JP5257135B2

JP5257135B2 - スライド装置

Info

Publication number: JP5257135B2
Application number: JP2009042589A
Authority: JP
Inventors: 容土田; 宏西澤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010196806A

Description

本発明は、低負荷で精度良く直線運動できる、ベアリングを用いたスライド装置に関する。

従来、この種のスライド装置は、転動体にボールを用いたリニアガイドなどと呼ばれるものが良く知られている。また、より高い荷重を支持させるものには、転動体にローラーを用いたクロスローラーガイドと呼ばれるものが知られている。また、特許文献1にはボールベアリングを多数配置したスライダーを用いたリニアガイドに動力伝達部を同じフレームに配置して小型化を実現できることと、フレームに、玉軸受け３個を１セットで使用することによりアルミサッシの精度でも無調整で４方向のガイドが可能であることが開示してある。

また、特許文献２にはボールベアリングの周囲に樹脂などのローラーを設け、対応するスライダーとの間でローラーをレールの長手方向にレールの左右軌道面にほぼ半数ずつ接触するように配置されていることで、精度を損なうことなく安価な直線案内装置が提供できることが開示してある。

特開平１１−３７１５４号公報（第３頁、段落００１０、図１、図３、）特開平８−２３２９５２号公報（第３頁、段落０００７、図２、図３）

しかしながら、特許文献１で開示されているようなアルミサッシを用いたガイド装置においては、ベアリングとアルミサッシの硬度差によって、走行面のアルミの表面が剥がれるように脱落して、寿命が短くなるという問題がある。これは荷重を十分小さくしても、お互い接触する材料の硬度差やヤング率の差が大きいために硬度・ヤング率の低いアルミの表面が繰返し応力により疲労してしまい発生していると考えられる。

一方、特許文献２に開示されているガイド装置においては、ベアリングの周囲に樹脂や、ゴムを付加させるために接着や圧入または、インサート成形などによって作られる。ベアリングの表面は一般に研削で加工されているために直径の精度、真円度、表面粗さが十分良く加工されている。ベアリングの周囲に付加する樹脂や、ゴムなどでは後加工を施さない限りはベアリングと同様の精度にすることは困難である。また、レールとスラーダーとが中間バメとしているとともに、温度膨張係数においても樹脂と金属でオーダーが異なるために、直線精度を保証する温度範囲を狭めたり、移動距離に制限を設けたりする必要があるなどの課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、精度が良く、寿命の長い信頼性の高いスライド装置を安価に提供するものである。

本発明は、上記目的を達成するために、断面が概略コの字型を有するレールと、レールの平面に対応して配置されるベアリングと、このベアリングを保持するスライダーが、前記レールの平面に案内されて直線運動をするスライド装置において、前記レールの前記ベアリングに対応する表面が加工硬化により硬度を高められていることを特徴とする。この構成によりベアリングと接するレール部分は表面になるに従って硬度が高められているために、寿命を長くすることができる。また、レールの表面は加工硬化によって硬度が高められるために、表面硬度を高める特段の処理や加工を不要とすることができる。

また、レールはフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする。この構成によりレールをプレス加工などの冷間加工によって所要の形状にする過程で容易に表面を加工硬化させることができる。また、不動態膜が生成されるために高い防錆効果が得られ、潤滑油や防錆のメンテナンスを不要にすることができる。

また、ベアリングは少なくとも6個でその1つは、前記レールの走行方向に対して直交する方向へのガタを規制して固定されていることを特徴とする。この構成によりレールとスライダーとの組合せ毎にガタ無くすることができる。より具体的には、レールを基準にスライダー組み立て体のガタが無い状態にして、ベアリングを固定できる。これによりベアリングの滑りを低減でき騒音低減や微動磨耗などの防止ができスライド装置の寿命を長くすることができる。

また、ベアリングはマルテンサイト系ステンレスであることを特徴とする。この構成により、特に防錆処理がなくとも錆びにくいので使い勝手が良い。なお防錆油を必要としないのでコンタミなどを嫌うクリーンな環境での利用にも有効である。

以上のように、本発明は、断面が概略コの字型を有するレールと、レールの平面に対応して配置されるベアリングと、このベアリングを保持するスライダーが、前記レールの平面に案内されて直線運動をするスライド装置において、前記レールの前記ベアリングに対応する表面が加工硬化により硬度を高められていることにより、安価で特段の処理や加工を必要とせずに寿命の長いスライド装置が実現できる。

本発明の第１の実施形態に係るスライド装置のレールを示す斜視図本発明の第１の実施形態に係るレールの側面図本発明の第１の実施形態に係るスライダーの平面図本発明の第１の実施形態係るレールにスラーダーが組み込まれた状態を示す側面図本発明におけるスライドの往復回数と摺動負荷を示す特性図

（実施の形態１）
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明におけるスライド装置のレールを示す斜視図、図２は図１のレールをAの方向から見た側面図、図３はスライダーの平面図、図４はレールにスラーダーが組み込まれた状態を示す側面図、図５はレールの違いによるスライドの往復回数と摺動負荷を示す特性図である。先ずスライド装置の構成について説明する。

図１において、レール１は概略コの字型の断面形状をしている。レール１にはベアリングが回転して走行する底部の第１の走行面２と、この走行面２の上方に設けられた、第２の走行面３を有している。また、レール１を図示しない基台にネジなどで固定するための固定穴４を有している。本実施例においてレール１はフェライト系ステンレス鋼（SUS430）で板厚は１．５ｍｍの光沢表面のBA材や準光沢面の２B材を用いている。所要の形状を作るために、プレスによって冷間加工して作られる。レール外形の寸法としては幅が約２０ｍｍ、高さが約１０ｍｍ、長さが約２５０ｍｍとしてある。長さ方向が後述する、スライダーの走行方向であり、図中に矢印で走行方向と示してある。図２は図１のレールをA方向から見た側面図である。図２においてレール１の内面側の底部に第１の走行面２a、２b が左右に設けられている。また第１の走行面２a、２b と垂直な壁に続いて、走行方向に平行で第１の走行面２a、２b の上方で、第１の走行面２a、２b と一定の角度をなして設けられた、左右１対の第２の走行面３a、３b を有している。図中の点線で示した部分は、ベアリングと接触する面で、冷間加工により加工硬化されて表面に行くに従って硬度が高くなっている。所要の形状をプレスによって作成する際に、金型で十分押さえたり、曲げのRコロシを行ったりすることによって加工硬化されるようにしてある。また、ローラーバニッシュなどによって、表面の面粗度の向上と、硬さの増加を同時に実現させることも可能である。母材（下地）に対して表面の硬度が高められるよう、板厚方向に硬度が傾斜して与えられている。

さて次に、レール１に直線ガイドされるスライダーについて説明する。図３はスライダー１０の平面図である。スライダー１０は金属製のシートを所要の形状としたベース１５に対して、６個のベアリング１１a、１１b 、１２a 、１２b が取り付けられている。また、スライダー１０を図示しない移動基台にネジなどで固定するための固定穴１６を有している。本実施例におけるベース１５は亜鉛メッキ鋼板（SECC）で板厚は１．６ｍｍのものを用いている。また、ベアリングは内径（ｄ）φ４ｍｍ、外径（D）φ７ｍｍ、幅（B）２ｍｍの深溝のボールベアリングである。本実施の形態においては、内輪・外輪および転動体のボールはマルテンサイト系のステンレス鋼（SUS４４０C相当品）で焼入れ、焼き戻しをして所要の硬度としている。ボールについては高炭素クロム鋼（SUJ２）を適宜用いることも可能である。ベース１５にはベアリングの内輪に対応する円筒状の中空の軸が絞り加工により作られていて、ベアリングの内輪に対して圧入させることでベアリングを外輪回転型として保持するようになっている。ベアリングの外輪の硬度はロックウェル硬度（HRc）で５８ないし６２としてある。

ベアリング１２b のみはレール１の走行方向に対して直交する方向へのガタが無いようにおよそ２N（２０４ｇｆ）の荷重を加えることでガタをなくし、この状態で取付け板１４をベース１５にスポット溶接している。従って予圧方法としては定位置予圧に近いものである。スライダー１０に対して取付け板１４を介して取付け位置が調整されて固定手段１３により固定されている。取付け板１４の固定手段１３としては数値の周知のネジやスポット溶接、カシメ、接着などを用いることが可能である。

ガタを取るために、本実施の形態では定圧を加えて固定しているが、予圧に付勢手段を用いて固定手段１３に変えて用いることも可能である。この場合の付勢手段としては、板バネ、コイルバネ、トーションバーなどの公知の手段が利用可能である。

また、３つのベアリング１１ａ、１１ｂは回転軸が同じ方向（同じ向きをしている）としてあり、この3つのベアリングで決まる平面をレール１の底部の走行面２a、２b に対して対応させるようにしてある。別の3つのベアリング１２a、１２b においては、２つのベアリング１２aは第２の走行面３aを対応させ、残る1つのベアリング１２b を第２の走行面３b に対応させてある。これらの対応は、適宜変更することも可能である。

次に図４について説明する。図４はレール１にスラーダー１０が組み込まれた状態を示す側面図で、図１のAの方向から見た図である。図４においては、前述のようにそれぞれのベアリングと走行面との関連ができている。前述のようにレール１基準にスライダー１０としてのガタをなくしてあるので、それぞれのベアリングが、それぞれの対応する走行面に対して安定的に接触させ円滑な回転を可能としている。なお、これらの構成部品が、全て金属としているので膨張係数のオーダーを同じとすることができ、広い温度範囲でも、走行距離の長いレールに対しても安定して精度良く案内できる。更に加えて言えば、ボールベアリングではレースとボールの隙間が負となっても回転できる点がガイドの走行を確保できる要因でもある。

さて、次に動作についての説明を行う。前述の構成によって、レール１の底面に設けられた第１の走行面２に対しては、スラーダー１０の３つの対応するベアリングが接触して平面を確保しながら安定的に回転移動する。第２の走行面３に対しては３つの対応するベアリングがガタなく接触して第２の走行面の幅方向の寸法とスライダー１０のベアリングの外輪による距離が等しくなる位置に安定させるように作用する。レール１とスラーダー１０との間でガタをなくしてあるので、スライダー１０は安定して位置決めされ、レール１に対して滑ることや引っ掛かりなどがなく円滑な直線運動をガイドさせることができる。

さて、次にレールの材質・硬さとスライダーを往復スライドさせた場合の寿命について図５によって説明する。この実験においては、同じ形状のレールを用意して、フルストローク（１７０から２００ｍｍ）を室内環境下で、レールを傾けることでスライダーを自重落下させて往復させたものである。図５のグラフにおいては、横軸に往復の回数を対数にて取り、縦軸には水平状態でのスライダーの摺動負荷を取ったグラフである。レールの種類によってプロットしてある記号を会わせてある。図中の2点鎖線は摺動負荷の増加の様子をより分かり易いようにするための予測線である。また、Ｘ印はスライダーが自重落下できなかったことを示している。スライダーの自重としては約３０ｇｒであるので、摺動負荷が約３０ｇｒを越えた時点で寿命として判断をした。評価したレールの材料・処理については表１に示す。

これによれば、往復回数に従って摺動負荷は単調増加する傾向を有しており、初期値の値が低いほど寿命になる往復回数も増加することが分かる。この種のスライド装置では１０万回の往復寿命が一般的に求められている。また、摺動負荷が大きくても良いものならば、更に寿命は長くできるが、振動・騒音などから自重落下できる範囲に設定するのが適切であると考えられている。表面硬度が高いレールＮｏ．２において、寿命が短くなってしまったのは、レール母材のアルミの硬度と表面処理による硬質アルマイトとの間で硬度の差が大きく、不連続面が表面近傍に構成されたことによるものと考えられる。硬度が不連続となったために、母材と表面との間でベアリングの外輪と接触している部分の弾性伸びが不連続となり、界面において応力集中を発生することとなる。この応力集中によって、金属疲労が増大し、表面の剥離が発生したものと考えられる。一方、レールＮｏ．１では表面硬度が低く、母材自身の硬度が低いために寿命が短くなったものと考えられる。これは、レールＮｏ．１と３を比較すると母材自身の硬度によって寿命が変化することから予測できる内容である。レールＮｏ．４では、表面が加工硬化により硬度が高くなっているので、母材が表面に行くに従って硬度が高くなるように構成される。母材自身の硬度が高いことにも助けられていると考えられるが、寿命試験においてもレールＮｏ．４では表面剥離の発生も起こっていない。これらから、表面の構造と疲労の発生過程から予測して、実験で確かめられた結果が符合するものと考えている。

これらの結果から、レールＮｏ．４が最も良い特性を示しているものと考えられる。更に長寿命化を必要とするならば、レール１にニッケルメッキや窒化処理などの処理を加えることも考えられるが、コストの上昇や、工程が増加する点などに配慮が必要で、前述のようにレールの硬度が不連続にならないようにすることが望ましい。レールは冷間加工により加工硬化されて表面に行くに従って硬度が高くするように構成されることが望ましい。なお、レール１０の加工硬化後の硬度としては、ベアリングの外輪より低くすることが良いと考えられる。その理由は、外輪とレールの接触している状態を考えれば、外輪の方がレールより同じ部分が接触している機会が多いことから、硬さは外輪の方が高いことが望ましいことが理解できよう。

本実施の形態によれば、レールの形状を作るプレス工程で表面に加工硬化を発生させたものであるのでコスト上昇も、工程が長くなることもなく実現できる。

本発明のスライド装置は、レールの形状を作るプレス工程でプレスすることでレール表面に加工硬化を発生させることによって、特段の設備や処理もすることなく、安価に寿命の長いスライド装置を提供できるものであり、高価なリニアガイドなどへの応用にも有用である。

１レール
２、２ａ、２ｂ第１の走行面
３、３ａ、３ｂ第２の走行面
４固定穴
１０スライダー
１１ａ、１１ｂベアリング
１２ａ、１２ｂベアリング
１３固定手段
１４取付け板
１５ベース

Claims

断面が概略コの字型を有するレールと、レールの平面に対応して配置される深溝ボールベアリングと、この深溝ボールベアリングを保持するスライダーと、を備え、前記レールの平面を前記深溝ボールベアリングの外輪が回転することで前記スライダーが、前記レールの平面に案内されて直線運動をするスライド装置において、
前記レールは、フェライト系ステンレス鋼からなり、
前記深溝ボールベアリングは、マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記外輪の硬度がＨＲｃ５８ないし６２であって、
前記レールの前記ベアリングに対応する部分は表面が加工硬化により硬度を高められて、ＨＶ２５０以上であることを特徴とするスライド装置。
前記レールの前記ベアリングに接触する面は、冷間加工により加工硬化されて表面に行くに従って硬度が高くなっていることを特徴とする請求項１に記載のスライド装置。