JP3379009B2 - ねじ軸の固定装置 - Google Patents

ねじ軸の固定装置

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
    • F16C2202/30—Electric properties; Magnetic properties
    • F16C2202/36—Piezoelectric

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  • Machine Tool Units (AREA)
  • Support Of The Bearing (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ねじ軸の固定装
置、さらに詳しくは、たとえば工作機械などの各種の機
械においてボールねじなどのねじ軸をフレームなどの固
定部分に対して軸受を介して固定する装置であって、動
作時のねじ軸の熱変形を吸収できる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】移動体に直線運動を行わせるための直動
機構として広範囲に各種の機械に使用されているボール
ねじは、軸方向の剛性を必要とする場合、一般的に、ボ
ールねじ動作時の温度上昇に基づく熱変形（膨張）によ
る伸び相当分を予め引張った状態で、ボールねじの両端
近傍で軸受を介して固定部分に対して軸方向に移動でき
ないように固定した状態で使用されている。しかし、こ
のようにした場合、熱変形によるボールねじの伸びが予
め引張った量より大きく上回ると、両端の軸受に大きな
負荷が加わり、軸受を破損してしまうため、高速で長時
間連続して動作させることができなかった。
【０００３】この問題を解決する方法として、従来、軸
の中心に穴をあけた中空ボールねじに冷却油を循環さ
せ、熱変形を抑制する方法が採用されているが、ボール
ねじが長くなると軸の中心に穴をあけることができない
ため、中空ボールねじの適用には限界があった。
【０００４】ボールねじ以外のねじ軸についても、同様
の問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
記の問題を解決し、ねじ軸の動作時の熱変形による伸び
を吸収し、高速で長時間連続して動作させても支障のな
いねじ軸の固定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による装置は、両端近傍を軸受を介して固定部分に回
転可能に支承され駆動手段により回転駆動されることに
より螺合するナットを有する移動体を移動させるねじ軸
を固定部分に対して固定する装置であって、少なくとも
一端側のねじ軸を支承する軸受を保持する軸受ハウジン
グが、ねじ軸の温度に応じて変形することにより固定部
分に対して軸受ハウジングを軸方向に移動させてねじ軸
の熱変形を吸収するための圧電素子を介して、固定部分
に固定されていることを特徴とするものである。
【０００７】ねじ軸の温度は、ねじ軸の温度を直接検出
することにより求めてもよいし、たとえばナット、軸
受、軸受ハウジングなど、ねじ軸の温度変化にほぼ対応
して温度が変化するねじ軸近傍の適当箇所の温度を検出
して、これから推定するようにしてもよい。あるいは、
ねじ軸の動作開始後の時間経過および動作停止後の時間
経過からねじ軸の温度を推定するようにしてもよい。ま
た、ねじ軸の温度とその熱変形量との間には一定の関係
があるので、この関係を予め求めておいて、それに基づ
き、ねじ軸の温度に応じて圧電素子を変形させることが
できる。
【０００８】ねじ軸の動作中に、温度上昇による熱変形
が生じても、それに応じて圧電素子が変形してねじ軸を
支承する軸受の軸受ハウジングを移動させることによ
り、熱変形が吸収される。そして、このように動作時の
ねじ軸の熱変形を吸収することができるため、従来のよ
うに軸受を支承する軸受に大きな負荷が加わってこれを
損傷するようなことがなく、ねじ軸を長時間連続して動
作させることが可能になる。
【０００９】たとえば、ねじ軸の温度を検出するための
温度センサと、ねじ軸の熱変形を吸収するように温度セ
ンサの出力に応じて圧電素子を変形させる制御手段とが
設けられている。
【００１０】温度センサは、ねじ軸の温度を直接検出す
るものであってもよいし、たとえばナット、軸受、軸受
ハウジングなど、ねじ軸の温度変化にほぼ対応して温度
が変化するねじ軸近傍の適当箇所の温度を検出すること
によりねじ軸の温度を間接的に検出するものであっても
よい。また、制御手段は、圧電素子に印加する電圧を制
御することにより、その変形を制御する。
【００１１】ねじ軸の温度とその熱変形量との間には一
定の関係があるので、上記のように温度センサの出力に
応じて圧電素子を変形させることにより、軸受ハウジン
グを確実に移動させて、ねじ軸の熱変形を確実に吸収す
ることができる。
【００１２】たとえば、１対の圧電素子が、軸受ハウジ
ングの少なくとも一部を軸方向の両側から挟むように配
置されるとともに、固定部分の２つの部分の間に挟まれ
ており、圧電素子の一方が膨張したときに他方が収縮す
るようになされている。
【００１３】このようにすれば、１対の圧電素子に所定
の電圧を印加してこれらに圧縮応力を加えた状態で、そ
れぞれの印加電圧を制御して、一方を膨張させて他方を
収縮させることにより、軸受ハウジングを確実に移動さ
せて、ねじ軸の熱変形を確実に吸収することができる。
【００１４】たとえば、１対の圧電素子が、軸受ハウジ
ングの少なくとも一部を軸方向の両側から挟むように配
置されるとともに、固定部分の２つの部分の間に挟まれ
ており、制御手段が、圧電素子の一方が膨張したときに
他方が収縮するように、温度センサの出力に応じて圧電
素子を変形させるものである。
【００１５】この場合も、上記同様、１対の圧電素子の
変形によって軸受ハウジングを確実に移動させることが
でき、ねじ軸の熱変形を確実に吸収することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施形態について説明する。
【００１７】図１は工作機械におけるボールねじ（ねじ
軸）の固定装置の部分を概略的に示し、図２はその一部
を拡大して示している。なお、以下の説明において、図
面の左右を左右とする。
【００１８】図１において、左右方向に伸びるボールね
じ(1) の両端寄りの部分が、それぞれ、２個の転がり軸
受(2)(3)(4)(5)を介して、固定部分であるフレーム(6)
の上面に固定されたブラケット(7)(8)に対して回転可能
に支承されている。ボールねじ(1) の右端部は、フレー
ム(6) に固定された駆動手段としての電動モータ(9)に
軸継手(10)を介して連結されている。ボールねじ(1) の
左右両端部を除く中間のボールねじ部(1a)に、移動体(1
1)の下面に固定されたナット(12)が螺合されている。図
示は省略したが、移動体(11)は適当なガイドによって案
内されており、モータ(9) でボールねじ(1) を回転駆動
することにより、移動体(11)が左右に移動する。
【００１９】図２に詳細に示すように、左側のブラケッ
ト(7) に、これを左右方向に貫通する円形穴(13)が形成
され、その中心にボールねじ(1) の左端寄りの部分が同
心状に配置されている。ボールねじ(1) の左端部にボー
ルねじ部(1a)より小径の軸部(1b)が形成され、軸部(1b)
の左側部分におねじ(1c)が形成されている。
【００２０】ブラケット(7) の穴(13)の左側部分に、円
筒状の軸受ハウジング(14)の右側部分が軸方向（左右方
向）に摺動可能にはめられている。ハウジング(14)の左
端部にブラケット(7) の外径とほぼ同じ外径を有する外
向きフランジ(14a) が形成され、同右端部にボールねじ
部(1a)の外径より大きい外径を有する内向きフランジ(1
4b) が形成されている。ブラケット(7) の環状左端面の
左側に、リング状の第１圧電素子(15)、ハウジング(14)
の外向きフランジ(14a) 、リング状の第２圧電素子(16)
およびリング状の固定部材(17)が右から順に配置され、
これらを左側から貫通してブラケット(7) の左端面に固
定された複数の固定ボルト(18)により固定されている。
ボルト(18)は、その右端部がブラケット(7) の左端面に
ねじ込まれ、ブラケット(7) の左端面とボルト頭(18a)
の環状右端面との間隔が所定の値になるように固定され
ている。第１圧電素子(15)は、ハウジング(14)の外周に
緩くはめられ、ブラケット(7) の左端面と外向きフラン
ジ(14a) の間に挟み止められている。固定部材(17)はボ
ルト頭(18a) のすぐ右側に配置され、これと外向きフラ
ンジ(14a) の間に第２圧電素子(16)が挟み止められてい
る。そして、これにより、ハウジング(14)が１対の圧電
素子(15)(16)を介してブラケット(7) に固定されてい
る。
【００２１】左側の２個の軸受すなわち第１軸受(2) お
よび第２軸受(3) は、正面組合わせにされたアンギュラ
玉軸受であり、次のように、ボールねじ(1) およびハウ
ジング(14)に対して軸方向に移動しないように固定され
ている。２個の軸受(2)(3)の内輪は、ボールねじ(1) の
軸部(1b)の外周の右側部分にはめられ、ボールねじ部(1
a)の環状左端面とおねじ(1c)にねじ止められた固定ナッ
ト(19)との間に挟み止められている。２個の軸受(2)(3)
の外輪は、相互間にわずかな隙間をあけた状態で、ハウ
ジング(14)の内向きフランジ(14b) とハウジング(14)の
左端部内周にねじ止められた予圧ナット(20)との間に挟
み止められ、軸受(2)(3)に所定の予圧が付与されてい
る。
【００２２】右側の２個の軸受すなわち第３軸受(4) お
よび第４軸受(5) は、正面組合わせにされたアンギュラ
玉軸受である。ボールねじ(1) およびブラケット(8) に
対する第３および第４軸受(4)(5)の固定構造は、ボール
ねじ(1) およびハウジング(14)に対する第１および第２
軸受(2)(3)の固定構造と同様であり、第３および第４軸
受(4)(5)はボールねじ(1) およびブラケット(8) に対し
て軸方向に移動しないように固定されている。したがっ
て、ボールねじ(1) の右端部は、ブラケット(8) に対し
て軸方向に移動しないように、軸受(4)(5)を介して支承
されている。
【００２３】２個の圧電素子(15)(16)は制御手段を構成
する制御装置(22)に電気的に接続されており、制御装置
(22)で各圧電素子(15)(16)の印加電圧を制御することに
より、各圧電素子(15)(16)の軸方向の長さが変えられる
ようになっている。ハウジング(14)内に、軸受(2)(3)近
傍のハウジング(14)の部分の温度を検出することにより
ボールねじ(1) の温度を検出する温度センサ(21)が設け
られている。温度センサ(21)はたとえばサーミスタ温度
センサであり、その出力は制御装置(22)に入力する。制
御装置(22)は、温度センサ(21)の出力すなわちボールね
じ(1) の温度に応じ、ボールねじ(1) の熱変形を吸収す
るように、圧電素子(15)(16)を変形させて、ハウジング
(14)を軸方向に移動させる。さらに詳しくは、ボールね
じ(1) の温度が上昇すると、第１圧電素子(15)を膨張さ
せるとともに、第２圧電素子(16)を同じ量だけ収縮さ
せ、その分ハウジング(14)を左側に移動させて、ボール
ねじ(1) の膨張を吸収する。逆に、ボールねじ(1) の温
度が降下すると、第１圧電素子(15)を収縮させるととも
に、第２圧電素子(16)を膨張させ、その分ハウジング(1
4)を右側に移動させて、ボールねじ(1) の収縮を吸収す
る。
【００２４】制御装置(22)の構成の１例が図３に示され
ている。制御装置(22)は、記憶装置(23)、演算回路(24)
および２個の圧電素子(15)(16)にそれぞれ対応する駆動
回路(25)(26)を備えている。
【００２５】ボールねじ(1) の温度変化と熱変形量との
間には一定の関係があり、ボールねじ(1) の温度変化と
温度センサ(21)の出力との間には一定の関係があるた
め、ボールねじ(1) の熱変形量と温度センサ(21)の出力
との間にも一定の関係がある。ボールねじ(1) の熱変形
量と温度センサ(21)の出力との間の関係は予め実験など
によって求められ、関係式あるいはテーブルの形で記憶
装置(23)に記憶されている。演算装置(24)は、温度セン
サ(21)の出力に基づき、記憶装置(23)に記憶されている
上記の関係からボールねじ(1) の熱変形量を演算し、こ
れを吸収するために必要な各圧電素子(15)(16)の印加電
圧を求め、印加電圧に対応する制御信号を各駆動回路(2
5)(26)に出力する。圧電素子(15)(16)の長さと印加電圧
との間には一定の関係があり、ボールねじ(1) の熱変形
量がわかると、これを吸収するために必要な各圧電素子
(15)(16)の長さが求められ、それから印加電圧が求めら
れる。上記の説明から明らかなように、温度センサ(21)
の出力とそれに対応するボールねじ(1) の熱変形を吸収
するために必要な各圧電素子(15)(16)の印加電圧との間
には一定の関係があるので、この関係を記憶装置(23)に
記憶しておき、演算装置(24)において、温度センサ(21)
の出力から各圧電素子(15)(16)の印加電圧を直接演算す
るようにしてもよい。各駆動回路(25)(26)は、演算回路
(24)からの制御信号から圧電素子(15)(16)を駆動するた
めの電圧を発生し、それを対応する圧電素子(15)(16)に
それぞれ印加する。
【００２６】ボールねじ(1) が回転駆動されると、ナッ
ト(12)および軸受(2)(3)(4)(5)の部分が発熱し、ボール
ねじ(1) の温度が上昇して、ボールねじ(1) が膨張す
る。ボールねじ(1) の膨張はその温度上昇すなわち軸受
(2)(3)の部分の発熱に対応するため、ボールねじ(1) の
膨張に対応して、軸受(2)(3)の近傍に設けられた温度セ
ンサ(21)の温度も上昇し、温度センサ(21)の出力が変化
する。そして、制御装置(22)により、温度センサ(21)の
出力に対応して、第１圧電素子(15)が膨張させられると
ともに、第２圧電素子(16)が収縮させられる。これによ
り、軸受(2)(3)が、ブラケット(7) に対して、ハウジン
グ(14)とともに左側に移動させられ、ボールねじ(1) の
膨張が吸収される。
【００２７】ボールねじ(1) の回転が停止すると、ナッ
ト(12)および軸受(2)(3)(4)(5)の部分の発熱がなくなる
ため、ボールねじ(1) の温度が降下して、ボールねじ
(1) が収縮する。そして、ボールねじ(1) の収縮に対応
して温度センサ(21)の出力が変化し、制御装置(22)によ
り、温度センサ(21)の出力に基づいて、第１圧電素子(1
5)が収縮させられるとともに、第２圧電素子(16)が膨張
させられる。これにより、軸受(2)(3)が、ブラケット
(7) に対して、ハウジング(14)とともに右側に移動させ
られ、ボールねじ(1) の収縮が吸収される。
【００２８】上記実施形態では、圧電素子(15)(16)が一
体のリング状に形成されているが、圧電素子(15)(16)は
周方向に複数の部分に分割されたものであってもよい。
【００２９】ボールねじ(1) と軸受ハウジング(14)との
間の軸受(2)(3)の取付け構造、軸受ハウジング(14)の構
造、ブラケット(7) とハウジング(14)との間の圧電素子
(15)(16)の配置などは、上記実施形態のものに限らず、
適宜変更可能である。たとえば、上記実施形態では、１
対の圧電素子(15)(16)がハウジング(14)の一部である外
向きフランジ(14a) を挟むように配置されているが、圧
電素子はハウジング全体を挟むように配置されてもよ
い。また、上記実施形態では、１対の圧電素子(15)(16)
でハウジング(14)の一部を挟み、一方を膨張させて、他
方を収縮させることにより、ハウジング(14)を軸方向に
移動させているため、圧電素子(15)(16)に常に圧縮応力
を加えた状態で、その印加電圧を制御して、確実に変形
させることができる。しかしながら、１個の圧電素子だ
けでハウジングを移動させるようにすることも可能であ
る。
【００３０】上記実施形態では、ボールねじ(1) の反駆
動側においてその熱変形を吸収するようになっている
が、駆動側において熱変形を吸収するようにしたり、駆
動側と反駆動側の両方で熱変形を吸収するようにするこ
ともできる。
【００３１】上記実施形態では、圧電素子の制御のため
に温度センサの出力を用いているが、温度を基準とする
かわりに、ねじ軸に加わっている力を検出するようにし
てもよい。具体的には、ブラケット(7) の左端面と第１
圧電素子(15)との間にストレインゲージ、圧電素子など
の圧力センサを設け、検出される圧力が一定になるよう
にを制御するようにしてもよい。また、検出手段そのも
のを省略し、各圧電素子(15)(16)の印加電圧を一定にな
るように制御するようにしてもよい。ただし、これらの
場合には、ねじ軸の回転中においては加減速力、切削反
力、摺動抵抗の反力などがねじ軸に加わり、正確な検出
が困難になるため、ねじ軸の停止時に検出動作を行い、
それに基づいて次の検出まで圧電素子を一定に制御する
ようにすればよい。
【００３２】また、ねじ軸を支持する軸受の数、支持方
式、種類などが変更されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すボールねじ
の固定装置の部分の縦断面図である。
【図２】図２は、図１の主要部を拡大して示す縦断面図
である。
【図３】図３は、制御装置の構成の１例を示すブロック
図である。
【符号の説明】
(1) ボールねじ（ねじ軸） (2)(3)(4)(5) 転がり軸受 (6) フレーム（固定部分） (7)(8) ブラケット（固定部分） (9) 電動モータ（駆動手段） (11) 移動体 (12) ナット (14) 軸受ハウジング (15)(16) 圧電素子 (21) 温度センサ (22) 制御装置（制御手段）
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−1289（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−280532（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−79514（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−307564（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−133855（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−274943（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−45109（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−88206（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−39417（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 21/00 - 27/08 F16C 35/00 - 43/08 F16H 25/20 - 25/24 B23Q 1/26

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】両端近傍を軸受を介して固定部分に回転可
    能に支承され駆動手段により回転駆動されることにより
    螺合するナットを有する移動体を移動させるねじ軸を固
    定部分に対して固定する装置であって、少なくとも一端
    側のねじ軸を支承する軸受を保持する軸受ハウジング
    が、ねじ軸の温度に応じて変形することにより固定部分
    に対して軸受ハウジングを軸方向に移動させてねじ軸の
    熱変形を吸収するための圧電素子を介して、固定部分に
    固定されていることを特徴とするねじ軸の固定装置。
  2. 【請求項２】ねじ軸の温度を検出するための温度センサ
    と、ねじ軸の熱変形を吸収するように温度センサの出力
    に応じて圧電素子を変形させる制御手段とが設けられて
    いることを特徴とする請求項１のねじ軸の固定装置。
  3. 【請求項３】１対の圧電素子が、軸受ハウジングの少な
    くとも一部を軸方向の両側から挟むように配置されると
    ともに、固定部分の２つの部分の間に挟まれており、圧
    電素子の一方が膨張したときに他方が収縮するようにな
    されていることを特徴とする請求項１のねじ軸の固定装
    置。
  4. 【請求項４】１対の圧電素子が、軸受ハウジングの少な
    くとも一部を軸方向の両側から挟むように配置されると
    ともに、固定部分の２つの部分の間に挟まれており、制
    御手段が、圧電素子の一方が膨張したときに他方が収縮
    するように、温度センサの出力に応じて圧電素子を変形
    させるものであることを特徴とする請求項２のねじ軸の
    固定装置。
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