JP2008111468A - ボールねじ装置およびその磨耗量検出方法、並びにそれを備えた電動射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】剥離や磨耗によるボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量を正確に検出する手段を提供する。
【解決手段】外周面３ａに螺旋状の軸軌道溝４を形成したねじ軸３と、内周面に軸軌道溝４に対向するナット軌道溝６を形成したナット５と、軸軌道溝４とナット軌道溝６とを螺合させる複数のボール２とを備えたボールねじ装置１において、ナット５に、軸軌道溝４にクリアランスＣを介して対向する接触子１３を有する接触センサ１１を設け、もの接触センサ１１により、接触子１３の軸軌道溝４への接触を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、工作機械や電動射出成形機、電動プレス成形機等の機械装置の位置決め用や動力伝達用に用いられるボールねじ装置およびその磨耗量検出方法、並びにそれを備えた電動射出成形機に関する。

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のような負荷路の両端を連結する連結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。）。

このようなボールねじ装置は、疲労による寿命や潤滑剤の寿命等により軸軌道溝およびナット軌道溝の転動面やボールに剥離や磨耗が発生すると、ねじ軸とナットとの相対位置が変化する。
この相対位置の変化は、ボールねじ装置を主に位置決めの目的で使用する工作機械や計測装置等の機械装置においては、予圧式のボールねじ装置が用いられ、予圧によりボールに弾性変形が生じているため、この弾性変形量に相当する磨耗が生じない限り位置決め時のガタは発生しない。またガタが発生した場合には所定の位置決め精度が得られず、加工品の精度劣化や計測精度の劣化により、ボールねじ装置の稼動中に劣化度合いを比較的容易に発見することが可能である。

一方、ボールねじ装置を主に駆動力を伝達する目的で使用する電動射出成形機やプレス成形機等の機械装置においては、ボールと転動面との間に隙間が存在する隙間品のボールねじ装置が用いられ、圧力センサによる押圧力の測定値が所定の値に達するまでねじ軸をモータ等で駆動してナットを送っているため、磨耗が生じた場合には磨耗量に相当する分の送り量が増加するだけで機構上の問題が生ずることはなく、ボールねじ装置の稼動中における劣化度合いの発見が難しくなる。

このため、モータの回転角の増加量をエンコーダを用いて測定すれば、ボールねじ装置の磨耗量の測定は可能と考えられるが、実際には射出成形に用いる樹脂がダンパ効果を有することや１回に射出される樹脂量のバラツキが大きいことのために、このバラツキの範囲に磨耗量が吸収されてしまい、磨耗量の定量的な測定は困難である。
また、磨耗等によるボールねじ装置の劣化の発見が遅れると、ボールねじ装置が破損して機械装置が停止し、交換用のボールねじ装置の入手に時間を要し、機械装置の稼動効率を低下させるという問題が生ずる。

このような磨耗等による劣化を予測するために、従来の台形ねじ磨耗測定装置においては、ニードル弁の開閉に用いる台形ねじ軸と台形ねじナットの磨耗を測定する場合に、台形ねじ軸および台形ねじナットの両方に、基台を基準とした端面位置の測定器を設け、ニードル弁の閉位置における初期状態からの変化量によりそれぞれの台形ねじの磨耗量を定期的に測定して予防保全を行っている（例えば、特許文献２参照。）。

また、転がり軸受の損傷や潤滑剤の劣化を検出する場合に、外輪に設けた振動センサの電気信号のバックグランドノイズ成分の平均値の大きさ、および回転速度比例成分の周期的なピークを用いて、転がり軸受の損傷や潤滑剤の劣化を検出し、その異常を診断しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−１５６７６７号公報（第７頁段落００２５−第８頁段落００２９、第２図） 特開平１０−２３４１５５号公報（第２頁段落０００９−第３頁段落００１２、第３図） 特開２００４−３４７４０１号公報（第４頁段落００１６−第５頁段落００１９、第５図）

しかしながら、上述した特許文献２の技術においては、基台を基準にしてニードル弁の閉位置における端面位置の初期状態からの磨耗量を測定しているため、これをねじ軸回転のボールねじ装置に置き換えた場合には、ねじ軸の軸方向の移動が固定され、ナットのストロークが一定ではないため、ナットの位置が使用条件により変化し、正確な測定は困難であるという問題がある。

また、特許文献３の技術においては、転がり軸受の外輪の振動によりその損傷や潤滑剤の劣化を検出しているため、これをボールねじ装置に置き換えた場合には、ナットに設けた振動センサによりボールが転動面に生じた剥離等の傷を通過するときの振動を検出することは可能であるが、ボールねじ装置の場合は、ナットに設けた連結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ので、この連結路内をボールが通過するときの振動が大きく、転動面等の剥離や磨耗によるボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量を正確に検出することは困難であるという問題がある。

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、剥離や磨耗によるボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量を正確に検出する手段を提供することを目的とする。

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、前記軸軌道溝にクリアランスを介して対向する接触子を有するセンサを設け、該センサにより、前記接触子の前記軸軌道溝への接触を検出することを特徴とする。

このように、本発明は、ナットに設けたセンサにより、ボールねじ装置の転動面等の磨耗や剥離による磨耗量を直接検出することができ、磨耗に伴うボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量を正確に検出することができるという効果が得られる。

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。

図１は実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図、図２は実施例１の接触センサの側面を示す説明図、図３は実施例１の接触センサの設置状態を示す説明図である。
なお、図３は図１のＡ部を拡大して示したものである。
図１において、１はボールねじ装置である。本実施例のボールねじ装置１は電動射出成形機に用いる隙間品のボールねじ装置である。

２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る。
３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た棒状部材であって、その外周面３ａには、図３に示す２つの円弧凹面４ａ、４ｂを略Ｖ字状に配置して構成されたゴシックアーク溝である軸軌道溝４が所定のリードで螺旋状に形成されている。

５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、その内周面には図３に示す２つの円弧凹面６ａ、６ｂを略Ｖ字状に配置して構成されたゴシックアーク溝であるナット軌道溝６が軸軌道溝４と同じリードで形成されている。
７はフランジ部であり、ナット５の外周部の一方の端部に設けられ、図示しない機械装置の移動台等に固定される。

上記のねじ軸３の軸軌道溝４とこれに対向するナット５のナット軌道溝６とによりボール２が転動する負荷路が形成され、その両端部は図示しないリターンチューブ等の連結路により連結されて循環路が形成される。
この循環路には、複数のボール２と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入され、軸軌道溝４とナット軌道溝６とがボール２を介して螺合し、ねじ軸３の回転に伴ってボール２が循環路を循環し、負荷路を転動するボール２がナット５に加えられた荷重を往復動自在に支持してナット５がねじ軸３の軸方向に沿った直線往復移動可能に支持される。これによりねじ軸３の回転運動がナット５の直線運動に変換される。

図２において、１１はセンサとしての接触センサであり、外周面に三角ねじ１２が形成され、その軸方向の一端に接触子１３が出没自在に設けられた機械式センサであって、接触子１３の先端１３ａが対象物に接触したときに電気接点等がＯＮ状態になって電気信号である接触信号をリード線１４から出力する機能を有している。
また、接触センサ１１には、接触子１３の先端１３ａの接触により接触子１３が接触センサ１１の軸方向に没入して一定量移動したときに接触信号を発するように不感帯が設けられている（この不感帯に相当する移動量を縮み代という。）。

この接触センサ１１は、図１に示すように、ナット５の外周面の一方の端部、本実施例ではフランジ７の反対側の端部を、軸方向と平行に切欠いた取付座１６に、ナット５の半径方向に形成された取付ねじ穴１７に接触センサ１１の三角ねじ１２を螺合させ、クリアランスＣ（図３参照）を所定の値に調整した後にロックナット１８により固定して取付けられている。

また、接触センサ１１のナット５の軸方向の取付位置は、図３に示すように、型締め等のためにナット５に加えられた軸方向の力Ｆにより、ボール２が接触角θでナット軌道溝６の円弧凹面６ａと軸軌道溝４の円弧凹面４ｂとの間に挟持されたときに、接触子１３の先端１３ａが、軸軌道溝４に遊嵌する位置、つまりクリアランスＣ（先端１３ａと軸軌道溝４の円弧凹面４ａ、４ｂとの間を接触角θの方向に計った距離をいう。）を介して軸軌道溝４の円弧凹面４ａ、４ｂの磨耗量の検出部位である転動面Ｐ（接触角θでボール２が円弧凹面４ｂに接触し、このときの力Ｆで円弧凹面４ｂに形成される接触楕円のおよぶ範囲の軸軌道溝４に沿った帯状の領域をいう。）に対向する位置に取付けられる。

本実施例の接触センサ１１の接触子１３は円柱状に形成され、その先端１３ａは半球状に形成されており、半球状の球状凸面の曲率半径は、ボール２の半径をＲａとしたときに、０．９Ｒａ以上、１．０Ｒａ以下にされている。

これにより、接触子１３の先端１３ａと軸軌道溝４の円弧凹面４ａ、４ｂとの間には、ボール半径Ｒａの１０％以内のクリアランスＣが形成され、軸軌道溝４の円弧凹面４ｂやナット軌道溝６の円弧凹面６ａに形成される転動面Ｐおよびボール２に生ずる磨耗や剥離による磨耗量が、クリアランスＣに相当する量を超えて磨耗し、接触センサ１１の接触子１３の縮み代を超えて押し縮められたときに、接触センサ１１から接触信号が発せられ、ボールねじ装置１のねじ軸３とナット５との間の相対変位量が限界を超えたことが報知される。

また、磨耗等によりねじ軸３が傾いた場合に、軸軌道溝４の溝底部が接触子１３の先端１３ａに接触して接触子１３の縮み代を押し縮めたときに、接触センサ１１から接触信号が発せられる。
上記のクリアランスＣをボール半径Ｒａの１０％以下とするのは、ボール２を循環させるための連結路の内半径は、通常ボール半径Ｒａの１１０％程度とされており、磨耗量がボール半径Ｒａの１０％を越えてしまうと、リターンチューブ等の連結路の掬上部にボール２が衝突して破損する虞があるからである。

また、クリアランスＣをボール半径Ｒａの０％以上、つまり接触子１３の先端１３ａの曲率半径をボール半径Ｒａの１００％以下とするのは、金型を開けるためにナット５を反対方向に移動させるときに、接触センサ１１の接触子１３の縮み代を超えて接触信号が発せられることを防止するためである。
なお、本実施例のボールねじ装置１は、電動射出成形機に用いられる隙間品のボールねじ装置１であるので、予め設定された図３に示す隙間Ｓが、接触子１３の縮み代を超えている場合には、隙間Ｓと接触子１３の縮み代を考慮して接触子１３の先端１３ａの曲率半径の上限を設定するとよい。つまり、接触子１３の先端１３ａの曲率半径の上限を、ボール半径ＲａからＳ／ｃｏｓθ以上減じた値とするとよい。

また、予め予圧が付与された位置決め用のボールねじ装置１に本実施例を適用する場合は、ナット５の往復移動に伴うねじ軸３とナット５との相対的な移動は無視できるほど小さいので、上記のように、接触子１３の先端１３ａの曲率半径は、ボール半径Ｒａの９０％以上、１００％以下にするとよい。
上記のように、本実施例のボールねじ装置１のナット５には、軸軌道溝４の転動面Ｐに先端１３ａをクリアランスＣを介して対向させた接触センサ１１が設けてあるので、磨耗や剥離によるボールねじ装置１の磨耗量が増大した場合に、軸方向のガタと半径方向のガタの両方を、ボールねじ装置１単独で直接検出することが可能になる。

また、本実施例のボールねじ装置１には、接触センサ１１に設けた三角ねじ１２を、ナット５に設けた取付ねじ穴１７に螺合させてクリアランスＣを調整し、ロックナット１８により固定する調整機構が設けられているので、クリアランスＣの調整を容易に行うことができる。
更に、本実施例の接触センサ１１は、接触子が軸方向に出没する機械式の接触センサ１１であるので、グリースや異物等の接触による影響を受け難く、誤検出を防止して磨耗量の検出における信頼性を高めることができる。

更に、本実施例の接触センサ１１の先端１３ａは、常時は軸軌道溝４に接触していないので、接触子１３に特別な材料を用いなくとも先端１３の磨耗を防止して、軸軌道溝４等の磨耗量を正確に検出することができる。
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、軸軌道溝にクリアランスＣを介して対向する接触子を有する接触センサを設け、この接触センサにより、接触子が軸軌道溝に接触したことを検出するようにしたことによって、ボールねじ装置１の転動面Ｐ等の磨耗や剥離による磨耗量を直接検出することが可能になり、磨耗に伴うボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量を正確に検出することができると共に、適切な予防保全を実施して機械装置の稼動効率を向上させることができる。

このことは、電動射出成形機のようにボールねじ装置を主に駆動力を伝達する目的で使用する機械装置の場合に特に有効である。
また、ボールねじ装置に接触子と軸軌道溝とのクリアランスＣを調整する調整機構を設けたことによって、クリアランスＣの調整を容易に行うことができる。
なお、上記実施例においては、接触センサを、ナットのフランジ部の反対側の端部に設けるとして説明したが、フランジ部側の端部に設けてもよく、両端部に設けるようにしてもよい。この場合に接触センサを両端部に設ければ、ナットとねじ軸との傾きによる半径方向のガタをより正確に検出することができる。

また、図４に示すように、接触センサ１１を、ナット５の円周方向に複数（図４の例では９０度等配に４箇所）設けるようにしてもよい。このようにしてもナット５とねじ軸３との傾きによる半径方向のガタをより正確に検出することができる。なお図４は図１の矢印Ｂ方向から見た矢視図である。
この場合に、各接触センサ１１の先端１３ａの軸軌道溝４とのクリアランスＣを上記の範囲内で各角度位置毎に段階的に設定するようにすれば、磨耗量に応じて段階的に接触センサ１１からの接触信号が発せられ、ボールねじ装置１の磨耗量を段階的に検出することが可能になり、ボールねじ装置１における磨耗の経過を把握して、より適切な予防保全を実施することができる。

また、センサを、金属からなる内周面がねじ軸の接触したときに接触信号を発するリング状のセンサとし、これをナットの端面に取付ければ、より正確な磨耗量の把握が可能になる。
更に、上記実施例においては、先端が対象物に接触したときにＯＮ−ＯＦＦ的に接触信号を発する接触センサを軸軌道溝からクリアランスＣを離して設置し、これをセンサとして用いるとして説明したが、接触子の先端の移動量を連続的に出力するポテンショメータ等を内蔵した機械式の距離センサをセンサとして用い、軸軌道溝に常に接触させて磨耗量を測定するようにしてもよい。このようにすれば、磨耗に伴うボールねじ装置のナットとねじ軸との相対変位量の経過を連続的に把握することが可能になり、更に適切な予防保全を実施することができる。

この場合に、接触子の先端は高周波焼入や浸炭焼入等の焼入処理によりボールねじ装置に用いるボールと同程度の硬度にするとよい。

図５は実施例２の接触センサの設置状態を示す説明図である。
なお、図５は上記実施例１の図３と同様の部位を示した拡大図である。また上記実施例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。
本実施例の接触センサ１１は、図５に示すように、その接触子１３の円柱部が実施例１の接触子１３より細く形成されると共に、接触子１３の先端１３ａによる磨耗量の検出部位が、ねじ軸３の外周面３ａと軸軌道溝４との肩部２１と転動面Ｐとの間の軸軌道溝４に沿った帯状の領域である境界部Ｋに設定されており、この境界部Ｋに接触子１３の先端１３ａが対向するように設置されている。

この場合に、接触センサ１１のナット５の軸方向の取付位置は、接触子１３の円柱部とねじ軸３の肩部２１との間隔Ｔが、ボール半径Ｒａの０％以上、１０％以下となるように設置される。
このように設置された接触センサ１１を用いれば、境界部Ｋ上をボール２が転動することがないので、軸軌道溝４の円弧凹面４ｂの転動面Ｐの磨耗の影響を受けることなく、より正確に磨耗量を測定することが可能になる。

また、接触子１３が細く形成されているので、隙間品のボールねじ装置１の場合であっても、予め設定された隙間Ｓ（図３参照）を考慮することなく、間隔Ｔの設定を行うことが可能になる。
以上説明したように、本実施例では、上記実施例１と同様の効果に加えて、接触センサの接触子による検出部位を、ねじ軸の外周面と軸軌道溝との境界部Ｋにしたことによって、転動面Ｐの磨耗の影響を受けることなく、より正確に磨耗量を測定することができる。

上記各実施例においては、リターンチューブによりボールを循環させ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、こま式やエンドキャップ式、デフレクタ式等の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。

実施例１のボールねじ装置の断面を示す説明図 実施例１の接触センサの側面を示す説明図 実施例１の接触センサの設置状態を示す説明図 実施例１の接触センサの設置状態を示す説明図 実施例２の接触センサの設置状態を示す説明図

符号の説明

１ ボールねじ装置
２ ボール
３ ねじ軸
４ 軸軌道溝
４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ 円弧凹面
５ ナット
６ ナット軌道溝
７ フランジ部
１１ 接触センサ
１２ 三角ねじ
１３ 接触子
１３ａ 先端
１４ リード線
１６ 取付座
１７ 取付ねじ穴
１８ ロックナット
２１ 肩部

Claims (9)

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、前記軸軌道溝にクリアランスを介して対向する接触子を有するセンサを設け、
   該センサにより、前記接触子の前記軸軌道溝への接触を検出することを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１において、
   前記接触子の先端の曲率半径が、前記ボールの半径の９０パーセント以上、１００パーセント以下であることを特徴とするボールねじ装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記接触子と軸軌道溝とのクリアランスを調整する調整機構を設けたことを特徴とするボールねじ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記接触子による検出部位が、前記ねじ軸の外周面と軸軌道溝との境界部であることを特徴とするボールねじ装置。
5. 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、前記軸軌道溝に接触する接触子を有するセンサを設け、
   該センサにより、前記接触子の移動量を連続的に検出することを特徴とするボールねじ装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
   前記センサを、前記ナットの軸方向の両方の端部に設けたことを特徴とするボールねじ装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
   前記センサを、前記ナットの円周方向に複数設けたことを特徴とするボールねじ装置。
8. 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、前記ナットに設けられた前記軸軌道溝にクリアランスを介して対向する接触子を有するセンサと、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の磨耗量検出方法であって、
   前記接触子が、前記軸軌道溝に接触したことを検出し、
   該接触の検出により、前記ねじ軸と前記ナットとの間の相対変位量を検出することを特徴とするボールねじ装置の磨耗量検出方法。
9. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のボールねじ装置を備えたことを特徴とする電動射出成形機。