JP4586088B2

JP4586088B2 - 往復直線駆動装置

Info

Publication number: JP4586088B2
Application number: JP2008210719A
Authority: JP
Inventors: 雅之羽村; 建三蛯原
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: US20100045118A1; US8097989B2; JP2010046725A

Description

本発明は、往復直線駆動装置に関し、特に、軸受剛性の高い往復直線駆動装置に関する。

回折格子や液晶表示装置の導光板を成形する金型では、数ミクロンピッチで数万本の溝加工を行う必要がある。このような多数の溝加工は、高速加工と高精度加工を同時に満足することが要求されている。また、回折格子や導光板金型では、非常に微小な加工誤差も許されないため、高速駆動時にも振動を生じない滑らかな直線駆動も必須となる。

一般的な直線駆動装置において高速に往復運動を行うと、加減速による反動が生じる。特に、加工中の送り速度を一定にする必要がある場合、短時間（短いストローク）で加減速を行うことから、より大きな反動を生じる。高精度な加工を行う精密加工機では、床振動の伝播を抑えるためにエアダンパで機械を支持していることから、駆動軸の反動で機械が揺らされ易い構造となっている。

高速往復駆動時の反動を相殺する往復直線駆動装置の技術として特許文献１に開示されるものがある。特許文献１には、固定部のベースに対し同軸方向に移動可能なガイドとスライドを流体軸受で支持し、スライドの加減速の反動をガイドが受けることで、外部に反動が伝わらない構造の往復直線駆動装置の技術が開示されている。

図９及び図１０は、特許文献１に開示される往復直線駆動装置を説明する図である。図９は、従来技術である往復直線駆動装置の外観斜視図である。また、図１０は図９に示される往復直線駆動装置の切断線で切断した断面図である。符号５０はこの往復運動装置のベースであり、ベース５０が図示省略した工作機械の所定の設置位置に固定される。ベース５０はガイド５１の両端部を軸受Ａで軸受している。ガイド５１には、スライド５２がガイド５１の軸方向に移動可能に軸受Ｂで軸受されている。そして、スライド５２とガイド５１は同軸上を移動可能となっており、ガイド５１とスライド５２とは反対方向に移動することで、往復直線駆動装置を駆動した時の反動を相殺することができる。ガイド５１には、反転用の永久磁石５３が取り付けられている。また、スライド５２の内部にはリニアモータを構成するコイルと反転用永久磁石（図示省略）が取り付けられている。軸受Ａと軸受Ｂは流体軸受を用いることができる。

特開２００７−１３０７１２号公報

特許文献１に開示される往復直線駆動装置の構造は、スライド５２に駆動方向以外の外力が加わった時、力は、スライド５２→ガイド５１とスライド５２間の軸受Ｂ→ガイド５１→ベース５０とガイド５１間の軸受Ａ→ベース５０の様に伝わるため、２つの軸受を介する構造となっている。特に、流体軸受（空気軸受）は、他の構造部よりも剛性が低い部分であり、加えた力に比例して変位する弾性体であるバネと考えることができる。そして、２つの軸受を介するということは、２つのバネが直列に接続されている状態と同じであり、軸受の剛性が低くなる。

また、往復直線駆動装置を駆動した時は、ガイド５１とスライド５２が同時に動き、ベース５０に対するガイド５１の真直運動精度とガイド５１に対するスライド５２の真直運動精度という２つの真直精度を合成したものが、ベース５０に対するスライド５２の真直運動精度となるため、単純にガイド５１とスライド５２だけの構造よりも真直運動精度が劣る。

図１０に示されるように、ガイド５１の部品形状精度だけが、スライド５２の真直運動精度に関係するが、実際には上述したとおり、スライド５２がガイド５１上を移動する部分（軸受Ｂ）のガイド５１の真直精度だけではなく、ベース５０とガイド５１の移動部分（軸受Ａ）も真直運動精度に関係する。したがって、ガイド５１の全長の真直精度がスライド５２の真直運動精度に影響を及ぼすことから、ガイド５１の全長を高精度に仕上げ加工する必要がある。

上述したように、従来の往復直線駆動装置は、ガイド５１の軸受Ａとスライド５２の軸受Ｂという２重の軸受構造となっているため、ベース５０に対するスライド５２の軸受剛性が弱くなる課題があった。また、駆動時のスライド５２の真直運動精度は、ガイド５１に対するスライド５２の真直運動精度とベース５０に対するガイド５１の真直運動精度の合成となり、真直運動精度が低下する課題があった。

そこで本発明は、上記課題を解決するため、スライドの運動が２重の軸受構造に支えられない構造とし、真直運動精度が低下しない軸受剛性の高い往復直線駆動装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、ガイドとスライドとカウンタスライドを備えた往復直線駆動装置において、前記ガイドは中空の箱型構造を備え、前記箱型構造の内側の面を軸受面とし、該箱型構造の内側に前記スライドおよび前記カウンタスライドが搭載され、外部に固定された前記ガイドと前記スライドの間に流体軸受の構造を備え、前記ガイドと前記カウンタスライドの間に流体軸受の構造を備え、前記スライドと前記カウンタスライドは同軸方向に移動可能であり、前記スライドと前記カウンタスライドの間で駆動力を発生する手段と、を備えたことを特徴とする往復直線駆動装置である。

請求項２に係る発明は、前記カウンタスライドは互いに連結された２つの軸受部を有し、前記２つの軸受部の間のストロークで前記スライドが駆動されることを特徴とする請求項１に記載の往復直線駆動装置である。

請求項３に係る発明は、前記スライドと前記カウンタスライドの間には反発力を発生する手段を備え、前記スライドは直線往復運動時の移動方向反転に前記反発力を利用することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置である。

請求項４に係る発明は、前記ガイドは少なくとも片方の端に蓋を備え、前記ガイドの内面と前記蓋と前記カウンタスライドで囲まれた空間が形成し、該空間をエアバランス室として使用し、垂直方向の駆動時にカウンタスライドの自重をキャンセルすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置である。

請求項５に係る発明は、前記エアバランス室を前記カウンタスライドの上側に設けた場合、前記エアバランス室の圧力を負圧とし、前記エアバランス室を前記カウンタスライドの下側に設けた場合、前記エアバランス室の圧力を正圧とすることを特徴とする請求項４に記載の往復直線駆動装置である。

請求項６に係る発明は、前記スライドに工具の切り込み手段と工具を備え、往路で工具を切り込み、復路で工具を逃がす動作を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置である。

本発明により、２重の軸受構造を回避し真直運動精度が低下しない軸受剛性の高い往復直線駆動装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の往復直線駆動装置の一実施形態の外観斜視図である。ガイド１は箱型の形状をなしており、ガイド１の外面の所定箇所を図示省略した部材により工作機械の所定の軸に固定して取り付けられる。

ガイド１は対抗する一対の両端面が開口する内部が中空の箱型形状をしている。ガイド１の中空部分にスライド２とカウンタスライド３が備わっている。図１では一開口端にカウンタスライド３の一部分が見える。スライド２とカウンタスライド３については他の図面（図２〜図４）を用いて詳細に説明する。また、ガイド１の少なくとも一側面には、両開口端を結ぶ軸方向に平行に延びるスリット状の長孔４が設けられている。この長孔４は、スライド２に取り付けられた工具１９等が往復運動可能なように設けられる孔である。工具１９については図６を用いて後述する。

図２は本発明の第１の実施形態の断面図であり、図１に示す切断線で切断した断面を示している。ガイド１の内側の面を軸受面として、スライド２とカウンタスライド３が同軸方向に移動可能なように軸受（流体軸受）されている。前述したように、流体軸受（空気軸受）は、他の構造部よりも剛性が低い部分であり、加えた力に比例して変位する弾性体であるバネと考えることができる。スライド２とカウンタスライド３がガイド１の同一の面を軸受面とすることで、ガイド１を単純な中空箱型の構造にできる。

スライド２は工具１９（図６参照）が取り付けられる部材であり、また、往復運動するための推力を発生するコイル５が搭載されている。ガイド１の内側面とスライド２の外側面を軸受面とし、ガイド１はスライド２を軸受（流体軸受）している。スライド２には、図示省略した流体入口および該流体入口と連通する流体配管が設けられている。該流体配管に導入された圧縮流体（例えば、圧縮空気）をスライド２に設けられた流体噴出口（図示省略）からガイド１の軸受面に噴射することによって、スライド２はガイド１に対して圧縮流体によって軸受されている。また、コイル５に給電する給電線も設けられている。

カウンタスライド３は２つの軸受部３ａ，３ｂを有し、軸受部３ａと３ｂとを連結部３ｃで連結している。軸受部３ａ，３ｂには、図示省略した流体入口および該流体入口と連通する流体配管が設けられている。該流体配管に導入された圧縮流体（例えば、圧縮空気）を軸受部３ａ，３ｂに設けられた流体噴出口（図示省略）からガイド１の軸受面に噴射することによって、カウンタスライド３の軸受部３ａ，３ｂは、ガイド１に対して圧縮流体によって軸受されている。

連結部３ｃには、リニアモータを構成する駆動用永久磁石６ａ，６ｂと鉄心６ｃが搭載されている。この駆動用永久磁石６ａ，６ｂの磁力とスライド２に搭載したコイル５の間で推力を発生させ、スライド２を駆動するリニアモータを構成している。なお、スライド２に搭載されるコイル５およびカウンタスライド３に配置される駆動用永久磁石６ａ，６ｂは、図３〜８に示される実施形態においても同様に搭載されている。

次に、スライド２の往復運動について説明する。スライド２に搭載されるコイル５に電流を流しリニアモータを駆動してスライド２を一方向に移動させる。スライド２の往復運動のストロークエンドになるとコイル５に流す電流の向きを変えて、スライド２の移動方向を反転させる。スライド２が他のストロークエンドに移動すると、再度コイル５に流す電流の向きを変えて、スライド２の移動方向を反転させる。このようにして、スライド２は、駆動用永久磁石６ａと駆動用永久磁石６ｂの間を往復運動する。駆動力はスライド２とカウンタスライド３との間で発生するので、スライド２とカウンタスライド３は作用反作用の関係から反対方向に移動する。この駆動力はガイド１には伝達されず、スライド２の加減速により発生する反力が外部（例えば、工作機械）に伝わらない。

ここで、スライド２に駆動方向以外の外力が作用した時を考える。力は、スライド２→スライド２とガイド１の間の軸受→ガイド１の様に伝わるため、本発明の実施形態では力は、１つの軸受しか介さない構造となっており軸受の剛性が高く、軸受が多重化することによる軸受剛性が低くなる欠点を防止できる。このことは、図１０に示される軸受が多重化して軸受剛性が低くなる従来技術と対比すると理解し易い。

そして、スライド２の真直運動精度は、スライド２が移動するガイド１のガイド面の真直精度だけが重要であり、カウンタスライド３の軸受部３ａ，３ｂが移動するガイド１のガイド面の面精度は、スライド２の真直運動精度に関係しない。したがって、ガイド１の内面の全長を高精度に仕上げる必要はなく、スライド２のストローク部分だけを高精度に仕上げ加工すればよい。そのため、直線往復駆動装置を構成する部材の生産効率が向上する。

第１の実施形態では、ガイド１の内側面を軸受面としていることから、スライド２とカウンタスライド３の重量を低減することが可能である。例えば、背景技術で説明した従来技術である往復直線駆動装置と本発明の第１の実施形態の往復直線駆動装置とを比較すると、スライドの軸受面積が同じ場合、軸受面の外側がスライドの構造体となる従来の構造よりも、ガイド１の軸受面の内側にスライド２を配置する第１の実施形態の方が、スライド２の重量を軽くできる。スライド２の重量が軽いことは、加減速時の駆動用リニアモータの消費電力を少なくし発熱を抑える利点がある。

また、カウンタスライド３（従来技術のガイド５１に相当：図１０参照）の移動ストロークを短縮し往復直線駆動装置全体を小型化するためには、スライド２からの反力による運動量を吸収するためカウンタスライド３をスライド２よりも数〜数１０倍に重くする必要がある。スライド２自体の重量が低減すれば、カウンタスライド３の重量も低減でき、往復直線駆動装置全体の重量も低減できる。この観点に立てば、ガイド１の中空部分のスライド２が往復運動する軸方向に垂直な断面の形状を３角形状となす。スライド２も３角形状とすることによりスライド２の計量化を図ることができる。なお、断面円形、断面多角形など種々有りえるが、製作の容易性の観点から３角形ないし４角形の断面の往復直線駆動装置が望ましい。

図３は、本発明の第２の実施形態の断面図である。この実施形態は、第１の実施形態の往復直線駆動装置に、スライド２を反転させる力を増加させるための永久磁石８を付加している。スライド２側とカウンタスライド３側にそれぞれ永久磁石８を配置する。それぞれの永久磁石８は、接近すると反発力が発生する向きに磁極が配置されている。永久磁石８は、スライド２を反転させる反力を生じさせる磁石であり、スライド２（軸受部３ａ，３ｂ）に配設した永久磁石８とカウンタスライド３に配設した永久磁石８との距離が短くなると反発力が発生し、スライド２は、急激に減速され、かつ、反転方向への力を受けてスライド２は反転方向に加速される。図３に示される矢印は、永久磁石８の磁極の向きを示している。

反発力を発生させる手段としては、カウンタスライド３とスライド２とをスプリングで連結する方法も考えられる。しかし、スライド２に常時スプリングの力が加わることになり、永久磁石を用いて反発力を発生させる方が、距離が近づいたときだけに反発力が働くので望ましい。また、スライド２に常に力が作用するとスライド２は加速ないし減速することになり、スライド２の速度を一定に保つことが困難である。

図４は、本発明の第３の実施形態の断面図である。第３の実施形態は、往復直線駆動装置を鉛直方向に向けて配置して使用する形態である。鉛直方向に向けて配置して往復直線駆動装置を駆動する場合には、カウンタスライド３の自重をキャンセルする必要がある。ガイド１の内面とカウンタスライド３の軸受部３ａの端面と蓋９で囲まれた空間をエアバランス室１０として形成する。エアバランス室１０と圧力発生装置１１とは管１３を介して連通している。エアバランス室１０の内圧は正圧に保たれ、圧力発生装置１１で正圧を発生させエアバランス室１０にエアを送り込むことで、カウンタスライド３を下から上へ押し上げる。

スライド２を高速に往復運動させると、反動でカウンタスライド３も高速に往復運動する。この時、エアバランス室１０の容積が高速に変動する。エアバランス室１０が閉じた空間であれば、容積変動は圧力変動となって、蓋９を介してガイド１に伝わり、スライド２の駆動力が外部に伝わってしまう。エアバランス室１０の圧力変動を低減するためには、エアバランス室１０を外部に用意したタンク１２を接続して、見かけ上の容積を大きくする必要がある。

圧力変動は、エアバランス室１０の容積変動とタンク１２の容積とで決まり、例えば、２０ｍＬの容積変動が生じた場合、タンク１２の容積が２Ｌであれば、エアバランス室１０の圧力変動は１００分の１に低減される。

図５は、本発明の第４の実施形態の断面図である。第４の実施形態は、往復直線駆動装置を鉛直方向に向けて配置して使用する形態である。鉛直方向に向けて配置して往復直線駆動装置を駆動する場合には、カウンタスライド３の自重をキャンセルする必要がある。ガイド１の内面とカウンタスライド３の軸受部３ｂの端面と蓋１４で囲まれた空間をエアバランス室１５として形成する。エアバランス室１５と真空発生装置１６とは管１７を介して連通しており、このエアバランス室１５の内圧を真空発生装置１６で負圧にする。真空発生装置１６で負圧の圧力を調整し、カウンタスライド３の自重と釣り合うようにすることで、カウンタスライド３の自重をキャンセルできる。

負圧を利用してカウンタスライド３の自重をキャンセルする実施形態は、図４に示される正圧を利用してカウンタスライド３の自重をキャンセルする実施形態に比較し、外部タンクを用いることなく圧力変動を確実に小さくできる。

図６は、スライド２に取り付けた工具を説明する図である。図６（ａ）に示されるように、スライド２に板バネ１８とピエゾ素子２０が取り付けられており、板バネ１８に工具１９が取り付けられている。ピエゾ素子２０に電圧を印加すると、図６（ｂ）に示されるように、ピエゾ素子２０が伸張し、工具１９が切り込み方向に変位する。スライド２の往路では工具１９を切り込み、復路では、ピエゾ素子２０への電圧の印加を停止し工具１９を逃がすことで、引き切り加工を行う。

図７は、図６で説明した工具を取り付けた本発明の往復直線駆動装置の一実施形態の外観斜視図である。工具１９は、ガイド１の少なくとも１側面に形成された長孔４を貫通してガイド１の外部に突出している。工具１９は、矢印２１方向に往復直線運動し、往路では、図６で説明したようにピエゾ素子２０に電圧を印加しピエゾ素子２０を伸張させることにより工具１９を矢印２２の外向き方向である切り込み方向に変位させ、ワークの切り込み加工を行う。復路ではピエゾ素子２０への電圧印加を停止しピエゾ素子２０を収縮させ、工具１９を矢印２２の内向き方向に逃がす。

以上のように、スライド２に設けたコイル５に流す電流の向きを変えることによって、スライド２を往復運動させて、かつ、このスライド２の往復運動の際、ピエゾ素子２０を駆動制御する制御手段により、例えば、スライド２の往動時にはピエゾ素子２０に所定の電圧を印加して伸張させ、工具１９に所定量の切り込み量を与えて被加工物に対して引き切り切削加工を行う。復動時にはピエゾ素子２０を縮小させ工具１９が被加工物に干渉しない位置まで退避させて復帰させる。その後、図示省略した手段によって、被加工物を相対的にスライド２の往復動作方向と直交する方向に移動させて、前述したように引き切り切削加工を行う。なお、工具１９の切り込み量はピエゾ素子２０に印加する電圧の大きさによって制御できる。

図８は、図６で説明した工具を取り付けた本発明の往復直線駆動装置の一実施形態の断面図である。スライド２に設けられたコイル５と工具１９に切り込みと逃げの動作を行わせるピエゾ素子２０への電力の供給は、工具１９の加工動作の障害にならないスライド２の適宜な箇所に給電線の受入端（図示省略）を設ける。この受入端は、工具１９が貫通する長孔４とは別に、ガイド１の長孔４が設けられた側面と対向する側面に給電・流体供給用長孔２３を設け、該長孔２３を介して給電線をスライド２に設けられた給電線の受入端に接続するようにしてもよい。さらに、流体軸受（空気軸受）である場合には、エア（空気、窒素ガスなど）を供給する配管を給電線と同様に給電・流体供給用長孔２３を介してスライド２、カウンタスライド３の軸受部３ａ，３ｂの流体入口に接続する。なお、給電線および流体供給配管のスライド２およびカウンタスライド３との接続は前述した例に限定されず、スライド２に取り付けられた工具１９による加工物の加工作業に影響を及ぼさないように構成すればよい。

本発明の往復直線駆動装置の一実施形態の外観斜視図である。本発明の第１の実施形態の断面図である。本発明の第２の実施形態の断面図である。本発明の第３の実施形態の断面図である。本発明の第４の実施形態の断面図である。スライドに取り付けた工具を説明する図である。本発明の往復直線駆動装置の一実施形態に工具を取り付けた外観斜視図である。本発明の往復直線駆動装置の一実施形態に工具を取り付けた断面図である。従来技術である往復直線駆動装置の外観斜視図である。従来技術である往復直線駆動装置の断面図である。

符号の説明

１ガイド
２スライド
３カウンタスライド
３ａ，３ｂ軸受部
３ｃ連結部
４長孔
５コイル
６ａ，６ｂ駆動用永久磁石
６ｃ鉄心
７軸受面
８永久磁石
９蓋
１０エアバランス室（正圧状態）
１１圧力発生装置
１２タンク
１３管
１４蓋
１５エアバランス室（負圧状態）
１６真空発生装置
１７管
１８板バネ
１９工具
２０ピエゾ素子
２３給電・流体供給用長孔
５０ベース
５１ガイド
５２スライド
５３永久磁石

Claims

ガイドとスライドとカウンタスライドを備えた往復直線駆動装置において、
前記ガイドは中空の箱型構造を備え、
前記箱型構造の内側の面を軸受面とし、
該箱型構造の内側に前記スライドおよび前記カウンタスライドが搭載され、
外部に固定された前記ガイドと前記スライドの間に流体軸受の構造を備え、
前記ガイドと前記カウンタスライドの間に流体軸受の構造を備え、
前記スライドと前記カウンタスライドは同軸方向に移動可能であり、
前記スライドと前記カウンタスライドの間で駆動力を発生する手段と、
を備えたことを特徴とする往復直線駆動装置。
前記カウンタスライドは互いに連結された２つの軸受部を有し、
前記２つの軸受部の間のストロークで前記スライドが駆動されることを特徴とする請求項１に記載の往復直線駆動装置。
前記スライドと前記カウンタスライドの間には反発力を発生する手段を備え、
前記スライドは直線往復運動時の移動方向反転に前記反発力を利用することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置。
前記ガイドは少なくとも片方の端に蓋を備え、前記ガイドの内面と前記蓋と前記カウンタスライドで囲まれた空間が形成し、該空間をエアバランス室として使用し、垂直方向の駆動時にカウンタスライドの自重をキャンセルすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置。
前記エアバランス室を前記カウンタスライドの上側に設けた場合、前記エアバランス室の圧力を負圧とし、前記エアバランス室を前記カウンタスライドの下側に設けた場合、前記エアバランス室の圧力を正圧とすることを特徴とする請求項４に記載の往復直線駆動装置。
前記スライドに工具の切り込み手段と工具を備え、往路で工具を切り込み、復路で工具を逃がす動作を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の往復直線駆動装置。