JP2009092196A

JP2009092196A - 静圧気体軸受

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Publication number: JP2009092196A
Application number: JP2007265601A
Authority: JP
Inventors: Mochi Takei; 持武井; Toshihiro Tanaka; 俊宏田中; Shinichi Sogo; 晋一十合
Original assignee: DAIYA SEIKI CO Ltd
Current assignee: DAIYA SEIKI CO Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: JP5122905B2

Abstract

【課題】軸受精度を高めることができるとともに、絞り開口の目詰まりを防止できる静圧気体軸受を提供する。
【解決手段】本発明の静圧気体軸受は、回転体１と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面２ａ，３ａを備えた軸受体２，３とを具備し、前記軸受隙間に加圧した気体を、前記軸受面にそれぞれ開口し前記回転体の回転軸線周りの円周方向に複数設けられた絞りＡを通して導くことにより、前記回転体を回転可能に支持する静圧気体軸受において、前記軸受面の前記絞りの開口縁において前記絞りに直接連通するようにそれぞれ面取り状若しくは丸め状に形成され、前記円周方向に不連続に構成された複数の凹部２ｄを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は静圧気体軸受に関する。

一般に、高圧気体を絞りを介して軸受隙間に供給し、その気体が有する静圧によって軸に加わる負荷を支持する静圧気体軸受は、既に数多く実用化されている。特に、電子記憶媒体に用いる記録ディスクの検査用、精密加工用のスピンドルの軸受に用いられるものなど、高剛性、高精度を必要とする静圧気体軸受にあっては、軸受隙間を小さくし、それに相応して絞りの気体抵抗を大きくすることが求められている。そのため、軸受面の真円度、円筒度、真直度等を高い精度で確保することが要求されることから、静圧気体軸受の製造には高度の加工技術が必要とされる。

従来の静圧気体軸受の具体例若しくは改良例はたとえば以下の特許文献１に記載されている。また、静圧気体軸受の他の従来例としては、以下の特許文献２に示す構造が知られている。この特許文献２に記載された静圧気体軸受では、軸受部材の軸受面に円周方向に連続する環状の細溝１３を形成し、この細溝１３の内部に複数の絞りを構成する給気孔１４が開口するように構成してなる構造が記載されている。
特許第３７７９１８６号公報特公昭５８−１４９２７号公報

前述の特許文献２では円周方向に連続する細溝を形成することで、１０μｍ以下の小さな軸受隙間でも負荷容量を確保できるようにしているが、さらに高い軸受精度が要求される場合には、上記細溝を介した気体の流通によって充分な軸受反力が得られなくなり、軸受剛性を確保することが難しくなるという問題点がある。特許文献２では軸受反力を失わないために細溝の幅や深さをある程度の範囲に限定しているが、これでも充分な軸受反力を得ることはできない。

また、静圧気体軸受において軸受精度を高めるためには軸受隙間を小さくし、それに相応して絞りの気体抵抗を大きくすることが求められるが、当該気体抵抗を大きくするには、たとえば長方形平行隙間で構成されるスロット絞りの場合、スロット隙間を数μｍと極めて小さくする必要がある。しかしながら、軸受面の真円度、円筒度、真直度等を高い精度で確保するには軸受面の高精度加工を要し、この高精度加工たとえば内面研削加工を行うと、絞りの開口縁にバリやカエリが発生して目詰まりを生じ、絞りの開口がふさがれて通気性を失ってしまうという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、軸受精度を高めることができるとともに、絞り開口の目詰まりを防止できる静圧気体軸受を提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の静圧気体軸受は、回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した気体を、前記軸受面にそれぞれ開口し前記回転体の回転軸線周りの円周方向に複数設けられた絞りを通して導くことにより、前記回転体を回転可能に支持する静圧気体軸受において、前記軸受面の前記絞りの開口縁において前記絞りに直接連通するようにそれぞれ面取り状若しくは丸め状に形成され、前記円周方向に不連続に構成された複数の凹部を有することを特徴とする。

本発明によれば、軸受面に開口する絞りの開口縁に絞りに直接連通するように面取り状若しくは丸め状の凹部が形成されることにより、実質的に開口幅が広くなって絞りの開口縁にバリやカエリが発生しても目詰まりが生じにくくなるとともに、凹部が絞りの開口縁を面取り状に構成してなる場合には凹部の断面形状が略三角形状とされて断面輪郭がテーパ状とされ、凹部が絞りの開口縁を丸め状に構成してなる場合には凹部の断面輪郭が凸曲線状とされるため、絞りの開口縁のうち凹部が設けられている縁部分にはバリやカエリが発生しにくくなる。さらに、絞りに連通する凹部を大きく形成すると絞りの出口側の付加容積が増大し圧縮性流体である気体の圧力で軸支する静圧気体軸受ではニューマティックハンマー現象を生じやすくなるが、凹部を絞りの開口縁を面取り状若しくは丸め状に構成したものとすることで、絞りの開口幅を増大させて目詰まりを防止しても付加容積の増大を抑制することができる。したがって、高精度でしかも安定した静圧気体軸受を高い歩留まりで製造できる。また、複数の凹部が円周方向に不連続に構成されることにより、軸受反力の低下による軸受剛性の悪化をも防止できる。

本発明において、前記凹部は前記絞り毎にそれぞれ形成されていることが好ましい。凹部が絞り毎にそれぞれ形成されていることにより、複数の絞り間の気体の流れを抑制することができるため、軸受反力の低下を防止できる。

本発明において、前記複数の絞りは前記円周方向に沿って延在するスロット絞りであり、前記凹部は前記スロット絞りの幅方向縁部に形成され、前記スロット絞りの長さ方向に沿って延長した形状を有する凹溝であることが好ましい。このようにスロット絞りの開口縁に沿って凹溝を形成することにより、スロット絞りによる高剛性の軸受を構成できるとともに、スロット絞りの延長形状の開口範囲の広い範囲に亘り目詰まりをさらに低減することができるので、スロット絞りの高剛性の利点を確実に維持することができる。

この場合に、前記凹溝の両端部は前記スロット絞りの前記円周方向の開口範囲内の位置に形成されていることが望ましい。これによれば、高剛性を得るために複数のスロット絞りを円周方向に極めて隣接して形成した場合でも、複数の凹溝間の円周方向の間隔を確保することができるため、凹溝間の通気性が高まることによる軸受反力の低下を抑制できる。特に、凹溝がスロット絞り毎に形成されている場合には、各スロット絞りの開口範囲内の円周方向位置に凹溝の両端部が配置されるので、複数のスロット絞り間の気体の流通性を確実に低下させることができる。

特に、前記凹溝は各スロット絞りの前記円周方向の開口範囲内にそれぞれ配置され、その両端部が前記凹溝の両端部より長さ方向の内側に配置されていることが望ましい。これによれば、隣接するスロット絞りを近接させて形成しても、隣接する凹溝間の間隔を確保することができるので、円周方向の気体の流通性を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１は本実施形態の静圧気体軸受の軸受構造を模式的に示す概略断面図、図２は図１のII−II線に沿った断面矢視図である。本実施形態の軸受構造は、回転体１の外周面１ａに対向する内周面（円筒内面）で構成される第１軸受面２ａを有する第１軸受部材２と、同様に回転体１の外周面１ａに対向する内周面（円筒内面）で構成される第２軸受面３ａを有する第２軸受部材３とが軸線方向に直接当接され、図示しないボルトその他の別部材を用いて固定されることによって構成される。

第１軸受部材２と第２軸受部材３の相互に当接する両端面の少なくともいずれか一方の面、図示例では第１軸受部材２の端面上には、半径方向に伸びる複数のスロット溝２ｂが軸線周りに放射状に形成され、これらのスロット溝２ｂによってスロット絞りＡが構成される。また、第１軸受部材２と第２軸受部材３の相互に当接する両端面の少なくともいずれか一方の面、図示例では第１軸受部材２と第２軸受部材３の両端面上には、上記スロット溝２ｂに連通する環状凹溝２ｃ、３ｃが形成され、これらの環状凹溝２ｃ、３ｃによって圧力室Ｂが構成される。圧力室Ｂは図示しない給気経路に連通し、複数のスロット絞りＡに給気を行うように構成されている。

スロット絞りＡの開口縁の少なくとも一部、図示例では第１軸受部材２によって構成される開口縁部分には、本発明の凹部である凹溝２ｄが形成されている。この凹溝２ｄは、上記開口縁部分を面取り状に構成してなる。図示例では面取り角は４５度で、面取り幅はＣで示される。

図３は軸受面の展開図を示す。ここで、図示上下方向が円周方向であり、複数のスロット絞りＡが円周方向に形成されることで、各スロット絞りＡに対応する軸受領域Ｂが円周方向に順次配列しているものと考えることができる。この場合、各軸受領域Ｂ内にスロット絞りＡが存在するとともに、各スロット絞りＡの開口縁に上記凹溝２ｄが形成されているのがわかる。

図示例の場合、各凹溝２ｄは、スロット絞りＡの開口範囲に連通し、しかも、軸受領域Ｂよりスロット絞りＡの長さ方向の内側に限定されるように形成されている。この理由は以下のとおりである。すなわち、凹溝２ｄは通常スロット絞りＡのスロット間隙Ｈｓ（図１参照）より大きな溝幅を有するので、凹溝２ｄが仮に円周方向に連続する環状溝である場合には、スロット絞りＡより供給される気体圧力が円周方向に逃げ、回転体１の軸心位置が偏った際に充分な軸受反力が得られなくなる。これは、複数の凹溝２ｄが円周方向に不連続になることで防止されるが、この場合でも隣接する凹溝２ｄの端部同士が接近していると軸受反力が低下する虞がある。したがって、凹溝２ｄの端部を軸受領域Ｂの境界より長さ方向の内側に離間して設定することで、軸受反力の低下を抑制できる。図示例の場合には、軸受領域Ｂ内のスロット絞りＡの両端部の位置よりも凹溝２ｄの両端部の位置の方が軸受領域Ｂの境界位置より離間した位置にあるように構成されている。

上記のように、本実施形態では、複数のスロット絞りＡの開口縁部分に凹溝２ｄを形成している。凹溝２ｄの溝幅は基本的にスロット絞りＡの開口幅が数μｍ（１〜１０μｍ）程度であるのに対して、後述するように１０〜１３０μｍ程度の大きさとすることが可能である。したがって、凹溝２ｄが形成されることで実質的な絞りの開口幅を大幅に増大させることができるため、絞りの開口縁にバリやカエリなどが多少生じても、絞りの開口が閉塞されるといった事態を回避することができる。

また、本実施形態では、第１軸受部材２の開口縁を面取り状に構成することで凹溝２ｄが形成されているので、実質的な開口縁が第２軸受部材３の開口縁から離間するだけでなく、当該開口縁の角部の角度φ（図６参照）がより小さくなるので、バリやカエリそのものが発生しにくくなる。なお、この利点は、開口縁を丸め状に構成して凹溝を形成する場合には上記角度φをほとんど０とすることができるため、さらに高まる。

凹溝２ｄの容積、すなわち、幅Ｃや長さＬｇで決定される、凹溝２ｄの形成による付加容積は、特に圧縮性気体である気体を用いる静圧気体軸受では遅れ要素となり、安定性を低下させる。この安定性の低下は、「ニューマティックハンマー現象」と呼ばれる自励振動となって現れる。すなわち、上記のようにスロット絞りＡの目詰まりを防止する観点からは凹溝２ｄの幅は大きいほどよいが、大きくなりすぎると付加容積が増大し、安定性が低下する。したがって、凹溝２ｄの寸法には一定の制約が存在する。以下、当該制約について説明する。

図５は回転体１の軸芯位置が第１軸受部材２及び第２軸受部材３よりなる軸受体に対して偏った位置にあるときの様子を模式的に示すもので、回転体１に対する軸受体の偏芯方向を軸受領域Ｂ間の境界位置と一致させて当該位置を円周方向の角度θの原点として示したものである。以下の説明では、回転体１の軸径Ｄ、軸受長さＬ（図１参照）、半径隙間Ｃｒ（図２参照）、偏芯率ε（＝δｅ／Ｃｒ：δｅは偏心量）、スロット数２ｎ、スロット隙間Ｈｓ（図３参照）、スロット長さＬｓ（図１参照）の一列給気ラジアル軸受とし、給気圧力はＰｓ、周囲圧はＰａとする。

本実施形態の作用の解析を行うに当たり、以下の仮定を行う。すなわち、１）軸受隙間内の流れは、図３中の矢印に示すように軸方向一次元流れであるとする。２）一般の気体軸受解析に用いる仮定を行う。軸受の対称性を考慮し、軸受の円周方向１／２部分を取り上げ、図５に示すように最大隙間位置をθ＝０とし、時計方向に座標θをとり、スロット絞りに番号１、２、３、・・・を付す。そして、これらに対応させて図３に示すように軸受面を円周方向の領域１、２、３、・・・に分割する。また、凹溝２ｄの長さＬｇは領域幅Ｂ=πＤ/２ｎより僅かに短く、形成比χ=Ｌｇ/Ｂを０．８〜０．９程度とする。これによって図示のように凹溝２ｄは円周方向に不連続溝となる。

上記のように設定すると、ｋ（ｋ＝１、２、３、・・・、ｎ）番目のスロット絞りを通して軸受隙間内に流入する気体の質量流量Ｍｉｎは、スロット出口の圧力をＰｏｋとすれば、

となる。ここで、μは気体の粘性係数、Ｒは気体常数、Ｔは絶対温度である。

一方、領域ｋを通って軸受から流出する気体の質量流量Ｍｏｋは、領域ｋの平均軸受隙間をＨｋとすると次式で与えられる。

ここで、L₂=L/2である。

領域ｋの平均軸受隙間Ｈｋは、領域両側端の軸受隙間の３乗平均として次式で求められる。

流れの連続性から流入流量が流出流量に等しいと置くことにより、ｋ番目のスロット出口の圧力Ｐｏｋは次式で与えられる。

ここで、Rin=χHs^３/Ls、Rok=2Hk^３/L₂である。

軸方向の圧力分布を図４に示すように軸線方向に見て直線的に変化するものと仮定すると、ｋ番目の領域が軸に加える力Ｆｋは次式で与えられる。
Fk=LB(Pok-Pa)/2

Ｆの偏心方向の成分Ｆｗｋはその余弦成分とし、上向きを正とすると次式で与えられる。
Fwk=-Fkcos{(π/n)(2k-1)/2}

これから、偏心に対する軸受反力、すなわち、負荷容量Ｗは次式で与えられる。

以上の計算では隙間内の気体の流れを軸方向１次元流れとして行ったが、実際には領域間の圧力差によって円周方向流れが発生するため、有効負荷容量は小さくなる。そこで、修正係数Ｃｗを導入し、有効負荷容量Ｗｅを次式で算出する。
We=CwW
ここで、修正係数Ｃｗの値は軸受の長さと直径の比Ｌ/Ｄと偏心率εとによって異なる。Ｌ/Ｄ＝０．８〜１．０の場合、Ｃｗ＝０．８程度とする。

次に、凹溝２ｄにより生じる領域当たりの凹溝容積Vpのニューマティックハンマー現象に関する安定性に及ぼす影響を検討する。どれか一つの領域が不安定になっただけでも軸受全体が不安定になることから、安定性は各領域に対して判別する必要がある。

ニューマティックハンマーの安定条件は次式で与えられる。
s/q>(θ-ψ)/(α+β)…（Ｉ）
ここで、

である。ただし、Ｍは領域一つ当たりの軸受隙間内に含まれる気体の質量で、次式で与えられる。
M=LBHkPok/2RT+VpPok/RT

また、Vpは凹溝２ｄ一つの容積で本実施形態では図６及び図７に示すように次式で与えられる。
Vp=C²χB/2

上記の式（Ｉ）をＣの値を変えながら計算し、安定か否かを求めた。Ｄ＝３４ｍｍ、Ｌ＝３４ｍｍ、Ｃｒ＝１０μｍ、Ｈｓ＝１０μｍ、Ｌｓ＝８ｍｍ、Ｐｓ＝６．０３３ｋｇｆ／ｃｍ^２、ε＝０．２、χ＝０．９としたときには、Ｃ＝０．１３２ｍｍまでは安定であったが、Ｃ＝０．１３３ｍｍ以上で不安定になった。

また、Ｄ＝３４ｍｍ、Ｌ＝３４ｍｍ、Ｃｒ＝１０μｍ、Ｈｓ＝１０μｍ、Ｌｓ＝８ｍｍ、Ｐｓ＝６．０３３ｋｇｆ／ｃｍ^２、ε＝０．２、χ＝０．８としたときには、Ｃ＝０．１２５ｍｍまでは安定であったが、０．１２２ｍｍ以上では不安定となった。したがって、本実施形態では、χが０．８〜０．９の範囲で凹溝２ｄを形成した場合、凹溝２ｄの面取り幅Ｃを０．１２ｍｍ（１２０μｍ）以下とすれば、安定性が確保できることがわかる。

上記と同様にして計算した結果を流量及び負荷容量とともにまとめて図８に示す。この図に示すように、面取幅であるＣは０．１２〜０．１３ｍｍ程度の領域を境にして安定状態と不安定状態とが分かれるが、０．１２〜０．１３ｍｍ（１２０〜１３０μｍ）はスロット絞りＡのスロット間隙Ｈｓ＝１０μｍに比べると非常に大きく、バリや塵埃等による目詰まりの防止に大きく貢献できることがわかる。本実施形態ではスロット絞りＡの開口縁に面取り状の凹溝２ｄを設けることで、ニューマティックハンマー現象による不安定性を回避しても充分すぎるほどの開口幅を得ることができるので、目詰まりに対する効果は極めて大きい。

なお、形成比χの値が０．８〜０．９の範囲で増加しても気体の流量や負荷容量はほとんど変化せず、安定した値を示しているので、χの値は軸受性能に対して実質的にほとんど影響を与えないことがわかる。

本実施形態において軸受体を製造するには、最初に第１軸受部材２と第２軸受部材３を形成し、その後、図１に示すように組み立てた状態で、内面研削加工等により第１軸受面２ａと第２軸受面３ａとを一体に加工する。これによって軸受体の軸受面を高精度に形成することができる。この場合に、上記実施形態のように第１軸受部材２にのみ凹溝２ｄが形成されているときには、主として、第１軸受部材２側から第２軸受部材３側へ向かう方向に加工を行うことで、バリやカエリの発生を抑制することができる。たとえば、第１軸受部材２から第２軸受部材に向かう方向にエンドミル等の工具を移動させる際に削り代を大きくとり、逆方向に戻す際に削り代をなくすか小さくとることで、上記効果を得ることができる。

図９は、上記実施形態の凹溝２ｄとは異なる断面形状或いは平面形状を有する凹溝２ｅ〜２ｈを示す拡大部分断面図（ａ）〜（ｄ）である。図９（ａ）はスロット絞りＡの開口縁を丸め状にカットしてなる凹溝２ｅを示すものである。このようにすると、バリやカエリによるスロット絞りＡの目詰まりが防止されるとともに、少なくとも凹溝２ｅが形成された側の開口縁のバリやカエリがほとんど発生しなくなる。

図９（ｂ）は面取り状に加工した凹溝２ｆである点では上記実施形態と同様であるが、面取りの角度φが上記実施形態よりさらに小さく（３０度以下）されている。したがって、凹溝２ｆの側の縁部にバリやカエリ等がさらに発生しにくくなるように構成されている。また、図９（ｃ）はスロット絞りＡの軸線方向両側の開口縁にそれぞれ凹溝２ｇと３ｇを共に形成してなる場合を示す。この場合、各凹溝の断面形状は上記実施形態のものとされているが、図９（ａ）又は（ｂ）に示すように任意に構成できる。

図９（ｄ）は、上記実施形態とは異なる凹溝２ｈの形成態様を示す展開図である。この例では、スロット絞りＡが各領域内に形成されている点では上記実施形態と同様であるが、凹溝２ｈがスロット絞りＡごとに形成されているのではなく、隣接する二つのスロット絞りＡ、Ａに亘って一つの凹溝２ｈが形成されている点で異なる。このような凹溝２ｈであっても、円周方向に見て不連続に形成されている点では上記実施形態と同様であり、隣接する二つの領域間の気体の流通性が多少増加してしまうものの、基本的に同様の作用効果を奏する。

尚、本発明の静圧気体軸受は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

実施形態の静圧気体軸受の縦断面図。図１のII−II線矢視図。軸受面の展開図。軸方向の仮定的圧力分布。解析に用いるパラメータを説明するための偏心状態を示す断面図。凹部（凹溝）の形状寸法を示す拡大部分断面図。凹部（凹溝）による付加容積の形状寸法を示す説明斜視図。凹部（凹溝）の許容面取幅と深さの関係を気体の流量及び負荷容量と共に示すグラフ。凹部（凹溝）の他の断面形状及び平面形状例を示す拡大部分断面図(ａ)−（ｃ）及び平面展開図。

符号の説明

１…回転体、２…第１軸受部材、２ｂ…スロット溝、２ｄ…凹溝（凹部）、３…第２軸受部材、Ａ…スロット絞り、Ｂ…円周方向の軸受領域、φ…角度、χ…形成比

Claims

回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した気体を、前記軸受面にそれぞれ開口し前記回転体の回転軸線周りの円周方向に複数設けられた絞りを通して導くことにより、前記回転体を回転可能に支持する静圧気体軸受において、
前記軸受面の前記絞りの開口縁において前記絞りに直接連通するようにそれぞれ面取り状若しくは丸め状に形成され、前記円周方向に不連続に構成された複数の凹部を有することを特徴とする静圧気体軸受。
前記凹部は前記絞り毎にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受。
前記複数の絞りは前記円周方向に沿って延在するスロット絞りであり、前記凹部は前記スロット絞りの幅方向縁部に形成され、前記スロット絞りの長さ方向に沿って延長した形状を有する凹溝であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の静圧気体軸受。
前記凹溝は各スロット絞りの前記円周方向の開口範囲内にそれぞれ形成され、その両端部は前記スロット絞りの両端部より長さ方向の内側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の静圧気体軸受。