JP2023023308A - 直動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータに求められる寸法安定性、延性、ポリα―オレフィン油等を基油とするグリースの付着力を改善、更に高速での変形防止とを達成した、高信頼性で環境にやさしいセパレータが用いられた直動装置を提供する。【解決手段】本発明は、軸（ねじ軸１１）に外嵌すると共に、当該軸（ねじ軸１１）に沿って直進移動する直動体１５と、この直動体１５の内面側に形成されたボール溝１４に保持され、当該ボール溝１４と前記軸（ねじ軸１１）との間で転動する多数のボールＢと、各ボールＢの間に介装されるセパレータ１００と、直動体１５に形成され、ボール溝１４の一端側から他端側にボールＢを循環させる循環通路１８とを有する直動装置であって、セパレータ１００と循環通路１８の少なくともどちらか一方を、ポリアミド５１０を射出成形で形成した部材とする。【選択図】図２

Description

本発明は、産業用機械等に用いられるリニアガイド装置、ボールねじ等の直動装置に係り、詳しくは、転動体間に介在するセパレータに関する。

例えば、図１に示すように、リニアガイド装置１０は、外面に転動溝３を有する案内レール１と、その案内レール１を跨いで組み付けられたスライダ２とを備えている。スライダ２の案内レール１の転動溝３と対向する面は一部開口しており、案内レール１の転動溝３とともに断面略トラック状のボール循環経路４を形成している。そして、このボール循環経路４の内部に、多数のボールＢが転動自在に収容される。

また、例えば、図２に示すように、ボールねじ装置２０は、ボールナット１２がねじ軸１１を内包するように配置されており、ボールナット１２の内周に螺旋状に形成されたねじ溝１２ａと、それに対向するねじ軸１１の外周に螺旋状に形成されたねじ溝１１ａとで形成される空間に、複数のボールＢが転動自在に配置されている。また、ボールナット１２には、外形略コ字状のボールチューブ１３が、その両端をねじ軸１１のねじ溝１１ａに臨むように装着されている。そして、ボールＢは、ボールナット１２の内部で、ねじ軸１１を複数回周回した後ボールチューブ１３の一端から掬い上げられ、ボール循環経路１８を通った後、ボールチュープ１３の他端からねじ軸１１のねじ溝１１ａに戻される循環を繰り返す。

このようなリニアガイド装置１０やボールねじ２０では、駆動時におけるボール同士の衝突音を無くするために、ボールＢの間にセパレータを介装させたものが使用されてきた。例えば、図３はリニアガイド装置１０のボール循環経路４の内部を拡大して示す図であるが、ボールＢとボールＢとの間にセパレータ１００が介装されたボール列が形成されている。このセパレータ１００は、両側にボールＢの外周面に対応して断面円弧状の凹面１０１が形成されており、ボールＢはボール循環経路４の循環時にこの凹面１０１により転動自在に保持される。これらに関する従来技術として本出願人の特許文献１があげられる。

セパレータ１００の材質としては、非強化の６６ナイロン、ポリエステル系熱可塑性エラストマー等が一般的に用いられる。また、直動装置では、一般的に内部空間にグリースが充填され、必要に応じてグリースニップル等から、グリースが追加給脂され、潤滑されている。

特許第４２８２９２４号公報

しかしながら、上記の６６ナイロン樹脂からなるセパレータは、水分の出入りによって寸法変化を引き起こし、最悪の場合、図４に示すように、循環路中でセパレータ１００が倒れて直動装置の作動不良を引き起こす虞があった。また、別途用いられているポリエステル系熱可塑性エラストマーも含めて、全て石油由来のものであり、環境に考慮したものではなかった。

また、直動装置の内部空間に充填されるグリースとしては、主成分が脂肪族炭化水素である、極性が低い鉱油、ポリα―オレフィン油が最も多く使用されているが、アミド結合が分子構造中に多数存在する６６ナイロン樹脂、ポリエステル系熱可塑性エラストマーは、分子構造が大きく異なるため、濡れ性が悪く、グリースのセパレータへの付着力は十分なものではなかった。

また、脂肪族ポリアミド系材料で、低吸水性で、分子構造中にアミド結合が少ないものとしては、ポリアミド１１（融点１８７℃）、ポリアミド１２（融点１７６℃）があるが、融点が低いために、直動装置が高速で作動して内部温度が上昇すると、軟化し、セパレータが変形する虞があった。

そこで、本発明はこのような状況に着目してなされたものであり、セパレータに求められる寸法安定性、延性、ポリα―オレフィン油等を基油とするグリースの付着力を改善、更に高速での変形防止とを達成した、高信頼性で環境にやさしいセパレータが用いられた直動装置を提供することを目的とする。

第１の発明の直動装置は、上記の目的を達成するために、軸に外嵌すると共に、当該軸に沿って直進移動する直動体と、この直動体の内面側に形成されたボール溝に保持され、当該ボール溝と前記軸との間で転動する多数のボールと、前記各ボールの間に介装されるセパレータと、前記直動体に形成され、前記ボール溝の一端側から他端側に前記ボールを循環させる循環通路とを有する直動装置において、
前記セパレータと前記循環通路の少なくともどちらか一方を、ポリアミド５１０（融点２１８℃）を射出成形で形成した部材としたことを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明の直動装置において、
前記のセパレータと前記循環通路の少なくともどちらか一方の表面の一部を、ポリアミド５１０（融点２１８℃）を射出成形で形成した部材としたことを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明又は第２発明に記載の直動装置において、
直動装置の内部空間に充填されるグリースの基油の主成分をポリα―オレフィン油としたことを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明又は第２発明に記載の直動装置において、
直動装置の内部空間に充填されるグリースを生分解性グリースとしたことを特徴とする。

本発明によれば、セパレータに求められる寸法安定性、延性、ポリα―オレフィン油等を基油とするグリースの付着力を改善、更に高速での変形防止とを達成した、高信頼性で環境にやさしいセパレータが用いられた直動装置を提供することができる。

直動装置の一例であるリニアガイド装置を示す一部切欠平面図である。 直動装置の他の例であるボールねじ装置を示す一部切欠斜視図である。 図１に示すリニアガイド装置のボール循環経路の内部を示す平面図である。 従来のセパレータの不具合を説明するための図３の部分拡大図である。 セパレータの一例を示す断面図である。 セパレータの他の例を示す断面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明において、直動装置の種類には制限はなく、例えば図１に示したようなリニアガイド装置１０や図２に示したようなボールねじ装置２０を例示することができる。この内、図２は、軸（ねじ軸１１）に外嵌すると共に、当該軸（ねじ軸１１）に沿って直進移動する直動体１５と、この直動体１５の内面側に形成されたボール溝１４に保持され、当該ボール溝１４と前記軸（ねじ軸１１）との間で転動する多数のボールＢと、各ボールＢの間に介装されるセパレータ１００と、直動体１５に形成され、ボール溝１４の一端側から他端側にボールＢを循環させる循環通路１８とを有する直動装置である。なお、この図２の説明は特許文献１で説明されていることからここでは省略する。
そして、図１及び図２の何れも図３に示したように、ボールＢとボールＢとの間にセパレータ１００を介装させてボール同士の衝突音を無くしている。

また、セパレータ１００は、例えば図５に示すように、凹面１０１を形成する曲率半径Ｒの中心ＯをボールＢの中心ＯBから変位させて２箇所に設けてもよい。それにより、セパレータ１００の凹面１０１とボールＢとの間に隙間Ｓが形成され、この隙間Ｓにグリース（図示せず）が流入してボールＢの転動が円滑に行なわれる。また、凹面１０１の表面は平坦でもよいが、粗面である方がグリースを保持できることから好ましい。粗面の程度は、面粗さＲｍａｘで５～５０μｍ程度が適当である。

更に、セパレータ１００の凹面１０１の表面には同心状もしくは螺旋状の溝が形成されていてもよく、更にセパレータ１００の凹面１０１とボールＢとの隙間にグリースが流入し易いようにセパレータ１００に貫通孔を設けることもできる。例えば、図６に示されるセパレータ１００では、凹面１０１の中心部に貫通孔１０２が貫通され、その周囲に同心状に複数の溝１０３が形成されており、貫通孔１０２から流入したグリース（図示せず）が溝１０３に保持され、良好な潤滑が維持される。また、凹面１０１の外周端部１００ａが円弧状に面取りされており、グリースがより流入し易くなっている。尚、貫通孔１０２の直径や、溝１０３の深さ、幅、数等は制限されるものはなく、セパレータ１００の大きさや機械的強度等に応じて適宜設定される。例えば、溝１０３の深さは５～３０μｍ程度が適当である。

また、上記に挙げた凹面１０１における粗面化、貫通孔１０２や溝１０３の形成、外周端部１００ａの面取りは、複数を適宜組み合わせることもできる。

なお、用いる射出成形機のゲート形状はピンゲートで良いが、ゲートの位置はセパレータ１００の凹面１０１以外、例えば図６に示すように、セパレータ１００の外周面にゲートＧを臨ませることが好ましい。あるいは、図示は省略するが、貫通孔１０２の内周面にゲート位置を設けることもできる。

このような直動装置において、セパレータ１００と循環通路１８の少なくともどちらか一方を、ポリアミド５１０（融点２１８℃）を射出成形で形成した部材、またはセパレータ１００と循環通路１８の少なくともどちらか一方の表面の一部を、ポリアミド５１０（融点２１８℃）を射出成形で形成した部材としている。

セパレータ１００を形成するベース樹脂として、植物由来のセルロースの糖化技術で得られる１，５－ペンタジアミンと、同じく植物由来のひまし油から誘導されるセバシン酸の重縮合物であるポリアミド５１０を使用することができる。
これらの１，５－ペンタジアミンとセバシン酸は、１：１で反応することで、ポリアミド５１０が合成されており、バイオ度は１００％となり、環境にやさしい材料（カーボンニュートラル）となる。

このようなポリアミド５１０は、吸水率（２３℃、水中、２週間）が５．３％であり、直動装置のセパレータ１００に最も多く用いられているポリアミド６６（２３℃、水中、２週間で、８％）に対して、約６６％に抑えられているので、吸水による寸法変化が小さく、寸法安定性に優れることで信頼性が高くなっている。

また、ポリアミド５１０の分子量は、射出成形できる範囲、具体的には数平均分子量で１３０００～２８０００、より好ましくは、耐疲労性、成形性を考慮すると、数平均分子量で１８０００～２６０００の範囲である。数平均分子量が１３０００未満の場合は分子量が低すぎて耐疲労性が悪く、実用性が低い。それに対して数平均分子量が２８０００を越える場合は、溶融粘度が高くなりすぎ、セパレータを精度良く射出成形で製造することが難しくなり、好ましくない。

上記のベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の耐久性を示し、セパレータが接触する可能性がある相手部材（転動体）の摩耗に対して有利に働き、保持器として十分に機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されると、セパレータが破損、変形、摩耗することも想定されるため、信頼性をより高めるために、強化材を配合しても構わない。

強化材としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー等が好ましく、上記に挙げたポリアミド樹脂との接着性を考慮してシランカップリング剤等で表面処理したものが更に好ましい。また、これらの強化材は複数種を組み合わせて使用することができる。衝撃強度を考慮すると、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状物を配合することが好ましく、更に相手材の損傷を考慮するとウィスカー状物を繊維状物と組み合わせて配合することが好ましい。混合使用する場合の混合比は、繊維状物及びウィスカー状物の種類により異なり、衝撃強度や相手材の損傷等を考慮して適宜選択される。

また、ガラス繊維としては、一般的な平均繊維径である１０～１３μｍのものの他、少ない含有量で高強度化と耐摩耗性の改善が可能な平均繊維径が５～７μｍのもの、あるいは異形断面のものがより好適である。

更に、炭素繊維としては、強度を優先するのであれば、ＰＡＮ系のものが好適であるが、コスト面で有利なピッチ系もものの使用可能である。平均繊維径としては、５～１５μｍのものが好適である。炭素繊維は、繊維自体の強度、弾性率が高いため、ガラス繊維に比べて、保持器の高強度化、高弾性率化が可能である。

アラミド繊維としては、強化性に優れるパラ系アラミド繊維を好適に使用することが可能である。平均繊維径としては、５～１５μｍのものが好適である。アラミド繊維は、ガラス繊維及び炭素繊維のように、鉄鋼材料を傷つけることはないので、保持器が接触する相手部材の表面状態を悪くすることがないので、直動装置の音響特性等を重視する場合は、更に好適である。

これらの強化材を含有させる場合は、全体の１０～４０重量％、特に１５～３０重量％の割合で配合することが好ましい。強化材の配合量が１０重量％未満の場合には、機械的強度の改善が少なく好ましくない。強化材の配合量が４０重量％を超える場合には、成形性が低下すると共に、強化材の種類によっては、相手材への傷つけ性が高くなるので好ましくない。

更に、添加剤として樹脂に、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。

以下に、直動装置の潤滑状態を良好に保つグリースについて説明する。
本発明は、直動装置の内部空間に充填されるグリースの基油の主成分をポリα―オレフィン油としたことを特徴とする。すなわち本発明に用いられるグリースは、増ちょう剤と基油とを主成分とし、基油は、本発明で用いられるポリアミド５１０への濡れ性を考慮して、ポリα―オレフィン油を主成分としたものであり、増ちょう剤は、アミンとイソシアネートからなるウレア化合物、Ｌｉ石けん、Ｌｉコンプレックス石けん、Ｂａ石けん、Ｂａコンプレックス石けん等である。

これらの増ちょう剤の中で、ポリアミドに構造が類似のウレア結合を有するウレア化合物が、ポリアミド樹脂への吸着性に優れ、特に好ましい。基油は、上記のポリα―オレフィン油の潤滑性を改善するために、ジエステル油や芳香族エステル油を混合したものであってよい。混入量は、基油全体に対して、３０重量％以下である。

本発明で用いられるポリアミド５１０は、直動装置のセパレータで一般的に用いられるポリアミド６６に比べて、アミド基間に、長い炭化水素鎖を有するＣ１０（セバシン酸由来）部分が存在することで、ポリα―オレフィン油との濡れ性に優れている。

また、このグリースには、他の添加剤を加えることもできる。例えば、アミン系やフェノール系等の酸化防止剤、Ｃａスルホネート等の防錆剤、ＭｏＤＴＣ等の極圧添加剤、モンタン酸エステルワックス、モンタン酸エステル部分けん化ワックス、ポリエチレンワックス、オレイン酸等油性向上剤、などである。

また、直動装置の内部空間に充填されるグリースを生分解性グリースとしたことを特徴とする。すなわち、本発明では、上記のポリα―オレフィン油を基油とするグリースの外に、生分解性グリースを使用すると、より環境にやさしい直動装置となり、好適である。

生分解性グリースとしては、基油として、ナタネ油、ヒマシ油等の植物油か、トリメチロールプロパンエステル、ペンタエリスリトールなどの合成脂肪酸エステルのものが生分解性に優れており、使用することができる。

増ちょう剤としては、カルシウム石けん、リチウム石けん、リチウムコンプレックス石けんやウレア、ベントナイトを使用することができる。
生分解性グリースは、基油がエステル系のため、本発明のポリアミド５１０への濡れ性は良好である。

以上説明したように、本発明によれば、一定レベルの耐熱性を有し、ポリアミド６６に比べて低吸水なポリアミド５１０を、直動装置のセパレータの樹脂材料に適用することで、様々な環境での使用が可能となった高信頼性と低コストを両立させた転がり軸受を提供することができる。また、ポリアミド５１０はバイオ度が１００％であることから、従来の石油由来成分のみでバイオ度が０％であったポリアミド６６等に比べて、環境にやさしい直動装置とすることとすることができる。
また、同じポリアミド５１０で、直動装置の樹脂製循環部材に用いると、更に環境にやさしい直動装置とすることができる。

更に、アミド基間に長鎖炭化水素部分を有するＣ１０部分（セバシン酸由来）があることで、分子構造が近いポリα―オレフィン油を主成分とする基油からなるグリースの適用することで、樹脂材料への濡れ性が良好に保たれ、樹脂部の摩耗を効果的に防止し、直動装置の長寿命化が可能となる。
また、グリースを生分解性グリースとすると、更に環境にやさしい直動装置とすることができる。

なお、本実施形態は、セパレータ１００の全体をポリアミド５１０で形成しているが、セパレータ１００は転動体（ボールＢ）と接触する表面のみがポリアミド５１０からなる部材で形成されているものであってもよい。
また、循環通路１８をポリアミド５１０からなる部材で形成するものであってもよい。この場合も転動体が転がり接触する通路表面のみがポリアミド５１０からなる部材で形成されているものであってもよい。
さらに、セパレータ１００と循環通路１８の双方がポリアミド５１０からなる部材で形成されているものであってもよい。

以下に実施及び比較の態様を挙げて本発明を更に説明する。
セパレータ組成については表１に、セパレータ１００の構造については図３、図５及び図６に、また、ボールねじ構造については図２に示す。なお、ここでの説明は、既に［発明を実施するための形態］において詳細に説明済みで重複するため省くこととする。

［セパレータの作製］
表１に示すポリアミド樹脂からなる樹脂ペレットを用いて、セパレータを射出成形（１点のピンゲート）により、作製することができる。ポリアミド樹脂からなる樹脂ペレットを用いて、セパレータを射出成形することで製造することができる。

［表１］

本発明の直動装置は、構成部品であるセパレータを、ポリアミド５１０（融点２１８℃）で形成され、ベース樹脂を低吸水性とすることで、従来セパレータとして用いているポリアミド６６では、吸水寸法変化による隙間変化による不具合の虞がなくなり、信頼性が向上した。
また、植物由来のひまし油から誘導されるセバシン酸と植物由来のテトラメチレンジアミンを原料とすることで、バイオ度が１００％となり、環境にやさしい材料（カーボンニュートラル）となっている。
よって、ポリアミド５１０はバイオ度が１００％であることから、従来の石油由来成分のみでバイオ度が０％であったポリアミド６６等に比べて、環境にやさしい直動装置とすることとすることができる。

また、具体的な品名として、例えば、ポリアミド５１０は、Ｃａｔｈａｙ製Ｔｅｒｒｙ１５１０（熱安定剤含有グレード、平均分子量不明）が使用でき、ポリアミド６６は、ＢＡＳＦ製ポリアミド６６樹脂［ウルトラミッド（登録商標）Ａ３Ｗ（熱安定剤含有グレード、平均分子量不明、融点２６５℃、バイオ度０％）］を用いて作成してもよい。

［耐久性の評価］
耐久性の評価を行う場合は以下の条件で実施することが、いわゆるコストパフォーマンスに優れており好ましい。
・条件Ｉ ：３０℃、５０％ＲＨ
・条件II：５０℃、９０％ＲＨ
・条件III：８０℃、５０％ＲＨ

評価は、各試験体（セパレータ）を実際のボールねじ（軸径Φ４０ｍｍ程度、リード２０ｍｍ程度で、オーバーサイズボールで予圧を与えたもの）に組み込んで、上記条件Ｉ～条件IIIにて操舵操作を繰返し行う。何れの条件においても、１０００ｈｒのボールねじの連続運転（軸回転速度：１０００ｍｉｎ^－１）ができた場合を合格「○」、１０００ｈｒの連続運転ができなかったものを不合格「×」として評価できる。

ここで、ナットの内部空間に、充填するグリースは、ポリαオレフィン油（１００℃で５．７ｍｍ^２／ｓ）を基油とし、脂肪族ジウレア化合物を増ちょう剤（増ちょう剤量：１３重量％）に、各種添加剤を配合されたちょう度Ｎｏ．２のものとすることが好ましい。添加剤としては、極圧添加剤、酸化防止剤、防錆剤が通常量含有しているものとすることができる。
尚、試験ボールねじのグリース充填量は、樹脂材料による差異を見るために、通常より少ないボールねじ空間容積の７％とするのが好ましい。

実施形態は全ての試験で合格する可能性があるのに対し、従来の高吸水のポリアミド樹脂からなる比較例は、高温、高湿度の過酷な条件では、寸法安定性が悪いために、それに伴って耐久性も持たなくなると考えられる。

１ 案内レール
２ スライダ
３ 転動溝
４ ボール循環経路
１０ リニアガイド装置
１１ ねじ軸
１２ ボールナット
１３ ボールチューブ
１４ ボール溝
１５ 直動体
１８ ボール循環経路（循環通路）
２０ ボールねじ装置
１００ セパレータ
１０１ 凹面
１０２ 貫通孔
１０３ 溝
Ｂ ボール

Claims (4)

1. 軸に外嵌すると共に、当該軸に沿って直進移動する直動体と、この直動体の内面側に形成されたボール溝に保持され、当該ボール溝と前記軸との間で転動する多数のボールと、前記各ボールの間に介装されるセパレータと、前記直動体に形成され、前記ボール溝の一端側から他端側に前記ボールを循環させる循環通路とを有する直動装置において、
   前記セパレータと前記循環通路の少なくともどちらか一方を、ポリアミド５１０を射出成形で形成した部材としたことを特徴とする直動装置。
2. 前記のセパレータと前記循環通路の少なくともどちらか一方の表面の一部を、ポリアミド５１０を射出成形で形成した部材としたことを特徴とする請求項１に記載の直動装置。
3. 直動装置の内部空間に充填されるグリースの基油の主成分をポリα―オレフィン油としたことを特徴とする請求項１又２に記載の直動装置。
4. 直動装置の内部空間に充填されるグリースを生分解性グリースとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直動装置。
   

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