JP2019203595A - 摺動ナットおよびすべりねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂製の摺動面を有する摺動ナットにおいて、摺動面への異物の侵入を防止する摺動ナットおよび該摺動ナットを用いたすべりねじ装置の提供を目的とする。【解決手段】摺動ナット３は、すべりねじ装置において、ねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動するものであり、ねじ軸との摺動面が、第１合成樹脂からなる第１摺動面４ａと、該第１合成樹脂よりも線膨張係数の大きい第２合成樹脂からなる第２摺動面５ａとからなり、第２摺動面５ａは、摺動ナット３の軸方向の少なくとも一方の端部に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、摺動ナットおよび該摺動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、すべりねじ装置の摺動ナットとしては、ねじ軸との摺動面が合成樹脂で形成されているものが知られている。例えば、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（ＰＰＳ）樹脂に少なくともポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂と２８０℃で非溶融の有機樹脂粉末とを配合してなるＰＰＳ樹脂組成物から形成された摺動ナットが提案されている（特許文献１）。また、フランジを含む外周部を金属で形成し、ねじ軸に螺合される内周部を潤滑性樹脂で形成して、これらの外周部と内周部との間の回り止めと抜け止めをする手段を設けた摺動ナット（特許文献２）や、ナット本体が溶製金属からなり、該ナット本体におけるねじ軸に螺合するめねじ部表面に、ねじ溝部として合成樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物の樹脂層が射出成形により重ねて形成された摺動ナット（特許文献３）等が知られている。

特開２００３−２３９９３２号公報 特開２００６−１３８４０５号公報 特開２０１４−１８４７号公報

しかしながら、上述した従来の摺動ナットは、摺動面が合成樹脂で形成されているため、ねじ軸との摺動隙間から異物が侵入することによって摺動面の傷付きや摩耗が発生し、送り精度の低下の原因となるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、合成樹脂製の摺動面を有する摺動ナットにおいて、摺動面への異物の侵入を防止する摺動ナットおよび該摺動ナットを用いたすべりねじ装置の提供を目的とする。

本発明の摺動ナットは、すべりねじ装置において、ねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する摺動ナットであって、上記ねじ軸との摺動面が、第１合成樹脂からなる第１摺動面と該第１合成樹脂よりも線膨張係数（単位：１／℃）の大きい第２合成樹脂からなる第２摺動面とからなり、上記第２摺動面は、上記摺動ナットの軸方向の少なくとも一方の端部に形成されていることを特徴とする。

上記摺動ナットの軸方向断面において、全摺動面の軸方向長さに対する上記第１摺動面の軸方向長さの割合が８０％以上であることを特徴とする。

上記第１合成樹脂が潤滑性合成樹脂であることを特徴とする。

上記第１合成樹脂が、ＰＰＳ樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）系樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、およびポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とすることを特徴とする。

上記第２合成樹脂が、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、フッ素樹脂、およびＰＯＭ樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とすることを特徴とする。

本発明のすべりねじ装置は、ねじ軸と、このねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する摺動ナットとを備えるすべりねじ装置であって、上記摺動ナットが、本発明の摺動ナットであることを特徴とする。

本発明の摺動ナットは、ねじ軸との摺動面が第１合成樹脂からなる第１摺動面と該第１合成樹脂よりも線膨張係数の大きい第２合成樹脂からなる第２摺動面とからなり、上記第２摺動面は、上記摺動ナットの軸方向の少なくとも一方の端部に形成されているので、ねじ軸との摩擦熱により摺動面の合成樹脂が熱膨張した際に、第１合成樹脂よりも第２合成樹脂がより大きく熱膨張することで、軸方向端部におけるねじ軸との摺動隙間を小さくすることができ、摺動面への異物の侵入を防止することができる。その結果、摺動面への異物侵入に起因する傷付きや摩耗が減少し、送り精度が維持できる。

摺動ナットの軸方向断面において、全摺動面の軸方向長さに対する第１摺動面の軸方向長さの割合が８０％以上であるので、ねじ軸との摺動トルクの変動に影響しない。

第１合成樹脂が潤滑性合成樹脂であるので、ねじ軸との摺動トルクを低く抑えることができる。

上記第１合成樹脂は、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＫ系樹脂、ＰＩ樹脂、およびＰＯＭ樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とし、さらに、上記第２合成樹脂は、ＰＡ樹脂、フッ素樹脂、およびＰＯＭ樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とするので、低トルクと長寿命化に優れた摺動ナットを得ることができる。

本発明のすべりねじ装置は、ねじ軸と、このねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する本発明の摺動ナットとを備えるので、すべりねじ装置の寿命を延長できる。

本発明のすべりねじ装置の斜視図である。 本発明の摺動ナットの一例を示す軸方向断面図である。 本発明の摺動ナットの別の例を示す軸方向断面図である。 本発明の摺動ナットの別の例を示す軸方向断面図である。

本発明のすべりねじ装置の一実施例を図１および図２により説明する。図１はすべりねじ装置の斜視図であり、図２は摺動ナットの軸方向断面図である。本発明のすべりねじ装置１は、ねじ軸２と、このねじ軸２のねじ溝に螺合し、このねじ軸上を摺動しながら相対的に移動する本発明の摺動ナット３とから構成される。ねじ軸２の回転運動が、摺動ナット３の直線運動に変換される。その他に、摺動ナット３を同じ位置で回転させることにより、ねじ軸２に直線運動を付与する使い方もできる。

ねじ軸２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、鋼質クロムメッキなどを施した鉄系金属、アルミニウム合金などの金属軸や、ＰＩ樹脂、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など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２は、無潤滑での使用が可能である。また、メンテナンスフリーよりも低摩擦性を重視する場合は、油またはグリースなどの潤滑剤をねじ軸２と摺動ナット３との摺動部に使用してもよい。この場合、摺動ナットのめねじ部の軸方向に直線状の溝を形成して、そこに摩耗紛が保持されるようにしてアグレッシブ摩耗が抑えられるように対策することが好ましい。

摺動ナット３は樹脂製のフランジ付きナットである。図２に示すように、摺動ナット３は、第１樹脂部４と軸方向両端部に設けられた第２樹脂部５とからなる。第１樹脂部４は、第１合成樹脂によって形成され、フランジを含む摺動ナットの外周部や内周部の一部を構成する。第２樹脂部５は、第２合成樹脂によって形成され、摺動ナットの内周部の一部を構成する。第２合成樹脂は、第１合成樹脂よりも線膨張係数の大きい合成樹脂が採用される。

図２において、ねじ軸との摺動面であるめねじ部は、第１摺動面４ａと第２摺動面５ａとから構成される。第１摺動面４ａは第１樹脂部４の内径面であり、第２摺動面５ａは第２樹脂部５の内径面である。この場合、第２摺動面５ａは、摺動面の軸方向両端部にそれぞれ形成され、第１摺動面４ａは、軸方向略中央部に形成される。

第１摺動面は、摺動面全体の面積（第１摺動面および第２摺動面の合計面積）の８０〜９５％の面積であることが好ましく、第２摺動面は、摺動面全体の面積の５〜２０％の面積であることが好ましい。ここで、各摺動面の摺動面積の割合は、軸方向断面における各摺動面の軸方向長さの割合と略同一とみなすことができる。すなわち、図２の軸方向断面において、摺動面全体の軸方向長さをＬとし、第１摺動面の軸方向長さをＬ１とすると、摺動面全体の軸方向長さに対する第１摺動面の軸方向長さの割合（Ｌ１／Ｌ×１００）は８０〜９５％であることが好ましい。また、第２摺動面の軸方向長さをＬ２（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ）とすると、摺動面全体の軸方向長さに対する第２摺動面の軸方向長さの割合（Ｌ２／Ｌ×１００）は５〜２０％であることが好ましい。

なお、図２では、第２摺動面の各軸方向長さＬ２ａ、Ｌ２ｂは略同一となっているが、これらが異なっていてもよい。例えば、フランジ側の軸方向長さＬ２ａが、フランジとは反対側の軸方向長さＬ２ｂよりも大きくなるようにしてもよい（Ｌ２ａ＞Ｌ２ｂ）。この場合、フランジ側の第２摺動面の面積が、反対側の第２摺動面の面積よりも大きくなる。

また、図２の摺動ナットは軸方向両端部に第２摺動面を設けているが、いずれか一方の端部だけに第２摺動面を設けても構わない。一方の端部だけに第２摺動面を設ける場合、該第２摺動面は、摺動面全体の面積の５〜１０％の面積であることが好ましい。

本発明の摺動ナットは、ねじ軸との摺動のほとんどを第１摺動面を形成する第１合成樹脂によって支持する。そのため、第１合成樹脂は自己潤滑性が高いことが必要であり、潤滑性合成樹脂により形成されることが好ましい。潤滑性合成樹脂とは、潤滑特性に優れた合成樹脂であり、ベース樹脂に潤滑性を付与する添加剤を配合して潤滑性を付与した合成樹脂も含まれる。例えば、ベース樹脂に、ＰＴＦＥ樹脂や二硫化モリブデン、黒鉛、カーボンなどの固体潤滑剤が配合された樹脂組成物である。

第１合成樹脂は、低摩擦特性の他に耐摩耗性および高耐熱性が求められるため、ベース樹脂としてエンジニアリングプラスチックを採用することが好ましい。第１合成樹脂のベース樹脂として、例えば、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＫ系樹脂、ＰＩ樹脂、ＰＯＭ樹脂などが例示できる。これらの各樹脂は単独で使用してもよく、２種類以上混合したポリマーアロイであってもよい。また、第１合成樹脂に炭素繊維や各種ウィスカーなどの補強材を配合することも可能である。

ＰＥＫ系樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）樹脂などが挙げられる。

第２合成樹脂は、第１合成樹脂よりも線膨張係数の大きい合成樹脂を使用する。合成樹脂の線膨張係数は、同じベース樹脂を用いても配合材の種類や配合量によっても変化する。第２合成樹脂の線膨張係数は第１合成樹脂の線膨張係数の２倍以上であることが好ましく、２．５倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。２倍未満の場合は、所望の効果が得られにくいおそれがある。

第２合成樹脂のベース樹脂として、例えば、６６ナイロンや４６ナイロンなどのＰＡ樹脂、フッ素樹脂、ＰＯＭ樹脂などが例示できる。これらの各樹脂は単独で使用してもよく、２種類以上混合したポリマーアロイであってもよい。また、第２合成樹脂に炭素繊維や各種ウィスカーなどの補強材を配合することも可能である。

フッ素樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ樹脂、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン（ＥＴＦＥ）共重合体樹脂などが挙げられる。

例えば、第１合成樹脂として、線膨張係数が５．２×１０^-5のＰＴＦＥ粉末含有ＰＰＳ樹脂を採用した場合、第２合成樹脂としては、線膨張係数が１１×１０^-5のＰＯＭ樹脂や、線膨張係数が１３×１０^-5のＰＦＡ樹脂などが採用できる。

図２の摺動ナット３において、第２樹脂部５の外径面は、第２樹脂部５よりも線膨張係数が小さい第１樹脂部４で拘束されている。第２樹脂部５は、摩擦熱による熱膨張の発生が行われるよう、半径方向の厚みがある程度必要となる。第２樹脂部５の径方向厚みＴ（第２樹脂部の最小厚み）を、ねじ溝底部における摺動面から外径面までの距離とすると、径方向厚みＴは３ｍｍ以上であることが好ましく、５ｍｍ以上であることがより好ましい。なお、図２では、軸方向両端部の第２樹脂部の各径方向厚みは略同一となっているが、これらが異なっていてもよい。例えば、フランジ側の第２樹脂部の径方向厚みを、フランジとは反対側の第２樹脂部の径方向厚みよりも大きくなるようにしてもよい。

図２の摺動ナットの製造について説明する。第１合成樹脂を射出成形した後、その成形体に第２合成樹脂をインサート成形し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。また、別の方法としては、第１合成樹脂を射出成形して得た成形体の端部に、別途第２合成樹脂を射出成形して得たリング状成形体を接着などにより固定し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。

本発明の摺動ナットの別の例を図３に示す。図３に示すように、摺動ナット６は、フランジを含む摺動ナットの外周部が溶製金属からなる金属本体部７で構成され、ナットの内周部が第１樹脂部８と第２樹脂部９で構成される。第１樹脂部８および第２樹脂部９の外径面は金属本体部７によって拘束されている。摺動ナット６は、図２の摺動ナットの第１樹脂部の一部分を金属本体部とした以外は、図２の摺動ナットと同様である。

溶製金属の材質としては、鉄、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることが好ましい。これらの材質を採用することで、金属本体部において、所要の熱伝導性、耐荷重性を確保することができ、めねじで発生する摺動熱を金属本体部から外部に放熱し易く、高負荷でも使用可能となる。

鉄としては、一般構造用炭素鋼（ＳＳ４００など）、機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃなど）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６など）などが使用できる。また、これらの鉄に、亜鉛、ニッケル、銅などのめっきを施してもよい。

アルミニウムとしてはＡ１０５０、Ａ１１００などが、アルミニウム合金としてはＡ２０１７、Ａ２０２４、Ａ５０５６、Ａ６０６１などが使用できる。切削加工性に優れることから、Ａ２０１７、Ａ２０２４が好ましい。また、アルミニウム合金ダイカスト（ＡＤＣ１２など）、アルミニウム合金鋳物（ＡＣ４Ｂなど）も使用できる。また、アルミニウムの耐食性、耐摩耗性の向上のために、アルマイト処理品としてもよい。

銅としてはＣ１１００などが、銅合金としてはＣ３６０４などが使用できる。切削加工性および環境性の観点から、鉛０.１％以下およびカドミウム０.００７５％以下のＣ６８０１、Ｃ６８０２などが好ましい。また、銅合金鋳物（ＣＡＣ４０６など）も使用できる。

図３の摺動ナットの製造について説明する。あらかじめ製造した金属本体部に、第１合成樹脂をインサート成形し、さらにこれに第２合成樹脂をインサート成形し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。また、別の方法としては、金属本体部に第１合成樹脂をインサート成形した成形体の端部に、別途第２合成樹脂を射出成形して得たリング状成形体を接着などにより固定し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。

なお、各樹脂部の金属本体部からの抜け止めとして金属本体部の内径面をローレット加工で凹凸を付けることが好ましい。あるいは、金属本体部の内径面にキー溝加工を行っても良く、内径面の軸方向内部（例えば中央部）に全周に渡り溝加工を行っても良い。さらに後述する化学表面処理を併用しても良い。

また、本発明の摺動ナットの別の例を図４に示す。図４に示すように、摺動ナット１０は、フランジを含む摺動ナットの外周部が溶製金属からなる金属本体部１１で構成され、ナットの内周部が第１樹脂部１２と第２樹脂部１３で構成される。図３の摺動ナット６との相違点は、金属本体部１１の内径面にめねじが形成され、その表面に樹脂層として第１樹脂部１２が形成されている点、および、第２樹脂部１３が軸方向の一方の端部（図４ではフランジとは反対側の端部）にのみ設けられている点である。第１樹脂部１２はめねじ形状に沿って形成され、その内径面が第１摺動面１２ａとなっている。また、第２樹脂部１３の内径面が第２摺動面１３ａとなっている。

図４に示すように、第１樹脂部１２の層厚ｔは第１樹脂部１２全体にわたって略均一な層厚となっている。層厚ｔは、摺動ナットの内径寸法などによって決定され、例えば、０．１〜１ｍｍである。

図４の摺動ナットの製造について説明する。あらかじめ製造した金属本体部に、第１合成樹脂を層状にインサート成形し、さらにこれに第２合成樹脂をインサート成形し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。また、別の方法としては、金属本体部に第１合成樹脂を層状にインサート成形した成形体の端部に、別途第２合成樹脂を射出成形して得たリング状成形体を接着などにより固定し、第１摺動面および第２摺動面からなるめねじ部をタップ加工することで摺動ナットが製造される。

なお、金属本体部と各樹脂部との密着性を高めるために、金属本体部の各樹脂部の接合面に、化学表面処理などを施すことが好ましい。化学表面処理としては、接合面に微細凹凸形状が形成される処理、または、接合面に各樹脂部と化学反応する接合膜が形成される処理、を施すことが好ましい。

本発明の摺動ナットでは、第２樹脂部の熱膨張を第２摺動面側（内径側）に効率よく発生させるため、第２樹脂部の外径面が第２合成樹脂よりも線膨張係数が小さい材料で拘束されていることが好ましい。第２樹脂部は、例えば、図２のように第１樹脂部で拘束されたり、図３および図４のように金属本体部で拘束されたりすることが好ましい。

本発明の摺動ナットを備えたすべりねじ装置は、摺動面の軸方向端部を形成する第２樹脂部が摺動熱による熱膨張によって第１樹脂部よりもねじ軸表面に接近するため、摺動面への異物侵入を防ぐことができ、摺動面の耐摩耗性に優れる。その結果、送り精度や低摩擦特性の維持や耐久性に優れ、産業機械などに用いるすべりねじ装置として好適に利用できる。

１ すべりねじ装置
２ ねじ軸
３、６、１０ 摺動ナット
４、８、１２ 第１樹脂部
５、９、１３ 第２樹脂部
７、１１ 金属本体部

Claims (6)

1. すべりねじ装置において、ねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する摺動ナットであって、
   前記ねじ軸との摺動面が、第１合成樹脂からなる第１摺動面と、該第１合成樹脂よりも線膨張係数の大きい第２合成樹脂からなる第２摺動面とからなり、
   前記第２摺動面は、前記摺動ナットの軸方向の少なくとも一方の端部に形成されていることを特徴とする摺動ナット。
2. 前記摺動ナットの軸方向断面において、全摺動面の軸方向長さに対する前記第１摺動面の軸方向長さの割合が８０％以上であることを特徴とする請求項１記載の摺動ナット。
3. 前記第１合成樹脂が潤滑性合成樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の摺動ナット。
4. 前記第１合成樹脂が、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリイミド樹脂、およびポリアセタール樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とすることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の摺動ナット。
5. 前記第２合成樹脂が、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、およびポリアセタール樹脂から選択される樹脂をベース樹脂とすることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の摺動ナット。
6. ねじ軸と、このねじ軸の回転に伴い、該ねじ軸の軸上を摺動しながら相対的に移動する摺動ナットとを備えるすべりねじ装置であって、
   前記摺動ナットが、請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の摺動ナットであることを特徴とするすべりねじ装置。

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