JP2015218827A - 静圧流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変絞りを能動的に制御することにより、高い軸受剛性を得るとともに、異常等により軸受動作中に可変絞りの制御が停止した場合であっても、安定した軸受剛性を得ることができる静圧流体軸受装置を提供する。【解決手段】可変絞り４０は、流体流路１３を経由して流体が充填される流体貯留室４４ａと、流体貯留室４４ａに対向して配置され、中央に突起部を有し、突起部に静圧ポケット１１へ連通する流路４７を備えた流体供給室４４ｂと、流体供給室４４ａと流体貯留室４４ｂとの間を仕切るとともに、流体供給室４４ａと流体貯留室４４ｂとの間に外周部が把持され、一方の面が突起部と所定の隙間を隔てて対向するダイアフラム４３と、ダイアフラム４３を挟んで突起部と反対側の可変絞り４０本体に取り付けられたボイスコイルモータ５０と、ボイスコイルモータ５０を駆動して絞り量を制御する制御手段を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、可変絞り手段を有する静圧流体軸受装置に関する。

静圧流体軸受装置は、案内面または軸受面の一方に静圧ポケットを設け、ポンプから加圧された流体を静圧ポケットに供給することにより、案内面と軸受面の間に所定の厚さの流体膜を形成し、軸受面を非接触に支持して、高精度に運動させるとともに、摩擦を低減する軸受装置である。この流体膜は動的に形成された後、排出流路へ排出されることを繰り返すことにより維持されている。静圧軸受に加わる負荷により流体膜に外乱力が作用すると、軸受剛性の維持に必要な厚さの流体膜が形成されず、軸受剛性が低下する。このため、ポンプから静圧ポケットに流体を供給する流路途中に絞りを設け、適切に減圧することにより供給圧力を調整して、負荷に対する案内面と軸受面の間の隙間の変動を小さくするように、すなわち軸受剛性が高くなるようにしている。この絞りには、開度を一定にした固定絞りと、開度が可変な可変絞りがあり、可変絞りでは、開度により流量を増減させることにより、供給圧力を制御することができる。

例えば、特許文献１には、静圧ポケットに流体を供給する流路の途中に設けられた可変絞りにより供給流量を制限することで静圧ポケットの圧力を調整して軸受剛性を維持する流体軸受装置が開示されている。この可変絞りは、内部に流体が流入する充填空間を有し、充填空間には静圧ポケットに連通する流体流通孔が設けられており、流体流通孔に対向してダイアフラムが配置されている。流体流通孔とダイアフラムとの間の隙間が絞りとなっており、充填空間に流入した流体は、この絞りを経由することにより、流量が制限されて流体流通孔へ流出する。ダイアフラムには圧電アクチュエータが接続されており、圧電アクチュエータを伸縮させて、ダイアフラムを変位させることにより、流体流通孔との間の隙間を変更できる可変絞りとなっている。静圧ポケットには圧力センサが備えられており、圧力に応じて可変絞りを作動させている。静圧軸受に加わる外乱負荷により流体膜に外乱力が作用し、静圧ポケットの圧力の増加が検出されると、圧力に応じて、圧電アクチュエータによってダイアフラムを引き上げ、可変絞りの開度を大きくすることにより、供給流量を増加させ、軸受剛性を維持している。

実開平３−４９４１５号公報

しかしながら、特許文献１の流体軸受装置では、例えば異常等により軸受動作中に可変絞りの制御が停止した場合、ダイアフラムが圧電アクチュエータに固定されているため、流体流通孔とダイアフラムとの間の隙間を変えることができない。したがって、静圧軸受に加わる負荷により流体膜に外乱力が作用した際に、可変絞りの開度が変わらないため、静圧ポケットの圧力が低下し、安定した軸受剛性を維持することができない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、可変絞りを能動的に制御することにより、高い軸受剛性を得るとともに、異常等により軸受動作中に可変絞りの制御が停止された場合であっても、安定した軸受剛性を得ることができる静圧流体軸受装置を提供することにある。

請求項１に係わる発明は、案内面または軸受面の一方に設けた静圧ポケットと、前記静圧ポケットに流体を供給する流体供給手段と、前記流体供給手段から前記静圧ポケットに至る流体の通路を形成する流体流路と、前記流体流路の途中に設けられ、流体の流量を絞って前記静圧ポケットに流入させる可変絞りを備え、前記可変絞りは、前記流体流路を経由して流体が充填される流体貯留室と、前記流体貯留室に対向して配置され、中央に突起部を有し、前記突起部に前記静圧ポケットへ連通する流路を備えた流体供給室と、前記流体供給室と前記流体貯留室との間を仕切るとともに、前記流体供給室と前記流体貯留室との間に外周部が把持され、一方の面が前記突起部と所定の隙間を隔てて対向するダイアフラムと、前記ダイアフラムを挟んで前記突起部と反対側の前記可変絞り本体に取り付けられたボイスコイルモータと、前記可変絞り本体に固定された固定子であるヨークと、前記ボイスコイルモータの可動子として前記ヨークの外周に配置されたボイスコイルと、前記ボイスコイルの端部と前記ダイアフラムの他方の面との間を連結する連結部材と、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記のように構成した請求項１の発明によれば、静圧流体軸受装置は、ボイスコイルモータによって、ダイアフラムを能動的に変位させて絞り量を制御することができるので、高い軸受剛性を得ることができる。このダイアフラムは、ボイスコイルモータの可動子であるボイスコイルの端部に連結されており、ボイスコイルモータにより駆動されている。ボイスコイルは質量が小さく、駆動系の慣性を小さくすることができるので、高い応答性能を実現することができる。また、このボイスコイルはヨークの外周に配置されて移動自在であるので、ダイアフラムも移動自在である。したがって、この可変絞りは制御されていない場合であっても、流体供給室と流体貯留室の流体の圧力とダイアフラムの弾性により、ダイアフラムを受動的に変位させて絞り量を変える、いわゆるダイアフラム式可変絞りとして機能させることができる。例えば、異常等により軸受動作中に制御が停止しても、安定した軸受剛性を得ることができるので、案内面および軸受面の焼き付きを防ぐことができる。

請求項２に係わる発明は、請求項１に記載の静圧流体軸受装置であって、前記可変絞りは、前記案内面と前記軸受面との間の変位を検出する変位検出手段を備え、前記制御手段は、前記変位検出手段により検知された前記変位に応じて、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御することを特徴とする。

上記のように構成した請求項２の発明によれば、静圧流体軸受装置は、案内面と軸受面との間の変位に応じて、ボイスコイルモータを駆動して、常に案内面と軸受面との間が所望の隙間となるように、ダイアフラムを能動的に変位させて絞り量を制御することができるので、高い軸受剛性を得ることができる。

請求項３に係わる発明は、請求項１に記載の静圧流体軸受装置であって、前記可変絞りは、前記静圧ポケットの圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段により検知された前記圧力に応じて、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御することを特徴とする。

上記のように構成した請求項３の発明によれば、静圧流体軸受装置は、静圧ポケットの圧力の変動に応じて、ボイスコイルモータを駆動して、常に案内面と軸受面との間が所望の隙間となるように、ダイアフラムを能動的に変位させて絞り量を制御することができるので、高い軸受剛性を得ることができる。

請求項４に係わる発明は、請求項２または請求項３に記載の静圧流体軸受装置であって、前記制御手段は、前記ボイスコイルの位置を検出する位置検出手段と、前記ボイスコイルの速度を検出する速度検出手段と、前記ボイスコイルモータの印加電流を検出する電流検出手段とを備え、前記位置と前記速度と前記印加電流をそれぞれフィードバックして制御することを特徴とする。

上記のように構成した請求項４の発明によれば、静圧流体軸受装置は、ボイスコイルモータのボイスコイルの位置および速度と、ボイスコイルモータの印加電流をそれぞれフィードバックして制御することができるので、より高精度にダイアフラムを変位させて、正確に絞り量を制御することができるので、さらに軸受性能を向上させることができる。

本発明によれば、可変絞りを能動的に制御することにより、高い軸受剛性を得るとともに、異常等により軸受動作中に可変絞りの制御が停止された場合であっても、安定した軸受剛性を得ることができる静圧流体軸受装置を提供することができる。

本発明の実施形態の静圧流体軸受装置の概略図である。 本発明の実施形態のダイアフラム式可変絞り装置の断面図である。 本発明の実施形態の静圧流体軸受装置のハードウエア構成図である。 本発明の他の実施形態の静圧流体軸受装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の実施形態の静圧流体軸受装置の概略図であり、図２は図１に示されたダイアフラム式可変絞り装置の断面図である。図中の矢印は流体の流れる方向を示している。

以下、本実施形態の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態による静圧流体軸受装置１は、直動テーブルの案内面６に対向する軸受面５に静圧ポケット１１を備えており、静圧ポケット１１には静圧ポケット１１と一体的になったダイアフラム式可変絞り装置４０が設けられている。

このダイアフラム式可変絞り装置４０は、静圧ポケット１１と一体的にすることで、流出口４２から絞り部に至る経路を短くしている。さらに、案内面６には変位検出手段である変位センサ１８を備えており、案内面６と軸受面５との間の変位が計測可能になっている。静圧ポケット１１に至る流体の通路を形成する流体流路である流体供給流路１３は流体供給手段であるポンプＰと静圧ポケット１１との間を連通しており、流体供給流路１３の途中にダイアフラム式可変絞り装置４０が設けられている。

ダイアフラム式可変絞り装置４０は、制御手段である制御装置１００と接続されており、制御装置１００により絞りの開度Ｄが制御される可変絞りとなっている。制御装置１００は、案内面６に備えた変位センサ１８により計測された案内面６と軸受面５との間の変位に応じて絞りの開度Ｄを変えて、静圧ポケット１１への供給流量を制御している。

図２に示すように、ダイアフラム式可変絞り装置４０は、ハウジング４８内に、流路４１、流入口４１ａ，４１ｂ、流出口４２、ダイアフラム４３、流体供給室４４ａ、流体貯留室４４ｂ、弁座４５、ボイスコイルモータ５０を有している。

ハウジング４８の下部中央には、弁座４５となる突起部が形成され、弁座４５の周囲には、円環状に凹設された流体供給室４４aが形成されている。この弁座４５には静圧ポケット１１と連通する流路４７が形成されている。ハウジング４８の上部には、流体供給室４４aに対向して流体貯留室４４ｂが形成されている。流体供給室４４ａおよび流体貯留室４４ｂには、それぞれ流路４１と連通する流入口４１ａ，４１ｂが形成されている。流体供給室４４ａおよび流体貯留室４４ｂは、流入口４１ａ，４１ｂから供給された流体が充填されて、供給された流体の圧力と等しくなっている。

ダイアフラム４３は、外周部が流体供給室４４ａと流体貯留室４４ｂとの間に把持されて流体供給室４４ａと流体貯留室４４ｂとの間を仕切るとともに、図２の下方向の面が弁座４５に所定の隙間を隔てて対向して配置されている。ダイアフラム４３は、鋼材等からなる弾性部材であり、ダイアフラム４３と弁座４５で形成された隙間が、絞りの開度Ｄとなっている。流体供給室４４ａの流体は開度Ｄに絞られて静圧ポケット１１へ流出する。ダイアフラム４３は、絞りの最小開度ＤＬから最大開度ＤＨまで変形させることが可能であり、最小開度ＤＬから最大開度ＤＨの中間位置を、無負荷状態での初期位置としている。

ボイスコイルモータ５０は、ハウジング４８の上側部分に支持される固定子６１と、固定子６１に対し、図２の上下方向に移動可能な可動子６２とからなる。ボイスコイルモータ５０は、ダイアフラム４３を挟んで弁座４５と反対側のハウジング４８の上側部分のダイアフラム式可変絞り装置４０本体に支持されている。

固定子６１は、円板状のヨーク基部５６と、ヨーク基部５６の外周部より円筒状に設けられた外部ヨーク５５と、ヨーク基部５６の中心部に円筒状に設けられたセンターヨーク５７とから構成されている。このヨーク基部５６、外部ヨーク５５、センターヨーク５７は、軟磁性材料からなり、磁束をよく通すように構成されている。

外部ヨーク５５の内周側には、環状の永久磁石５９が固定されている。この永久磁石５９は、内周側をＮ極、外周側をＳ極として着磁されている。なお、この永久磁石５９のＮ極とＳ極とを逆にしてもよい。

可動子６２は、円筒状をなすコイルボビン５３と、コイルボビン５３の外周に巻回されたボイスコイル５１とから構成されている。ボイスコイル５１は、センターヨーク５７の外周に配置され、センターヨーク５７とコイルボビン５３との間は隙間を有しており、センターヨーク５７とボイスコイル５１との間は非接触となっている。

コイルボビン５３には、端部に円板状のコイルキャップ５２が取り付けられている。コイルキャップ５２には、軸方向に複数個の貫通孔５４が形成されている。また、コイルキャップ５２は、柱状の連結部材６０を介してダイアフラム４３と連結されている。コイルボビン５３は軟磁性材料からなり、磁気を通しやすくしている。

コイルキャップ５２には、エンコーダーケース２５の蓋部が取り付けられている。エンコーダーケース２５の蓋部の内側には、エンコーダスケール２８が固定されている。外部ヨーク５５の外側には、ボイスコイル５１の位置を検出する位置検出手段である位置センサ１７およびボイスコイル５１の速度を検出する速度検出手段である速度センサ１６が設置されている。また、図示していないが、ボイスコイルモータ５０は印加電流を検出する電流検出手段である電流センサ１９を備えている。

永久磁石５９の内側のＮ極から出た磁束は、ボイスコイル５１を通過してコイルボビン５３、滑りガイド５８、センターヨーク５７を通り、ヨーク基部５６と外部ヨーク５５を経由して永久磁石５９の外側のＳ極に戻る。

この磁気回路において、ボイスコイル５１に対し電流を流すと、ボイスコイル５１には、図２の上下方向のいずれか一方の方向に推力が生じる。また、上記と逆向きの電流を流すことにより、図２の上下方向のいずれか他方の方向に推力が生じる。

このような構成によって、可動子６２が上下方向に駆動され、可動子６２に連結されたダイアフラム４３が上下方向に変位する。ボイスコイルモータ５０によるダイアフラム４３の駆動は滑らかであり、ダイアフラム４３の変形時において機械的振動が発生しにくい。

次に静圧流体軸受装置１のハードウエア構成を、図３に基づいて説明する。
制御装置１００は、あらかじめ設定された案内面６と軸受面５との間の隙間の大きさと、変位センサ１８の検出した値に基づき、ダイアフラム４３に対する指令値を生成する。この指令値は、位置制御部１０５、速度制御部１０６、電流制御部１０７を通り、ボイスコイルモータ５０へ電流が印加される。

そして、位置センサ１７、速度センサ１６が検出した値により、位置制御部１０５と速度制御部１０６に対し、位置フィードバックと速度フィードバックをそれぞれ返し、位置と速度の補正を加える。

また、電流値については、電流制御部１０７より出力された後、電流センサ１９を通して電流フィードバックを電流制御部１０７に返す。こうしてボイスコイルモータ５０が位置制御、速度制御および電流制御されることにより、制御装置１００は、ダイアフラム４３の位置を制御している。

上記のように構成される静圧流体軸受装置１の動作を、図１および図２に基づいて説明する。
図１に示すように、静圧流体軸受装置１は、ポンプＰにより加圧された流体を、流体供給流路１３の途中に設けられた、ダイアフラム式可変絞り装置４０により減圧し、静圧ポケット１１に流体を供給させる。

静圧ポケット１１に供給された流体により、案内面６と軸受面５の間に所定の厚さの流体膜が形成され、案内面６が支持される。流体膜は動的に形成された後、ドレン３１へ排出されることを繰り返すことにより維持されている。静圧軸受に加わる外乱負荷により流体膜に外乱力が作用すると、案内面６と軸受面５との間の隙間が変化する。

制御装置１００は、この隙間が所定の距離よりも小さくなった場合、ダイアフラム式可変絞り装置４０のボイスコイルモータ５０を駆動してダイアフラム４３を上方向に引き上げ、絞りの開度Ｄを大きくすることにより、静圧ポケット１１への供給流量は増加されて、案内面６と軸受面５との間の隙間を大きくする。

また、制御装置１００は、隙間が所定の距離よりも大きくなった場合、ダイアフラム式可変絞り装置４０のボイスコイルモータ５０を駆動してダイアフラム４３を下方向に引き下げ、絞りの開度Ｄを小さくすることにより、静圧ポケット１１への供給流量は減少されて、案内面６と軸受面５との間の隙間を小さくする。

制御装置１００は、図２に示すように、変位センサ１８により案内面６と軸受面５との間の隙間ｔの変位を検知し、変位に応じてダイアフラム式可変絞り装置４０を動作させることにより、案内面６と軸受面５との間の隙間を所定の距離に維持することができる。このとき、ダイアフラム４３を変位させるボイスコイル５１は質量が小さく、駆動系の慣性を小さくすることができるので、高い応答性能を実現することができる。

また、ダイアフラム式可変絞り装置４０のダイアフラム４３は、最小開度ＤＬから最大開度ＤＨの中間位置を、無負荷状態での初期位置として、移動自在である。したがって、ダイアフラム式可変絞り装置４０は制御されていない場合であっても、流体供給室４４aと流体貯留室４４ｂの流体の圧力とダイアフラム４３の弾性により、ダイアフラム４３を受動的に変位させて絞り量を制御することができる。例えば、異常等により軸受動作中に制御が停止しても、安定した軸受剛性を得ることができるので、案内面６および軸受面５の焼き付きを防ぐことができる。

他の実施形態として、図４に示すように、静圧ポケット１１に圧力検出手段である圧力センサ１５を備え、制御装置１００は、圧力センサ１５により検知された圧力に応じて、ボイスコイルモータを駆動して、ダイアフラムを変位させて絞り量を制御するものがある。

上記の実施形態によれば、静圧流体軸受装置１は、静圧ポケット１１の圧力の変動に応じて、ボイスコイルモータを駆動して、常に案内面６と軸受面５との間が所望の隙間となるように、ダイアフラムを能動的に変位させて絞り量を制御することができるので、高い軸受剛性を得ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態では、ボイスコイルモータのセンターヨークとボイスコイルとを非接触としているが、コイルボビンの内周側に滑りガイドを圧入して、センターヨークとボイスコイルを摺接させるようにしてもよい。また、本実施形態では、外部ヨークの内周側に環状の永久磁石を配置しているが、センターヨークに永久磁石を配置した構成としてもよい。

さらに、本実施形態では、直動テーブルの静圧案内面に適用しているが、スピンドル等の回転軸を支持する静圧軸受に適用してもよい。回転軸の場合、対向する軸受面に配置することで、負荷に対し、高い軸受剛性を持たせることができる。その他、ジャーナル軸受、スラスト軸受、静圧ネジにも適用することができる。

１ 静圧流体軸受装置、 ５ 軸受面、 ６ 案内面、 ８ ランド、
１１ 静圧ポケット、 １３ 流体供給流路、 １５ 圧力センサ、
１６ 速度センサ、 １７ 位置センサ、 １８ 変位センサ、
１９ 電流センサ、 ２５ エンコーダーケース、 ２８ エンコーダスケール、
３０ タンク、 ３１ ドレン、 ４０ ダイアフラム式可変絞り装置、
４１ 流路、 ４１ａ，４１ｂ 流入口、 ４２ 流出口、
４３ ダイアフラム、 ４４ａ 流体供給室、 ４４ｂ 流体貯留室、
４５ 弁座、 ４７ 流路、 ４８ ハウジング、 ５０ ボイスコイルモータ、
５１ ボイスコイル、 ５２ コイルキャップ、 ５３ コイルボビン、
５４ 貫通孔、 ５５ 外部ヨーク、 ５６ ヨーク基部、
５７ センターヨーク、 ５９ 永久磁石、
６０ 連結部材、 ６１ 固定子、 ６２ 可動子、
１００ 制御装置、 １０５ 位置制御部、 １０６ 速度制御部、
１０７ 電流制御部、 Ｄ 開度、 ＤＬ 最小開度、 ＤＨ 最小開度、
Ｐ ポンプ、 ｔ：隙間

Claims (4)

1. 案内面または軸受面の一方に設けた静圧ポケットと、前記静圧ポケットに流体を供給する流体供給手段と、前記流体供給手段から前記静圧ポケットに至る流体の通路を形成する流体流路と、前記流体流路の途中に設けられ、流体の流量を絞って前記静圧ポケットに流入させる可変絞りを備え、
   前記可変絞りは、前記流体流路を経由して流体が充填される流体貯留室と、前記流体貯留室に対向して配置され、中央に突起部を有し、前記突起部に前記静圧ポケットへ連通する流路を備えた流体供給室と、前記流体供給室と前記流体貯留室との間を仕切るとともに、前記流体供給室と前記流体貯留室との間に外周部が把持され、一方の面が前記突起部と所定の隙間を隔てて対向するダイアフラムと、前記ダイアフラムを挟んで前記突起部と反対側の前記可変絞り本体に取り付けられたボイスコイルモータと、前記可変絞り本体に固定された固定子であるヨークと、前記ボイスコイルモータの可動子として前記ヨークの外周に配置されたボイスコイルと、前記ボイスコイルの端部と前記ダイアフラムの他方の面との間を連結する連結部材と、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする静圧流体軸受装置。
2. 請求項１に記載の静圧流体軸受装置であって、
   前記可変絞りは、前記案内面と前記軸受面との間の変位を検出する変位検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記変位検出手段により検知された前記変位に応じて、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御することを特徴とする静圧流体軸受装置。
3. 請求項１に記載の静圧流体軸受装置であって、
   前記可変絞りは、前記静圧ポケットの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段により検知された前記圧力に応じて、前記ボイスコイルモータを駆動して、前記ダイアフラムを変位させて絞り量を制御することを特徴とする静圧流体軸受装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の静圧流体軸受装置であって、
   前記制御手段は、前記ボイスコイルの位置を検出する位置検出手段と、前記ボイスコイルの速度を検出する速度検出手段と、前記ボイスコイルモータの印加電流を検出する電流検出手段とを備え、前記位置と前記速度と前記印加電流をそれぞれフィードバックして制御することを特徴とする静圧流体軸受装置。

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