JP5146293B2

JP5146293B2 - 直動装置

Info

Publication number: JP5146293B2
Application number: JP2008313060A
Authority: JP
Inventors: 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: JP2010138928A

Description

本発明は、直動装置に関し、より詳細にはその内方部材及び外方部材に関する。

直動装置として、例えば図１及び図２に示すようなボールねじ、図３及び図４に示すようなリニアガイドが知られている(例えば、特許文献１参照)。

図１はボールねじの断面図、図２は図１のII-II断面図である。図示されるボールねじ１０は、断面が円形のねじ軸１１を備えており、このねじ軸１１の外周面には断面円弧状のねじ溝（転動体転動溝）１２がねじ軸（内方部材）１１の一端部から他端部にわたって形成されている。ねじ溝１２には多数の球状転動体１３が係合しており、これらの球状転動体１３がねじ溝１２に沿って転がり運動をするとナット（外方部材）１４がねじ軸１１の軸方向に直線運動するようになっている。ナット１４はねじ軸１１が貫通する円形の貫通孔を有しており、この貫通孔の内面には、ねじ溝１２との間に螺旋状の転動体通路を画成する転動体転動溝１６が形成されている。また、ナット１４は転動体通路の一端とそれぞれ連通する二つの循環チューブ挿入孔１８を有し、この循環チューブ挿入孔１８に転動体循環チューブ１７の両端が差し込まれている。更に、ナット１４の両端面には、封入グリースの漏洩防止及び外部からの異物の侵入防止のためのラビリンスシール１９が装着されている。循環チューブ挿入孔１８は転動体循環チューブ１７を介して互いに連通しており、ねじ溝１２と転動体転動溝１６との間に画成された螺旋状の転動体通路を転動した転動体１３は、転動体循環チューブ１７内を通って転動体通路を繰り返し転動するようになっている。

また、図３はリニアガイドの斜視図、図４はリニアガイドの断面図である。図示されるリニアガイド２０は、断面が矩形の案内レール（内方部材）２１を備えており、この案内レール２１の両側面には断面円弧状の転動体転動溝２２が案内レール２１に沿って形成されている。転動体転動溝２２には多数の球状転動体２３が係合しており、これらの球状転動体２３が転動体転動溝２２に沿って転がり運動をするとスライダ（外方部材）２４が案内レール２１の長手方向に直線運動するようになっている。スライダ２４はスライダ本体２５と、このスライダ本体２５の前端と後端に設けられたエンドキャップ２６とからなり、スライダ本体２５の両袖部２５ａ，２５ａには、転動体転動溝２２との間に直線状の転動体通路を画成する転動体転動溝２７が形成されていると共に円形の転動体通路孔２８が転動体転動溝２７と平行に形成されている。一方、エンドキャップ２６には、Ｕ字状に湾曲した転動体通路孔２９が形成されている。この転動体通路孔２９は転動体転動溝２２と転動体転動溝２７との間に画成された転動体通路と転動体通路孔２８にそれぞれ連通しており、従って、転動体転動溝２２と転動体転動溝２７との間に画成された直線状の転動体通路を転動した球状転動体２３は、転動体通路孔及び転動体通路孔２８を通って転動体通路を繰り返し転動するようになっている。

特開２００５−２２６６６０号公報

近年、地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の削減要求が強くなっており、それに対応するために各種部品の軽量が進んでいる。ボールねじではラビリンスシール１９を、リニアガイドではエンドキャップ２６を樹脂製にすることも行なわれているが、その他の部品、具体的にはボールねじのナット１４、ねじ軸１１及びボール循環チューブ１７、リニアガイドの案内レール２１、スライダ本体２５及び球状転動体２３はそれぞれ鉄系材料で形成されており、軽量化は殆ど進んでいない。

また、作動時に鉄系材料からなる部品同士が接触するため、摩擦抵抗が大きく、耐久性においても不利である。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、従来よりも摺動特性に優れ、かつ大幅に軽量化した直動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記の直動装置を提供する。
（１）少なくとも外方部材と、該外方部材に隙間を介して対向する内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設され、前記内方部材に対して前記外方部材を相対移動させる複数の転動体とを備えた直動装置であって、前記内方部材が、芯材に、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種で、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で、かつ、最表層が炭素繊維以外の前記有機繊維となるように巻き付け、熱硬化させた後、得られた柱状体を該内方部材の形状に加工して得られた部材であることを特徴とする直動装置。
（２）前記外方部材が、芯材に、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種で、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で、かつ、最表層が炭素繊維以外の前記有機繊維となるように巻き付け、熱硬化させた後、芯材を抜き取り、得られた筒状体を該外方部材の形状に加工して得られた部材であることを特徴とする上記（１）記載の直動装置。
（３）前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の直動装置。

本発明の直動装置は、摺動特性に優れ、鉄系材料に比べて大幅に軽量化された内方部材及び外方部材を備え、直動装置全体としての軽量化に大いに寄与する。

以下、本発明の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や構造には制限がなく、例えば図１及び図２に示したボールねじや図３及び図４に示したリニアガイドを例示できる。そして、本発明では、ボースねじにおいてはねじ軸１１、リニアガイドにおいては案内レール２１を後述する方法で作製して軽量化を図る。

先ず、図５に示すように、芯材（マンドリル）４０に有機繊維からなるフィラメント束５０を、液状熱硬化性樹脂（図示せず）を含浸させながら巻き付ける。フィラメント束５０の巻き付け方は、図５（Ａ）に示すように、芯材４０の軸線に対して好ましくは１０〜２０°の角度θで交差するように巻き付けるヘリカル巻き、図５（Ｂ）に示すように芯金４０の軸線に対して略直角、好ましくは８０〜８８°の角度θで巻き付けるパラレル巻きの何れでもよいが、ヘリカル巻きとパラレル巻きとを数巻ずつ交互に巻き付けることが好ましい。液状熱硬化性樹脂を含浸させながらフィラメント束５０を巻き付けるには、例えば、液状熱硬化性樹脂を貯蔵した槽にフィラメント束５０を浸漬した後、液状熱硬化性樹脂を付着させたフィラメント束５０を筒状芯棒４０に巻き付ける方法が簡便で効率的である。

芯材４０は、軽量化を図る上でアルミニウム、あるいは表面に酸化被膜（アルマイト）を施したアルミニウムからなる丸棒が最も好適であるが、強度が不足する場合は鉄系材料を用いてもよい。鉄系材料を用いた場合でも、従来よりも細い、あるいは中空のものを使用できる。

次いで、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加熱して、熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、フィラメント束（図示せず）同士が熱硬化性樹脂で結着される。図６は、熱硬化して得られる成形体を示す断面図であるが、フィラメント束（図示せず）同士が熱硬化性樹脂で結着された外皮６０が、芯金４０の外周に接合された柱状体が得られる。

そして、得られた柱状体をねじ軸１１または案内レール２１の形状に合せて切削加工する。

ボールねじまたはリニアガイドの更なる軽量化を図るために、ボールねじにおいては更にナット１４を、リニアガイドにおいては更にスライダ本体２５を、次のようにして作製することが好ましい。

先ず、同様にして、図５に示すように芯材４０にフィラメント束５０を液状熱硬化性樹脂を含浸させながら巻き付け、熱硬化させて図６に示すような柱状体を得る。次いで、芯材４０を抜き取り、筒状体を得る。この抜き取りを容易にするために、芯材４０に離型フィルムで包囲したり、離型剤を塗工する等の離型処理を施しておくことが好ましい。そして、得られた筒状体をナット１４またはスライダ本体２５の形状に合せて切削加工する。

有機繊維は、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上であり、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ＰＡＮ系炭素繊維を用いる。表１に、これら繊維の引張強度及び引張弾性率を示す。これらは単独で使用してもよいし、複数種を組み合わせて使用してもよい。但し、ＰＡＮ系炭素繊維は引張強度が高く（２．０〜７．１ＧＰａ）好ましいが、鉄系材料への傷付性があるため、内層側に使用して剛性を高め、最表層にはＰＡＮ系炭素繊維以外の前記有機繊維からなるフィラメント束を用いる。

尚、上記パラ系アラミド繊維は、ポリパラフェニレンテレフタラミドに、ジアミンを共重合させて延伸性等を改善したコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミドである。また、ポリアリレート繊維は、二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維である。

有機繊維は、平均直径で６〜２１μｍであることが好ましく、より好ましくは８〜１５μｍである。平均直径が６μｍ未満では細すぎて、一本当りの強度が低いため安定した製造が難しく、大幅なコスト増となるため、実用性が低い。一方、平均直径が２１μｍを超えると一本当りの強度は増加するものの、フィラメント束を平坦に巻き付けるのが難しくなる。

また、有機繊維は、液状熱硬化性樹脂との接着性を向上させるために、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等から選ばれるサイジング剤で表面をコーティングされていることが好ましい。

更に、上記有機繊維の一部を、強度に劣るものの、鉄への傷付性がなく、耐熱性に優れるメタ系アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維等で代替してもよい。

一方、熱硬化性樹脂としては、硬化性に優れることから、エポキシ樹脂、ピスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂等が好適であり、それぞれ単独または組み合わせて使用される。中でも、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂が好ましく、それぞれ単独で、あるいは混合して使用する。また、ポリアミノアミド樹脂はエポキシ樹脂の硬化剤としても使用可能である。

また、液状熱硬化性樹脂の含有量、即ち液状熱硬化性樹脂を含浸させたフィラメント束を巻き付けた層における液状熱硬化性樹脂の重量は、２５〜４５質量％が好ましく、より好ましくは３０〜４０質量％である。熱硬化性樹脂の含有量が２５質量％未満では、樹脂分が少なすぎてフィラメント束同士の接着強度が不足し、安定した柱状体または筒状体を製造することが困難になり好ましくない。更には、得られるねじ軸１１、案内レール２１ナット１４、スライダ本体２５において有機繊維が露出して折れ易くなり好ましくない。これに対し熱硬化性樹脂の含有量が４５質量％を超えると、柔軟性が高まるものの、相対的に有機繊維の含有量が少なくなり強度が低下して好ましくない。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
繊維直径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（サイジング剤処理済み：東邦テナックス製「テナックス・フィラメントＨＴＡ−１２Ｋ」を１２０００本束ねてなるフィラメント束（引張強度３．９２ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、伸度１．７％）を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、直径１２ｍｍの鉄製芯材に張力を加えながら巻き付けた。その際、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８８°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けることを１サイクルとし、６サイクル繰り返した。エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

上記炭素繊維を巻き付けた柱状体の周面に、繊維直径１２μｍのパラ系アラミド繊維（サイジング剤処理済みコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミド：帝人テクノプロダクツ製「テクノーラ」）からなるフィラメント束（引張強度３．４３ＧＰａ、引張弾性率７２．５ＧＰａ、伸度４．６％）を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、張力を加えながら巻き付けた。その際、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８８°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けることを１サイクルとし、２サイクル繰り返した後、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１．０ｍｍで巻き付けた。エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

次いで、全体を１５０℃で２時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、両端を切断して柱状体（図６参照）とした。そして、柱状体を切削加工して、日本精工（株）製リニアガイド「ＬＨ２５ＡＮ−Ｚ１」」用案内レール（レール幅２３ｍｍ、レール高さ２２ｍｍ）相当品を作製した。

（実施例２）
繊維直径１０μｍのポリアリレート繊維（サイジング剤処理済み：クラレ製「ベクトラン高強力タイプ」）からなるフィラメント束（引張強度３．２３ＧＭＰａ、引張弾性率７４．６ＧＰａ、伸度３．８％）を用い、実施例１と同様にして柱状体とし、切削加工により案内レール相当品を作製した。エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

（実施例３）
繊維直径１２μｍのＰＢＯ繊維（サイジング剤処理済み：東洋紡製「ザイロンＨＭ高弾性率タイプ」）からなるフィラメント束（引張強度５．８０ＧＭＰａ、引張弾性率２７０ＧＰａ、伸度２．５％）を用い、実施例１と同様にして柱状体とし、切削加工により案内レール相当品を作製した。エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

（比較例１）
現行の鉄系材料からなる日本精工（株）製リニアガイド「ＬＨ２５ＡＮ−Ｚ１」」用案内レールを用意した。

（初期摺動性及び摺動耐久性の評価）
実施例で作製した案内レール相当品及び比較例１の案内レールを用いてニリアガイド「ＬＨ２５ＡＮ−Ｚ１」」を組み立て、完全脱脂した状態で初期の摩擦力を測定した。結果を、比較例１の値を１とする相対値で表２に示す。

また、内部に鉱油系グリースを充填後、下記条件にて耐久試験を実施した。終了後、完全脱脂状態として再び摩擦力を測定した。結果を、比較例１の初期摩擦力を１とする相対値で表２に示す。
・送り速度：６０ｍ／ｍｉｎ
・ストローク：１０００ｍｍ
・荷重：５０Ｎ／ｂｒｇ．
・走行距離：１０００ｋｍ

表２に示すように、本発明に従う実施例の案内レール相当品は、現行の鉄系材料からなる案内レールと同等以上の耐久性を有するとともに、摺動特性にも優れる。従って、これまでと同等以上の耐久性を有し、かつ、摺動特性に優れ、大幅に軽量化されたリニアガイド装置が得られる。

ボールねじの一例を示す断面図である。図１のII-II断面図である。リニアガイドの一例を示す斜視図である。図３に示されるリニアガイドの断面図である。フィラメント束の巻き付け方法を示す図であり、（Ａ）はヘリカル巻き、（Ｂ）はパラレル巻きを示す。フィラメント束を巻き付けで得られた柱状体を示す断面図である。

符号の説明

１０ボールねじ
１１ねじ軸
１２ねじ溝
１３転動体
１４ナット
１７ボール循環チューブ
１９ラビリンスシール
２０リニアガイド
２１案内レール
２３転動体
２４スライダ
２５スライダ本体
２６エンドキャップ
４０芯材
５０フィラメント束

Claims

少なくとも外方部材と、該外方部材に隙間を介して対向する内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設され、前記内方部材に対して前記外方部材を相対移動させる複数の転動体とを備えた直動装置であって、
前記内方部材が、芯材に、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種で、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で、かつ、最表層が炭素繊維以外の前記有機繊維となるように巻き付け、熱硬化させた後、得られた柱状体を該内方部材の形状に加工して得られた部材であることを特徴とする直動装置。
前記外方部材が、芯材に、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種で、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で、かつ、最表層が炭素繊維以外の前記有機繊維となるように巻き付け、熱硬化させた後、芯材を抜き取り、得られた筒状体を該外方部材の形状に加工して得られた部材であることを特徴とする請求項１記載の直動装置。
前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２記載の直動装置。