JP2019074192A - 予圧検知可能なねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二つのナット間にシムを介在させたねじ装置において、予圧を検知可能なねじ装置を提供する。【解決手段】予圧検知可能なねじ装置は、二つのナット２，３と、二つのナット２，３間に挟まれて圧縮されるシム４と、二つのナット２，３を互いに相対回転不可能に連結する連結部２５，２６と、予圧を検知するための力センサ３１と、を備える。二つのナット２，３の少なくとも一方２の、シム４との接触面１１に連結部２５，２６から離れて接触面積を小さくするように凹部１２を設ける。凹部１２の近傍の、シム４の外面Ｐ１−１に力センサ３１を取り付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、二つのナットの間に予圧を与えるためのシムを介在させ、予圧を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ボール等の転動体と、を備える。ねじ軸及びナットのいずれか一方を回転させると、他方が直線運動する。ねじ装置は、回転を直線運動に又は直線運動を回転に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、効率を向上させることができるという特徴がある。

従来のねじ装置として、二つのナットの間に予圧を与えるためのシムを介在させたダブルナットのねじ装置が知られている。シムは、二つのナット間で挟まれて圧縮される。二つのナットは、連結部としてのキーによって互いに相対回転不可能に連結される。二つのナットを回転不可能に連結することで、二つのナットでシムを圧縮した状態を保つことができる。二つのナットには、シムからの反力によって、軸方向隙間を無くすように予圧が与えられる。予圧を与えることで、ねじ装置の剛性及び位置決め精度を向上させることができる。

予圧を検出可能なねじ装置として、特許文献１には、二つのナットの軸方向の端面同士を対向させ、二つのナットの一方の端面に凸部を設け、他方の端面に凸部が収容される凹部を設けたねじ装置が開示されている。押しねじによって凸部を円周方向に押し、一方のナットの軸回りの位相を他方のナットに対してずらすことで、予圧を与える。二つのナット間にはシムが介在しておらず、二つのナット間には力センサが挟まれる。この力センサによって、二つのナットに働く軸方向の予圧を検出することができる。

特開２０１６−２２３４９３号公報

ねじ装置を長期間使用すると、転動体、ねじ軸、ナットが摩耗し、二つのナットに与える予圧が低下し、これによりねじ装置の位置決め精度及び剛性が低下する。予圧を検知することができれば、位置決め精度及び剛性が低下する前にねじ装置を交換することができる。しかし、従来のシムを介在させたねじ装置にあっては、予圧を検知しにくいという課題がある。なぜならば、たとえシムの外面に軸方向力を検知する力センサ（例えば歪みゲージ）を取り付けたとしても、シムの軸方向の歪み量が小さいので、力センサの出力が小さいからである。このため、力センサの出力がノイズの影響を受け易い、力センサの測定分機能が低いなどの課題がある。

特許文献１に記載のねじ装置にあっては、二つのナット間で力センサを挟むので、力センサの出力を大きくすることができる。しかし、二つのナット間にシムを介在させていないので、予圧が安定しない、ナットの剛性が低くなるという課題がある。

そこで本発明は、二つのナット間にシムを介在させたねじ装置において、予圧を検知可能な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、前記ねじ軸に組み付けられ、前記外面溝に対向する螺旋状の内面溝を有する二つのナットと、前記ねじ軸の前記外面溝と前記二つのナットそれぞれの前記内面溝との間に介在する複数の転動体と、前記二つのナット間に挟まれて圧縮されるシムと、前記二つのナットを互いに相対回転不可能に連結する連結部と、予圧を検知するための力センサと、を備え、前記二つのナットの少なくとも一方の、前記シムとの接触面、及び／又は前記シムの、前記二つのナットの少なくとも一方との接触面に前記連結部から離れて接触面積を小さくするように凹部を設け、前記凹部の近傍の、前記シムの外面及び／又は前記二つのナットの少なくとも一方の外面に前記力センサを取り付ける予圧検知可能なねじ装置である。

本発明によれば、ナットとシムとの接触面に接触面積を小さくするように凹部を設けるので、力／接触面積で表される応力（応力＝力／接触面積）を局所的に大きくすることができる。凹部の近傍の、応力を大きくしたシムの外面及び／又はナットの外面に力センサを取り付けることで、力センサの出力を大きくすることができる。また、連結部には回転の力が働くので、凹部を連結部から離すことで、力センサで予圧に重畳して回転の力を検知するのを防止でき、予圧をクリアに検知することができる。

本発明の第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の分解斜視図である。 第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の側面図である。 図２のIV-IV線矢視図である。 第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置のナットの分解斜視図である。 第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の模式側面図である。 本発明の第２の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の分解斜視図である。 ＦＥＭ解析の結果を示す図である。 試験結果を示すグラフである。

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の分解斜視図を示し、図２は側面図を示す。本実施形態のねじ装置は、所謂ダブルナットのボールねじであり、ねじ軸１、二つのナット２，３、二つのナット２，３間に挟まれるシム４、及びねじ軸１と二つのナット２，３それぞれとの間に介在する転動体としてのボール５，６を備える。

ねじ軸１の外面には、螺旋状の外面溝１ａが形成される。この外面溝１ａをボール５，６が転がる。外面溝１ａの断面形状は、ゴシックアーチ又はサーキュラーアークである。

ねじ軸１には、二つのナット２，３が組み付けられる。ナット２，３は略筒状である。ナット２，３の内面には、ねじ軸１の外面溝１ａに対向する内面溝２ａ，３ａが形成される。内面溝２ａ，３ａの断面形状は、ゴシックアーチ又はサーキュラーアークである。一方のナット３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。他方のナット２には、フランジが設けられていない。

図２に示すように、ねじ軸１の外面溝１ａとナット２の内面溝２ａとの間に螺旋状の通路７が形成される。この通路７には、ボール５（図１参照）が配列される。ナット２には、ボール５が循環できるように、この通路７の一端と他端に接続される戻し路８が設けられる。図２には、螺旋状の通路７、戻し路８の中心線を一点鎖線で示す。この実施形態では、戻し路８は、ナット２に設けた貫通穴８ａと、貫通穴８ａと通路７とを繋ぐ一対の方向転換路８ｂと、から構成される。方向転換路８ｂは、ナット２の軸方向の端面に取り付けられる循環部９ａ，９ｂに形成される。循環部９ａ，９ｂは、通路７を転がるボール５をねじ軸１の外面溝１ａから掬い上げ、貫通穴８ａに導く。貫通穴８ａを経由したボール５は反対側の循環部９ａ，９ｂから再び通路７に戻される。ナット３にも同様に、通路７，貫通穴８ａ，方向転換路８ｂが形成される。これらの構成は、同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

図３のナット２，３の分解斜視図に示すように、ナット２の軸方向の端面、すなわちナット２の、シム４との接触面１１は、略円環状に形成される。この略円環状の接触面１１には、循環部９ａが挿入される凹部１２が設けられる（図１参照）。シム４の、ナット２に対向する接触面１３には、凹部は設けられていない。

凹部１２は、底面１２ｂと、側壁１２ａと、を備える。この実施形態では、軸方向視において、凹部１２は略円弧状に形成されると共に、ナット２の内面と外面に開口する（図４も参照）。この凹部１２によって、接触面１１の外周側には、半径方向の厚さを薄くした薄肉部１４が形成される。

図２に示すように、ナット２の、軸方向の他方の端面にも、凹部１５が設けられる。凹部１５の形状は、ナット２を図２の紙面と直角な軸の回りに１８０度回転させたときの凹部１２の形状と同一である。同様に、ナット３の、シム４との接触面１６にも凹部１７（図１参照）が設けられる。また、ナット３の、軸方向の他方の端面にも凹部１８（図３参照）が設けられる。

図１に示すように、ナット２の、シム４とは反対側の端面は、リング状のキャップ２１で塞がれる。同様にナット３の、シム４とは反対側の端面も、リング状のキャップ２２で塞がれる。キャップ２１，２２は、ねじ等の締結部材によってナット２，３に取り付けられる。

図２に示すように、本実施形態では二つのナット２，３の貫通穴８ａの円周方向の位相を一致させている。図２の側面視において、隣接する一方のナット２の循環部９ａと他方のナット３の循環部９ｂは互い違いに、すなわち一方のナット２の循環部９ａは貫通穴８ａよりも主に下側に配置され、他方のナット３の循環部９ｂは貫通穴８ａよりも主に上側に配置される。

図３に示すように、ナット２，３の対向端部の外面には、キー溝２３，２４が形成される。このキー溝２３，２４には、二つのナット２，３を相対回転不可能に連結する連結部としてのキー２５，２６（図１参照）が嵌められる。シム４にも、キー２５，２６が嵌るキー溝２７が形成される。

図１に示すように、シム４は、二つのナット２，３間に挟まれる。シム４の外径は、ナット２，３の外径よりも小さい（図４参照）。シム４は、リング状であり、中心角が略１８０度の円弧状の一対の分割シム４ａ，４ｂを備える。分割シム４ａ，４ｂの外面の円周方向の中央部には、キー２５，２６が嵌まるキー溝２７が形成される。分割シム４ａのキー溝２７の円周方向の両側には、一対の平坦面Ｐ１−１，Ｐ１−２が形成される。分割シム４ａの内面は、半円筒状に形成される。分割シム４ｂのキー溝２７の円周方向の両側には、一対の平坦面Ｐ２−１，Ｐ２−２が形成される。分割シム４ｂの内面は、半円筒状に形成される。なお、シム４を分割することなく、単一の部品から構成することも可能である。

図４のシム４の軸方向視に示すように、ナット２の接触面に凹部１２を設けるので、凹部１２の面積の分だけ、ナット２とシム４との接触面積が小さくなる。ナット２とシム４との接触面積を斜線で示す。

凹部１２の近傍の、シム４の外面には、力センサ３１が取り付けられる。具体的には、分割シム４ａの二つの平坦面Ｐ１−１，Ｐ１−２のうちの一方Ｐ１−１に力センサ３１が取り付けられる。力センサ３１は、接着剤によって平坦面Ｐ１−１に貼り付けられる。力センサ３１を平坦面Ｐ１−１に取り付ければ、力センサ３１にストレスが発生するのを防止できる。なお、図中一点鎖線で示すように、力センサ３１´を分割シム４ｂの平坦面Ｐ２−１に取り付けることも可能である。図１に示すように、平坦面Ｐ２−１はナット３の凹部１７の近傍に配置されるからである。

図５に示すように、シム４は二つのナット２，３間に挟まれて圧縮される。力センサ３１は、軸方向力、すなわち予圧を検出する。力センサ３１は、例えば歪ゲージであり、樹脂ベース３１ｃと、樹脂ベース３１ｃに埋め込まれ、シム４の歪を測定する受感部３１ａ，３１ｂと、を備える。受感部３１ａ，３１ｂには、図示しないリード線が接続される。受感部３１ａ，３１ｂは、軸方向力を検知する第１受感部３１ａと、円周方向力を検知する第２受感部３１ｂと、を備える。軸方向力と円周方向力との差を測定することで、熱膨張に起因して発生する軸方向力をキャンセルすることができる。

図４に示すように、ナットの軸方向視において、力センサ３１の受感部３１ａ，３１ｂによって画定されるナット２の第１扇形仮想領域（一点鎖線で囲まれる中心角θ１の扇形領域、以下θ１という）は、凹部１２によって画定されるナット２の第２扇形仮想領域（二点鎖線で囲まれる中心角θ２の扇形領域、以下θ２という）に含まれる。ここで、第１扇形仮想領域θ１は、ナット２の仮想軸線Ｃと受感部３１ａ，３１ｂの円周方向の一端とを結んだ線Ｌ１、及び仮想軸線Ｃと受感部３１ａ，３１ｂの円周方向の他端とを結んだ線Ｌ２によって画定されると共に、中心角が１８０度未満の扇形領域である。第２扇形仮想領域θ２は、仮想軸線Ｃと凹部１２の円周方向の一端とを結んだ線Ｌ３、及び仮想軸線Ｃと凹部１２の円周方向の他端とを結んだ線Ｌ４によって画定されると共に、中心角が１８０度未満の扇形領域である。

図５に示すように、シム４は二つのナット２，３間に挟まれて圧縮される。二つのナット２，３には、シム４からの反力によって軸方向の予圧が与えられる。予圧は力センサ３１によって検知される。力センサ３１は、図示しないアンプ基板に接続される。アンプ基板は、電圧信号をデジタル化した出力データを出力する。出力データは、図示しない故障診断システムに入力される。故障診断システムは、力センサ３１の出力データを所定の閾値と比較して故障を判断することもできるし、力センサ３１の出力データを機械学習して故障を判断することもできるし、力センサ３１の出力データを人口知能を用いた深層学習（ディープラーニング）して故障を判断することもできる。また、ＩｏＴを導入し、力センサ３１の出力データ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することも可能である。

以下に本実施形態のねじ装置の効果を説明する。

ナット２の、シム４との接触面１１に接触面積を小さくするように凹部１２を設けるので、力／接触面積で表される応力（応力＝力／接触面積）を局所的に大きくすることができる。凹部１２の近傍の、応力を大きくしたシム４の外面に力センサ３１を取り付けることで、力センサ３１の出力を大きくすることができる。また、キー２５，２６には回転の力が働くので、凹部１２をキー２５，２６から離すことで、力センサ３１が予圧に重畳して回転の力を検知するのを防止でき、予圧をクリアに検知することができる。

ねじ装置のＦＥＭ解析や試験結果（詳しくは後述する）によれば、凹部１２を設けたナット２の外面よりも凹部を設けていないシム４の外面で広い面積で大きな応力が発生することがわかった。シム４の外面に力センサ３１を取り付けることで、ナット２の外面に取り付ける場合に比べて、力センサ３１の出力をより大きくすることができる。

ナット２の軸方向視において、力センサ３１の受感部３１ａ，３１ｂによって画定されるナット２の第１扇形仮想領域θ１が凹部１２によって画定されるナット２の第２扇形仮想領域θ２に含まれるので、力センサ３１の受感部３１ａ，３１ｂの全範囲にわたって応力を大きくすることができ、力センサ３１の出力をより大きくすることができる。

シム４の外径をナット２の外径よりも小さくするので、シム４の外面に働く応力をより大きくすることができる。仮に、逆にシム４の外径をナット２の外径よりも大きくすると、シム４の内部に働く応力を大きくできるが、シム４の外面に働く応力を大きくできない。

凹部１２がボール５を循環させるための循環部９ａ用の凹部１２であるので、凹部１２の面積を大きくすることができ、シム４の外面に働く応力をより大きくすることができる。

シム４を二分割し、一対の分割シム４ａ，４ｂそれぞれにキー２５，２６を嵌めるので、シム４をリング状にする場合に比べて組み立て易くなるし、キー２５，２６から一対の分割シム４ａ，４ｂに働く回転の力を低減することができる。

力センサ３１がシム４の軸方向力を検知する第１受感部３１ａと、シム４の円周方向力を検知する第２受感部３１ｂと、を備えるので、軸方向力と円周方向力との差を測定することができ、熱膨張に起因して発生する軸方向力をキャンセルすることができる。
（第２の実施形態）

図６は、本発明の第２の実施形態のねじ装置の分解斜視図を示す。第２の実施形態のねじ装置も、ねじ軸１、二つのナット４２，４３、二つのナット４２，４３間に挟まれるシム４、ねじ軸１と二つのナット４２，４３との間に介在するボール５，６を備える。ねじ軸１、シム４、ボール５，６の構成は第１の実施形態と同一であるから、同一の符号を附してその説明を省略する。

第１の実施形態では、ナット２の接触面１１の凹部１２に嵌る循環部９ａを用いてボール５を循環させているが、第２の実施形態では、例えば二つのリターンパイプ４２ａを用いてボール５を循環させている。ナット４２の外面には平取り部４２ｂが形成され、平取り部４２ｂにリターンパイプ４２ａが装着される。リターンパイプ４２ａは、両端部を折り曲げて門形に形成される。リターンパイプ４２ａの両端部はナット４２を軸方向に貫通する。リターンパイプ４２ａの一端部はナット４２の内面溝の一端に繋がり、リターンパイプ４２ａの他端部はナット４２の内面溝の他端に繋がる。ねじ軸１の外面溝１ａとナット４２の内面溝との間の螺旋状の通路を転がるボール５は、リターンパイプ４２ａの一端部で掬い上げられ、リターンパイプ４２ａを経由した後、リターンパイプ４２ａの他端部から再び通路に戻される。ナット４３にも同様にリターンパイプ４３ａが装着される。

ナット４２の、シム４との接触面４４には、第１の実施形態のねじ装置の凹部１２と同様な凹部４５が設けられる。この凹部４５には、循環部が挿入されておらず、凹部４５内は空洞である。ナット４２の、シム４との接触面４４に凹部４５を設けることで、第１の実施形態のねじ装置と同様に、シム４の外面に取り付けられる力センサ３１の出力を大きくすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるの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変更可能である。

上記実施形態では、ナットの、シムとの接触面に凹部を設けているが、シムの、ナットとの接触面に凹部を設けることもできる。

上記実施形態では、シムの外面に力センサを取り付けているが、ナットの、凹部の近傍の外面にも大きな応力が発生するので、ナットの外面に力センサを取り付けることもできる（後述の実施例参照）。ナットの外面に力センサを取り付ける場合、ねじ軸の外面溝とナットの内面溝との間の螺旋状の通路よりもシム側に力センサを取り付ける。

上記実施形態では、力センサの受感部が、軸方向力を検知する第１受感部と、円周方向力を検知する第２受感部と、を備えるが、力センサの受感部が、軸方向力を検知する第１受感部のみを備え、円周方向力を検知する力センサを別の平坦面に設けることもできる。

図１に示すナット２，３を用い、圧縮力を加えたときにナット２，３とシム４に働く応力をＦＥＭ解析した。ＦＥＭ解析の結果を図７に示す。

図７（ａ）に示すように、圧縮力は６０００Ｎである。図７（ｂ）に示すように、大きな応力が発生したのは、シム４の、ナット２，３の凹部１２，１７（図１参照）の近傍の外面、すなわち平坦面Ｐ１−１，Ｐ２−１であった。二つのナット２，３それぞれに凹部１２，１７が設けられるので、大きな応力が発生する部分は２箇所あった。２箇所の平坦面Ｐ１−１，Ｐ２−１のうちの一方に力センサ３１を取り付ければ、力センサ３１の出力を大きくすることができることがわかる。なお、ナット２の、凹部１２の近傍の外面Ｐ３にも大きな応力が発生した。この部分に力センサ３１を取り付けても、力センサ３１の出力を大きくすることができることがわかった。図７（ｃ）は、図７（ｂ）を軸回りに１８０度回転させた状態を示す。凹部１２，１７から離れたシム４の外面、すなわち平坦面Ｐ１−２，Ｐ２−２には、大きな応力が発生しないことがわかる。

図８は、シム４に力センサ３１として歪ゲージを取り付けたときの試験結果を示す。ｃｈ１−１、ｃｈ２−１は、２箇所の平坦面Ｐ１−１，Ｐ２−１に歪ゲージを取り付けたときの歪ゲージの出力を示し、ｃｈ１−２、ｃｈ２−２は、２箇所の平坦面Ｐ１−２，Ｐ２−２に歪ゲージを取り付けたときの出力を示す。図８の横軸は二つのナットに加える軸方向荷重（ｋＮ）であり、図８の縦軸は歪ゲージの出力（Ｖ）である。平坦面Ｐ１−１，Ｐ２−１に歪ゲージを取り付けることで、平坦面Ｐ１−２，Ｐ２−２に歪ゲージを取り付ける場合に比べて、歪ゲージの出力を約２倍にすることができた。なお、歪ゲージの出力がマイナスであることは、圧縮歪であることを意味する。

１…ねじ軸、１ａ…外面溝、２，３，４２，４３…ナット、２ａ，３ａ…内面溝、４…シム、４ａ，４ｂ…分割シム、５，６…ボール（転動体）、９ａ，９ｂ…循環部、１２…凹部、１１，４４…接触面、１２，４５…凹部、２５，２６…キー（連結部）、２７…キー溝、３１…力センサ、３１ａ…第１受感部（受感部）、３１ｂ…第２受感部（受感部）、Ｐ１−１…平坦面（シムの外面）θ１…第１扇形仮想領域、θ２…第２扇形仮想領域

Claims (6)

1. 螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、
   前記ねじ軸に組み付けられ、前記外面溝に対向する螺旋状の内面溝を有する二つのナットと、
   前記ねじ軸の前記外面溝と前記二つのナットそれぞれの前記内面溝との間に介在する複数の転動体と、
   前記二つのナット間に挟まれて圧縮されるシムと、
   前記二つのナットを互いに相対回転不可能に連結する連結部と、
   予圧を検知するための力センサと、を備え、
   前記二つのナットの少なくとも一方の、前記シムとの接触面、及び／又は前記シムの、前記二つのナットの少なくとも一方との接触面に前記連結部から離れて接触面積を小さくするように凹部を設け、
   前記凹部の近傍の、前記シムの外面及び／又は前記二つのナットの少なくとも一方の外面に前記力センサを取り付ける予圧検知可能なねじ装置。
2. 前記ナットの軸方向視において、前記力センサの受感部によって画定される前記ナットの第１扇形仮想領域が、前記凹部によって画定される前記ナットの第２扇形仮想領域に含まれ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. 前記シムの外面に前記力センサを取り付け、
   前記二つのナットの少なくとも一方の、前記シムとの接触面に前記凹部を設け、
   前記シムの外径は、前記二つのナットの外径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の予圧検知可能なねじ装置。
4. 前記凹部には、前記転動体を循環させるための循環部が挿入され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. 前記シムは、円弧状の一対の分割シムを備え、
   前記一対の分割シムには、前記連結部としての一対のキーが嵌まる一対のキー溝が形成さ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。
6. 前記力センサは、前記シム及び／又は前記ナットの軸方向力を検知する第１受感部と、前記シム及び／又は前記ナットの円周方向力を検知する第２受感部と、を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の予圧検知可能なねじ装置。