JP7283050B2 - ボールねじ装置及び予圧付与装置 - Google Patents
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Description
ボールねじの位置決め精度を良くするための一手段として、ナットを2つ使用し、ナット間の間隔よりも大きい寸法の間座やばねを挿入することで予圧を付与し、ボールねじの軸方向隙間を0とする方法がある。挿入する間座やばねの寸法を調整することで、ボールねじに付与する予圧を調整する。予圧量を増すことで、剛性をより高くすることができる。一方で、ねじ軸やナットに形成されたねじ溝と、複数のボールとの接触部がボールねじの動作時の発熱源となる。
このように設計されたボールねじを用いて、加工中に高速送りやATCなどの早送り動作を行うと、その動作条件によってはボールねじの発熱に伴うリード精度が低下する場合があり、加工品質の低下が懸念されることがあった。
特許文献1の予圧可変構造は、所謂、ダブルナット予圧方式の構造であり、一方のナットと他方のナットとに挟まれた圧力室を有する。この圧力室に流体圧が供給されると、一対のナットの互いに対向するナット対向面の一方が軸方向にスライドして、ナット同士の間隔が広げられる。これにより、各ナットに予圧が付与される。
また、特許文献2の予圧可変構造では、上述したナット間に圧電シートを挟み、圧電シートに所望の電圧を印加することで、圧電シートの厚さが調整される。この圧電シートの厚さ制御によって、ナット同士の間隔が広げられる。
また、特許文献2の構造では、圧電シートによって、ナット同士間の間隔を直接的に可変して予圧を付与する構造であるが、工作機械を代表とするボールねじに付与するダブルナット予圧の荷重値は数千Nに達する。このような大荷重をピエゾ素子等の圧電シートだけで発生させるには、大きな電力が必要となり、省エネルギー化の市場ニーズと相反する。また、ピエゾ素子がセラミックスである場合には、衝撃荷重に弱いなどの別の課題も生じる。
(1) 外面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に転動体を介して螺合する第1ナットと、前記ねじ軸に前記転動体を介して螺合して、前記第1ナットと直列に配置される第2ナットと、前記第1ナットと前記第2ナットに軸方向に関して互いに逆方向の予圧荷重を付与する付勢機構と、を備えるボールねじ装置であって、
前記付勢機構は、前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装された間座と、前記間座に配置され、前記間座を冷却又は加熱する温度変更部と、を有し、前記間座の温度変化に伴う体積変化によって前記間座の軸方向幅を変化させ、前記予圧荷重を増減させるボールねじ装置。
(2) 外面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に転動体を介して螺合する第1ナットと、該第1ナットに対して直列に配され前記ねじ軸に前記転動体を介して螺合する第2ナットと、を備えるボールねじ装置の前記第1ナットと前記第2ナットに予圧を付与する予圧付与装置であって、
前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装され、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面が両端面に形成された環状のくさび型間座と、
前記くさび型間座を軸方向に挟んで配置され、前記傾斜面に接触する傾斜面をそれぞれ有する一対の円環状の側方間座と、
前記くさび型間座に配置され、前記くさび型間座を冷却又は加熱する温度変更部と、
を有する予圧付与装置。
<第1構成例>
図1は第1構成例のボールねじ装置100を示す図で、側面の一部を断面で示したボールねじ装置100の構成図である。図2は図1のA-A線断面矢視図である。
第1ナット13と第2ナット15は、その内周面に螺旋状のねじ溝24を有し、それぞれが、ねじ軸11に転動体(玉)17を介して螺合される。第2ナット15は、ねじ軸11に沿って第1ナット13と直列に配置される。
図3は付勢機構21の一部を切断面で示す概略斜視図である。
ペルチェ素子は、通電することで一方の面から他方の面に熱が移動する。つまり、ペルチェ素子の一方の面では吸熱されて冷却作用を生じ、他方の面では発熱作用を生じる。図1の構成においては、ペルチェ素子の吸熱側(冷却側)をくさび型間座35に接触させることで、ペルチェ素子に通電した際に、くさび型間座35が冷却される構成となっている。
図4(A)に示すように、第1ナット13及び第2ナット15には、ねじ軸11への組み付け時(初期状態)において、がたつき等を防止する最低限の予圧が付与される。つまり、第1ナット13及び第2ナット15のねじ溝24と、ねじ軸11のねじ溝23との間には、転動体17を介して、最低限の予圧を生じさせる力F1が作用している。
次に、上記したボールねじ装置の第2構成例を説明する。
図5は第2構成例のボールねじ装置におけるペルチェ素子の配置例を示す断面図である。
本構成においては、前述した第1構成例のボールねじ装置100とは温度変更部が異なる他は、前述した構成と同様である。ここで、以降の説明では、前述したボールねじ装置100と同一の部位や部材について、同一の符号を付与することで、その説明を省略又は簡単化する。
次に、ボールねじ装置の第3構成例を説明する。
図6は第3構成例のボールねじ装置の付勢機構と温度変更部を示す一部拡大断面図である。図7はくさび型間座35Bの一部を示す概略斜視図である。
本構成においては、前述した第1構成例のボールねじ装置100とはくさび型間座35Bが異なる他は、第1構成例のボールねじ装置と同様である。
図8に示すように、くさび型間座35の外周面35cの外周に、環状の伝熱部材59を設け、環状の伝熱部材59の外周に、複数のペルチェ素子41Aを配置してもよい。
次に、ボールねじ装置の第4構成例を説明する。
図10は第4構成例のボールねじ装置の付勢機構と温度変更部を示す一部拡大断面図である。
本構成においては、前述した第1構成例のボールねじ装置100とはくさび型間座35Cが異なる他は、第1構成例のボールねじ装置と同様である。
(1) 外面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に転動体を介して螺合する第1ナットと、前記ねじ軸に前記転動体を介して螺合して、前記第1ナットと直列に配置される第2ナットと、前記第1ナットと前記第2ナットに軸方向に関して互いに逆方向の予圧荷重を付与する付勢機構と、を備えるボールねじ装置であって、
前記付勢機構は、前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装された間座と、前記間座に配置され、前記間座を冷却又は加熱する温度変更部と、を有し、前記間座の温度変化に伴う体積変化によって前記間座の軸方向幅を変化させ、前記予圧荷重を増減させるボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、間座を冷却又は加熱することによる間座の体積変化を利用して、予圧荷重を任意に変更できる。
このボールねじ装置によれば、間座に形成された傾斜面によるくさび効果により、くさび型間座の温度調節幅が少ない場合でも大きな予圧荷重を付与できる。
前記くさび型間座と前記側方間座との軸方向対向面には、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面がそれぞれ形成され、
前記温度変更部は、前記くさび型間座に配置されている(2)に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、一対の側方間座の傾斜面に沿ってくさび型間座が摺動することで、一対の側方間座の双方に軸方向力を付与することができ、効率よく予圧荷重を発生できる。
このボールねじ装置によれば、省電力で駆動でき、ピエゾ素子と比較して耐衝撃性に優れた構成にできる。
前記複数のペルチェ素子は、前記くさび型間座の周方向に沿って、加熱側の面と冷却側の面とが交互に、前記くさび型間座と接合されている(4)に記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、くさび型間座を均等に冷却又は加熱でき、温度分布の均一化が図れる。これにより、第1ナットと第2ナットに芯ずれを生じさせる力が発生せず、スムーズなナット移動を維持できる。
このボールねじ装置によれば、くさび型間座の温度分布をより均一化できる。
前記ペルチェ素子が配置された前記周面の少なくとも一部に、前記ペルチェ素子に接触して前記周面から径方向に埋め込まれた少なくとも1つの棒状の伝熱部材を有する(4)~(6)のいずれか一つに記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、くさび型間座の内部からも冷却、加熱されるため、くさび型間座をいち早く所望の温度に変更できる。その結果、予圧荷重を変更する際の応答性をより向上できる。
このボールねじ装置によれば、より大きな接触面でくさび型間座を冷却、加熱できるため、くさび型間座をいち早く所望の温度に変更できる。その結果、予圧荷重を変更する際の応答性をより向上できる。
このボールねじ装置によれば、ナットや側方間座の寸法上の制約等により、傾斜面の傾斜角を異ならせた場合でも、第1ナット、第2ナットには同じ予圧荷重が付与されるため、設計の自由度を確保することができる。
(10) 前記くさび型間座の前記傾斜面に、断熱部材を設けた(2)~(9)のいずれか一つに記載のボールねじ装置。
このボールねじ装置によれば、第1ナットと第2ナットの温度変化が予圧荷重に影響を及ぼすことが軽減される。また、温度変更部によるくさび型間座の冷却、加熱効果が、各ナットに及ぶことが軽減され、冷却、加熱効率の低下を防止できる。
前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装され、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面が両端面に形成された環状のくさび型間座と、
前記くさび型間座を軸方向に挟んで配置され、前記傾斜面に接触する傾斜面をそれぞれ有する一対の円環状の側方間座と、
前記くさび型間座に配置され、前記くさび型間座を冷却又は加熱する温度変更部と、
を有する予圧付与装置。
この予圧付与装置によれば、くさび型間座及び一対の側方間座と、温度変更部とを、後付けでボールねじ装置に組み付けることで、所望の予圧荷重が得られるボールねじ装置の構成を簡単に構築できる。
13 第1ナット
15 第2ナット
17 転動体
21 付勢機構
23 ねじ溝
24 ねじ溝
35,35A,35B,35C,35D,35E,35F くさび型間座
35a,35b 傾斜面
37,37A,37B 側方間座
37a 傾斜面
39,39A,39B 側方間座
39a 傾斜面
41 ペルチェ素子(温度変更部)
51 冷却側
53 加熱側
57,59 伝熱部材
65,67 断熱部材
71a 傾斜面
73a 傾斜面
100 ボールねじ装置
Claims (9)
- 外面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に転動体を介して螺合する第1ナットと、前記ねじ軸に前記転動体を介して螺合して、前記第1ナットと直列に配置される第2ナットと、前記第1ナットと前記第2ナットに軸方向に関して互いに逆方向の予圧荷重を付与する付勢機構と、を備えるボールねじ装置であって、
前記付勢機構は、前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装された間座と、
前記間座に配置され、前記間座を冷却又は加熱する温度変更部と、を有し、
前記間座は、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面を有する円環状の部材であるくさび型間座と、
前記くさび型間座を軸方向に挟んで同芯に配置される一対の円環状の側方間座と、を有し、
前記くさび型間座と前記側方間座との軸方向対向面には、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面が全周にわたってそれぞれ形成され、
前記くさび型間座の温度変化に伴う径方向の膨張又は収縮によって、前記傾斜面に摺動する前記第1ナット側の前記側方間座及び前記第2ナット側の前記側方間座を軸方向に移動させて前記予圧荷重を増減させるボールねじ装置。 - 前記温度変更部は、ペルチェ素子を備える請求項1に記載のボールねじ装置。
- 前記くさび型間座には、複数のペルチェ素子が接合され、
前記複数のペルチェ素子は、前記くさび型間座の周方向に沿って、加熱側の面と冷却側の面とが交互に、前記くさび型間座と接合されている請求項2に記載のボールねじ装置。 - 前記複数のペルチェ素子は、前記くさび型間座に前記加熱側の面と前記冷却側の面とがそれぞれ3つ以上、等間隔に配置されている請求項3に記載のボールねじ装置。
- 前記ペルチェ素子は、前記くさび型間座の周面に配置され、
前記ペルチェ素子が配置された前記周面の少なくとも一部に、前記ペルチェ素子に接触して前記周面から径方向に埋め込まれた少なくとも1つの棒状の伝熱部材を有する請求項2~4のいずれか一項に記載のボールねじ装置。 - 前記くさび型間座と前記ペルチェ素子との間に、環状の伝熱部材を設けた請求項2~5のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
- 前記第1ナットの転動溝の列数と、前記第2ナットの転動溝の列数とが異なる場合に、前記くさび型間座の前記第1ナット側の前記傾斜面と、前記第2ナット側の前記傾斜面との傾斜角が異なっている請求項1~6のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
- 前記くさび型間座の前記傾斜面に、断熱部材を設けた請求項1~7のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
- 外面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に転動体を介して螺合する第1ナットと、該第1ナットに対して直列に配され前記ねじ軸に前記転動体を介して螺合する第2ナットと、を備えるボールねじ装置の前記第1ナットと前記第2ナットに予圧を付与する予圧付与装置であって、
前記第1ナットと前記第2ナットとの間に介装され、径方向に沿って軸方向幅が増加又は減少する傾斜面が両端面の全周にわたって形成された円環状の部材であるくさび型間座と、
前記くさび型間座を軸方向に挟んで配置され、前記傾斜面に接触する傾斜面をそれぞれ有する一対の円環状の側方間座と、
前記くさび型間座に配置され、前記くさび型間座を冷却又は加熱して、前記傾斜面に接触する前記第1ナット側の前記側方間座及び前記第2ナット側の前記側方間座を軸方向に移動させる温度変更部と、
を有する予圧付与装置。
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