JPH02221747A - ボールねじ装置およびボールねじ装置の予圧調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工作機械やロボットなど、精密な位置決めを
必要とする装置に多用されるボールねじ装置に関し、特
にその予圧状態を外部から自在に調整できるようにした
予圧可変型のボールねじ装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

一般に、ボールねじ装置で高精度の位置決めを行う場合
は、ボールねじの軸方向のすきまを零とし、さらに軸方
向荷重に対する弾性変位量を小さ（し剛性を上げるため
の手段として、ボールねじに予圧を与える。

このような予圧方法としては例えば間座予圧方式がある
。これは、第７図に示すようにねじ軸ｌに螺合した２個
のナツトＡ、　　Ｂの間に金属の環状の間座Ｃを挿入し
て予圧を与える方式で、二通りのものがある。一つは予
圧量だけ厚い間座をナツト間に挿入して予圧をかける方
式（引張り予圧）、他は予圧量だけ薄い間座をナツト間
に挿入して両ナツトを締付は手段により締付けて密着さ
せて予圧をかける方式（圧縮予圧）である。

しかし、上記第１従来例の間座予圧方式は、摩耗、温度
変化などで初期設定予圧状態に変化が生じた場合や、ね
じ軸のトルクや剛性を変化させるため意図的に予圧を変
化させたい場合に対応できない。

その対策として、予圧状態を外部から自在に調整できる
ようにした予圧可変型のボールねじ装置が提案されてい
る。

従来のこの種のボールねじ装置としては、例えは特開昭
６１−６５９５７号公報に提示されたものがある（第２
従来例）。この第２従来例は、ねじ軸に螺合した第１の
ナツトと第２のナツトとの相対的回転を規制する手段と
、両ナツトの軸方向の間隔を制御する手段（間座）とを
備えている。

このナツト間隔を制御する手段としては、例えばナツト
間に微小変位アクチュエータとしての環状の圧電素子、
および反発力検出装置としての環状の圧電素子を組み込
んであり、圧電素子の圧電効果を利用してねじ軸とナツ
トの予圧量をねじ軸の反発力もしくは反発力変動として
検出すると共に、その予圧量を必要に応じて可変制御す
るようにしたものである。

すなわち、ボールねじ装置の起動時はナツトの予圧量を
零に設定し、所定の位置決め制御に入った時点で予圧を
かけるかけるようにすれば、回転開始時の起動トルクを
減少させることができる。

又、予圧をかけた以後は、反発力検出装置で反発力もし
くはその変動を検出しなから予圧を一定に保つようにフ
ィードバック制御を行えば、ボールねじ装置の定常回転
時のトルク変動を小さく押さえることができる利点があ
るとされている。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記第２従来例の予圧可変型のボールねじ装置にあって
は、第１のナツトと第２のナツトの送り軸方向の相対変
位を許容しつつ相対的回転を規制する手段として、０両
ナツトにビスで結合され送り軸方向に伸縮可能な弾性部
材、０両ナツトの外形断面を円形以外の形状とし、その
両ナツトの形状に合わせて形成し両ナツトに被せた後、
一方のナツトに固定されたスリーブ、■両ナツトの外面
に軸方向のキー溝を設け、このキー溝に差し込まれ一方
のナツトに固定された平行キーなどを用いている。

しかして、これらのナツト回転規制手段は、各ナツトと
のあいだにガタが生じないように、きっちり嵌めこんで
ある関係から、ナツトとの間で作用する摩擦抵抗が大き
く、圧電素子の電圧制御で間座の厚さを変えてナツト間
隔を調整する際に作動不良を起こすという問題点があっ
た。

又、圧電素子の電圧制御で間座の厚さを例えば厚くし、
引張り予圧をかけた状態で設定値以上の外部荷重が逆方
向〔圧縮方向〕からナツトに加わると、マイナス予圧と
なりガタが出やすいという問題点があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、予圧状態を外部
から可変制御でき、しかもナツト間隔を調整する際に作
動不良を起こしたり、マイナス予圧でガタが出たりしな
い予圧手段を備えたボールねじ装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、ねじ軸に螺合する
第１のナツトと第２のナツトを有し、第１のナツトと第
２のナツトの相対回転をキー手段により阻、止すると共
に該ナツトの間に間座を介挿し、咳間座の軸方向の厚み
を可変制御することにより予圧調整を行うようにしたボ
ールねじ装置において、 前記間座を軸方向変位可能な圧電素子を用いて構成する
と共に、前記第１のナツトと第２のナツトの軸方向変位
を検出する予圧検出手段を圧電素子を用いて構成した。

前記間座は第１のナツトに面した面と、第２のナツトに
面した面との少なくとも一方に圧電シートを張りつけて
構成することができる。

又、予圧検出手段は前記間座の外周に固着され、両ナツ
ト間の間隔の変化に応じた信号を出力するように構成す
ることができる。

又、前記間座は、間座の第１のナツトに面した面と、第
２のナツトに面した面とに互い違いに圧電シートを張り
つけて構成することができる。

又、本発明のボールねじ装置の予圧調整方法は、前記ナ
ツトの予圧量を変更する際、前記間座に設けた圧電素子
に微小時間交流電圧を印加するようにしたものである。

〔作用］ 予圧検出手段は、両ナツト間の間隔の変化（予圧量の変
化）を、予圧検出手段にかかる軸方向の引張り応力また
は圧縮応力の変化として検出し、その応力変化に応じた
発生電圧を圧電素子が出力して、予圧状態を間座の駆動
装置にフィードバックする。この出力をうけた駆動装置
から、間座の圧電素子に対して上記予圧量の変化を補償
するように制御電圧が加えられる。これにより、間座の
軸方向の厚さが変化し、ナツトとねじ軸間に常に制御さ
れた予圧量を確保することができる。

予圧量を変更する際は、間座の圧電素子に一時的に交流
電圧を加えて間座をねじ軸方向に振動させる。これによ
り、予圧検出手段と間座との間の静摩擦力に起因する予
圧量調整動作の不良が防止できる。

又、予圧Ｉｉ調整の間座の第１のナツトに面した面と、
第２のナツトに面した面とのどちらか一方に圧電シート
を張りつけて構成するか、あるいは第１のナツトに面し
た面と、第２のナツトに面した面とに互い違いに圧電シ
ートを張りつけて構成すると、両ナツト間に間座を強く
挟持したとき、間座が波形に変形して弾性変形を生じる
。すなわち、間座の弾性変形によるばね力が両ナツト間
に加わることになる。この間座の弾性変形状態で設定値
以上の外部荷重が逆方向からナツトに加わっても、ばね
予圧となっているから間座の弾性変位のためマイナス予
圧にはならず、したがってガタは生じない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図とともに説明する。

第１図ないし第４図は、本発明の一実施例を示すもので
あり、２個のナツトのフランジの間に予圧量だけ厚い間
座をいれ、所定の予圧を与えるフランジ合わせダブルナ
ツト構造のボールねじ装置である。すなわち、ねじ軸ｌ
にフランジ２を有する第１のナツト３と、フランジ４を
有する第２のナツト５とが、それぞれのフランジ面２Ａ
と４Ａとを対向させた状態に螺合され、その両フランジ
面２Ａ、４Ａ間に間座６を介挿して、複数個のボルト７
で一体に連結されている。なお、８は鋼球循環チューブ
である。

間座６の両面、すなわちフランジ面２Ａと対向する面６
Ａ及びフランジ面４Ａと対向する面６Ｂには、第３図、
第４図に示すようにフランジ面２Ａ、４Ａに合わせて形
成された環状の圧電シート１０を貼り付けである。

又、第１．第２の各ナツトのフランジ２．４にはキー溝
１２Ａが形成され、このキー溝１２Ａに共通に一本の予
圧固定キー１２が嵌合している。

この予圧固定キー１２は、第１のナツト３と第２のナツ
ト５との相対回転を阻止するための手段である。間座６
の外周面には、第１のナツト３と第２のナツト５との間
の間隔りの変化に応じた電圧を出力する圧電シート１３
が周面にはりつけである。キー１２の一端はねじ１５で
フランジ２に係止され、他端はねじ１５でフランジ４の
係止されている。

間座６に設けた溝１２Ｂは、キー１２に遊嵌する逃げで
ある。上記間座６の圧電シート１３の出力電圧は、検出
装置２０で受ける。検出装置２０は第１．第２の両ナツ
ト３，５間の間隔が変化して間座６の圧縮応力の大きさ
に応じて圧電シート１３が発生した電圧を検出して駆動
装置３０にすット相対変位信号として出力する。

駆動装置３０は検出装置２０から入力された信号に基づ
き、第１のナツト３と第２のす・ントとの間の間隔りの
変化を補償するような電圧を間座６の圧電シート１０に
出力して、圧電シート１０の厚さを制御する。

次に作用を説明する。

間座６の圧電シート１０の両側に駆動装置３０により適
当な電圧を加えると、圧電シート１０の厚みが増して、
第１のナツト３と第２のす・ント５との間隔りが広がる
。かくして、圧電シート１０に印加する電圧を制御する
ことにより間座６で与えられた予圧量を調整する。

間座６により初めに設定した予圧量は、ボールねじの温
度変化、ねじ軸１のリード誤差あるいはねじや鋼球の摩
耗などにより変化する。ひいては、ボールねじのトルク
や剛性が微妙に変化し、高精度位置決めに影響を及ぼす
。こうした予圧量の微小な変動が生じた場合は、第１の
ナツト３と第２のナツト５との間の間隔りが微小に変動
する。すると、そのナツト間隔りの微小変動に応して、
間座６における圧縮応力が変化する。この応力変化に応
じて、圧電シート１３の圧電効果に基づき発生した電圧
変化を検出装置２０が駆動装置３０にフィードバックす
る。駆動装置３０はこのフィードバック信号に基づき、
上記のナツト間隔りの微小変動を回復させるべく所定の
駆動電圧を出力して、間座６の圧電シート１０に印加す
る。こうして、圧電シート１０の厚みを調整することに
より予圧量を加減して、ボールねじのトルクや剛性の変
動を防止する。

この予圧量の調整の際、キー１２と各ナツトのフランジ
２．４との間の静摩擦力が抵抗となり作動が阻害される
おそれがあるので、間座６の圧電シー）１０に駆動装置
３０から一時的に交流を印加するようにする。これによ
り圧電シート１０゜間座６をねじ軸方向に振動させ、静
摩擦を予め動摩擦に変えて予圧量調整の作動不良を防止
することができる。

上記の予圧量の変動調整は、ボールねじ装置における初
期設定予圧が経時変化等で変化した場合に対応させたも
のであるが、その他、ねじ軸のトルクや剛性を意図的に
変化させることもできる。

例えば、ボールねじ装置を自動工作機械等の刃物テーブ
ルの送り装置に用いた場合、加工反力がねじ軸に加わら
ないティーチング作業の時には、予圧量が殆ど零になる
ような間座６の厚さとしておき、実際の加工作業時に、
間座６の圧電シートｌＯに駆動装置３０から電圧を印加
してシート厚みを増大させ、加工反力に対応する大きさ
の予圧を与える。これにより、ティーチング作業時は低
トルク、低剛性状態として手動操作による刃物テーブル
の送りを容易にする。一方、加工時は加工反力に耐えう
る高剛性を与えて高位置決めを実現することが可能であ
る。

又、テーブルの早送り時には、駆動装置３０から間座６
の圧電シート１０に印加する電圧を、圧電シート１０の
厚みを減少させる方向のものとして予圧量を低下させ、
ねじ軸ｌの温度上昇を抑制することもできる。

或いは、立ち上がりの高加速状態では、駆動装置３０か
ら間座６の圧電シートＩＯに印加する電圧を、圧電シー
トｌＯの厚みを減少させる方向のものとして予圧量を低
下させ、ねじ軸１の図示しない回転駆動モータの負担を
軽減させる。一方、停止時のダンピング、ブレーキング
には、圧電シート１０に印加する電圧を圧電シート１０
の厚みを増加させる方向のものとして予圧量を増大させ
て制御を容易にすることができる。

第５図、第６図は、本発明の他の実施例を示している。

この実施例は、間座６の圧電シート４０を扇形に分割し
て、間座６の両面に互い違いにはりつけた点が上記の実
施例とは異なっている。両面の圧電シート４０の端部は
対向して重なることがないように間隔Ｈを隔てている。

このように構成した間座６を第１のナツト３と第２のナ
ツト５との間に挿入してボルト７を締めつけると、間座
６は波打った形状となるからばね性を生じる。

そのため、第１のナツト３又は第２のナツト５に外部か
ら予圧方向とは逆方向の荷重が負荷されたときも、ばね
予圧が作用するから予圧抜けが発生しない。すなわち、
マイナス予圧でねじにガタを生じる現象を防止できる利
点がある。

なお、上記各実施例は、フランジ合わせダブルナツト構
造のボールねじ装置について述べたが、これに限らず、
片フランジダブルナツト構造のものにも適用可能である
。

又、間座６の圧電シー）１０（４０）に予め駆動装置３
０からバイアス電圧を加えて所定量の初期設定予圧を与
えておけば、間座６の圧電シート１３からのフィードバ
ック信号に応じて、前記バイアス電圧を増減させること
により、予圧を正・負の両方に制御することができる。

又、キー１２は一個とは限らず、複数個であってもよい
。

又、圧電シート１３はキー１２につけてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ねじ軸に係合す
る２個のナツトの間に圧電素子を用いた間座を介挿する
と共に、２個のナツトの軸方向変位を検出する予圧検出
手段を圧電素子を用いて構成した。そのため、予圧検出
手段の圧電素子を介して検出したナツト間の間隔の変化
すなわち予圧状態を、間座の圧電素子の電圧制御を介し
て外部から可変制御できるという効果が得られる。

又、予圧調整の際、間座の圧電素子に一時的に交流電圧
を印加して振動させれば、静摩擦に起因する作動不良を
防止できるという効果が得られる。

又、間座の少なくとも一方の面、あるいは両面に互い違
いに圧電素子を張りつけた場合は、間座にばね性を付与
できるから、外部荷重によりマイナス予圧となりガタが
出る現象を防止できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部を示す側面図、第２図
は第１図の示すものの正面図、第３図は第１図に示すも
のの間座の正面図、第４図は同間座の側面図、第５図は
本発明の他の実施例の間座の正面図、第６図は同間座の
側面図、第７図は従来の間座予圧方式のボールねじ装置
の縦断面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ねじ軸に螺合する第１のナットと第２のナットを
   有し、第１のナットと第２のナットの相対回転をキー手
   段により阻止すると共に該ナットの間に間座を介挿し、
   該間座の軸方向の厚みを可変制御することにより予圧調
   整を行うようにしたボールねじ装置において、 前記間座を軸方向変位可能な圧電素子を用いて構成する
   と共に、前記第１のナットと第２のナットの軸方向変位
   を検出する予圧検出手段を圧電素子を用いて構成したこ
   とを特徴とするボールねじ装置。
2. （２）前記間座は第１のナットに面した面と、第２のナ
   ットに面した面との少なくとも一方に圧電シートを張り
   つけてなる請求項（１）記載のボールねじ装置。
3. （３）前記予圧検出手段は前記間座の外周に固着され、
   両ナット間の間隔の変化に応じた信号を出力するように
   構成した請求項（１）記載のボールねじ装置。
4. （４）前記間座の第１のナットに面した面と、第２のナ
   ットに面した面とに互い違いに圧電シートを張りつけて
   なる請求項（１）記載のボールねじ装置。
5. （５）前記ナットの予圧量を変更する際、前記間座に設
   けた圧電素子に微小時間交流電圧を印加するようにした
   ボールねじ装置の予圧調整方法。