JP3044196B2 - 被駆動体のバランス機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被駆動体のバラン
ス機構の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】被駆動体のバランス機構としては、重錘
を利用したカウンタバランス方式のもの、液圧シリンダ
や空気圧シリンダを利用したもの等が公知である。

【０００３】図５は、カウンタバランス方式のバランス
機構を示す概念図である。図５において、符号１０１は
重力に抗して鉛直方向に移動する被駆動体１０２を備え
た機械、例えば工作機械等であり、モータ等の駆動機構
１０３によって回転駆動される送りネジ１０４によって
被駆動体１０２に上下方向の送りがかけられるようにな
っている。

【０００４】バランス機構１０５は、被駆動体１０２と
同重量に形成されたカウンターウェイト１０６と、被駆
動体１０２とカウンターウェイト１０６とを接続するケ
ーブル等の可撓性接続手段１０７、および、可撓性接続
手段１０７を滑動自在に支えて機械１０１の両側に振り
分けるための滑車１０８，１０９によって構成され、被
駆動体１０２に作用する重力負荷Ｆ１をカウンターウェ
イト１０６に作用する重力負荷Ｆ２で相殺するようにし
ている。

【０００５】従って、被駆動体１０２に作用する重力負
荷を事実上皆無にすることができるが、駆動対象となる
慣性質量が被駆動体１０２だけの場合に比べて２倍にも
なるので、被駆動体１０２の加減速時に大きな駆動力が
必要になるといった問題がある。

【０００６】専ら、被駆動体１０２を長時間定位置に留
めて作業を行うような場合に有効な技術であって、被駆
動体１０２を頻繁に上下動させるような場合、例えば、
工作機械の加工ヘッドの上下動等には向かない。動滑車
を利用すれば被駆動体１０２よりも軽いカウンターウェ
イト１０６で被駆動体１０２の重力負荷を相殺すること
ができるが、カウンターウェイト１０６の軽量化に比例
してカウンターウェイト１０６の移動量が増大するの
で、消費エネルギーは変わりがなく、全備重量の軽減化
に役立つだけである。

【０００７】図６は、液圧シリンダ方式のバランス機構
を示す概念図である。機械１０１および被駆動体１０
２，駆動機構１０３，送りネジ１０４に関する構成は図
５のものと同じである。

【０００８】バランス機構１１０は、直接または接続手
段を介して被駆動体１０２に連結された液圧シリンダ
（油圧シリンダまたは水圧シリンダ）１１１と、液圧シ
リンダ１１１に油または水を供給する圧力源１１２、お
よび、液圧シリンダ１１１と圧力源１１２との間に配備
された圧力調整手段１１３によって構成される。

【０００９】圧力源１１２から液圧シリンダ１１１に供
給される油または水の圧力は、圧力調整手段１１３によ
って、液圧シリンダ１１１のピストンに作用する力が被
駆動体１０２の重力負荷Ｆ１を相殺する力Ｆ２となるよ
うな値Ｐ１に調整され、圧力源１１２から圧力調整手段
１１３に供給される余剰の油または水はドレイン１１４
を介して圧力源１１２側のタンク１１５に還元されるよ
うになっている。

【００１０】液圧シリンダ方式のバランス機構１１０を
利用すれば液圧シリンダ１１１内の圧力を５MPa ないし
２０MPa といった大きな値にすることができるので、液
圧シリンダ１１１の直径の縮径化が可能であり、カウン
タバランス方式のバランス機構１０５に比べて全体とし
て小型化された構成が達成できる。

【００１１】しかし、液圧シリンダ１１１のピストンと
シリンダ外筒との間に作用する摩擦抵抗が被駆動体１０
２の動作を妨げる他、被駆動体１０２に低速または刻み
の小さな送りをかけたような場合、液圧シリンダ１１１
のピストンとシリンダ外筒との間に作用する動摩擦抵抗
と静止摩擦抵抗との違いによってスティックスリップ現
象が生じ、送り動作が不安定となる問題がある。

【００１２】また、被駆動体１０２に高速の送りをかけ
たような場合では、圧力調整手段１１３による圧力調整
がピストンロッドの動作に間に合わなくなる場合もあ
り、重力負荷を相殺する筈の液圧シリンダ１１１が、か
えって、外乱負荷として被駆動体１０２の反送り方向に
作用してしまうといった場合もある。

【００１３】更に、液圧シリンダ１１１，圧力源１１
２，圧力調整手段１１３といった付加物が必要となるた
め、機械１０１の製造コストにも悪影響がある。

【００１４】図７は、空気圧シリンダ方式のバランス機
構を示す概念図である。機械１０１および被駆動体１０
２，駆動機構１０３，送りネジ１０４に関する構成は図
５および図６のものと同じである。

【００１５】バランス機構１１６は、空気圧シリンダ１
１７と、被駆動体１０２と空気圧シリンダ１１７のピス
トンとを接続するケーブル等の可撓性接続手段１１８、
および、可撓性接続手段１１８を滑動自在に支えて機械
１０１の両側に振り分けるための滑車１０８，１０９に
よって構成され、被駆動体１０２に作用する重力負荷Ｆ
１を空気圧シリンダ１１７におけるピストンの力Ｆ２で
相殺するようにしている。

【００１６】空気圧シリンダ１１７には、図６に示した
液圧シリンダ方式のバランス機構の場合と同様、圧力調
整手段１１９を介して圧力源１２０が接続されている
が、この場合の圧力源１２０は例えばエアコンプレッサ
ー等である。圧力源１２０から空気圧シリンダ１１７に
供給される空気の圧力は、圧力調整手段１１９によっ
て、空気圧シリンダ１１７のピストンに作用する力が被
駆動体１０２の重力負荷Ｆ１を相殺する力Ｆ２となるよ
うな値Ｐ１に調整され、圧力源１２０から圧力調整手段
１１９に供給される余剰の空気はドレイン１２１を介し
て外部に排出されるようになっている。

【００１７】空気圧シリンダ方式のバランス機構１１６
の場合は、加圧手段となる空気の圧縮率が油や水等の液
体に比べて著しく大きいため、被駆動体１０２の移動に
際して圧力調整手段１１９の調整動作が多少遅れた場合
であっても、空気圧シリンダ１１７内の圧力、要する
に、Ｆ２の大きさが大きく変動はせず、特に、被駆動体
１０２に比較的高速の送りをかけたような場合に、液圧
シリンダ方式のバランス機構に比べ、より優れたバラン
ス効果を達成することができる。

【００１８】しかし、空気圧シリンダ１１７のピストン
とシリンダ外筒との間に作用する摩擦抵抗が被駆動体１
０２の動作を妨げる点、被駆動体１０２に低速または刻
みの小さな送りをかけたような場合、ピストンとシリン
ダ外筒との間の摩擦抵抗によってスティックスリップ現
象が生じて送り動作が不安定となるいった点では、やは
り、液圧シリンダ方式のバランス機構と同じ問題が残
る。

【００１９】一方、図８に示す機械１０１のように一切
のバランス機構を排除してしまえば、駆動対象の慣性質
量の増大や圧力調整手段の動作遅れによる外乱負荷の発
生、および、摩擦抵抗やスティックスリップ現象の発生
を回避することが可能であるが、そうすると、駆動機構
１０３自体の駆動トルクによって重力に抗して被駆動体
１０２を持ち上げたり、または、定位置に静止させたり
しておかなければならない。この結果、駆動機構１０３
が実際に被駆動体１０２を移動させるために使える推力
は全駆動トルクから被駆動体１０２の保持に必要とされ
るトルクを差し引いた分だけになってしまい（被駆動体
１０２を上昇させる場合）、実質的な駆動力が衰退して
しまう。また、被駆動体１０２の重量に見合ったトルク
を駆動機構１０３の側に常時発生させておかないと被駆
動体１０２を保持しておくことができないので、駆動機
構１０３の発熱によって熱膨張等が生じて工作機械等に
おける加工精度が悪化したりする場合もあり、動力の無
駄でもある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の欠点を解消し、駆動対象に作用する慣性質量
や抵抗を増大させることなく被駆動体の自重によって生
じる重力負荷を相殺することのできる被駆動体のバラン
ス機構を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、被駆動体の外
周部または内周部を空気静圧案内機構によって水平方向
に支えると共に、前記被駆動体の上端または下端のいず
れか一方を包囲するようにして前記空気静圧案内機構の
空気排出路と連絡する密閉チェンバを設け、前記空気排
出路から前記密閉チェンバに供給される空気の圧力によ
って前記被駆動体の自重によって生じる重力負荷を支え
るようにしたことを特徴とする構成により前記目的を達
成した。被駆動体の外周部または内周部が空気静圧案内
機構によって水平方向に支えられているため、被駆動体
の上下動に際して無駄な抵抗が作用しない。空気静圧案
内機構の空気排出路から密閉チェンバに供給される空気
の圧力が被駆動体の上端または下端のいずれか一方にの
み作用し、重力に抗して被駆動体の自重を支える。

【００２２】密閉チェンバは前記空気静圧案内機構の空
気排出路から排出される密閉チェンバ内の圧力より高い
圧力の空気によってシールすることにより、全体の構造
を簡略化・小型化することができる。

【００２３】被駆動体に内装したネジ機構によって被駆
動体に送りをかけるような場合には、ネジ機構として空
気静圧ネジを利用し、その空気静圧案内機構によって被
駆動体を水平方向に支えることができる。

【００２４】密閉チェンバに空気排出用のレギュレータ
を設けることにより密閉チェンバ内の空気圧を一定の圧
力に保持し、被駆動体の上端または下端のいずれか一方
に作用する力を被駆動体の自重によって生じる重力負荷
に一致させる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の幾
つかの実施形態について説明する。図１は、本発明のバ
ランス機構を実装した機械１２２、例えば、工作機械の
一例を示す概略図である。機械１２２自体の構成は、図
５ないし図８に示した従来ものと概念的に同一であり、
モータ１２３によって回転駆動される送りネジ１２４に
よって被駆動体１２５に上下方向の送りがかけられるよ
うになっている。被駆動体１２５は、例えば、工作機械
においては加工ヘッド等であり、コラム等と称する支柱
１２６に沿って垂直に上下動するようになっている。

【００２６】支柱１２６の一側の上下部には、空気静圧
案内機構を構成する２つの摺動支持部材１２７，１２８
が固設され、その中に内嵌されるかたちで被駆動体１２
５が摺動自在に取り付けられている。被駆動体１２５が
貫通する摺動支持部材１２７，１２８の貫通孔の内周面
には、各々、周方向に３以上の部分に分割された周溝１
２９，１３０が刻設され、摺動支持部材１２７，１２８
の内部に周溝１２９，１３０と同数穿設された管路１３
１，１３２とそれぞれ連絡し、更に、各管路１３１，１
３２に連絡する外部管路１３３，１３４を介してエアコ
ンプレッサー等からなる圧力源１３５に接続されてい
る。圧力源１３５は、エアフィルター，水抜き，圧力調
整器，アキュムレータ等を備えた通常の工業用エアコン
プレッサーである。

【００２７】なお、被駆動体１２５を完全な円柱体によ
って形成する場合には、摺動支持部材１２７，１２８の
貫通孔と被駆動体１２５との間にボス＆セレーションを
形成したり、または、支柱１２６と被駆動体１２５との
間に直線運動用のガイドレールを配備したりする場合も
ある。

【００２８】被駆動体１２５の外周面とこれを包囲する
摺動支持部材１２７，１２８の貫通孔の内周面との間に
は或る程度の大きさの間隙１３６，１３７が形成され、
圧力源１３５から送給される空気は、外部管路１３３，
１３４および管路１３１，１３２を介して摺動支持部材
１２７，１２８の内周面にある周溝１２９，１３０に流
れ込み、更に、被駆動体１２５の外周面と摺動支持部材
１２７，１２８の内周面との間の間隙１３６，１３７を
通って外部に排出される。つまり、間隙１３６，１３７
は、空気静圧案内機構を構成する摺動支持部材１２７，
１２８における空気排出路である。

【００２９】間隙１３６，１３７が絞りとして作用する
結果、圧力源１３５から強制的に送給される空気の内圧
が周溝１２９，１３０内で上昇し、被駆動体１２５を径
方向内側に押し付けるが、被駆動体１２５の外周部を一
巡して包囲するようにして周溝１２９，１３０が設けら
れているため、間隙１３６，１３７の大きさが周方向ど
の位置をとっても等しくなり、周溝１２９，１３０の互
いに対向する部分の圧力が等しくなって被駆動体１２５
を径方向内側に押し付けようとする力が完全に釣り合う
ような中立位置に被駆動体１２５が安定し、摺動支持部
材１２７，１２８の内周面とは全く接触しなくなる。圧
力源１３５から送給される空気の風量と間隙１３６，１
３７から排出される空気の風量とが等しくなった時点で
周溝１２９，１３０内の空気の圧力の上昇は停止し、そ
の内圧が動的に安定する。安定状態における周溝１２
９，１３０内の空気圧Ｐ１は、圧力源１３５側の圧力調
整器によって調整可能である。つまり、送給する風量を
大きくすれば圧力Ｐ１は増大し、また、風量を絞れば圧
力Ｐ１は減少する。

【００３０】空気静圧案内機構を構成する摺動支持部材
１２７，１２８による被駆動体１２５の調心作用の原理
は、一般のラジアル用空気静圧軸受と同じである。

【００３１】更に、本実施形態においては、被駆動体１
２５の下端部を包囲するようにして、摺動支持部材１２
８と一体的に底付き容器状の密閉チェンバ１３８が固設
されている。密閉チェンバ１３８の上下方向の長さは被
駆動体１２５の移動ストロークを考慮し、被駆動体１２
５の移動を妨げない長さに決める。また、密閉チェンバ
１３８には外部管路１４０を介して空気排出用のレギュ
レータ１３９が接続されている。

【００３２】密閉チェンバ１３８は摺動支持部材１２８
における下面側の間隙１３７を介して周溝１３０に連絡
しており、他の部分では完全に外部と遮断されているの
で、摺動支持部材１２８における下面側の間隙１３７か
ら排出された空気が密閉チェンバ１３８内に入って、密
閉チェンバ１３８内の空気圧を上昇させる。密閉チェン
バ１３８内において、被駆動体１２５の外周面の全周に
作用する空気圧は完全に釣り合うので、被駆動体１２５
に水平方向の力は作用しない。また、被駆動体１２５の
下端面に作用する空気圧は、被駆動体１２５を押し上げ
る向きに作用することになる。

【００３３】密閉チェンバ１３８内の空気圧をＰ、被駆
動体１２５の下端面の面積をＳとすれば、被駆動体１２
５の下端面に作用する上向きの力Ｆ２の大きさはＦ２＝
Ｐ・Ｓである。また、密閉チェンバ１３８は摺動支持部
材１２８における下面側の間隙１３７を介して周溝１３
０に連絡しているので、密閉チェンバ１３８内の空気圧
Ｐは、最大で、前述のＰ１（周溝１３０内の空気圧）に
まで上昇することが可能である。結果的に、被駆動体１
２５の下端面に作用させることが可能な力の最大値Ｆ２
max.は、Ｆ２max.＝Ｐ１・Ｓということになるから、Ｐ
１の値が決まっている以上、Ｆ２max.によって被駆動体
１２５の自重による重力負荷Ｆ１を支えるためにはＳの
値をＳ≧Ｆ１／Ｐ１となるように被駆動体１２５の底面
積Ｓを設計しなければならない。

【００３４】また、Ｐの値が大きいためにＦ２＞Ｆ１と
なって釣り合いが保たれないときには、空気排出用のレ
ギュレータ１３９（流量調整弁）により密閉チェンバ１
３８内の空気圧Ｐを引き下げてＦ２＝Ｆ１となるように
してやればよい。

【００３５】空気静圧案内機構を構成する摺動支持部材
１２７，１２８により被駆動体１２５が無接触状態で中
立位置に支えられ、しかも、被駆動体１２５の自重によ
る重力負荷Ｆ１が密閉チェンバ１３８内の空気圧によっ
て生じる上向きの力Ｆ２（Ｆ２＝Ｆ１）によって完全に
相殺されるから、被駆動体１２５は送りネジ１２４の回
転による送り動作で極めて円滑に上下方向に移動するこ
とができ、モータ１２３にも無駄な負荷がかからない。
また、液圧シリンダ方式のバランス機構や空気圧シリン
ダ方式のバランス機構と違って、ピストンとシリンダ外
筒との間に生じるような摩擦抵抗の変化も存在しないか
ら、スティックスリップ現象が発生することもなく、カ
ウンターウェイトを利用したカウンタバランス方式のよ
うな慣性質量の増大といった問題も発生しない。

【００３６】被駆動体１２５の上下動によって密閉チェ
ンバ１３８の内容積が変化するが、被駆動体１２５が上
昇して密閉チェンバ１３８の内容積が増大すれば、これ
に見合う分の空気が圧力源１３５を介して送給され、ま
た、被駆動体１２５が下降して密閉チェンバ１３８の内
容積が減少すれば、これに見合う分の空気が外部配管１
４０およびレギュレータ１３９を介して外部に排出され
るので、密閉チェンバ１３８内の空気圧は、常に設定値
Ｐ、つまり、Ｆ１＝Ｆ２となる値に保持され得る。動的
な変化の過程で或る程度の圧力変動が生じる可能性がな
いというわけではないが、既に従来の技術の項でも述べ
た通り、加圧手段となる空気の圧縮率が油や水等の液体
に比べて著しく大きいため、被駆動体１２５の移動に際
して空気の補給や排出に多少の遅れがあったとしても、
Ｆ２の変動は微々たるものであり、十分に許容すること
ができる。

【００３７】また、図２に示す実施形態のように、レギ
ュレータ１３９に換え、外部管路１４０に圧力源１３５
とは別の圧力源１４２および圧力調整手段１４１を取り
付けて密閉チェンバ１３８内に空気を送給するようにし
てもよい。この場合は、外部管路１４０から入力する空
気の圧力を調整して、Ｆ２の値をＦ１に一致させること
になる。従って、空気静圧案内機構を構成する下側の摺
動支持部材１２８は、密閉チェンバ１３８に空気を送給
するための手段というよりは、専ら、密閉チェンバ１３
８を密閉するための手段として作用する。

【００３８】図３は、空気静圧案内機構が被駆動体に鉛
直方向の送りをかけるネジ機構を構成している場合の例
である。

【００３９】図３に示す機械１４３では、送りネジ１４
５を回転駆動するモータ１４６が機械１４３のベース１
４４上に立設されており、送りネジ１４５によって鉛直
方向の送りをかけられる被駆動体１４７が、スライダ機
構１４８を介して支柱１４９に対し上下方向移動自在に
取り付けられている。

【００４０】また、送りネジ１４５に螺合する被駆動体
１４７側の雌ネジ１５０と送りネジ１４５との間には空
気静圧案内機構を構成するための間隙１５６が形成さ
れ、被駆動体１４７の内部には、雌ネジ１５０の内周面
に連絡するようにして管路１５１，１５２が径方向に穿
設されている。更に、各管路１５１，１５２には外部管
路１５３，１５４を介してエアコンプレッサー等からな
る圧力源１５５が接続されている。圧力源１５５は、エ
アフィルター，水抜き，圧力調整器，アキュムレータ等
を備えた通常の工業用エアコンプレッサーである。な
お、この実施形態においては、圧力源１５５に対して相
対的に移動する被駆動体１４７と圧力源１５５との間が
外部管路１５３，１５４で接続されることになるので、
外部管路１５３，１５４としては可撓性の接続ホース等
を利用する必要がある。

【００４１】圧力源１５５から送給される空気は、外部
管路１５３，１５４および管路１５１，１５２を介して
雌ネジ１５０と送りネジ１４５との間の間隙１５６に流
れ込み、更に、被駆動体１４７の上端側および下端側の
間隙端部１５６ａ，１５６ｂを通って外部に排出され
る。つまり、間隙端部１５６ａ，１５６ｂが空気静圧案
内機構における空気排出路である。

【００４２】圧力源１５５から強制的に送給される空気
が管路１５１，１５２を介して雌ネジ１５０と送りネジ
１４５との間の間隙１５６に流れ込んで送りネジ１４５
を径方向内側に押し付けるが、送りネジ１４５は前述し
た通り、モータ１４６を介してベース１４４上に立設さ
れているので、径方向には動かず、結果的に、その反力
によって雌ネジ１５０の側が径方向外側に向かう力を受
ける。雌ネジ１５０の内周面のどの部分をとってもその
力は等しいので、雌ネジ１５０を径方向外側に押そうと
する力は完全に釣り合い、間隙１５６の大きさが周方向
のどの位置をとっても等しくなる中立位置に被駆動体１
４７が安定し、送りネジ１４５の外周面とは全く接触し
なくなる。この構造は、一般に、空気静圧ネジと呼ばれ
る。

【００４３】更に、本実施形態においては、被駆動体１
４７の上端部を包囲するようにして、被駆動体１４７と
一体的に底付き容器状の密閉チェンバ１５７が固設され
ている。密閉チェンバ１５７の上下方向の長さは被駆動
体１４７の移動ストローク、つまり、被駆動体１４７の
上方への送りネジ１４５の突出量を考慮し、被駆動体１
４７の移動を妨げない長さに決める。また、密閉チェン
バ１５７には外部管路１５８を介して空気排出用のレギ
ュレータ１５９が接続されている。

【００４４】密閉チェンバ１５７は空気静圧案内機構に
おける上面側の間隙端部１５６ａを介して間隙１５６に
連絡しており、他の部分では完全に外部と遮断されてい
るので、間隙端部１５６ａから排出された空気が密閉チ
ェンバ１５７内に入って、密閉チェンバ１５７内の空気
圧を上昇させる。密閉チェンバ１５７内の空気圧をＰ、
送りネジ１４５の断面積をＳとすれば、密閉チェンバ１
５７およびこれと一体の被駆動体１４７を上方に持ち上
げようとして作用する力Ｆ２の大きさはＦ２＝Ｐ・Ｓで
ある。従って、被駆動体１４７による重力負荷Ｆ１と被
駆動体１４７を上方に持ち上げようとする力Ｆ２とを釣
り合わせて重力負荷による影響を完全に取り除くために
は、送りネジ１４５の断面積の設計に関して、先の実施
形態で説明した被駆動体１２５の断面積Ｓと同様の制約
がある。

【００４５】送りネジ機構と空気静圧案内機構とを個別
に配備するか一体的に配備するかの相違、および、モー
タおよび送りネジを機械の上方に取り付けて被駆動体を
懸吊するように取り付けるか、または、モータおよび送
りネジを機械の下側に取り付けて被駆動体を下から支え
るようにして取り付けるかの点で相違はあるが、作用お
よび効果の点に関しては、図１および図２に示したもの
も、図３に示したものも実質的に同様である。

【００４６】無論、いずれの場合においても、重力負荷
Ｆ１とこれを支えるための力Ｆ２とを完全に一致させる
のが最も望ましい状態ではあるが、Ｆ１＞Ｆ２となった
場合であっても、被駆動体１２５，１４７に作用する実
質的な重力負荷をＦ１からＦ１−Ｆ２まで減らすことが
できるので、重力負荷の軽減に関しては、Ｆ２＝０でな
い限り、それなりの意味はある。これは、後述する実施
形態についても同じである。

【００４７】図４は、本発明のバランス機構を実装した
一実施形態の垂直軸直動機構１を、その中心軸を含む平
面で割って構成の概略を示す断面図である。垂直軸直動
機構１は工作機械のベース等に取り付けてワークの上下
方向送り等に利用する。

【００４８】図４に示す通り、垂直軸直動機構１は、テ
ーブル２を固定するためのテーブル固定手段３と、その
内部に配備された回転駆動機構４、および、回転駆動機
構４を取り付けるためのベース５等により構成され、こ
れらの部材は、図４から明らかなように、いずれも、円
筒体または円環体により形成されている。

【００４９】回転駆動機構４は、内側にステータ６、外
側にロータ７を備えたサーボモータ４′により構成さ
れ、内側に位置する円筒状のステータ６は、円環状に形
成されたベース５の内周寄りの位置に、複数のボルト８
によって一体的に固定されている。更に、ベース５上に
は、ステータ６の外周部を取り巻くようにして円筒状の
ロータ７が回転自在に取り付けられ、回転部となるロー
タ７の外周面に雄ネジ９が設けられて、円筒状のテーブ
ル固定手段３の内周面に設けられた雌ネジ１０に螺合し
ている。

【００５０】ステータ６，ロータ７，テーブル固定手段
３は、既に述べた通り、各々が円筒状に構成されてお
り、その各々が全て同心円上に配備されており、ロータ
７の下面とベース５との摺接面にはベース５内に設けら
れた管路３２に接続するノズル３３によって構成される
静圧空気軸受が設けられている。

【００５１】また、ステータ６の外周面にはコイル１２
を巻回したステータコア１１が一体的に取り付けられる
一方、ロータ７の拡径された内周面には、ロータコア１
３とマグネット１４とが組み込まれて、この拡径部の上
端部に嵌合した円環状のスペーサ１５によってロータ７
に一体的に固定されている。コイル１２とマグネット１
４との間には、ベース５内に設けられた管路３２と連絡
したステータ６内の管路３４に接続したノズル３５で構
成される静圧空気軸受が設けられている。

【００５２】更に、ステータ６の上端面には円環状のリ
テーナ１７が複数のボルト１８で一体的に固着され、リ
テーナ１７の内部を通って管路３４に連絡する管路３６
からのノズル３７によって構成される静圧空気軸受がロ
ータ７の軸方向の移動を禁止している。

【００５３】また、ロータ７の上端面には、略Ｔ字型、
または、断面略Ｔ字型の回転体によって形成される回転
検出器取付部材２６がリテーナ１７を径方向に跨ぐよう
にして固着され、回転検出器取付部材２６の中央部から
下方に向けて突出する突出部２６ａの先端に、パルスコ
ーダ２７の構成要素となるエンコーダディスク２７ａ等
がボルト２８を介して固着されている。なお、２７ｂは
パルスコーダ２７の構成要素となるフォトカプラ等を装
着した基板であり、こちらはベース５の中央部に直に固
設されている。

【００５４】円環状に形成されたベース５の外周寄りの
位置には、図４に示すように、ボルト２０でベース５に
固定されたガイドピン１９が周方向に１２０°のピッチ
で３か所に亘り立設されている。また、各ガイドピン１
９に対応するテーブル固定手段３の外周部の位置には、
各々、ガイドピン１９と嵌合する孔２１が穿設され、ベ
ース５に対するテーブル固定手段３の移動方向を規制し
ている。

【００５５】各ガイドピン１９と孔２１との間には、テ
ーブル固定手段３の内部を通る管路３８の先端に設けら
れて孔２１の内周面に貫通するノズル３９によって構成
される静圧空気軸受が設けられているので、ガイドピン
１９の外周面が直に孔２１の内周面に接触することはな
い。管路３８への空気の供給は、テーブル２の内部を通
る管路４０、および、テーブル２の下端面に刻設された
周状溝に嵌合されたシール材４３で形成された周状の管
路４１を介して行われる。つまり、管路３８はテーブル
固定手段３の同一円周上に所定のピッチで複数設けられ
ており、各々の管路３８の上端が周状の管路４１と接続
し、周状の管路４１に対して側方から接続する管路４０
によって空気を供給される。該管路４０および前述の管
路３２には、外部管路となる可撓性の接続ホース等を介
して圧力源となるエアコンプレッサー等が接続されてい
る。

【００５６】また、テーブル固定手段３における雌ネジ
１０の山の内部には、その表面にまで貫通する管路４２
が交叉して穿設され、前述のノズル３９と同様、テーブ
ル固定手段３の内部を通る管路３８に接続して空気を供
給されるようになっている。つまり、テーブル固定手段
３の雌ネジ１０とロータ７の雄ネジ９とにより空気静圧
ネジが構成され、ロータ７の雄ネジ９とテーブル固定手
段３の雌ネジ１０とが直に接触しないようになってい
る。この実施形態における被駆動体は、上下運動するテ
ーブル固定手段３およびテーブル２の側である。

【００５７】また、ベース５上には、各ガイドピン１９
の立設位置に対し周方向に６０°ずつピッチをずらせて
３か所に亘って貫通孔２２が穿設され、その中にベース
固定用のボルト２３が挿通されている。各貫通孔２２に
対応するテーブル固定手段３の外周部の位置には、各
々、ボルト２３の頭部よりも僅かに大径の孔２４が穿設
され、更に、テーブル２の外周部にも、孔２４の位置に
対応して小径の貫通孔２５が穿設されている。貫通孔２
５の径は、ボルト２３の頭部に形成された六角沈め穴に
係合する六角レンチを挿入するに足る大きさである。

【００５８】この実施形態の垂直軸直動機構１は直径２
２０mm／全高１００mm弱といった大きさに設計されてい
るので、この垂直軸直動機構１を他の工作機械のワーク
テーブルに載せて使うことも可能であり、前述のボルト
２３は垂直軸直動機構１のベース５を工作機械のワーク
テーブルに締結する際に利用する。無論、工作機械のワ
ークテーブルにボルト２３と適合するネジ穴が設けられ
ていないような場合には、ボルト２３を孔２４内に退避
させてワークテーブルの磁気チャックでベース５を直に
固定したり、または、他のクランプ手段を利用してワー
クテーブルにベース５を固定したりすることもできる。
ボルト２３の回転操作は、テーブル２の貫通孔２５から
挿入した六角レンチをボルト２３の頭部の六角沈め穴に
係合させて行う。

【００５９】テーブル２をテーブル固定手段３に固着す
るためのボルト２９を通すための孔３０は、前述の孔２
１の場合と同様、円板状に形成されたテーブル２の外周
寄りの位置に周方向に１２０°のピッチで３か所に亘り
穿設され、各々の孔３０に通されたボルト２９の先端の
有効ネジ部が、テーブル固定手段３に設けられた雌ネジ
３１に螺合してテーブル２をテーブル固定手段３に固定
する。

【００６０】以上の構成により、管路４０および管路３
２にエアコンプレッサー等の圧力源からの空気を供給
し、コイル１２に電流を流してサーボモータ４′を磁励
すれば、ベース５に固着されたステータ６の回りをロー
タ７が回転し、ガイドピン１９によって回転を阻止さ
れ、その内周面の雌ネジ１０を介してロータ７の雄ネジ
９と螺合した円筒状のテーブル固定手段３が上下動し、
テーブル２に上下方向の送りがかけられる。

【００６１】既に述べた通り、管路４０に供給された空
気の一部は、管路３８，４２を介して雌ネジ１０と雄ネ
ジ９との間に噴出して空気静圧案内機構を形成するの
で、図３に示した実施形態のものと同様、雌ネジ１０と
雄ネジ９とが全体として空気静圧ネジとして作用する。

【００６２】そして、雌ネジ１０と雄ネジ９との間を通
って上方に抜けた空気は、底付き容器状のテーブル２に
よって形成される密閉チェンバ内に入って、テーブル２
の下面を上に押し上げる方向の力Ｆ２として作用する。
被駆動体となるテーブル２およびテーブル固定手段３の
自重によって生じる重力負荷Ｆ１の全てを空気圧による
押上げ力Ｆ２によって支えるためには、テーブル２内の
空気圧をＰ、テーブル２下面の面積をＳとした場合、前
記各実施形態の場合と同様、Ｓ＝Ｆ１／Ｐとする必要が
ある。無論、テーブル２の周面の適宜位置に貫通孔を穿
設して図１または図３で説明したような空気排出用のレ
ギュレータを装備するなら、密閉チェンバとなるテーブ
ル２内の圧力Ｐの値を圧力源の最大出力Ｐ１の範囲で任
意に調整することができるので、圧力源の最大出力が前
式におけるＰの値を上回っても構わない。垂直軸直動機
構１の場合には、テーブル２自体が密閉チェンバとなる
ため、圧力作用面Ｓを全体として大きくとることが可能
であり、圧力源の出力が小さくてもテーブル２およびテ
ーブル固定手段３（被駆動体）の自重によって生じる重
力負荷Ｆ１の全てを空気圧によって支えることが容易で
ある。

【００６３】図４の例では、雄ネジ９の完全ネジ部が４
ピッチ、また、雌ネジ１０の完全ネジ部が２ピッチであ
るから、全体として上下に２ピッチ分、約２０mm程度の
移動が可能である。無論、ロータ７やテーブル固定手段
３を上下方向に長く形成してネジのピッチ数を増やせば
上下方向の送り量を増大させることは可能であるが、送
り量の増大に伴い全高が同じ割合で増大する問題があ
り、高精度な位置決めを目的とする限り、テーブル固定
手段３の移動限度も２０mm程度で十分である。

【００６４】また、この実施形態によれば、送りネジと
なる雄ネジ９がテーブル２の外周部に匹敵する程度にま
で大径化されているので、テーブル２の水平面内でのふ
らつきが非常に少なくなる。仮に、雄ネジ９と雌ネジ１
０との間に一定のモーメントＭを加えた場合、軸方向の
変位がａmmだけあるとすると、この実施形態の場合、テ
ーブル２の右端をベース５の側に押し付けてテーブル２
の左端にモーメントＭを加える力で引き上げたとすれ
ば、テーブル２の右端とテーブル２の左端との間の高低
差はせいぜいａmm程度ということになる。しかし、も
し、雄ネジ９の外径が実施形態の１／２、つまり、テー
ブル２の直径の１／２であるとするなら、ネジ部で生じ
るがたつきは、最低でも、雄ネジ９とテーブル２の外径
比に比例して２倍程度に増幅され、テーブル２の端部で
は２ａmmになってしまう。実際には、従来の送りネジの
径はテーブル２の径の１／２などというようなものでは
なく、それよりも遥かに細いので、そのような従来技術
に比べ、本実施形態のテーブル２の安定度は抜群であ
る。

【００６５】また、ガイドピン１９とテーブル固定手段
３の孔２１との間には静圧空気軸受のエアギャップ分の
間隙が形成されているが、この間隙によりテーブル固定
手段３に軸回りの変位が生じることになる。もし、ガイ
ドピン１９と孔２１との間に或る力Ｆを加えた場合の変
位がｂmmでベース５の中心からその最外郭部のガイドピ
ン１９までの距離がｒのときに軸回りにθのがたつきが
生じるとするなら、ベース５の中心からガイドピン１９
までの距離をｒ／２とした場合には同じ条件下で軸回り
に２θのがたつきが生じることを意味し、軸回りの変位
についても、ガイドピン１９の立設位置はベース５の中
心からの距離が離れているほど有利であるということに
なる。

【００６６】また、この実施形態においては、回転駆動
機構４を構成する各要素、要するに、サーボモータ４′
のステータ６とロータ７とが中空状の円筒体からなるテ
ーブル固定手段３の内部に同心円状に配備され、しか
も、テーブル固定手段３の回り止めを兼ねる移動方向規
制手段であるガイドロッド１９もテーブル固定手段３の
内部に配備するようにしているので、垂直軸直動機構１
を完全にユニット化してコンパクトに構成することがで
き、更に、この垂直軸直動機構１自体を他の工作機械の
テーブル上に載置して、加工物の精密な位置決め専用の
送り機構として利用することもできる。

【００６７】無論、必要とあらばテーブル２上に従来と
同様の磁気チャックやクランプ機構等を配備して加工物
を固定するようにすることも可能である。

【００６８】以上、垂直軸直動機構の一実施形態として
ステータ６の外側にロータ７を配備し、ロータ７の外周
面に設けた雄ネジ９でテーブル固定手段３の内周面に配
備した雌ネジ１０に送りをかけてテーブル２を上下動さ
せる例について述べたが、ステータの内側に円筒状のロ
ータを配備し、ロータの内周面に雌ネジを設け、テーブ
ル固定手段の外周面に設けた雄ネジと螺合させてテーブ
ルを上下動させるといった構成をとることも可能であ
る。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、駆動対象の慣性質量の
増加、付加装置による抵抗や外乱の増大、および、ステ
ィックスリップ現象等の発生を招くことなく、被駆動体
の重力負荷を相殺することができる。

【００７０】従って、駆動源それ自体には被駆動体の重
力負荷による影響が一切なく、被駆動体を上下動させる
場合、特に、これを上方に移動させる場合において、駆
動源の出力を全て被駆動体の加減速および被駆動体によ
って行われる作業に費やすことができる。また、駆動源
に作用する負荷が軽減されるので、駆動源となるモータ
等からの発熱も減少し、特に、工作機械等において、熱
膨張等による影響のない安定した加工を実施することが
できる。

【００７１】また、密閉チェンバを空気静圧案内機構に
一体的に連設することにより空気静圧案内機構を利用し
て密閉チェンバを密閉するようにしているので、密閉チ
ェンバを密閉するための格別のシール材といったものは
必要なく、部材の摺接抵抗やスティックスリップ現象等
の発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバランス機構を実装した機械の一実施
形態を示す概略図である。

【図２】本発明のバランス機構を実装した機械の別の一
実施形態を示す概略図である。

【図３】本発明のバランス機構を実装した機械の更に別
の一実施形態を示す概略図である。

【図４】本発明のバランス機構を実装した垂直軸直動機
構の一実施形態を示す側断面図である。

【図５】カウンタバランス方式のバランス機構を示す概
念図である。

【図６】液圧シリンダ方式のバランス機構を示す概念図
である。

【図７】空気圧シリンダ方式のバランス機構を示す概念
図である。

【図８】バランス機構のない機械の一例を示す概念図で
ある。

【符号の説明】

１ 垂直軸直動機構 ２ テーブル ３ テーブル固定手段 ４ 回転駆動機構 ４′ サーボモータ ５ ベース ６ ステータ ７ ロータ ８ ボルト ９ 雄ネジ １０ 雌ネジ １１ ステータコア １２ コイル １３ ロータコア １４ マグネット １５ スペーサ １７ リテーナ １８ ボルト １９ ガイドピン ２０ ボルト ２１ 孔 ２２ 貫通孔 ２３ ボルト ２４ 孔 ２５ 貫通孔 ２６ 回転検出器取付部材 ２６ａ 突出部 ２７ パルスコーダ ２７ａ エンコーダディスク ２７ｂ 基板 ２８ ボルト ２９ ボルト ３０ 孔 ３１ 雌ネジ ３２ 管路 ３３ ノズル ３４ 管路 ３５ ノズル ３６ 管路 ３７ ノズル ３８ 管路 ３９ ノズル ４０ 管路 ４１ 管路 ４２ 管路 ４３ シール材 １０１ 機械 １０２ 被駆動体 １０３ 駆動機構 １０４ 送りネジ １０５ バランス機構 １０６ カウンターウェイト １０７ 可撓性接続手段 １０８ 滑車 １０９ 滑車 １１０ バランス機構 １１１ 液圧シリンダ １１２ 圧力源 １１３ 圧力調整手段 １１４ ドレイン １１５ タンク １１６ バランス機構 １１７ 空気圧シリンダ １１８ 可撓性接続手段 １１９ 圧力調整手段 １２０ 圧力源 １２１ ドレイン １２２ 機械 １２３ モータ １２４ 送りネジ １２５ 被駆動体 １２６ 支柱 １２７ 摺動支持部材 １２８ 摺動支持部材 １２９ 周溝 １３０ 周溝 １３１，１３２ 管路 １３３ 外部管路 １３４ 外部管路 １３５ 圧力源 １３６ 間隙 １３７ 間隙 １３８ 密閉チェンバ １３９ レギュレータ １４０ 外部管路 １４１ 圧力調整手段 １４２ 圧力源 １４３ 機械 １４４ ベース １４５ 送りネジ １４６ モータ １４７ 被駆動体 １４８ スライダ機構 １４９ 支柱 １５０ 雌ネジ １５１ 管路 １５２ 管路 １５３ 外部管路 １５４ 外部管路 １５５ 圧力源 １５６ 間隙 １５６ａ 間隙端部 １５６ｂ 間隙端部 １５７ 密閉チェンバ １５８ 外部管路 １５９ レギュレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｆ 15/28 Ｂ２３Ｑ 1/14 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 47/26 B23Q 1/00 - 1/76 B23Q 11/00 F16C 32/06 F16F 15/28

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重力に抗して鉛直方向に移動する被駆動
   体の自重によって生じる重力負荷を相殺又は軽減する被
   駆動体のバランス機構において、前記被駆動体の外周部
   または内周部を空気静圧案内機構によって水平方向に支
   えると共に、前記被駆動体の上端または下端のいずれか
   一方を包囲するようにして前記空気静圧案内機構の空気
   排出路と連絡する密閉チェンバを設け、密閉チェンバ内
   の空気圧力によって前記被駆動体の自重によって生じる
   重力負荷を支えるようにしたことを特徴とする被駆動体
   のバランス機構。
2. 【請求項２】 前記密閉チェンバは、前記空気静圧案内
   機構の空気排出路から排出される密閉チェンバ内の圧力
   より高い圧力の空気によってシールされている請求項１
   記載の被駆動体のバランス機構。
3. 【請求項３】 空気静圧案内機構が、前記被駆動体に鉛
   直方向の送りをかけるネジ機構を構成している請求項１
   または請求項２記載の被駆動体のバランス機構。
4. 【請求項４】 前記密閉チェンバに空気排出用のレギュ
   レータを設けて前記密閉チェンバ内の空気圧を一定の圧
   力に保持するようにした請求項１，請求項２または請求
   項３記載の被駆動体のバランス機構。