JP2005256954A - Linear guide and feeding screw friction reducing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直動案内や送りねじ軸を有する精密工作機械や精密測定機における運動精度向上を目的とする。位置決め誤差の要因となっている転がり摩擦力や滑り摩擦力を低下させ、その結果、位置決め精度を向上させるための技術に関するものである。特に、サブミクロンから数マイクロメートルオ一ダの位置決め精度が必要な超精密加工機等に有用であると考えられる。超音波振動子を用いて直動案内の軌道面やねじ要素の軌道面や摺動面を加振し、転動体と軌道面間の転がり摩擦、軌道面聞・摺動面間の滑り摩擦を低滅させ、その結果、直動案内要素やねじ要素を用いた機構の位置決め精度を向上させる。 An object of the present invention is to improve motion accuracy in precision machine tools and precision measuring machines having linear motion guides and feed screw shafts. The present invention relates to a technique for reducing the rolling frictional force and the sliding frictional force that cause positioning errors, and as a result, improving positioning accuracy. In particular, it is considered useful for ultra-precision processing machines that require positioning accuracy on the order of submicron to several micrometers. Using an ultrasonic transducer, the raceway surface of the linear motion guide and the raceway surface and sliding surface of the screw element are vibrated to reduce the rolling friction between the rolling element and the raceway surface and the sliding friction between the raceway surface and the sliding surface. As a result, the positioning accuracy of the mechanism using the linear motion guide element and the screw element is improved.
＜直動ころがり案内の有用性について＞
工作機械や測定機における重要な構成要素の１つとして、ツールと工作物の相対的な運動を行う際に必要な直動案内要素がある。近年では、この直動案内要素として転がり案内が多く採用されている。これは球やころ等の転動体が軌道面の間で転がり運動をするもので、図２６に示すようなさまざまな形式がある。図２６（ａ）は一般的に多く用いられているリニアガイドと呼ばれているもので、転動体である複数の球あるいはころがレール側軌道面とガイドブロック側軌適面の間を転がり運動をする。転がり運動を終えた転動体はガイドブロック内のリターンパイプ内を戻って、再び軌道面間に戻るように構成される。
<Usefulness of linear motion rolling guidance>
One of the important components in a machine tool or a measuring machine is a linear motion guide element necessary for performing relative movement between a tool and a workpiece. In recent years, many rolling guides have been adopted as the linear motion guide elements. This is because rolling elements such as balls and rollers roll between the raceway surfaces, and there are various types as shown in FIG. FIG. 26 (a) is generally called a linear guide, and a plurality of balls or rollers as rolling elements roll between a rail side raceway surface and a guide block side raceway surface. do. The rolling elements that have finished the rolling motion return in the return pipe in the guide block and return to the raceway surface again.
図２６（ｂ）はボールスプラインと呼ばれるもので、軸方向に溝加工された円筒外面を持つ軸、すなわちスプライン軸上を外筒（スライドユニット）が直線運動を行う直動案内要素である。軸に溝加工を施していないものは、スライドユニットの並進運動のほかに軸周りに回転をすることが可能であり、リニアボールベアリングと呼ばれている。図２６（ｃ）はクロスローラガイドと呼ばれる、Ｖ字形状の２平面を軌道溝とした軌道台の間に保持器付きの円筒ころを組み込んだ直動案内要素である。円筒ころを交互に直交させて配列してあるので、あらゆる方向の荷重を受け持つことができる。 FIG. 26B is called a ball spline, which is a linear guide element in which an outer cylinder (slide unit) linearly moves on an axis having a cylindrical outer surface grooved in the axial direction, that is, on the spline axis. Those whose shafts are not grooved can rotate around the shaft in addition to the translational movement of the slide unit, and are called linear ball bearings. FIG. 26C shows a linear motion guide element called a cross roller guide, in which a cylindrical roller with a cage is incorporated between raceways having two V-shaped raceways as raceway grooves. Since the cylindrical rollers are alternately arranged at right angles, they can handle loads in all directions.
図２７は図２６（ａ）のリニアガイドを用いて直線運動をする直動テーブルの例であり、実際の機械には図のような実施形態が多く用いられている。以上のように転がり直動案内は様々な種類があり、以下のような特長を持っている。
（１）多数の転動体により多点にて支持されるため、転動体や軌道面の形状精度が平均化され、運動精度が向上する。
（２）摩擦力が小さいため、位置決め精度がよく、モータも小型でよい。
（３）摩耗が少なく、寿命が長い。また予圧が長期間保たれ、メンテナンス性に優れる。（４）速度による摩擦力の変動が少なく、制御性がよい。
（５）潤滑が容易である。
（６）標準ユニット化により、廉価で納期が早い。
（７）レール取付け面のキサゲ仕上げ作業等が省略できる。また組立調整が簡単である。
FIG. 27 is an example of a linear motion table that performs linear motion using the linear guide of FIG. 26A, and an embodiment as shown in the figure is often used in an actual machine. As described above, there are various types of rolling linear motion guides, which have the following features.
(1) Since it is supported at multiple points by a large number of rolling elements, the shape accuracy of the rolling elements and the raceway surface is averaged, and the movement accuracy is improved.
(2) Since the frictional force is small, the positioning accuracy is good and the motor may be small.
(3) Less wear and long life. In addition, the preload is maintained for a long time, and the maintenance is excellent. (4) Fluctuation force variation due to speed is small and controllability is good.
(5) Lubrication is easy.
(6) Due to the standardized unit, it is inexpensive and quick delivery.
(7) It is possible to omit the scraping work of the rail mounting surface. Moreover, assembly adjustment is easy.
＜直動ころがり案内の問題点＞
以上のような多くの特長により、転がり直動案内は工作機械等の精密な機械に多く用いられている。しかし近年では機械の性能向上の要求が著しく高まっているため、特にサブミクロンオーダの位置決め精度が要求される場合には、転がり摩擦力の低滅の必要性が生じている。例えば、図２８はｘｙ方向に駆動できるｘｙテーブルを円弧運動した際に、それぞれのテーブルが移動方向を反転するときに摩擦力の働く方向が切り替わるために、その反転直後に目標座標指令値と実際の座標値の間に位置偏差が生じた結果を測定した例である。このような誤差は「象限切替え突起誤差」と呼ばれる。図ではｘｙ軸上において６μｍ前後の突起状の誤差が観察されている。
<Problems of linear motion rolling guide>
Due to the many features described above, rolling linear motion guides are often used in precision machines such as machine tools. However, in recent years, the demand for improving the performance of the machine has been remarkably increased, and there is a need to reduce the rolling friction force particularly when positioning accuracy on the order of submicron is required. For example, in FIG. 28, when the xy table that can be driven in the xy direction is moved in a circular arc, the direction of the frictional force is switched when each table reverses the moving direction. It is the example which measured the result which the position deviation produced between these coordinate values. Such an error is called “quadrant switching protrusion error”. In the figure, a projection-like error of about 6 μm is observed on the xy axis.
この誤差は運動伝達要素として用いられるボールねじ等のバックラッシュや摩擦が原因であると従来考えられてきたが、リニアモータ駆動によるｘｙステージにおいても観察されるため、用いられている転がり直動案内の摩擦も原因の一つであることが近年わかってきた。さらに、空気静圧案内（エアガイド）のような超低摩擦の案内要素を用いた場合は観察されないので、転がり案内要素の摩擦特性も原因の一つであると断定できる。したがって、以上に述べたような「象限切替え突起誤差」を滅ずるには、案内要素の摩擦力をできるだけ滅らすことが必要となるが、超低摩擦である空気静圧案内は高価であると同時に原理的に剛性および減衰性に劣るため、工作機械等の剛性や減衰が必要な機械への応用は実用上困難である。転がり直動案内の転がり摩擦力は、転動体の数や大きさ、あるいは予圧等に依存するが、一般的に多く用いられているレール幅２５ｍｍ程度の大きさのリニアボールガイドでは軽与圧のもので１ユニット当たり約８Ｎ、重与圧のもので約２０Ｎ程度が観察されている。以上のころがり摩擦力は、案内要素に積載荷重を掛けずに単体で測定した値であり、荷重が増加すればころがり摩擦力もより大きくなる。 This error has been thought to be caused by backlash and friction of the ball screw used as a motion transmission element. However, since this error is also observed in the xy stage driven by a linear motor, the rolling linear motion guide used is used. In recent years, it has been found that friction is one of the causes. Furthermore, since it is not observed when a super low friction guide element such as an air static pressure guide (air guide) is used, it can be determined that the friction characteristic of the rolling guide element is one of the causes. Therefore, in order to eliminate the “quadrant switching protrusion error” as described above, it is necessary to eliminate the frictional force of the guide element as much as possible. However, the static air pressure guide with ultra-low friction is expensive. At the same time, it is inferior in rigidity and damping in principle, so that it is practically difficult to apply to machines such as machine tools that require rigidity and damping. The rolling frictional force of the rolling linear motion guide depends on the number and size of rolling elements, preload, etc., but a linear ball guide having a rail width of about 25 mm, which is generally used, is lightly pressurized. About 8N per unit is observed, and about 20N is observed with heavy pressure. The above rolling friction force is a value measured by itself without applying a load to the guide element, and the rolling friction force increases as the load increases.
＜超音波による滑り摩擦低減方法について＞
従来より２個体間の摩擦力を減ずるための方法として、接触面を高い周波数で機械的に加振し、微小な相対運動を生じさせることが行われてきた。例えば、図２９（ａ）はバイト等の工具で金属材料等を切削する際に、超音波振動子により工具に高周波振動を与えて工作物と工具の間の摩擦を減ずることによって切削抵抗や摩擦熱の問題を解決し、切削面あらさや工具寿命を改善することができる。また図２９（ｂ）は線材の引抜き加工等の塑性加工時に、工具（ダイス）に高周波振動を与え、金属材料との間の摩擦を減ずることによって、引抜き力の低減や線材表面性状等の改善を達成できる。このほか、部品同士の嵌合において隙間が僅少である場合に、部品に高周波振動を付加することにより、数マイクロメートルの隙間しか無いような高精度な嵌合においても円滑に部品の挿入・組立を行うことができる。
<About sliding friction reduction method using ultrasonic waves>
Conventionally, as a method for reducing the frictional force between two individuals, a contact surface has been mechanically vibrated at a high frequency to generate minute relative motion. For example, in FIG. 29A, when cutting a metal material or the like with a tool such as a cutting tool, high frequency vibration is applied to the tool by an ultrasonic vibrator to reduce the friction between the workpiece and the tool, thereby reducing the cutting resistance and friction. The problem of heat can be solved, and the surface roughness and tool life can be improved. FIG. 29 (b) shows a reduction in drawing force and an improvement in the surface property of the wire by applying high-frequency vibration to the tool (die) during plastic working such as drawing of the wire and reducing friction with the metal material. Can be achieved. In addition, when the gap between parts is very small, high-frequency vibration is added to the part to smoothly insert and assemble the part even in high-precision fitting with only a few micrometers gap. It can be performed.
摩擦低減効果を得るための加振周波数は加振する部品の慣性質量等にも依存するが、一般的には数百Ｈｚ以上の加振周波数で効果が認められる。しかしこのような可聴域の周波数帯では耐え難い騒音が発生することが多いため、実用的には２０ｋＨｚ以上の超音波領域での加振を行う。以上のように２面間に相対的な超音波振動を付加することにより摩擦を減ずることは広く知られており、研究および実用化が行われている。しかし以上の実例は２個体間の滑り接触における摩擦を減じるためのものが大多数であり、転がり摩擦を滅ずるための実例は殆どない。転がり軸受の転動体（ころ）の滑りに伴うトルクを滅少させて軸受駆動時のトルク低滅を図るものとしては下記特許文献１に開示されたものがある。
前記特許文献１に開示されたものは、軸受外輪に圧電素子を取付け、軸受駆動時に外輪に対して超音波振動を付加した装置で、回転型の案内要素に関するものであり、直線運動用の案内要素のものではない。 The device disclosed in Patent Document 1 is a device in which a piezoelectric element is attached to a bearing outer ring and ultrasonic vibration is applied to the outer ring during driving of the bearing, and relates to a rotating guide element. It is not an element.
＜ころがり直動案内を加振する際の問題点＞
転がり直動案内における転がり摩擦のおもな発生箇所は、大きく分けると、転がり直動案内を構成している転動体とガイドブロック軌道面の間、そして転動体とレール軌道面の間の２箇所である（図３０）。したがって、これらに発生する摩擦を滅ずるには、高周波振動を転動体に付加するか、あるいはガイドブロックおよびレールの両方の軌道面に振動を付加する必要がある（無論、片方の軌道面のみでもある程度の摩擦低減効果は得られる）。しかし、前者では転がり運動を行っている多数の転動体を直接加振することは非常に困難である。
<Problems when oscillating rolling linear motion guide>
The main places of rolling friction in rolling linear motion guides can be broadly divided into two locations between the rolling elements and the guide block raceway surfaces that make up the rolling linear motion guides, and between the rolling elements and rail raceway surfaces. (FIG. 30). Therefore, in order to eliminate the friction generated in these, it is necessary to add high-frequency vibration to the rolling elements or to add vibration to the raceway surfaces of both the guide block and the rail (of course, only one of the raceway surfaces is required). A certain amount of friction reduction effect is obtained). However, in the former, it is very difficult to directly excite a large number of rolling elements that are rolling.
さらに後者では、図３１のように、テーブルを搭載しているガイドブロックの軌道面を加振する場合は、テーブルに超音波振動が伝搬してテーブル上の工作物等が振動してしまう可能性がある。また、レール側軌道面を加振する場合は、長いレール側軌道面の全長にわたって超音波振動を付加することが必要であるが、これも容易ではない。レールの長さは案内要素のストローク十アルファが必要であって実際には数十ｃｍから２、３ｍ程度の長さとなり、レールは機械のフレーム等にボルト締めされているため、振動はフレーム等に吸収されてしまい、機械振動は長い距離では滅衰し易いからである。また、図３２のように長いスパンを持つ片持ち梁構造からなる構造部材の中央部に超音波振動子を設置し、梁の曲げ振動（横振動）を発生させることは容易であるが、一般にリニアガイドのレールは機械べ一ス面に接しており、等ピッチ間隔でボルト締結されているためにこのような方式での加振は困難である。 Furthermore, in the latter case, as shown in FIG. 31, when vibrating the track surface of the guide block on which the table is mounted, there is a possibility that the ultrasonic vibration propagates to the table and the workpiece on the table vibrates. There is. In addition, when vibrating the rail side raceway surface, it is necessary to apply ultrasonic vibration over the entire length of the long rail side raceway surface, but this is also not easy. The length of the rail requires the stroke of the guide element plus 10 alpha, and is actually a length of several tens of centimeters to a few meters, and the rail is bolted to the frame of the machine. This is because the mechanical vibration is easily absorbed at a long distance. In addition, it is easy to install an ultrasonic vibrator at the center of a structural member having a cantilever structure having a long span as shown in FIG. 32 to generate a bending vibration (lateral vibration) of the beam. Since the rail of the linear guide is in contact with the machine base surface and is bolted at equal pitch intervals, it is difficult to vibrate in this manner.
そこで、本発明では、リニアガイドのレールが機械べ一ス面に対して等ピッチ間隔でボルト締結されている点に着目し、低廉な超音波振動子の採用と、最小限の転がり案内要素の設計変更によっても、従来の工作機械等へ容易に導入が行え、転がり摩擦力をさらに滅じてミクロンオーダからサブミクロンオーダでの精密な位置決めの精度が向上する直動案内および送りねじ摩擦低減方法を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, paying attention to the fact that the rail of the linear guide is bolted to the machine base surface at equal pitch intervals, the use of an inexpensive ultrasonic vibrator and the minimum amount of rolling guide elements are adopted. Linear motion guide and feed screw friction reduction method that can be easily introduced into conventional machine tools, etc. even with design changes, and further eliminates rolling friction force and improves precision positioning accuracy from micron order to submicron order The purpose is to provide.
そのため本発明は、転動体と軌道面を有するころがり直動案内要素の摩擦低減方法において、レール側軌道面あるいはガイドブロック側軌道面もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、転動体と軌道面との間の摩擦力を低減させることを特徴とする。また本発明は、摺動面を有する滑り直動案内要素の摩擦低減方法において、レール側摺動面あるいはガイドブロック側摺動面もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、摺動面の摩擦力を低減させることを特徴とする。また本発明は、前記軌道面あるいは摺動面に高周波振動を効率良く伝搬させるために、軌道台（レールまたはガイドブロック）の固定部分が振動の節となるように配設したことを特徴とする。また本発明は、前記軌道面あるいは摺動面に高周波振動を効率良く伝搬させるために、軌道台（レールまたはガイドブロック）の固定部分が振動の節となるように、固定部分の間隔を加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離としたことを特徴とする。また本発明は、前記直動案内要素に付加する高周波振動を、機械の稼働中にわたりあるいは特定の時間のみに付加することを特徴とする。また本発明は、ナットに螺合するねじ軸のいずれか一方を固定部とした送りねじの摩擦低減方法において、ナットあるいはネジ軸もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、ナットとねじ軸との間の摩擦力あるいはナットとねじ軸および転動体間の摩擦力を低減させることを特徴とする。また本発明は、前記ナットあるいはねじ軸に高周波振動を効率良く伝搬させるために、ねじ軸の固定部分が振動の節となるように、あるいは固定部分の聞隔を加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離としたことを特徴とする。また本発明は、前記付加する高周波振動を、機械の稼働中にわたりあるいは特定の時間のみに付加することを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。 Therefore, the present invention provides a method for reducing friction of a rolling linear motion guide element having a rolling element and a raceway surface, by adding high-frequency vibration to the rail side raceway surface or the guide block side raceway surface or both, thereby Friction force between the surfaces is reduced. Further, the present invention provides a friction reducing method for a sliding linear guide element having a sliding surface, by adding high-frequency vibration to the rail-side sliding surface and / or the guide block-side sliding surface, or both of them. The frictional force is reduced. Further, the present invention is characterized in that in order to efficiently propagate high-frequency vibrations to the raceway surface or the sliding surface, the fixed portion of the raceway (rail or guide block) is arranged to be a vibration node. . In addition, in the present invention, in order to efficiently transmit high-frequency vibrations to the raceway surface or the sliding surface, the fixed portion interval is vibrated so that the fixed portion of the track base (rail or guide block) becomes a vibration node. The distance is a half of the frequency wavelength or an integral multiple of the wavelength. Further, the present invention is characterized in that the high-frequency vibration added to the linear motion guide element is added during operation of the machine or only at a specific time. The present invention also relates to a method for reducing friction of a feed screw in which either one of the screw shafts screwed into the nut is a fixed portion, and by adding high-frequency vibration to the nut or the screw shaft or both, the nut and the screw shaft are provided. The frictional force between the nut and the screw shaft and the rolling element is reduced. Further, in the present invention, in order to efficiently propagate high-frequency vibration to the nut or the screw shaft, the fixed portion of the screw shaft becomes a node of vibration, or the interval of the fixed portion is set to half of the wavelength of the excitation frequency or The distance is an integral multiple of that distance. Further, the present invention is characterized in that the high-frequency vibration to be added is added during the operation of the machine or only at a specific time, and these are used as means for solving the problems.
本発明では、転動体と軌道面を有するころがり直動案内要素の摩擦低減方法において、レール側軌道面あるいはガイドブロック側軌道面もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、転動体と軌道面との間の摩擦力を低減させることによって、ガイドブロックやレール取付部での振動を最小に抑制して機械本体や工作物にまで振動を及ぼすことなく、ころ等を介したころがり直動案内要素の転動体と軌道面との間のみを加振できて、位置決め精度を向上させるために、その面の摩擦を低減させることができる。 In the present invention, in the friction reduction method for a rolling linear motion guide element having a rolling element and a raceway surface, high-frequency vibration is added to the rail-side raceway surface or the guide block-side raceway surface, or both of them, so that the rolling element and the raceway surface are provided. Roller linear motion guide element via rollers, etc., with minimal vibrations at the guide block and rail mounting part and without affecting the machine body or workpiece. In order to excite only between the rolling element and the raceway surface and improve the positioning accuracy, the friction of the surface can be reduced.
また、摺動面を有する滑り直動案内要素の摩擦低減方法において、レール側摺動面あるいはガイドブロック側摺動面もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、摺動面の摩擦力を低減させる場合は、レール取付部での振動を最小に抑制して機械本体や工作物にまで振動を及ぼすことなく、滑り摺動面を有する直動案内要素の摺動面のみを加振できて、位置決め精度を低下させることなく、その面の摩擦を低減させることができる。さらに、前記軌道面あるいは摺動面に高周波振動を効率良く伝搬させるために、軌道台（レールまたはガイドブロック）の固定部分が振動の節となるように配設した場合は、さらにレールやガイドブロック取付部での振動を最小に抑制して機械本体や工作物にまで振動を及ぼすことなく、軌道面あるいは摺動面に高周波振動を加えることができる。 Further, in the friction reducing method of the sliding linear guide element having the sliding surface, the frictional force of the sliding surface is reduced by applying high frequency vibration to the rail side sliding surface or the guide block side sliding surface or both of them. When reducing, the vibration at the rail mounting part can be suppressed to the minimum, and only the sliding surface of the linear guide element with sliding sliding surface can be vibrated without causing vibration to the machine body or workpiece. The friction of the surface can be reduced without reducing the positioning accuracy. Further, in order to efficiently propagate high-frequency vibrations to the raceway surface or the sliding surface, when the fixed part of the raceway (rail or guide block) is arranged as a vibration node, the rail or guide block is further provided. High-frequency vibration can be applied to the raceway surface or the sliding surface without suppressing vibration at the mounting portion to the minimum and exerting no vibration on the machine body or workpiece.
さらにまた、前記軌道面あるいは摺動面に高周波振動を効率良く伝搬させるために、軌道台（レールまたはガイドブロック）の固定部分が振動の節となるように、固定部分の間隔を加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離とした場合は、軌道台の固定部分の間隔の設計の自由度の幅を大きくできる上に、加える振動数の選択の幅を大幅に向上させることができる。また、前記直動案内要素に付加する高周波振動を、機械の稼働中にわたりあるいは特定の時間のみに付加する場合は、摩擦低減効果を必要とする時間にのみ加振すればよいので、消費電力等を削減できる他、各部の耐久性も向上する。 Furthermore, in order to efficiently propagate high-frequency vibrations to the raceway surface or the sliding surface, the interval between the fixed portions is set so that the fixed portion of the track base (rail or guide block) becomes a vibration node. When the distance is half of the wavelength or an integral multiple of the wavelength, the range of freedom in designing the spacing between the fixed portions of the way can be increased, and the range of selection of the applied frequency can be greatly improved. . Further, when the high frequency vibration applied to the linear motion guide element is applied during the operation of the machine or only for a specific time, the vibration may be applied only during the time when the friction reducing effect is required. In addition, the durability of each part is also improved.
さらに、ナットに螺合するねじ軸のいずれか一方を固定部とした送りねじの摩擦低減方法において、ナットあるいはネジ軸もしくはそれらの両方に高周波振動を付加することにより、ナットとねじ軸との間の摩擦力あるいはナットとねじ軸および転動体間の摩擦力を低減させる場合は、ナットあるいはネジ軸の固定部での振動を最小に抑制して機械本体や工作物にまで振動を及ぼすことなく、直動案内要素であるナットとねじとの間のみを加振できて、位置決め精度を低下させることなく、その面の摩擦を低減させることができる。 Furthermore, in the friction reduction method of the feed screw using either one of the screw shafts screwed to the nut as a fixed part, high-frequency vibration is applied to the nut and / or the screw shaft, so that the gap between the nut and the screw shaft is increased. When reducing the friction force between the nut and the screw shaft and the rolling element, the vibration at the fixed part of the nut or screw shaft is suppressed to the minimum without affecting the machine body or workpiece, It is possible to vibrate only between the nut and screw, which are linear motion guide elements, and to reduce the friction of the surface without lowering the positioning accuracy.
また、前記ナットあるいはねじ軸に高周波振動を効率良く伝搬させるために、ねじ軸の固定部分が振動の節となるように、あるいは固定部分の間隔を加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離とした場合は、ねじ軸の固定部分の間隔の設計の自由度の幅を大きくできる上に、加える振動数の選択の幅を大幅に向上させることができる。さらに、前記付加する高周波振動を、機械の稼働中にわたりあるいは特定の時間のみに付加する場合は、摩擦低減効果を必要とする時間にのみ加振すればよいので、消費電力等を削減できる他、各部の耐久性も向上する。 In order to efficiently propagate high-frequency vibration to the nut or screw shaft, the fixed portion of the screw shaft becomes a node of vibration, or the interval between the fixed portions is half of the wavelength of the excitation frequency or an integral multiple thereof. In this case, it is possible to increase the range of freedom in designing the interval between the fixed portions of the screw shaft and to greatly improve the range of selection of the frequency to be applied. Furthermore, when adding the high-frequency vibration to be added during the operation of the machine or only at a specific time, it is only necessary to vibrate only during the time that requires a friction reduction effect, so that power consumption and the like can be reduced. The durability of each part is also improved.
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。固体を媒体として伝搬する波動の種類としては、前述の横波のほかに、縦波と表面波の２種類が考えられるが、ここではまず縦波を用いた方式について説明する。図３３は切削加工等に用いられている超音波振動装置の構成と振動変位を表している。超音波振動子の軸方向振動変位は振動子の端面で発生し、超音波伝達子に伝わり、ホーンにて拡大されて先端部で最大となる。図３３の下部の正弦波状の図は伝達子とホーン内部の軸方向の振幅と応力の分布を示しているが、伝達子の端面両側で振幅は大となり、伝達子の中央部では振幅は最小となる。つまり振動子・伝達子・ホーンの各接合面では振幅は最大であって、その中間部分では最小となる。変位とは逆に応力は接合面で最小、中間部分では最大となる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition to the above-described transverse wave, there are two types of waves that propagate through a solid medium. Here, a longitudinal wave and a surface wave will be described. FIG. 33 shows the configuration and vibration displacement of an ultrasonic vibration device used for cutting and the like. The axial vibration displacement of the ultrasonic vibrator is generated at the end face of the vibrator, is transmitted to the ultrasonic transmitter, is enlarged by the horn, and becomes maximum at the tip. The sine wave diagram at the bottom of FIG. 33 shows the amplitude and stress distribution in the axial direction inside the transmitter and horn. The amplitude is large on both sides of the end face of the transmitter, and the amplitude is minimum at the center of the transmitter. It becomes. That is, the amplitude is maximum at each joint surface of the vibrator / transmitter / horn, and is minimum at an intermediate portion thereof. Contrary to displacement, the stress is minimum at the joint surface and maximum at the intermediate portion.
最大となる箇所は一般に振動の「腹」、最小となる箇所は振動の「節」と呼ばれるが、節と節の間隔は固体内を伝搬する超音波（ここでは縦波）の波長の半分となる。伝達子の中間部分の節の部分は振動振幅（変位）が小さいので、ここにフランジを設置して装置の支持部として用いられる。また接合面には振動による応力集中を防止するために、応力が小さい腹の部分に設置されている。以上のように、超音波振動は、波長の１／２毎に振幅を増滅させて固体内を伝搬する。したがって、図１のように伝達子を複数連結すれば、比較的遠距離まで振動を伝搬させることが可能となる。またフランジを用いて接地すれば、振動の伝搬を妨げたり振動を固定した側に伝えることなく、装置を固定することが可能となる。ここでフランジの間隔は、波長の１／２に設定する必要がある。 The largest point is generally called the vibration “node” and the smallest point is called the “node”. The distance between the nodes is half the wavelength of the ultrasonic wave (longitudinal wave in this case) propagating in the solid. Become. Since the vibration amplitude (displacement) is small in the node portion of the intermediate portion of the transmitter, a flange is installed here and used as a support portion of the apparatus. In addition, in order to prevent stress concentration due to vibration, the joint surface is installed at a belly portion where the stress is small. As described above, the ultrasonic vibration propagates in the solid with the amplitude being increased every half of the wavelength. Therefore, if a plurality of transmitters are connected as shown in FIG. 1, vibration can be propagated to a relatively long distance. Further, if the grounding is performed using the flange, the device can be fixed without hindering the propagation of vibration or transmitting the vibration to the fixed side. Here, it is necessary to set the interval between the flanges to ½ of the wavelength.
超音波の波長λ〔ｍ〕は、固体内を伝搬する縦波の音速をＣ〔ｍ／ｓ〕、超音波の振動数をｆ〔Ｈｚ〕とすると、
λ＝Ｃ／ｆ （１）
となるので、フランジの間隔ｐは
ｐ＝λ／２＝Ｃ／２ｆ （２）
で求められる。一般に鉄等の音速Ｃは約５２００ｍ／ｓであるので、例えば、共振周波数ｆ＝３２ｋＨｚの振動子を用いるとすると、フランジの間隔ｐは約８０ｍｍとなる。
The wavelength λ [m] of the ultrasonic wave is C [m / s] as the sound velocity of the longitudinal wave propagating in the solid, and f [Hz] as the frequency of the ultrasonic wave.
λ = C / f (1)
Therefore, the flange interval p is
p = λ / 2 = C / 2f (2)
Is required. Since the sound velocity C of iron or the like is generally about 5200 m / s, for example, if a vibrator having a resonance frequency f = 32 kHz is used, the flange interval p is about 80 mm.
＜リニアガイド（図２６（ａ）での実施例＞
上述したように、固体内を伝搬する縦波を用いて比較的長距離にわたって超音波振動を伝えることができるので、前記図２６（ａ）に示したような構造のリニアガイドにおいては図２に示すように、リニアガイドのレール端面に超音波振動子を取り付けて振動を長いレール全長にわたって伝搬させることが可能である。このとき超音波振動子が配設されているレール端部とレール取付ボルトの距離およびレール取付ボルトの間隔をそれぞれ上述の式（２）で計算できるｐ／２（＝λ／４）およびｐ（＝λ／２）とすれば、振動が機械フレーム等に吸収されることを最小に抑え、また振動の伝搬を妨げることなく、取付け面ヘレールを固定することができる。
<Linear guide (Example in FIG. 26A)>
As described above, since the ultrasonic vibration can be transmitted over a relatively long distance using the longitudinal wave propagating in the solid, the linear guide having the structure as shown in FIG. As shown, an ultrasonic transducer can be attached to the rail end face of the linear guide to propagate the vibration over the entire length of the rail. At this time, the distance between the rail end where the ultrasonic transducer is disposed and the rail mounting bolt and the distance between the rail mounting bolts can be calculated by the above-described equation (2), respectively, p / 2 (= λ / 4) and p ( = Λ / 2), it is possible to minimize vibration absorption by the machine frame and to fix the mounting rail to the mounting surface without hindering vibration propagation.
上記の方法によれば、リニアガイドのレール端面にボルト締結等の方法で超音波振動子を取り付けられるので、レールの断面形状等に無関係に本技術を実施できる。またレール取付穴ピッチに合わせて超音波振動子とその加振周波数を選択すれば、いままでのサイズのリニアガイドが使用可能であり、既存の工作機械等への設計変更や追加工等を行うことなく実施が可能となる。取付穴ピッチをｐとすると、周波数ｆは、
ｆ＝Ｃ／２ｐ （３）
により求められる。無論、振動子を取り付けたレールの反対側の端面にも振動子を取り付けられることは言うまでもないが、その場合には振動子とレールの伸縮方向が一致するよう、印加する信号の位相差を０°あるいは１８０°に合わせる必要がある。
According to the above method, since the ultrasonic vibrator can be attached to the rail end surface of the linear guide by a method such as bolt fastening, the present technology can be implemented regardless of the cross-sectional shape of the rail. In addition, if an ultrasonic transducer and its excitation frequency are selected according to the rail mounting hole pitch, the linear guide of the existing size can be used, and design changes and additional machining to existing machine tools are performed. Can be implemented without any problem. If the mounting hole pitch is p, the frequency f is
f = C / 2p (3)
Is required. Of course, it goes without saying that a vibrator can also be attached to the end face on the opposite side of the rail to which the vibrator is attached. It is necessary to adjust to ° or 180 °.
また、レール下面とレール取付面は面で接しているため、ここから振動が著しく減衰すると予想されるが、実際には、レール下面と取付け面間の接触圧力は図３（ａ）に示すように、締付けボルト近傍が強く、ボルトとボルトの中央部分では接触圧が低いので、レールの振動が妨げられることは少ない。よって、レールとその取付け面の形状を変更しなくても、レールの振動は長いレールを伝搬することが可能である。さらに、レールのみで剛性が保たれる場合は、図３（ｂ）のように、締付けボルト近傍のみでレール取付け面と接するようにすれば、より減衰は小さくなる。 In addition, since the rail bottom surface and the rail mounting surface are in contact with each other, vibration is expected to be significantly attenuated from here, but in reality, the contact pressure between the rail bottom surface and the mounting surface is as shown in FIG. In addition, the vicinity of the tightening bolt is strong, and the contact pressure is low at the bolt and the central portion of the bolt, so that the vibration of the rail is rarely hindered. Therefore, the vibration of the rail can propagate through the long rail without changing the shape of the rail and its mounting surface. Further, when the rigidity is maintained only by the rail, the attenuation is further reduced by contacting the rail mounting surface only in the vicinity of the tightening bolt as shown in FIG. 3B.
次に図２６（ａ）に示したような構造のリニアガイドにおいて、ガイドブロック側の軌道面に振動を加える方法について説明する。まず図４は一般的なリニアガイドのガイドブロックの２形態を示している。左図はフランジ取付け型であり、右図はブロック型であるが、両者とも、レールに馬乗りになるような断面形状を持っている。 Next, a method for applying vibration to the track surface on the guide block side in the linear guide having the structure as shown in FIG. First, FIG. 4 shows two forms of a general linear guide guide block. The left figure is a flange mounting type, and the right figure is a block type, both of which have a cross-sectional shape that can be mounted on a rail.
図５は、本技術において、超音波振動子により加振されるガイドブロックの斜視図であり、図６はその断面を示している。前出のレールの場合と同様に、ガイドブロックのある端部Ａに取り付けられた超音波振動子はガイドブロック内に縦振動を伝搬させる。図のように振動子取付面からガイドブロック取付ねじまでの間隔を加振周波数λの１／４、取付けねじ間隔をλ／２とすることにより、取付けねじ部を振動の「節」すなわち振動振幅を小さくして、ガイドブロックを取り付けるための機械構造物への振動の伝搬を最小とすることができる。また、軌道面の位置を取付けねじ部からλ／４の位置に配することにより、軌道面付近を振動の「腹」すなわち振動振幅を大とすることが可能であり、その結果、転動体との転がり摩擦を減ずることができる。 FIG. 5 is a perspective view of a guide block vibrated by an ultrasonic transducer in the present technology, and FIG. 6 shows a cross section thereof. As in the case of the rail described above, the ultrasonic transducer attached to the end A where the guide block is provided propagates longitudinal vibration into the guide block. As shown in the figure, by setting the distance from the vibrator mounting surface to the guide block mounting screw to 1/4 of the excitation frequency λ and the mounting screw interval to λ / 2, Can be reduced to minimize the propagation of vibrations to the machine structure for mounting the guide block. Further, by arranging the position of the raceway surface at a position of λ / 4 from the mounting screw portion, it is possible to increase the vibration “antinode”, that is, the vibration amplitude in the vicinity of the raceway surface. The rolling friction can be reduced.
ここで超音波振動からの振動が転動面へ直角方向に変換されて伝達されているが、これは図７にて説明できる。図７の左図において、図のような部材に右方向から圧縮荷重がかかると部材の水平方向の長さは短くなるが、材料は体積を一定に保とうとするため（ポアソン効果）、上下方向には長くなる。逆に右図のように、引っ張り荷重が働くと、水平方向の長さは大となるが、上下方向に縮まることになる。したがって、振動を９０°変換することができる（これは振動方向変換体として知られているものである）。 Here, the vibration from the ultrasonic vibration is transmitted to the rolling surface after being converted into a right angle direction, which can be explained with reference to FIG. In the left figure of FIG. 7, when a compressive load is applied to the member shown in the figure from the right, the horizontal length of the member is shortened, but the material tries to keep the volume constant (Poisson effect). It will be long. Conversely, as shown in the right figure, when a tensile load is applied, the length in the horizontal direction increases, but it contracts in the vertical direction. Therefore, vibration can be converted by 90 ° (this is known as a vibration direction changer).
図５では超音波振動子をガイドブロックの端部Ａに取り付けていたが、Ｂ〜Ｈの位置に取り付けた場合にも実施が可能である。無論ＡからＨのうちの複数の箇所に振動子を取り付けても実施が可能であることは言うまでもない。以上のように、超音波振動子の取付面からガイドブロックの取付けボルトまでの距離がλ／４、ガイドブロックの取付けボルト同士の間隔がλ／２であるように配慮すれば、ガイドブロックの形状や超音波振動子の取付け部の配置等についてはさまざまな形体について本技術を実施できる。さらに、超音波振動子の取付け面から軌道面部材の取付け位置までをλ／４として説明してきたが、これに半波長λ／２を加えたものとしても効果は同じである。また軌道面部材の取付け位置間隔をλ／２としてきたが、これの整数倍の間隔を用いても実施は可能である。すなわち超音波振動子の取付け面から軌道面部材の取付け位置までをＬａ、軌適面部材の取付け位置間隔をｐｂとすると、
Ｌａ＝λ（１／４＋ｉ／２） ただし、ｉは０以上の整数（４）
ｐｂ＝ｎλ／２ ただし、ｎは１以上の整数（５）
またガイドブロックを加振する周波数はレール用のものと同一である必要はなく、それぞれの固定位置間隔その他の寸法に応じて先の式（３）より求められる周波数を用いることができる。
Although the ultrasonic transducer is attached to the end A of the guide block in FIG. 5, the present invention can also be implemented when it is attached to the positions B to H. Of course, it is needless to say that the present invention can be implemented even if vibrators are attached to a plurality of locations A to H. As described above, if the distance from the ultrasonic transducer mounting surface to the guide block mounting bolt is λ / 4 and the distance between the guide block mounting bolts is λ / 2, the shape of the guide block In addition, the present technology can be implemented for various shapes of the ultrasonic vibrator and the arrangement of the attachment portion of the ultrasonic vibrator. Furthermore, although the explanation has been made with λ / 4 from the attachment surface of the ultrasonic transducer to the attachment position of the raceway member, the effect is the same even if a half wavelength λ / 2 is added thereto. In addition, although the mounting position interval of the raceway member has been set to λ / 2, it can be implemented using an integer multiple of this interval. In other words, when La is the distance from the mounting surface of the ultrasonic transducer to the mounting position of the track surface member, and pb is the mounting position interval between the track surface members,
La = λ (1/4 + i / 2) where i is an integer greater than or equal to 0 (4)
pb = nλ / 2 where n is an integer greater than or equal to 1 (5)
The frequency for exciting the guide block does not have to be the same as that for the rail, and the frequency obtained from the above equation (3) can be used according to each fixed position interval and other dimensions.
＜リニアガイドでの実験例＞
以上に説明した方法を用いた実験の一例を紹介する。市販のリニアボールガイド（日本トムソン（株）、ＬＷＨ３０Ｂ型、レール幅２８ｍｍ、レール高さ２５ｍｍ、レール長さ６４０ｍｍ、スライドユニット長さ約８０ｍｍ、中予圧、精度等級上級）を用いた。レール端部にはタップ加工を施し、共振周波数２８ｋＨｚのボルト締めランジュバン型超音波振動子（本多電子製）をボルト締結した。さらに、ガイドブロック端部にもタップ加工を施し、共振周波数４３ｋＨｚのボルト締めランジュバン型超音波振動子（本多電子製）をボルト締結した。レールはレール取付け穴を利用してべ一スにボルト締結した。取付けボルトピッチは８０ｍｍ、超音波振動子から最も近いボルトまでの距離は４０ｍｍである。まず、レールに対してのみ超音波振動を付加した場合に、発振周波数２８．３ｋＨｚのときに、レールの反対側の端面にて０．３μｍ程度の振幅を確認した（渦電流式変位計にて）。これにより、超音波振動が６４０ｍｍのレール全長にわたって伝搬していることが確認できた。
<Experiment example with linear guide>
An example of an experiment using the method described above is introduced. A commercially available linear ball guide (Japan Thomson Co., Ltd., LWH30B type, rail width 28 mm, rail height 25 mm, rail length 640 mm, slide unit length approximately 80 mm, medium preload, high accuracy grade) was used. The end of the rail was tapped, and a bolted Langevin type ultrasonic vibrator (manufactured by Honda Electronics Co., Ltd.) having a resonance frequency of 28 kHz was bolted. Further, the end of the guide block was also tapped, and a bolted Langevin type ultrasonic transducer (manufactured by Honda Electronics Co., Ltd.) having a resonance frequency of 43 kHz was bolted. The rail was bolted to the base using rail mounting holes. The mounting bolt pitch is 80 mm, and the distance from the ultrasonic transducer to the nearest bolt is 40 mm. First, when ultrasonic vibration was applied only to the rail, when the oscillation frequency was 28.3 kHz, an amplitude of about 0.3 μm was confirmed on the end surface on the opposite side of the rail (with an eddy current displacement meter). ). Thereby, it has confirmed that the ultrasonic vibration was propagating over the rail full length of 640 mm.
次にガイドブロックの転がり摩擦力を測定するため、力センサ（（株）イマダ、デジタルフォースゲージＤＰＺ−２００Ｎ、使用最大荷重２００Ｎ、最小分解能０．１Ｎ）を介してガイドブロックを直動させた。レールおよびガイドブロックに振動を付加しない場合の転がり摩擦力は約２０〜３０Ｎ（ピーク値）なのに対して超音波振動を付加した場合は１５Ｎ前後（ピーク値）であり、２５％から５０％の摩擦力低減効果が得られた。 Next, in order to measure the rolling frictional force of the guide block, the guide block was directly moved through a force sensor (IMADA Co., Ltd., Digital Force Gauge DPZ-200N, usable maximum load 200N, minimum resolution 0.1N). When the vibration is not applied to the rail and the guide block, the rolling friction force is about 20 to 30 N (peak value), whereas when the ultrasonic vibration is applied, it is around 15 N (peak value), and the friction is 25% to 50%. A force reduction effect was obtained.
＜リニアボールベアリング（図２６（ｂ））での実施例＞
図２６（ｂ）に示したような構造のリニアボールベアリングまたはボールスプラインについての実施例について図８（ａ）を用いて説明する。スライドユニットは馬乗り形状ではなく、閉じた円環状となっており、スプライン軸または円筒軸は両端を固定された場合について説明する。この場合においても、超音波振動子取付け面から軸固定位置まで、また固定位置間隔を波長λの１／４および１／２の整数倍にすることで本技術が実施できる。ガイドブロック側についても前出リニアガイドと同様に実施が可能である。図８（ｂ）は、スライドユニットがフランジ状の取付け部を持つようにした実施例である。この場合も振動子取付け面からフランジまでの距離を波長λの１／４とすることで実施が可能となる。
<Example with a linear ball bearing (FIG. 26B)>
An embodiment of a linear ball bearing or ball spline having a structure as shown in FIG. 26B will be described with reference to FIG. The case where the slide unit is not a horse riding shape but a closed annular shape, and both ends of the spline shaft or the cylindrical shaft are fixed will be described. Even in this case, the present technology can be implemented by setting the interval from the ultrasonic transducer mounting surface to the shaft fixed position and the fixed position interval to an integral multiple of 1/4 and 1/2 of the wavelength λ. The guide block side can be implemented in the same manner as the above linear guide. FIG. 8B shows an embodiment in which the slide unit has a flange-shaped mounting portion. Also in this case, the distance from the vibrator mounting surface to the flange can be set to ¼ of the wavelength λ.
＜クロスローラスライド（図２６（ｃ））での実施例＞
図２６（ｃ）に示したような構造のクロスローラスライドについての案施例を図９に示す。この直動案内要素についても、固定側軌道台および移動側軌道台ともに、超音波振動子取付け面から軌道台取付けボルト位置までの距離、およびボルト位置同士の間隔を前出のλ／４およびλ／２とすることで本技術が実施できる。
<Example with Cross Roller Slide (FIG. 26C)>
FIG. 9 shows a proposed example of the cross roller slide having the structure as shown in FIG. For this linear motion guide element as well, the distance from the ultrasonic transducer mounting surface to the rail mounting bolt position and the distance between the bolt positions are set to the above-mentioned λ / 4 and λ on both the fixed side rail and the moving side rail. The present technology can be implemented by setting to / 2.
＜超音波振動を付加する時間について＞
前述したように、軌道面に超音波振動を与えることにより、ころがり直動案内のころがり摩擦を滅ずることができる本技術について説明してきたが、超音波振動は機械の稼働中の全時間にわたって付加する他に、案内を稼働させている時間だけ付加することもできる。さらに、前出の「象限切替え突起誤差」等、微小な摩擦特性が問題となるような超精密位置決め等の場合では、案内要素が静止した状態から運動を開始した直後までの極めて短時間（例えば１秒以下）のみに振動を付加させることも可能である。またある設定した速度以下の場合にのみに振動を付加させることも可能である。超音波振動を付加することにより、転がり摩擦を滅ずることができるが、反面、転動体や軌道面の摩耗・潤滑膜切れ等が危惧される場合は、低摩擦が必要な極めて短い時間のみ振動を付加すればよい。
<About the time to add ultrasonic vibration>
As described above, this technology has been described that can eliminate the rolling friction of rolling linear motion guides by applying ultrasonic vibration to the raceway surface. However, ultrasonic vibration is applied throughout the entire operation of the machine. In addition to this, it is possible to add only the time during which the guidance is operated. Furthermore, in the case of ultra-precise positioning such as the above-mentioned “quadrant switching protrusion error” where a minute friction characteristic becomes a problem, an extremely short time (for example, from the state where the guide element is stationary until immediately after the movement is started) It is also possible to add vibration only to 1 second or less. It is also possible to add vibration only when the speed is below a certain set speed. By adding ultrasonic vibration, rolling friction can be destroyed, but on the other hand, if there is concern about rolling elements or raceway surface wear or lubrication film breakage, vibration will only occur for a very short time requiring low friction. Add it.
＜超音波パワー合成器を使用した実施例＞
図５のガイドブロックに超音波振動子を取り付ける場合、例えばＡからＨまでの１箇所あるいは複数の場所に取り付けることができるが、取り付けた超音波振動子の数が増えれば軌道面に発生する振動の強さは大きくなる。また、レール側には基本的には両端部に振動子を取り付けるが、図１０のような複数の振動子のパワーを一箇所に集中することができるパワー合成器を用いることにより、複数の振動子を用いることが可能になる。したがって、長いレールの全長にわたって振動を伝搬させる際に、1 個あるいは両端の２個の振動子では振動の強さが足りない場合等には、複数の振動子が使用可能となる。この場合の実施例を図１１に示す。無論、このパワー合成器はガイドブロック側に対しても利用可能であることは言うまでもない。
<Example using ultrasonic power synthesizer>
When the ultrasonic vibrator is attached to the guide block of FIG. 5, for example, it can be attached to one place or a plurality of places from A to H. If the number of attached ultrasonic vibrators increases, vibration generated on the track surface The strength of. In addition, vibrators are basically attached to both ends on the rail side, but a plurality of vibrations can be obtained by using a power combiner that can concentrate the power of a plurality of vibrators in one place as shown in FIG. It becomes possible to use a child. Therefore, when propagating the vibration over the entire length of the long rail, if one or two vibrators at both ends are insufficient in vibration strength, a plurality of vibrators can be used. An embodiment in this case is shown in FIG. Needless to say, this power combiner can also be used for the guide block side.
＜表面弾性波を利用した実施例＞
これまで、軌道台すなわち固体内を伝搬する縦波である音波を用いた実施例を挙げてきたが、固体表面を伝播する表面波を用いても実施が可能である。すなわち、表面波とは、固体のごく表面を伝搬する縦波と横波が複合された波動であるが、対象となる直動ころがり案内の大きさが小さい場合、あるいは図１２に示す直動案内要素のように軌道台自体が板材からプレス成形されている場合等では有効である。表面弾性波の発生にはいろいろな方法があるが、図１３の実施例では、圧電素子に櫛歯状の２組の電極を配し、交流電圧を印加することにより、表面弾性波を発生させる。この圧電素子を軌道台に貼り付けることにより、軌道面を振動させることができる。その際、軌道台を固定する箇所の間隔等は前出の音波の波長λの１／２あるいはその整数倍にすべきであることはいうまでもない。ただし、縦波と表面波では伝搬する速度が異なるため、表面波の音速を用いる必要がある。
<Examples using surface acoustic waves>
So far, the embodiment using the sound wave which is the longitudinal wave propagating in the orbit, that is, in the solid has been described. However, the embodiment can also be implemented using the surface wave propagating on the solid surface. That is, the surface wave is a wave in which a longitudinal wave and a transverse wave propagating on the very surface of a solid are combined, but when the size of the target linear motion rolling guide is small, or the linear motion guide element shown in FIG. This is effective when the way itself is press-molded from a plate material. There are various methods for generating surface acoustic waves. In the embodiment shown in FIG. 13, two sets of comb-shaped electrodes are arranged on a piezoelectric element, and an AC voltage is applied to generate surface acoustic waves. . The surface of the raceway can be vibrated by attaching this piezoelectric element to the raceway. At that time, it goes without saying that the interval between the places where the rail is fixed should be ½ of the wavelength λ of the above-mentioned sound wave or an integer multiple thereof. However, since the propagation speed differs between the longitudinal wave and the surface wave, it is necessary to use the sound velocity of the surface wave.
＜滑り直動案内への実施例＞
これまで、ころがり直動案内要素についての実施例について説明してきたが、本技術は、滑り直動案内要素に対しても実施可能である。この場合、滑り直動案内要素はころがり直動案内要素のように、機械本体に対してレールとガイドブロックを取り付けるタイプのものに実施可能である。また、ころがり直動案内ではレールとガイドブロック側の両方の転動面に振動を付加する必要があったが、滑り直動案内要素では図１４のように、滑り摩擦力はレールとガイドブロックの摺動面間に発生するので、レールあるいはガイドブロックのどちらかの摺動面に振動を付加すればよい。もちろん両方に付加すれば、より高い効果が得られることは言うまでもない。
<Example of sliding linear motion guidance>
So far, the embodiment of the rolling linear motion guide element has been described, but the present technology can also be applied to the sliding linear motion guide element. In this case, the sliding linear motion guide element can be implemented as a type in which a rail and a guide block are attached to the machine body like the rolling linear motion guide element. In addition, in the rolling linear motion guide, it is necessary to add vibration to the rolling surfaces on both the rail and the guide block side. In the sliding linear motion guide element, as shown in FIG. Since it occurs between the sliding surfaces, vibration may be applied to either the rail or the guide block. Of course, if added to both, it goes without saying that a higher effect can be obtained.
ユニット化された滑り直動案内は図１５のようにさまざまな形態があるが、レ一ルには前述のころがり直動案内のレールと同様に、一般に等間隔に取付け穴あるいはねじ穴が加工されている。したがって、図２のようにレール端部に超音波振動子を配設することにより、ころがり直動案内のレールと全く同様に長いレール全長にわたって超音波振動を伝搬させることが可能となる。このような方法にて、レール側のみに超音波振動を付加すれば、図１５に示す滑り案内要素の摺動面に発生する摩擦力を低滅させることが可能となる。 As shown in FIG. 15, the unitized sliding linear motion guide has various forms. However, like the rolling linear motion guide rail described above, mounting holes or screw holes are generally machined at regular intervals. ing. Therefore, by arranging the ultrasonic vibrator at the end of the rail as shown in FIG. 2, it is possible to propagate the ultrasonic vibration over the entire length of the rail, just like the rolling linear motion guide rail. If ultrasonic vibration is applied only to the rail side by such a method, the frictional force generated on the sliding surface of the sliding guide element shown in FIG. 15 can be reduced.
次に、レール全長にわたって振動を付加させることが困難な場合や、より高い摩擦力低減効果を得たい場合は、ガイドブロック側の摺動面にも振動を付加させることが有効である。これも前述のころがり直動案内のガイドブロック（図５および図６）と同様に、ガイドブロックの取付け部同士の間隔を振動の波長λの半分すなわちλ／２あるいはその整数倍とし、また振動子の取付け部からガイドブロックの取付け部の距離をλ／４あるいはそれにλ／２の整数倍の距離を加えた距離とし、さらに最大振幅を得たい摺動部を振動の節となるガイドブロック取付け位置からλ／４の距離近くに配設すれば、超音波振動子の振動を機械本体側に伝搬させることなく、効率良く摺動部に伝えることが可能になる。 Next, when it is difficult to add vibration over the entire rail length or when it is desired to obtain a higher frictional force reduction effect, it is effective to add vibration to the sliding surface on the guide block side. Similarly to the guide block (FIGS. 5 and 6) of the rolling linear motion guide described above, the interval between the mounting portions of the guide block is set to half the vibration wavelength λ, that is, λ / 2 or an integral multiple thereof, and the vibrator. The guide block mounting position where the distance from the mounting portion of the guide block to the mounting portion of the guide block is λ / 4 or a distance obtained by adding a distance that is an integral multiple of λ / 2, and the sliding portion where the maximum amplitude is desired becomes a vibration node If it arrange | positions near the distance of (lambda) / 4 from, it will become possible to transmit to the sliding part efficiently, without propagating the vibration of an ultrasonic transducer | vibrator to the machine main body side.
図１６にダブテール形のレールのためのガイドブロックについての実施例を、図１７にＶ形レール用ガイドブロックのための実施例を、図１８に平形レール用ガイドブロックのための実施例を、図１９に角形レール用ガイドブロックのための実施例をそれぞれ示す。図１６から図１８では、超音波振動子をレールと直角方向に取り付けている。図１９では超音波振動子をレールと平行に取り付けている。 FIG. 16 shows an embodiment of a guide block for a dovetail rail, FIG. 17 shows an embodiment for a V-shaped rail guide block, and FIG. 18 shows an embodiment for a flat rail guide block. 19 shows an embodiment for a guide block for a square rail. 16 to 18, the ultrasonic transducer is attached in a direction perpendicular to the rail. In FIG. 19, the ultrasonic transducer is attached in parallel to the rail.
＜送りねじ要素への案施例＞
これまで、直動案内要素の摩擦を減ずるための実施例を記してきたが、本技術は回転運動を直線運動に変換する運動伝達要素である送りねじについても実施が可能である。現在多く用いられている送りねじには、雄ねじと雌ねじの間に多数個の転動体を配設しそれぞれが転がり接触をするボールねじ（図２０）と、雄ねじと雌ねじが滑り接触をする滑りねじ（図２１）がある。ねじ要素はねじ軸とナットから構成されている（ボールねじはこれらに転動体が加わる）が、ここではまずねじ軸に振動を付加するための実施例について説明する。比較的長い全長を持つねじ軸に振動を付加する方法は、前出のボールスプラインのレールにおける方法（図８）とほぼ同一である。
<Examples of feed screw elements>
So far, an embodiment for reducing the friction of the linear motion guide element has been described. However, the present technology can also be applied to a feed screw that is a motion transmission element that converts a rotational motion into a linear motion. The feed screw that is widely used at present is a ball screw (FIG. 20) in which a large number of rolling elements are arranged between a male screw and a female screw, and each makes rolling contact, and a sliding screw in which a male screw and a female screw are in sliding contact. (FIG. 21). The screw element is composed of a screw shaft and a nut (a rolling element is added to the ball screw). Here, an embodiment for adding vibration to the screw shaft will be described first. The method for applying vibration to a screw shaft having a relatively long overall length is almost the same as the method for the ball spline rail described above (FIG. 8).
すなわち、図２２に示すように、ねじ軸端面に振動子を配設し、振動子取付け面からねじ軸固定部までの距離を伝搬する縦波の波長λの１／４、ねじ軸固定部の間隔をλ／２の整数倍とすれば、固定部を通じて機械側に伝搬させることなく、ねじ軸に超音波振動を効率良く伝搬させることができる。ねじ要素の使用形態としては、ねじ軸を原動機にて回転させる場合（図２２（ａ））と、ねじ軸を回転させずにナット側を回転させる場合（図２２（ｂ））がある。ねじ軸を回転させる場合は、振動子自体も回転してしまうため、振動子への配線はスリップリング等を介して行う必要がある。 That is, as shown in FIG. 22, a vibrator is disposed on the end surface of the screw shaft, and 1/4 of the wavelength λ of the longitudinal wave propagating the distance from the vibrator mounting surface to the screw shaft fixing portion, If the interval is an integer multiple of λ / 2, ultrasonic vibration can be efficiently propagated to the screw shaft without being propagated to the machine side through the fixed portion. As a usage form of the screw element, there are a case where the screw shaft is rotated by a prime mover (FIG. 22A) and a case where the nut side is rotated without rotating the screw shaft (FIG. 22B). When the screw shaft is rotated, the vibrator itself also rotates, and therefore wiring to the vibrator needs to be performed via a slip ring or the like.
次に、ナット側に振動を付加するための実施例について説明する。図２３は図８（ａ）に示したボールスプラインのスライドユニットでの実施例と同様な形態による実施例である。ナットの端面に振動子を取り付け、振動子の取付け部からナット固定部までの距離をλ／４、固定部間距離をλ／２の整数倍としている。図２４は図８（ｂ）に示した方法と同様に、ナットにフランジを持たせた実施例である。ナット端面の振動子取付け位置からフランジまでの距離をλ／４としている。図２５は市販のフランジ付きナットを用いた実施例である。フランジの付いたパイプ状のホーンの端に超音波振動子が取り付けられ、その取付け部からホーンのフランジまでの距離をλ／４としている。 Next, an embodiment for applying vibration to the nut side will be described. FIG. 23 shows an embodiment in the same form as the embodiment of the ball spline slide unit shown in FIG. A vibrator is attached to the end face of the nut, the distance from the vibrator mounting portion to the nut fixing portion is λ / 4, and the distance between the fixing portions is an integral multiple of λ / 2. FIG. 24 shows an embodiment in which a nut is provided with a flange, as in the method shown in FIG. The distance from the vibrator mounting position on the nut end face to the flange is λ / 4. FIG. 25 shows an example using a commercially available nut with a flange. An ultrasonic transducer is attached to the end of a pipe-shaped horn with a flange, and the distance from the attachment portion to the flange of the horn is λ / 4.
以上のような方法にて、ねじ軸およびナットの各々に超音波振動を付加させることができる。滑りねじの場合は、ねじ軸あるいはナットの片方に付加すればよい。ボールねじの場合は、ねじ軸あるいはナットの片方のみでも摩擦力低減効果は得られるが、ねじ軸およびナットの両方に振動を付加した方が効果的であることは言うまでもない。 Ultrasonic vibration can be added to each of the screw shaft and the nut by the method as described above. In the case of a sliding screw, it may be added to either the screw shaft or the nut. In the case of a ball screw, the frictional force reduction effect can be obtained with only one of the screw shaft and the nut, but it goes without saying that it is more effective to add vibration to both the screw shaft and the nut.
＜従来技術との比較＞
滑り案内面の案内面間に圧縮空気を吹き込む、あるいは静圧空気パッドを併設して、滑り案内面の接触荷重を減じて滑り摩擦抵抗を減らす方法がある。しかし、このような方法を実施したとしても、滑り案内面の摩擦抵抗はころがり案内のころがり摩擦と比較して著しく大きい。また圧縮空気を発生するコンプレッサ等の補機が必要である。
<Comparison with conventional technology>
There is a method of reducing sliding friction resistance by reducing the contact load of the sliding guide surface by blowing compressed air between the guide surfaces of the sliding guide surface or by providing a static pressure air pad. However, even if such a method is carried out, the frictional resistance of the sliding guide surface is significantly larger than the rolling friction of the rolling guide. In addition, an auxiliary machine such as a compressor for generating compressed air is required.
従来超精密機械に用いられてきた空気静圧案内では、空気の非圧縮性により、剛性および減衰性能が低いという欠点を持っている。空気静圧案内の剛性は案内面の大きさにもよるが、５０〜１００Ｎ／μｍ程度であり、ころがり案内を用いた工作機械テーブルの剛性は７ｋＮ／μｍを越えるとのことであるから、２桁程度の差がある。また空気静圧軸受の空気圧・流量等を制御して無限剛性化を達成しようとするアクティブ空気軸受等もあるが、高価なセンサや複雑な制御装置が必要であり、コスト的、技術的に問題が多い。空圧源にはコンプレッサ等が必要であることは言うまでもないが、一般には空気を圧縮する際に発生する水を排除するための冷凍式ドライヤが必要であり、高額になる。 Conventional static air pressure guides used in ultra-precision machines have the disadvantage of low rigidity and damping performance due to the incompressibility of air. The rigidity of the static air pressure guide depends on the size of the guide surface, but is about 50 to 100 N / μm, and the rigidity of the machine tool table using the rolling guide exceeds 7 kN / μm. There is a difference of about digits. There are also active air bearings that try to achieve infinite rigidity by controlling the air pressure and flow rate of the hydrostatic bearings, but expensive sensors and complicated control devices are required, which is a cost and technical problem. There are many. It goes without saying that a compressor or the like is necessary for the air pressure source, but generally, a refrigeration dryer for eliminating water generated when air is compressed is necessary, which is expensive.
本技術は、従来の転がり案内要素の設計変更を最小に留めて案施が可能であるため、従来の工作機械等へ容易に導入が行え、製造上および実施上の困難は少ない。実施により、元々僅少であった転がり摩擦力をさらに減ずることが可能になるため、ミクロンオーダからサブミクロンオーダでの精密な位置決めの精度が向上する。また本技術は、安価なボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いている。この振動子は元来安価な超音波洗浄器用あるいは超音波加工機のものであり、駆動用回路等もこれらが流用できると考えられる。したがって、実施に要するコストは低廉である。 Since the present technology can be implemented with the design change of the conventional rolling guide element minimized, it can be easily introduced into a conventional machine tool or the like, and there are few manufacturing and implementation difficulties. By implementing, it becomes possible to further reduce the rolling frictional force that was originally small, so that the precision of precise positioning from the micron order to the submicron order is improved. The present technology also uses an inexpensive bolted Langevin type ultrasonic transducer. This vibrator is originally for an inexpensive ultrasonic cleaning device or an ultrasonic processing machine, and it is considered that these can be used for a driving circuit and the like. Therefore, the cost required for implementation is low.
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内にて、ころがり直動案内要素の形状、形式（転動体と軌道面との関連構成）およびレール側軌道面あるいはガイドブロック側軌道面もしくはそれらの両方への高周波振動付加形態、摺動面を有する滑り直動案内要素の形状、形式およびレール側摺動面あるいはガイドブロック側摺動面もしくはそれらの両方への高周波振動付加形態、軌道台（レール）の固定部分が振動の節となるような高周波振動付加形態、加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離となる固定部分の間隔、高周波振動の付加時期および時間、ナットに螺合するねじ軸のいずれか一方を固定部とした送りねじに対する高周波振動の付加形態、ねじ軸の固定部分が振動の節となるような高周波振動付加形態、加振周波数の波長の半分またはそれの整数倍の距離となる固定部分の間隔、高周波振動の付加時期および時間等については適宜選定できる。また、実施例にて説明した諸元が例示的なもので限定的に解釈してはならない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, within the scope of the present invention, the shape and type of the rolling linear motion guide element (related configuration of the rolling element and the raceway surface) and the rail side raceway surface or guide are described. High-frequency vibration applied to the block-side raceway surface or both, shape and form of the sliding linear guide element having the sliding surface, and high-frequency vibration to the rail-side sliding surface and / or the guide block-side sliding surface Additional form, high-frequency vibration added form in which the fixed part of the rail (rail) becomes a node of vibration, fixed part interval that is a distance of half the wavelength of the excitation frequency or an integral multiple thereof, and the addition time of the high-frequency vibration And time, additional form of high-frequency vibration to the feed screw with one of the screw shafts screwed into the nut as the fixed part, high-frequency vibration such that the fixed part of the screw shaft becomes a vibration node Pressurized form, distance half or fixed part made it an integral multiple length of a wavelength of the vibration frequency, the additional timing and time of the high-frequency vibration can be appropriately selected. In addition, the specifications described in the examples are illustrative and should not be interpreted in a limited manner.
Claims (8)
The method for reducing friction of a feed screw element according to claim 7, wherein the high-frequency vibration to be applied is applied during operation of the machine or only for a specific time.
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