JP2008286334A - 直動案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダンピング性・騒音特性を容易に且つ低コストで改善することができる直動案内装置を提供する。
【解決手段】直動案内装置１０は、軸方向に延びる外側転動溝１３を有する案内レール１１と、案内レール１１の外側転動溝１３に対向する内側転動溝１５を有し、外側転動溝１３と内側転動溝１５との間に挿入される複数の転動体１６の転動を介して軸方向に沿って相対移動可能に案内レール１１に支持されるスライダ１２と、を備え、案内レール１１の外側転動溝１３とスライダ１２の内側転動溝１５との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを空間容積の１０％以上封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、低速での高精度な位置決め要求や低振動要求のある研削盤等の工作機械や、スキマ品においてガタから生じる騒音が問題となる精密機械等に好適に用いることができる直動案内装置に関する。

従来、この種の直動案内装置としては、例えば、図１０に示す直動案内装置１００が提案されている。この直動案内装置１００は、軸方向に延びる案内レール１０１と、この案内レール１０１上に軸方向に相対移動可能に支持されるスライダ１０２と、を備える。

案内レール１０１の両側面には、それぞれ軸方向に沿って外側転動溝１０３が形成されており、スライダ１０２のスライダ本体１０２Ａには、その両袖部１０４の内側面に、それぞれ外側転動溝１０３に対向する内側転動溝１０５が形成される。そして、外側転動溝１０３と内側転動溝１０５との間には、複数の転動体１０６が転動自在に装填されており、これら複数の転動体１０６の転動を介してスライダ１０２が案内レール１０１上を軸方向に沿って相対移動できるようになっている。

また、スライダ本体１０２Ａの袖部１０４内には、軸方向に貫通する転動体通路１０７が形成され、スライダ本体１０２Ａの軸方向の両端部には、断面略コの字状のエンドキャップ１０８がねじ１０９によりそれぞれ締結される。このエンドキャップ１０８には、上記転動溝１０３，１０５間と上記転動体通路１０７とを連通する方向転換路１１０が形成される。これにより、案内レール１０１の外側転動溝１０３、スライダ本体１０２Ａの内側転動溝１０５、スライダ本体１０２Ａの転動体通路１０７、及びエンドキャップ１０８の方向転換路１１０が連通して、複数の転動体１０６を循環させる循環通路が形成される。

なお、図１０において、符号１１１はエンドキャップ１０８と共にスライダ本体１０２Ａの端面にねじ１０９により締結されるサイドシール、符号１１２はスライダ本体１０２Ａの端面に形成され、ねじ１０９を螺合させるためのねじ穴、符号１１３は給脂用ニップル、符号１１４は案内レール１０１の固定用のボルト挿通穴である。

ところで、工作機械をはじめとする一般産業機械では、直動案内装置のダンピング性、騒音特性が重要になっている。そこで、従来の直動案内装置では、ダンピングに関しては、摩擦付与装置を付加したものが提案され、騒音特性に関しては、転動体間に介装されるリテーナを備えたものなどが提案されている。

また、スライダのダンピングや騒音特性が潤滑剤によって変化することは定性的に知られている。例えば、無潤滑よりオイル潤滑の方が静かであり、また、オイル潤滑よりグリース潤滑の方が静かであることが知られている。また、案内レールの外側転動溝とスライダの内側転動溝との間の空間（負荷軌道）に封入されるグリースの封入量と騒音との関係については、封入量が多いスライダの走行初期は騒音が静かであり、スライダの走行距離が長くなると騒音が大きくなることも経験的に知られている。

そして、直動案内装置に使用されるグリースには、主に、汎用用途用グリース、高速用途用グリース、クリーン・真空用途用グリースがある。

汎用用途用グリースは、基油動粘度（４０℃）が１００〜１３０ｃｓｔ前後であり、中〜高荷重までの広い範囲で、例えば、工作機械や一般機械等に組み込まれる直動案内装置に使用される。

高速用途用グリースは、基油動粘度（４０℃）が３０〜１００ｃｓｔ前後であり、軽荷重・高速用途で、例えば、半導体設備や医療機器等に組み込まれる直動案内装置に使用される。

クリーン・真空用途用グリースは、基油動粘度（４０℃）が３０〜４００ｃｓｔ前後であり、鉱油・炭化水素系合成油を基油とした低粘度グリースと高粘度のフッ素グリースがあり、主に半導体設備に組み込まれる直動案内装置で軽荷重用として使用される。

以上のように、直動案内装置に使用されるグリースは、使用する速度と耐久性及びクリーン環境下での発塵性により選定されている。

なお、案内レールの外側転動溝とスライダの内側転動溝との間の空間に封入されるグリースの封入量は、この空間の容積に対して１００％であることが多い。但し、半導体設備等に用いられる直動案内装置で、グリースの汚染を嫌う場合、封入量を少なくすることもある。

しかしながら、直動案内装置のダンピング性・騒音特性を改善する上で、摩擦付与装置を付加したり、転動体間にリテーナを介装したりする場合、いずれの場合も直動案内装置に何らかの部品を付加する必要がある。このため、付加する部品（摩擦付与装置やリテーナ）のコスト（部品コスト、管理コスト、組付コスト）の上昇が避けられない。また、例えば、工場などで既に稼動している設備に用いられる直動案内装置のダンピング性・騒音特性を改善しようとした場合、設備を停止して、摩擦付与装置やリテーナを使用した直動案内装置に交換する必要が生じ、設備の稼働率を低下させてしまうことになる。

一方、直動案内装置の潤滑条件の最適化によって、ダンピング性・騒音特性を改善する場合は、新規の部品が必要なく、また、既存の設備で稼働中の直動案内装置においても僅かなメンテナンスで実現可能である。しかし、上述したように、従来の直動案内装置に使用されるグリースは、その使用速度・耐久性・発塵性等で選定されており、ダンピング・騒音特性については考慮されていない。

本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダンピング性・騒音特性を容易に且つ低コストで改善することができる直動案内装置を提供することにある。

本発明者等は、直動案内装置のダンピング性・騒音特性が直動案内装置の潤滑条件に影響されることに着目して鋭意検討した結果、ダンピング特性・騒音特性を改善できる最適な潤滑条件を満たしたグリースを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 軸方向に延びる外側転動溝を有する案内レールと、案内レールの外側転動溝に対向する内側転動溝を有し、外側転動溝と内側転動溝との間に挿入される複数の転動体の転動を介して軸方向に沿って相対移動可能に案内レールに支持されるスライダと、を備える直動案内装置であって、少なくとも外側転動溝と内側転動溝との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを空間の容積の１０％以上封入することを特徴とする直動案内装置。

本発明の直動案内装置によれば、少なくとも案内レールの外側転動溝とスライダの内側転動溝との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを空間容積の１０％以上封入するため、装置のダンピング性・騒音特性を容易に且つ低コストで改善することができる。また、既存の設備で稼動中の直動案内装置においても簡単なメンテナンスでダンピング特性・騒音特性を容易に改善することができるので、設備の稼働率の低下を防止することができる。

以下、本発明に係る直動案内装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る直動案内装置の一実施形態を説明するための一部切欠平面図、図２は図１に示す直動案内装置を用いてインパクト加振によるスライダの動剛性評価試験を実施する方法を説明するための平面図、図３は本発明例１及び比較例１における振動の伝達関数（振動数とコンプライアンスとの関係）を示すグラフ図、図４は本発明例１，２及び比較例１〜４における基油動粘度と減衰比との関係を示すグラフ図、図５は直動案内装置の振動系を説明するための説明図、図６は本発明例１，２及び比較例１〜４における基油動粘度とコンプライアンスとの関係を示すグラフ図、図７はグリース封入率と騒音レベルとの関係を示すグラフ図、図８はグリース封入率と減衰比との関係を示すグラフ図、図９は本発明例２及び比較例３における走行距離とグリース封入率との関係を示すグラフ図である。

本実施形態の直動案内装置１０は、図１に示すように、軸方向に延びる案内レール１１と、この案内レール１１上に軸方向に相対移動可能に跨架される断面略コの字状のスライダ１２と、を備える。

また、図１に示すように、案内レール１１の両側面には、それぞれ軸方向に延びる外側転動溝１３が形成されており、スライダ１２のスライダ本体１２Ａの袖部１４の内側面には、それぞれ外側転動溝１３に対向する内側転動溝１５が形成される。そして、これら外側転動溝１３と内側転動溝１５との間には、複数の転動体１６が転動自在に装填されており、これら複数の転動体１６の転動を介してスライダ１２が案内レール１１上を軸方向に沿って相対移動可能とされている。

スライダ１２は、金属製のスライダ本体１２Ａと、スライダ本体１２Ａのスライド方向両端部にそれぞれ設けられるエンドキャップ１７と、エンドキャップ１７のスライド方向外端部に設けられるサイドシール１８と、を有する。なお、図１中の符号１９は給脂用ニップルである。

また、スライド本体１２Ａの袖部１４には、転動溝１３，１５間を転動する複数の転動体１６の循環通路を形成するための転動体通路２１がスライド方向に貫通して形成され、エンドキャップ１７には、転動溝１３，１５間と転動体通路２１とを連通して複数の転動体１６を転動溝１３，１５間から転動体通路２１に方向転換させるための方向転換路２２が形成される。これにより、案内レール１１の外側転動溝１３、スライダ本体１２Ａの内側転動溝１５、スライダ本体１２Ａの転動体通路２１、及びエンドキャップ１７の方向転換路２２が連通して、複数の転動体１６を循環させる循環通路が形成される。

そして、本実施形態では、案内レール１１の外側転動溝１３とスライダ１２の内側転動溝１５との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを空間容積の１０％以上封入している。また、本実施形態のグリースとしては、例えば、ＮＹＯＧＥＬ７７４（商品名：（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ，ｉｎｃ．））、及びＮＹＯＧＥＬ７７４Ｌ（商品名：（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ，ｉｎｃ．））を使用することができる。このグリースの基油はポリアルファオレフィンである。

次に、グリースの選定について詳述する。
まず、図１と略同一形状の直動案内装置（日本精工株式会社製ＬＨ２５ＡＮＺ１）に対して種々のグリースを使用した場合の振動の減衰性について評価試験を行なった。

ここで、本発明例１の直動案内装置はＮＹＯＧＥＬ７７４を使用し、本発明例２の直動案内装置はＮＹＯＧＥＬ７７４Ｌを使用した。

また、比較例１の直動案内装置はクリーン環境用グリースを使用し、比較例２の直動案内装置は高速用グリースを使用し、比較例３の直動案内装置は汎用グリースを使用し、比較例４の直動案内装置は通常直動案内装置には用いられない高粘度グリース（ＮＹＯＧＥＬ７７４ＶＬＦ（商品名：（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ，ｉｎｃ．）））を使用した。本発明例１，２及び比較例１〜４の使用グリースと基油動粘度（４０℃）の数値を表１に示す。なお、グリース封入率は、上記した空間容積の５０％とした。

評価試験は、インパクト加振によるスライダ１２の動剛性評価を試験した。図２に示すように、試験試料であるスライダ１２にウエイトＷ（１．３ｋｇ）を乗せてインパクトハンマーによりウエイトＷの幅方向（スライダ２の幅方向）の一側上面を加振点Ｐ１としてローリング方向に加振し、ウエイトＷの幅方向の他側上面において案内レール１１に対して加振点Ｐ１と対称な位置を振動測定点Ｐ２として、この振動測定点Ｐ２に配置した加速度計より振動を測定した。

そして、インパクトハンマーからの荷重入力値及び加速度計からの振動出力値に基づいて、図３に示すように、本発明例１及び比較例１における振動の伝達関数（振動数とスライダの動剛性の逆数であるコンプライアンス（単位荷重当りの振動変位）との関係）を作成した。なお、本発明例２及び比較例２〜４についても同様にして振動の伝達関数を作成したが、図３では図示を省略している。そして、図３より、３２０〜３４０Ｈｚ付近にコンプライアンスのピークが確認でき、このピークに対してカーブフィットを行い、振動の減衰比を算出した。算出結果を図４に示す。

図４から明らかなように、比較例１〜３の直動案内装置では、振動の減衰比が０．０２〜０．０３の範囲で有意差が認められないことが確認できた。一方、本発明例１，２及び比較例４の直動案内装置では、基油動粘度の高いグリースを使用しているので、振動の減衰比が大きくなることが確認できた。

そして、その傾向は、基油動粘度に対して概ね線形となっていることが確認できたが、振動の減衰比が大きくなるのは本発明例１，２の直動案内装置のように基油動粘度が数千ｃｓｔの範囲で確認できるもので、基油動粘度が１３０ｃｓｔ程度である比較例３の直動案内装置では殆ど振動の減衰比の変化が分からないレベルであった。

図５に、直動案内装置の振動系をばね−マス系で近似し、スライダ１２＋ウエイトＷ＝マス、案内レール１１＝グランドとした場合の模式図を示す。このとき、振動の減衰比ζは、下記の式（数１）で求めることができる（導出方法は省略）。また、スライダ１２の動剛性の逆数であるコンプライアンス（単位荷重当りの振動変位）｜Ｈ（ｊω）｜は、下記の式（数２）で近似することができる（導出方法は省略）。

但し、
ｍ：慣性モーメント
ｋ：ばね定数
Ｃ：減衰係数
Ｃ_Ｃ：臨界減衰係数
ζ：減衰比
｜Ｈ（ｊω）｜：コンプライアンス

上記の式（数１）において、静的な特性を支配するばね定数ｋは、Ｈｅｒｔｚの弾性接触論が適用できる。つまり、図５に示すばね定数ｋは、Ｈｅｒｔｚの弾性接触論によって計算できる。また、ｍは、スライダ１２とウエイトＷの合計した慣性モーメントである。ｋもｍも潤滑条件には影響されないので、図４に示される結果は、減衰係数が変化していると考えられる。つまり、転動体と転動溝との間に形成される油膜の形成状態によって、減衰係数が変化すると考えられる。

上記の式（数２）において、ばね定数ｋは、一定と考えた場合（Ｈｅｒｔｚの弾性接触論によってばね定数を考えると、走行中に摩耗などが生じない限り一定と考えてよい）、コンプライアンスと振動の減衰比は、反比例の関係にある。つまり、振動の減衰比が大きくなると、コンプライアンスは小さく（動剛性は高く）なるのだが、その関係は線形でなく、ある特異点をもっており、その特異点を越えると急激にコンプライアンスの変化率は小さくなるのである。

ところで、図４の試験において、振動減衰比は、グリースの基油動粘度に対して線形に変化することが確認されている。従って、スライダ１２のコンプライアンスは、グリースの基油動粘度に対しても反比例の関係にあり、ある特異点を越えるとコンプライアンスの変化率が急激に小さくなると考えられる。

本実施形態においては、最初に基油動粘度と減衰比が線形であることを見出し、次いで、スライダ１２の振動系を図５に示すばね−マス系のモデルで近似することを考えた。そして、グリースの基油動粘度とコンプライアンスとが反比例であることを推定し、その特異点の条件を見出した。その結果を図６に示す。

図６から明らかなように、グリースの基油動粘度とコンプライアンスとの関係は、上述したように、反比例の関係であることが確認できた。また、その特異点は、１０００ｃｓｔであることが確認できた。つまり、グリースの基油動粘度が１０００ｃｓｔ未満になると、直動案内装置のコンプライアンスは、急激に大きくなる（動剛性が低下する）ことがわかった。

従って、本発明例１，２のように４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを直動案内装置に封入することで、従来よりコンプライアンスの小さい（動剛性の高い）直動案内装置とすることができる。

また、直動案内装置の騒音特性を向上させるためには、適正なグリースの封入率を設定する必要がある。そこで、上記した空間容積に対するグリース封入率と騒音との関係を試験により調査した。試験は、図１と略同一構造の直動案内装置（日本精工株式会社製ＬＨ３０ＡＮ）に対して行なった。試験結果を図７に示す。

試験条件は次の通りである。
使用グリース：ＮＹＯＧＥＬ７７４Ｌ（基本動粘度：２０５４ｃｓｔ（４０℃））
スライダの送り速度：５０ｍ／ｍｉｎ
ストローク：１６００ｍｍ
騒音測定位置：ストローク中央で案内レールの上面から５００ｍｍ
試験前エージング：３０往復

図７から明らかなように、グリース封入率が高い程、直動案内装置の騒音は小さい傾向があることか確認できた。これは、スライダ１２の内部に充填されるグリースが騒音に対して緩衝剤として作用するためと思われる。

次に、図１と略同一形状の直動案内装置（日本精工株式会社製ＬＨ２０ＢＮ）に対して、図２と同一の方法で振動の減衰性について評価試験を行なった。試験は、無潤滑状態及び表１の本発明例２に関し、グリース封入率を上記した空間容積の１０％とした場合、５０％とした場合について評価した。試験結果を図８に示す。

図８から明らかなように、無潤滑状態よりグリース封入率１０％の本発明例２の方が減衰比が大きく、グリース封入率１０％の本発明例２よりグリース封入率５０％の本発明例２の方が減衰比がより大きいことがわかった。

次に、図１と略同一形状の直動案内装置（日本精工株式会社製ＬＨ３０ＡＮＺ１）に対して、スライダ１２を走行させた場合のグリース封入率の変化を調査する試験を行なった。試験は、表１の本発明例２（初期グリース封入率１００％、８０％、５０％）及び比較例３（初期グリース封入率１００％）について行い、スライダ１２の走行速度：５０ｍ／ｍｉｎ、ストローク：１６００ｍｍとした。試験結果を図９に示す。

図９から明らかなように、スライダ１２内のグリース封入率は、走行初期において１５〜２５％程度減少していることがわかった。これは、直動案内装置には、接触式のシールを採用しているが、スライダ１２が往復運動するため、スライダ１２内にグリースを完全に密封できないためと思われる。

しかし、本発明例２は、従来の汎用グリースを使用した比較例３よりグリース封入率の低下が小さい。これは、本発明例２はグリースの基油動粘度が高いので、スライダ１２内でのグリース保特性が改善されているためと思われる。結果として、本発明例２では、グリース封入率を１００％としても、走行初期における低下率は２０％以下となっている。

そして、図７及び図８より、本実施形態の直動案内装置において最適となるグリース封入量を検証した。直動案内装置の騒音及び振動の減衰比ともにグリース封入率が多いほど良好な結果が得られた。但し、グリース封入率が仮に１０％／溝でも、振動の減衰性は無潤滑時に比べて大きく向上することから、極少量のグリースでも効果は得られると考えられる。しかし、グリース本来の目的である耐久性を考慮すると１０％未満の封入率では不十分である。従って、グリース封入率の下限は、上記した空間容積の１０％とする。また、少量のグリース封入率を定量的に管理するには、グリースインジェクタを使用するとよい。

また、図９より、仮にグリース封入率を１００％としても、走行初期において８５％程度まで減少するため、８５％以上にするメリツトは少ないと思われる。従って、本実施形態において必要条件となるグリース封入率は、１０％／溝であり、望ましくは、８５％／溝以下に設定するのが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の直動案内装置１０によれば、案内レール１１の外側転動溝１３とスライダ１２の内側転動溝１５との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを空間容積の１０％以上封入するため、新規な部品を用いることなく、装置１０のダンピング性・騒音特性を容易に且つ低コストで改善することができる。また、既存の設備で稼動中の直動案内装置においても簡単なメンテナンスでダンピング特性・騒音特性を容易に改善することができるので、設備の稼働率の低下を防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、転動体として玉を用いた直動案内装置に本発明を適用した場合を例示したが、これに限定されず、転動体としてころを用いた直動案内装置に本発明を適用してもよい。

本発明に係る直動案内装置の一実施形態を説明するための一部切欠平面図である。 図１に示す直動案内装置を用いてインパクト加振によるスライダの動剛性評価試験を実施する方法を説明するための平面図である。 本発明例１及び比較例１における振動の伝達関数（振動数とコンプライアンスとの関係）を示すグラフ図である。 本発明例１，２及び比較例１〜４における基油動粘度と減衰比との関係を示すグラフ図である。 直動案内装置の振動系を説明するための説明図である。 本発明例１，２及び比較例１〜４における基油動粘度とコンプライアンスとの関係を示すグラフ図である。 グリース封入率と騒音レベルとの関係を示すグラフ図である。 グリース封入率と減衰比との関係を示すグラフ図である。 本発明例２及び比較例３における走行距離とグリース封入率との関係を示すグラフ図である。 従来の直動案内装置の一例を説明するための一部切欠斜視図である。

符号の説明

１０ 直動案内装置
１１ 案内レール
１２ スライダ
１２Ａ スライダ本体
１３ 外側転動溝
１４ 袖部
１５ 内側転動溝
１６ 転動体
１７ エンドキャップ
１８ サイドシール
１９ 給脂用ニップル
２１ 転動体通路
２２ 方向転換路

Claims (1)

1. 軸方向に延びる外側転動溝を有する案内レールと、前記案内レールの前記外側転動溝に対向する内側転動溝を有し、前記外側転動溝と前記内側転動溝との間に挿入される複数の転動体の転動を介して軸方向に沿って相対移動可能に前記案内レールに支持されるスライダと、を備える直動案内装置であって、
   少なくとも前記外側転動溝と前記内側転動溝との間の空間に、４０℃における基油動粘度が１０００ｃｓｔ以上のグリースを前記空間の容積の１０％以上封入することを特徴とする直動案内装置。

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