ、交換するボールねじを調達できた時点でボールねじの交換作業を行うことで、ボールねじを組み込んだ機械の停止期間を短くすることができ、生産性の低下を抑制することができる。
また、ボールねじを組み込んだ機械の使用者側でボールねじの予備ストックを持つ必要がなくなり、在庫コストの削減に繋げることができる。

本発明の一態様に係るボールねじの予圧回復装置の第１の実施形態を示す断面図である。 図１のII線上の断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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ことはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、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、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本発明の一の態様を表すボールねじの予圧回復装置の一実施形態について説明する。

ボールねじ１０は、図１に示すように、ねじ軸１１と、このねじ軸１１に転動体としてのボール１２を介して螺合された複数例えば２つのナット１３Ａ及び１３Ｂとを備えている。
ねじ軸１１は、外周面にボール１２が転動するねじ軸側螺旋溝１４が形成されている。
ナット１３Ａは、一端にフランジ部１５を形成した円筒体１６で構成され、この円筒体１６の内周面にねじ軸側螺旋溝１４に対向してボール１２が転動するナット側螺旋溝１７が形成されている。

ナット１３Ｂは、フランジ部１５が省略されていることを除いてはナット１３Ａと同様の構成を有し、円筒体１６の内周面にねじ軸側螺旋溝１４に対向してボール１２が転動するナット側螺旋溝１７が形成されている。
これらナット１３Ａ及び１３Ｂには、図示はしないがボール１２を軸方向の一端側から他端側に戻すような循環路が形成されており、この循環路を介してボール１２を循環させる。

ここで、ねじ軸側螺旋溝１４は、その螺旋溝に直角な断面形状が曲率中心の異なる２つの同一円弧を組み合わせた略Ｖ状であるゴシックアーク形状とされている。これに対して、ナット側螺旋溝１７は、その螺旋溝に直角な断面形状がボール１２の半径より大きい曲率半径を有するゴシックアーク形状とされている。
そして、ナット１３Ａのフランジ部１５とは反対側にナット１３Ｂが隣接して配置されている。

ナット１３Ａ及び１３Ｂの対向端面間には、ボール１２に予圧を与える予圧付与機構２０が設けられている。この予圧付与機構２０は、ナット１３Ａ及び１３Ｂのボール１２に初期予圧を与える間座２１と、この間座２１の外周側に配置されたガイド部材２２と、ガイド部材２２で案内される複数例えば４個の楔２３と、楔２３を中心軸方向に移動させる締め付けバンド２４とを備えている。

間座２１は、ナット１３Ａ及び１３Ｂのナット側螺旋溝１７の底面間の内径以上の内径を有する貫通孔が形成された円筒状に形成され、その軸方向の厚みによってナット１３Ａ及び１３Ｂのボール１２に対して初期予圧を付与する。
ガイド部材２２は、図１に示すように、間座２１の外周側に係合する円筒部２２ａと、この円筒部２２ａのナット１３Ｂ側に円周方向に複数例えば９０度間隔で形成された４個の案内溝２２ｂとを備えている。各案内溝２２ｂは、底面がナット１３Ｂ側端面からナット１３Ａ側に行くに従い徐々に径が大きくなって外周面に達する、図１で見て左上がりの傾斜面２２ｃとされている。

楔２３は、ガイド部材２２の各案内溝２２ｂ内に摺動可能に配置され、案内溝２２ｂの傾斜面２２ｃと係合する傾斜面２３ａと、この傾斜面２３ａのナット１３Ｂ側端部から軸直角方向に延長してナット１３Ｂの端面に接触する接触面２３ｂと、この接触面２３ｂの外周端から傾斜面２３ａの外周端に延長する円筒面２３ｃとで断面直角三角形状に形成されている。

締め付けバンド２４は、ホースバンドの機構で構成され、ガイド部材２２の各案内溝２２ｂに係合された各楔２３の円筒面２３ｃを覆うように延長するバンド部２４ａと、このバンド部２４ａの重なり部に配置され、バンド部２４ａの一端が固定された締め付け具２４ｂとで構成されている。
この締め付け具２４ｂは、図示しないが、バンド部２４ａに長手方向に所定間隔で形成された係合孔に係合するウォーム部を有し、このウォーム部に連結された回転軸２４ｃを例えば時計方向に回転させることにより、バンド部２４ａの内径を縮径するように構成されている。

また、ナット１３Ａ及び１３Ｂは比較的熱膨張係数が小さい金属材料であるクロムモリブデン鋼（熱膨張係数：１１．２×１０^−６／Ｋ）で構成され、間座２１は、ナット１３Ａ及び１３Ｂに対して熱膨張係数が大きい金属材料であるアルミニウム合金（熱膨張係数：２３×１０^−６／Ｋ）で構成されている。また、ガイド部材２２は間座２１に対して熱膨張係数が小さい金属材料である黄銅（熱膨張係数：１９×１０^−６／Ｋ）で構成され、楔２３はガイド部材２２に対して熱膨張係数が小さい金属材料であるステンレス鋼ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１７．３×１０^−６／Ｋ）で構成され、さらに締め付けバンド２４のバンド部２４ａは、楔２３と同じステンレス鋼ＳＵＳ３０４で構成されている。

したがって、間座２１、ガイド部材２２、楔２３の順に熱膨張係数が小さくなるように設定されている。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
ねじ軸１１へナット１３Ａ及び１３Ｂを装着する際には、先ずナット１３Ａをねじ軸１１へボール１２を介して螺合させる。

次いで、ガイド部材２２内に間座２１を挿入した状態で、間座２１内にねじ軸１１をナット１３Ａ側とは反対側の端部から挿入して、間座２１及びガイド部材２２の端面をナット１３Ａのフランジ部１５とは反対側の端面に接触させる。
次いで、ナット１３Ｂをねじ軸１１のナット１３Ａのフランジ部１５とは反対側の端部からボール１２を介して螺合させ、そのナット１３Ａ側端面を間座２１に接触させて締め付ける。これにより、間座２１で、ナット１３Ａ及び１３Ｂとねじ軸１１との間のボール１２に２点接触状態となるように引張方向の所定の初期予圧を与える。

この状態で、楔２３をガイド部材２２の外周面側から案内溝２２ｂ内に楔２３を傾斜面２３ａを案内溝２２ｂの傾斜面２２ｃに係合させ且つ接触面２３ｂをナット１３Ｂのナット１３Ａ側の端面に接触するように挿入し、これを保持した状態で各楔２３のガイド部材２２の外周面より突出する円筒面２３ｃに締め付けバンド２４のバンド部２４ａを巻回し、バンド部２４ａの自由端を締め付け具２４ｂに挿入し、回転軸２４ｃを例えば時計方向に回転させることにより、バンド部２４ａが各楔２３の円筒面に均等に接触する程度にバンド部２４ａを縮径させる。

このように、ねじ軸１１にナット１３Ａ及び１３Ｂを隣接させて装着するダブルナット構成とすることにより、シングルナットの場合よりも剛性を高めることができ、ボールねじ１０を使用した送り系の位置決め精度を向上させることができる。
ところで、上記構成を有するボールねじ１０は、位置決め精度を必要する工作機械、射出成形機、半導体製造装置などに組込んで使用されるが、ボールねじ１０には、駆動時にねじ軸１１のねじ軸側螺旋溝１４やナット１３Ａ及び１３Ｂのナット側螺旋溝１７に切り屑や摩耗粉等の異物が入り込み易い。

このように、ねじ軸側螺旋溝１４やナット側螺旋溝１７に異物が入り込むと、接触角によって、異物はねじ軸側螺旋溝１４やナット側螺旋溝１７とボール１２との間に噛み込まれ、ボール１２、ねじ軸側螺旋溝１４及びナット側螺旋溝１７の少なくとも１つ以上が摩耗して、予圧抜けが発生する。
またねじ軸１１を回転駆動して、ナット１３Ａ及び１３Ｂを走行させると、ナット側螺旋溝１７とボール１２との間の発熱量が他の部位の発熱量に比較して多くなる。

そして、接触角によって、切り屑や摩耗粉等の異物がナット側螺旋溝１７とボールとの間に入り込むと、摩擦抵抗が増加する分発熱量も増加するため、ナット１３Ａ及び１３Ｂ及び予圧付与機構２０の温度が上昇する。これによって、予圧付与機構２０の予圧が低下する状態が発生する。
このとき、予圧付与機構２０の間座２１、ガイド部材２２及び楔２３の順に熱膨張係数が小さくなるように設定されており、言い換えると楔２３、ガイド部材２２及び間座２１の順に膨張係数が大きくなる。このため、温度上昇により、間座２１が軸方向に膨張し、この間座２１の熱膨張係数がナット１３Ａ及び１３Ｂの熱膨張係数より大きいので、間座２１の伸び量によって予圧の低下が回復する。このとき、間座２１に伝達された熱がガイド部材２２を介して楔２３に伝達されるが、これらガイド部材２２、楔２３の熱膨張係数が順に小さくなるので、楔２３の熱膨張による半径方向の移動量を抑制することができ、締め付けバンド２４の拡径による張力増加を抑制することができる。

しかしながら、ボール１２、ねじ軸側螺旋溝１４及びナット側螺旋溝１７の少なくとも１つ以上の摩耗量が多くなると、間座２１と小径円筒部２５の熱膨張係数差による予圧増加分では予圧が不足することになる。この場合には、締め付けバンド２４の締め付け具２４ｂの回転軸２４ｃを時計方向に回転させることにより、バンド部２４ａの円周長を短くして内径を縮径する。これによって、各楔２３の円筒面２３ｃが半径方向内方に押圧されて各楔２３がガイド部材２２の案内溝２２ｂに案内されて中心軸側に移動し、楔効果によってナット１３Ａ及び１３Ｂ間を広げてボール１２の予圧を確実に回復させることができる。このため、ボールねじ１０の予圧に比例する剛性を確保することができ、送り系の位置決め精度の低下を補償することができる。

したがって、ボール１２、ねじ軸側螺旋溝１４、ナット側螺旋溝１７の少なくとも１つ以上の摩耗による予圧低下が発生したボールねじ１０であっても、締め付けバンド２４のバンド部２４ａの張力を高めることにより予圧を回復させて継続使用が可能となる。
この予圧回復動作を行った場合には、新たなボールねじ１０を手配し、この新たなボールねじ１０が納入されるまでの間は締め付けバンド２４による予圧回復により剛性を確保して送り系の位置決め精度を維持したまま送り系の稼働が可能となる。

そして、新たなボールねじ１０が納入されたときに、送り系の駆動を停止して、劣化を生じたボールねじ１０を新たなボールねじ１０に交換する作業を行う。これによって、送り系の機構を更新することができ、送り系の停止時間を短くできるので、生産量のダウンを極力小さくすることができる。
さらに、ボールねじ１０の予備ストックを、ボールねじ１０を組み込んだ工作機械、射出成形機、半導体製造装置等を使用する製造メーカー側や生産現場で持つ必要がなくなり、在庫コストの削減に寄与することができる。

なお、上記実施形態においては、ナット１３Ｂ側に楔２３を接触させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ガイド部材２２及び楔２３の軸方向の向きを逆にして、ガイド部材２２をナット１３Ｂの端面に接触させ、楔２３の接触面２３ｂをナット１３Ａの端面に接触させるようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、ガイド部材２２の案内溝２２ｂ及び楔２３を４個設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、案内溝２２ｂ及び楔２３は３個以上設けるようにすればよい。

また、上記実施形態においては、締め付けバンド２４としてホースバンドの機構を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも２つの楔２３を覆う金属製の半円弧状のリングの円周方向の両端部に半径方向外方に突出する突出片を形成し、この突出片にねじ挿通孔を形成し、対向する突出片のねじ挿通孔にねじを挿通し、ねじの端部にナットを螺合させてナット及びねじを相対回転させて締め付けるようにしてもよい。

１０…ボールねじ、１１…ねじ軸、１２…ボール、１３Ａ，１３Ｂ…ナット、１４…ねじ軸側螺旋溝、１６…円筒体、１７…ナット側螺旋溝、２０…予圧付与機構、２１…間座、２２…ガイド部材、２２ｂ…案内溝、２２ｃ…傾斜面、２３…楔、２３ａ…傾斜面、２３ｂ…接触面、２３ｃ…円筒面、２４…締め付けバンド、２４ａ…バンド部、２４ｂ…締め付け具、２４ｃ…回転軸

Claims (3)

1. ねじ軸と、該ねじ軸に複数の転動体を介して螺合する複数のナットと、隣接するナット間に配置された予圧付与機構とを備え、
   前記予圧付与機構は、前記隣接するナット間に介挿される初期予圧を与える間座と、該間座の外周側に配置され、前記隣接するナットの一方側に配置された先端から一方のナット側に行くに従い径が大きくなる傾斜面を円周方向に複数形成したガイド部材と、該ガイド部材の複数の傾斜面に係合する傾斜面と他方のナットの端面に接触する接触面とを有する複数の楔と、該複数の楔を中心軸方向に移動させる締め付けバンドとを備え、
   前記隣接するナット間の予圧低下時に、前記締め付けバンドを締め付けて前記複数の楔を中心軸方向に移動させて当該隣接するナット間の予圧を回復させる
   ことを特徴とするボールねじの予圧回復装置。
2. 前記締め付けバンドはホースバンドの機構で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじの予圧回復装置。
3. 前記間座、前記ガイド部材及び前記楔は、その順に熱膨張係数が小さくなる金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじの予圧回復装置。

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