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WO2020213329A1 - 予圧検知可能なねじ装置 - Google Patents

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Info

Publication number
WO2020213329A1
WO2020213329A1 PCT/JP2020/011595 JP2020011595W WO2020213329A1 WO 2020213329 A1 WO2020213329 A1 WO 2020213329A1 JP 2020011595 W JP2020011595 W JP 2020011595W WO 2020213329 A1 WO2020213329 A1 WO 2020213329A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
preload
nut member
screw device
strain sensor
strain
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/011595
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐次 久保田
良直 森行
Original Assignee
Thk株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thk株式会社 filed Critical Thk株式会社
Priority to CN202080029189.0A priority Critical patent/CN113710926B/zh
Priority to US17/604,725 priority patent/US11821497B2/en
Priority to KR1020217034071A priority patent/KR20210153628A/ko
Priority to DE112020001981.0T priority patent/DE112020001981T5/de
Publication of WO2020213329A1 publication Critical patent/WO2020213329A1/ja

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    • F16H25/2214—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with balls with elements for guiding the circulating balls
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    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/24—Elements essential to such mechanisms, e.g. screws, nuts

Definitions

  • the present invention relates to a screw device capable of detecting preload.
  • the screw device includes a screw shaft having a spiral outer surface groove and a nut member having a spiral inner surface groove and a return path.
  • the return path of the nut member is connected to the passage between the outer groove of the screw shaft and the inner groove of the nut member, and forms a circulation path together with the return path.
  • a plurality of rolling elements are arranged in the circulation path. When the screw shaft is rotated by a motor or the like, the rolling element rolls between the outer groove of the screw shaft and the inner groove of the nut member to circulate in the circulation path, and the nut member moves in the axial direction of the screw shaft.
  • Preload is applied to the screw device in order to improve the rigidity of the screw device and improve the positioning accuracy.
  • the preload of the screw device for example, double nut preload, offset preload, and oversized rolling element preload are known.
  • Double nut preload uses two nuts and inserts a spacer between the two nuts to eliminate the axial gap between each nut, screw shaft, and ball.
  • the offset preload makes the axial gap zero by offsetting a part of the inner groove of the nut member in the axial direction with respect to the other part of the inner groove of the nut member.
  • the oversized rolling element preload makes the axial gap zero by inserting a rolling element larger than the passage between the outer groove of the screw shaft and the inner groove of the nut member into the passage.
  • Patent Document 1 discloses a preload-detectable screw device in which a sensor for detecting an axial force is arranged between two nuts in a double nut preload screw device.
  • the screw device generates heat due to its use.
  • the screw device that can detect preload described in Patent Document 1 has a problem that the heat generated by the screw device adversely affects the output of the sensor.
  • the present invention provides a screw device capable of detecting preload, which can accurately detect preload and reduce the influence of heat generation on the output of the sensor.
  • one aspect of the present invention has a screw shaft having a spiral outer surface groove, a spiral inner surface groove, and a return path leading to a passage between the outer surface groove and the inner surface groove.
  • at least one circumferential strain sensor attached to the surface of the nut member and detecting the circumferential strain of the nut member, and the output of the axial strain sensor and the circumferential strain sensor. Based on this, it is a preload-detectable screw device that detects the preload of the screw device.
  • strain that shrinks in the axial direction is generated on the surface of the nut member, and strain that spreads in the circumferential direction is generated.
  • strain spreading in the axial direction is generated on the surface of the nut member, and strain spreading in the circumferential direction is generated.
  • FIG. 3A is a schematic view showing deformation of the outer surface of the spacer due to double nut preload
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing deformation of the outer surface of the spacer due to heat generation
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing the configuration of the sensor
  • FIG. 4B is a diagram showing a bridge circuit. It is a graph which shows the relationship between the use period of a screw device and the residual amount of preload. It is an external perspective view of the screw device of the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 3A is a schematic view showing deformation of the outer surface of the spacer due to double nut preload
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing deformation of the outer surface of the spacer due to heat generation
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing the configuration of the sensor
  • FIG. 4B is a diagram showing a bridge circuit. It is a graph which shows the relationship between the use period of a screw device and the residual amount of preload.
  • FIG. 7 (a) is a partial cross-sectional view of a screw device for explaining the principle of oversized rolling element preload
  • FIG. 7 (b) is an enlarged view of part b of FIG. 7 (a).
  • 8 (a) and 8 (b) are schematic views showing deformation of the outer surface of the nut member due to oversized rolling element preload
  • FIG. 8 (a) is a front view of the screw device
  • FIG. 8 (b) is a side view of the screw device
  • 8 (c) is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member due to heat generation.
  • 9 (a) is a partial cross-sectional view (a diagram for explaining the principle of offset preload) of the screw device according to the third embodiment of the present invention, and FIG.
  • FIG. 9 (b) is an enlarged view of part b of FIG. 9 (a).
  • FIG. 10A is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member due to offset preload
  • FIG. 10B is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member due to heat generation.
  • FIG. 1 shows an exploded perspective view of the screw device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the screw device 1 includes a screw shaft 2 and a nut member 3.
  • the nut member 3 includes two nuts 4 and 5 and a spacer 6 sandwiched between the two nuts 4 and 5.
  • the preload of the screw device 1 of the first embodiment is a double nut preload.
  • a spiral outer surface groove 2a is formed on the outer surface of the screw shaft 2. Balls 7 and 8 using the outer surface groove 2a as a rolling element roll.
  • the cross-sectional shape of the outer surface groove 2a is a Gothic arch or a circular arc.
  • Two nuts 4 and 5 are assembled to the screw shaft 2.
  • the nuts 4 and 5 are formed with holes through which the screw shaft 2 penetrates.
  • Inner surface grooves 4a and 5a facing the outer surface groove 2a of the screw shaft 2 are formed on the inner surface of the nuts 4 and 5.
  • the cross-sectional shape of the inner grooves 4a and 5a is a Gothic arch or a circular arc.
  • the nut 5 is provided with a flange 5b for attaching to the mating component.
  • a spiral passage 11 is formed between the outer groove 2a of the screw shaft 2 and the inner groove 4a of the nut 4.
  • the nut 4 is provided with a return path 12 connected to one end and the other end of the passage 11 so that the ball 7 can circulate.
  • a circulation path is formed by the passage 11 and the return path 12. The plurality of balls 7 are circulated in the circulation path.
  • the return path 12 includes a through hole 13 provided in the nut 4 and a pair of direction change paths (circulation parts 14a, 14b) connected to the through hole 13 and the passage 11.
  • the turning path is formed in the circulation parts 14a and 14b attached to the axial end faces of the nut 4.
  • the circulation component 14a scoops up the ball 7 rolling in the passage 11 from the outer surface groove 2a of the screw shaft 2 and guides it to the through hole 13.
  • the ball 7 that has passed through the through hole 13 is returned to the passage 11 again from the circulation component 14b on the opposite side.
  • the nut 5 is formed with a passage 11, a through hole 13, and a direction change path (circulation component 14b).
  • the return path 12 can also be formed in a return pipe attached to the nuts 4 and 5.
  • Key grooves 16 and 17 are formed on the outer surface of the facing ends of the nuts 4 and 5.
  • the key 18 as a connecting portion for connecting the two nuts 4 and 5 so as not to rotate relative to each other is fitted in the key grooves 16 and 17.
  • a key groove 19 into which the key 18 is fitted is also formed in the spacer 6.
  • a ring-shaped cap 21 is attached to the end face of the nut 4 on the side opposite to the spacer 6. Similarly, the end face of the nut 5 on the side opposite to the spacer 6 is also closed with the ring-shaped cap 22.
  • the caps 21 and 22 are attached to the nuts 4 and 5 by fastening members such as screws.
  • the spacer 6 is sandwiched between the two nuts 4 and 5.
  • the spacer 6 has a ring shape and includes a pair of arc-shaped divided bodies 6a and 6b having a central angle of approximately 180 degrees.
  • the spacer 6 may not be divided.
  • a flat flat portion 6c is formed on the outer surface of the spacer 6.
  • the sensor 24 is attached to the flat portion 6c by an adhesive means such as an adhesive.
  • the sensor 24 includes a pair of axial strain sensors B and D and a pair of circumferential strain sensors A and C (see FIG. 4A).
  • Axial strain sensors B and D and circumferential strain sensors A and C utilize the principle that the resistance value changes when a metal or semiconductor expands or contracts, and the axial and circumferential directions of the outer surface of the spacer 6 are used. Detect strain.
  • axial strain sensors B and D and circumferential strain sensors A and C are not particularly limited.
  • a metal strain gauge in which a metal resistor is mounted on an insulator and a semiconductor on the insulator are used. You can use the attached semiconductor strain gauge, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) strain sensor created using semiconductor processing technology, and so on.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the screw device 1 for explaining the principle of double nut preloading.
  • a spacer 6 is inserted between the two nuts 4 and 5 and the two nuts 4 and 5 are displaced in directions away from each other, an axial gap is generated between the screw shaft 2, the balls 7, 8 and the nuts 4 and 5.
  • 7a and 8a are contact angle lines.
  • FIG. 3A is a schematic view showing the deformation of the outer surface of the spacer 6 due to the double nut preload. Due to the double nut preload, a force acts on the spacer 6 in the directions of the contact angle lines 7a and 8a. Therefore, a strain 31 (compressive strain) that contracts in the axial direction parallel to the screw shaft 2 is generated on the outer surface of the spacer 6. Further, since the outer surface of the spacer 6 is deformed so as to be raised by the force in the directions of the contact angle lines 7a and 8a, a strain 32 (tensile strain) spreading in the circumferential direction is generated on the outer surface of the spacer 6.
  • a strain 32 (tensile strain) that spreads in the circumferential direction by the Poisson's ratio of the compressive load in the axial direction is generated on the outer surface of the spacer 6.
  • the thickness of the arrows of the axial strain 31 and the circumferential strain 32 indicates the magnitude of the strain.
  • the axial strain 31 is larger than the circumferential strain 32.
  • FIG. 3B is a schematic view showing deformation of the outer surface of the spacer 6 due to heat generation of the screw device 1.
  • the dimensional change of the spacer 6 due to heat generation occurs uniformly in the axial direction and the circumferential direction. That is, due to heat generation, strain 33 (tensile strain) spreading in the axial direction and strain 34 (tensile strain) spreading in the circumferential direction are generated on the outer surface of the spacer 6.
  • strain 33 tensile strain
  • strain 34 tensile strain
  • FIG. 4A shows a pair of circumferential strain sensors A and C and a pair of axial strain sensors B and D arranged on the sensor 24.
  • the circumferential strain sensors A and C are long in the circumferential direction and detect the circumferential strain on the outer surface of the spacer 6.
  • the axial strain sensors B and D are long in the axial direction and detect the axial strain on the outer surface of the spacer 6.
  • FIG. 4B shows a bridge circuit 30 in which the circumferential strain sensors A and C and the axial strain sensors B and D are incorporated.
  • the bridge circuit 30 is an electric circuit in which four resistors (circumferential strain sensors A and C and axial strain sensors B and D) are connected in series to form a rectangular shape.
  • the pair of axial strain sensors B and D are arranged on opposite sides of the bridge circuit 30.
  • the pair of circumferential strain sensors A and C are arranged on the other opposite sides of the bridge circuit 30.
  • a power supply is connected to a pair of diagonally facing terminals, and an applied voltage is applied.
  • the output voltage is taken out from the other pair of terminals.
  • the output voltage is amplified by an amplifier (not shown) and converted to a digital value by an AD converter.
  • the output voltage ⁇ V is expressed by the following general formula.
  • R A is R C circumferential strain sensors A, C of the resistance, R B, is R D axial strain sensor B, and the resistance of D.
  • the output voltage ⁇ V becomes zero.
  • Axial strain sensor B by preload, receives the distortion D is compressed, the resistance R B, R D is changed to R- ⁇ R 1 (resistance to undergo compressive strain decreases) from R, circumferential strain by preload
  • the output voltage ⁇ V of the bridge circuit 30 is the following number. It is represented by 2.
  • Table 1 summarizes the changes in the resistance of the axial strain sensors B and D and the circumferential strain sensors A and C.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the usage period of the screw device 1 and the residual preload amount.
  • the output of the sensor 24 may be compared with a predetermined threshold value to determine the failure of the screw device 1, or the output of the sensor 24 may be machine-learned to determine the failure of the screw device 1. Further, IoT may be introduced and the output of the sensor 24 may be transmitted to the cloud through an internet line by a transmitter.
  • the output of the sensor 24 can be increased and the preload can be detected accurately. At the same time, it is possible to reduce the influence of heat generation on the output of the sensor 24.
  • the output voltage due to preload can be amplified and the output voltage due to heat generation can be canceled.
  • the axial strain sensors B and D and the circumferential strain sensors A and C are attached to the flat portion 6c of the spacer 6, they can be easily attached to the nut member 3. Moreover, the strain in the circumferential direction can be detected with high accuracy.
  • the circumferential strain sensors A and C are attached to the circumferential surface of the spacer 6, the curvature of the circumferential surface changes with the bulge of the spacer 6, so that it is difficult to accurately detect the circumferential strain.
  • FIG. 6 shows an external perspective view of the screw device 41 according to the second embodiment of the present invention.
  • the screw device 41 of the second embodiment includes a screw shaft 2 and a single nut member 5.
  • the preload of the screw device 41 is an oversized rolling element preload.
  • FIG. 7A is a partial cross-sectional view of the screw device 41 for explaining the principle of oversized rolling element preload.
  • an oversized ball 8 having a diameter larger than that of the passage 11 between the outer surface groove 2a of the screw shaft 2 and the inner surface groove 5a of the nut member 5 is used.
  • the ball 8 is compressed between the outer groove 2a and the inner groove 5a.
  • Reference numerals 8a and 8b in FIG. 7B are contact angle lines.
  • the pitch P of the outer surface groove 2a of the screw shaft 2 is substantially constant over the entire length of the outer surface groove 2a.
  • the pitch P of the inner surface groove 5a of the nut member 5 is also substantially constant over the entire length of the inner surface groove 5a.
  • a flat flat portion 5c is formed on the outer surface of the nut member 5.
  • the sensor 24 is attached to the flat portion 5c by an adhesive means such as an adhesive.
  • the sensor 24 is arranged on the outer surface of the nut member 5 between one end in the axial direction and the other end in the axial direction of the passage 11 (within the range shown by 3P in FIG. 7).
  • FIG. 8A is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member 5 due to oversized rolling element preload.
  • a radial force P acts from the ball 8 to the nut member 5 due to the oversized rolling element preload, and the nut member 5 is deformed so that its outer peripheral portion bulges. Therefore, as shown in FIGS. 8A and 8B, a strain 32 (tensile strain) spreading in the circumferential direction is generated on the outer surface of the nut member 5. Further, a shrinkage strain 31 (compression strain) is generated in the axial direction by the Poisson ratio of the bulge of the outer peripheral portion of the nut member 5. The circumferential strain 32 is larger than the axial strain 31.
  • FIG. 8C is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member 5 due to heat generation.
  • the dimensional change of the nut member 5 due to heat generation occurs uniformly in the axial direction and the circumferential direction.
  • the axial strain 33 and the circumferential strain 34 are substantially the same.
  • the sensor 24 includes a pair of circumferential strain sensors A and C for detecting the circumferential strain of the outer surface of the nut member 5, and the axial direction of the outer surface of the nut member 5.
  • a pair of axial strain sensors B and D for detecting strain are provided (see FIG. 4A).
  • the pair of axial strain sensors B and D are arranged on opposite sides of the bridge circuit 30 (see FIG. 4B).
  • the pair of circumferential strain sensors A and C are arranged on the other opposite sides of the bridge circuit 30 (see FIG. 4B).
  • the sensor is detected by detecting the preload based on the outputs of the axial strain sensors B and D and the circumferential strain sensors A and C whose behaviors differ depending on the preload and the heat generation.
  • the output of the sensor 24 can be increased to detect the preload with high accuracy, and the output of the sensor 24 can be reduced from being affected by heat generation.
  • the screw device 51 of the third embodiment includes a screw shaft 2 and a single nut member 5.
  • the basic configuration of the screw device 51 of the third embodiment is substantially the same as that of the screw device 41 of the second embodiment.
  • the preload of the screw device 51 of the third embodiment is an off-set preload.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of offset preloading.
  • a part 5a1 of the inner surface groove 5a of the nut member 5 is offset in the axial direction of the nut member 5 with respect to the other part 5a2.
  • the lead of a part 5a1 of the inner groove 5a is L
  • the lead of the other part 5a2 of the inner groove 5a is L
  • the lead of the offset portion 52 between the part 5a1 and the other part 5a2 is L + ⁇ .
  • Reference numerals 8a and 8b indicate contact angle lines.
  • the circulation path including a part 5a1 of the inner surface groove 5a and the circulation path including the other part 5a2 of the inner surface groove 5a are separated in the axial direction.
  • An offset preload may be applied between the two inner grooves 5a.
  • the sensor 24 is attached to the flat portion 5c on the outer surface of the nut member 5 by an adhesive means such as an adhesive (see FIG. 6).
  • the sensor 24 is arranged on the outer surface of the nut member 5 at an offset portion 52 between a part 5a1 of the inner surface groove 5a of the nut member 5 and another part 5a2.
  • FIG. 10A is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member 5 due to offset preload.
  • a load acts on the offset portion 52 of the nut member 5 in the directions of the contact angle lines 8a and 8b (see FIG. 9A). Therefore, a strain 31 (compressive strain) that contracts in the axial direction is generated on the outer surface of the offset portion 52 of the nut member 5. Further, a strain 32 (tensile strain) spreading in the circumferential direction is generated on the outer surface of the offset portion 52 of the nut member 5.
  • the circumferential strain 32 due to the offset preload is larger than the circumferential strain 32 due to the double nut preload (see FIG. 3A). This is because the nut member 5 is integrated.
  • FIG. 10B is a schematic view showing deformation of the outer surface of the nut member 5 due to heat generation.
  • the dimensional change of the nut member 5 due to heat generation occurs uniformly in the axial direction and the circumferential direction.
  • the axial strain 33 and the circumferential strain 34 are substantially the same.
  • the sensor 24 includes a pair of circumferential strain sensors A and C for detecting the circumferential strain of the outer surface of the nut member 5, and the axial direction of the outer surface of the nut member 5.
  • a pair of axial strain sensors B and D for detecting strain are provided (see FIG. 4A).
  • the pair of axial strain sensors B and D are arranged on opposite sides of the bridge circuit 30 (see FIG. 4B).
  • the pair of circumferential strain sensors A and C are arranged on the other opposite sides of the bridge circuit 30 (see FIG. 4B).
  • the sensor is detected by detecting the preload based on the outputs of the axial strain sensors B and D and the circumferential strain sensors A and C whose behaviors differ depending on the preload and the heat generation.
  • the output of 24 can be increased to accurately detect the preload, and the output of the sensor can be reduced from being affected by heat generation.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be embodied in other embodiments without changing the gist of the present invention.
  • a roller may be used for the rolling element instead of the ball.
  • a spacer is interposed between the two nuts, but a spring can be interposed instead of the spacer.
  • the two nuts may be rotated so as to be tightened, and a fixing pin may be inserted into the two nuts to stop the two nuts from rotating.
  • the sensor is located at at least one of the opposing ends of the two nuts.
  • the strain sensor is attached to the outer surface of the nut member, but the strain sensor can also be attached to the inner surface of the nut member.
  • the strain sensor is attached to the outer surface of the nut member, but a hole may be formed on the outer surface of the nut member and the sensor may be arranged on the bottom surface of the hole.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)
  • Support Of The Bearing (AREA)
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Abstract

予圧を精度よく検出できると共に、センサの出力が発熱によって影響されるのを低減できる予圧検知可能なねじ装置を提供する。 ねじ装置（１）は、ねじ軸（２）と、ナット部材（３）と、複数の転動体（７，８）と、ナット部材（３）の表面に取り付けられ、ナット部材（３）の軸方向ひずみを検出する少なくとも一つの軸方向ひずみセンサ（２４）（Ｂ，Ｄ）と、ナット部材（３）の表面に取り付けられ、ナット部材（３）の円周方向ひずみを検出する少なくとも一つの円周方向ひずみセンサ（２４）（Ａ，Ｃ）と、を備える。軸方向ひずみセンサ（２４）（Ｂ，Ｄ）と円周方向ひずみセンサ（２４）（Ａ，Ｃ）の出力に基づいて、ねじ装置（１）の予圧を検知する。

Description

予圧検知可能なねじ装置
　本発明は、予圧検知可能なねじ装置に関する。
　ねじ装置は、螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、螺旋状の内面溝及び戻し路を有するナット部材と、を備える。ナット部材の戻し路は、ねじ軸の外面溝とナット部材の内面溝との間の通路に繋がり、戻し路と共に循環路を構成する。循環路には、複数の転動体が配置される。モータ等によってねじ軸を回転させると、転動体がねじ軸の外面溝とナット部材の内面溝との間を転がって循環路を循環し、ナット部材がねじ軸の軸方向に移動する。
　ねじ装置の剛性を向上させ、位置決め精度を向上させるために、ねじ装置には予圧が与えられる。ねじ装置の予圧として、例えばダブルナット予圧、オフセット予圧、オーバーサイズ転動体予圧が知られている。ダブルナット予圧は、ナットを２つ使用し、２つのナットの間に間座を入れることで、各ナット、ねじ軸、及びボール間に生ずる軸方向隙間をゼロにする。オフセット予圧は、ナット部材の内面溝の一部をナット部材の内面溝の他の一部に対して軸方向にオフセットさせることで、軸方向隙間をゼロにする。オーバーサイズ転動体予圧は、ねじ軸の外面溝とナット部材の内面溝との間の通路よりも大きい転動体を通路に挿入することで、軸方向隙間をゼロにする。
　ねじ装置を長期間使用すると、転動体、ねじ軸、及びナット部材が摩耗する。これらが摩耗すると、ねじ装置の予圧が低下し、ねじ装置の剛性、位置決め精度が低下する。予圧を検知するために、特許文献１には、ダブルナット予圧のねじ装置において、２つのナットの間に軸方向力を検出するセンサを配置した予圧検知可能なねじ装置が開示されている。
特開２０１６－２２３４９３号公報
　しかし、ねじ装置は、その使用によって発熱する。特許文献１に記載の予圧検知可能なねじ装置にあっては、ねじ装置の発熱がセンサの出力に悪影響を与えるという課題がある。
　そこで、本発明は、予圧を精度よく検出できると共に、センサの出力が発熱によって影響されるのを低減できる予圧検知可能なねじ装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様は、螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、螺旋状の内面溝、前記外面溝と前記内面溝との間の通路に繋がる戻し路を有するナット部材と、前記通路と前記戻し路を含む循環路に配置される複数の転動体と、前記ナット部材の表面に取り付けられ、前記ナット部材の軸方向ひずみを検出する少なくとも一つの軸方向ひずみセンサと、前記ナット部材の表面に取り付けられ、前記ナット部材の円周方向ひずみを検出する少なくとも一つの円周方向ひずみセンサと、を備え、前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサの出力に基づいて、ねじ装置の予圧を検知する予圧検知可能なねじ装置である。
　ねじ装置の予圧によって、ナット部材の表面には、軸方向に縮むひずみが発生すると共に、円周方向に広がるひずみが発生する。一方、ねじ装置の発熱によって、ナット部材の表面には、軸方向に広がるひずみが発生すると共に、円周方向に広がるひずみが発生する。予圧と発熱とで挙動が異なる軸方向ひずみセンサと円周方向ひずみセンサの出力に基づいて、ねじ装置の予圧を検知することで、センサの出力を大きくして予圧を精度よく検知できると共に、センサの出力が発熱によって影響されるのを低減できる。
本発明の第１の実施形態の予圧検知可能なねじ装置の分解斜視図である。 ダブルナット予圧の原理を説明するねじ装置の部分断面図である。 図３（ａ）はダブルナット予圧による間座の外面の変形を示す模式図であり、図３（ｂ）は発熱による間座の外面の変形を示す模式図である。 図４（ａ）はセンサの構成を示す模式図であり、図４（ｂ）はブリッジ回路を示す図である。 ねじ装置の使用期間と予圧残存量との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態のねじ装置の外観斜視図である。 図７（ａ）はオーバーサイズ転動体予圧の原理を説明するねじ装置の部分断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のｂ部拡大図である。 図８（ａ）（ｂ）はオーバーサイズ転動体予圧によるナット部材の外面の変形を示す模式図（図８（ａ）はねじ装置の正面図、図８（ｂ）はねじ装置の側面図）であり、図８（ｃ）は発熱によるナット部材の外面の変形を示す模式図である。 図９（ａ）は本発明の第３の実施形態のねじ装置の部分断面図（オフセット予圧の原理を説明する図）であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のｂ部拡大図である。 図１０（ａ）はオフセット予圧によるナット部材の外面の変形を示す模式図であり、図１０（ｂ）は発熱によるナット部材の外面の変形を示す模式図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の予圧検知可能なねじ装置（以下、単にねじ装置という）を詳細に説明する。ただし、本発明のねじ装置は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
　（第１の実施形態）
　図１は本発明の第１の実施形態のねじ装置１の分解斜視図を示す。ねじ装置１は、ねじ軸２と、ナット部材３と、を備える。ナット部材３は、２つのナット４，５と、２つのナット４，５間に挟まれる間座６と、を備える。第１の実施形態のねじ装置１の予圧は、ダブルナット予圧である。
　ねじ軸２の外面には、螺旋状の外面溝２ａが形成される。この外面溝２ａを転動体としてのボール７，８が転がる。外面溝２ａの断面形状は、ゴシックアーチ又はサーキュラーアークである。
　ねじ軸２には、２つのナット４，５が組み付けられる。ナット４，５には、ねじ軸２が貫通する穴が形成される。ナット４，５の内面には、ねじ軸２の外面溝２ａに対向する内面溝４ａ，５ａが形成される。内面溝４ａ，５ａの断面形状は、ゴシックアーチ又はサーキュラーアークである。ナット５には、相手部品に取りつけるためのフランジ５ｂが設けられる。
　ねじ軸２の外面溝２ａとナット４の内面溝４ａとの間に螺旋状の通路１１が形成される。ナット４には、ボール７が循環できるように、この通路１１の一端と他端に繋がる戻し路１２が設けられる。通路１１と戻し路１２によって循環路が構成される。複数のボール７は、循環路に循環可能に配置される。
　この実施形態では、戻し路１２は、ナット４に設けた貫通穴１３と、貫通穴１３と通路１１に接続される一対の方向転換路（循環部品１４ａ，１４ｂ）と、を備える。方向転換路は、ナット４の軸方向の端面に取り付けられる循環部品１４ａ，１４ｂに形成される。循環部品１４ａは、通路１１を転がるボール７をねじ軸２の外面溝２ａから掬い上げ、貫通穴１３に導く。貫通穴１３を経由したボール７は反対側の循環部品１４ｂから再び通路１１に戻される。ナット５にも同様に、通路１１、貫通穴１３，方向転換路（循環部品１４ｂ）が形成される。なお、戻し路１２をナット４，５に取り付けられるリターンパイプに形成することもできる。
　ナット４，５の対向端部の外面には、キー溝１６，１７が形成される。このキー溝１６，１７には、２つのナット４，５を相対回転不可能に連結する連結部としてのキー１８が嵌められる。間座６にも、キー１８が嵌るキー溝１９が形成される。
　ナット４の、間座６とは反対側の端面は、リング状のキャップ２１が取り付けられる。同様にナット５の、間座６とは反対側の端面も、リング状のキャップ２２で塞がれる。キャップ２１，２２は、ねじ等の締結部材によってナット４，５に取り付けられる。
　間座６は、２つのナット４，５間に挟まれる。間座６は、リング状であり、中心角が略１８０度の円弧状の一対の分割体６ａ，６ｂを備える。なお、間座６は、分割されていなくてもよい。
　間座６の外面には、平らな平取り部６ｃが形成される。この平取り部６ｃには、接着剤等の接着手段によってセンサ２４が取り付けられる。詳しくは後述するが、センサ２４は、一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと、一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと、を備える（図４（ａ）参照）。軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃは、金属又は半導体が伸び縮みすると、抵抗値が変化するという原理を利用して、間座６の外面の軸方向と円周方向ひずみを検出する。
　軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの種類は、特に限定されるものではなく、例えば絶縁体上に金属の抵抗体を取り付けた金属ひずみゲージ、絶縁体上に半導体を取り付けた半導体ひずみゲージ、半導体加工技術を使って作成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ひずみセンサ等を使用することができる。
　図２は、ダブルナット予圧の原理を説明するねじ装置１の部分断面図である。２つのナット４，５間に間座６を入れて、２つのナット４，５を互いに離れる方向に変位させると、ねじ軸２、ボール７，８、ナット４，５間に発生する軸方向隙間をゼロにすることができる。７ａ，８ａは接触角線である。
　図３（ａ）は、ダブルナット予圧による間座６の外面の変形を示す模式図である。ダブルナット予圧によって、間座６には接触角線７ａ，８ａの方向に力が働く。このため、間座６の外面には、ねじ軸２と平行な軸方向に縮むひずみ３１（圧縮ひずみ）が発生する。また、接触角線７ａ，８ａの方向の力によって、間座６の外面が盛り上がるように変形するので、間座６の外面には、円周方向に広がるひずみ３２（引張りひずみ）が発生する。さらに、間座６の外面には、軸方向の圧縮荷重のポアソン比の分だけ円周方向に広がるひずみ３２（引張りひずみ）が発生する。軸方向ひずみ３１と円周方向ひずみ３２の矢印の太さは、ひずみの大きさを示す。軸方向ひずみ３１は、円周方向ひずみ３２よりも大きい。
　図３（ｂ）は、ねじ装置１の発熱による間座６の外面の変形を示す模式図である。一方、発熱による間座６の寸法変化は、軸方向と円周方向で均一に発生する。すなわち、発熱によって、間座６の外面には、軸方向に広がるひずみ３３（引張りひずみ）と円周方向に広がるひずみ３４（引張りひずみ）が発生する。軸方向ひずみ３３の大きさと円周方向ひずみ３４の大きさは、略同一である。
　図４（ａ）は、センサ２４に配置される一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄを示す。円周方向ひずみセンサＡ，Ｃは、円周方向に長くて、間座６の外面の円周方向ひずみを検出する。軸方向ひずみセンサＢ，Ｄは、軸方向に長くて、間座６の外面の軸方向ひずみを検出する。
　図４（ｂ）は、円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと軸方向ひずみセンサＢ，Ｄが組み込まれるブリッジ回路３０を示す。ブリッジ回路３０は、４つの抵抗（円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと軸方向ひずみセンサＢ，Ｄ）を直列に接続して矩形を形づくっている電気回路である。一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄは、ブリッジ回路３０の対辺に配置される。一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃは、ブリッジ回路３０の他の対辺に配置される。対角線上に向かい合う一対の端子に電源が接続されていて、印加電圧が加えられる。他の一対の端子から出力電圧が取り出される。出力電圧は、図示しない増幅器で増幅されてれ、Ａ－Ｄ変換器でデジタル値に変換される。
　入力電圧Ｖｉｎを印加したとき、出力電圧ΔＶは以下の一般式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、ＲＡ、ＲＣは円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの抵抗、ＲＢ、ＲＤは軸方向ひずみセンサＢ，Ｄの抵抗である。
　ブリッジ回路３０が平衡状態にあれば、すなわちＲＡ＝ＲＣ＝ＲＢ＝ＲＤ＝Ｒであれば、出力電圧ΔＶはゼロになる。予圧によって軸方向ひずみセンサＢ，Ｄが圧縮ひずみを受けて、抵抗ＲＢ、ＲＤがＲからＲ－ΔＲ１に変化し（圧縮ひずみを受けると抵抗が小さくなる）、予圧によって円周方向ひずみセンサＡ，Ｃが引張りひずみを受けて、抵抗ＲＡ、ＲＣがＲからＲ＋ΔＲ２に変化するとき（引張りひずみを受けると抵抗が大きくなる）、ブリッジ回路３０の出力電圧ΔＶは、以下の数２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　軸方向ひずみセンサＢ，Ｄの抵抗の変化と円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの抵抗の変化が合算されるので、予圧によるセンサの出力を大きくできることがわかる。
　一方、発熱によって軸方向ひずみセンサＢ，Ｄが引張りひずみを受けて、抵抗ＲＢ、ＲＤがＲからＲ＋ΔＲ１に変化し、発熱によって円周方向ひずみセンサＡ，Ｃが引張りひずみを受けて、抵抗ＲＡ、ＲＣがＲからＲ＋ΔＲ２に変化するとき、ブリッジ回路３０の出力電圧ΔＶは、以下の数３で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの抵抗の変化から軸方向ひずみセンサＢ，Ｄの抵抗の変化が減算されるので、発熱によるセンサの出力を低減できることがわかる。
　表１は、軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの抵抗の変化をまとめたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図５は、ねじ装置１の使用期間と予圧残存量との関係を示すグラフである。ねじ装置１を長期間使用すると、ボール７，８、ねじ軸２、ナット部材３が摩耗し、ねじ装置１の予圧が低下する。予圧が低下すると、間座６の外面のひずみが小さくなり、センサ２４の出力が低下する。初期のセンサ２４の出力とある時間経過後のセンサ２４の出力を比較することで、予圧を検知、すなわちある時間経過後にどの程度予圧が低下しているかを知ることができる。
　なお、センサ２４の出力を所定の閾値と比較し、ねじ装置１の故障を判断してもよいし、センサ２４の出力を機械学習して、ねじ装置１の故障を判断してもよい。また、ＩｏＴを導入し、センサ２４の出力を送信機によってインターネット回線を通じてクラウドに送信してもよい。
　以上に第１の実施形態のねじ装置１の構成を説明した。第１の実施形態のねじ装置１によれば、以下の効果を奏する。
　予圧と発熱で挙動が異なる軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの出力に基づいて、予圧を検知することで、センサ２４の出力を大きくして予圧を精度よく検知できると共に、センサ２４の出力が発熱によって影響されるのを低減できる。
　軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃをブリッジ回路３０に組み込むので、予圧による出力電圧を増幅することができると共に、発熱による出力電圧をキャンセルすることができる。
　軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃを間座６の平取り部６ｃに取り付けるので、これらをナット部材３に取り付け易くなる。また、円周方向ひずみを精度よく検出することができる。間座６の円周面に円周方向ひずみセンサＡ，Ｃを取り付けると、間座６の膨らみと共に円周面の曲率が変化するので、円周方向ひずみを精度よく検出しにくい。
　（第２の実施形態）
　図６は、本発明の第２の実施形態のねじ装置４１の外観斜視図を示す。第２の実施形態のねじ装置４１は、ねじ軸２と、シングルのナット部材５と、を備える。ねじ装置４１の予圧は、オーバーサイズ転動体予圧である。
　ねじ軸２の構成は、第１の実施形態と略同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。ナット部材５の基本構成は、第１の実施形態のナット５と略同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。
　図７（ａ）は、オーバーサイズ転動体予圧の原理を説明するねじ装置４１の部分断面図である。ボール８には、ねじ軸２の外面溝２ａとナット部材５の内面溝５ａとの間の通路１１よりも直径が大きいオーバーサイズのボール８が使用される。ボール８は、外面溝２ａと内面溝５ａとの間で圧縮される。図７（ｂ）の符号８ａ，８ｂは、接触角線である。ねじ軸２の外面溝２ａのピッチＰは、外面溝２ａの全長にわたって実質的に一定である。ナット部材５の内面溝５ａのピッチＰも、内面溝５ａの全長にわたって実質的に一定である。
　図６に示すように、ナット部材５の外面には、平らな平取り部５ｃが形成される。平取り部５ｃには、接着剤等の接着手段によってセンサ２４が取り付けられる。センサ２４は、ナット部材５の外面に、通路１１の軸方向の一端と軸方向の他端との間（図７の３Ｐで示す範囲内）に配置される。
　図８（ａ）は、オーバーサイズ転動体予圧によるナット部材５の外面の変形を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、オーバーサイズ転動体予圧によって、ボール８からナット部材５に半径方向の力Ｐが働き、ナット部材５は、その外周部が膨らむように変形する。このため、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ナット部材５の外面には、円周方向に広がるひずみ３２（引張りひずみ）が発生する。また、ナット部材５の外周部の膨らみのポアソン比分だけ、軸方向に縮みひずみ３１（圧縮ひずみ）が発生する。円周方向ひずみ３２は、軸方向ひずみ３１よりも大きい。
　図８（ｃ）は、発熱によるナット部材５の外面の変形を示す模式図である。一方、発熱によるナット部材５の寸法変化は、軸方向と円周方向で均一に発生する。軸方向ひずみ３３と円周方向ひずみ３４は略同一である。
　第１の実施形態のねじ装置１と同様に、センサ２４は、ナット部材５の外面の円周方向ひずみを検出する一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと、ナット部材５の外面の軸方向ひずみを検出する一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと、を備える（図４（ａ）参照）。一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄは、ブリッジ回路３０の対辺に配置される（図４（ｂ）参照）。一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃは、ブリッジ回路３０の他の対辺に配置される（図４（ｂ）参照）。
　第２の実施形態のねじ装置４１によれば、予圧と発熱で挙動が異なる軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの出力に基づいて、予圧を検知することで、センサ２４の出力を大きくして予圧を精度よく検知できると共に、センサ２４の出力が発熱によって影響されるのを低減できる。
　（第３の実施形態）
　図９に示すように、第３の実施形態のねじ装置５１は、ねじ軸２と、シングルのナット部材５と、を備える。第３の実施形態のねじ装置５１の基本構成は、第２の実施形態のねじ装置４１と略同一である。第３の実施形態のねじ装置５１の予圧は、オフセッ予圧である。
　ねじ軸２の構成は、第１の実施形態と略同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。ナット部材５の構成は、第２の実施形態のねじ装置４１のナット部材５と略同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。
　図９は、オフセット予圧の原理を説明する図である。図９に示すように、ナット部材５の内面溝５ａの一部５ａ１は、他の一部５ａ２に対してナット部材５の軸方向にオフセットする。内面溝５ａの一部５ａ１のリードはＬであり、内面溝５ａの他の一部５ａ２のリードはＬであり、一部５ａ１と他の一部５ａ２との間のオフセット部５２のリードはＬ＋αである。符号８ａ，８ｂは接触角線を示す。内面溝５ａの一部５ａ１を含む循環路と、内面溝５ａの他の一部５ａ２を含む循環路とは、軸方向に離れている。なお、２条の内面溝５ａの条間でオフセット予圧をかけてもよい。
　ナット部材５の外面の平取り部５ｃには、接着剤等の接着手段によってセンサ２４が取り付けられる（図６参照）。センサ２４は、ナット部材５の外面に、ナット部材５の内面溝５ａの一部５ａ１と他の一部５ａ２との間のオフセット部５２に配置される。
　図１０（ａ）は、オフセット予圧によるナット部材５の外面の変形を示す模式図である。ナット部材５のオフセット部５２には、接触角線８ａ，８ｂの方向に荷重が働く（図９（ａ）参照）。このため、ナット部材５のオフセット部５２の外面には、軸方向に縮むひずみ３１（圧縮ひずみ）が発生する。また、ナット部材５のオフセット部５２の外面には、円周方向に広がるひずみ３２（引張りひずみ）が発生する。なお、オフセット予圧による円周方向ひずみ３２は、ダブルナット予圧による円周方向ひずみ３２（図３（ａ）参照）よりも大きい。ナット部材５が一体だからである。
　図１０（ｂ）は、発熱によるナット部材５の外面の変形を示す模式図である。一方、発熱によるナット部材５の寸法変化は、軸方向と円周方向で均一に発生する。軸方向ひずみ３３と円周方向ひずみ３４は略同一である。
　第１の実施形態のねじ装置１と同様に、センサ２４は、ナット部材５の外面の円周方向ひずみを検出する一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃと、ナット部材５の外面の軸方向ひずみを検出する一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと、を備える（図４（ａ）参照）。一対の軸方向ひずみセンサＢ，Ｄは、ブリッジ回路３０の対辺に配置される（図４（ｂ）参照）。一対の円周方向ひずみセンサＡ，Ｃは、ブリッジ回路３０の他の対辺に配置される（図４（ｂ）参照）。
　第３の実施形態のねじ装置５１によれば、予圧と発熱で挙動が異なる軸方向ひずみセンサＢ，Ｄと円周方向ひずみセンサＡ，Ｃの出力に基づいて、予圧を検知することで、センサ２４の出力を大きくして予圧を精度よく検知できる共に、センサの出力が発熱によって影響されるのを低減できる。
　なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化可能である。例えば、転動体にはボールの替わりにローラを使用してもよい。
　上記実施形態のダブルナット予圧のねじ装置では、２つのナット間に間座を介在させているが、間座の替わりにばねを介在させることもできる。また、２つのナットを締め込むように回転させ、２つのナットに固定ピンを入れて２つのナットをまわり止めしてもよい。この場合、センサは、２つのナットの対向端部の少なくとも一方に配置される。
　上記実施形態では、ナット部材の外面にひずみセンサを取り付けているが、ナット部材の内面にひずみセンサを取り付けることもできる。
　上記実施形態では、ナット部材の外面にひずみセンサを取り付けているが、ナット部材の外面に穴を形成し、穴の底面にセンサを配置してもよい。
　本明細書は、２０１９年４月１７日出願の特願２０１９－０７８２７５に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
１，４１，５１…ねじ装置、２…ねじ軸、２ａ…外面溝、３，５…ナット部材、４，５…ナット、４ａ，５ａ…内面溝、５ａ１…内面溝の一部、５ａ２…内面溝の他の一部、５ｃ，６ｃ…平取り部、６…間座、７，８…転動体、１１…通路、１２…戻し路、３０…ブリッジ回路、５２…オフセット部、Ａ，Ｃ…円周方向ひずみセンサ、Ｂ，Ｄ…軸方向ひずみセンサ

Claims (6)

  1. 　螺旋状の外面溝を有するねじ軸と、
    　螺旋状の内面溝、前記外面溝と前記内面溝との間の通路に繋がる戻し路を有するナット部材と、
    　前記通路と前記戻し路を含む循環路に配置される複数の転動体と、
    　前記ナット部材の表面に取り付けられ、前記ナット部材の軸方向ひずみを検出する少なくとも一つの軸方向ひずみセンサと、
    　前記ナット部材の表面に取り付けられ、前記ナット部材の円周方向ひずみを検出する少なくとも一つの円周方向ひずみセンサと、を備え、
    　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサの出力に基づいて、ねじ装置の予圧を検知する予圧検知可能なねじ装置。
  2. 　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサがブリッジ回路に組み込まれることを特徴とする請求項１に記載の予圧検知可能なねじ装置。
  3. 　前記ねじ装置の予圧が、隣り合うナット間に間座を介在させたダブルナット予圧であり、
    　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサが、前記間座の外面又は内面に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ装置。
  4. 　前記ねじ装置の予圧が、前記通路よりも大きい前記転動体を使用するオーバーサイズ転動体予圧であり、
    　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサが、前記ナット部材の外面又は内面に、前記通路の前記軸方向の一端と前記軸方向の他端との間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ装置。
  5. 　前記ねじ装置の予圧が、シングルの前記ナット部材の前記内面溝の一部を他の一部に対して前記ナット部材の軸方向にオフセットさせるオフセット予圧であり、
    　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサが、前記ナット部材の外面又は内面に、前記内面溝の前記一部と前記他の一部との間のオフセット部に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ装置。
  6. 　前記軸方向ひずみセンサと前記円周方向ひずみセンサが、前記ナット部材の平坦な平取り部に取り付けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のねじ装置。
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