JP2010043698A - 樹脂製ナットおよびすべりねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲において耐摩耗性に優れ、トルクが低く、かつコスト的に安価な樹脂製ナットおよびすべりねじ装置を提供する。
【解決手段】ナットは、金属製ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動し、金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部は、軸方向断面形状が、円の中心が異なる二つの円弧の傾斜面で形成されたゴシックアーチ形状である樹脂製ナットであり、すべりねじ装置は、この樹脂製ナットと、ねじ山の軸方向断面形状が半円形である金属製ねじ軸とを組み合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は樹脂製ナットおよび該樹脂製ナットを用いたすべりねじ装置に関する。

回転運動を直線運動に変換するすべりねじ装置は、産業機械の送り装置や位置決め装置などに多用されている。そのなかで樹脂製ナットを用いたすべりねじ装置は、近年光学測定機器、半導体製造装置、医療機器など用途が拡大するとともに、それぞれの装置に応じた仕様や特性が要求されるようになってきている。

従来、すべりねじ装置としては、金属製軸と、この軸上を摺動しながら相対的に移動する樹脂製ナットとからなり、樹脂製ナットがポリフェニレンサルファイド樹脂に少なくとも四フッ化エチレン樹脂と２８０℃で非溶融の有機樹脂粉末とを配合してなるポリフェニレンサルファイド樹脂組成物の成形体であり、金属製軸のねじ溝がゴシックアーチ形状であるすべりねじ装置が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載のすべりねじ装置は、金属製軸のねじ溝がゴシックアーチ形状であり、樹脂製ナットのねじ山が半円形状であるため、長期間の高速、高荷重運転の結果、樹脂製ナットのねじ山における摺動部が摩耗することでバックラッシュが発生するという問題がある。また、金属製軸のねじ溝のゴシックアーチ形状は加工性が容易でないという問題があり、その結果、製品価格が低下しないという問題がある。
特開２００３−２３９９３２号公報

本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、広い温度範囲において耐摩耗性に優れ、長期間の高速、高荷重運転でもバックラッシュの発生がごく少なく、トルクが低く、かつコスト的に安価な樹脂製ナットおよびすべりねじ装置の提供を目的とする。
また、ねじ軸の呼び径の２倍以上のリードのような高速タイプとなった場合であっても、低トルクであり、十分な耐摩耗性を有し、早期のガタの発生を抑えたすべりねじ装置の提供を目的とする。

本発明の樹脂製ナットは、金属製ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動し、金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部は、軸方向断面形状が、円の中心が異なる二つの円弧の傾斜面で形成されたゴシックアーチ形状であることを特徴とする。
上記金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部が、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、ＰＰＳと略称する）に、四フッ化エチレン樹脂（以下ＰＴＦＥと略称する）と２８０℃で非溶融の有機樹脂粉末とを配合してなるＰＰＳ組成物から形成されてなり、上記ＰＴＦＥがモールディングパウダーまたはファインパウダーの少なくとも１種類であり、上記有機樹脂粉末が熱硬化性ポリイミド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、芳香族ポリアミド樹脂およびポリエーテルエーテルケトン樹脂の中から選ばれる少なくとも１つの有機樹脂の粉末であることを特徴とする。
特に、上記ＰＰＳ組成物は、該組成物全体に対して、上記ＰＴＦＥを１０〜４０体積％、上記有機樹脂粉末を３〜３０体積％配合してなることを特徴とする。
また、上記ＰＰＳ組成物は、さらに該有機樹脂粉末の平均粒径よりも短い繊維長を有するウィスカを配合してなることを特徴とする。

本発明のすべりねじ装置は、金属製ねじ軸と、この金属製ねじ軸の回転に伴い、該金属製ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する上記本発明の樹脂製ナットとを備えてなることを特徴とする。
また、上記すべりねじ装置のリードは、金属製ねじ軸の呼び径の２倍以上を有することを特徴とする。
また、上記金属製ねじ軸のねじ山形状は、軸方向断面形状が半円形であることを特徴とする。

本発明の樹脂製ナットは、金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部の軸方向断面形状がゴシックアーチ形状であるので、ねじ効率に優れ低力モータでの駆動が可能となる。また、耐摩耗、トルク安定性に優れる。さらに、ねじ精度の優れた樹脂製ナットが得られる。
また、上記金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部が特定のＰＰＳ組成物から形成されているので、広い温度範囲において低摩擦、低騒音、耐摩耗性に優れ、かつ安価な樹脂製ナットが得られる。
さらに、有機樹脂粉末の平均粒径よりも短い繊維長を有するウィスカを配合してなるので、上記特性に加えてねじ精度の優れた樹脂製ナットが得られる。

本発明のすべりねじ装置は、上記樹脂製ナットを用いるので、ねじ軸の呼び径の２倍以上のリードであっても低トルクであり、十分な耐摩耗性を有する。また、耐環境性にも優れているため、水中、薬液中などでの使用も可能である。

本発明のすべりねじ装置を図１により説明する。図１はすべりねじ装置の斜視図である。すべりねじ装置２は金属製のねじ軸３と、このねじ軸３のねじ溝に螺合し、このねじ軸上を摺動しながら移動する樹脂製ナット１とから構成され、ねじ軸３の回転運動が樹脂製ナット１の直線運動に変換される。その他に、樹脂製ナット１を同じ位置で回転させることによりねじ軸３に直線運動を付与する使い方もできる。そして、この樹脂製ナット１は、ねじ軸に螺合するねじ溝部が、ＰＰＳ組成物から形成されている。この場合、金属製のナット本体を射出成形金型に配置した後、ねじ溝部をＰＰＳ組成物でインサート成形することができる。また、ねじ溝部とナット本体との区別のない射出成形金型を用いてＰＰＳ組成物で樹脂製ナットを一体に射出成形することができる。

ねじ部は、一条ねじ、二条ねじ、もしくは多条ねじであってもよい。
特に、ねじの特性としてねじ軸の呼び径の２倍以上のリードを有するすべりねじ装置２が送りねじの高速化に対応できるため好ましい。

本発明にあっては、樹脂製ナットのねじ溝部の軸方向断面形状がゴシックアーチ形状である。また、樹脂製ナットのねじ溝部の形状と相対するねじ軸のねじ山軸方向断面が半円形状であることが樹脂製ナットのねじ溝部との接触面積が少なくなり、また寸法精度を確保できるので好ましい。
樹脂製ナットのねじ溝部の軸方向断面形状がゴシックアーチ形状である軸方向部分拡大断面を図２に示す。樹脂製ナット１のねじ谷の断面は円の中心が異なる二つの円弧１ａおよび１ｂの傾斜面で形成され、金属製ねじ軸３のねじ山の断面は半円形３ａで形成される。ねじ谷とねじ山とは相互にＣ点において線接触となる。
本発明において、ねじ溝部のゴシックアーチ形状としては、円弧１ａおよび１ｂを構成する半径ｒ₁およびｒ₂ がそれぞれ同一であり、軸方向断面形状が左右対称である。また、該半径をｒ₁ として、ねじ軸のねじ山半円形状における半径をｒ₃ とすると、ｒ₁＞ｒ₃ であり、ｒ₁ とｒ₃ との比率は１．０１〜１．１５であり、好ましくは１．０２〜１．１３である。この関係を保つことにより、ねじ効率の優れたすべりねじ装置となる。

ねじ軸３としては、ステンレス鋼、炭素鋼等もしくはこれらに亜鉛メッキ、ニッケルメッキ、鋼質クロムメッキ等を施した鉄系金属、アルミニウム合金などの金属軸やポリイミド、フェノール樹脂などの樹脂軸を用いることができる。ステンレス鋼やアルミニウム合金等の合金類などの耐蝕性金属類または樹脂類は、錆が発生しないので好ましく、防錆処理を省略できる点からも好適である。本発明においては、寸法精度を確保でき、耐久性に優れている耐蝕性金属類が最も好ましい。ねじ軸３は無潤滑での使用が可能であるが、更なる低トルクを得るためにグリース、オイルなどの潤滑剤を塗布してもよい。

本発明の樹脂製ナットを形成するＰＰＳは、化１で示される繰り返し単位からなる重合体であり、分子鎖の状態により架橋型、半架橋型、直鎖型、分岐型等のタイプに分けられる。

ＰＰＳは、架橋型、半架橋型、直鎖型、分岐型等のいずれも使用することができ、これらをブレンドしたものであってもよい。市販されているＰＰＳとしては、ディーアイシー・イーピー社製Ｔ４、Ｔ４ＡＧ、ＬＮ２等、東ソー社製Ｂ０６３、Ｂ０４２、＃１６０などが挙げられる。

本発明に使用できるＰＴＦＥとしては、懸濁重合法によるモールディングパウダー、乳化重合法によるファインパウダー等の生のＰＴＦＥ、あるいは再生ＰＴＦＥが挙げられる。再生ＰＴＦＥには熱履歴が加わった熱処理品、γ線または電子線などを照射した照射品がある。これらの中でモールディングパウダーおよびファインパウダーが好ましく、特にモールディングパウダーが最も好ましい。次いで熱処理品の再生ＰＴＦＥである。その理由は、ＰＰＳ溶融混練時のせん断によりＰＴＦＥが繊維化しやすい順が、ファインパウダー、モールディングパウダー、熱処理品の再生ＰＴＦＥ、照射品の再生ＰＴＦＥとなるためである。ファインパウダーは微細に繊維化するため、逆に摺動面での潤滑効果が乏しくなる場合がある。一方、再生ＰＴＦＥは繊維化せず、内部潤滑効果があり、溶融流動性に優れる利点もある。

本発明に使用できる２８０℃で非溶融の有機樹脂粉末は、ＰＰＳ成形温度において非溶融の樹脂粉末である。ＰＰＳの成形温度は２８０〜３３０℃であるので、少なくとも２８０℃、好ましくは３３０℃の温度で溶融しなければ使用できる。
好適な有機樹脂粉末としては、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂が挙げられる。好適な有機樹脂の市販品を例示すると、熱硬化性ポリイミド樹脂としては宇部興産社製ＵＩＰ−Ｒ、ＵＩＰ−Ｓ、レンジング社製Ｐ８４−ＨＴ、東レ社製ＴＩ３０００、熱可塑性ポリイミド樹脂としては三井化学社製オーラム＃４００、＃５００が挙げられる。全芳香族ポリエステル樹脂としては住友化学社製スミカスーパーＥ１０１Ｓ、Ｅ１０１Ｍ等が、芳香族ポリアミド樹脂としては日本アラミド社製５０１０、５０１１等が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂としてはビクトレックス社製ＰＥＥＫ−１５０ＰＦ、４５０ＰＦ等がそれぞれ挙げられる。なお、これらの有機樹脂粉末は、２種類以上を混合して用いてもよい。
これらの中でより好ましい有機樹脂粉末は熱硬化性ポリイミド樹脂粉末および全芳香族ポリエステル樹脂である。

有機樹脂粉末の平均粒径は３〜１００μｍ、好ましくは５〜５０μｍである。なぜなら、１００μｍをこえるか、または３μｍ未満では、荷重分担能力に乏しく、充分な耐摩耗性、低摩擦特性が得られない。

ＰＰＳ組成物の配合割合としては、ＰＰＳ組成物全体に対して、ＰＴＦＥが１０〜４０体積％、好ましくは２０〜３０体積％であり、有機樹脂粉末が３〜３０体積％、好ましくは５〜２０体積％であり、残部がＰＰＳである。なおＰＰＳは４０体積％以上含まれていることが好ましい。ＰＰＳは４０体積％以上含まれていることにより、ＰＰＳ組成物の成形性、強度が向上する。
また、ＰＴＦＥが１０体積％未満では所要の潤滑性、耐摩耗性が得られず、４０体積％をこえると耐摩耗性が低下するとともに、溶融粘度が高く射出成形できない場合もある。
また、有機樹脂粉末が３体積％未満では所要の荷重支持分担能力が得られず、３０体積％をこえると真実接触面積が増加し摩擦係数が高くなる。

ＰＰＳ組成物には、更に上記有機樹脂粉末の平均粒径よりも短い繊維長を有するウィスカを配合できる。
ウィスカとしては、チタン酸カリウムウィスカ、酸化チタンウィスカ、酸化亜鉛ウィスカ、ホウ酸アルミニウムウィスカ、炭酸カルシウムウィスカ、硫酸マグネシウムウィスカ、ウォラストナイト、ゾノトライト、酸化マグネシウムウィスカなどが挙げられる。これらウィスカの中で有機樹脂粉末の平均粒径よりも短い平均繊維長を有するウィスカが使用できる。ウィスカの繊維長が、有機樹脂粉末の粒径よりも長いと、摺動面においてせん断を受け、添加することにより逆に耐摩耗性が低下する。

ウィスカの配合割合は、ＰＰＳ組成物全体に対して、１〜１０体積％であり、１体積％未満では耐摩耗性が向上せず、１０体積％をこえると摺動面の露出割合が高くなりせん断を受けるため、耐摩耗性が低下する。

なお、この発明の効果を阻害しない程度に、ＰＰＳ組成物に対して、炭素粉末、酸化鉄、酸化チタン等の着色剤、黒鉛、金属酸化物粉末等の熱伝導性向上剤などの樹脂用添加剤が配合できる。

以上の諸原材料を混合し、混練する手段は、特に限定するものではなく、粉末原料のみをヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダー、レディゲミキサー、ウルトラヘンシェルミキサーなどにて乾式混合し、さらに二軸押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレット（顆粒）を得ることができる。また、充填材の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。そして、成形方法としては、押出し成形、射出成形、加熱圧縮成形などを採用することができるが、製造効率などの点で射出成形が特に好ましい。また、内径ねじ部はコスト的に成形によって形状を出すことが好ましいが、特に精度を有する場合等は機械加工によるものであってもよい。さらに、成形品に対して物性改善のためにアニール処理等の処理を採用してもよい。

ＰＰＳ（東ソー社製Ｂ−０５４）６０体積％、ＰＴＦＥ（三井・デュポンフロロケミカル社製テフロン（登録商標）７Ｊ）２５体積％、熱硬化性ポリイミド樹脂（宇部興産社製ＵＩＲ−Ｒ）１５体積％からなるＰＰＳ組成物を用い、内径φ７．７ｍｍ、溝深さ０．５２ｍｍ、溝円弧Ｒ０．８７ｍｍ、ピッチ２ｍｍ、リード２ｍｍ、条数１のねじ溝を有する樹脂ナットを射出成形で製造した。ねじ軸は、軸径φ８ｍｍ、ねじ山形状が半円形であり、材質ＳＵＳ３０４からなる。これらの樹脂ナットとねじ軸を用いて、すべりねじ装置のねじ効率を測定した。
本願発明のすべりねじ装置はゴシックアーチ溝付きナットと半円ねじ付き軸とを組み合わせた例であり、比較は台形溝付きナットと台形ねじ付き軸とを組み合わせた従来のすべりねじ装置である。結果を図３に示す。

上記ねじ装置を用いてナット移動距離に対するアキシアルすきま増加量を測定した。結果を図４に示す。
図３および図４に示すように、本願発明のすべりねじ装置は、従来のすべりねじ装置に対して、ねじ効率およびねじ精度に優れていた。

本発明のすべりねじ装置は、ゴシックアーチ溝付き樹脂製ナットと半円ねじ付き金属軸とを組み合わせることにより、ねじ精度に優れ、低トルクであり、十分な耐摩耗性を有する。そのため、光学測定機器、半導体製造装置、医療機器などに応用できる。

すべりねじ装置の斜視図である。 ゴシックアーチ形状の軸方向部分拡大断面図である。 すべりねじ装置のねじ効率を測定した図である。 アキシアルすきま増加量を測定した図である。

符号の説明

１ 樹脂製ナット
２ すべりねじ装置
３ ねじ軸

Claims (7)

1. 金属製ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する樹脂製ナットにおいて、前記金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部は、軸方向断面形状が、円の中心が異なる二つの円弧の傾斜面で形成されたゴシックアーチ形状であることを特徴とする樹脂製ナット。
2. 前記金属製ねじ軸に螺合するねじ溝部が、ポリフェニレンサルファイド樹脂に、四フッ化エチレン樹脂と２８０℃で非溶融の有機樹脂粉末とを配合してなるポリフェニレンサルファイド樹脂組成物から形成されてなり、
   前記四フッ化エチレン樹脂がモールディングパウダーまたはファインパウダーの少なくとも１種類であり、
   前記有機樹脂粉末が熱硬化性ポリイミド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、芳香族ポリアミド樹脂およびポリエーテルエーテルケトン樹脂の中から選ばれる少なくとも１つの有機樹脂の粉末であることを特徴とする請求項１記載の樹脂製ナット。
3. 前記ポリフェニレンサルファイド樹脂組成物は、該組成物全体に対して、前記四フッ化エチレン樹脂を１０〜４０体積％、前記有機樹脂粉末を３〜３０体積％配合してなることを特徴とする請求項２記載の樹脂製ナット。
4. 前記ポリフェニレンサルファイド樹脂組成物は、さらに該有機樹脂粉末の平均粒径よりも短い繊維長を有するウィスカを配合してなることを特徴とする請求項２または請求項３記載の樹脂製ナット。
5. 金属製ねじ軸と、この金属製ねじ軸の回転に伴い、該金属製ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する樹脂製ナットとを備えてなるすべりねじ装置において、前記樹脂製ナットが請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の樹脂製ナットであることを特徴とするすべりねじ装置。
6. 前記すべりねじ装置のリードは、金属製ねじ軸の呼び径の２倍以上を有することを特徴とする請求項５記載のすべりねじ装置。
7. 前記金属製ねじ軸のねじ山形状は、軸方向断面形状が半円形であることを特徴とする請求項５または請求項６記載のすべりねじ装置。

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