JP2014035054A

JP2014035054A - 静圧気体軸受ユニット

Info

Publication number: JP2014035054A
Application number: JP2012178123A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ueda; 智士上田
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Also published as: CN104541077A; TW201420907A; TWI622715B; WO2014024666A1; KR20150038502A; CN104541077B

Abstract

【課題】高速回転する回転体を、簡易な構造で、より安定して非接触支持するコンパクトな静圧気体軸受ユニットの構造を提供する。
【解決手段】２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂは、プーリ２を非接触で支持するエアシャフトユニット１をその両端部１１３、１２で固定する。エアシャフトユニット１のラジアル軸受面から、ラジアル軸受面とプーリ２の内周面との間のラジアル軸受隙間に気体を供給してラジアル軸受隙間内に気体膜を形成し、その気体をラジアル軸受隙間から、ラジアル軸受隙間に繋がる、エアシャフトユニット１のスラスト軸受面１１３２，１２１とプーリ２のボス端面との間のスラスト軸受隙間に排気させる。この排気を利用してスラスト軸受隙間内にも気体膜を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速回転するプーリ等の部品を、簡易な構造で、より安定して非接触支持可能な両持ちタイプの静圧気体軸受ユニットの構造に関する。

特許文献１には、回転軸を非接触で支持するエアベアリングユニット（静圧空気軸受装置）が記載されている。

このエアベアリングユニットには、シャフト（回転軸）が挿入される円筒形のハウジングの内周の両端側に、シャフトのスラスト荷重およびラジアル荷重をそれぞれ個別の軸受面（スラスト軸受面、ラジアル軸受面）で受ける多孔質絞り型（多孔質グラファイト等の多孔質体）のエアベアリング（静圧空気軸受）がそれぞれ一つ設けられている。ここで、ラジアル軸受面は、シャフトの外周面に対向して、この外周面との間にラジアル軸受隙間を形成し、スラスト軸受面は、シャフトの外周に形成されたフランジに対向して、このフランジとの間にスラスト軸受隙間を形成している。

ここで、エアベアリング毎に、ハウジングの内周面には、エアベアリングのラジアル軸受面を挟んでスラスト軸受面と反対側（ハウジングの内周面の中央側）に排気用溝が周方向に形成され、この排気用溝の溝底には、ハウジングの外周面に貫通する排気孔が形成されている。また、シャフトの外周面には、エアベアリングのスラスト軸受面寄りの位置に排気用溝が周方向に形成されており、シャフトの内部には、この排気用溝とハウジングの内周面の排気用溝とをつなぐ排気孔が形成されている。

このような構成において、エアベアリングに供給された空気は、エアベアリングのスラスト軸受面およびラジアル軸受面からそれぞれ噴出する。スラスト軸受面から噴出した空気は、スラスト軸受隙間内をフランジの外周に向かって流れ、スラスト軸受隙間から外部に放出される。一方、ラジアル軸受面から噴出した空気は、ラジアル軸受隙間内を、スラスト軸受面寄りの排気用溝とスラスト軸受面の反対側の排気用溝とに向かって流れて、これらの排気用溝に流入し、排気孔を介してハウジングの外部に排気される。

特開２００８−５７６９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエアベアリングユニットでは、エアベアリング毎に、スラスト軸受面寄りの位置と、ラジアル軸受面を挟んでスラスト軸受面の反対側の位置とに、それぞれ、ラジアル軸受隙間に供給された空気を排出するための排気用溝を形成しておく必要がある。また、これらの排気用溝に流入した空気をハウジングの外部に排出するための排気孔を、ハウジングおよびシャフトの双方に形成しておく必要がある。さらに、ハウジングの内周には、圧縮空気を噴出するスラスト軸受面およびラジアル軸受面を個別に設けておく必要がある。このため、構造が複雑化する。

また、シャフト側の排気孔は、シャフトの外周面の排気用溝とハウジングの内周面の排気用溝とをつなぐようにシャフトの軸心方向に沿って形成されるため、シャフトにはある程度の肉厚が必要となる。このため、シャフトが重量化すると、例えば自重によってシャフトが撓む可能性がある。ハウジング内周のエアベアリング（静圧空気軸受）のラジアル軸受面とシャフトの外周面との間に形成されるラジアル軸受隙間は非常に狭いため、シャフトに撓みが発生すると、シャフトとエアリングとが接触し、シャフトを安定に保持できない可能性がある。

ところで、高速回転するプーリ等の回転体をエアベアリングで保持すると、給気時に自励振動が発生することがある。これにより系が共振すると、例えば搬送物の安定な走行の妨げ等となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速回転する回転体を、簡易な構造で、より安定して非接触支持する両持ちタイプの静圧気体軸受ユニットの構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、回転体に当該回転体の軸方向に形成されたシャフト挿入穴内に挿入され、この回転体を非接触で支持するシャフトユニットを、回転体のシャフト挿入穴を軸方向両側から挟み込む位置で固定する。また、回転体のシャフト挿入穴の内周面に対向する、シャフトユニットの外周面に形成されたラジアル軸受面から噴出する気体により、ラジアル軸受面と回転体のシャフト挿入穴の内周面との間のラジアル軸受隙間内に気体膜を形成し、その気体を、ラジアル軸受隙間から、シャフトユニットのスラスト軸受面と回転体の各端面との間のスラスト軸受隙間内に排気させる。この排気された気体を利用してスラスト軸受隙間内にも気体膜を形成する。

例えば、本発明は、軸心周りの方向に回転する回転体を、ラジアル軸受隙間と第一および第二のスラスト軸受隙間とに介在する気体膜により非接触で支持する静圧気体軸受ユニットであって、
前記回転体の両端面を貫通するシャフト挿入穴内に挿入されるシャフトユニットと、
前記シャフトユニットを前記回転体のシャフト挿入穴の両側の位置で保持するシャフト保持手段と、を備え、
前記シャフトユニットは、
前記シャフト挿入穴の内周面に対向して、当該内周面との間に前記ラジアル軸受隙間を形成し、前記ラジアル軸受隙間に前記気体膜を形成するための気体を噴出するラジアル軸受面と、
前記ラジアル軸受面と隣り合い、前記回転体の一方の端面に対向して、当該端面との間に、前記ラジアル軸受隙間の一方の端側に繋がる前記第一のスラスト軸受隙間を形成する第一のスラスト軸受面と、
前記ラジアル軸受面と隣り合い、前記回転体の他方の端面に対向して、当該端面との間に、前記ラジアル軸受隙間の他方の端側に繋がる前記第二のスラスト軸受隙間を形成する第二のスラスト軸受面と、を有し、
前記気体は、
前記ラジアル軸受隙間内を前記第一のスラスト軸受隙間および前記第二のスラスト軸受隙間に向かって流れて、当該ラジアル軸受隙間から前記第一のスラスト軸受隙間および前記第二のスラスト軸受隙間にそれぞれ排気され、当該第一のスラスト軸受隙間内および当該第二のスラスト軸受隙間にそれぞれ前記気体膜を形成する。

本発明によれば、回転体のシャフト挿入穴の内周面と、回転体のシャフト挿入穴の内周面に対向する、シャフトユニットの外周面に形成されたラジアル軸受面との間に形成されたラジアル軸受隙間から排気された圧縮気体が、回転体の各端面とシャフトユニットのスラスト軸受面との間に形成されたスラスト軸受隙間に供給された後に排気され、スラスト軸受隙間に気体膜を形成するために利用されるため、ラジアル軸受隙間からの圧縮気体を排気するための溝および孔や、スラスト軸受隙間に圧縮気体を噴出するスラスト軸受面を別途設ける必要がない。また、回転体を非接触支持するシャフトユニットが両端固定されるため、回転体のサイズに応じてシャフトユニットが長尺化された場合であっても、その撓みを抑制することができ、回転体とシャフトユニットとの接触を防止することができる。このため、高速回転する回転体を、簡易な構造で、より安定して非接触支持可能な両持ちタイプの静圧気体軸受ユニットを実現することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る両持ちタイプのエアベアリングユニット４の外観図（プーリ２なし）である。図２は、本発明の一実施の形態に係る、プーリ２を組み付けた状態の両持ちタイプのエアベアリングユニット４の側面図である。図３（Ａ）は、プーリ２の正面図であり、図３（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４は、本発明の一実施の形態に係るエアシャフトユニット１の部品展開図である。図５（Ａ）は、エアシャフト１１の正面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図５（Ｃ）は、エアシャフト１１の底面図であり、図５（Ｄ）は、ラジアル軸受部１１４の拡大部分断面図である。図６（Ａ）は、スラストプレート１２の正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図７は、エアシャフト１１への給気中におけるプーリ２の支持状態を模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本実施の形態に係る両持ちタイプの静圧気体軸受ユニットの全体構造について説明する。ここでは、光ファイバ、カーボン繊維等の線材を送るプーリ２等の、軸心Ｏ方向に長尺な回転体の非接触支持に適した両持ちタイプのエアベアリングユニット４を一例に挙げる。

図１は、本実施の形態に係る両持ちタイプのエアベアリングユニット４の外観図であり、図２は、支持対象のプーリ２を組み付けた状態の両持ちタイプのエアベアリングユニット４の側面図である。

図示するように、本実施の形態に係る両持ちタイプのエアベアリングユニット４は、軸心Ｏ方向に長尺なプーリ２を回転可能に非接触支持するエアシャフトユニット１と、エアシャフトユニット１を両端支持する２台のシャフトホルダ３Ａ，３Ｂと、を備えている。

後述するように、エアシャフトユニット１は、エアシャフト１１とスラストプレート１２とナット１３との組立体であり（図４参照）、プーリ２は、プーリ２の軸方向に形成されたエアシャフト挿入用穴２２内にエアシャフト１１（多孔質焼結層１１２が形成されたラジアル軸受部１１４）が挿入された後、スラストプレート１２を介したエアシャフト１１（ロッド部１１５のネジ部１１５１）とナット１３との締め付けによりエアシャフトユニット１に非接触状態で回転可能に組み付けられる。

一方、２台のシャフトホルダ３Ａ，３Ｂは、例えば石定盤等の台座上に、エアシャフトユニット１の長さに応じた間隔で対向するように配置されて固定される。各シャフトホルダ３Ａ，３Ｂは、軸心Ｏが台座に対してほぼ平行に向けられたエアシャフトユニット１の端部（スラストプレート１２、エアシャフト１１のベース部１１３）を、プーリ２の最大径に応じた高さの位置で保持する。

各シャフトホルダ３Ａ，３Ｂは、それぞれ、例えば、台座にボルトで固定されるフランジ３５付き下側ブロック材３３と、下側ブロック材３３の上面に載せられた上側ブロック材３２と、下側ブロック材３３の上面と上側ブロック材３３の底面との間隔ｔ１を調整するための２本のボルト３４と、を有している。下側ブロック材３３の上面と上側ブロック材３２の底面にはそれぞれ断面半円形状の溝が厚さｔ２方向に形成されており、これらの溝が対向することにより所定の高さの位置にシャフト固定穴３１が形成されている。２本のボルト３４は、シャフト固定穴３１両側の位置において、上側ブロック材３３のボルト穴を介して下側ブロック材３３のネジ穴に締結されている。

対向配置された２台のシャフトホルダ３Ａ，３Ｂのシャフト固定穴３１にそれぞれエアシャフトユニット１の端部（スラストプレート１２、エアシャフト１１のベース部１１３）が挿入され、それぞれのシャフトホルダ３Ａ，３Ｂを２本のボルト３４が締め付けることによって、下側ブロック材３３と上側ブロック材３２との間隔ｔ１が狭まり、エアシャフトユニット１の両端部（スラストプレート１２、エアシャフト１１のベース部１１３）が固定される。これにより、エアシャフトユニット１に組み付けられたプーリ２は、所定の高さの位置で軸心Ｏ方向回りに非接触状態で回転可能に保持される。

なお、本実施の形態では、フランジ３５付き下側ブロック材３３と上側ブロック材３２との間隔ｔ１を２本のボルト３４で調整する２台のシャフトホルダ３Ａ，３Ｂを用いているが、エアシャフトユニット１をその両端部（スラストプレート１２、エアシャフト１１のベース部１１３）で保持可能であれば、どのような形態のシャフトホルダを用いてもよい。

つぎに、プーリ２、および、このプーリ２を軸心Ｏ回りに回転可能に非接触支持するエアシャフトユニット１の詳細を説明する。

図３（Ａ）は、プーリ２の正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図示するように、支持対象のプーリ２は、例えば直径ｒ２よりも軸心Ｏ方向に長尺な略円柱形状を有しており、その外周面２３には、周方向に線材がかけられる。また、プーリ２には、軸心Ｏが通過する位置に、一方の端面２５Ａから他方の端面２５Ｂに貫通したエアシャフト挿入用穴２２が形成されており、このエアシャフト挿入用穴２２内に、エアシャフト１１の多孔質焼結層１１２付きラジアル軸受部１１４がスライド可能に挿入される。

プーリ２の両端面２５Ａ、２５Ｂには、エアシャフト挿入用穴２２を囲むボス２４Ａ、２４Ｂがそれぞれ形成されている。各ボス２４Ａ、２４Ｂの端面２４１Ａ、２４１Ｂは平坦に仕上げられている。プーリ２を組み付けた状態（図２の状態）のエアベアリングユニット４において、一方のボス２４Ａの端面２４１Ａは、わずかな間隔（スラスト軸受隙間）をおいて、エアシャフト１１の後述する段差面（スラスト軸受面）１１３２に対向し、他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂは、わずかな間隔（スラスト軸受隙間）をおいてスラストプレート１２の一方の端面（スラスト軸受面）１２１に対向する（図５、図６参照）。

なお、図示したように、プーリ２の両端部には、外周面２３から径方向に張り出した環状のフランジ部２１が形成されていてもよい。

図４は、エアシャフトユニット１の部品展開図である。

図示するように、エアシャフトユニット１は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入され、プーリ２を軸心Ｏ回りに回転可能に非接触支持するエアシャフト１１と、エアシャフト１１からのプーリ２の抜け落ちを阻止するスラストプレート１２と、エアシャフト１１にスラストプレート１２を固定するナット１３と、を備えている。

図５（Ａ）は、エアシャフト１１の正面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図５（Ｃ）は、エアシャフト１１の底面図であり、図５（Ｄ）は、ラジアル軸受部１１４の拡大部分断面図である。

図示するように、エアシャフト１１は、段付き円柱状のバックメタル１１１と、バックメタル１１１の中段部（ラジアル軸受部）１１４の外周面１１４２上に形成された多孔質焼結層１１２と、を備えている。

バックメタル１１１は、プーリ２のボス２４Ａ、２４Ｂの外径とほぼ同径のベース部１１３と、ベース部１１３よりも小径のラジアル軸受部１１４と、ラジアル軸受部１１４よりもさらに小径のロッド部１１５と、を一体的に備えている。

ベース部１１３の一方の端面１１３１には、この端面１１３１からベース部１１３の内部を通過してラジアル軸受部１１４の内部に至る通気路１１６が形成されている。一方の端面１１３１における通気路１１６の開口部（給気口）１１７には、ポンプの給気管４１を連結するためのカプラ４０（図２参照）をねじ込むネジ部１１８が形成されている。

このベース部１１３は、他方の端面１１３２が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１から他方のシャフトホルダ３Ｂ側に突き出す位置まで一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に挿入される（図２参照）。この状態で一方のシャフトホルダ３Ａの２本のボルト３４が締め付けられ、これにより、ベース部１１３は一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に固定される。

ラジアル軸受部１１４は、ベース部１１３の他方の端面（スラスト軸受面として機能する段差面）１１３２に一体的に形成され、このラジアル軸受部１１４の外周面１１４２の全域に、通気性を有する多孔質焼結層１１２が形成されている。ラジアル軸受部１１４の外周面１１４２には、多孔質焼結層１１２との境界部に位置する複数の環状溝１１４３が周方向に形成されており、各環状溝１１４３の溝底には、それぞれ、通気路１１６につながる孔１１４４が形成されている。これにより、給気口１１７に連結されたポンプの給気管４１からの給気が開始されると、ポンプから送られてきた圧縮空気が、通気路１１６および孔１１４４を介して、ラジアル軸受部１１４の外周面１１４２に位置する周方向の各環状溝１１４３に供給され、多孔質焼結層１１２内の細孔を通過して、ラジアル軸受面として機能する多孔質焼結層１１２の外周面１１２１から噴出する。

なお、ラジアル軸受部１１４の外周面１１４２に位置する環状溝１１４３の本数およびレイアウトは、多孔質焼結層１１２の外周面１１２１全域から圧縮空気が均一に噴出するように適宜定めればよい。例えば、ラジアル軸受部１１４の長さ（多孔質焼結層１１２の幅）ｔ４等に応じた本数の環状溝１１４３を、多孔質焼結層１１２の軸心Ｏ方向にほぼ等間隔で配置してもよい。また、ラジアル軸受部１１４の中央位置（ラジアル軸受部１１４の一方の端からｔ４／２だけ内側の位置）からベース部１１３側およびロッド部１１５側に離れた位置等、ラジアル軸受隙間６０全体の圧力を高く維持可能な位置に環状溝１１４３を形成してもよい。

多孔質焼結層１１２が形成されたラジアル軸受部１１４は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入される。多孔質焼結層１１２を含めたラジアル軸受部１１４の外径Ｒ１は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内径ｒ１（図３参照）よりも所定の寸法だけ小さく設計されている。このため、ラジアル軸受部１１４がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入されると、このエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１とラジアル軸受部１１４の外周面１１４２に形成された多孔質焼結層１１２の外周面（ラジアル軸受面）１１２１との間にラジアル軸受隙間６０が形成される（図７参照）。そして、ポンプからエアシャフト１１への給気開始後、多孔質焼結層１１２の外周面（ラジアル軸受面）１１２１から噴出する圧縮空気により、このラジアル軸受隙間６０に高圧の空気膜が形成される。この空気膜の圧力によってラジアル荷重が支えられる。

ラジアル軸受部１１４の長さ（段差面１１３２、１１４１間の距離）ｔ４は、プーリ２の両端面２５Ａ、２５Ｂのボス２４Ａ、２４Ｂの端面２４１Ａ、２４１Ｂ間の距離（プーリ２の長さ）ｔ３よりも所定の寸法だけ大きく設計されている。このため、ポンプからエアシャフト１１への給気開始後、ラジアル軸受部１１４に挿入されたプーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａと、ベース部１１３の他方の端面（ラジアル軸受部１１４およびベース部１１３の外径差により形成され、スラスト軸受面として機能する段差面）１１３２との間には、ラジアル軸受隙間６０と繋がるスラスト軸受隙間６１ａが形成される。同様に、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂと、ラジアル軸受部１１４の端面（ラジアル軸受部１１４およびロッド部１１５の外径差により形成された段差面）１１４１に接触し、スラスト軸受面として機能する後述のスラストプレート１２の一方の端面１２１との間にも、ラジアル軸受隙間６０と繋がるスラスト軸受隙間６１ｂが形成される（図７参照）。なお、自励振動発生防止のため、ラジアル軸受部１１４の端面１１４１のエッジ部１１４１１がだれないように仕上げることによって、スラストプレート１２の組み付け精度を向上させることが好ましい。

ロッド部１１５は、ラジアル軸受部１１４の端面１１４１に連続して形成されており、後述するスラストプレート１２のシャフト挿入用穴１２３内に挿入される。また、このロッド部１１５の先端には、ナット１３と螺合するネジ部１１５１が形成されている。

図６（Ａ）は、スラストプレート１２の正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図示するように、スラストプレート１２は、エアシャフト１１のベース部１１３の外径とほぼ同じ外径の円筒形状であり、軸心Ｏが通過する位置に、一方の端面１２１から他方の面１２２に貫通するシャフト挿入用穴１２３が形成されている。このシャフト挿入用穴１２３には、エアシャフト１１のロッド部１１５が挿入される。

さて、上記構成を有するエアシャフトユニット１は、以下のように組み立てられる。

まず、エアシャフトユニット１にプーリ２が組み付けられる。具体的には、多孔質焼結層１１２が形成されたラジアル軸受部１１４がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に位置するように、エアシャフト１１をプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２に挿入し、ついで、ロッド部１１５がスラストプレート１２のシャフト挿入用穴１２３内に位置するように、プーリ２が挿入されたエアシャフト１１をスラストプレート１２のシャフト挿入用穴１２３にさらに挿入する。この状態で、ロッド部１１５の先端に形成されたネジ部１１５１にナット１３が締結されると、スラストプレート１２は、一方の端面１２１が、ラジアル軸受部１１４およびロッド部１１５の外径差により形成される段差面（ラジアル軸受部１１４の端面）１１４１に接触した位置で固定される。

その後、このようにしてプーリ２が組み付けられたエアシャフトユニット１の軸心Ｏを台座に対してほぼ平行に向けた状態で、その両端（スラストプレート１２、エアシャフト１１のベース部１１３）が、所定の間隔で対向配置された２台のシャフトホルダ３Ａ，３Ｂに固定される（図２参照）。具体的には、エアシャフト１１のベース部１１３の他方の端面（スラスト軸受面として機能する段差面）１１３２が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１から他方のシャフトホルダ３Ｂ側に突き出すように、エアシャフト１１のベース部１１３が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に挿入されるとともに、スラストプレート１２の一方の端面（スラスト軸受面として機能する端面）１２１が他方のシャフトホルダ３Ｂのシャフト固定穴３１から一方のシャフトホルダ３Ａ側に突き出すように、スラストプレート１２が他方のシャフトホルダ３Ｂのシャフト固定穴３１内に挿入される。この状態で各シャフトホルダ３Ａ，３Ｂの２本のボルト３４の締め付けにより、エアシャフト１１のベース部１１３およびスラストプレート１２が各シャフトホルダ３Ａ，３Ｂのシャフト固定穴３１内に固定される。

上述したように、ラジアル軸受部１１４の長さｔ４は、プーリ２の長さｔ３よりも所定の寸法だけ長いため、プーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａとベース部１１３の他方の端面（スラスト軸受面）１１３２との間にスラスト軸受隙間６１ａが形成され、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂとスラストプレート１２の一方の端面（スラスト軸受面）１２１との間にスラスト軸受隙間６１ｂが形成される。これらのスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内には、ラジアル軸受隙間６０から排気された圧縮空気が流入し、高圧の空気膜が形成される。この空気膜の圧力によってスラスト荷重が支えられる。

ここで、ラジアル軸受部１１４の長さｔ４は、自励振動を発生しない程度にプーリ２両側のスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂの厚さｓ１（図７参照）がラジアル軸受隙間６０の厚さｓ２よりも大きくなるように設定されている。ここで、自励振動を発生しない程度の厚さｓ１のスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂとは、スラスト方向に無負荷状態のプーリ２において発生する程度のわずかな移動により、プーリ２が一方のスラスト軸受面１１３２、１２１側に僅かに近づいても、他方のスラスト軸受面１２１、１１３２側へ急激に押し戻されない程度に広いスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂのことである。例えば、プーリ２のボス２４Ａ、２４Ｂの外径が約２２ｍｍ、ラジアル軸受隙間６０の厚さが約９〜１０μｍの場合、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂの厚さｓ１が約２２．５〜３７μｍとなるようにラジアル軸受部１１４の長さｔ４を設定し、さらに開放流量５２０ＮＬ／ｈｒ以下の範囲で給気圧０．５Ｍｐａの圧縮空気の流量調整を行うことによって、自励振動の発生が防止される。

つぎに、エアシャフト１１への給気中におけるプーリ２の支持状態について説明する。

図７は、エアシャフト１１への給気中におけるプーリ２の支持状態を模式的に示した図である。

図示するように、プーリ２を組み付けた状態（図２の状態）のエアベアリングユニット４において、ポンプの給気管（不図示）をエアシャフト１１の給気口１１７に連結し、ポンプからの圧縮空気ｆの供給を開始すると、この圧縮空気ｆは、エアシャフト１１の通気路１１６および孔１１４４を介して、ラジアル軸受部１１４の外周面１１４２に位置する各環状溝１１４３に供給され、多孔質焼結層１１２の外周面（ラジアル軸受面）１１２１からラジアル軸受隙間６０内に噴出する。このため、ラジアル軸受隙間６０内に高圧の空気膜が形成され、その圧力によってラジアル荷重が支えられる。これにより、プーリ２のラジアル方向への移動が拘束される。

さらに、ラジアル軸受隙間６０内の圧縮空気ｆは、多孔質焼結層１１２の外周面（ラジアル軸受面）１１２１に沿って、スラストプレート１２の一方の端面（スラスト軸受面）１２１側およびベース部１１３の他方の端面（スラスト軸受面）１１３２側に向かって流れてゆき、プーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａとベース部１１３のスラスト軸受面１１３２との間のスラスト軸受隙間６１ａ、および、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂとスラストプレート１２の一方の端面（スラスト軸受面）１２１との間のスラスト軸受隙間６１ｂに流入する。

スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂに流入した圧縮空気ｆ１は、各ボス２４Ａ、２４Ｂの外周に向かって放射状に流れてゆき、最終的に外部（大気圧）に放出される。各スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の圧力は、ラジアル軸受隙間６０から排気された圧縮気体ｆ１が流入するプーリ２の内周側において高くなっており、ボス２４Ａ、２４Ｂの外周に向かうにしたがって徐々に減少する。このため、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内には平均圧力の高い空気膜が形成されていることとなり、その圧力によってスラスト荷重が支えられる。これにより、スラスト方向へのプーリ２の移動が拘束される。

ここで、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂの厚さｓ１が小さい場合、プーリ２が軸心Ｏに沿って僅かに移動すると、一方のスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂが狭くなり、他方のスラスト軸受隙間６１ｂ、６１ａが厚くなるため、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の圧力分布が変化し、自励振動が発生する可能性がある。具体的には、狭くなったスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内では、抵抗の増加によって圧力が上昇し、広くなったスラスト軸受隙間６１ｂ、６１ａ内では、抵抗の減少により圧力が減少するため、プーリ２は、一方のスラスト軸受面１１３２、１２１に僅かに近付いただけで他方のスラスト軸受面１２１、１１３２側に押し戻されるように軸心Ｏに沿って移動する。これが繰り返される。

本実施の形態においては、プーリ２が一方のスラスト軸受面１１３２、１２１側に僅かに移動しても、他方のスラスト軸受面１２１、１１３２側へ急激に押し戻されない程度に余裕のある厚さｓ１のスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂを設けているため、自励振動の発生を抑止することができる。

このように、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４によれば、プーリ２の内周面２２１に対向する多孔質焼結層１１２からラジアル軸受隙間６０に圧縮空気が供給され、このラジアル軸受隙間６０から排気される圧縮空気が、その圧力を保ったまま、プーリ２の両面側のスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂに導入されるため、ラジアル軸受隙間６０内の空気膜の圧力およびスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の空気膜の圧力により、プーリ２のラジアル荷重およびスラスト荷重を非接触で支えることができる。このため、動力損失をほとんど発生しないため、プーリ２を高速に回転させることができる。また、ラジアル軸受隙間６０から排気される圧縮空気をスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の空気膜の形成に利用しているため、ラジアル軸受隙間６０からの圧縮空気を排気するための排気用溝や排気孔を、エアシャフトユニット１およびプーリ２のいずれにも形成する必要がない。したがって、高速回転するプーリ２を保持するエアベアリングユニット４の構造を簡略化することができる。

さらに、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂに圧縮空気を噴出する多孔質焼結層をエアシャフト１１に別途設ける必要もないため、エアベアリングユニット４の構造をより簡略化することができるとともに、エアベアリングユニット４の製造コストの低減を図ることができる。

また、エアシャフトユニット１がその両端部で保持されているため、長尺なプーリ２を保持するためにエアシャフト１１を長尺化させても、エアシャフト１１の、自重による撓みを抑制することができる。このため、わずかなラジアル軸受隙間６０をおいて対向する、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１と多孔質焼結層１１２の外周面（ラジアル軸受面）１１２１との接触を防止することができる。このため、支持対象のプーリ２を軸心Ｏ方向に長くしても、このプーリ２を安定に非接触支持することができる。

また、軸心Ｏ方向に沿った排気孔をプーリ２に形成する必要がないことから、プーリ２の肉厚をより薄くすることが可能である。このため、プーリ２を軸心Ｏ方向に長くしても、プーリ２を薄くすることにより、プーリ２の軽量化を図ることができる。これにより、長尺なプーリ２をより高速に回転させることが可能となるとともに、エアシャフト１１にかかる荷重が低減されるため、エアシャフト１１の撓みがさらに抑制される。このため、高速回転するプーリ２をより安定に非接触支持することができる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４においては、ラジアル軸受面１１２１からラジアル軸受隙間６０に圧縮空気が噴出されればよく、スラスト軸受面１１３２、１２１およびラジアル軸受面１１２１のそれぞれから圧縮気体を噴出する厚い多孔質体を取り付ける必要がない。したがって、厚さ数ミリ（例えば約２．５ｍｍ）程度の多孔質焼結層１１２がバックメタル１１１に一体的に形成されていればよい。このため、エアベアリングユニット４のコンパクト化を実現することができる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４によれば、エアシャフト１１側に多孔質焼結層１１２が形成されているため、支持対象のプーリ２には、エアシャフト１１を挿入するためのエアシャフト挿入用穴２２が形成されていれば足り、特別な部位が形成されている必要がない。このため、交換部品であるプーリ２の製造コストを低減することができ、ランニングコストを削減することができる。

また、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂの厚さｓ１を、自励振動を生じない程度に大きくしているため、自励振動の発生を防止することができる。このため、高速回転するプーリ２をより安定に非接触支持することができる。

なお、本実施の形態においては、段付き円柱状のバックメタル１１１を用いているが、このバックメタル１１１を例えば中空構造としてもよい。

以上、本実施の形態では、長尺なプーリ２を支持するエアベアリングユニット４を例に挙げたが、長尺なプーリ２以外の回転体を支持するものでもよい。例えば、通常のプーリを複数支持するものであってもよい。

１：エアシャフトユニット、２：プーリ、３Ａ、３Ｂ：シャフトホルダ、４：エアベアリングユニット、１１：エアシャフト、１２：スラストプレート、１３：ナット、２１：フランジ部、２２：エアシャフト挿入用穴、２３：ボスの外周面、２４Ａ，２４Ｂ：ボス、２５Ａ，２５Ｂ：プーリの端面、１１１：バックメタル、１１２：多孔質焼結層、１１３：ベース部、１１４：ラジアル軸受部、１１５：ロッド部、１１６：通気路、１１７：給気口、１１８：ネジ部、１２１：スラストプレートの端面（スラスト軸受面）、１２２：スラストプレートの端面、１２３：シャフト挿入用穴、２２１：プーリの内周面、２４１Ａ，２４１Ｂ：ボスの端面、１１２１：多孔質焼結層の外周面（ラジアル軸受面）、１１３１：ベース部の端面、１１３２：ベース部の端面（段差面、スラスト軸受面）、１１４１：ラジアル軸受部の端面（段差面）、１１４２：ラジアル軸受部の外周面、１１４３：環状溝、１１４４：孔、１１５１：ネジ部

Claims

軸心周りの方向に回転する回転体を、ラジアル軸受隙間と第一および第二のスラスト軸受隙間とに介在する気体膜により非接触で支持する静圧気体軸受ユニットであって、
前記回転体の両端面を貫通するシャフト挿入穴内に挿入されるシャフトユニットと、
前記シャフトユニットを前記回転体のシャフト挿入穴の両側の位置で保持するシャフト保持手段と、を備え、
前記シャフトユニットは、
前記シャフト挿入穴の内周面に対向して、当該内周面との間に前記ラジアル軸受隙間を形成し、前記ラジアル軸受隙間に前記気体膜を形成するための気体を噴出するラジアル軸受面と、
前記ラジアル軸受面と隣り合い、前記回転体の一方の端面に対向して、当該端面との間に、前記ラジアル軸受隙間の一方の端側に繋がる前記第一のスラスト軸受隙間を形成する第一のスラスト軸受面と、
前記ラジアル軸受面と隣り合い、前記回転体の他方の端面に対向して、当該端面との間に、前記ラジアル軸受隙間の他方の端側に繋がる前記第二のスラスト軸受隙間を形成する第二のスラスト軸受面と、を有し、
前記気体は、
前記ラジアル軸受隙間内を前記第一のスラスト軸受隙間および前記第二のスラスト軸受隙間に向かって流れて、当該ラジアル軸受隙間から前記第一のスラスト軸受隙間および前記第二のスラスト軸受隙間にそれぞれ排気され、当該第一のスラスト軸受隙間内および当該第二のスラスト軸受隙間にそれぞれ前記気体膜を形成する
ことを特徴とする静圧気体軸受ユニット。
請求項１記載の静圧気体軸受ユニットであって、
前記シャフトユニットは、
ベース部と、前記ベース部の端面に形成された、前記ベース部よりも小径のラジアル軸受部とを有する段付き円柱状のバックメタル、および、前記ラジアル軸受部の外周面に形成された多孔質層を有し、前記回転体のシャフト挿入穴に挿入されて、前記多孔質層の表面を前記ラジアル軸受面として前記回転体のシャフト挿入穴の内周面との間に前記ラジアル軸受隙間を形成するとともに、前記ベース部と前記ラジアル軸受部との間の段差面を前記第一のスラスト軸受面として前記回転体の一方の端面との間に前記第一のスラスト軸受隙間を形成するシャフトと、
前記ラジアル軸受部の端面に固定され、前記回転体の他方の端面と対向する面を前記第二のスラスト軸受面として前記回転体の他方の端面との間に前記第二のスラスト軸受隙間を形成するスラストプレートと、を備え、
前記シャフト保持手段は、
前記シャフトのベース部と前記スラストプレートとを固定する
ことを特徴とする静圧気体軸受ユニット。
請求項１または２に記載の静圧気体軸受ユニットであって、
前記回転体として、前記径方向の寸法よりも前記軸方向の寸法が長いプーリを有することを特徴とする静圧気体軸受ユニット。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受ユニットの構成要素として当該静圧気体軸受ユニットに用いられるシャフトユニット。