JP2010249315A - Static pressure gas bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などの位置決め装置に用いる、可動体を非接触支持する静圧気体軸受の高剛性化に関するものである。 The present invention relates to an increase in rigidity of a hydrostatic gas bearing that supports a movable body in a non-contact manner and is used in a positioning device such as a precision processing machine, a precision measuring machine, or a semiconductor manufacturing apparatus.
精密加工機や精密計測機あるいは半導体製造装置などで用いる位置決め装置を高性能化するためには、位置決め対象物を支持する軸受の高度化が必要である。位置決め精度の要求レベルがナノメータレベルの場合、非接触支持による摩擦レス・発塵レス・低発熱といった特徴から、静圧気体軸受が一般に用いられている。しかし、更にサブナノメータレベルに達する位置決めの高精度化を狙った場合、一般的な静圧気体軸受では、剛性が不足するという問題点があった。 In order to improve the performance of a positioning device used in a precision processing machine, a precision measuring machine, a semiconductor manufacturing apparatus, etc., it is necessary to upgrade a bearing that supports a positioning object. When the required level of positioning accuracy is on the nanometer level, static pressure gas bearings are generally used because of features such as frictionless, dust-free and low heat generation due to non-contact support. However, when aiming at higher positioning accuracy reaching the sub-nanometer level, a general static pressure gas bearing has a problem of insufficient rigidity.
従来、剛性を高めるために、軸受隙間に作用する負荷の変動によって流量を変化させる要素を有した、可変絞り型静圧気体軸受が提案されている。流量を変化させる要素は、配置する位置によって、給気位置と排気位置の2種類に、また方式によって、自動調整絞りと制御絞りの2種類に分けられる。 Conventionally, in order to increase the rigidity, there has been proposed a variable-throttle type static pressure gas bearing having an element that changes the flow rate according to a change in load acting on the bearing gap. The elements that change the flow rate are classified into two types, that is, an air supply position and an exhaust position, depending on the arrangement position, and two types, that is, an automatic adjustment throttle and a control throttle, depending on the method.
自動調整絞りとは、軸受隙間の圧力変動を利用して、自動的に絞りを調整する方式である。また、制御絞りとは、軸受隙間の変化をセンシングして、圧電素子などのアクチュエータを制御することで絞りを調整する方式である。以後、給気位置に設けた自動調整絞りを給気自動調整絞り、給気位置に設けた制御絞りを給気制御絞り、排気位置に設けた自動調整絞りを排気自動調整絞り、排気位置に設けた制御絞りを排気制御絞りと呼ぶこととする。 The automatic adjustment throttle is a system that automatically adjusts the throttle using the pressure fluctuation in the bearing gap. The control diaphragm is a method of adjusting the diaphragm by sensing a change in the bearing gap and controlling an actuator such as a piezoelectric element. Thereafter, the automatic adjustment throttle provided at the supply position is provided with the automatic supply adjustment throttle, the control throttle provided at the supply position is provided with the supply control throttle, the automatic adjustment throttle provided at the exhaust position is provided with the exhaust automatic adjustment throttle, and the exhaust position. This control throttle is called an exhaust control throttle.
これらの具体的な従来例として、給気自動調整絞りに関しては、特許文献1に開示されたものがある。これは、固定給気絞りに可変絞りとなる可動物体を付加し、可動物体を動作させるための圧力室(特許文献1の文中では、下部ポケットと記載)と、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路を備えた構成である。軸受隙間の変化による軸受隙間内の圧力変動を、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路を経由して圧力室に伝達し、可動物体を動作させることで、軸受隙間への流量を調整し、高剛性化を図っている。
As these specific prior arts, there is one disclosed in
また、給気制御絞りに関しては、特許文献2に開示されたものがある。これは、スロット状給気絞りのスロット間隔を、圧電素子により駆動される調整スリーブにより、変化させる構造を有する。別途備えた変位センサにより軸受隙間の変化量をセンシングし、フィードバック制御を行って、軸受隙間の変化量を打ち消すように圧電素子を駆動することで、高剛性化を図っている。
Further, there is an air supply control throttle disclosed in
さらに、排気制御絞りに関しては、特許文献3に開示されたものがある。これは、ラジアル静圧気体軸受において、給気経路に囲まれた領域に設けた排気路に、圧電素子によって駆動可能な排気制御絞りを組み込んだ構成である。別途備えた変位センサにより、軸受隙間の変化量をセンシングし、フィードバック制御を行い、軸受隙間の変化量を打ち消すように圧電素子を駆動することで、排気流量を可変し、高剛性化を図っている。
Further, there is an exhaust control throttle disclosed in
しかしながら、上記特許文献1に開示されたものは、圧力室、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路、可動物体を備えた構成であり、負荷の変動に対して、流量を変化させる要素の応答性が低く、高周波数において高い剛性を得ることは困難であるという問題があった。また、軸受隙間の大きい部分の負荷容量を、ある程度維持した状態となっており、軸受隙間の大きい領域の負荷容量を低下させることで高剛性化できる余地があった。
However, what is disclosed in
また、上記特許文献2、3に開示されたものは、制御を利用した高剛性化手法であるため、変位センサや、圧電素子といったアクチュエータが必須である。そのため、装置構成が複雑になるとともに、圧電素子を駆動するための周辺機器が必要となり、装置が高額となっていた。
Moreover, since what was disclosed by the said
また、圧電素子の固定部分および圧電素子そのものの共振周波数により、給気制御絞りまたは排気制御絞りの応答性が制限されるため、高周波数領域において、応答することが困難であり、高い剛性が得られなかった。 In addition, the response of the air supply control throttle or the exhaust control throttle is limited by the resonance frequency of the fixed portion of the piezoelectric element and the piezoelectric element itself, so that it is difficult to respond in a high frequency region, and high rigidity is obtained. I couldn't.
本発明の目的は、高い応答性を有し、高周波数領域でも高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供することである。 An object of the present invention is to provide a hydrostatic gas bearing having high responsiveness and realizing high rigidity even in a high frequency region.
上記課題を解決するために本発明の静圧気体軸受は、案内面に対して軸受隙間をおいて相対する軸受面と、前記軸受隙間に気体を介在させた静圧気体軸受において、前記軸受隙間に前記気体を供給する給気路およびまたは前記軸受隙間から前記気体を排気する排気路を有し、前記給気路およびまたは前記排気路と、前記軸受隙間と、の間に可撓部材が配置され、前記可撓部材は、前記可撓部材の給気路側の気体の圧力およびまたは前記可撓部材の排気路側の気体の圧力と、前記軸受隙間側の気体の圧力の差によって変形することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a static pressure gas bearing according to the present invention includes a bearing surface facing the guide surface with a bearing gap therebetween, and a static pressure gas bearing in which a gas is interposed in the bearing gap. An air supply path for supplying the gas and / or an exhaust path for exhausting the gas from the bearing gap, and a flexible member is disposed between the air supply path and / or the exhaust path and the bearing gap. The flexible member is deformed by the difference between the gas pressure on the air supply path side of the flexible member and / or the gas pressure on the exhaust path side of the flexible member and the gas pressure on the bearing gap side. Features.
精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などで用いる位置決め装置において、本発明によるところの応答性の高い自動調整絞りを有する静圧気体軸受を用いることで、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供することができる。 Realization of high rigidity over a wide frequency range by using a static pressure gas bearing with a highly responsive automatic adjustment throttle according to the present invention in a positioning device used in precision processing machines, precision measuring machines or semiconductor manufacturing equipment. It is possible to provide a hydrostatic gas bearing.
(第1の実施形態)
本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図1は第1の実施形態であって、給気自動調整絞りを有する静圧気体軸受の概略構成を示す模式断面図である。図1は、静圧気体軸受10を示す。案内部9の案内面9aに対して、軸受隙間Crをおいて相対する軸受面2と、前記軸受隙間Crに介在させた気体により、前記案内面9aは支持される。5は、前記軸受隙間Crに前記気体をする給気路である。7は、給気路と軸受隙間との間に配置された可撓部材である。本実施形態においては、可撓部材7は、基体6に設けられた給気路5の端部にあって、例えば基体6と一体的に形成されている薄肉板で構成される。この可撓部材7には軸受隙間Crと給気路5とを連通させる給気孔3が設けられ、加圧気体供給源(不図示)からの加圧気体を給気路5を通して給気孔3から軸受隙間Crに供給する。可撓部材7の、案内面9aに相対する面を、以下、可撓性軸受面1と称し、それ以外の軸受面2(基体6の、案内面9aに相対する面)を、非可撓性軸受面と称する。
(First embodiment)
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a static pressure gas bearing having a first automatic adjustment throttle according to a first embodiment. FIG. 1 shows a static pressure gas bearing 10. The
一般の静圧気体軸受は、絞りを経由して軸受隙間Crに加圧気体を供給し、軸受隙間Crに形成される気体膜の圧力によって負荷を支持するものである。そのため、負荷が増加した場合は軸受隙間Crが減少し、絞りの軸受隙間側の気体の圧力が上昇して軸受隙間Crの気体の圧力が負荷と釣り合う。しかし本実施形態の静圧気体軸受10は、可変する自成絞りによって軸受隙間Crへの加圧気体の供給量を調整するものである。ここで、自成絞りとは、給気孔3の直径をdとし、給気孔縁4と給気孔縁4に相対する案内面9aとの距離を示す高さを自成絞り高さhとしたとき、直径d、自成絞り高さhの仮想円筒の側面が絞りとして作用するものである。
In general static pressure gas bearings, pressurized gas is supplied to the bearing gap Cr via a restriction, and the load is supported by the pressure of the gas film formed in the bearing gap Cr. Therefore, when the load increases, the bearing gap Cr decreases, the gas pressure on the bearing gap side of the throttle increases, and the gas pressure in the bearing gap Cr balances with the load. However, the static pressure gas bearing 10 of the present embodiment adjusts the amount of pressurized gas supplied to the bearing gap Cr by a variable self-contained throttle. Here, the self-contained throttle is when the diameter of the
本実施形態は、可撓性を持つ可撓部材7に自成絞りを形成する給気孔3を設けたことを特徴としている。軸受に作用する負荷に応じて可撓部材7が変形し、自成絞り高さhが変化する。すなわち可変絞りとなる。以下、従来の自成絞りを固定自成絞りと呼び、本発明の静圧気体軸受に用いられる給気自動調整絞りであって、可撓性軸受面が変形する自成絞りを可変自成絞りと呼ぶことにする。
This embodiment is characterized in that an
図1(b)、(c)、(d)は第1の実施形態に係る給気自動調整絞りである可変自成絞りを有する静圧気体軸受の動作原理を説明した図である。図1(b)は、軸受に作用する負荷と軸受隙間内の気体の圧力が釣り合った状態を示している。ここで、軸受隙間Crと給気路5とを連通させる可撓部材7にあけた給気孔3の給気孔縁4と給気孔縁4に相対する案内面9aからなる自成絞りによって絞られた直後の気体の圧力のことを、軸受隙間側の気体の圧力と呼ぶこととする。また、給気圧力Psであって、可撓部材7にあけた給気孔3の給気路側の気体の圧力を、給気路側の気体の圧力と呼ぶこととする。給気路側の気体の圧力Psは、軸受隙間側の気体の圧力P0より大きいため、可撓部材7を挟む両側の圧力差により、可撓性軸受面1は、相対する案内面9a側に凸に撓んだ状態となる。
FIGS. 1B, 1C, and 1D are views for explaining the operating principle of a static pressure gas bearing having a variable self-contained throttle that is an air supply automatic adjustment throttle according to the first embodiment. FIG. 1B shows a state in which the load acting on the bearing and the gas pressure in the bearing gap are balanced. Here, the air gap is narrowed by a self-contained throttle composed of the air
本実施形態による可変自成絞りを備えた静圧気体軸受10によれば、図1(b)に示す釣り合い状態から、負荷が減少した場合、釣り合いを保つために、図1(c)に示すように、軸受隙間側の気体の圧力がP0からP2(P2<P0)へと減少する。そのため、可撓部材7を挟む両側の圧力差が大きくなり、可撓性軸受面1が相対する案内面9aに近づく方向へ変形する。その結果、自成絞り高さhがh0からh2(h2<h0)へと小さくなって、絞り効果が大きくなり、軸受隙間Cr内への流量が減少することで、負荷減少量と釣り合うように、軸受隙間内圧力が減少する。このとき、軸受隙間Crの変動量は、従来の固定自成絞りの場合に比べて本発明の可変自成絞りの方が小さい。すなわち、高剛性化されている。
According to the static pressure gas bearing 10 provided with the variable self-contained throttle according to the present embodiment, in order to keep the balance when the load is reduced from the balanced state shown in FIG. As described above, the pressure of the gas on the bearing gap side decreases from P0 to P2 (P2 <P0). Therefore, the pressure difference between both sides of the
また、図1(b)に示す釣り合い状態から、負荷が増加した場合、釣り合いを保つために、図1(d)に示すように、軸受隙間側の気体の圧力がP0からP1(P1>P0)へと増加する。可撓部材7を挟む給気路側と軸受隙間側の両側の気体の圧力差が小さくなることで、可撓性軸受面1が相対する案内面9aから遠ざかる方向へ変形する。そして、自成絞り高さhがh0からh1(h1>h0)へと大きくなって、絞り効果が小さくなり、軸受隙間Cr内への流量が増加する。その結果、負荷増加量と釣り合うように、軸受隙間内圧力が増加する。このとき、軸受隙間の変動量は、従来の固定自成絞りの場合に比べて、本発明の可変自成絞りの方が小さい。すなわち、高剛性化されている。
When the load increases from the balanced state shown in FIG. 1B, the gas pressure on the bearing gap side is changed from P0 to P1 (P1> P0) as shown in FIG. ). When the pressure difference between the gas on the air supply path side and the bearing gap side sandwiching the
図2は、本発明による可変自成絞りを備えた静圧気体軸受の動作原理を負荷特性曲線により説明した図である。前記可変自成絞りにおいて、可撓部材7を挟む両側の気体の圧力差が最も大きく、すなわち撓みが大きくなった場合と、可撓部材7を挟む両側の気体の圧力差が最も小さく、すなわち撓みが小さくなった場合で、可撓部材7の撓み量を固定することを考える。そして、仮想的に固定絞りとして扱った場合の負荷特性を、前者を2点鎖線で、後者を点線で示してある。本発明による可変自成絞りによれば、負荷変化に伴う可撓部の変形によって、図2(b)の2点鎖線で示した負荷特性と、点線で示した負荷特性を、移り変わる負荷特性を実現することができる。剛性は図2(a)のように、負荷容量変動量と軸受隙間変動量の割合であらわされるので、図2(b)のように、2点鎖線で示した負荷特性と、点線で示した負荷特性を、移り変わる負荷特性を実現することで、高剛性化が図れる。
FIG. 2 is a diagram illustrating the operating principle of a static pressure gas bearing having a variable self-contained throttle according to the present invention, using a load characteristic curve. In the variable self-contained throttle, the pressure difference between the gas on both sides sandwiching the
このように、本発明による可変自成絞りによれば、負荷変化を、固定自成絞りの場合のように、軸受隙間変化で補償するのではなく、可撓性軸受面の変化により補償することができる。その結果、負荷変動量に対する軸受隙間変動量を固定自成絞りの場合に比べ小さくすることができる。すなわち、剛性を高めることができる。 Thus, according to the variable self-contained throttle according to the present invention, the load change is compensated not by the bearing clearance change but by the change of the flexible bearing surface as in the case of the fixed self-formed throttle. Can do. As a result, the bearing gap fluctuation amount with respect to the load fluctuation amount can be made smaller than in the case of the fixed self-contained throttle. That is, the rigidity can be increased.
また、軸受隙間Cr内の気体の圧力変化を、圧力室や、圧力室と軸受隙間Crをつなぐ流路を介さずに、ダイレクトに、流量調節をおこなう要素である可撓部材7に伝えることができる。さらに、可動物体を持たないために、高い応答性を有する自動調整絞りを実現できる。これにより、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供できる。
In addition, the pressure change of the gas in the bearing gap Cr can be directly transmitted to the
なお、本方式で自動調整絞りとなるためには、絞りが自成絞りとなることが必要条件である。すなわち、給気孔3の直径dと自成絞り高さhの関係が、d/4>hを満たす必要がある。前記式を満たさない場合は、絞りは給気孔3の面積により絞り効果を発揮するオリフィス絞りとなるため、可撓性軸受面1の変化による絞りの変化はおきず、自動調整絞りとはならない。また、可撓部材7が圧力差によって撓まなければ本発明の自動調整絞り(可変自成絞り)は実現できない。可撓部材7は例えば給気孔3を有する板状部材から形成され、給気孔3が板状部材の中心部に形成されている場合、この板状部材の板厚t[m]、ヤング率E[Pa]、給気路5の半径に相当する薄肉円板a[m]の関係が
In order to obtain an automatic adjustment diaphragm in this method, it is a necessary condition that the diaphragm is a self-contained diaphragm. That is, the relationship between the diameter d of the
前記関係式は、本発明の効果を得るための可撓部材7の条件である。前記関係式を満たすように、各パラメータを設計することで、可撓部材7の変形量は、可撓部材7を挟む両側の圧力差1atmあたり、0.1μm以上となる。静圧気体軸受10において、供給圧力Psは一般にゲージ圧で5atmであり、また、軸受隙間Crは5μm以上である。このとき、可撓部材7の変形量が1atmあたり0.1μm未満であった場合、可撓部材7の変形量は最大でも、0.5μm(=5atm×0.1μm/atm)となる。軸受隙間Cr5μmで使用した場合でも、10%以下の変形量でしかないため、可変自成絞りによる高剛性化の効果は、実用上非常に小さい。前記関係式を満たすように、可撓部材7の形状を決定することで、可撓部材7を挟む両側の圧力差1atmあたりの可撓部変形量は0.1μm以上となり、自成絞りが可変絞りとして作用し、静圧気体軸受10の高剛性化を図ることができる。
The relational expression is a condition of the
図3は、第1の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。案内面9aに軸受隙間Crをおいて相対する軸受面が一部に可撓性を有する可撓部材7による可撓性軸受面1を8ヶ所に有する。第一の実施形態では、可変自成絞りの配置個所は8ヶ所とする例を示したが、配置個所の場所および個数に制限はない。なお、可撓性軸受面1および給気孔3は、可動体側に設けられていても、固定体側に設けられていても、構わない。
FIG. 3 shows a schematic configuration of the hydrostatic gas bearing according to the first embodiment, wherein (a) is a schematic sectional view thereof, and (b) is a schematic plan view viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. The bearing surface opposed to the
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示す模式断面図である。図4(a)は、第2の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示し、(b)はその模式断面図、(c)は案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the hydrostatic gas bearing according to the second embodiment. FIG. 4A shows a schematic configuration of the hydrostatic gas bearing according to the second embodiment, FIG. 4B is a schematic sectional view thereof, and FIG. 4C is a schematic plan view seen from the guide surface side. Portions common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態による静圧気体軸受20は、案内面9aに対して軸受隙間Crをおいて相対する軸受面に凹部18が設けられている。可変自成絞りとして作用する給気孔3がある可撓性軸受面1が、軸受面2に設けられた凹部18の底面に8ヶ所配置されている。図7では、可変自成絞りの配置は8ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。
The hydrostatic gas bearing 20 according to the present embodiment is provided with a
上記構成において、凹部18の目的は、給気孔縁と相対する案内面9aとの距離である自成絞り高さhを、凹部18の深さだけ拡大することである。このようにすると、可撓性軸受面1を挟む両側の単位圧力差あたりの変形量を、凹部18のない場合に比べて、大きくすることでき、可変自成絞りの効果を高め、高剛性化の作用を高めることができる。
In the above-described configuration, the purpose of the
可撓性軸受面1は、薄肉円板であり、中心に自成絞りを形成する給気孔3を有している。薄肉円板は、半径a[m]、板厚t[m]、ヤング率E[Pa]としたとき、
The
これにより、可撓性軸受面1に形成された給気孔3は可変自成絞りとして作用し、軸受への負荷変化を、軸受隙間変動ではなく、可変自成絞りの動作により補償することができる。そして負荷容量変動に対する軸受隙間変動量を固定自成絞りの場合に比べて、小さくすることができる。すなわち剛性を高めることができる。
Thereby, the
(第3の実施形態)
図5(a)は、第3の実施形態による静圧気体軸受の概略構成であって、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受は、軸受面2に口の字形状の溝28が設けられている。そして、口の字形状の溝28の4ヶ所に可撓性を有する可撓部材による可撓性軸受面および給気孔からなる可変自成絞りが設けられている。本実施形態では、可変自成絞りの配置は4ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。
(Third embodiment)
FIG. 5A is a schematic plan view of the static pressure gas bearing according to the third embodiment, as viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the static pressure gas bearing according to the present embodiment, a groove-shaped groove 28 is provided on the
(第4の実施形態)
図5(b)は、第4の実施形態による静圧気体軸受の概略構成であって、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔3のある可撓性軸受面が、田の字形状の溝38に含まれ、方形状の軸受面2に1ヶ所配置されている。本実施形態では、可変自成絞りの配置は1ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。
(Fourth embodiment)
FIG. 5B is a schematic plan view of the static pressure gas bearing according to the fourth embodiment, viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the static pressure gas bearing according to the present embodiment, a flexible bearing surface having an
図5(c)は、一変形例による円形状の溝に含まれた可変自成絞りを有する丸形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔3のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円形状の溝48に含まれ、丸形状の軸受面2に4ヶ所配置されている。なお、図5(c)では、可変自成絞りの配置は4ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。
FIG. 5C is a schematic plan view showing a round bearing having a variable self-contained throttle included in a circular groove according to a modification, as viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. In the hydrostatic gas bearing according to this modification, a flexible bearing surface having an
図5(d)は、他の変形例による円と十字の複合形状溝に含まれた可変自成絞りを有する丸形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔3のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円と十字の複合形状の溝58に含まれ、丸形状の軸受面2に1ヶ所配置されている。なお、図5(d)では、可変自成絞りの配置は1ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。
FIG. 5 (d) is a schematic plan view showing a round bearing having a variable self-contained diaphragm contained in a circle-and-cross compound groove according to another modification, as viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. In the static pressure gas bearing according to this modification, a flexible bearing surface having an
図5(e)は、さらに別の変形例による円形状溝に含まれた可変自成絞りを有するリング形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔3のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円形状の溝68に含まれ、リング形状の軸受面に4ヶ所配置されている。なお、図5(e)では、可変自成絞りの配置は4ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。また、溝は、多角形、または、多角形と当該多角形の重心と各頂点を結合した複合形状でもよく、多角形の代表例が前記した口の字形状であり、多角形と当該多角形の重心と各辺または各頂点を結合した複合形状の代表例が前記した田の字形状である。
FIG. 5 (e) is a schematic plan view showing a ring-shaped bearing having a variable self-contained diaphragm included in a circular groove according to still another modification, as viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. In the static pressure gas bearing according to this modification, a flexible bearing surface having an
図5に示した構成において、溝は、軸受隙間の給気孔出口部分の圧力を、溝を通して軸受面全体に広げる効果を持つ。溝なしの場合に比べて、軸受の負荷容量を高めることができ、剛性を高めることができる。また、軸受面形状が角形状の場合には、口の字形状または田の字形状の溝を形成することが望ましい。軸受面形状が丸形状の場合には、円形状または円と十字の複合形状の溝を形成することが望ましい。また、軸受面形状がリング形状の場合には、円形状の溝を形成することが望ましい。このように軸受面形状に対し、望ましい溝形状とすることで、軸受の負荷容量を効率よく高めることができ、剛性を高めることができる。 In the configuration shown in FIG. 5, the groove has the effect of spreading the pressure at the outlet portion of the air supply hole in the bearing gap over the entire bearing surface. Compared to the case without grooves, the load capacity of the bearing can be increased and the rigidity can be increased. Further, when the bearing surface shape is a square shape, it is desirable to form a mouth-shaped or rice-shaped groove. When the bearing surface shape is a round shape, it is desirable to form a groove having a circular shape or a combined shape of a circle and a cross. Further, when the bearing surface shape is a ring shape, it is desirable to form a circular groove. Thus, by setting it as a desirable groove shape with respect to a bearing surface shape, the load capacity of a bearing can be raised efficiently and rigidity can be improved.
(第5の実施形態)
図6は第5の実施形態による静圧気体軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受80は、可変自成絞りとして作用する給気孔3がある可撓性軸受面1が、軸受面に設けられた田の字形状の溝69に含まれ、十字部交点に1ヶ所配置されている。また、固定絞りとして作用する給気孔3が、軸受面に設けられた田の字形状の溝78に、8ヶ所配置されている。ここで、固定絞りは、例えば、自成絞り、オリフィス絞りである。また、不図示であるが、固定絞りは、例えばスロット絞り、表面絞りなどを用いても構わない。本実施形態では、可変自成絞りの配置は1ヶ所、また固定絞りの配置は8ヶ所の例を示したが、配置の場所および個数に制限はない。
(Fifth embodiment)
6A and 6B show a static pressure gas bearing according to a fifth embodiment, in which FIG. 6A is a schematic sectional view thereof, and FIG. 6B is a schematic plan view viewed from a guide surface side. Portions common to those in FIG. In the static pressure gas bearing 80 according to the present embodiment, the
上記構成において、非可撓性軸受面に形成された固定絞りは、自成絞りまたはオリフィス絞りまたはスロット絞りのうちのいずれか1つ、または複数の組み合わせであってもよい。可撓性軸受面に設けた可変自成絞りと前記固定絞りを組み合わせることで、可変絞りを組み込んだ軸受の製作性の改善に効果がある。1つの軸受に、複数の可変自成絞りを形成した場合、可変自成絞り相互の寸法精度の管理が必要となる。そこで、可変自成絞りはなるべく少なくし、不足する負荷容量は固定絞りで補うようにすることで、可変自成絞り相互の寸法精度管理が不必要となり、製作性の改善・コストダウンに効果がある。 In the above configuration, the fixed throttle formed on the non-flexible bearing surface may be any one of a self-contained throttle, an orifice throttle, or a slot throttle, or a combination of a plurality. Combining the variable self-made throttle provided on the flexible bearing surface with the fixed throttle is effective in improving the manufacturability of the bearing incorporating the variable throttle. When a plurality of variable self-formed apertures are formed on one bearing, it is necessary to manage the dimensional accuracy between the variable self-formed apertures. Therefore, by reducing the number of variable self-made apertures as much as possible and making up for the insufficient load capacity with a fixed aperture, it is not necessary to manage the dimensional accuracy between the variable self-made apertures, which is effective in improving manufacturability and reducing costs. is there.
(第6の実施形態)
図7は、第6の実施形態であり、非可撓性の軸受面が潤滑性材料で形成され、口の字形状溝に含まれた可変自成絞りを有する角形状の軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は、案内面側から見た模式平面図である。図1と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。図7に示すように、本実施形態による静圧気体軸受90は、案内面9aに対して軸受隙間Crをおいて相対する軸受面に設けられた口の字形状の溝88を有する。口の字形状の溝88の4ヶ所に可撓性を有する可撓部材7による可撓性軸受面1を有する。可撓性軸受面1以外の部位には潤滑性材料による層が積層された非可撓性の軸受面2が設けられている。
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a sixth embodiment, showing an angular bearing having a variable self-formed aperture included in a mouth-shaped groove, in which a non-flexible bearing surface is formed of a lubricious material, a) is a schematic cross-sectional view thereof, and (b) is a schematic plan view viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. As shown in FIG. 7, the hydrostatic gas bearing 90 according to the present embodiment has a mouth-shaped
可変自成絞りとして作用する給気孔3のある可撓性軸受面1が、軸受面に設けられた口の字形状の溝88に含まれ、口の字形状軸受面に4ヶ所配置されている。潤滑性材料とは、例えば、樹脂、グラファイトが接着などの手段により固定されたもの、スパッタリングやメッキなどの手段により非可撓性の軸受面の表面にコーティングされたもの、などである。コーティングする材料としては、DLC、フッ素系材料、二硫化モリブデンを含んだ材料、グラファイトを含んだ材料等が代表的であるが、使用状態や使用環境により最適な材料を選択することが可能である。本実施形態では、可変自成絞りの配置は4ヶ所とするが、配置の場所および個数に制限はない。非可撓性の軸受面を潤滑性材料で形成することで、軸受の耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合などの突発トラブルによるタッチダウン時に、軸受のかじりを防ぐことができる。
A
(第7の実施形態)
図8は、第7の実施形態であって、排気自動調整絞りを有する静圧気体軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側からみた模式平面図である。(c)、(d)は、可撓性薄肉板の動作を説明する図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is a seventh embodiment showing a static pressure gas bearing having an automatic exhaust adjustment throttle, wherein (a) is a schematic cross-sectional view thereof, and (b) is a schematic plan view viewed from the guide surface side. (C), (d) is a figure explaining operation | movement of a flexible thin board.
図8において、Psは給気圧を、Pa1およびPa2は周囲圧を、73は周囲圧環境Pa1へ気体を排気する排気路、Peは軸受隙間から排気路73に気体が流入する地点の圧力を示している。本実施形態による静圧気体軸受は、案内面72に対して軸受隙間Crをおいて相対する軸受面が気体噴出面71を含み、給気路77aに連通された前記気体噴出面71から軸受隙間Crに供給された圧縮空気等の圧縮気体により高圧の気体膜を発生させる。軸受面の気体噴出面71に囲まれた領域に弾性体である可撓性薄肉板74を備えている。
In FIG. 8, Ps indicates the supply air pressure, Pa1 and Pa2 indicate the ambient pressure, 73 indicates the exhaust path for exhausting the gas to the ambient pressure environment Pa1, and Pe indicates the pressure at the point where the gas flows into the
排気路73には、可撓性薄肉板74の反軸受隙間側(排気路側)の面と固定部710との間の狭い隙間からなる排気隙間73bが設けられている。固定部710は、基体78の一部であってもよいし、基体78に一体的に設けられた別部材から構成されていてもよい。排気路73の排気隙間73bと軸受隙間Crとは可撓性薄肉板74にあけられた排気孔73aにより連通されている。
The
可撓性薄肉板74は、軸受隙間Crの圧力変化に連動して動作する。軸受への負荷が増加し、軸受隙間Crの圧力が高まったときに、可撓性薄肉板74の軸受隙間側の圧力が、排気路側の圧力より大きくなり、図8(c)から(d)のように、案内面72から遠ざかる方向に変形する。その結果、排気路73の排気隙間73bが狭くなり、排気流量が減少することで、軸受隙間内圧力が、さらに高まる。このように、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間内圧力を、軸受隙間Crの減少により補償するのではなく、可撓性薄肉板74の変形により補償することで、軸受隙間Cr内を一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。
The flexible
図9(a)は、軸受の一般的な負荷特性曲線であり、剛性の説明図である。軸受隙間Crの変化に対する負荷容量Wの変化の割合が剛性である。高剛性化とは、軸受隙間Crの変化に対する負荷容量の変化の割合を大きくすることに相当する。 FIG. 9A is a general load characteristic curve of the bearing and is an explanatory diagram of rigidity. The ratio of the change in the load capacity W to the change in the bearing gap Cr is rigidity. High rigidity corresponds to increasing the rate of change in load capacity with respect to change in bearing clearance Cr.
図9(b)は、排気自動調整絞りの動作原理を、負荷特性により説明した図である。前記排気自動調整絞りにおいて、絞りを最もきつくした場合と、絞りを最もゆるくした場合で、排気自動調整絞りの絞り量を仮想的に固定することを考え、前者の負荷特性を点線で、後者の負荷特性を2点鎖線で示してある。 FIG. 9B is a diagram illustrating the operating principle of the exhaust automatic adjustment throttle based on load characteristics. In the exhaust automatic adjustment throttle, considering that the throttle amount of the exhaust automatic adjustment throttle is virtually fixed in the case where the throttle is the tightest and the throttle is the most loose, the former load characteristic is indicated by a dotted line and the latter The load characteristics are indicated by a two-dot chain line.
本実施形態による排気自動調整絞りによれば、軸受への負荷が変化したときに、点線で示した負荷特性と2点鎖線で示した負荷特性を結ぶ図9(b)の実線で示したような負荷特性を実現することができる。例えば、軸受への負荷を零から増加した場合、軸受隙間Crは、図9(b)の2点鎖線で示した曲線から、実線で示した曲線を通り、点線で示した曲線に至るという変化をたどる。 According to the exhaust automatic adjustment throttle according to the present embodiment, when the load on the bearing changes, as shown by the solid line in FIG. 9B connecting the load characteristic indicated by the dotted line and the load characteristic indicated by the two-dot chain line. Load characteristics can be realized. For example, when the load on the bearing is increased from zero, the bearing clearance Cr changes from the curve indicated by the two-dot chain line in FIG. 9B to the curve indicated by the dotted line through the curve indicated by the solid line. Follow.
なお、排気自動調整絞りは、実用時に負荷容量を必要としない、軸受隙間Crの大きい部分での負荷容量を、低減するような効果がある。一方、給気自動調整絞りは、このような効果は小さく、軸受隙間Crの小さい部分の負荷容量を、固定絞りの場合に比べて、上昇させるような効果を持っている。両者を組み合わせることで、軸受隙間Crの広い領域において、高剛性化を図ることもできる。 The exhaust automatic adjustment throttle has an effect of reducing the load capacity in a portion where the bearing clearance Cr is large, which does not require the load capacity in practical use. On the other hand, the air supply automatic adjustment throttle has such an effect that it has an effect of increasing the load capacity of the portion where the bearing clearance Cr is small compared to the case of the fixed throttle. By combining both, high rigidity can be achieved in a wide region of the bearing gap Cr.
また、軸受隙間Cr内の圧力変動を、圧力室や、圧力室と軸受隙間Crを連通させる流路を介さずに、ダイレクトに排気自動調整絞りに伝えることができるために、高い応答性を有する自動調整絞りを実現できる。これにより、高周波数領域においても高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供できる。 In addition, the pressure fluctuation in the bearing gap Cr can be directly transmitted to the exhaust automatic adjustment throttle without passing through the pressure chamber or the flow path that connects the pressure chamber and the bearing gap Cr. An automatic adjustment aperture can be realized. Thereby, the static pressure gas bearing which realized high rigidity also in a high frequency field can be provided.
なお、図10(a)、(b)に第7の実施形態の変形例を示す。図8と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。第7の実施形態では、気体噴出面1を多孔質絞りとしているが、気体噴出面を、自成絞りまたはオリフィス絞りを形成する給気孔77を含む面としても構わない。給気自動調整絞りであっても構わない。もちろん、第1の実施形態乃至第6の実施形態で説明した可変自成絞りを用いてもよい。第1の実施形態乃至第6の実施形態で説明した可変自成絞りと併用した場合は、どちらか一方を用いた場合より、さらなる高剛性化を実現することが可能となる。
FIGS. 10A and 10B show a modification of the seventh embodiment. Portions common to those in FIG. In the seventh embodiment, the
(第8の実施形態)
図11は、第8の実施形態による静圧気体軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側からみた模式平面図である。図8と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。
(Eighth embodiment)
11A and 11B show a static pressure gas bearing according to an eighth embodiment, wherein FIG. 11A is a schematic cross-sectional view thereof, and FIG. 11B is a schematic plan view viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG.
第7の実施形態が、軸受隙間Crから排気隙間73bへの経路が中心一点だったのに対し、本実施形態では、軸受隙間Crと排気隙間73bとを連通する排気孔73aの代わりに、排気孔73aより直径の大きな円状のスリット713を設けたものである。
In the seventh embodiment, the path from the bearing gap Cr to the
このようにして、軸受隙間Crから排気隙間73bに至る場所を、より外径側に配設することで、可撓性薄肉板74の変形による軸受隙間Crの内圧力変化量を大きくし、剛性を高くすることができる。
In this way, by disposing the place from the bearing gap Cr to the
(第9の実施形態)
図12は、第9の実施形態による静圧気体軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側からみた模式平面図である。図8と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。
(Ninth embodiment)
12A and 12B show a static pressure gas bearing according to a ninth embodiment, wherein FIG. 12A is a schematic sectional view thereof, and FIG. 12B is a schematic plan view viewed from the guide surface side. Portions common to those in FIG.
本実施形態において、排気隙間73bに連通する溝76は、軸受隙間Crから排気隙間73bに流入する部分の圧力Peと、溝内圧力が概ね同一となるようにするはたらきがある。排気自動調整絞りの効果は、絞りを最もゆるくした状態で固定した固定排気絞りと、絞りを最もきつくした状態で固定した固定排気絞りの負荷特性が、乖離しているほど大きくなる。溝76を排気隙間73bから気体噴出面近傍まで延ばすことで、圧力Peとなる範囲を中心一点から外周へ拡大することができる。すなわち、溝76を加えることで、絞りを最もゆるくした状態で固定した固定排気絞りの負荷容量を軸受隙間全体にわたり小さくすることができる。絞りを最もきつくした状態で固定した固定排気絞りの負荷特性は、溝76があっても、負荷特性の大きな変化は起きない。結果として、自動調整絞りの変化による軸受隙間内圧力変化量を大きくし、溝76がない場合に比べて、剛性を高くすることができる。
In the present embodiment, the
(第10の実施形態)
図13は、第10の実施形態による静圧気体軸受を示し、(a)はその模式断面図、(b)は案内面側からみた模式平面図である。(c)、(d)は、動作を説明する図である。図8と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。
(Tenth embodiment)
FIG. 13 shows a static pressure gas bearing according to the tenth embodiment, wherein (a) is a schematic sectional view thereof, and (b) is a schematic plan view viewed from the guide surface side. (C), (d) is a figure explaining operation | movement. Portions common to those in FIG.
気体噴出面71は、内側が矩形にくり抜かれた多孔質材料からなり、弾性体である弾性ヒンジ75は、前記多孔質材料の内側側面に沿って配設されている。本実施形態における排気隙間73bは、弾性ヒンジ75の反多孔質材料側の面と固定部710との間の狭い隙間からなる。固定部710は、基体78の一部であってもよいし、基体78に一体的に設けられた別部材から構成されていても良い。軸受隙間Crの圧力変動に連動して、多孔質材料の内側側面の圧力も変化する。弾性ヒンジ75は、前記多孔質材料の内側側面の圧力変化に連動し、軸受への負荷が増加し、軸受隙間Crの圧力が高まり、多孔質材料の内側側面の圧力が高まったときに、図13(c)から図13(d)のように、排気隙間73bを狭くする方向に変形する。すなわち排気流量を小さくする方向に変化する。排気流量が減少することで、軸受隙間Crの内圧力がさらに高まる。このように、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間Cr内圧力を、軸受隙間Crの減少により補償するのではなく、弾性ヒンジ75の動作により補償することで、軸受隙間Crを一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。
The
(第11の実施形態)
図14は、第11の実施形態による静圧気体軸受を示す模式断面図である。図8と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。
(Eleventh embodiment)
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a static pressure gas bearing according to the eleventh embodiment. Portions common to those in FIG.
本実施形態は、排気自動調整絞りをラジアル軸受に適用したものである。軸方向に関して、気体噴出面1に挟まれた領域に、可撓性薄肉板74を配置することで、排気自動調整絞りを形成している。第7の実施形態の実施形態に示した平面軸受の場合と同様の原理で、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間内圧力を、軸受隙間Crの減少により補償するのではなく、可撓性薄肉板74の動作により補償することで、軸受隙間Crを一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。
In this embodiment, an automatic exhaust adjustment throttle is applied to a radial bearing. An automatic exhaust adjustment throttle is formed by disposing a flexible
図14は、可撓性薄肉板74を90度ごとに配置したものであり、180度対向した可撓性薄肉板74は、逆方向の動作をする。例えば、図18の紙面上方に軸79が移動した場合、紙面上側の可撓性薄肉板74は流量を絞り、圧力を高める方向に、紙面下側の可撓性薄肉板74は流量を拡大し、圧力を低める方向に動き、結果的に、軸79を紙面下方向に押し戻す。なお、可撓性薄肉板74の配置は90度ごとである必要はなく、30度おき、60度おき、その他の間隔で配置されていても構わない。
In FIG. 14, the flexible
なお、本発明において、気体噴出面に潤滑性を持たせることで、軸受の耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合等の突発トラブルによるタッチダウン時に、軸受のかじりの発生を防ぐことができる。 In the present invention, the galling resistance of the bearing can be enhanced by imparting lubricity to the gas ejection surface. As a result, it is possible to prevent the occurrence of galling of the bearing at the time of touchdown due to sudden trouble such as when the supply gas is stopped or a load larger than expected is applied.
ここで、潤滑性を有する気体噴出面は、例えば接着により固定されたグラファイト材料からなる面や、スパッタリングやメッキ等の手段により気体噴出面にDLC(ダイヤモンドライクカーボン)や二硫化モリブデンがコーティングされた面等である。 Here, the gas ejection surface having lubricity is, for example, a surface made of a graphite material fixed by adhesion, or the gas ejection surface is coated with DLC (diamond-like carbon) or molybdenum disulfide by means such as sputtering or plating. Surface.
1 可撓性軸受面
2 非可撓性軸受面
3 給気孔
5 給気路
6 基体
7 可撓部材
9 案内部
9a 案内面
18 凹部
28 溝
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記軸受隙間に気体を介在させた静圧気体軸受において、
前記軸受隙間に前記気体を供給する給気路およびまたは前記軸受隙間から前記気体を排気する排気路を有し、
前記給気路およびまたは前記排気路と、前記軸受隙間と、の間に可撓部材が配置され、
前記可撓部材は、前記可撓部材の給気路側の気体の圧力およびまたは前記可撓部材の排気路側の気体の圧力と、前記軸受隙間側の気体の圧力の差によって変形することを特徴とする静圧気体軸受。 A bearing surface facing the guide surface with a bearing gap therebetween,
In a static pressure gas bearing in which a gas is interposed in the bearing gap,
An air supply path for supplying the gas to the bearing gap and / or an exhaust path for exhausting the gas from the bearing gap;
A flexible member is disposed between the air supply path and / or the exhaust path, and the bearing gap,
The flexible member is deformed by a difference between a gas pressure on the air supply path side of the flexible member and / or a gas pressure on the exhaust path side of the flexible member and a gas pressure on the bearing gap side. Static pressure gas bearing.
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