(57)【要約】【課題】固体潤滑剤皮膜の耐久性を向上させることができ、バネ素子の破損を良好に抑制することができるバネ装置を提供する。【解決手段】バネ素子（皿バネ）５１と、該バネ素子５１により付勢された被付勢部材（プッシュロッド）４１と、前記バネ素子５１と該バネ素子５１に接触する部材との少なくとも一方の部材における前記接触する部位の表面、または、前記バネ素子５１自体における相互に接触する部位の少なくとも一方の部位の表面に、フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜７０とを備える。【選択図】図２
2005240827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ素子と、
該バネ素子により付勢された被付勢部材と、
前記バネ素子と該バネ素子に接触する部材との少なくとも一方の部材における前記接触する部位の表面、または、前記バネ素子自体における相互に接触する部位の少なくとも一方の部位の表面に、フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜と
を備えることを特徴とするバネ装置。
【請求項２】
前記固体潤滑剤皮膜は、フッ素系固体潤滑剤皮膜であることを特徴とする請求項１に記載のバネ装置。
【請求項３】
水性の液体に暴露される雰囲気にて使用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバネ装置。
【請求項４】
前記バネ素子は、皿バネであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載のバネ装置。
【請求項５】
工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構に組み込まれるバネ装置であり、
前記皿バネは、中心部分に貫通孔を有し、複数連設されたものであり、
前記被付勢部材は、前記皿バネの前記貫通孔に挿通されて工具をクランプする方向に付勢されたプッシュロッドである
ことを特徴とする請求項４に記載のバネ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バネ装置に関するものであり、詳しくは、バネ素子と、該バネ素子により付勢された被付勢部材とを備え、各種の機器に組み込まれるバネ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バネ装置は、皿バネ、板バネ、コイルバネ等の適宜のバネ素子と、このバネ素子により付勢された被付勢部材とを備えるものであり、工作機械、組み付け機械、搬送機械等の産業機械や、自動車、列車、航空機等の交通機械等の各種機械の他、橋梁や鉄塔等の構造物、事務用機器、家庭用機器、家具、文具等、様々な機器に組み込まれるものである。
【０００３】
上記の背景技術は、一般的な事項であり、本願出願人は、出願時において、この背景技術を特定する記載がなされた文献を特に知見していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バネ装置においては、バネ素子が被付勢部材やその他の部材に接触したり、バネ素子自体において異なる部位同士が接触したりする。ここで、この接触は、異なる部材同士や異なる部位同士が単に当接するだけでなく、バネ装置の作動により、被付勢部材やその他の部材がバネ素子に対して移動したり、バネ素子自体が弾性変形したりするため、接触部分に、バネ素子の付勢力に伴う応力が付加された状態で擦れを生じさせるものである。このように接触部分に擦れが生じると、接触部分に応力集中やコジレが生じ、バネ装置の繰り返しの作動により接触部分が疲労破壊したり、焼き付きが生じたりして、バネ素子が破損してしまうことがある。
【０００５】
ところで、バネ素子自体や、バネ素子に接触する部材の表面に、摩擦摺動特性を向上させるために固体潤滑剤皮膜を形成して、接触部分に生じる擦れを緩和し、これにより、バネ素子自体の破損を抑制することが考えられる。しかしながら、単に、固体潤滑剤皮膜を形成しても、バネ装置における部材間の接触或いはバネ素子自体の部位間の接触においては、接触部分にバネ素子の付勢力に伴う応力が付加されるため、固体潤滑剤皮膜が摩耗してしまい、固体潤滑剤皮膜の十分な耐久性が得られない場合がある。特に、固体潤滑剤皮膜が耐水性に劣るものであると、水性の液体に暴露される雰囲気で使用した場合に、摩擦係数が高くなり、固体潤滑剤皮膜が著しく摩耗してしまうこともある。このように、バネ装置において、部材間または部位間の接触部分の表面に固体潤滑剤皮膜を単に形成しただけでは、固体潤滑剤皮膜の十分な耐久性を確保することができず、バネ素子の破損を良好に抑制できないことがある。
【０００６】
本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、固体潤滑剤皮膜の耐久性を向上させることができ、バネ素子の破損を良好に抑制することができるバネ装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の採った主要な手段は、
「バネ素子と、
該バネ素子により付勢された被付勢部材と、
前記バネ素子と該バネ素子に接触する部材との少なくとも一方の部材における前記接触する部位の表面、または、前記バネ素子自体における相互に接触する部位の少なくとも一方の部位の表面に、フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜と
を備えることを特徴とするバネ装置」
である。
【０００８】
ここで、固体潤滑剤皮膜のバインダとなるフラン系樹脂（フェノール系樹脂）としては、フェノール・フルフラール樹脂、フルフラール・アセトン樹脂、フルフリアルコール樹脂等、フラン環を持つ高分子物質を例示することができる。また、固体潤滑剤皮膜を形成する材料としては、特に限定するものでないが、フッ素系樹脂、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２ ）、炭素（狭義のカーボンやグラファイトを含む）等を例示することができる。
【０００９】
フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜は、高荷重が付加された状態でも十分な耐磨耗性が得られるものであるため、バネ素子の付勢力に伴う応力が付加された状態で擦れが生じる部位に設けられても、摩耗し難い。よって、上記構成のバネ装置によれば、固体潤滑剤皮膜の耐久性を向上させることができ、バネ素子の破損を良好に抑制することができる。
【００１０】
なお、固体潤滑剤皮膜を、バネ素材や、バネ素材に接触する部材の全体の表面に形成するに限らず、相互に接触する部位及びその周辺の表面に部分的に形成してもよい。また、バネ素材と被付勢部材等の他の部材とが接触したり、或いは、バネ素材と他のバネ素材とが接触したりする場合には、互いに接触する少なくとも一方の部材において、少なくとも他の部材と接触する部位に固体潤滑剤皮膜を形成すればよい。さらに、圧縮コイルバネや引張コイルバネ等のように、バネ素子自体において、異なる部位同士が接触する場合には、バネ素子全体の表面や、互いに接触する接触部分の少なくとも一方の部位の表面に、固体潤滑剤皮膜を形成すればよい。
【００１１】
上述した手段において、
「前記固体潤滑剤皮膜は、フッ素系固体潤滑剤皮膜であることを特徴とするバネ装置」
としてもよい。
【００１２】
ここで、フッ素系固体潤滑皮膜を形成する材料としては、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン樹脂）、ＦＥＰ（４フッ化エチレン６フッ化プロピレン共重合体）、ＰＦＡ（４フッ化エチレンパーフロロプロピルビニルエータル）、ＥＴＦＥ（４フッ化エチレン共重合体）等を例示することができる。また、ＰＴＦＥとしては、グラファイト充填ＰＴＦＥ、ガラス繊維充填ＰＴＦＥ、ブロンズ充填ＰＴＦＥ等の充填剤入りＰＴＦＥであってもよい。
【００１３】
フッ素系樹脂により形成されたフッ素系固体潤滑剤皮膜は、摩擦係数が低く、良好な摩擦摺動特性を発揮する皮膜である。よって、固体潤滑剤皮膜として、フッ素系固体潤滑剤皮膜を採用することにより、固体潤滑剤皮膜の耐久性を適確に向上させることができ、バネ素子の破損を、より一層、良好に抑制することができる。
【００１４】
上述した手段において、
「水性の液体に暴露される雰囲気にて使用されることを特徴とするバネ装置」
としてもよい。
【００１５】
ここで、「水性の液体」とは、「水自体」や「水溶性の溶剤を水に溶かした溶液」等、水を主成分とする種々の液体を示すものである。また、「水性の液体に暴露される雰囲気」とは、水性の液体が浸入して付着したり、結露により水分が付着したり、水性の液体の流路内に曝されたり、或いは、水性の液体の中に水没した状態となる雰囲気を示すものである。
【００１６】
フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜は、耐水性にも優れるものである。よって、固体潤滑剤皮膜を形成するためのバインダとしてフラン系樹脂を採用することで、水性の液体に暴露される雰囲気にて使用されるバネ装置においても、固体潤滑剤皮膜の良好な耐磨耗性を確保することができる。
【００１７】
上述した手段において、
「前記バネ素子は、皿バネであることを特徴とするバネ装置」
としてもよい。
【００１８】
皿バネは、大きな付勢力を得ることができるバネ素子であり、このような皿バネを用いたバネ装置では、皿バネとこの皿バネに接触する部材との相互の接触部分が、皿バネの大きな付勢力に伴い、高荷重が付加された状態で擦れ合う。ここで、フラン系樹脂をバインダとして形成された固体潤滑剤皮膜が、高荷重が付加された状態でも十分な耐磨耗性を発揮することは上述の通りである。よって、このようなバネ装置において、フラン系樹脂をバインダとして固体潤滑剤皮膜を形成することは好適である。
【００１９】
上述した手段において、
「工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構に組み込まれるバネ装置であり、
前記皿バネは、中心部分に貫通孔を有し、複数連設されたものであり、
前記被付勢部材は、前記皿バネの前記貫通孔に挿通されて工具をクランプする方向に付勢されたプッシュロッドである
ことを特徴とするバネ装置」
としてもよい。
【００２０】
マシニングセンタ等の工作機械において、工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構として、複数の皿バネを用いてプッシュロッドを付勢するバネ装置を組み込んだものは、公知である。しかしながら、このクランプ・アンクランプ機構では、複数の皿バネの貫通孔にプッシュロッドを挿通し、プッシュロッドの外面に各皿バネの貫通孔の内面を接触させることで、各皿バネのラジアル方向の位置決めを行っているため、プッシュロッドを進退させた際に、プッシュロッドと各皿バネとが、皿バネの多大な付勢力によってラジアル方向に多大な応力が付加された状態で擦れ合う。しかも、プッシュロッドの移動量は、小型の工作機械でも１５ｍｍ程度と大きいため、プッシュロッドと各皿バネとが広範囲に渡って擦れ合う。また、複数の皿バネ同士も、皿バネの多大な付勢力によってスラスト方向に多大な応力が付加された状態で擦れ合う。このため、クランプ・アンクランプ機構では、皿バネが破損し易いといった問題を顕著に生じる。
【００２１】
そこで、このようなクランプ・アンクランプ機構に組み込まれるバネ装置において、プッシュロッドと皿バネとの接触部分や、皿バネ同士の接触部分に、フラン系樹脂をバインダとして形成される耐久性に優れた固体潤滑剤皮膜を設けると、接触する部材相互の良好な摩擦摺動特性を得ることができ、これにより、皿バネの破損を良好に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
上述の通り、本発明によれば、固体潤滑剤皮膜の耐久性を向上させることができ、バネ素子の破損を良好に抑制することのできるバネ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明に係るバネ装置の実施形態の一例を、図面に従って詳細に説明する。なお、本例では、マシニングセンタ等の工作機械の主軸に組み込まれたバネ装置を例示するが、本発明に係るバネ装置は、これに限らず、工作機械、組み付け機械、搬送機械等の産業機械や、自動車、列車、航空機等の交通機械等の各種機械の他、橋梁や鉄塔等の構造物、事務用機器、家庭用機器、家具、文具等、様々な機器に組み込んで使用することのできるものである。
【００２４】
図１に、主軸３０の一例を示す。この主軸３０は、工作機械の主軸台に、軸受けを介して回転自在に支持されるものである。また、この主軸３０は、工具１０が取り付けられた工具ホルダー２０を着脱するクランプ・アンクランプ機構４０を備えるものであり、このクランプ・アンクランプ機構４０には、バネ装置５０が組み込まれている。以下に、クランプ・アンクランプ機構４０及びバネ装置５０の詳細を説明する。
【００２５】
バネ装置５０は、バネ素子である皿バネ５１と、この皿バネ５１により、工具ホルダー２０をクランプする方向に付勢された被付勢部材であるプッシュロッド４１とを備えるものである。ここで、皿バネ５１は、バネ鋼材により形成された平ワッシャ−を皿状に成形してなるものであり、中心部分に貫通孔を有するものである。そして、皿バネ５１は、主軸３０のバネ収容部３１に、向きが互い違いとなるように複数連設された状態で収容されている。なお、バネ収容部３１の奥端部分には、バネ受け５２が配設されており、複数が連設された皿バネ５１の適宜部位にも、バネ受け５４が介在されている。
【００２６】
また、プッシュロッド４１は、後端部材４２と、この後端部材４２に螺着され、ロックナット４３ａにより固定された中間部材４３と、この中間部材４３に螺着され、ロックナット４４ａにより固定された先端部材４４とを備えるものとして構成されており、主軸３０のバネ収容部３１と、このバネ収容部３１よりも小径に形成されたロッド収容部３２とに渡って貫通した状態で、摺動自在に収容されている。ここで、プッシュロッド４１の後端部材４２は、上記各皿バネ５１の貫通孔に挿通されており、各皿バネ５１をラジアル方向に位置決めしている。また、後端部材４２の後端側には、バネ受け５３が螺合されており、皿バネ５１によって、後端方向（後述するクランプ方向）に大きな付勢力で付勢されている。なお、この付勢力は、バネ受け５３の位置を変更することで、調節することが可能である。また、後端部材４２に螺合されたバネ受け５３は、ロックナット５３ａによって、所定の位置に固定されている。
【００２７】
主軸３０のロッド収容部３２の先端側には、ロッド収容部３２よりも大径に形成されたクランプ部材収容部３３が設けられており、このクランプ部材収容部３３のさらに先端側には、クランプ部材主収容部３３よりもさらに大径に形成されたクランプ開放部３４が設けられている。そして、クランプ部材収容部３３には、先端部分に前爪４８と、後端部分に後爪４７とを有する複数のクランプ部材４６が、円周方向に適宜間隔で収容されており、クランプ部材４６の後爪４７は、プッシュロッド４１の先端部材４４に設けられたフランジ状の掛止部４５に掛止されている。
【００２８】
主軸３０の先端部分には、テーパー状に形成されたホルダー装着部３５が設けられており、工具１０が取り付けられた工具ホルダー２０が、このホルダー装着部３５に装着されている。また、工具ホルダー２０の後端部分には、プルスタッド２１が取り付けられており、このプルスタッド２１は、クランプ部材４６の前爪４８によって掛止されている。ここで、プッシュロッド４１は、上述したように後端側に大きな付勢力で付勢されていることから、プッシュロッド４１の先端部材４４に掛止されたクランプ部材４６は、工具ホルダー２０のプルスタッド２１を掛止した状態で、後端側に強く引っ張られる。これにより、ホルダー装着部３５に装着された工具ホルダー２０は、主軸３０に堅固にクランプされる。また、この状態では、プッシュロッド４１が皿バネ５１によって、常に、工具ホルダー２０を主軸３０にクランプする方向、すなわち「クランプ方向」に付勢されているため、工具ホルダー２０は、主軸３０に堅固にクランプされた状態で維持される。
【００２９】
一方、工作機械の主軸台に設けられたプッシャー等によって、皿バネ５１の付勢力に抗して、プッシュロッド４１の後端部材４２を押圧し、プッシュロッド４１を先端側の方向であるアンクランプ方向に移動させると、クランプ部材４６は、先端部材４４によって押され、クランプ部材４６の前爪４８がクランプ開放部４８に移動する。すると、各クランプ部材４６の前爪４８が拡開して、工具ホルダー２０のプルスタッド２１を開放する。これにより、主軸３０のホルダー装着部３５から工具ホルダー２０を取り外すことができる。
【００３０】
なお、このクランプ・アンクランプ機構４０では、プッシュロッド４１の全長に渡って貫通する流路６０が設けられている。切削加工時等においては、水溶性の溶剤を水に溶かした水性のクーラントを上記流路６０に流通させ、工具ホルダー２０の流路６０を通じて、クーラントをワークや工具に浴びせる。このようなクランプ・アンクランプ機構４０では、バネ装置５０にクーラントが浸入する可能性があり、バネ装置５０は、水性の液体に暴露された雰囲気で使用されるものとなる。
【００３１】
ところで、このクランプ・アンクランプ機構４０のバネ装置５０では、プッシュロッド４１が皿バネ５１によって大きな付勢力によって付勢されており、しかも、プッシュロッド４１の移動量が、例えば１５ｍｍ程度と多い。よって、プッシュロッド４１と皿バネ５１とが、相互の接触部分にて広範囲に渡って高荷重で擦れ合い、また、複数の皿バネ５１同士も、端部の接触部分にて高荷重で擦れ合う。このため、バネ装置５０を構成する部材間の接触部分に応力集中やコジレが生じ易く、疲労破壊や焼き付きにより皿バネ５１に破損が生じることがある。
【００３２】
そこで、本例では、図２に示すように、皿バネ５１の表面、及び、皿バネ５１と接触するプッシュロッド４１の後端部材４２の表面に、固体潤滑剤皮膜７０が設けられており、接触する部材間の擦れを緩和して、皿バネ５１に破損が生じ難いものとしてあり、バネ装置５０全体の耐久性を向上させている。
【００３３】
具体的には、プッシュロッド４１の後端部材４２の外周面と、皿バネ５１の貫通孔の内面とが高荷重が負荷された状態で擦れ合うのであるが、後端部材４２と皿バネ５１とは、後端部材４２の外周面に設けられた固体潤滑剤皮膜７０と皿バネ５１の貫通孔の内面に設けられた固体潤滑剤皮膜７０とで、良好に摺動する。よって、後端部材４２と皿バネ５１との間に、応力集中やコジレが生じ難く、皿バネ５１に疲労破壊や焼き付きが生じ難くなり、皿バネ５１の耐久性が向上する。
【００３４】
また、連設された複数の皿バネ５１同士も、内縁端や外縁端にて接触して、高荷重が負荷された状態で擦れ合うのであるが、各皿バネ５１同士は、内縁端及び外縁端に設けられた固体潤滑剤皮膜７０により良好に摺動する。よって、各皿バネ５１間に、応力集中やコジレが生じ難く、皿バネ５１に疲労破壊や焼き付きが生じ難くなり、この点からも、皿バネ５１の耐久性が向上する。
【００３５】
また、このバネ装置５０では、接触する部材間に高荷重が加わり、しかも、部材の相互の接触部分が水性の液体に暴露される。よって、固体潤滑剤皮膜７０として、フッ素系樹脂を材料として形成された耐磨耗性に優れたフッ素系固体潤滑剤皮膜が採用されている。また、固体潤滑剤皮膜７０を形成するためのバインダとして、耐水性に優れた皮膜を形成することのできるフラン系樹脂が採用されている。なお、固体潤滑剤皮膜７０は、皮膜を形成する部材の表面にスプレーにより塗布した後、低温焼き付けにて部材の表面に固定されたものであり、１０μｍ程度の厚さとなっている。
【００３６】
ところで、固体潤滑剤皮膜７０を形成する部材としては、皿バネ５１、プッシュロッド４１に限らず、バネ素子である皿バネ５１が接触するバネ受け５２，５３，５４や、主軸３０のバネ収容部３１の内面であってもよい。また、固体潤滑剤皮膜７０を形成する部位としては、皿バネ５１全体の表面やプッシュロッド４１の後端部材４２全体等、部材全体の表面に限らず、相互に接触する部材の一部分であってもよい。なお、皿バネ５１に固体潤滑剤皮膜７０を形成する場合には、皿バネ５１全体の表面に形成するのが好適である。何故ならば、皿バネ５１は、向きを互い違いとして連設して使用されるばかりでなく、図３に示すように、向きを同じくして連設して使用されることもあり、このような使用態様においても、各皿バネ５１の全体の表面に固体潤滑剤皮膜７０を設けることで、皿バネ５１同士の接触面について、良好な摩擦摺動特性を得ることができるからである。
【００３７】
次に、図４に、フラン系樹脂以外のバインダ（バインダＡ）を用いて形成した固体潤滑剤皮膜を備えたバネ装置と、フラン系樹脂のバインダ（バインダＢ）を用いて形成した固体潤滑剤皮膜を備えたバネ装置との比較例を示す。なお、この比較例は、上述したクランプ・アンクランプ機構にて、大気中環境下及び水中環境下の双方の環境下にて工具交換の耐久試験を行い、固体潤滑剤皮膜の摩擦係数及び摩耗量を測定したものである。また、この比較例では、固体潤滑剤皮膜の材料として、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン樹脂）を採用し、バインダＡとして、ポリアミドイミド樹脂を採用し、バインダＢとして、フェノール・フルフラール樹脂を採用している。
【００３８】
フラン系樹脂ではないバインダＡにて固体潤滑剤皮膜を形成したバネ装置では、摩擦係数が、大気中にて「０．１８」であったが、水中では固体潤滑剤皮膜が剥離してしまい「焼付き」を生じた。また、比摩耗量（ｍｍ３ ／Ｎｍ）については、大気中にて「４．００Ｅ−０５」、水中にて「１．００Ｅ−０４」であった。
【００３９】
これに対して、フラン系樹脂であるバインダＢにて固体潤滑剤皮膜を形成したバネ装置では、大気中での摩擦係数は「０．１８」と変化がないものの、水中でも「焼付き」を生じないばかりでなく、「０．１７」と、大気中よりも摩擦係数が低下し、摩擦摺動特性を向上させることができた。また、比摩耗量（ｍｍ３ ／Ｎｍ）については、大気中にて「２．００Ｅ−０５」、水中にて「５．００Ｅ−０５」となり、大気中でも、水中でも、耐磨耗性を向上させることができた。特に、水中では、耐磨耗性を大きく向上させることができた。
【００４０】
以上、本発明に係るバネ装置の一例を説明したが、本発明に係るバネ装置はこれに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、連設された複数の皿バネを備えたものに限らず、単数の皿バネを備えたものであってもよい。また、バネ素子としては、皿バネに限らず、板バネ、圧縮コイルバネや引張コイルバネ等のコイルバネ、つる巻状に巻回されたトーションバネ等、適宜のバネ素子を採用することができる。さらに、バネ素子により付勢される被付勢部材としては、バネ素子の内側に挿通されたロッド状のものに限らず、バネ素子の前端や後端、或いは、外側に配置された適宜の形状のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るバネ装置を組み込んだ工作機械の主軸を示す断面側面図である。
【図２】バネ装置の要部を示す断面側面図である。
【図３】皿バネの配置形態の別例を示す断面側面図である。
【図４】比較例を示す表である。
【符号の説明】
【００４２】
１０    工具
２０    工具ホルダー
２１    プルスタッド
３０    主軸
３１    バネ収容部
３２    ロッド収容部
３３    クランプ部材収容部
３４    クランプ開放部
３５    ホルダー装着部
４０    クランプ・アンクランプ機構
４１    プッシュロッド（被付勢部材）
４２    後端部材
４３    中間部材
４３ａ  ロックナット
４４    先端部材
４４ａ  ロックナット
４５    掛止部
４６    クランプ部材
４７    後爪
４８    先爪
５０    バネ装置
５１    皿バネ（バネ素子）
５２    バネ受け
５３    バネ受け
５３ａ  ロックナット
５４    バネ受け
６０    流路
７０    固体潤滑剤皮膜
【図１】
2005240827.tif 000003
【図２】
2005240827.tif 000004
【図３】
2005240827.tif 000005
【図４】
2005240827.tif 000006