JP2019157863A - センサ組換え可能な機械要素 - Google Patents

Abstract

【課題】部品を共通化することができるセンサ組換え可能な機械要素を提供する。【解決手段】軌道部材１に転動体４を介して移動部材２が相対移動可能に組み付けられる機械要素３に、センサモジュール１２とプロセッサモジュール１１とを互いに分離して配置する。センサモジュール１２は、機械要素３の物理量を検出する。プロセッサモジュール１１は、センサモジュール１２が出力する情報を処理するプロセッサ２１を有すると共に、プロセッサ２１が処理したデータを送信する通信装置２３及び／又はプロセッサ２１が処理したデータを記憶する記憶装置２２を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、軌道部材に転動体を介して移動部材が相対移動可能に組み付けられる機械要素に関する。

軌道部材に転動体を介して移動部材が相対移動可能に組み付けられる機械要素として、運動案内装置、ボールねじ等が知られている。運動案内装置は、軌道部材としてのレールと、移動部材としてのブロックと、を備え、工作機械のテーブル等の可動体が直線運動又は曲線運動するのを案内する。ボール、ローラ等の転動体の転がり運動を利用するので、運動案内装置は可動体の直線運動又は曲線運動を高精度にかつ高剛性に案内することができる。

ボールねじは、軌道部材としてのねじ軸と、移動部材としてのナットと、を備え、工作機械のテーブル等の可動体をねじ軸の軸方向に駆動させる。ボールの転がり運動を利用するので、ボールねじは可動体を高精度に駆動させることができる。

近年、機械要素のスマート化の開発、すなわち機械要素にセンサを取り付け、機械要素の物理量（荷重、変位、加速度、歪み、温度、潤滑状態等）を検出できるようにする開発が進んでいる。例えば、特許文献１には、機械要素の物理量を検出するセンサモジュールと、センサモジュールで検出された情報を無線電波として発信する無線モジュールと、を機械要素の移動部材に配置する機械要素が開示されている。

特開２０１７−９６８３６号公報

しかし、従来の機械要素にあっては、センサモジュールと無線モジュールとが一体であるので、センサモジュールが故障したとき、センサモジュールと無線モジュールの両方を交換しなければならず、無線モジュールを共通化できないという課題がある。

そこで本発明は、部品を共通化することができるセンサ組換え可能な機械要素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、軌道部材に転動体を介して移動部材が相対移動可能に組み付けられる機械要素と、前記機械要素の物理量を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールが出力する情報を処理するプロセッサを有すると共に、前記プロセッサが処理したデータを送信する通信装置及び／又は前記プロセッサが処理したデータを記憶する記憶装置を有するプロセッサモジュールと、を備え、前記センサモジュールと前記プロセッサモジュールとを互いに分離して前記機械要素に配置する機械要素である。

本発明によれば、センサモジュールが故障した場合、センサモジュールのみを交換し、プロセッサモジュールを共通化することができる。また、プロセッサモジュールが故障した場合、プロセッサモジュールのみを交換し、センサモジュールを共通化することができる。さらに、配置スペースの少ない機械要素にセンサモジュールとプロセッサモジュールをスペース効率よく配置することができる。

本発明の第１の実施形態における機械要素としての運動案内装置の斜視図である。 本実施形態の運動案内装置の循環路に沿った断面図である。 本実施形態の運動案内装置の側面図である。 本実施形態の運動案内装置のブロック本体の下面側斜視図である。 本実施形態の運動案内装置の斜視図である（手前側の蓋部材を取り外した状態）。 本実施形態の運動案内装置のコネクタの正面図である。 本発明の第２の実施形態における機械要素としてのボールねじの側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の機械要素を詳細に説明する。ただし、本発明の機械要素は種々の形態で具体化することができ、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の実施形態における機械要素としての運動案内装置３を示す。１は軌道部材としてのレール、２は移動部材としてのブロックである。ブロック２は、レール１に長手方向に相対移動可能に組み付けられる。レール１及びブロック２のいずれか一方がベースに取り付けられ、他方が工作機械のテーブル等の可動体に取り付けられる。運動案内装置３は、可動体が直線運動するのを案内する。

以下では、説明の便宜上、レール１を水平面に配置し、レール１を長さ方向から見たときの方向、すなわち図１の前後方向、左右方向及び上下方向を用いて運動案内装置３の構成を説明する。もちろん、運動案内装置３の配置は、これに限られるものではない。

レール１は、前後方向に延びる。レール１の側面には、突条１ｂが形成される。突条１ｂの上下には、前後方向に延びる転動体転走部１ａが形成される。この転動体転走部１ａをボール、ローラ等の転動体４（図２参照）が転がる。レール１の上面には、レール１をベース又は可動体に取り付けるための図示しない通し孔が形成される。

ブロック２は、ブロック本体５と、ブロック本体５の前後方向の両端面に取り付けられる蓋部材６と、を備える。ブロック本体５の上面には、ブロック２を可動体又はベースに取り付けるための図示しないねじ穴が形成される。

図２は、運動案内装置３の循環路に沿った断面図を示す。ブロック本体５には、レール１の転動体転走部１ａに対向する転動体転走部５ａが形成される。転動体転走部１ａと転動体転走部５ａとの間には、転動体４が負荷を受けながら転がる負荷転走路８が形成される。ブロック本体５には、負荷転走路８と平行に戻し路７が形成される。蓋部材６には、Ｕ字状の方向転換路９が形成される。方向転換路９は、転動体転走部５ａの端部と戻し路７の端部に接続される。負荷転走路８、戻し路７及び一対の方向転換路９が循環路を構成する。なお、方向転換路９の内周側を形成するＲピース１０は、ブロック本体５に一体に形成されてもよいし、蓋部材６に組み込まれてもよい。

図１に示すように、ブロック本体５は、正面視で略逆Ｕ字状であり、レール１の上面に対向する中央部５−１と、レール１の左右側面に対向する一対の袖部５−２と、を有する。袖部５−２には、転動体転走部５ａ（図２参照）が形成される。

図３は、運動案内装置３の側面図を示す。１はレール、２はブロック、１３はレール１が取り付けられるベースである。破線で囲まれる１１がプロセッサモジュール、１２がセンサモジュールである。ブロック本体５には、プロセッサモジュール１１が配置される。蓋部材６には、センサモジュール１２が配置される。なお、センサモジュール１２を蓋部材６に取り付けられる図示しない部品に配置することもできる。

センサモジュール１２は、運動案内装置３の荷重、変位、加速度、歪み、温度、潤滑状態等の物理量を検出する。センサモジュール１２は、アナログセンサ又はデジタルセンサである。アナログセンサの場合、センサモジュール１２は、センサ本体のみを備えるか、又はセンサ本体、増幅回路及びフィルタ回路を備える。そして、センサモジュール１２は、電圧情報、電流情報等のアナログ情報をプロセッサモジュール１１に出力する。デジタルセンサの場合、センサモジュール１２は、センタ本体、増幅回路、フィルタ回路、ＡＤ変換回路及び信号処理回路を備える。そして、センサモジュール１２は、デジタル情報をプロセッサモジュール１１に出力する。

プロセッサモジュール１１は、プロセッサ２１、記憶装置２２、通信装置２３及び電源２４を備える。プロセッサ２１は、マイクロコントローラ又はＣＰＵ等である。プロセッサ２１は、ＡＤ変換機能を有すると共に、Ｉ２Ｃ(I-squared-C)、ＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)等の通信機能を有する。

センサモジュール１２がアナログセンサの場合、プロセッサ２１は、センサモジュール１２が出力するアナログ情報を受け取る。そして、プロセッサ２１は、アナログ情報をＡＤ変換し、処理したデータを記憶装置２２及び通信装置２３に出力する。センサモジュール１２がデジタルセンサの場合、プロセッサ２１は、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ等の通信規格を用いて、センサモジュール１２が出力するデジタル情報を受け取る。そして、プロセッサ２１は、処理したデータを記憶装置２２及び通信装置２３に出力する。

通信装置２３は、通信用ＩＣ等である。通信装置２３は、プロセッサ２１が処理したデータを運動案内装置３の外部の上位装置に無線（ＢＬＥ、ＺｉｇＢｅｅ等）又は有線（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＵＳＢ等）で送信する。

記憶装置２２は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等である。記憶装置２２は、プロセッサ２１が処理したデータを記憶する。

電源２４は、蓄電池、発電装置、電源管理ＩＣ等である。電源２４は、プロセッサ２１、記憶装置２２及び通信装置２３に電力を供給し、コネクタ２５（図５参照）を介して、センサモジュール１２に電力を供給する。

図４は、ブロック本体５の下面側の斜視図を示す。ブロック本体５の中央部５−１の下面（図４の上面）には、プロセッサ２１、記憶装置２２、通信装置２３及び電源２４が集約される。中央部５−１の下面（図４の上面）には、基板２６が取り付けられる。プロセッサ２１、記憶装置２２、通信装置２３及び電源２４は、この基板２６に搭載される。２７はプロセッサモジュール１１とコネクタ２５とを接続するケーブルである。

図５は、一方の蓋部材６を取り外した運動案内装置３の斜視図を示す。上記のように、蓋部材６には、センサモジュール１２が配置される。蓋部材６には、荷重を検出する、振動を検出する等のセンサモジュール１２の機能に合わせて、荷重検出用蓋部材６ａ、振動検出用蓋部材６ｂ、潤滑状態検出用蓋部材６ｃ、温度検出用蓋部材６ｄ等が存在する。これらの蓋部材６ａ〜６ｄは、ユーザの要望に応じて組み換えてブロック本体５に取り付けられる。図５は、荷重検出用蓋部材６ａからなる蓋部材６をブロック本体５に取り付けた例を示す。なお、一つの蓋部材６に同一の機能の複数のセンサモジュール１２を配置することもできるし、一つの蓋部材６に機能の異なる複数のセンサモジュール１２を配置することもできる。

図３に示すプロセッサ２１は、機能が異なるセンサモジュール１２が出力する情報を処理可能である。すなわち、プロセッサ２１は、荷重検出用蓋部材６ａのセンサモジュール１２が出力する情報を処理可能なだけでなく、振動検出用蓋部材６ｂ、潤滑状態検出用蓋部材６ｃ及び温度検出用蓋部材６ｄのセンサモジュール１２が出力する情報も処理可能である。プロセッサ２１は、センサモジュール１２の機能に合わせたプログラムを実行する。例えば、図５に示すコネクタ２５の端子を利用してＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶されるプログラムを書き換えれば、プロセッサ２１がセンサモジュール１２の機能に合わせたプログラムを実行することができる。また、図５に示すコネクタ２５の端子を利用してプロセッサ２１がセンサモジュール１２の機能を自動的に判断するようにすれば、プロセッサ２１がセンサモジュール１２の機能に合わせたプログラムを自動的に実行することができる。

図５に示すように、ブロック本体５の端面には、プロセッサモジュール１１とセンサモジュール１２とで通信を行うためのコネクタ２５が配置される。図６のコネクタ２５の正面図に示すように、コネクタ２５には複数の端子２９が設けられる。端子２９は、センサモジュール１２の機能毎に振り分けられる。例えば、１〜４の端子は電源、ＧＮＤ等の共通端子であり、５〜８の端子は荷重検出用端子であり、９〜１２の端子は振動検出用端子である。端子２９は、センサモジュール１２の機能の数に合わせて増加する。なお、センサモジュール１２の機能によっては、同一の端子を使用することもできる。

図５に示すように、蓋部材６の背面にも図示しないコネクタが配置される。蓋部材６をブロック本体５に取り付けると、蓋部材６のコネクタとブロック本体５のコネクタ２５とが導通する。

以上に本実施形態の運動案内装置３の構成を説明した。本実施形態の運動案内装置３によれば、以下の効果を奏する。

センサモジュール１２とプロセッサモジュール１１とを互いに分離して運動案内装置３に配置するので、センサモジュール１２が故障した場合、センサモジュール１２のみを交換し、プロセッサモジュール１１を共通化することができる。また、プロセッサモジュール１１が故障した場合、プロセッサモジュール１１のみを交換し、センサモジュール１２を共通化することができる。さらに、配置スペースの少ない運動案内装置３にセンサモジュール１２とプロセッサモジュール１１をスペース効率よく配置することができる。

プロセッサモジュール１１が、機能が異なるセンサモジュール１２が出力する情報を処理可能であるので、センサモジュール１２の機能が異なっても、センサモジュール１２のみを組み換えし、プロセッサモジュール１１を共通化することができる。ここで、センサモジュール１２の機能毎にセンサモジュール１２とプロセッサモジュール１１とを設計・製造すると、製品のラインナップが増大し、これが原因で製造コストが増大したり、保守・点検が困難になったりするという問題が発生する。センサモジュール１２の機能が異なっても、プロセッサモジュール１１を共通化することで、この問題を解決できる。また、センサモジュール１２の機能の変更・追加の要望にも簡単に応えることができる。

プロセッサ２１がセンサ情報を集約できるので、複数のセンサモジュール１２を配置しても、省配線ないしは無線化が可能になる。

プロセッサモジュール１１をブロック本体５に配置するので、取付けスペースを必要とするプロセッサモジュール１１をスペース効率よくブロック本体５に配置することができる。

プロセッサモジュール１１をブロック本体５の中央部５−１の下面に配置するので、ブロック本体５の空きスペースを有効利用することができる。

蓋部材６にセンサモジュール１２を配置するので、センサモジュール１２をスペース効率よく蓋部材６に配置することができる。

ブロック本体５の端面にコネクタ２５を配置するので、ブロック本体５のプロセッサモジュール１１と蓋部材６のセンサモジュール１２との配線を簡単にすることができる。

プロセッサモジュール１１が、通信規格が異なるセンサモジュール１２が出力するデジタル情報を処理可能であるので、通信規格が異なるセンサモジュール１２を組み換えることができる。
（第２の実施形態）

図７は、本発明の第２の実施形態における機械要素としてのボールねじを示す。ボールねじは、軌道部材としてのねじ軸３１と、移動部材としてのナット３２と、を備える。ねじ軸３１はナット３２を貫通する。ねじ軸３１とナット３２との間には、転動体としてのボール（図示せず）が介在する。ナット３２は、ねじ軸３１にボールを介して組み付けられる。ねじ軸３１を回転させると、ナット３２が軸方向に移動する。

ねじ軸３１には、螺旋状の転動体転走部が形成される。ナット３２は、ナット本体３３と、ナット本体３３の両端に取り付けられる蓋部材３４と、を備える。ナット本体３３には、ねじ軸３１の転動体転走部に対向する螺旋状の転動体転走部が形成される。ナット本体３３には、ボールを戻す直線状の戻し路が形成される。蓋部材３４には、ナット本体３３の転動体転走部の端部と戻し路の端部とに接続される方向転換路が形成される。

ナット本体３３には、プロセッサモジュール１１が配置される。蓋部材３４には、センサモジュール１２が配置される。プロセッサモジュール１１は、プロセッサ２１、記憶装置２２、通信装置２３及び電源２４を備える。プロセッサモジュール１１の構成は、第１の実施形態のプロセッサモジュール１１と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。また、センサモジュール１２の構成は、第１の実施形態のセンサモジュール１２と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。

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具現化可能である。

上記実施形態では、機械要素として運動案内装置、ねじ装置を使用した例を説明したが、機械要素としてボールスプラインを使用することもできる。ボールスプラインは、軌道部材としてのスプライン軸と、移動部材としてのスプライン外筒と、を備える。スプライン外筒は、転動体としてのボールを介してスプライン軸に組み付けられる。

上記実施形態では、プロセッサモジュールをブロック本体又はナット本体に配置し、センサモジュールを蓋部材に配置しているが、プロセッサモジュールを蓋部材に配置し、センサモジュールをブロック本体又はナット本体に配置することもできる。

１…レール（軌道部材）、１ａ…転動体転走部、２…ブロック（移動部材）、３…運動案内装置（機械要素）、４…転動体、５…ブロック本体（移動部材本体）、５ａ…転動体転走部、５−１…中央部、５−２…袖部、６，６ａ〜６ｄ…蓋部材、７…戻し路、９…方向転換路、１１…プロセッサモジュール、１２…センサモジュール、２１…プロセッサ、２２…記憶装置、２３…通信装置、２４…電源、２５…コネクタ、３１…ねじ軸（軌道部材）、３２…ナット（移動部材）、３３…ナット本体（移動部材本体）、３４…蓋部材

Claims (7)

1. 軌道部材に転動体を介して移動部材が相対移動可能に組み付けられる機械要素と、
   前記機械要素の物理量を検出するセンサモジュールと、
   前記センサモジュールが出力する情報を処理するプロセッサを有すると共に、前記プロセッサが処理したデータを送信する通信装置及び／又は前記プロセッサが処理したデータを記憶する記憶装置を有するプロセッサモジュールと、を備え、
   前記センサモジュールと前記プロセッサモジュールとを互いに分離して前記機械要素に配置するセンサ組換え可能な機械要素。
2. 前記プロセッサは、前記物理量と異なる物理量を検出するセンサモジュールが出力する情報を処理可能であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ組換え可能な機械要素。
3. 前記移動部材は、前記軌道部材の転動体転走部に対向する転動体転走部及び戻し路を有する移動部材本体と、前記移動部材本体の端面に取り付けられ、前記転動体転走部の端部及び前記戻し路の端部に接続される方向転換路の少なくとも一部を有する蓋部材と、を備え、
   前記プロセッサモジュールを前記移動部材本体に配置することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ組換え可能な機械要素。
4. 前記移動部材本体は、前記軌道部材の上面に対向する中央部と、前記軌道部材の左右一対の側面に対向する左右一対の袖部と、を有し、
   前記プロセッサモジュールを前記中央部の下面に配置することを特徴とする請求項３に記載のセンサ組換え可能な機械要素。
5. 前記センサモジュールを前記蓋部材及び／又は前記蓋部材に取り付けられる部品に配置することを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサ組換え可能な機械要素。
6. 前記移動部材は、前記軌道部材の転動体転走部に対向する転動体転走部及び戻し路を有する移動部材本体と、前記移動部材本体の端面に取り付けられ、前記転動体転走部の端部及び前記戻し路の端部に接続される方向転換路の少なくとも一部を有する蓋部材と、を備え、
   前記移動部材本体の前記端面に、前記プロセッサモジュールと前記センサモジュールとで通信を行うためのコネクタを配置することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ組換え可能な機械要素。
7. 前記プロセッサは、前記センサモジュールとは通信規格が異なるセンサモジュールが出力するデジタル情報を処理可能であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ組換え可能な機械要素。

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