JP3948998B2

JP3948998B2 - 検出器一体型の軸受機構およびこれを備えたアクチュエータ

Info

Publication number: JP3948998B2
Application number: JP2002109289A
Authority: JP
Inventors: 英季森
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003301855A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検出器一体型の軸受機構および軸受機構を備えたアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や精密測定器に用いられている精密級の移動テーブルやステージは、油動圧あるいはベアリング球又はローラを配置したリニアガイドで支持されている。駆動部として回転型のサーボモータを用いる場合、モータの回転力はボールねじ等によって直動の推力に変換され、移動テーブルやステージに伝達される。これにより、移動テーブルやステージは、加工物、測定物、工具、あるいは測定機器を前後又は左右に移動させている。
【０００３】
通常、回転型のサーボモータは、フレキシブルカップリング等を介してボールねじの端に接続されている。そして、テーブルあるいはステージの移動量は、サーボモータに搭載され磁極位置および回転角度を検出する回転検出器（エンコーダ）と、ボールねじのリードピッチとの関係（回転角度×ｍｍ／１ｒｅｖ）によって推定される。
【０００４】
高精度の位置測定が要求される場合、ボールねじの遊びやフレキシブルカップリング等によるロストモーションが影響するが、磁気式あるいは光学式の測長スケールでテーブルやステージの変位を直接計測しフィードバックすることにより、精度向上を図ることができる。しかしながら、テーブルやステージに用いられる機構部材料と、磁気スケールや光学スケールの基材として用いられる材料との熱膨張係数の相違から生じる位置誤差等を完全に改善することは困難となっている。また、通常、測長スケールは、テーブルやステージの側面や上部等に配置され、測定位置がテーブルやステージの移動中心からずれているため、高精度で正確な位置決めは構造的に限界があった。
【０００５】
リニアモータのような直動型モータの場合、磁気スケールや光学スケールと同等の位置検出器が、磁極の検出も含めてテーブルやステージを兼ねたモータ自身に内蔵されているため、モータ構造自体が高精度化に適した構成となっている。しかし、リニアモータには、冷却を配慮したものも見受けられるが、テーブルやステージの直下に推力発生部があり熱の影響を受け易い。そのため、リニアモータは、回転型のサーボモータとボールねじとによって構成された機構よりも、熱膨張の影響が位置決め誤差となって現れ易い。
【０００６】
また、回転スピンドルや角度割出しテーブルにおいて、そのモータ部は、直結あるいはフレキシブルカップリングを介して、空気軸受あるいはベアリング球による回転支持部に取り付けられている。モータ部の磁気検出および回転角度の割出しに用いられるエンコーダは、通常、モータの発熱の影響を避けるためモータ出力部の後部に配置されている。従って、モータ部が直結されている場合でも、出力発生部と検出部とが離れているため、直動型と同様に、ロストモーション等によって実際のスピンドルの回転角とエンコーダの検出角度との間に角度ずれが生じる可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、直動型および回転型のいずれの形式のモータを用いた工作機械や精密測定器においても、熱膨張やロストモーション、あるいは、被測定部の移動中心と測定位置との位置ずれ等に起因して、より高精度な位置測定または変位測定が困難な状況であり、その結果、移動テーブルやステージ等の可動部を一層高い精度の位置決めすることが困難となっている。
【０００８】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、可動部材の移動量を高い精度で測定することが可能な検出器一体型の軸受機構およびこれを備えたアクチュエータを提供し、より高精度な機構系を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の態様に係る検出器一体型の軸受機構は、０．０４×１０ ^−６／Ｋ以下の低熱膨張係数を有した低熱膨張ガラスにより形成されているとともに、軸受案内を形成した内面を有する筒状の軸受部と、０．０４×１０ ^−６／Ｋ以下の低熱膨張係数を有した低熱膨張ガラスにより形成されているとともに、前記軸受部に挿通され前記軸受案内により直線的に移動自在に支持されたスライダと、このスライダに直接作り込まれ前記軸受案内に対向する被検出部と、前記軸受部の外側で前記被検出部に対向して設けられ、被検出部に基づき前記スライダの移動量を測定する検出器と、を備え、前記軸受部は、前記軸受案内の内面に開口した複数の給気孔と、前記供給孔から前記軸受案内とスライダ外面との間に加圧空気を供給し前記スライダを非接触で支持する給気手段と、を備えている。
また、この発明の他の態様に係るアクチュエータは、上記軸受機構と、上記軸受機構の軸受部に支持された可動部材を移動させる駆動部と、を備えている。
【００１０】
このように構成された検出器一体型の軸受機構およびアクチュエータによれば、軸受機構の構成部品であるスライダに被検出部を直接作り込み、検出器の被検出部そのものを軸受機構の構成部品として機能させている。これにより、検出器の被検出部と軸受機構のスライダとを別部材で構成した場合のような、両部材間の熱膨張係数の相違から生じる位置誤差等を無くし、高精度な位置検出が可能となる。同時に、スライダ自体によって被測定部を構成することにより、測定位置とスライダの移動中心とが一致し、高精度で正確な位置検出および位置決めが可能となる。従って、被検出部を、超精密な検出器の基材として本来の機能を生かしながら、軸受機構の機構部品に応用することで、検出器の機能を一体に兼ね備えた軸受機構およびアクチュエータを得ることができ、より高精度な機構系を実現することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら、この発明の実施の形態に係る検出器一体型の軸受機構を備えた直動型のアクチュエータについて詳細に説明する。
【００１２】
図１および図２に示すように、アクチュエータ１０は、検出器を一体に有した軸受機構１２およびモータ部１４を備えている。軸受機構１２は、アルミ合金、チタン合金等の金属により形成された軸受部１６と、この軸受部により直線的に往復動自在に支持された角柱状のスライダ１８と、を有している。可動部材として機能するスライダ１８は、熱膨張率の低い材料、例えば、低熱膨張ガラスにより形成されている。軸受機構１２も同様な低熱膨張材料に置き換えることにより、更に、温度安定性および精度向上を図ることができる。ここで、熱膨張率の低い材料とは、熱膨張係数が０．０４×１０^−６／Ｋ以下の材料を示している。
【００１３】
図３に示すように、軸受部１６は、スライダ１８を非接触な状態で支持した空気軸受として構成されている。すなわち、軸受部１６は例えば４つの板材を用いてほぼ角筒状に形成されている。軸受部１６の内側に形成されている軸受案内１７は、スライダ１８の断面に対応した矩形の断面形状を有し、この軸受案内１７にスライダ１８が挿通されている。軸受部１６の壁部には多数の給気路２０が形成され、これらの給気路は軸受案内１７の内面に開口した多数の給気孔２２に連通している。そして、図示しない給気ポンプ等から給気路２０および給気孔２２を介して軸受案内１７内に加圧空気を供給することにより、スライダ１８は、空気の静圧によって、軸受部１６に対し非接触な状態で、かつ移動自在に支持される。
【００１４】
図１および図２に示すように、駆動部として機能するモータ部１４はボイスコイルモータによって構成され、その駆動軸２４は、スライダ１８と整列して配置されているとともに、スライダの基端に連結されている。従って、モータ部１４を駆動することにより、スライダ１８が直線的に往復移動される。なお、モータ部１４は、直動形式のモータであれば、ボイスコイルモータに限らず、３相同期モータ、ステッピングモータ等、種々の形態のモータを使用することができる。
【００１５】
一方、軸受機構１２は検出器を一体に備えて構成されている。すなわち、スライダ１８の基端部側面には、光学スケール２６として、回折格子からなる光学的な検出パターンが直接作り込まれ、スライダの移動方向に沿って延びている。また、軸受部１６の外側には、光学センサとして機能する反射型のレーザヘッド２８が光学スケール２６と対向して設けられている。このレーザヘッド２８は、被検出部として機能する光学スケール２６にレーザ光を照射し、その反射光からスライダ１８の移動量または絶対位置を検出する。なお、光学スケール２６としては、スパッタリングや蒸着によりスライダ１８の表面に光学膜を形成し、この光学膜にフォトリソグラフィ技術により検出パターンを形成したものを用いることもできる。
【００１６】
このように構成されたアクチュエータ１０は、必要なサイズに設計変更することで、例えば、工作機械や精密測定器に用いられている精密級の移動テーブルやステージとして利用することができる。この場合、スライダ１８および軸受部１６を移動テーブルやステージに設計変更し、モータ部１４を駆動することにより、移動テーブルあるいはステージを直動駆動することができる。そして、その際、上記と同様に、レーザヘッド２８により光学スケール２６を基準としてスライダ１８の移動量を検出することにより、移動テーブルあるいはステージの移動量が検出される。
【００１７】
上記構成のアクチュエータ１０によれば、軸受機構１２の構成部品であるスライダ１８に被検出部としての光学スケール２６を直接作り込み、検出器の被検出部そのものを軸受機構の構成部品として機能させている。従って、光学スケール等の検出器の被検出部と軸受機構の可動部材とを別部材で構成した場合のような、両部材間の熱膨張係数の相違から生じる相対位置誤差等を無くし、高精度な位置検出が可能となる。同時に、可動部材であるスライダ１８自体によって光学スケール２６を構成することにより、測定位置と可動部材の移動中心とが一致し、高精度で正確な位置検出および位置決めが可能となる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、光学スケール２６を構成したスライダ１８は、低熱膨張ガラスにより形成されている。この低熱膨張ガラスは、アンバー合金等に比較して広い温度範囲で非常に低い熱膨張を示す。従って、光学スケールの熱膨張に起因する検出誤差を大幅に低減することができる。同時に、発熱の影響が心配される出力発生部の近傍でも、必要であればスケールなどの被検出部を配置することが可能となる。
【００１９】
上記のような低熱膨張ガラスは、脆性材であり機械加工が難しく、また、靭性も不足しているため、機構部品を構成する材料としては本来適していない。しかしながら、本実施の形態によれば、このような材料で形成されたスライダ１８を空気軸受からなる軸受部１６によって非接触な状態で支持することにより、直に接することで生じるスライダの磨耗や曲げ応力、衝撃力の付加を無くし、上記のような低熱膨張ガラスを機構部品として使用可能としている。同時に、空気静圧による高精度な軸受構造によってスライダ１８のがたの発生を防止することができる。従って、光学スケール２６を、超精密な検出器の基材として本来の機能を生かしながら、軸受機構の機構部品に応用することで、検出器の機能を一体に兼ね備えた軸受機構１２を有するアクチュエータを得ることができる。
更に、スライダに低熱膨張ガラスを用いた場合、金属では得難い優れた面精度や形状精度を得ることができ、一層高精度な機構部品を実現することができる。同時に、接触、摺動によるスライダからの磨耗粉発生がなく、煮沸消毒等も容易に行えるため、本アクチュエータを医療機器等へ応用することも可能となる。
【００２０】
なお、上述した実施の形態において、スライダ１８を非接触な状態で支持する軸受部として空気軸受を用いたが、これに限らず、磁気軸受を用いることもできる。すなわち、図４に示す第２の実施の形態によれば、軸受部１６を構成する左右上下の壁部には、それぞれ電磁石３０が埋め込まれている。また、スライダ１８は永久磁石により形成され、その基端部側面には、光学スケール２６が直接作り込まれている。そして、スライダ１８は、永久磁石の発生する磁界と電磁石３０によって形成された磁界との磁気的反発により非接触な状態で支持される。他の構成は、上述した第１の実施の形態と同一である。
【００２１】
このように構成された第２の実施の形態においても、軸受機構１２の構成部品であるスライダ１８に光学スケール２６を直接作り込み、検出器の被検出部そのものを軸受機構の構成部品として機能させている。従って、光学スケール等の検出器の被検出部と軸受機構の可動部材とを別部材として構成した場合のような、両部材間の熱膨張係数の相違から生じる位置誤差等を無くし、高精度な位置検出が可能となる。同時に、可動部材であるスライダ１８自体によって光学スケール２６を構成することにより、測定位置と可動部材の移動中心とが一致し、高精度で正確な位置検出および位置決めが可能となる。
【００２２】
また、スライダ１８を磁気軸受からなる軸受部１６によって非接触な状態で支持することにより、直に接することで生じるスライダの磨耗や曲げ応力、衝撃力の付加を無くし、同時に、スライダ１８のがた発生を防止することができる。そして、光学スケール２６を、永久磁石等で構成される軸受機構の機構部品に組み込むことで、検出器の機能を一体に兼ね備えた軸受機構１２を得ることができる。
【００２３】
次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態に係るアクチュエータは、軸受機構とモータ部とが一体的に構成され、移動テーブルあるいはステージの下部に配置する直動型のアクチュエータとして構成されている。図５に示すように、軸受部１６の軸受案内１７内には、ほぼ矩形板状のコア３５が配置され、軸受部の壁部を構成している。そして、コア３５にはボイスコイル３７が巻回されている。スライダ１８は磁石により形成され、軸受部１６の軸受案内１７に挿通されボイスコイル３７と対向している。これらスライダ１８およびボイスコイル３７により、リニアモータを構成している。
【００２４】
また、軸受部１６は、スライダ１８を非接触な状態で支持した空気軸受として構成されている。すなわち、軸受部１６の壁部およびコア３５には多数の給気路２０が形成され、これらの給気路は軸受案内１７に開口した多数の給気孔２２に連通している。図示しない給気ポンプ等から給気路２０および給気孔２２を介して軸受案内１７内に加圧空気を供給することにより、スライダ１８は、空気静圧によって、軸受部１６に対し非接触な状態で、かつ移動自在に支持される。そして、モータ部１４を構成するボイスコイル３７に通電することにより、スライダ１８が直線的に往復移動される。なお、スライダ１８には、前述した実施の形態と同様に被検出部としての光学スケールが作り込まれている。
このように構成されたアクチュエータ１０においても、上記第２の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
続いて、この発明の第４の実施の形態に係る回転型のアクチュエータについて説明する。図６および図７に示すように、アクチュエータ１０は、スピンドルモータにより構成されたモータ部１４および回転軸３２を回転自在に支持した軸受機構１２を備えている。可動部材として機能する回転軸３２は円柱形状に形成され、その中間部に環状のフランジ３３が一体に形成されている。そして、この回転軸３２は、熱膨張率の低い材料、例えば、低熱膨張ガラスにより形成されている。
【００２６】
軸受機構１２は、アルミ、チタン合金等の金属により形成されたほぼ円筒状の軸受部１６を有し、回転軸３２は軸受部の案内に挿通されている。図６に示すように、軸受部１６は空気軸受により構成され、回転軸３２を非接触な状態で支持している。すなわち、軸受部１６の壁部には多数の給気路２０が形成され、これらの給気路は、軸受部の内面に開口した多数の給気孔２２に連通している。これらの給気孔２２は、回転軸３２に形成されたフランジ３３の上下面および外周面に対向している。そして、図示しない給気ポンプ等から給気路２０および給気孔２２を介して軸受部１６内に加圧空気を供給することにより、回転軸３２は、軸受部１６に対し空気静圧によって非接触な状態で、かつ回転自在に支持される。
【００２７】
モータ部１４は回転軸３２の基端に連結された円盤状のロータ３６を有している。このロータ３６は低熱膨張ガラスにより回転軸３２と一体に成形されて可動部材の一部を構成している。ロータ３６の外周面には、永久磁石３８が固定され、Ｎ極およびＳ極が交互に並んで配置されている。また、モータ部１４は、ロータ３６の外周に位置したほぼ円筒状のハウジング４０を有し、その内面には、ステータを構成する複数のコイル４２が設けられロータ３６の永久磁石３８と所定の隙間を置いて対向している。
【００２８】
図７に示すように、モータ部１４および軸受部１６を一体に形成した場合、モータ部１４のハウジング４０は空気軸受からなる軸受部を構成する。すなわち、ハウジング４０には、円周方向に延びた多数の給気路４４が形成され、これらの給気路はハウジングの内面に開口した多数の給気孔４６に連通している。これらの給気孔４６は、ロータ３６の外周面に対向している。そして、図示しない給気ポンプ等から給気路４４および給気孔４６を介して加圧空気を供給することにより、ロータ３６は空気静圧によって非接触な状態で、かつ回転自在に支持される。すなわち、本実施の形態において、モータ部１４も可動部材としてのロータを支持した軸受機構を構成している。
【００２９】
更に、ロータ３６の下面には、角度割り出し用の光学スケール２６として、回折格子からなる光学的な検出パターンが直接作り込まれ、ロータの円周方向に沿って延びている。また、モータ部１４の下方には、光学センサとして機能する反射型のレーザヘッド２８が設けられ、光学スケール２６と対向している。このレーザヘッド２８は、光学スケール２６にレーザ光を照射し、その反射光からロータ３６の回転角度および絶対角度を検出する。なお、光学スケール２６としては、スパッタリングや蒸着によりスライダ１８の表面に光学膜を形成し、この光学膜にフォトリソグラフィ技術により検出パターンを形成したものを用いることもできる。
【００３０】
このように構成された回転型のアクチュエータ１０は、例えば、ディスク等の被測定物を回転駆動するアクチュエータとして利用することができる。この場合、被測定物としてのディスク５０は、クランパ５２により回転軸３２の先端に同軸的に固定される。そして、モータ部１４を駆動することにより、回転軸３２と一体的にディスク５０が回転駆動される。その際、レーザヘッド２８により光学スケール２６を基準としてロータ３６の回転角度を検出することにより、ディスク５０の回転角度が割出される。
【００３１】
上記構成のアクチュエータ１０によれば、軸受機構１２の構成部品である回転軸３２と一体のロータ３６に光学スケール２６を直接作り込み、エンコーダとして機能する検出器の被検出部そのものを軸受機構の構成部品として機能させている。従って、光学スケール等の検出器の被検出部と軸受機構の可動部材とを別部材で構成した場合のような、両部材間の熱膨張係数の相違から生じる位置誤差等を無くし、高精度な角度検出が可能となる。同時に、可動部材であるロータ３６自体により光学スケール２６を構成することにより、測定位置と可動部材の回転中心とが一致し、その結果、ロストモーション等に起因する回転軸の回転角と検出角度とのずれを無くし、高精度で正確な角度検出および角度割り出しが可能となる。
【００３２】
また、光学スケールを構成するロータ３６は、低熱膨張ガラスにより形成されていることから、トルク発生部の近傍に光学スケールを設けた場合でも、発熱による光学スケールの熱膨張を低減し、検出誤差を大幅に低減することができる。その他、第４の実施の形態においても、前述した第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３３】
なお、上述した第４の実施の形態においても、回転軸あるいはロータを支持する軸受部として空気軸受の代わりに磁気軸受を用いることができる。この場合、回転軸あるいはロータは磁石あるいは磁性体で形成され、この回転軸あるいはロータに対向して、軸受部に複数の電磁石が設けられる。そして、回転軸あるいはロータは、磁気的な反発を利用して非接触な状態に支持される。
【００３４】
その他、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、上述した各実施の形態において、被測定部は、透過型の光学スケールに限らず、他の光学スケールや磁気スケール等を用いてもよく、計測の方式は問わない。また、この発明は、直動型、回転型を問わず、どのようなモータ形式にも適用可能である。更に、低熱膨張の材料は上述した低熱膨張ガラスに限らず、アンバー合金、セラミックス等の低熱膨張材料を用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、可動部材の移動量を高い精度で測定することが可能な検出器一体型の軸受機構およびこれを備えたアクチュエータを提供し、より高精度な機構系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る直動型アクチュエータの平面図。
【図２】上記直動型アクチュエータの側面図。
【図３】上記直動型アクチュエータの軸受機構を拡大して示す斜視図および軸受部を一部破断して示す斜視図。
【図４】この発明の第２の実施の形態に係る直動型アクチュエータの軸受部を一部破断して示す斜視図。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係る直動型アクチュエータを示す斜視図。
【図６】この発明の第４の実施の形態に係る回転型アクチュエータを示す断面図。
【図７】上記回転アクチュエータのモータ部を一部破断して示す斜視図。
【符号の説明】
１０…アクチュエータ
１２…軸受機構
１４…モータ部
１６…軸受部
１８…スライダ
２０…給気路
２２…給気孔
２６…光学スケール
２８…レーザヘッド
３２…回転軸
３６…ロータ

Claims

０．０４×１０ ^−６／Ｋ以下の低熱膨張係数を有した低熱膨張ガラスにより形成されているとともに、軸受案内を形成した内面を有する筒状の軸受部と、０．０４×１０ ^−６／Ｋ以下の低熱膨張係数を有した低熱膨張ガラスにより形成されているとともに、前記軸受部に挿通され前記軸受案内により直線的に移動自在に支持されたスライダと、このスライダに直接作り込まれ前記軸受案内に対向する被検出部と、前記軸受部の外側で前記被検出部に対向して設けられ、被検出部に基づき前記スライダの移動量を測定する検出器と、を備え、前記軸受部は、前記軸受案内の内面に開口した複数の給気孔と、前記供給孔から前記軸受案内とスライダ外面との間に加圧空気を供給し前記スライダを非接触で支持する給気手段と、を備えている検出器一体型の軸受機構。
上記被検出部は、光学スケールを有していることを特徴とする請求項１に記載の検出器一体型の軸受機構。
上記被検出部は、磁気スケールを有していることを特徴とする請求項１に記載の検出器一体型の軸受機構。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の検出器一体型の軸受機構と、
上記軸受機構の軸受部に支持されたスライダを移動させる直動型の駆動部と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ。