特開 2024-56462 ナノ潤滑方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024056462

(43)【公開日】2024-04-23

(54)【発明の名称】ナノ潤滑方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 43/02 20060101AFI20240416BHJP

   F04B 43/04 20060101ALI20240416BHJP

   F16N 7/36 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

F04B43/02 D

F04B43/04 B

F16N7/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022163351

(22)【出願日】2022-10-11

(71)【出願人】

【識別番号】509311780

【氏名又は名称】上野 弘

(74)【代理人】

【識別番号】110000280

【氏名又は名称】弁理士法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】上野 弘

【テーマコード（参考）】

3H077

【Ｆターム（参考）】

3H077AA03

3H077BB10

3H077CC02

3H077DD06

3H077EE05

3H077EE27

3H077EE40

3H077FF14

3H077FF36

(57)【要約】

【課題】ナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を潤滑対象に均一かつ安定的に供給する。
【解決手段】
圧電素子３３によって駆動される圧電ポンプ３から吐出されたナノリットルレベルの超微少量の潤滑油Ｘを、ノズル２を通して潤滑対象に供給するナノ潤滑方法である。
前記ノズル２に前記超微少量の潤滑油Ｘを所定時間ごとに送給して、ノズル先端２１から前記超微少量の潤滑油Ｘを押し出し、この押し出した潤滑油Ｘを、その表面張力を利用してノズル２の先端２１に保持するステップと、前記潤滑対象に設けられ、前記ノズル２に対して非接触状態で相対移動する潤滑対象を、前記ノズル先端２１に保持した潤滑油Ｘに接触させて、前記当該潤滑油Ｘの一部を前記潤滑対象へ供給するステップと、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電素子によって駆動される圧電ポンプから吐出されたナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、ノズルを通して、当該ノズルに対して非接触状態で相対移動する潤滑対象に供給するナノ潤滑方法であって、
前記ノズルに前記超微少量の潤滑油を所定時間ごとに送給して、前記ノズルの先端から前記超微少量の潤滑油を押し出し、この押し出した潤滑油を、その表面張力を利用してノズルの先端に保持するステップと、
前記潤滑対象を前記ノズルの先端に保持した潤滑油に接触させて、当該潤滑油の一部を前記潤滑対象へ供給するステップと、
を備える、
ナノ潤滑方法。

【請求項2】

前記圧電ポンプとして、潤滑油の吐出量が１００ｎｌ以下１０ｎｌ以上のものを用いる、
請求項１に記載のナノ潤滑方法。

【請求項3】

前記圧電ポンプの圧電素子を１回だけ変形させる、
請求項２に記載のナノ潤滑方法。

【請求項4】

前記ノズルの先端と前記潤滑対象との間の最小隙間は、前記ノズルの先端の外径の４分の１以下である、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のナノ潤滑方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ナノ潤滑方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、各種機械装置に構成された回転部や摺動部等の潤滑対象を潤滑する方式として、オイルミスト潤滑やオイルエア潤滑が知られている。オイルミスト潤滑は、油槽から吸い上げた油滴にエアを吹き付けることで、潤滑油をミスト化させた状態で潤滑対象に供給する潤滑方式である。オイルエア潤滑は、大量のエアとともに潤滑油を潤滑対象に供給する潤滑方式である。
前記の潤滑方式のいずれにおいても、潤滑油をノズルから勢いよく飛翔（噴射）させる必要があるので、必要量以上の潤滑油が供給されることになる。このため、微少量の潤滑油を供給する潤滑には不向きである。特に、ナノリットルレベルの量の潤滑油を前記の潤滑方式で供給することは不可能であると考えられる。また、潤滑油が過剰に供給されるので、潤滑対象の回転トルクや摺動抵抗が増加する。さらに、飛翔した余分な潤滑油が潤滑対象に弾かれて、潤滑対象の周囲にミストとして飛散するので、クリーンルーム等の塵埃を嫌う空間では使用し難い。

【0003】

そこで、特許文献１に示される圧電ポンプ（マイクロポンプ）を、潤滑装置として用いることが考えられる。この圧電ポンプは、圧電素子に電圧を印加してダイヤフラムを変形させることで、微少量の液体を吐出させるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－３８６９３号公報（［００４９］段落、図１３および図１４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、機械装置のさらなる小型化、高速化および低トルク化等の要請が高まっている。このため、潤滑対象に対してさらに微少量の潤滑油を確実に供給することができる潤滑方式が要望されている。より具体的には、例えば１００ｎｌ（ナノリットル）以下の超微少量の潤滑油を、均一かつ安定的に供給することができるナノ潤滑方式が要望されている。

【0006】

特許文献１に記載の圧電ポンプを潤滑装置に用いた場合、オイルミスト潤滑やオイルエア潤滑に比べて、潤滑対象に対する潤滑油の供給量を少なくすることができる。しかし、この圧電ポンプについても、潤滑油をノズルから飛翔させる必要があるので、潤滑油の供給量をより効果的に少なくするには限界がある。現に、特許文献１に記載の実施例には、単位時間当たりの流量が４２．０μｌ/ｍｉｎのものが開示されているに過ぎない（特許文献１［００６６］段落参照）。したがって、特許文献１に記載のマイクロポンプをナノ潤滑に用いることは不可能である。

【0007】

かかる課題に鑑み、本開示の目的は、ナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、均一かつ安定的に潤滑対象に供給可能なナノ潤滑方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のナノ潤滑方法は、圧電素子によって駆動される圧電ポンプから吐出されたナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、ノズルを通して、当該ノズルに対して非接触状態で相対移動する潤滑対象に供給するナノ潤滑方法であって、
前記ノズルに前記超微少量の潤滑油を所定時間ごとに送給して、前記ノズルの先端から前記超微少量の潤滑油を押し出し、この押し出した潤滑油を、その表面張力を利用してノズルの先端に保持するステップと、
前記潤滑対象を前記ノズルの先端に保持した潤滑油に接触させて、当該潤滑油の一部を前記潤滑対象へ供給するステップと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、ナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、均一かつ安定的に潤滑対象に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係るナノ潤滑方法を説明する概略図である。

【図2】図２は、実施形態に係るナノ潤滑方法に用いられる圧電ポンプの一例を示す拡大概略図である。

【図3】図３は、実施形態に係るノズルと、ノズルの配置状態を示す拡大図である。

【図4】図４は、潤滑油が掻き取られた状態を示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［本開示の実施形態の説明］
本開示の実施形態には、その要旨として、以下の構成が含まれる。なお、本実施形態における「ナノリットルレベル」とは、１００ｎｌ以下１０ｎｌ以上をいう。

【0012】

（１）圧電素子によって駆動される圧電ポンプから吐出されたナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、ノズルを通して、当該ノズルに対して非接触状態で相対移動する潤滑対象に供給するナノ潤滑方法であって、
前記ノズルに前記超微少量の潤滑油を所定時間ごとに送給して、前記ノズルの先端から前記超微少量の潤滑油を押し出し、この押し出した潤滑油を、その表面張力を利用してノズルの先端に保持するステップと、
前記潤滑対象を前記ノズルの先端に保持した潤滑油に接触させて、当該潤滑油の一部を前記潤滑対象へ供給するステップと、を備えるナノ潤滑方法。

【0013】

このナノ潤滑方法によれば、ノズルの先端に保持したナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、潤滑対象に接触させて、当該潤滑油の一部を前記潤滑対象へ供給するので、潤滑対象に対して、ナノリットルレベルの超微少量の潤滑油を、均一かつ安定的に供給することができる。

【0014】

（２）前記（１）のナノ潤滑方法においては、前記圧電ポンプとして、潤滑油の吐出量が１００ｎｌ以下１０ｎｌ以上のものを用いる。
これによって、潤滑対象へ供給する潤滑油の量を、より効果的に少なくすることができる。

【0015】

（３）前記（２）のナノ潤滑方法は、ダイヤフラムを１回だけ変形させるのが好ましい。
このようにすることで、潤滑油を潤滑対象に対してより均一かつ安定的に供給することができる。

【0016】

（４）前記（１）から（３）のいずれかのナノ潤滑方法において、前記ノズルの先端と前記潤滑対象との間の最小隙間は、前記先端の外径の４分の１以下であるのが好ましい。
このようにすることで、ノズルの先端に保持した潤滑油を、より確実に潤滑対象に供給することができる。

【0017】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、図面を参照して、本開示の実施形態の詳細を説明する。

【0018】

［１．潤滑装置の構成］
図１は、実施形態に係るナノ潤滑方法を説明するための概略図であり、図２は実施形態に係るナノ潤滑方法に用いる圧電ポンプの拡大概略図である。
図１に示すナノ潤滑方法は、歯車機構１に潤滑油Ｘを供給する場合を示している。この場合、潤滑油Ｘは、歯車機構１の潤滑対象である歯車１１に直接供給される。

【0019】

潤滑装置Ａは、ノズル２と、ノズル２に潤滑油Ｘを送給する圧電ポンプ３と、圧電ポンプ３の駆動を制御する制御部４と、圧電ポンプ３に供給する潤滑油Ｘを貯める貯油タンク５とを含む。

【0020】

図３も参照して、ノズル２は圧電ポンプ３から送給された潤滑油Ｘを、その内部を通して、その先端２１に導くものである。ノズル２は外径が細い平行円筒状のものである。ノズル２の外径Ｄ１および内径Ｄ２は、特に限定されないが、例えば外径Ｄ１は１ｍｍであり、内径Ｄ２は０．２ｍｍである。ノズル２の基端部は、圧電ポンプ３に接続されている。

【0021】

後述するが、ノズル２の先端２１（以下「ノズル先端２１」ともいう）から押し出された潤滑油Ｘは、その表面張力によってノズル先端２１に保持される。このため、ノズル先端２１は、所定の濡れ性に調整されているのが好ましい。例えば、ノズル先端２１における潤滑油Ｘの接触角を大きくするために、ノズル先端２１に撥水処理が施されてもよい。

【0022】

圧電ポンプ３は、ダイヤフラム３２と、圧電素子３３と、ポンプ室３４と、第１チェック弁３５と、第２チェック弁３６とを備えている。これらはケース３１の内部に配置されている。
圧電素子３３は、矩形のピエゾ素子からなり、制御部４に電気的に接続されている。ダイヤフラム３２は、例えば厚みが３０～１００μｍの矩形の金属薄板からなり、圧電素子３３の下面に接着されている。

【0023】

ポンプ室３４は、ダイヤフラム３２と、これに対向してケース３１に設けられた仕切り面３１ａとの間に形成されている。ポンプ室３４は密封された微小隙間であり、その容積は圧電ポンプ３の吐出量に応じて設定される。なお、図２においては、ポンプ室３４の微小隙間を拡大して表示している。ポンプ室３４は給油路５１を介して貯油タンク５に連通されている。貯油タンク５は、ケース３１と一体に設けられていてもよい。

【0024】

第１チェック弁３５は、ポンプ室３４と給油路５１とを連通させる吸入路３８の途中に介在している。第１チェック弁３５は貯油タンク５内の潤滑油Ｘがポンプ室３４に吸入されるのを許容する。第２チェック弁３６は、ポンプ室３４とノズル２とを連通する吐出路３９の途中に介在している。第２チェック弁３６は、ポンプ室３４の潤滑油Ｘがノズル２に送給されるのを許容する。

【0025】

前記圧電ポンプ３において、圧電素子３３に電圧を印加すると、ダイヤフラム３２が下方に変形（湾曲）する。これにより、予めポンプ室３４に吸入されている潤滑油Ｘが、第２チェック弁３６を通してノズル２へ送給される。また、圧電素子３３に対する電圧の印加が停止すると、ダイヤフラム３２が原位置に復帰する。これにより、第１チェック弁３５を通して貯油タンク５側からポンプ室３４に潤滑油Ｘが導入される。

【0026】

圧電ポンプ３は、例えば長さおよび幅が１０～１５ｍｍ、高さが７～１０ｍｍ程度の極小サイズのものである。圧電ポンプ３は、圧電素子３３を１回変形させるごとに、１００ｎｌ以下１０ｎｌ以上であるナノリットルレベルの超微少量の潤滑油Ｘを吐出してノズル２に送給する。

【0027】

制御部４は、例えばプロセッサおよびメモリを含むＩＣチップ等のコンピュータ装置である。制御部４は、圧電素子３３に対して所定時間Ｔ１ごとに電気信号を出力する（定期出力）。この電気信号により、圧電素子３３に電圧が印加される。所定時間Ｔ１は、潤滑対象に供給する潤滑量に応じて選択されるが、例えば０．１～１２０秒である。電気信号は直流電圧信号であり、単発のパルス信号である。したがって、制御部４から電気信号が出力されるごとに、圧電素子３３は上下１回ずつ（１往復）変形する。

【0028】

［２．ノズルの配置］
図３に示すように、ノズル２は、その先端２１を歯車１１に近接させた状態で配置される。このとき、歯車１１の外接円１３の一点を通る法線Ｓ１に、ノズル２の軸線Ｓ２を沿わせる。図３においては、水平方向に延びる法線Ｓ１に、ノズル２の軸線Ｓ２を沿わせている。この状態で、ノズル先端２１を、歯車１１の外接円１３に対して微小隙間Ｃを設けて対向させる。この微小隙間Ｃは、ノズル先端２１に保持された半球状の潤滑油Ｘに、歯車１１の歯部１１ａの外周が接触し、かつノズル先端２１が歯車１１に接触しない範囲に設定される。

【0029】

より具体的には、ノズル先端２１と歯車１１の歯部１１ａとが最も近接する距離Ｌ１は、０より大きい値であり、かつノズル先端２１の外径Ｄ１の４分の１以下である（１／４×Ｄ１≧Ｌ１＞０）。すなわち、距離Ｌ１は、ノズル先端２１に保持される半球状の潤滑油Ｘの最大半径Ｒ１に対して半分以下である（１／２×Ｒ１≧Ｌ１）。このため、歯車１１の歯部１１ａは、ノズル先端２１に保持される潤滑油Ｘに対して、より確実に接触することができる。例えば、外径Ｄ１が０．７５ｍｍである場合、距離Ｌ１は０．１８８ｍｍとされる。

【0030】

［３．ナノ潤滑方法］
以上のようにノズル２を配置した状態で、制御部４から圧電ポンプ３の圧電素子３３に対して、電気信号を１パルスだけ出力する。つまり、圧電素子３３に１回だけ瞬間的に電圧を印加する。
圧電素子３３に対する電圧の印加に伴い、ダイヤフラム３２が下方へ変形する。すると、ポンプ室３４の容積が減少するので、予めポンプ室３４内に導入された潤滑油Ｘが、ノズル２に送給される。これにより、潤滑油Ｘは、ノズル２内からノズル先端２１へ押し出される。この押し出された潤滑油Ｘは、その表面張力によって半球状になって、ノズル先端２１に保持される。

【0031】

例えば、ノズル先端２１の外径Ｄ１が０．７５ｍｍであり、ノズル先端２１の内径Ｄ２が０．２ｍｍである場合を考える。このとき、完全な半球形の潤滑油Ｘがノズル先端２１に形成されるとすれば、その潤滑油Ｘの半径Ｒ１は外径Ｄ１の半分の０．３７５ｍｍとなり（Ｒ１＝１／２×Ｄ１）、半球の潤滑油Ｘの体積は、理論上１１０ｎｌ（＝０．１１ｍｌ）となる。

【0032】

圧電ポンプ３による潤滑油Ｘの吐出量は、１回の電圧印加時間を変更することによって調整される。１回の電圧印加時間は、例えば５０～２００ｍｓｅｃであり、潤滑対象の潤滑に必要な潤滑油Ｘの量、および潤滑油Ｘの粘度等に応じて選択される。また、ダイヤフラム３２の変形量は、その中央部において例えば１．５～５．０μｍに設定される。なお、圧電ポンプ３の吐出量は、歯車１１の潤滑機能を確保するのに最低限必要な量に設定される。

【0033】

本実施形態において、圧電ポンプ３は、ダイヤフラム３２の１回の変形で、潤滑油Ｘをノズル先端２１から押し出すので、ダイヤフラム３２を複数回連続的に変形させて、小刻みに押し出す場合に比べて、潤滑油Ｘの押し出し量がばらつくのを抑制することができる。したがって、歯車１１に対してより均一かつ安定的にナノリットルレベルの潤滑油Ｘを供給することができる。

【0034】

圧電素子３３に対する電圧の印加が停止すると、下方へ変形したダイヤフラム３２が原位置に復帰する。これにより、ポンプ室３４が負圧になって、貯油タンク５側の潤滑油Ｘがポンプ室３４に導入される。

【0035】

なお、ノズル先端２１からの潤滑油Ｘの押し出し量が過剰になると、ノズル先端２１から余分な潤滑油Ｘが滴下するおそれがある。このため、圧電素子３３に対する通電時間を事前に調整することにより、潤滑油Ｘの押し出し量を最適な値に設定しておくのが好ましい。

【0036】

次に、ノズル先端２１に半球状の潤滑油Ｘを保持した状態で、歯車１１を回転させる。すると、歯車１１の歯部１１ａの外周側が、半球状の潤滑油Ｘに接触するので、その潤滑油Ｘの一部を掻き取ることができる（図４参照）。これにより、ナノリットルレベルの超微少量の潤滑油Ｘを歯部１１ａに順次供給することができる。このような歯部１１ａへの潤滑油Ｘの供給を、一定時間ごとに繰り返すことにより、歯車１１を潤滑することができる。

【0037】

以上のように、本実施形態に係るナノ潤滑方法は、ノズル先端２１に保持したナノリットルレベルの潤滑油Ｘを、歯車１１に接触させて供給するので、潤滑油を高圧で飛翔させる従来の潤滑方法に比べて、潤滑油Ｘの供給量を飛躍的に削減することができる。例えば圧電ポンプ３において、潤滑油Ｘの吐出量を２０ｎｌとし、吐出間隔を２０秒とした場合、潤滑油Ｘを５０，０００回（連続稼働時間２７８時間分に相当）供給しても、潤滑油Ｘの必要量はわずか１，０００，０００ｎｌ（１ｍｌ）に過ぎない。

【0038】

このように、本実施形態に係るナノ潤滑方法は、歯車１１の潤滑機能を確保するのに最低限必要なナノリットルレベルの超微少量の潤滑油Ｘを供給することができるので、潤滑対象の回転トルクや摺動抵抗が増加するのを効果的に抑制することができる。このため、潤滑対象の発熱を抑制することができる。また、潤滑油が潤滑対象の周囲にミストとして飛散するのを効果的に抑制することもできるので、クリーンルーム等の塵埃を嫌う空間にも支障なく使用することができる。

【0039】

［４．変形例］
前記実施形態においては、制御部４により圧電素子３３に対して一定間隔ごとに直流信号を供給するようにしているが、これに代えて、歯車１１の動作をセンサ（図示省略）により検知し、歯車１１の潤滑が低下したことを判定した場合に、圧電素子３３に電気信号を出力してもよい（オンデマンド出力）。

【0040】

また、前記実施形態においては、ノズル２の軸線Ｓ２を、水平方向に延びる法線Ｓ１に沿わせた状態でノズル２を配置しているが、斜め方向や鉛直方向へ延びる任意の法線に沿わせてノズル２を配置してもよい。

【0041】

さらに、前記実施形態において、制御部４は、ノズル２に対する１回の給油動作で電気信号を１パルスだけ出力するものであるが、複数パルス出力するものであってもよい。

【0042】

本発明に係るナノ潤滑方法は、前記した歯車１１以外に、リニアガイド、軸受、回転ローラ、摺動軸等の種々の潤滑対象に適用して実施することができる。なお、潤滑対象が回転ローラである場合には、ノズル先端に押し出された潤滑油Ｘの形状は、先端面が球面でなく、図４に示されるようなローラの外周面に沿った形状となる。

【符号の説明】

【0043】

２ ノズル ３ 圧電ポンプ ４ 制御部
５ 貯油タンク １１ 歯車（潤滑対象） ２１ ノズル先端
Ａ 潤滑装置 Ｘ 潤滑油

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】