JP2008138850A - 静圧気体軸受スピンドル - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性弾性部材による環状空間のシールおよび回転軸の振れ回り振動の減衰の機能を十分に確保しつつ、軸受スリーブにおける電荷の蓄積を抑制し、放電による損傷の発生を抑制可能な静圧気体軸受スピンドル提供する。
【解決手段】静圧気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面を取り囲むように配置された軸受スリーブ２０と、軸受スリーブ２０を取り囲み、軸受スリーブ２０を支持するハウジング３０と、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間に配置されたニトリルゴムからなるＯリング４１とを備えている。軸受スリーブ２０とハウジング３０との間には、弾性を有し、導電体からなることにより軸受スリーブ２０とハウジング３０とを電気的に接続する板ばね６１が配置されている。そして、板ばね６１の弾性率は、Ｏリング４１の弾性率よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、静圧気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、軸受スリーブから当該軸受スリーブに隣接する部材への放電による損傷の発生を抑制可能な静圧気体軸受スピンドルに関するものである。

静電塗装機、精密加工機、半導体製造装置などの機械装置において、部材を高速で回転させるために静圧気体軸受スピンドルが使用される場合がある。この静圧気体軸受スピンドルとしては、回転軸と、回転軸の外周面を取り囲むように配置された軸受スリーブと、当該軸受スリーブを、Ｏリングを介して支持するハウジングとを備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

以下、従来の静圧気体軸受スピンドルについて説明する。図４は、特許文献１に開示された従来の静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。図４を参照して、特許文献１において開示された従来の静圧気体軸受スピンドル１００は、回転軸１１０と、軸受隙間１５１を隔てて回転軸１１０の外周面を取り囲むように配置される軸受スリーブ１２０と、軸受スリーブ１２０を取り囲み、軸受スリーブ１２０を支持するハウジング１３０と、軸受スリーブ１２０とハウジング１３０との間に配置されたＯリング１４１とを備えている。

Ｏリング１４１は、一般にニトリルゴムなどのゴムからなっている。また、軸受スリーブ１２０は、金属製の外筒部材１２２と、外筒部材１２２の内周面に嵌め込まれた黒鉛製の内筒部材１２１とからなっている。さらに、軸受スリーブ１２０には、回転軸１１０を支持するための軸受用気体を軸受隙間１５１に供給するノズル１５２Ａが複列に、かつ周方向に複数個形成されている。ノズル１５２Ａは、スリーブ給気路１５２と、軸受スリーブ１２０、ハウジング１３０およびＯリング１４１により囲まれた環状空間１５３と、給気通路１５４とを介して図示しない軸受用気体供給部に接続されている。回転軸１１０の一方の端部には、工具などの所望の部材を保持する保持部１１１が形成されている。

次に、従来の静圧気体軸受スピンドル１００の動作を説明する。図示しない軸受用気体供給部から供給された高圧の軸受用気体が、給気通路１５４、環状空間１５３、スリーブ給気路１５２およびノズル１５２Ａを介して軸受隙間１５１に供給されることにより、回転軸１１０は、軸受スリーブ１２０に対して回転自在に非接触支持される。そして、回転軸１１０が図示しない駆動手段により駆動力を与えられることにより、回転軸１１０の周方向に回転する。

このとき、Ｏリング１４１を介して軸受スリーブ１２０がハウジング１３０に支持されていることにより、環状空間１５３が気密にシールされるとともに、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。
特開２００２−２９５４７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静圧気体軸受スピンドルを含め、軸受スリーブをゴムなどの絶縁性弾性部材を介してハウジングに対して保持する従来の静圧気体軸受スピンドルにおいては、以下のような問題点があった。すなわち、静圧気体軸受スピンドルは、機械装置に組み込まれて使用される際、内部の部材に電荷が蓄積され、当該電荷による放電の結果、電荷が蓄積された部材自身、あるいはこれに隣接する部材に損傷が発生するおそれがある。この問題点は、静圧気体軸受スピンドルの各部位を接地することにより、基本的には解消することができる。たとえば、静圧気体軸受スピンドルが静電塗装機に使用される場合、静電塗装を行なうために空気中を浮遊する塗料に対して高電圧が印加されるため、静圧気体軸受スピンドルの各部位は、接地される。

しかし、上述のように、軸受スリーブをゴムなどの絶縁性弾性部材を介してハウジングに対して保持する従来の静圧気体軸受スピンドルでは、軸受スリーブとハウジングとの間が電気的に遮断されている。そのため、軸受スリーブには電荷が蓄積し、当該電荷による放電により、軸受スリーブおよび軸受スリーブに隣接する部材に損傷が発生するおそれがある。また、単に軸受スリーブと軸受スリーブに隣接する部材とを電気的に接続する部材を配置する対策では、絶縁性弾性部材による環状空間のシールおよび回転軸の振れ回り振動の減衰の機能が十分に発揮されなくなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、絶縁性弾性部材による環状空間のシールおよび回転軸の振れ回り振動の減衰の機能を十分に確保しつつ、軸受スリーブにおける電荷の蓄積を抑制し、放電による損傷の発生を抑制可能な静圧気体軸受スピンドルを提供することである。

本発明に従った静圧気体軸受スピンドルは、回転軸と、回転軸の外周面を取り囲むように配置された軸受スリーブと、軸受スリーブを取り囲み、当該軸受スリーブを支持するハウジングと、軸受スリーブとハウジングとの間に配置された絶縁体からなる絶縁性弾性部材とを備えている。そして、軸受スリーブとハウジングとの間には、弾性を有し、導電体からなることにより軸受スリーブとハウジングとを電気的に接続する導電性弾性部材が配置され、導電性弾性部材の弾性率は、絶縁性弾性部材の弾性率よりも小さい。

本発明の静圧気体軸受スピンドルにおいては、導電性弾性部材が軸受スリーブとハウジングとを電気的に接続している。そのため、ハウジングを接地しておくことにより、軸受スリーブにおける電荷の蓄積を抑制することができる。また、導電性弾性部材の弾性率は、絶縁性弾性部材の弾性率よりも小さくなっている。そのため、導電性弾性部材が配置されることによる、回転軸の振れ回り振動を減衰させるという絶縁性弾性部材の機能への影響が抑制されている。その結果、本発明の静圧気体軸受スピンドルによれば、絶縁性弾性部材による環状空間のシールおよび回転軸の振れ回り振動の減衰の機能を十分に確保しつつ、軸受スリーブにおける電荷の蓄積を抑制し、放電による損傷の発生を抑制可能な静圧気体軸受スピンドル提供することができる。

ここで、導電性弾性部材とは、導電性を有し、軸受スリーブとハウジングとの間隔の変化に追従する機能を有している部材をいい、その形状に制約はない。たとえば、金属などの導電性を有する素材からなるばね形状の部材、メッシュ形状の部材のほか、軸受スリーブとハウジングとの間に起こり得る間隔の変化よりも大きなたるみをもたせて両者を接続する導線であってもよい。また、導電性弾性部材は、回転軸を支持する軸受用気体の供給ルート内に配置される場合、通気性に富んだ形状が採用される必要があるが、軸受用気体の供給ルート外に配置される場合、通気性に乏しい形状を採用することもできる。さらに、導電性弾性部材の素材は、具体的には、ステンレス、炭素鋼、銅合金などを採用することができる。

また、導電性弾性部材および絶縁性弾性部材の弾性率は、軸受スリーブとハウジングとの相対的な位置によって決まる縦弾性係数であって、軸受スリーブとハウジングとの間に導電性弾性部材または絶縁性弾性部材が配置された場合に、両者の間隔が狭くなる向きに導電性弾性部材または絶縁性弾性部材を単位長さ小さくするために必要な力の大きさを意味する。さらに、導電性弾性部材の弾性率は、絶縁性弾性部材の弾性率の５０％以下とすることが好ましく、３０％以下とすることがより好ましい。本発明の静圧気体軸受スピンドルにおいて、回転軸の振れ回り振動は絶縁性弾性部材の変形による内部摩擦によって減衰する。そのため絶縁性弾性部材は十分に変形したほうがよい。導電性弾性部材の弾性率を絶縁性弾性部材の弾性率よりもより小さくすることで、より具体的には導電性弾性部材の弾性率を絶縁性弾性部材の弾性率の５０％以下とすることにより、絶縁性弾性部材による減衰が効果的に得られ、３０％以下とすることにより、さらに減衰が効果的に得られる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、静圧気体軸受スピンドルは、複数の導電性弾性部材を備えている。そして、当該複数の導電性弾性部材は、軸受スリーブとハウジングとの間の周方向において、等間隔に配置されている。これにより、軸受スリーブとハウジングとをより確実に、電気的に接続することができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、導電性弾性部材は、軸受スリーブとハウジングとの間の周方向において、全周にわたって連続的に配置されている。これにより、軸受スリーブとハウジングとをより確実に、電気的に接続することができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、導電性弾性部材は、導電体からなるばねである。金属などの導電体からなるばねを導電性弾性部材として採用することにより、静圧気体軸受スピンドルの運転中における軸受スリーブとハウジングとの間隔の変化に導電性弾性部材が確実に追従し、両者を電気的に接続することが可能となる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、導電性弾性部材は、導電体からなるメッシュ部材である。金属などの導電体からなるメッシュ部材を導電性弾性部材として採用することにより、導電性弾性部材が回転軸を支持する軸受用気体の供給ルート内に配置された場合でも、通気性を確保しつつ、軸受スリーブとハウジングとを電気的に接続することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の静圧気体軸受スピンドルによれば、絶縁性弾性部材による環状空間のシールおよび回転軸の振れ回り振動の減衰の機能を十分に確保しつつ、軸受スリーブにおける電荷の蓄積を抑制し、放電による損傷の発生を抑制可能な静圧気体軸受スピンドルを提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１における静圧気体軸受スピンドルの構成について説明する。図１は、実施の形態１における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。

図１を参照して、実施の形態１における静圧気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、軸受隙間５１を隔てて回転軸１０の外周面１０Ａを取り囲むように配置された軸受スリーブ２０と、軸受スリーブ２０を取り囲み、軸受スリーブ２０を支持するハウジング３０と、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間に配置された絶縁体からなる絶縁性弾性部材としてのＯリング４１とを備えている。Ｏリング４１は、軸受スリーブ２０の両端面と、外周面の軸方向両端部付近に各２つ、合計４つ配置されている。

Ｏリング４１は、絶縁体であるニトリルゴムからなっているが、フッ素ゴム、シリコンゴムなどの素材が採用されてもよい。また、軸受スリーブ２０は、円筒状の形状を有し、ステンレス、アルミニウム、炭素鋼などの金属製の外筒部材２２と、外筒部材２２の内周面に適切な締め代で嵌め込まれた黒鉛製の内筒部材２１とを含んでいる。さらに、軸受スリーブ２０には、回転軸１０を支持するための軸受用気体を軸受隙間５１に供給するためのノズル５２Ａが複列に（図１では２列に）、かつ周方向に複数個形成されている。

さらに、軸受スリーブ２０には、ノズル５２Ａと、軸受スリーブ２０、ハウジング３０およびＯリング４１により囲まれた環状空間５３とを接続するように、軸受スリーブ２０を径方向に貫通するスリーブ給気路５２が形成されている。また、ハウジング３０には、回転軸１０を支持するための軸受用気体を供給する軸受用気体供給部（図示しない）と環状空間５３とを接続する給気通路５４が形成されている。軸受用気体供給部には、エアコンプレッサなどの高圧気体供給源が接続されている。すなわち、ノズル５２Ａは、スリーブ給気路５２、環状空間５３、および給気通路５４を介して図示しない軸受用気体供給部に接続されている。また、回転軸１０の一方の端部には、工具などの所望の部材を保持する保持部１１が形成されている。

そして、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間には、弾性を有し、導電体からなることにより軸受スリーブ２０とハウジング３０とを電気的に接続する導電性弾性部材としての板ばね６１が配置されている。この板ばね６１の弾性率は、Ｏリング４１の弾性率よりも小さい。

より具体的には、軸受スリーブ２０の一方の端面に対向するハウジング３０の領域には、導電性弾性部材保持部としての凹部３０Ａが形成されている。そして、凹部３０Ａと凹部３０Ａに対向する軸受スリーブ２０の一方の端面とを接続するように、板ばね６１が配置されている。さらに、板ばね６１は、固定部材としてのボルト６２により、ハウジング３０の凹部３０Ａに対して着脱可能に保持されている。この板ばね６１は、ノズル５２Ａ、スリーブ給気路５２、環状空間５３および給気通路５４を含む軸受用気体の供給ルート外に配置されている。

以上の構成により、回転軸１０は、気体軸受（ジャーナル軸受）として機能する軸受スリーブ２０により、ハウジング３０に対して軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に支持されている。さらに、回転軸１０は、軸方向（アキシアル方向）においても、図示しない気体軸受（スラスト軸受）によりハウジング３０に対して非接触に支持されている。

次に、静圧気体軸受スピンドル１の動作について説明する。図示しない軸受用気体供給部から供給された圧縮空気などの高圧の軸受用気体が、給気通路５４、環状空間５３、スリーブ給気路５２およびノズル５２Ａを介して軸受隙間５１に供給されることにより、回転軸１０は、軸受スリーブ２０に対して回転自在に非接触支持される。そして、回転軸１０が図示しない駆動手段により駆動力を与えられることにより、保持部１１に工具などを保持した状態で、回転軸１０の周方向に回転する。駆動手段としては、ビルトインモータ、エアタービンなどを採用することができる。

このとき、Ｏリング４１を介して軸受スリーブ２０がハウジング３０に支持されていることにより、環状空間５３が気密にシールされるとともに、回転軸１０の振れ回り振動を減衰させることができる。

そして、実施の形態１の静圧気体軸受スピンドル１においては、板ばね６１が軸受スリーブ２０とハウジング３０とを電気的に接続している。そのため、ハウジング３０を接地しておくことにより、軸受スリーブ２０における電荷の蓄積を抑制することができる。また、板ばね６１の弾性率は、Ｏリング４１の弾性率よりも小さくなっている。そのため、板ばね６１が配置されることによる、回転軸１０の振れ回り振動を減衰させるというＯリング４１の機能への影響が抑制されている。その結果、静圧気体軸受スピンドル１は、Ｏリング４１による環状空間５３のシールおよび回転軸１０の振れ回り振動の減衰の機能を十分に確保しつつ、軸受スリーブ２０における電荷の蓄積を抑制し、放電による損傷の発生を抑制することができる。

さらに、静圧気体軸受スピンドル１においては、板ばね６１が複数備えられており、当該複数の板ばね６１は、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間の周方向において、等間隔に配置されていることが好ましい。板ばね６１は、１つのみ配置されても、その機能を果たすが、等間隔に２つ以上配置されることにより、軸受スリーブ２０とハウジング３０とをより確実に、電気的に接続することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２における静圧気体軸受スピンドルの構成について説明する。図２は、実施の形態２における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。

図２を参照して、実施の形態２の静圧気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の静圧気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様の効果を有している。しかし、実施の形態２の静圧気体軸受スピンドル１では、実施の形態１におけるボルト６２により固定された板ばね６１に代えて、皿ばね６４が採用されている点で、実施の形態１の静圧気体軸受スピンドル１とは異なっている。

すなわち、実施の形態２の静圧気体軸受スピンドル１においては、軸受スリーブ２０の一方の端面２０Ｂと、当該端面２０Ｂに対向するハウジング３０の内壁３０Ｂとの間には、皿ばね６４が配置されている。特に、実施の形態２の静圧気体軸受スピンドル１においては、ハウジング３０の内部において軸受スリーブ２０の当該一方の端面２０Ｂに対向する内壁３０Ｂと外周面３０Ｃとが交差する部分である角部３０Ｄに沿って接触するように、皿ばね６４が配置されている。つまり、皿ばね６４の外径と皿ばね６４が配置される領域におけるハウジング３０の内径とが同寸法とされており、皿ばね６４がハウジング３０の内部に嵌め込まれている。また、皿ばね６４は、ノズル５２Ａ、スリーブ給気路５２、環状空間５３および給気通路５４を含む軸受用気体の供給ルート外に配置されている。

以上のように、皿ばね６４は、ハウジング３０の内部に嵌めこまれ、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間の周方向において、全周にわたって連続的に接触して配置されている。その結果、軸受スリーブ２０の一方の端面２０Ｂに対して、均一に力を加えることが可能となり、回転軸１０の振れ回り振動による軸受スリーブ２０のハウジング３０に対する変位量を均一化することができる。また、皿ばね６４を保持するための凹部などの形成や、固定するためのボルトなどの固定部材が必ずしも要求されず、部品点数やハウジング３０の加工の工数を抑制することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３における静圧気体軸受スピンドルの構成について説明する。図３は、実施の形態３における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。

図３を参照して、実施の形態３の静圧気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の静圧気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様の効果を有している。しかし、実施の形態３の静圧気体軸受スピンドル１では、実施の形態１におけるボルト６２により固定された板ばね６１に代えて、導電体からなるメッシュ部材としてのメッシュ状金属部材６６が採用されている点で、実施の形態１の静圧気体軸受スピンドル１とは異なっている。

すなわち、実施の形態３の静圧気体軸受スピンドル１においては、軸受スリーブ２０の外周面２０Ｃに、導電性弾性部材保持部としての凹部２０Ｄが全周にわたって形成されており、凹部２０Ｄには、導電性弾性部材としての円環状のメッシュ状金属部材６６が嵌め込まれて保持されている。メッシュ状金属部材６６は、高い通気性を有しているため、図３に示すように、ノズル５２Ａ、スリーブ給気路５２、環状空間５３および給気通路５４を含む軸受用気体の供給ルートに配置された場合でも、通気性を確保しつつ、軸受スリーブ２０とハウジング３０とを電気的に接続することができる。また、メッシュ状金属部材６６は、回転軸１０の振れ回り振動により、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間隔が変化した場合、金属の繊維同士の摩擦により、当該振れ回り振動を減衰させることができる。

なお、メッシュ状金属部材６６は、金属の繊維が不規則に集合したものでもよいし、金属の繊維が規則的に配置されたものでもよいが、弾性率が全体にわたって均一なもの、たとえば厚み方向の弾性率を５箇所において測定した場合に平均値に対する差がいずれも平均値の３０％以下であるものが好ましい。また、メッシュ状金属部材６６は、図３に示すように、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間に１つ配置されてもよいが、軸方向に複数個並べて配置されてもよい。さらに、上述のように、メッシュ状金属部材６６は、円環状の形状を有していてもよいが、周方向に分断されていてもよい。また、弾性率の異なったメッシュ状金属部材６６を、軸受スリーブ２０とハウジング３０との間に複数個配置することにより、メッシュ状金属部材６６の全体としての弾性率を所望の大きさに調整することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の静圧気体軸受スピンドルは、軸受スリーブとハウジングとの間に絶縁体からなる絶縁性弾性部材が配置された静圧気体軸受スピンドルに、特に有利に適用され得る。

実施の形態１における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。 実施の形態２における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。 実施の形態３における静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。 従来の静圧気体軸受スピンドルの構成を示す概略部分断面図である。

符号の説明

１ 静圧気体軸受スピンドル、１０ 回転軸、１０Ａ 外周面、１１ 保持部、２０ 軸受スリーブ、２０Ｂ 端面、２０Ｃ 外周面、２０Ｄ 凹部、２１ 内筒部材、２２ 外筒部材、３０ ハウジング、３０Ａ 凹部、３０Ｂ 内壁、３０Ｃ 外周面、３０Ｄ 角部、４１ Ｏリング、５１ 軸受隙間、５２ スリーブ給気路、５２Ａ ノズル、５３ 環状空間、５４ 給気通路、６１ 板ばね、６２ ボルト、６４ 皿ばね、６６ メッシュ状金属部材。

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の外周面を取り囲むように配置された軸受スリーブと、
   前記軸受スリーブを取り囲み、前記軸受スリーブを支持するハウジングと、
   前記軸受スリーブと前記ハウジングとの間に配置された絶縁体からなる絶縁性弾性部材とを備え、
   前記軸受スリーブと前記ハウジングとの間には、弾性を有し、導電体からなることにより前記軸受スリーブと前記ハウジングとを電気的に接続する導電性弾性部材が配置され、
   前記導電性弾性部材の弾性率は、前記絶縁性弾性部材の弾性率よりも小さい、静圧気体軸受スピンドル。
2. 前記静圧気体軸受スピンドルは、複数の前記導電性弾性部材を備え、
   前記複数の導電性弾性部材は、前記軸受スリーブと前記ハウジングとの間の周方向において、等間隔に配置されている、請求項１に記載の静圧気体軸受スピンドル。
3. 前記導電性弾性部材は、前記軸受スリーブと前記ハウジングとの間の周方向において、全周にわたって連続的に配置されている、請求項１に記載の静圧気体軸受スピンドル。
4. 前記導電性弾性部材は、導電体からなるばねである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。
5. 前記導電性弾性部材は、導電体からなるメッシュ部材である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。

Images