JP2021080984A - Non-contact slide fluid bearing and its forming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触摺動流体軸受及びその形成方法に関し、更に詳しくは、支持体と摺動体との間に均一な圧力を伝搬する大きな圧力空間を設けて摺動体を支持体から流体圧で浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、対向する摺動面が非接触で摺動することを可能にした非接触摺動流体軸受及びその形成方法に関する。 The present invention relates to a non-contact sliding fluid bearing and a method for forming the same. More specifically, a large pressure space for propagating a uniform pressure is provided between the support and the sliding body, and the sliding body is subjected to fluid pressure from the support. The present invention relates to a non-contact sliding fluid bearing and a method for forming the same, which enables the facing sliding surfaces to slide in a non-contact manner by holding a gap in which the support and the sliding body do not mechanically contact each other.
非接触な摺動構造として、空気圧を利用した静圧軸受が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような静圧軸受では、負荷に対抗する軸受部において自制絞りや多孔質絞りの焼結体を用いて空気の動圧を静圧に変換し、摺動体を浮かせて摺動面での摩擦を軽減することできる。しかしながら、該軸受部に高圧の空気を供給すると変形等が生じるため作用が限定的であると共に、寸法上の理由から大きな負荷に耐えられないという問題がある。また、使用可能な流体が空気に限定されると共に、その際の空気の消費量が多く、排気対策も必要である。更には、軸受構造が複雑になるので製造コストが高くなるという問題がある。 As a non-contact sliding structure, a hydrostatic bearing using air pressure has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In such a static pressure bearing, the dynamic pressure of air is converted into static pressure by using a self-control drawing or porous drawing sintered body in the bearing portion that opposes the load, and the sliding body is floated to cause friction on the sliding surface. Can be reduced. However, when high-pressure air is supplied to the bearing portion, deformation or the like occurs, so that the action is limited, and there is a problem that a large load cannot be withstood due to dimensional reasons. In addition, the fluid that can be used is limited to air, and the amount of air consumed at that time is large, so exhaust measures are also required. Further, since the bearing structure becomes complicated, there is a problem that the manufacturing cost becomes high.
本発明の目的は、支持体と摺動体との間に均一な圧力を伝搬する大きな圧力空間を設けて摺動体を支持体から流体圧で浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、対向する摺動面が非接触で摺動することを可能にした非接触摺動流体軸受及びその非接触摺動流体軸受の形成方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a large pressure space between the support and the sliding body to propagate a uniform pressure so that the sliding body is floated by fluid pressure from the support, and the support and the sliding body do not come into mechanical contact with each other. It is an object of the present invention to provide a non-contact sliding fluid bearing in which opposing sliding surfaces can slide in a non-contact manner by holding a gap, and a method for forming the non-contact sliding fluid bearing.
上記目的を達成するための本発明の非接触摺動流体軸受は、支持体と該支持体に対して摺動する摺動体とを備え、前記支持体及び前記摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差が1μm以下であり、前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との隙間が1μm〜5μmであり、前記支持体と前記摺動体との間であって前記支持体及び前記摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との間に前記粘性流体が保持される構造を有することを特徴とするものである。 The non-contact sliding fluid bearing of the present invention for achieving the above object includes a support and a sliding body that slides with respect to the support, and has a target shape of the support and the sliding surface of the sliding body. The dimensional error with respect to the above is 1 μm or less, microdimples are formed on the sliding surfaces of the support and the sliding body, respectively, and the gap between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body is 1 μm to 5 μm. A pressure space for supplying the pressurized viscous fluid is formed between the support and the sliding body at a position adjacent to the supporting body and the sliding surface of the sliding body. It is characterized by having a structure in which the viscous fluid is held between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body.
また、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法は、上述の非接触摺動流体軸受を形成する方法であって、FPSP(Fine Particle Shot Peening)処理を施して前記マイクロディンプルを形成することを特徴とするものである。 Further, the method for forming the non-contact sliding fluid bearing of the present invention is the above-mentioned method for forming the non-contact sliding fluid bearing, and the micro dimples are formed by subjecting the FSPP (Fine Particle Shot Peening) treatment. It is characterized by.
本発明の発明者は、新たな非接触な摺動構造として、支持体と摺動体との間に加圧された粘性流体が供給される圧力空間を設け、その粘性流体の流体圧で摺動体を支持体から浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、その圧力空間が負荷に対抗する軸受部として機能する構造(流体軸受)を知見して本発明に至ったのである。 As a new non-contact sliding structure, the inventor of the present invention provides a pressure space between the support and the sliding body to which a pressurized viscous fluid is supplied, and the sliding body is provided with the fluid pressure of the viscous fluid. The present invention has been made by discovering a structure (fluid bearing) in which the pressure space functions as a bearing portion that opposes a load by holding a gap in which the support and the sliding body do not mechanically contact each other. It came.
本発明では、支持体と該支持体に対して摺動する摺動体とを備え、支持体及び摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差は1μm以下であり、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との隙間が1μm〜5μmであり、支持体と摺動体との間であって支持体及び摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との間に粘性流体が保持される構造を有するので、圧力空間が負荷に対抗する軸受部として機能すると共に、支持体と摺動体の各摺動面の隙間において自動調芯され、支持体と摺動体とが完全に非接触な状態となり、その非接触状態を常に維持することができる。特に、負荷に対する剛性を高めることができるので、振動を低減することができると共に、支持体及び摺動体の摺動面が非接触であるので、摩擦と発熱を生じることがなく、回転数や往復運動速度も制限され難い。また、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成されていることで、摺動面の表面保護に寄与する。更には、本発明の非接触摺動流体軸受は少ない部品点数で構成することができるので、製造コスト及び維持管理コストを抑制することができる。 In the present invention, a support and a sliding body that slides with respect to the support are provided, and the dimensional error of the support and the sliding surface of the sliding body with respect to the target shape is 1 μm or less, and the sliding of the support and the sliding body. Micro dimples are formed on each of the moving surfaces, and the gap between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body is 1 μm to 5 μm. A pressure space for supplying a pressurized viscous fluid is formed at a position adjacent to the sliding surface, and a structure in which the viscous fluid is held between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body is formed. Since it has, the pressure space functions as a bearing portion that opposes the load, and is automatically centered in the gap between the sliding surfaces of the support and the sliding body, so that the support and the sliding body are completely in non-contact state. The non-contact state can be maintained at all times. In particular, since the rigidity against a load can be increased, vibration can be reduced, and since the sliding surfaces of the support and the sliding body are non-contact, friction and heat generation do not occur, and the rotation speed and reciprocating motion are not generated. Exercise speed is also difficult to limit. Further, microdimples are formed on the sliding surfaces of the support and the sliding body, respectively, which contributes to the surface protection of the sliding surfaces. Further, since the non-contact sliding fluid bearing of the present invention can be configured with a small number of parts, manufacturing cost and maintenance cost can be suppressed.
本発明の非接触摺動流体軸受において、粘性流体は空気であると良い。更に、支持体及び摺動体は非金属からなることが好ましい。 In the non-contact sliding fluid bearing of the present invention, the viscous fluid is preferably air. Further, the support and the sliding body are preferably made of non-metal.
また、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法では、FPSP処理を施してマイクロディンプルを形成する。このFPSP処理として、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれ粒径が30μm〜80μmの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を50m/sec〜200m/secの吹き付け速度で噴射し、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルを形成すると良い。これにより、支持体及び摺動体に対して適度な表面粗度を有する摺動面を形成することができる。 Further, in the method for forming a non-contact sliding fluid bearing of the present invention, FPSP treatment is performed to form micro dimples. As this FPSP treatment, fine particles of ceramic or metal having a particle size in the range of 30 μm to 80 μm are sprayed onto the sliding surfaces of the support and the sliding body at a spraying speed of 50 m / sec to 200 m / sec, respectively, and the support and the sliding body are slid. It is preferable to form micro dimples on the sliding surfaces of the moving body. As a result, it is possible to form a sliding surface having an appropriate surface roughness with respect to the support and the sliding body.
なお、本発明において、「目標形状」とは、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との隙間が1μm〜5μmとなるように設定された摺動面の形状である。「目標形状に対する寸法誤差が1μm以下である」とは、例えば、目標形状が平面である場合、平面度が1μm以下であることを意味し、目標形状が円周面である場合、円筒度が1μm以下であることを意味し、目標形状が幾何学曲線で描写される場合、その幾何学曲線に対する誤差が1μm以下であることを意味する。 In the present invention, the "target shape" is the shape of the sliding surface set so that the gap between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body is 1 μm to 5 μm. "The dimensional error with respect to the target shape is 1 μm or less" means, for example, that when the target shape is a flat surface, the flatness is 1 μm or less, and when the target shape is a circumferential surface, the cylindricity is It means that it is 1 μm or less, and when the target shape is drawn by a geometric curve, it means that the error with respect to the geometric curve is 1 μm or less.
以下、本発明の構成について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図1及び図2は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダを示すものである。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 and 2 show an air slider to which a non-contact sliding fluid bearing according to an embodiment of the present invention is applied.
図1及び図2に示すように、本実施形態のエアスライダ10は、支持体1としてのガイドレール11と、ガイドレール11に対して摺動自在に構成された摺動体2としてのスライダ12とを有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ガイドレール11は、平板状のベース部13と、ベース部13の両端部に固定された一対のレール部14から構成されている。ガイドレール11は、スライダ12を収容するための収容孔15を有している。この収容孔15にスライダ12が配置されている。
The
スライダ12は、外面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5を有している。この圧力空間5は、ガイドレール11とスライダ12との間であってガイドレール11及びスライダ12の摺動面に隣接するように配置されている。また、スライダ12には、加圧された粘性流体を圧力空間5に供給する空気供給孔6が形成されている。この空気供給孔6は、方向制御弁3を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ4に接続されている。圧力空間5は、連結部7を介して空気供給孔6に接続されている。なお、圧力空間5に供給される粘性流体の圧力は、スライダ12(摺動体2)に掛かる荷重及び圧力空間5の面積に応じて適宜決定される。
The
エアスライダ10において、ガイドレール11及びスライダ12の摺動面は、ガイドレール11の内面及びスライダ12の外面である。具体的に、スライダ12の底面12aとベース部13の上面13aとは互いに対向する摺動面である。また、スライダ12の側面12bとレール部14の側面14aとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ12はガイドレール11の延在方向に対して摺動可能になっている。なお、スライダ12の側面12cとそれに対向するレール部14の内面14cとの間は、ガイドレール11とスライダ12の摺動に影響しない程度に比較的大きな間隔が設けられている。
In the
対向する摺動面の間には、図3に示すように、粘性流体の種類によって寸法tが設定される微小な隙間Mgが存在する。隙間Mgの寸法tは、例えば1μm〜5μmの範囲に設定される。図3において、隙間Mgは、対向する摺動面をなすスライダ12の底面12aとベース部13の上面13aとの間、及び、スライダ12の側面12bとレール部14の側面14aとの間に存在する。このようにエアスライダ10はガイドレール11及びスライダ12の各摺動面において1μm〜5μmの隙間Mgを有している。なお、隙間Mgの寸法tは、ガイドレール11とスライダ12との寸法差に応じて、上記範囲に定まる。例えば、ガイドレール11の内寸法とスライダ12の外寸法との水平方向の寸法差が5μmである場合、該寸法差が隙間Mgの個数(スライダ12の水平方向両側の2箇所)で等分され、隙間Mgの寸法tはそれぞれ2.5μmに定まる。
As shown in FIG. 3, there is a minute gap Mg whose dimension t is set according to the type of viscous fluid between the sliding surfaces facing each other. The dimension t of the gap Mg is set in the range of, for example, 1 μm to 5 μm. In FIG. 3, the gap Mg exists between the
ガイドレール11及びスライダ12の摺動面は、目標形状(平面)に対する寸法誤差が1μm以下に設定されている。エアスライダ10の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度を意味する。平面度とは、対象となる平面(摺動面)を幾何学的に正しい平行な2平面で挟んだときに、平行な2平面の間隔が最小となる場合の2平面の間隔をいう。上述したように摺動面の目標形状に対する寸法誤差を極めて小さくすることで、隙間Mgにおいて粘性流体をその粘性によって閉じ込めることに寄与する。隙間Mgから粘性流体が極めて漏洩しにくいことで、従来の軸受において必要であったシールパッキンは不要となる。それに伴い、部品の交換やメンテナンスも不要となる。
The sliding surfaces of the
エアスライダ10において、圧力空間5は、スライダ12(摺動体2)に均一な圧力を伝搬し、スライダ12をガイドレール11(支持体1)から流体圧で浮かし、負荷に対抗する軸受部として機能する。言い換えれば、加圧された粘性流体の流体圧が作用するのは圧力空間5のみであり、この圧力空間5に流体圧が作用することにより非接触摺動が可能になる。圧力空間5の大きさは負荷に応じて適宜設定することができ、これを適度に設定することで機器の剛性と動作精度を向上することができる。一方、隙間Mgには粘性流体が存在するものの、隙間Mgでは圧力が極めてゼロに近く、負荷に対抗する軸受部としての機能は有しない。そのため、エアスライダ10の隙間Mgは、従来の軸受の軸受部には相当しない。このように本発明に係る非接触摺動流体軸受は、従来の非接触摺動を可能にする軸受(例えば、静圧軸受など)とは構造が異なるものである。
In the
ガイドレール11の摺動面及びスライダ12の摺動面には、それぞれFPSP(Fine Particle Shot Peening)処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。即ち、スライダ12の底面12a、スライダ12の側面12b、ベース部13の上面13a及びレール部14の側面14aにマイクロディンプルが形成されているが、レール部14の内面14cを含む内面全てやスライダ12の圧力空間5を含む外面全てに対して形成されていても良い。FPSP処理によるマイクロディンプルは、各摺動面に対して凹部として形成され、それぞれが略半球状を有している。このように対向する摺動面では、隙間Mgが微小(1μm〜5μm)であるため粘性流体が粘着する恐れがあるので、摺動面の表面保護を目的として、摺動面にマイクロディンプルを形成して粘性流体による粘着を防止している。
Innumerable micro dimples are formed on the sliding surface of the
エアスライダ10を用いた場合、方向制御弁3を操作又は制御して空気供給孔6から加圧された空気を供給すると、圧力空間5に空気が充填される。そして、圧力空間5を介してガイドレール11の摺動面とスライダ12の摺動面との間(隙間Mg)にも空気が充填され、粘性流体(空気)がその粘性によって隙間Mgに保持される。これにより、スライダ12はガイドレール11に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間5に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Mgが所定の寸法tになるように自動調芯されて、ガイドレール11とスライダ12とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧(対抗圧力)が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ12は、ガイドレール11に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
When the
図4及び図5は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの変形例を示すものである。図1〜図3と同一物には同一符号を付してその部分の詳細な説明は省略する。図4及び図5に示すように、本実施形態のエアスライダ20は、支持体1としてのガイドレール21と、ガイドレール21に対して摺動自在に構成された摺動体2としてのスライダ22とを有している。
4 and 5 show a modified example of the air slider to which the non-contact sliding fluid bearing according to the embodiment of the present invention is applied. The same objects as those in FIGS. 1 to 3 are designated by the same reference numerals, and detailed description of the parts thereof will be omitted. As shown in FIGS. 4 and 5, the
ガイドレール21は、円柱状のレール部23と、レール部23の両端部に固定された一対の支持部24から構成されている。スライダ22は、円柱状の収容孔25を有している。この収容孔25にガイドレール21のレール部23が挿通されている。
The
スライダ22は、内周面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5を有している。この圧力空間5は、ガイドレール21とスライダ22との間であってガイドレール21及びスライダ22の摺動面に隣接するように配置されている。また、スライダ22には、加圧された粘性流体を供給する空気供給孔6が形成されている。
The
エアスライダ20において、ガイドレール21及びスライダ22の摺動面は、ガイドレール21のレール部23の外周面23aとスライダ22の内周面22aである。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ22はガイドレール21の延在方向に対して摺動可能になっている。
In the
エアスライダ20は、図6に示すように、対向する摺動面をなすレール部23の外周面23aとスライダ22の内周面22aとの間に、寸法tとして1μm〜5μmの微小な隙間Mgを有している。ガイドレール21及びスライダ22の摺動面は、目標形状(円周面)に対する寸法誤差が1μm以下に設定されている。エアスライダ20の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の円筒度を意味する。円筒度とは、対象となる円周面(摺動面)を2つ同心の幾何学的円(最小二乗平均円)で挟んだときに、同心の2円の間隔が最小となる場合の2円の半径差である。また、ガイドレール21の摺動面及びスライダ22の摺動面には、それぞれFPSP処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
As shown in FIG. 6, the
エアスライダ20を用いた場合、方向制御弁3を操作又は制御して空気供給孔6から加圧された空気を供給すると、圧力空間5に空気が充填される。そして、圧力空間5を介してガイドレール21の摺動面とスライダ22の摺動面との間(隙間Mg)にも空気が充填され、粘性流体(空気)がその粘性によって隙間Mgに保持される。これにより、スライダ22はガイドレール21に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間5に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Mgが所定の寸法tになるように自動調芯されて、ガイドレール21とスライダ22とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧(対抗圧力)が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ22は、ガイドレール21に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
When the
図7及び図8は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの他の変形例を示すものである。図1〜図3と同一物には同一符号を付してその部分の詳細な説明は省略する。図7及び図8に示すように、本実施形態のエアスライダ30は、支持体1としてのガイドレール31と、ガイドレール31に対して摺動自在に構成された摺動体2としてのスライダ32とを有している。
7 and 8 show other modifications of the air slider to which the non-contact sliding fluid bearing according to the embodiment of the present invention is applied. The same objects as those in FIGS. 1 to 3 are designated by the same reference numerals, and detailed description of the parts thereof will be omitted. As shown in FIGS. 7 and 8, the
ガイドレール31は、四角柱状のレール部33と、レール部33の両端部に固定された一対の支持部34から構成されている。スライダ32は、四角柱状の収容孔35を有している。この収容孔35にガイドレール31のレール部33が挿通されている。
The
スライダ32は、内面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5を有している。この圧力空間5は、ガイドレール31とスライダ32との間であってガイドレール31及びスライダ32の摺動面に隣接するように配置されている。ガイドレール31の四方に配置された圧力空間5は同一面積を有している。また、スライダ32には、加圧された粘性流体を供給する空気供給孔6が形成されている。
The
エアスライダ30において、ガイドレール31及びスライダ32の摺動面は、ガイドレール31のレール部33の外面33aとスライダ32の内面32aである。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ32はガイドレール31の延在方向に対して摺動可能になっている。
In the
エアスライダ30は、図9に示すように、対向する摺動面をなすレール部33の外面33aとスライダ32の内面32aとの間に、寸法tとして1μm〜5μmの微小な隙間Mgを有している。ガイドレール31及びスライダ32の摺動面は、目標形状(平面)に対する寸法誤差が1μm以下に設定されている。エアスライダ30の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度を意味する。また、ガイドレール31の摺動面及びスライダ32の摺動面には、それぞれFPSP処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
As shown in FIG. 9, the
エアスライダ30を用いた場合、方向制御弁3を操作又は制御して空気供給孔6から加圧された空気を供給すると、圧力空間5に空気が充填される。そして、圧力空間5を介してガイドレール31の摺動面とスライダ32の摺動面との間(隙間Mg)にも空気が充填され、粘性流体(空気)がその粘性によって隙間Mgに保持される。これにより、スライダ32はガイドレール31に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間5に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Mgが所定の寸法tになるように自動調芯されて、ガイドレール31とスライダ32とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧(対抗圧力)が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ32は、ガイドレール31に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
When the
図10は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアシリンダを示すものである。図10に示すように、本実施形態のエアシリンダ40は、支持体1としてのシリンダチューブ41と、シリンダチューブ41に対して摺動自在に構成された摺動体2としてのピストン42とを有している。
FIG. 10 shows an air cylinder to which a non-contact sliding fluid bearing according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 10, the
シリンダチューブ41は、円筒状のシリンダ本体部43と、空気供給孔6を有し、シリンダ本体部43の一端側(図の左側)に固定されたヘッドカバー44と、空気供給孔6を有し、シリンダ本体部43の他端側(図の右側)に固定されたロッドカバー45から構成されている。また、シリンダチューブ41は円柱状の収容孔46を有している。この収容孔46にピストン42が挿通されている。
The
ピストン42は、ピストン本体部47と、ピストン本体部47に一体に形成され、ピストン本体部47よりも小径のロッド部48と、ロッド部48の先端側(図の右側)に固定されたロッド先端部49から構成されている。ヘッドカバー44及びロッドカバー45の各々に形成された空気供給孔6は、方向制御弁3を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ4に接続されている。
The
エアシリンダ40は、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5を有している。この圧力空間5は、シリンダチューブ41とピストン42との間であってシリンダチューブ41及びピストン42の摺動面に隣接するように配置されている。
The
エアシリンダ40において、シリンダチューブ41及びピストン42の摺動面は、シリンダチューブ41の内周面及びピストン42の外周面である。具体的に、シリンダ本体部43の内周面43aとピストン本体部47の外周面47aとは互いに対向する摺動面である。また、ロッドカバー45の内周面45aとロッド部48の外周面48aとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、ピストン42はシリンダチューブ41の軸方向に対して摺動可能になっている。
In the
エアシリンダ40は、図11に示すように、対向する摺動面をなすシリンダチューブ41とピストン42の間に、寸法tとして1μm〜5μmの微小な隙間Mgを有している。シリンダチューブ41及びピストン42の摺動面は、目標形状(円周面)に対する寸法誤差が1μm以下に設定されている。エアシリンダ40の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の円筒度を意味する。また、シリンダチューブ41の摺動面及びピストン42の摺動面には、それぞれFPSP処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
As shown in FIG. 11, the
エアシリンダ40を用いた場合、方向制御弁3を操作又は制御して、ヘッドカバー44に形成された空気供給孔6から空気を供給すると共に、ロッドカバー45に形成された空気供給孔6から排気すると、ピストン本体部47が空気圧で押されてロッド部48が突出する。逆に、ロッドカバー45に形成された空気供給孔6から空気を供給すると共に、ヘッドカバー44に形成された空気供給孔6から排気すると、ピストン本体部47が空気圧で押されて引き込まれる。また、空気供給孔6から空気を供給した際には、圧力空間5に空気が充填される。そして、圧力空間5を介してシリンダ本体部43とピストン本体部47との間及びロッドカバー45とロッド部48のとの間(隙間Mg)にも空気が充填され、粘性流体(空気)がその粘性によって隙間Mgに保持される。その際、圧力空間5に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Mgが所定の寸法tになるように自動調芯され、シリンダチューブ41とピストン42とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧(対抗圧力)が生じ、自動調芯することができる。これにより、ピストン42は、シリンダチューブ41に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
When the
図12及び図13は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したギアタービンを示すものである。図12及び図13に示すように、本実施形態のギアタービン50は、支持体1としてのケーシング51と、ケーシング51に対して摺動自在に構成された摺動体2としてのギア52,53とを有している。
12 and 13 show a gear turbine to which a non-contact sliding fluid bearing according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIGS. 12 and 13, the
ケーシング51は、ギア52,53を収容するギアボックス54と、ギアボックス54の両端部に固定されたサイドカバー55とを有している。ケーシング51の一方側(図12の右側)に形成された空気供給孔6は方向制御弁3を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ4に接続され、ケーシング51の他方側(図12の左側)に形成された空気排出孔8は不図示の空気排出管に接続されている。ギアボックス54は略長円形の収容孔60を有している。この収容孔60にギア52,53が配置されている。
The
ギア52,53は、同一寸法及び同一形状を有している。ギア52,53は、同一方向に延在する円柱状の中心軸56,57と、中心軸56,57に取り付けられ、円弧状の3枚歯が一体に形成されたギア本体部58,59とを有している。これら中心軸56,57をそれぞれケーシング51に挿通するために、サイドカバー55にはその厚さ方向に貫通する孔55xが設けられている。
The
ギアタービン50は、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5を有している。この圧力空間5は、ケーシング51のギアボックス54とギア52,53との間であってケーシング51及びギア52,53の摺動面に隣接するように配置されている。
The
ギアタービン50において、ケーシング51及びギア52,53の摺動面は、ケーシング51の内面及びギア52,53の外面である。具体的に、ギアボックス54の内壁54aとギア本体部58,59の外壁58a,59aとは互いに対向する摺動面である。また、サイドカバー55のギアボックス54側の側面55aとギア本体部58,59の側面58b,59bとは互いに対向する摺動面である。更に、ギア52のギア本体部58の外壁58aとギア53のギア本体部59の外壁59aとは互いに対向する摺動面である。中心軸56,57の外周面56a,57aとサイドカバー55の孔55xの内周面55bとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、ギア52,53は、それぞれ中心軸56,57廻りに摺動可能になっている。
In the
ギアタービン50は、図14(a),(b)に示すように、対向する摺動面をなすケーシング51とギア52,53との間及びギア52とギア53との間に、寸法tとして1μm〜5μmの微小な隙間Mgを有している。具体的に、隙間Mgは、ギアボックス54の内壁54aとギア本体部58,59の各外壁58a,59aとの間及びギア本体部58の外壁58aとギア本体部59の外壁59aとの間(図14(a)参照)に存在する。また、隙間Mgは、サイドカバー55の側面55aとギア本体部58,59の側面58b,59bとの間、及び、中心軸56,57の外周面56a,57aとサイドカバー55の孔55xの内周面55bとの間に存在する(図14(b)参照)。
As shown in FIGS. 14A and 14B, the
ケーシング51及びギア52,53の摺動面は、目標形状(平面又は円周面)に対する寸法誤差が1μm以下に設定されている。ギアタービン50の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度又は円筒度を意味する。具体的に、平面度が設定される摺動面としては、サイドカバー55の側面55a、ギア本体部58,59の側面58b,59bであり、円筒度が設定される摺動面としては、ギアボックス54の内壁54a、ギア本体部58,59の外壁58a,59a、中心軸56,57の外周面56a,57a、サイドカバー55の孔55xの内周面55bである。また、ケーシング51の摺動面及びギア52,53の摺動面には、それぞれFPSP処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
The sliding surfaces of the
ギアタービン50を用いた場合、方向制御弁3を操作又は制御して、ケーシング51の一方側(図12の右側)に形成された空気供給孔6から空気を供給すると、ギア52が反時計回りに、ギア53が時計回りにそれぞれ回転する。その際、圧力空間5の位置はギア52,53の回転に応じて中心軸56,57廻りに変位し、圧力空間5が空気排出孔8に到達したときに圧力空間5内の空気が空気排出孔8から排気される。また、空気供給孔6から空気を供給した際、ケーシング51の摺動面とギア52,53の摺動面との間(隙間Mg)にも空気が充填され、粘性流体(空気)がその粘性によって隙間Mgに保持される。これにより、圧力空間5に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Mgが所定の寸法tになるように自動調芯されて、ギアボックス54とギア52,53及びギア52とギア53とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧(対抗圧力)が生じ、自動調芯することができる。これにより、ギア52,53は、ケーシング51に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
When the
なお、図12〜14の実施形態では、本発明の非接触摺動流体軸受をギアタービンに適用した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えばギアポンプ等の他の装置に対しても適用することができる。 In the embodiments of FIGS. 12 to 14, an example in which the non-contact sliding fluid bearing of the present invention is applied to a gear turbine is shown, but the present invention is not limited to this, and for other devices such as a gear pump, for example. Can also be applied.
上述した非接触摺動流体軸受では、支持体1と支持体1に対して摺動する摺動体2とを備え、支持体1及び摺動体2の摺動面の目標形状に対する寸法誤差は1μm以下であり、支持体1及び摺動体2の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、支持体1の摺動面と摺動体2の摺動面との隙間Mgが1μm〜5μmであり、支持体1と摺動体2との間であって支持体1及び摺動体2の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間5が形成され、支持体1の摺動面と摺動体2の摺動面との間に粘性流体が保持される構造を有するので、圧力空間5が負荷に対抗する軸受部として機能すると共に、支持体1と摺動体2の各摺動面の隙間Mgにおいて自動調芯され、支持体1と摺動体2とが完全に非接触な状態となり、その非接触状態を常に維持することができる。特に、負荷に対する剛性を高めることができるので、振動を低減することができると共に、支持体1及び摺動体2の摺動面が非接触であるので、摩擦と発熱を生じることがなく、回転数や往復運動速度も制限され難い。また、支持体1及び摺動体2の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成されていることで、摺動面の表面保護に寄与する。更には、本発明の非接触摺動流体軸受は少ない部品点数で構成することができるので、製造コスト及び維持管理コストを抑制することができる。
The non-contact sliding fluid bearing described above includes a
上記非接触摺動流体軸受において、粘性流体は空気であると良い。粘性流体として油又は水を用いた場合よりも継続的なメンテナンスが比較的簡便であり、それによって維持管理コストを低減することができるので好適である。 In the non-contact sliding fluid bearing, the viscous fluid is preferably air. It is preferable because continuous maintenance is relatively simpler than when oil or water is used as the viscous fluid, and the maintenance cost can be reduced thereby.
また、支持体1及び摺動体2は非金属から構成されることが好ましい。非金属として、例えば樹脂を用いることが好ましい。支持体1及び摺動体2を構成する材料として金属を用いることもできるが、支持体1及び摺動体2の双方が樹脂から構成された場合には、自己潤滑性、耐摩耗性及び静粛性に優れており、更には軽量化及び高精度化を図ることができるので好適である。
Further, the
次に、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法を説明する。上述した非接触摺動流体軸受を形成するにあたって、支持体1及び摺動体2の摺動面が平滑になるように加工する。即ち、各摺動面において、目標形状に対する寸法誤差が1μm以下となるように超精密加工を施す。このように摺動面の目標形状に対する寸法誤差を極めて小さくすることで、隙間Mgにおいて粘性流体をその粘性によって閉じ込めることに寄与する。
Next, a method for forming the non-contact sliding fluid bearing of the present invention will be described. In forming the non-contact sliding fluid bearing described above, the sliding surfaces of the
例えば、図1〜3に示すエアスライダ10では、スライダ12の底面12a、ベース部13の上面13a、スライダ12の側面12b及びレール部14の側面14aのそれぞれを所定の平面度となるように加工し、図7〜9に示すエアスライダ30では、レール部33の外面33aとスライダ32の内面32aを所定の平面度となるように加工する。また、図4〜6に示すエアスライダ20では、レール部23の外周面23aとスライダ22の内周面22aを所定の円筒度となるように加工し、図10,11に示すエアシリンダ40では、シリンダ本体部43の内周面43a、ピストン本体部47の外周面47a、ロッドカバー45の内周面45a及びロッド部48の外周面48aのそれぞれを所定の円筒度となるように加工する。更に、図12〜図14(a),(b)に示すギアタービン50では、サイドカバー55の側面55a、ギア本体部58,59の側面58b,59bのそれぞれを所定の平面度となるように加工すると共に、ギアボックス54の内壁54a、ギア本体部58,59の外壁58a,59a、中心軸56,57の外周面56a,57a、サイドカバー55の孔55xの内周面55bのそれぞれを所定の円筒度となるように加工する。
For example, in the
上述した超精密加工の後、FPSP処理を施し、支持体1及び摺動体2の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このFPSP処理として、支持体1及び摺動体2の摺動面に粒径が30μm〜80μmの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を50m/sec〜200m/secの吹き付け速度で噴射することにより、支持体1及び摺動体2の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このようにマイクロディンプルが形成されることによって支持体1及び摺動体2の摺動面では、急熱又は急冷が繰り返され、結晶粒界が消失して表面改質がなされる。
After the above-mentioned ultra-precision machining, FPSP treatment is performed to form micro dimples on each sliding surface of the
上述した非接触摺動流体軸受の形成方法では、FPSP処理を施し、支持体1及び摺動体2の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このFPSP処理として、支持体1及び摺動体2の摺動面にそれぞれ粒径が30μm〜80μmの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を50m/sec〜200m/secの吹き付け速度で噴射し、支持体1及び摺動体2の摺動面にそれぞれマイクロディンプルを形成するので、支持体1及び摺動体2に対して適度な表面粗度を有する摺動面を形成することができる。
In the method for forming a non-contact sliding fluid bearing described above, FPSP treatment is performed to form micro dimples on each sliding surface of the
本発明を適用した金属製のエアシリンダ(図10に示す構造)の試作機を作製した。このエアシリンダを用いて、圧力空間に加圧された空気が供給されていない場合と、圧力空間に2kPaの加圧された空気が供給されている場合の各々について、ロッド部が少し突出した状態(例えば、図10の状態)でピストンを周方向に回転させ、回転が停止するまでの回転数を測定した。その結果、前者の場合は、僅かな隙間が存在することで荷重が偏り、摺動面で金属接触が生じ、僅かに回転したものの測定可能な回転数に達することなく、直ぐに停止してしまった。これに対して、後者の場合は、擦れ合う音もなく数分間回転し続けた。即ち、圧力空間に加圧された空気が供給されることで自動調芯がなされ、非接触で摺動可能な状態を実現できることが確認された。 A prototype of a metal air cylinder (structure shown in FIG. 10) to which the present invention was applied was manufactured. Using this air cylinder, the rod portion protrudes slightly in each of the cases where the pressure space is not supplied with pressurized air and the pressure space is supplied with 2 kPa of pressurized air. (For example, in the state of FIG. 10), the piston was rotated in the circumferential direction, and the number of rotations until the rotation stopped was measured. As a result, in the former case, the load was biased due to the presence of a slight gap, metal contact occurred on the sliding surface, and although it rotated slightly, it stopped immediately without reaching the measurable rotation speed. .. On the other hand, in the latter case, it continued to rotate for several minutes without rubbing noise. That is, it was confirmed that by supplying pressurized air to the pressure space, self-alignment is performed and a non-contact slidable state can be realized.
また、本発明を適用した金属製のギアタービンの試作機を作製した。このギアタービンに空気を供給する小型のエアコンプレッサを接続すると共に、ギアタービンに小型発電機を接続し、この小型発電機を電源とするLED電球を点灯させる実証試験を行った。エアコンプレッサは回転数1000rpmの能力を有する。その結果、4WのLED電球を3個点灯させることができた。この回転数等の条件で小型発電機が発電できる電力は12Wであった。ギアタービンの回転数の測定値は910rpmであり、エアコンプレッサから得られる予測回転数(1000rpm)に対して91%の回転比率であり、その際に測定された電力は11.7Wであった。ギアタービンの回転数に脈動が観察された点及び配管内でのロスがある点を考慮すると、ギアタービンの実質的な回転比率は100%に近いものであったと推測される。即ち、本発明を適用したギアタービンは、支持体と摺動体との隙間が微小であって圧力損失が少ないものであり、高いエネルギー効率を有することが確認された。 In addition, a prototype of a metal gear turbine to which the present invention was applied was manufactured. A demonstration test was conducted in which a small air compressor that supplies air to the gear turbine was connected, a small generator was connected to the gear turbine, and an LED light bulb powered by the small generator was turned on. The air compressor has a rotation speed of 1000 rpm. As a result, three 4W LED bulbs could be turned on. The electric power that the small generator can generate under the conditions such as the number of revolutions was 12 W. The measured value of the rotation speed of the gear turbine was 910 rpm, which was a rotation ratio of 91% with respect to the predicted rotation speed (1000 rpm) obtained from the air compressor, and the electric power measured at that time was 11.7 W. Considering that pulsation was observed in the rotation speed of the gear turbine and that there was a loss in the piping, it is estimated that the actual rotation ratio of the gear turbine was close to 100%. That is, it was confirmed that the gear turbine to which the present invention is applied has a small gap between the support and the sliding body, has a small pressure loss, and has high energy efficiency.
上述した説明では、粘性流体として空気を用いた例を示したが、本発明の非接触摺動流体軸受では、空気だけでなく油又は水を用いることができる。 In the above description, an example in which air is used as the viscous fluid has been shown, but in the non-contact sliding fluid bearing of the present invention, not only air but also oil or water can be used.
1 支持体
2 摺動体
5 圧力空間
10,20,30 エアスライダ
11,21,31 ガイドレール
12,22,32 スライダ
40 エアシリンダ
41 シリンダチューブ
42 ピストン
50 ギアタービン
51 ケーシング
52,53 ギア
1
Claims (5)
前記支持体及び前記摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差が1μm以下であり、
前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、
前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との隙間が1μm〜5μmであり、
前記支持体と前記摺動体との間であって前記支持体及び前記摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、
前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との間に前記粘性流体が保持される構造を有することを特徴とする非接触摺動流体軸受。 A support and a sliding body that slides on the support are provided.
The dimensional error with respect to the target shape of the sliding surface of the support and the sliding body is 1 μm or less.
Micro dimples are formed on the sliding surfaces of the support and the sliding body, respectively.
The gap between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body is 1 μm to 5 μm.
A pressure space to which the pressurized viscous fluid is supplied is formed between the support and the sliding body at a position adjacent to the supporting body and the sliding surface of the sliding body.
A non-contact sliding fluid bearing having a structure in which the viscous fluid is held between the sliding surface of the support and the sliding surface of the sliding body.
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