JPWO2003095851A1 - 制振機能を備えた軸部材 - Google Patents

Abstract

軸方向に沿ったスプライン溝や螺旋状のねじ溝等が形成された金属製の軸部材に作用する振動を積極的に減衰させることが可能であり、もって騒音の発生を可及的に防止することが可能な軸部材を提供する。かかる目的を達成する軸部材は、中空部を備えた金属製の軸本体と、かかる中空部を隙間なく満たす振動吸収体としてのセラミックス材料とから構成され、かかるセラミックス材料は粉体、粒状体又は流動体の状態で軸本体の中空部内に充填され、かかる中空部内で該中空部に合致した形状に成形される。

Description

技 術 分 野
本発明は、軸方向に沿ったスプライン溝や螺旋状のねじ溝等が形成された金属製の軸部材に係り、特に、振動や騒音を早期に減衰させるための改良に関する。
背 景 技 術
例えば、従来のボールスプラインとしては、軸方向に沿ってボール転走溝が形成されたスプライン軸と、無限循環するボールを介して該スプライン軸に係合するスプラインナットとから構成され、上記スプラインナットがスプライン軸の周囲を軸方向に沿って自在に運動すると共に、スプライン軸とスプラインナットとの間でトルク伝達を可能としたものが知られている。
また、従来のボールねじ装置としては、所定のピッチで螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸と、無限循環するボールを介してこのねじ軸に螺合するスクリューナットとから構成され、上記ねじ軸の回転に応じて上記スクリューナットがその軸方向へ運動するものが知られている。
ところで、これらのボールねじ装置やボールスプライン等を使用する際には、スプライン軸又はねじ軸とナットとの相対的な移動に伴って上記ボールが無限循環し、該ボールが次々にこれら軸部材と離接することから、上記ナットが高速で運動すると、軸部材に対してボールが勢い良く衝突する結果を招き、かかる衝突によって軸部材が加振されると共に、耳障りな発振音を生じるという問題点があった。
また、この種のボールねじ装置やボールスプラインは産業用ロボットのＺ軸等に多用されているが、かかるＺ軸を高精度で位置決めするためには、スプライン軸やねじ軸に作用する振動を早期に減衰させる必要があり、かかる振動が収まるまでの整定時間が長いと、一つの作業単位を終了させるまでのタクトタイムが長くなり、生産効率が低下するといった問題点がある。
従来、このような問題点に鑑みた軸部材としては特開昭６２−１０３１３３号公報に開示される中空軸が知られている。この中空軸の周壁は金属製の内層及び外層の間にセラミックス材料の中間層をラミネートして形成されており、振動の伝達がされ難い傾向を有している。
しかし、ラミネート構造の中空軸は製作に手間がかかり、生産コストも嵩むといった問題点があった。また、軸部材に作用する振動は該軸部材そのものの形状や使用用途によって異なり、かかる振動を効果的に減衰させるためには、ラミネートされる中間層を振動の周波数等に応じて最適化することが必要となる。この点に関し、中間層をラミネートした中空軸では該中間層が薄く形成されていることから、該中間層の設計、選択に幅がなく、各種用途において振動を効果的に減衰させることが難しいといった問題点があった。
発明の開示
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、軸部材に作用する振動を積極的に減衰させることが可能であり、もって騒音の発生を可及的に防止することが可能な軸部材を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の軸部材は、中空部を備えた金属製の軸本体と、かかる中空部を隙間なく満たす振動吸収体としてのセラミックス材料とから構成されることを特徴とするものである。
かかるセラミックス材料は所定の形状に成形した後に、加圧下で軸本体の中空部内に押し込んでも差し支えないが、軸部材の組み立て手間を考慮した場合、セラミックス材料が粉体、粒状体又は流動体の状態で軸本体の中空部内に充填され、かかる中空部内で該中空部に合致した形状に成形されるのが好ましい。
更に、上記セラミックス材料は水硬性粉体及び非水硬性粉体を主成分とする水硬性組成物であることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面に基づいて本発明の制振機能を備えた軸部材を詳細に説明する。
図１は自動車のパワーステアリグ装置に使用するタイロッド８の一例を示すものである。このタイロッド８が適用されるパワーステアリング装置は、図２に示すように、ステアリシグ系１と、ステアリング系１の出力軸２に連結したラックアンドピニオン機構３と、ステアリング系１の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段４と、この操舵トルク検出手段４の検出信号に基づいて制御信号を発生する制御手段５と、この制御手段５の制御信号に基づいて操舵トルクに応じた捕助トルクを発生する電動機６と、上記タイロッドに螺合すると共に上記電動機６によって回転を与えられるステアリング用ボールねじ７とを備えたものであり、ステアリングハンドル１ａを操舵すると、ラックアンドピニオン機構３およびステアリング用ボールねじ７によってタイロッド８がその軸線方向に直線運動し、タイロッド８の両端に連結された車輪１１ａ，１１ｂが転舵するように構成されている。
上記ステアリング系１は、ステアリングハンドル１ａと、このステアリングハンドル１ａに連結した入力軸１２と、この入力軸１２に連結される出力軸２とを備えており、上記操舵ルク検出手段４が操舵トルク、すなわち入力軸１２と出力軸２との相対ねじれ角を検出するように構成されている。
また、上記ラックアンドピニオン機構３は、自在継手を介して上記出力軸２の先端に結合されたピニオン歯車１１と、上記タイロッド８に形成されると共に上記ピニオン歯車１１と噛み合うラック歯９とを備え、上記ステアリングハンドル１ａが回転すると、入力軸１２及び出力軸２を介してピニオン歯車１１にステアリングハンドル１ａの回転が伝達され、かかるピニオン歯車１１がラック歯９を有するタイロッド８を軸線方向へ押し動かすようになっている。
上記タイロッド８は中空部８ａを備えた中空軸であり、その一端側には上記ラック歯９が形成される一方、他端側には螺旋状のボール転動溝１０が形成され、かかるボール転動溝１０には該ボール転動溝１０を転動する多数のボールを介して上記ステアリング用ボール７ねじが螺合している。タイロッド８の両端には一対のボールジョイント１３，１３を介して車輪１１ａ，１１ｂが連結されており、ステアリングハンドル１ａの操作によってタイロッド８が軸線方向へ直線運動を行うと、かかる直線運動がボールジョイント１３を介して各車輪１１ａ，１１ｂに揺動運動として伝達され、車輪１１ａ，１１ｂの操舵が行われるようになっている。
更に、上記ステアリングハンドル１ａの操作に伴うタイロッド８の軸線方向への移動を円滑に行うため、上記電動機６は操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、かかる補助トルクによって上記ステアリング用ボールねじ７を所定の方向へ回転させる。これにより、ステアリングハンドル１ａを操舵すると、タイロッド８はラックアンドピニオン機構のみでなく、ステアリング用ボールねじ７によっても軸線方向へ押し動かされる。
一方、上記タイロッド８は、中空部を備えた金属製の軸本体８ｂの外周面に対して前述の如くラック歯９とボール転動溝１０を形成したものであり、これらラック歯９及びボール転動溝１０は切削加工又は転造加工によって形成されている。ラック歯９及びボール転動溝１０は単一の軸本体８ｂに対して形成しても差し支えないが、ラック歯が形成された中空軸とボール転動溝が形成された中空軸とを溶接等によって接合することにより、中空部を備えた軸本体を形成するようにしても良い。
図３は上記タイロッド８の軸方向に垂直な断面を示すものである。本実施例のタイロッド８の中空部８ａにはセラミックス材料からなる振動吸収体８ｃが隙間なく詰められており、かかる振動吸収体８ｃは軸本体８ｂの内周面に密着している。かかる振動吸収体８ｃは円筒形状に成形されたものを軸本体８ｂの中空部８ａに対して圧入するようにして、かかる軸本体８ｂと一体化しても良いが、振動吸収体８ｃそのものを精度良く円筒状に成形する手間や、軸本体８ｂの中空部８ａ内に凹凸が存在する場合等を考慮すると、粉体、粒状体又は流動体の状態で軸本体８ｂの中空部内に充填され、かかる中空部８ａ内で該中空部８ａに合致した形状に成形されるのが好ましい。
このため、本実施例では水硬性粉体及び非水硬性粉体を主成分とする水硬性組成物（商品名：ジーマ、住友大阪セメント製）を上記軸本体の中空部内に加圧充填し、これを水熱合成することでセラミックス材料からなる振動吸収体を軸本体と一体化した。ここで、水硬性粉体とは水により硬化する粉体を意味し、例えば、珪酸カルシウム化合物粉体、カルシウムアルミネート化合物粉体、カルシウムフルオロアルミネート化合物粉体、カルシウムサルファアルミネート化合物粉体、カルシウムアルミノフェライト化合物粉体、リン酸カルシウム化合物粉体、半水又は無水石膏粉体、自硬性を有する生石灰粉体、これら粉体の２種類以上の混合物粉体が例示でき、この代表例として、例えば、ポルトランドセメントのような粉体を挙げることができる。
また、非水硬性粉体とは、単体では水と接触しても硬化することのない粉体を意味するが、アルカリ性もしくは酸性状態、あるいは高圧蒸気雰囲気において、その成分が溶出し、他の既溶出成分と反応して生成物を形成する粉体も含む。このような非水硬性粉体を添加することによって、成形体の成形時の充填率を高め、得られる成形体の空隙率を減少することが可能となり、成形体の寸法安定性を向上することができる。非水硬性粉体の代表例としては、例えば、水酸化カルシウム粉末、二水石膏粉末、炭酸化カルシウム粉末、スラグ粉末、フライアッシュ粉末、珪石粉末、粘土粉末、シリカフューム粉末等をあげることができる。
非水硬性粉体の配合量は、水硬性粉体と非水硬性粉体とからなる混合粉体の組成比率で１０〜５０重量％、好ましくは２５〜３５重量％である。もし、配合量が１０重量％未満の場合には充填率が低くなり、また５０重量％超の場合には強度及び充填率が低くなり、いずれの場合においても成形、硬化後の諸性質、例えば機械加工時における欠けを生じさせたり、寸法安定性に悪影響を及ぼすため好ましくない。したがって、機械加工性等を考慮すると充填率が低くなりすぎないように非水硬性粉体の配合量を調節することが望ましい。
上記軸本体と振動吸収体とを一体化する具体的な工程としては、先ず、ポルトランドセメント等の水硬性粉体、シリカフューム等の非水硬性粉体及びその他の添加物からなる混合粉体に、水硬性粉体と非水硬性粉体との混合粉体の１００重量部に対して、水を３０重量部以下または理論水和量未満含有したものを混合して成形用混合物を調整する。混合には成形用混合物に強力な剪断力を加えることができる混合方法若しくは混合機械を用いることが好ましい。
次に、このようにして得られた成形用混合物を軸本体の中空部に対して加圧充填し、充填が完了したならば、硬化させるために養生を行う。この養生は室温又は高温高圧下において行われ、養生時間は養生温度により変化する。
これにより、軸本体の中空部内に対し、かかる中空部の形状に拘らず、セラミックス材料からなる振動吸収体を隙間なく満たすことができた。
以下の表１は中空軸と、この中空軸内に上記振動吸収体を充填したものとについて、固有振動数を計測すると共に、強制的に加振した場合の周波数応答特性を計測し、その際の減衰比及びゲイン差（ｄＢ）を求めた結果を示すものである。この表１に示されるように、中空軸にセラミックス材料からなる振動吸収体を隙間なく充填したものはそのままの中空軸に比べて減衰比が大きいことが確認された。

また、前述のようにして中空軸に充填されるセラミックス材料は、非水硬性粉体の配合量や充填時の加圧力を適宜変更することにより、空隙率や硬さを自由に調整することができるので、中空軸の形状や作用する振動数に応じた減衰性能を軸部材に付与することも可能である。
このため、本実施例のステアリング装置によれば、ステアリングハンドルの操作によってピニオン歯車がラック歯と噛み合い、あるいはステアリング用ボールねじが回転することによって、上記タイロッドに振動が生じたとしても、かかる振動が早期に減衰されるので、この振動に伴う騒音が自動車の車室内に伝播するを抑えることが可能となるものである。
図４及び図５は本発明を適用したロボットアームの実施例を示すものである。
このロボットアームはボールねじスプライン及び一対のモータによって構成されており、一対のモータの回転及び停止を組み合わせることで、アームとしての出力軸に直進、回転、スパイラルの各運動を行われることができるようになっている。
上記ボールねじスプラインは、図４に示すように、一本の出力軸５０の外周面に螺旋状のボールねじ溝５１及び軸方向に延びるボールスプライン溝５２を重複して形成し、上記ボールねじ溝５１にはボールねじナット５３を螺合させる一方、上記ボールスプライン溝５２にはボールスプラインナット５４を嵌合させたものであり、これらボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４の停止・回転の選択に応じ、上記出力軸５０が軸方向へストロークあるいは回転運動を行うように意図されている。従って、取付ハウジングに対して上記ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４を自在に回転させることができるよう、これら各ナット５３，５４の外周面には無数のボール５５，５６を介してサポートベアリング５７，５８が組み付けられている。
このボールねじスプラインは図５に示すようにしてハウジングに取り付けられて使用される。すなわち、ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４の各サポートベアリング５７，５８はハウジング５９に固定されており、各ナット５３，５４がハウジング５９に対して回転自在に支持されている。また、ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４の夫々の端部にはプーリ６０，６１が固定され、これらプーリ６０，６１に架け回されるタイミングベルトによって図示外のモータの回転力が各ナット５３，５４に伝達されるようになっている。
ここで、上記ボールねじナット５３は、出力軸５０のボールねじ溝５１に対向する螺旋状の負荷ボール溝６２が内周面に形成されたナット本体６３と、このナット本体６３の両端部に固定されてボール６４の無限循環を介助する一対のエンドキャップ６５と、出力軸５０のボールねじ溝５１とナット本体６３の負荷ボール溝６２の間に挟み込まれた無数のボール６４とから構成されており、出力軸５０とボールねじナット５３との相対的な回転運動に伴い上記ボール６４が上記ボールねじ溝５１と負荷ボール溝６２との間を転動するようになっている。また、上記ナット本体６３にはその軸方向に沿ってボール戻し孔６６が形成される一方、上記エンドキャップ６５にはナット本体６３の負荷ボール溝６２を転走し終えたボール６４を上記ボール戻し孔６６に送り込むための方向転換溝（図示せず）が形成されており、ボールねじナット５３の回転に伴ってボール６４が無限循環するように構成されている。
また、上記ボールスプラインナット５４は、出力軸５０のボールスプライン溝５２に対向する負荷ボール溝６７が内周面に形成されたナット本体６８と、出力軸５０のボールスプライン溝５２とナット本体６８の負荷ボール溝６７の間に挟み込まれた無数のボール６９と、上記ナット本体６８の中空部に固定されて上記ボール６９を案内保持するボール保持器７０とから構成されており、出力軸５０とボールねじナット５４との相対的な回転を防止しつつ、出力軸５０を軸方向へ案内するようになっている。
更に、上記出力軸５０は、中空部を備えた軸本体と、この軸本体の中空部内に隙間なく充填された振動吸収体とから構成され、かかる振動吸収体は前述したタイロッド８と同様のセラミックス材料から形成されている。
そして、以上のように構成された従来の複合運動駆動装置では、図示外の２つのモータを用いて上記ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４の夫々を別個独立に回転させ、上記ボールねじナット５３の回転運動とボールスプラインナット５４の回転運動とを組み合せることにより、出力軸５０のストローク運動、回転運動、あるいはストローク及び回転を組み合わせたスパイラル運動が得られるようになっている。例えば、ボールスプラインナット５４を静止させた状態でボールねじナット５３を回転させると、出力軸５０からはボールねじナット５３の回転方向に応じたストローク運動が得られる。また、ボールねじナット５３を静止させた状態でボールスプラインナット５４を回転させると、出力軸５０からはボールスプラインナット５４の回転方向に合致したスパイラル運動が得られる。
このロボットアームにおいては、出力軸５０にストローク運動、回転運動、あるいはスパイラル運動を与えると、ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４に具備された多数のボールが出力軸５０のボールスプライン溝５２及びボールねじ溝５１を転動するので、かかる転動によって出力軸５０が加振され、また、出力軸５０それ自身の回転に伴う振動が発生してしまう。従って、ボールねじナット５３及びボールスプラインナット５４を高速で回転させた場合等には、所定の運動が終了して位置決めされた後の出力軸５０に振動が残存してしまい、かかる振動が減衰するまで、停止位置におけるロボット作業を行うことができず、タクトタイムが短縮化できないといった問題点がある。
しかし、本実施例のロボットアームでは、出力軸５０の中空部内にセラミックス材料からなる振動吸収体を充填しているので、ボールの転動や出力軸それ自体の高速回転によって該出力軸に生じた振動を早期に減衰させることができ、かかるロボットアームを用いた組み立て作業等のタクトタイムを短縮化することが可能となるものである。
図６は本発明を適用したボールねじ装置のねじ軸８０を示すものである。
図１に示したタイロッド８、図４に示したロボットアームの出力軸５０はいずれも両軸端が開口した中空軸に形成されており、両端部の開口から振動吸収体を中空部内に充填していた。しかし、ボールねじ装置のねじ軸においては、その両軸端に該ねじ軸の回転を支承するためのベアリングを装着する必要があり、また、該ねじ軸にモータの回転を伝達するための継手を装着する必要があり、軸端を使用用途に応じた形状に加工しなければならない場合が多々ある。
従って、図６に示すねじ軸８０では、外周面に螺旋状のボール転動溝８１が形成された中空軸８２の中空部８３内に振動吸収体８４を充填した後、この中空軸８２の両端開口に対して所定の形状に加工済みの端末部８５，８６を接合し、かかる開口を閉塞するように構成した。中空軸８２の軸端に対する端末部８５，８６の接合には摩擦溶接を用いた。具体的には、中空軸８２と端末部８５，８６の軸心を合致させた状態で、中空軸８２を固定する一方、端末部８５，８６を高速で回転させ、端末部８５，８６を中空軸８２の軸方向端面に対して圧接させた。
これにより、セラミックス材料からなる振動吸収体８４が充填された中空軸８２の両軸端に端末部８５，８６を具備させることができ、振動に対する減衰比の大きなねじ軸８０を製造することが可能となる。
産業上の利用可能性
以上説明してきたように、制振機能を備えた本発明の軸部材によれば、セラミックス材料からなる振動吸収体を軸本体の中空部内に隙間なく充填することにより、軸部材に作用する振動を積極的に減衰させることが可能であり、もって騒音の発生を可及的に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明が適用されたタイロッド（軸部材）の実施例を示す正面図である。
図２は図１に示したタイロッドを用いたステアリング装置の構成を示す概略図である。
図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図４は本発明が出力軸に適用されたボールねじスプラインを示す斜視図である。
図５は図４に示したボールねじスプラインを用いたロボットアームの組み立て例を示す断面図である。
図６は本発明を適用したボールねじ装置のねじ軸の実施例を示す正面図である。
［符号の説明］
８…タイロッド（軸部材）、８ａ…中空部、８ｂ…軸本体、８ｃ…振動吸収体

Claims (4)

1. 中空部を備えた金属製の軸本体と、かかる中空部を隙間なく満たす振動吸収体としてのセラミックス材料とから構成されることを特徴とする軸部材。
2. 上記セラミックス材料は粉体、粒状体又は流動体の状態で軸本体の中空部内に充填され、かかる中空部内で該中空部に合致した形状に成形されることを特徴とする請求項１記載の軸部材。
3. 上記セラミックス材料は水硬性粉体及び非水硬性粉体を主成分とする水硬性組成物であることを特徴とする請求項１記載の軸部材。
4. 軸本体の両端開口部が該開口部に対して接合された端末部よって閉塞され、前記振動吸収体が軸本体の中空部内に密閉されていることを特徴とする請求項１記載の軸部材。

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