(57)【要約】超精密工作機械のためのエアロスタティックデバイス、エアロスタティックデバイスは、鉛直方向を含む任意の角度で使用される減衰装置を有し、突出部（１６）を有する雄部（１４）と、雄部（１４）を摺動自在に受容可能な溝（１２）を有する雌部（１０）と、磁場を与える手段（２２）を備え、磁場手段は雄部（１４）の突出部（１６）および／または雌部（１０）の溝（１２）に位置し、あるいはこれに隣接し、更に雄部（１４）の突出部（１６）と雌部（１０）の溝（１２）の間であって、磁場手段の磁場内にのみに介装される磁気オイル（２６）を備える。使用中の磁気オイル（２６）は磁場により適正な位置に、あるいは実質的に適正な位置に保持され、これにより雄部（１４）および／または雌部（１０）の望まれない運動が、突出部（１６）および／または溝（１２）からオイル（２６）が排除されることなくオイル（２６）によって減衰される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向を含む任意の角度で使用される減衰装置を備えるエアロスタティックデバイスであて、
突出部（１６；１１６）を有する雄部（１４；１１４）と、
前記雄部（１４；１１４）の前記突出部（１６；１１６）を摺動自在に受容可能な溝（１２；１１２）を有する雌部（１０；１１０）と、
磁場を与える手段（２２；１２２）とを備え、
前記磁場手段（２２；１２２）は前記雄部（１４；１１４）の前記突出部（１６；１１６）および／または前記雌部（１０；１１０）の溝（１２；１１２）に位置し、または隣接し、
更に、前記雄部（１４；１１４）の前記突出部（１６；１１６）と前記雌部（１０；１１０）の前記溝（１２；１１２）の間であって、前記磁場手段（２２；１２２）の磁場内にのみに介装される磁気オイル（２６；１２６）を備え、
使用時の前記磁気オイル（２６；１２６）は、前記磁場により適正位置または実質的に適正位置に保持され、これにより前記雌部（１４；１１４）および／または雌部（１０；１１０）の望ましくない運動が、前記オイル（２６；１２６）を前記突出部（１６；１１６）および／または前記溝（１２；１１２）から排除することなく前記オイル（２６；１２６）により減衰される
ことを特徴とする超精密工作機械用のエアロスタティックデバイス。
【請求項２】
前記磁場手段が、前記雌部（１０；１１０）内に、または隣接して配置される少なくとも１つの磁石（２２；１２２）を備えることを特徴とする請求項１に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項３】
前記雌部（１０；１１０）内に、または隣接して、複数の磁石（２２；１２２）が配置されることを特徴とする請求項２に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項４】
前記磁場手段が、前記雄部内に、または隣接して配置される少なくとも１つの磁石を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項５】
前記雄部内に、または隣接して、複数の磁石が配置されることを特徴とする請求項４に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項６】
前記雌部（１０；１１０）の前記溝（１２；１１２）と前記雄部（１４；１１４）の前記突出部（１６；１１６）が、Ｖ字形または実質的にＶ字形の横断面形状を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項７】
前記雌部の前記溝と前記雄部の前記突出部が、弧状の横断面形状を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項８】
前記雌部（１０；１１０）の前記溝（１２；１１２）および前記雄部（１４；１１４）の前記突出部（１６；１１６）の横断面形状が、合致または実質的に合致することを特徴とする請求項６または７に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項９】
前記雌部の前記溝と前記雄部の前記突出部の横断面形状は、使用時に、前記雌部の前記溝の端部において互いに接近することを特徴とする請求項６または７に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１０】
前記減衰装置の前記雄および雌部（１４、１０）が、直線状であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１１】
前記減衰装置の前記雄および雌部（１１４、１１０）が、連続的に円弧状であることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１２】
前記減衰装置の前記雄部および／または前記雌部が、エアロスタティックベアリングの一部として一体的に形成されたことを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１３】
前記雄部（１４；１１４）および／または前記雌部（１０；１１０）が、前記エアロスタティックデバイスの本体に取付可能であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１４】
前記エアロスタティックデバイスが、エアロスタティックスライダ（２８）であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１５】
前記エアロスタティックデバイスが、エアロスタティック回転テーブル（１３８）であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【請求項１６】
前記エアロスタティックデバイスが、エアロスタティックスピンドルであることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載のエアロスタティックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロスタティックデバイスの減衰装置に関し、より具体的には、ただし限定的ではなく、エアロスタティック直動スライダ、エアロスタティック回転テーブル、かつ／または、エアロスタティックスピンドルに関する。
【背景技術】
【０００２】
エアロスタティックスライダや回転テーブルは、極めて正確な直線または回転運動、あるいは位置決めを提供する超精密工作機械に用いられる。達成される精度は、転がり要素や油圧、または流体ベアリングを用いた同等のスライダやテーブルの比ではない。しかし、工作機械に設けられたサブシステムとしては、スライダやテーブルの静的なスティッフネスやダンピングの構造的特徴も重要である。これらのシステムでは、通常ベアリングのために広いスペースがあれば合理的な静的スティッフネスが達成される。しかし、ベアリングの寸法を大きくしても減衰係数が大きく向上することはなく、そしてエアロスタティックベアリングは、その低いダンピング特性で一般的に知られている。この短所は、しばしば、工作機械によって達成され得る表面処理や異物除去(material removal)率を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、エアロスタティックデバイスのダンピングを改善することを目的とする。
【０００４】
本発明によれば、超精密工作機械のためのエアロスタティックデバイスが提供され、このエアロスタティックデバイスは、鉛直方向を含む任意の角度で使用される減衰装置を備え、突出部を有する雄部と、この雄部を摺動自在に受容可能な溝を有する雌部と、磁場を与える手段を備え、磁場手段は雄部の突出部および／または雌部の溝に位置し、あるいはこれに隣接し、更に雄部の突出部と雌部の溝の間であって、磁場手段の磁場内にのみに介装される磁気オイルを備え、使用中の磁気オイルは磁場により適正な位置に、あるいは実質的に適正な位置に保持され、これにより雄部および／または雌部の望まれない運動が、突出部および／または溝からオイルが排除されることなくオイルによって減衰される。
【０００５】
本発明の第１の観点からのより好ましい特徴や随意的特徴は、請求項２〜１６において包括的に明らかにされる。
【０００６】
本発明は、添付された図面を参照して、以下単に例示的に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
まず図１には、直線エアロスタティックスライダの振動を減衰する減衰装置の第１実施形態が示される。減衰装置は雌部１０を備え（本実施形態では細長い直線レール）、雌部１０は、その一面に形成された（一般的には機械加工により形成される）雌部１０の長手方向の長さに沿って延在する溝１２を有する。本実施形態において、溝１２はＶ字形の横断面を有する。
【０００８】
減衰装置は、更に、突出部１６備え、本実施形態では細長い直線スライダとされた雄部１４を備え、突出部１６は雄部１４の長手方向の長さに沿って延在する。突出部１６は、Ｖ字形の横断面を有し、雌部１０のＶ字形の溝１２と合致、または実質的に合致する。
【０００９】
雌部１０は、２組の穴１８を備える。穴１８は、雌部１０の長手方向の長さに沿って延在するように溝１２と平行または実質的に平行に配列される。穴１８は、雌部１０の反対側の外側面にも形成される。穴１８内には、円板形状の永久磁石２２が配置される。反対側の磁石２２は、逆の極性を有し、各側面２０に設けられた磁石２２は、等間隔で配置され、これにより溝１２を横切る基本となる一様な磁場が形成される。
【００１０】
しかし、磁場を与える適切などのような方法を用いてもよく、例えば細長い形状の磁石、かつ／または、永久磁石または電磁石などを用いてもよい。代替的に、あるいは付加的に、１個の磁石、あるいは磁石の列を、溝１２の反対側である雌部１０のベース外側面２４に配置することもできる。
【００１１】
溝１２内には、フェローテックＲＴＭなどの磁気オイル２６が注入される。磁気オイル２６は、磁場が最も強いところに引き寄せられ、磁石２２の位置に対応して、Ｖ字形の溝１２の各側面に沿って油滴の列が形成する。磁石と磁気オイルの利用は、潤滑油が溝から押し出されてしまうことによる表面間の潤滑の定期的な取り替えや、潤滑液を自動的に補充するための手の込んだ高額な装置の装備を不要とする。
【００１２】
雄スライダ部１４は、突起部１６を溝１２内に挿入することにより雌部１０に嵌め合わせられる。突出部１６は、溝１２内の磁気オイルの上に乗り、突出部１６の表面と溝１２の表面の間には小さな隙間が保持される。振動による隙間の大きさの変化は、オイル２６にスクイーズフィルムダンピング力を発生させる。スクイーズフィルムダンピングの間、オイル２６は、磁石２２により与えられる磁力により溝１２から排除されない。
【００１３】
代替的あるいは付加的に、雄部１４に磁場手段を設けてもよいことが理解されるであろう。
【００１４】
図２には、エアロスタティックな蟻継スライダ２８を採用したエアロスタティックデバイスが示される。
【００１５】
本実施形態では、雌部１０はスライダ２８のベース３０に固定的に取り付けられ、雄部１４は、キャリッジ３２の下側に固定的に取り付けられる。雌部１０の溝１２は、スライダ２８のベース３０の全長に渡って延在する。雄部１４は、キャリッジ３２の全長に渡って延在することが好ましいが、複数の間隔を置いて配置された雄部１４を用いることも可能である。
【００１６】
必要であれば、雌部１０と雄部１４は、ベース３０やキャリッジ３２と一体的に形成されてもよいことは明らかである。
【００１７】
１つの減衰装置しか示されないが、複数の減衰装置を利用することも可能である。
【００１８】
雄スライダ部１４の突出部１６のＶ字形断面は、油膜の領域や位置を調整するために、その長さ方向の一部に渡って変形されてもよい。例えば、オイルがキャリッジの傾きをより効果的に減衰できるように、キャリッジの端に向かって油膜の量が大きくなることは有益であるかもしれない。
【００１９】
また、突出部１６と溝１２の間に形成される隙間が溝１２の長手方向端部に近づくにしたがって小さくなるように突出部１６と溝１２の横断面を形成することで、スクイーズフィルムダンピングが改善されることが分かっている。
【００２０】
図５は、エアロスタティックスライダ２８のキャリッジ３２の５つの固有振動モードを示す。２つの並進モードと、ピッチ、ロール、ヨーと呼ばれる３つの回転モードがある。減衰装置は、振動の５つのモード全てを効果的に減衰する。
【００２１】
図６は、減衰装置が取り付けられたとき、および取り付けられていないときのスライダ中央位置におけるキャリッジ３２の鉛直方向における動的フレキシビリティリスポンスの一例である。減衰装置がないときには、周波数３１５Ｈｚにおいて振動モードは、１．０μｍ／Ｎの動的フレキシビリティを示す。単一の減衰装置を取り付けたとき、この振動モードの共振周波数は、３８５Ｈｚに増大され、その動的フレキシビリティは僅か０．１４μｍ／Ｎにまで著しく低減される。これはスライダの動的スティッフネスが７倍に改善したことを示している。
【００２２】
減衰装置は、エアロスタティックスライダの５つの固有振動モードの全てにおいてフレキシビリティを低減する。水平および鉛直方向の並進運動における減衰能は、ギャップ、面積、オイル粘性、Ｖ字角度のパラメータによって規定され、スライダの静的なスティッフネスとキャリッジの重さに関係する。ヨーおよびピッチ振動モードにおける減衰は、雄スライダ部の長さに依存し、長さの延長は減衰を増大する。ロール振動モードにおける減衰は、減衰装置をキャリッジの中心線から離して搭載することにより達成される。
【００２３】
図３には、第２実施形態の減衰装置が示される。この減衰装置は、第１実施形態のものと類似し、同じ原理で動作する。したがって、同様の部品には同じ参照符号を用い、詳細な説明は省略される。
【００２４】
本実施形態では、雌部１１０と雄部１１４は、両方とも弧状無端であり、典型的には円環形状をなす。雌部１１０の溝１１２と突出部１１６は、上述されたように、両者とも、相補的あるいは実質的に相補的な横断面形状を有するＶ字形状とされる。
【００２５】
雌部１１０のラジアルな内側および外側表面１３４、１３６は、一定間隔で配置された穴１１８の組が設けられ、同様に磁石１２２が穴１１８に配置される。磁石１２２の極性は、上述した通りである。
【００２６】
磁気オイル１２６が、溝１１２に注入され、雄部１１４の突出部１１６の輪郭は、必要であれば、例えば粘性抵抗を低減するように、その長さ方向の一部に沿って同様に変形することもできる。
【００２７】
図４は、エアロスタティック回転テーブル１３８に固定的に取り付けられるか、あるいは一体的な部分として形成される第２実施形態の減衰装置を示す。使用時に振動を受けて溝１１２と突出部１１６の表面の間の隙間が僅かに接近するとスクイーズフィルムダンピング力が同様に発生する。
【００２８】
回転テーブル１３８もまた５つの固有振動モードを有する。すなわち鉛直方向、径方向Ｘ、径方向Ｙの３つの並進に関するものと、テーブルの中心を通る２つの直交する径方向軸周りの回転に関するものである。振動モードにおける減衰装置の減衰能は、ギャップ、面積、オイル粘性、Ｖ字角度のパラメータによって規定され、テーブルのスティッフネスと回転重量に関係する。傾斜における減衰は、更に減衰装置の直径に依存する。本実施形態では、減衰装置の直径は一般に、現実的に可能な最大の直径とされる。
【００２９】
上述の減衰装置がエアロスタティックデバイスの一部として一体的に形成されている場合、溝部１２、１１２と突出部１６、１１６は、単純にエアロスタティックデバイスの上あるいは内部に形成される。
【００３０】
他の形の溝や突出部を用いることも可能である。例えば半円形などの弧状の横断面を有する溝と、相補的あるいは実質的に相補的な弧状横断面を有する突出部は、磁気オイルをよりよく適正位置に保持しながらも優れた減衰を示すことが分かっている。
【００３１】
本実施形態では、単一の磁石あるいは磁石の列が、雌部のベース外側面上であって、溝の底面の反対側に直接、雌部の長手方向の長さに沿って配置されるだけである。
【００３２】
磁石と磁気オイルの使用により、減衰装置は鉛直方向を含むどのような角度でも利用可能である。更に、雌部を雄部の上に載置し、その上を浮かんでスライドする構成とすることも可能である。
【００３３】
この減衰装置は、エアロスタティックスピンドルを含めた如何なるエアロスタティックデバイスにも利用することが可能である。
【００３４】
これにより、エアロススタティックデバイスにおける減衰を劇的に向上することができる。この減衰装置は、取り扱いが簡単であり、製造に費用効果がある。この減衰装置は、エアロスタティックデバイスの製造工程に組み入れることが可能であり、あるいは既存のデバイスに遡及的に適用することが可能である。磁石と磁気オイルを使用することにより、持続的な潤滑に関する問題は簡単に解決する。
【００３５】
上述された本実施形態は、例として示されたもので、当業者であれば、添付された請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、更なる改良を行うことも容易である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に基づく、エアロスタティックデバイスにおける減衰装置の第１実施形態の分解斜視図である。
【図２】本発明に基づく、図１に示される減衰装置が組み入れられたエアロスタティック蟻継スライダの模式的な端面図である。
【図３】本発明に基づく、エアロスタティックデバイスにおける減衰装置の第２実施形態の分解斜視図である。
【図４】本発明の第２の観点に基づく、図３に示される減衰装置が組み入れられたエアロスタティック回転テーブルの使用時の模式的な鉛直断面図である。
【図５】図２に示される蟻継スライダの斜視図であり、減衰装置が減衰できるベースとキャリッジの間の相対的な運動の５つのタイプを示す。
【図６】図１の減衰装置を用いたときと（Ａとして参照される）、減衰装置を用いないとき（Ｂとして参照される）のエアロスタティックスライダの動的な応答を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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