JP2000337376A - 直動軸受機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトで、高い剛性と運動精度を有する
直動軸受機構を提供すること。 【解決手段】 固定体３１と、この固定体３１に直動す
るように流体又は磁気力により軸受された可動体３２と
から成る直動軸受機構３０において、固定体３１は、直
線的なガイド部３１ａと、このガイド部３１ａの両端部
を静止体に対して支持する一対の支持部３１ｂと、この
支持部３１ｂと共にガイド部３１ａを支持し軸方向に沿
って切欠き３１ｄを形成させた中間支持部３１ｃとから
成り、可動体３２は、固定体３１のガイド部３１ａに挿
通される主可動部３２ａと、この主可動部３２ａに固定
され、中間支持部３１ｃの切欠き３１ｄを挿通する補強
板３２ｂとから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直動軸受機構に関
し、更に詳しくはコンパクトで、高い軸受剛性と運動精
度を実現できる直動軸受機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５及び１６は、第１従来例としての
直動軸受機構１を示すが、これは可動体３と固定体２と
の隙間ｓに圧縮気体を噴出させて静圧気体層を形成する
ことにより、可動体３を固定体２に対し非接触の状態で
支承し、図示しない別の駆動手段でもって可動体３を移
動させる。このような静圧気体軸受は摩擦力が小さいこ
とから（ほぼ０）、超精密（サブミクロン以下の精度）
な送り機構のリニアガイドとして測定器や半導体露光装
置、光ディスクマスタリング装置等の光加工装置用ステ
ージ等に幅広く用いられている。

【０００３】図１５は直動軸受機構１の斜視図、図１６
は側面図を示す。固定体２は、直線的に延びる四角柱形
状のガイド部２ａと、このガイド部２ａの両端を静止体
に対して支える一対の支持部２ｂ、２ｂとから成る。可
動体３は、ガイド部２ａの四角柱形状に対応してロ字型
となっており、その開口３ａにガイド部２ａが挿通され
る。可動体３のガイド部２ａと対向する面には、１つ又
は複数の気体噴出孔としての絞りが形成された軸受パッ
ドが取り付けられており（図示せず）、可動体３の側壁
に形成された気体供給孔（図示せず）に圧縮気体を供給
し、絞りを介して隙間ｓ全体に圧縮気体を供給すること
で静圧気体層を形成し、固定体２に対し可動体３を非接
触の状態で支承する。

【０００４】この直動軸受機構１は、構造が簡単で部品
点数も少なくて済み、小型の軸受としては現在主流とな
っているが、固定体２が両端支持構造となるため、負荷
（可動体に搭載の重量）が大きい場合、真直度が悪化し
てしまうという欠点がある。

【０００５】また、特開平１０−２６１３９号には、固
定体の設置の際、機械的にたわみをキャンセルするよう
ひずみを与える方法が提案されている。図２１に、この
第２従来例としての直動軸受機構１５を示し、図２２は
その左端部の拡大断面図である。固定体１６は、支持台
１８によって基台１９に両端支持されており、可動体１
７は固定体１６に挿通されている。固定体１６及び支持
台１８に通されたボルト２０を基台１９に螺合させるこ
とにより、固定体１６は基台１９に固定される。そし
て、雌ねじ２２に螺合する真直度調整用ボルト２１を締
め付けてその先端を支持台１８の上面に強く押し当てる
と、固定体１６に上方向の応力が作用して固定体１６が
上反りの中高形状に変形する。これにより、固定体１６
は、二点鎖線で示す状態から実線で示すように両端部か
ら中央部にかけて上方に湾曲した中高形状になり、その
湾曲の程度は可動体１７に搭載物を載せて固定体１６に
下方への変形力が加わった状態で、固定体１６の良好な
真直度が得られるように設定される。

【０００６】しかし、固定体１６それ自体の剛性が向上
するわけではないため、負荷の真直度に対する影響は改
善されない。すなわち、このたわみを打ち消せる程度に
も限界があり、大きな負荷の場合には良好な真直度が得
られない。また、可動体１７の搭載物重量が変化する
と、それに応じて、真直度調整用ボルト２１の締付けを
再調整しなければならず手間がかかる。

【０００７】次に、第３の従来例としての直動軸受機構
５を、図１７に斜視図を図１８に側面図を示す。固定体
６は断面がＴ字型の形状であり、可動体７は固定体６を
取り囲むように配設されており、その開口７ａを固定体
６のガイド部６ａに挿通させ、下端は内方に屈曲し隙間
ｓ’で固定体６の支持部６ｂに対向している。可動体７
より、可動体７と固定体６との隙間ｓに圧縮気体を供給
し静圧気体層を形成し、固定体６に対し可動体７を非接
触の状態で支承している。

【０００８】この構造の直動軸受機構５は固定体６のた
わみの発生が非常に小さいため、真直度の良いリニアガ
イドが構成できる反面、軸受の負荷容量、剛性を上げる
ため隙間ｓに供給する気体の圧力を上げると、可動体７
がこの圧力のために変形してしまい軸受隙間ｓが拡が
り、その結果、軸受性能が悪化してしまう。この変形を
考慮して、変形した際に軸受隙間ｓが所望の値となるよ
う可動体７を加工する例もあるが、非常にコスト高とな
り、また必ずしも期待通りの結果が得られず実用化には
至っていない。

【０００９】次に、第４の従来例としての直動軸受機構
１０を、図１９に斜視図を図２０に側面図を示す。固定
体１１は断面がコ字型の２つの部材から成り、その溝１
１ａを対向させて配設されている。可動体１２は断面が
凸形状であり、そのフランジ部１２ａを、固定体１１の
溝１１ａに嵌め込んでいる。可動体１２より、可動体１
２と固定体１１との隙間ｓに圧縮気体を供給し静圧気体
層を形成し、固定体１１に対し可動体１２を非接触の状
態で支承している。

【００１０】この構造の直動軸受機構１０は、可動体１
２の真下に駆動系を配することが可能で、駆動系に起因
する運動精度の悪化を小さくすることができる。また、
フランジ部１２ａの幅を大きくすれば軸受面積も広く取
ることが可能で、特に負荷の大きい場合に適した構造と
言える。しかし、設置面積が広く必要であり、また、第
３従来例の直動軸受機構５と同様に供給気体の圧力を上
げると、この場合特に固定体１１が変形しやすいなどの
問題がある。第３従来例の直動軸受機構５よりは変形量
は小さくできる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、第
４従来例の直動軸受機構１０は、小型化が困難であり、
また供給気体の圧力を上げると変形しやすくなるという
欠点があり、第１及び第２従来例の直動軸受機構１、１
５は、小型化は可能であるが、固定体が両端支持構造で
あるため、自重や可動体の負荷によってたわみが生じ真
直度が悪化し、可動体の高い運動精度が得られないとい
う欠点がある。また、第３従来例の直動軸受機構５は、
小型化及び真直度を良くすることが可能であるが、隙間
ｓへの供給気体の圧力（軸受内圧力）による可動体７の
変形量が大きく、設計時の軸受性能を発揮できないとい
う欠点がある。このように、従来は小型化、高精度化、
高性能化を高いレベルで同時に実現することができなか
った。

【００１２】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、コン
パクトで、高い剛性と運動精度を有する直動軸受機構を
提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
あたり、本発明では、固定体と、この固定体に直動する
ように流体又は磁気力により軸受された可動体とから成
る直動軸受機構において、固定体は、直線的なガイド部
と、このガイド部の両端部を静止体に対して支持する一
対の支持部と、この支持部と共にガイド部を支持し軸方
向に沿って切欠きを形成させた中間支持部とから成り、
可動体は、固定体のガイド部に挿通される主可動部と、
この主可動部に固定され、中間支持部の切欠きを挿通す
る補強板とから成る。これにより、ガイド部の曲げ剛性
を高くでき、主可動部の変形を小さくすることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１５】図１は本実施の形態による直動軸受機構の
斜視図であり、図２は平面図、図３は図２における
［３］−［３］線方向の断面図を示す。

【００１６】固定体３１は、図４に側面図を、図５に図
４における［５］−［５］線方向の断面図を示すが、四
角柱形状で直線的に延びるガイド部３１ａと、ガイド部
３１ａの両端で固定され、ガイド部３１ａを静止体に対
して支持する直方体形状の一対の支持部３１ｂ、３１ｂ
と、ガイド部３１ａの下面及び支持部３１ｂ、３１ｂの
内方側側面に固定され、支持部３１ｂ、３１ｂと共にガ
イド部３１ａを支持する長板形状の中間支持部３１ｃと
から成る。これらガイド部３１ａと支持部３１ｂ、３１
ｂと中間支持部３１ｃは一体的に形成されており、これ
により剛性を高めている。中間支持部３１ｃには、軸方
向に沿ってトラック形状の切欠き（長穴）３１ｄが形成
されている。

【００１７】可動体３２は、図６に斜視図を示すが、主
可動部３２ａと、この下端側に固定された補強板３２ｂ
とから成る。主可動部３２ａは、第３従来例の可動体７
と同様の形状、すなわち断面がコ字型の部材の下端を内
方に屈曲させ、断面がロ字型の一部切れた形状を呈して
いる。補強板３２ｂは、その平面図を図７に示すが、軸
方向両端側から切欠き３２ｃ、３２ｃを形成させたエ字
型の板状部材であり、そのくびれ部３２ｄの幅ｗは、全
幅Ｗに対しておよそ１／３〜１／２の幅となっている。

【００１８】図１及び図３に示されるように、主可動部
３２ａの開口３２ｆに固定体３１のガイド部３１ａが挿
通され、屈曲部３２ｅは隙間ｓ’をおいて中間支持部３
１ｃの上壁部３１ｅに対向し、主可動部３２ａはガイド
部３１ａを取り囲むようにして配設されている。主可動
部３２ａの下端側に固定された補強板３２ｂは、中間支
持部３１ｃに形成された切欠き３１ｄを挿通している。

【００１９】中間支持部３１ｃの切欠き３１ｄの長さ
は、必要な可動体３２のストロークに補強板３２ｂのく
びれ部３２ｄの幅ｗを加えたものより若干長くなってい
る。くびれ部３２ｄの幅ｗが広過ぎると、中間支持部３
１ｃの切欠き３１ｄの長さが長くなり、ガイド部３１ａ
の曲げ剛性が弱くなってしまう。また、くびれ部３２ｄ
の幅ｗが狭過ぎると、ガイド部３１ａと主可動部３２ａ
との間の軸受隙間ｓに供給される圧縮気体の影響により
主可動部３２ａが変形してしまう度合いがひどくなり、
軸受性能が悪化してしまう。

【００２０】主可動部３２ａのガイド部３１ａと対向す
る面には、１つ又は複数の気体噴出孔としての絞りが形
成された軸受パッド（図示せず）が取り付けられてお
り、主可動部３２ａの側壁に形成された気体供給孔（図
示せず）に圧縮気体を供給し、絞りを介して軸受隙間ｓ
全体に圧縮気体を供給することで静圧気体層を形成し、
固定体３１に対し可動体３２を非接触の状態で支承す
る。そして別途設けた駆動手段でもって可動体３２を移
動させる。

【００２１】次に、従来例と本実施の形態の直動軸受機
構についての変形の程度をシミュレーションした解析結
果を図８〜１４に示す。ここで全ての解析は実際の大き
さの１／４のモデルを用いて行った。

【００２２】図８及び図１０〜１３は可動体についての
解析結果であり、各部における変位の分布を示す。軸受
隙間ｓ内部の圧力を、大気圧＋０．５ＭＰａとした場合
の変形量を示している。各可動体（主可動部）の板厚
は、全て１０ｍｍとし、本実施の形態における補強板３
２ｂの板厚は７ｍｍとした。材質は全てアルミニウムと
した。この結果によると、各可動体の変形量のうちで最
大値を比べてみると、図８に示す本実施の形態による可
動体３２の値が最も小さく６．６１μｍ、次いで、図１
０、１１で示す第１従来例の可動体３の変形が小さく
７．４９μｍとなっている。図１２、１３で示す第３従
来例の可動体７の変形は５８．９μｍとなっており実用
上大きな軸受内圧力では使用できない結果となってい
る。

【００２３】図９及び図１４は固定体についての解析結
果であり、ガイド部の軸方向長さを２００ｍｍ、幅６０
ｍｍ、厚さ３０ｍｍとし、本実施の形態の中間支持部３
１ｃの板厚（横方向の厚み）は１０ｍｍとした。材質は
全てアルミニウムである。各ガイド部の中央に１０ｋｇ
の荷重がかかるとして解析を行った結果、それぞれ中央
部で下方へのたわみ量が最大となり、図１４で示す第１
従来例の場合で１１．２μｍ、図９で示す本実施の形態
では２．５９μｍとなった。

【００２４】以上の解析の結果から、本実施の形態で
は、第１従来例と比較して固定体のたわみが約１／４、
可動体の変形がほぼ同じ。また、第３従来との比較で
は、可動体の変形が１／８以下になっている。

【００２５】以上述べたように、本実施の形態による直
動軸受機構３０は、小型な構造として現在主流となって
いる第１従来例のガイド部２ａのたわみを小さくするた
め、中間支持部３１ｃを取り付けることで、たわみ量を
１／４程度にまで小さくすることができる。つまり、固
定体３１の曲げ剛性が高くなることで負荷変動に対して
高い真直度を保つことができる。

【００２６】また、主可動部３２ａに補強板３２ｂを取
り付けることで、軸受隙間ｓ内圧力による可動体３２の
変形を、第３従来例に比べて１／８以下にまで小さくす
ることができる。

【００２７】また、固定体３１の真直度を高くしたり、
可動体３２の変形を小さくして運動精度、軸受剛性を高
くするという変更が、中間支持部３１ｃの板厚やこれに
形成された切欠き３１ｄの長さ、補強板３２ｂの板厚や
これに形成された切欠き３２ｃの大きさを適当に変更す
ることで可能であり、軸受機構全体の設計変更を行うよ
りも少ない手間で用途に応じたリニアガイドを実現でき
る。また第１及び第３従来例と同等の設置スペースでも
って、これら従来例よりも高精度のリニアガイドを実現
できる。

【００２８】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００２９】以上の実施の形態では、静圧気体軸受とし
たが、軸受隙間ｓに供給するのは気体に限らず液体を用
いても良い。また、磁気力を用いて可動体を固定体に対
して支承するようにしても良い。更に、接触式の軸受で
ある転がり軸受や、すべり軸受の場合でも、特に転がり
軸受の場合に軸受隙間ｓに大きい圧力の気体を与えて使
用すれば高剛性化、運動の高精度化に有効である。

【００３０】また、以上の実施の形態では、ガイド部３
１ａの形状を断面が長方形の四角柱とし、これに対応し
て主可動部３２ａに略ロ字型の開口３２ｆを設けたが、
これに限らず、例えばガイド部は断面が台形状、また円
柱状でもよく、この場合主可動部の開口もこれに合わせ
るようにする。

【００３１】また、以上の実施の形態では、中間支持部
３１ｃは、支持部３１ｂに固定させて、共にガイド部３
１ａを支持するようにしたが、ガイド部３１ａの下面側
にのみ固定して支持するようにしてもよい。しかし、支
持部３１ｂにも固定させた方が安定して支持できる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１に
よる直動軸受機構によれば、設置スペースを小さくし
て、且つ軸受剛性と運動精度を高くすることができる。

【００３３】また、本発明の請求項２によれば、切欠き
の大きさを変更することで可動体の変形量が小さくなる
ように調整できる。

【００３４】また、本発明の請求項３又は請求項４によ
れば、固定体の剛性を高めることができ、更にガイド部
を安定して支持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による直動軸受機構の斜視
図である。

【図２】同平面図である。

【図３】図２における［３］−［３］線方向の断面図で
ある。

【図４】同固定体の側面図である。

【図５】図４における［５］−［５］線方向の断面図で
ある。

【図６】同可動体の斜視図である。

【図７】同可動体の構成要素である補強板の平面図であ
る。

【図８】シミュレーションによる同可動体の変位の分布
を示す斜視図である。

【図９】シミュレーションによる同固定体の変位の分布
を示す側面図である。

【図１０】シミュレーションによる第１従来例の可動体
の変位の分布を示す斜視図である。

【図１１】同側面図である。

【図１２】シミュレーションによる第３従来例の可動体
の変位の分布を示す斜視図である。

【図１３】同側面図である。

【図１４】シミュレーションによる第１従来例の固定体
の変位の分布を示す側面図である。

【図１５】第１従来例の直動軸受機構の斜視図である。

【図１６】同側面図である。

【図１７】第３従来例の直動軸受機構の斜視図である。

【図１８】同側面図である。

【図１９】第４従来例の直動軸受機構の斜視図である。

【図２０】同側面図である。

【図２１】第２従来例の直動軸受機構の側面図である。

【図２２】図２１における直動軸受機構の端部の拡大断
面図である。

【符号の説明】

３０……直動機構、３１……固定体、３１ａ……ガイド
部、３１ｂ……支持部、３１ｃ……中間支持部、３１ｄ
……切欠き、３１ｅ……上壁部、３２……可動体、３２
ａ……主可動部、３２ｂ……補強板、３２ｃ……切欠
き、３２ｄ……くびれ部、３２ｅ……屈曲部、３２ｆ…
…開口、ｓ……軸受隙間。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定体と、前記固定体に直動するように
   流体又は磁気力により軸受された可動体とから成る直動
   軸受機構において、 前記固定体は、直線的なガイド部と、前記ガイド部の両
   端部を静止体に対して支持する一対の支持部と、前記支
   持部と共に前記ガイド部を支持し軸方向に沿って切欠き
   を形成させた中間支持部とから成り、 前記可動体は、前記ガイド部に挿通される主可動部と、
   前記主可動部に固定され前記切欠きを挿通する補強板と
   から成ることを特徴とする直動軸受機構。
2. 【請求項２】 前記補強板の軸方向両端部に切欠きを形
   成させたことを特徴とする請求項１に記載の直動軸受機
   構。
3. 【請求項３】 前記中間支持部は前記支持部と一体化し
   ていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
   直動軸受機構。
4. 【請求項４】 前記ガイド部と前記中間支持部と前記支
   持部とは一体化していることを特徴とする請求項１又は
   請求項２に記載の直動軸受機構。
5. 【請求項５】 前記ガイド部は方形状であり、前記主可
   動部はこれに対応する開口を有し、前記主可動部の下端
   部は内方に屈曲し、前記中間支持部の上壁に所定の隙間
   で対向していることを特徴とする請求項１又は請求項２
   に記載の直動軸受機構。