CN1727710A - 空气轴承结构及使用空气轴承结构的直线驱动装置 - Google Patents

空气轴承结构及使用空气轴承结构的直线驱动装置 Download PDF

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Abstract

一种空气轴承结构及使用空气轴承结构的直线驱动装置，直线移动的可动部侧的轴承面的长度比固定部侧的轴承面的长度长出移动行程长度或长出移动行程长度以上。以此，使固定部侧的轴承面总是面对可动部侧的轴承面。在固定部上连接空气供给源并且在固定部的轴承面上设置多个喷射空气的空气排出口从而构成空气轴承。可动部只在固定部插入侧开口。在固定侧配置线圈、在可动侧配置磁铁从而形成直线马达且成为直线驱动装置。由于供给压缩空气和电力的缆线等与固定部连接而不与可动部连接，所以从缆线等的对可动部不施加外力，从而能够获得高精度的运动。

Description

空气轴承结构及使用空气轴承结构的直线驱动装置
技术领域
本发明涉及空气轴承结构及与该空气轴承结构成为一体的直线驱动装置。
背景技术
在超精密加工机等，需要纳米级定位精度的装置中，为了消除可动部移动时的摩擦而使用空气轴承。通过利用空气轴承可以实现非常高精度的运动。但是，由于空气是压缩流体，所以与油轴承或转动轴承相比略差一筹。
空气轴承是向固定部侧的轴承面与可动部侧的轴承面之间供给压缩空气，利用该空气的压力支承可动部。特别地，在可动部相对于固定部向直线方向移动的空气轴承的场合，对应于可动部的直线方向移动，与可动部侧的轴承面相对的固定部侧的轴承面的区域发生变化。因此，当在固定部侧设置喷嘴等的空气排出口并从固定部侧供给空气时，从形成于不与可动侧轴承面面对的固定部侧的轴承面的区域的空气排出口向大气排出空气，降低了轴承面之间的空气压力。因此，一直以来，在可动部相对于固定部直线移动的空气轴承的场合，从可动部侧供给空气。
在此，参照图2A～图2E说明从可动部侧供给空气的、可动部相对于固定部侧直线移动的空气轴承的现有实例。
如图2B所示，固定部11为大致的方形柱的形状，其底面被固定在底板13的面上并从底板13的面向上方延伸。该固定部11的四面都在其宽度方向中央从固定部11的底边到顶边形成规定宽度的纵槽11a、11b、11c、11d。其结果是，在固定部11的方形柱的四角除去纵槽11a、11b、11c、11d的部分，成为从方形柱的角向外侧突出的突出部11ab、11bc、11cd、11da。于是，在各突出部11ab、11bc、11cd、11da相邻的两壁面上分别形成了空气轴承面。
另一方面，在固定部11的一个纵槽11a以及与该槽面对的另一个纵槽11c上，在其底面分别安装了构成直线马达的磁铁16。并且，还在其他纵槽11b的底面上安装了直线型位置检测器的标尺18。
另一方面，如图2C所示，在可动部12上形成了能够插入固定部11的截面呈大致方形的贯通孔。在围绕该贯通孔的可动部12内侧的四壁面当中、相对的两壁面上，在其宽度方向中央从可动部12底边到顶边分别形成了规定宽度的纵槽12a、12c。在这些纵槽12a、12c的底面上安装了构成直线马达的线圈15，并与被安装在固定部11上的磁铁16相对。并且，在可动部12的内侧，在没有形成纵槽的一个壁面上安装有检测头17，其与安装在固定部11上的标尺18相对。
进一步地，在可动部12内侧的壁面与壁面相汇的四角，沿纵向形成多个将压缩空气朝内侧排出的喷嘴等的空气排出口14。
在此，如图2D所示，使固定部11穿过可动部12的贯通孔、且将固定部12的磁铁16与可动部12的线圈15相对，并且将固定部11的标尺18面对可动部12的检测头17。如此，则固定部11的四角的突出部11ab、11bc、11cd、11da的各个相邻两面与可动部12设置空气排出口的面面对，这些面对的面分别成为空气轴承面F，并形成空气轴承。
如图2E所示，固定部11侧的空气轴承面的纵向长度Hs(等于固定部11的纵向长度)比可动部12侧的空气轴承面的纵向长度Hm(等于可动部12的纵向长度)长。图2A所示，在可动部12上连接向空气排出口14供给空气的空气供给管、向线圈15供给电力的动力线以及检测头17的信号线等的缆线19。
从缆线19供给压缩空气，并从可动部12的空气排出口14将空气喷射到空气轴承面F，由此借助空气将可动部12不与固定部11接触地保持在其间。此外，若通过缆线19向线圈15供给动力并驱动由固定部11的磁铁16和可动部12的线圈15构成的直线马达，则可动部12被固定部11的空气轴承面F导向，并被沿图2A的上下方向驱动。利用由固定部11的标尺18和可动部12的检测头17构成的直线型位置检测器能检测出该可动部12相对于固定部11的移动量。
如上所述，在使用现有的空气轴承的直线驱动机构中，由于将空气排出口14设在了可动部12上，所以不得不在可动部12上连接供给压力空气的供给管。并且，如上所述在可动部上还连接了动力线和信号线的缆线。
但是，如上所述空气轴承由于空气是可压缩性流体，所以轴承刚性小。因此，以往，在处理安装于可动部12上的缆线时，要加大曲率以使其不承受负荷。但是，即使对于稍微的外力，纳米级的外力也会产生影响，所以不能忽略来自该安装于可动部上的缆线等的负荷影响。此外，由于空气轴承面因压缩空气而受到较大的力，所以也不能忽视机械结构的变形量对精度的影响。
发明内容
本发明的空气轴承结构是可动部相对于固定部直线移动型，在固定部侧的轴承面上形成多个喷射空气的空气排出口，并且在固定部上设有与空气供给机构连接的连接部。此外，可动部侧的轴承面在移动方向的长度比固定部侧的轴承面的长度长出移动行程长度或长出移动行程长度以上。
上述可动部也可以是朝向其移动方向的一方而开口的箱型，并能够在该可动部的内部插入上述固定部。
本发明的直线驱动装置具备具有轴承面的可动部相对于具有轴承面的固定部直线移动的空气轴承结构。并且，在固定部侧的轴承面上形成多个喷射空气的空气排出口，在固定部上设有用于与空气供给机构连接的连接部。此外，可动部侧的轴承面在移动方向的长度比固定部侧的轴承面的长度长出移动行程或长出移动行程以上，使得固定部侧的轴承面全区域能够总量朝向上述可动部侧的轴承面。并且，线圈配置在固定部上，磁铁配置在可动部上，用这些线圈和磁铁构成直线马达。
上述可动部也可以是朝向其移动方向的一方而开口的箱型，并能够在该可动部的内部插入上述固定部。
也可以是利用在上述固定部侧具备检测头且在可动部侧具备标尺的直线型位置检测器检测出可动部侧的移动位置。
也可以是驱动所必须的配线只连接在固定部侧。
在本发明的空气轴承结构中，由于空气供给机构和用于电力供给的配线不与可动部连接，随着可动部的移动并没有对可动部施加来自这些的外力，所以可动部能进行高精度的运动。此外，由于可动部是朝向其移动方向的一方而开口的方形箱型，且在上述固定部能够插入该可动部的内部，所以提高了机械刚性，即使受到压缩空气的较大的力其变形也很小。
根据上述的本发明能够提供一种可以实现高精度直线移动的轴承结构以及具备该轴承结构的直线驱动装置。
附图说明
参照附图的以下实施例说明能清楚地说明本发明上述的及其他目的和特征。图中：
图1A是本发明直线驱动装置的一实施例的立体图；
图1B是图1A的直线驱动装置所用空气轴承的固定部的立体图；
图1C是图1A的直线驱动装置所用空气轴承的可动部的立体图；
图1D是图1A的A-A剖视图；
图1E是图1A的B-B剖视图。
图2A是使用空气轴承并使可动部直线移动的直线驱动装置的现有例的立体图。
图2B是图2A的直线驱动装置所用空气轴承的固定部的立体图。
图2C是图2A的直线驱动装置所用空气轴承的可动部的立体图。
图2D是图2A的C-C剖视图。
图2E是图2A的D-D剖视图。
具体实施方式
以下，参照图1A～图1B说明本发明的一实施例的空气轴承结构及使用该空气轴承结构的直线驱动装置。
如图1B所示，固定部11为大致的方形柱形状，其底面被固定在底板3面上并从底板3的面向上方延伸。从该固定部1的四角，向外侧突出了与如图2B所示的突出部11ab、11bc、11cd、11da几乎相同截面形状的突出部1ab、1bc、1cd、1da。但是，这些突出部1ab、1bc、1cd、1da没有被形成于靠近固定部1的底面的部分，而是被分别形成于从距固定部1底面某距离上方的位置到顶上面。在各突出部1ab、1bc、1cd、1da相邻的两壁面上沿垂直方向设有多个喷嘴等的空气排出口4，并形成了空气轴承面。
进而，在形成于突出部1ab与1da之间的纵槽1a、及与其面对的形成于突出部1cd与1bc之间的纵槽1c上，在各个底面上安装了构成直线马达的线圈5。此外，在形成于突出部1cd与1da之间的纵槽1d的底面上，安装了直线型位置检测器的检测头7。
图1A～图1E所示的固定部1和可动部2的结构，其与在可动部12侧设置压缩空气排出口14、线圈15及检测头17的图2A～图2E所示的现有例的不同之处在于：在固定部1侧设置压缩空气排出口4以及在固定部1侧设置了线圈5及检测头7。
另一方面，如图1C所示，在与该固定部1配合的可动部2上形成了能够插入固定部1的方柱的截面大致呈四边形的有底的孔。即，可动部2在其一面形成开口部、相反的面上形成有底的方形的箱型形状。围绕该孔的可动部2内侧的四个壁面当中、在相对的两壁面上在其宽度方向中央从可动部2的底面到顶上面分别形成了规定宽度的纵槽2a、2c。于是，在该纵槽2a、2c上安装构成直线马达的磁铁6。此外，在没有形成这些纵槽2a、2c的可动部2的一壁面上安装了标尺8，并与被安装在固定部1上的检测头7(图1B)相对。
因此，如图1A所示，在固定部1上将可动部2从其开口部插入孔内，如图1D所示，使可动部2的磁铁6和固定部1的线圈5相对，并且使可动部2的标尺8与固定部1的检测头7相对。如此，在固定部1的四角设置空气排出口的突出部1ab、1bc、1cd、1da的各个相邻两壁面、与可动部12内侧的壁面和壁面交汇的四角相对，这些相对的面分别成为空气轴承面F，从而形成空气轴承。
如图1E所示，可动部2的空气轴承面的纵向长度Hm(等于可动部2的孔深)比固定部1的方柱的空气轴承面的纵向长度Hs长。即，可动部2的空气轴承面的纵向(可动部移动方向)长度Hm比在固定部1的空气轴承面纵向长度Hs加上可动部2的直线移动的行程的长度长。利用该结构，即使可动部2被驱动且沿固定部1进行最大限度移动，可动部2的空气轴承面也不会离开固定部1的空气轴承面，并且固定部1空气轴承面总是与可动部的空气轴承面相对。
如图1A所示，在固定部1上连接了向空气排出口4供给空气的空气供给管、向线圈5供给电力的动力线以及检测头7的信号线等的缆线9。
用缆线9供给压缩空气，并从空气排出口4将空气喷射到空气轴承面F上，由此用空气不与固定部1接触地保持可动部2。此外，若通过缆线9向线圈5供给动力，并驱动由固定部1的线圈5和可动部2的磁铁构成的直线马达，则可动部2被固定部1的空气轴承面F导向，并沿图1A的上下方向被驱动。利用由可动部2的标尺8和固定部1的检测头7构成的直线型位置检测器能够检测出该可动部2相对于固定部1的移动量。
在本发明中，由于将用于供给向空气轴承面F喷射空气的缆线9与固定部1侧连接而不是与可动部2侧连接，所以该缆线9的外力不会施加于可动部2上。因此，可动部2能被高精度地定位，从而能够获得高精度的运动。并且，由于该可动部2是有底箱型，从而成为具有刚性的结构，因此即使受到压缩空气的较大的力，也几乎没有变形量。

Claims (6)

1.一种空气轴承结构，可动部相对于固定部进行直线移动，其特征在于，
在固定部侧的轴承面上形成多个喷射空气的空气排出口，并且，在所述固定部上设有与空气供给机构连接的连接部，并且，
所述可动部侧的轴承面在移动方向上的长度比所述固定部侧的轴承面的长度长出移动行程长度或长出移动行程长度以上，使得所述固定部侧的轴承面的全部区域总是面对所述可动部侧的轴承面。
2.根据权利要求1所述的空气轴承结构，其特征在于，
所述可动部为朝向其移动方向的一方而开口的箱型，并且所述固定部插在该可动部的内部。
3.一种直线驱动装置，具备具有轴承面的可动部相对于具有轴承面的固定部进行直线移动的空气轴承结构，其特征在于，
在固定部侧的轴承面上形成多个喷射空气的空气排出口，并且，在所述固定部上设有用于与空气供给机构连接的连接部，
所述可动部侧的轴承面在移动方向上的长度比所述固定部侧的轴承面的长度长出移动行程长度或长出移动行程长度以上，使得所述固定部侧的轴承面的全部区域总是面对所述可动部侧的轴承面，并且，
线圈配置在所述固定部上，且磁铁配置在所述可动部上，用这些线圈和磁铁构成直线马达。
4.根据权利要求3所述的直线驱动装置，其特征在于，
所述可动部为朝向其移动方向的一方而开口的箱型，并且所述固定部插在该可动部的内部。
5.根据权利要求3所述的直线驱动装置，其特征在于，
利用在固定部侧具有检测头、在可动部侧具备标尺的直线型位置检测器可以检测可动部侧的移动位置。
6.根据权利要求3所述的直线驱动装置，其特征在于，
驱动所必须的配线只连接在固定部侧上。
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