JP2018003907A - 案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が複雑になるのを避けつつ、停止時の位置決め精度が向上した案内装置を提供する。【解決手段】案内装置１は、複数の転動体１２と、レール２に沿って移動するように構成され、複数の転動体１２が移動するための転走溝１４が設けられたランナーブロック４と、ランナーブロック４に取り付けられ、レール２に押し当てられることによって摩擦力を発生させるブレーキシューと、ランナーブロック４に取り付けられ、ブレーキシューとレール２との位置関係を変更するように構成される電動アクチュエータと、ランナーブロック４に取り付けられ、電動アクチュエータに電力を供給する電源回路とを備える。好ましくは、電源回路は、転動体１２が転走溝１４を循環する際に生じる振動によって発電をするように構成される発電素子１８を含む。【選択図】図１

Description

この発明は、案内装置に関し、特にレールに押し当てられることによって摩擦力を発生させるブレーキシューを備える案内装置に関する。

直動案内装置は、外部の動力源でベルトやボールねじを回してステージを移動させるときに、滑らかに移動させるようにステージを支持する部品であり、リニアガイドとも称される。

特開平７−５４８４５号公報（特許文献１）は、工作機械に使用される直動案内装置の一例を開示する。この直動案内装置は、レールにより案内される転動体を有する複数のブロックと、ブロック間に配設されて減衰力を発生させるダンピングブロックにより構成される。ダンピングブロックはレールを挾むように設けられたブレーキシュー支持部を有する。ブレーキシューの押圧力を油圧で変化させることによって、工作機械の減衰性と剛性を調節し、重切削などを行なった場合にもビビリを生じなくすることができる。

特開平７−５４８４５号公報

上記の特開平７−５４８４５号公報に記載された直動案内装置は、例えば荒加工や重切削のように、ステージを移動させながら切削等を行なう場合のビビリの防止のためにブレーキシューを使用している。

一方で、直動案内装置は、そのような荒加工や重切削ではなくもっと精密な用途に使用される場合もある。たとえば、液晶装置や半導体製造装置等の製造に使用される精密位置決め装置は、直動案内装置でステージを移動させた後の静止時において必要な処理（液晶装置のリペア加工、電気測定、フォトマスクの位置合わせなど）を行なう。このような微細な対象に対しての位置決め装置は、完全に静止状態を実現することが好ましい。

しかし、精密位置決め装置は、位置決め停止中においても、完全には静止しておらず、移動方向に振動する場合がある。たとえば、ステージをサーボモータなどで移動させ位置決めする場合、モータが停止していても他の部分の振動が伝わり、移動方向に細かい振動がステージに発生している場合がある。ミリ単位の位置決めであれば問題ないが、ミクロンオーダ、ナノオーダの位置決めが必要な精密な装置（液晶リペア装置、ハードディスク製造装置）では静止時の細かい振動が作業の精度に影響を与える。

停止位置保持のために、特開平７−５４８４５号公報に開示されるようなブレーキユニットを有するダンピングブロックを直動案内装置（リニアガイド）のランナーブロック間に配置することもあるが、このブレーキユニットは以下の課題がある。
（１）ブレーキユニットを設置するスペースが必要。
（２）ブレーキユニットを駆動するエネルギー（圧縮空気、油圧、電気等）の準備が必要。
（３）ブレーキユニットに駆動源の供給と制御を行なうための、油圧配管やケーブル配線が必要。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、構造が複雑になるのを避けつつ、停止時の位置決め精度が向上した案内装置を提供することである。

この発明は、要約すると、案内装置であって、複数の転動体と、レールに沿って移動するように構成され、複数の転動体が移動するための転走溝が設けられたランナーブロックと、ランナーブロックに取り付けられ、レールに押し当てられることによって摩擦力を発生させるブレーキシューと、ランナーブロックに取り付けられ、ブレーキシューとレールとの位置関係を変更するように構成される電動アクチュエータと、ランナーブロックに取り付けられ、電動アクチュエータに電力を供給する電源回路とを備える。

このように、位置保持機構（ブレーキ機構）を案内装置のランナーブロック中に全部収めてやることで、位置保持を行ないつつも簡素な構成であるリニアガイドを実現することができる。

好ましくは、電源回路は、転動体が転走溝を循環する際に生じる振動によって発電をするように構成される発電素子を含む。

ステージを移動させるときは、転動体が転走溝中を循環するので、振動が発生する。上記の構成とすれば、この振動を発電に利用することができ、ブレーキの作動または解除に用いる電動アクチュエータの駆動に発電した電力を使用することができる。

より好ましくは、電源回路は、発電素子によって発電された電力を蓄電する蓄電素子をさらに含む。

さらに好ましくは、ランナーブロックに取り付けられ、蓄電素子から電源電圧を受け、電動アクチュエータの制御を行なう制御装置をさらに備える。

このように蓄電素子と制御装置とを備えることによって、ブレーキの作動と非作動のタイミングなどを調整することも可能となる。

さらに好ましくは、制御装置は、発電素子の発電電力に基づいてランナーブロックがレール上を移動中であるか停止中であるかを判断する。すなわち、制御装置は、発電量の大小をステージが移動中か否かの判定に使用する。

さらに好ましくは、制御装置は、ランナーブロックの停止中にブレーキシューによって制動力が発生するように電動アクチュエータを制御し、制御装置は、ランナーブロックの移動中にブレーキシューによって制動力が発生しないように電動アクチュエータを制御する。

このような制御装置を備えることによって、仮に発電の有り・無しとブレーキの作動・非作動の極性が逆であっても、適切にブレーキ用アクチュエータを駆動することができる。

好ましくは、ランナーブロックは、ブロック本体と、ブロック本体をレールに沿う方向から挟む第１および第２のエンドキャップとを備え、第１のエンドキャップに、ブレーキシュー、電動アクチュエータ、および電源回路が配置される。

好ましくは、案内装置は、ブレーキシューをレールに近づける向きに付勢力を有するように構成される弾性部材をさらに備え、電動アクチュエータは、弾性部材の付勢力に抗してブレーキシューをレールから離す方向に移動させる電磁石である。

好ましくは、電動アクチュエータは、ブレーキシューとランナーブロックとの間に配置され、ブレーキシューとレールとの隙間が電圧に応じて変化するように構成される圧電素子である。

本発明によれば、ブレーキ機構をランナーブロックに取り付け、位置決め停止時の振動を抑制することで、位置精度向上に貢献する。ランナーブロックにブレーキ機構が取り付けられているので、別置きに比べて案内装置のサイズをコンパクトにすることができる。また、電源回路も備えるので、外部からの電源供給を行なうための電源ケーブル等が不要である。

実施の形態１に係る案内装置１の平面図である。 実施の形態１に係る案内装置１の正面図である。 案内装置１のエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ解放状態）の構成を示す図である。 実施の形態１の電動アクチュエータを拡大して示した図である。 案内装置１のエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ作動状態）の構成を示す図である。 実施の形態１における電源回路の構成を示す図である。 実施の形態１の案内装置を用いた場合のステージ状態とブレーキ状態との関係を示す図である。 案内装置１Ａのエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ解放状態）の構成を示す図である。 案内装置１Ａのエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ作動状態）の構成を示す図である。 案内装置１Ａの電気回路の構成を示す図である。 実施の形態２の案内装置を用いた場合のステージ状態とブレーキ状態との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る案内装置１の平面図である。図２は、実施の形態１に係る案内装置１の正面図である。図３は、案内装置１のエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ解放状態）の構成を示す図である。

図１〜図３を参照して、案内装置１は、複数の転動体１２と、ランナーブロック４と、ブレーキシュー２４と、電動アクチュエータ２０と、電源回路１５とを含む。

ランナーブロック４は、レール２に沿って移動するように構成され、複数の転動体が移動するための転走溝１４が設けられる。

ブレーキシュー２４は、ランナーブロック４に取り付けられ、レール２に押し当てられることによって摩擦力を発生させる。

電動アクチュエータ２０は、ランナーブロック４に取り付けられ、ブレーキシュー２４とレール２との位置関係を変更するように構成される。

電源回路１５は、ランナーブロック４に取り付けられ、電動アクチュエータ２０に電力を供給する。

好ましくは、電源回路１５は、転動体が転走溝１４を循環する際に生じる振動によって発電をするように構成される発電素子１８を含む。発電素子１８として、たとえば、圧電素子を使用することができる。

好ましくは、図１に示すように、ランナーブロック４は、ブロック本体６と、ブロック本体６をレール２に沿う方向から挟む第１および第２のエンドキャップ８とを備える。第１のエンドキャップ８に、ブレーキシュー２４、電動アクチュエータ２０、および電源回路１５が配置される。なお、第２のエンドキャップ８にも、ブレーキシュー２４、電動アクチュエータ２０、および電源回路１５が配置されてもよい。

図４は、実施の形態１の電動アクチュエータを拡大して示した図である。図５は、案内装置１のエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ作動状態）の構成を示す図である。

図３〜図５に示すように、電動アクチュエータ２０は、ブレーキシュー２４をレール２に近づける向きに付勢力を有するように構成される弾性部材である圧縮ばね２６と、圧縮ばね２６の付勢力に抗してブレーキシュー２４をレール２から離す方向に移動させる電磁石２２とを含む。ランナーブロック移動時には図３、図４に示すようにレール２とブレーキシュー２４との間に隙間（ｇａｐ）Ｇが存在する状態となり、ランナーブロック停止時には、図５に示すように隙間Ｇが無い状態になる。

図６は、実施の形態１における電源回路の構成を示す図である。図６を参照して、実施の形態１では、電源回路１５はシンプルであり、発電素子１８の出力がそのまま電磁石２２に与えられる。

図７は、実施の形態１の案内装置を用いた場合のステージ状態とブレーキ状態との関係を示す図である。図６、図７を参照して、ステージ状態が移動中であれば、転動体１２の転走溝１４に近接して配置された発電素子１８は発電を行なう。発電素子１８が発電するとブレーキ用の電磁石２２に通電され、電磁石２２は、ブレーキシュー２４を吸着する。これにより、ブレーキシュー２４は、レール２から離れた状態となり、ブレーキ状態は解放状態となる。これにより、ステージを移動させる時のリニアガイドの摩擦力は低減する。

一方、ステージ状態が停止中であれば、転動体１２の通路に近接して配置された発電素子１８は発電を行なわない。なお、ステージ停止中に発生する振動を抑制するためにブレーキを作動させることを説明したが、ステージ停止中の振動は、転動体１２の循環に起因するものではなく、振動も小さいので発電量は小さい。このため、発電素子１８の発電量は零であると考えて良い。

発電素子１８が発電していなければ、電磁石２２は非通電となり、電磁石２２は、ブレーキシュー２４を離す。これにより、ブレーキシュー２４は、圧縮ばね２６によってレール２に押し当てられた状態となり、ブレーキ状態は作動状態となる。これにより、ステージ停止中の移動方向の振動は抑制される。

以上説明したように、実施の形態１に示した案内装置では、ブレーキ用アクチュエータ２０として、図３〜図７に示すように、電磁石２２と圧縮バネ２６を使用する。停止（発電無し）時は圧縮バネ２６でブレーキシュー２４をレール２に押し当て、位置保持をする。移動（発電有り）時は電磁石２２によってブレーキシュー２４を吸着することで、ブレーキ解放状態とする。

なお、移動開始時は発電無しのためブレーキ作動状態になる。しかし、ブレーキシュー２４によるブレーキ力は、ステージ停止時の微小振動を抑えるためのものであり、大きな制動力は発生しないように調整されている。したがって、位置決めステージの推力はブレーキ制動力に比べ、十分に大きいため移動開始の妨げにはならない。

実施の形態１に示した案内装置は、リニアガイドのランナーブロックにブレーキユニットが内蔵されているため、ランナーブロックと別にブレーキ用ブロックを設ける従来の構成に比べてコンパクトである。

また、自己発電する発電素子をランナーブロックに取り付けているため、外部からの動力供給が不要であり、油圧配管や電源ケーブル等が不要である。

［実施の形態２］
実施の形態１に示した案内装置１は、振動によって発電する発電素子の出力が電磁石にそのまま供給される簡単な構成であった。実施の形態２では、制御装置によって発電素子の出力を案内装置が移動中であるか否かを検出するセンサとしても使用する例を示す。

実施の形態２に係る案内装置１Ａは、複数の転動体１２と、ランナーブロック４と、ブレーキシュー２４とを含む点は、図１、図２に示した実施の形態１に係る案内装置１と同じである。ランナーブロック４は、ブロック本体６と、ブロック本体６を挟む第１および第２のエンドキャップ８とを備える。これらについては、説明済であるので説明は繰り返さない。以下、案内装置１Ａが案内装置１と異なる点について説明する。

図８は、案内装置１Ａのエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ解放状態）の構成を示す図である。図９は、案内装置１Ａのエンドキャップ部分に設けられたブレーキ機構（ブレーキ作動状態）の構成を示す図である。

実施の形態１の案内装置１は、電動アクチュエータ２０として、電磁石２２と圧縮ばね２６とを組み合わせて用いたが、実施の形態２の案内装置１Ａは、これに代えて電動アクチュエータとしてブレーキ用圧電素子２２Ａを含む。

ブレーキ用圧電素子２２Ａは、ブレーキシュー２４とランナーブロック４との間に配置され、ブレーキシュー２４とレール２との隙間が電圧に応じて変化するように構成される。

ブレーキ用圧電素子２２Ａは、たとえば圧電セラミックスを使用することができる。圧電セラミックスは、分極と同一の方向に正の直流電圧を印加すると伸び、逆に負の直流電圧をかけると縮むことが知られている。したがって、ブレーキ用圧電素子２２Ａは、非通電時よりも通電時の方が伸長するように構成することができる。ブレーキ用圧電素子２２Ａは、通電時にブレーキシュー２４をレール２に押し付ける一方で、非通電時にはブレーキシュー２４をレール２から離すように構成される。

図１０は、案内装置１Ａの電気回路の構成を示す図である。図１０を参照して案内装置１Ａは、電源回路１５Ａと、制御装置３６と、スイッチ３８と、ブレーキ用圧電素子２２Ａとを含む。電源回路１５Ａは、発電素子１８と、ダイオード３２と、蓄電素子３４とを含む。蓄電素子３４は、例えばコンデンサまたはバッテリであり、発電素子１８によって発電された電力を蓄電する。ダイオード３２によって、蓄電素子３４から発電素子１８への電流の逆流が防止される。

制御装置３６は、ランナーブロック４に取り付けられ、蓄電素子３４から電源電圧ＶＤＤを受け、ブレーキ用圧電素子２２Ａの制御を行なう。制御装置３６は、ランナーブロック４の停止中にブレーキシュー２４によって制動力が発生するようにブレーキ用圧電素子２２Ａを制御し、制御装置３６は、ランナーブロック４の移動中にブレーキシュー２４によって制動力が発生しないようにブレーキ用圧電素子２２Ａを制御する。

図１１は、実施の形態２の案内装置を用いた場合のステージ状態とブレーキ状態との関係を示す図である。図１１に示すように、制御装置３６は、発電素子１８の発電電力に基づいてランナーブロック４がレール２上を移動中であるか停止中であるかを判断する。制御装置３６は、発電素子１８の出力電圧ＶＧをたとえばＡ／Ｄ入力ポートに受けて内部でＡ／Ｄ変換し、発電素子１８が発電中であるか否かを監視する。なお、移動時に発電素子１８が発電した電力は蓄電素子３４に蓄えられる。

ステージ状態が移動中であれば、転動体１２の転走溝１４に近接して配置された発電素子１８は発電を行なう。発電素子１８が発電すると制御装置３６は、ランナーブロック４がレール２上を移動中であると判断する。ランナーブロック４がレール２上を移動中である場合には、制御装置３６は、スイッチ３８をオフさせる。これにより、ブレーキ用圧電素子２２Ａには電圧がかからない状態となり、ブレーキは解放状態となる。これにより、ステージを移動させる時のリニアガイドの摩擦力は低減する。なお、ステージ移動中は発電素子１８で発電された電力の一部は、蓄電素子３４に充電される。

一方、ステージ状態が停止中であれば、転動体１２の通路に近接して配置された発電素子１８は発電を行なわない。発電素子１８が発電していなければ、制御装置３６は、ランナーブロック４が停止中であると判断し、スイッチ３８をオンさせてブレーキ用圧電素子２２Ａに通電する。これによって、ブレーキシュー２４は、ブレーキ用圧電素子２２Ａが伸長することによってレール２に押し当てられた状態となり、ブレーキ状態は作動状態となる。これにより、ステージ停止中の移動方向の振動は抑制される。なお、停止時には発電素子１８は発電しないので、ブレーキ用圧電素子２２Ａおよび制御装置３６で使用する電力は蓄電素子３４から放電される。

実施の形態２に示した案内装置は、実施の形態１と同様、リニアガイドのランナーブロックにブレーキユニットが内蔵されているため、ランナーブロックと別にブレーキ用ブロックを設ける従来の構成に比べてコンパクトである。また、自己発電する発電素子をランナーブロックに取り付けているため、外部からの動力供給が不要であり、油圧配管や電源ケーブル等が不要である。

さらに、実施の形態２に示した案内装置は、制御装置３６でブレーキ状態を自由に切り替えることができるので、ブレーキの作動タイミングを調整したり、ブレーキ解除時のタイミングを調整したりすることもできる。たとえば、電圧ＶＧの判定値をブレーキ作動判定時に高く設定し、ブレーキ解除判定時に低く設定しても良い。

また、実施の形態２では、電動アクチュエータとしてブレーキ用圧電素子２２Ａを用いたが、これに代えて実施の形態１と同様の電動アクチュエータ２０（電磁石２２と圧縮ばね２６）を使用し、制御装置３６の通電・非通電の制御を逆にしても良い。

また、制御装置３６やブレーキ用圧電素子２２Ａに電源電圧供給を行なう蓄電素子３４は、必ずしも発電素子１８によって充電しなくても良い。たとえば、移動ステージがホームポジションに戻ったときに蓄電素子３４に外部の電源装置から充電を行なうようにしても良い。そのようにすれば、発電素子１８が移動センサの役割を果たすのみで良く、発電素子１８が小さな発電能力であっても使用できる。

なお、本実施の形態は、レールが直線である直動案内装置を例示したが、案内装置のレールは必ずしも直線でなくても良く、たとえば円弧状であっても良い。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 案内装置、２ レール、４ ランナーブロック、６ ブロック本体、８ エンドキャップ、１２ 転動体、１４ 転走溝、１５，１５Ａ 電源回路、１８ 発電素子、２０ 電動アクチュエータ、２２ 電磁石、２２Ａ ブレーキ用圧電素子、２４ ブレーキシュー、２６ 圧縮ばね、３２ ダイオード、３４ 蓄電素子、３６ 制御装置、３８ スイッチ。

Claims (9)

1. 複数の転動体と、
   レールに沿って移動するように構成され、前記複数の転動体が移動するための転走溝が設けられたランナーブロックと、
   前記ランナーブロックに取り付けられ、前記レールに押し当てられることによって摩擦力を発生させるブレーキシューと、
   前記ランナーブロックに取り付けられ、前記ブレーキシューと前記レールとの位置関係を変更するように構成される電動アクチュエータと、
   前記ランナーブロックに取り付けられ、前記電動アクチュエータに電力を供給する電源回路とを備える、案内装置。
2. 前記電源回路は、前記転動体が前記転走溝を循環する際に生じる振動によって発電をするように構成される発電素子を含む、請求項１に記載の案内装置。
3. 前記電源回路は、前記発電素子によって発電された電力を蓄電する蓄電素子をさらに含む、請求項２に記載の案内装置。
4. 前記ランナーブロックに取り付けられ、前記蓄電素子から電源電圧を受け、前記電動アクチュエータの制御を行なう制御装置をさらに備える、請求項３に記載の案内装置。
5. 前記制御装置は、前記発電素子の発電電力に基づいて前記ランナーブロックが前記レール上を移動中であるか停止中であるかを判断する、請求項４に記載の案内装置。
6. 前記制御装置は、前記ランナーブロックの停止中に前記ブレーキシューによって制動力が発生するように前記電動アクチュエータを制御し、
   前記制御装置は、前記ランナーブロックの移動中に前記ブレーキシューによって前記制動力が発生しないように前記電動アクチュエータを制御する、請求項４または５に記載の案内装置。
7. 前記ランナーブロックは、
   ブロック本体と、
   前記ブロック本体を前記レールに沿う方向から挟む第１および第２のエンドキャップとを備え、
   前記第１のエンドキャップに、前記ブレーキシュー、前記電動アクチュエータ、および前記電源回路が配置される、請求項１に記載の案内装置。
8. 前記電動アクチュエータは、
   前記ブレーキシューを前記レールに近づける向きに付勢力を有するように構成される弾性部材と、
   前記弾性部材の付勢力に抗して前記ブレーキシューを前記レールから離す方向に移動させる電磁石とを含む、請求項１に記載の案内装置。
9. 前記電動アクチュエータは、前記ブレーキシューと前記ランナーブロックとの間に配置され、前記ブレーキシューと前記レールとの隙間が電圧に応じて変化するように構成される圧電素子である、請求項１に記載の案内装置。

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