JP2008051129A - リニアガイド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することのできるリニアガイド装置を提供する。
【解決手段】案内レール及びスライダ本体の転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧８で形成するとともに、溝面中央部に隣接する転動体軌道溝の溝面側部を第１の円弧８より曲率半径の大きい第２の円弧９で形成したリニアガイド装置において、第１の円弧の曲率半径をｒ１、第２の円弧の曲率半径をｒ２、ボール３の直径をＤａとしたとき、0.50Ｄａ＜ｒ１≦0．52Ｄａ、0.54Ｄａ≦ｒ２≦0．60Ｄａを満たす値に第１の円弧８及び第２の円弧９の曲率半径を設定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、往復直線運動する物体をその移動方向に案内するリニアガイド装置に関する。

加工機械、測定機器などの各種産業機械に用いられるリニアガイド装置は、一般に、直線状に形成された案内レールと、案内レールの長手方向に相対移動するスライダと、スライダ内に転動自在に組み込まれた多数の球状転動体とからなり、スライダは案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体と、スライダ本体の一端と他端に装着された一対のエンドキャップとを備えた構成となっている。

このようなリニアガイド装置の転動体軌道溝は、従来、その断面形状が単一の円弧形状となっているため（例えば、特許文献１参照）、転動体に大きな負荷荷重が加わると、転動体軌道溝と転動体との接触幅が大きくなる。このため、転動体と転動体軌道溝との接触部に発生する転がり摩擦力（動摩擦力）が増大し、スライダを作動させるのに大きな動力を必要とするなどの難点がある。そこで、転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、溝面中央部と隣接する転動体軌道溝の溝面側部を第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成したリニアガイド装置が考案されている（特許文献２参照）。

このようなリニアガイド装置によると、転動体軌道溝の断面形状が単一の円弧形状の場合と比較して、転動体軌道溝と転動体との接触幅がそれほど大きくならないため、動摩擦力の増大を抑制することができる。
特開平７−３５１３６号公報 特公昭６２−４４１３０号公報

しかしながら、上述したリニアガイド装置では、転動体の直径をＤａとすると、第１の円弧の曲率半径Ｒ１がＲ１≒0.56Ｄａに設定されていると共に第２の円弧の曲率半径Ｒ２がＲ２≒0.70Ｄａに設定されている。このため、動摩擦力の増大を抑制できるものの、転動体の接触面圧が高くなってしまい、リニアガイド装置の短寿命化を招くという問題がある。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することのできるリニアガイド装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備えてなり、前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成したリニアガイド装置において、前記第１の円弧の曲率半径をｒ１、前記スライダ内に転動自在に組み込まれた転動体の直径をＤａとしたとき、0.50Ｄａ＜ｒ１≦0．52Ｄａを満たす値に前記第１の円弧の曲率半径を設定したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のリニアガイド装置において、前記第２の円弧の曲率半径をｒ２、前記スライダ内に転動自在に組み込まれた転動体の直径をＤａとしたとき、0.54Ｄａ≦ｒ２≦0．60Ｄａを満たす値に前記第２の円弧の曲率半径を設定したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のリニアガイド装置において、前記第１の円弧の円弧角度を２θ１としたとき、10°≦θ１≦20°を満たす値に前記第１の円弧の円弧角度を設定したことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項記載のリニアガイド装置において、前記転動体軌道溝に研削加工を施した後、前記転動体軌道溝の溝面中央部と溝面側部との接続部に仕上げ加工を施したことを特徴とする。

本発明に係るリニアガイド装置によれば、転動体に大きな負荷荷重が加わっても転動体の接触面圧が過度に大きくなったりすることがないので、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第１の実施形態を図１〜図３に示す。図１に示されるリニアガイド装置は、直線状に形成された案内レール１と、この案内レール１の長手方向に相対移動するスライダ２と、このスライダ２内に転動自在に組み込まれた転動体としての多数のボール３（図２参照）とからなり、スライダ２は案内レール１の左右側面部に二条ずつ形成された転動体軌道溝４と各々対向する四条の転動体軌道溝６を有するスライダ本体５と、このスライダ本体５の一端と他端に装着された一対のエンドキャップ７，７とを備えて構成されている。

転動体軌道溝４，６の溝面は、図３に示すように、第１の円弧８と第２の円弧９によって形成されている。これらの円弧８，９のうち第１の円弧８は転動体軌道溝４，６の溝面中央部を形成しており、ボール３の直径をＤａとすると、第１の円弧８はその曲率半径ｒ１が下式（１）を満たす値に設定されているとともに、その円弧角２θ１が下式（２）を満たす値に設定されている。
0.50Ｄａ＜ｒ１≦0.52Ｄａ ‥‥（１）
10°≦θ１≦20° ‥‥（２）
一方、第２の円弧９は溝面中央部と隣接する転動体軌道溝４，６の溝面側部を形成しており、ボール３の直径をＤａとすると、第２の円弧９はその曲率半径ｒ２が下式（３）を満たす値に設定されている。
0.54Ｄａ≦ｒ２≦0.60Ｄａ ‥‥（３）

影響係数を用いた応力解析法でボールの接触面圧を表１に示す数値条件で計算し、その計算結果に基づいて作成したボールの接触面圧分布を図４に示す。また、図４の接触面圧分布から得られる接触面圧の最大値と滑り摩擦係数を0.1として計算した動摩擦力との関係を図５に示す。なお、図４において曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４はリニアガイド装置の仕様が表１の実施例１ａ、実施例１ｂ、比較例１、比較例２である場合のボールの接触面圧分布を示している。

図４及び図５から明らかなように、転動体軌道溝の断面が単一の円弧形状で、その円弧弧の曲率半径とボール直径との比ｆ１（＝ｒ１／Ｄａ）がｆ１＝0.51の場合（表1の比較例１）は、ボールの最大接触面圧を小さくできるものの、動摩擦力が大きくなってしまうことがわかる。また、第１の円弧８の曲率半径とボール直径との比ｆ１がｆ１＝0.56で、第２の円弧９の曲率半径と転動体直径との比ｆ２（＝ｒ２／Ｄａ）がｆ２＝0.70の場合（表1の比較例２）は、動摩擦力を小さくできるものの、ボールの最大接触面圧が大きくなってしまうことがわかる。

これに対し、ｆ１がｆ１＝0.515でｆ２がｆ２＝0.54の場合（表1の実施例１ａ）や、ｆ１がｆ１＝0.51でｆ２がｆ２＝0.56の場合（表1の実施例１ｂ）の場合は、表１の比較例１及び比較例２と比較して、ボールの最大接触面圧を小さくできると共に動摩擦力を小さくできることがわかる。
Ｄａ＝4.7625ｍｍ、ｆ２＝0.54、θ１＝20°の条件でｆ１を0.505〜0.56の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧を計算した結果を図６に示す。同図から明らかなように、動摩擦力の増大を抑えつつボールの最大接触面圧を効果的に低減するためには、ｆ１を0.52以下にすればよいことがわかる。ただし、ｆ１が0.50以下になると、転動体軌道溝を研削加工した時の加工誤差などによってボールが転動体軌道溝に部分当たりし、接触面圧が部分的に増大したりする可能性があるため、ｆ１を0.50＜ｆ１≦0.52、好ましくは0.505≦ｆ１≦0.52とすることが望ましい。

次に、Ｄａ＝4.7625ｍｍ、ｆ１＝0.51、θ１＝10°の条件でｆ２を0.51〜0.70の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧と動摩擦力を計算した結果を図７及び図８に示す。図７及び図８から明らかなように、ボールの最大接触面圧を効果的に低減するためには、ｆ２を0.60以下にすればよいことがわかる。また、動摩擦力の増大を効果的に抑制するためには、ｆ２を0.54以上にすればよいことがわかる。

次に、Ｄａ＝4.7625ｍｍ、ｆ１＝0.51、ｆ２＝0.54の条件でθ１を０°〜30°の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧と動摩擦力を計算した結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０から明らかなように、動摩擦力の増大を抑えつつ転動体の最大接触面圧を効果的に低減するためには、θ１を10°以上20°以下にすればよいことがわかる。

したがって、第１の円弧８の曲率半径ｒ１を0.50Ｄａ＜ｒ１≦0.52Ｄａに設定するとともに、第２の円弧９の曲率半径ｒ２を0.54Ｄａ≦ｒ２≦0.60Ｄａに設定し、かつ第１の円弧８の円弧角２θ１を10°≦θ１≦20°に設定することにより、ボールに大きな負荷荷重が加わってもボールの接触面圧が過度に大きくなったりすることがないので、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することができる。

ところで、図３に示したような断面形状の転動体軌道溝を得ようとすると、二つの円弧８，９を滑らかに接続できないという問題が発生することがある。すなわち、第１の円弧８と第２の円弧９との接続部に数ミクロン程度の角部や段差が生じてしまうことがある。このような角部や段差は、応力集中の原因となり、リニアガイド装置の寿命を短くする。この問題は、ドレッサを高精度に注意深く加工すれば回避できるが、ドレッサの加工コストが増大するという問題が生じる。そこで、転動体軌道溝は、次のような方法で加工することが望ましい。

すなわち、ドレッサで成形した砥石によって転動体軌道溝を研削加工した後、転動体軌道溝の研削加工面にテープ研磨（ポリエステルなどからなるフィルムの表面にアルミナなどの砥粒が均一に塗布されたテープを用いて研磨する方法）、超仕上げ、バフ仕上げ、ショットピーニングなどの仕上げ加工を施す。この場合、ドレッサは必ずしも円弧を完全に滑らかに繋げていなくてもよい。また、仕上げ加工は研削加工面全体に行なってもよいし、第１の円弧と第２の円弧との接続部付近のみに行ってもよい。

このような方法によれば、研削可能を行った時点で第１の円弧と第２の円弧との接続部に多少の角部や段差があっても、この部分を仕上げ加工によって滑らかに加工できるので、応力集中による寿命の短縮化を防止できる。また、非常に高精度なドレッサを用意する必要がないので、コストを低減することができる。
上述した実施形態では転動体としてボールを用いたリニアガイド装置に本発明を適用した場合を例示したが、例えば特公昭62−24653号公報に示されるような球面ころを転動体として用いたリニアガイド装置にも本発明を適用できることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係るリニアガイド装置を示す斜視図である。 図１に示すリニアガイド装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るリニアガイド装置の要部を示す図で、（ａ）は転動体軌道溝の断面形状を示す図、（ｂ）は第１の円弧と第２の円弧の曲率中心を示す図である。 転動体の接触面圧分布を示す図である。 転動体接触面圧の最大値と動摩擦力との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の曲率半径と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面側部を形成する第２の円弧の曲率半径と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面側部を形成する第２の円弧の曲率半径と動摩擦力との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の円弧角度と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の円弧角度と動摩擦力との関係を示す図である。

符号の説明

１ 案内レール
２ スライダ
３ ボール
４，６ 転動体軌道溝
５ スライダ本体
７ エンドキャップ
８ 第１の円弧
９ 第２の円弧

Claims (4)

1. 案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備えてなり、前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成したリニアガイド装置において、
   前記第１の円弧の曲率半径をｒ１、前記スライダ内に転動自在に組み込まれた転動体の直径をＤａとしたとき、0.50Ｄａ＜ｒ１≦0．52Ｄａを満たす値に前記第１の円弧の曲率半径を設定したことを特徴とするリニアガイド装置。
2. 請求項１記載のリニアガイド装置において、前記第２の円弧の曲率半径をｒ２、前記スライダ内に転動自在に組み込まれた転動体の直径をＤａとしたとき、0.54Ｄａ≦ｒ２≦0．60Ｄａを満たす値に前記第２の円弧の曲率半径を設定したことを特徴とするリニアガイド装置。
3. 請求項１又は２記載のリニアガイド装置において、前記第１の円弧の円弧角度を２θ１としたとき、10°≦θ１≦20°を満たす値に前記第１の円弧の円弧角度を設定したことを特徴とするリニアガイド装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載のリニアガイド装置において、前記転動体軌道溝に研削加工を施した後、前記転動体軌道溝の溝面中央部と溝面側部との接続部に仕上げ加工を施したことを特徴とするリニアガイド装置。

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