JP2008185144A - 直動装置及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発塵性，アウトガス性，耐荷重性，及び耐久性に優れる直動装置を提供する。
【解決手段】直動案内装置は、転動体転動溝１０を有し軸方向に延びる案内レール１と、転動体転動溝１０に対向する転動体転動溝１１を有するスライダ２と、転動体転動溝１０，１１で形成される転動体転動路１４内に転動自在に装填された多数の転動体３と、を備えており、転動体３の転動を介してスライダ２が軸方向に直線移動可能とされている。転動体３は金属又はセラミックからなり、各転動体３の間にはスペーサーは介装されていない。転動体転動溝１０の内面，転動体転動溝１１の内面，転動体３の表面の少なくとも１つには、オイルプレーティング処理により、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油と、分子構造中に官能基を有する潤滑油と、フッ素樹脂とからなる潤滑剤で構成された潤滑膜が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直動案内装置，ボールねじ等の直動装置及びその使用方法に関する。

真空下において使用される直動装置の潤滑剤としては、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の潤滑油や該潤滑油を基油とするグリースが一般的である（特許文献１，２を参照）。また、前述のような潤滑油やグリースをフェルト，多孔質樹脂に含浸させたものや、樹脂と混合して固化させたものもある（特許文献３を参照）。さらに、直動装置の摺動面（軌道面や転動体の転動面）に、オイルプレーティング処理により、前述のような潤滑油及びフッ素樹脂を含有する潤滑剤からなる潤滑膜を形成する場合もある（特許文献４を参照）。
特開２００１−１５２１７５号公報 特開２００１−７２９８７号公報 特開２００１−５９０９４号公報 特開２００５−３６９５９号公報

しかしながら、特許文献１，２において潤滑油又はグリースの基油としてフッ素油又は炭化水素油を使用した場合は、直動装置の耐荷重性や耐久性は優れているものの、発塵やアウトガスが問題となるおそれがあった。また、特許文献３においてフッ素油又は炭化水素油を使用した場合は、直動装置の耐荷重性や耐久性が不十分となるおそれや、発塵が問題となるおそれがあった。

さらに、特許文献４において２種類のフッ素油及びフッ素樹脂を含有する潤滑剤からなる潤滑膜を形成した場合は、発塵性やアウトガス性は問題ないが、直動装置の耐荷重性や耐久性が不十分となるおそれがあった。さらに、特許文献４において炭化水素油及びフッ素樹脂を含有する潤滑剤からなる潤滑膜を形成した場合は、直動装置の摺動面に対する潤滑膜の付着性が不十分となるおそれがあった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、発塵性，アウトガス性，耐荷重性，及び耐久性に優れる直動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の直動装置は、軌道面を有し軸方向に延びる案内部材と、前記案内部材の軌道面に対向する軌道面を有するとともに前記両軌道面の間に転動自在に配された複数の転動体の転動を介して軸方向に直線移動可能に前記案内部材に支持された可動部材と、を備え、前記転動体が金属又はセラミックからなり、前記各転動体の間にスペーサーが介装されていない直動装置において、前記案内部材の軌道面，前記可動部材の軌道面，及び前記転動体の転動面の少なくとも１つに、オイルプレーティング処理により、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油と、分子構造中に官能基を有する潤滑油と、フッ素樹脂とからなる潤滑剤で構成された潤滑膜を形成したことを特徴とする。

直動案内装置，ボールねじ等の直動装置は、転がり軸受と比べて転動体の循環経路が複雑であるため、転動体同士の競り合いを防止するためのスペーサーを使用できない場合がある。そのため、循環経路内で転動体同士の競り合いが生じやすく、隣接する転動体は大きな滑り接触を伴いながら公転している。また、一般に直動装置は、軌道面を構成する断面形状が円弧状の曲面の曲率半径と転動体の直径との比率が小さい場合が多いので、転動体と軌道面との間においても大きな滑り接触が生じやすい。このように大きな滑り接触が生じやすいので、直動装置は潤滑不良が生じやすい傾向があった。

分子構造中に官能基を有する潤滑油は、官能基の作用により、軌道面や転動面を構成する材料（金属等）に対する親和性が高いので、軌道面や転動面に強固に付着する潤滑膜が形成される。その結果、強固に付着した潤滑膜中の炭化水素油系の潤滑油及びフッ素樹脂（潤滑油が含浸している）の作用により、優れた耐久性と低発塵，低アウトガスが実現する。
炭化水素油系の潤滑油は、大きな滑り接触が生じる場合であっても優れた潤滑性を発揮するので、直動装置の耐久性の向上に有効である。また、炭化水素油系の潤滑油の２０℃における蒸気圧は、低いほどアウトガスが少なく好ましい。２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａを超えると、低アウトガス性が損なわれるおそれがある。

ここで、オイルプレーティング処理とは、前記案内部材の軌道面、前記可動部材の軌道面、又は、前記転動体の転動面に、潤滑剤の薄膜を付着させるための処理である。例えば、後述するように、希釈した潤滑剤を前記転動面等に付着させ、熱処理により希釈溶剤を除去することにより、本発明に係る潤滑膜を形成することができる。このようなオイルプレーティング処理により形成された潤滑膜は、高真空下においてもアウトガスが生じにくく、周辺環境を汚染しにくい。

また、本発明に係る請求項２の直動装置は、請求項１に記載の直動装置において、前記潤滑膜の下層にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成したことを特徴とする。
ダイヤモンドライクカーボン被膜により、軌道面や転動面に極微細な凹凸が形成されるため（ポーラス構造）、潤滑剤の保持性が向上して直動装置の耐久性が向上する。
さらに、本発明に係る請求項３の直動装置は、請求項１又は請求項２に記載の直動装置において、前記炭化水素油系の潤滑油を平均分子量２０００以下のアルキル化シクロペンタンとしたことを特徴とする。

平均分子量が小さい潤滑油は、流動性に優れているため潤滑性が高い。その反面、蒸気圧が高いために、真空下においては揮発しやすい。しかしながら、アルキル化シクロペンタンは、分子量が小さくても環状の分子構造の作用により蒸気圧が低いため好ましく、特に、高度に精製されたアルキル化シクロペンタンがより好ましい。このようなアルキル化シクロペンタンの中で、平均分子量が２０００以下であるにもかかわらず２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下のものは、高真空下においても優れた流動性を有している。また、蒸発速度も小さいため、長期間にわたって潤滑油の揮発が抑制される。その結果、直動装置が長寿命となる。

さらに、本発明に係る請求項４の直動装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の直動装置において、前記フッ素樹脂は、粒径が１０μｍ以下で密度が３ｇ／ｃｍ³ 以下であることを特徴とする。
微細で非晶質なフッ素樹脂は、潤滑油が含浸してゲル状に膨潤する。その結果、軌道面や転動面における潤滑油の保持性が向上し、潤滑寿命が向上する。ただし、フッ素樹脂の粒径が大きいと、直動装置に対して異物として作用するおそれがあるため、安定した駆動が妨げられ、動摩擦力に異常変動が生じるおそれがある。また、フッ素樹脂の密度が大きいと結晶質となり、潤滑油が含浸しにくくなって、潤滑性が低下するおそれがある。

フッ素樹脂の粒径が１０μｍ以下で、密度が３ｇ／ｃｍ³ 以下であれば、直動装置の駆動の安定性，摺動性，潤滑性が優れている。なお、フッ素樹脂が鱗片状である場合は、最大長さを粒径とする。
さらに、本発明に係る請求項５の直動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置において、前記案内部材，前記可動部材，及び前記転動体の少なくとも１つを、ステンレス鋼で構成したことを特徴とする。

このような構成であれば、防錆が困難な真空下においても直動装置の耐食性が優れている。
さらに、本発明に係る請求項６の直動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置において、前記案内部材，前記可動部材，及び前記転動体の少なくとも１つを、非磁性材で構成したことを特徴とする。

このような構成であれば、防錆が困難な真空下においても直動装置の耐食性が優れている。また、半導体製造装置にも好適に使用可能であり、微細加工を行うのに適した半導体製造装置とすることができる。さらに、リニアモータに使用した場合に、磁化が抑制される。
さらに、本発明に係る請求項７の直動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置において、前記両軌道面の断面形状は、単一の円弧からなる円弧状又は曲率中心の異なる２つの円弧を組合せてなる略Ｖ字状であり、その円弧の曲率半径は前記転動体の直径の５１．５％以上であることを特徴とする。

前記曲率半径が転動体の直径の５１．５％未満であると、転動体と軌道面との間において大きな滑り接触が生じやすいため、直動装置の寿命が不十分となるおそれがある。
さらに、本発明に係る請求項８の直動装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の直動装置において、前記潤滑膜の上に、前記潤滑剤を構成する前記炭化水素油系の潤滑油及び前記分子構造中に官能基を有する潤滑油、又は、前記両潤滑油を基油とするグリースを配したことを特徴とする。

潤滑膜の上に、この潤滑膜を構成する潤滑剤に含まれる潤滑油や、該潤滑油を基油とするグリースを配すると、潤滑膜とその上に配した潤滑油，グリースとの親和性が高いため、潤滑性が向上し直動装置がより長寿命となる。本発明においては、潤滑膜を構成する潤滑剤には、炭化水素油系の潤滑油と分子構造中に官能基を有する潤滑油とが使用されているので、潤滑膜の上にこれらと同種の２つの潤滑油又は該２つの潤滑油を基油とするグリースを配するとよい。

なお、潤滑膜の上に前記２つの潤滑油を配する場合には、２つの潤滑油を混合した後に配してもよいし、別々に配してもよい。また、潤滑膜の上に配する潤滑油やグリースには、潤滑膜を構成する潤滑剤に使用したフッ素樹脂を混合してもよい。さらに、潤滑膜の上に潤滑油やグリースを配する方法は特に限定されるものではなく、塗布や噴霧でもよいし、直動装置の内部に潤滑油やグリースを封入することによって行ってもよい。

さらに、本発明に係る請求項９の直動装置の使用方法は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の直動装置を使用する際には、前記潤滑剤を構成する前記炭化水素油系の潤滑油及び前記分子構造中に官能基を有する潤滑油、又は、前記両潤滑油を基油とするグリースを、前記潤滑膜の上に配した状態で、前記直動装置を駆動することを特徴とする。
前述したように、潤滑膜の上に、この潤滑膜を構成する潤滑剤に含まれる潤滑油や、該潤滑油を基油とするグリースを配して直動装置を駆動すると、潤滑性が向上し直動装置がより長寿命となる。潤滑膜の上に潤滑油やグリースを配した後に直動装置を駆動してもよいし、潤滑油やグリースの潤滑膜上への供給を駆動中に随時行ってもよい。

本発明の直動装置は、発塵性，アウトガス性，耐荷重性，及び耐久性が優れている。

本発明に係る直動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、本発明に係る直動装置の一実施形態である直動案内装置を示す斜視図であり、図２は、図１の直動案内装置を軸方向から見た正面図（ただし、エンドキャップを省略して図示している）である。

軸方向に延びる横断面略角形の案内レール１上に、横断面形状が略コ字状のスライダ２が軸方向に相対直線移動可能に取り付けられている。なお、案内レール１が本発明の構成要件である案内部材に相当し、スライダ２が本発明の構成要件である可動部材に相当する。
この案内レール１の上面と両側面１ａ，１ａとが交差する稜線部には、軸方向に延びる断面ほぼ１／４円弧形状の凹溝からなる転動体転動溝１０，１０が形成され、また、案内レール１の両側面１ａ，１ａの中間位置には、軸方向に延びる断面ほぼ半円形の凹溝からなる転動体転動溝１０，１０が形成されている。この転動体転動溝１０の内面が、後述する転動体３が転動する軌道面を形成している。

また、スライダ２は、スライダ本体２Ａと、その軸方向両端部に着脱可能に取り付けられたエンドキャップ２Ｂ，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５，５が装着されている。
さらに、スライダ本体２Ａの両袖部６，６の内側面の角部には、案内レール１の転動体転動溝１０，１０に対向する断面ほぼ半円形の転動体転動溝１１，１１が形成され、両袖部６，６の内側面の中央部には、案内レール１の転動体転動溝１０，１０に対向する断面ほぼ半円形の転動体転動溝１１，１１が形成されている。この転動体転動溝１１の内面が、後述する転動体３が転動する軌道面を形成している。

そして、案内レール１の転動体転動溝１０，１０，１０，１０と両袖部６，６の転動体転動溝１１，１１，１１，１１とで、断面ほぼ円形の転動体転動路１４，１４，１４，１４が形成されていて、これらの転動体転動路１４は軸方向に延びている。なお、案内レール１及びスライダ２が備える転動体転動溝１０，１１の数は片側二列に限らず、例えば片側一列又は三列以上などであってもよい。また、転動体転動溝１０，１１の断面形状は、前述したように単一の円弧からなる円弧状でもよいが、曲率中心の異なる２つの円弧を組合せてなる略Ｖ字状（ゴシックアーク形状溝）でもよい。

さらにまた、スライダ２は、スライダ本体２Ａの袖部６，６の肉厚部分の上部及び下部に、転動体転動路１４と平行をなして軸方向に貫通する断面円形の貫通孔からなる転動体戻し路１３，１３，１３，１３を備えている。
一方、図示はされていないが、断面略コ字状のエンドキャップ２Ｂ，２Ｂは、スライダ本体２Ａとの当接面（裏面）に、転動体転動路１４とこれに平行な転動体戻し路１３とを連通させる半ドーナッツ状の湾曲路を有しており、これら転動体転動路１４と転動体戻し路１３と両端の湾曲路とで、略環状の転動体循環路が形成されている。この転動体循環路内には、例えば鋼球からなる多数の転動体（ボール）３が転動自在に装填されている。なお、各転動体３の間には、スペーサーは介装されていない。

案内レール１に組みつけられたスライダ２を案内レール１に沿って軸方向に移動させると、転動体転動路１４内に装填されている転動体３は、転動体転動路１４内を転動しつつ案内レール１に対してスライダ２と同方向に移動する。そして、転動体３が転動体転動路１４の一端に達すると、エンドキャップ２Ｂ内に備えられたタング部によって転動体転動路１４からすくい上げられ、湾曲路へ送られる。

湾曲路に入った転動体３はＵターンして転動体戻し路１３に導入され、転動体戻し路１３を通って反対側の湾曲路に至る。ここで再びＵターンして転動体転動路１４に戻り、このような転動体循環路内の循環を無限に繰り返す。
このような直動案内装置の転動体転動溝１０の内面，転動体転動溝１１の内面，転動体３の表面（転動面）の少なくとも１つには、潤滑剤で構成された潤滑膜（図示せず）がオイルプレーティング処理により形成されている。この潤滑剤は、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油と、分子構造中に官能基を有する潤滑油と、フッ素樹脂と、からなっている。

このような潤滑膜により、転動体３が転動する軌道面には潤滑剤が常に供給されて軌道面と転動面との直接的な接触が抑制される。また、余分な潤滑油は、フッ素樹脂に吸収されトラップされる。さらに、分子構造中に官能基を有する潤滑油により、軌道面や転動面に強固に付着する潤滑膜が形成される。その結果、高真空下においても低発塵及び低アウトガスが実現されるとともに、優れた潤滑性，耐荷重性，及び耐久性が得られる。

ここで、オイルプレーティング処理の一例を示す。２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油，分子構造中に官能基を有する潤滑油，及びフッ素樹脂を、ヘキサン等の溶剤で希釈し、転動体転動溝１０の内面，転動体転動溝１１の内面，転動体３の表面に薄く付着させる。付着の方法は、塗布，噴霧，浸漬等があげられる。そして、熱処理を施して溶剤を揮発させ焼き付けることにより、潤滑剤からなる潤滑膜が形成する。

熱処理の温度は、溶剤の沸点以上である必要がある。ただし、温度が高すぎると直動案内装置の精度低下を引き起こすおそれがあるため、案内レール１，スライダ２，及び転動体３を構成する母材の焼鈍し温度以下が好ましい。溶剤がヘキサンである場合は、６０℃以上の温度で３０分程度加熱すれば十分である。このようにして焼き付けられた潤滑膜は、分子構造中に官能基を有する潤滑油の作用により、金属表面に強固に付着している。

２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油の種類は、特に限定されるものではないが、アルキル化シクロペンタンが好ましく、平均分子量２０００以下のアルキル化シクロペンタンが特に好ましい。また、分子構造中に官能基を有する潤滑油としては、金属との親和性が高い官能基であるエポキシ基，アミノ基，カルボキシル基，ヒドロキシル基，メルカプト基，スルフォン基，エステル基等を有する合成油が好ましい。この合成油についても、２０℃における蒸気圧は１×１０^-5Ｐａ以下であることが好ましい。

さらに、フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），四フッ化エチレンパーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ），フッ化エチレンプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等を好適に使用できるが、粒径が１０μｍ以下で密度が３ｇ／ｃｍ³ 以下であることが好ましい。
さらに、案内レール１，スライダ２，及び転動体３の少なくとも１つは、ステンレス鋼で構成されていることが好ましい。ステンレス鋼としては、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃや、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４があげられる。また、ステンレス鋼として焼結金属（ＭＩＭ）を用いてもよい。さらに、転動体３を循環させる転動体戻し路１３と湾曲路についてもステンレス鋼で構成し、オイルプレーティング処理により前記潤滑膜を形成すれば、転動体３が転動する前記転動体循環路全域において潤滑性が向上するので、直動案内装置の耐久性がより向上する。

さらに、案内レール１，スライダ２，及び転動体３の少なくとも１つは、非磁性材で構成してもよい。非磁性材としては、例えば、チタン合金があげられ、表面硬化処理を施されたものが好ましい。また、窒化ケイ素，アルミナ，部分安定化ジルコニア等のセラミックスでもよい。案内レール１，スライダ２，及び転動体３の全てを非磁性材で構成してもよいが、例えば耐久性及び高速性の観点から、転動体３のみを非磁性材で構成し、他はステンレス鋼で構成してもよい。転動体のみを異種材料で構成することにより、摩耗抑制効果が得られるとともに、比重が軽いため転動体３の衝突エネルギーが小さくなり、高速性が向上する。
ただし、転動体３は、金属又はセラミックスで構成する必要がある。
なお、潤滑膜の下層に、ダイヤモンドライクカーボン被膜を形成してもよい。

〔第二実施形態〕
図３は、本発明に係る直動装置の一実施形態であるボールねじの断面図である。ボールねじは、断面円弧状の螺旋状のねじ溝２１ａを外周面に有するねじ軸２１と、ねじ軸２１のねじ溝２１ａに対向する断面円弧状の螺旋状のねじ溝２２ａを内周面に有しねじ軸２１に螺合される円筒状のナット２２と、ねじ軸２１のねじ溝２１ａとナット２２のねじ溝２２ａとで形成される断面ほぼ円形の螺旋状のボール転動路２６に転動自在に装填された多数のボール２３と、を備えている。なお、ねじ軸２１が本発明の構成要件である案内部材に相当し、ナット２２が本発明の構成要件である可動部材に相当する。また、ねじ溝２１ａ，２２ａの内面が、ボール２３が転動する軌道面を形成している。さらに、各ボール２３の間には、スペーサーは介装されていない。

また、ナット２２には略コ字状に屈曲したリターンチューブ２７が備えられていて、ボール転動路２６内のボール２３がリターンチューブ２７を通って循環されるようになっている。すなわち、ボール転動路２６内を転動するボール２３は、該ボール転動路２６内を移動しねじ軸２１の回りを複数回回ってから、ボール転動路２６の一端でリターンチューブ２７の一方の端部にすくい上げられる。すくい上げられたボール２３は、リターンチューブ２７の中を通って、リターンチューブ２７の他方の端部からボール転動路２６の他端に戻される。

そして、ボール２３を介してねじ軸２１に螺合されているナット２２と、ねじ軸２１とが、この多数のボール２３の転動を介して相対回転運動することにより、ねじ軸２１とナット２２とが軸方向に相対移動するようになっている。
このようなボールねじのねじ溝２１ａの内面，ねじ溝２２ａの内面，ボール２３の表面（転動面）の少なくとも１つには、潤滑剤で構成された潤滑膜（図示せず）がオイルプレーティング処理により形成されている。この潤滑剤は、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油と、分子構造中に官能基を有する潤滑油と、フッ素樹脂と、からなっている。

このような潤滑膜により、ボール２３が転動する軌道面には潤滑剤が常に供給されて軌道面と転動面との直接的な接触が抑制される。また、余分な潤滑油は、フッ素樹脂に吸収されトラップされる。さらに、分子構造中に官能基を有する潤滑油により、軌道面や転動面に強固に付着する潤滑膜が形成される。その結果、高真空下においても低発塵及び低アウトガスが実現されるとともに、優れた潤滑性，耐荷重性，及び耐久性が得られる。

オイルプレーティング処理の内容や、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油，分子構造中に官能基を有する潤滑油，及びフッ素樹脂については、第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。また、案内レール１，スライダ２，及び転動体３の母材についても、第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。さらに、第一実施形態と同様に、潤滑膜の下層にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成してもよい。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。第一実施形態の直動案内装置及び第二実施形態のボールねじとほぼ同様の構成を有する直動案内装置及びボールねじについて、その耐久性とアウトガス性を評価した。
直動案内装置は、案内レール及びスライダがＳＵＳ４４０Ｃ相当のステンレス鋼、転動体（直径２．７７８ｍｍ）がＳＵＳ４４０Ｃ、エンドキャップ（湾曲路）がＳＵＳ３１６相当のステンレス鋼で構成されており、予圧によって負荷が与えられている。

また、案内レールの軌道面，スライダの軌道面，転動体の転動面，転動体戻し路及び湾曲路の内面に、それぞれオイルプレーティング処理による潤滑膜が形成されている。２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油としては、アルキル化シクロペンタン（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製のＮｙｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｏｉｌ ２００１であり、分子量は９１０である）を使用し、分子構造中に官能基を有する潤滑油としては、エステル基を有する合成油を使用し、フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥパウダー（デュポン社製のドライフィルムＲＡ）を使用した。

これらをヘキサンで５質量％の濃度に希釈し、得られた希釈液に前述の各部品を浸漬した。そして、０．１Ｐａの減圧下で８０℃で３０分間加熱して、ヘキサンを飛散させて、潤滑膜を形成した。
一方、ボールねじは、ねじ軸及びナットがＳＵＳ４４０Ｃ相当のステンレス鋼、ボールがＳＵＳ４４０Ｃ、ボールを循環させるリターンチューブがＳＵＳ３０４で構成されており、予圧によって負荷が与えられている。

また、ねじ軸の軌道面，ナットの軌道面，ボールの転動面，リターンチューブの内面に、それぞれオイルプレーティング処理による潤滑膜が形成されている。２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油としては、アルキル化シクロペンタン（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製のＮｙｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｏｉｌ ２００１）を使用し、分子構造中に官能基を有する潤滑油としては、エステル基を有する合成油を使用し、フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥパウダー（デュポン株式会社製のドライフィルムＲＡ）を使用した。

なお、ねじ軸の軌道面のみに、オイルプレーティング処理の前にダイヤモンドライクカーボン処理が施されていて、潤滑膜の下層にダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されている。
直動案内装置及びボールねじのいずれにおいても、下記のような潤滑剤を用いたものを比較例として評価した。まず、比較例Ａは、２種類のフッ素油からなる潤滑剤で構成された潤滑膜を、オイルプレーティング処理によって形成したものである。フッ素油の合計の含有量は、潤滑剤全体の５質量％とした。フッ素油としては、ダイキン工業株式会社製のフッ素系高性能オイルＳ−２００及びデュポン株式会社製のクライトックスＦＳＨを用いた。次に、比較例Ｂは、フッ素グリース（ダイキン工業株式会社製のデムナムＬ２００）１ｃｍ³ を封入したものである。

耐久性の評価は、以下のようにして行った。３×１０^-4Ｐａの減圧下で直動案内装置又はボールねじを駆動し、その際のスライダの動摩擦力又はナットのトルクを測定した。そして、駆動開始時と比べて２倍となった時点で寿命とした。直動案内装置の結果を図４に、ボールねじの結果を図５に、それぞれ示す。なお、図４，５のグラフに示した寿命の数値は、寿命に達するまでのスライダ又はナットの走行距離が１００ｋｍである場合の寿命を１とした相対値である。例えば、寿命が１０である場合は、寿命に達するまでのスライダ又はナットの走行距離が１０００ｋｍである。
直動案内装置及びボールねじのいずれにおいても、本発明に係る潤滑膜を備えた実施例は、比較例Ａ，Ｂよりも長寿命であることが分かる。また、図４から分かるように、最大接触面圧が高いほど長寿命化効果が大きく、耐荷重性も優れていた。

次に、アウトガス性の評価方法について説明する。アウトガス性の評価は、図６に示すようなアウトガス速度評価試験装置を用いて行った。試料９０が収容される試料室９２と、ターボ分子ポンプ９６及びロータリーポンプ９７が接続された分析室９１とが、直径Ｒが２〜３ｍｍの円形の断面を有するオリフィス９３により連通している。そして、ターボ分子ポンプ９６及びロータリーポンプ９７によって分析室９１内の気体を吸引すると、分析室９１の気圧は試料室９２内よりも低くなるので、試料室９２内の気体がオリフィス９３を通って分析室９１内へ流れ込む。なお、分析室９１には、四重極質量分析計９８も設置されており、試料室９２で発生し分析室９１に流入した気体の種類を分析可能になっている。

この試料室９２から分析室９１へ気体が流れ込む状態において、試料室９２及び分析室９１にそれぞれ設置されたイオンゲージ９４，９５により気圧を測定して、試料９０からのアウトガスの発生速度（アウトガス速度）を測定する。アウトガス速度は、Ｑｂ＝Ｃ（Ｐ２−Ｐ１）−Ｑｃなる式によって求められる。ここで、式中の各値は、以下の通りである。

Ｑｂ：試料のアウトガス速度（Ｐａ・ｍ³ ／ｓ）
Ｑｃ：チャンバーのアウトガス速度（Ｐａ・ｍ³ ／ｓ）
Ｃ ：オリフィスのコンダクタンス（定数）（ｍ³ ／ｓ）
Ｐ１：分析室チャンバー圧力（Ｐａ）
Ｐ２：試料室チャンバー圧力（Ｐａ）

なお、チャンバーのアウトガス速度Ｑｃは、試料室９２に試料９０を収容しない時に測定されるアウトガス速度であり、気圧の測定値に基づいてＱｃ＝Ｃ（Ｐ２’−Ｐ１’）なる式により求められるものである。ここで、Ｐ１’，Ｐ２’は、それぞれ試料９０を収容しない時に測定される分析室チャンバー圧力及び試料室チャンバー圧力である。

各温度でアウトガス性の評価を行った結果を、図７のグラフに示す。なお、評価した試料は、前述の耐久性の試験に用いた潤滑剤を備えた金属片とした。すなわち、実施例は、本発明に係る潤滑膜をオイルプレーティング処理によって形成した金属片を試料とした。また、比較例Ａは、前述と同様の潤滑剤からなる潤滑膜をオイルプレーティング処理によって形成した金属片を試料とし、比較例Ｂは、前述と同様のフッ素グリースを塗布した金属片を試料とした。さらに、図７中の「ＢＧ」とはバックグラウンドのことであり、試料を用いずにアウトガス性の評価を行った場合の結果である。
図７から分かるように、本発明に係る潤滑膜を備えた実施例は、比較例Ａ，Ｂよりもアウトガス性が良好であった。

次に、軌道面の曲率比が直動案内装置の耐久性に与える影響について調査した。なお、軌道面の曲率比とは、軌道面を構成する断面形状円弧状の曲面の曲率半径と転動体の直径との比率（［軌道面を構成する曲面の曲率半径］／［転動体の直径］×１００（％））である。また、前記断面形状とは、軌道面の連続方向に垂直な面で軌道面を破断した断面における形状である。
耐久性を評価した前述の直動案内装置と同じものにおいて、案内レール及びスライダの軌道面の曲率比を種々変更したものを、実施例の直動案内装置として用意した。また、比較例の直動案内装置（比較例Ｃ）として、実施例の直動案内装置において、オイルプレーティング処理による潤滑膜を以下のものに変更したものを用意した。

すなわち、２種のフッ素油（デュポン株式会社製のクライトックスＦＳＨとダイキン工業株式会社製のフッ素系高性能オイルＳ−２００）を混合し、これを１質量％となるまで希釈溶媒アサヒクリンＡＫ−２２５（旭硝子株式会社製）で希釈した。そして、このフッ素油の希釈溶液を案内レール及びスライダの軌道面に付着させた直動案内装置を１２０〜１４０℃で約３０分間加熱し、付着した希釈溶液中に含まれる希釈溶媒を除去して潤滑膜を形成した。

そして、このような実施例及び比較例の直動案内装置に、転動体と軌道面との間の最大接触面圧が１．３ＧＰａになるような負荷荷重を予圧によって付与した上、３×１０^-4Ｐａの減圧下、速度６０ｍ／ｍｉｎ、ストローク３００ｍｍの条件で直動案内装置を駆動し、その際のスライダの動摩擦力を測定した。そして、動摩擦力が駆動開始時と比べて２倍となった時点で寿命とした。
結果を図８に示す。なお、図８のグラフに示した寿命の数値は、寿命に達するまでのスライダの走行距離が１００ｋｍである場合の寿命を１とした相対値である。例えば、寿命が１０である場合は、寿命に達するまでのスライダの走行距離が１０００ｋｍである。

図８のグラフから、実施例は比較例と比べて格段に長寿命であり、特に転動体の作動滑り速度が大きい曲率比でも長寿命であることが分かる。すなわち、比較例では、曲率比が５２％未満となると寿命が急激に低下するのに対し、実施例では、曲率比が５１．５％未満となると寿命が急激に低下している。曲率比を小さくすると、荷重を受けた際の転動体と軌道面との接触面積が増大することにより負荷容量が大きくなるが、この接触面積の増大により接触面の作動滑り速度も増大し、潤滑剤の油膜切れを引き起こすため、かえって寿命が低下する傾向がある。従来は、真空下で使用される直動案内装置の曲率比は５２％が下限であったが、本発明によれば作動滑り速度が大きい５１．５％まで曲率比を小さくすることが可能である。

次に、潤滑膜の上に潤滑油又はグリースを配した場合の直動案内装置の耐久性について調査した。耐久性を評価した前述の直動案内装置と同じものを、装置Ｎｏ．Ａの直動案内装置とし、この装置Ｎｏ．Ａにアルキル化シクロペンタン（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製のＮｙｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｏｉｌ ２００１）とエステル基を有する合成油とを基油として用いたグリースを４ｃｍ³ 封入したものを、装置Ｎｏ．Ｂの直動案内装置とした。また、装置Ｎｏ．Ａを駆動するに際して、５００ｋｍ走行する毎に装置Ｎｏ．Ｂに用いたグリース４ｃｍ³ を内部に供給しつつ駆動を続けるものを、装置Ｎｏ．Ｃの直動案内装置とした。さらに、オイルプレーティング処理による潤滑膜を形成しておらず、装置Ｎｏ．Ｂに用いたグリース４ｃｍ³ を封入したものを、装置Ｎｏ．Ｄの直動案内装置とした。

これらの直動案内装置について、以下のようにして耐久性の評価を行った。転動体と軌道面との間の最大接触面圧が１．２ＧＰａになるような負荷荷重を予圧によって付与した上、３×１０^-4Ｐａの減圧下、速度０．５ｍ／ｓで直動案内装置を駆動し、その際のスライダの動摩擦力を測定した。そして、動摩擦力が駆動開始時と比べて２倍となった時点で寿命とした。

結果を図９に示す。なお、図９のグラフに示した寿命比は、寿命に達するまでのスライダの走行距離の比である。図９のグラフから分かるように、オイルプレーティング処理による潤滑膜を形成したのみの直動案内装置よりも、潤滑膜の上にグリースを配した直動案内装置の方が長寿命であり、さらに走行中にグリースを随時供給した直動案内装置の方がより長寿命であった。

本発明に係る直動装置の一実施形態である直動案内装置の構造を示す斜視図である。 図１の直動案内装置を軸方向から見た正面図である。 本発明に係る直動装置の一実施形態であるボールねじの構造を示す断面図である。 直動案内装置の耐久性の評価結果を示すグラフである。 ボールねじの耐久性の評価結果を示すグラフである。 アウトガス速度評価試験装置の構造を説明する図である。 アウトガス性の評価結果を示すグラフである。 軌道面の曲率比と直動案内装置の寿命との関係を示すグラフである。 直動案内装置の耐久性の評価結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 案内レール
２ スライダ
２Ａ スライダ本体
２Ｂ エンドキャップ
３ 転動体
１０ 転動体転動溝
１１ 転動体転動溝
２１ ねじ軸
２１ａ ねじ溝
２２ ナット
２２ａ ねじ溝
２３ ボール

Claims (9)

1. 軌道面を有し軸方向に延びる案内部材と、前記案内部材の軌道面に対向する軌道面を有するとともに前記両軌道面の間に転動自在に配された複数の転動体の転動を介して軸方向に直線移動可能に前記案内部材に支持された可動部材と、を備え、前記転動体が金属又はセラミックからなり、前記各転動体の間にスペーサーが介装されていない直動装置において、
   前記案内部材の軌道面，前記可動部材の軌道面，及び前記転動体の転動面の少なくとも１つに、オイルプレーティング処理により、２０℃における蒸気圧が１×１０^-5Ｐａ以下の炭化水素油系の潤滑油と、分子構造中に官能基を有する潤滑油と、フッ素樹脂とからなる潤滑剤で構成された潤滑膜を形成したことを特徴とする直動装置。
2. 前記潤滑膜の下層にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の直動装置。
3. 前記炭化水素油系の潤滑油を平均分子量２０００以下のアルキル化シクロペンタンとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直動装置。
4. 前記フッ素樹脂は、粒径が１０μｍ以下で密度が３ｇ／ｃｍ³ 以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直動装置。
5. 前記案内部材，前記可動部材，及び前記転動体の少なくとも１つを、ステンレス鋼で構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置。
6. 前記案内部材，前記可動部材，及び前記転動体の少なくとも１つを、非磁性材で構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置。
7. 前記両軌道面の断面形状は、単一の円弧からなる円弧状又は曲率中心の異なる２つの円弧を組合せてなる略Ｖ字状であり、その円弧の曲率半径は前記転動体の直径の５１．５％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の直動装置。
8. 前記潤滑膜の上に、前記潤滑剤を構成する前記炭化水素油系の潤滑油及び前記分子構造中に官能基を有する潤滑油、又は、前記両潤滑油を基油とするグリースを配したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の直動装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の直動装置を使用する際には、前記潤滑剤を構成する前記炭化水素油系の潤滑油及び前記分子構造中に官能基を有する潤滑油、又は、前記両潤滑油を基油とするグリースを、前記潤滑膜の上に配した状態で、前記直動装置を駆動することを特徴とする直動装置の使用方法。

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