JP5830141B1 - 予圧残存率を測定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象が作動するときの予圧残存率を測定することで、コストが低く、使用寿命が長く、反応速度が早く、測定結果が正確である、予圧残存率を測定する方法を提供する。【解決手段】予圧残存率を測定する方法は以下のステップを含む。ステップａ：互いに相対移動可能な二つの部材の一方に温度測定装置を設ける。ステップｂ：二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、初期温度上昇曲線を得る。ステップｃ：二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、測定温度上昇曲線を得る。ステップｄ：前記初期温度上昇曲線と前記測定温度上昇曲線を比較し、二つの前記部材において、前記ステップｂを行う時の予圧力に対する前記ステップｃを行う時の予圧力の予圧残存率を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、予圧力を測定する方法に関し、特に、予圧残存率を測定する方法に関する。

従来の供給装置または伝動装置は、ボールネジ装置、リニアレール装置、歯車機構などを含む。これらの装置において、二つの互いに相対移動する部材の間には製造または組み立ての過程で付加されている予圧力が存在する。予圧力は、バックラッシュをなくし構造の剛性を高め、速度および位置決め精度を高めることができる。

ボールネジ装置の場合、ボルトとナットの間にサイズがより大きい球体が設けられている。これにより、前述の効果が得られる。しかしながら、作動中において、球体とナットおよびボルトは互いに摩耗し予圧力が減少することで、位置決め精度落ち、空動きを招く。よって、予圧力がなくなるまで球体を交換しないと、装置の作動精度に影響を与える。予圧力の消失を防止するため定期的に球体を交換すると、摩耗の程度が激しくない球体が交換される恐れがあり、コストの増加につながる。よって、よりいい方法は、予圧力を測定し、予圧力が所定閾値以下となる時、補正を行う方法である。

ボールネジ装置の予圧力を測定する従来の方法は、張力測定装置をナットに引っ掛けることで測定を行う。張力測定装置のバネの弾力をボールネジ装置の予圧力に換算する。しかしながら、この測定方法を使用するとき、装置を停止する必要がある。また、関連する物理関数（例えば弾性係数）を代入することで換算する必要がある。よって、関数が正確でない場合の換算による誤差が発生する恐れがある。また、予圧力を測定する別の方法として、トルク測定装置によりボールネジ装置のトルク変化を測定する方法がある。トルク測定装置により測定されたトルクはボールネジ装置の予圧力に相当する。しかしながら、トルク測定装置は高価であり、摩耗することにより使用寿命が短い。また、予圧力を測定する別の方法として、加速測定装置または変位測定装置を利用してボールネジ装置の振動を測定することで予圧力を推定する方法がある。しかしながら、この方法は、他の震動源による干渉を受けることで予圧力を正確に推定することができない。

特開平７−１７４２０５号公報

本発明の目的は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、測定対象が作動するときの予圧残存率を測定することで、コストが低く、使用寿命が長く、反応速度が早く、測定結果が正確である、予圧残存率を測定する方法を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明による予圧残存率を測定する方法は以下のステップを含む。

ステップａ：互いに相対移動可能な二つの部材の一方に温度測定装置を設ける。

ステップｂ：二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、初期温度上昇曲線を得る。

ステップｃ：二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、測定温度上昇曲線を得る。

ステップｄ：前記初期温度上昇曲線と前記測定温度上昇曲線を比較し、二つの前記部材において、前記ステップｂを行う時の予圧力に対する前記ステップｃを行う時の予圧力の予圧残存率を得る。

例を挙げて説明すると、前記二つの部材はそれぞれボールネジ装置の一つのボルトおよび一つのナットである。前記ステップａおよび前記ステップｂはボールネジ装置が出荷する前に完了ことができる。ステップｃおよびステップｄはボールネジ装置が使用開始後に行われる。ボールネジ装置の予圧力が減少するとき、球体とボルトおよびナットの間の摩擦力および摩擦力による放熱も減少する。よって、ボールネジ装置の作動時の温度上昇曲線と出荷前の温度上昇曲線を比較すると、予圧残存率を測定することができる。

よって、本発明は測定対象（二つの前記部材）が作動するとき予圧力の残存率を測定することができる。また、温度測定装置は値段が安く摩耗の問題がないので、本発明の測定方法はコストが低くて使用寿命が長い。また、温度測定装置は反応速度が早い特徴を有する。また、本発明の測定方法は複雑な分析が不要であり物理関数を公式に代入する必要がない。よって、本発明の測定方法は比較的によい頑健性を有し測定結果が比較的に正確である。

本発明による予圧残存率を測定する方法に関わる構成、特徴、組み立て、または使用方式を下記の実施形態に基づいて詳細に説明する。また、下記の実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。

本発明の一実施形態による予圧残存率を測定する方法のステップを示す図である。 本発明の一実施形態による予圧残存率を測定する方法に用いられるボールねじ装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態による予圧残存率を測定する方法に用いられるボールねじ装置を示す断面図であり、温度測定装置の位置が図２と異なる。 本発明の一実施形態による予圧残存率を測定する方法の中の初期温度上昇曲線および測定温度上昇曲線を示す図である。

（一実施形態）
以下で紹介する実施形態および図面の中で、同じ符号は同じまたは類似する部材または構成を示す。

図にしめすように、本発明の比較的に好ましい実施形態の予圧残存率を測定する方法は以下のステップを含む。

ステップａ：互いに相対移動可能な二つの部材１０、２０の一方に温度測定装置３０を設ける。

本実施形態は一つのボールねじ装置４０を用いて本発明の予圧残存率を測定する方法を説明する。二つの部材１０、２０は、本実施形態ではボールねじ装置４０の一つのボルトおよび一つのナットである。温度測定装置３０は一つの熱電対またはほかの温度測定装置である。温度測定装置３０は、ボルト１０またはナット２０が球体５０と摩擦することにより発生する温度変化を検出する。

本実施形態では温度測定装置３０はナット２０に設けられている。温度測定装置３０をボルト１０に設けてもよい。著しい温度変化を検出し測定結果に与える空気の影響を低減するために、ナット２０には一つの取付孔２２が設けられている。温度測定装置３０は取付孔２２内に設けられている。取付孔２２はナット２０の外周面２４がボルト１０側に向いて凹むことで形成することができる（図２参照）。また、取付孔２２はナット２０の一つの端面２６のボルト１０と隣接する箇所が凹むことで形成することができる。よって、温度測定装置３０はボルト１０および球体５０に非常に近い位置に位置し、著しい温度変化を検出することができる。

ステップｂ：二つの部材１０、２０を相対移動させ、温度測定装置３０により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、初期温度上昇曲線６０を得る。

ボールねじ装置４０が作動するとき、各球体５０はボルト１０およびナット２０と摩擦しボルト１０およびナット２０の温度を上昇させる。ボルト１０およびナット２０の摩擦による温度上昇は下記の式１で示すことができる。

ｃはボルト１０またはナット２０の比熱であり、ｍはボルト１０またはナット２０の質量であり、Ｆはボルト１０またはナット２０と球体５０の間の摩擦力であり、ΔＳはナット２０がボルト１０の螺旋状斜面での変位量であり、ΔＴはナット２０がボルト１０の温度上昇量である。摩擦力Ｆは、ボルト１０またはナット２０が軸方向と垂直する方向の予圧力Ｆ_Pを受けることで発生する。よって、摩擦力Ｆを下記の式２で表示することができる。

ρはボルト１０のリード角であり、Ｆ_p・ｓｉｎρは予圧力の螺旋状斜面に垂直する方向の分力であり、μは摩擦係数である。ナット２０がボルト１０に沿って直線移動する変位量ΔＳ_axialとΔＳの関係を下記の式３で示すことができる。

上述の三つの方程式を時間で一回微分すると、予圧力Ｆ_pと温度上昇速度ΔＴ／Δｔの関係を算出することができる（下記の式４を参照）。

ナット２０がボルト１０に沿って直線移動する速度（ΔＳ_axial／Δｔ）が固定である時、予圧力Ｆ_pは温度上昇速度ΔＴ／Δｔに正比例する。ステップｂを行う時、予圧力Ｆ_pを固定値とすることができ、温度上昇速度ΔＴ／Δｔも固定値とすることができる。図４に示すように、ボールねじ装置４０が作動開始するとき（約０から５０秒の間）、初期温度上昇曲線６０は直線に近いリニア区間６２を有する。この時、固定値であるリニア区間６２の傾斜率を、ボルト１０およびナット２０の温度上昇速度ΔＴ／Δｔと設定する。ボールねじ装置４０が所定時間作動すると、摩擦により発生する熱エネルギと空気の熱交換が増加し、初期温度上昇曲線６０は直線性を失い、最後は温度が一定となる。

ステップｃ：二つの部材１０、２０を相対移動させ、温度測定装置３０により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、測定温度上昇曲線７０を得る。

前述のステップａ、ｂは、ボールねじ装置４０が出荷する前に行うことができる。ステップｃ、ｄは、ボールねじ装置４０が使用開始された後に行なわれ、ボルト１０またはナット２０と球体５０の間である程度の摩耗が発生した状態での測定温度上昇曲線７０および予圧残存率を測定する。図４に示すように、測定温度上昇曲線７０は、ボールねじ装置４０が作動開始する直後に、直線に近いリニア区間７２を有する。この時、固定値であるリニア区間６２の傾斜率を、ボルト１０およびナット２０の温度上昇速度ΔＴ／Δｔとする。

ステップｄ：初期温度上昇曲線６０と測定温度上昇曲線７０を比較し、二つの部材１０、２０において、ステップｂを行う時の予圧力に対するステップｃを行う時の予圧力の予圧残存率を得る。

ボールねじ装置４０の予圧力Ｆ_pが減少する時、ボルト１０またはナット２０と球体５０の間の摩擦力Ｆおよび摩擦力Ｆにより発生する熱エネルギが減少し、温度上昇速度ΔＴ／Δｔが減少する。前述のように、温度上昇速度ΔＴ／Δｔは、（ΔＳ_axial／Δｔ）・Ｆ_pに正比例する。よって、ナット２０がボルト１０に沿って移動する速度（ΔＳ_axial／Δｔ）、および、初期温度上昇曲線６０、測定温度上昇曲線７０を利用して、ボールねじ装置４０の使用後の予圧力と出荷時の予圧力の比を算出し、予圧残存率を算出することができる。

本発明の予圧残存率を測定する方法では、二つの部材１０、２０の相対移動速度において、ステップｂでの相対移動速度とステップｃでの相対移動速度が同じとなるように設定することができる。すなわち、本実施形態では、ナット２０がボルト１０に沿って直線移動する速度（ΔＳ_axial／Δｔ）において、ステップｃとステップｂでは同じである。すると、ボールねじ装置４０の予圧力Ｆ_pは温度上昇速度ΔＴ／Δｔに正比例する。ステップｂでは、初期温度上昇曲線６０を利用して初期温度上昇率を得る。この初期温度上昇率は、初期温度上昇曲線６０のリニア区間６２の傾斜率である。ステップｃでは、測定温度上昇曲線７０を利用して測定温度上昇率を得る。この測定温度上昇率は、測定温度上昇曲線７０のリニア区間７２の傾斜率である。ステップｄでの予圧残存率は測定温度上昇率と初期温度上昇率の比である。

言い換えると、初期温度上昇曲線６０および測定温度上昇曲線７０を得ることができれば、そのリニア区間６２およびリニア区間７２の傾斜率に基づいてボールねじ装置４０の予圧残存率を算出することができる。他の物理関数を代入する必要がないので、本発明の測定方法は比較的によい頑健性を有し、測定結果が比較的に正確である。そして、本発明による測定方法は、測定対象（二つの部材１０、２０）が作動中であっても使用可能である。また、本発明では、温度測定装置３０を利用して測定を行うので、コストが低い、使用寿命が長い、および反応速度が速い特徴を有する。

本発明の実施形態に開示されている部材は、列挙のためであり、本発明の範囲を制限するものではない。他の同価部材による置換または変化はいずれも本発明の請求の範囲にふくまれる。

１０ ボルト（部材）、
２０ ナット（部材）、
２２ 取付孔、
２４ 外周面、
２６ 端面、
３０ 温度測定装置、
４０ ボールねじ装置、
５０ 球体、
６０ 初期温度上昇曲線、
６２ リニア区間、
７０ 測定温度上昇曲線、
７２ リニア区間。

Claims (5)

1. 互いに相対移動可能な二つの部材の一方に温度測定装置を設けるステップａと、
   二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、初期温度上昇曲線を得るステップｂと、
   二つの前記部材を相対移動させ、前記温度測定装置により測定された温度の時間推移に伴う変化を記録し、測定温度上昇曲線を得るステップｃと、
   前記初期温度上昇曲線と前記測定温度上昇曲線を比較し、二つの前記部材において、前記ステップｂを行う時の予圧力に対する前記ステップｃを行う時の予圧力の予圧残存率を得るステップｄと、を含むことを特徴とする予圧残存率を測定する方法。
2. 前記ステップｂでの前記二つの部材の相対移動速度と、前記ステップｃでの前記二つの部材の相対移動速度が同じであることを特徴とする請求項１に記載の予圧残存率を測定する方法。
3. 前記ステップｂでは、前記初期温度上昇曲線を用いて初期温度上昇率を算出し、
   前記ステップｃでは、前記測定温度上昇曲線を用いて測定温度上昇率を算出し、
   前記ステップｄでの予圧残存率は、前記測定温度上昇率と前記初期温度上昇率の比であることを特徴とする請求項１に記載の予圧残存率を測定する方法。
4. 前記初期温度上昇曲線および前記測定温度上昇曲線は、それぞれ直線に近いリニア区間を有し、
   前記測定温度上昇率および前記初期温度上昇率は、それぞれ前記初期温度上昇曲線および前記測定温度上昇曲線の前記リニア区間の傾斜率であることを特徴とする請求項３に記載の予圧残存率を測定する方法。
5. 二つの前記部材のうち、一方がナットであり、他方がボルトであり、
   前記ナットは、一つの外周面、および前記外周面から前記ボルト側に向いて凹む取付孔を有し、
   前記温度測定装置は前記取付孔に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の予圧残存率を測定する方法。

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