JP2005016719A - 制振材料及びこの制振材料を組み込んだ運動案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い減衰性能を発揮し、且つ剛性も高めることができるコンパクトな制振材料を提供する。
【解決手段】 複数枚の薄い金属層８と複数枚の薄い減衰層９とを、金属層８と薄い減衰層９が交互に配置されるように積み重ねる。そして、積み重ねた制振材料６の全体の厚みを１ｍｍ以下に設定する。金属層８と薄い減衰層９との界面が複数設けられるので、振動エネルギを摩擦エネルギに変換しやすくなり、大きな減衰力が発生する。また全体の厚みが１ｍｍ以下なので、せん断力による制振材料６の変形量も小さくすることができ、制振材料６の剛性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、減衰性能をもたせた制振材料に関し、特にベースに対してテーブルが相対的に移動するのを案内する案内システムに減衰機能を付与する制振材料に関する。

ベースに対してテーブルが移動するのを案内する案内システムが知られている。案内システムは、ベースに取り付けられる軌道レールと、テーブルに取り付けられ、軌道レールに沿ってスライド可能な移動ブロックとを有する。軌道レールに対して移動ブロックが滑らかにスライドするように、軌道レールと移動ブロックとの間には転がり運動するボール、ローラ等の転動体が介在される。

ボールねじ等の駆動機構を用いて、テーブルを移動させた後にテーブルを急停止させるとテーブルがその進行方向に振動する。案内システムを工作機械や部品実装機や半導体・液晶製造装置に組み込んだ場合、振動が収まるまで加工を待たなければならないので、振動を減衰させる必要がある。

従来の案内システムでは、テーブルの振動を減衰させるために、予圧方式、すなわち転動体に内部荷重を与える方式が採用されていた。例えば軌道レールの転動体転走溝と移動ブロックの転動体転走溝の間の隙間よりも大きな外形の転動体を、軌道レールと移動ブロックとの間に介在させていた。転動体に内部荷重を与えると、転動体が転動体転走溝を転がる際の摩擦抵抗が大きくなり、動剛性が向上する。また振動エネルギを摩擦による熱エネルギにより変換することができ、これにより振動を減衰させることができる。

しかし、転動体に内部荷重を与えると軌道レールに対して移動ブロックが摺動する際の抵抗が大きくなり、転動体の寿命も短くなってしまう。

ところで、建築物を地震から守るための免震装置として、建築物と基礎との間に介在される積層ゴムが知られている。この積層ゴムは鉄板とゴムとを交互に重ね合わせたものであり、鉛直方向荷重に対しては剛性が高く、水平方向荷重に対しては変形が大きく減衰効果が大きいという特徴を有する。

しかし、従来の積層ゴムはその高さが一般的に小さいものでも１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度あり、小型化が要求される案内システムに組み込むのには適さない。しかも積層ゴムの高さが高い分、水平方向荷重（せん断力）による積層ゴムの変形量も大きくなってしまい、この点からも高い剛性が要求される案内システムには適さない。

そこで本発明は、高い減衰性能を発揮し、且つ剛性も高めることができるコンパクトな制振材料を提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。上記課題を解決するために、本発明者は複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを積層し、その全体の厚みを従来の積層ゴムからは考えられない薄さに設定した。

すなわち請求項１の発明は、複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、前記金属層と前記減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みを１ｍｍ以下にしたことを特徴とする制振材料により、上述した課題を解決する。

高い減衰性能を発揮し、且つ剛性も高めるという観点から、前記制振材料は全体の厚みが０．５ｍｍ以下であることが望ましく、また前記金属層の厚みが２０μｍ〜４０μｍであり、前記減衰層の厚みが５μｍ〜１０μｍであることが望ましい。

前記減衰層がゴム又は樹脂の層からなると共に前記金属層に印刷されていると、積層する減衰層の厚みを薄くできる。

前記金属層と前記減衰層との界面が、谷部と山部を交互に有する波形に形成されると、界面の面積を大きくすることができ、より高い減衰性能を発揮することができる。

また本発明は、軌道レールと、軌道レールに沿ってスライド可能な移動ブロックとを備える運動案内装置において、前記移動ブロックに、複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、前記金属層と前記減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みが１ｍｍ以下の制振材料を取り付けたことを特徴とする運動案内装置としても構成することができる。

さらに本発明は、ベースとテーブルとの間に運動案内装置を介在させ、ベースに対してテーブルが相対的に運動するのを案内する案内システムにおいて、前記運動案内装置は、ベースに取り付けられる軌道レールと、軌道レールに沿ってスライド可能で且つ前記テーブルに取り付けられる移動ブロックとを有し、前記テーブルと前記移動ブロックとの間に、複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、金属層と減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みが１ｍｍ以下の制振材料を設けることを特徴とする案内システムとしても構成することができる。

本発明によれば、制振材料の減衰能力を高めることができ、且つ制振材料の剛性を高める、すなわち制振材料がせん断により変形する量を小さくしたり、制振材料が受けられる圧縮荷重を大きくしたりできる。

また、現在の移動ブロックを設計変更しないで、移動ブロックの上面を切削する等の追加工だけで制振材料を移動ブロックに組み込むことができる。

さらに、複数の減衰層を有するので、テーブル側で発生する熱が運動案内装置まで伝わるのを遮断する断熱効果も有する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態における制振材料を組み込んだ案内システムを示す。案内システムは、例えばマシニングセンタ、旋盤、フライス盤等の工作機械、電気回路基板に部品を取り付けるための部品実装機等のロボット、ダイサ、ワイヤボンダ等の半導体・液晶製造装置に使用され、ベース１に対してテーブル２が直線運動又は曲線運動するのを支える。

ベース１には、細長く延びる軌道レール３が取付けられる。軌道レール３には軌道レール３に沿ってスライド可能に鞍状の移動ブロック４が取付けられる。この移動ブロック４の上面にテーブル２が取り付けられている。この実施形態では、２本の軌道レール３，３と４個の移動ブロック４…が設けられているが、勿論軌道レール３の本数、移動ブロック４の個数等は使用される機械に応じて様々に設定される。

軌道レール３と移動ブロック４との間には、移動ブロック４が軽くスライドできるように、転動体として複数のボール５…が介在される。この複数のボール５…は、軌道レール３に沿って細長く延びるボール転走溝３ａ…と、移動ブロック４の内側にボール転走溝３ａ…に対向して形成された負荷ボール転走溝４ａ…との間を転がり運動する。これら軌道レール３と移動ブロック４とで構成される運動案内装置の詳細については後述する。

移動ブロック４とテーブル２との間には、制振材料として、薄く且つ移動ブロック４の平面形状に合せた矩形状の制振パッド６…が挟まれる。テーブル２は例えば図示しないボールねじ等の駆動機構によって図中Ｘ方向に直線的に移動される。テーブル２を急停止させるとテーブル２が図中Ｘ方向に振動する。この振動が収まるまで工作機械だったら次の加工に進めなくなり、部品実装機だったら部品を実装することができない。本実施形態の制振パッド６は、テーブルのＸＹ平面内のいずれの方向の振動にも抵抗して振動を減衰させ、振動を時間的に早く収束させる。

制振パッド６は例えば次のようにして移動ブロック４とテーブル２との間に固定される。移動ブロック４の上面にねじ孔４ｂ…を形成し、テーブル２及び制振パッド６にボルトが挿通する孔を形成し、ボルトによる締結手段を用いてテーブル２及び制振パッド６を移動ブロック４に固定する。この固定の場合、これら３者が剛体のように一体化しないように、すなわち移動ブロック４に対してテーブル２が僅かに変位できるようにボルトの締め付けトルクを管理する。なおこの他にも、移動ブロック４と制振パッド６とを接着し、また制振パッド６とテーブル２とを接着して固定する方法も採用しうる。

図３は制振パッドの断面図を示す。制振パッド６は、複数枚の薄い金属層と、金属層とはヤング率の異なる複数枚の減衰層とを交互に積み重ねて構成される。具体的には、複数枚の薄いステンレス製又は鉄製の平板状の金属板からなる金属層８…を用い、複数枚の薄いゴム、樹脂又はセメント等の層からなる平板状の減衰層９…を用い、金属層８と減衰層９が交互に配置されるように積み重ねて構成される。この実施形態の制振パッド６は、金属層８に薄いゴムの層からなる減衰層９を印刷した一枚のユニットＵを複数枚積層させて構成されている。減衰層９が印刷されるユニットＵ同士は接着されていない。減衰層９は、例えば減衰性能を有する液状のゴムを金属層８の表面全面にスクリーン印刷し、加熱等で液状のゴムを硬化することで形成される。この他にも金属板の表面にゴムシートを載置して加熱加圧する方法や、ゴム層を射出成型により金属板の表面に形成する方法が採用されてもよい。

なお、大きな減衰力を得るためにはユニット同士Ｕを接着させないのが望ましいが、取扱いの容易さを考慮してユニット同士Ｕを接着させてもよい。制振パッド６の最外層は金属層８でもよいし、減衰層９でもよい。また、外側に位置する金属層８をかしめて制振パッドを一体のものにしてもよい。

本実施形態の制振パッド６の特徴は、減衰力を大きくするために、非常に薄い金属層８と減衰層９とを何層にも積み重ね、金属層８と減衰層９との界面１０…を何層にも設けたことにある。界面１０…が何層もあると大きな減衰力が働く理由の一つに以下のことが考えられる。制振パッド６にせん断力が働くと、金属層８と減衰層９の界面１０…にお互いをずれさせようと力が働く。このずれにより界面１０…に摩擦力が働き、この摩擦力が振動エネルギを熱エネルギに変換して減衰力が発生する。界面１０…が何層にもなると摩擦力も大きくなり、より大きな減衰力が発生する。

具体的な寸法としては、金属層８の厚みは２０μｍ〜４０μｍに設定され、減衰層９の厚みは５μｍ〜１０μｍに設定される。そして制振パッド全体の厚みｔは、１ｍｍ以下、この実施形態では０．５ｍｍ程度に設定される。金属層８の厚み及び減衰層９の厚みが上記寸法よりも大きくなると、積層枚数が減ってしまい、制振パッドの減衰力が減ってしまう。一方、金属層８の厚み及び減衰層９の厚みが上記寸法よりも小さくなると、負荷できる厚み方向の圧縮荷重が減ってしまう。

次に制振パッド全体の厚みを１ｍｍ以下、この実施形態では０．５ｍｍ程度にした理由について説明する。図１に示されるテーブル２を急停止させたときに、制振パッド６には、図４に示すようにせん断力Ｐが働く。せん断力Ｐが働くと、上の面は下の面に対してλだけずれる。λはせん断によっておこる変形量である。厚みｔに対してλだけせん断変形したとすると、せん断ひずみψは、ψ＝λ／ｔで表される。材料力学の理論からせん断力Ｐが一定値であるとすると、せん断ひずみψも一定値になる関係があるので、厚みｔが厚くなるほどせん断による変形量λが大きくなる。制振パッド６全体の厚みを０．５ｍｍ程度と極めて薄くすることで、せん断による変形量を小さくすることができる。これに対し、厚みが２０ｍｍ程度もある従来の建築用の積層ゴムでは、せん断による変形量λが大きくなりすぎて、高度な剛性を要求される案内システムには適さない。

厚さを０．５ｍｍ程度にしたもう一つの理由は、現在の移動ブロック４を設計変更しないで、移動ブロック４の上面を切削する等の追加工だけで制振パッド６を移動ブロック４に組み込むことができるからである。移動ブロック４の設計変更をしなくて済むので、既にある工作機械や部品実装機に後から制振パッド６を組み込むこともできる。

この他にもこの制振パッド６は、複数の減衰層９…を有するので、テーブル２側で発生する熱が運動案内装置まで伝わるのを遮断する断熱効果も有する。

図５は、運動案内装置の詳細図を示す。この運動案内装置は、直線状に細長く延びる軌道部材としての軌道レール３と、この軌道レール３に対して相対的にスライド可能に組み付けられる移動ブロック４とを備えている。軌道レール３と移動ブロック４との間には、転がり運動可能な多数の転動体としてのボール５…が介在される。

軌道レール３の左右両側面には、例えば長手方向に沿って延びる２条のボール転走溝３ａ，３ａが形成される。これらボール転走溝３ａ，３ａは互いに平行に伸びている。

移動ブロック４は、軌道レール３の上面に対向する中央部１１と、中央部１１の左右両側から下方に延びて軌道レール３の左右側面に対向する側壁部１２とを備える。またこの移動ブロック４は、移動ブロック４の移動方向の両端に一対の側蓋１３，１３を有する。移動ブロック４の側壁部１２には、軌道レール３のボール転走溝３ａ，３ａに対向する２条の負荷ボール転走溝４ａ，４ａが形成される。負荷ボール転走溝４ａ，４ａは、左右側壁部１２，１２の上下に２条ずつ合計４条設けられ、これら負荷ボール転走溝４ａ，４ａは互いに平行に伸びる。

移動ブロック４の側壁部１２には、上下２条の負荷ボール転走溝４ａから所定間隔を隔てて平行に設けられる上下２条のボール戻し通路１４，１４と、負荷ボール転走溝４ａの端とボール戻し通路１４の端を接続してボール５…を循環させるＵ字状の方向転換路が設けられる。これら負荷ボール転走溝４ａ、一対の方向転換路、及びボール戻し通路１４によってサーキット状のボール循環路が構成される。

複数のボール５…はボール循環路内に、配列・収容される。ボール５…はボールリテーナを介して一連につなげられることもある。

側蓋１３は、移動ブロック４に断面形状を合せている。この側蓋１３には方向転換路の外周側が形成される。側蓋１３には、ブロック本体の負荷ボール転走溝に潤滑剤を供給するための潤滑剤供給通路が設けられている。

軌道レール３に対して移動ブロック４が移動すると、ボール５…が軌道レール３のボール転走溝３ａと移動ブロック４の負荷ボール転走溝４ａとの間を荷重を受けながら転がり運動する。移動ブロック４の負荷ボール転走溝４ａの一端まで移動したボール５…は、一方の方向転換路、ボール戻し通路１４、及び反対側の方向転換路を経由した後、再び負荷域の負荷ボール転走溝４ａに入る。このようにボール５…が無負荷域から負荷域に移行する際にも、僅かな振動が発生するが、本実施形態の制振パッド６はこの僅かな振動を減衰させるのにも効果がある。

図６は、制振パッド２１の他の例の断面図を示す。この例の制振パッド２１も、複数枚の薄い金属層２２と、金属層２２とはヤング率の異なる複数枚の減衰層２３とを交互に積み重ねて構成される。この実施形態の制振パッド２１では、金属層２２はプレス加工等により波形に形成される。波形の金属層２２には、波形にゴムの層からなる減衰層２３が印刷される。そして制振パッド２１は、金属層２２に減衰層２３を印刷した一枚のユニットＵを複数枚積層させて構成されている。減衰層２３が印刷されるユニットＵ同士は接着されていない。金属層２２の厚みは２０μｍ〜４０μｍに設定され、減衰層２３の厚みは５μｍ〜１０μｍに設定され、そして制振パッド全体の厚みは、１ｍｍ以下、この実施形態では０．５ｍｍ程度に設定される。

この例の制振パッド２１の特徴は、金属層２２と減衰層２３との界面２４が、さらに谷部と山部を交互に有する波形に形成されることにある。界面２４を波形にすることにより、一定の体積中の界面２４の面積が増える。振動エネルギを熱エネルギに変換する界面の面積が増えるので、より大きな減衰力を働かせることができる。

なお本発明の制振材料は上記実施形態に限られることなく、その要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば本発明の制振材料は、案内システムにおけるテーブルと運動案内装置との間に配置されるのに限られることなく、振動を減衰させる機械の様々な部分に配置されてよい。また、本発明の制振材料は、直動ガイドのような運動案内装置に組み込むのに限られることなく、ボールスプライン、ボールねじ等の運動案内装置に組み込むことが可能である。

本発明の一実施形態における制振パッドを組み込んだ案内システムを示す斜視図。 上記案内システムの部分断面図。 制振パッドの断面図。 せん断力によるひずみを示す模式図。 運動案内装置を示す斜視図。 制振パッドの他の例を示す断面図

符号の説明

１…ベース
２…テーブル
３…軌道レール
４…移動ブロック
６…制振パッド
８…金属層
９…減衰層

Claims (7)

1. 複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、前記金属層と前記減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みを１ｍｍ以下にすることを特徴とする制振材料。
2. 前記制振材料は、全体の厚みが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の制振材料。
3. 前記金属層の厚みが２０μｍ〜４０μｍであり、前記減衰層の厚みが５μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振材料。
4. 前記減衰層は、ゴム又は樹脂の層からなると共に前記金属層に印刷されていることを特徴とする請求項１に記載の制振材料。
5. 前記金属層と前記減衰層との界面が、谷部と山部を交互に有する波形に形成されることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の制振材料。
6. 軌道レールと、軌道レールに沿ってスライド可能な移動ブロックとを備える運動案内装置において、
   前記移動ブロックに、複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、前記金属層と前記減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みが１ｍｍ以下の制振材料を取り付けたことを特徴とする運動案内装置。
7. ベースとテーブルとの間に運動案内装置を介在させ、ベースに対してテーブルが相対的に運動するのを案内する案内システムにおいて、
   前記運動案内装置は、ベースに取り付けられる軌道レールと、軌道レールに沿ってスライド可能で且つ前記テーブルに取り付けられる移動ブロックとを有し、
   前記テーブルと前記移動ブロックとの間に、
   複数枚の薄い金属層と、前記金属層とはヤング率の異なる複数枚の薄い減衰層とを、金属層と減衰層が交互に配置されるように積み重ね、全体の厚みが１ｍｍ以下の制振材料を設けることを特徴とする案内システム。

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