JP2007321811A - Non-contact supporting device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-contact supporting device reducible in size. <P>SOLUTION: A squeeze air bearing 10 has a piezoelectric element 16 driven to generate ultrasonic vibration, and a horn 20 coaxially holding the piezoelectric element 16 between one axial end face 40A and a metal block 18. The horn 20 is vibrated by the piezoelectric element 16 to support a rotating float 12 in a non-contact manner via a squeeze air film which is formed between a supporting face 42A formed on an outer peripheral portion and the rotating float 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、被支持体を非接触で支持するための非接触支持装置に関する。   The present invention relates to a non-contact support device for supporting a supported body in a non-contact manner.

機械の回転案内要素として、超音波振動を利用したスクイズ空気軸受が知られている(例えば、非特許文献1参照)。このスクイズ空気軸受は、圧電素子を挟み込んだ一対の金属ブロックをボルトにて連結したボルト締めランジュバン型超音波振動子と、軸方向の一端面が上記超音波振動子(一方の金属ブロックの端面)に接合されたホーンとを備えて構成されている。ホーンは、超音波振動子の作動によって、その他端面と回転浮上体との間に形成した空気膜で該回転浮上体をスラスト方向に支持すると共に、径拡大部の外周面と回転浮上体の内周面との間に形成した空気膜で該回転浮上体をラジアル方向に支持するようになっている。
大岩、加藤、「超音波振動を用いたアクティブエアベアリング(第5報)−振動方向変換体を用いた空気軸受の試作−」第15回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム、平成15年5月30日 特開2006−84018号公報
A squeeze air bearing using ultrasonic vibration is known as a rotation guide element of a machine (see, for example, Non-Patent Document 1). This squeeze air bearing has a bolted Langevin type ultrasonic transducer in which a pair of metal blocks sandwiching a piezoelectric element are connected by bolts, and one end surface in the axial direction is the ultrasonic transducer (the end surface of one metal block) And a horn joined to each other. The horn supports the rotating levitation body in the thrust direction with an air film formed between the other end face and the rotating levitation body by the operation of the ultrasonic vibrator, and also includes the outer peripheral surface of the enlarged diameter portion and the inner surface of the rotating levitation body. The rotary levitation body is supported in the radial direction by an air film formed between the peripheral surface and the peripheral surface.
Oiwa, Kato, "Active Air Bearing Using Ultrasonic Vibration (5th Report)-Trial Production of Air Bearing Using Vibration Direction Changer", 15th Symposium on "Electromagnetic Force Related Dynamics", May 2003 30 days JP 2006-84018 A

しかしながら、上記の如き従来の技術では、装置の小型化について改善の余地がある。   However, in the conventional techniques as described above, there is room for improvement with respect to downsizing of the apparatus.

本発明は、上記事実を考慮して、小型化を図ることができる非接触支持装置を得ることが目的である。   An object of the present invention is to obtain a non-contact support device that can be reduced in size in consideration of the above facts.

上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る非接触支持装置は、駆動されて超音波振動を生じる起振体と、軸方向の一端面と第1部材との間に前記起振体を同軸的に挟み込んで保持し、前記起振体に加振されることで、外周部に形成された支持面と第2部材との間に該第2部材との非接触状態を維持するための空気膜を生成させる第3部材と、を備えている。   In order to achieve the above object, a non-contact support device according to the first aspect of the present invention includes an exciter that is driven to generate ultrasonic vibrations, and an exciter between an end face in the axial direction and the first member. The body is sandwiched and held coaxially, and the non-contact state between the second member is maintained between the support surface formed on the outer peripheral portion and the second member by being vibrated by the vibrator. And a third member for generating an air film for the purpose.

請求項1記載の非接触支持装置では、起振体が駆動されて超音波振動が生じると、この超音波振動が第3部材に伝達され、第3部材のポアソン効果に基づく径方向への振動方向変換作用によって、該第3部材の外周部に形成された支持面が超音波振動し、該支持面と第2部材との間に空気膜(スクイズ空気膜)が生成される。この空気膜によって、第2部材が第3部材に対して、又は第3部材が第2部材に対して、非接触状態で支持される。ここで、本非接触支持装置では、第2部材との間に空気膜が生成される第3部材が第1部材との間に起振体を挟み込んでいるため、換言すれば、第3部材が起振体に直接的に接触しているため、例えば一対の金属ブロック間に圧電素子(起振体)を挟み込んだ超音波振動子を備えた構成と比較して、軸方向の寸法を小型化することができる。   In the non-contact support device according to claim 1, when the vibration generator is driven to generate ultrasonic vibration, the ultrasonic vibration is transmitted to the third member, and the vibration in the radial direction based on the Poisson effect of the third member. Due to the direction changing action, the support surface formed on the outer peripheral portion of the third member is ultrasonically vibrated, and an air film (squeezed air film) is generated between the support surface and the second member. The air film supports the second member with respect to the third member or the third member with respect to the second member in a non-contact state. Here, in this non-contact support apparatus, since the 3rd member in which an air film is generated between the 2nd member has inserted the vibration body between the 1st member, in other words, the 3rd member Is in direct contact with the vibrator, for example, the axial dimension is smaller compared to a configuration with an ultrasonic vibrator with a piezoelectric element (vibrator) sandwiched between a pair of metal blocks. Can be

このように、請求項1記載の非接触支持装置では、小型化を図ることができる。   Thus, the non-contact support device according to claim 1 can be downsized.

請求項2記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1記載の非接触支持装置において、前記起振体は、圧電効果によって超音波振動を生じ得る圧電素子であり、前記第3部材は、前記第1部材との間に前記起振体を圧縮状態で挟み込んでいる。   A non-contact support device according to a second aspect of the present invention is the non-contact support device according to the first aspect, wherein the vibrator is a piezoelectric element capable of generating ultrasonic vibration due to a piezoelectric effect, and the third member is The vibrator is sandwiched between the first member and the first member in a compressed state.

請求項2記載の非接触支持装置では、圧電素子である起振体が予圧を受けつつ第3部材と第1部材との間に挟み込まれている。このように、簡単な構造で非接触支持装置が構成される。第1部材と第3部材とは、例えば、締結具による締結によって起振体を圧縮状態で挟み込んだ状態を維持することができる。   In the non-contact support device according to the second aspect, the vibrator as a piezoelectric element is sandwiched between the third member and the first member while receiving a preload. Thus, the non-contact support device is configured with a simple structure. For example, the first member and the third member can maintain a state in which the vibrator is sandwiched in a compressed state by fastening with a fastener.

請求項3記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1又は請求項2記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、前記起振体に加振された場合に、前記支持面及び軸方向の他端面と第2部材との間に生成される空気膜を介して該第2部材との非接触状態が維持される。   The non-contact support device according to a third aspect of the present invention is the non-contact support device according to the first or second aspect, wherein the third member is the support surface when the third member is vibrated by the vibrator. And the non-contact state with this 2nd member is maintained through the air film produced | generated between the other end surface of an axial direction, and the 2nd member.

請求項3記載の非接触支持装置では、第3部材の他端面と第2部材との間に空気膜が生成されることで、第3部材と第2部材との軸方向一方側への相対変位が非接触状態を維持したまま規制される。   In the non-contact support device according to claim 3, the air film is generated between the other end surface of the third member and the second member, so that the third member and the second member are relative to each other in the axial direction. Displacement is regulated while maintaining a non-contact state.

請求項4記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記第3部材の支持面は、該第3部材と同軸の円筒面とされている。   The non-contact support device according to a fourth aspect of the present invention is the non-contact support device according to any one of the first to third aspects, wherein the support surface of the third member is coaxial with the third member. It is a cylindrical surface.

請求項4記載の非接触支持装置では、支持面が円筒面であるため、第3部材と第2部材との相対回転が許容され、回転案内装置として機能するができる。   In the non-contact support device according to claim 4, since the support surface is a cylindrical surface, relative rotation between the third member and the second member is allowed, and the device can function as a rotation guide device.

請求項5記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1乃至請求項4の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、軸方向の長さが、前記起振体に加振されて該第3部材を伝わる超音波の波長の1/4の自然数倍となるように設計されている。   The non-contact support device according to a fifth aspect of the present invention is the non-contact support device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the third member has a length in the axial direction. It is designed to be a natural number multiple of 1/4 of the wavelength of the ultrasonic wave that is vibrated by the body and propagates through the third member.

請求項5記載の非接触支持装置では、上記長さを有する第3部材における起振体の接触面(加振面)が振動の節となる。これにより、第3部材は、支持面(他端面等)の振幅を確保しつつ最短に構成することができる。また、第3部材の長さを上記波長の1/4とすれば、装置全長を短く構成することができる。   In the non-contact support device according to claim 5, the contact surface (excitation surface) of the vibration generator in the third member having the above length becomes a vibration node. Thereby, the third member can be configured to be shortest while ensuring the amplitude of the support surface (the other end surface or the like). Further, if the length of the third member is ¼ of the above wavelength, the entire length of the apparatus can be shortened.

請求項6記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、軸線との直交方向に張り出すと共に外周部に前記支持面が形成された張出部を有する。   A non-contact support device according to a sixth aspect of the present invention is the non-contact support device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the third member protrudes in a direction orthogonal to the axis and has an outer periphery. A projecting portion having the support surface formed thereon.

請求項6記載の非接触支持装置では、第3部材に径方向超音波振動の放射(出力)面となる支持面を有する張出部を設けたので、換言すれば、該張出部の軸方向の両側にポアソン効果を阻害する部分がないため、軸方向に入力された超音波振動を、効果的に径方向の振動に変換することができる。   In the non-contact support device according to claim 6, the overhanging portion having a support surface serving as a radiation (output) surface of radial ultrasonic vibration is provided on the third member. In other words, the shaft of the overhanging portion is provided. Since there is no portion that inhibits the Poisson effect on both sides of the direction, the ultrasonic vibration input in the axial direction can be effectively converted into radial vibration.

請求項7記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項6記載の非接触支持装置において、前記張出部は、前記第3部材における前記起振体に加振されて該第3部材を軸方向に伝わる超音波の節位置から、該第3部材の軸線との直交方向に張り出している。   The non-contact support device according to a seventh aspect of the present invention is the non-contact support device according to the sixth aspect, wherein the overhanging portion is vibrated by the vibrator in the third member. It protrudes from the node position of the ultrasonic wave transmitted in the axial direction in a direction orthogonal to the axis of the third member.

請求項7記載の非接触支持装置では、第3部材における超音波振動の節位置から張出部が張り出すので、ポアソン効果による支持面の径方向振動の振幅が大きくなる。特に、第3部材の軸方向長さを波長の1/4として起振体による加振面を振動の節とした構成では、加振面の直近に張出部が配置されるので、小型でありながらポアソン効果による支持面の径方向振動の振幅が大きくなる。   In the non-contact support device according to the seventh aspect, since the overhang portion projects from the node position of the ultrasonic vibration in the third member, the amplitude of the radial vibration of the support surface due to the Poisson effect increases. In particular, in the configuration in which the axial length of the third member is ¼ of the wavelength and the excitation surface by the exciter is a node of vibration, the overhanging portion is arranged in the immediate vicinity of the excitation surface, so the size is small. However, the amplitude of the radial vibration of the support surface due to the Poisson effect increases.

請求項8記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項7記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、軸心から前記張出部の支持面までの距離が、前記起振体に加振されて該第3部材を伝わる超音波の波長の1/4となるように設計されている。   The non-contact support device according to claim 8 is the non-contact support device according to claim 7, wherein the third member has a distance from the shaft center to the support surface of the overhanging portion. It is designed to be ¼ of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted through the third member.

請求項8記載の非接触支持装置では、支持面が軸方向振動の節位置から上記波長の1/4の位置に位置するので、ポアソン効果による支持面の径方向振動の振幅を最大にすることができる。また、支持面を上記波長の1/4の整数倍の位置に配置する構成と比較して、張出部が小型化される。   In the non-contact support device according to claim 8, since the support surface is located at a position 1/4 of the wavelength from the node position of the axial vibration, the amplitude of the radial vibration of the support surface due to the Poisson effect is maximized. Can do. Further, the overhanging portion is reduced in size as compared with the configuration in which the support surface is disposed at a position that is an integral multiple of 1/4 of the wavelength.

請求項9記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項6乃至請求項8の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記張出部の支持面は、前記起振体に加振されて該第3部材を軸方向に伝わる超音波の節位置に対する軸方向の両側に形成されている。   The non-contact support device according to a ninth aspect of the present invention is the non-contact support device according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the support surface of the overhang portion is vibrated on the vibrator. And formed on both sides in the axial direction with respect to the node position of the ultrasonic wave transmitted in the axial direction through the third member.

請求項9記載の非接触支持装置では、超音波振動の節位置に対する軸方向両側に支持面が形成されているので、支持面が節位置に対し軸方向一方側にのみ形成される構成と比較して、支持面の振幅が大きい範囲を広く設定することができる。これにより、支持剛性の向上に寄与する。なお、例えば、第3部材における起振体が接触する軸方向一端面が振動に節になる構成においては、張出部における軸方向の一部は、起振体の軸方向の少なくとも一部を外周側から覆うように構成すれば良い。   In the non-contact support device according to claim 9, since the support surfaces are formed on both sides in the axial direction with respect to the node position of the ultrasonic vibration, the support surface is compared with a configuration in which the support surface is formed only on one side in the axial direction with respect to the node position. Thus, the range in which the amplitude of the support surface is large can be set widely. This contributes to an improvement in support rigidity. For example, in a configuration in which the first end surface in the axial direction of the third member in contact with the vibrator is a node in vibration, a part of the axial direction of the overhanging portion is at least a part of the axial direction of the vibrator. What is necessary is just to comprise so that it may cover from an outer peripheral side.

請求項10記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1乃至請求項9の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記支持面は、前記第3部材の径方向外側及び軸方向の一端側を共に向くテーパ面を含む。   A non-contact support device according to a tenth aspect of the present invention is the non-contact support device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the support surface is a radially outer side and an axial direction of the third member. The taper surface which faces the one end side of both is included.

請求項10記載の非接触支持装置では、テーパ面において、第2部材と第3部材との軸方向他方側への相対変位を非接触で規制(自由度を拘束)することができる。   In the non-contact support device according to the tenth aspect, the relative displacement of the second member and the third member in the other axial direction on the tapered surface can be regulated in a non-contact manner (the degree of freedom is restricted).

請求項11記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項1乃至請求項10の何れか1項記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、機台に支持されて前記第2部材を被支持体として非接触で支持する支持体である。   The non-contact support device according to claim 11 is the non-contact support device according to any one of claims 1 to 10, wherein the third member is supported by a machine base and the second member. It is a support body which supports non-contact as a to-be-supported body.

請求項11記載の非接触支持装置では、起振体から超音波振動が直接的に入力される第3部材が、支持体として第2部材を支持するため、被支持体である第2部材の残留振動を抑制することができる。   In the non-contact support device according to claim 11, since the third member to which ultrasonic vibration is directly input from the vibrator supports the second member as a support, the second member that is a supported body Residual vibration can be suppressed.

請求項12記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項11記載の非接触支持装置において、前記第3部材は、前記第1部材を介して前記機台に支持されている。   A non-contact support apparatus according to a twelfth aspect of the present invention is the non-contact support apparatus according to the eleventh aspect, wherein the third member is supported by the machine base via the first member.

請求項12記載の非接触支持装置では、起振体によって加振される第3部材が機台に対して直接的に拘束されないので、第3部材の支持面の超音波振動が減衰されることが防止される。   In the non-contact support device according to claim 12, since the third member excited by the vibrator is not directly restrained with respect to the machine base, the ultrasonic vibration of the support surface of the third member is attenuated. Is prevented.

請求項13記載の発明に係る非接触支持装置は、請求項12記載の非接触支持装置において、前記第1部材は、前記起振体と接触する端面に沿って延設されたフランジにおいて前記機台に固定されている。   A non-contact support device according to a thirteenth aspect of the present invention is the non-contact support device according to the twelfth aspect of the present invention, wherein the first member is a flange extending along an end surface in contact with the vibrator. It is fixed to the base.

請求項13記載の非接触支持装置では、第1部材における振動の節に近い部分から延設されたフランジにおいて機台に固定されるので、第3部材の支持面の超音波振動が減衰されることが効果的に防止される。すなわち、第1部材と第3部材と起振体とで構成する(と把握することができる)振動子の振動が減衰されることが防止される。   In the non-contact support device according to claim 13, since the flange extending from the portion near the vibration node in the first member is fixed to the machine base, the ultrasonic vibration of the support surface of the third member is attenuated. Is effectively prevented. In other words, it is possible to prevent the vibration of the vibrator constituted by the first member, the third member, and the vibrator from being attenuated.

以上説明したように本発明に係る非接触支持装置は、小型化を図ることができるという優れた効果を有する。   As described above, the non-contact support device according to the present invention has an excellent effect that it can be downsized.

本発明の第1の実施形態に係る非接触支持装置としてのスクイズ空気軸受10について、図1乃至図3に基づいて説明する。なお、図中に適宜示す矢印Uは、重力方向の上側を表している。   A squeeze air bearing 10 as a non-contact support device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the arrow U shown suitably in a figure represents the upper side of the gravity direction.

図1には、スクイズ空気軸受10の概略全体構成が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気軸受10は、第2部材又は被支持部材としての回転浮上体12を、機台14に対して非接触で、軸線周りに回転自在に支持する装置すなわち非接触回転ガイド手段として把握される。以下、具体的に説明する。   FIG. 1 shows a schematic overall configuration of the squeeze air bearing 10 in a cross-sectional view. As shown in this figure, the squeeze air bearing 10 is a device that supports a rotating levitated body 12 as a second member or a supported member in a non-contact manner with respect to a machine base 14 so as to be rotatable around an axis, that is, a non-contact manner. It is grasped as a rotation guide means. This will be specifically described below.

スクイズ空気軸受10は、起振体又は圧電素子としてのピエゾ素子16と、第1部材としての金属ブロック18と、金属ブロック18との間にピエゾ素子16を挟み込んだ第3部材としてのホーン20と、金属ブロック18とホーン20とを締結するためのボルト22とを、機械部分の主要構成要素としている。   The squeeze air bearing 10 includes a piezo element 16 as a vibration body or a piezoelectric element, a metal block 18 as a first member, and a horn 20 as a third member with the piezo element 16 sandwiched between the metal block 18. The bolt 22 for fastening the metal block 18 and the horn 20 is a main component of the mechanical part.

ピエゾ素子16は、圧電効果によって変位を生じるセラミック等より成り、交流電圧の印加を受けて超音波振動を発生し得る構成とされている。この実施形態では、ピエゾ素子16は、2枚設けられており、それぞれボルト22を貫通可能なワッシャ状に形成されている。2つのピエゾ素子16間、及び下側のピエゾ素子16と金属ブロック18との間には、それぞれ図示を省略した電極が挟み込まれており、これらの電極に交番(交流)電圧を印加することで、各ピエゾ素子16が印加電圧の周波数に応じた周波数の超音波振動を生じる構成とされている。この実施形態では、発信器26で生成した交番信号を増幅器28にて増幅し、さらに変換器30にて電圧に変換して電極すなわちピエゾ素子16に印加する構成とされている。   The piezo element 16 is made of ceramic or the like that generates displacement due to the piezoelectric effect, and is configured to generate ultrasonic vibrations upon application of an alternating voltage. In this embodiment, two piezo elements 16 are provided, each formed in a washer shape that can penetrate the bolt 22. Electrodes (not shown) are sandwiched between the two piezo elements 16 and between the lower piezo element 16 and the metal block 18, and an alternating (alternating current) voltage is applied to these electrodes. Each piezo element 16 is configured to generate ultrasonic vibration having a frequency corresponding to the frequency of the applied voltage. In this embodiment, the alternating signal generated by the transmitter 26 is amplified by the amplifier 28, further converted into a voltage by the converter 30, and applied to the electrode, that is, the piezo element 16.

金属ブロック18は、略円柱状に形成されたブロック本体32の軸心部を貫通した貫通孔34にめねじ部35が形成されてナットの如く構成されている。ブロック本体32の外径は、ピエゾ素子16の外径と同等又はわずかに大とされている。このブロック本体32の軸方向の一端側である上端面32Aからは、フランジ36が径方向外向きに張り出している。フランジ36は、ブロック本体32の全周に亘るリング状に形成されても良く、周方向に部分的に張り出しても良い。金属ブロック18は、フランジ36において、複数の支柱38を介して機台14に固定的に支持されている。すなわち、各支柱38は、それぞれの上端38Aがフランジ36に固定されると共に、それぞれの下端38Bが機台14に固定されている。   The metal block 18 is configured like a nut by forming a female thread portion 35 in a through hole 34 penetrating the axial center portion of the block main body 32 formed in a substantially cylindrical shape. The outer diameter of the block body 32 is equal to or slightly larger than the outer diameter of the piezo element 16. A flange 36 projects radially outward from an upper end surface 32A, which is one end side of the block body 32 in the axial direction. The flange 36 may be formed in a ring shape over the entire circumference of the block body 32 or may partially protrude in the circumferential direction. The metal block 18 is fixedly supported on the machine base 14 via a plurality of support columns 38 at the flange 36. That is, each column 38 has an upper end 38 </ b> A fixed to the flange 36 and a lower end 38 </ b> B fixed to the machine base 14.

ホーン20は、略円柱状に形成された縦振動伝達部40と、縦振動伝達部40の下端側から径方向外向きに張り出して設けられた張出部としての横振動伝達部42とを含んで構成されている。縦振動伝達部40は、その外径がピエゾ素子16の外径と同等又はわずかに大とされており、その軸心部に下向きに開口するねじ孔44にめねじ45が形成されて袋ナット状に形成されている。ホーン20は、一端側が金属ブロック18のめねじ35に螺合したボルト22の他端側をめねじ45に螺合させることで、その縦振動伝達部40の下端面40Aと、金属ブロック18を構成するブロック本体32の上端面32Aとの間に各ピエゾ素子16及び電極を同軸的に挟み込んでいる。すなわち、ピエゾ素子16、金属ブロック18、ホーン20、電極が、ボルト22を用いた締結によって互いに固定されている。この締結状態で、ピエゾ素子16には、所定の予圧力(圧縮変位)が付与されている。   The horn 20 includes a longitudinal vibration transmitting portion 40 formed in a substantially cylindrical shape, and a lateral vibration transmitting portion 42 as a projecting portion provided to project radially outward from the lower end side of the longitudinal vibration transmitting portion 40. It consists of The longitudinal vibration transmitting portion 40 has an outer diameter equal to or slightly larger than the outer diameter of the piezo element 16, and a female screw 45 is formed in a screw hole 44 that opens downward in the axial center portion of the longitudinal vibration transmitting portion 40. It is formed in a shape. The horn 20 has a lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmitting portion 40 and the metal block 18 connected to the female screw 45 by screwing the other end of the bolt 22 whose one end is screwed to the female screw 35 of the metal block 18. Each piezo element 16 and the electrode are coaxially sandwiched between the upper end surface 32A of the block main body 32 to be configured. That is, the piezo element 16, the metal block 18, the horn 20, and the electrodes are fixed to each other by fastening using the bolts 22. In this fastened state, a predetermined pre-pressure (compression displacement) is applied to the piezo element 16.

したがって、この実施形態に係るスクイズ空気軸受10では、ピエゾ素子16、金属ブロック18、ホーン20、ボルト22、及び電極が、一方の金属ブロックをホーン20に置き換えた、又は一方の金属ブロックにホーン20が一体化された如き、所謂ボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成していると把握することができる。   Therefore, in the squeeze air bearing 10 according to this embodiment, the piezo element 16, the metal block 18, the horn 20, the bolt 22, and the electrode replace one metal block with the horn 20, or replace one horn with the horn 20. It can be understood that a so-called bolted Langevin type ultrasonic transducer is constructed.

そして、図2に示される如く、ホーン20の縦振動伝達部40は、その下端面40Aから上端面40Bまでの軸方向に沿った長さLが、ピエゾ素子16にて加振されたホーン20を伝播する超音波振動の波長λの略1/4とされている。ここで、この実施形態のピエゾ素子16の加振によりホーン20を軸方向に伝播する超音波振動を縦波(以下、超音波縦振動Vl(図2参照)という)と考えると、波長λ(m)は、ホーン20を伝播する超音波の周波数f(Hz)と、ホーン20内を伝播する縦波の音速C(m/s)とによって決まる。これにより、縦振動伝達部40では、その上端面40Bが超音波縦振動Vlの腹位置(軸方向の振幅が最大となる位置)となる一方、下端面40Aが上記した超音波縦振動Vlの節位置となる構成である。   2, the longitudinal vibration transmitting portion 40 of the horn 20 has a length L along the axial direction from the lower end surface 40A to the upper end surface 40B, and the horn 20 is vibrated by the piezo element 16. Is approximately ¼ of the wavelength λ of the ultrasonic vibration propagating through. Here, when the ultrasonic vibration propagating in the axial direction through the horn 20 by the vibration of the piezoelectric element 16 of this embodiment is considered as a longitudinal wave (hereinafter referred to as ultrasonic longitudinal vibration Vl (see FIG. 2)), the wavelength λ ( m) is determined by the frequency f (Hz) of the ultrasonic wave propagating through the horn 20 and the sound velocity C (m / s) of the longitudinal wave propagating through the horn 20. Thereby, in the longitudinal vibration transmission part 40, the upper end surface 40B becomes the antinode position of the ultrasonic longitudinal vibration Vl (the position where the amplitude in the axial direction becomes maximum), while the lower end surface 40A has the ultrasonic longitudinal vibration Vl described above. This is the configuration of the node position.

横振動伝達部42は、略円環状(縦振動伝達部40を含めて短円柱状)に形成されており、上記の通り縦振動伝達部40の下端側から全周に亘って径方向外向きに張り出している。横振動伝達部42は、一体に形成されている縦振動伝達部40に伝播する縦振動によって軸方向に伸縮するのに伴って、その体積を一定に保とうとするポアソン効果によって、振動方向を径方向に(軸方向に対する直交面に沿って)変換するようになっている。この横振動伝達部42は、その円筒面として形成された外周面が支持面42Aとされており、径方向に伝播する超音波横振動Vr(図2参照)を空気に伝える放射面を成している。   The lateral vibration transmission unit 42 is formed in a substantially annular shape (short cylindrical shape including the vertical vibration transmission unit 40), and radially outward from the lower end side of the vertical vibration transmission unit 40 as described above. Overhangs. The lateral vibration transmission unit 42 is configured to reduce the vibration direction by the Poisson effect that tries to keep the volume constant as it expands and contracts in the axial direction due to the longitudinal vibration propagating to the integrally formed longitudinal vibration transmission unit 40. In the direction (along the plane perpendicular to the axial direction). The lateral vibration transmitting portion 42 has an outer peripheral surface formed as a cylindrical surface thereof as a support surface 42A, and forms a radiation surface that transmits ultrasonic lateral vibration Vr (see FIG. 2) propagating in the radial direction to the air. ing.

そして、ホーン20では、その軸心から支持面42Aまでの距離(横振動伝達部42の半径)が上記した超音波縦振動Vlの波長λの略1/4とされている。この横振動伝達部42は、縦振動伝達部40における超音波縦振動Vlの節位置から張り出しているため、支持面42Aは、超音波横振動Vr(超音波縦振動Vlと波長λが略一致する径方向振動)の腹位置(径方向の振幅が最大となる位置)となる構成である。   In the horn 20, the distance from the axial center to the support surface 42 </ b> A (the radius of the lateral vibration transmitting portion 42) is approximately ¼ of the wavelength λ of the ultrasonic longitudinal vibration Vl described above. Since the lateral vibration transmitting portion 42 protrudes from the node position of the ultrasonic longitudinal vibration Vl in the longitudinal vibration transmitting portion 40, the support surface 42A has the ultrasonic lateral vibration Vr (the ultrasonic longitudinal vibration Vl and the wavelength λ substantially coincide with each other). (Radial vibration) to be the antinode position (position where the radial amplitude is maximized).

また、横振動伝達部42の下端面42Bは、縦振動伝達部40の下端面40Aよりも下側に位置している。すなわち、横振動伝達部42の支持面42Aは、縦振動伝達部40の軸方向において、縦振動伝達部40における超音波縦振動Vlの節位置である下端面40Aに対する上下両側に位置し、所定の上下幅Wを有している。この形状によって横振動伝達部42は、その下部42Cの径方向内側にピエゾ素子16(の軸方向の少なくとも一部)を入り込ませている。   Further, the lower end surface 42 </ b> B of the lateral vibration transmission unit 42 is positioned below the lower end surface 40 </ b> A of the vertical vibration transmission unit 40. That is, the support surfaces 42A of the lateral vibration transmission unit 42 are positioned on both upper and lower sides with respect to the lower end surface 40A, which is a node position of the ultrasonic longitudinal vibration Vl in the longitudinal vibration transmission unit 40, in the axial direction of the longitudinal vibration transmission unit 40. The vertical width W is as follows. With this shape, the transverse vibration transmitting portion 42 has the piezo element 16 (at least a part in the axial direction thereof) inserted inside the lower portion 42C in the radial direction.

以上説明したホーン20は、この実施形態では、一方のピエゾ素子16に直接的に接触し電極としても機能するため、ボルト22を介して金属ブロック18(に接触する電極)に導通するように、導電性の金属材料(例えば、JIS A2017P等のアルミニウム合金)にて構成されている。なお、ホーン20の構成材料として、金属材料以外のものを用いる場合、軽くて剛性のあり超音波振動を減衰しない材料が望ましく、導電性のない材料を用いる場合にはホーン20とピエゾ素子16との間にも電極を挟み込む。そして、この電極のピエゾ素子16との接触端面から上端面40Bまでの長さをλ/4として設計する。すなわち、この構成においては、電極を含めたホーン20を第3部材として把握することになる。   In this embodiment, the horn 20 described above is in direct contact with one of the piezo elements 16 and also functions as an electrode. Therefore, the horn 20 is electrically connected to the metal block 18 (the electrode in contact with) via the bolt 22. It is made of a conductive metal material (for example, an aluminum alloy such as JIS A2017P). When a material other than a metal material is used as the constituent material of the horn 20, a light and rigid material that does not attenuate ultrasonic vibration is desirable. When a non-conductive material is used, the horn 20 and the piezoelectric element 16 The electrode is also sandwiched between them. The length from the contact end surface of the electrode with the piezo element 16 to the upper end surface 40B is designed to be λ / 4. That is, in this configuration, the horn 20 including the electrode is grasped as the third member.

一方、被支持体である回転浮上体12は、下向きに開口する有底円筒状に形成されている。具体的には、回転浮上体12は、横振動伝達部42の外径よりもわずかに大きな内径を有する円筒部46と、円筒部46の上部を閉止するテーブル部48とを主要部として構成されている。この回転浮上体12は、その内部にホーン20を収容するように該ホーン20に被せられている。そして、スクイズ空気軸受10では、ピエゾ素子16に超音波振動を発生させることで、テーブル部48の下面48Aと縦振動伝達部40の上端面40Bとの間、及び円筒部46の内周面46Aと横振動伝達部42の支持面42Aとの間にスクイズ空気膜が生成され、回転浮上体12がホーン20すなわち機台14に対し非接触で支持される構成とされている。   On the other hand, the rotating levitating body 12 as a supported body is formed in a bottomed cylindrical shape that opens downward. Specifically, the rotating levitated body 12 is mainly composed of a cylindrical portion 46 having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the lateral vibration transmitting portion 42 and a table portion 48 that closes the upper portion of the cylindrical portion 46. ing. The rotary levitation body 12 is placed on the horn 20 so as to accommodate the horn 20 therein. In the squeeze air bearing 10, ultrasonic vibration is generated in the piezo element 16, so that the space between the lower surface 48 </ b> A of the table portion 48 and the upper end surface 40 </ b> B of the longitudinal vibration transmitting portion 40 and the inner peripheral surface 46 </ b> A of the cylindrical portion 46. And a support surface 42 </ b> A of the lateral vibration transmission unit 42, a squeezed air film is generated, and the rotary levitation body 12 is supported in a non-contact manner with respect to the horn 20, that is, the machine base 14.

これにより、スクイズ空気軸受10では、テーブル部48の下面48Aと縦振動伝達部40の上端面40Bとの間に生成されるスクイズ空気膜の圧力に基づく支持力と、回転浮上体12に作用する重力とのバランスとによって、回転浮上体12が機台14に対してスラスト方向に支持されている。さらに、スクイズ空気軸受10では、円筒部46の内周面46Aと横振動伝達部42の支持面42Aとの間に生成されたスクイズ空気膜の圧力バランスによって、回転浮上体12が機台14に対してラジアル方向に支持されている。したがって、スクイズ空気軸受10は、回転浮上体12の機台14に対する6自由度のうち、5自由度を拘束して自軸廻りの回転のみを許容する構成である。   Thereby, in the squeeze air bearing 10, the supporting force based on the pressure of the squeeze air film generated between the lower surface 48 </ b> A of the table portion 48 and the upper end surface 40 </ b> B of the longitudinal vibration transmitting portion 40 acts on the rotating levitated body 12. The rotating levitated body 12 is supported in the thrust direction with respect to the machine base 14 by the balance with gravity. Further, in the squeeze air bearing 10, the rotating levitated body 12 is placed on the machine base 14 due to the pressure balance of the squeeze air film generated between the inner peripheral surface 46 A of the cylindrical portion 46 and the support surface 42 A of the lateral vibration transmitting portion 42. On the other hand, it is supported in the radial direction. Therefore, the squeeze air bearing 10 is configured to allow only rotation around its own axis by restricting 5 degrees of freedom among the 6 degrees of freedom of the rotary levitating body 12 with respect to the machine base 14.

回転浮上体12には、スクイズ空気軸受10が適用された装置を構成する回転駆動手段が接続され、自軸廻りに回転駆動されて、例えばテーブル部48上に載置したワークや試料を高精度で回転させるようになっている。   The rotary levitating body 12 is connected to a rotation driving means constituting an apparatus to which the squeeze air bearing 10 is applied, and is driven to rotate around its own axis, for example, a workpiece or sample placed on the table unit 48 with high accuracy. Rotate with.

なお、発信器26、増幅器28、変換器30で構成される電源回路の発信周波数は多少とも調整できるようにしてあるのが普通であるから、加振波長も当然に幅を持った値となり、また、雰囲気温度や長時間駆動によりピエゾ素子16、金属ブロック18、ホーン20が発熱、熱膨張などもするので、縦振動伝達部40の軸方向長さ、横振動伝達部42の径等の各寸法は厳密に1ポイント的に定まるものではなく、最頻稼働予定の周波数などから設計し、その後に試行してみて、真に最大振幅等が得られる寸法を確認してから、最終製作するのが望ましい。その意味で、波長λを基準にした場合の寸法は、目標寸法になるように「設計されて」いるものとし、又は、ある程度の幅をもった寸法であることを示す「略」を付して表している。   Since the oscillation frequency of the power supply circuit composed of the transmitter 26, the amplifier 28, and the converter 30 is normally adjusted somewhat, the excitation wavelength is naturally a value having a width, Further, since the piezo element 16, the metal block 18, and the horn 20 also generate heat and expand due to the ambient temperature and long time driving, the axial length of the longitudinal vibration transmission unit 40, the diameter of the lateral vibration transmission unit 42, etc. The dimensions are not strictly determined in one point. Design from the frequency scheduled for the most frequent operation, etc., and then try to confirm the dimensions that can truly obtain the maximum amplitude, etc., before final production. Is desirable. In that sense, the dimension based on the wavelength λ is assumed to be “designed” so as to be the target dimension, or “abbreviation” is added to indicate that the dimension has a certain width. It expresses.

次に、第1の実施形態の作用を説明する。   Next, the operation of the first embodiment will be described.

上記構成のスクイズ空気軸受10では、ピエゾ素子16に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子16は印加電圧の周波数に応じた周波数の超音波振動を生じる。この超音波振動は、縦振動伝達部40の下端面40Aからホーン20に入力され、縦振動伝達部40を軸方向に伝播し、また横振動伝達部42のポアソン効果によって振動方向が90°変換されて該横振動伝達部42を径方向に伝播する。縦振動伝達部40を伝播した超音波縦振動Vlは、縦振動伝達部40の上端面40Bに超音波振動を生じさせて回転浮上体12のテーブル部48との間にスクイズ空気膜を生成し、横振動伝達部42を伝播したVrは、支持面42Aに超音波振動を生じさせて回転浮上体12の円筒部46との間にスクイズ空気膜を生成する。   In the squeeze air bearing 10 having the above-described configuration, when an alternating voltage is applied to the piezo element 16, the piezo element 16 generates ultrasonic vibration having a frequency corresponding to the frequency of the applied voltage. This ultrasonic vibration is input to the horn 20 from the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmission unit 40, propagates in the longitudinal vibration transmission unit 40 in the axial direction, and the vibration direction is converted by 90 ° by the Poisson effect of the lateral vibration transmission unit 42. As a result, the transverse vibration transmitting portion 42 propagates in the radial direction. The ultrasonic longitudinal vibration Vl propagated through the longitudinal vibration transmitting unit 40 generates ultrasonic vibrations on the upper end surface 40B of the longitudinal vibration transmitting unit 40 to generate a squeeze air film between the table 48 of the rotating levitated body 12. The Vr propagated through the lateral vibration transmission unit 42 generates ultrasonic vibrations on the support surface 42 </ b> A and generates a squeeze air film between the rotating floating body 12 and the cylindrical portion 46.

これにより、回転浮上体12は、スラスト方向及びラジアル方向共にホーン20すなわち機台14に対し非接触で(浮上して)、自軸廻りに回転自在に支持されると共に残余の5自由度が拘束される。このスクイズ空気軸受10は、スクイズ空気膜の形成面として単純な形状である円筒面、平坦面としているので、構成部品の加工精度を高めてスクイズ空気膜の膜厚すなわちホーン20と回転浮上体12との隙間を小さく設定することができる。このため、スクイズ空気軸受10では、高い支持剛性を得ることができる。また、スクイズ空気軸受10では、縦振動伝達部40の一端面である下端面40Aにのみ超音波振動を入力する構成にて各部(上端面40B及び支持面42Aの全周)にスクイズ空気膜を生成する構成を実現している。また、回転浮上体12に対する機台14側にピエゾ素子16、ホーン20が設けられているため、回転浮上体12側にピエゾ素子16、ホーン20等を設けた構成と比較して、被支持側に残留振動が生じることが抑制される。   As a result, the rotating levitated body 12 is non-contacting (floating) with respect to the horn 20, that is, the machine base 14 in both the thrust direction and the radial direction, and is supported rotatably around its own axis, and the remaining five degrees of freedom are constrained. Is done. Since the squeeze air bearing 10 has a simple cylindrical surface or flat surface as a squeeze air film forming surface, the processing accuracy of the components is increased to increase the film thickness of the squeeze air film, that is, the horn 20 and the rotating levitated body 12. Can be set small. For this reason, in the squeeze air bearing 10, high support rigidity can be obtained. In the squeeze air bearing 10, a squeeze air film is applied to each part (the entire circumference of the upper end surface 40 </ b> B and the support surface 42 </ b> A) in a configuration in which ultrasonic vibration is input only to the lower end surface 40 </ b> A that is one end surface of the longitudinal vibration transmission unit 40. The configuration to be generated is realized. Further, since the piezo element 16 and the horn 20 are provided on the machine base 14 side with respect to the rotary levitation body 12, compared to the configuration in which the piezo element 16 and the horn 20 are provided on the rotary levitation body 12, the supported side It is possible to suppress the occurrence of residual vibration.

ここで、スクイズ空気軸受10では、ホーン20の縦振動伝達部40の下端面40Aにピエゾ素子16が生じた超音波振動が直接的に入力されるため、軸方向の寸法が大幅に短縮された。そして、スクイズ空気軸受10では、縦振動伝達部40の下端面40Aから上端面40Bまでの軸方向に沿った長さが、該縦振動伝達部40を軸方向に伝播する超音波振動の波長λの略1/4であるため、上端面40Bを超音波振動の腹位置に略一致させると共に、下端面40Aを超音波振動の節位置に略一致させることができた。これにより、上端面40Bの超音波振動の振幅を最大化するための軸方向に最も短い構成が実現された。しかも、ピエゾ素子16からの超音波振動が直接的に入力されるホーン20は、超音波振動の損失(減衰等)が少なく、該超音波振動を効率的に上端面40B、支持面42Aまで伝播することができる。   Here, in the squeeze air bearing 10, since the ultrasonic vibration generated by the piezo element 16 is directly input to the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmitting portion 40 of the horn 20, the axial dimension is greatly reduced. . In the squeeze air bearing 10, the length along the axial direction from the lower end surface 40 </ b> A to the upper end surface 40 </ b> B of the longitudinal vibration transmission unit 40 is the wavelength λ of ultrasonic vibration propagating in the longitudinal vibration transmission unit 40 in the axial direction. Therefore, the upper end surface 40B can be made to substantially coincide with the antinode position of the ultrasonic vibration, and the lower end surface 40A can be made to substantially coincide with the node position of the ultrasonic vibration. Thereby, the shortest configuration in the axial direction for maximizing the amplitude of the ultrasonic vibration of the upper end face 40B was realized. Moreover, the horn 20 to which the ultrasonic vibration from the piezo element 16 is directly inputted has little loss (attenuation etc.) of the ultrasonic vibration, and the ultrasonic vibration is efficiently propagated to the upper end surface 40B and the support surface 42A. can do.

さらに、スクイズ空気軸受10では、ホーン20の径方向の超音波放射面である支持面42Aが径方向に張り出した横振動伝達部42の外周面とされているため、ポアソン効果により径方向に伝播する超音波振動が他の部分との干渉等を受けることがなく、支持面42Aでの振幅を大きくすることができる。特に、縦振動伝達部40における上記した節位置である下端面40Aから径方向外側延設された横振動伝達部42は、該節位置から超音波振動が伝わるので、支持面42Aの径方向の振幅が大きくなりすく、しかも、縦振動伝達部40の軸心から支持面42Aまでの長さすなわち横振動伝達部42の半径がλ/4に設定されているので、該支持面42Aにおける径方向の振幅を最大化した(理論上の最大値に近づけた)構成が実現された。また、支持面42Aは、その上下(軸方向に沿った)幅の範囲に縦振動伝達部40における上記した節位置である下端面40Aが含まれる構成であるため、換言すれば、縦振動伝達部40の下端面40Aに対する軸方向両側に支持面42Aが跨って位置するため、径方向の振幅が大きい部分の面積が確保されている。   Further, in the squeeze air bearing 10, the support surface 42 </ b> A that is the ultrasonic radiation surface in the radial direction of the horn 20 is the outer peripheral surface of the lateral vibration transmitting portion 42 projecting in the radial direction, and thus propagates in the radial direction due to the Poisson effect. The ultrasonic vibration to be received is not subject to interference with other portions, and the amplitude at the support surface 42A can be increased. In particular, the lateral vibration transmitting portion 42 extending radially outward from the lower end surface 40A, which is the above-described node position in the longitudinal vibration transmitting portion 40, transmits ultrasonic vibration from the node position. The amplitude is likely to increase, and the length from the axial center of the longitudinal vibration transmitting portion 40 to the support surface 42A, that is, the radius of the lateral vibration transmitting portion 42 is set to λ / 4. A configuration has been realized in which the amplitude of is maximized (close to the theoretical maximum). Further, the support surface 42A has a configuration in which the lower end surface 40A that is the above-described node position in the longitudinal vibration transmission unit 40 is included in the range of the vertical (along the axial direction) width thereof, in other words, the longitudinal vibration transmission. Since the support surfaces 42A are located on both sides in the axial direction with respect to the lower end surface 40A of the portion 40, an area of a portion having a large radial amplitude is secured.

またここで、スクイズ空気軸受10では、金属ブロック18に設けたフランジ36が複数の支柱38を介して機台14に支持されているため、換言すれば、ホーン20は機台14に対する非拘束状態でピエゾ素子16から加振を受けるため、ピエゾ素子16からの超音波振動が上端面40B、支持面42A(この実施形態では、特に支持面42A)に効率的に伝播される。特に、金属ブロック18は、ブロック本体32の上端面32Aに沿って延設されたフランジ36において機台14に固定されているので、換言すれば、ピエゾ素子16との接触面すなわち超音波縦振動Vlの節位置(図2参照)のごく近傍で機台14に対し支持されるので超音波振動が機台14を介して機外に伝達されることが防止される。   Further, here, in the squeeze air bearing 10, the flange 36 provided on the metal block 18 is supported by the machine base 14 via a plurality of support columns 38. In other words, the horn 20 is in an unconstrained state with respect to the machine base 14. Therefore, the ultrasonic vibration from the piezo element 16 is efficiently propagated to the upper end surface 40B and the support surface 42A (in this embodiment, particularly the support surface 42A). In particular, the metal block 18 is fixed to the machine base 14 with a flange 36 extending along the upper end surface 32A of the block main body 32. In other words, the contact surface with the piezo element 16, that is, ultrasonic longitudinal vibration. Since it is supported with respect to the machine base 14 in the very vicinity of the node position of Vl (see FIG. 2), the ultrasonic vibration is prevented from being transmitted to the outside of the machine via the machine base 14.

以上により、スクイズ空気軸受10では、装置の小型化が図られ、超音波振動の減衰等による損失が少ないのでエネルギ効率が高く、支持剛性が高いといった効果が得られる。これらの点につき、図11に示す比較例に係るスクイズ空気軸受200と比較しつつ補足する。   As described above, in the squeeze air bearing 10, the apparatus can be downsized, and the loss due to attenuation of the ultrasonic vibration is small, so that the energy efficiency is high and the support rigidity is high. About these points, it supplements, comparing with the squeeze air bearing 200 which concerns on the comparative example shown in FIG.

先ず、図11に示すスクイズ空気軸受200について説明すると、スクイズ空気軸受200は、上下一対の金属ブロック202間にピエゾ素子16及び電極を挟み込んで構成された所謂ボルト締めランジュバン型の超音波振動子204と、一方の金属ブロック202の端面に接合されたホーン206とを含む。ホーン206は、縦振動伝達部208の長さが該縦振動伝達部208を軸方向に伝播する超音波振動の波長λの略1/2とされており、縦振動伝達部208は、下上の端面208A、208Bで超音波縦振動Vlの腹を生じ、上下方向中央部で超音波縦振動Vlの節を生じる。縦振動伝達部208の上端面208Bは、超音波振動することでテーブル部48との間にスクイズ空気膜を生成するようになっている。この縦振動伝達部208の上下方向中央部(超音波縦振動Vlの節位置)からは、横振動伝達部210が径方向外向きに延設されており、横振動伝達部210の円筒面である外周面は、超音波振動することで円筒部46との間にスクイズ空気膜を生成する支持面210Aとされている。横振動伝達部210の直径は、上記波長λの略1/2とされている。横振動伝達部210における内周側部分は、複数の支柱38を介して機台14に固定的に支持されている。複数の支柱38は、それぞれ上部が横振動伝達部210に設けられた孔210Bに挿入され、上端38Aが例えばビス止めによって孔底壁210Cに固着されている。   First, the squeeze air bearing 200 shown in FIG. 11 will be described. The squeeze air bearing 200 is a so-called bolted Langevin type ultrasonic vibrator 204 configured by sandwiching the piezoelectric element 16 and an electrode between a pair of upper and lower metal blocks 202. And a horn 206 joined to the end surface of one metal block 202. In the horn 206, the length of the longitudinal vibration transmission unit 208 is set to be approximately ½ of the wavelength λ of the ultrasonic vibration propagating in the axial direction through the longitudinal vibration transmission unit 208. The end surfaces 208A and 208B of the ultrasonic waves produce the antinodes of the ultrasonic longitudinal vibration Vl, and the nodes of the ultrasonic longitudinal vibration Vl are produced at the center in the vertical direction. The upper end surface 208 </ b> B of the longitudinal vibration transmitting unit 208 generates a squeeze air film between the table unit 48 and ultrasonic vibration. A lateral vibration transmitting portion 210 extends radially outward from the vertical center of the longitudinal vibration transmitting portion 208 (node position of the ultrasonic longitudinal vibration Vl). A certain outer peripheral surface serves as a support surface 210 </ b> A that generates a squeezed air film with the cylindrical portion 46 by ultrasonic vibration. The diameter of the lateral vibration transmission unit 210 is approximately ½ of the wavelength λ. An inner peripheral side portion of the lateral vibration transmission unit 210 is fixedly supported on the machine base 14 via a plurality of support columns 38. The upper portions of the plurality of support columns 38 are inserted into holes 210B provided in the lateral vibration transmission unit 210, and the upper ends 38A are fixed to the hole bottom wall 210C by screws, for example.

ところで、このスクイズ空気軸受200では、一対の金属ブロック202を有する超音波振動子204と、縦振動伝達部208の軸方向長さが略λ/2であるホーン206とを軸方向に直列して接合することで構成されているので、その全長が縦振動伝達部208を軸方向に伝播する超音波振動の略1波長分となる。これに対してスクイズ空気軸受10では、ピエゾ素子16をホーン20と金属ブロック18とで挟み込むため、縦振動伝達部40の軸方向長さを略λ/4としてホーン20を短縮し、また上側の金属ブロック202に相当する部品が不要となり、金属ブロック18の軸方向長さはλ/4以下にすることができるので、スクイズ空気軸受200と比較して軸方向長さを略λ/2程度にまで短縮することができた。同じピエゾ素子16を用いた試作品の比較では、スクイズ空気軸受200が超音波振動子204の下側のピエゾ素子16の下端から縦振動伝達部208の上端面208Bまでの長さL2≒116mmであったのに対し、スクイズ空気軸受10では、下側のピエゾ素子16の下端から縦振動伝達部40の上端面40Bまでの長さL≒57mmであり、略49%に短縮された。なお、これらの試作品では、横振動伝達部42、210の外径(λ/2に相当)は70mmに統一した。   By the way, in this squeeze air bearing 200, an ultrasonic vibrator 204 having a pair of metal blocks 202 and a horn 206 having a longitudinal vibration transmitting portion 208 having an axial length of approximately λ / 2 are connected in series in the axial direction. Since it is configured by joining, the total length is equivalent to approximately one wavelength of ultrasonic vibration propagating in the axial direction through the longitudinal vibration transmitting portion 208. On the other hand, in the squeeze air bearing 10, since the piezo element 16 is sandwiched between the horn 20 and the metal block 18, the horn 20 is shortened by setting the axial length of the longitudinal vibration transmitting portion 40 to approximately λ / 4, Parts corresponding to the metal block 202 are not required, and the axial length of the metal block 18 can be made λ / 4 or less, so that the axial length is about λ / 2 as compared with the squeeze air bearing 200. Was able to be shortened. In comparison of prototypes using the same piezo element 16, the squeeze air bearing 200 has a length L2≈116 mm from the lower end of the piezo element 16 on the lower side of the ultrasonic transducer 204 to the upper end surface 208B of the longitudinal vibration transmitting portion 208. In contrast, in the squeeze air bearing 10, the length L from the lower end of the lower piezo element 16 to the upper end surface 40B of the longitudinal vibration transmitting portion 40 is approximately 57 mm, which is reduced to approximately 49%. In these prototypes, the outer diameters (corresponding to λ / 2) of the lateral vibration transmitting portions 42 and 210 were unified to 70 mm.

また、スクイズ空気軸受200では、金属ブロック202とホーン206との接合部が超音波振動の伝達を阻害することが懸念される。さらに、スクイズ空気軸受200では、横振動伝達部210が複数の支柱38を介して機台14に固定されているため、換言すれば、超音波振動の節位置(径方向では縦振動伝達部208の軸心部)から離間した振動を生じる部位が機台14に対する支持部位となっているため、径方向の振動伝播が阻害されることが懸念される。そして、図3(B)には、上記したスクイズ空気軸受200の試作機を用いた実験結果が示されている。この図は、加振周波数に対するホーン206における上端面208B、支持面210Aの振幅応答が示されている。なお、各部の振幅測定には、ギャップセンサ(Philtec社製 光ファイバ式変位計D63H、周波数特性:DC〜50kHz)を用いた。この図3(B)から、スクイズ空気軸受200の試作品における軸方向、径方向の各共振周波数は、略43.3Hzであり、上端面208Bにおける軸方向の最大振幅(両振幅、以下同じ)が1.91μm、支持面210Aにおける径方向の最大振幅が略1.22μmであったことがわかる。   Further, in the squeeze air bearing 200, there is a concern that the joint between the metal block 202 and the horn 206 hinders transmission of ultrasonic vibration. Further, in the squeeze air bearing 200, the lateral vibration transmission unit 210 is fixed to the machine base 14 via the plurality of support columns 38. In other words, the node position of the ultrasonic vibration (the longitudinal vibration transmission unit 208 in the radial direction). Since the part that generates the vibration separated from the axial center part of the machine part 14 is a support part for the machine base 14, there is a concern that the vibration propagation in the radial direction is hindered. FIG. 3B shows the experimental results using the prototype squeeze air bearing 200 described above. This figure shows the amplitude response of the upper end surface 208B and the support surface 210A of the horn 206 with respect to the excitation frequency. In addition, the gap sensor (The optical fiber type displacement meter D63H by Philtec, frequency characteristics: DC-50kHz) was used for the amplitude measurement of each part. From FIG. 3B, the axial and radial resonance frequencies in the prototype of the squeeze air bearing 200 are approximately 43.3 Hz, and the maximum axial amplitude at the upper end surface 208B (both amplitudes, the same applies hereinafter). It was found that the maximum amplitude in the radial direction on the support surface 210A was approximately 1.22 μm.

一方、図3(A)には、スクイズ空気軸受10の試作品についての同条件での実験結果を示している。この図3(A)からは、スクイズ空気軸受10の試作品における軸方向、径方向の各共振周波数は、略45.3Hzであり、上端面40Bの最大振幅(両振幅、以下同じ)が1.97μm、支持面42Aの最大振幅が略1.83μmであったことがわかる。   On the other hand, FIG. 3 (A) shows an experimental result under the same conditions for a prototype of the squeeze air bearing 10. From FIG. 3A, the axial and radial resonance frequencies in the prototype of the squeeze air bearing 10 are approximately 45.3 Hz, and the maximum amplitude (both amplitudes, hereinafter the same) of the upper end surface 40B is 1. It can be seen that the maximum amplitude of the support surface 42A was about 1.83 μm.

スクイズ空気軸受10において、軸方向の最大振幅がスクイズ空気軸受200に対し向上(略3%増加)しているのは、ピエゾ素子16をホーン20と金属ブロック18とで挟み込んだことにより、超音波振動子204とホーン206との接合部による振動伝達の損失がなくなったことに主に起因する。また、スクイズ空気軸受10において、軸方向の最大振幅に対する径方向の最大振幅の比(略93%)が、スクイズ空気軸受200における軸方向の最大振幅に対する径方向の最大振幅の比(略64%)に対し大幅に向上しているのは、ホーン20を機台14に対し直接的に拘束せず、金属ブロック18を介して機台14に固定することで、横振動伝達部210を機台14に固定したことにより生じていた径方向の振動伝達の阻害要因が排除されたことに主に起因する。   In the squeeze air bearing 10, the maximum axial amplitude is improved (substantially increased by 3%) compared to the squeeze air bearing 200 because the piezo element 16 is sandwiched between the horn 20 and the metal block 18. This is mainly due to the loss of vibration transmission caused by the joint between the vibrator 204 and the horn 206. In the squeeze air bearing 10, the ratio of the maximum radial amplitude to the maximum axial amplitude (approximately 93%) is the ratio of the maximum radial amplitude to the maximum axial amplitude in the squeeze air bearing 200 (approximately 64%). The horn 20 is not directly restrained with respect to the machine base 14 but is fixed to the machine base 14 via the metal block 18 so that the lateral vibration transmission unit 210 is mounted on the machine base. This is mainly due to the elimination of the factor for inhibiting the vibration transmission in the radial direction, which has been caused by fixing to 14.

そして、スクイズ空気軸受10では、スクイズ空気軸受200と比較して径方向の最大振幅が増加(略150%)したことにより、回転浮上体12のラジアル方向の支持剛性を向上することが実現された。具体的には、スクイズ空気軸受200の試作機で1.18N/μmであったラジアル方向の支持剛性が、スクイズ空気軸受10の試作機では、2.11N/μmとなり、スクイズ空気軸受200に対し略79%の剛性向上が図られた。   In the squeeze air bearing 10, the radial maximum amplitude in the radial direction is increased (approximately 150%) as compared with the squeeze air bearing 200, thereby improving the radial support rigidity of the rotating levitated body 12. . Specifically, the radial support rigidity of the squeeze air bearing 200 prototype was 1.18 N / μm, and the squeeze air bearing 10 prototype is 2.11 N / μm, which is smaller than that of the squeeze air bearing 200. The rigidity was improved by about 79%.

以上説明したように、本発明の第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10では、比較例に係るスクイズ空気軸受200と比較して、性能を向上しながら小型化を図ることが実現された。また、スクイズ空気軸受10では、加振周波数を高めて波長λを短くすることで、さらなる小型化が可能となる。   As described above, in the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment of the present invention, as compared with the squeeze air bearing 200 according to the comparative example, it is realized that the size reduction is achieved while improving the performance. Further, the squeeze air bearing 10 can be further downsized by increasing the excitation frequency and shortening the wavelength λ.

次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、上記第1の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。   Next, another embodiment of the present invention will be described. Note that parts / parts that are basically the same as those in the first embodiment or the previous configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment or the previous configuration, and description thereof is omitted. Illustration may be omitted.

(第2の実施形態)
図4には、第2の実施形態に係るスクイズ空気軸受50が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気軸受50は、ホーン52が、円筒面である支持面42Aを有する横振動伝達部42に代えて、テーパ状の支持面54A、54Bを有する横振動伝達部54を有する点で、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10とは異なる。以下、具体的に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a squeeze air bearing 50 according to the second embodiment. As shown in this figure, in the squeeze air bearing 50, a horn 52 is replaced with a lateral vibration transmission portion 42 having a support surface 42A which is a cylindrical surface, and a lateral vibration transmission portion 54 having tapered support surfaces 54A and 54B. This is different from the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment. This will be specifically described below.

横振動伝達部54は、縦振動伝達部40の下端部から径方向外向きに全周に亘って延設されており、縦振動伝達部40の下端面40Aよりも上側に位置する上部54Cの外周面が、径方向外側及び上側を共に向く上向き支持面54Aとされると共に、縦振動伝達部40の下端面40Aの下端面40Aよりも下側に位置する下部54Dの外周面が、径方向外側及び下側を共に向く下向き支持面54Bとされている。この実施形態では、上向き支持面54A、下向き支持面54Bは、それぞれ縦振動伝達部40の軸心からの平均距離(半径)がλ/4とされている。   The lateral vibration transmission portion 54 extends from the lower end portion of the longitudinal vibration transmission portion 40 over the entire circumference in the radial direction, and the upper portion 54C of the upper portion 54C located above the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmission portion 40 is extended. The outer peripheral surface is an upward support surface 54A facing both the radially outer side and the upper side, and the outer peripheral surface of the lower portion 54D located below the lower end surface 40A of the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmitting portion 40 is the radial direction. It is set as the downward support surface 54B which faces both the outer side and the lower side. In this embodiment, the upward support surface 54A and the downward support surface 54B each have an average distance (radius) from the axial center of the longitudinal vibration transmitting portion 40 of λ / 4.

一方、回転浮上体12は、円筒部46に代えて円筒部56を有している。円筒部56の下向き開口端は、面取り形状とされており、上向き支持面54Aと対向して該上向き支持面54Aとの間にスクイズ空気膜を生成し得るテーパ面56Aとされている。また、円筒部56の開口端には、リング部材58が同軸的に接合されている。リング部材58の内縁形状は、下向き支持面54Bと対向して該下向き支持面54Bとの間にスクイズ空気膜を生成し得るテーパ面58Aとされている。   On the other hand, the rotating levitated body 12 has a cylindrical portion 56 instead of the cylindrical portion 46. The downward opening end of the cylindrical portion 56 has a chamfered shape, and is a tapered surface 56A that faces the upward support surface 54A and can generate a squeeze air film between the upward support surface 54A. A ring member 58 is coaxially joined to the open end of the cylindrical portion 56. An inner edge shape of the ring member 58 is a tapered surface 58A that can face the downward support surface 54B and generate a squeeze air film between the downward support surface 54B.

スクイズ空気軸受50における他の構成は、図示しない部分を含め、スクイズ空気軸受10の対応する構成と同じである。したがって、スクイズ空気軸受50では、小型化、支持剛性の向上(上向き支持面54A、下向き支持面54Bでの振幅増加)に係る作用効果は、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10と同じである。   Other configurations of the squeeze air bearing 50 are the same as the corresponding configurations of the squeeze air bearing 10 including a portion not shown. Therefore, the squeeze air bearing 50 has the same effects as the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment in terms of downsizing and improvement in support rigidity (increase in amplitude on the upward support surface 54A and the downward support surface 54B). is there.

上記構成のスクイズ空気軸受50では、ピエゾ素子16に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子16は印加電圧の周波数に応じた周波数の超音波振動を生じる。この超音波振動は、縦振動伝達部40の下端面40Aからホーン20に入力され、縦振動伝達部40を軸方向に伝播し、また横振動伝達部54のポアソン効果によって振動方向が90°変換されて該横振動伝達部54を径方向に伝播する。縦振動伝達部40を伝播した超音波縦振動Vlは、縦振動伝達部40の上端面40Bに超音波振動を生じさせて回転浮上体12のテーブル部48との間にスクイズ空気膜を生成し、横振動伝達部54を伝播した超音波横振動Vrは、上向き支持面54A、下向き支持面54Bに超音波振動を生じさせて回転浮上体12のテーパ面56A、58Aとの間にそれぞれスクイズ空気膜を生成する。   In the squeeze air bearing 50 having the above-described configuration, when an alternating voltage is applied to the piezo element 16, the piezo element 16 generates ultrasonic vibration having a frequency corresponding to the frequency of the applied voltage. This ultrasonic vibration is input to the horn 20 from the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmission unit 40, propagates in the longitudinal vibration transmission unit 40 in the axial direction, and the vibration direction is converted by 90 ° by the Poisson effect of the lateral vibration transmission unit 54. Thus, the lateral vibration transmitting portion 54 propagates in the radial direction. The ultrasonic longitudinal vibration Vl propagated through the longitudinal vibration transmitting unit 40 generates ultrasonic vibrations on the upper end surface 40B of the longitudinal vibration transmitting unit 40 to generate a squeeze air film between the table 48 of the rotating levitated body 12. The ultrasonic transverse vibration Vr propagated through the transverse vibration transmitting portion 54 causes ultrasonic vibrations on the upward support surface 54A and the downward support surface 54B, and squeezed air between the taper surfaces 56A and 58A of the rotating levitated body 12. Create a film.

これにより、回転浮上体12は、スラスト方向及びラジアル方向共にホーン20すなわち機台14に対し非接触で(浮上して)、自軸廻りに回転自在に支持されると共に残余の5自由度が拘束される。特に、スクイズ空気軸受50では、回転浮上体12は、その下向きの変位が(自由度)が上端面40Bとの間に生成されるスクイズ空気膜、及び上向き支持面54Aとテーパ面56Aとの間に生成されるスクイズ空気膜によって拘束され、その上向きの変位が下向き支持面54Bとテーパ面58Aとの間に生成されるスクイズ空気膜によって拘束される。すなわち、スクイズ空気軸受50では、回転浮上体12のスラスト方向(上側)の拘束もスクイズ空気膜によって成される。   As a result, the rotating levitated body 12 is non-contacting (floating) with respect to the horn 20, that is, the machine base 14 in both the thrust direction and the radial direction, and is supported rotatably around its own axis, and the remaining five degrees of freedom are constrained. Is done. In particular, in the squeeze air bearing 50, the rotary levitation body 12 has a downward displacement (degree of freedom) generated between the upper end surface 40B and a squeeze air film between the upward support surface 54A and the tapered surface 56A. The upward displacement is restrained by the squeeze air film generated between the downward support surface 54B and the tapered surface 58A. That is, in the squeeze air bearing 50, the thrust in the thrust direction (upper side) of the rotating levitated body 12 is also formed by the squeeze air film.

(第3の実施形態)
図5には、第3の実施形態に係るスクイズ空気軸受60が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気軸受60は、ホーン62が、円筒面のみで構成された支持面42Aを有する横振動伝達部42に代えて、円筒面である支持面64Aの下側にテーパ状の支持面64Bを有する横振動伝達部64を有する点で、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10とは異なる。以下、具体的に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a sectional view showing a squeeze air bearing 60 according to the third embodiment. As shown in this figure, in the squeeze air bearing 60, the horn 62 is tapered to the lower side of the support surface 64A which is a cylindrical surface, instead of the lateral vibration transmitting portion 42 having the support surface 42A constituted only by the cylindrical surface. The squeeze air bearing 10 according to the first embodiment is different from the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment in that it has a lateral vibration transmitting portion 64 having a support surface 64B. This will be specifically described below.

横振動伝達部64は、縦振動伝達部40の下端部から径方向外向きに全周に亘って延設されており、その外周面における下部を除く部分が、縦振動伝達部40の軸心からの距離(半径)がλ/4とされた支持面64Aである。横振動伝達部64の外周面における支持面64Aの下側部分は、径方向外側及び下側を共に向くテーパ状のテーパ支持面64Bとされている。   The lateral vibration transmitting portion 64 extends from the lower end portion of the longitudinal vibration transmitting portion 40 over the entire circumference in the radial direction, and the portion other than the lower portion on the outer peripheral surface is the axis of the longitudinal vibration transmitting portion 40. 64A is a support surface 64A having a distance (radius) from λ / 4. The lower portion of the support surface 64A on the outer peripheral surface of the lateral vibration transmitting portion 64 is a tapered support surface 64B that faces both the radially outer side and the lower side.

一方、回転浮上体12は、円筒部46の下端近傍の内周面46Aが支持面64Aとの間にスクイズ空気膜を生成するようになっており、この横振動伝達部64の開口端には、リング部材66が同軸的に接合されている。リング部材66の内縁形状は、テーパ支持面64Bと対向して該テーパ支持面64Bとの間にスクイズ空気膜を生成し得るテーパ面66Aとされている。   On the other hand, the rotating levitated body 12 generates a squeezed air film between the inner peripheral surface 46A near the lower end of the cylindrical portion 46 and the support surface 64A. The ring member 66 is joined coaxially. An inner edge shape of the ring member 66 is a tapered surface 66A that faces the tapered support surface 64B and can generate a squeeze air film between the tapered support surface 64B.

スクイズ空気軸受60における他の構成は、図示しない部分を含め、スクイズ空気軸受10の対応する構成と同じである。したがって、スクイズ空気軸受60では、小型化、支持剛性の向上(支持面64A、テーパ状の支持面64Bでの振幅増加)に係る作用効果は、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10と同じである。   Other configurations of the squeeze air bearing 60 are the same as the corresponding configurations of the squeeze air bearing 10 including a portion not shown. Therefore, in the squeeze air bearing 60, the effects related to the downsizing and the improvement of the support rigidity (increase in amplitude at the support surface 64A and the tapered support surface 64B) are the same as those of the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment. It is.

上記構成のスクイズ空気軸受60では、ピエゾ素子16に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子16は印加電圧の周波数に応じた周波数の超音波振動を生じる。この超音波振動は、縦振動伝達部40の下端面40Aからホーン20に入力され、縦振動伝達部40を軸方向に伝播し、また横振動伝達部64のポアソン効果によって振動方向が90°変換されて該横振動伝達部64を径方向に伝播する。縦振動伝達部40を伝播した超音波縦振動Vlは、縦振動伝達部40の上端面40Bに超音波振動を生じさせて回転浮上体12のテーブル部48との間にスクイズ空気膜を生成し、横振動伝達部64を伝播した超音波横振動Vrは、支持面64A、64Bに超音波振動を生じさせて回転浮上体12の円筒部46の内周面46A、リング部材66のテーパ面66Aとの間にそれぞれスクイズ空気膜を生成する。   In the squeeze air bearing 60 having the above-described configuration, when an alternating voltage is applied to the piezo element 16, the piezo element 16 generates ultrasonic vibration having a frequency corresponding to the frequency of the applied voltage. This ultrasonic vibration is input to the horn 20 from the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmission unit 40, propagates in the longitudinal vibration transmission unit 40 in the axial direction, and the vibration direction is converted by 90 ° by the Poisson effect of the lateral vibration transmission unit 64. As a result, the lateral vibration transmitting portion 64 propagates in the radial direction. The ultrasonic longitudinal vibration Vl propagated through the longitudinal vibration transmitting unit 40 generates ultrasonic vibrations on the upper end surface 40B of the longitudinal vibration transmitting unit 40 to generate a squeeze air film between the table 48 of the rotating levitated body 12. The ultrasonic transverse vibration Vr propagated through the transverse vibration transmitting portion 64 generates ultrasonic vibrations on the support surfaces 64A and 64B, and the inner peripheral surface 46A of the cylindrical portion 46 of the rotating levitated body 12 and the tapered surface 66A of the ring member 66. A squeeze air film is generated between each of the two.

これにより、回転浮上体12は、スラスト方向及びラジアル方向共にホーン20すなわち機台14に対し非接触で(浮上して)、自軸廻りに回転自在に支持されると共に残余の5自由度が拘束される。特に、スクイズ空気軸受60では、回転浮上体12は、その下向きの変位が(自由度)が上端面40Bとの間に生成されるスクイズ空気膜によって拘束され、その上向きの変位がテーパ支持面64Bとテーパ面66Aとの間に生成されるスクイズ空気膜によって拘束される。すなわち、スクイズ空気軸受60では、回転浮上体12のスラスト方向(上側)の拘束もスクイズ空気膜によって成される。   As a result, the rotating levitated body 12 is non-contacting (floating) with respect to the horn 20, that is, the machine base 14 in both the thrust direction and the radial direction, and is supported rotatably around its own axis, and the remaining five degrees of freedom are constrained. Is done. In particular, in the squeeze air bearing 60, the rotary levitation body 12 has a downward displacement (degree of freedom) constrained by a squeeze air film generated between the upper end surface 40B and the upward displacement is a tapered support surface 64B. Is constrained by a squeeze air film generated between the taper surface 66A and the tapered surface 66A. That is, in the squeeze air bearing 60, the thrust levitation body 12 in the thrust direction (upper side) is also formed by the squeeze air film.

(第4の実施形態)
図6(A)には、第4の実施形態に係る非接触支持としてのスクイズ空気リニアガイド70が横断面図にて示されており、図6(B)には、スクイズ空気リニアガイド70が縦断面図にて示されている。これらの図に示される如く、スクイズ空気リニアガイド70は、第2部材又は被支持体としてのスライダ72を機台14に対し軸方向に変位可能に非接触で支持するものである点で、回転浮上体12を機台14に対し回転自在に支持するスクイズ空気軸受10、50、60とは異なる。
(Fourth embodiment)
FIG. 6A shows a squeeze air linear guide 70 as a non-contact support according to the fourth embodiment in a cross-sectional view, and FIG. 6B shows the squeeze air linear guide 70. It is shown in a longitudinal section. As shown in these drawings, the squeeze air linear guide 70 rotates in that the slider 72 as a second member or a supported body is supported so as to be displaceable in the axial direction with respect to the machine base 14 in a non-contact manner. This is different from the squeeze air bearings 10, 50, 60 that support the floating body 12 rotatably with respect to the machine base 14.

スクイズ空気リニアガイド70は、ホーン74を備えている。ホーン74は、軸方向を水平方向に略一致させて配置された縦振動伝達部76を備えている。縦振動伝達部76は、その軸方向両端面76Aと金属ブロック18との間にピエゾ素子16及び電極を挟み込んでいる。縦振動伝達部76の軸方向長さは、該縦振動伝達部76を伝播する超音波振動の波長λの略1/2(λ/4の2倍)とされている。これにより、縦振動伝達部76では、軸方向中央部が超音波振動の腹位置となり、軸方向の各端面76Aがそれぞれ超音波振動の節位置となる構成である(図6(A)の超音波縦振動Vl参照)。   The squeeze air linear guide 70 includes a horn 74. The horn 74 includes a longitudinal vibration transmission unit 76 that is disposed with its axial direction substantially aligned with the horizontal direction. The longitudinal vibration transmitting unit 76 sandwiches the piezo element 16 and the electrode between the axial end surfaces 76 </ b> A and the metal block 18. The length in the axial direction of the longitudinal vibration transmission unit 76 is approximately ½ of the wavelength λ of ultrasonic vibration propagating through the longitudinal vibration transmission unit 76 (twice as long as λ / 4). As a result, the longitudinal vibration transmission unit 76 has a configuration in which the central portion in the axial direction becomes the antinode position of the ultrasonic vibration, and each end surface 76A in the axial direction becomes the node position of the ultrasonic vibration (FIG. 6A). Sonic longitudinal vibration Vl).

そして、ホーン74は、縦振動伝達部76における上記超音波振動の節となる位置すなわち軸方向両端部から、径方向に張り出した張出部としての横振動伝達部78を有する。横振動伝達部78は、図6(B)及び図7に示される如く、軸方向視で略正方形状に形成されている。横振動伝達部78の外周面は、支持面78Aとされている。この実施形態では、縦振動伝達部40の軸心から横振動伝達部78の外周面までの平均距離が略λ/4とされている。ホーン74の横振動伝達部78は、第1の実施形態における横振動伝達部42と同様に、軸方向両端面76Aに対し軸方向の両側に位置する幅を有する。   The horn 74 has a lateral vibration transmitting portion 78 as a projecting portion projecting in the radial direction from the position of the ultrasonic vibration in the longitudinal vibration transmitting portion 76, that is, from both axial end portions. As shown in FIGS. 6B and 7, the lateral vibration transmitting portion 78 is formed in a substantially square shape when viewed in the axial direction. An outer peripheral surface of the lateral vibration transmitting portion 78 is a support surface 78A. In this embodiment, the average distance from the axial center of the longitudinal vibration transmission unit 40 to the outer peripheral surface of the lateral vibration transmission unit 78 is approximately λ / 4. The lateral vibration transmission portion 78 of the horn 74 has a width located on both sides in the axial direction with respect to the axial end surfaces 76A, similarly to the lateral vibration transmission portion 42 in the first embodiment.

また、スクイズ空気リニアガイド70では、それぞれ水平に配置された各金属ブロック18のフランジ36は、支持梁80を介してブラケット82に支持されており、ブラケット82が機台に固定されている。   In the squeeze air linear guide 70, the flange 36 of each metal block 18 arranged horizontally is supported by a bracket 82 via a support beam 80, and the bracket 82 is fixed to the machine base.

スライダ72は、矩形筒状に形成されており、支持面78Aの各面と所定間隔をもって対向し得るように形成されている。この実施形態では、図6(B)に示される如く、スライダ72は、一対の側壁部材84の上端間を天板部材86にて架け渡すと共に、一対の側壁部材84の下端間を底板部材88にて架け渡して構成されている。   The slider 72 is formed in a rectangular cylindrical shape, and is formed so as to face each surface of the support surface 78A with a predetermined interval. In this embodiment, as shown in FIG. 6B, the slider 72 spans between the upper ends of the pair of side wall members 84 by the top plate member 86 and also the bottom plate member 88 between the lower ends of the pair of side wall members 84. It is constructed over the bridge.

上記構成のスクイズ空気リニアガイド70では、軸方向両側のピエゾ素子16を同期して駆動すると、ホーン74の縦振動伝達部76には軸方向に超音波振動が伝播し、各軸方向両端面76Aはこの超音波引導の節位置となる。ホーン74の各横振動伝達部78は、この超音波振動による変形に伴いポアソン効果によって該超音波振動の伝播方向を90°変換し、支持面78Aに超音波振動を生じさせる。すると、支持面78Aとスライダ72(一対の側壁部材84、天板部材86、底板部材88)の内面との間にはスクイズ空気膜が生成され、スライダ72は、非接触で、機台14に対する軸方向の移動が許容されると共に残余の5自由度が拘束される。   In the squeezed air linear guide 70 configured as described above, when the piezoelectric elements 16 on both sides in the axial direction are driven in synchronization, ultrasonic vibration propagates in the longitudinal vibration transmitting portion 76 of the horn 74 in the axial direction, and both axial end surfaces 76A. Is the node position of this ultrasonic guidance. Each lateral vibration transmitting portion 78 of the horn 74 transforms the propagation direction of the ultrasonic vibration by 90 ° by the Poisson effect along with the deformation due to the ultrasonic vibration, and generates the ultrasonic vibration on the support surface 78A. Then, a squeeze air film is generated between the support surface 78A and the inner surface of the slider 72 (the pair of side wall members 84, the top plate member 86, and the bottom plate member 88), and the slider 72 is not in contact with the machine base 14. Axial movement is allowed and the remaining five degrees of freedom are constrained.

ここで、スクイズ空気リニアガイド70では、ホーン74の軸方向両端面76Aにピエゾ素子16が生じた超音波振動が直接的に入力されるため、軸方向の寸法が大幅に短縮された。そして、スクイズ空気リニアガイド70では、縦振動伝達部76の軸方向に沿った長さが、該縦振動伝達部76を軸方向に伝播する超音波振動の波長λの略1/2であるため、超音波振動の節を2つ有しながら、略1波長程度(λと同等)に短くした構成が実現された。これにより、軸方向に離間した2箇所に支持面78A(横振動伝達部78)を設け、スライダ72を安定して軸方向に移動可能に支持することができる。しかも、ピエゾ素子16からの超音波振動が直接的に入力されるホーン20は、超音波振動の損失(減衰等)が少なく、該超音波振動を効率的に上端面40B、支持面42Aまで伝播することができる。   Here, in the squeezed air linear guide 70, since the ultrasonic vibration generated by the piezo element 16 is directly input to both axial end surfaces 76A of the horn 74, the dimension in the axial direction is greatly reduced. In the squeezed air linear guide 70, the length along the axial direction of the longitudinal vibration transmitting portion 76 is approximately ½ of the wavelength λ of the ultrasonic vibration propagating through the longitudinal vibration transmitting portion 76 in the axial direction. Thus, a configuration in which there are two nodes of ultrasonic vibration and the length is shortened to about one wavelength (equivalent to λ) was realized. As a result, the support surfaces 78A (lateral vibration transmitting portions 78) are provided at two locations spaced apart in the axial direction, and the slider 72 can be stably supported so as to be movable in the axial direction. Moreover, the horn 20 to which the ultrasonic vibration from the piezo element 16 is directly inputted has little loss (attenuation etc.) of the ultrasonic vibration, and the ultrasonic vibration is efficiently propagated to the upper end surface 40B and the support surface 42A. can do.

さらに、スクイズ空気リニアガイド70では、ホーン74の径方向の超音波放射面である支持面78Aが径方向に張り出した横振動伝達部78の外周面とされているため、ポアソン効果により径方向に伝播する超音波振動が他の部分(2つの横振動伝達部78間の部分)との干渉等を受けることがなく、支持面78Aでの振幅を大きくすることができる。特に、縦振動伝達部76における上記した節位置である軸方向の各端面76Aから径方向外側延設された各横振動伝達部78は、該節位置から超音波振動が伝わるので、支持面78Aの径方向の振幅が大きくなりすく、しかも、縦振動伝達部76の軸心から78Aまでの平均長さが略λ/4に設定されているので、該支持面78Aにおける径方向の振幅をほぼ最大化した(理論上の最大値に近づけた)構成が実現された。また、支持面78Aは、その軸方向に沿った幅の範囲に縦振動伝達部78における上記した節位置である端面76Aが含まれる構成であるため、径方向の振幅が大きい部分の面積が確保されている。   Further, in the squeeze air linear guide 70, the support surface 78A, which is the radial ultrasonic radiation surface of the horn 74, is the outer peripheral surface of the lateral vibration transmitting portion 78 projecting in the radial direction. The propagating ultrasonic vibration does not receive interference with other portions (portions between the two lateral vibration transmitting portions 78), and the amplitude at the support surface 78A can be increased. In particular, each lateral vibration transmitting portion 78 extending radially outward from each axial end surface 76A, which is the above-described node position in the longitudinal vibration transmitting portion 76, transmits ultrasonic vibration from the node position, and thus the support surface 78A. In addition, since the average length from the axial center of the longitudinal vibration transmitting portion 76 to 78A is set to about λ / 4, the radial amplitude on the support surface 78A is almost the same. A maximized configuration (close to the theoretical maximum) was realized. Further, since the support surface 78A is configured to include the end surface 76A that is the above-described node position in the longitudinal vibration transmitting portion 78 in the range of the width along the axial direction, an area of a portion having a large radial amplitude is secured. Has been.

またここで、スクイズ空気リニアガイド70では、金属ブロック18に設けたフランジ36が複数の支持梁80及びブラケット82を介して機台14に支持されているため、換言すれば、ホーン74が機台14に対する非拘束状態で16から加振を受けるため、ピエゾ素子16からの超音波振動が支持面78Aに効率的に伝播される。特に、金属ブロック18は、ブロック本体32の上端面32Aに沿って延設されたフランジ36において機台14に固定されているので、超音波振動が機台14を介して機外に伝達されることが防止される。   Here, in the squeeze air linear guide 70, the flange 36 provided on the metal block 18 is supported by the machine base 14 via a plurality of support beams 80 and brackets 82. In other words, the horn 74 is mounted on the machine base. 14 receives vibration from 16 in an unconstrained state with respect to 14, so that the ultrasonic vibration from the piezo element 16 is efficiently propagated to the support surface 78A. In particular, since the metal block 18 is fixed to the machine base 14 with a flange 36 extending along the upper end surface 32A of the block main body 32, the ultrasonic vibration is transmitted to the outside of the machine via the machine base 14. It is prevented.

以上により、スクイズ空気リニアガイド70では、装置の小型化が図られ、超音波振動の減衰等による損失が少ないのでエネルギ効率が高く、支持剛性が高いといった効果が得られる。これらの点につき、図12(A)及び図12(B)に示す比較例に係るスクイズ空気リニアガイド300と比較しつつ補足する。   As described above, in the squeeze air linear guide 70, the apparatus can be downsized, and the loss due to attenuation of the ultrasonic vibration is small, so that the energy efficiency is high and the support rigidity is high. These points will be supplemented while comparing with the squeeze air linear guide 300 according to the comparative example shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B).

先ず、図12に示すスクイズ空気リニアガイド300について説明すると、スクイズ空気リニアガイド300は、2つのボルト締めランジュバン型の超音波振動子204が軸方向の両端にそれぞれに接合されたホーン302を備える。ホーン302は、縦振動伝達部304の長さが該縦振動伝達部304を軸方向に伝播する超音波振動の波長λと同等とされており、縦振動伝達部304は、軸方向の両端面304A及び中央部で超音波振動の腹を生じ、軸方向の両端面304Aからの軸方向の距離が略λ/4の位置で超音波振動の節を生じる。縦振動伝達部304における上記した振動の節が生じる軸方向位置部からは、軸方向氏で略正方形状に形成された横振動伝達部306が径方向外向きに延設されており、横振動伝達部306外周面は、超音波振動することでスライダ72との間にスクイズ空気膜を生成する支持面306Aとされている。縦振動伝達部304の軸心から支持面306Aまでの平均距離は、上記波長λの略1/4とされている。また、横振動伝達部210は、複数の支持梁80及びブラケット82を介して機台14に固定的に支持されている。複数の支持梁80は、それぞれ一部が306に設けられた孔306Bに挿入され、自由端80Aが例えばビス止めによって孔底壁306Cに固着されている。したがって、比較例に係るスクイズ空気リニアガイド300においても、非接触でスライダ72を機台14に対し軸方向の変位(スライド)可能にかつ残余の5自由度を拘束するように支持することができる。   First, the squeeze air linear guide 300 shown in FIG. 12 will be described. The squeeze air linear guide 300 includes horns 302 in which two bolted Langevin type ultrasonic transducers 204 are joined to both ends in the axial direction. In the horn 302, the length of the longitudinal vibration transmitting portion 304 is equal to the wavelength λ of ultrasonic vibration propagating through the longitudinal vibration transmitting portion 304 in the axial direction, and the longitudinal vibration transmitting portion 304 has both end surfaces in the axial direction. An antinode of ultrasonic vibration is generated at 304A and the central portion, and a node of ultrasonic vibration is generated at a position where the axial distance from both axial end faces 304A is approximately λ / 4. A lateral vibration transmitting portion 306 formed in a substantially square shape in the axial direction is extended radially outward from an axial position portion where the vibration node in the longitudinal vibration transmitting portion 304 is generated. The outer peripheral surface of the transmission portion 306 is a support surface 306A that generates a squeezed air film between the slider 72 and the slider 72 by ultrasonic vibration. The average distance from the axial center of the longitudinal vibration transmitting unit 304 to the support surface 306A is approximately ¼ of the wavelength λ. Further, the lateral vibration transmission unit 210 is fixedly supported on the machine base 14 via a plurality of support beams 80 and a bracket 82. Each of the plurality of support beams 80 is inserted into a hole 306B provided in part 306, and the free end 80A is fixed to the hole bottom wall 306C by, for example, screwing. Therefore, also in the squeeze air linear guide 300 according to the comparative example, the slider 72 can be supported in a non-contact manner so as to be axially displaceable (slidable) with respect to the machine base 14 and to constrain the remaining five degrees of freedom. .

ところで、このスクイズ空気リニアガイド300では、一対の超音波振動子204と、縦振動伝達部304の軸方向長さがλであるホーン302とを軸方向に直列して接合することで構成されているので、その全長が縦振動伝達部304を軸方向に伝播する超音波振動の略2波長分となる。これに対してスクイズ空気リニアガイド70では、ピエゾ素子16をホーン74と金属ブロック18とで挟み込むため、縦振動伝達部76の軸方向長さをλ/2としてホーン74を短縮し、また縦振動伝達部304との接合側の金属ブロック202に相当する部品が不要となり、さらに金属ブロック18の軸方向長さはλ/4以下にすることができるので、スクイズ空気リニアガイド300と比較して軸方向長さを大幅に短縮することができた。   By the way, this squeezed air linear guide 300 is configured by joining a pair of ultrasonic transducers 204 and a horn 302 having a longitudinal vibration transmission portion 304 having an axial length of λ in series in the axial direction. Therefore, the total length is approximately two wavelengths of ultrasonic vibrations propagating in the axial direction through the longitudinal vibration transmitting unit 304. On the other hand, in the squeeze air linear guide 70, since the piezo element 16 is sandwiched between the horn 74 and the metal block 18, the length of the longitudinal vibration transmitting portion 76 in the axial direction is set to λ / 2, and the horn 74 is shortened. A part corresponding to the metal block 202 on the joint side with the transmission unit 304 is not required, and the length of the metal block 18 in the axial direction can be λ / 4 or less. The direction length could be greatly reduced.

また、スクイズ空気リニアガイド70では、超音波振動子204と縦振動伝達部304との接合部に相当する振動伝達阻害部が存在しないので、ピエゾ素子16からホーン74に効率よく超音波振動が伝達される。そして、金属ブロック18において機台14に支持されるスクイズ空気リニアガイド70では、横振動伝達部78すなわちホーン74が機台14に対する非拘束状態でピエゾ素子16から加振を受けるので、横振動伝達部306において機台14に支持されるスクイズ空気リニアガイド300のように径方向振動の伝播が阻害されることがなく、支持面78Aの径方向振幅を支持面306Aの径方向振幅と比較して大幅に増加することができる。これにより、スクイズ空気リニアガイド70では、スクイズ空気リニアガイド300と比較してスライダ72の支持剛性が向上する。   Further, in the squeeze air linear guide 70, there is no vibration transmission hindrance corresponding to the joint between the ultrasonic transducer 204 and the longitudinal vibration transmission unit 304, so that ultrasonic vibration is efficiently transmitted from the piezo element 16 to the horn 74. Is done. In the squeeze air linear guide 70 supported by the machine base 14 in the metal block 18, the lateral vibration transmission unit 78, that is, the horn 74 receives vibration from the piezo element 16 in an unconstrained state with respect to the machine base 14. Unlike the squeeze air linear guide 300 supported by the machine base 14 in the part 306, the propagation of radial vibration is not hindered, and the radial amplitude of the support surface 78A is compared with the radial amplitude of the support surface 306A. Can be significantly increased. Thereby, in the squeeze air linear guide 70, the support rigidity of the slider 72 is improved as compared with the squeeze air linear guide 300.

以上説明したように、本発明の第4の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイド70では、比較例に係るスクイズ空気リニアガイド300と比較して、性能を向上しながら小型化を図ることが実現された。また、スクイズ空気リニアガイド70では、加振周波数を高めて波長λを短くすることで、更なる小型化が可能となる。   As described above, the squeeze air linear guide 70 according to the fourth embodiment of the present invention achieves downsizing while improving performance as compared with the squeeze air linear guide 300 according to the comparative example. It was. Further, the squeezed air linear guide 70 can be further downsized by increasing the excitation frequency and shortening the wavelength λ.

(第5の実施形態)
図8には、第5の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイド90が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気リニアガイド90は、被支持体としてのスライダ92がスライダ72に対し軸方向に短く、ホーン94が1つの横振動伝達部78を有する点で、第4の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイド70とは異なる。以下、具体的に説明する。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a sectional view showing a squeeze air linear guide 90 according to the fifth embodiment. As shown in this figure, the squeeze air linear guide 90 is the fourth embodiment in that a slider 92 as a supported body is shorter in the axial direction than the slider 72 and the horn 94 has one lateral vibration transmitting portion 78. It differs from the squeeze air linear guide 70 which concerns on a form. This will be specifically described below.

スライダ92の軸方向長さは、スライダ72の軸方向長さに対し略半分とされている。ホーン94は、軸方向を水平方向に一致させた縦振動伝達部40の一端面40Aから横振動伝達部78が径方向に延設されて構成されている。ホーン94では、軸方向において横振動伝達部78の幅の範囲内に一端面40Aが位置するように、横振動伝達部78の軸方向一端側の一部がピエゾ素子16を外周側から覆っている。スクイズ空気リニアガイド90の他の構成は、スクイズ空気リニアガイド70の対応する構成と同じである。   The length of the slider 92 in the axial direction is substantially half that of the slider 72 in the axial direction. The horn 94 is configured such that a lateral vibration transmitting portion 78 extends in the radial direction from one end face 40A of the longitudinal vibration transmitting portion 40 whose axial direction is aligned with the horizontal direction. In the horn 94, a part of one end side in the axial direction of the lateral vibration transmitting portion 78 covers the piezo element 16 from the outer peripheral side so that the one end face 40A is positioned within the width of the lateral vibration transmitting portion 78 in the axial direction. Yes. Other configurations of the squeeze air linear guide 90 are the same as the corresponding configurations of the squeeze air linear guide 70.

したがって、スクイズ空気リニアガイド90では、基本的にスクイズ空気リニアガイド70と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。スクイズ空気リニアガイド90について補足すると、スクイズ空気リニアガイド90では、ホーン94の縦振動伝達部40の軸方向長さが略λ/4であり、軸方向の一端面40Aのみがピエゾ素子16から加振される構造であるため、金属ブロック18、ピエゾ素子16、及びホーン94を軸方向に直列下部分の全長が略λ/2とすることができた。スクイズ空気リニアガイド90は、スクイズ空気リニアガイド70と比較して小型のワークや試料を取り扱う用途に適する。   Therefore, the squeeze air linear guide 90 can basically obtain the same effect by the same operation as that of the squeeze air linear guide 70. Supplementing the squeeze air linear guide 90, in the squeeze air linear guide 90, the longitudinal length of the longitudinal vibration transmitting portion 40 of the horn 94 is approximately λ / 4, and only one end face 40A in the axial direction is added from the piezo element 16. Since the structure is vibrated, the total length of the lower portion in series of the metal block 18, the piezo element 16, and the horn 94 in the axial direction can be made substantially λ / 2. The squeeze air linear guide 90 is suitable for handling a small work or sample as compared with the squeeze air linear guide 70.

(第6の実施形態)
図9には、第6の実施形態に係るスクイズ空気ガイド100が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気ガイド100は、被支持体としての浮上体102を自軸廻りの回転及び軸方向の変位(スライド)可能に支持し、残余の4自由度を拘束する点で、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10、第5の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイド90とは異なる。
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing a squeeze air guide 100 according to the sixth embodiment. As shown in this figure, the squeeze air guide 100 supports a floating body 102 as a supported body so that it can rotate around its own axis and be displaced (slidable) in the axial direction, and restrains the remaining four degrees of freedom. The squeeze air bearing 10 according to the first embodiment is different from the squeeze air linear guide 90 according to the fifth embodiment.

スクイズ空気ガイド100は、回転浮上体12に代えて浮上体102を備える以外はスクイズ空気軸受10と同様に構成されており、浮上体102は、回転浮上体12の円筒部46と同様に、すなわち、上端面40Bとの間にスラスト方向の支持用のスクイズ空気膜を生成させるためのテーブル部48を備えずに構成されている。これにより、浮上体102は、自軸廻りの回転及び軸方向の変位が許容される。   The squeeze air guide 100 is configured in the same manner as the squeeze air bearing 10 except that the squeeze air guide 10 includes a levitation body 102 instead of the rotation levitation body 12, and the levitation body 102 is similar to the cylindrical portion 46 of the rotation levitation body 12, that is, The table portion 48 for generating a squeezed air film for supporting in the thrust direction is provided between the upper end surface 40B and the upper end surface 40B. As a result, the levitated body 102 is allowed to rotate about its own axis and to be displaced in the axial direction.

このスクイズ空気ガイド100では、小型化、支持剛性の向上(支持面42Aでの振幅増加)に係る作用効果は、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10と同じである。なお、スクイズ空気ガイド100は、金属ブロック18を支持梁80、ブラケット82を介して機台14に対し固定することで、ホーン20の軸方向を水平方向に一致させて配置しても良い。   In this squeeze air guide 100, the operational effects relating to downsizing and improvement in support rigidity (increase in amplitude on the support surface 42A) are the same as those in the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment. Note that the squeeze air guide 100 may be disposed by fixing the metal block 18 to the machine base 14 via the support beam 80 and the bracket 82 so that the axial direction of the horn 20 coincides with the horizontal direction.

(第7の実施形態)
図10には、第7の実施形態に係るスクイズ空気球面ジョイント110が断面図にて示されている。この図に示される如く、スクイズ空気球面ジョイント110は、被支持体としての浮上体112を自軸廻りの球面運動(3自由度の回転)可能に支持し、残余の3自由度を拘束するためのホーン114を備える点で、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10とは異なる。
(Seventh embodiment)
FIG. 10 is a sectional view showing a squeeze air spherical joint 110 according to the seventh embodiment. As shown in this figure, the squeeze air spherical joint 110 supports a levitated body 112 as a supported body so as to be capable of spherical movement (rotation with three degrees of freedom) around its own axis, and restrains the remaining three degrees of freedom. This is different from the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment in that the horn 114 is provided.

浮上体112は、少なくとも内面が球面とされており、この実施形態では、略半球殻状に形成されている。ホーン114は、縦振動伝達部116が、下端面116Aと金属ブロック18との間にピエゾ素子16及び電極を挟み込んでいる。縦振動伝達部116の上端面は、浮上体112の内面に対応する球面に形成された支持面116Bとされている。また、ホーン114は、縦振動伝達部116の下端から径方向に延設された横振動伝達部118を備えている。横振動伝達部118の外周面は、浮上体112の内面に対応する球面とされた支持面118Aとされている。この実施形態では、支持面116B、118Aは、縦振動伝達部40の下端面40Aにおける軸心を中心とする互いに同心の球面とされている。また、ホーン114では、縦振動伝達部116の下端面116Aから支持面116Bまでの平均距離がλ/4とされ、横振動伝達部118の平均直径がλ/2とされている。   The floating body 112 has a spherical surface at least on its inner surface, and in this embodiment, is formed in a substantially hemispherical shell shape. In the horn 114, the longitudinal vibration transmission unit 116 sandwiches the piezo element 16 and the electrode between the lower end surface 116 </ b> A and the metal block 18. The upper end surface of the longitudinal vibration transmitting unit 116 is a support surface 116 </ b> B formed on a spherical surface corresponding to the inner surface of the levitated body 112. In addition, the horn 114 includes a lateral vibration transmission unit 118 that extends in the radial direction from the lower end of the longitudinal vibration transmission unit 116. The outer peripheral surface of the lateral vibration transmitting unit 118 is a support surface 118 </ b> A that is a spherical surface corresponding to the inner surface of the levitated body 112. In this embodiment, the support surfaces 116 </ b> B and 118 </ b> A are spherical surfaces that are concentric with each other about the axis of the lower end surface 40 </ b> A of the longitudinal vibration transmission unit 40. In the horn 114, the average distance from the lower end surface 116A of the longitudinal vibration transmitting portion 116 to the support surface 116B is λ / 4, and the average diameter of the lateral vibration transmitting portion 118 is λ / 2.

スクイズ空気球面ジョイント110の他の構成は、スクイズ空気軸受10の対応する構成と同じである。したがって、このスクイズ空気球面ジョイント110では、小型化、支持剛性の向上(支持面118Aでの振幅増加)に係る作用効果は、第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受10と同じである。   Other configurations of the squeeze air spherical joint 110 are the same as the corresponding configurations of the squeeze air bearing 10. Therefore, in this squeeze air spherical joint 110, the effect of downsizing and improvement in support rigidity (increase in amplitude at the support surface 118A) is the same as that of the squeeze air bearing 10 according to the first embodiment.

上記構成のスクイズ空気球面ジョイント110では、ピエゾ素子16に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子16は印加電圧の周波数に応じた周波数の超音波振動を生じる。この超音波振動は、縦振動伝達部116の下端面116Aからホーン20に入力され、縦振動伝達部116を軸方向に伝播し、また横振動伝達部118のポアソン効果によって振動方向が90°変換されて該横振動伝達部118を径方向に伝播する。縦振動伝達部116を伝播した超音波振動は、縦振動伝達部116の支持面116Bに超音波振動を生じさせて浮上体112の内面との間にスクイズ空気膜を生成し、横振動伝達部54を伝播した超音波振動は、支持面118Aに超音波振動を生じさせて浮上体112の内面との間にそれぞれスクイズ空気膜を生成する。これにより、浮上体112は、ホーン114すなわち機台14に対し非接触で(浮上して)、3自由度の回転すなわち球面運動自在に支持されると共に残余の3自由度が拘束される。   In the squeeze air spherical joint 110 having the above-described configuration, when an alternating voltage is applied to the piezo element 16, the piezo element 16 generates ultrasonic vibration having a frequency corresponding to the frequency of the applied voltage. This ultrasonic vibration is input to the horn 20 from the lower end surface 116A of the longitudinal vibration transmission unit 116, propagates in the longitudinal vibration transmission unit 116 in the axial direction, and the vibration direction is converted by 90 ° by the Poisson effect of the lateral vibration transmission unit 118. As a result, the transverse vibration transmitting portion 118 propagates in the radial direction. The ultrasonic vibration propagated through the longitudinal vibration transmission unit 116 generates ultrasonic vibration on the support surface 116B of the longitudinal vibration transmission unit 116 to generate a squeeze air film between the inner surface of the levitated body 112 and the lateral vibration transmission unit. The ultrasonic vibration propagated through 54 generates ultrasonic vibration on the support surface 118 </ b> A and generates a squeezed air film between the inner surface of the levitated body 112. As a result, the levitated body 112 is supported in a non-contact (floating) manner with respect to the horn 114, that is, the machine base 14, so that the levitation body 112 can rotate with three degrees of freedom, that is, can move spherically, and the remaining three degrees of freedom are restricted.

なお、上記した各実施形態では、スクイズ空気軸受10、50、60、スクイズ空気リニアガイド70、90、スクイズ空気ガイド100、スクイズ空気球面ジョイント110を構成するホーンが縦振動伝達部40から径方向に張り出した横振動伝達部を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、縦振動伝達部の外周面を径方向に超音波振動する支持面としても良い。したがって、縦振動伝達部の断面形状は、円形に限定されることはなく、用途(運動を許容する自由度)に応じた形状を採ることができる。   In each of the above-described embodiments, the horns constituting the squeeze air bearings 10, 50, 60, the squeeze air linear guides 70, 90, the squeeze air guide 100, and the squeeze air spherical joint 110 are arranged in the radial direction from the longitudinal vibration transmitting unit 40. Although the example which has the lateral vibration transmission part which protruded was shown, this invention is not limited to this, For example, it is good also as a support surface which ultrasonically vibrates the outer peripheral surface of a longitudinal vibration transmission part to radial direction. Therefore, the cross-sectional shape of the longitudinal vibration transmitting portion is not limited to a circular shape, and a shape corresponding to a use (degree of freedom allowing motion) can be taken.

また、上記した各実施形態では、軸方向において横振動伝達部42の幅方向の範囲内にピエゾ素子16の加振面(縦振動伝達部40の下端面40A等)が位置する好ましい例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、横振動伝達部42の下面42B等をピエゾ素子16による加振面(縦振動伝達部40の下端面40A)と面一に形成しても良い。   Further, in each of the above-described embodiments, a preferable example is shown in which the excitation surface of the piezo element 16 (the lower end surface 40A of the longitudinal vibration transmission unit 40, etc.) is positioned within the range in the width direction of the lateral vibration transmission unit 42 in the axial direction. However, the present invention is not limited to this, and for example, the lower surface 42B of the lateral vibration transmission unit 42 and the like may be formed flush with the excitation surface (the lower end surface 40A of the vertical vibration transmission unit 40) by the piezoelectric element 16. good.

さらに、上記した各実施形態では、起振体としてピエゾ素子を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、超音波振動を生じ得る(ホーンを加振し得る)各種起振体を採用することができる。   Furthermore, in each of the above-described embodiments, an example in which a piezo element is provided as a vibration generator has been described. However, the present invention is not limited to this, and various vibrations that can generate ultrasonic vibration (can oscillate a horn). The body can be employed.

さらにまた、上記した各実施形態では、被支持部材を非接触で支持する機台14側にピエゾ素子16及びホーンを設けた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、被支持体側に超音波振動の発生源(起振体等)を設けても良い。   Furthermore, in each of the above-described embodiments, the example in which the piezo element 16 and the horn are provided on the machine base 14 side that supports the supported member in a non-contact manner is shown, but the present invention is not limited to this, and for example, An ultrasonic vibration source (vibrator, etc.) may be provided on the support side.

本発明の第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the squeeze air bearing which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受の寸法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the dimension of the squeeze air bearing which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (A)は、本発明の第1の実施形態に係るスクイズ空気軸受の駆動周波数に対する出力振幅の実験結果を示す線図、(B)は、比較例に係るスクイズ空気軸受の駆動周波数に対する出力振幅の実験結果を示す線図である。(A) is a diagram which shows the experimental result of the output amplitude with respect to the drive frequency of the squeeze air bearing which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (B) is the output amplitude with respect to the drive frequency of the squeeze air bearing which concerns on a comparative example. It is a diagram which shows the experimental result of. 本発明の第2の実施形態に係るスクイズ空気軸受を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air bearing which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るスクイズ空気軸受を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air bearing which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air linear guide which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイドを構成するホーンの斜視図である。It is a perspective view of the horn which comprises the squeeze air linear guide which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係るスクイズ空気リニアガイドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air linear guide which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係るスクイズ空気ガイド100を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air guide 100 which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るスクイズ空気球面ジョイント110を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air spherical joint 110 which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態との比較例に係るスクイズ空気軸受を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air bearing which concerns on the comparative example with the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態との比較例に係るスクイズ空気リニアガイドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the squeeze air linear guide which concerns on the comparative example with the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 スクイズ空気軸受(非接触支持装置)
12 回転浮上体(第2部材)
14 機台
16 ピエゾ素子(起振体、圧電素子)
18 金属ブロック(第1部材)
20 ホーン(第3部材)
36 フランジ
40 縦振動伝達部(第3部材)
40A 下端面(第3部材の一端面)
40B 上端面(第3部材の他端面)
42 横振動伝達部(張出部)
42A 支持面
50 スクイズ空気軸受(非接触支持装置)
52 ホーン(第3部材)
54 横振動伝達部(張出部)
54A 上向き支持面(支持面)
54B 下向き支持面(支持面)
60 スクイズ空気軸受(非接触支持装置)
62 ホーン(第3部材)
64 横振動伝達部(張出部)
64A 支持面
64B 支持面
70 スクイズ空気リニアガイド(非接触支持装置)
72 スライダ(第2部材)
74 ホーン(第3部材)
76 縦振動伝達部(第3部材)
76A 端面(第3部材の一端面)
78 横振動伝達部(張出部)
78A 支持面
90 スクイズ空気リニアガイド(非接触支持装置)
92 スライダ(第2部材)
94 ホーン(第3部材)
100 スクイズ空気ガイド(非接触支持装置)
102 浮上体(第2部材)
110 スクイズ空気球面ジョイント(非接触支持装置)
112 浮上体(第2部材)
114 ホーン(第3部材)
116 縦振動伝達部(第3部材)
116A 下端面(第3部材の一端面)
116B 支持面(第3部材の他端面)
118 横振動伝達部(張出部)
118A 支持面
10 Squeeze air bearing (non-contact support device)
12 Rotating levitated body (second member)
14 Machines 16 Piezo elements (vibrators, piezoelectric elements)
18 Metal block (first member)
20 Horn (third member)
36 Flange 40 Longitudinal vibration transmission part (third member)
40A Lower end surface (one end surface of the third member)
40B Upper end surface (the other end surface of the third member)
42 Lateral vibration transmission part (overhang part)
42A Support surface 50 Squeeze air bearing (non-contact support device)
52 Horn (third member)
54 Lateral vibration transmission part (overhang part)
54A Upward support surface (support surface)
54B downward support surface (support surface)
60 Squeeze air bearing (non-contact support device)
62 Horn (third member)
64 Lateral vibration transmission part (overhang part)
64A Support surface 64B Support surface 70 Squeeze air linear guide (non-contact support device)
72 Slider (second member)
74 Horn (third member)
76 Longitudinal vibration transmission part (third member)
76A end face (one end face of the third member)
78 Lateral vibration transmission part (overhang part)
78A support surface 90 squeeze air linear guide (non-contact support device)
92 Slider (second member)
94 Horn (third member)
100 Squeeze air guide (non-contact support device)
102 Floating body (second member)
110 Squeeze air spherical joint (non-contact support device)
112 Floating body (second member)
114 Horn (third member)
116 Longitudinal vibration transmission part (third member)
116A lower end surface (one end surface of the third member)
116B Support surface (the other end surface of the third member)
118 Lateral vibration transmission part (overhang part)
118A Support surface

Claims (13)

駆動されて超音波振動を生じる起振体と、
軸方向の一端面と第1部材との間に前記起振体を同軸的に挟み込んで保持し、前記起振体に加振されることで、外周部に形成された支持面と第2部材との間に該第2部材との非接触状態を維持するための空気膜を生成させる第3部材と、
を備えた非接触支持装置。
A vibrator that is driven to generate ultrasonic vibration;
A support surface and a second member formed on the outer peripheral portion by holding the vibration body coaxially between one end surface in the axial direction and the first member and holding the vibration body and exciting the vibration body. A third member that generates an air film for maintaining a non-contact state with the second member between
A non-contact support device.
前記起振体は、圧電効果によって超音波振動を生じ得る圧電素子であり、
前記第3部材は、前記第1部材との間に前記起振体を圧縮状態で挟み込んでいる請求項1記載の非接触支持装置。
The vibrator is a piezoelectric element that can generate ultrasonic vibration by a piezoelectric effect,
The non-contact support device according to claim 1, wherein the third member is sandwiched in a compressed state with the vibration generating body between the first member and the first member.
前記第3部材は、前記起振体に加振された場合に、前記支持面及び軸方向の他端面と第2部材との間に生成される空気膜を介して該第2部材との非接触状態が維持される請求項1又は請求項2記載の非接触支持装置。   When the third member is vibrated by the vibrator, the third member is not in contact with the second member via an air film generated between the support surface and the other end surface in the axial direction and the second member. The non-contact support device according to claim 1, wherein the contact state is maintained. 前記第3部材の支持面は、該第3部材と同軸の円筒面とされている請求項1乃至請求項3記載の何れか1項記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to any one of claims 1 to 3, wherein the support surface of the third member is a cylindrical surface coaxial with the third member. 前記第3部材は、軸方向の長さが、前記起振体に加振されて該第3部材を伝わる超音波の波長の1/4の自然数倍となるように設計されている請求項1乃至請求項4記載の何れか1項記載の非接触支持装置。   The third member is designed so that an axial length thereof is a natural number times 1/4 of a wavelength of an ultrasonic wave that is vibrated by the vibrator and transmitted through the third member. The non-contact support device according to any one of claims 1 to 4. 前記第3部材は、軸線との直交方向に張り出すと共に外周部に前記支持面が形成された張出部を有する請求項1乃至請求項5記載の何れか1項記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to any one of claims 1 to 5, wherein the third member has a projecting portion that projects in a direction orthogonal to the axis and has the support surface formed on an outer peripheral portion. 前記張出部は、前記第3部材における前記起振体に加振されて該第3部材を軸方向に伝わる超音波の節位置から、該第3部材の軸線との直交方向に張り出している請求項6記載の非接触支持装置。   The overhanging portion protrudes in a direction orthogonal to the axis of the third member from a node position of an ultrasonic wave that is vibrated by the vibrator in the third member and is transmitted in the axial direction of the third member. The non-contact support device according to claim 6. 前記第3部材は、軸心から前記張出部の支持面までの距離が、前記起振体に加振されて該第3部材を伝わる超音波の波長の1/4となるように設計されている請求項7記載の非接触支持装置。   The third member is designed such that the distance from the axial center to the support surface of the overhanging portion is ¼ of the wavelength of the ultrasonic wave that is vibrated by the vibrator and transmitted through the third member. The non-contact support device according to claim 7. 前記張出部の支持面は、前記起振体に加振されて該第3部材を軸方向に伝わる超音波の節位置に対する軸方向の両側に形成されている請求項6乃至請求項8の何れか1項記載の非接触支持装置。   9. The support surface of the overhanging portion is formed on both sides in the axial direction with respect to a node position of an ultrasonic wave that is vibrated by the vibrator and transmitted through the third member in the axial direction. The non-contact support apparatus of any one of Claims. 前記支持面は、前記第3部材の径方向外側及び軸方向の一端側を共に向くテーパ面を含む請求項1乃至請求項9の何れか1項記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to any one of claims 1 to 9, wherein the support surface includes a tapered surface that faces both a radially outer side and an axial end of the third member. 前記第3部材は、機台に支持されて前記第2部材を被支持体として非接触で支持する支持体である請求項1乃至請求項10の何れか1項記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to any one of claims 1 to 10, wherein the third member is a support body that is supported by a machine base and supports the second member as a supported body in a non-contact manner. 前記第3部材は、前記第1部材を介して前記機台に支持されている請求項11記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to claim 11, wherein the third member is supported by the machine base via the first member. 前記第1部材は、前記起振体と接触する端面に沿って延設されたフランジにおいて前記機台に固定されている請求項12記載の非接触支持装置。   The non-contact support device according to claim 12, wherein the first member is fixed to the machine base at a flange extending along an end surface that contacts the vibration generator.
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