JP2009180352A - 運動案内装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベースと軌道レールの新たな接合技術を完成させることによって、取付誤差を排除した高精度の運動案内装置を得る。
【解決手段】設置基準となるベース１０と、ベース１０に設置されるとともに、その表面に長手方向に延びる転動体転走溝４１ａを有する軌道レール４１と、軌道レール４１に複数の転動体を介して相対移動自在に組み付けられる移動ブロックと、を備える運動案内装置の製造方法であって、ベース１０と軌道レール４１とを、レーザブレージングにより接合するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、運動案内装置の製造方法に係り、特に、レーザブレージング技術を用いて高精度の運動案内装置を実現することのできる技術に関するものである。

従来から、機械の直線運動部を軽く正確に動かす機械要素部品として、例えば図７に示すごとき運動案内装置が知られている。この種の運動案内装置の構成について、図７を用いて説明すると、従来技術に係る運動案内装置４０は、軌道レール４１と、軌道レール４１に多数の転動体として設置されるボール４２…を介して往復運動自在に取り付けられた移動ブロック４３とを備えて構成されている。軌道レール４１はその長手方向と直交する断面が概略矩形状に形成された長尺の部材であり、その表面（上面および両側面）にはボール４２が転がる際の軌道となる転動体転走溝４１ａ…が軌道レール４１の全長に渡って形成されている。なお、軌道レール４１は、直線的に伸びるように形成されることもあるし、曲線的に伸びるように形成されることもある。

一方、移動ブロック４３は、金属材料から成る移動ブロック本体部４３ａと、移動ブロック本体部４３ａにおける移動方向の両端面に対して設置される樹脂材料から成る一対のエンドプレート４３ｂ，４３ｂとから構成されている。移動ブロック本体部４３ａには、転動体転走溝４１ａ…とそれぞれ対応する位置に負荷転動体転走溝４３ｃ…が設けられている。軌道レール４１の転動体転走溝４１ａ…と移動ブロック本体部４３ａに形成された負荷転動体転走溝４３ｃ…とによって負荷転動体転走路５２…が形成され、この通路に導入された複数のボール４２…は、負荷を受けながら転走することになる。また、移動ブロック本体部４３ａは、負荷転動体転走溝４３ｃ…と平行に延びる無負荷転動体転走路５３…を備えている。さらに、一対のエンドプレート４３ｂ，４３ｂのそれぞれには、各無負荷転動体転走路５３…と各負荷転動体転走路５２…とを結ぶ方向転換路５５…が設けられている。１つの負荷転動体転走路５２および無負荷転動体転走路５３と、それらを結ぶ一対の方向転換路５５，５５との組み合わせによって、１つの無限循環路が構成されることとなる（図７中（ｂ）参照）。

そして、複数のボール４２…が負荷転動体転走路５２と無負荷転動体転走路５３と一対の方向転換路５５，５５とから構成される無限循環路に無限循環可能に設置されることにより、移動ブロック４３の軌道レール４１に対する相対的な往復運動が可能となっている。

以上のような構成を有する従来の運動案内装置４０において、その取り付けは、軌道レール４１と移動ブロック４３それぞれに形成されたボルト孔４１ｂ，４３ｄを利用するものであった。例えば、軌道レール４１を取り付け基準となるベース（不図示）に対して設置する場合には、軌道レール４１の長手方向に間隔を有して複数形成されたボルト孔４１ｂを利用し、このボルト孔４１ｂを導通してベース（不図示）に対して螺合されるボルトの締結力によって固定設置されることが行われていた。

しかしながら、ボルトを用いて軌道レール４１を固定設置する方法では、ボルトの締結力によって軌道レール４１にびずみが生じる場合があり、このひずみがウェービング特性等に悪影響を及ぼし、運動案内装置の案内精度を低下させる虞があった。また、このような従来の方法では、ボルトの締め付け方法によって設置精度が大きく変動するので、運動案内装置の据え付け作業に熟練を要するなどといった問題も存在していた。

そこで、本発明者は、設置基準となるベースに対してあらかじめ転動体転走溝４１ａ…を加工成形する前の軌道レール素材を設置し、その上でベースの基準に基づいて転動体転走溝４１ａ…を加工形成して軌道レール４１を完成させれば、取付誤差を排除した高精度の運動案内装置を得ることができるのではないかとの着想を得た。

ただし、上記着想を具体化するにあたっては、従来公知の溶接技術や接合技術を用いてベースと軌道レール４１の接合を行ったのでは、所望の精度を得ることができないという事実が判明した。例えば、ベースと軌道レール４１とを一般的な溶接技術によって接合した場合には、母材に対して溶融部が発生してしまい、運動案内装置の寿命や案内精度に悪影響を及ぼすことが予想される。また、溶接の際の熱によって軌道レール４１に曲がりが発生してしまい、上述した転動体転走溝４１ａ…の加工では取り除けない誤差が発生することも考えられる。さらに、ボルト等を用いて物理的に接合するような接合技術を用いたのでは、長期間にわたってベースと軌道レール４１との精密な接合状態を維持することは困難である。

そこで、本発明者は、新たな接合技術を創案・具体化することによって上記課題を解決すべく鋭意努力を行い、本発明を完成させるに至ったのである。すなわち、本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、ベースと軌道レール４１の新たな接合技術を完成させることによって、取付誤差を排除した高精度の運動案内装置を得ることにある。

本発明に係る運動案内装置の製造方法は、設置基準となるベースと、前記ベースに設置されるとともに、その表面に長手方向に延びる転動体転走溝を有する軌道レールと、前記軌道レールに複数の転動体を介して相対移動自在に組み付けられる移動ブロックと、を備える運動案内装置の製造方法であって、前記ベースと前記軌道レールとを、レーザブレージングにより接合することを特徴とする。

また、本発明に係る運動案内装置の製造方法では、前記ベースに形成された凹部に前記軌道レールを嵌め込み、前記凹部と前記軌道レールとの隙間が１ｍｍ未満の状態にて、前記レーザブレージングによる接合を行うようにすることができる。

また、本発明に係る運動案内装置の製造方法では、前記軌道レールの一面の両端にあるコーナー部に形成された面取りの寸法をＣ１未満とし、平面として形成された前記ベースの他面と、前記軌道レールの一面とを合わせた状態にて、前記レーザブレージングによる接合を行うようにすることができる。

さらに、本発明に係る運動案内装置の製造方法では、前記レーザブレージングで用いられるロウ材の融点が、９５０℃以下であることとすることができる。

また、本発明に係る運動案内装置の製造方法は、前記レーザブレージングにより前記ベースと前記軌道レールとを接合した後に、前記ベースの裏面に対してレーザ照射を行って加熱することにより、前記軌道レールの曲がり矯正を行うようにすることができる。

本発明方法に係る新たな接合技術によれば、ベースと軌道レール４１の好適な接合状態が実現し、取付誤差を排除した高精度の運動案内装置を得ることができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、背景技術の欄で説明した従来の部材と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する場合がある。

本発明者は、ベースと軌道レール４１との好適な接合状態を実現することのできる接合技術として、レーザブレージングに着目した。ここで、レーザブレージングとは、レーザによって母材となる金属よりも融点の低い金属材料（ロウ材）を使用し、これを加熱溶融させ、接合部の隙間に溶かし込むことによって接合する方法である。つまり、レーザブレージングでは、母材を溶かさずロウ材のみを溶かすことになるので、母材への熱影響が少なく、接合時の熱に起因するひずみや曲がり、割れの発生を抑制することが可能となる。ゆえに発明者は、複数の転動体から繰り返し転がり荷重を受けることとなる軌道レール４１に対して、接合の際に及ぼされる熱の影響を極小化できるレーザブレージング技術を用いれば、ベースと軌道レール４１との好適な接合状態が実現できると考えたのである。

以上のような着想に基づき、発明者は、まず、レーザブレージングを行う際に、ベースと軌道レール４１がどの様な形状をしていることが最適なのかを、種々実験することにより見出すこととした。そして、一般的な形状の軌道レール４１をベースの平面部に載置してレーザブレージングによる接合を行ったところ、軌道レール４１の底面コーナー部に形成された面取り形状が軌道レール４１とベースとの境界面に隙間を形成し、この隙間にロウ材が充填できないことで空間（巣）が発生し、接合強度を低下させてしまうことが明らかとなった。そこで本発明者は、上記隙間の条件を見出すべく多数の実験を繰り返すことによって、ベースと軌道レール４１との間に存在する隙間を１ｍｍ未満とすることで、安定したロウ材の接合状態を実現できることを確認した。

なお、ベースと軌道レール４１との接合時の具体的な形状としては、例えば図１に示すように、ベース１０に対して凹部１１を形成し、この凹部１１に軌道レール４１を嵌め込むことで位置決めを行い、ベース１０と軌道レール４１とで形成された断面略９０°の境界壁面に対してレーザブレージングによるロウ材の供給を行うことが可能である。このとき、凹部１１と軌道レール４１との隙間が１ｍｍ未満となるように管理することで、ベース１０と軌道レール４１との好適な接合状態が実現されることとなる。

また、ベース１０と軌道レール４１との接合時の形状は、図１で例示したものに限られず、例えば図２において示すように、軌道レール４１の底面に形成された面取り部を除去し、平面として形成された軌道レール４１の底面と、平面として形成されたベース１０の上面とを合わせた状態にて、レーザブレージングによる接合を行うことも好適である。なお、軌道レール４１の底面コーナー部の形状については、図２に示すような面取り部を完全に除去したものに限られず、面取り寸法がＣ１未満のものであっても、レーザブレージングによる好適な接合が可能であることが実験により確認できている。

以上から、ベース１０と軌道レール４１とは、レーザブレージングによるロウ材の供給部位が１ｍｍ未満の隙間にて形成されていれば、好適な接合状態を実現できることが明らかとなった。

次に、発明者は、レーザブレージングに用いられるロウ材の最適化を行うべく、鋭意研究を行った。その結果を、図３に示す。図３は、種々の接合手段ごとでのベース１０と軌道レール４１との接合強度を比較した図である。

図３において、横軸左側のＡからＦまでに記載されたロウ材は、Ｃｕ−Ａｌ系のものであり、いずれのロウ材も１０５０℃程度の融点を有している。また、いずれの場合もレール幅は同一となっており、さらに、各条件における軌道レール４１の面取り寸法は、ＡがＣ０．１、ＢがＣ０．３、ＣがＣ０．５、ＤがＣ１、ＥがＣ１、ＦがＣ１以下となっている。

図３から分かるように、横軸左側のＡからＣまでに記載されたロウ材は、Ｄの場合と比較して明らかな接合強度の向上が見られる。この結果から、接合強度の大小には、面取りの存在が大きく影響することが明らかとなった。しかしながら、これらＣｕ−Ａｌ系のロウ材の場合には、ロウ材の油流れが満足いくものではなく、凝固時のロウ材内部に空間（巣）が発生してしまった。そこで、本発明者は、上述した知見から、第１改良として軌道レール４１の面取り部を排除する対策を施した。なお、図３において、Ｅと表記されたものが図１にて例示された凹部１１を利用して隙間を排除した形態のものであり、Ｆと表記されたものが図２にて例示された軌道レール４１の面取り部を除去した形態のものである。

このような面取り部の影響を排除する対策を行うことによって、ロウ材の状態が良化することが明らかとなった。ただし、接合強度の面からすれば、従来のレーザブレージングのものと大差はない。

そこで本発明者は、さらなるロウ材の最適化を行うべく追加実験を行うことにより、さらに好適なロウ材の条件を見いだした。かかる知見について、図４および図５、表１および表２を用いて以下に説明する。

本発明者は、追加実験において、融点が従来のロウ材より低いＣｕ−Ｚｎ系合金から成るロウ材を用いることとした。このＣｕ−Ｚｎ系合金から成るロウ材は、融点が９５０℃以下であり、従来のものと比較してさらなる油流れの良化と凝固時におけるロウ材の状態良化が予想できたので、用いることとしたものである。なお、比較例としては、融点が１０４６℃と高いＩ、および融点は８７５℃と低いが引張強さが３１４Ｎ／ｍｍ²と低いＩＩを用いた場合を示している。これら追加実験にて用いられたロウ材（ワイヤー）の種類と特性をまとめたものとして、表１を示す。ここで、ＩはＣｕ−Ａｌ系のロウ材であり、ＩＩ〜ＩＶはＣｕ−Ｚｎ系のロウ材である。

また、追加実験で行ったレーザブレージングの条件を、表２に示す。

なお、追加実験の具体的な方法は、軌道レール４１にＴＨＫ株式会社製のレール幅２５ｍｍのＬＭガイド（登録商標），材質ステンレス鋼製を用い、ベース１０には寸法１５ｍｍ×４０ｍｍ×２８０ｍｍ，材質ＳＵＳ３０４を用いた。そして、表２に示したレーザブレージング条件に基づいて、図４中の（ａ）にて示すごとき接合を行った。このようにして接合されたベース１０と軌道レール４１は、図４中の（ｂ）に示すように１０ｍｍの長さを有する試験ブロックとして加工された後、上下方向での引張試験を行うことによって１ｍｍ当たりの接合強度を求めた。なお、引張試験のｎ数は、各々の条件ごとにｎ＝３とし、各々の条件ごとでの接合強度の最小値をもって評価した。

上記引張試験にて得られた結果を、図５に示す。図５から明らかな通り、本発明に係るワイヤーであるＩＩＩおよびＩＶが、比較例ＩとＩＩよりも高い接合強度を示すことがわかった。つまり、融点が低く、且つ、引張強さが高いワイヤー（ロウ材）を使用すると、接合強度が高くなることが明らかとなった。ちなみに、ＩＶに関しては、溶融時の流動性が非常に良く、接合面積が広くなったため、より高い接合強度が得られたものと予想できる。

以上から、融点が８７０℃以下のロウ材（より好ましくは、融点が８５５℃以下のロウ材）、具体的には、ＩＶから成るロウ材を用いることによって、好適な接合状態を実現できることが明らかとなった。

以上のように、本発明者は、運動案内装置に用いられるベース１０と軌道レール４１とが、上述した条件に基づくレーザブレージングによって接合されることにより、高い案内精度を有する運動案内装置を実現できることを明らかにした。ただし、レーザブレージングによるレーザの熱量が小さいとはいえ、ベース１０の厚みが小さいなどの諸条件が重なると、軌道レール４１に対して曲がりが発生してしまう場合が存在することが明らかとなった。

このような問題の発生に対して、発明者は、レーザブレージングを行ったレーザをそのまま用いることで上記曲がりの矯正が可能であることを見いだした。具体的には、レーザブレージングによりベース１０と軌道レール４１とを接合した後に、ベース１０の裏面に対してレーザ照射を行って加熱することにより、軌道レール４１の曲がり矯正を行うことが可能であることを確認したのである。

なお、以下に示す表３は、ベース１０の裏面に対してレーザ照射を行うことにより軌道レール４１の曲がり矯正を行った実験の諸元を示したものである。そして、表３で示された条件にてレーザ照射を行った結果、図６で示すように、軌道レール４１の曲がりが改善できることを確認した。具体的には、レーザによる加熱を行う前の状態でレールに存在していた、水平に対して１ｍ当たり−１．３５μｍ存在していた上下曲がり値を、表３で示した条件でのレーザ照射を行うことによって−０．０６μｍにまで改善することができている。この実験から、レーザ照射による加熱が、曲がり矯正を行う上で非常に有効な手段であることが確認できた。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態では、直線運動案内装置として構成された運動案内装置に用いられるベース１０と軌道レール４１とを例示して説明したが、その他のあらゆる型式の運動案内装置に対しても、本発明方法を適用することが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

接合時におけるベースと軌道レールとの好適な形状を例示する断面図である。 接合時におけるベースと軌道レールとの別の好適な形状を例示する断面図である。 種々の接合手段ごとでのベースと軌道レールとの接合強度を比較した図である。 追加実験の内容を説明するための図であり、特に、図中（ａ）は追加実験で用いられたベースと軌道レールとの接合状態を示す図であり、図中（ｂ）は（ａ）で示されたものを加工して作成された引張試験用の試験ブロックを示す図である。 追加実験で行われた引張試験にて得られた結果を示す図である。 表３で示された条件でのレーザ照射による曲がり矯正の効果を示す図である。 従来技術に係る運動案内装置の一形態を例示する図であり、図中（ａ）は外観斜視図を示し、図中（ｂ）は（ａ）で示した運動案内装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ ベース、１１ 凹部、４０ （従来技術に係る）運動案内装置、４１ 軌道レール、４１ａ 転動体転走溝、４１ｂ，４３ｄ ボルト孔、４２ ボール、４３ 移動ブロック、４３ａ 移動ブロック本体部、４３ｂ エンドプレート、４３ｃ 負荷転動体転走溝、５２ 負荷転動体転走路、５３ 無負荷転動体転走路、５５ 方向転換路。

Claims (5)

1. 設置基準となるベースと、
   前記ベースに設置されるとともに、その表面に長手方向に延びる転動体転走溝を有する軌道レールと、
   前記軌道レールに複数の転動体を介して相対移動自在に組み付けられる移動ブロックと、
   を備える運動案内装置の製造方法であって、
   前記ベースと前記軌道レールとを、レーザブレージングにより接合することを特徴とする運動案内装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の運動案内装置の製造方法において、
   前記ベースに形成された凹部に前記軌道レールを嵌め込み、前記凹部と前記軌道レールとの隙間が１ｍｍ未満の状態にて、前記レーザブレージングによる接合が行われることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の運動案内装置の製造方法において、
   前記軌道レールの一面の両端にあるコーナー部に形成された面取りの寸法をＣ１未満とし、
   平面として形成された前記ベースの他面と、前記軌道レールの一面とを合わせた状態にて、前記レーザブレージングによる接合が行われることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の運動案内装置の製造方法において、
   前記レーザブレージングで用いられるロウ材の融点が、９５０℃以下であることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の運動案内装置の製造方法において、
   前記レーザブレージングにより前記ベースと前記軌道レールとを接合した後に、前記ベースの裏面に対してレーザ照射を行って加熱することにより、前記軌道レールの曲がり矯正を行うようにしたことを特徴とする運動案内装置の製造方法。

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