(57)【要約】【課題】ボールねじ装置に過大荷重や偏荷重が加わったことや、軸軌道溝に剥離や磨耗等による損傷が生じたことを検出する手段を提供する。【解決手段】外周面に螺旋状の軸軌道溝４を形成したねじ軸２と、内周面に軸軌道溝４に対向するナット軌道溝９を形成したナット８と、軸軌道溝４とナット軌道溝８とを螺合させる複数のボール１１とを備えたボールねじ装置１において、ナット８に、非接触型のセンサ２１を設け、このセンサ２１により、軸軌道溝４の転動体転動面の変位を検出する。【選択図】        図２
2007333195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ナットに、非接触型の変位検出手段を設け、
該変位検出手段により、前記軸軌道溝の転動体転動面の変位を検出することを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ナットに、複数の非接触型の変位検出手段を設け、
少なくとも一つの前記変位検出手段は、前記軸軌道溝の転動体転動面の変位を検出し、
他の少なくとも一つの前記変位検出手段は、前記ねじ軸の外周面の変位を検出することを特徴とするボールねじ装置。
【請求項３】
外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールと、前記ナットに設置された複数の非接触型の変位検出手段とを備えたボールねじ装置のモニタ装置であって、
一の変位検出手段が検出した前記軸軌道溝の転動体転動面の変位の出力波形を取得する手段と、
他の変位検出手段が検出した前記ねじ軸の外周面の変位を検出するの出力波形を取得する手段と、
前記取得した転動体転動面の変位の出力波形と、外周面の変位の出力波形とを基に、異常を判定する手段とを備えることを特徴とするボールねじ装置のモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械や産業機械、半導体製造装置、精密機械等の機械装置の移動台の駆動に用いるボールねじ装置およびそのモニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のボールねじ装置は、ねじ軸の外周面に螺旋状に形成した軸軌道溝と、ナットの内周面に形成した軸軌道溝に対向するナット軌道溝とを複数のボールを介して螺合させ、対向配置されたナット軌道溝と軸軌道溝とにより形成される負荷路を転動するボールによりナットに加えられた荷重を支持し、ナットに設けたボール戻し路によりボールを循環させながらねじ軸の回転運動をナットの直線運動に変換している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１５６７６７号公報（第７頁段落００２５−第８頁段落００２９、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の技術においては、ナットに過大荷重や偏荷重が加わっていることに気付かずに使用すると、軸軌道溝やナット軌道溝に剥離や磨耗等による損傷が生じ、ボールねじ装置の寿命を低下させる場合があるという問題がある。
また、ボールねじ装置が損傷したことに気付かずに使用し続けると、ボールねじ装置を用いた機械装置の他の部位にもダメージを与え、機械装置の保守に多大な時間を要するという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ボールねじ装置に過大荷重や偏荷重が加わったことや、軸軌道溝に剥離や磨耗等による損傷が生じたことを検出する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸軌道溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸軌道溝に対向するナット軌道溝を形成したナットと、前記軸軌道溝とナット軌道溝とを螺合させる複数のボールとを備えたボールねじ装置において、前記ナットに、非接触型の変位検出手段を設け、該変位検出手段により、前記軸軌道溝の転動体転動面の変位を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
これにより、本発明は、ボールねじ装置に過大荷重や偏荷重が加わったときのねじ軸の過大な変形や、軸軌道溝に生じた剥離や磨耗等を容易に検出することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、図面を参照して本発明によるボールねじ装置の実施例について説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は実施例１のボールねじ装置の設置状態の上面を示す説明図、図２は実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図、図３は実施例１のセンサ保持体の断面を示す説明図、図４は図３のＡ方向から見た矢視図を示す説明図、図５は実施例１のセンサの測定位置を示す説明図、図６は実施例１のセンサの取付位置を示す説明図である。
なお、図６は図３のＢ方向から見たセンサの取付位置を、展開図として示したものである。
【０００９】
図１、図２において、１はボールねじ装置である。
２はボールねじ装置１のねじ軸であり、合金鋼等の鋼材で製作され、両端部に同軸に取付部３が設けられた長尺の段付軸状部材であって、その大径部の外周面には半円より小さい円弧状断面形状の軸軌道溝４が所定のリードで螺旋状に形成されている。
取付部３は、図１に示すようにねじ軸２の両端部を回転支持するため支持軸受５の内輪が嵌合する部位である。
【００１０】
また、一方の取付部３の端部は、カップリング６を介してねじ軸２を回転させるためのモータ等の駆動装置７に接続されている。
８はボールねじ装置１のナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内周面には軸軌道溝４と対向する半円より小さい円弧状断面形状のナット軌道溝９が軸軌道溝４と同じリードで形成されている。
【００１１】
１０はフランジ部であり、ナット８の外周部の一方の端部に設けられ、このフランジ部１０を用いてナット８が図示しない機械装置の移動台にボルト等で固定される。
１１はボールねじ装置１の転動体としてのボールであり、合金鋼等の鋼材で製作された球体であって、対向配置された軸軌道溝４とナット軌道溝９とにより形成される負荷路に複数装填されてねじ軸２とナット８とを螺合させる。
【００１２】
１２はリターンチューブであり、鋼材や樹脂材料等で製作され、ボール１１が通過できる内径を有するＵ字形に曲折した管であって、ナット８の外周面に設けられたナット軌道溝９に達する穴にその端部が嵌合してナット軌道溝９を連通する。
これにより、負荷路の両端部はリターンチューブ１２の内径として形成された連通路により連通され、ボール１１が循環する循環路が形成され、この循環路には所定の量の潤滑剤、例えばグリースと複数のボール１１が封入される。
【００１３】
そして、ナット８に軸方向の荷重が加えられた状態でねじ軸２を回転させると、負荷路を転動するボール１１が、その荷重によって軸軌道溝４とナット軌道溝９とに所定の接触角θ（図５参照）で接触し、ナット８に加えられた軸方向荷重を支持しながら負荷路を転動する。
これにより、ねじ軸２の回転運動がナット８の直線運動に変換され、ナット８がねじ軸２の長手方向に沿った直線往復移動可能に支持される。
【００１４】
図２、図３において、１５はセンサ保持体であり、合金鋼等の鋼材や樹脂材料で形成された円環状部材であって、そのナット８側の端面には、ナット８のフランジ部１０の反対側の端面に形成されたナット８の外周面の直径より小さく、ねじ軸２の外周面２ａの直径より大きい内径を有する嵌合穴１６に所定の公差で嵌合する嵌合部１７が形成され、センサ保持体１５のナット８の反対側の端面には、円周方向に所定のピッチ円直径、所定の角度ピッチで形成されたボルト穴１８が形成されており、ボルト穴１８に挿通する取付ボルト１９によりナット８の端部に固定される。
【００１５】
２１は変位検出手段としてのセンサであり、磁気式等の検出対象物との間の距離を計測してその変位の波形を出力する非接触型のセンサであって、その検出面２２を軸軌道溝４に対向させて軸軌道溝４の半径方向の変位を検出する機能を有しており、センサ保持体１５のボルト穴１８を避ける位置に半径方向に穿孔されたセンサ取付穴２３に取付けられている。
【００１６】
本実施例のセンサ取付穴２３は、図３に示すように、１２０度等配に設けられたボルト穴１８の間に、１２０度等配に３箇所設けられている。
また、センサ２１による変位の測定位置は、図５に示すように、ボールねじ装置１の運転中にボール１１が所定の接触角θ（本実施例では４０〜５０度）で接触しながら転動するときの軸軌道溝４の転動体転動面（ボール１１の接触により軸軌道溝４に形成される接触楕円を連続させた面をいう。）の図５に破線で示す軸軌道溝４のリードに沿った中心線（転動軌跡２４という。）上に設定される。
【００１７】
なお、転動軌跡２４は、ねじ軸２の正転および逆転により１条の軸軌道溝４にそのリードを挟んで２本存在し、区別を要する場合には一方を転動軌跡２４ａ、その逆転のときを転動軌跡２４ｂという。
本実施例のセンサ２１は、一方の転動軌跡２４、例えば図６に示すように転動軌跡２４ａ上にリードに沿って形成された３つのセンサ取付穴２３にそれぞれ取付けられている。
【００１８】
図１において、２６はパーソナルコンピュータ等のモニタ装置であり、ハードディスク等の記憶部やＬＣＤ等の表示画面を備えており、センサ２１から出力される変位の出力波形を信号線２７を介して取得する機能、取得した出力波形や警告等を表示する機能、および信号線２７を介して接続する駆動装置７の運転を制御する機能等を有している。
本実施例のモニタ装置２６へは、３箇所のセンサ２１からの出力波形がそれぞれ入力される。
【００１９】
本実施例のモニタ装置２６の記憶部には、センサ２１から出力される出力波形を取得し、これを基にボールねじ装置１の異常を判定して駆動装置７を停止させる機能を有する監視処理プログラムが格納されており、モニタ装置２６が実行する監視処理プログラムのステップにより本実施例のモニタ装置２６のハードウェアとしての各機能手段が形成される。
【００２０】
また、モニタ装置２６の記憶部には、正常なボールねじ装置１、つまりねじ軸２とナット８との間の振れ精度やトルク特性等が正常値であるボールねじ装置１を運転したときの３つのセンサ２１から出力される軸軌道溝４の転動軌跡２４とナット８との間の半径方向の変位の波形から求めた振幅の平均値（正常変位量という。）が予め格納される他、正常でないボールねじ装置１を運転したときの出力波形から求めた振幅の平均値と正常変位量との差に基づいて定められたボールねじ装置１の異常を判定するための判定規格値が予め格納されている。
【００２１】
本実施例のモニタ装置２６による監視処理は、以下のように行われる。
ボールねじ装置１を機械装置に組み込んだときは、その試運転時に、モニタ装置２６は監視処理プログラムにより３箇所のセンサ２１からの出力波形をそれぞれ取得し、取得した出力波形からそれぞれの波形の振幅を求め、これら３つの振幅を平均して運転時変位量を算出する。
【００２２】
運転時変位量を算出したモニタ装置２６は、記憶部に格納されている正常変位量と判定規格値とを読出し、運転時変位量が、正常変位量に判定規格値を加えた加算値以下の場合は、ボールねじ装置１の組立精度や取付精度等が正常であることを判定してその旨を表示画面に表示する。
運転時変位量が、前記の加算値より大きい場合は、ボールねじ装置１の組立精度や取付精度等が正常ではないことを判定してその警告等を表示画面に表示する。
【００２３】
上記の試運転の結果、正常と判定されたボールねじ装置１の運転が開始されると、モニタ装置２６は監視処理プログラムにより３箇所のセンサ２１からの出力波形を取得し、上記の運転時変位量と、正常変位量と判定規格値の加算値とを比較しながらボールねじ装置１の運転状態を監視し、運転時変位量が、正常変位量と判定規格値の加算値より大きいことを認識したときに、ボールねじ装置１の異常を判定し、駆動装置７へ停止指令を送出して駆動装置７を停止させると共に、その旨を表示画面に表示する。
【００２４】
運転時変位量が、前記の加算値以下のときは、上記の監視を継続する。この場合に取得した出力波形を表示画面に表示しながら監視を継続するようにしてもよい。
このように、本実施例のセンサ２７は、ボールねじ装置１の運転中に軸軌道溝４の転動軌跡２４の半径方向の変位を検出するので、ボールねじ装置１に過大荷重や偏荷重が加わったときのねじ軸の過大な変形のみならず、軸軌道溝４に生じた剥離や磨耗等をも、出力波形の振幅による変位量により容易に検出することができると共に、出力波形をモニタ装置２６に入力してボールねじ装置１の異常を自動的に判定して停止させることが可能になる。
【００２５】
これにより、ボールねじ装置１を用いた機械装置の他の部位への影響を未然に防止することができると共に、機械装置の保守時間の短縮を図ることが可能になる。
なお、本実施例では、センサ２１をリードに沿って３箇所に配置するとして説明したが、センサ２１を転動軌跡２４上に１箇所以上設置すればよく、その数はいくつであってもよい。
【００２６】
また、本実施例では、センサ２１を転動軌跡２４上に設置するとして説明したが、センサ２１の設置位置は、転動体転動面の範囲であればどこでもよく、必ずしも転動軌跡２４に一致させる必要はない。
更に、本実施例では、ナット８に加えられる軸方向荷重が主に一方向のみの場合を想定してセンサ２１を一方の転動軌跡２４ａ上に配置するとして説明したが、ねじ軸２の正逆回転方向に同等の軸方向荷重が加わる場合には、図７に示すように転動軌跡２４ａ上に加えて転動軌跡２４ｂ上にも配置するとよい。このようにすれば、正逆両方向におけるボールねじ装置１の異常を判定することが可能になる。
【００２７】
以上説明したように、本実施例では、ボールねじ装置のナットに、非接触型のセンサを設け、このセンサにより、軸軌道溝の転動体転動面の変位を検出するようにしたことによって、ボールねじ装置に過大荷重や偏荷重が加わったときのねじ軸の過大な変形や、軸軌道溝に生じた剥離や磨耗等を容易に検出することができると共に、ボールねじ装置を用いた機械装置の保守時間の短縮を図ることができる。
【実施例２】
【００２８】
図８は実施例２のボールねじ装置の設置状態の上面を示す説明図、図９は実施例２のセンサの測定位置を示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図８において、３１ａ、３１ｂは変位検出手段としてのセンサであり、実施例１と同様の磁気式等の非接触型のセンサであって、センサ保持体１５のボルト穴１８を避ける位置に軸方向に並べて取付けられており、図９に示すように一方のセンサ３１ａは実施例１と同様に一方の転動軌跡２４、例えば転動軌跡２４ａ上に設置され、他方のセンサ３１ｂはねじ軸２の外周面２ａに対向して設置されている。
【００２９】
なお、センサ３１ａ、３１ｂの取付位置は、センサ保持体１５の円周方向に１箇所であってもよく、２箇所以上であってもよい。
本実施例のモニタ装置２６の記憶部には、実施例１の機能に加えて、取得した波形の状態を基にボールねじ装置１の異常の種類を判定して駆動装置７を停止等させる機能を有する監視処理プログラムが格納されており、モニタ装置２６が実行する監視処理プログラムのステップにより本実施例のモニタ装置２６のハードウェアとしての各機能手段が形成される。
【００３０】
また、モニタ装置２６の記憶部には、実施例１の正常変位量および判定規格値に加えて、図１０に示す異常の種類を判定するための判定条件がロジックとして予め格納されている。
本実施例の異常の種類の判定は、転動軌跡２４の半径方向の変位を検出するセンサ３１ａの出力波形（Ａ出力波形という。）と、ねじ軸２の外周面２ａの半径方向の変位を検出するセンサ３１ｂの出力波形（Ｂ出力波形という。）とを比較して、以下のように行われる。
【００３１】
すなわち、「ラジアル振れ」と判定するときは、図１０に示すように、Ａ出力波形およびＢ出力波形が、両方とも周期的に変位し、かつその位相が同位相であることが判定の条件になる。
「アキシャル変位」と判定するときは、Ａ出力波形（転動軌跡２４の波形）が周期的に変位し、かつそのときにＢ出力波形（外周面２ａの波形）が変化しないことが判定の条件になる。
【００３２】
「グリース中に磨耗粉あり」、つまり磨耗が生じていると判定するときは、Ａ出力波形およびＢ出力波形が、両方とも不規則に変位していることが判定の条件になる。
「剥離」と判定するときは、Ａ出力波形（転動軌跡２４の波形）が瞬間的にパルス状に変位し、かつそのときにＢ出力波形（外周面２ａの波形）が変化しないことが判定の条件になる。
【００３３】
本実施例のモニタ装置２６による監視処理は、以下のように行われる。
ボールねじ装置１を機械装置に組み込んだときの試運転時の作動は、上記実施例１と同様であるのでその説明を省略する。この場合の判定には転動軌跡２４の波形であるセンサ３１ａのＡ出力波形が用いられる。
機械装置の運転中の監視処理において、モニタ装置２６は監視処理プログラムによりセンサ３１ａ、３１ｂからの出力波形を取得し、上記の判定条件に基づいて、「ラジアル振れ」や「剥離」等の異常の種類を区別しながらボールねじ装置１の運転状態を監視し、いずれかの異常の種類を認識したときに、ボールねじ装置１の異常を判定し、駆動装置７へ停止指令を送出して駆動装置７を停止させると共に、その旨および異常の種類を表示画面に表示する。異常を認識しないときは上記の監視を継続する。
【００３４】
この場合に、異常の種類により処置を変更するようにしてもよい。例えば「ラジアル振れ」や「アキシャル変位」の場合は、磨耗や剥離の前兆である場合が多いので、運転を停止せずに、表示画面に異常の種類やその警告を表示して警報を発するようにし、「グリース中に磨耗粉あり」、「剥離」の場合には上記と同様に運転を停止させる等である。
このように、本実施例のセンサ２７は、ボールねじ装置１の運転中に軸軌道溝４の転動軌跡２４の半径方向の変位、およびねじ軸２の外周面２ａの半径方向の変位を検出するので、ボールねじ装置１に生じた異常の種類をも判定することが可能になる。
【００３５】
また、磁気式の非接触型のセンサ２１を用いているので、グリース中に混入したねじ軸２やナット８の磨耗粉を検出することが可能になる。
以上説明したように、本実施例では、ボールねじ装置のナットに、複数の非接触型のセンサを設け、一つは、軸軌道溝の転動体転動面の変位を、他の一つはねじ軸の外周面の変位を検出するようにしたことによって、上記実施例１と同様の効果に加えて、ボールねじ装置に生じた異常の種類を判定することができる。
【００３６】
上記各実施例においては、リターンチューブ用いて形成した連通路をボールが循環するチューブ式の循環方式を用いたボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、連通路は前記に限らず、連通路をこま式やエンドキャップ式、エンドデフレクタ式等とした循環方式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
また、上記各実施例においては、ボールねじ装置のねじ軸を回転させてナットを軸方向に移動させる場合を例に説明したが、ナットを回転させてねじ軸を軸方向に移動させる形式、またはナットが回転しながら固定されたねじ軸上を軸方向に移動する形式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
この場合に、変位検出手段からの出力波形はスリップリング等を用いてモニタ装置に導くようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１のボールねじ装置の設置状態の上面を示す説明図
【図２】実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図
【図３】実施例１のセンサ保持体の断面を示す説明図
【図４】図３のＡ方向から見た矢視図を示す説明図
【図５】実施例１のセンサの測定位置を示す説明図
【図６】実施例１のセンサの取付位置を示す説明図
【図７】実施例１のセンサの取付位置の他の形態を示す説明図
【図８】実施例２のボールねじ装置の設置状態の上面を示す説明図
【図９】実施例２のセンサの測定位置を示す説明図
【図１０】実施例２の判定条件を示す説明図
【符号の説明】
【００３９】
１    ボールねじ装置
２    ねじ軸
２ａ  外周面
３    取付部
４    軸軌道溝
５    支持軸受
６    カップリング
７    駆動装置
８    ナット
９    ナット軌道溝
１０    フランジ部
１１  ボール
１２  リターンチューブ
１５  センサ保持体
１６  嵌合穴
１７  嵌合部
１８  ボルト穴
１９  取付ボルト
２１、３１ａ、３１ｂ  センサ
２２  検出面
２３  センサ取付穴
２４、２４ａ、２４ｂ  転動軌跡
２６  モニタ装置
２７  信号線
【図１】
2007333195.tif 000003
【図２】
2007333195.tif 000004
【図３】
2007333195.tif 000005
【図４】
2007333195.tif 000006
【図５】
2007333195.tif 000007
【図６】
2007333195.tif 000008
【図７】
2007333195.tif 000009
【図８】
2007333195.tif 000010
【図９】
2007333195.tif 000011
【図１０】
2007333195.tif 000012