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▶ ムーア ナノテクノロジー システムズ エルエルシーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-05
(54)【発明の名称】精密なリニアモーションガイダンス用の静圧軸受
(51)【国際特許分類】
F16C 32/06 20060101AFI20240628BHJP
【ＦＩ】
F16C32/06 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023580977
(86)(22)【出願日】2022-06-29
(85)【翻訳文提出日】2024-01-22
(86)【国際出願番号】 US2022035519
(87)【国際公開番号】W WO2023278573
(87)【国際公開日】2023-01-05
(31)【優先権主張番号】63/217,103
(32)【優先日】2021-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524001927
【氏名又は名称】ムーア ナノテクノロジー システムズ エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110001379
【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】デュペル、トーマス
(72)【発明者】
【氏名】モーガン、クリストファー
(72)【発明者】
【氏名】バドラウィ、シナン・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】シェドラー、ミッチェル
(72)【発明者】
【氏名】ロウ、ジェフリー・アラン
【テーマコード（参考）】
3J102
【Ｆターム（参考）】
3J102AA02
3J102BA07
3J102BA13
3J102CA11
3J102EA02
3J102EA06
3J102EA09
3J102EA13
3J102EA30
(57)【要約】
一例によれば、静圧軸受は、キャリッジと、キャリッジが直線運動を行うように、キャリッジと組み合わされたガイドレールとを含む。静圧軸受は、加圧された非圧縮性の流体をキャリッジ内の軸受ポケットに供給することにより、キャリッジ及びガイドレールの間に機械的接触を生じることなく、キャリッジ及びガイドレールの間に力を伝達するように構成されている。各軸受ポケットは軸受パッドの軸受ランドによって囲まれており、軸受パッドは、平行四辺形、台形、矢印、または縁部が運動方向に全体的には直交しないその他の一般的な形状を備えている。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
静圧軸受であって、キャリッジと、
前記キャリッジが直線運動を行うように、前記キャリッジと組み合わされたガイドレールとを含み、
前記キャリッジ内の軸受ポケットに加圧された非圧縮性の流体を供給することによって、前記キャリッジ及び前記ガイドレールの間の機械的接触なしに前記キャリッジ及び前記レールの間で力を伝達するように構成されており、
各軸受ポケットが、軸受パッドの軸受ランドによって囲まれており、前記軸受パッドが直角を含まない略平行四辺形の形状を有する、静圧軸受。
【請求項2】
前記キャリッジが互いに対向する複数のパッドを含み、前記対向するパッドによって生じる力が等しくなるように構成されている、請求項１に記載の静圧軸受。
【請求項3】
高い剛性及びスクイズフィルムダンピングを生成するのに十分に小さい軸受ギャップをさらに含む、請求項２に記載の静圧軸受。
【請求項4】
前記軸受ギャップが８～２５マイクロメートルであるように構成される、請求項３に記載の静圧軸受。
【請求項5】
１以上の前記軸受ポケット内の圧力が毛細管絞りによって補償される、請求項２に記載の静圧軸受。
【請求項6】
静圧軸受であって、キャリッジと、
前記キャリッジが直線運動を行うように、前記キャリッジと組み合わされたガイドレールとを含み、
前記キャリッジ内の軸受ポケットに加圧された非圧縮性の流体を供給することによって、前記キャリッジ及び前記ガイドレールの間の機械的接触なしに前記キャリッジ及び前記レールの間で力を伝達するように構成されており、
各軸受ポケットが、軸受パッドの軸受ランドによって囲まれており、
前記軸受パッドが略台形の形状を有する、静圧軸受。
【請求項7】
前記キャリッジが互いに対向する複数のパッドを含み、前記対向するパッドによって生じる力が等しくなるように構成されている、請求項６に記載の静圧軸受。
【請求項8】
高い剛性及びスクイズフィルムダンピングを生成するのに十分に小さい軸受ギャップをさらに含む、請求項７に記載の静圧軸受。
【請求項9】
前記軸受ギャップが８～２５マイクロメートルであるように構成される、請求項８に記載の静圧軸受。
【請求項10】
１以上の前記軸受ポケット内の圧力が毛細管絞りによって補償される、請求項７に記載の静圧軸受。
【請求項11】
静圧軸受であって、キャリッジと、
前記キャリッジが直線運動を行うように、前記キャリッジと組み合わされたガイドレールとを含み、
前記キャリッジ内の軸受ポケットに加圧された非圧縮性の流体を供給することによって、前記キャリッジ及び前記ガイドレールの間の機械的接触なしに前記キャリッジ及び前記レールの間で力を伝達するように構成されており、
各軸受ポケットが、軸受パッドの軸受ランドによって囲まれており、
前記軸受パッドが略矢印の形状を有する、静圧軸受。
【請求項12】
前記キャリッジが互いに対向する複数のパッドを含み、前記対向するパッドによって生じる力が等しくなるように構成されている、請求項１１に記載の静圧軸受。
【請求項13】
高い剛性及びスクイズフィルムダンピングを生成するのに十分に小さい軸受ギャップをさらに含む、請求項１２に記載の静圧軸受。
【請求項14】
前記軸受ギャップが８～２５マイクロメートルであるように構成される、請求項１３に記載の静圧軸受。
【請求項15】
１以上の前記軸受ポケット内の圧力が毛細管絞りによって補償される、請求項１２に記載の静圧軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に静圧軸受（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ）に関し、より詳細には、精密なリニアモーションガイダンス用の静圧軸受に関する。
【背景技術】
【0002】
静圧軸受は、工作機械などの機械において精密な直線運動を実現するために用いられる。静圧軸受の代表的なものは、米国特許第５，４６６，０７１号明細書、米国特許第５，８７１，２８５号明細書、ＳｌｏｃｕｍによるＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、１９９２年）、及び欧州特許第０ ３０４ ０９０号に開示されており、これらはここで参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。ただし、これらの代表的な静圧軸受は欠点を有することがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
ある例によれば、静圧軸受は、キャリッジと、キャリッジが直線運動を行うように、キャリッジと組み合わされたガイドレールとを含む。静圧軸受は、加圧された非圧縮性の流体をキャリッジ内の軸受ポケットに供給することによって、キャリッジとガイドレールとの間に機械的接触を生じさせることなく、キャリッジとガイドレールとの間に力を伝達するように構成されている。各軸受ポケットは、軸受パッドの軸受ランドによって囲まれており、軸受パッドは、平行四辺形、台形、矢印、または縁部が運動方向に対して全体的には（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）直交しない（例えば、運動方向が直線で画定され、軸受パッドの縁部がその直線に直交する平面上にない）他の一般的な形状を含む。いくつかの例では、軸受パッドの形状により、軸受レール表面の周期的なパターンによるキャリッジの運動誤差（ｅｒｒｏｒ ｍｏｔｉｏｎ）が最小限に抑制される。また、いくつかの例では、この形状は本質的に圧力を分散させ、剛性を維持しながらキャリッジの運動誤差を最小限に抑制する。
【0004】
他の例によれば、静圧（加圧流体膜）リニア軸受は、軸受の高い剛性及び耐荷重が達成されるように、軸受ランド全体に流体を供給するための加圧ポケットを備える。加圧ポケット及び軸受ランドの幾何学的形状は、実施例によっては、軸受レール表面の周期的パターンの影響が低減するように、圧力を移動方向に一定距離にわたって分散させることにより、精密な機械の動作を可能にする。
【0005】
さらなる実施例によれば、静圧リニア軸受は、軸受レール表面の周期的な幾何学的パターンに起因する静圧リニア軸受の運動誤差を低減するような形状を有する静圧軸受パッドを含む。この形状により、いくつかの例では、直線軸の動作の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
本開示、ならびにその特徴及び利点をより完全に理解するために、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
【0007】
【図1A】６対の対向する軸受パッドを備える静圧軸受の等角図の一例である。
【図1B】６対の対向する軸受パッドを備える静圧軸受の等角図の一例である。
【図1C】６対の対向する軸受パッドを備える静圧軸受の等角図の一例である。
【図3A】周期的なレールの真直度誤差によるキャリッジの運動誤差を低減するようなリニア静圧軸受パッド形状の例を示している。
【図3B】周期的なレールの真直度誤差によるキャリッジの運動誤差を低減するようなリニア静圧軸受パッド形状の例を示している。
【図3C】周期的なレールの真直度誤差によるキャリッジの運動誤差を低減するようなリニア静圧軸受パッド形状の例を示している。
【図4】周期的なレールの真直度誤差によるキャリッジの誤差運動を低減するようなリニア静圧軸受パッド形状の他の例を示す。軸受パッドは、移動方向に対して垂直に配向された小さなセグメントを有する矢印の形状である。
【図6】リニア静圧軸受の運動中に生じる力の変化をプロットしたもので、力の変化は、波長ｌ及び振幅ａの軸受レールの周期的パターンに起因する。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本開示の実施例は、図面の図１Ａ～６を参照することによって最もよく理解され、同様の数字は、様々な図面の同様の部分及び対応する部分に用いられる。
【0009】
静圧軸受は、工作機械などの機械において精密な直線運動を実現するために利用される。リニア静圧軸受は、キャリッジと、キャリッジが移動またはスライドするガイドレールとを含む。通常、レールはキャリッジよりも長く、キャリッジが移動するための直線状の表面を有し、１自由度の直線運動を生成する。キャリッジは複数の軸受パッドを含み、各パッドは軸受ポケット及び軸受ランドを含む。軸受ポケットは加圧流体を含んでおり、この加圧流体は軸受ランドを横切って流れ、機械的接触を防ぐ加圧流体の薄膜によってキャリッジとレールとを互いに分離する。軸受ランドは、膜の圧力が軸受ポケット内の圧力から大気圧まで低下する幅を有する。膜は剛性を高め、キャリッジ及びレールの間の摩擦動作を軽減する。流体として、油や水、または、軸受ポケット内に圧力がかかったときにキャリッジとレールとを互いに分離するその他の非圧縮性流体を用いてもよい。
【0010】
キャリッジがレールに沿って移動するとき、キャリッジはレール表面の形状に従う。例えば、レールの表面が直線ではなく一般的な円弧の形状を有している場合、キャリッジは円弧に沿って進む。精密動作の用途では、直線的な動きが要求され、直線から外れた動きは運動誤差に分類される。運動誤差は望ましくないが、その一方で、完全に直線的なレール表面を製造することは現実的ではない。通常、レール表面は、レール表面の形状に直接影響を与える固有の運動誤差を含む機械によって製造される。機械の運動誤差は通常、ランダムではなく、本質的に周期的に発生する。例えば、上で説明した円弧は、特定の空間波長を有する正弦波パターンを示すレール表面によって説明することが可能である。波長の正弦波パターンが小さい場合、例えば波長が軸受ランドの幅よりもはるかに小さいかまたは短い場合には、流体膜の剛性の平均化効果により、キャリッジの運動誤差は少なくなる。そのため、レール表面に周期的なパターンを低振幅で維持し、パターンの波長を軸受ランドの幅よりもはるかに小さくすることで、精密な動きを達成することが可能となる例もある。表面研削のような製造工程で低振幅の周期的パターンを実現することは、必ずしも現実的ではない。また、周期的パターンの影響を低減するために軸受ランド幅を大きくすることも可能だが、軸受ランド幅を大きくすると軸受の剛性が低下するため、望ましくない。
【0011】
図１Ａ～１Ｃは、６対の対向する軸受パッド１８を有する静圧リニア軸受の一例を示す図であり、該軸受パッド１８は長方形の形状を有する。軸受パッド１８は、パッド１８によってキャリッジ３０に加えられる力が、運動に対して直交する平面においてキャリッジ３０にゼロフォース（ｚｅｒｏ ｆｏｒｃｅ）を生じさせるように、平行かつ対向する向きに配向される。軸受パッド１８は長方形であり、すべての軸受パッド１８は対向するペアによって構成されるが、ゼロフォースを達成するために、ダブテールレールやキャリッジなど、他の配置や数の軸受パッド１８を利用してもよい。図１Ａ及び１Ｂは、静圧軸受のキャリッジ３０の等角図であり、図１Ｃは、静圧軸受のガイドレール３１に結合されたキャリッジ３０の等角図である。
【0012】
静圧軸受は、キャリッジ３０及びガイドレール３１を含む。キャリッジ３０は、加圧流体を収容する軸受パッド１８を含む。流体は、油、水、または任意の非圧縮性流体であってもよい。レール３１は、キャリッジ３０が平行移動するための断面を有する直線状の物体であれば任意のものであってよい。断面は、軸受パッド１８によって生成される力の合計がゼロになるように軸受パッド１８を配向できるような、正方形、三角形、円、または任意の形状としてもよい（その一例は欧州特許第０ ３０４ ０９０号に見られる）。
【0013】
加圧流体は軸受ランド２１上を流れ、高い剛性及びスクイズフィルムダンピングを生じさせる。軸受ランド２１及びレール３１（図２に示す）の間のギャップは、通常、８～２５マイクロメートル程度であるが、高い剛性及びスクイズフィルムダンピングを生じさせるために必要なだけ小さくても大きくてもよい。軸受ポケット２０内の加圧流体は、毛細管絞り５０、オリフィス絞り、または任意の種類の絞り機構によって絞ってもよい。毛細管絞り５０によって絞った軸受パッド１８の例を図５Ａ及び５Ｂに示す。絞り５０を、供給圧力及び軸受ポケット２０の間に配置した。軸受ポケット２０は、高い剛性及びスクイズフィルムダンピングが軸受ランド２１全体にわたって達成されるように、任意の深さを有していてもよい。
【0014】
工作機械の直線軸などの精密動作の用途では、キャリッジ３０の動作は可能な限り直線的であるべきである。レール表面が運動方向に幾何学的に直線でない場合、キャリッジ３０は望ましくない動きや運動誤差を行う可能性がある。運動誤差は、互いに直交し、かつ移動方向に直交する２つのリニア運動誤差と、ロール、ピッチ、及びヨーと呼ばれる３つの角度運動誤差とが組み合わされたものである可能性がある。
【0015】
図２Ａ及び２Ｂは、キャリッジ及びレールを含むリニア静圧軸受の簡略図である。図２Ａ及び２Ｂの軸受パッド１８の形状は長方形であり、これは従来技術として知られている。軸受レールの表面は、波長ｌ及び振幅ａの周期的なパターンを有する。軸受の公称ギャップはｈ０、軸受ランド幅はＢ、軸受ランド長さはＬ、供給圧力はｐｓ、大気圧はｐａと定義される。
【0016】
レール表面の幾何学的形状が複数の周期的パターン４０（その一例を図２Ａ及び２Ｂに示す）の総和であると仮定すると、キャリッジ３０の運動誤差は、各周期的パターン４０に起因する運動誤差の総和となる。したがって、キャリッジ３０の運動誤差は、周期的パターン４０の振幅及び波長によって変化する。運動誤差は、キャリッジ３０がレール３１に沿って移動し、レール３１の周期的パターン４０を通過するときに発生し、その結果、スクイズフィルム効果による力（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）が変化する。この力の変化によりキャリッジ３０の位置が変化するが、これを運動誤差と呼ぶ。
【0017】
レール３１の周期的パターン４０は、様々な要因から発生する。例えば、レール３１は、それ自体が運動誤差を有する工作機械で製造されることがある。これらの運動誤差はレール３１の表面に影響を及ぼす。また、レール３１の製造に利用される工具の形状も、レール３１の表面形状に影響を及ぼす恐れがある。例えば、所定の数の切れ刃を有するフライス工具は、フライス工具がレール３１表面を加工するときに、レール３１表面にパターンを形成することがある。他の例では、平面研削工作機械の砥石が完全に円形でない場合があり、その場合、砥石の振動によりレール３１の表面に周期的構造が生じる。
【0018】
レール３１に対する周期的パターン４０の影響を低減する１つの手法は、真直度誤差がレール３１の直線方向と直交しないように、機械上でレール３１を回転またはスキュー（ｓｋｅｗ）させることである。ただし、工作機械のスペースとサイズの制約から、このアプローチは常に実用的であるわけではない。例えば、レール３１がスキューしていると、機械軸の必要なトラベル長が増加し、工作機械のトラベル長を超える可能性がある。また、レール３１がスキューしているとレール３１の有効幅が増大するため、工作機械への取り付け面の大きさが適切でない場合もある。
【0019】
レール３１表面上の周期的パターン４０の影響を最小化する他のアプローチは、力の変化が相殺されるように、周期的パターン４０をレール３１の両側に配置することである。この技術は、レール３１の長さよりも長い波長などの長波長エラーに用いられる。例えば、レール３１の表面が円弧状の形状を有し、対向するレールの表面上にその円弧状の形状の鏡像を有してもよい。各々の対向するパッド１８によって加えられる力は、キャリッジ３０がレール３１に沿って移動するにつれて変化するが、力は常に等しく逆向きであり、したがって、いくつかの例では、運動誤差は発生しない。この戦略は長い波長では採用可能であるが、より短い波長（例えば、軸受ランド２１の幅より短い）では、この戦略を採用することは困難である。周期誤差の位置合わせ、つまり位相を工作機械で調整するのは難しい。
【0020】
本開示の静圧軸受は、これらの欠点の１以上に対処することが可能である。一例によれば、静圧軸受は、キャリッジ３０と、キャリッジ３０が直線運動を行うように、キャリッジと組み合わされたガイドレール３１とを含む。静圧軸受は、キャリッジ３０内の軸受ポケット２０に加圧された非圧縮性の流体を供給することにより、キャリッジ３０及びガイドレール３１の機械的な接触なしに、キャリッジ３０及びガイドレール３１の間で力を伝達するように構成されている。各軸受ポケット２０は、軸受パッド１８の軸受ランド２１によって囲まれており、軸受パッド１８は、略平行形状、略台形、略矢印、または縁部が運動方向に対して全体的には直交していない他の任意の形状を含む。いくつかの例では、軸受パッド１８の形状は、軸受レール表面の周期的パターン４０に起因するキャリッジの運動誤差を最小限に抑制する。また、この形状は本質的に圧力を分散し、いくつかの例では剛性を維持しながらキャリッジの運動誤差を最小限に抑制する。さらに、軸受パッド１８は、回転軸受ではなくリニア軸受のためのものである。
【0021】
図３Ａ～３Ｃは、周期的なレール真直度誤差によるキャリッジの運動誤差を低減することができるリニア静圧軸受パッド１８の形状の例を示す図である。図３Ａでは、軸受パッド１８は、直角のない平行四辺形の形状を有する。図３Ｂでは、軸受パッド１８は台形の形状を有する。図３Ｃでは、軸受パッド１８は矢印の形状を有する。
【0022】
上述したように、いくつかの例では、軸受パッド１８（軸受パッド１８が軸受ランド２１及び軸受ポケット２０を含む）の形状は、縁部が運動方向に対して全体的には直交しないように形成されている。例えば、長方形は平行四辺形の軸受パッド１８を形成するために、移動方向に対してスキューを有してもよい（図３Ａを参照）。軸受パッド１８のスキューは、スキュー比ｍに軸受ランド幅Ｂを乗じたものとして定義される。いくつかの例では、運動方向に直行しない縁部を有する形状を実現するには、スキュー比ｍはゼロよりも大きくなければならない。スキュー比の一般的な値は１．０であるが、１０．０などのより大きな値であってもよい。図３Ａに示すように、軸受パッド１８は、運動方向に対して平行な線を有するが、運動方向に直交する線を有しない。さらに、軸受ランド２１及び軸受ポケット２０は、軸受パッド１８の形状に従ってもよく、したがって、軸受ランド２１及び／または軸受ポケット２０は、運動方向に直交する縁部を有していなくてもよい。
【0023】
他の例では、軸受パッド１８は、図３Ｂに示すように運動方向に直交する線を有しない台形形状を有していてもよい。さらに他の例では、スキューｍＢは、軸受ランド２１の長さにわたって２つの部分を有する図３Ｃの矢印形状のように、軸受ランド２１の長さにわたって複数設けられても良い。
【0024】
運動方向に対して直交しない線を実現するものであれば、軸受パッド１８は他の形状であってもよい。例えば、図４は、周期的なレール真直度誤差に起因するキャリッジの運動誤差を低減することが可能となる例示的なリニア静圧軸受パッド１８の形状を示すものであり、軸受パッド１８は、進行方向に対して垂直に配向された小さなセグメント４２を有する矢印の形状を有している。軸受のスキューは、スキュー比ｍに軸受ランド幅Ｂを乗じたものとして定義される。図４に示すように、軸受ランド２１の小さなセグメント４２が進行方向に対して垂直（すなわち、直交）に向けられた矢印の形状をしていることにより、周期的パターンによるキャリッジの運動誤差が低減されるようになっている。したがって、いくつかの例では、少量の軸受パッド１８を直交させても所望の効果を達成することができる。
【0025】
図５Ａ及び５Ｂは、キャリッジ及びレールを含む例示的なリニア静圧軸受の簡略化された図である。軸受パッド１８は、形状が平行四辺形である。軸受レールの表面には、波長ｌ及び振幅ａの周期的なパターンが形成されている。軸受の公称ギャップはｈ０、軸受ランド幅はＢ、軸受ランド長はＬ、供給圧力はｐｓ、大気圧はｐａと定義する。軸受ポケット２０内の圧力は、流体供給源及び軸受ポケット２０の間の毛細管絞り５０によって補償されている。毛細管絞り５０は、軸受の剛性を高める圧力降下を生じさせる。これは一般に補償静圧軸受として知られている。
【0026】
図６は、リニア静圧軸受の運動中に結果として生じる力の変化のプロットであり、この力の変化は、軸受レール３１内の波長ｌ及び振幅ａの周期的パターンに起因する。軸受の公称ギャップはｈ０、軸受ランド幅はＢ、軸受ランド長はＬ、供給圧力はｐｓ、大気圧はｐａと定義する。変数ｍはスキュー比として定義しているが、これは、平行四辺形の形状をした軸受パッド１８のスキュー距離を軸受ランド幅で割ったものに等しい。このプロットは、様々な軸受パッド１８の形状を画定する３本の線を含む。最初の実線は、ｍ＝０を定義し、これは長方形のパッド（従来技術）である。２本目の長い破線では、ｍ＝０．１の場合、スキュー量は軸受ランド幅の１０％である。最後の３本目の線（短い破線）では、ｍ＝１の場合、スキュー量は軸受ランド幅の１００％である。軸受パッドの形状例についても、対応する線種と共にグラフに示している。プロットは、ｍが増加すると、力の変化が減少することを示している。軸受は線形の剛性を有すると仮定できるため、力の変化が減少するとキャリッジの運動誤差も低減される。
【0027】
本明細書は、様々な非限定的かつ非網羅的な実施例を参照して記載されている。しかしながら、開示された実施例のいずれか（またはその一部）の様々な置換、変更、または組合せが、本明細書の範囲内でなされ得ることが、当業者であれば認識できるであろう。したがって、本明細書は、本明細書に明示的に記載されていない追加の実施例をサポートすることが企図され、理解される。このような実施例は、例えば、本明細書に記載された様々な非限定的かつ非網羅的な実施例の開示されたステップ、構成要素、要素、特徴、側面、特性、制限などのいずれかを組み合わせ、変更し、または再編成することによって得ることができる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【国際調査報告】