JP2007003011A

JP2007003011A - 直動案内装置

Info

Publication number: JP2007003011A
Application number: JP2006245697A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Kato; 総一郎加藤; Shiroji Yabe; 四郎司矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】衝撃にも強く、且つ転動体通過振動の抑制及び走行真直性の向上が得られ、また摩擦力の変動も小さい直動案内装置を提供する。
【解決手段】この直動案内装置は、両側面に転動体転動溝を有する案内レール１と、その転動体転動溝に対向する負荷転動体転動溝５ｂ及びこれに平行な転動体戻り通路６ｂを有するスライダ本体２Ａと、このスライダ本体の両端部に取り付けられ前記負荷転動体転動溝５ｂと転動体戻り通路６ｂとを連通せしめる湾曲路１２を有するエンドキャップ２Ｂと、案内レール１の転動体転動溝とスライダ本体２Ａの負荷転動体転動溝５ｂの間に嵌合され前記湾曲路１２及び転動体戻り通路６ａに遊嵌する多数の転動体Ｂとを備え、スライダ本体２Ａは非分割の一体構造で、その負荷転動体転動溝５ｂの全長は転動体直径の２０〜５０倍とした。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体製造装置や超精密加工機械，超精密測定機器等に好適に使用できる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。そして、直動案内装置における案内レールやこれを取付けるベース面の真直度、転動体の無限循環に伴い発生する周期的な微小振動（以下、転動体通過振動という）が、これらの機器類の運動精度を左右する。この転動体通過振動は、予圧や外部荷重によって負荷を受けながらスライダの負荷転動溝を転動している転動体が、負荷域から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。

直動案内装置の転動体通過振動の実測データの一例を図１０に示した。この測定は、図１１に示すような標準タイプのスライダ２を１本の案内レール１につき軸方向に間隔を隔てて２個取り付けた直動案内装置を二基平行に配して、それら４個のスライダ２でテーブルＴを支承しつつ走行させたもので、スライダ２間の軸方向のスパンを２５０ｍｍ、案内レール１同士のスパンを２６０ｍｍに設定し、テーブルＴの中心ＴＯより前方３８０ｍｍの位置に測定点Ｐをおいて、テーブルＴの走行時の上下方向の変位を測定したものである。その変位幅は、±０．３μｍに及んでいることがわかる。

従来、こうした転動体通過振動の抑制には、直動案内装置のスライダの負荷転動溝の両端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。しかし、機械加工精度に対する要求は近年ますます厳しくなりつつあり、そのような対応だけでは必ずしも十分とはいえない状況になっている。そこで、直動案内装置の走行精度をより高めて加工機械における加工精度の一層の向上を図るべく、例えば、特許文献１には、図１２，図１３に示されるように、端部ブロック１０２ａと中間ブロック１０２ｂとの複数個（図では４個）の分割ブロックを軸方向に直列に密着させ、連結プレート１０５を介し結合した摺動台１０２（スライダ本体）の構成が提案されている。このように複数個の分割ブロック体を連結した摺動台１０２の両端に、転動体の無限循環回路を形成する蓋体１０３（エンドキャップ）を取付け、負荷域を長尺化して負荷転動体の数を任意に増加させることにより、摺動台１０２の微小振動（転動体通過振動）の抑制及び走行真直性の向上を図ったものである。

なお、図示のものは、４個の分割ブロック１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを連結し一体の摺動台とした状態で加工機械に固定して、負荷転動溝の同時研削加工を施し、その後に両端の端部ブロック１０２ａ，１０２ｄの負荷転動溝１２４ａ，１２４ｄにクラウニング加工が施されている。これに対し、図示しないが、各ブロックに既存の標準仕様の摺動台（ベアリング又はスライダ本体）を用いて連結構成したものも開示されており、その場合は個々のブロックの負荷転動溝１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ，１２４ｄ毎に、両端にクラウニング加工が施されている。
特公平６−４６０５０号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されている直動案内装置は、複数個のブロック体を連結して一個の摺動台１０２を構成しているため、ブロックの負荷転動溝を直列連結状態で同時加工により形成したにもかかわらず、次のような問題点を抱えている。

１）テーブル等に組み込む際に、誤ってほんの僅かな衝撃力が加わると、簡単に相互のブロックがずれて負荷転動溝に段差を生じてしまい、その段差部分で転動体の負荷に伴う応力集中が起こり、装置寿命を縮めるおそれがある。
２）負荷転動溝内の転動体数を任意に増加させていくと、摩擦力（摺動抵抗）の変動幅が急激に増大する傾向があり、摺動抵抗と振動抑制とのバランスが難しい。
３）標準仕様の既存の摺動台（スライダ本体）を複数個連結して構成した場合には、個々のブロック毎に負荷転動溝の両端部にそれぞれクラウニングが施されているから、相互のブロックのずれの影響は小さいものの、負荷転動溝の長さは各ブロック毎に短く区切られてしまうため、装置全体の転動体通過振動の抑制効果が低くなる。

そこで、本発明は、このような従来技術の未解決の課題を解決するためになされたものであり、直動案内装置のスライダ本体を非分割一体構造で長く形成することにより、衝撃にも強く且つ転動体通過振動の抑制及び走行真直性の向上が得られる直動案内装置を提供することを目的とする。
また、スライダ本体の負荷転動溝内の転動体個数の範囲を規制することにより、摩擦力の変動幅を低減させた直動案内装置を提供することを他の目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、両側面に軸方向の転動体転動溝を有して延長された案内レールと、該案内レールの転動体転動溝に対向する負荷転動体転動溝を袖部の側面に有すると共に、該袖部に前記負荷転動体転動溝と平行な貫通孔を形成する転動体戻り通路を有して前記案内レール上に跨架されるスライダ本体と、該スライダ本体の両端部に取り付けられ前記スライダ本体の負荷転動体転動溝と前記転動体戻り通路とを連通せしめる半円弧状の湾曲路を有するエンドキャップと、前記案内レールの転動体転動溝と前記スライダ本体の転動体転動溝の間に嵌合され、前記エンドキャップの湾曲路及び前記スライダ本体の転動体戻り通路に遊嵌する多数の転動体とを備えた直動案内装置において、前記スライダ本体は非分割の一体構造であり、その負荷転動体転動溝の全長は、転動体直径の２０〜５０倍であることを特徴とする。

上述のように、請求項１に係る発明によれば、スライダ本体を非分割の一体構造とし、且つその負荷転動体転動溝の全長を転動体直径の２０〜５０倍に設定したため、摩擦力の低い直動案内装置が得られるという効果を奏する。また、衝撃に強く且つ転動体通過振動が低く、走行真直性に優れ、しかも摩擦力が小さく、寿命の長い高精度用に最適な直動案内装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の直動案内装置の一実施の形態の斜視図、図２はその要部平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視で示す側面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ断面図、図５はエンドキャップの背面図である。角形の案内レール１上に、横断面形状がほぼコ字形のスライダ２が軸方向に相対移動可能に跨架されている。案内レール１の上面１ａと両側面１ｂが交叉する稜線部に、断面ほぼ１／４円弧形状の軸方向の凹溝からなる一方の転動体転動溝３ａが形成されると共に、案内レールの両側面ｂ中間位置に断面ほぼ半円形の他方の転動体転動溝３ｂが形成されている。

スライダ２は、スライダ本体２Ａとその両端部に取り付けられたエンドキャップ２Ｂとからなる。スライダ本体２Ａには、その両袖部４の内側面に、案内レール１の転動体転動溝３ａ，３ｂにそれぞれ対向する負荷転動体転動溝５ａ，５ｂを設けてある。また、袖部４の肉厚部分の上部に、前記負荷転動体転動溝５ａに平行な軸方向の断面円形の貫通孔からなる転動体戻し路６ａが形成され、同じく下部に、負荷転動体転動溝５ｂに平行する同様の軸方向貫通孔からなる転動体戻し路６ｂが形成されている。符号７はエンドキャップ２Ｂ取付け用のねじ穴である。このスライダ本体２Ａは、軸方向の長さＬを標準仕様のものより長くしてあり、したがって負荷転動体転動溝５ａ，５ｂの長さが標準よりも長くなっている。

特許文献１に開示の直動案内装置においても、負荷転動体転動溝の長さを一般的な直動案内装置より長くしてはいるが、スライダ本体２Ａ（摺動台）を複数の分割ブロックの結合体として構成しているがために、先に述べたような問題点が生じている。これを解決するために、本発明の直動案内装置にあっては、スライダ本体２Ａの全長を、非分割一体構造で長く形成している点で異なる。その長いスライダ本体２Ａの上面には、テーブルとの固定用のねじ穴８が設けてあるが、このねじ穴８はスライダ本体２Ａの剛性を高めるために略全長にわたって複数個設けてある。

以下の説明では、スライダ本体２Ａの長さＬ、すなわち負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）の長さを、転動体Ｂの直径を基準にして表す。具体的には、負荷転動体転動溝の長さを転動体直径で除した値を有効玉数と呼び（負荷転動体転動溝の長さ／転動体直径＝有効玉数）、この有効玉数を用いて表す。たとえば、標準的仕様の直動案内装置の負荷転動体転動溝の有効玉数は１０〜２０であるのに対し、図４に示す実施の形態の場合の負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）の有効玉数は３１である。

エンドキャップ２Ｂは、合成樹脂材の射出成形品で、断面ほぼコ字状に形成されている。そして、スライダ本体２Ａとの当接する裏面２Ｂｂには、図５に示すように、両袖部分に斜めに傾斜した半円状の上凹部９ａと下凹部９ｂが上下に形成されるとともに、それら各半円状の凹部９ａ，９ｂの中心部を横断して半円柱状の凹溝１０が設けてある。その半円柱状の凹溝１０に、半円筒状のリターンガイド１１を嵌合することにより、エンドキャップ２Ｂの裏面には半ドーナツ状の湾曲路１２が上下二段に形成される。

そのエンドキャップ２Ｂをスライダ本体２Ａに取り付け、前記上下二段の半ドーナツ状の湾曲路１２で、スライダ本体２Ａの上段の負荷転動体転動溝５ａと転動体戻し路６ａ、及び下段の負荷転動体転動溝５ｂと転動体戻し路６ｂをそれぞれ連通させる。それらの負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）と転動体戻し路６ａ（６ｂ）と両端の湾曲路１２，１２とで、転動体の無限循環回路が形成されている。そして、この無限循環回路内に、例えば鋼球からなる多数の転動体Ｂが転動自在に装填されている。

直動案内装置は、通常、案内レール１を機台に固定し、一方スライダ２はテーブルに固定して使用する。そして、案内レール１の転動体転動溝３ａ（３ｂ）とこれに対向するスライダ２の負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）内の負荷転動体Ｂを介してテーブルの負荷を受け止め、スライダ２はテーブルの移動に応じ転動体Ｂの転動を介して案内レール１に沿い滑らかに移動する。スライダ２が移動すると、転動体Ｂはスライダ２の移動方向にスライダ２より遅い速度で移動し、一端側の湾曲路１２でＵターンして転動体戻し路６ａ（６ｂ）を逆方向に転動しつつ移動し、他端側の湾曲路１２で逆Ｕターンして負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）内に戻る循環を繰り返す。

この無限循環中、転動体Ｂは負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）内においては負荷を受けながら転動し、転動体戻し路６ａ（６ｂ）および湾曲路１２内では負荷から開放される。すなわち転動体Ｂは負荷域から無負荷域を経て再び負荷域に戻る。そして、負荷域から無負荷域に出る際および無負荷域から負荷域に入る際に行われる負荷の開放と再負荷との繰り返しによって、前述の転動体通過振動が発現する。この微振動による、直動案内装置を取付けた加工機械の加工精度低下を防止するため、この実施の形態では、スライダ本体２Ａを非分割一体構造とし、その負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）の両端部にクラウニング加工１３を施すと共に、有効玉数を３１と通常のものより長く設定した。

このクラウニング１３を設けたことで、転動体Ｂの負荷域の出入りに伴って生じる負荷変化が徐々に行われて、転動体通過振動が抑制される結果、スライダ２ひいてはテーブルの姿勢変化が抑制されて加工機械の加工精度低下を防止することができる。また、スライダ本体２Ａを長く形成したことで、転動体通過振動もより小さくなると共に、負荷転動体数が増えるに従い、案内レールやこれを取付けるベース面の真直度等の加工精度に起因する精度の平均化効果が向上し、それに伴ってスライダの走行精度が向上する。さらに、スライダ本体２Ａを非分割一体構造としたことにより、分割ブロック連結体の場合のように僅かな衝撃力で簡単に負荷転動溝に段差を生じることがなく、その段差部分への転動体の衝突による応力集中で装置寿命を縮めるという現象も防止できる。

図６に、有効玉数の増加による精度の平均化効果を確認するために本願発明者らが行った比較実験結果を示す。実施例には、上述の有効玉数３１個のスライダ２を搭載した直動案内装置を用い、比較例には有効玉数１１個及び１４個のスライダを搭載した二種類の従来の標準タイプ直動案内装置を用いて、スライダの走行に伴う変位量を連続的に測定して記録した。測定方法は、先に述べた図１１の場合と同じく、二本平行に配置した案内レール１に搭載したスライダ２でテーブルＴを支承した装置を用い、そのテーブルＴの中心ＴＯにミラーを置き、テーブルＴの進行方向前方に設置したオートコリメータでレーザの反射光を捕らえて、移動中のテーブルＴの水平面内でのヨーイングによる変位量の変化（真直度）を連続的に記録したものである。図６から明らかなように、実施例の変位量の変化曲線は、いずれの比較例に比べても非常に滑らかである。

しかしながら、一方で、負荷転動体転動溝５ａ（５ｂ）の有効玉数が増大すると、必然的に無限循環回路内の全転動体Ｂの個数が増え、それに伴って転動体Ｂ同士の相互作用による摩擦力（摺動抵抗）が増大するという問題が生じる。そこで、本願発明者らは、有効玉数を変えた直動案内装置につき、潤滑剤としてＩＳＯＶＧ６８相当のオイルを用い、速度１ｍ／ｍｉｎで走行駆動させたときの摩擦力の測定実験を行った。有効玉数別の摩擦力の変動を記録した結果の一例を図７（ａ）〜（ｃ）に示した。図７（ａ）は有効玉数１６個の場合で、その摩擦力の変動幅は約０．０８ｋｇｆ、（ｂ）は有効玉数５０個の場合で、その摩擦力の変動幅は約０．１０ｋｇｆ、（ｃ）は有効玉数７０個の場合で、その摩擦力の変動幅は約０．２０ｋｇｆになっている。

図８は、有効玉数と摩擦力変動との関係を同様の多くの実験から求めた結果をまとめてプロットしたものである。これから、有効玉数が１０個から５０個までの範囲では、摩擦力変動幅の値は玉数の増加とともに略直線状に極めて緩やかな勾配を保って増加するが、有効玉数が５０個を超えると摩擦力変動幅は急激に増加していることがわかる。すなわち摩擦力（摺動抵抗）の観点から、本発明の直動案内装置の負荷転動体転動溝の長さの範囲は、最大限で転動体直径の１〜５０倍の範囲とするのがよい。その下限値は、最低限１でなければ直動案内装置の構造が成立しない。一方、上限値が転動体直径の５０倍を超えると、スライダ２の移動時の特に摩擦力変動幅（摺動抵抗）が急激に増大するからである。

また、図９は、転動体通過振動の変位成分量（μｍ）と有効玉数との関係を多くの実験から求めた結果をまとめてプロットしたものである。有効玉数が１０個から２０個へと増加するに従い、転動体通過振動の変位成分が急激に減少し、有効玉数が２０個を超えると振動変位は安定して、以後は極めて徐々に減少する傾向が見られる。
かくして、本発明の直動案内装置によれば、スライダ本体を非分割一体構造とし、かつその負荷転動体転動溝の長さを転動体直径で除した値である有効玉数を、２０〜５０の範囲に規定することにより、摺動抵抗と振動抑制とのバランスがとれ、衝撃にも強く且つ転動体通過振動の抑制及び走行真直性の向上が得られる高精度用に最適な直動案内装置を提供することができる。

なお、上記の実施の形態では、転動体Ｂがボールの場合を説明したが、これに限らず、円筒ころ，円すいころ，球面ころ等のころでも良い。その場合も、転動体直径を基準にして負荷転動体転動溝の長さを所定の有効玉数に設定する。
また、負荷転動体転動溝の数はスライダの片袖部あたり二本の場合を説明したが、片袖部あたり一本の場合や三本以上の場合にも適用できる。

本発明の直動案内装置の一実施の形態の斜視図である。その要部平面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視で示す正面図である。図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。エンドキャップの背面図である。テーブル走行時の真直度の比較データである。有効玉数が摩擦力に及ぼす影響を示すデータである。有効玉数と摩擦力の変動との関係を示すグラフである。有効玉数と転動体通過振動の大きさとの関係を示すグラフである。直動案内装置の転動体通過振動の実測データである。転動体通過振動の測定方法を説明する図である。長尺な摺動台（スライダ）を用いた従来の直動案内装置の斜視図である。図１２の摺動台の内部構造を示した断面図である。

符号の説明

１案内レール
２Ａスライダ本体
２Ｂエンドキャップ
３ａ転動体転動溝
３ｂ転動体転動溝
４袖部
５ａ負荷転動体転動溝
５ｂ負荷転動体転動溝
６ａ転動体戻り通路
６ｂ転動体戻り通路
１２湾曲路
Ｂ転動体

Claims

両側面に軸方向の転動体転動溝を有して延長された案内レールと、該案内レールの転動体転動溝に対向する負荷転動体転動溝を袖部の側面に有すると共に、該袖部に前記負荷転動体転動溝と平行な貫通孔を形成する転動体戻り通路を有して前記案内レール上に跨架されるスライダ本体と、該スライダ本体の両端部に取り付けられ前記スライダ本体の負荷転動体転動溝と前記転動体戻り通路とを連通せしめる半円弧状の湾曲路を有するエンドキャップと、前記案内レールの転動体転動溝と前記スライダ本体の転動体転動溝の間に嵌合され、前記エンドキャップの湾曲路及び前記スライダ本体の転動体戻り通路に遊嵌する多数の転動体とを備えた直動案内装置において、
前記スライダ本体は非分割の一体構造であり、その負荷転動体転動溝の全長は、転動体直径の２０〜５０倍であることを特徴とする直動案内装置。