JP6604145B2 - ボールねじの予圧回復装置 - Google Patents

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ている。予圧付与機構は、隣接するナットの対向端部側の一方に形成された第１小径部及び他方に形成された第１小径部に対して小径の第２小径部と、第１小径部に螺合されて軸方向移動量を半径方向中心軸に向かう移動量に変換する第１移動量変換部と、この第１移動量変換部の半径方向中心軸に向かう移動量を隣接するナット間を広げる軸方向移動量に変換する第２移動量変換部とを備え、隣接するナット間の予圧低下時に、第１移動量変換部を軸方向に移動させて第２移動量変換部で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が摩耗して予圧が低下したときに、第１移動量変換部を軸方向に移動させて第２移動量変換部で隣接するナット間の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一実施形態を示す平面図である。 図１のII−II線上の断面図である。 第１移動量変換部を構成する筒体の側面図である。 本発明の一実施形態の変形例を示す図２と同様の断面図である。 第１移動量変換部を構成する筒体の変形例を示す側面図である。

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、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、例えばナット１３Ｂ側の端面に形成されたナット１３Ｂの外径よりも小さい外径の第１小径部２１と、ナット１３Ａ側の端面に形成されたナット１３Ａの外径よも小さく第１小径部２１の外径よりも小さい第２小径部２２とを備えている。第１小径部２１には外周面に雄ねじ部２３が形成されている。

また、予圧付与機構２０は、第１小径部に螺合された軸方向の移動量を半径方向中心軸に向かう移動量に変換する第１移動量変換部２４と、この第１移動量変換部２４の半径方向中心軸に向かう移動量を隣接するナット１３Ａ及び１３Ｂ間を広げる軸方向移動量に変換する第２移動量変換部２５とを備えている。
第１移動量変換部２４は、図２に示すように、第１小径部２１に形成された雄ねじ部２３に螺合する筒体３１と、この筒体３１内に係合する第１の楔部３８とを備えている。筒体３１は、円筒外周面３２と、第１小径部２１の雄ねじ部２３に螺合する雌ねじ部３３を形成した大径円筒内面３４と、この大径円筒内面３４より小径で第２小径部２２の外径よりは僅かに大きい小径円筒内面３５とが形成されている。円筒外周面３２には、図３に示すように、レンチ等の締め上げ工具を係止させる軸方向に延長する溝３６が円周方向に所定間隔を保って複数形成されている。

大径円筒内面３４と小径円筒内面３５との連接位置には、小径円筒内面３５から大径円筒内面３４に行くに従い内径が大きくなる傾斜面が円周方向に形成されて円錐内面３７とされている。
第１の楔部３８は、円錐内面３７にナット１３Ｂ側から対向する円周方向に所定間隔を保って複数配置されており、円錐内面３７に係合する傾斜面３８ａと、この傾斜面３８ａの内周側縁から軸方向にナット１３Ｂ側へ延長する内周面３８ｂと、この内周面３８ｂのナット１３Ｂ側端縁から半径方向外方に延長しナット１３Ｂの第１小径部２１の端面に接触する接触面３８ｃと、この接触面３８ｃの外周縁と傾斜面３８ａの外周縁とを結ぶ外周面３８ｄとを備えて、接触面３８ｃとなる脚が上底及び下底に対して直角な台形状とされている。

したがって、第１移動量変換部２４では、筒体３１をナット１３Ａのフランジ部１５側から見て時計方向に回転させることにより、筒体３１が軸方向にナット１３Ｂ側に移動し、これに応じて筒体３１の円錐内面３７とナット１３Ｂの第１小径部２１の端面との間に係合された第１の楔部３８が半径方向で中心軸に向かうように移動される。
第２移動量変換部２５は、ナット１３Ａの第２小径部２２の端面側に形成された円錐外面４１と、この円錐外面４１とナット１３Ｂの第１小径部２１の他面との間に配置された第２の楔部４２とを備えている。

円錐外面４１は、ナット１３Ａの第２小径部２２の第１移動量変換部２４の円錐内面３７と対向して、第２小径部２２の端面側の外周面から端面に向かうに従い徐々に外径が小さくなるように形成されている。
第２の楔部４２は、ナット１３Ａ側に形成された円錐外面４１に係合する傾斜面４２ａと、ナット１３Ｂ側に形成された第１小径部２１の端面に接触する接触面４２ｂと、これら傾斜面４２ａ及び接触面４２ｂ間を接続する内周面４２ｃ及び外周面４２ｄとを有し、接触面４２ｂとなる脚が上底及び下底に対して直角な台形状とされている。そして、外周面４２ｄが第１の楔部３８の内周面３８ｂと接触されている。

したがって、第２移動量変換部２５では、第１移動量変換部２４の第１の楔部３８が半径方向の中心軸側に移動すると、これに応じて第２の楔部４２も半径方向中心軸側に移動しようとするが、第２の楔部４２の傾斜面４２ａが第２小径部２２の円錐外面４１に係合していることから、第２の楔部４２の半径方向中心軸側への移動に伴って軸方向のナット１３Ｂ側に移動し、ナット１３Ａ及びナット１３Ｂ間を広げることになる。

また、両ナット１３Ａ及び１３Ｂの外周面には位相合わせキー５１を係合させてナット１３Ａ及び１３Ｂ間の位相合わせを行うキー溝５２Ａ及び５２Ｂが形成されている。ここで、キー溝５２Ａ及び５２Ｂの形成位置は、ナット１３Ａ及び１３Ｂを予圧付与機構２０を介して隣接させた状態でキー溝５２Ａ及び５２Ｂ間に位相合わせキー５１が係合するように相対的に締め付けた状態で、ナット１３Ａ及び１３Ｂのボール１２に対して初期予圧を与え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に対してナット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、ナット１３Ａの第２小径部２２の外周側に第１移動量変換部２４の筒体３１を小径円筒内面３５側から挿入して小径円筒内面３５側の端面を第２小径部２２を形成する端面に当接させる。この状態で、筒体３１の大径円筒内面３４側の端面が第２小径部２２に形成した円錐外面４１の外周縁が外部に望まされる状態となる。

この状態で、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、ナット１３Ａの第２小径部２２の端面とナット１３Ｂの第１小径部２１の端面との間隔が第１の楔部３８及び第２の楔部４２を保持可能な間隔となるまでナット１３Ｂをナット１３Ａに接近させる。
この状態で、ナット１３Ａの第２小径部２２の円錐外面４１とナット１３Ｂの第１小径部２１の端面との間に円周方向に所定間隔例えば９０°を保って第１の楔部３８及び第２の楔部４２を互いの内周面３８ｂ及び外周面４２ｄを接触させた状態で挿入し、その後、第１移動量変換部２４の筒体３１の雌ねじ部３３をナット１３Ｂの第１小径部２１の雄ねじ部２３に螺合させてその円錐内面３７が第１の楔部３８の接触面３８ｃが第１小径部２１の端面に接触し、且つ傾斜面３８ａが筒体３１の円錐内面３７に係合させる。

この状態で、ナット１３Ｂを、ナット１３Ａ及び１３Ｂのキー溝５２Ａ及び５２Ｂが軸方向に一直線状となるように締め付け、キー溝５２Ａ及び５２Ｂ間に位相合わせキー５１を係合させてからねじ止めする。
この状態では、第１の楔部３８及び第２の楔部４２が、ナット１３Ａ及び１３Ｂのボール１２に対して引張方向の初期予圧を与える間座として機能する。

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。
この場合には、筒体３１の外周面に形成された溝３６にレンチ等の締め上げ工具を係止させて筒体３１を時計方向に回転させることにより、筒体３１を軸方向にナット１３Ｂ側に移動させる。この筒体３１の軸方向の移動によって、円錐内面３７に傾斜面３８ａが係合している第１の楔部３８が半径方向の中心軸側に移動する。この第１の楔部３８半径方向の中心軸側への移動に伴い、この第１の楔部３８の内周面３８ｂに第２の楔部４２の外周面４２ｄが接触しているので、この第２の楔部４２も半径方向の中心軸側へ移動しようとする。

このとき、第２の楔部４２の傾斜面４２ａがナット１３Ａの第２小径部２２に形成された円錐外面４１に係合しているので、第２の楔部４２は半径方向の中心軸側に移動しながら軸方向のナット１３Ｂ側に移動する。この結果、第２の楔部４２の接触面４２ｂがナット１３Ｂの第１小径部２１の端面に接触しているので、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、第１移動量変換部２４の筒体３１を時計方向に回転させてナット１３Ｂ側に移動させることにより、第１の楔部３８を介して第２の楔部４２を軸方向に移動させてナット１３Ａ及び１３Ｂのボールに対する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側に第１移動量変換部２４を螺合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、図４に示すように、ナット１３Ａ側に第１小径部２１を形成するとともに、ナット１３Ｂ側に第２小径部２２を形成し、ナット１３Ａの第１小径部２１に第１移動量変換部２４を螺合させ、ナット１３Ｂの第２小径部２２に円錐外面４１を形成してこの円錐外面４１と第２の楔部４２とで第２移動量変換部２５を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、第１移動量変換部２４を構成する筒体３１の外周面に軸方向に延長する溝３６を形成した場合について説明したが、図５（ａ）に示すように、筒体３１に半径方向に貫通する係合孔６１を形成するとともに、予圧を回復させた状態で位置ずれを防止する止めねじを螺合させる雌ねじ部６２を形成するようにしてもよく、さらには図５（ｂ）に示すように、筒体３１の外周面を四角柱状に形成するとともに、止めねじを螺合させる雌ねじ部６３を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、第１の楔部３８及び第２の楔部４２を９０°間隔で４組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、第１の楔部３８及び第２の楔部４２を３組以上設けるようにすればよい。

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…第１小径部、２２…第２小径部、２３…雄ねじ部、２４…第１移動量変換部、２５…第２移動量変換部、３１…筒体、３５…小径円筒内面、３６…溝、３７…円錐内面（傾斜面）、３８…第１の楔部、３８ａ…傾斜面、３８ｂ…内周面、３８ｃ…接触面、３８ｄ…外周面、４１…円錐外面（傾斜面）、４２…第２の楔部、４２ａ…傾斜面、４２ｂ…接触面、４２ｃ…内周面、４２ｄ…外周面、５１…位相合わせキー、５２Ａ，５２Ｂ…キー溝

Claims (4)

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の対向端部側の一方に形成された第１小径部及び他方に形成された当該第１小径部に対して小径の第２小径部と、前記第１小径部に螺合されて軸方向移動量を半径方向中心軸に向かう移動量に変換する第１移動量変換部と、該第１移動量変換部の半径方向中心軸に向かう移動量を前記隣接するナット間を広げる軸方向移動量に変換する第２移動量変換部とを備え、
   前記隣接するナット間の予圧低下時に、前記第１移動量変換部を軸方向に移動させて前記第２移動量変換部で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. 前記第１移動量変換部は、前記第１小径部に内周面が螺合する円筒内面を有する筒体と、該筒体の前記他方のナット側内周面に円周方向に所定間隔を保って複数形成された軸方向の一方のナットの端面側から他方のナット側に行くに従い内径が徐々に大きくなるように形成された傾斜面と、該傾斜面に係合して半径方向の中心軸方向に移動する複数の第１の楔とを備え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. 前記第２移動量変換部は、前記他方のナットの第２小径部の円周方向に所定間隔を保って複数形成された端部に行くに従い徐々に内径が短くなる傾斜案内面と、該傾斜案内面に係合する傾斜面と前記一方のナットの端面に接触する接触面と、前記第１の楔の内周面に係合する外周面を有する複数の第２の楔部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載のボールねじの予圧回復装置。
4. 前記隣接するナットの対向端部の外周面にそれぞれ位相合わせキーを挿入するキー溝が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のボールねじの予圧回復装置。

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