JP2006177437A - エアバランス構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直軸上で直線駆動される可動部の重量負荷を補償するバランス構造の簡素化とコスト低減。
【解決手段】 枡形形状等の可動部５０は開口部を下方に向け、同開口部に固定部４０を挿入した状態で、固定部４０と可動部５０の間の隙間４３を利用した空気軸受で上下方向に移動可能に支持される。可動部５０の内部には加圧された空気を保持するエアバランス室４１が形成される。圧力調整された加圧空気は外部から固定部４０の内部の配管を経て吹き出し口から隙間４３に供給された後、エアバランス室４１へ流れ込む。この流れにより、エアバランス室４１の加圧空気はシールされる。加圧空気の排気は、排気穴４１ａから配管４２、６１、流量調整装置６０を経て外部に排気される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば精密測定器や精密工作機械、精密加工機械等において、垂直軸上で移動する可動部の自重を補償する機構に適用されるエアバランス構造に関する。

精密な動作が要求される測定器、工作機械、加工機械等の多くは、垂直軸上で上下方向に移動する可動部を有している。垂直軸上で移動する可動部（以下、「垂直軸の可動部」とも言う）は、水平軸上で移動する場合と異なり、その自重による重力分を補償する機構を必要とするのが通常である。このような機構として一般的に用いられているのは、カウンタバランス方式あるいはエアバランス方式で重力分を補償するものである。両方式の内、カウンタバランス方式には、カウンタバランサとして可動部と同じ重量を搭載する必要があるため、装置を小型化できず、可動部と同等分の重量増大も避けられないという欠点がある。

一方、エアバランス方式の自重補償機構は、可動部にかかる重力を同等の重量で補償するものではないが、バランス力を発生する加圧エアを閉じこめるシール手段が必要であり、可動部に高精度の動作が要求される場合、シールは非接触である必要がある。
図１、図２は、従来より用いられている非接触シール方式のエアバランスで用いられているエアバランス構造（エアバランス方式で自重補償を行うための構造のこと：以下、同じ）について説明する図で、図１はエアバランス構造の一般的な外観を示し、図２は図１のラインＡ−Ａに沿った断面構造の概略を表わしている。

図１において、全体を符号１で示したエアバランス構造は、固定部１０と可動部２０を含んでいる。可動部２０は略方形筒状を有し、その下側の開口部から固定部１０が挿入されている。符号１４は、固定部１０の外周面と方形筒状の可動部２０の内周面との間の隙間で、空気が自由に通過できる程度の寸法（例えば数ｍｍ程度）を有している。
同可動部２０は、図示を省略した垂直軸の直線駆動機構により、固定部１０に対して上下方向（重力方向）に直線移動可能に支持されている。エアバランス機構は、この直線駆動機構にかかる重量負荷を軽減するために設けられる。図２を参照図に加えると容易に理解されるように、固定部１０には上方に開放されたシリンダ状の凹部が形成される一方、可動部２０にはブリッジ部２１が設けられ、そこからピストン２２が垂下される。符号２３は、ブリッジ部２１とピストン２２を繋ぐシャフトである。

ピストン２２は、シリンダ状の凹部にぴったりとはまり込む外径を有し、同凹部の底面との間にエアバランス室１１を形成する。そして、このエアバランス室１１には、圧力調整装置３０で、圧力を調整された圧縮空気が配管３１、１２を通して供給される。圧力の調整値は、可動部２０による重量負荷を略相殺し得る値とされる。このように、従来のエアバランス機構は、圧力調整装置３０により適切な圧力に調整された空気によりエアバランス室１１を加圧することで、ピストン２２を押し上げ、可動部２０の自重をキャンセルするバランス力を発生させるものであるため、高度のエアシーリングが必要になる。

図示の都合上、凹部の側壁面との間に形成される隙間１３は、隙間１４と同程度の寸法で描かれているが、実際には隙間１４よりはるかに狭く、一般に２０ミクロン以下とすることで、エアバランス室１１内のエアからのエア漏れを最小限にとどめている。エアをシールするための隙間１３が広いと、エアバランス室１１からのエアの漏れが大きく、エアの消費量が多くなるばかりでなく、エアの流量が多くなると、空気の流れに伴う振動も発生し、垂直軸を精密に位置決めすることができなくなる。このような観点から、隙間１３は通常２０ミクロン以下とする訳であるが、微小な隙間１３を通るエアの流量は、隙間１３の大きさに対して非線形の関係を示し、数ミクロンの隙間１３の変化が流量を大きく変化させてしまう。

従って、隙間１３は単に微小であるだけでなく、ピストン２２が上下移動しても一定に保たれることが必要となる。つまり、可動部２０が移動するのに伴って、常に一定の安定したエアバランスを実現するためには、エアバランス室１１の円筒状の内壁面が可動部２０の移動方向と正確に一致して延在しなければならないということである。また、隙間１３が過剰に狭い箇所があれば、ピストン２２とシリンダ内壁面の間に摩擦が生じ、ピストン２２乃至可動部２０の円滑な動きを妨げることになる。

そのため、これらエアバランスを構成する部品にはミクロンオーダでの寸法精度、組立精度が要求される。このように、エアバランス方式の機構は、重量増大の心配はあまりないが、加圧されたエアを閉じ込めるためにエアをシールする構造が必要となり、機構全体が複雑で、使用する部品の製造・加工コストが高くなる。このようなエアバランス方式の機構の欠点を解決する技術を開示した公知文献は見当らない。

垂直軸上で可動動部を高精度に駆動するためには、重量負荷を相殺するバランス力を一定に保つことが重要であるが、上述した通り、従来のエアバランス構造では、ピストンとシリンダ内壁面の間の隙間（シール部）が変化しないように、エアバランス部品の加工と組立を高精度に行う必要がある。そのため、製造コストは自然と高くなる。本発明の目的は、従来のエアバランス構造が持っていたこのような欠点を解消し、構造簡素で、エアバランス部品の加工と組立に要求される精度を下げ、そのことを通して製造コストの低減が容易なエアバランス構造を提供することにある。

本発明は、直線駆動装置で駆動される可動部が上下移動する垂直軸の軸受を空気軸受とする一方、可動部を開口部を持つ容器形状とし、その容器形状形の内側をエアバランス室と利用する方式のエアバランス構造を提案して上記課題を解決したものである。
先ず請求項１は本発明の基本要件を規定している。即ち、本発明に係る直線駆動装置のエアバランス構造によれば、エアバランス構造の開口部を持つ容器形状を有する可動部の前記開口部を下方に向け、固定部が該可動部の内部空間に挿入された状態で前記可動部が前記固定部に対して重力方向に直線移動可能に設けられ、前記可動部の内部空間領域のうち、前記固定部の挿入部分が占める領域を除いた領域内に加圧された空気を保持することによりエアバランス室が構成される。そして、前記固定部の外側面と、これに対向する前記可動部の内側面との間に流体軸受が構成され、この流体軸受が前記加圧された空気をシールする役割を兼ねる。

ここで、前記流体軸受は典型的には空気軸受であり、該空気軸受の排気が前記加圧された空気として使用される（請求項２）。また、前記エアバランス室に排気穴を設け、該排気穴から流出する空気の流量を調整する手段を具備させることができる。

本発明によれば、空気軸受がエアのシール手段として利用されるので、使用する部品について上述した従来技術で要求されるような高度の加工精度や組立精度は要求されず、製造コストを容易に削減できる。即ち、空気軸受には５μｍ程度の隙間が利用でき、且つ、これをバランス圧を担う加圧エアのシール手段に兼用できる利点がある。また、エアバランスのための特別な機構を必要とせず機構が単純になり、しかも、垂直軸の移動に伴いエアバランスが変わることもない。更に、空気軸受面からの排気をエアバランス室に導くことで、エアバランス用の空気を供給する必要がなくなる。軸受構造とエアバランス機構が一体であるため、エアバランス構造が非常に単純になる。

図３は、本発明におけるエアバランス機構と軸受構造を一体化させたエアバランス構造の外観を示し、図４は、図３中のラインＢ−Ｂに沿った断面構造の概略を表わしている。
図３において、全体を符号２で示したエアバランス構造は、固定部４０と可動部５０を含んでいる。可動部５０には、本発明の特徴に従がい、開口部を持つ容器形状の一例として、枡形の形状が与えられている。一方、固定部４０には、容器形状（ここでは枡形形状）の内側空間にはまり込むような外形（ここでは直方体形状）が与えられている。そして、可動部５０はその開口部を下方に向け、固定部４０が可動部５０の内部空間に下方から挿入された状態で、固定部４０に対して重力方向（上下方向に）に直線移動可能に設けられる。次の説明の中で述べる通り、このような態様で可動部５０を支持するために、流体軸受（ここでは空気軸受）が利用される。

図４を参照図に加えると容易に理解されるように、枡形形状（容器形状）の可動部５０の内側に固定部４０が挿入されることで、可動部５０の内部領域が固定部４０で占める領域と、それを除いた空洞領域に分割されることになる。そこで、この空洞領域をエアバランス室４１として利用する。その場合、エアバランス室４１にバランス力を発生させるためには、同室４１内の加圧空気が、固定部４０と可動部５０の間の隙間４３から逃げないようにする必要がある。

ここで、もしも隙間４３を前述した隙間１３と同様に狭くすることでシール機能をもたせるようとした場合には、従来技術と同様の問題が生じる。そこで、本発明では、固定部４０の外側面と、これに対向する可動部５０の内側面との間に流体軸受を構成し、この流体軸受に、加圧された空気をシールする役割を兼務させることで問題を回避する。また、軸受の固体摩擦を排除して、直線軸を高精度に駆動する上で、非接触の流体軸受が利用できること自体、非常に有利である。

本実施形態では流体軸受として空気軸受を採用する。即ち、固定部４０の外側面と可動部５０の内側面との間の隙間４３を利用して、可動部５０を垂直軸上で支持する空気軸受を構成する。そして更に、この隙間４３に供給される加圧空気の排気経路をエアバランス室４１内へ導くことで、空気軸受をエアバランス室４１への加圧空気の供給源としても利用する。

エアバランス室４１の底部には、同室４１内に送り込まれた加圧空気の排気のための配管４２の開口（排気穴）４１ａが形成されている。配管４２は、この排気穴４１ａから垂下された後屈曲し、固定部４０の最下部近くの側面中央付近に設けられた開口４５から配管６１に受け継がれ、流量調整装置６０を介して外部に開放されている。流量調整装置６０による流量調整量は、同室４１内に送り込まれた加圧空気が適当なバランス力を発生するように設定される。言うまでもなく、同室４１内への導入空気圧が一定とした場合、流量調整装置６０による流量調整量を増大させればエアバランス力は小さくなり、流量調整量を減少させれば、エアバランス室４１内への導入空気圧に対応するエアバランス力を越えない範囲で上昇する。

隙間４３を利用して空気軸受を構成するための加圧空気の供給は、圧縮空気源（図示省略）に接続された圧力調整装置７０、配管７１、固定部４０の最下部近くの側面端部近く（排気空気の出口４５の側方）に設けられた軸受空気入口４６、そこから固定部４０の内部に張り巡らされた配管を経て、隙間４３に向けて開口した吹き出し口に至る流路を用いて行われる。

図５は、図３に示したエアバランス構造の固定部の外観を示した図で、隙間４３（図４参照）に向けて開口した複数の吹き出し口４４が例示されている。本例では、軸受空気入口４６は１つであり、従って、軸受空気入口４６と各吹き出し口４４は、固定部１０内で分岐した配管で連通している。この内部配管は適宜設計的に定めれば良く、場合によっては、軸受空気入口４６を複数個設け、それに対応して内部配管を複数系統に分けても良い。

図６には、内部配管の一部を図５中のラインＣ−Ｃに沿った断面構造を示した図で示した。図示されているように、固定部４０の内部には、軸受空気入口４６から導入された加圧空気を、隙間４３に向けて開口した各吹き出し口４４まで導くために、所要数の分岐路を持つ配管４７が張り巡らされている。なお、図示は省略したが、配管４７の分岐路は、ラインＣ−Ｃに沿った断面から外れた位置にある吹き出し口４４へも加圧空気を送り届けられるように、形成されている。

既述のように、このような配管４７を通って各吹き出し口４４から隙間４３へ吹き出された加圧空気は、先ず可動部５０を垂直軸上で支持する空気軸受のための機能を果たし、次いで、エアバランス室４１内へ送り込まれ、エアバランス機能を果たす。但し、空気軸受の排気の一部はエアバランス室４１へ向かわず、隙間４３の下方に向い外部に流出する。エアバランス室４１内へ送り込まれた加圧空気は、徐々に配管４２を通って外部に排気される（図４参照）。排気の流量調整が流量調整装置６０で行われることも既述の通りである。

このように、本実施形態では、固定部４０側の複数の空気吹き出し口４４から吹き出した圧縮空気により、可動部５０の内面との間に非接触の軸受が構成される。ここで、隙間４３の広さは、空気軸受の軸受剛性の強さを左右する１つの因子である。言うまでもなく、隙間４３は狭い程より強い剛性得られ易く、隙間４３を広くとれば剛性は低下する。一般的には、軸ぶれを防ぐために強目の剛性が必要であり、十分な剛性確保のための隙間サイズの例を挙げれば例えば５μｍ程度である。また、空気軸受に供給する空気の圧力の典型値は５ｋｇ／ｃｍ²である。

エアバランス室４１には空気軸受からの排気が導入されるが、上述の通り、排気路から適度な流量で逃がされており、エアバランス室４１内の空気圧力は上記した空気の供給圧力よりかなり低くなっている。従って、エアバランス室４１の空気が空気軸受面に流れ込むことはなく、エアバランス室４１の空気は、空気軸受により、非接触で完全にシールされる。

一方、エアバランス室４１よりも高圧である空気軸受からは、エアバランス室４１に空気が流れ込んでくる。本発明では、この空気軸受から流れてくるエアをエアバランスに用いることで、エアバランスのためだけに空気を供給する必要性をなくしている。

なお、エアバランス室４１で生成されるバランス力の大きさは、エアバランス室４１内の空気圧力と、エアバランス室４１の水平方向の断面積の積に比例する。従って、エアバランス室４１の大きさ（水平方向の断面積）は、可動部５０によって生じる重量負荷の大きさと、エアバランス室４１内で維持できる空気圧力の大きさ等を考慮して、設計的に定めれば良い。

また、上記実施形態では、可動部を枡形形状とし、固定部を直方体形状としたがこれは典型例であり、形状の変更は適宜行うことができる。例えば、片開口円筒形状の可動部と円柱形状の固定部の組み合わせ、片開口六角筒形状の可動部と六角柱形状の固定部の組み合わせなど種々の変形が許容される。

従来技術に係るエアバランス構造の一般的な外観を示した図である。 図２は図１のラインＡ−Ａに沿った断面構造の概略を示した図である。 本発明の実施形態に係るエアバランス構造の外観を示した図である。 図３中のラインＢ−Ｂに沿った断面構造の概略を示した図である。 図３に示したエアバランス構造の固定部の外観を示した図である。 空気軸受用の圧縮空気供給のための配管について説明するために、図５中のラインＣ−Ｃに沿った断面構造を示した図である。

符号の説明

１、２ エアバランス構造
１０、４０ 固定部
１１、４１ エアバランス室
１２、３１、４２、４７、６１、７１ 配管
１３、１４、４３ 隙間
２０、５０ 可動部
２１ ブリッジ部
２２ ピストン
２３ シャフト
３０ 圧力調整装置（エアバランス専用）
４１ａ 排気穴（エアバランス室底部の開口）
４４ 吹き出し口
４５ 開口（固定部に設けた排気用の配管４２の出口）
６０ 流量調整装置
７０ 圧力調整装置（空気軸受／エアバランス兼用）

Claims (3)

1. 開口部を持つ容器形状を有する可動部の前記開口部を下方に向け、固定部が該可動部の内部空間に挿入された状態で前記可動部が前記固定部に対して重力方向に直線移動可能に設けられ、
   前記可動部の内部空間領域のうち、前記固定部の挿入部分が占める領域を除いた領域内に加圧された空気を保持することによりエアバランス室を構成した、直線駆動装置のエアバランス構造において、
   前記固定部の外側面と、これに対向する前記可動部の内側面との間に流体軸受を構成し、この流体軸受が前記加圧された空気をシールする役割を兼ねることを特徴とする、エアバランス構造。
2. 前記流体軸受を空気軸受とし、該空気軸受の排気が前記加圧された空気として使用されることを特徴とする、請求項１に記載のエアバランス構造。
3. 前記エアバランス室に排気穴を設け、該排気穴から流出する空気の流量を調整する手段を備えることにより、バランス力を調整することを特徴とする、請求項２に記載のエアバランス構造。
   

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