JP2008111447A - Squeeze air bearing and plane actuator using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触の空気軸受、特にスクイーズ空気軸受およびそれを用いた平面アクチュエータ装置に関する。 The present invention relates to a non-contact air bearing, in particular, a squeeze air bearing and a planar actuator device using the same.
非接触軸受には、例えば、磁気軸受、静圧空気軸受、動圧空気軸受などがある。磁気軸受は、永久磁石または電磁石の吸引力を利用し、回転軸を空間に支持する軸受であるが、永久磁石単体では成立しないため、永久磁石と電磁石の複合使用または電磁石の単体使用となり、電磁石制御のための位置センサ、その信号処理回路、電磁石のための増幅器などが必要となり、装置が複雑・大型・高価であった。静圧空気軸受は、圧縮空気をガイドに対して噴出させ、発生した静圧によって浮上させる軸受であるが、圧縮空気を供給するコンプレッサが必須となり、圧縮空気の配管が邪魔であった。動圧空気軸受は、軸の回転に伴って周辺の空気を軸受隙間へ誘いこみ、圧力を上昇させて回転軸を支持する軸受だが、圧縮空気は不要であるものの、軸の低速回転時や静止時には非接触支持機能を失ってしまう。これら非接触軸受は、超寿命、低騒音、高精度回転制御、メンテナンスフリーといった特徴がある。 Non-contact bearings include, for example, magnetic bearings, static pressure air bearings, dynamic pressure air bearings, and the like. A magnetic bearing is a bearing that uses the attractive force of a permanent magnet or an electromagnet to support the rotating shaft in space. However, since it cannot be established with a single permanent magnet, it can be combined with a permanent magnet and an electromagnet or with a single electromagnet. A position sensor for control, its signal processing circuit, an amplifier for an electromagnet, and the like are required, and the apparatus is complicated, large, and expensive. The static pressure air bearing is a bearing that ejects compressed air to the guide and floats by the generated static pressure. However, a compressor that supplies the compressed air is essential, and the compressed air piping is obstructive. A hydrodynamic air bearing is a bearing that supports the rotating shaft by drawing the surrounding air into the bearing clearance as the shaft rotates, but does not require compressed air. Sometimes the contactless support function is lost. These non-contact bearings are characterized by long life, low noise, high-precision rotation control, and maintenance-free.
スクイーズ空気軸受は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波の振動により発生するスクイーズ空気膜を利用し、非接触に支持させる軸受である。振動子として例えば圧電素子を採用することができるが、他には圧電素子を駆動するアンプが必要なだけで、磁気軸受と異なり装置は複雑にはならない。また、静圧空気軸受と異なりコンプレッサや圧縮空気の配管が不要で、動圧空気軸受と異なり、低速回転時や静止時にも非接触の支持機能を失わない(例えば、特許文献1参照)。
図8において、101は振動体、102は浮上体、103は隙間であり、振動体101と浮上体102の間の微少な隙間103に空気膜を形成し、非接触の支持機能を発生する。これは、気体が粘性を有するため、振動体101の振動周波数が高いと隙間103の空気膜の周辺部の空気の出入が拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になる。そのとき振動体101の周波数が高いと、浮上体102は慣性力のため追従できずほとんど振動しなくなり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、浮上体102が非接触に振動体101の上で支持される。
The squeeze air bearing is a bearing that is supported in a non-contact manner by using a squeeze air film generated by a high-frequency vibration in a relative vertical direction between two opposing surfaces. For example, a piezoelectric element can be adopted as the vibrator, but other than that, only an amplifier for driving the piezoelectric element is required, and unlike the magnetic bearing, the apparatus is not complicated. Also, unlike a static pressure air bearing, unlike a hydrostatic air bearing, a non-contact support function is not lost even when rotating at low speed or stationary (unlike a hydrostatic air bearing).
In FIG. 8, 101 is a vibrating body, 102 is a floating body, and 103 is a gap. An air film is formed in a minute gap 103 between the vibrating body 101 and the floating body 102 to generate a non-contact support function. This is because the gas has viscosity, and if the vibration frequency of the vibrating body 101 is high, the flow of air around the air film in the gap 103 is restrained, as if a high-frequency volume change was caused in the sealed compressible fluid. It will be the same. If the frequency of the vibrating body 101 is high at that time, the levitated body 102 cannot follow due to inertial force and hardly vibrates, the pressure generation with respect to the displacement becomes non-linear, an average positive pressure is obtained, and the levitated body 102 is non-contacted. Supported on the vibrating body 101.
また、ラジアル方向とスラスト方向を同時にスクイーズ空気膜で支持しようとするスクイーズ空気軸受がある。
図9において、201は振動子、202は振動部、203は振動面、204は回転軸、205は隙間、206は固定部であり、振動子204が発生する振動で振動面203が高周波で振動させられると、隙間205内にスクイーズ空気膜が発生し、回転軸204が非接触に支持される。
In addition, there is a squeeze air bearing that attempts to support the radial direction and the thrust direction simultaneously with a squeeze air film.
In FIG. 9, 201 is a vibrator, 202 is a vibration part, 203 is a vibration surface, 204 is a rotating shaft, 205 is a gap, and 206 is a fixed part. The vibration surface 203 vibrates at a high frequency due to vibration generated by the vibrator 204. When this is done, a squeezed air film is generated in the gap 205, and the rotating shaft 204 is supported in a non-contact manner.
スクイーズ空気膜力と永久磁石同士の反発力を複合利用した複合軸受がある。
図10において、301は振動子、302は振動部、303は振動面、304は可動部、305は隙間、306と307は永久磁石であり、振動子301により振動面303を振動させると、振動面303と可動部304の間の隙間305内にスクイーズ空気膜が発生し、これによりスラスト方向に非接触に支持される。一方、永久磁石306と永久磁石307は、同極同士が対向しており、その反発力により可動部304をラジアル方向に非接触に支持される。
There are compound bearings that combine the squeeze air film force and the repulsive force between permanent magnets.
In FIG. 10, 301 is a vibrator, 302 is a vibration part, 303 is a vibration surface, 304 is a movable part, 305 is a gap, 306 and 307 are permanent magnets. A squeezed air film is generated in the gap 305 between the surface 303 and the movable portion 304, and is thereby supported in a non-contact manner in the thrust direction. On the other hand, the permanent magnet 306 and the permanent magnet 307 have the same poles facing each other, and the repulsive force supports the movable portion 304 in a non-contact manner in the radial direction.
他に、板状の振動子をスラスト用振動体とし、これと回転体の端面やフランジ面との間にスクイーズ空気膜を形成させてスラスト軸受とし、ラジアル用振動体の円柱面または円柱内面と軸部との間でスクイーズ空気膜を形成してラジアル軸とした、構成が簡単で製作が容易なスクイーズ空気軸受が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
図11において、401は振動子、402はスラスト用振動体、403はスラスト用隙間、404はラジアル用振動体、405はラジアル用隙間、406は回転軸であり、振動子401の振動により、スラスト用振動体402と回転体406との間のスラスト用隙間403内に生じるスクイーズ空気膜によってスラスト方向に、ラジアル用振動体404と回転軸406との間のラジアル用隙間405内に生じるスクイーズ空気膜によってラジアル方向に、回転体406が非接触に支持される。
In addition, a plate-like vibrator is used as a thrust vibrator, and a squeezed air film is formed between the end face of the rotor and the flange face to form a thrust bearing, and the radial or cylindrical inner surface of the radial vibrator. A squeeze air bearing that has a simple configuration and is easy to manufacture has been proposed in which a squeeze air film is formed between the shaft and the shaft (see, for example, Patent Document 2).
In FIG. 11, 401 is a vibrator, 402 is a thrust vibrator, 403 is a thrust gap, 404 is a radial vibrator, 405 is a radial gap, and 406 is a rotating shaft. The squeeze air film generated in the radial gap 405 between the radial vibrator 404 and the rotary shaft 406 in the thrust direction by the squeeze air film generated in the thrust gap 403 between the vibrator 402 and the rotary body 406 Thus, the rotating body 406 is supported in a non-contact manner in the radial direction.
また、回転軸の少なくとも一方の端面に球状の凹部または凸部を形成し、これと対向する振動子の振動面を凸部または凹部とすることにより、組立精度が厳しくなくても良く、部品点数も減らすことのできるスクイーズ空気軸受が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
図12において、501が振動子、502が回転軸、503が凹部、504が隙間、505が固定部であり、振動子501を振動させると、振動子501と回転子の凹部503の間の隙間504内にスクイーズ空気膜が発生し、回転軸502をラジアルおよびスラスト方向に非接触に支持される。
Also, by forming a spherical concave or convex portion on at least one end surface of the rotating shaft and making the vibration surface of the vibrator facing this convex or concave, the assembly accuracy may not be strict, and the number of parts There has been proposed a squeeze air bearing that can reduce the number of squeeze air bearings (see, for example, Patent Document 3).
In FIG. 12, 501 is a vibrator, 502 is a rotation axis, 503 is a recess, 504 is a gap, 505 is a fixed part, and when the vibrator 501 is vibrated, a gap between the vibrator 501 and the recess 503 of the rotor. A squeeze air film is generated in 504, and the rotating shaft 502 is supported in a radial and thrust direction in a non-contact manner.
従来の非接触軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、磁気軸受や空気軸受などを支持機構として用いることにより、振動や騒音が小さく、メカロスが極めて少なく、高精度な駆動と位置決めが可能であり、支持機構が長寿命となりメンテナンスが不要となる平面アクチュエータ装置が提案されている(例えば、特許文献4参照)。 Conventional planar actuator devices using non-contact bearings can be driven and positioned with high precision by using magnetic bearings, air bearings, etc. as a support mechanism, with low vibration and noise, very little mechanical loss, and support. A planar actuator device has been proposed in which the mechanism has a long life and does not require maintenance (for example, see Patent Document 4).
従来のスクイーズ空気軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、非接触軸受の長所を保持したまま大がかりな付帯設備が不要で小型かつ安定した平面アクチュエータが提案されている(例えば、特許文献5参照)。
従来のスクイーズ空気軸受は、その対向する面はスクイーズ空気膜の厚みが10μm以下のオーダーと微小であることから、平面または円錐面をμmオーダーの隙間を保つように高精度に仕上げる必要があるという問題点があった。
また、対向面が平面同士、または円筒状の凹凸面同士、または球状の凹凸面同士であり、その面間距離を一定とするため、両方の面の加工精度を高めなければならないという問題点があった。
また、円筒状の凹凸面同士、または球状の凹凸面同士の場合、平面上を自由に移動させるリニアモータや平面アクチュエータなどの軸受には用いられないという問題点があった。
The conventional squeeze air bearing has a squeeze air film with a thickness as small as 10 μm or less, and it is necessary to finish the plane or conical surface with high accuracy so as to maintain a gap of μm order. There was a problem.
Moreover, since the opposing surfaces are flat surfaces, cylindrical uneven surfaces, or spherical uneven surfaces, and the distance between the surfaces is constant, the processing accuracy of both surfaces must be increased. there were.
Further, in the case of cylindrical uneven surfaces or spherical uneven surfaces, there is a problem that they are not used for bearings such as linear motors and planar actuators that freely move on a plane.
従来の非接触軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、付帯設備が大きく複雑となるという問題点があった。
また、浮上距離が短いため要求される機械加工、組立精度が高く、またその変動に対し敏感であるという問題があった。
Conventional planar actuator devices using non-contact bearings have a problem that the incidental facilities are large and complicated.
Further, since the flying distance is short, there is a problem that required machining and assembly accuracy are high and sensitive to the fluctuation.
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、振動子によって振動させる平面でない振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させることにより、スクイーズ空気膜力を高めたスクイーズ空気軸受、および大がかりな付帯設備が不要で、小型、簡便で高精度な平面アクチュエータ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and includes a vibration surface that is not a plane that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the surface through a minute gap, and is non-contacted by a squeeze air film force. Therefore, it is an object of the present invention to provide a small, simple, and highly accurate planar actuator device that does not require a squeeze air bearing with increased squeeze air film force and a large incidental facility.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面が平面でないようにしたものである。
また、請求項2記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面に凹部および/または凸部を持たせたものである。
また、請求項3記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面の外周部に凸部を持たせたものである。
また、請求項4記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面の外周部に凹部を持たせたものである。
また、請求項5記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面が傾斜面を有し、前記対向させた平面との距離が連続的に変化しているものである。
また、請求項6記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有しているものである。
また、請求項7記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動子が圧電素子または静電電極よりなるものである。
また、請求項8記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備えたものである。
また、請求項9記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第2の平板とを備えたものである。
また、請求項10記載のスクイーズ空気軸受は、前記第2の平板は、前記第1の平板よりも剛性が高いものである。
また、請求項11記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、 前記振動子の振動中心と第1および第2の平板の振動中心が同軸上にあるものである。
また、請求項12記載のスクイーズ空気軸受は、前記第1および第の平板の振動中心は、ケース重心および皿板の振動中心と一致するものである。
また、請求項13記載の平面アクチュエータ装置は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、少なくとも4つの前記スクイーズ空気軸受を前記平面アクチュエータの移動子の中心に対して軸対称に配置したものである。
また、請求項14記載の平面アクチュエータ装置は、前記スクイーズ空気軸受は、前記平面アクチュエータの移動子の側壁に配置されたものである。
また、請求項15記載の平面アクチュエータ装置は、前記スクイーズ空気軸受は、対向面に対して前記平面アクチュエータの移動子と同一面になるように配置されたものである。
また、請求項16記載の平面アクチュエータ装置は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、前記スクイーズ空気軸受の振動面が平面でないようにしたものである。
また、請求項17記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備え、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第2の平板とを備え、前記第2の平板が鉄系金属で構成されたものである。
また、請求項18記載のスクイーズ空気軸受は、前記第1の平板がチタン合金、アルミ合金あるいはマグネシウム合金で構成されたものである。
また、請求項19記載のスクイーズ空気軸受は、前記アルミ合金およびチタン合金の平板が超塑性合金で構成されたものである。
また、請求項20記載のスクイーズ空気軸受は、前記超塑性合金が、22質量%のアルミニウムを含有する亜鉛合金、6質量%の銅と0.5質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、6質量%のアルミニウムと4質量%のバナジウムを含有するチタン合金のいずれかで構成されたものである。
また、請求項21記載のスクイーズ空気軸受は、前記第1の平板が、30〜60質量%のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたものである。
また、請求項22記載のスクイーズ空気軸受は、前記チタン合金が、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%含有するもので構成されたものである。
また、請求項23記載のスクイーズ空気軸受は、前記チタン合金が、0.08〜0.6質量%の酸素を含有するもので構成されたものである。
また、請求項24記載のスクイーズ空気軸受は、前記第1の平板が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03であり、引張強度750MPa以上である金属ガラスで構成されたものである。
また、請求項25記載のスクイーズ空気軸受は、前記金属ガラスが、ジルコニウムを5から60質量%含有し、かつ残部にニッケルを含有するもので構成されたものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The squeeze air bearing according to claim 1, wherein the squeeze air bearing includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. The vibration surface is not flat.
The squeeze air bearing according to claim 2 is provided with a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. The vibration surface is provided with a concave portion and / or a convex portion.
According to a third aspect of the present invention, the squeeze air bearing has a convex portion on the outer peripheral portion of the vibration surface.
According to a fourth aspect of the present invention, the squeeze air bearing has a concave portion on an outer peripheral portion of the vibration surface.
The squeeze air bearing according to claim 5 is a squeeze air bearing that includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. The vibration surface has an inclined surface, and the distance from the opposed plane continuously changes.
The squeeze air bearing according to claim 6 is a squeeze air bearing that includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. In addition, a plurality of grooves are provided in a portion that is more than half of the area ratio of the vibration surface.
In the squeeze air bearing according to claim 7, the vibrator is formed of a piezoelectric element or an electrostatic electrode.
The squeeze air bearing according to claim 8 is a squeeze air bearing that includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. A vibration surface amplitude enlarging mechanism is provided between the vibrator and the vibration surface.
Further, in the squeeze air bearing according to claim 9, in the vibration surface amplitude enlarging mechanism, one end of the vibration direction is fixed to the case, the other end is fixed to the plate, the vibrator, and the plate is attached to the case. A fixed first flat plate and a second flat plate connected to the first flat plate are provided.
In the squeeze air bearing according to claim 10, the second flat plate has higher rigidity than the first flat plate.
The squeeze air bearing according to claim 11 is a squeeze air bearing that includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. The vibration center of the vibrator and the vibration centers of the first and second flat plates are coaxial.
In the squeeze air bearing according to claim 12, the vibration centers of the first and second flat plates coincide with the center of gravity of the case and the vibration center of the plate.
Further, the planar actuator device according to claim 13 is provided with a squeeze air bearing that is supported in a non-contact manner by utilizing a squeeze air film force generated by a high-frequency vibration in a relative vertical direction between two opposing surfaces. In the apparatus, at least four of the squeeze air bearings are arranged symmetrically with respect to the center of the slider of the planar actuator.
Further, in the planar actuator device according to claim 14, the squeeze air bearing is disposed on a side wall of a moving element of the planar actuator.
In the planar actuator device according to claim 15, the squeeze air bearing is disposed so as to be flush with the moving surface of the planar actuator with respect to the opposing surface.
The planar actuator device according to claim 16, further comprising a squeeze air bearing that is supported in a non-contact manner by utilizing a squeeze air film force generated by a relative vertical high-frequency vibration between two opposing surfaces. In the apparatus, the vibration surface of the squeeze air bearing is not flat.
The squeeze air bearing according to claim 17 is a squeeze air bearing that includes a vibration surface that is vibrated by a vibrator and a plane that is opposed to the vibration surface through a minute gap, and is supported in a non-contact manner by a squeeze air film force. A vibration surface amplitude enlarging mechanism between the vibrator and the vibration surface, wherein the vibration surface amplitude enlarging mechanism has one end in a vibration direction fixed to a case and the other end fixed to a plate. A first flat plate fixed to the case, and a second flat plate connected to the first flat plate, and the second flat plate is made of an iron-based metal. is there.
In the squeeze air bearing according to claim 18, the first flat plate is made of a titanium alloy, an aluminum alloy, or a magnesium alloy.
In the squeeze air bearing according to claim 19, the flat plate of the aluminum alloy and the titanium alloy is made of a superplastic alloy.
The squeeze air bearing according to claim 20, wherein the superplastic alloy is a zinc alloy containing 22% by mass of aluminum, an aluminum alloy containing 6% by mass of copper and 0.5% by mass of zirconium, 6% by mass. % Of aluminum and 4% by mass of vanadium-containing titanium alloy.
The squeeze air bearing according to claim 21 is such that the first flat plate is made of a titanium alloy containing 30 to 60% by mass of a vanadium group element.
The squeeze air bearing according to claim 22 is configured such that the titanium alloy contains 1 to 20% by mass in total of one or more elements in a metal element group composed of zirconium, hafnium, and scandium. Is.
The squeeze air bearing according to claim 23 is configured such that the titanium alloy contains 0.08 to 0.6% by mass of oxygen.
The squeeze air bearing according to claim 24, wherein the first flat plate is made of metallic glass having an elastic strain of 0.015 to 0.03 obtained by dividing a tensile strength by an elastic modulus and a tensile strength of 750 MPa or more. It has been done.
Further, in the squeeze air bearing according to claim 25, the metallic glass is composed of one containing 5 to 60% by mass of zirconium and nickel in the balance.
請求項1のスクイーズ空気軸受によると、振動面を平面でなくすことにより、スクイーズ空気膜力を高めることができ、振動面および対抗する平面の加工および組立精度を下げることができ、隙間の変動に対し安定させることができる。
また、請求項2のスクイーズ空気軸受によると、振動面に凹部および/または凸部を持たせることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項3のスクイーズ空気軸受によると、振動面の外周部に凸部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間内に発生するスクイーズ空気膜にとって凸部が一種の抵抗となるので、その密閉効果がより強められることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項4のスクイーズ空気軸受によると、振動面の外周部に凹部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間内に発生するスクイーズ空気膜にとって凹部が乱流の発生源となって一種のエアカーテンの役割を果たし、その密閉効果がより強められることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項5のスクイーズ空気軸受によると、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
また、請求項6のスクイーズ空気軸受によると、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
また、請求項7のスクイーズ空気軸受によると、小型軽量で単純、かつ安価なものにすることができる。
また、請求項8から12のスクイーズ空気軸受によると、振幅拡大機構を設けることにより負荷剛性が上がり、スクイーズ空気膜力を大きくすることができる。
また、請求項13から16の平面アクチュエータ装置によると、大がかりな付帯設備が不要で、小型、簡便で高精度駆動および位置決めが可能にできる。
また、請求項17および18のスクイーズ空気軸受によると、平板の部材は、高剛性かつ軽量であるのであることから機械特性を向上でき、共振周波数を容易に高くすることができるとともに、精密加工も容易で安価であるため装置を高精度かつ安価に構成することができる。
また、請求項19ないし請求項25のスクイーズ空気軸受によると、第1の平板が低弾性かつ高強度となり、寿命を向上することができる。
According to the squeeze air bearing of claim 1, by eliminating the vibration surface from a flat surface, the squeeze air film force can be increased, the processing and assembly accuracy of the vibration surface and the opposing flat surface can be lowered, and the fluctuation of the gap can be reduced. It can be stabilized.
Further, according to the squeeze air bearing of claim 2, the squeeze air film force can be increased by providing the vibration surface with a concave portion and / or a convex portion.
According to the squeeze air bearing of claim 3, by providing the convex portion on the outer peripheral portion of the vibration surface, the convex portion becomes a kind of resistance for the squeeze air film generated in the gap between the opposing planes. Therefore, the squeeze air film force can be increased by enhancing the sealing effect.
According to the squeeze air bearing of the fourth aspect, by providing the concave portion on the outer peripheral portion of the vibration surface, the concave portion becomes a turbulent flow generation source for the squeeze air film generated in the gap between the opposing planes. By acting as a kind of air curtain and enhancing its sealing effect, the squeeze air film force can be increased.
Further, according to the squeeze air bearing of claim 5, since it can be distributed in the positive pressure due to the squeeze air film force in the vibration surface, it has excellent characteristics for precise positioning by generating a force that maintains its position. Or by generating a force to start moving from that position, it is possible to have excellent characteristics in motion characteristics.
Further, according to the squeeze air bearing of claim 6, since it can be distributed in the positive pressure due to the squeeze air film force in the vibration surface, it has excellent characteristics for precise positioning by generating a force that maintains the position. Or by generating a force to start moving from that position, it is possible to have excellent characteristics in motion characteristics.
Further, according to the squeeze air bearing of the seventh aspect, it can be made small, light, simple and inexpensive.
According to the squeeze air bearing of claims 8 to 12, by providing the amplitude enlarging mechanism, the load rigidity can be increased and the squeeze air film force can be increased.
Further, according to the planar actuator device of the thirteenth to sixteenth aspects, a large-scale incidental facility is not required, and it is possible to achieve small size, simple and high precision driving and positioning.
In addition, according to the squeeze air bearings of claims 17 and 18, since the flat plate member is highly rigid and lightweight, it can improve mechanical properties, easily increase the resonance frequency, and perform precision machining. Since it is easy and inexpensive, the apparatus can be constructed with high accuracy and low cost.
According to the squeeze air bearing of claims 19 to 25, the first flat plate has low elasticity and high strength, and the life can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、22は断面形状が半円の凸部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
本発明が特許文献1、2および3と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面の外周部の隙間が狭くなっている部分である。すなわち、図1に示したように、振動子1により振動させられる断面形状が半円の凸部22を有する振動面21と隙間4を介して対向する平面3により構成される。ここで、振動子1の振動周波数が高いと、隙間4中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面21の外周部の凸部22が空気の流れに対し一種の抵抗となり、隙間4中の空気の移動がより制約され、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。外周部の凸部22によりスクイーズ空気膜力が高められるので、振動面21および対抗する平面3の加工および組立精度を下げることができ、また、隙間4の変動に対しても安定になった。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a squeeze air bearing according to Embodiment 1 of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibration surface, 22 is a convex portion having a semicircular cross-sectional shape, 3 is a facing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibration surface 21.
The part where the present invention is different from Patent Documents 1, 2, and 3 is a part where one of the surfaces facing the vibration surface vibrated by the vibrator is not a flat surface and the clearance between the outer peripheral portions of the vibration surface is narrow. That is, as shown in FIG. 1, the cross-sectional shape that is vibrated by the vibrator 1 is constituted by a vibration surface 21 having a semicircular convex portion 22 and a plane 3 that faces the gap 4. Here, when the vibration frequency of the vibrator 1 is high, the air in the gap 4 is viscous, so that the surrounding air is restricted from entering and exiting, as if a high-frequency volume change was caused in the sealed compressible fluid. The pressure generation with respect to the displacement becomes non-linear, a positive pressure is obtained on average, and is supported in a non-contact manner. In the present invention, the convex portion 22 on the outer peripheral portion of the vibration surface 21 becomes a kind of resistance to the air flow, the movement of the air in the gap 4 is further restricted, the squeeze air film force is increased, and the non-contact air bearing The performance of will be higher. Since the squeeze air film force is increased by the convex portion 22 on the outer peripheral portion, the machining and assembling accuracy of the vibration surface 21 and the opposing flat surface 3 can be lowered, and the fluctuation of the gap 4 is stable.
図2は、本発明の実施の形態2におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、23は断面形状が矩形の凸部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
図2に示したように、振動面21の外周部に断面形状が矩形の凸部を持たせたときも、実施例1と同様の効果が得られた。すなわち、本発明は、振動面の外周部に隙間中の空気の移動を妨げる効果をもたらす凸部があれば良く、本発明は凸部の形状には限定されない。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a squeeze air bearing according to Embodiment 2 of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibrating surface, 23 is a convex portion having a rectangular cross-sectional shape, 3 is a facing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibrating surface 21.
As shown in FIG. 2, the same effect as in Example 1 was also obtained when the outer peripheral portion of the vibration surface 21 had a convex portion having a rectangular cross-sectional shape. In other words, the present invention is not limited to the shape of the convex portion as long as the convex portion brings about the effect of preventing the movement of air in the gap on the outer peripheral portion of the vibration surface.
図3は、本発明の実施の形態3におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、24は断面形状が半円の凹部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
本発明が特許文献1、2および3と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面の外周部の隙間が広くなっている部分である。すなわち、図3に示したように、振動子1により振動させられる断面形状が半円の凹部24を有する振動面21と隙間4を介して対向する平面3により構成される。ここで、振動子1の振動周波数が高いと、隙間4中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面21の外周部の凹部24により隙間4中の空気の流れが乱流となり、空気の流れに対し一種のエアカーテンの役割を果たし、隙間4中の空気の移動がより制約され、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a squeeze air bearing according to Embodiment 3 of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibrating surface, 24 is a concave part having a semicircular cross-sectional shape, 3 is a facing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibrating surface 21.
A portion where the present invention is different from Patent Documents 1, 2, and 3 is a portion where any of the surfaces facing the vibration surface vibrated by the vibrator is not a flat surface, and the clearance between the outer peripheral portions of the vibration surface is wide. That is, as shown in FIG. 3, the cross-sectional shape that is vibrated by the vibrator 1 is constituted by the vibration surface 21 having the semicircular recess 24 and the plane 3 that faces the gap 4. Here, when the vibration frequency of the vibrator 1 is high, the air in the gap 4 is viscous, so that the surrounding air is restricted from entering and exiting, as if a high-frequency volume change was caused in the sealed compressible fluid. The pressure generation with respect to the displacement becomes non-linear, a positive pressure is obtained on average, and is supported in a non-contact manner. In the present invention, the air flow in the gap 4 becomes a turbulent flow due to the concave portion 24 on the outer peripheral portion of the vibration surface 21, which acts as a kind of air curtain against the air flow, and the movement of the air in the gap 4 is more restricted. Thus, the squeeze air film force is increased, and the performance as a non-contact air bearing is further increased.
図4は、本発明の実施の形態4におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、25は断面形状が矩形の凹部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
図4に示したように、振動面21の外周部に断面形状が矩形の凹部を持たせたときも、実施例3と同様の効果が得られた。すなわち、本発明は、振動面の外周部に隙間で乱流を発生させ空気の移動を妨げる効果をもたらす凹部があれば良く、本発明は凹部の形状には限定されない。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a squeeze air bearing according to Embodiment 4 of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibration surface, 25 is a recess having a rectangular cross-sectional shape, 3 is a facing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibration surface 21.
As shown in FIG. 4, the same effect as in Example 3 was obtained when the outer peripheral portion of the vibration surface 21 was provided with a recess having a rectangular cross-sectional shape. In other words, the present invention is not limited to the shape of the recess as long as the recess has an effect of generating a turbulent flow in the gap and hindering air movement at the outer peripheral portion of the vibration surface.
以上、実施例1から4において、振動面の外周部に凹部または凸部を備えたときの例を示したが、凹部と凸部の両方を備えた場合でも、本発明は有効である。また、凹部または凸部が振動面の最外周部である場合と、凹部または凸部の外側に空間がある場合が考えられるが、本発明においては本質的なことではなく、どちらでも良い。 As described above, in Examples 1 to 4, the example in which the outer peripheral portion of the vibration surface is provided with the concave portion or the convex portion has been described, but the present invention is effective even when both the concave portion and the convex portion are provided. Moreover, although the case where a recessed part or a convex part is the outermost periphery part of a vibration surface and the case where there exists a space in the outer side of a recessed part or a convex part are considered, in this invention, it is not essential and either may be sufficient.
図5および図6は、本発明の実施の形態5におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、26はテーパ部、27は逆テーパ部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
本発明が特許文献1、2および3と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面にテーパ部または逆テーパ部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間に変化を持たせた部分である。すなわち、図5に示したように、振動子1により振動させられるテーパ部26または逆テーパ部27を有する振動面21と隙間4を介して対向する平面3により構成される。ここで、振動子1の振動周波数が高いと、隙間4中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面21のテーパ部26または逆テーパ部27によって、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
5 and 6 are cross-sectional views of the squeeze air bearing according to the fifth embodiment of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibration surface, 26 is a taper portion, 27 is a reverse taper portion, 3 is a facing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibration surface 21.
The part where the present invention is different from Patent Documents 1, 2, and 3 is that the surface facing the vibrating surface vibrated by the vibrator is not a flat surface, and the vibration surface has a tapered portion or a reverse tapered portion. This is a portion in which a change is made in the gap between the flat surface. That is, as shown in FIG. 5, it is constituted by the plane 3 that faces the vibration surface 21 having the taper portion 26 or the reverse taper portion 27 that is vibrated by the vibrator 1 through the gap 4. Here, when the vibration frequency of the vibrator 1 is high, the air in the gap 4 is viscous, so that the surrounding air is restricted from entering and exiting, as if a high-frequency volume change was caused in the sealed compressible fluid. The pressure generation with respect to the displacement becomes non-linear, a positive pressure is obtained on average, and is supported in a non-contact manner. In the present invention, since the taper portion 26 or the reverse taper portion 27 of the vibration surface 21 can be distributed in the positive pressure due to the squeezed air film force in the vibration surface, precise positioning is achieved by generating a force that maintains the position. It is possible to provide a characteristic excellent in the movement characteristic by giving a superior characteristic to the movement or generating a force to move from the position.
図7は、本発明の実施の形態6におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、1は振動子、21は振動面、28は溝部、3は対向する平面、4は振動面21と対向する平面3の間の隙間である。
本発明が特許文献1、2および3と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面に溝を有していることである。すなわち、図7に示したように、振動子1により振動させられる振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有する振動面21と隙間4を介して対向する平面3により構成される。ここで、振動子1の振動周波数が高いと、隙間4中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面21の溝部28が空気の流れに対し一種の抵抗となり、隙間4中の空気の移動がより制約され密閉性が強まり、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a squeeze air bearing according to Embodiment 6 of the present invention. Here, 1 is a vibrator, 21 is a vibration surface, 28 is a groove part, 3 is an opposing plane, and 4 is a gap between the plane 3 facing the vibration surface 21.
The difference between the present invention and Patent Documents 1, 2, and 3 is that any of the surfaces facing the vibration surface that is vibrated by the vibrator is not a flat surface but has a groove on the vibration surface. That is, as shown in FIG. 7, the vibration surface 21 vibrated by the vibrator 1 is constituted by a plane 3 that opposes the vibration surface 21 having a plurality of grooves in a portion that is more than half of the area ratio of the vibration surface through the gap 4. The Here, when the vibration frequency of the vibrator 1 is high, the air in the gap 4 is viscous, so that the surrounding air is restricted from entering and exiting, as if a high-frequency volume change was caused in the sealed compressible fluid. The pressure generation with respect to the displacement becomes non-linear, a positive pressure is obtained on average, and is supported in a non-contact manner. In the present invention, the groove portion 28 of the vibration surface 21 becomes a kind of resistance to the air flow, the movement of the air in the gap 4 is more restricted, the sealing performance is enhanced, the squeeze air film force is increased, and the non-contact air bearing The performance of will be higher.
以上の本発明の実施の形態の説明では、振動子1に圧電素子または静電電極を用いた例を説明したが、本発明における振動子1は振動面21を振動させることができれば良く、その種類や方式に限定されるものではない。 In the above description of the embodiment of the present invention, an example in which a piezoelectric element or an electrostatic electrode is used for the vibrator 1 has been described. However, the vibrator 1 according to the present invention only needs to vibrate the vibration surface 21. It is not limited to the type or method.
図8は、本発明のスクイーズ空気軸受の側断面図である。図において、601は圧電素子、602は皿板、603と604はディスク、605はケース、606は負荷、607は固定ねじ、608はキャップボルト、609は対向面、610は振動面である。圧電素子601に振幅数十ボルト、周期数kHzの電圧を入力すると、圧電素子601は電圧に比例して変位する。この変位は圧電素子601と接触する皿板602を変位させる。皿板602の変位が、皿板602と接触するディスク603を変位させる。ディスク603はケース605と固定ねじ607で結合されているので、図8中のA1点では変位0であり、A2点では圧電素子601と同変位量になる。このディスク603は薄板もしくは、剛性が低いものとすると、図8中のB1点では変位0に対して、キャップボルト608では、式(1)の関係で変位が拡大する。 FIG. 8 is a side sectional view of the squeeze air bearing of the present invention. In the figure, 601 is a piezoelectric element, 602 is a dish, 603 and 604 are disks, 605 is a case, 606 is a load, 607 is a fixing screw, 608 is a cap bolt, 609 is an opposing surface, and 610 is a vibration surface. When a voltage having an amplitude of several tens of volts and a period of several kilohertz is input to the piezoelectric element 601, the piezoelectric element 601 is displaced in proportion to the voltage. This displacement displaces the plate 602 in contact with the piezoelectric element 601. Displacement of the plate 602 displaces the disk 603 in contact with the plate 602. Since the disk 603 is coupled to the case 605 by the fixing screw 607, the displacement is 0 at the point A1 in FIG. 8, and the displacement is the same as that of the piezoelectric element 601 at the point A2. If this disk 603 is a thin plate or has a low rigidity, the displacement at the point B1 in FIG. 8 is zero while the displacement at the cap bolt 608 is increased by the relationship of the expression (1).
ここで、d1はA2点での垂直方向の変位量、d2はB2点での垂直方向の変位量、AはA1点からA2点までの距離、BはB1点からB2点までの距離である。
Where d1 is the vertical displacement at point A2, d2 is the vertical displacement at point B2, A is the distance from point A1 to point A2, and B is the distance from point B1 to point B2. .
ディスク603のみでも、式(1)よりB2点での垂直方向の変位量が拡大できるが、広い範囲で変位量を拡大するために、ディスク603とディスク604とをキャップボルト608で固定する。ディスク604はディスク603とは異なり、剛性が高い材料を使用する。より具体的にはディスク604はS45Cをはじめとする各種炭素鋼、およびSUS304をはじめとする各種ステンレス鋼などの鉄系金属材料を使用した。また、ディスク603はA2017をはじめとするアルミ合金、AZ80をはじめとするマグネシウム合金、Ti−6Al−4Vをはじめとするチタン合金を使用した。さらに、Ti−35Nb−10V−0.35O、Ti−40Nb−6V−4Ta−0.28O、Ti−20Nb−5V−10Ta−5Zr−5Hf−0.29O、Ti−35Nb−5Ta−3Sc−0.27Oといったチタン合金や超塑性加工を施したZn−22Al、Al−6Cu―0.5ZrおよびZr−30Cu−10Al−5NiやNi−20Nb−10Ti−8Zr−6Co−3Cuといった金属ガラスを使用した。ディスク604の上面である振動面609と負荷606の下面である対向面610の間にスクイーズ膜が発生し、負荷606を浮上させるものである。 Even with the disk 603 alone, the amount of vertical displacement at the point B2 can be increased from the equation (1), but the disk 603 and the disk 604 are fixed with cap bolts 608 in order to increase the amount of displacement over a wide range. Unlike the disk 603, the disk 604 uses a material having high rigidity. More specifically, the disk 604 is made of an iron-based metal material such as various carbon steels including S45C and various stainless steels including SUS304. The disk 603 was made of an aluminum alloy such as A2017, a magnesium alloy such as AZ80, or a titanium alloy such as Ti-6Al-4V. Furthermore, Ti-35Nb-10V-0.35O, Ti-40Nb-6V-4Ta-0.28O, Ti-20Nb-5V-10Ta-5Zr-5Hf-0.29O, Ti-35Nb-5Ta-3Sc-0. Metal alloys such as titanium alloy such as 27O and superplastically processed Zn-22Al, Al-6Cu-0.5Zr, Zr-30Cu-10Al-5Ni, and Ni-20Nb-10Ti-8Zr-6Co-3Cu were used. A squeeze film is generated between the vibration surface 609 which is the upper surface of the disk 604 and the opposing surface 610 which is the lower surface of the load 606, and the load 606 is levitated.
図9は、図8を逆さまにした側断面図であり、スクイーズ空気軸受が、固定端である対向面609に対して浮上することを表している。よってディスク604の下面は、振動面610である。振幅拡大については、実施例1と同じであるため、説明を省略する。ここでは、スクイーズ効果を利用した動圧形空気振動面の浮上原理を説明する。本説明については、非特許文献を引用して説明する。スクイーズ効果を利用した動圧形空気振動面の運動方程式は式(2)で表せる。 FIG. 9 is a side cross-sectional view of FIG. 8 upside down, showing that the squeeze air bearing floats with respect to the facing surface 609 which is a fixed end. Therefore, the lower surface of the disk 604 is the vibration surface 610. The amplitude expansion is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. Here, the floating principle of the dynamic pressure type air vibration surface using the squeeze effect will be described. This description will be described with reference to non-patent literature. The equation of motion of the dynamic pressure type air vibrating surface using the squeeze effect can be expressed by equation (2).
ここで、式(2)、(3)の変数は、a0:圧電素子の振幅、h:空気膜厚、m:振動面の質量、M:負荷質量、p0:周囲圧力、p:スクイーズ膜圧力、r:振動面の半径方向座標、r0:振動面半径、ω:圧電素子加振加速度を表す。
Here, the variables of the equations (2) and (3) are a 0 : amplitude of the piezoelectric element, h: air film thickness, m: mass of the vibration surface, M: load mass, p 0 : ambient pressure, p: squeeze. Membrane pressure, r: radial coordinate of vibration surface, r 0 : vibration surface radius, ω: piezoelectric element excitation acceleration.
式(2)の左辺は圧電素子変位を変数とする運動方程式を表しており、式(2)の右辺は圧力に関する運動方程式である。振動面が時間変化する場合に力が発生し、この力が圧力変化の式と等価になるため、スクイーズ膜圧力により振動面が浮上する。圧力は単位面積あたりの力として表せるので、圧電素子の変位が、振動面と対向面との間に圧力変化を生じると解釈できる。本発明では、振幅拡大機構を使って、振動面の変位を拡大している。これを式(2)の左辺に当てはめると左辺は、振幅拡大機構がない場合よりも力が増える。この増えた力は、式(2)の右辺と釣り合う必要があり、振動面の面積は増えないので、積分内の圧力が増加する。周囲圧力は変わらないので、スクイーズ膜圧力が増大する。このスクイーズ膜圧力が増大することにより浮上剛性が向上できるので、従来、浮上させることが困難であった負荷でも振幅拡大機構を備えることにより、浮上させることができる。なお、ディスク603はA2017をはじめとするアルミ合金、AZ80をはじめとするマグネシウム合金、Ti−6Al−4Vをはじめとするチタン合金で構成した場合はスクイーズ空気軸受の作製が安価にできた。一方、Ti−35Nb−10V−0.35O、Ti−40Nb−6V−4Ta−0.28O、Ti−20Nb−5V−10Ta−5Zr−5Hf−0.29O、Ti−35Nb−5Ta−3Sc−0.27Oといったチタン合金や超塑性加工を施したZn−22Al、Al−6Cu―0.5ZrおよびZr−30Cu−10Al−5NiやNi−20Nb−10Ti−8Zr−6Co−3Cuといった金属ガラス構成した場合は、A2017をはじめとするアルミ合金、AZ80をはじめとするマグネシウム合金、Ti−6Al−4Vをはじめとするチタン合金で構成した場合よりも使用時の寿命が2倍以上に向上した。 The left side of equation (2) represents an equation of motion with the piezoelectric element displacement as a variable, and the right side of equation (2) is the equation of motion related to pressure. A force is generated when the vibration surface changes with time, and this force is equivalent to the equation for pressure change. Therefore, the vibration surface rises due to the squeeze film pressure. Since the pressure can be expressed as a force per unit area, it can be interpreted that the displacement of the piezoelectric element causes a pressure change between the vibration surface and the opposing surface. In the present invention, the displacement of the vibration surface is enlarged using an amplitude enlargement mechanism. When this is applied to the left side of Equation (2), the force on the left side increases more than when there is no amplitude expansion mechanism. This increased force needs to be balanced with the right side of equation (2), and the area of the vibration surface does not increase, so the pressure in the integration increases. Since the ambient pressure does not change, the squeeze film pressure increases. Since the levitation rigidity can be improved by increasing the squeeze film pressure, it is possible to levitate by providing an amplitude expansion mechanism even with a load that has been difficult to levitate conventionally. When the disk 603 is made of an aluminum alloy such as A2017, a magnesium alloy such as AZ80, or a titanium alloy such as Ti-6Al-4V, the squeeze air bearing can be manufactured at low cost. Meanwhile, Ti-35Nb-10V-0.35O, Ti-40Nb-6V-4Ta-0.28O, Ti-20Nb-5V-10Ta-5Zr-5Hf-0.29O, Ti-35Nb-5Ta-3Sc-0. When a metallic glass such as titanium alloy such as 27O or Zn-22Al, Al-6Cu-0.5Zr and Zr-30Cu-10Al-5Ni or Ni-20Nb-10Ti-8Zr-6Co-3Cu subjected to superplastic processing is used, The life in use was more than doubled compared to the case of using aluminum alloys including A2017, magnesium alloys including AZ80, and titanium alloys including Ti-6Al-4V.
実施例1から7にて説明したスクイーズ空気軸受を、平面アクチュエータ装置の非接触軸受とした。図10にスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置の上面図および側面図を示す。
本発明が特許文献4と異なる部分は、備えた非接触軸受がスクイーズ空気軸受である部分である。また、本発明が特許文献5と異なる部分は、備えた非接触軸受であるスクイーズ空気軸受の振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、スクイーズ空気膜力特性を改善した部分と振幅拡大機構を備えてスクイーズ空気膜力特性を改善した部分である。すなわち、非接触軸受としてスクイーズ空気軸受を用いたことにより、大がかりな付帯設備が不要で、小型で簡便な装置とでき、高精度駆動および位置決めが可能になった。
図10において、701は可動子、702は実施例2のスクイーズ空気軸受のユニット、703は振動面、704は対向面である。可動子701には、可動子701の各側壁にユニット702が対向するように4個結合し、対向面704に対して可動子701と同一面になるように配置されている。この4このユニット702により、可動子701とユニット702を浮上させる。この可動子701は例えば平面アクチュエータ装置とすると可動子701には、位置決め用の変位センサが振動面703側に取り付けてある。また、固定子及びガラススケールが対向面704側に取り付けてある。浮上剛性が足りない場合には、ユニット702を追加して、可動子701の側面に取り付けることができる。
The squeeze air bearing described in Examples 1 to 7 was a non-contact bearing of a planar actuator device. FIG. 10 shows a top view and a side view of a planar actuator device provided with a squeeze air bearing.
The part from which this invention differs from patent document 4 is a part in which the provided non-contact bearing is a squeeze air bearing. Further, the present invention is different from Patent Document 5 in that any of the surfaces facing the vibrating surface that vibrates by the vibrator of the squeezed air bearing which is a non-contact bearing provided is not a flat surface, and the squeezed air film force characteristics are improved. The squeezed air film force characteristic is improved by providing the portion and the amplitude expanding mechanism. In other words, the use of the squeeze air bearing as the non-contact bearing eliminates the need for a large incidental facility, enables a small and simple device, and enables high-precision driving and positioning.
In FIG. 10, reference numeral 701 denotes a mover, 702 denotes a squeeze air bearing unit of the second embodiment, 703 denotes a vibration surface, and 704 denotes an opposing surface. Four units 702 are coupled to the mover 701 so that the side walls of the mover 701 are opposed to each other, and are arranged so as to be flush with the mover 701 with respect to the facing surface 704. 4 This unit 702 causes the mover 701 and the unit 702 to float. If the movable element 701 is a planar actuator device, for example, a displacement sensor for positioning is attached to the movable element 701 on the vibration surface 703 side. Further, a stator and a glass scale are attached to the facing surface 704 side. If the floating rigidity is insufficient, a unit 702 can be added and attached to the side surface of the mover 701.
以上の本発明の実施の形態の説明では、平面アクチュエータ装置を例に説明したが、リニアモータでも有効であることは言うまでもなく、スクイーズ空気軸受を適用する装置に限定されるものではない。 In the above description of the embodiment of the present invention, the planar actuator device has been described as an example. However, it is needless to say that the linear motor is also effective, and the present invention is not limited to the device to which the squeeze air bearing is applied.
本発明のスクイーズ空気軸受は、小型軽量で単純、加工および組立精度が低くて良く、隙間の変動に対し安定で、かつ安価であり、スクイーズ空気膜圧特性に優れていることから、非接触軸受を用いる平面アクチュエータ装置やリニアモータなどに代表される各種アクチュエータ装置に適用できる。 The squeeze air bearing of the present invention is a non-contact bearing because it is small and light, simple, low in machining and assembly accuracy, stable against gap fluctuations, inexpensive, and excellent in squeeze air film pressure characteristics. The present invention can be applied to various actuator devices typified by planar actuator devices and linear motors.
1 振動子
21 振動面
22 凸部
23 凸部
24 凹部
25 凹部
26 テーパ部
27 逆テーパ部
28 溝部
3 対向する平面
4 隙間
101 振動体
102 浮上体
103 隙間
201、301、401、501 振動子
202、302 振動部
203、303 振動面
204、406、502 回転軸
205、305、504 隙間
206、505 固定部
304 可動部
306、307 永久磁石
402 スラスト用振動体
403 スラスト用隙間
404 ラジアル用振動体
405 ラジアル用隙間
503 凹部
601 圧電素子
602 皿板
603、604 ディスク
605 ケース
606 負荷
607 固定ねじ
608 キャップボルト
609,704 対向面
610、703 振動面
701 可動子
702 ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 21 Vibrating surface 22 Convex part 23 Convex part 24 Concave part 25 Concave part 26 Taper part 27 Reverse taper part 28 Groove part 3 Opposite plane 4 Gap 101 Vibrator 102 Floating body 103 Gap 201, 301, 401, 501 Vibrator 202, 302 Vibrating parts 203, 303 Vibrating surfaces 204, 406, 502 Rotating shafts 205, 305, 504 Clearances 206, 505 Fixed parts 304 Movable parts 306, 307 Permanent magnet 402 Thrust vibrator 403 Thrust gap 404 Radial vibrator 405 Radial Clearance 503 Recess 601 Piezoelectric element 602 Dish plate 603, 604 Disc 605 Case 606 Load 607 Fixing screw 608 Cap bolt 609, 704 Opposing surface 610, 703 Vibration surface 701 Movable element 702 Unit
Claims (25)
前記振動面が平面でないことを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
The squeeze air bearing, wherein the vibration surface is not a flat surface.
前記振動面に凹部および/または凸部を持たせたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
A squeeze air bearing, wherein the vibration surface is provided with a concave portion and / or a convex portion.
前記振動面が傾斜面を有し、前記対向させた平面との距離が連続的に変化する前記振動面していることを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
The squeeze air bearing according to claim 1, wherein the vibration surface has an inclined surface, and the vibration surface has a continuously changing distance from the opposed flat surface.
前記振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有していることを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
A squeeze air bearing characterized in that it has a plurality of grooves in a portion that is more than half the area ratio of the vibration surface.
前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備えたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
A squeeze air bearing comprising a vibration surface amplitude enlarging mechanism between the vibrator and the vibration surface.
前記振動子の振動中心と第1および第2の平板の振動中心が同軸上にあることを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
The squeeze air bearing characterized in that the vibration center of the vibrator and the vibration centers of the first and second flat plates are coaxial.
少なくとも4つの前記スクイーズ空気軸受を前記平面アクチュエータの移動子の中心に対して軸対称に配置したことを特徴とする平面アクチュエータ装置。 In a planar actuator device provided with a squeeze air bearing that is supported in a non-contact manner by utilizing a squeeze air film force generated by a high-frequency vibration in a vertical direction between two opposing surfaces,
A planar actuator device, wherein at least four of the squeeze air bearings are arranged symmetrically with respect to the center of the slider of the planar actuator.
前記スクイーズ空気軸受の振動面が平面でないことを特徴とする平面アクチュエータ装置。 In a planar actuator device provided with a squeeze air bearing that is supported in a non-contact manner by utilizing a squeeze air film force generated by a high-frequency vibration in a vertical direction between two opposing surfaces,
A planar actuator device, wherein a vibration surface of the squeeze air bearing is not flat.
前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備え、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第2の平板とを備え、前記第2の平板が鉄系金属で構成されたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。 In a squeeze air bearing comprising a vibration surface to be vibrated by a vibrator and a plane opposed to the surface through a minute gap, and supported in a non-contact manner by a squeeze air film force,
A vibration surface amplitude enlarging mechanism is provided between the vibrator and the vibration surface, and the vibration surface amplitude enlarging mechanism has one end in the vibration direction fixed to the case and the other end fixed to the dish plate. The dish plate includes a first flat plate fixed to the case, and a second flat plate connected to the first flat plate, and the second flat plate is made of an iron-based metal. And squeeze air bearing.
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2006
- 2006-10-16 JP JP2006281033A patent/JP2008111447A/en active Pending
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