JP2006038067A

JP2006038067A - 軸受構造及び直線駆動装置

Info

Publication number: JP2006038067A
Application number: JP2004217341A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Kawai; 知彦河合; Kenzo Ebihara; 建三蛯原
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09
Also published as: CN100360824C; US7275870B2; US20060018571A1; EP1621783A2; CN1727710A; EP1621783A3

Abstract

【課題】高精度な直線移動が実現できる軸受構造及び該軸受構造を用いた直線駆動装置を得る。
【解決手段】直線移動する可動部２側の軸受面の長さは固定部１側の軸受面より移動ストローク分以上長く成形されている。これにより、固定部１側の軸受面が可動部２側の軸受面に常に対向する。固定部１には空気供給源と接続され、固定部の軸受面には空気を噴射する空気吐出口が複数配設されて空気軸受を構成する。可動部２は固定部１が挿入する側のみ開口している。固定側にコイル、可動側に磁石を配設してリニアモータを形成し直線駆動装置とする。圧縮空気や電力を供給するケーブル９等は固定部１に接続され、可動部２には接続されないから、ケーブル等から外力が加わらず、高精度の運動が得られる。また、開口部が１箇所で剛性の強い可動部が得られ、圧縮空気の大きな力に耐えうる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、空気軸受構造及び該空気軸受構造と一体となった直線駆動装置に関する。

超精密加工機など、ナノオーダの位置決め精度を必要とする装置では、可動部の移動時の摩擦をなくすため、空気軸受が用いられている。空気軸受を用いることで、非常に高精度な運動が実現できる。しかし、空気は圧縮性流体であるため、軸受剛性は油軸受や転がり軸受と比べ一桁以上劣る。

空気軸受は、固定部と可動部の間の軸受面に圧縮空気を噴射し、この空気の圧力によって可動部を軸受するものである。可動部が回転部材で、固定部材の軸受面が常に所定面に固定されている場合には、所定の軸受面に空気を噴射するノズル等の空気吐出口を設けておけばよいが、可動部が固定部に対して直線移動する場合、固定部における可動部と対向する面（軸受面）が変わることになる。そのため、固定部にノズル等の空気吐出口を設けた場合、可動部と対向しない部分で、ノズル等の空気吐出口は大気に開放されることになり、軸受面の空気圧力が低下することになる。そのため、従来は、空気の供給は可動部側から供給するようにされている。

図２ａ〜図２ｅは、空気軸受を用いて可動部を直線移動させる直線駆動装置の従来例である。図２ａはこの直線駆動装置の全体斜視図、図２ｂはこの直線駆動装置から可動部１２を取り除いた固定部１１の斜視図、図２ｃは、可動部１２の斜視図、図２ｄは、図２ａのＣ−Ｃ断面図である。また図２ｅは、図２ａのＤ−Ｄ断面図である。

ベース１３に固定部１１が垂直に固定されており、該固定部１１は、角柱に形成され、その垂直面は垂直方向（長手方向）にその中央部が切り込まれ、角柱の４隅が突出する状態に形成されている。そして、この４隅の各面によって空気軸受面が形成される。そして、固定部１１の角柱の切り込まれた垂直面における一対の平行面にはリニアモータを形成する磁石１６が取り付けられている。また、垂直面における残り一方の面には、直線型位置検出器のスケール１８が取り付けられている。

一方、可動部１２は、固定部１１の角柱が挿入される貫通孔を有し、この貫通孔の内面形状は固定部１１の角柱の形状に合わせた形状とされている。そして、図２ｃに示すように、固定部１１の磁石と対向する面にはリニアモータを形成するためのコイル１５が取り付けられている。また、スケール１８と対向する面には、検出ヘッド１７が取り付けられている。

さらに、可動部１２の概略４画形状の孔の四隅には、圧縮空気を吐出するノズル等の空気吐出口１４が縦方向に複数設けられている。図２ｄに示すように、固定部１１の角柱に可動部１２を挿入し、磁石１６とコイル１５を対向させると共にスケール１８と検出ヘッド１７を対向させ、かつ、角柱の４隅の突出部の面には可動部１２の空気吐出口が設けられた面が対向し、この固定部１１における角柱の４隅の突出部面と可動部１２の空気吐出口面が空気軸受面Ｆとなり、この部分で空気軸受が形成される。

また、図２ｅに示すように、固定部１１の角柱の空気軸受面は可動部空気軸受面より長く形成されている。可動部１２には、図２ａに示すように空気吐出口１４への空気を供給する空気供給管、コイル１５への電力を供給する動力線、また検出ヘッド１７への信号線等のケーブル１９が接続されている。

ケーブル１９より圧縮空気を供給し、空気吐出口１４より空気を空気軸受面Ｆに噴射させることにより、可動部１２は固定部１１と接することなく空気を介して保持される。また、ケーブル１９を介して、コイル１５に動力を供給し、リニアモータを駆動すれば、可動部１２は、固定部１１の空気軸受面Ｆでガイドされ、図２ａにおいて上下方向に駆動される。この移動は、スケール１８と検出ヘッド１７からなる直線型位置検出器で検出され、可動部１２の位置が検出される。

上述したように、従来の空気軸受を用いた直線駆動機構においては、可動部１２側に空気吐出口１４を設けていることから、可動部１２に圧力空気を供給する供給管を接続せざるを得ない。さらには、上述したように可動部には動力線や信号線のケーブルも接続されている。

しかし、上述したように空気軸受は、空気が圧縮性流体であるため、軸受剛性が小さい。そのため、従来は、可動部１２に取り付けたケーブル取り回しは曲率を大きくして、負荷とならないようにしている。しかし、僅かな外力に対しても、ナノオーダで影響を受けるため、この可動部に取り付けたケーブル等からの負荷の影響を無視することができない。また、空気軸受面は圧縮空気により大きな力を受けるため、機械構造の変形量が精度に与える影響も無視できない。

そこで、本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を改善し、高精度な直線移動が実現できる軸受構造を提供することにある。

本願請求項１に係わる発明は、固定部に対して可動部が直線移動する空気軸受構造であって、固定部側の軸受面が可動部側の軸受面に常に対向するように、可動部側の軸受面の移動方向の長さが固定部側の軸受面より移動ストローク分以上長く成形され、固定部には空気供給手段と接続され、固定部の軸受面には空気を噴射する空気吐出口が複数配設されている軸受構造とした。これにより、可動部には空気供給手段から外力が加わらないので、高精度の運動が可能となる。また、請求項２に係わる発明は、前記可動部の構造を、固定部を包囲し移動方向の一端側のみが開放し、該開放端より固定部が挿入される構造とし、可動部の機械的剛性を高くした。

請求項３に係わる発明は、上述した軸受構造の固定部側にコイルを配設し、可動部側に磁石を配設して、リニアモータを形成して直線駆動装置としたものである。さらに、請求項４に係わる発明は、固定部側に検出ヘッドを有し、可動部側にスケールを備えた直線型位置検出器により可動部側の移動位置を検出可能にした直線駆動装置である。また、請求項５に係わる発明は、駆動に必要な配線が固定部側のみに接続するようにした。

可動部には、空気供給手段や電力供給のための配線が接続されることはないので、可動部の移動に伴って、これらのものから外力が可動部には加わることはないので、高精度の可動部の運動ができる。また、可動部は、枡形で開口部は固定部が挿入される１面のみであるから、機械的剛性が高く、圧縮空気による大きな力を受けても変形は少ないものとなる。

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１ａ〜図１ｅは、本発明の一実施形態の空気軸受構造及び該空気軸受構造を用いた直線駆動装置の説明図である。図１ａはこの直線駆動装置の全体斜視図、図１ｂはこの直線駆動装置から可動部２を取り除いた固定部１の斜視図、図１ｃは、可動部２の斜視図、図１ｄは、図１ａのＡ−Ａ断面図である。また、図１ｅは、図１ａのＢ−Ｂ断面図である。

図１ｂに示すように、固定部１は、ベース３に垂直に固定されており、該固定部１は、角柱に形成され、その垂直面は垂直方向（長手方向に）に沿ってその中央部は切り込まれ、角柱の４隅が突出する状態に形成されている。そして、この４隅の面によって空気軸受面が形成され、この４隅の面に垂直方向にノズル等の複数の空気吐出口４が設けられている。また、固定部１の角柱の切り込まれた垂直面における一対の平行面にはリニアモータを形成するコイル５が取り付けられている。垂直面における残りの一面には、直線型位置検出器の検出ヘッド７が取り付けられている。図２に示した従来例と比較し、固定部に圧縮空気吐出口４が設けられていること、及び固定部にコイル５、検出ヘッド７が設けられている点で、従来の固定部とは相違する。

一方、可動部２は、図１ｃに示すように、固定部１の角柱が挿入される孔を有し、この孔の内面形状は固定部１の角柱の形状に合わせた形状とされている。そして、この孔は底つき孔であり、図１ａに示すように、可動部２は一方の面に設けられた開口部から固定部１の角柱が挿入される形式となり、可動部２は、桝状で１つの面に設けられた開口部を介して固定部の角柱が挿入されるものとしている。また、可動部２の孔における内面側壁の固定部１のコイル５と対向する面にはリニアモータを形成するための磁石６が取り付けられている。また、検出ヘッド７と対向する面には、スケール８が取り付けられている。

図１ａに示すように、固定部１の角柱に可動部２を挿入し、図１ｄに示すように、磁石６とコイル５を対向させると共にスケール８と検出ヘッド７を対向させ、かつ、固定部１を構成する角柱の４隅の空気吐出口４が設けられた突出部の面を、可動部の孔の４隅の面に対向させる。この固定部１における角柱の４隅の空気吐出口面と可動部２の対向面が空気軸受面Ａとなり、この部分で空気軸受が形成される。

また、図１ｅに示すように、可動部２の空気軸受面の長さは固定部１の角柱における空気軸受面の長さより長く形成されている。即ち、可動部２の空気軸受面の長さは、固定部１の軸受面の長さに可動部２の直線移動のストロークを加算した長さより長く形成されている。これにより、可動部２が駆動されて固定部１に沿って最大限移動したとしても、可動部２の空気軸受面は固定部１の空気軸受面から外れることはなく、固定部１の空気軸受面は常に可動部の空気軸受面と対向するように形成されている。

そして、固定部１には、図１ａに示すように空気吐出口４への空気を供給する空気供給管、コイル５への電力を供給する動力線、また検出ヘッド７への信号線等のケーブル９が接続されている。

ケーブル９より圧力空気を供給し、空気吐出口４より空気を空気軸受面Ａに噴射させることにより、可動部２は固定部１と接することなく空気を介して保持される。また、ケーブル９を介して、コイル５に動力を供給し、リニアモータを駆動すれば、可動部２は、固定部１の空気軸受面Ａでガイドされ、図１ａにおいて上下方向に駆動される。この移動は、スケール８と検出ヘッド７からなる直線型位置検出器で検出され、可動部２の位置が検出される。

ケーブルが可動部２ではなく固定部１に接続されているものであるから、このケーブルによる外力が可動部２に加わることはなく、可動部２は高精度に位置決めすることができ、高精度の運動を得ることができる。しかも、この可動部２は、桝型で、開口面が固定部の角柱が挿入される側の１つしかなく、他の面は封鎖されていることから、剛性のある構造となっているので、圧縮空気による大きな力を受けても、その変形量はほとんどないようにすることができる。

本発明の一実施形態の空気軸受構造及び該空気軸受構造を用いた直線駆動装置の斜視図である。同実施形態の固定部の斜視図である。同実施形態の可動部の斜視図である。同実施形態における図１ａのＡ−Ａ断面図である。同実施形態における図１ａのＢ−Ｂ断面図である。空気軸受を用いて可動部を直線移動させる直線駆動装置の従来例の全体斜視図である。従来例の直線駆動装置の固定部の斜視図である。従来例の直線駆動装置の可動部の斜視図である。図２ａのＣ−Ｃ断面図である。図２ａのＤ−Ｄ断面図である。

符号の説明

１固定部
２可動部
３ベース
４空気吐出口
５コイル
６磁石
７検出ヘッド
８スケール
９ケーブル

Claims

固定部に対して可動部が直線移動する空気軸受構造であって、固定部側の軸受面が可動部側の軸受面に常に対向するように、可動部側の軸受面の移動方向の長さが固定部側の軸受面より移動ストローク分以上長く成形され、固定部には空気供給手段と接続され、固定部の軸受面には空気を噴射する空気吐出口が複数配設されている軸受構造。
前記可動部は固定部を包囲し移動方向の一端側は開放され固定部が挿入されている請求項１に記載の軸受構造。
請求項１又は請求項２に記載の軸受構造の固定部側にコイルが配設され、可動部側に磁石が配設されてリニアモータが形成された直線駆動装置。
固定部側に検出ヘッドを有し、可動部側にスケールを備えた直線型位置検出器により可動部側の移動位置を検出可能にした請求項３に記載の直線駆動装置。
駆動に必要な配線が固定部側のみに接続されている請求項３又は請求項４に記載の直線駆動装置。