超精密加工を支えるナノレベル精度の超低ウェービングLMガイド

技術革新で工作機械の高精度加工をさらなる高みへ

工作機械はすべての機械を作るうえでとても大切な機械です。なぜなら、加工される部品は、加工する工作機械の精度を越えることがないからです。これを母性原理といいます。つまり、機械に求める精度が高まっていくと高精度な部品を加工する必要があり、構成する部品の精度以上に高精度な工作機械が必要になります。また、工作機械のみならず、半導体・液晶製造装置、精密測定機器などの分野においても、特に高精度が要求される機種においては年々高精度化が求められ、要求精度がマイクロからナノレベルへと移行しつつあります。ナノレベルの精度を実現するためにはこれまで静圧案内が選ばれることが多くありましたが、近年の直動転がり案内においてもナノレベルの運動精度を実現するべく技術革新が起きています。今回の製品ジャーナルでは、より高精度が求められる工作機械を支えるためにTHKが挑んだ、ナノレベル精度の超低ウェービングLMガイドの開発についてご紹介します。

LMガイドに突き付けられたボール循環の壁

ナノレベルの運動精度を実現するうえでの課題の一つが、ウェービングです。レールやレール取付面を高精度に仕上げ、補正を入れて高い真直精度を得たとしても、ボールの循環によりブロックとボールの相対位置が常に変化し、荷重を負荷しているボール数が変化することで微小な姿勢変位が起こります。この微小な姿勢変位をウェービングと呼んでいます。これが、超精密加工において直線運動部を静圧案内に頼らざるを得ない理由の一つでした。

きさげが生み出す静圧案内

静圧案内とは、加圧した油や空気を供給することで、可動部と案内面を完全に非接触にした案内です。非接触であることで摩擦抵抗が低く、転がり案内の課題であるウェービングがありません。そのため、高い精度が必要な場合は静圧案内を採用することが多いです。しかし、高精度である一方で、案内面には非常に高い加工精度が求められます。職人がきさげを用いて手作業で加工面を仕上げることもあり、加工には時間がかかります。また、機械に実装するには配管が必要で、継続的なメンテナンスも必要になります。

超精密加工における転がり案内のブレークスルー

THKは、独創的な発想と独自の技術により、直線運動部をころがり化し、「LMガイド（Linear Motion Guide：直線運動案内）」として世界で初めて製品化しました。そして、研究開発を重ねる中で、ウェービングの課題に対する突破口を見いだしました。それが以下の二点です。
➀小径ボールによる有効ボール数の増加
②ボール転動溝を4条列から2倍の8条列へ増加
荷重を負荷しているボールの数が変動することで、微小な変動であるウェービングが発生します。その負荷しているボール数を増やすことにより、その影響を極限まで小さくしました。開発過程では、まずボール径を小さくして有効ボール数を増やすことでウェービング低減を実現しました。さらにボールを小さくすることで生まれたスペースを利用し、条数を4条列から2倍の8条列に増やすことで定格荷重を確保しました。 このアイデアは、有効ボール数をさらに増やすことでボール１つあたりの負荷を減少させ、一層のウェービング低減に寄与しました。それに付随して、剛性も向上しました。もちろん、理論としては難しい話ではありませんが、実現するためには高い加工技術や循環部の最適な設計が必要でした。

静圧案内に匹敵する超低ウェービングLMガイドSPR/SPS形

これらの独自技術を用いて開発したのが、4方向等荷重形であるSPS形とラジアル形であるSPR形です。小径ボールと８条列の採用はもちろん、SPR/SPS形はブロック長さも実用の範囲内で長くしました。これにより、定格荷重を確保し、ボール一つ当たりの負荷荷重が小さくなるとともに、循環の影響によるボールの数の変動と力バランスの変化を限りなく小さくできます。結果、静圧案内に匹敵する超低ウェービング化が可能になると同時に、剛性向上の効果も期待できます。また、静圧案内に比べメンテナンスも容易になります。

超低ウェービング製品のひろがりと装置の高精度化

これまで静圧案内を採用していた箇所へも、転がり案内であるSPR/SPSを選択肢としてご検討いただけるようになりました。
さらにTHKは、2024年10月16日に、SPR/SPS形のウェービング性能を踏襲しながらも、世界標準であるISO規格準拠寸法のボールリテーナ入り超低ウェービングLMガイド（形番：SPH）をリリースしました。
今お使いいただいている既存の転がり案内を置き換えることで、各種装置の精度向上が可能となります。ご興味をお持ちいただけましたら、お気軽にお問合せください。