(57)【要約】【課題】  コンプレッサ等の周辺装置と配管を用いることなく２つの部材の間に浮上力又は吸着力を発生させ、あるいは、さらにその力の強弱を自在に制御することができる装置を提供することを目的とする。【解決手段】  この装置１０は、第１の部材１２と、第１の部材１２と対向する第２の部材１４と、第１の部材１２と第２の部材１４の少なくとも一方に設けられ、一方の部材の表面に進行波を発生させるアクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・とを備えている。そして、アクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・によって一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させることで、第１の部材１２の第２の部材１４に対向する面１２ａに進行波を発生させて第１の部材１２と第２の部材１４との間に介在する流体に内側（又は外側）へ向かう力１６を与えることで、第１の部材１２と第２の部材１４との間に浮上力又は吸着力を発生させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、
第１の部材と対向する第２の部材と、
第１の部材と第２の部材の少なくとも一方に設けられ、一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させるアクチュエータと、を備え、
アクチュエータによって一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間の流体に力を及ぼして、第１の部材と第２の部材との間に浮上力又は吸着力を発生させることを特徴とする浮上・吸着力発生装置。
【請求項２】
第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に外側から内側に向かって進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間に浮上力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の浮上・吸着力発生装置。
【請求項３】
第１の部材と第２の部材の中央部では、アクチュエータによって発生した進行波が吸収されることを特徴とする請求項２に記載の浮上・吸着力発生装置。
【請求項４】
第１の部材と第２の部材との間に発生する浮上力によって第１の部材に対して第２の部材を非接触で支持することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の浮上・吸着力発生装置。
【請求項５】
第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に内側から外側に向かって進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間に吸着力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の浮上・吸着力発生装置。
【請求項６】
第１の部材に対して第２の部材の表面に進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間の流体に力を及ぼして、第１の部材と第２の部材との間に浮上力又は吸着力を発生させることを特徴とする浮上・吸着力発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行波を利用して２つの部材間に浮上力又は吸着力を発生させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの機械は２以上の部材が組合わされて構成されている。組合わされた２つの部材の一方を他方に対して相対運動（例えば、回転運動、スライド運動）させる場合に、両部材間に作用する摩擦力が大きいと、精密な位置決めや送り動作が困難となり、また、両部材の摺動面の磨耗や、摩擦熱による焼きつき等の問題が生じる。一方、相対運動が可能な２部材の一方を他方に対して所定の位置で位置決めした後に、両部材間に作用する摩擦力が小さすぎると、小さな外力によって両部材の位置関係が崩れてしまう。このため、摩擦力を極めて小さくして滑らかな移動や回転を実現する各種軸受、逆に摩擦力を大きくしてクランプする装置の開発が行われてきた。また、精密な機械要素では案内面の持つ幾何学的誤差や外力による誤差運動を補正する装置の開発が行われてきた。
【０００３】
２つの部材の間に作用する摩擦力を制御する装置としては、例えば、一方の部材（軸受）に対して他方の部材（軸）を非接触で支持し、２つの部材の間に作用する摩擦力を小さくする軸受装置が知られている。この種の軸受装置としては、静圧軸受装置（例えば、非特許文献１）、動圧軸受装置（例えば、非特許文献２）、スクイーズ膜軸受装置（例えば、非特許文献３）等が開発されている。
静圧軸受装置では、軸受（一方の部材）と軸（他方の部材）の隙間に圧縮した流体（例えば、空気、油等）を供給し、その圧力によって軸を非接触で支持する。この静圧軸受装置では、軸受と軸の隙間に圧縮した流体を供給するための周辺装置（例えば、コンプレッサ等）を必要とするため、装置が大掛かりで高価なものとなってしまう。また、移動するテーブル等に長い配管を設置する必要がある上、運動の妨げとなる場合もある。
動圧軸受装置では、軸受又は軸が運動する際に、その間に挟まれた流体が軸の回転につられて狭い隙間へと運ばれるくさび効果によって圧力が発生し、その圧力によって軸を非接触で支持する。この動圧軸受装置では、軸の回転速度が小さくなると、くさび効果によって発生する圧力が低下し、軸と軸受とが接触してしまう。
また、スクイーズ膜軸受装置では、圧縮性のある流体膜に支持方向の振動を与え、そのスクイーズ膜効果による圧力によって軸を非接触で支持する。このスクイーズ膜軸受装置では、スクイーズ膜効果によって得られる圧力が低いため、充分な負荷容量と剛性を得ることができない。
上述したことから明らかなように、従来の技術では、実用的に摩擦力が極めて小さな軸受を実現するためには、コンプレッサ等の周辺装置を用いて配管を設置しなければならず、さらに誤差運動を補正したり位置決め後のクランプを行うためには追加の装置を必要とするなどの問題があった。
【非特許文献１】青山藤詞郎、「静圧軸受−設計と応用」、工業調査会（１９９０）
【非特許文献２】十合晋一、「気体軸受−設計から製作まで」、共立出版株式会社（１９８４）
【非特許文献３】吉本成香、阿武芳郎、「圧電素子を用いた動圧形スクイーズ空気案内面」、トライポロジスト（１９９１年７月）、ｐ．５４３−５４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、コンプレッサ等の周辺装置を用いることなく２つの部材の間に作用する摩擦力を極めて小さくすること、さらには浮上力から逆に吸着力を発生するまでの広範囲において２つの部材の間に作用する力を自在に制御することができる技術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】
【０００５】
本発明では、２つの部材の少なくとも一方の部材の表面に進行波を発生させることで、２つの部材の間に作用する摩擦力を自在に制御することを可能とする。すなわち、本発明の装置は、第１の部材と、この第１の部材と対向する第２の部材と、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方に設けられ、一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させるアクチュエータと、を備える。そして、アクチュエータによって一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間の流体に力を及ぼして、第１の部材と第２の部材との間に浮上力又は吸着力を発生させる。
この装置では、アクチュエータによって一方の部材に対して他方の部材の表面に進行波を発生させ、それによって２つの部材の間に浮上力又は吸着力を発生させる。２つの部材の間に浮上力が発生すると、両者の間に作用する摩擦力が極めて小さくなる。また、２つの部材の間に吸着力が発生すると、両者の間に作用する摩擦力が大きくなる。
この装置では、２つの部材の少なくとも一方にアクチュエータを設けるだけでよいので、コンプレッサ等の周辺装置や配管が不要となる。また、進行波によって発生する浮上力又は吸着力は、振動の強弱や周波数によって制御することができる。したがって、この装置によると、コンプレッサ等の周辺装置や配管を用いることなく、２つの部材間に作用する摩擦力を極めて小さくすることができ、また、２つの部材間に作用する摩擦力を大きくして一方の部材に他方の部材をクランプすることができ、さらに、浮上力を制御して誤差運動を補正することが可能となる。
【０００６】
上記の装置においては、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に外側から内側に向かって進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間に浮上力を発生させることができる。すなわち、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に、外側から内側に向かって進行波が発生すると、第１の部材と第２の部材の中央において流体の圧力が上昇し、第１の部材と第２の部材との間に浮上力が発生する。
【０００７】
第１の部材と第２の部材の間に浮上力を発生させる場合、第１の部材と第２の部材の中央部では、アクチュエータによって発生した進行波が吸収されることが好ましい。このような構成によると、外側から内側に向かう進行波が中央部で反射することが防止され、２つの部材間に浮上力を効果的に発生させることができる。
上記の装置は、第１の部材と第２の部材との間に発生する浮上力によって第１の部材に対して第２の部材を非接触で支持する支持装置（例えば、回転軸受装置や対向型、重力バランス型の直動案内装置）に応用することができる。
【０００８】
あるいは、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に内側から外側に向かって進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間に吸着力を発生させることができる。すなわち、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方の部材の表面に内側から外側に向かって進行波が発生すると、第１の部材と第２の部材の間から流体が排出され（中央部が負圧となり）、２つの部材の間に吸着力が発生する。
【０００９】
また、本発明は、第１の部材と第２の部材との間に浮上力又は吸着力を発生させる新規な方法を提供する。すなわち、本発明の方法は、第１の部材に対して第２の部材の表面に進行波を発生させることで第１の部材と第２の部材との間の流体に力を及ぼして、第１の部材と第２の部材との間に浮上力又は吸着力を発生させることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る進行波を利用した浮上・吸着力発生装置の原理について図５を参照して説明する。図５は進行波によって２つの部材１２，１４間に浮上力が発生している状態を模式的に示している。
図５に示すように、本実施形態の浮上・吸着力発生装置１０は、第１部材（例えば、軸受）１２と、第２部材（例えば、軸や案内面）１４を備えている。第２部材１４は案内面１４ａを有している。図５に示す場合、案内面１４ａは滑らかな平面であり、その形状は変化しないようになっている。
第１部材１２は、板状の部材（例えば、円板、方形板等）であり、第２部材１４と対向する位置に配されている。第１部材１２は軸受面１２ａ（例えば、平面、円筒面、球面、円錐面等）を有し、軸受面１２ａは同じ面形状を有する案内面１４ａと対向している。第１部材１２は、複数のアクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・を備えている。複数のアクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・は、第１部材１２の中心から周方向に所定の間隔で複数配置されると共に、半径方向に所定の間隔で複数配置されている（すなわち、アクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・は第１部材１２の中心から放射状に配置されている）。
【００１１】
アクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・を駆動すると、軸受面１２ａの形状が変化し、軸受面１２ａの外周部から中心部に向かって進行波を発生させることができる。すなわち、軸受面１２ａと案内面１４ａとの間の体積変化に伴って、流体が外周部から中心部に向かって力を受ける。これによって、軸受面１２ａの中心部の圧力が高くなり、第１部材１２と第２部材１４との間に浮上力が発生し、第２部材１４から第１部材１２が浮上する。これにより、第１部材１２と第２部材１４との間に作用する摩擦力を極めて小さくすることができる。
【００１２】
なお、第１部材１２の浮上量が大きくなると、軸受面１２ａと案内面１４ａの隙間が大きくなるため、軸受面１２ａと案内面１４ａの間から流体が流出し易くなる。このため、軸受面１２ａと案内面１４ａの間の流体の圧力が低下して浮上量は小さくなる。したがって、流体圧力と流体流出量とがバランスする位置で第１部材１２の浮上量が決まることとなる。
また、第１部材１２に上方から下方に向かって負荷が作用すると、軸受面１２ａと案内面１４ａの隙間が小さくなるため、軸受面１２ａと案内面１４ａの間から流体が流出し難くなる。このため、軸受面１２ａと案内面１４ａの間の流体の圧力が上昇して、第１部材１２を支持する力が増大する。すなわち軸受として必要な復元力を有している。
さらに、第１部材１２の偏心した位置に負荷が作用する場合に、大きな負荷が作用する側では、軸受面１２ａと案内面１４ａの隙間が小さくなり、軸受面１２ａに作用する流体の圧力が高くなる。一方、小さな負荷が作用する側では、軸受面１２ａと案内面１４ａの隙間が開き、軸受面１２ａと案内面１４ａの間から流体が流出し易くなって、軸受面１２ａに作用する流体の圧力が低くなる。流体には粘性抵抗が存在し、高圧側から低圧側へ移動することは容易ではないため、第１部材１２の偏心した位置に負荷が作用しても、第１部材１２は第２部材１４上に非接触の状態で維持されることとなる（すなわち、耐モーメント性を有している）。
【００１３】
また、アクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・を駆動して、軸受面１２ａの中心部から外周部に向かって進行波を発生させることができる。すなわち、軸受面１２ａと案内面１４ａとの間の体積変化に伴って、流体が中心部から外周部に搬送されるようにする。これによって、軸受面１２ａと案内面１４ａとの間の流体が排出され、第１部材１２が第２部材１４に吸着されることとなる(両者の間に吸着力が発生する)。これによって、第１部材１２と第２部材１４との間に作用する摩擦力を極めて大きくすることができる。
【００１４】
ここで、軸受面の表面に進行波を発生させる方法について、簡単に説明しておく。図６は強制振動によって進行波を発生させる方法を模式的に示す図である。図６では案内面２０ａに対向して金属板２２が配されている。金属板２２には等間隔Ｌで３つの圧電素子（図示しない）が配置され、圧電素子によって金属板２２が強制的に変位させられる。ここで、各圧電素子が等位相差αで駆動されると（例えば、ｓｉｎ（θ＋α）、ｓｉｎθ、ｓｉｎ（θ−α）のそれぞれで駆動されると）、軸受面２２ａに位相進み側から位相遅れ側に向かう進行波が発生する。
したがって、上述した実施形態において、軸受面１２ａに進行波を発生させ、流体駆動力を得るためには、例えば、第１部材１２の周方向及び半径方向に等距離Ｌで３つの圧電素子を配置する。そして、軸受面１２ａと案内面１４ａの間に浮上力を発生させる場合は、外周側から中心に向かって位相進み振動、位相零振動、位相遅れ振動をさせることで、外周側から中心に向かう進行波を発生させる。一方、軸受面１２ａと案内面１４ａの間に吸着力を発生させる場合は、中心から外周に向かって位相進み振動、位相零振動、位相遅れ振動をさせることで、中心から外周に向かう進行波を発生させる。
【００１５】
なお、進行波を発生させる方法は、上述した強制振動による方法に限られず、例えば、共振現象を利用して進行波を発生させることもできる。共振現象を利用して第１部材１２の外周から中心に向かって進行波を発生させる場合、第１部材１２の外周に振動子（例えば、ボルト締めランジュバン型振動子）によって振動を発生させる。この際、第１部材１２は放射線状に波が伝播するように共振設計をしておく。第１部材１２の中央又は中心側にも振動子（例えば、ボルト締めランジュバン型振動子）を配置し、伝播してきた進行波を電気エネルギ等に変換して負荷抵抗等によって消費、あるいは、中央又は中心側の振動子によって伝播してきた進行波を打ち消す。このような方法によっても、第１部材１２の外周から中心に向かう進行波を発生させることができる。なお、第１部材１２の中心から外周に向かう進行波を発生させる場合は、中央又は中心側の振動子で振動を発生させ、外周側の振動子で伝播してきた進行波を吸収するようにすればよい。
【００１６】
上記の浮上・吸着力発生装置１０は、アクチュエータ１８ａ，１８ｂ・・を駆動することで軸受面１２ａの表面に進行波を発生させるため、コンプレッサ等の周辺装置によって軸受面１２ａと案内面１４ａの間に流体を供給する必要がない。
また、第１部材１２と第２部材１４が静止している状態でも進行波を発生させることができ、第１部材１２と第２部材１４との間に浮上力又は吸着力を発生させることができる。
また、第１部材１２と第２部材１４との間に作用する浮上力又は吸着力は、進行波の振幅及び／又は周波数によって変化する（すなわち、進行波によって搬送されようとする流体の単位時間当りの体積によって変化する）。したがって、進行波の振幅及び／又は周波数を制御することで、第１部材１２と第２部材１４との間に作用する浮上力又は吸着力を任意に制御することができる。このため、用途に応じて適切な浮上力又は吸着力に調節することができる。
【００１７】
なお、上述した実施形態では、第２部材１４の案内面１４ａの形状が変化しないようにしたが、案内面１４ａを第１部材１２の軸受面１２ａの振動に応じて振動させるようにしてもよい。これによって、軸受面１２ａに対する案内面１４ａの振動の振幅を大きくでき、より大きな浮上力又は吸着力を発生させることができる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下に説明する実施例は、平坦な案内面（上述した実施形態において第２部材１４に相当する）に対して浮上・吸着する軸受（上述した実施形態において第１部材１２に相当する）に本発明を適用した例である。図１は本実施例の軸受の縦断面図であり、図２は図１のII−II線断面図である。図１，２に示すように、本実施例の軸受３０は、下板３２と、上板４８を備えている。
下板３２は、円板状の薄板であり、その下面が軸受面３２ａとなっている。下板３２には、例えば、アルミニウム製の薄板を用いることができる。アルミニウム製の薄板は、加工性に優れると共に軽量化でき、さらに、軸受面３２ａを効率よく強制的に変位させることができるためである。なお、下板３２の軸受面３２ａは、高い平坦度を有することが好ましい。このため、軸受３０の組立て後に軸受面３２ａにダイヤモンド切削等を施して、その平坦度を上げるようにしてもよい。
【００１９】
下板３２の上面には、同心状に３枚のリング板４２，４４，４６が固定されている。リング板４２，４４，４６は、下板３２の軸受面３２ａに与える周方向の強制変位のばらつきを抑えるために配されている（すなわち、周方向に均一に振動させるために配されている）。３枚のリング板４２，４４，４６にもアルミニウム製の薄板を用いることができ、下板３２と一体構造とすることもできる。
【００２０】
リング板４２上には周方向に６０°間隔で圧電素子３４が配され、リング板４４上には周方向に６０°間隔で圧電素子３６が配され、リング板４６上には周方向に６０°間隔で圧電素子３８が配されている（ただし、図では一部の圧電素子にのみ番号を付している）。したがって、下板３２の上面には、１８個の圧電素子３４，３６，３８が配されており、これらの圧電素子３４，３６，３８は下板３２の上面に放射状に配置されている。
圧電素子３４，３６，３８には積層型圧電素子を用いることができる。積層型圧電素子としては、例えば、ＴＯＫＩＮ社製（ＡＥ１０１０Ｄ１６）を用いることができる。圧電素子３４，３６，３８に電圧を印加すると、圧電素子３４，３６，３８はリング板４２，４４，４６を介して下板３２を押圧する。リング板４２，４４，４６から下板３２に圧縮力が作用すると、下板３２の各部は圧縮力に応じて変形する。
【００２１】
圧電素子３４，３６，３８の上端には上板４８が取り付けられる。上板４８も円板状の部材であり、下板３２より剛性が強くされている。これによって、圧電素子３４，３６，３８の圧縮力が上板４８に作用しても上板４８は変形し難く、下板３２を効率的に変形させることができる。上板４８には、例えば、鋼製（ＳＵＳ３０４）の板を用いることができる。
上板４８の中央部と下板３２の中央部はネジ４０により固定される。これによって、下板３２の中央部は振動し難くなり、軸受面３２ａに発生した進行波が中央部で吸収されるようになっている。
【００２２】
上述した軸受３０においては、外周側の圧電素子３８に位相進み振動（ｓｉｎ（θ＋α））を発生させ、中央の圧電素子３６に位相零振動（ｓｉｎθ）を発生させ、内側の圧電素子３４に位相遅れ振動（ｓｉｎ（θ−α））を発生させると、軸受面３２ａの外周から中央に向かって進行波が発生する。軸受面３２ａの外周から中央に向かう進行波が発生すると、案内面と軸受面３２ａとの間に浮上力が発生し、軸受３０は案内面から浮上する。したがって、案内面と軸受面３２ａとの間に作用する摩擦力を極めて小さくすることができる。
一方、外周側の圧電素子３８に位相遅れ振動（ｓｉｎ（θ−α））を発生させ、中央の圧電素子３６に位相零振動（ｓｉｎθ）を発生させ、内側の圧電素子３４に位相進み振動（ｓｉｎ（θ＋α））を発生させると、軸受面３２ａの中央から外周に向かう進行波が発生する。軸受面３２ａの中央から外周に向かう進行波が発生すると、案内面と軸受面３２ａとの間に吸着力が発生し、軸受３０は案内面に吸着する。したがって、案内面と軸受面３２ａとの間に作用する摩擦力を大きくすることができる。
【００２３】
なお、図１，２に示す軸受３０では積層型圧電素子を用いたが、積層型圧電素子に代えて磁歪素子など、いかなるアクチュエータであっても軸受面の表面に進行波を発生できるものであればよい。また、図３，４に示す軸受５０では、円板状の板部材５２（例えば、アルミニウム製の薄板）の上面にリング形状の板状圧電素子５４，５６，５８を接着している。板状圧電素子５４，５６，５８を用いることで、上述した実施例の軸受３０に用いられた上板４８を無くすことができ、より簡易な構成とすることができる。
なお、板部材５２の中央には突出部５３が形成されており、突出部５３の上面はワーク等が載置されるテーブル面として利用することができる。また、図３，４では圧電板を直径の異なる３枚のリング形状に分離して板部材５２に接着する構成としたが、１枚のリング状圧電板を板部材５２に接着し、その上面に形成する電極を直径の異なる３つのリング形状に分離する構成としてもよい。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施例では、軸受面を強制振動させて進行波を発生させたが、進行波を発生させる方法としてはボルト締めランジュバン型振動子を用いて進行波を発生させるようにしてもよい。また、上述の例では、平面状の軸受面及び案内面として重力バランス型の構成を示したが、上下または左右の両面から平面状の軸受で支持する対向型の構成とすることができ、あるいは円筒面状の軸受面として回転体を支持するラジアル軸受としたり、球面状の軸受面として回転体を支持する球面軸受とすることもでき、従来の静圧軸受等の軸受装置と同様に多種多様な構成に用いることができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施例の軸受の縦断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本実施例の変形例に係る軸受の平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】本発明の浮上・吸着力発生装置の原理を説明するための模式図である。
【図６】進行波を発生させるための方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：浮上・吸着力発生装置
１２：第１部材
１４：第２部材
１８ａ，１８ｂ：アクチュエータ
３２：下板
３４，３６，３８：圧電素子
４０：上板
４２，４４，４６：リング板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007046756.tif 000006
【図５】
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【図６】
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