JP2009197943A - Gas bearing spindle - Google Patents

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Junichi Hirata
淳一 平田
Takashi Haraguchi
隆 原口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas bearing spindle which stably operates even if a rotating shaft rotates at high speed. <P>SOLUTION: The gas bearing spindle 1 is equipped with a rotating shaft 10 and a bearing sleeve 30. The bearing sleeve 30 is arranged in a manner opposed to at least a part of a lateral side of the rotating shaft 10. Further, the bearing sleeve 30 includes a mixture of carbon and material different from carbon in linear expansion coefficient. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、高速回転時でも安定して使用可能な気体軸受スピンドルに関する。   The present invention relates to a gas bearing spindle, and more particularly to a gas bearing spindle that can be used stably even during high-speed rotation.

ハウジング内部において、回転軸と回転軸に対向する部材との間の微小な隙間に圧縮空気などの気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される気体軸受スピンドルが従来知られている。このような気体軸受スピンドルでは、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなく、回転軸と、回転軸に対向する部材とが通常は直接接触せず、正常な運転状態である限り、当該部材の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、気体軸受スピンドルは精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される高速スピンドルとして広く使用されている。   Conventionally known is a gas bearing spindle in which a rotating shaft is supported with respect to a housing by supplying a gas such as compressed air to a minute gap between the rotating shaft and a member facing the rotating shaft inside the housing. ing. In such a gas bearing spindle, the rotating shaft is supported in a non-contact state with respect to the housing. For this reason, not only the friction loss in the bearing is small, but also the rotating shaft and the member facing the rotating shaft are not usually in direct contact, so that the member is not fatigued or worn as long as it is in a normal operating state. Taking advantage of such features, gas bearing spindles are widely used as high-speed spindles used in precision processing machines, hole processing machines, electrostatic coating machines and the like.

この気体軸受スピンドルにおいては、その性能を向上させるために種々の提案がなされている。たとえば、回転軸と、回転軸に対向する部材とが万一接触した場合でも、回転軸の焼付きを回避するため、回転軸に対向する部材として黒鉛からなる内壁を有する軸受スリーブを採用することが提案されている。また、回転軸に対向する部材としての軸受スリーブを、ハウジングに対してOリングを介して支持することにより、回転軸の振れ回り振動を吸収するといった構成も提案されている(たとえば、特開2002−295470号公報(以下、特許文献1と呼ぶ)参照)。   Various proposals have been made to improve the performance of the gas bearing spindle. For example, in order to avoid seizure of the rotating shaft even if the rotating shaft and a member facing the rotating shaft come into contact, a bearing sleeve having an inner wall made of graphite is employed as the member facing the rotating shaft. Has been proposed. In addition, a configuration has been proposed in which a bearing sleeve as a member facing the rotating shaft is supported by an O-ring with respect to the housing to absorb the whirling vibration of the rotating shaft (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2002). -295470 (referred to as Patent Document 1 hereinafter)).

図4は、上記特許文献1に示されている従来の気体軸受スピンドル(静圧空気軸受スピンドル)のジャーナル軸受部を示す断面模式図である。図4を参照して、従来の気体軸受スピンドルの一例について説明する。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a journal bearing portion of a conventional gas bearing spindle (hydrostatic air bearing spindle) disclosed in Patent Document 1. An example of a conventional gas bearing spindle will be described with reference to FIG.

図4に示した従来の気体軸受スピンドルは、回転軸110の外径面に気体軸受のためのジャーナル軸受隙間113を隔てて軸受スリーブ130が配置されている。軸受スリーブ130の両端部は、4本のOリング141〜144を介してハウジング120に支持されている。Oリング141、142は、ハウジング120と軸受スリーブ130との間の周状空間122を気密にシールすると共に、その弾性により回転軸110の振れ回り振動を減衰させる。回転軸110は軸受隙間113に供給される高圧気体により回転自在に非接触支持される。また、図示はしないが回転軸110は軸方向にも高圧気体により非接触支持される。   In the conventional gas bearing spindle shown in FIG. 4, a bearing sleeve 130 is disposed on the outer diameter surface of the rotating shaft 110 with a journal bearing gap 113 for the gas bearing spaced apart. Both end portions of the bearing sleeve 130 are supported by the housing 120 via four O-rings 141 to 144. The O-rings 141 and 142 hermetically seal the circumferential space 122 between the housing 120 and the bearing sleeve 130, and attenuate the swinging vibration of the rotating shaft 110 by its elasticity. The rotating shaft 110 is rotatably supported in a non-contact manner by high-pressure gas supplied to the bearing gap 113. Although not shown, the rotating shaft 110 is supported in a non-contact manner in the axial direction by high-pressure gas.

気体軸受用の高圧気体は、ハウジング120に形成された給気通路121を通して、ハウジング120の内径と軸受スリーブ130の外径との間の周状空間122に供給される。そして、軸受スリーブ130の両端部付近において周状に複数形成された軸受ノズル151から回転軸110外周の軸受隙間113に当該高圧気体は噴出される。なお、図4における回転軸110の右端には工具等が取付け可能である。また、回転軸110は図示しない駆動手段によって駆動される。
特開2002−295470号公報
The high-pressure gas for the gas bearing is supplied to the circumferential space 122 between the inner diameter of the housing 120 and the outer diameter of the bearing sleeve 130 through an air supply passage 121 formed in the housing 120. Then, the high-pressure gas is jetted into the bearing gap 113 on the outer periphery of the rotary shaft 110 from a plurality of circumferentially formed bearing nozzles 151 near both ends of the bearing sleeve 130. In addition, a tool etc. can be attached to the right end of the rotating shaft 110 in FIG. The rotating shaft 110 is driven by a driving means (not shown).
JP 2002-295470 A

気体軸受スピンドルは、耐焼付き性を向上させるため、軸受スリーブ130を潤滑性に優れた黒鉛で形成すると共に、回転軸110を鉄鋼系金属で形成する場合が多い。しかしこのような従来の気体軸受スピンドルでは次のような問題が生じる可能性がある。すなわち、
(1)回転軸110が高速回転すると軸受隙間113での気体摩擦により熱が発生する。ところが、軸受スリーブ130は通常Oリング141〜144によってハウジング120に弾性支持されているため、軸受スリーブ130からハウジング120への伝熱性は良好ではない。この結果、軸受隙間113からの放熱が悪く、回転軸110及び軸受スリーブ130の温度が上昇する場合がある。すると、軸受スリーブ130の材料である黒鉛の線膨張係数が回転軸110の材料である鉄鋼系材料より小さいため、径方向での寸法増加は軸受スリーブ130より回転軸110のほうが大きくなる。そのため、回転軸110が高速回転すると軸受隙間113が次第に狭くなり、場合によっては軸受隙間113がゼロになって回転軸110と軸受スリーブ130とが接触する可能性があった。そして、このような問題は高速回転の用途ほど深刻である。
In the gas bearing spindle, in order to improve seizure resistance, the bearing sleeve 130 is often made of graphite having excellent lubricity, and the rotating shaft 110 is often made of a steel-based metal. However, such a conventional gas bearing spindle may cause the following problems. That is,
(1) When the rotating shaft 110 rotates at high speed, heat is generated by gas friction in the bearing gap 113. However, since the bearing sleeve 130 is usually elastically supported by the housing 120 by the O-rings 141 to 144, the heat transfer from the bearing sleeve 130 to the housing 120 is not good. As a result, heat radiation from the bearing gap 113 is poor, and the temperature of the rotating shaft 110 and the bearing sleeve 130 may rise. Then, the linear expansion coefficient of graphite, which is the material of the bearing sleeve 130, is smaller than that of the steel-based material, which is the material of the rotating shaft 110. For this reason, when the rotating shaft 110 rotates at a high speed, the bearing gap 113 gradually becomes narrow, and in some cases, the bearing gap 113 may become zero and the rotating shaft 110 and the bearing sleeve 130 may come into contact with each other. Such a problem is more serious for high-speed applications.

例えば、軸受スリーブ130を線膨張係数α1=4×10-6/℃の黒鉛により構成し、回転軸110を線膨張係数α2=17×10-6/℃のステンレス鋼により構成する場合を考える。ここで、軸受スリーブ130の内半径(ジャーナル軸受半径)r1=20mm、軸受隙間113(軸受半径隙間)Cr=0.005mmと仮定する。この場合、各部材の温度上昇を均一と仮定すると、約19℃の温度上昇(=ΔT)でCr=0となる。なお、このことは以下の数式から計算できる。 For example, the bearing sleeve 130 is made of graphite having a linear expansion coefficient α 1 = 4 × 10 −6 / ° C., and the rotating shaft 110 is made of stainless steel having a linear expansion coefficient α 2 = 17 × 10 −6 / ° C. Think. Here, it is assumed that the inner radius of the bearing sleeve 130 (journal bearing radius) r 1 = 20 mm and the bearing gap 113 (bearing radius gap) Cr = 0.005 mm. In this case, assuming that the temperature rise of each member is uniform, Cr = 0 when the temperature rise is about 19 ° C. (= ΔT). This can be calculated from the following equation.

ΔCr1=r1(α2−α1)ΔT (ただし、ΔCr1:軸受半径隙間変化量)
上述のようにCr=0となる現象(軸受半径隙間ゼロとなる現象)を防ぐ方法として、まず軸受隙間113を大きく設定することが考えられる。しかし、軸受隙間113を大きくすると軸受剛性が小さくなるため、気体軸受スピンドルが高剛性を必要とする場合には適用できない。また、軸受隙間113を大きくすることは振れ回りを抑制する上でも好ましくない。
ΔCr 1 = r 12 −α 1 ) ΔT (where ΔCr 1 is the amount of change in the bearing radius clearance)
As a method for preventing the phenomenon of Cr = 0 as described above (the phenomenon of zero bearing radius gap), it is conceivable to first set the bearing gap 113 large. However, if the bearing clearance 113 is increased, the bearing rigidity decreases, and therefore, this is not applicable when the gas bearing spindle requires high rigidity. Further, it is not preferable to increase the bearing gap 113 from the viewpoint of suppressing swinging.

一方黒鉛と同程度に線膨張係数の小さい、インバー合金やセラミックス等の材料で回転軸110を形成する方法も考えられるが、このような材料は一般に高価であり、現実的な解決方法とはいえない。   On the other hand, a method of forming the rotating shaft 110 with a material such as Invar alloy or ceramics having a linear expansion coefficient as small as that of graphite is also conceivable. However, such a material is generally expensive and can be said to be a practical solution. Absent.

(2)図4に示した気体軸受スピンドルにおいては、黒鉛製の軸受スリーブ130をハウジング120に弾性支持するのは、Oリングの弾性変形に伴う減衰性能によって回転軸110と軸受スリーブ130間の相対振動を減衰させるためである。このとき、黒鉛製の軸受スリーブ130は質量が軽いために、ハウジング120に対して軸受スリーブ130の振動が大きくなりやすい。この軸受スリーブ130の振動には傾き成分もあるため、軸受スリーブ130に支持されている回転軸110においても傾きを伴った振れ回り振動を生じることになる。この結果、回転軸110の工具が設置された側(工具側)と反対側に配置されたスラスト軸受部において、回転軸110と他の部材との接触や、ハウジング120に対する回転軸110の工具側軸端の振れ回り量が問題となる場合がある。   (2) In the gas bearing spindle shown in FIG. 4, the graphite bearing sleeve 130 is elastically supported by the housing 120 because of the relative damping between the rotating shaft 110 and the bearing sleeve 130 due to the damping performance associated with the elastic deformation of the O-ring. This is to attenuate the vibration. At this time, since the graphite bearing sleeve 130 has a light mass, the vibration of the bearing sleeve 130 tends to increase with respect to the housing 120. Since the vibration of the bearing sleeve 130 also has a tilt component, the rotating shaft 110 supported by the bearing sleeve 130 also generates a whirling vibration with a tilt. As a result, in the thrust bearing portion disposed on the side opposite to the side on which the tool is installed (tool side) of the rotary shaft 110, contact between the rotary shaft 110 and other members, or the tool side of the rotary shaft 110 with respect to the housing 120 There may be a problem with the amount of shaft runout.

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、回転軸が高速回転をした場合においても安定して動作する気体軸受スピンドルを提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas bearing spindle that operates stably even when the rotating shaft rotates at a high speed. is there.

この発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、軸受スリーブとを備える。軸受スリーブは、回転軸の側面の少なくとも一部に対向するように配置される。軸受スリーブは、カーボンと、カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む。なお、軸受スリーブには、回転軸の側面の一部との間の間隙に気体を供給するための気体供給孔が形成されていてもよい。   A gas bearing spindle according to the present invention includes a rotating shaft and a bearing sleeve. The bearing sleeve is disposed to face at least a part of the side surface of the rotating shaft. The bearing sleeve includes a mixture of carbon and a material having a coefficient of linear expansion different from that of carbon. The bearing sleeve may be formed with a gas supply hole for supplying gas to a gap between the bearing sleeve and a part of the side surface of the rotating shaft.

このようにすれば、カーボンを用いることで軸受スリーブの潤滑性を確保するとともに、軸受スリーブ全体としての線膨張係数を調整することができる。このため、回転軸と軸受スリーブとの線膨張係数の差を、軸受スリーブがカーボンのみから構成される場合より小さくすることが可能になる。この場合、回転軸の回転に伴う気体摩擦による熱で回転軸および軸受スリーブが熱膨張したときに、カーボンのみからなる軸受スリーブを用いた場合より、回転軸と軸受スリーブとの熱膨張による寸法変化の差を小さくできる。この結果、当該寸法変化に起因して回転軸と軸受スリーブとの間の隙間が無くなり、回転軸と軸受スリーブが接触するという不良の発生を抑制できる。なお、ここでカーボンと上記材料との混合体とは、カーボンと上記材料との混合物を成型したものや、当該混合物を焼成、あるいは加熱処理、加圧処理などの所定の処理を行なってカーボンと上記材料の少なくとも一部が反応したものを含む。   In this manner, the lubricity of the bearing sleeve can be ensured by using carbon, and the linear expansion coefficient of the entire bearing sleeve can be adjusted. For this reason, it becomes possible to make the difference of the linear expansion coefficient of a rotating shaft and a bearing sleeve smaller than the case where a bearing sleeve is comprised only from carbon. In this case, when the rotating shaft and the bearing sleeve are thermally expanded by heat due to gas friction accompanying the rotation of the rotating shaft, the dimensional change due to the thermal expansion between the rotating shaft and the bearing sleeve is greater than when a bearing sleeve made of only carbon is used. The difference can be reduced. As a result, there is no gap between the rotating shaft and the bearing sleeve due to the dimensional change, and it is possible to suppress the occurrence of a defect that the rotating shaft and the bearing sleeve are in contact with each other. Here, the mixture of carbon and the above-mentioned material is a mixture of carbon and the above-mentioned material, or a mixture of carbon and the above-mentioned material subjected to a predetermined treatment such as firing, heat treatment or pressure treatment. The thing which at least one part of the said material reacted is included.

上記気体軸受スピンドルは、弾性部材を介して軸受スリーブを保持するハウジングをさらに備えていてもよい。この場合、弾性部材によって軸受スリーブと回転軸との相対振動を減衰させることができる。さらに、このような弾性部材によって軸受スリーブがハウジングに保持されている場合には、軸受スリーブからハウジングへの伝熱性があまり良くないため、回転軸と軸受スリーブとの温度が上昇しやすい。そのため、本発明により回転軸と軸受スリーブとの線膨張係数の差を小さくすることが特に有効である。   The gas bearing spindle may further include a housing that holds a bearing sleeve via an elastic member. In this case, the relative vibration between the bearing sleeve and the rotating shaft can be attenuated by the elastic member. Further, when the bearing sleeve is held in the housing by such an elastic member, the heat transfer from the bearing sleeve to the housing is not so good, and the temperature between the rotating shaft and the bearing sleeve is likely to rise. Therefore, it is particularly effective to reduce the difference in linear expansion coefficient between the rotating shaft and the bearing sleeve according to the present invention.

上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸はカーボンより線膨張係数の大きな材料により形成されてもよい。混合体を構成する材料は、カーボンの線膨張係数より大きな線膨張係数を有してもよい。この場合、軸受スリーブと回転軸との線膨張係数の差を、従来のように軸受スリーブをカーボンのみで形成した場合より小さくすることができる。このため、回転軸の回転に伴う熱により回転軸と軸受スリーブとが熱膨張し、互いに接触する可能性を低減できる。   In the gas bearing spindle, the rotating shaft may be formed of a material having a larger linear expansion coefficient than carbon. The material constituting the mixture may have a linear expansion coefficient larger than that of carbon. In this case, the difference in the coefficient of linear expansion between the bearing sleeve and the rotating shaft can be made smaller than when the bearing sleeve is made of only carbon as in the prior art. For this reason, the possibility that the rotating shaft and the bearing sleeve thermally expand due to the heat accompanying the rotation of the rotating shaft and contact with each other can be reduced.

上記気体軸受スピンドルにおいて、混合体を構成する上記材料は樹脂であってもよい。軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分は、カーボンと樹脂との混合物を成形した成形体により構成されてもよい。この場合、樹脂の組成を調整することで軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分の線膨張係数を調整する自由度を大きくできる。   In the gas bearing spindle, the material constituting the mixture may be a resin. The portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft may be formed of a molded body obtained by molding a mixture of carbon and resin. In this case, the degree of freedom for adjusting the linear expansion coefficient of the portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft can be increased by adjusting the resin composition.

上記気体軸受スピンドルにおいて、混合体を構成する上記材料は金属であってもよい。軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分は、カーボンと金属との焼結体であってもよい。この場合、金属の種類を選択することで、軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分の線膨張係数を任意に調整することができる。   In the gas bearing spindle, the material constituting the mixture may be a metal. The portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft may be a sintered body of carbon and metal. In this case, the linear expansion coefficient of the portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft can be arbitrarily adjusted by selecting the type of metal.

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブは、軸受スリーブの質量を調整するための質量調整用部品を含んでいてもよい。この場合、軸受スリーブの質量や重心の位置を、質量調整用部品の質量や配置によって任意に調整することができる。このため、ハウジングなど軸受スリーブを保持する部材に対する軸受スリーブの振動を抑制するように、重心の位置や軸受スリーブの質量を設定することができる。   In the gas bearing spindle, the bearing sleeve may include a mass adjusting component for adjusting the mass of the bearing sleeve. In this case, the mass of the bearing sleeve and the position of the center of gravity can be arbitrarily adjusted by the mass and arrangement of the mass adjusting parts. For this reason, the position of the center of gravity and the mass of the bearing sleeve can be set so as to suppress the vibration of the bearing sleeve with respect to a member such as a housing that holds the bearing sleeve.

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに複数個設置されていてもよい。複数の質量調整用部品は軸受スリーブの中心軸に対して軸対称な位置に配置されていてもよい。この場合、回転軸の回転に伴い軸受スリーブが振動するような際に、質量調整用部品が軸受スリーブの中心軸に対して非対称な位置(偏った位置)に配置されることに起因する異常振動の発生を抑制できる。   In the gas bearing spindle, a plurality of mass adjusting parts may be installed on the bearing sleeve. The plurality of mass adjusting components may be arranged at positions that are axisymmetric with respect to the central axis of the bearing sleeve. In this case, when the bearing sleeve vibrates with the rotation of the rotating shaft, the abnormal vibration caused by the mass adjusting component being disposed at an asymmetrical position (biased position) with respect to the central axis of the bearing sleeve. Can be suppressed.

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに複数個設置されていてもよい。軸受スリーブの中心軸に沿った方向における、軸受スリーブの重心の位置は、軸受スリーブの中心軸に沿った方向における中央部に位置してもよい。この場合、上記重心の位置が軸受スリーブの中心軸に沿った方向における中心部からずれた場合に発生し得る、軸受スリーブでの異常振動の発生を抑制することができる。   In the gas bearing spindle, a plurality of mass adjusting parts may be installed on the bearing sleeve. The position of the center of gravity of the bearing sleeve in the direction along the central axis of the bearing sleeve may be located at the center in the direction along the central axis of the bearing sleeve. In this case, it is possible to suppress the occurrence of abnormal vibration in the bearing sleeve, which may occur when the position of the center of gravity is shifted from the center in the direction along the center axis of the bearing sleeve.

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品を構成する材料は、軸受スリーブにおいて質量調整用部品以外の部分を構成する材料の線膨張係数の値以上の線膨張係数の値を有してもよい。質量調整用部品の少なくとも一部が軸受スリーブに嵌め込まれることにより、質量調整用部品は軸受スリーブに固定されていてもよい。この場合、軸受スリーブの温度が回転軸の回転に伴って上昇するときに、質量調整用部品の方が軸受スリーブにおいて質量調整用部品以外の部分より熱膨張による寸法変化が大きくなる。そのため、当該熱膨張に起因して、質量調整用部品の一部が軸受スリーブに嵌め込まれた部分から、当該質量調整用部品が抜けることを抑制できる。   In the gas bearing spindle, the material constituting the mass adjustment component may have a linear expansion coefficient value equal to or greater than the linear expansion coefficient value of the material constituting the bearing sleeve other than the mass adjustment component. The mass adjusting component may be fixed to the bearing sleeve by fitting at least a part of the mass adjusting component into the bearing sleeve. In this case, when the temperature of the bearing sleeve rises with the rotation of the rotary shaft, the dimensional change due to thermal expansion is greater in the mass adjusting component than in the portion other than the mass adjusting component in the bearing sleeve. Therefore, due to the thermal expansion, it is possible to prevent the mass adjusting component from being removed from a portion where a part of the mass adjusting component is fitted into the bearing sleeve.

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに着脱可能に設置されていてもよい。この場合、質量調整用部品の装着や離脱により、軸受スリーブの質量や重心の位置を容易に調整することができる。   In the gas bearing spindle, the mass adjusting component may be detachably attached to the bearing sleeve. In this case, it is possible to easily adjust the mass of the bearing sleeve and the position of the center of gravity by installing and removing the mass adjusting component.

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブには、内部にネジ加工が施された固定用孔が形成されてもよい。質量調整用部品の表面にはネジ加工部が形成されていてもよい。質量調整用部品は固定用孔にねじ込まれることにより固定されてもよい。この場合、質量調整用部品を軸受スリーブに容易に固定することができる。   In the gas bearing spindle, the bearing sleeve may be formed with a fixing hole that is internally threaded. A threaded portion may be formed on the surface of the mass adjusting component. The mass adjusting component may be fixed by being screwed into the fixing hole. In this case, the mass adjusting component can be easily fixed to the bearing sleeve.

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブの側面端部には、側面の外周に沿ってネジ加工部が形成されてもよい。質量調整用部品は、内周部にネジ加工が施されたリング状部材であってもよい。質量調整用部品は、ネジ加工が施された内周部を軸受スリーブのネジ加工部と嵌合させることにより固定されていてもよい。この場合、質量調整用部品を軸受スリーブに容易に固定することができる。   In the gas bearing spindle, a threaded portion may be formed along the outer periphery of the side surface at the side surface end of the bearing sleeve. The mass adjusting component may be a ring-shaped member having a threaded inner peripheral portion. The mass adjusting component may be fixed by fitting the inner peripheral portion subjected to the screw processing with the screw processing portion of the bearing sleeve. In this case, the mass adjusting component can be easily fixed to the bearing sleeve.

本発明によれば、高速回転時にも安定して動作する気体軸受スピンドルを得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a gas bearing spindle that operates stably even during high-speed rotation.

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、その説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(実施の形態1)
図1は、本発明の一実施の形態である実施の形態1の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図1を参照して、本発明の実施の形態1における気体軸受スピンドル1を説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a gas bearing spindle according to Embodiment 1, which is an embodiment of the present invention. With reference to FIG. 1, the gas bearing spindle 1 in Embodiment 1 of this invention is demonstrated.

図1に示すように、実施の形態1の気体軸受スピンドル1は、回転軸10と、軸受スリーブ30と、ハウジング20とを備える。軸受スリーブ30は、回転軸10の外周面11Aの一部を取り囲む貫通穴である軸受スリーブ貫通穴33が形成された円筒状の部材である。ハウジング20は、軸受スリーブ30を取り囲み、弾性部材としてのゴム製のOリング41〜44を介して軸受スリーブ30を保持する。回転軸10と軸受スリーブ30とは、10μm以上40μm以下程度のジャーナル軸受隙間13を隔てて配置されている。   As shown in FIG. 1, the gas bearing spindle 1 according to the first embodiment includes a rotating shaft 10, a bearing sleeve 30, and a housing 20. The bearing sleeve 30 is a cylindrical member in which a bearing sleeve through hole 33 that is a through hole surrounding a part of the outer peripheral surface 11 </ b> A of the rotating shaft 10 is formed. The housing 20 surrounds the bearing sleeve 30 and holds the bearing sleeve 30 via rubber O-rings 41 to 44 as elastic members. The rotating shaft 10 and the bearing sleeve 30 are arranged with a journal bearing gap 13 of about 10 μm or more and 40 μm or less separated.

回転軸10は、円筒状(棒状)の軸部11と、軸部11の一方の端部に形成された、軸部11より直径の大きい円板状の形状を有するフランジ部12とを有している。軸部11の他方の端部には工具などを保持するための保持部19が形成されている。そして、軸受スリーブ30には、複数のジャーナルノズル51が形成されている。ジャーナルノズル51は、軸受スリーブ30の周壁に形成される。ジャーナルノズル51は、軸受スリーブ貫通穴33の内周面と回転軸10の軸部11の外周面11Aとの間に設けられたジャーナル軸受隙間13に軸受用気体を供給する。   The rotating shaft 10 includes a cylindrical (rod-shaped) shaft portion 11 and a flange portion 12 formed at one end of the shaft portion 11 and having a disk shape having a diameter larger than that of the shaft portion 11. ing. A holding portion 19 for holding a tool or the like is formed at the other end of the shaft portion 11. The bearing sleeve 30 is formed with a plurality of journal nozzles 51. The journal nozzle 51 is formed on the peripheral wall of the bearing sleeve 30. The journal nozzle 51 supplies bearing gas to the journal bearing gap 13 provided between the inner peripheral surface of the bearing sleeve through-hole 33 and the outer peripheral surface 11A of the shaft portion 11 of the rotary shaft 10.

ジャーナルノズル51は、軸受スリーブ貫通穴33の内周面において円周方向に延びる2つの列を構成するように配置されている。ジャーナルノズル51は、軸受スリーブ貫通穴33の延びる方向(回転軸10の軸部11における軸方向)における軸受スリーブ30の中央部を挟む両側のそれぞれに1列ずつ形成されている。ジャーナルノズル51は、軸受スリーブ30の周壁に形成されたスリーブ給気路52と接続されている。   The journal nozzles 51 are arranged to form two rows extending in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the bearing sleeve through-hole 33. The journal nozzles 51 are formed in one row on each of both sides sandwiching the central portion of the bearing sleeve 30 in the direction in which the bearing sleeve through-hole 33 extends (the axial direction in the shaft portion 11 of the rotary shaft 10). The journal nozzle 51 is connected to a sleeve air supply path 52 formed on the peripheral wall of the bearing sleeve 30.

以上の構成により、軸受スリーブ30は、ハウジング20に対して回転軸10をラジアル方向(軸部11の軸方向に垂直な方向)に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。なお、軸部11の軸方向における軸受スリーブ30の中央部から両側のジャーナルノズル51までの距離がほぼ等しくなるように、ジャーナルノズル51は形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受隙間13内の圧力分布が軸方向における軸受スリーブ30の中央部に対して対称となる。このようにすれば、回転軸10は軸受スリーブ30に対して、軸方向にバランスよく軸支される。   With the above configuration, the bearing sleeve 30 functions as a gas journal bearing that supports the rotating shaft 10 in a radial direction (a direction perpendicular to the axial direction of the shaft portion 11) in a non-contact manner with respect to the housing 20. The journal nozzle 51 is preferably formed so that the distances from the central portion of the bearing sleeve 30 to the journal nozzles 51 on both sides in the axial direction of the shaft portion 11 are substantially equal. Thereby, the pressure distribution in the journal bearing gap 13 is symmetric with respect to the central portion of the bearing sleeve 30 in the axial direction. In this way, the rotary shaft 10 is supported in a balanced manner in the axial direction with respect to the bearing sleeve 30.

ジャーナルノズル51は、スリーブ給気路52と、軸受スリーブ30、ハウジング20およびOリング42、43により閉じられた空間である環状空間(周状空間22のうちOリング42、43により囲まれた一部の空間)とを介して、ハウジング20内に形成された軸受用気体供給路21に接続されている。   The journal nozzle 51 is an annular space (a space surrounded by the O-rings 42 and 43 in the circumferential space 22) that is a space closed by the sleeve air supply path 52, the bearing sleeve 30, the housing 20, and the O-rings 42 and 43. And a bearing gas supply passage 21 formed in the housing 20 through a space.

ハウジング20の内部には、円環状の形状を有する気体スラスト軸受部材60が配置されている。気体スラスト軸受部材60は、回転軸10のフランジ部12の両側の端面12Aのそれぞれに対して、一方の端面が対向するように配置されている。気体スラスト軸受部材60と回転軸10のフランジ部12とは、10μm以上50μm以下程度のスラスト軸受隙間14を隔てて配置されている。気体スラスト軸受部材60には、フランジ部12に対向する当該一方の面と、これに対向するフランジ部12の端面12Aとの間に設けられたスラスト軸受隙間14に気体を供給するため、複数個のスラストノズル61が形成されている。スラストノズル61は、フランジ部12の周方向に沿った方向に複数個形成されている。スラストノズル61は、気体スラスト軸受部材60に形成されたスラスト軸受給気路62に接続されている。また、スラスト軸受給気路62はハウジング20に形成された軸受用気体供給路21に接続されている。つまり、スラストノズル61は、スラスト軸受給気路62を介して軸受用気体供給路21に接続されている。そして、軸受用気体供給路21は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル1の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。   A gas thrust bearing member 60 having an annular shape is disposed inside the housing 20. The gas thrust bearing member 60 is disposed such that one end face thereof faces each of the end faces 12A on both sides of the flange portion 12 of the rotating shaft 10. The gas thrust bearing member 60 and the flange portion 12 of the rotary shaft 10 are arranged with a thrust bearing gap 14 of about 10 μm or more and 50 μm or less separated. A plurality of gas thrust bearing members 60 are provided to supply gas to the thrust bearing gap 14 provided between the one surface facing the flange portion 12 and the end surface 12A of the flange portion 12 facing the flange portion 12. The thrust nozzle 61 is formed. A plurality of thrust nozzles 61 are formed in a direction along the circumferential direction of the flange portion 12. The thrust nozzle 61 is connected to a thrust bearing supply passage 62 formed in the gas thrust bearing member 60. The thrust bearing air supply passage 62 is connected to a bearing gas supply passage 21 formed in the housing 20. That is, the thrust nozzle 61 is connected to the bearing gas supply path 21 via the thrust bearing supply path 62. The bearing gas supply path 21 has a function of supplying a high-pressure gas such as air, and is connected to a bearing gas supply source such as an air compressor (not shown) disposed outside the gas bearing spindle 1. .

フランジ部12の一部(外周部)には、フランジ部12内において当該外周部に隣接する部分(たとえばスラストノズル61と対向するフランジ部12の部分)よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部12Bが形成されている。薄肉部12Bの一方の面には、フランジ部12の円周方向に沿って配列された複数のタービン翼15が形成されている。タービン翼15は、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸10をフランジ部12の周方向に回転させるためのものである。   A part of the flange portion 12 (outer peripheral portion) includes a thin portion 12B having a smaller axial thickness than a portion adjacent to the outer peripheral portion in the flange portion 12 (for example, a portion of the flange portion 12 facing the thrust nozzle 61). Is formed. A plurality of turbine blades 15 arranged along the circumferential direction of the flange portion 12 are formed on one surface of the thin portion 12B. The turbine blade 15 has a plate shape and receives the blown gas to rotate the rotating shaft 10 in the circumferential direction of the flange portion 12.

また、ハウジング20の内部には、フランジ部12の外周側に配置され、タービン翼15に対向する位置に開口を有し、ハウジング20の内壁からタービン翼15に向けて圧縮空気などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル73が形成されている。タービンノズル73は、フランジ部12の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝72に接続されている。円周溝72は駆動用気体供給路71に接続されている。つまり、タービンノズル73は、円周溝72を介して駆動用気体供給路71に接続されている。駆動用気体供給路71は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル1の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。   Further, the housing 20 is disposed on the outer peripheral side of the flange portion 12, has an opening at a position facing the turbine blade 15, and a driving gas such as compressed air from the inner wall of the housing 20 toward the turbine blade 15. A turbine nozzle 73 is formed so as to be able to eject the gas. The turbine nozzle 73 is connected to a circumferential groove 72 formed so as to extend in a direction along the outer periphery of the flange portion 12. The circumferential groove 72 is connected to the driving gas supply path 71. That is, the turbine nozzle 73 is connected to the driving gas supply path 71 via the circumferential groove 72. The driving gas supply path 71 has a function of supplying a gas such as high-pressure air, and is connected to a driving gas supply source such as an air compressor (not shown) disposed outside the gas bearing spindle 1.

ハウジング20には、駆動用気体排出路75が形成されている。駆動用気体排出路75は、フランジ部12の薄肉部12Bにおいてタービン翼15が形成された側の面であって、タービン翼15が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング20の外壁に他方の開口を有する。   A driving gas discharge path 75 is formed in the housing 20. The driving gas discharge passage 75 is a surface on the side where the turbine blade 15 is formed in the thin portion 12B of the flange portion 12 and is located at a position facing the inner peripheral side region from the region where the turbine blade 15 is formed. One opening is provided, and the other opening is provided on the outer wall of the housing 20.

上記構造において軸受スリーブ30は、軸受部であるベース体31と、後述する質量調整用部品32とを含む。ベース体31は、軸受スリーブ貫通穴33を有し、この軸受スリーブ貫通穴33の内周面が回転軸10の外周面11Aに対向する。軸受スリーブ貫通穴33の延びる方向(回転軸10の軸方向)における軸受スリーブ30の両端面と外径側面の端面側には、弾性部材であるゴム製のOリング41〜44がはめ込まれている。軸受スリーブ30は、上記Oリング41〜44を介してハウジング20に対して保持されている。この弾性部材としてのOリング41〜44によって、軸受スリーブ30と回転軸10との相対振動を減衰させることができる。   In the above structure, the bearing sleeve 30 includes a base body 31 that is a bearing portion, and a mass adjusting component 32 described later. The base body 31 has a bearing sleeve through hole 33, and the inner peripheral surface of the bearing sleeve through hole 33 faces the outer peripheral surface 11 </ b> A of the rotary shaft 10. Rubber O-rings 41 to 44, which are elastic members, are fitted on both end faces of the bearing sleeve 30 and end faces of the outer diameter side face in the direction in which the bearing sleeve through-hole 33 extends (the axial direction of the rotary shaft 10). . The bearing sleeve 30 is held with respect to the housing 20 via the O-rings 41 to 44. The relative vibration between the bearing sleeve 30 and the rotary shaft 10 can be damped by the O-rings 41 to 44 as the elastic members.

ここで、軸受スリーブ30は、回転軸10の側面の少なくとも一部に対向するように配置される。軸受スリーブ30において回転軸10と対向する部分であるベース体31は、カーボンと、カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む。より具体的には、軸受スリーブ30のベース体31は、カーボンと、当該カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を成形した成形体により構成される。たとえば、軸受スリーブ30のベース体31は、カーボンと樹脂との混合体からなる成形材、またはカーボンと金属との焼結材によって形成されている。また、回転軸10の円筒状の軸部11は、カーボンより線膨張係数の大きな材料の一例である鉄鋼系金属(たとえばステンレス鋼など)により形成されている。なお、上記カーボンと混合させる樹脂はたとえばフェノール系樹脂を用いることができる。また、当該カーボンと樹脂との混合体からなる成形材では、たとえばカーボンの組成比率は体積比で65%以上のものを使用する。この場合、樹脂の組成やカーボンの組成比率を調整することで軸受スリーブ30において回転軸10と対向する部分(ベース体31)の線膨張係数を調整する自由度を大きくできる。なお、カーボンと樹脂との混合体におけるカーボンの組成比率の下限として体積比が65%としたのは、その比率より低下すると軸受スリーブ30と回転軸10との接触時における耐焼付性能が低下するからである。またカーボンの組成比率が多いほど上記耐焼付性能は良好となるが、スリーブの線膨張係数が低くなり、カーボンのみで形成されたスリーブに対する線膨張係数の改善効果が期待できなくなる(つまり以上から軸受の運転条件に応じて最適な組成比率を選定する)。   Here, the bearing sleeve 30 is disposed so as to face at least a part of the side surface of the rotating shaft 10. The base body 31 which is a portion facing the rotating shaft 10 in the bearing sleeve 30 includes a mixture of carbon and carbon and a material having a different linear expansion coefficient. More specifically, the base body 31 of the bearing sleeve 30 is formed of a molded body obtained by molding a mixture of carbon and a material having a different linear expansion coefficient from the carbon. For example, the base body 31 of the bearing sleeve 30 is formed of a molding material made of a mixture of carbon and resin, or a sintered material of carbon and metal. The cylindrical shaft portion 11 of the rotating shaft 10 is formed of a steel-based metal (for example, stainless steel) that is an example of a material having a larger linear expansion coefficient than carbon. In addition, phenol resin can be used for resin mixed with the said carbon, for example. Moreover, in the molding material which consists of the mixture of the said carbon and resin, the composition ratio of carbon uses the thing of 65% or more by volume ratio, for example. In this case, the degree of freedom for adjusting the linear expansion coefficient of the portion (base body 31) facing the rotating shaft 10 in the bearing sleeve 30 can be increased by adjusting the resin composition and the carbon composition ratio. The reason why the volume ratio is 65% as the lower limit of the composition ratio of carbon in the mixture of carbon and resin is that the seizure resistance performance at the time of contact between the bearing sleeve 30 and the rotating shaft 10 is lowered when the volume ratio is lower than that ratio. Because. The higher the carbon composition ratio, the better the seizure resistance performance, but the sleeve has a lower coefficient of linear expansion, and the improvement effect of the coefficient of linear expansion on the sleeve made of only carbon cannot be expected (that is, bearing Select the optimal composition ratio according to the operating conditions of

またカーボンと金属との焼結材に関しては、カーボンと混合させる金属はたとえば鉄(Fe)又は銅(Cu)を用いることができる。また、上記焼結材において、たとえばカーボンの混合比率は体積比で25%以下である。この場合、カーボンの組成比率や金属の種類を選択することで、軸受スリーブ30におけるベース体31の線膨張係数を任意に調整することができる。なお、カーボンと金属との焼結体におけるカーボンの混合比率の上限を体積比で25%としたのは、これ以上カーボンが増加すると正常な金属の焼結が出来難くなるからである。   As for the sintered material of carbon and metal, for example, iron (Fe) or copper (Cu) can be used as the metal mixed with carbon. In the sintered material, for example, the mixing ratio of carbon is 25% or less by volume ratio. In this case, the linear expansion coefficient of the base body 31 in the bearing sleeve 30 can be arbitrarily adjusted by selecting the composition ratio of carbon and the type of metal. In addition, the upper limit of the mixing ratio of carbon in the sintered body of carbon and metal is set to 25% by volume because normal carbon sintering becomes difficult if the carbon is further increased.

このように、図1に示した気体軸受スピンドル1では、カーボンを用いることで軸受スリーブ30での軸受スリーブ貫通穴33の表面における潤滑性を確保するとともに、軸受スリーブ30全体としての線膨張係数を調整することができる。このため、回転軸10と軸受スリーブ30との線膨張係数の差を、軸受スリーブ30がカーボンのみから構成される場合より小さくすることが可能になる。この場合、回転軸10の回転に伴う気体摩擦による熱で回転軸10および軸受スリーブ30が熱膨張したときに、カーボンのみからなる軸受スリーブを用いた場合より、回転軸10と軸受スリーブ30との熱膨張による寸法変化の差を小さくできる。この結果、当該寸法変化に起因して回転軸10と軸受スリーブ30との間のジャーナル軸受隙間13が無くなり、回転軸10と軸受スリーブ30が接触するという不良の発生を抑制できる。   As described above, in the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 1, carbon is used to ensure lubricity on the surface of the bearing sleeve through-hole 33 in the bearing sleeve 30 and to increase the linear expansion coefficient of the bearing sleeve 30 as a whole. Can be adjusted. For this reason, it becomes possible to make the difference of the linear expansion coefficient of the rotating shaft 10 and the bearing sleeve 30 smaller than the case where the bearing sleeve 30 is comprised only from carbon. In this case, when the rotary shaft 10 and the bearing sleeve 30 are thermally expanded by heat due to gas friction accompanying the rotation of the rotary shaft 10, the rotation shaft 10 and the bearing sleeve 30 can be compared with the case where the bearing sleeve made of only carbon is used. The difference in dimensional change due to thermal expansion can be reduced. As a result, the journal bearing gap 13 between the rotating shaft 10 and the bearing sleeve 30 is eliminated due to the dimensional change, and the occurrence of a defect that the rotating shaft 10 and the bearing sleeve 30 come into contact can be suppressed.

上記軸受スリーブ30の両端面には回転軸に対して軸対称となるよう、例えば円周状に、複数個のタップ穴34が形成されている。固定用孔としての当該タップ穴34の内周面にはネジ加工が施されている。タップ穴34には、質量調整用部品32が挿入固定されている。質量調整用部品32の外周部にはネジ加工部が形成されている。つまり、質量調整用部品32は、タップ穴34にねじ込まれることにより固定されており、別の観点から言えば質量調整用部品32は軸受スリーブ30に対して着脱可能に設置されている。また別の観点から言えば、質量調整用部品32の少なくとも一部が軸受スリーブ30(具体的にはベース体31)に嵌め込まれることにより、質量調整用部品32は軸受スリーブ30に固定されている。この様な構成により、質量調整用部品32を軸受スリーブ30に容易に固定することができるとともに、質量調整用部品32の装着や離脱により、軸受スリーブ30の質量や重心の位置を容易に調整することができる。なお、この質量調整用部品32は、上記タップ穴34にねじ込まれる前に軸受スリーブ30の重さや重心位置が最適となるよう、その長さを調整されている。   A plurality of tap holes 34 are formed, for example, circumferentially on both end faces of the bearing sleeve 30 so as to be axially symmetric with respect to the rotation axis. The inner peripheral surface of the tap hole 34 as a fixing hole is threaded. A mass adjusting component 32 is inserted and fixed in the tap hole 34. A threaded portion is formed on the outer peripheral portion of the mass adjusting component 32. That is, the mass adjustment component 32 is fixed by being screwed into the tap hole 34, and the mass adjustment component 32 is detachably installed on the bearing sleeve 30 from another viewpoint. From another viewpoint, the mass adjusting component 32 is fixed to the bearing sleeve 30 by fitting at least a part of the mass adjusting component 32 into the bearing sleeve 30 (specifically, the base body 31). . With such a configuration, the mass adjusting component 32 can be easily fixed to the bearing sleeve 30, and the mass and the position of the center of gravity of the bearing sleeve 30 can be easily adjusted by attaching and detaching the mass adjusting component 32. be able to. Note that the length of the mass adjusting component 32 is adjusted so that the weight and the center of gravity of the bearing sleeve 30 are optimized before being screwed into the tap hole 34.

なお、この質量調整用部品32を構成する材料の線膨張係数は軸受スリーブ30を構成するベース体31を構成する材料(軸受スリーブ30において質量調整用部品32以外の部分を構成する材料)の線膨張係数と同等またはそれより大きいことが好ましい。この場合、回転軸10の回転中に軸受スリーブ30の温度が上昇した場合に、タップ穴34が形成されたベース体31の熱膨張による寸法変化(たとえばタップ穴34の径の拡大)より質量調整用部品32の熱膨張による寸法変化(たとえば質量調整用部品32の径の拡大)の方が大きいため、質量調整用部品32がタップ穴34から抜けることを抑制できる。   The linear expansion coefficient of the material constituting the mass adjusting component 32 is a line of the material constituting the base body 31 constituting the bearing sleeve 30 (the material constituting the portion other than the mass adjusting component 32 in the bearing sleeve 30). Preferably, it is equal to or larger than the expansion coefficient. In this case, when the temperature of the bearing sleeve 30 rises while the rotary shaft 10 is rotating, the mass is adjusted by a dimensional change (for example, an increase in the diameter of the tap hole 34) due to thermal expansion of the base body 31 in which the tap hole 34 is formed. Since the dimensional change due to the thermal expansion of the component 32 (for example, the increase in the diameter of the mass adjustment component 32) is larger, it is possible to suppress the mass adjustment component 32 from coming out of the tap hole 34.

また、上記気体軸受スピンドル1において、図1に示すように質量調整用部品32は軸受スリーブ30に複数個設置されていてもよい。軸受スリーブ30の中心軸に沿った方向における、軸受スリーブ30の重心の位置は、軸受スリーブ30の中心軸に沿った方向における中央部に位置している。この場合、上記重心の位置が軸受スリーブ30の中心軸に沿った方向における中心部からずれた場合に発生し得る、軸受スリーブ30での異常振動の発生を抑制することができる。   In the gas bearing spindle 1, a plurality of mass adjusting parts 32 may be installed on the bearing sleeve 30 as shown in FIG. 1. The position of the center of gravity of the bearing sleeve 30 in the direction along the central axis of the bearing sleeve 30 is located at the center in the direction along the central axis of the bearing sleeve 30. In this case, it is possible to suppress the occurrence of abnormal vibration in the bearing sleeve 30 that may occur when the position of the center of gravity deviates from the central portion in the direction along the central axis of the bearing sleeve 30.

また、複数の質量調整用部品32は軸受スリーブ30の中心軸に対して軸対称な位置に配置されている。具体的には、たとえば軸受スリーブ30の中心軸を中心として円周上に等間隔で並ぶように、複数の質量調整用部品32は配置される。この場合、回転軸10の回転に伴い軸受スリーブ30が振動するような際に、質量調整用部品32が軸受スリーブ30の中心軸に対して非対称な位置(偏った位置)に配置されることに起因する異常振動の発生を抑制できる。   Further, the plurality of mass adjusting parts 32 are arranged at positions symmetrical with respect to the central axis of the bearing sleeve 30. Specifically, for example, the plurality of mass adjusting parts 32 are arranged so as to be arranged at equal intervals on the circumference around the central axis of the bearing sleeve 30. In this case, when the bearing sleeve 30 vibrates with the rotation of the rotating shaft 10, the mass adjusting component 32 is disposed at an asymmetrical position (biased position) with respect to the central axis of the bearing sleeve 30. It is possible to suppress the occurrence of abnormal vibration.

次に、図1に示した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源から供給された圧縮空気などの軸受用気体は、軸受用気体供給路21、周状空間22、スリーブ給気路52およびジャーナルノズル51を通じてジャーナル軸受隙間13に供給される。さらに、図示しない軸受用気体供給源から供給された軸受用気体は、軸受用気体供給路21、スラスト軸受給気路62およびスラストノズル61を通じてスラスト軸受隙間14に供給される。これにより、ジャーナル軸受隙間13およびスラスト軸受隙間14においては、供給された軸受用気体により気体膜(気体層)が形成される。その結果、回転軸10は、回転軸10を軸方向に垂直な方向(ラジアル方向)および軸方向(アキシアル方向)において、ハウジング20に対して非接触かつ回転自在に軸支される。   Next, the operation of the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 1 will be described. Bearing gas such as compressed air supplied from a bearing gas supply source (not shown) is supplied to the journal bearing gap 13 through the bearing gas supply path 21, the circumferential space 22, the sleeve air supply path 52, and the journal nozzle 51. . Further, the bearing gas supplied from a bearing gas supply source (not shown) is supplied to the thrust bearing gap 14 through the bearing gas supply path 21, the thrust bearing supply path 62 and the thrust nozzle 61. Thereby, in the journal bearing gap 13 and the thrust bearing gap 14, a gas film (gas layer) is formed by the supplied bearing gas. As a result, the rotating shaft 10 is supported in a non-contact and rotatable manner with respect to the housing 20 in a direction (radial direction) and an axial direction (axial direction) perpendicular to the axial direction of the rotating shaft 10.

また、図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源から供給された駆動用気体は、駆動用気体供給路71から円周溝72を通じてタービンノズル73に供給される。タービンノズル73に供給された駆動用気体は、タービン翼15に向けて噴出される。そして、噴出した駆動用気体をタービン翼15で受けることにより、フランジ部12には回転軸10の軸まわりに回転する駆動力(トルク)が与えられる。この結果、回転軸10が軸まわりに回転する。回転軸10に駆動力を与えた駆動用気体は、駆動用気体排出路75から気体軸受スピンドル1の外部へと排出される。   A driving gas supplied from a driving gas supply source such as an air compressor (not shown) is supplied from the driving gas supply passage 71 to the turbine nozzle 73 through the circumferential groove 72. The driving gas supplied to the turbine nozzle 73 is ejected toward the turbine blade 15. Then, the driving force (torque) that rotates around the axis of the rotary shaft 10 is applied to the flange portion 12 by receiving the jetted driving gas at the turbine blade 15. As a result, the rotating shaft 10 rotates around the axis. The driving gas that gives the driving force to the rotating shaft 10 is discharged from the driving gas discharge path 75 to the outside of the gas bearing spindle 1.

以上のように、図1に示した気体軸受スピンドル1の軸受スリーブ30は、ベース体31がカーボンと樹脂との成型材、またはカーボンと金属との焼結材によって形成されているため、樹脂や金属の種類や配合率を調整することで、ベース体31が黒鉛単体により形成された場合に比較して、軸受スリーブ30の線膨張係数を黒鉛より鉄鋼系金属の線膨張係数により近くすることができる。このため、比較的安価な鉄鋼系金属材料を回転軸10に採用しても、回転時の軸受部の発熱による軸受隙間(ジャーナル軸受隙間13)の減少量は少なく、安定した軸受性能が得られる。   As described above, the bearing sleeve 30 of the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 1 has the base body 31 formed of a molding material of carbon and resin, or a sintered material of carbon and metal. By adjusting the type and blending ratio of the metal, the linear expansion coefficient of the bearing sleeve 30 can be made closer to the linear expansion coefficient of the steel-based metal than graphite compared to the case where the base body 31 is formed of graphite alone. it can. For this reason, even if a relatively inexpensive steel-based metal material is adopted for the rotary shaft 10, the amount of reduction in the bearing gap (journal bearing gap 13) due to heat generation of the bearing portion during rotation is small, and stable bearing performance can be obtained. .

例えば、黒鉛の線膨張係数が約4×10−6/℃であるのに対して、カーボンと樹脂との成形材においてカーボンの混合比率を上記の体積比の条件内で適宜に選定すれば、線膨張係数を約15×10−6/℃とすることができ、また、カーボンと金属との焼結材においても同様に、上記の体積比の条件内でカーボンの混合比率を適宜に選定すれば、線膨張係数を約12×10−6/℃とすることができる。 For example, if the linear expansion coefficient of graphite is about 4 × 10 −6 / ° C., the mixing ratio of carbon in the molding material of carbon and resin is appropriately selected within the above volume ratio conditions, The linear expansion coefficient can be set to about 15 × 10 −6 / ° C. In the case of a sintered material of carbon and metal, the carbon mixing ratio can be appropriately selected within the above volume ratio conditions. For example, the linear expansion coefficient can be about 12 × 10 −6 / ° C.

なおここで、樹脂系の成形材は、たとえば粉末状カーボンと液体状のフェノール系樹脂が上記比率で混合され、熱圧成形されて製造されており、また金属系の焼結体は、カーボン粉と金属粉が上記比率で混合され、金型内で加圧されて成形され、その後炉内でその金属の融点より低い温度で加熱され固体化されて製造されている。   Here, the resin-based molding material is produced, for example, by mixing powdered carbon and liquid phenolic resin in the above ratio and hot-press molding, and the metal-based sintered body is carbon powder. And metal powder are mixed in the above ratio, pressed and molded in a mold, and then heated and solidified in a furnace at a temperature lower than the melting point of the metal.

なお、上記軸受スリーブ30を構成するベース体31の材料はカーボンと他の材質とが混合された成型材もしくは焼結材であり、カーボンが含まれているため、従来の黒鉛単体から成るベース体31と同様に、回転軸10と軸受スリーブ30との接触事故時における耐焼付き性は良好に保たれている。さらに耐食性や耐摩耗性を向上させるために、上記回転軸10の表面に硬質クロムめっきなどのめっき処理のような表面処理層を形成してもよい。   The material of the base body 31 constituting the bearing sleeve 30 is a molding material or sintered material in which carbon and other materials are mixed, and since carbon is included, the base body made of a conventional graphite body alone. Similar to 31, seizure resistance at the time of a contact accident between the rotating shaft 10 and the bearing sleeve 30 is kept good. Further, in order to improve the corrosion resistance and wear resistance, a surface treatment layer such as a plating treatment such as hard chrome plating may be formed on the surface of the rotary shaft 10.

また、軸受スリーブ30は、Oリング41〜44によってハウジング20に支持されている。また、軸受スリーブ30のベース体31には質量調整用部品32が付加されている。質量調整用部品32の長さ(すなわち質量調整用部品32の重さ)を任意に調整することにより、軸受スリーブ30の質量を最適な値に近づけることができる。また、当該質量調整用部品32の重さや配置を調整することにより、軸受スリーブ30の軸方向における重心の位置を調整することができる。このため、回転中における軸受スリーブ30の振動を効果的に減衰させることができる。したがって、回転軸10の振れ回り量が小さく、スラスト軸受部のフランジ部12と気体スラスト軸受部材60との接触を防止でき、且つ回転軸10の軸端の振れ回り量も抑えることができる。   The bearing sleeve 30 is supported on the housing 20 by O-rings 41 to 44. Further, a mass adjusting component 32 is added to the base body 31 of the bearing sleeve 30. By arbitrarily adjusting the length of the mass adjustment component 32 (that is, the weight of the mass adjustment component 32), the mass of the bearing sleeve 30 can be brought close to an optimum value. Further, by adjusting the weight and arrangement of the mass adjusting component 32, the position of the center of gravity in the axial direction of the bearing sleeve 30 can be adjusted. For this reason, the vibration of the bearing sleeve 30 during rotation can be effectively damped. Therefore, the swing amount of the rotating shaft 10 is small, the contact between the flange portion 12 of the thrust bearing portion and the gas thrust bearing member 60 can be prevented, and the swing amount of the shaft end of the rotating shaft 10 can also be suppressed.

以上のように、実施の形態1の気体軸受スピンドル1によれば、回転軸10の軸受隙間(ジャーナル軸受隙間13)の変化量が小さいため軸受性能が安定し、且つ回転軸10の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能である。   As described above, according to the gas bearing spindle 1 of the first embodiment, since the amount of change in the bearing gap (journal bearing gap 13) of the rotating shaft 10 is small, the bearing performance is stable and the whirling vibration of the rotating shaft 10 is achieved. Can be efficiently attenuated.

(実施の形態2)
図2は、本発明の一実施の形態である実施の形態2の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図2を参照して、本発明の実施の形態2における気体軸受スピンドル1を説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the gas bearing spindle according to the second embodiment which is an embodiment of the present invention. With reference to FIG. 2, the gas bearing spindle 1 in Embodiment 2 of this invention is demonstrated.

図2に示した気体軸受スピンドル1は、基本的には図1に示した気体軸受スピンドル1と同様の構成を備える。ただし、図2に示した気体軸受スピンドル1では、軸受スリーブ30の両端面部でなく、軸受スリーブ30の軸方向に対する側面(円周状の外周側面)に質量調整用部品32が配置されている点が図1に示した気体軸受スピンドル1と異なっている。つまり、図2に示した気体軸受スピンドル1では、軸受スリーブ30を構成するベース体31の外周側面において、軸受スリーブ30の軸方向における中央部にタップ穴34が形成され、当該タップ穴34に質量調整用部品32がねじ込まれて固定されている。   The gas bearing spindle 1 shown in FIG. 2 basically has the same configuration as the gas bearing spindle 1 shown in FIG. However, in the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 2, the mass adjusting component 32 is arranged on the side surface (circumferential outer peripheral side surface) with respect to the axial direction of the bearing sleeve 30 instead of the both end surface portions of the bearing sleeve 30. Is different from the gas bearing spindle 1 shown in FIG. That is, in the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 2, the tap hole 34 is formed in the center portion in the axial direction of the bearing sleeve 30 on the outer peripheral side surface of the base body 31 constituting the bearing sleeve 30. The adjustment part 32 is screwed and fixed.

このような構成によっても、図1に示した気体軸受スピンドル1と同様の効果を得ることができる。   Even with such a configuration, the same effect as the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 1 can be obtained.

(実施の形態3)
図3は、本発明の一実施の形態である実施の形態3の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図3を参照して、本発明の実施の形態3における気体軸受スピンドル1の構成について説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a gas bearing spindle according to Embodiment 3, which is an embodiment of the present invention. With reference to FIG. 3, the structure of the gas bearing spindle 1 in Embodiment 3 of this invention is demonstrated.

図3に示した気体軸受スピンドル1も、基本的には図1に示した気体軸受スピンドル1と同様の構成を備える。ただし、図3に示した気体軸受スピンドル1では、軸受スリーブ30を構成するベース体31の外周側面の両端部にネジ加工部45が形成されている。当該ネジ加工部45は、上記ベース体31の外周側面の両端部において円周状に形成された凹部内に形成されている。より具体的には、円周状に形成された凹部の、軸受スリーブ30の中心軸に沿った壁面にネジ加工部45が形成されている。当該凹部に、リング状で内側にねじ加工された質量調整用部品32が固定されている。当該質量調整用部品32はたとえば金属製である。   The gas bearing spindle 1 shown in FIG. 3 basically has the same configuration as the gas bearing spindle 1 shown in FIG. However, in the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 3, threaded portions 45 are formed at both ends of the outer peripheral side surface of the base body 31 constituting the bearing sleeve 30. The threaded portion 45 is formed in a recess formed in a circumferential shape at both ends of the outer peripheral side surface of the base body 31. More specifically, a threaded portion 45 is formed on the wall surface along the central axis of the bearing sleeve 30 of the circumferentially formed recess. A mass adjusting component 32 that is ring-shaped and screwed inward is fixed to the recess. The mass adjusting component 32 is made of metal, for example.

図3に示した気体軸受スピンドル1では、図1に示した気体軸受スピンドル1と同様の効果を得ることができる。さらに、図3に示した気体軸受スピンドル1では、軸受スリーブ30の両端にリング状の質量調整用部品32が設置されているため、ハウジング20に対して軸受スリーブ30を抜き差しする工程を実施する際に、ベース体31の両端外径側の隅をハウジング20等に当てて損傷させる心配がなく、上記の工程の作業を容易に行なうことができる。   In the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 3, the same effect as the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 1 can be obtained. Further, in the gas bearing spindle 1 shown in FIG. 3, since the ring-shaped mass adjusting parts 32 are installed at both ends of the bearing sleeve 30, when the process of inserting and removing the bearing sleeve 30 with respect to the housing 20 is performed. In addition, there is no fear of damaging the outer diameter side corners of the base body 31 against the housing 20 or the like, and the above process can be easily performed.

なお、上記実施の形態1〜3においては、本発明の気体軸受スピンドルの一例として、ジャーナルノズル51が2列に形成された場合について説明したが、本発明の気体軸受スピンドルはこれに限られず、ジャーナルノズル51が3以上の列を成すように形成されたものであってもよい。また、実施の形態1〜3においては、軸受スリーブ30の端面側および外径側面側のそれぞれに1つずつ、合計4つの溝が形成され、弾性部材としてのOリング41〜44が嵌め込まれた場合について説明したが、気密性向上などを目的として、溝が3本以上形成され、3つ以上の弾性部材(たとえばOリング)がそれぞれ当該溝に嵌め込まれていてもよい。   In the first to third embodiments, the case where the journal nozzles 51 are formed in two rows as an example of the gas bearing spindle of the present invention has been described. However, the gas bearing spindle of the present invention is not limited to this, The journal nozzles 51 may be formed so as to form three or more rows. In the first to third embodiments, a total of four grooves are formed, one on each of the end face side and the outer diameter side face side of the bearing sleeve 30, and O-rings 41 to 44 as elastic members are fitted. Although the case has been described, for the purpose of improving airtightness, three or more grooves may be formed, and three or more elastic members (for example, O-rings) may be fitted in the grooves, respectively.

また、溝は、軸受スリーブ30のベース体31における端面側に複数形成してもよいし、ベース体31の外周側側面(周状空間22と対向する側面)に複数形成してもよい。この場合、軸受スリーブ30および回転軸10の振れ回り振動をより確実に弾性部材としてのOリングにより吸収することができる。また逆に、弾性部材の剛性を小さくすること等を目的として、弾性部材一個を、軸受スリーブ30の両端面における外径側角部に嵌め込んでもよい。具体的には、軸受スリーブ30を構成するベース体31の両端面における外径側(外周側)の端部の角を削るように溝を形成し、当該溝に弾性部材を配置する。このようにすれば、ジャーナル軸受用の弾性部材とスラスト軸受用の弾性部材の機能を当該1つの弾性部材(たとえばOリング)で兼用可能となる。   Further, a plurality of grooves may be formed on the end surface side of the base body 31 of the bearing sleeve 30 or a plurality of grooves may be formed on the outer peripheral side surface (side surface facing the circumferential space 22) of the base body 31. In this case, the whirling vibration of the bearing sleeve 30 and the rotating shaft 10 can be more reliably absorbed by the O-ring as an elastic member. Conversely, for the purpose of reducing the rigidity of the elastic member, one elastic member may be fitted into the outer diameter side corners on both end faces of the bearing sleeve 30. Specifically, a groove is formed so as to cut off corners of the outer diameter side (outer peripheral side) of both end faces of the base body 31 constituting the bearing sleeve 30, and an elastic member is disposed in the groove. In this way, the function of the elastic member for journal bearing and the elastic member for thrust bearing can be shared by the one elastic member (for example, O-ring).

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明によるスピンドル装置は、軸受として静圧気体軸受を用いたスピンドル装置であって、精密加工機や精密検査装置のワークスピンドル装置または工具スピンドル装置などに使用されるものに有利に適用される。   The spindle device according to the present invention is advantageously applied to a spindle device using a static pressure gas bearing as a bearing and used for a work spindle device or a tool spindle device of a precision processing machine or a precision inspection device.

本発明の一実施の形態である実施の形態1の気体軸受スピンドルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the gas bearing spindle of Embodiment 1 which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である実施の形態2の気体軸受スピンドルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the gas bearing spindle of Embodiment 2 which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である実施の形態3の気体軸受スピンドルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the gas bearing spindle of Embodiment 3 which is one embodiment of this invention. 従来の気体軸受スピンドル(静圧空気軸受スピンドル)のジャーナル軸受部を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the journal bearing part of the conventional gas bearing spindle (hydrostatic air bearing spindle).

符号の説明Explanation of symbols

1 気体軸受スピンドル、10 回転軸、11 軸部、11A 外周面、12 フランジ部、12A 端面、12B 薄肉部、13 ジャーナル軸受隙間、14 スラスト軸受隙間、15 タービン翼、19 保持部、20 ハウジング、21 軸受用気体供給路、22 周状空間、30 軸受スリーブ、31 ベース体、32 質量調整用部品、33 軸受スリーブ貫通穴、34 タップ穴、41〜44 Oリング、45 ネジ加工部、51 ジャーナルノズル、52 スリーブ給気路、60 気体スラスト軸受部材、61 スラストノズル、62 スラスト軸受給気路、71 駆動用気体供給路、72 円周溝、73 タービンノズル、75 駆動用気体排出路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas bearing spindle, 10 Rotating shaft, 11 Shaft part, 11A Outer peripheral surface, 12 Flange part, 12A End surface, 12B Thin wall part, 13 Journal bearing gap, 14 Thrust bearing gap, 15 Turbine blade, 19 Holding part, 20 Housing, 21 Gas supply path for bearing, 22 circumferential space, 30 bearing sleeve, 31 base body, 32 parts for mass adjustment, 33 bearing sleeve through hole, 34 tap hole, 41-44 O-ring, 45 threaded portion, 51 journal nozzle, 52 sleeve air supply path, 60 gas thrust bearing member, 61 thrust nozzle, 62 thrust bearing air supply path, 71 driving gas supply path, 72 circumferential groove, 73 turbine nozzle, 75 driving gas discharge path.

Claims (11)

回転軸と、
前記回転軸の側面の少なくとも一部に対向するように配置された軸受スリーブとを備え、
前記軸受スリーブは、カーボンと、前記カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む、気体軸受スピンドル。
A rotation axis;
A bearing sleeve arranged to face at least a part of a side surface of the rotating shaft,
The bearing sleeve is a gas bearing spindle including a mixture of carbon and a material having a different linear expansion coefficient from the carbon.
前記回転軸は前記カーボンより線膨張係数の大きな材料により形成され、
前記混合体を構成する前記材料は、前記カーボンの線膨張係数より大きな線膨張係数を有する、請求項1に記載の気体軸受スピンドル。
The rotating shaft is formed of a material having a larger linear expansion coefficient than the carbon,
The gas bearing spindle according to claim 1, wherein the material constituting the mixture has a linear expansion coefficient larger than a linear expansion coefficient of the carbon.
前記混合体を構成する前記材料は樹脂であり、
前記軸受スリーブにおいて前記回転軸と対向する部分は、前記カーボンと前記樹脂との混合物を成形した成形体により構成される、請求項1に記載の気体軸受スピンドル。
The material constituting the mixture is a resin,
2. The gas bearing spindle according to claim 1, wherein a portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft is configured by a molded body obtained by molding a mixture of the carbon and the resin.
前記混合体を構成する前記材料は金属であり、
前記軸受スリーブにおいて前記回転軸と対向する部分は、前記カーボンと前記金属との焼結体である、請求項1に記載の気体軸受スピンドル。
The material constituting the mixture is a metal,
The gas bearing spindle according to claim 1, wherein a portion of the bearing sleeve that faces the rotating shaft is a sintered body of the carbon and the metal.
前記軸受スリーブは、前記軸受スリーブの質量を調整するための質量調整用部品を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の気体軸受スピンドル。   The gas bearing spindle according to claim 1, wherein the bearing sleeve includes a mass adjusting component for adjusting a mass of the bearing sleeve. 前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに複数個設置され、
複数の前記質量調整用部品は前記軸受スリーブの中心軸に対して軸対称な位置に配置される、請求項5に記載の気体軸受スピンドル。
A plurality of the mass adjusting parts are installed on the bearing sleeve,
The gas bearing spindle according to claim 5, wherein the plurality of mass adjusting parts are disposed at positions that are axisymmetric with respect to a central axis of the bearing sleeve.
前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに複数個設置され、
前記軸受スリーブの中心軸に沿った方向における、前記軸受スリーブの重心の位置は、前記軸受スリーブの前記中心軸に沿った方向における中央部に位置する、請求項5に記載の気体軸受スピンドル。
A plurality of the mass adjusting parts are installed on the bearing sleeve,
6. The gas bearing spindle according to claim 5, wherein a position of a center of gravity of the bearing sleeve in a direction along the central axis of the bearing sleeve is located at a central portion of the bearing sleeve in a direction along the central axis.
前記質量調整用部品を構成する材料は、前記軸受スリーブにおいて前記質量調整用部品以外の部分を構成する材料の線膨張係数の値以上の線膨張係数の値を有し、
前記質量調整用部品の少なくとも一部が前記軸受スリーブに嵌め込まれることにより、前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに固定されている、請求項5〜7のいずれか1項に記載の気体軸受スピンドル。
The material constituting the mass adjustment component has a value of a linear expansion coefficient equal to or greater than the value of the linear expansion coefficient of the material constituting the portion other than the mass adjustment component in the bearing sleeve,
The gas bearing spindle according to claim 5, wherein the mass adjusting component is fixed to the bearing sleeve by fitting at least a part of the mass adjusting component into the bearing sleeve. .
前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに着脱可能に設置されている、請求項5〜8のいずれか1項に記載の気体軸受スピンドル。   The gas bearing spindle according to claim 5, wherein the mass adjusting component is detachably installed on the bearing sleeve. 前記軸受スリーブには、内部にネジ加工が施された固定用孔が形成され、
前記質量調整用部品の表面にはネジ加工部が形成され、
前記質量調整用部品は前記固定用孔にねじ込まれることにより固定される、請求項9に記載の気体軸受スピンドル。
The bearing sleeve is formed with a fixing hole that is internally threaded,
A threaded portion is formed on the surface of the mass adjusting component,
The gas bearing spindle according to claim 9, wherein the mass adjusting component is fixed by being screwed into the fixing hole.
前記軸受スリーブの側面端部には、前記側面の外周に沿ってネジ加工部が形成され、
前記質量調整用部品は、内周部にネジ加工が施されたリング状部材であって、
前記質量調整用部品は、前記ネジ加工が施された内周部を前記軸受スリーブの前記ネジ加工部と嵌合させることにより固定されている、請求項9に記載の気体軸受スピンドル。
A threaded portion is formed on the side surface end of the bearing sleeve along the outer periphery of the side surface,
The mass adjusting component is a ring-shaped member having a threaded inner peripheral portion,
The gas bearing spindle according to claim 9, wherein the mass adjusting component is fixed by fitting an inner peripheral portion on which the threading is performed with the threading portion of the bearing sleeve.
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