JP2005282635A - オリフィス絞り型の静圧気体軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造が容易で、小型化が可能なオリフィス絞り型の静圧空気軸受を提案すること。
【解決手段】 オリフィス絞り型の静圧空気軸受１では、軸受本体４に給気穴７およびポケット８を形成し、ノズル穴９が形成された六角穴付き止ねじ１２を給気穴７にねじ込むことにより、給気穴７、ノズル穴９およびポケット８を介して軸受面３に連通する圧縮空気の供給路５が形成されている。ポケット８を軸受本体４における外周面側から給気穴７を介して加工することが可能になるので、ポケット８を簡単かつ、精度良く加工でき、軸受１の小型化が容易になる。ポケット８を精度良く形成することができ、容積管理を簡単に行うことができるので、自励振動（ニューマティックハンマ）の発生を確実に抑えることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、製造が容易であり、小型化が可能なオリフィス絞り型の静圧気体軸受に関するものである。

静圧気体軸受は、転がり軸受に比べて回転精度が高く、摩擦抵抗が小さいので精密測定器や精密加工機などに用いられている。静圧気体軸受では、回転軸と軸受面の隙間に形成した気体膜に剛性を持たせるために、この隙間に圧縮気体を供給する供給穴には絞りが設けられている。この絞りの形態として、同一径のノズル穴を形成した「自成絞り型」と、ノズル穴と軸受面の間にノズル穴よりも大径のポケットを形成した「オリフィス絞り型」が知られている。

図３は、オリフィス絞り型の静圧気体軸受における圧縮気体の供給穴の部分を示す説明図である。オリフィス絞り型の静圧気体軸受１００は、円形内周面が軸受面１０１とされている円筒状の軸受本体１０２に、大径の給気穴１０３、小径のノズル孔１０４およびポケット１０５が同軸状態で半径方向に向けて形成されている。オリフィス絞り型の軸受１００は、自成絞り型の軸受などに比べて、軸受剛性およびラジアル荷重負荷能力が高いという利点がある。

しかしながら、オリフィス絞り型の静圧気体軸受では、ニューマティックハンマと呼ばれる自励振動が発生することがある。この自励振動は、ポケット容積との間に相関関係があることが知られている。静圧気体軸受については下記の非特許文献において詳しく紹介されている。
「−気体軸受設計から製作まで−」，十合晋一著，共立出版株式会社，１９８４年１２月

自励振動が発生しないオリフィス絞り型の静圧気体軸受を製作するためには、ポケットを精度良く形成する必要がある。図３に示すように、給気穴１０３とポケット１０５の間に位置しているノズル孔１０４の内径が、ポケット１０５の内径よりも小さい。このため、ポケット１０５を大径の給気穴１０３を介して軸受本体１０４の外側から加工することができず、軸受本体１０２の内周面である軸受面１０１の側から加工をしなければならない。すなわち、軸受本体１０２の内側に切削工具などを入れ、この状態で軸受面１０１に穴開け加工を施すことになる。このため、精度良く加工することは困難である。

また、装置の小型化により回転軸の径が細くなると、ポケット１０５の加工がさらに困難になり、切削工具を軸受本体１０２の内側に入れることができない場合もある。したがって、従来のオリフィス絞り型の静圧気体軸受は小型化が困難である。

本発明の課題は、かかる点に鑑みて、製造が容易であり、しかも、小型化が可能なオリフィス絞り型の静圧気体軸受を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、給気穴、ノズル穴およびポケットがこの順序で同軸状態に形成され、前記ポケットが軸受面に連通しているオリフィス絞り型の静圧気体軸受において、前記給気穴および前記ポケットが形成された軸受本体と、前記ノズル穴が形成されたノズル穴形成部材とを有し、前記ノズル穴形成部材が前記給気穴に装着されていることを特徴としている。

本発明では、軸受本体に大径の給気穴と小径のポケットを形成し、最も小径のノズル穴を軸受本体とは別部材であるノズル穴形成部材に形成し、このノズル穴形成部材を給気穴に装着することにより、給気穴とポケットの間に、ポケットよりも小径のノズル穴が同軸状態で連通している圧縮気体の供給路を構成している。よって、ポケットを給気穴を介して軸受本体の外側から加工できるので、ポケットの加工作業が容易であり、精度良くポケットを形成でき、小型の軸受も簡単に製作できる。

ここで、前記ノズル穴形成部材は、着脱可能な状態で、前記給気穴に装着されていることが望ましい。このようにすれば、給気穴に装着されているノズル穴形成部材を、異なる穴径のノズル穴が形成されているノズル穴形成部材に交換することができる。よって、加工誤差などに起因して軸受面と回転軸の隙間が設計値とは異なる場合などにおいて、ノズル穴形成部材を交換することにより、隙間に供給される圧縮気体流量を調節して、最適な軸受状態を形成できる。

ノズル穴形成部材を給気穴に着脱可能に装着するためには、前記ノズル穴形成部材を前記給気穴にねじ込み固定すればよい。

この場合、ノズル穴形成部材のねじ込み作業および取り外し作業を簡単に行うことができるように、前記ノズル穴形成部材に、当該ノズル穴形成部材を前記給気穴に対して着脱する際に用いる工具を係合させるための工具係合部を形成しておくことが望ましい。

工具係合部を備えたねじ込み式のノズル穴形成部材としては、市販されているステンレススチール製などの六角穴付き止ねじに対して、その六角穴の底部中心を貫通する状態に前記ノズル穴を追加工したものを用いることができる。

本発明のオリフィス絞り型の静圧気体軸受では、軸受本体に、給気穴およびポケットを同軸状態に形成し、軸受本体とは別部材であるノズル穴形成部材にノズル穴を形成し、当該ノズル穴形成部材を軸受本体の給気穴に装着して、給気穴、ノズル穴およびポケットが同軸状態に連通した圧縮気体の供給路を構成している。

したがって、ポケットを軸受本体の内側から加工する必要がなく、給気穴を介して軸受本体の外側から加工することが可能になる。よって、ポケットの加工作業が簡単になり、精度良くポケットを形成できる。この結果、ポケットの容積管理を正確に行うことができるので、自励振動(ニューマティックハンマ)の発生を確実に抑制できる。

また、ポケットを軸受本体の内側から加工する必要がないので、従来に比べて小型のオリフィス絞り型の静圧気体軸受を製造可能になる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したオリフィス絞り型の静圧空気軸受を説明する。

図１(ａ)および(ｂ)は、本例のオリフィス絞り型の静圧空気軸受を示す軸直角断面図および含軸断面図である。これらの図に示すように、オリフィス絞り型の静圧空気軸受１は、円形内周面が回転軸２を保持するための軸受面３とされている円筒状の軸受本体４と、この軸受本体４の外周面から軸受面３に向けて半径方向に貫通して延びている３本の圧縮空気の供給路５とを有している。本例では、同一円周上に１２０度間隔に配置された３本の供給路５が、軸受本体４の中心軸線Ｌの方向に一定の間隔で２組形成されている。供給路５の数は４つ以上でもよく、また、その組数は１組あるいは３組以上であってもよい。

供給路５は、軸受本体４の外周面側に形成された大径の給気穴７と、軸受面側に形成された小径のポケット８と、給気穴７およびポケット８を連通している最も小径のノズル穴９とを備えている。給気穴７には不図示の圧縮空気源から圧縮空気が供給される。ここに供給された圧縮空気はノズル穴９およびポケット８を介して軸受面３と回転軸２との隙間１０に進入して空気膜を形成する。この隙間１０を適切な寸法に設定することにより、空気膜の静圧により回転軸２を非接触状態に保持することができる。

本例では、例えば、軸受本体４は軸受面３の内径寸法が５０mm、軸線方向の寸法が５０mmに形成されており、回転軸２のジャーナルは外径寸法が４９．９８mm、軸線方向の寸法が５０mmに形成されている。従って、回転軸２が軸受面３に同心状態に挿入されると、これらの間には幅０．０１mmの円筒状の隙間１０が形成されることになる。また、供給路５の中心軸線Ｌの方向の間隔は２５mmに設定されており、ノズル穴９の内径は０．２mmに設定されている。

図２(ａ)および(ｂ)は、図１の供給路５の部分を拡大して示す説明図である。これらの図も参照して供給路５の構造を詳細に説明する。軸受本体４に開けた半径方向に延びる貫通孔は、その外周面側が大径の給気穴７とされ、軸受面３の側がポケット８とされている。給気穴７とポケット８の境界には円環状段差面１１が形成されている。給気穴７の開口部からは、ノズル穴９が形成されている六角穴付き止めねじ１２(ノズル穴形成部材)が当該給気穴７に気密状態でねじ込まれ、その下側の端面部分１３が円環状段差面１１に気密状態で当接して位置決めされている。

六角穴付き止ねじ１２は、ステンレススチール製などの市販品にノズル穴９を追加工したものであり、その円形外周面には雄ねじ１４が形成されており、その上側の端面には同軸状態で六角穴１５が形成されている。この六角穴１５の底部分の中心に、ノズル穴９が当該底部分を貫通する状態に形成されている。

これに対して、軸受本体４に形成されている給気穴７の円形内周面には、雄ねじ１４に螺合可能な雌ねじ１７が切ってある。したがって、六角穴付き止ねじ１２を、市販の六角レンチを用いて給気穴７にねじ込み、そこに固定することができる。六角穴付き止ねじ１２が給気穴７にねじ込まれると、給気穴７、ノズル穴９およびポケット８がこの順序で軸受本体４の半径方向に連通した構成の供給路５が形成される。

ここで、本発明者らが行った実験によると、本例のオリフィス絞り型の静圧空気軸受１に４．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を供給したところ、以下の表１に示す結果が得られた。なお、同じ表に記載されている自成絞り型の静圧空気軸受は本例のオリフィス絞り型の静圧空気軸受１と同型でノズル孔の直径が０．２mmのものであり、同一条件で測定を行った場合の結果である。また、多孔質絞り型の静圧空気軸受も本例のオリフィス絞り型の静圧空気軸受１と同型のものであり、本例の静圧空気軸受１とラジアル荷重負荷能力が同じ値になるように圧縮空気の圧力を調整した場合の軸受剛性と空気消費量の結果である。

この結果から分かるように、本例のオリフィス絞り型の静圧空気軸受１は、自成絞り型の軸受と比べて、軸受剛性およびラジアル荷重負荷能力が高く、しかも、空気消費量が少ないことが分かる。よって、従来、自成絞り型の軸受が使用されていた部分に、本例のオリフィス絞り型の軸受１を用いると、軸受剛性およびラジアル荷重負荷能力を高めることができるので、回転軸の回転精度が向上する。また、空気消費量が少ないので省エネルギー化を図ることができる。

ここで、自成絞り型の軸受では、回転軸を非接触状態に保持するためには、軸受面の円筒度を０．００１mm以下、回転軸のジャーナルの円筒度を０．０００５mm以下に形成する必要があるが、本例のオリフィス絞り型の軸受１では、軸受剛性が高いので、軸受面３の円筒度が０．００３mm、回転軸２のジャーナルの円筒度が０．００１mmであっても回転軸２を非接触状態に保持することが可能である。

また、多孔質絞り型の軸受と比べると、本例のオリフィス絞り型の軸受１は軸受剛性の面で若干、劣るものの、空気消費量は半分以下である。よって、本例の軸受１は、多孔質絞り型の軸受と略同一の性能を備えながらも空気消費量を大幅に低減できる。それ故、省エネルギー化を図ることができる。

なお、本例の軸受１において、上記と同一条件で、ノズル孔９の直径を更に細くして０．０５mmにしたところ、空気消費量を０．５ｌ／ｍｉｎにまで低減することができた。

以上説明したように、本例の静圧空気軸受１では、軸受本体に給気穴７およびポケット８を形成し、ノズル穴９が形成された六角穴付き止ねじを給気穴７にねじ込むことにより、給気穴７、ノズル穴９およびポケット８を介して軸受面に連通する圧縮空気の供給路５が形成される。従来では、軸受本体の内側からポケットを加工する必要があったが、本例では、ポケット８を軸受本体４における外周面側から給気穴７を介して加工することが可能になる。よって、ポケット８を簡単かつ、精度良く加工でき、軸受の小型化も容易になる。

また、ポケット８を精度良く形成することができ、容積管理を簡単に行うことができるので、自励振動(ニューマティックハンマ)の発生を確実に抑えることができる。

さらに、回転軸２の加工誤差などに起因して、軸受面３と回転軸２との隙間１０が広くなってしまった場合、それに合わせてノズル穴９の径を広くして流量調整をしなければならない。従来では、静圧気体軸受の側を加工することができないので、回転軸の径が基準値よりも細かった場合には、その回転軸は不良品となってしまったが、本例では、ノズル穴９が形成されている部品を交換することにより対応できる。ノズル穴９の径が異なる六角穴付き止ねじ１２を複数個用意しておき、回転軸２の径(隙間１０)に合わせてノズル穴９の径を選択して流量調整を可能にすれば、不良品を低減することができ、歩留りの向上を図ることができる。

さらにまた、本例では、市販の六角穴付き止めねじ１２にノズル穴９を追加工するだけでよいので、軸受を廉価に製造できる。

なお、六角穴付き止ねじ以外の形状、構造のノズル穴形成部材を用いることもできる。また、交換が不要な場合には、圧入などのねじ込み式以外の方法によりノズル穴形成部材を給気穴に装着することもできる。さらに、六角穴以外の工具係合部を形成しても良いことは勿論である。

また、必要に応じて空気以外の圧縮気体を用いて静圧気体軸受を形成することも可能である。

図１(ａ)および(ｂ)は、本発明を適用したオリフィス絞り型の静圧空気軸受を示す軸直角断面図および含軸断面図である。 図１における圧縮空気の供給路の部分を拡大して示す説明図および、六角穴付き止ねじを取り外した状態の説明図である。 オリフィス絞り型の静圧気体軸受を示す説明図である。

符号の説明

１ オリフィス絞り型の静圧空気軸受
２ 回転軸
３ 軸受面
４ 軸受本体
５ 供給路
７ 給気穴
８ ポケット
９ ノズル穴
１０ 隙間
１１ 円環状段差面
１２ 六角穴付き止ねじ
１３ 端面部分
１４ 雄ねじ
１５ 六角穴
１７ 雌ねじ

Claims (5)

1. 給気穴、ノズル穴およびポケットがこの順序で同軸状態に形成され、前記ポケットが軸受面に連通しているオリフィス絞り型の静圧気体軸受において、
   前記給気穴および前記ポケットが形成された軸受本体と、前記ノズル穴が形成されたノズル穴形成部材とを有し、
   前記ノズル穴形成部材が前記給気穴に装着されていることを特徴とするオリフィス絞り型の静圧気体軸受。
2. 請求項１において、
   前記ノズル穴形成部材は、着脱可能な状態で、前記給気穴に装着されていることを特徴とするオリフィス絞り型の静圧気体軸受。
3. 請求項２において、
   前記ノズル穴形成部材は前記給気穴にねじ込み固定されていることを特徴とするオリフィス絞り型の静圧気体軸受。
4. 請求項３において、
   前記ノズル穴形成部材は、当該ノズル穴形成部材を前記給気穴に対して着脱する際に用いる工具を係合させるための工具係合部を備えていることを特徴とするオリフィス絞り型の静圧気体軸受。
5. 請求項４において、
   前記ノズル穴形成部材は、六角穴付き止ねじに対して、その六角穴の底部中心を貫通する状態に前記ノズル穴を追加工したものであることを特徴とするオリフィス絞り型の静圧気体軸受。

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