JP2006316886A - 直動案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 走行音の低減による騒音特性の向上及びスライダ本体の滑らかな作動性を実現するとともに、転動体通過振動の低減による運動制動の向上を図ることが可能な直動案内装置を提供する。
【解決手段】ベアリングブロック２Ａの転動体軌道溝１１の端部に、所定の曲率半径Ｒで曲面形状としたクラウニング２４を設けている。このクラウニング２４のクラウニング量Ｃを、転動体転動路１４を転動する転動体Ｂの直径Ｄの０．３％〜１．５％の範囲の値に設定した。また、クラウニング２４を、曲率半径５００mm〜７００mmの範囲で湾曲する曲面形状とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、直動案内装置に関する。

ころやボール等の転動体を内部で無限循環させながら被案内物を直線的に案内する直動案内装置は、半導体製造装置や超精密加工機械，超精密測定機器等の運動精度に大きな影響を与える重要な機械要素の一つである。
直動案内装置は、レール側転動体軌道溝を設けた案内レールと、レール側転動体軌道溝に対向するスライダ側転動体軌道溝を設け、このスライダ側転動体軌道溝及びレール側転動体軌道溝の間に形成した転動体転動路内に配設された複数の転動体の転動を介して軸方向に移動可能となるように案内レールに支持されたスライダ本体とを備えた装置である。そして、この装置は、転動体転動路と略平行となるようにスライダ本体内に設けた転動体戻し路と、スライダ本体の移動方向の両端部に取付けられ、転動体戻し路の端部と前記転動体転動路の端部とを連通する半円弧状の転動体循環路の外周側循環溝を形成したエンドキャップと、このエンドキャップとスライダ本体との間に介装され、外周側循環溝と対向する位置に転動体循環路の内周側循環溝を形成しているリターンガイドとを備えている。

直動案内装置の転動体が、転動体転動路、転動体循環路及び転動体戻し路を無限循環する際には、周期的な微小振動（以下、転動体通過振動という）が発生し、前述した機器類の運動精度を大きく左右してしまう。前記転動体通過振動は、予圧や外部荷重によって負荷を受けながら転動体転動路（負荷域）を転動している転動体が、負荷域から転動体循環路（無負荷域）に出る際に負荷が開放されたり、また反対に、無負荷域から負荷域に進入する際に新たに負荷を負うことにより現れる。

この転動体通過振動の抑制には、転動体転動路を形成しているスライダ側転動体軌道溝の両端部にクラウニング加工を施すことにより、転動体の負荷域出入りに伴う負荷変動を徐々に行わせることで対応している（例えば、特許文献１）。
特開平０４-５４３１０号公報（第１１図、第１５図）

しかしながら、上述した直動案内装置は、スライダ本体に大きな荷重が作用したり、こじり等で大きな取付け誤差が生じたい場合には、作動性や騒音レベルが悪化しやすいという問題がある。また、スライダ側転動体軌道溝の端部に向かうクラウニングの傾きを最適に設定しないと、転動体通過振動が大きくなって運動精度が悪化するという問題もある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、走行音の低減による騒音特性の向上及びスライダ本体の滑らかな作動性を実現するとともに、転動体通過振動の低減による運動制動の向上を図ることが可能な直動案内装置を提供することを目的としている。

本出願人は、直動案内装置の騒音特性及び作動性について鋭意研究した結果、以下のことが判明した。
すなわち、直動案内装置の騒音特性及び作動性の悪化は、スライダ本体のスライダ側転動体軌道溝の両端部に形成したクラウニングのクラウニング量と、転動体の弾性変形量とに相関があるという知見を得た。ここで、クラウニング量とは、転動体とスライダ側転動体軌道溝の接触角方向の接触位置におけるスライダ側転動体軌道溝の逃げ量である。

クラウニング量と転動体の弾性変形量との相関についてさらに説明すると、従来の装置は、負荷容量の低下を最小限に抑えるため、或いは予圧量の値を基としたため、クラウニング量を転動体の直径の０．１５％以下程度としており、スライダ本体に大きな荷重が作用したり、こじり等で大きな取付け誤差が生じると、クラウニングを形成したスライダ側転動体軌道溝の端部側での転動体の弾性変形量がクラウニング量以上となり、転動体の円滑な転動が妨げられて騒音が大きくなるのである。なお、騒音は、転動体の列の隙間を僅かに設定した場合や、転動体の間に保持ピースを介装して転動体間のピッチを一定とした場合は、より顕著に発生する。

そこで、本願請求項１記載の直動案内装置は、軸方向に沿う側面にレール側転動体軌道溝を設けた案内レールと、前記レール側転動体軌道溝に対向するスライダ側転動体軌道溝を有し、これらレール側転動体軌道溝及びスライダ側転動体軌道溝の間に形成した転動体転動路内に配設された複数の転動体の転動を介して軸方向に移動可能となるように前記案内レールに支持されたスライダ本体と、前記転動体転動路と略平行となるように前記スライダ本体内に設けた転動体戻し路と、前記スライダ本体の移動方向の両端部に取付けられ、前記転動体戻し路の端部と前記転動体転動路の端部とを連通する半円弧状の転動体循環路の外周側循環溝を形成しているエンドキャップと、このエンドキャップと前記スライダ本体との間に介装され、前記外周側循環溝と対向する位置に前記転動体循環路の内周側循環溝を形成しているリターンガイドと、前記スライダ側転動体軌道溝の両端部に設けたクラウニングと、を備えた直動案内装置において、前記クラウニングのクラウニング量を、前記転動体転動路を転動する前記転動体の直径の０．３％〜１．５％の範囲の値に設定するとともに、前記クラウニングの形状を、前記スライダ側転動体軌道溝の端部に向かうに従い徐々に傾きが大きくなる形状とした。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の直動案内装置において、前記クラウニングの形状を、曲率半径５００mm〜７００mmの範囲で湾曲する曲面形状とした。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の直動案内装置において、前記クラウニングの長さを、前記転動体の直径以上とした。
さらに、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の直動案内装置において、前記クラウニングの端部とこの端部に連続している前記リターンガイドの内周側循環溝の溝端部との間に、段差解消部を設けた。

本発明の直動案内装置によると、予圧や外部荷重によって負荷を受けながら転動体転動路（負荷域）を転動している転動体が、転動体循環路（無負荷域）に出る際に負荷が徐々に開放されたり、また反対に、無負荷域から負荷域に進入する際に新たに負荷を負うときに負荷変動が徐々に行われる結果、転動体通過振動の低減による運動制動の向上を図ることができ、著しい騒音レベルの悪化や作動性の悪化を防止することができる。また、スライダ本体に大きな荷重が作用したり、こじり等で大きな取付け誤差が生じた場合であっても、最適なクラウニング量及び最適なクラウニング形状としたことから、転動体が負荷域及び無負荷域を円滑に転動するので、負荷容量の低下を抑えつつ著しい騒音レベルの悪化や作動性の悪化を防止することができる。

本発明に係る直動案内装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、直動案内装置の外観を示すものである。この直動案内装置は、案内レール１上に、門型形状のスライダ２が移動可能に組み付けられている。この案内レール１の上面と側面１ａとが交差する稜線部には、軸方向に延びる略１／４円弧形状の凹溝からなる転動体軌道溝１０が形成されている。また、案内レール１の両側面１ａの中間位置にも、軸方向に延びる断面ほぼ半円形の凹溝からなる転動体軌道溝１０が形成されている。

スライダ２は、スライダ２の本体をなすベアリングブロック２Ａと、その軸方向両端部に着脱可能に取り付けられた門型形状のエンドキャップ２Ｂとで構成されており、さらに、スライダ２の両端部（各エンドキャップ２Ｂの端面）には、案内レール１とスライダ２との間の隙間の開口をシールするサイドシール５がそれぞれ装着されている。
図２に示すように、ベアリングブロック２Ａの両袖部６の内側面の角部には、案内レール１の転動体軌道溝１０に対向する断面ほぼ半円形の転動体軌道溝１１が形成され、両袖部６の内側面の中央部には、案内レール１の転動体軌道溝１０に対向する断面ほぼ半円形の転動体軌道溝１１が形成されている。

そして、案内レール１の転動体軌道溝１０とベアリングブロック２Ａの両袖部６の転動体軌道溝１１とで４箇所の転動体転動路１４が形成されており、これらの転動体転動路１４は軸方向に延びている。また、スライダ２は、ベアリングブロック２Ａの袖部６の肉厚部分の上部及び下部に、転動体転動路１４と平行に軸方向に貫通した円形の貫通孔からなる転動体戻し路１３を備えている。

ここで、図３は、本発明に係る第１実施形態を示すものである。
エンドキャップ２Ｂは、図３に示すように、ベアリングブロック２Ａとの当接面側に、半円弧状の外周側循環溝１６を設けている。また、図３の符号１８で示す部材は、ベアリングブロック２Ａとエンドキヤップ２Ｂとの間に介装されたリターンガイドであり、このリターンガイド１８の外周に、外周側循環溝１６に対向する位置に内周側循環溝２０を設けている。これら外周側循環溝１６及び内周側循環溝２０が、転動体転動路１４と転動体戻し路路１３とを連通させる転動体循環路２２となっており、この転動体循環路２２内を転動する鋼球としての転動体Ｂを、転動体転動路１４の終点から転動体戻し路１３の始点へ送り、或いは、転動体戻し路１３の終点から転動体転動路１４の始点へ送るようになっている。

そして、本実施形態では、図３に示すように、ベアリングブロック２Ａの転動体軌道溝１１の端部に、所定の曲率半径Ｒで曲面形状としたクラウニング２４を設けている。このクラウニング２４の符号Ｃで示している寸法が、転動体Ｂと転動体軌道溝１１の接触角方向の接触位置における転動体軌道溝１１の逃げ量を示すクラウニング量である。
また、図３において転動体転動路１４内で実線で示す転動体Ｂは、予圧や外部荷重によって弾性変形している状態を示すものである。変形荷重が加わっていないときの転動体Ｂ（破線で示す転動体）の直径をＤとすると、実線のように転動体Ｂが最大に弾性変形しているときの直径をＬ１とすると、転動体Ｂの最大弾性変形量Ｈ_maxは、以下の式で求められる。
Ｈ_max ＝ Ｌ１ − Ｄ ……（１）
ここで、本実施形態では、クラウニング２４のクラウニング量Ｃを、転動体Ｂの最大弾性変形量Ｈ_maxより大きな値に設定している（Ｃ ＞ Ｈ_max）。

本実施形態では、転動体軌道溝１１の端部にクラウニング２４を設けたことで、予圧や外部荷重によって負荷を受けながら転動体転動路１４（負荷域）を転動している転動体Ｂが、負荷域から転動体循環路２２（無負荷域）に出る際に負荷が開放されたり、また反対に、無負荷域から負荷域に進入する際に新たに負荷を負うときに、負荷変動が徐々に行われるので、転動体通過振動の低減による運動制動の向上を図ることができ、著しい騒音レベルの悪化や作動性の悪化を防止することができる。

そして、直動案内装置は、各方向からの荷重やモーメントが複合して作用したり、取付け誤差がある状態で使用されることもあり、その大きさの許容値の目安としては、走行距離寿命（疲労による剥離寿命）を元に複合荷重や取付け誤差をラジアル方向の負荷荷重に換算し、その場合の許容値を、動定格荷重の２０％以下とするのが一般的であり、長寿命を要求される場合でのその値は、動定格荷重の１０％以下とするのが一般的である。しかしながら、従来の直動案内装置のスライダ本体に設けたクラウニングのクラウニング量は、ラジアル方向に動定格荷重の２０％の外力が作用したときの転動体の最大弾性変形量よりも小さい値としていたので、騒音レベルの悪化や作動性の悪化を生じる可能性があった。

それに対して、本実施形態では、クラウニング２４のクラウニング量Ｃを、転動体Ｂの最大弾性変形量Ｈ_maxより大きな値に設定したことで、ベアリングブロック２Ａに大きな荷重が作用したり、こじり等で大きな取付け誤差が生じた場合であっても、転動体軌道溝１１の端部側を転動する転動体Ｂの弾性変形量がクラウニング量Ｃより大きくならず転動体Ｂが円滑に転動するので、著しい騒音レベルの悪化や作動性の悪化を防止することができる。

さらに、本実施形態の騒音特性と耐久性の両立を考慮した直動案内装置を使用することにより、稼働前のテーブル体の稼働で騒音が発生した場合は、著しい取付け誤差や負荷荷重によって寿命の大幅な低下等の耐久性に悪影響を及ぼすことが見込まれ、本格的な稼働の前に取付け誤差の発生の有無等を検知することも可能となる。

次に、本発明に係る第２実施形態について、前述した図３と、図４及び図５を参照しながら説明する。
本実施形態では、クラウニング２４の曲率半径Ｒを５００mmとし、クラウニング量Ｃを転動体Ｂの直径Ｄに対して０．７５％に設定した。
そして、ベアリングブロック２Ａにローリング方向に大きな取付け誤差（０．００１rad）を設け、単体の転動体による転動体通過振動を実測したところ、クラウニング２４の曲率半径Ｒを５００mmとした本実施形態の転動体通過振動は、図４に示すように、従来の装置と略同等レベル（０．４μｍ程度）であった。

また、クラウニング２４の曲率半径Ｒを変化させて転動体通過振動を実測したところ、図４に示すように、クラウニング２４の曲率半径Ｒを５００mm以上とすると、転動体通過振動の悪化を抑制することがわかる。ここで、クラウニング２４の曲率半径Ｒが大きくなると転動体軌道溝１１の有効長Ｌ３が短くなって負荷容量が低下するので、従来装置と同等レベルの有効長を確保するためには、クラウニング２４の曲率半径Ｒを７００mm以下とするのが好ましい。

したがって、クラウニング２４の形状を、曲率半径５００〜７００の範囲で湾曲する曲面形状とすることで、予圧荷重あるいは外部荷重による転動体Ｂの弾性変形を緩やかに生じさせる結果、転動体通過振動を抑制して運動精度の低下を生じさせず、ベアリングブロック２Ａに大きな荷重が作用したり、こじり等で大きな取付け誤差が生じた場合であっても、負荷容量の低下を抑えることができる。
一方、一般的に、騒音レベルが５ｄＢ（Ａ）以上であると、人間の間隔でも音の大きさの有意差を確認することができることから、図５に示すように、騒音レベルが５ｄＢ（Ａ）未満となるように、クラウニング量Ｃを転動体直径に対して０．３％以上とすることが望ましい。

しかし、クラウニング量Ｃが増大すると、所定の値を境として負荷容量が低下して直動案内装置の寿命が低下してくる。すなわち、クラウニング量Ｃを１．５％より大きな値にすると、負荷容量が８０％未満となって直動案内装置の寿命が急激に低下してくることがわかる。これは、クラウニング量Ｃを１．５％より大きな値にすると、クラウニング長さＬ２が長くなることで転動体軌道溝１１の有効長Ｌ３を十分に確保することができず、負荷を受ける転動体の数が減少するので、転動体転動路１４の負荷容量が従来装置に対して８０％未満となり、耐久性が１／２以下と大幅に低下するからである。このため、直動案内装置の寿命の面から考えると、クラウニング量Ｃを１．５％以下とすることで、負荷容量の低下を最小限に抑え、従来の装置と比較して８０％以上の負荷容量の確保が可能となる。

したがって、クラウニング量Ｃを、０．３％〜１．５％の範囲に設定すると、騒音特性の向上と、耐久性の低減を最小限に抑えることができる。
また、各種評価試験及びシミュレート結果等により、転動体Ｂの弾性変形量に対するクラウニング長さＬ２と、転動体通過振動の大小には相関関係がある。すなわち、転動体Ｂの弾性変形量の変化が生じている区間の長さが長いほど転動体通過振動が小さいこと、さらに詳細には、前述した区間の長さが転動体Ｂの直径Ｄ以上であれば、転動体通過振動の低下が緩やかになることが明らかになった。
したがって、クラウニング長さＬ２を転動体Ｂの直径Ｄ以上に設定すると、転動体通過振動を低下させることができる。

次に、図６は、本発明に係る第３実施形態を示すものである。
本実施形態では、クラウニング２４の端部に平面的に延在する面取り部２６を形成し、前記端部と連続するリターンガイド１８の内周側循環溝２０の溝端部との間に僅かな凹みを設けている。この面取り部２６の長さは、転動体Ｂの直径Ｄ以下に設定されている。

本実施形態では、クラウニング２４の端部に面取り部２６を形成したことで、クラウニング２４とリターンガイド１８の内周側循環溝２０との間の連続部分での、大きな段差の解消やベアリング端面に装着する循環部品（エンドキャップ、リターンガイド）の位置ズレの吸収、或いは鋼球（転動体）等の他部品との干渉を防止することができ、転動体転動路１４、クラウニング２４及び転動体循環路２２との間を転動体Ｂが円滑に転動する。したがって、騒音特性をさらに向上させることができる。

なお、上述した面取り部２６に限らず、曲面的に延在する面取り部であってもよい。また、面取り部２６の他に、クラウニング２４の端部に別形状のクラウニングを形成したり、リターンガイド１８とともに同時に加工する部分を設けてもよい。
また、第１〜第３実施形態で示したクラウニング２４は、所定の曲率半径Ｒで湾曲した曲面形状としているが、内周側循環溝２０に向かうに従い、徐々に傾きが大きくなる２つ以上の平面により構成したクラウニングであっても、同様の効果を奏することができる。

また、図１及び図２では、案内レール１の両側とベアリングブロック２Ａの両袖部６との間に２箇所ずつの転動体転動路１４を形成した構造を示したが、１箇所ずつの転動体転動路１４を形成しても、同様の作用効果を奏することができる。
また、上記実施形態のクラウニング量Ｃは、転動体Ｂと転動体軌道溝１１の接触角方向の接触位置における転動体軌道溝１１の逃げ量であるが、加工の都合上、例えば２列同時に転動体転動溝１１にクラウニング加工を行う場合には、クラウニング量Ｃを転動体転動溝１１の溝底の変化量に換算し、その値を管理するようにすると、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記実施形態では、転動体Ｂとして鋼球を使用したが、転動体Ｂとして「ころ」を使用しても、同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る直動案内装置を示す斜視図である。 直動案内装置の構成部材であるベアリングブロックを示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視図であり、本発明に係る１実施形態を示すものである。 クラウニングの曲率半径を変化させて転動体通過振動を計測した実験結果のグラフである。 クラウニング量を変化させて騒音レベル変化及び負荷容量の割合変化を計測した実験結果のグラフである。 本発明に係る他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 案内レール
２ スライダ
２Ａ ベアリングブロック（スライダ本体）
２Ｂ エンドキヤップ
１０ 転動体軌道溝（レール側転動体軌道溝）
１１ 転動体軌道溝（スライダ側転動体軌道溝）
１３ 転動体戻し路
１４ 転動体転動路
１６ 外周側循環溝
１８ リターンガイド
２０ 内周側循環溝
２２ 転動体循環路
２４ クラウニング
２６ 面取り部（段差解消部）
Ｂ 転動体
Ｃ クラウニング量
Ｄ 転動体の直径

Claims (4)

1. 軸方向に沿う側面にレール側転動体軌道溝を設けた案内レールと、前記レール側転動体軌道溝に対向するスライダ側転動体軌道溝を有し、これらレール側転動体軌道溝及びスライダ側転動体軌道溝の間に形成した転動体転動路内に配設された複数の転動体の転動を介して軸方向に移動可能となるように前記案内レールに支持されたスライダ本体と、前記転動体転動路と略平行となるように前記スライダ本体内に設けた転動体戻し路と、前記スライダ本体の移動方向の両端部に取付けられ、前記転動体戻し路の端部と前記転動体転動路の端部とを連通する半円弧状の転動体循環路の外周側循環溝を形成しているエンドキャップと、このエンドキャップと前記スライダ本体との間に介装され、前記外周側循環溝と対向する位置に前記転動体循環路の内周側循環溝を形成しているリターンガイドと、前記スライダ側転動体軌道溝の両端部に設けたクラウニングと、を備えた直動案内装置において、
   前記クラウニングのクラウニング量を、前記転動体転動路を転動する前記転動体の直径の０．３％〜１．５％の範囲の値に設定するとともに、前記クラウニングの形状を、前記スライダ側転動体軌道溝の端部に向かうに従い徐々に傾きが大きくなる形状としたことを特徴とする直動案内装置。
2. 前記クラウニングの形状を、曲率半径５００mm〜７００mmの範囲で湾曲する曲面形状としたことを特徴とする請求項１記載の直動案内装置。
3. 前記クラウニングの長さを、前記転動体の直径以上としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直動案内装置。
4. 前記クラウニングの端部と、この端部に連続している前記リターンガイドの内周側循環溝の溝端部との間に、段差解消部を設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の直動案内装置。

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