JP2669646B2 - 振動式案内機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は振動式案内機構に係り、精密さを要求される
測定機や工作機械の送り部分や一般機械の摺動案内機構
として利用できる。

〔従来の技術〕

従来より、相対移動する二部材の送り部分には様々な
案内機構が採用されている。一般にこのような案内機構
は、移動方向に沿った平滑な案内面における摺動を利用
したものである。

このうち、基本的なすべり接触式のものでは、案内面
として両部材に一対の摺接面を設けて直接摺動自在に接
触させており、Ｖ平面接触などのように複数の案内面を
組み合わせることにより方向性の正確な案内を実現して
いる。

また、送り動作の精度向上や高荷重下での動作抵抗の
軽減が要求される場合など、摩擦抵抗を軽減するために
案内面を転がり接触とすることがなされており、クロス
ローラガイドやリニアガイド等として多用されている。

しかし、転がり接触式のものは摩擦抵抗を軽減できる
反面、接触面積が小さいため変形や摩耗による精度不良
を生じやすく、高精度の送り動作を要求される精密測定
機などへの利用には注意が必要であった。

これに対し、摺接面間に微小な隙間を形成する非接触
式のものが開発されている。例えば、エアベアリングや
油圧流体軸受等においては流体の静圧を利用し、あるい
は磁気軸受においては電磁気的な反発力や吸引力を利用
し、それぞれ摺接面間にミクロン単位の微小な隙間を形
成して摩擦抵抗を激減させ、高精度かつ極めて円滑な摺
動案内を実現している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前述のような非接触式の案内機構において
は、周辺機器や制御機構が複雑化する等の問題がある。

例えば、エアベアリング等においては、高圧空気を供
給する配管やコンプレッサ等が不可欠である。また、摺
接面間の微小な隙間に障害を与える恐れのある塵埃等を
防止するために、供給する空気を濾過する清浄ユニット
等が必要であり、周辺機器の複雑化は避けられない。従
って、信頼性や保守性の向上が難しいほか、設置スペー
スを広くとる必要があり、さらに適宜コンプレッサの動
作音等の騒音発生を防止する必要がある。

一方、磁気軸受等においては、発生する磁界に応じて
充分な電力を供給できる電源を配置し、あるいは必要に
応じて冷却装置を配置する等、周辺機器の複雑化が避け
られないほか、摺接面間の微小な隙間を所定間隔に維持
するように磁界を制御しておくためのフィードバック要
素が不可欠であり、制御機構の複雑化という問題があっ
た。

本発明の目的は、案内精度が高く、かつ摩擦抵抗が極
めて小さくできるとともに、周辺機器および制御機構を
簡略化できる振動式案内機構を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、振動体に載せた物体が見掛け上浮き上が
り、摩擦が激減することに着目してなされたものであ
り、相対移動する二部材に各々平滑な摺接面を設け、互
いの摺接面を摺動自在に密着させるとともに、前記摺接
面の一方に当該摺接面が略全面にわたって平面的に進退
するように当該摺接面を当接摺接面と交叉する方向に振
動させる振動発生手段を設けて振動式案内機構を構成し
たものである。

本発明の振動発生手段としては、単板あるいは積層式
の圧電素子、あるいはランジュバン振動子のような圧電
素子を組み合わせた機械要素などの交流電圧の印加によ
り振動を発生するものが利用でき、その形態に応じて摺
接面に張り着け、あるいは所定間隔で均等に配列するこ
とが好ましく、振動発生手段は特に複数配列にする場合
などは同位相の振動とすることが望ましい。

また、振動発生手段の振動振幅は適宜設定すればよい
が、要求される動作精度に応じて数十μｍ〜１μｍ以下
でもよい。

さらに、振動発生手段の振動周波数も適宜設定すれば
よいが、動作の円滑性や精度の点で高い方が好ましく、
超音波領域の振動では騒音を避けることができる。ま
た、振動発生手段に共振部材を付加し、その振動周波数
で振動させてもよい。

なお、振動発生手段の表面に表面材等を張り着ける場
合は、その材質として摩擦係数が小さく平面度が高い材
質を用いて両摺接面間の摺動性、接触性の向上を図るこ
とが好ましい。また、表面材の材質に耐摩耗性を付加
し、振動発生手段を保護して耐久性の向上を図ることが
好ましい。

〔作用〕

このように構成された本発明においては、圧電素子等
の振動発生手段に高周波電圧を印加して一方の部材の摺
接面をその全面にわたって平面的に進退するように振動
させ、両摺接板間に微小な隙間を形成することにより両
部材間に周期的な非接触状態を実現し、これにより摩擦
抵抗が極めて少ない案内動作を行うとともに、両部材間
の隙間をミクロン単位の微小な値を抑えることで高精度
を達成する。

ここで、本発明においては、非接触を実現するために
従来のエアベアリング等のような複雑な周辺機器を必要
としないうえ、振動発生手段を振動側の摺接面の略全面
に略均等に配置しておくことにより両摺接面間の反発力
が間隔の狭い部分に集中し、両摺接面間に隙間を自動的
に間隔を平均化するため、従来の磁気軸受等のようなフ
ィードバック要素等の制御機構が必要なく、周辺機器等
の簡素化を実現し、以上により前記目的を達成する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図には本発明を平面案内式の振動式案内機構10に
適用した第１の実施例が示されている。

図において、振動式案内機構10は相対移動する二部材
である移動側部材11および固定側部材12を備えている。

これら移動側および固定側の部材11,12は各々剛性を
有する材料を用いて形成され、略矩形ブロック状の移動
側部材11の下面には全面におよぶ平滑な移動側摺接面13
が形成されているとともに、長尺の固定側部材12の上面
には全長にわたる平滑な固定側摺接面14が形成されてい
る。この固定側摺接面14には移動側摺接面13が摺接自在
に密着され、移動側部材11は図示しない駆動機構等に駆
動されて固定側部材12上に移動可能である。

ここで、固定側摺接面14には全面にわたり、振動発生
手段として板状の圧電素子15が張り着けられている。こ
の圧電素子15は、圧電性を有するセラミックス材料単板
の表裏にそれぞれ電極板16,17を積層して形成されたも
のであり、これらの電極板16,17に接続された高周波電
源装置18を用いて高周波電圧を印加することにより、図
中矢印のように固定側摺接面14と交叉する方向の高周波
振動を全面にわたって均一に発生するように構成されて
いる。

なお、圧電素子15の表面には合成樹脂フィルム製の表
面材19が張り着けられており、固定側摺接面14表面の摩
擦係数低減および耐摩耗性の向上が図られている。

このように構成された本実施例においては、高周波電
源装置18により圧電素子15を振動させ、固定側摺接面14
の表面を振動させて移動側摺接面13との間に数μｍ程度
の微小な間隔を形成する。

すなわち、振動に伴って固定側摺接面14の表面（圧電
素子15の表面）を二点鎖線で示すように変位させ、移動
側摺接面13に衝突させて相互の反発力により移動側部材
11を一点鎖線で示すように上方に移動させる。一方、高
周波振動する圧電素子15の変位に伴って固定側摺接面14
の表面は急速に降下するが、移動側部材11は慣性により
急速な降下に追従できず、両摺接面13,14間は周期的に
非接触状態となる。従って、移動側部材11を見掛け上二
点鎖線で示すように固定側部材12から僅かに浮上させ、
非接触状態として案内を行う。

このような本実施例によれば、移動側および固定側摺
接面13,14間の摺動に伴う摩擦抵抗を極めて小さくする
ことができ、駆動力のロスを避けることができるととも
に、精密な送り動作を行うことができる。

また、移動側および固定側摺接面13,14間の間隔は数
μｍ程度の微小な間隔であるため、これらの摺接面13,1
4を直接摺動させた場合と略同様に固定側部材12から浮
上する移動側部材11の案内動作精度を極めて高く維持す
ることができる。

さらに、圧電素子15は全体が一対の電極16,17によっ
て駆動されるため、面方向に振動バランス調整等が必要
なく、各部の位相差に起因する面方向の不用意な力の発
生を未然に防止でき、正確で安定した送り案内動作が可
能である。

また、動作にあたっては高周波電源装置18を用いるだ
けでよく、従来の各種非接触式案内機構に比べて周辺機
器等を大幅に簡略化できる。

さらに、移動側および固定側の摺接面13,14間におい
ては、間隔が狭い側等に圧電素子15の振動による反発力
が自然に集中するため、摺接面13,14間の間隔は常に均
一に保たれる。従って、移動側部材11の傾き等は自動的
に調整することができ、姿勢制御機構等を設ける必要が
なく、操作が簡単であるうえ装置の簡略化が可能であ
る。

一方、圧電素子15の表面に表面材19を設けたため、両
部材11,12の摩擦を減らして案内をより円滑にできると
ともに、圧電素子15を保護して耐久性を向上することが
できる。

また、圧電素子15を固定側摺動面14を設けたため、高
周波電源装置18との配線を移動させる必要がないうえ、
移動側部材11の移動を妨げる等の問題を未然に回避する
ことができ、正確かつ安定した案内動作を行うことがで
きる。

第２図には本発明をＶ平面案内式の振動式案内機構20
に適用した第２の実施例が示されている。

図において、振動式案内機構20は相対移動する二部材
である略ブロック状の移動側部材21および長尺の固定側
部材22を備えている。

このうち、移動側部材21の下面の一側縁には断面略Ｖ
字型の突条23が形成されている。一方、固定側部材22の
上面には、一側縁に沿って突条23に対応した断面略Ｖ字
型の溝24が形成されており、この溝24には突条23が摺動
自在に係合されている。

ここで、突条23の平滑な両側面により移動側摺接面13
が形成されているとともに、各々に対向する溝24の内側
面により固定側摺接面14が形成され、各固定側摺接面14
にはそれぞれ振動発生手段としての圧電素子15が設けら
れている。

また、移動側部材21および固定側部材22は各々の他側
縁においても摺接され、当該部分にも移動側および固定
側の摺接面13,14が形成されており、この部分の固定側
摺接面14にも同様に振動発生手段としての圧電素子15が
設けられている。

なお、各圧電素子15は前記第１の実施例と同様なもの
であり、その表面に張り着けられた表面材19等も前記第
１の実施例と同様なものであり、簡略化のためここでは
説明を省略する。

このように構成された本実施例によれば、移動側部材
21は突条23が係合された溝24に沿って固定側部材22上を
移動されるため、正確かつ確実な一軸案内を行うことが
できる。

また、圧電素子15の高周波振動により、移動側部材21
と固定側部材22との接触部分である移動側および固定側
摺接面13,14間に数μｍ程度の微小な間隔を形成し、移
動側部材21を固定側部材22から僅かに浮上した状態で案
内することができ、両部材21,22間の摩擦抵抗を極めて
小さくすることができる。

従って、本実施例によれば高精度で低摩擦の一軸案内
が可能であり、その他、前記第１の実施例で得られる効
果は本実施例によっても得ることができる。

一方、前記第１および第２の実施例においては、振動
発生手段である圧電素子15を固定側摺接面14に設けた
が、この圧電素子15は移動側摺動面13すなわち移動側部
材11の下面に設けてもよい。

このような場合でも前記第１または第２の実施例と略
同様な効果を得ることができるほか、圧電素子15の設置
面積を小さくして製造作業を簡単にでき、製造コストを
低減できるうえ、振動面積が縮小することで消費電力を
削減して動作コストを抑えることができる。

第３図には本発明を角柱案内式の振動式案内機構30に
適用した第３の実施例が示されている。

本実施例の振動式案内機構30は、前記第２の実施例と
同様に一軸案内を行うものであるが、移動軸方向の係合
構造は断面略Ｖ字状ではなく角柱状に形成され、かつ移
動側と固定側との接合の凹凸を逆とされている。

図において、相対移動する二部材である略ブロック状
の移動側部材31および長尺の固定側部材32には、それぞ
れ断面略矩形の溝33および角柱34が形成され、移動側部
材31は溝33が係合された角柱34に沿って固定側部材32上
を移動可能である。

ここで、移動側部材31の溝33の内側の３面にはそれぞ
れ振動発生手段である圧電素子15が張り着けられ、この
圧電素子15自体により移動側摺接面13が形成されてお
り、表面に張られた表面材19を介して角柱34の上面およ
び両側面に形成される固定側摺接面14に摺動自在に当接
されている。

また、移動側部材31の溝33と反対側端の下面にも振動
発生手段である圧電素子15が張り着けられて移動側摺接
面13が形成されており、表面材19を介して固定側部材32
の上面に形成される固定側摺接面14に摺動自在に当接さ
れている。

このように構成された本実施例によれば、溝33と角柱
34との係合により移動側部材31と固定側部材32との正確
かつ確実な一軸案内を行うことができるとともに、圧電
素子15の高周波振動により移動側および固定側摺接面1
3,14間に数μｍ程度の微小な間隔を形成し、移動側部材
31を固定側部材32から僅かに浮上した状態で案内するこ
とができ、両部材31,32間の摩擦抵抗を極めて小さくす
ることができる。

従って、本実施例によっても前記第２の実施例と同様
に高精度で低摩擦の一軸案内が可能であり、前記第２の
実施例と同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではな
く、以下に示すような変形を含むものである。

すなわち、圧電素子15の表面に設けた表面材19はフィ
ルム状に限らず、シート状あるいは圧電素子15等の表面
に直接コーティングしてもよく、厚みや形状等は任意で
あり、その材質もポリアセタール樹脂あるいはポリアミ
ド樹脂等に限らず実施にあたって適宜変更すればよい。

例えば、高荷重の案内を行う場合などには、表面に前
述の樹脂をコーティングした鋼板などの剛性の高いもの
を用いて圧電素子15の保護を図ることが望ましい。

また、表面材19は圧電素子15と反対側の摺接面の表面
に設けてもよく、要するに移動側および固定側の両摺接
面間に低摩擦等を実現しうるものであればよい。なお、
この表面材19は本発明に必須ではなく、適宜省略可能で
ある。

一方、圧電素子15の振動周波数は任意であるが、例え
ば予め測定しておいた移動側部材11等の固有振動周波数
を用いれば、圧電素子15の振動に伴って移動側部材11が
共振し、固定側部材12からの浮上を効率よく行うことが
でき、消費電力の低減が可能である。

また、圧電素子15の配置は任意であり、移動側および
固定側の摺接面13,14の何れに設けてもよいが、両摺接
面13,14の互いに摺接する部分を全てカバーできるよう
にすることが望ましく、少なくとも圧電素子15の動作時
には移動側および固定側等の相対移動する二部材が互い
に振動発生手段を介してのみ接するように構成すればよ
い。

さらに、振動発生手段は単板の圧電素子15に限らず複
数を積層したものでもよく、あるいは設置する摺接面の
全面を覆う平板状のものに限らず圧電性材料を組み込ん
だ筒状のランジュバン振動子等を複数配列してもよく、
このような場合、設置する摺接面の全面にわたって一様
に分布させ、かつ各振動子に印加する交流電圧の位相、
振幅、周波数を一致させ、摺接面方向の力が生じないよ
うに留意することが望ましい。

また、圧電性材料としてはセラミックスに限らず、他
の圧電性を有するものでも適宜利用でき、例えば水晶等
の結晶あるいは強誘電性の液晶や蛋白質膜等が利用可能
である。

さらに、本発明の振動式案内機構は適用される装置等
を限定されるものではなく、例えば三次元測定器や工作
機械のヘッド送り部分、Ｘ−Ｙテーブル等の広範に利用
でき、特に高精度かつ低摩擦が要求される案内部分に適
用して優れた効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明の振動式案内機構によ
れば、案内精度が高く、かつ摩擦抵抗が極めて小さくで
きるとともに、周辺機器および制御機構を簡略化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す側面図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す斜視図、第３図は本発明の
第３の実施例を示す斜視図である。 10,20,30……振動式案内機構、11,21,31……移動側部
材、12,22,32……固定側部材、13……移動側摺接面、14
……固定側摺接面、15……振動発生手段である圧電素
子、19……表面材。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対移動する二部材に各々平滑な摺接面を
   設け、互いの摺接面を摺動自在に密着させるとともに、
   前記摺接面の一方に当該摺接面が略全面にわたって平面
   的に進退するように当該摺接面を当該摺接面と交叉する
   方向に振動させる振動発生手段を設けたことを特徴とす
   る振動式案内機構。