(57)【要約】【課題】小型軽量で単純、加工および組立精度が低くて良く、隙間の変動に対し安定で、かつ安価な、スクイーズ空気膜圧特性に優れたスクイーズ空気軸受、および大がかりな付帯設備が不要で、小型で簡便な装置であり、高精度駆動および位置決めが可能な平面アクチュエータ装置を提供する。【解決手段】スクイーズ空気軸受は、振動子１により振動する振動面２１と対向する面のいずれかが外周部に凸部２２を設けるなど平面でなくすことにより、スクイーズ空気膜力特性を改善させる。平面アクチュエータ装置は、非接触軸受としてスクイーズ空気膜力特性に優れたスクイーズ空気軸受を備える。【選択図】図１
2008111447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動面が平面でないことを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項２】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動面に凹部および／または凸部を持たせたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項３】
前記振動面の外周部に凸部を持たせた請求項２記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項４】
前記振動面の外周部に凹部を持たせた請求項２記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項５】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動面が傾斜面を有し、前記対向させた平面との距離が連続的に変化する前記振動面していることを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項６】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有していることを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項７】
前記振動子が圧電素子または静電電極よりなる請求項１から６記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項８】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備えたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項９】
前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第２の平板とを備えたことを特徴とする請求項８記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項１０】
前記第２の平板は、前記第１の平板よりも剛性が高いことを特徴とする請求項８記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項１１】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動子の振動中心と第１および第２の平板の振動中心が同軸上にあることを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項１２】
前記第１および第２の平板の振動中心は、ケース重心および皿板の振動中心と一致することを特徴とする請求項１１記載のスクイーズ空気軸受。
【請求項１３】
対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、
少なくとも４つの前記スクイーズ空気軸受を前記平面アクチュエータの移動子の中心に対して軸対称に配置したことを特徴とする平面アクチュエータ装置。
【請求項１４】
前記スクイーズ空気軸受は、前記平面アクチュエータの移動子の側壁に配置されたことを特徴とする請求項１３記載の平面アクチュエータ装置。
【請求項１５】
前記スクイーズ空気軸受は、対向面に対して前記平面アクチュエータの移動子と同一面になるように配置されたことを特徴とする請求項１３記載の平面アクチュエータ装置。
【請求項１６】
対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、
前記スクイーズ空気軸受の振動面が平面でないことを特徴とする平面アクチュエータ装置。
【請求項１７】
振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、
前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備え、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第２の平板とを備え、前記第２の平板が鉄系金属で構成されたことを特徴とするスクイーズ空気軸受。
【請求項１８】
前記第１の平板がチタン合金、アルミ合金あるいはマグネシウム合金で構成されたことを特徴とする請求項１７記載のスクーズ空気軸受。
【請求項１９】
前記アルミ合金および前記チタン合金が超塑性合金で構成されたことを特徴とする請求項１８記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２０】
前記超塑性合金が、２２質量％のアルミニウムを含有する亜鉛合金、６質量％の銅と０．５質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、６質量％のアルミニウムと４質量％のバナジウムを含有するチタン合金のいずれかであることを特徴とする請求項１９記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２１】
前記第１の平板が、３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたことを特徴とする請求項１８記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２２】
前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するものであることを特徴とする請求項２１記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２３】
前記チタン合金は、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有することを特徴とする請求項２２記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２４】
前記第１の平板が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、引張強度７５０ＭＰａ以上である金属ガラスで構成されたことを特徴とする請求項１７記載のスクーズ空気軸受。
【請求項２５】
前記金属ガラスは、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有することを特徴とする請求項２４記載のスクーズ空気軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触の空気軸受、特にスクイーズ空気軸受およびそれを用いた平面アクチュエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触軸受には、例えば、磁気軸受、静圧空気軸受、動圧空気軸受などがある。磁気軸受は、永久磁石または電磁石の吸引力を利用し、回転軸を空間に支持する軸受であるが、永久磁石単体では成立しないため、永久磁石と電磁石の複合使用または電磁石の単体使用となり、電磁石制御のための位置センサ、その信号処理回路、電磁石のための増幅器などが必要となり、装置が複雑・大型・高価であった。静圧空気軸受は、圧縮空気をガイドに対して噴出させ、発生した静圧によって浮上させる軸受であるが、圧縮空気を供給するコンプレッサが必須となり、圧縮空気の配管が邪魔であった。動圧空気軸受は、軸の回転に伴って周辺の空気を軸受隙間へ誘いこみ、圧力を上昇させて回転軸を支持する軸受だが、圧縮空気は不要であるものの、軸の低速回転時や静止時には非接触支持機能を失ってしまう。これら非接触軸受は、超寿命、低騒音、高精度回転制御、メンテナンスフリーといった特徴がある。
【０００３】
スクイーズ空気軸受は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波の振動により発生するスクイーズ空気膜を利用し、非接触に支持させる軸受である。振動子として例えば圧電素子を採用することができるが、他には圧電素子を駆動するアンプが必要なだけで、磁気軸受と異なり装置は複雑にはならない。また、静圧空気軸受と異なりコンプレッサや圧縮空気の配管が不要で、動圧空気軸受と異なり、低速回転時や静止時にも非接触の支持機能を失わない（例えば、特許文献１参照）。
図８において、１０１は振動体、１０２は浮上体、１０３は隙間であり、振動体１０１と浮上体１０２の間の微少な隙間１０３に空気膜を形成し、非接触の支持機能を発生する。これは、気体が粘性を有するため、振動体１０１の振動周波数が高いと隙間１０３の空気膜の周辺部の空気の出入が拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になる。そのとき振動体１０１の周波数が高いと、浮上体１０２は慣性力のため追従できずほとんど振動しなくなり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、浮上体１０２が非接触に振動体１０１の上で支持される。
【０００４】
また、ラジアル方向とスラスト方向を同時にスクイーズ空気膜で支持しようとするスクイーズ空気軸受がある。
図９において、２０１は振動子、２０２は振動部、２０３は振動面、２０４は回転軸、２０５は隙間、２０６は固定部であり、振動子２０４が発生する振動で振動面２０３が高周波で振動させられると、隙間２０５内にスクイーズ空気膜が発生し、回転軸２０４が非接触に支持される。
【０００５】
スクイーズ空気膜力と永久磁石同士の反発力を複合利用した複合軸受がある。
図１０において、３０１は振動子、３０２は振動部、３０３は振動面、３０４は可動部、３０５は隙間、３０６と３０７は永久磁石であり、振動子３０１により振動面３０３を振動させると、振動面３０３と可動部３０４の間の隙間３０５内にスクイーズ空気膜が発生し、これによりスラスト方向に非接触に支持される。一方、永久磁石３０６と永久磁石３０７は、同極同士が対向しており、その反発力により可動部３０４をラジアル方向に非接触に支持される。
【０００６】
他に、板状の振動子をスラスト用振動体とし、これと回転体の端面やフランジ面との間にスクイーズ空気膜を形成させてスラスト軸受とし、ラジアル用振動体の円柱面または円柱内面と軸部との間でスクイーズ空気膜を形成してラジアル軸とした、構成が簡単で製作が容易なスクイーズ空気軸受が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
図１１において、４０１は振動子、４０２はスラスト用振動体、４０３はスラスト用隙間、４０４はラジアル用振動体、４０５はラジアル用隙間、４０６は回転軸であり、振動子４０１の振動により、スラスト用振動体４０２と回転体４０６との間のスラスト用隙間４０３内に生じるスクイーズ空気膜によってスラスト方向に、ラジアル用振動体４０４と回転軸４０６との間のラジアル用隙間４０５内に生じるスクイーズ空気膜によってラジアル方向に、回転体４０６が非接触に支持される。
【０００７】
また、回転軸の少なくとも一方の端面に球状の凹部または凸部を形成し、これと対向する振動子の振動面を凸部または凹部とすることにより、組立精度が厳しくなくても良く、部品点数も減らすことのできるスクイーズ空気軸受が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
図１２において、５０１が振動子、５０２が回転軸、５０３が凹部、５０４が隙間、５０５が固定部であり、振動子５０１を振動させると、振動子５０１と回転子の凹部５０３の間の隙間５０４内にスクイーズ空気膜が発生し、回転軸５０２をラジアルおよびスラスト方向に非接触に支持される。
【０００８】
従来の非接触軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、磁気軸受や空気軸受などを支持機構として用いることにより、振動や騒音が小さく、メカロスが極めて少なく、高精度な駆動と位置決めが可能であり、支持機構が長寿命となりメンテナンスが不要となる平面アクチュエータ装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
従来のスクイーズ空気軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、非接触軸受の長所を保持したまま大がかりな付帯設備が不要で小型かつ安定した平面アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【特許文献１】特開昭６２−２５５６１３号公報（第１−３頁、図１、図５、図６）
【特許文献２】特開平０１−２０３７１４号公報（第２−４頁、図２）
【特許文献３】特開平０２−１４２９１９号公報（第２−３頁、図２）
【特許文献４】特開昭５９−１１０３６６号公報（第１−２頁、図１）
【特許文献５】特開平０５−３２８７０２号公報（第２−３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のスクイーズ空気軸受は、その対向する面はスクイーズ空気膜の厚みが１０μｍ以下のオーダーと微小であることから、平面または円錐面をμｍオーダーの隙間を保つように高精度に仕上げる必要があるという問題点があった。
また、対向面が平面同士、または円筒状の凹凸面同士、または球状の凹凸面同士であり、その面間距離を一定とするため、両方の面の加工精度を高めなければならないという問題点があった。
また、円筒状の凹凸面同士、または球状の凹凸面同士の場合、平面上を自由に移動させるリニアモータや平面アクチュエータなどの軸受には用いられないという問題点があった。
【００１１】
従来の非接触軸受を用いた平面アクチュエータ装置は、付帯設備が大きく複雑となるという問題点があった。
また、浮上距離が短いため要求される機械加工、組立精度が高く、またその変動に対し敏感であるという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、振動子によって振動させる平面でない振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させることにより、スクイーズ空気膜力を高めたスクイーズ空気軸受、および大がかりな付帯設備が不要で、小型、簡便で高精度な平面アクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面が平面でないようにしたものである。
また、請求項２記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面に凹部および／または凸部を持たせたものである。
また、請求項３記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面の外周部に凸部を持たせたものである。
また、請求項４記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面の外周部に凹部を持たせたものである。
また、請求項５記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面が傾斜面を有し、前記対向させた平面との距離が連続的に変化しているものである。
また、請求項６記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有しているものである。
また、請求項７記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動子が圧電素子または静電電極よりなるものである。
また、請求項８記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備えたものである。
また、請求項９記載のスクイーズ空気軸受は、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第２の平板とを備えたものである。
また、請求項１０記載のスクイーズ空気軸受は、前記第２の平板は、前記第１の平板よりも剛性が高いものである。
また、請求項１１記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、  前記振動子の振動中心と第１および第２の平板の振動中心が同軸上にあるものである。
また、請求項１２記載のスクイーズ空気軸受は、前記第１および第の平板の振動中心は、ケース重心および皿板の振動中心と一致するものである。
また、請求項１３記載の平面アクチュエータ装置は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、少なくとも４つの前記スクイーズ空気軸受を前記平面アクチュエータの移動子の中心に対して軸対称に配置したものである。
また、請求項１４記載の平面アクチュエータ装置は、前記スクイーズ空気軸受は、前記平面アクチュエータの移動子の側壁に配置されたものである。
また、請求項１５記載の平面アクチュエータ装置は、前記スクイーズ空気軸受は、対向面に対して前記平面アクチュエータの移動子と同一面になるように配置されたものである。
また、請求項１６記載の平面アクチュエータ装置は、対向する二面間の相対的な垂直方向の高周波振動により発生するスクイーズ空気膜力を利用して非接触に支持させるスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置において、前記スクイーズ空気軸受の振動面が平面でないようにしたものである。
また、請求項１７記載のスクイーズ空気軸受は、振動子によって振動させる振動面と、それに微小な隙間を介して対向させた平面を具備し、スクイーズ空気膜力によって非接触に支持させるスクイーズ空気軸受において、前記振動子と前記振動面との間に、振動面振幅拡大機構を備え、前記振動面振幅拡大機構は、振動方向の一端がケースに固定され、もう一端が皿板に固定され前記振動子と、前記皿板が前記ケースに固定された第1の平板と、前記第1の平板に連結された第２の平板とを備え、前記第２の平板が鉄系金属で構成されたものである。
また、請求項１８記載のスクイーズ空気軸受は、前記第１の平板がチタン合金、アルミ合金あるいはマグネシウム合金で構成されたものである。
また、請求項１９記載のスクイーズ空気軸受は、前記アルミ合金およびチタン合金の平板が超塑性合金で構成されたものである。
また、請求項２０記載のスクイーズ空気軸受は、前記超塑性合金が、２２質量％のアルミニウムを含有する亜鉛合金、６質量％の銅と０．５質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、６質量％のアルミニウムと４質量％のバナジウムを含有するチタン合金のいずれかで構成されたものである。
また、請求項２１記載のスクイーズ空気軸受は、前記第１の平板が、３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたものである。
また、請求項２２記載のスクイーズ空気軸受は、前記チタン合金が、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するもので構成されたものである。
また、請求項２３記載のスクイーズ空気軸受は、前記チタン合金が、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有するもので構成されたものである。
また、請求項２４記載のスクイーズ空気軸受は、前記第１の平板が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、引張強度７５０ＭＰａ以上である金属ガラスで構成されたものである。
また、請求項２５記載のスクイーズ空気軸受は、前記金属ガラスが、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有するもので構成されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１のスクイーズ空気軸受によると、振動面を平面でなくすことにより、スクイーズ空気膜力を高めることができ、振動面および対抗する平面の加工および組立精度を下げることができ、隙間の変動に対し安定させることができる。
また、請求項２のスクイーズ空気軸受によると、振動面に凹部および／または凸部を持たせることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項３のスクイーズ空気軸受によると、振動面の外周部に凸部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間内に発生するスクイーズ空気膜にとって凸部が一種の抵抗となるので、その密閉効果がより強められることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項４のスクイーズ空気軸受によると、振動面の外周部に凹部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間内に発生するスクイーズ空気膜にとって凹部が乱流の発生源となって一種のエアカーテンの役割を果たし、その密閉効果がより強められることにより、スクイーズ空気膜力を高めることができる。
また、請求項５のスクイーズ空気軸受によると、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
また、請求項６のスクイーズ空気軸受によると、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
また、請求項７のスクイーズ空気軸受によると、小型軽量で単純、かつ安価なものにすることができる。
また、請求項８から１２のスクイーズ空気軸受によると、振幅拡大機構を設けることにより負荷剛性が上がり、スクイーズ空気膜力を大きくすることができる。
また、請求項１３から１６の平面アクチュエータ装置によると、大がかりな付帯設備が不要で、小型、簡便で高精度駆動および位置決めが可能にできる。
また、請求項１７および１８のスクイーズ空気軸受によると、平板の部材は、高剛性かつ軽量であるのであることから機械特性を向上でき、共振周波数を容易に高くすることができるとともに、精密加工も容易で安価であるため装置を高精度かつ安価に構成することができる。
また、請求項１９ないし請求項２５のスクイーズ空気軸受によると、第１の平板が低弾性かつ高強度となり、寿命を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２２は断面形状が半円の凸部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面の外周部の隙間が狭くなっている部分である。すなわち、図１に示したように、振動子１により振動させられる断面形状が半円の凸部２２を有する振動面２１と隙間４を介して対向する平面３により構成される。ここで、振動子１の振動周波数が高いと、隙間４中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面２１の外周部の凸部２２が空気の流れに対し一種の抵抗となり、隙間４中の空気の移動がより制約され、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。外周部の凸部２２によりスクイーズ空気膜力が高められるので、振動面２１および対抗する平面３の加工および組立精度を下げることができ、また、隙間４の変動に対しても安定になった。
【実施例２】
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態２におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２３は断面形状が矩形の凸部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
図２に示したように、振動面２１の外周部に断面形状が矩形の凸部を持たせたときも、実施例１と同様の効果が得られた。すなわち、本発明は、振動面の外周部に隙間中の空気の移動を妨げる効果をもたらす凸部があれば良く、本発明は凸部の形状には限定されない。
【実施例３】
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態３におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２４は断面形状が半円の凹部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面の外周部の隙間が広くなっている部分である。すなわち、図３に示したように、振動子１により振動させられる断面形状が半円の凹部２４を有する振動面２１と隙間４を介して対向する平面３により構成される。ここで、振動子１の振動周波数が高いと、隙間４中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面２１の外周部の凹部２４により隙間４中の空気の流れが乱流となり、空気の流れに対し一種のエアカーテンの役割を果たし、隙間４中の空気の移動がより制約され、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。
【実施例４】
【００１９】
図４は、本発明の実施の形態４におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２５は断面形状が矩形の凹部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
図４に示したように、振動面２１の外周部に断面形状が矩形の凹部を持たせたときも、実施例３と同様の効果が得られた。すなわち、本発明は、振動面の外周部に隙間で乱流を発生させ空気の移動を妨げる効果をもたらす凹部があれば良く、本発明は凹部の形状には限定されない。
【００２０】
以上、実施例１から４において、振動面の外周部に凹部または凸部を備えたときの例を示したが、凹部と凸部の両方を備えた場合でも、本発明は有効である。また、凹部または凸部が振動面の最外周部である場合と、凹部または凸部の外側に空間がある場合が考えられるが、本発明においては本質的なことではなく、どちらでも良い。
【実施例５】
【００２１】
図５および図６は、本発明の実施の形態５におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２６はテーパ部、２７は逆テーパ部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面にテーパ部または逆テーパ部を持たせることにより、対向する平面との間の隙間に変化を持たせた部分である。すなわち、図５に示したように、振動子１により振動させられるテーパ部２６または逆テーパ部２７を有する振動面２１と隙間４を介して対向する平面３により構成される。ここで、振動子１の振動周波数が高いと、隙間４中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面２１のテーパ部２６または逆テーパ部２７によって、振動面内のスクイーズ空気膜力による正圧に分布ができることから、その位置を保持するような力を発生させることにより精密位置決めに優れた特性を持たせたり、その位置から動き出そうとする力を発生させることにより運動特性に優れた特性を持たせることができる。
【実施例６】
【００２２】
図７は、本発明の実施の形態６におけるスクイーズ空気軸受の断面図である。ここで、１は振動子、２１は振動面、２８は溝部、３は対向する平面、４は振動面２１と対向する平面３の間の隙間である。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、振動面に溝を有していることである。すなわち、図７に示したように、振動子１により振動させられる振動面の面積比で半分以上の部分に複数個の溝を有する振動面２１と隙間４を介して対向する平面３により構成される。ここで、振動子１の振動周波数が高いと、隙間４中の空気は粘性を有するので周辺の空気の出入りは拘束され、あたかも密閉した圧縮性流体に高周波の体積変化を起こさせたと同様になり、変位に対する圧力発生が非線形となり、平均的に正圧が得られ、非接触に支持される。本発明では、振動面２１の溝部２８が空気の流れに対し一種の抵抗となり、隙間４中の空気の移動がより制約され密閉性が強まり、スクイーズ空気膜力が高められ、非接触空気軸受としての性能がより高くなる。
【００２３】
以上の本発明の実施の形態の説明では、振動子１に圧電素子または静電電極を用いた例を説明したが、本発明における振動子１は振動面２１を振動させることができれば良く、その種類や方式に限定されるものではない。
【実施例７】
【００２４】
図８は、本発明のスクイーズ空気軸受の側断面図である。図において、６０１は圧電素子、６０２は皿板、６０３と６０４はディスク、６０５はケース、６０６は負荷、６０７は固定ねじ、６０８はキャップボルト、６０９は対向面、６１０は振動面である。圧電素子６０１に振幅数十ボルト、周期数ｋHzの電圧を入力すると、圧電素子６０１は電圧に比例して変位する。この変位は圧電素子６０１と接触する皿板６０２を変位させる。皿板６０２の変位が、皿板６０２と接触するディスク６０３を変位させる。ディスク６０３はケース６０５と固定ねじ６０７で結合されているので、図８中のA１点では変位０であり、A２点では圧電素子６０１と同変位量になる。このディスク６０３は薄板もしくは、剛性が低いものとすると、図８中のB1点では変位０に対して、キャップボルト６０８では、式（１）の関係で変位が拡大する。
【００２５】
【数１】
2008111447.tif 000003
ここで、ｄ１はA2点での垂直方向の変位量、ｄ２はB2点での垂直方向の変位量、AはA1点からA2点までの距離、BはB1点からB2点までの距離である。
【００２６】
ディスク６０３のみでも、式（１）よりB2点での垂直方向の変位量が拡大できるが、広い範囲で変位量を拡大するために、ディスク６０３とディスク６０４とをキャップボルト６０８で固定する。ディスク６０４はディスク６０３とは異なり、剛性が高い材料を使用する。より具体的にはディスク６０４はＳ４５Ｃをはじめとする各種炭素鋼、およびＳＵＳ３０４をはじめとする各種ステンレス鋼などの鉄系金属材料を使用した。また、ディスク６０３はＡ２０１７をはじめとするアルミ合金、ＡＺ８０をはじめとするマグネシウム合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖをはじめとするチタン合金を使用した。さらに、Ｔｉ−３５Ｎｂ−１０Ｖ−０．３５Ｏ、Ｔｉ−４０Ｎｂ−６Ｖ−４Ｔａ−０．２８Ｏ、Ｔｉ−２０Ｎｂ−５Ｖ−１０Ｔａ−５Ｚｒ−５Ｈｆ−０．２９Ｏ、Ｔｉ−３５Ｎｂ−５Ｔａ−３Ｓｃ−０．２７Ｏといったチタン合金や超塑性加工を施したＺｎ−２２Ａｌ、Ａｌ−６Ｃｕ―０．５ＺｒおよびＺｒ−３０Ｃｕ−１０Ａｌ−５ＮｉやＮｉ−２０Ｎｂ−１０Ｔｉ−８Ｚｒ−６Ｃｏ−３Ｃｕといった金属ガラスを使用した。ディスク６０４の上面である振動面６０９と負荷６０６の下面である対向面６１０の間にスクイーズ膜が発生し、負荷６０６を浮上させるものである。
【００２７】
図９は、図８を逆さまにした側断面図であり、スクイーズ空気軸受が、固定端である対向面６０９に対して浮上することを表している。よってディスク６０４の下面は、振動面６１０である。振幅拡大については、実施例１と同じであるため、説明を省略する。ここでは、スクイーズ効果を利用した動圧形空気振動面の浮上原理を説明する。本説明については、非特許文献を引用して説明する。スクイーズ効果を利用した動圧形空気振動面の運動方程式は式（２）で表せる。
【００２８】
【数２】
2008111447.tif 000004
ここで、式（２）、（３）の変数は、ａ０：圧電素子の振幅、ｈ：空気膜厚、ｍ：振動面の質量、Ｍ：負荷質量、ｐ０：周囲圧力、ｐ：スクイーズ膜圧力、ｒ：振動面の半径方向座標、ｒ０：振動面半径、ω：圧電素子加振加速度を表す。
【００２９】
式（２）の左辺は圧電素子変位を変数とする運動方程式を表しており、式（２）の右辺は圧力に関する運動方程式である。振動面が時間変化する場合に力が発生し、この力が圧力変化の式と等価になるため、スクイーズ膜圧力により振動面が浮上する。圧力は単位面積あたりの力として表せるので、圧電素子の変位が、振動面と対向面との間に圧力変化を生じると解釈できる。本発明では、振幅拡大機構を使って、振動面の変位を拡大している。これを式（２）の左辺に当てはめると左辺は、振幅拡大機構がない場合よりも力が増える。この増えた力は、式（２）の右辺と釣り合う必要があり、振動面の面積は増えないので、積分内の圧力が増加する。周囲圧力は変わらないので、スクイーズ膜圧力が増大する。このスクイーズ膜圧力が増大することにより浮上剛性が向上できるので、従来、浮上させることが困難であった負荷でも振幅拡大機構を備えることにより、浮上させることができる。なお、ディスク６０３はＡ２０１７をはじめとするアルミ合金、ＡＺ８０をはじめとするマグネシウム合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖをはじめとするチタン合金で構成した場合はスクイーズ空気軸受の作製が安価にできた。一方、Ｔｉ−３５Ｎｂ−１０Ｖ−０．３５Ｏ、Ｔｉ−４０Ｎｂ−６Ｖ−４Ｔａ−０．２８Ｏ、Ｔｉ−２０Ｎｂ−５Ｖ−１０Ｔａ−５Ｚｒ−５Ｈｆ−０．２９Ｏ、Ｔｉ−３５Ｎｂ−５Ｔａ−３Ｓｃ−０．２７Ｏといったチタン合金や超塑性加工を施したＺｎ−２２Ａｌ、Ａｌ−６Ｃｕ―０．５ＺｒおよびＺｒ−３０Ｃｕ−１０Ａｌ−５ＮｉやＮｉ−２０Ｎｂ−１０Ｔｉ−８Ｚｒ−６Ｃｏ−３Ｃｕといった金属ガラス構成した場合は、Ａ２０１７をはじめとするアルミ合金、ＡＺ８０をはじめとするマグネシウム合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖをはじめとするチタン合金で構成した場合よりも使用時の寿命が２倍以上に向上した。
【実施例８】
【００３０】
実施例１から７にて説明したスクイーズ空気軸受を、平面アクチュエータ装置の非接触軸受とした。図１０にスクイーズ空気軸受を備えた平面アクチュエータ装置の上面図および側面図を示す。
本発明が特許文献４と異なる部分は、備えた非接触軸受がスクイーズ空気軸受である部分である。また、本発明が特許文献５と異なる部分は、備えた非接触軸受であるスクイーズ空気軸受の振動子により振動する振動面と対向する面のいずれかが平面ではなく、スクイーズ空気膜力特性を改善した部分と振幅拡大機構を備えてスクイーズ空気膜力特性を改善した部分である。すなわち、非接触軸受としてスクイーズ空気軸受を用いたことにより、大がかりな付帯設備が不要で、小型で簡便な装置とでき、高精度駆動および位置決めが可能になった。
図１０において、７０１は可動子、７０２は実施例２のスクイーズ空気軸受のユニット、７０３は振動面、７０４は対向面である。可動子７０１には、可動子７０１の各側壁にユニット７０２が対向するように４個結合し、対向面７０４に対して可動子７０１と同一面になるように配置されている。この４このユニット７０２により、可動子７０１とユニット７０２を浮上させる。この可動子７０１は例えば平面アクチュエータ装置とすると可動子７０１には、位置決め用の変位センサが振動面７０３側に取り付けてある。また、固定子及びガラススケールが対向面７０４側に取り付けてある。浮上剛性が足りない場合には、ユニット７０２を追加して、可動子７０１の側面に取り付けることができる。
【００３１】
以上の本発明の実施の形態の説明では、平面アクチュエータ装置を例に説明したが、リニアモータでも有効であることは言うまでもなく、スクイーズ空気軸受を適用する装置に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のスクイーズ空気軸受は、小型軽量で単純、加工および組立精度が低くて良く、隙間の変動に対し安定で、かつ安価であり、スクイーズ空気膜圧特性に優れていることから、非接触軸受を用いる平面アクチュエータ装置やリニアモータなどに代表される各種アクチュエータ装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図２】本発明の第２実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図３】本発明の第３実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図４】本発明の第４実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図５】本発明の第５実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図６】本発明の第５実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図７】本発明の第６実施例を示すスクイーズ空気軸受の断面図
【図８】本発明の第７実施例を示すスクイーズ空気軸受の側断面図
【図９】本発明の第８実施例を示すスクイーズ空気軸受の側断面図
【図１０】本発明の平面アクチュエータ装置の上面図および側面図
【図１１】従来技術によるスクイーズ空気軸受の断面図
【図１２】従来技術によるスクイーズ空気軸受の断面図
【図１３】従来技術によるスクイーズ空気軸受の断面図
【図１４】従来技術によるスクイーズ空気軸受の断面図
【図１５】従来技術によるスクイーズ空気軸受の断面図
【符号の説明】
【００３４】
１  振動子
２１  振動面
２２  凸部
２３  凸部
２４  凹部
２５  凹部
２６  テーパ部
２７  逆テーパ部
２８  溝部
３  対向する平面
４  隙間
１０１  振動体
１０２  浮上体
１０３  隙間
２０１、３０１、４０１、５０１  振動子
２０２、３０２  振動部
２０３、３０３  振動面
２０４、４０６、５０２  回転軸
２０５、３０５、５０４  隙間
２０６、５０５  固定部
３０４  可動部
３０６、３０７  永久磁石
４０２  スラスト用振動体
４０３  スラスト用隙間
４０４  ラジアル用振動体
４０５  ラジアル用隙間
５０３  凹部
６０１  圧電素子
６０２  皿板
６０３、６０４  ディスク
６０５  ケース
６０６  負荷
６０７  固定ねじ
６０８  キャップボルト
６０９，７０４  対向面
６１０、７０３  振動面
７０１  可動子
７０２  ユニット
【図１】
2008111447.tif 000005
【図２】
2008111447.tif 000006
【図３】
2008111447.tif 000007
【図４】
2008111447.tif 000008
【図５】
2008111447.tif 000009
【図６】
2008111447.tif 000010
【図７】
2008111447.tif 000011
【図８】
2008111447.tif 000012
【図９】
2008111447.tif 000013
【図１０】
2008111447.tif 000014
【図１１】
2008111447.tif 000015
【図１２】
2008111447.tif 000016
【図１３】
2008111447.tif 000017
【図１４】
2008111447.tif 000018
【図１５】
2008111447.tif 000019