JP4329324B2

JP4329324B2 - Linear guide device

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Publication number: JP4329324B2
Application number: JP2002304664A
Authority: JP
Inventors: 淳松本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004138193A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や精密加工機械、精密測定器等の各種機械に用いられるリニアガイド装置に関し、特に金型加工機、半導体製造装置、精密測定機器等、高い加工精度や測定精度が要求される機械装置に用いられるのが好適なリニアガイド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被案内物を直線的に案内するのに用いられるリニアガイド装置としては、軸方向に延びる案内レールと、案内レール上に配されて案内レールの軸方向に移動可能に組み付けられたスライダと、ボールである転動体とを備えているものが知られている。
【０００３】
案内レールの両側面には、転動体を摺動させるためのレール軌道面が形成され、スライダには、転動体を循環させながら保持する転動体循環路に、転動体を摺動させるスライダ軌道面が形成されている。
【０００４】
案内レールのレール面には、上下に貫通した複数個のボルト孔が軸方向に沿って形成されている。案内レールは、ボルト孔を介して複数個のボルトが加工台にねじ込まれることによって、加工台に固定される。
【０００５】
スライダは、下面に設けたスライド面が案内レールのレール面上に配され、半導体製造装置や精密加工機械、精密測定機器等の各種機械の移動体がボルト締結によって固定されるため、移動体が移動する際に、転動体が、案内レールのレール軌道面とスライダのスライダ軌道面との間で転動しながらスライダの転動体循環路内を循環することにより、案内レールの軸方向への移動を円滑に支持する。
【０００６】
リニアガイド装置は、半導体製造装置や精密加工機械、精密測定機器等の各種機械に用いられるため、リニアガイド装置の運動精度は、これら各種機械の加工精度や測定精度に直接影響を与える。
リニアガイド装置の運動精度を悪化させる要因の一つに、転動体の循環に伴い発生する周期的な微小振動がある。これを転動体通過振動と呼ぶ。この転動体通過振動は、転動体が、予圧や外部荷重によって負荷を受けながら、スライダのスライダ軌道面を移動するために生ずる。
【０００７】
図１８に、転動体通過振動を測定する測定装置８０を示す。測定装置８０には、直径が６．３５ｍｍの転動体を用いた。測定装置８０は、第一基準台８１上に単一の案内レール８２が固定され、案内レール８２に単一のスライダ８３が組み付けられている。スライダ８３上には、基台８４を介してミラー機構８５が設置されており、スライダ８３が、外部に設けられた駆動装置に連結された駆動軸８６によって、等速で一方向に移動される。一方、第二基準台８７上にオートコリメータ８８が設置されており、このオートコリメータ８８によってミラー機構８５を介してスライダ８３の傾き角（ピッチング変位）が測定される。
【０００８】
図１９に、測定装置８０による測定結果を示す。図１９において、横軸はスライダ８３の移動量、縦軸はスライダ８３のピッチング方向の角度変化である。振動の波長は、転動体の直径Ｄａのほぼ２倍に相当する。測定されたピッチング変位そのものはごく小さい。しかし、スライダ８３から離れた位置では、スライダ８３の傾きが増幅されて、０．５〜１μｍ程度の大きな並進変位として現れる。このため、高い精度が要求される機械装置においては、上記の転動体通過振動が問題となる。ここでは、単一のスライダ８３を用いて測定を行ったが、案内レールとスライダとを複数対組み合わせて構成するテーブル装置においても、転動体通過振動が同様に問題となる。
【０００９】
上記のような転動体通過振動を抑制するための方法として、スライダの長さを長くすることで、転動体通過振動の低減を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−４６０５２号公報（第３頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献に記載されたリニアガイド装置では、スライダの長さが、通常のものと比べて長くなるため、装置全体の長さが大きくなり、その結果、機械全体が大型化するおそれがある。また、特に厳しい運動精度が要求される場合には、転動体通過振動の低減が十分になされないおそれがあった。
【００１２】
また、図２０（ａ），（ｂ）に示すリニアガイド装置９０のように、案内レール９１のレール軌道面９２とスライダ９３のスライダ軌道面９４とにより転動自在に支持される転動体９５が、荷重を受けないようにするため、スライダ軌道面９４の端部寄りに緩やかな傾斜面状のクラウニング部９６，９６を設けたものもある。
このようなリニアガイド装置９０で、クラウニング部９６の全長Ｌｃのうち、転動体９５が荷重を受ける部分の長さを、クラウニング部有効長と呼ぶ。クラウニング部有効長は短すぎると、転動体通過振動の低減を十分に行うことができない。これに反して、クラウニング部有効長が長すぎると、リニアガイド装置９０における剛性や負荷容量の低下などの問題が発生する。しかし、クラウニング部９６の最適な寸法については、明確な設計指針が無いため、経験に頼るしかなかった。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、最適なクラウニング部の寸法を定めることによって転動体通過振動を飛躍的に低減することができるリニアガイド装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１）レール軌道面を有する案内レールと、前記レール軌道面に対向配置されたスライダ軌道面を有し該レール軌道面に沿って移動するスライダと、前記レール軌道面と前記スライダ軌道面との間に転動自在に配された転動体と、を備えたリニアガイド装置であって、前記スライダ軌道面の端部寄りに円弧形状のクラウニング部が形成されるとともに、前記クラウニング部の端部に面取り部が形成され、接触角の断面内で見た前記クラウニング部の半径をＲｃとし、前記転動体の直径をＤａとして、前記Ｒｃと前記Ｄａとが、Ｒｃ／Ｄａ≧５００に設定されていることを特徴とするリニアガイド装置。
（２）レール軌道面を有する案内レールと、前記レール軌道面に対向配置されたスライダ軌道面を有し該レール軌道面に沿って移動するスライダと、前記レール軌道面と前記スライダ軌道面との間に転動自在に配された転動体と、を備えたリニアガイド装置であって、前記スライダ軌道面の端部寄りに直線状のクラウニング部が形成されるとともに、前記クラウニング部の端部に面取り部が形成され、接触角の断面内で見た前記クラウニング部の傾き角をθｃとして、前記θｃが、θｃ≦０．００１ｒａｄに設定されていることを特徴とするリニアガイド装置。
（３）前記クラウニング部の全長をＬｃとし、前記面取り部の長さをＣとして、前記Ｌｃと前記Ｃと前記Ｄａとが、（Ｌｃ−Ｃ）／Ｄａ≦３に設定されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のリニアガイド装置。
（４）前記スライダ軌道面の全長が、前記転動体の直径の２０〜５０倍に設定されていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のリニアガイド装置。
【００１５】
上記構成のリニアガイド装置によれば、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が半径Ｒｃの円弧形状である場合に、クラウニング部の半径Ｒｃと、転動体の直径Ｄａとが、Ｒｃ／Ｄａ≧５００に設定されれば、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
そして、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が傾き角θｃの直線状である場合に、クラウニング部の傾き角θｃが、θｃ≦０．００１ｒａｄに設定されれば、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
また、スライダ軌道面の全長が、転動体の直径の２０〜５０倍に設定されても、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
更に、クラウニング部の全長Ｌｃ、面取り部の長さＣと、転動体の直径Ｄａとが、（Ｌｃ−Ｃ）／Ｄａ≦３に設定されると、転動体通過振動を低減すると同時にリニアガイド装置の剛性の低下を避けることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態のリニアガイド装置の外観斜視図、図２は図１に示すリニアガイド装置におけるスライダの拡大断面図、図３は図１に示すリニアガイド装置におけるスライダの拡大断面図、図４は実施例１のリニアガイド装置の断面図、図５（ａ）は実施例１の共通部分の数値表、図５（ｂ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.01mmとした場合での各実施例と比較例との数値対照表、図５（ｃ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.005mmとした場合での各実施例と比較例との詳細対照表、図５（ｄ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.002mmとした場合での各実施例と比較例との数値対照表、図６は図５（ｂ）の結果を表すグラフ、図７は図５（ｃ）の結果を表すグラフ、図８は図５（ｄ）の結果を表すグラフ、図９は図５（ｂ）でのＬｃｅ／Ｄａとリニアガイド装置の剛性の関係を調べたグラフ、図１０は実施例２のリニアガイド装置の断面図、図１１（ａ）は実施例２の共通部分の数値表、図１１（ｂ）は実施例２における実施例と比較例との数値対照表、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）の結果を表すグラフ、図１２は実施例３のリニアガイド装置の断面図、図１３（ａ）は実施例３の共通部分の数値表、図１３（ｂ）は実施例３における実施例と比較例との数値対照表、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）の結果を表すグラフ、図１４は実施例４のリニアガイド装置の断面図、図１５（ａ）は実施例４の共通部分の数値表、図１５（ｂ）は実施例４における実施例と比較例との数値対照表、図１５（ｃ）は図１５（ｂ）の結果を表すグラフ、図１６は実施例５のテーブル装置の外観斜視図、図１７（ａ）は実施例５の数値表、図１７（ｂ）は実施例５における実施例と比較例との結果を表すグラフである。なお、第１実施形態以下の実施例において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
【００１７】
図１に示すように、本発明の第１実施形態のリニアガイド装置１０は、案内レール１１と、案内レール１１上に配されて案内レール１１の軸方向に移動可能に組み付けられたスライダ１２と、ボールである複数の転動体１３と、を備えている。
【００１８】
案内レール１１の上面には、レール面１４が形成され、案内レール１１の両側面には、転動体１３を摺動させるためのレール軌道面１５，１５が上下に２条に形成されている。レール面１４には、上下に貫通した複数個のボルト孔１７が軸方向に沿って形成されている。案内レール１１は、ボルト孔１７を介してボルトが加工台にねじ込まれることによって、加工台に固定される。
【００１９】
スライダ１２には、転動体１３を循環させながら保持する転動体循環路１８に、転動体１３を摺動させるためのスライダ軌道面（上溝，下溝）１９，１９が形成されている。
【００２０】
図２に示すように、スライダ１２のスライダ軌道面１９の両端部寄りには、緩やかな傾斜面状であって円弧形状のクラウニング部２０，２０が形成されており、クラウニング部２０，２０の端部には、面取り部２１，２１が形成されている。クラウニング部２０では、スライダ軌道面１９の端部近傍において、転動体１３が荷重を受けなくなる。
【００２１】
クラウニング部２０の全長Ｌｃのうち、転動体１３が荷重を受ける部分の長さをクラウニング部有効長Ｌｃｅと呼ぶ。
ここで、δ_０：転動体１３のオーバーサイズ量、Ｒ_ｃ：接触角方向の断面内で見たクラウニング部２０の半径とすると、クラウニング部有効長Ｌｃｅは、
【数１】

で計算される。
【００２２】
図３に示すように、クラウニング部２０が、直線状である場合、上記と同様にして、θ_ｃ：接触角方向の断面内で見たクラウニング部の傾きとすると、クラウニング部有効長Ｌｃｅは、
【数２】

で計算される。
【００２３】
上式１，式２において、クラウニング部２０の全長をＬ_ｃとし、面取り部２１の長さをＣとして、前記Ｌｃｅと前記Ｌ_ｃと前記Ｃとの関係が、Ｌｃｅ≧Ｌ_ｃ−Ｃとなる場合には、Ｌｃｅ＝Ｌ_ｃ−Ｃとする。面取り部２１が無い場合、Ｃ＝０が代入される。
【００２４】
転動体１３のオーバーサイズ量δ_０は、予圧がちょうどゼロ（０）になる転動体直径Ｄａ_ｚと、予圧をかけるために挿入される転動体１３の直径Ｄａ_１との差である。リニアガイド装置１０に挿入する転動体１３の直径がＤａ_ｚより大きい場合には、予圧がかかる。これに対して、転動体１３の直径がＤａ_ｚより小さい場合には、予圧はかからず、各軌道面１５，１５，１９，１９，１９との間に微小な隙間が生ずる。転動体１３のオーバーサイズ量δ_０は、以下のようにして求めることができる。
【００２５】
リニアガイド装置１０に、Ｄａ_ｚよりも直径が小さい直径Ｄａ_２の転動体１３を挿入する。スライダ１２を、スライダ１２の自重程度の力で、下方向に軽く押さえた時と、上方向に軽く引っ張った時との、スライダ１２の上下方向の位置ずれ量（がたつき量）を、上下方向隙間量と呼ぶ。上下方向隙間量Δは、次式によって計算される。
【数３】

ここで、α_Ｕとα_Ｌとは、スライダ軌道面１９，１９のうち、上溝と下溝との接触角である。
【００２６】
また、転動体直径Ｄａ_ｚは、次式によって計算される。
【数４】

ここで、δ_０＝Ｄａ_１−Ｄａ_ｚであるから、δ_０は、次式によって計算される。
【数５】

Ｄａ_１とＤａ_ｚとの差Ｄａ_１−Ｄａ_ｚは、パッサメータなどの測定器によって測定が可能である。また、直径Ｄａ_ｚの転動体１３を挿入した時の上下方向隙間量Δは、ダイヤルゲージなどの測定器によって測定が可能である。
従って、上式５に、Ｄａ_１−Ｄａ_ｚとΔとを代入することによって、オーバーサイズ量δ_０を求めることができる。
【００２７】
【実施例】
上述した第１実施形態に関して、実施例及び比較例を以下のように行った。
【００２８】
＜実施例１＞
図４に示すように、実施例１に用いられるリニアガイド装置１０は、図１に示したリニアガイド装置と同等の構成をもち、案内レール１１の上面にレール面１４が形成され、案内レール１１の両側面にレール軌道面１５，１５が上下に２条に形成され、レール面１４の上下に貫通した複数個のボルト孔１７が形成されている。スライダ１２には、スライダ軌道面（上溝，下溝）１９，１９が形成されており、スライダ１２のスライダ軌道面１９の両端部寄りに、円弧形状のクラウニング部が形成され、クラウニング部の端部に、面取り部が形成されている。
【００２９】
図５（ａ）に示すように、実施例１は、転動体（玉）直径Ｄａが、4.762mmであり、スライダ１２の全長が、149mmであり、接触角が、50°である。
【００３０】
クラウニング部は、溝底方向に半径Ｒ_ｃ´の形状で加工されている。これは、ＮＣ研削盤によって軌道面の非クラウニング部とクラウニング部を同一の工程で加工するためである。接触角方向の断面から見たクラウニング部の半径Ｒ_ｃは、次式で計算される。
【数６】

ここで、α´は、クラウニング方向を基準とした接触角である。
【００３１】
そして、図５（ｂ）に示すように、オーバーサイズ量を0.01mmとした場合について、実施例１ｃ，１ｄ，１ｅと、比較例１ａ，１ｂの各条件で、クラウニング部有効長Ｌｃｅと転動体１３の直径Ｄａとにおける関係Ｌｃｅ／Ｄａと転動体通過振動の大きさを調べた。
【００３２】
図６に示すように、Ｌｃｅ／Ｄａ＝１程度まででは、Ｌｃｅ／Ｄａの増加とともに、転動体通過振動は急激に減少する。しかし、Ｌｃｅ／Ｄａが１以上では、転動体通過振動の減少は鈍くなる。この結果から、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１とすることによって、転動体通過振動をかなり低減することができるのがわかる。このとき、より好適には、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１．２とすることで、転動体通過振動を更に低減することができる。つまり、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１．２とした各実施例１ｃ、１ｄ、１ｅのいずれも、比較例１ａ，１ｂに比べて転動体通過振動が著しく低減できる。
【００３３】
ところで、通常のリニアガイド装置では、用途に応じてオーバーサイズ量δ_０を変更して用いている。例えば工作機械等では、剛性を必要とするため、オーバーサイズ量を大きくしている。また、高速な駆動が必要な測定機器等で、摺動抵抗が小さいことが重要である場合には、オーバーサイズ量を小さくしている。同一の案内レールとスライダとの組合せでも、オーバーサイズ量が異なると、クラウニング部有効長Ｌｃｅも異なるものとなる。そのため、生産性や在庫管理等の観点から、同一の案内レールとスライダとを広い用途に対して使用できるようにするのが望ましい。
一般に、高精度が求められる用途では、ある程度の荷重に対してもがたつきが発生しないことが求められる。そのため、オーバーサイズ量δ_０として、およそ次式の範囲に設定する場合が多い。
［数７］
δ_０≧０．００１Ｄａ
上記の範囲のオーバーサイズ量δ_０に対し、転動体通過振動を低減するのに好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１は、次式のように書き換えられる。
［数８］
Ｒｃ／Ｄａ≧５００
なお、式８は次のように求めることができる。
Ｌｃｅ／Ｄａ≧１に式１を代入して変形すると、
［数ａ１］
Ｒｃ／Ｄａ≧Ｄａ／２δ _０
となる。一方、式７は、
［数ａ２］
５００≧Ｄａ／２δ _０
と変形できる。式ａ１に式ａ２の条件範囲を組み入れて式８が求まる。
また、さらに好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１．２は、次式のように書き換えられる。
［数９］
Ｒｃ／Ｄａ≧７２０
【００３４】
上記の例で、オーバーサイズ量δ_０を、0.005mm(0.00105Da)に変更した場合について、ＬｃｅとＬｃｅ／Ｄａを計算した結果を図５（ｃ）に示し、同様にして転動体通過振動を調べた結果を図７に示す。
式８を満たす実施例１ｄと１ｅとは、転動体通過振動を著しく低減できる。しかし、式８を満たさない実施例１ｃでは、このオーバーサイズ量に対しては転動体通過振動の低減効果が小さい。オーバーサイズ量δ_０の減少に伴い、Ｌｃｅも減少し、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１が満たされなくなるためである。以上のように、式８或いは式９を満たすようにすることによって、広い範囲のオーバーサイズ量に対して転動体通過振動を低減することができるのがわかる。
【００３５】
また、リニアガイド装置の用途によっては、剛性よりも、摺動抵抗が小さいことが、特に望まれる場合がある。それは、半導体製造装置（露光装置）や精密測定機等に用いられる場合である。また、小さいサイズのリニアガイド装置（例えば転動体の直径が2mm以下のもの）においても、摺動抵抗が小さいことが重要になる。このような特定の用途においては、式７よりも小さいオーバーサイズ量でリニアガイド装置が構成される。その場合のオーバーサイズ量δ_０は、例えば次式の範囲に設定される。
【数１０】

上記の範囲のδ₀に対しては、転動体通過振動を低減するのに好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１は、次式のように書き換えられる。
【数１１】

また、更に好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１．２は、次式のように書き換えられる。
【数１２】

【００３６】
次に、オーバーサイズ量δ_０を、0.002mm(0.00042Da)に変更した場合について、ＬｃｅとＬｃｅ／Ｄａを計算した結果を図５（ｄ）に示し、同様にして転動体通過振動を調べた結果を図８に示す。
式１１を満たす実施例１ｅは、転動体通過振動を著しく低減できる。しかし、式１１を満たさない実施例１ｃと１ｄとでは、このオーバーサイズ量に対しては転動体通過振動の低減効果が小さい。以上のように、式１１或いは式１２を満たすようにすることによって、オーバーサイズ量が特に小さい場合でも、転動体通過振動を低減することができるのがわかる。
【００３７】
図９に、オーバーサイズ量δ₀が0.01mmの場合での、Ｌｃｅ／Ｄａと、リニアガイド装置との剛性の関係図が示される。
リニアガイド装置１０の剛性は、次のようにして測定される。案内レール１１を固定した状態で、スライダ１２を上方向に引き上げる。スライダ１２に加える引張力をロードセルで測定するとともに、スライダ１２の上方向への変位量を、電気式マイクロメータ等の測定機で測定する。リニアガイド装置１０の剛性は、引張力÷変位量で算出できる。
クラウニング部では、非クラウニング部に比べて予圧量が小さいため、クラウニング部の長さが長いほど、リニアガイド装置１０の剛性は下がる。図９により、Ｌｃｅ／Ｄａ≒３では、Ｌｃｅ／Ｄａ≒０．５に比べて、５％程度剛性が低下している。剛性の極端な低下を避けるためには、Ｌｃｅ／Ｄａ≦３にすることが望ましい。
【００３８】
ところで、クラウニング部の効果を十分にするためには、接触角方向の断面内で見たクラウニング部の最大落ち量Δを、オーバーサイズ量δ_０よりも大きくする必要がある。ここで、最大落ち量Δは、次式で計算される。
【数１３】

従って、Δ≧δ₀のために、次式を満たす必要がある。
【数１４】

上記の範囲のδ_０に対しては、剛性の極端な低下を避けるために好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≦３は、次式に書き換えられる。
【数１５】

このとき、実施例１ｃ，１ｄは式１５を満たす。このため、剛性の極端な低下を避けることができる。
なお、本実施例において、スライダ１２の長さは、上述した特許文献１の範囲である。この特許文献１によると、クラウニング部の寸法に因らず、良好な運動精度のリニアガイド装置が得られる。しかし、この特許文献１に本発明を適用することによって、更に高い運動精度を達成することができる。
【００３９】
＜実施例２＞
図１０に示すように、実施例２に用いられるリニアガイド装置３０は、スライダ１２に、３対のスライダ軌道面（上溝，中溝，下溝）３１，３１，３１が形成されており、スライダ１２のスライダ軌道面３１の両端部寄りに、円弧形状のクラウニング部が形成され、クラウニング部の端部に、面取り部が形成されている。
【００４０】
図１１（ａ）に示すように、実施例２は、転動体（玉）直径Ｄａが、5.556mmであり、スライダ１２の全長が、114mmであり、オーバーサイズ量が、上下溝と中溝とで異なり、上溝と下溝が0.009、中溝が0.006mmであり、接触角が、45°である。
【００４１】
図１１（ｂ）に示すように、クラウニング部寸法が異なる、実施例２ｂ，２ｃと、比較例２ａの各条件で、クラウニング部半径Ｒｃと転動体１３の直径Ｄａとにおける関係Ｒｃ／Ｄａと転動体通過振動の大きさを調べた。
【００４２】
図１１（ｃ）に示すように、式８を満たす実施例２ｂ，２ｃとは、転動体通過振動を著しく低減できる。しかし、式８を満たさない比較例２ａでは、転動体通過振動の低減効果が小さいことがわかる。
【００４３】
＜実施例３＞
図１２に示すように、実施例３に用いられるリニアガイド装置４０は、スライダ１２に、２対のスライダ軌道面（上溝，下溝）４１，４１が形成されており、スライダ１２のスライダ軌道面４１の両端部寄りに、直線状のクラウニング部が形成され、クラウニング部の端部に、面取り部が形成されている。
【００４４】
図１３（ａ）に示すように、実施例３は、転動体（玉）直径Ｄａが、3.175mmであり、スライダ１２の全長が、39 mmであり、オーバーサイズ量が、0.004mmであり、接触角が、45°である。
【００４５】
図１３（ｂ）に示すように、クラウニング部寸法が異なる、実施例３ｃ，３ｄと、比較例３ａ，３ｂの各条件で、クラウニング部有効長Ｌｃｅと転動体１３の直径Ｄａとにおける関係Ｌｃｅ／Ｄａと転動体通過振動の大きさを調べた。
【００４６】
クラウニング部は、溝底方向に傾きθ_ｃ´の形状で加工されている。これは、ＮＣ研削盤によって軌道面の非クラウニング部とクラウニング部２０を同一の工程で加工するためである。接触角方向の断面から見たクラウニング部の半径θ_ｃは、次式で計算される。
【数１６】

ここで、α´は、クラウニング方向を基準とした接触角である。
【００４７】
図１３（ｃ）に示すように、円弧形状のクラウニング部を有する場合と同様にして、Ｌｃｅ／Ｄａ＝１程度まででは、Ｌｃｅ／Ｄａの増加とともに、転動体通過振動が急激に減少する。しかし、Ｌｃｅ／Ｄａが１以上では、転動体通過振動の減少は鈍くなる。この結果から、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１とすることによって、転動体通過振動をかなり低減することができる。より好適には、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１．２とすることにより、転動体通過振動を更に低減することができる。Ｌｃｅ／Ｄａ≧１．２とした実施例３ｃ，３ｄのいずれも、比較例３ａ，３ｂに対して、転動体通過振動を著しく低減することができた。
【００４８】
直線状のクラウニング部を有する場合、式７に示される一般的な範囲のオーバーサイズ量に対して、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１の範囲は、次式のように書き換えられる。
［数１７］
θｃ≦０．００１
なお、式１７は次のように求めることができる。
Ｌｃｅ／Ｄａ≧１に式２を代入して変形すると、
［数ａ３］
θｃ≦δ _０／Ｄａ
となる。一方、式７は、
［数ａ４］
δ _０／Ｄａ≧０．００１
と変形できる。式ａ３に式ａ４の条件範囲を組み入れて式１７が求まる。
【００４９】
また、更に好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１．２は、次式のように書き換えられる。
【数１８】

【００５０】
一方、リニアガイド装置の摺動抵抗が小さいことが、特に望まれる用途であって、オーバーサイズ量δ_０が、式１０の範囲にある場合には、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１の範囲は、次式のように書き換えられる。
【数１９】

【００５１】
また、更に好適な条件であるＬｃｅ／Ｄａ≧１．２は、次式のように書き換えられる。
【数２０】

【００５２】
円弧形状のクラウニング部を有する場合と同様にして、式１７または式１８を満たすようにすることにより、より広い範囲のオーバーサイズ量に対して、転動体通過振動を低減することができる。更に、式１９または式２０を満たすようにすることによって、オーバーサイズ量が特に小さい場合でも、転動体通過振動を低減することができる。
【００５３】
直線状のクラウニング部を有する場合にも、円弧形状のクラウニング部をもつ場合と同様にして、剛性の極端な低下を避けるために、Ｌｃｅ／Ｄａ≦３にすることが望ましい。
【００５４】
クラウニング部の効果を十分にするために、接触角方向の断面内で見たクラウニング部の最大落ち量Δを、オーバーサイズ量δ_０よりも大きくすることが必要である。ここでΔは、次式で計算される。
【数２１】

従って、Δ≧δ_０のためには、次式を満たす必要がある。
【数２２】

【００５５】
上式の範囲δ_０に対しては、剛性の極端な低下を避けるために好適な範囲であるＬｃｅ／Ｄａ≦３は、次式に書き換えられる。
【数２３】

実施例３ｃ，３ｄは、上式を満たす。従って、剛性の極端な低下を避けることができる。
【００５６】
＜実施例４＞
図１４に示すように、実施例４に用いられるリニアガイド装置５０は、スライダ１２に、上下溝の接触角が異なる２対のスライダ軌道面（上溝，下溝）５１，５１が形成されており、スライダ１２のスライダ軌道面５１の両端部寄りに、直線状のクラウニング部が形成され、クラウニング部の端部に、面取り部が形成されている。
【００５７】
図１５（ａ）に示すように、実施例４は、転動体（玉）直径Ｄａが、2.778mmであり、スライダ１２の全長が、40mmであり、オーバーサイズ量が、0.003mmであり、接触角が、上溝が90°、下溝が30°である。
【００５８】
図１５（ｂ）に示すように、クラウニング部寸法が異なる、実施例４ｂ，４ｃと、比較例４ａの各条件で、クラウニング部の傾きθｃと転動体通過振動の大きさを調べた。
【００５９】
図１５（ｃ）に示すように、式１７を満たす実施例４ｂ，４ｃでは、式１７を満たさない比較例４ａに比べて、転動体通過振動を低減できた。
ここで、クラウニング方向は、接触角方向と同一（式１６においてα´＝０）である。
【００６０】
＜実施例５＞
図１６に示すように、実施例１に用いられたリニアガイド装置１０の案内レール１１を一対用い、スライダ１２を２対用い、４つのスライダ１２上にテーブル６１を配してテーブル装置６０を構成し、実施例１ｄ及び比較例１ｂの条件で実施例５とした。
【００６１】
図１７（ａ）に示すように、テーブル装置６０では、案内レール１１，１１間の距離が、240mmであり、スライダ１２の中心間距離が、200mmであり、テーブル中心から測定点Ａ１までの距離が、500mmである。オーバーサイズ量は、0.005mmとした。
【００６２】
テーブル装置６０は、転動体通過振動により、各方向に傾くが、傾き角は大きくないため、測定は困難になる。そこで、テーブル中心位置Ａ０から５００ｍｍ離れた位置に測定点Ａ１を定め、測定点Ａ１での上下方向の振動振幅を調べた。
【００６３】
図１７（ｂ）に示すように、リニアガイド装置単体でも転動体通過振動が小さかった実施例１ｄを用いたテーブル装置６０では、比較例１ｂと比べて、転動体通過振動を著しく低減できた。
実施例５により明らかなように、本発明によるリニアガイド装置は、リニアガイド装置単体の場合に加えて、複数対を組み合わせたテーブル装置６０においても、転動体通過振動を低減できることがわかる。
【００６４】
上述したように、実施例１〜５をもって証明されたリニアガイド装置１０〜５０及びテーブル装置６０によれば、クラウニング部の全長のうち、荷重を受ける部分の長さであるクラウニング部有効長Ｌｃｅと、転動体１３の直径Ｄａとが、Ｌｃｅ／Ｄａ≧１に設定される。
したがって、転動体１３の循環に伴う出入りの際における荷重変動を小さくでき、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
また、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が半径Ｒｃの円弧形状である場合に、クラウニング部の半径Ｒｃと、転動体の直径Ｄａとが、Ｒｃ／Ｄａ≧５００に設定されることによって、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
そして、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が傾き角θｃの直線状である場合に、クラウニング部の傾き角θｃが、θｃ≦０．００１ｒａｄに設定されることによって、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
また、スライダ軌道面の全長が、転動体の直径の２０〜５０倍に設定されても、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
更に、クラウニング部の全長Ｌｃ、面取り部の長さＣと、転動体の直径Ｄａとが、（Ｌｃ−Ｃ）／Ｄａ≦３に設定されると、転動体通過振動の低減と同時にリニアガイドの剛性低下を防ぐことができる。
【００６５】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、ボールである転動体の列は２列、４列、６列に限らず、それ以上の複数対配されたリニアガイド装置に本発明を用いても良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が半径Ｒｃの円弧形状である場合に、クラウニング部の半径Ｒｃと、転動体の直径Ｄａとが、Ｒｃ／Ｄａ≧５００に設定されることにより、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
そして、予圧荷重がかけられ、クラウニング部が傾き角θｃの直線状である場合に、クラウニング部の傾き角θｃが、θｃ≦０．００１ｒａｄに設定されることによって、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
更に、クラウニング部の全長Ｌｃ、面取り部の長さＣと、転動体の直径Ｄａとが、（Ｌｃ−Ｃ）／Ｄａ≦３に設定され、或いは、スライダ軌道面の全長が、転動体の直径の２０〜５０倍に設定されることによって、広い範囲の予圧荷重に対して転動体の出入りに伴う荷重変動を小さくすることができ、それによって、転動体通過振動を著しく低減することができる。
以上により、最適なクラウニング部の寸法を定めることによって転動体通過振動を飛躍的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る第１実施形態のリニアガイド装置の外観斜視図である。
【図２】図１に示すリニアガイド装置におけるスライダの拡大断面図である。
【図３】図１に示すリニアガイド装置におけるスライダの拡大断面図である。
【図４】実施例１のリニアガイド装置の断面図である。
【図５】（ａ）は実施例１の共通部分の数値表、（ｂ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.01mmとした場合での各実施例と比較例との詳細対照表、（ｃ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.005mmとした場合での各実施例と比較例との詳細対照表、（ｄ）は実施例１におけるオーバーサイズ量を0.002mmとした場合での各実施例と比較例との詳細対照表である。
【図６】図５（ｂ）の結果を表すグラフである。
【図７】図５（ｃ）の結果を表すグラフである。
【図８】図５（ｄ）の結果を表すグラフである。
【図９】図５（ｂ）でのＬｃｅ／Ｄａとリニアガイド装置の剛性の関係を調べたグラフである。
【図１０】実施例２のリニアガイド装置の断面図である。
【図１１】（ａ）は実施例２の共通部分の数値表、（ｂ）は実施例２における実施例と比較例との対照表、（ｃ）は図１１（ｂ）の結果を表すグラフである。
【図１２】実施例３のリニアガイド装置の断面図である。
【図１３】（ａ）は実施例３の共通部分の数値表、（ｂ）は実施例３における実施例と比較例との対照表、（ｃ）は図１３（ｂ）の結果を表すグラフである。
【図１４】実施例４のリニアガイド装置の断面図である。
【図１５】（ａ）は実施例４の共通部分の数値表、（ｂ）は実施例４における実施例と比較例との対照表、（ｃ）は図１５（ｂ）の結果を表すグラフである。
【図１６】実施例５のテーブル装置の外観斜視図である。
【図１７】（ａ）は実施例５の数値表、（ｂ）は実施例５における実施例と比較例との結果を表すグラフである。
【図１８】転動体通過振動を計測するのに用いた測定装置の正面図である。
【図１９】図１８の測定装置によって測定した結果のグラフである。
【図２０】（ａ）は従来のリニアガイド装置の断面図、（ｂ）は（ａ）の（ａ−ａ）線断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０リニアガイド装置
１１案内レール
１２スライダ
１３転動体
１５レール軌道面
１９，３１，４１，５１スライダ軌道面
２０クラウニング部
２１面取り部
６０テーブル装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a linear guide device used in various machines such as a semiconductor manufacturing apparatus, a precision processing machine, and a precision measuring instrument, and in particular, high processing accuracy and measurement accuracy are required for a die processing machine, a semiconductor manufacturing apparatus, a precision measuring instrument, and the like. The present invention relates to a linear guide device suitable for use in a machine device.
[0002]
[Prior art]
The linear guide device used to guide the guided object linearly includes a guide rail extending in the axial direction, a slider disposed on the guide rail and assembled to be movable in the axial direction of the guide rail, and a ball What is provided with the rolling element which is is known.
[0003]
Rail raceways for sliding the rolling elements are formed on both side surfaces of the guide rail, and the slider raceway surface for sliding the rolling elements in the rolling element circulation path that holds the rolling elements while circulating them. Is formed.
[0004]
In the rail surface of the guide rail, a plurality of bolt holes penetrating vertically are formed along the axial direction. The guide rail is fixed to the processing table by a plurality of bolts being screwed into the processing table through the bolt holes.
[0005]
The slider has a sliding surface on the bottom surface of the guide rail, and the moving body of various machines such as semiconductor manufacturing equipment, precision processing machines, and precision measuring instruments is fixed by bolt fastening. When moving, the rolling elements circulate in the rolling element circulation path of the slider while rolling between the rail raceway surface of the guide rail and the slider raceway surface of the slider, thereby moving the guide rail in the axial direction. To support smoothly.
[0006]
Since the linear guide device is used in various machines such as a semiconductor manufacturing device, a precision processing machine, and a precision measuring instrument, the motion accuracy of the linear guide device directly affects the processing accuracy and measurement accuracy of these various machines.
One of the factors that deteriorate the motion accuracy of the linear guide device is periodic micro-vibration that occurs as the rolling elements circulate. This is called rolling element passing vibration. This rolling element passing vibration is generated because the rolling element moves on the slider track surface of the slider while receiving a load by a preload or an external load.
[0007]
FIG. 18 shows a measuring device 80 that measures rolling element passing vibration. As the measuring device 80, a rolling element having a diameter of 6.35 mm was used. In the measuring device 80, a single guide rail 82 is fixed on a first reference table 81, and a single slider 83 is assembled to the guide rail 82. A mirror mechanism 85 is installed on the slider 83 via a base 84, and the slider 83 is moved in one direction at a constant speed by a drive shaft 86 connected to a drive device provided outside. . On the other hand, an autocollimator 88 is installed on the second reference base 87, and the tilt angle (pitching displacement) of the slider 83 is measured by the autocollimator 88 via the mirror mechanism 85.
[0008]
In FIG. 19, the measurement result by the measuring apparatus 80 is shown. In FIG. 19, the horizontal axis represents the amount of movement of the slider 83, and the vertical axis represents the angle change of the slider 83 in the pitching direction. The wavelength of vibration corresponds to approximately twice the diameter Da of the rolling element. The measured pitching displacement itself is very small. However, at a position away from the slider 83, the inclination of the slider 83 is amplified and appears as a large translational displacement of about 0.5 to 1 μm. For this reason, in a mechanical device that requires high accuracy, the above-mentioned rolling element passing vibration becomes a problem. Here, the measurement was performed using a single slider 83. However, even in a table apparatus configured by combining a plurality of pairs of guide rails and sliders, the rolling element passing vibration similarly becomes a problem.
[0009]
As a method for suppressing the rolling element passing vibration as described above, there is a method in which the rolling element passing vibration is reduced by increasing the length of the slider (see, for example, Patent Document 1).
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-46052 A (page 3, FIG. 1)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the linear guide device described in the above-mentioned document, the length of the slider is longer than that of a normal one, so that the length of the entire device is increased, and as a result, the entire machine may be increased in size. . In addition, when particularly strict motion accuracy is required, there is a possibility that the rolling element passing vibration is not sufficiently reduced.
[0012]
Further, like a linear guide device 90 shown in FIGS. 20A and 20B, a rolling element 95 that is rotatably supported by a rail raceway surface 92 of a guide rail 91 and a slider raceway surface 94 of a slider 93 is provided. In order to prevent the load from being received, there are some which are provided with gently inclined surface-shaped crowning

portions

96, 96 near the end of the slider raceway surface 94.
In such a linear guide device 90, the length of the portion of the total length Lc of the crowning portion 96 where the rolling element 95 receives a load is called the crowning portion effective length. If the effective length of the crowning portion is too short, the rolling element passing vibration cannot be sufficiently reduced. On the other hand, if the crowning portion effective length is too long, problems such as a decrease in rigidity and load capacity in the linear guide device 90 occur. However, since there is no clear design guideline regarding the optimum dimension of the crowning portion 96, it has to rely on experience.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a linear guide device capable of drastically reducing rolling element passing vibrations by determining the optimal dimensions of the crowning portion. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The object of the present invention is achieved by the following configurations.
(1) A guide rail having a rail track surface, a slider having a slider track surface disposed opposite to the rail track surface and moving along the rail track surface, and between the rail track surface and the slider track surface A linear guide device including a rolling element arranged to be freely rollable, wherein an arc-shaped crowning portion is formed near an end portion of the slider raceway surface, and a chamfered portion is provided at an end portion of the crowning portion. Rc and Da are set to be Rc / Da ≧ 500, where Rc is the radius of the crowning portion viewed in the cross section of the contact angle, Ra is the diameter of the rolling element, and Da is A featured linear guide device.
(2) A guide rail having a rail track surface, a slider having a slider track surface disposed opposite to the rail track surface and moving along the rail track surface, and between the rail track surface and the slider track surface A linear guide device including a rolling element arranged to roll freely, wherein a linear crowning portion is formed near an end portion of the slider raceway surface, and a chamfered portion is formed at an end portion of the crowning portion. The linear guide device is characterized in that θc is set to θc ≦ 0.001 rad, where θc is an inclination angle of the crowning portion viewed in the cross section of the contact angle.
(3The total length of the crowning portion is Lc, the length of the chamfered portion is C, and the Lc, the C, and the Da are set to (Lc−C) / Da ≦ 3. (1)Or (2)The linear guide device described in 1.
(4The total length of the slider raceway surface is set to 20 to 50 times the diameter of the rolling element.3).
[0015]
  According to the linear guide device having the above configuration,,When a preload is applied and the crowning portion has an arc shape with a radius Rc, if the radius Rc of the crowning portion and the diameter Da of the rolling element are set to Rc / Da ≧ 500, a wide range of preload is applied. On the other hand, it is possible to reduce the load fluctuation associated with the entry and exit of the rolling elements, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
  When a preload is applied and the crowning portion is linear with an inclination angle θc, if the inclination angle θc of the crowning portion is set to θc ≦ 0.001 rad, the crowning portion is applied to a wide range of preload loads. It is possible to reduce the load fluctuation associated with the moving in and out of the moving body, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
  Moreover, even if the total length of the slider raceway surface is set to 20 to 50 times the diameter of the rolling element, the load fluctuation accompanying the entry and exit of the rolling element can be reduced with respect to a wide range of preload loads, The rolling element passing vibration can be significantly reduced.
  Further, when the total length Lc of the crowning portion, the length C of the chamfered portion, and the diameter Da of the rolling element are set to (Lc−C) / Da ≦ 3, the linear guide device is simultaneously reduced in reducing the rolling element passing vibration. It is possible to avoid a decrease in rigidity.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 is an external perspective view of the linear guide device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged sectional view of the slider in the linear guide device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the slider in the linear guide device shown in FIG. 4 is a cross-sectional view of the linear guide device of the first embodiment, FIG. 5A is a numerical table of common parts of the first embodiment, and FIG. 5B is an oversize amount in the first embodiment of 0.01 mm. The numerical comparison table between each example and the comparative example, and FIG. 5 (c) is a detailed comparison table between each example and the comparative example when the oversize amount in Example 1 is 0.005 mm. FIG. 5 (d) is a numerical comparison table between each example and the comparative example when the oversize amount in Example 1 is 0.002 mm, FIG. 6 is a graph showing the result of FIG. 5 (b), and FIG. 5 is a graph showing the result of FIG. 5C, FIG. 8 is a graph showing the result of FIG. 9 is a graph showing the relationship between Lce / Da and the rigidity of the linear guide device in FIG. 5B, FIG. 10 is a cross-sectional view of the linear guide device of the second embodiment, and FIG. 11A is common to the second embodiment. FIG. 11B is a numerical comparison table between Example and Comparative Example in Example 2, FIG. 11C is a graph showing the results of FIG. 11B, and FIG. 13A is a cross-sectional view of the linear guide device, FIG. 13A is a numerical table of common parts of Example 3, FIG. 13B is a numerical comparison table of Example and Comparative Example in Example 3, and FIG. 13B is a graph showing the results, FIG. 14 is a sectional view of the linear guide device of Example 4, FIG. 15A is a numerical table of common parts of Example 4, and FIG. 15B is Example 4. FIG. 15 (c) is a graph showing the results of FIG. 15 (b), and FIG. 16 is an example. FIG. 17A is a numerical table of Example 5, and FIG. 17B is a graph showing the results of Example and Comparative Example in Example 5. FIG. Note that, in the examples following the first embodiment, members and the like having the same configurations and functions as those already described are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is simplified or omitted.
[0017]
As shown in FIG. 1, a linear guide device 10 according to a first embodiment of the present invention includes a guide rail 11 and a slider 12 that is disposed on the guide rail 11 and is movably assembled in the axial direction of the guide rail 11. And a plurality of rolling elements 13 which are balls.
[0018]
A rail surface 14 is formed on the upper surface of the guide rail 11, and rail track surfaces 15, 15 for sliding the rolling elements 13 are formed on the upper and lower sides of the guide rail 11. A plurality of bolt holes 17 penetrating vertically are formed in the rail surface 14 along the axial direction. The guide rail 11 is fixed to the processing table by bolts being screwed into the processing table via the bolt holes 17.
[0019]
In the slider 12, slider raceway surfaces (upper grooves, lower grooves) 19 and 19 for sliding the rolling elements 13 are formed in rolling element circulation paths 18 that hold the rolling elements 13 while circulating them.
[0020]
As shown in FIG. 2, near the both ends of the slider raceway surface 19 of the slider 12, there are formed crowned

portions

20, 20 that are gently inclined and arc-shaped, and the ends of the crowned

portions

20, 20 are formed.

Chamfered parts

21 and 21 are formed in the part. In the crowning portion 20, the rolling elements 13 do not receive a load in the vicinity of the end portion of the slider raceway surface 19.
[0021]
Of the total length Lc of the crowning portion 20, the length of the portion where the rolling element 13 receives a load is referred to as a crowning portion effective length Lce.
Where δ₀: Oversize amount of rolling element 13, R_c: When the radius of the crowning portion 20 is seen in the cross section in the contact angle direction, the crowning portion effective length Lce is:
[Expression 1]

Calculated by
[0022]
As shown in FIG. 3, when the crowning portion 20 is linear, θ_c: When the inclination of the crowning portion as seen in the cross section in the contact angle direction is taken, the crowning portion effective length Lce is
[Expression 2]

Calculated by
[0023]
In the

above formulas

1 and 2, the total length of the crowning portion 20 is L_cAnd the length of the chamfered portion 21 is C, and the Lce and the L_cAnd the relationship between C and Lce ≧ L_cWhen -C, Lce = L_c-C. When there is no chamfer 21, C = 0 is substituted.
[0024]
Oversize amount δ of rolling element 13₀Is the rolling element diameter Da at which the preload is exactly zero (0)._zAnd the diameter Da of the rolling element 13 inserted to apply the preload.₁Is the difference. The diameter of the rolling element 13 inserted into the linear guide device 10 is Da._zIf it is larger, preload is applied. In contrast, the diameter of the rolling element 13 is Da._zIf it is smaller, no preload is applied, and a minute gap is formed between each of the raceway surfaces 15, 15, 19, 19, and 19. Oversize amount δ of rolling element 13₀Can be obtained as follows.
[0025]
In the linear guide device 10, Da_zDiameter Da smaller in diameter than₂The rolling element 13 is inserted. When the slider 12 is lightly pressed downward by a force about the weight of the slider 12, and when it is pulled lightly upward, the amount of vertical displacement (rattle amount) of the slider 12 is This is called the direction gap amount. The vertical gap amount Δ is calculated by the following equation.
[Equation 3]

Where α_UAnd α_LIs the contact angle between the upper and lower grooves of the slider raceway surfaces 19 and 19.
[0026]
Further, the rolling element diameter Da_zIs calculated by the following equation.
[Expression 4]

Where δ₀= Da₁-Da_zTherefore, δ₀Is calculated by the following equation.
[Equation 5]

Da₁And Da_zThe difference Da₁-Da_zCan be measured by a measuring instrument such as a passometer. Diameter Da_zThe vertical gap amount Δ when the rolling element 13 is inserted can be measured by a measuring instrument such as a dial gauge.
Therefore, in the above equation 5, Da₁-Da_zAnd Δ are substituted, the oversize amount δ₀Can be requested.
[0027]
【Example】
With respect to the first embodiment described above, examples and comparative examples were performed as follows.
[0028]
<Example 1>
As shown in FIG. 4, the linear guide device 10 used in the first embodiment has the same configuration as the linear guide device shown in FIG. 1, and a rail surface 14 is formed on the upper surface of the guide rail 11. Rail track surfaces 15 and 15 are formed in two upper and lower rails on both side surfaces, and a plurality of bolt holes 17 penetrating vertically on the rail surface 14 are formed. The slider 12 is formed with slider raceway surfaces (upper grooves, lower grooves) 19, 19, arc-shaped crowning portions are formed near both ends of the slider raceway surface 19 of the slider 12, and at the end portions of the crowning portions. A chamfered portion is formed.
[0029]
As shown in FIG. 5A, in Example 1, the rolling element (ball) diameter Da is 4.762 mm, the total length of the slider 12 is 149 mm, and the contact angle is 50 °.
[0030]
The crowning portion has a radius R in the groove bottom direction._cIt is processed in the shape of '. This is because the non-crowning portion and the crowning portion of the raceway surface are processed in the same process by the NC grinder. Radius R of crowning part as seen from cross section in contact angle direction_cIs calculated by the following equation.
[Formula 6]

Here, α ′ is a contact angle based on the crowning direction.
[0031]
And as shown in FIG.5 (b), about the case where oversize amount is set to 0.01 mm, in each condition of Example 1c, 1d, 1e and Comparative example 1a, 1b, crowning part effective length Lce and rolling element The relationship Lce / Da with the diameter Da of 13 and the magnitude of the rolling element passing vibration were examined.
[0032]
As shown in FIG. 6, the rolling element passing vibration rapidly decreases as Lce / Da increases up to about Lce / Da = 1. However, when Lce / Da is 1 or more, the decrease in rolling element passing vibration becomes dull. From this result, it is understood that rolling element passing vibration can be considerably reduced by setting Lce / Da ≧ 1. At this time, more preferably, the rolling element passing vibration can be further reduced by setting Lce / Da ≧ 1.2. That is, in each of Examples 1c, 1d, and 1e with Lce / Da ≧ 1.2, the rolling element passing vibration can be significantly reduced as compared with Comparative Examples 1a and 1b.
[0033]
  By the way, in a normal linear guide device, an oversize amount δ is determined depending on the application.₀It is used by changing. For example, in a machine tool or the like, since the rigidity is required, the oversize amount is increased. Further, when it is important that the sliding resistance is small in a measuring instrument or the like that requires high-speed driving, the oversize amount is reduced. Even in the combination of the same guide rail and slider, if the oversize amount is different, the crowning portion effective length Lce is also different. Therefore, it is desirable that the same guide rail and slider can be used for a wide range of applications from the viewpoints of productivity and inventory management.
  In general, in applications where high accuracy is required, it is required that rattling does not occur even for a certain load. Therefore, oversize amount δ₀In many cases, it is set within the range of the following equation.
[Equation 7]
                      δ₀≧ 0.001 Da
  Oversize amount δ in the above range₀On the other hand, Lce / Da ≧ 1 which is a suitable condition for reducing rolling element passing vibration is rewritten as the following equation.
[Equation 8]
                      Rc / Da ≧ 500
  Equation 8 can be obtained as follows.
  Substituting Equation 1 into Lce / Da ≧ 1,
[Number a1]
                      Rc / Da ≧ Da / 2δ ₀
It becomes. On the other hand, Equation 7
[Number a2]
                      500 ≧ Da / 2δ ₀
And can be transformed. Formula 8 is obtained by incorporating the condition range of formula a2 into formula a1.
  Further, Lce / Da ≧ 1.2, which is a more preferable condition, can be rewritten as the following equation.
[Equation 9]
                      Rc / Da ≧ 720
[0034]
In the above example, oversize amount δ₀Fig. 5 (c) shows the result of calculating Lce and Lce / Da, and Fig. 7 shows the result of examining the rolling element passing vibration in the same manner.
Examples 1d and 1e satisfying Equation 8 can remarkably reduce rolling element passing vibration. However, in Example 1c that does not satisfy Equation 8, the rolling element passing vibration reduction effect is small for this oversize amount. Oversize amount δ₀This is because as Lce decreases, Lce also decreases, and Lce / Da ≧ 1 is not satisfied. As described above, it is understood that rolling element passing vibration can be reduced with respect to a wide range of oversize amounts by satisfying Expression 8 or Expression 9.
[0035]
Further, depending on the use of the linear guide device, it may be particularly desired that the sliding resistance is smaller than the rigidity. This is the case where it is used in a semiconductor manufacturing apparatus (exposure apparatus), a precision measuring machine, or the like. Even in a small-sized linear guide device (for example, a rolling element having a diameter of 2 mm or less), it is important that the sliding resistance is small. In such a specific application, the linear guide device is configured with an oversize amount smaller than Expression 7. Oversize amount δ in that case₀Is set in the range of the following equation, for example.
[Expression 10]

Δ in the above range₀On the other hand, Lce / Da ≧ 1 which is a suitable condition for reducing rolling element passing vibration is rewritten as the following equation.
## EQU11 ##

Further, Lce / Da ≧ 1.2, which is a more preferable condition, can be rewritten as the following equation.
[Expression 12]

[0036]
Next, oversize amount δ₀Fig. 5 (d) shows the result of calculating Lce and Lce / Da, and Fig. 8 shows the result of examining the rolling element passing vibration in the same manner.
Example 1e satisfying Expression 11 can remarkably reduce rolling element passing vibration. However, in Examples 1c and 1d that do not satisfy Formula 11, the effect of reducing rolling element passing vibration is small for this oversize amount. As described above, it can be seen that by satisfying Expression 11 or Expression 12, even when the oversize amount is particularly small, the rolling element passing vibration can be reduced.
[0037]
FIG. 9 shows the oversize amount δ₀A diagram showing the relationship between the rigidity of Lce / Da and the linear guide device in the case of 0.01 mm is shown.
The rigidity of the linear guide device 10 is measured as follows. With the guide rail 11 fixed, the slider 12 is pulled up. The tensile force applied to the slider 12 is measured with a load cell, and the amount of upward displacement of the slider 12 is measured with a measuring machine such as an electric micrometer. The rigidity of the linear guide device 10 can be calculated by tensile force / displacement amount.
Since the amount of preload is smaller in the crowning part than in the non-crowning part, the rigidity of the linear guide device 10 decreases as the length of the crowning part increases. According to FIG. 9, when Lce / Da≈3, the rigidity is reduced by about 5% compared to Lce / Da≈0.5. In order to avoid an extreme decrease in rigidity, it is desirable to satisfy Lce / Da ≦ 3.
[0038]
By the way, in order to make the effect of the crowning portion sufficient, the maximum drop amount Δ of the crowning portion seen in the cross section in the contact angle direction is set to the oversize amount δ.₀Need to be bigger than. Here, the maximum drop amount Δ is calculated by the following equation.
[Formula 13]

Therefore, Δ ≧ δ₀Therefore, it is necessary to satisfy the following equation.
[Expression 14]

Δ in the above range₀On the other hand, Lce / Da ≦ 3, which is a preferable condition for avoiding an extreme decrease in rigidity, can be rewritten as the following equation.
[Expression 15]

At this time, Examples 1c and 1d satisfy Expression 15. For this reason, an extreme decrease in rigidity can be avoided.
In the present embodiment, the length of the slider 12 is in the range of Patent Document 1 described above. According to this Patent Document 1, a linear guide device with good motion accuracy can be obtained regardless of the dimensions of the crowning portion. However, by applying the present invention to this Patent Document 1, higher motion accuracy can be achieved.
[0039]
<Example 2>
As shown in FIG. 10, in the linear guide device 30 used in the second embodiment, three pairs of slider raceway surfaces (upper groove, middle groove, and lower groove) 31, 31, 31 are formed on the slider 12. An arc-shaped crowning portion is formed near both end portions of the slider raceway surface 31, and a chamfered portion is formed at an end portion of the crowning portion.
[0040]
As shown in FIG. 11A, in the second embodiment, the rolling element (ball) diameter Da is 5.556 mm, the total length of the slider 12 is 114 mm, and the oversize amounts are the upper and lower grooves and the middle groove. Differently, the upper groove and the lower groove are 0.009, the middle groove is 0.006 mm, and the contact angle is 45 °.
[0041]
As shown in FIG. 11 (b), the relationship Rc / Da between the radius of the crowning portion Rc and the diameter Da of the rolling element 13 and the rolling under the conditions of Examples 2b and 2c and Comparative Example 2a, where the crowning portion dimensions are different. The magnitude of the moving body vibration was examined.
[0042]
As shown in FIG. 11 (c), with Examples 2b and 2c that satisfy Expression 8, the rolling element passing vibration can be significantly reduced. However, it can be seen that in Comparative Example 2a that does not satisfy Expression 8, the rolling element passing vibration reduction effect is small.
[0043]
<Example 3>
As shown in FIG. 12, in the linear guide device 40 used in the third embodiment, two pairs of slider raceway surfaces (upper grooves and lower grooves) 41 and 41 are formed on the slider 12. A linear crowning portion is formed near both ends of the chamfer, and a chamfered portion is formed at the end of the crowning portion.
[0044]
As shown in FIG. 13A, in Example 3, the rolling element (ball) diameter Da is 3.175 mm, the total length of the slider 12 is 39 mm, and the oversize amount is 0.004 mm. The contact angle is 45 °.
[0045]
As shown in FIG. 13 (b), the relationship between the crowning portion effective length Lce and the diameter Da of the rolling element 13 under the conditions of Examples 3c and 3d and Comparative Examples 3a and 3b, where the crowning portion dimensions are different, is expressed as Lce / The magnitude of Da and rolling element passing vibration was examined.
[0046]
The crowning part is inclined θ toward the groove bottom._cIt is processed in the shape of '. This is because the non-crowning portion and the crowning portion 20 of the raceway surface are processed in the same process by the NC grinder. Radius θ of the crowning part as seen from the cross section in the contact angle direction_cIs calculated by the following equation.
[Expression 16]

Here, α ′ is a contact angle based on the crowning direction.
[0047]
As shown in FIG. 13C, in the same manner as when the arcuate crowning portion is provided, the rolling element passing vibration rapidly decreases as Lce / Da increases up to about Lce / Da = 1. However, when Lce / Da is 1 or more, the decrease in rolling element passing vibration becomes dull. From this result, by setting Lce / Da ≧ 1, the rolling element passing vibration can be considerably reduced. More preferably, by setting Lce / Da ≧ 1.2, the rolling element passing vibration can be further reduced. In each of Examples 3c and 3d in which Lce / Da ≧ 1.2, the rolling element passing vibration could be remarkably reduced as compared with Comparative Examples 3a and 3b.
[0048]
  In the case of having a linear crowning portion, the range of Lce / Da ≧ 1 is rewritten as the following equation with respect to the oversize amount in the general range shown in Equation 7.
[Equation 17]
                      θc ≦ 0.001
  Equation 17 can be obtained as follows.
  Substituting Equation 2 into Lce / Da ≧ 1,
[Number a3]
                      θc ≦ δ ₀ / Da
It becomes. On the other hand, Equation 7
[Number a4]
                      δ ₀ /Da≧0.001
And can be transformed. Formula 17 is obtained by incorporating the condition range of formula a4 into formula a3.
[0049]
Further, Lce / Da ≧ 1.2, which is a more preferable condition, can be rewritten as the following equation.
[Formula 18]

[0050]
On the other hand, it is a particularly desired application that the sliding resistance of the linear guide device is small, and the oversize amount δ₀Is within the range of Expression 10, the range of Lce / Da ≧ 1 is rewritten as the following expression.
[Equation 19]

[0051]
Further, Lce / Da ≧ 1.2, which is a more preferable condition, can be rewritten as the following equation.
[Expression 20]

[0052]
By satisfying Expression 17 or Expression 18 in the same manner as when the arcuate crowning portion is provided, the rolling element passing vibration can be reduced with respect to a wider range of oversize. Furthermore, by satisfying Expression 19 or Expression 20, even when the oversize amount is particularly small, the rolling element passing vibration can be reduced.
[0053]
Also in the case of having a linear crowning portion, it is desirable to satisfy Lce / Da ≦ 3 in order to avoid an extreme decrease in rigidity, as in the case of having an arc-shaped crowning portion.
[0054]
In order to make the effect of the crowning portion sufficient, the maximum drop amount Δ of the crowning portion seen in the cross section in the contact angle direction is set to the oversize amount δ.₀It is necessary to make it larger. Here, Δ is calculated by the following equation.
[Expression 21]

Therefore, Δ ≧ δ₀Therefore, the following equation must be satisfied.
[Expression 22]

[0055]
Range of the above equation δ₀On the other hand, Lce / Da ≦ 3, which is a preferable range in order to avoid an extreme decrease in rigidity, can be rewritten as the following equation.
[Expression 23]

Examples 3c and 3d satisfy the above equation. Therefore, an extreme decrease in rigidity can be avoided.
[0056]
<Example 4>
As shown in FIG. 14, in the linear guide device 50 used in the fourth embodiment, the slider 12 is formed with two pairs of slider raceway surfaces (upper grooves and lower grooves) 51 and 51 having different contact angles of the upper and lower grooves. A linear crowning portion is formed near both ends of the slider raceway surface 51 of the slider 12, and a chamfered portion is formed at the end of the crowning portion.
[0057]
As shown in FIG. 15A, in Example 4, the rolling element (ball) diameter Da is 2.778 mm, the total length of the slider 12 is 40 mm, the oversize amount is 0.003 mm, and the contact The corners are 90 ° for the upper groove and 30 ° for the lower groove.
[0058]
As shown in FIG. 15 (b), the inclination θc of the crowning portion and the magnitude of the rolling element passing vibration were examined under the conditions of Examples 4b and 4c and Comparative Example 4a where the crowning portion dimensions were different.
[0059]
As shown in FIG. 15C, in Examples 4b and 4c that satisfy Expression 17, the rolling element passing vibration can be reduced as compared with Comparative Example 4a that does not satisfy Expression 17.
Here, the crowning direction is the same as the contact angle direction (α ′ = 0 in Equation 16).
[0060]
<Example 5>
As shown in FIG. 16, a pair of guide rails 11 of the linear guide device 10 used in the first embodiment is used, two pairs of sliders 12 are used, and a table 61 is arranged on four sliders 12 to form a table device 60. Example 5 was made under the conditions of Example 1d and Comparative Example 1b.
[0061]
As shown in FIG. 17A, in the table device 60, the distance between the guide rails 11 and 11 is 240 mm, the distance between the centers of the sliders 12 is 200 mm, and the distance from the table center to the measurement point A1. However, it is 500mm. The oversize amount was 0.005 mm.
[0062]
The table device 60 is tilted in each direction due to rolling element passing vibration, but the tilt angle is not large, so that measurement becomes difficult. Therefore, a measurement point A1 was determined at a position 500 mm away from the table center position A0, and the vertical vibration amplitude at the measurement point A1 was examined.
[0063]
As shown in FIG. 17B, in the table device 60 using the example 1d in which the linear guide device alone has a small rolling element passing vibration, the rolling element passing vibration can be remarkably reduced as compared with the comparative example 1b.
As is apparent from the fifth embodiment, it can be seen that the linear guide device according to the present invention can reduce the rolling element passing vibration in the table device 60 in which a plurality of pairs are combined in addition to the case of the linear guide device alone.
[0064]
As described above, according to the linear guide devices 10 to 50 and the table device 60 proved with the first to fifth embodiments, the crowning portion effective length Lce, which is the length of the portion that receives the load, out of the total length of the crowning portion, The diameter Da of the rolling element 13 is set to Lce / Da ≧ 1.
Therefore, the load fluctuation at the time of entering / exiting with the circulation of the rolling element 13 can be reduced, and thereby the rolling element passing vibration can be remarkably reduced.
In addition, when a preload is applied and the crowning portion has an arc shape with a radius Rc, the radius Rc of the crowning portion and the diameter Da of the rolling element are set to Rc / Da ≧ 500, thereby providing a wide range. With respect to the preload load, the load fluctuation accompanying the entry and exit of the rolling element can be reduced, and thereby the rolling element passing vibration can be remarkably reduced.
When a preload is applied and the crowning portion is linear with an inclination angle θc, the inclination angle θc of the crowning portion is set to θc ≦ 0.001 rad, so that a wide range of preload loads can be obtained. It is possible to reduce the load fluctuation associated with the entry and exit of the rolling element, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
Moreover, even if the total length of the slider raceway surface is set to 20 to 50 times the diameter of the rolling element, the load fluctuation accompanying the entry and exit of the rolling element can be reduced with respect to a wide range of preload loads, The rolling element passing vibration can be significantly reduced.
Further, when the total length Lc of the crowning portion, the length C of the chamfered portion, and the diameter Da of the rolling element are set to (Lc−C) / Da ≦ 3, the linear guide It is possible to prevent a decrease in rigidity.
[0065]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A suitable deformation | transformation, improvement, etc. are possible.
For example, the rows of rolling elements that are balls are not limited to two rows, four rows, and six rows, and the present invention may be applied to a plurality of linear guide devices arranged in pairs.
[0066]
【The invention's effect】
  As explained above, according to the present invention,,When a preload is applied and the crowning portion has an arc shape with a radius Rc, the radius Rc of the crowning portion and the diameter Da of the rolling element are set to Rc / Da ≧ 500, so that a wide range of preloads can be obtained. It is possible to reduce the load fluctuation associated with the loading and unloading of the rolling element with respect to the load, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
  When a preload is applied and the crowning portion is linear with an inclination angle θc, the inclination angle θc of the crowning portion is set to θc ≦ 0.001 rad, so that a wide range of preload loads can be obtained. It is possible to reduce the load fluctuation associated with the entry and exit of the rolling element, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
  Further, the total length Lc of the crowning portion, the length C of the chamfered portion, and the diameter Da of the rolling element are set to (Lc−C) / Da ≦ 3, or the total length of the slider raceway surface is equal to the diameter of the rolling element. By setting it to 20 to 50 times the load, it is possible to reduce the load fluctuation accompanying the entering and exiting of the rolling elements with respect to a wide range of preload loads, thereby significantly reducing the rolling element passing vibration.
  As described above, it is possible to drastically reduce the rolling element passing vibration by determining the optimum dimension of the crowning portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view of a linear guide device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a slider in the linear guide device shown in FIG.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a slider in the linear guide device shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the linear guide device according to the first embodiment.
5A is a numerical table of common parts of Example 1, FIG. 5B is a detailed comparison table of each Example and Comparative Example when the oversize amount in Example 1 is 0.01 mm, and FIG. c) is a detailed comparison table between each example and the comparative example when the oversize amount in Example 1 is 0.005 mm, and (d) is each when the oversize amount in Example 1 is 0.002 mm. It is a detailed contrast table of an Example and a comparative example.
FIG. 6 is a graph showing the results of FIG.
FIG. 7 is a graph showing the result of FIG.
FIG. 8 is a graph showing the result of FIG. 5 (d).
FIG. 9 is a graph obtained by examining the relationship between Lce / Da and the rigidity of the linear guide device in FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the linear guide device according to the second embodiment.
11A is a numerical table of common parts of Example 2, FIG. 11B is a comparison table of Example and Comparative Example in Example 2, and FIG. 11C is a graph showing the result of FIG. It is.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the linear guide device according to the third embodiment.
13A is a numerical table of common parts of Example 3, FIG. 13B is a comparison table of Examples and Comparative Examples in Example 3, and FIG. 13C is a graph showing the results of FIG. It is.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a linear guide device according to a fourth embodiment.
15A is a numerical table of common parts of Example 4, FIG. 15B is a comparison table of Examples and Comparative Examples in Example 4, and FIG. 15C is a graph showing the results of FIG. 15B. It is.
FIG. 16 is an external perspective view of a table device according to a fifth embodiment.
17A is a numerical table of Example 5, and FIG. 17B is a graph showing the results of Example 5 and Comparative Example in Example 5. FIG.
FIG. 18 is a front view of a measuring apparatus used to measure rolling element passing vibrations.
FIG. 19 is a graph showing a result of measurement by the measurement apparatus of FIG.
20A is a cross-sectional view of a conventional linear guide device, and FIG. 20B is a cross-sectional view taken along line (a-a) in FIG.
[Explanation of symbols]
10, 30, 40, 50 Linear guide device
11 Guide rail
12 Slider
13 Rolling elements
15 Rail track surface
19, 31, 41, 51 Slider raceway surface
20 Crowning Club
21 Chamfer
60 Table device

Claims

A guide rail having a rail track surface, a slider having a slider track surface disposed opposite to the rail track surface and moving along the rail track surface, and a rail between the rail track surface and the slider track surface. A linear guide device comprising rolling elements arranged freely,
An arc-shaped crowning portion is formed near the end of the slider raceway surface, and a chamfered portion is formed at the end of the crowning portion,
The radius of the crowning portion as viewed in the cross section of the contact angle and Rc, as Da diameter of the rolling element, and the said and the Rc Da,
Rc / Da ≧ 500
A linear guide device characterized in that it is set to.

A guide rail having a rail track surface, a slider having a slider track surface disposed opposite to the rail track surface and moving along the rail track surface, and a rail between the rail track surface and the slider track surface. A linear guide device comprising rolling elements arranged freely,
A linear crowning portion is formed near the end of the slider raceway surface, and a chamfered portion is formed at the end of the crowning portion,
Assuming that the inclination angle of the crowning portion seen in the cross section of the contact angle is θc, the θc is
θc ≦ 0.001 rad
A linear guide device characterized in that it is set to.

The total length of the crowning portion is Lc, the length of the chamfered portion is C, the diameter of the rolling element is Da, and the Lc, the C, and the Da are:
(Lc-C) / Da ≦ 3
The linear guide device according to claim 1, wherein the linear guide device is set as follows .

The linear guide device according to any one of claims 1 to 3, wherein an overall length of the slider raceway surface is set to 20 to 50 times a diameter of the rolling element .