JP2644247B2 - 静圧気体軸受 - Google Patents

静圧気体軸受

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JP2644247B2 JP63001572A JP157288A JP2644247B2 JP 2644247 B2 JP2644247 B2 JP 2644247B2 JP 63001572 A JP63001572 A JP 63001572A JP 157288 A JP157288 A JP 157288A JP 2644247 B2 JP2644247 B2 JP 2644247B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、給気孔から軸と軸受面間に形成された軸
受すきまに圧縮気体を供給して軸を支持するようにした
静圧気体軸受に関するものである。
〔従来の技術〕
静圧気体軸受は、軸受すきまに形成される圧縮気体膜
によって軸を支持するため、回転精度が高いこと、軸受
部の摩耗損失が小さいこと、さらに、スティックスリッ
プを生じないこと等の利点を有する。このため、精密加
工機、精密測定器等の回転軸の軸受として広く用いられ
ている。
しかし、気体による液体潤滑であるため、他の軸受に
比較して軸受剛性が小さいという欠点がある。
したがって、軸受剛性の向上は、静圧気体軸受の重要
な課題の一つになっている。
その課題解決のため、特公昭58−14927号公報に示さ
れた静圧気体軸受においては、第12図に示すように、軸
21を支持する軸受部材22の軸受面23に、一対の周方向溝
24、24を軸方向に所要の間隔をおいて設け、各周方向溝
24のまわりには、周方向に所要の間隔をおいて給気孔25
を形成し、各給気孔25の先端のノズル26を周方向溝24に
連通させた構成としてある。
一般に、静圧気体軸受では、第13図に示すように、軸
に荷重Wが加わると、軸21が偏心し、それに伴って、給
気孔25の絞り作用により、軸受面23の圧力分布が実線イ
から点線ロのように変化し、軸受面23の荷重方向と反荷
重方向で差圧が生じる。これが軸受圧力となり、荷重W
とつり合う。
軸受の剛性は、軸受圧力/軸の偏心量で定義される。
ところで、第12図に示す静圧気体軸受においては、軸
21の偏心によって、第13図の点線ロのように軸受面23に
差圧が生じると、荷重方向の圧力が周方向溝24を流れて
反荷重方向に移動する。このため、差圧が小さくなり、
軸受剛性が低いという問題がある。
そこで、周方向への圧力の流れを減少させるため、特
開昭56−134623号公報に示された静圧気体軸受において
は、第14図に示すように、軸受部材32の軸受面33に、軸
方向溝34とその両端に周方向溝35を連通させたH形給気
溝36を周方向に等間隔に設けると共に、給気溝列を軸方
向に2列設け、各給気溝36における軸方向溝34の中央
に、給気孔37の先端のノズル38を連通させた構成として
ある。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、上記の静圧気体軸受においては、給気溝36
の容積が比較的大きくなるので、給気孔37の絞り作用に
よる給気孔出口部の圧力変動が、軸31の単位偏心量に対
して最大になるように軸受すきま39を設定すると、減衰
係数が小さくなり、自励振動が発生する危険性が高くな
る。一方、減衰係数を大きくするため、軸受すきま39を
小さくすると、給気孔37の絞り作用が低下し、軸31が偏
心したときの給気孔出口部の圧力変動が小さくなり、剛
性が低下する。
このとき、この小さい軸受すきま39に対して給気溝36
の深さを適切に決めれば、軸受端側の周方向溝35部で
は、軸31の偏心に対し表面絞り作用により、有効な圧力
変動を生じるようにすることができるが、給気孔37列よ
り内側の周方向溝35にはさまれた軸受中央部では、軸31
の偏心に対し、圧力は、給気孔37出口部とほぼ等しく保
持されるため、圧力変動も給気孔37出口部と同様に圧力
変動は少ない。したがって、この軸受は、軸受全体の面
積を十分有効に利用することができない。
第15図は、第14図に示す静圧気体軸受の軸受すきまを
小さくした場合の周方向の圧力分布を示し、第16図に示
す展開図の軸受幅の中央位置(Z=0)、給気孔37の位
置(Z=Zs)、周方向溝35の溝幅中央位置(Z=Zg)の
3ヶ所について示したものである。また、実線は、負荷
のない場合、点線は、負荷が加えられ、軸31が偏心した
場合に対応する。これにより、Z=0(軸受中央部)で
の圧力変化が少ないことが分る。
この発明は、上記の欠点を解決し、静圧気体軸受の軸
受剛性および減衰係数を高めることを技術的課題として
いる。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題を解決するために、この発明の静圧気体軸
受においては、軸受部材の軸受面と、その軸受部材で支
持される軸の上記軸受面と対向する面のいずれか一方の
面の両端部に複数の給気溝を周方向に等間隔に設け、上
記各給気溝を、上記軸受面端に近接して設けられた周方
向溝と、その周方向溝の長さ方向中央から軸受面中央に
向けて延びる上記周方向溝と同一深さの長さの短かい軸
方向溝とで形成して、軸方向に並ぶ軸方向溝の内端間に
広いランド部を設け、各給気溝の軸方向溝に給気孔を連
通させた構成を採用している。
〔作用〕
上記のように構成すれば、周方向に並ぶ複数の給気溝
は互に独立しているため、荷重方向の圧力が周方向溝を
流れて反荷重側に移動し、圧力差が小さくなるというこ
とがない。また、給気溝列間における軸受中央部に広い
ランド部を設けることができ、小さい軸受すきまに対し
て給気溝の深さを適切に決めれば、軸の偏心時、周方向
溝の圧力が、表面絞り作用によって大きく変化したのと
同様に、比較的大きな圧力変化をランド部にも生じさせ
ることができる。したがって、大きく圧力変化する部分
の、軸受面における割合を従来の空気軸受に比較し増加
させうるため、軸受剛性を高めることができる。
さらに、軸受すきまが小さい条件で軸受剛性を向上さ
せて使用することができるため、及び給気溝の容積が小
さいため、減衰係数も向上し、安定な軸受を形成するこ
とができる。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を第1図乃至第11図に基づい
て説明する。
第1図に示すように、軸1の外径面と、その軸1を支
持する軸受部材2の軸受面3間には、軸受すきま4が設
けられている。
上記軸受面3には、周方向に等間隔に並ぶ複数の給気
溝5が、軸受面中央を対称線とする対称位置で、軸受面
端に近接して設けられている。この給気溝5は、短かい
軸方向溝6の軸受外側端に同じ深さの周方向溝7を連通
させたT形をなし、その軸方向溝6の軸受内側端部に、
給気孔8の先端のノズル9が連通している。
いま、給気孔8に圧縮気体を供給すると、その圧縮気
体は、ノズル9から軸受すきま4に流れ、この軸受すき
ま4において気体潤滑膜が形成される。その気体潤滑膜
により、軸1は、軸受面3に対して非接触の状態に保持
される。
第2図は、上記気体潤滑膜の周方向圧力分布を、第3
図に示す展開図の軸受幅の中央位置(Z=0)、給気孔
8の位置(Z=Zs)、周方向溝7の溝幅中央位置(Z=
Zg)の3ヶ所について示したものであり、実線は負荷の
ない場合、点線は負荷が加えられ、軸1が偏心した場合
に対応する。
この第2図は、第1図に示す静圧気体軸受の軸1の外
径Dを60mm、軸受面3の幅寸法Wを40mm、給気孔8のノ
ズル9の直径dを0.3mm、給気孔8の個数6ヶ×2列、
給気溝5の溝幅aを0.7mm、給気溝5の溝深さbを20μ
m、軸受すきま4を5μmとした場合の計算結果であ
る。
この第2図から、Z=0(軸受中央部)の位置の圧力
変化が、前述の第15図で示すZ=0(軸受中央部)にお
ける圧力変化に対して増加していることが分る。
第4図a、第5図a、第6図aは、第1図に示す実施
例の静圧気体軸受(本発明品)について、無負荷時の圧
力、軸1の偏心1μmあたりの圧力変化(軸受の剛
性)、および軸1の偏心速度1μm/sあたりの圧力変化
(軸受の減衰係数)の軸方向の分布を、第7図aに示す
展開図の給気孔8の位置(θ=0)、周方向溝7の先端
部(θ=θ)、隣接する周方向溝7、7間の中央位置
(θ=θ)の3ヶ所について示す。各部の寸法は、前
記と同じである。
その比較として、第14図に示す静圧気体軸受(比較
品)の軸方向分布を、第4図b図、第5図b、および第
6図bに示す。第4図b乃至第6図bは、第7図bに示
す展開図の給気孔37の位置(θ=0)、周方向溝35の先
端部(θ=θ)、隣接する周方向溝35、35間の中央位
置(θ=θ)の3ヶ所について示し、軸の外径、軸受
面の幅寸法、給気孔の直径、給気孔の個数、給気孔の溝
幅、溝深さおよび軸受すきまについては、本発明に係る
静圧気体軸受の各部の寸法と同じとしてある。
第4aから分るように、この発明に係る静圧気体軸受で
は、軸受の給気孔8の位置より内側に溝が無いため、周
方向溝7より内側では、給気孔8の近傍をのぞき、圧力
は周方向溝7部の圧力とほぼ等しい。このため、負荷が
加わり、軸1が偏心しても、周方向溝7の圧力が、表面
絞り作用によって大きく変化すると、第2図の点線およ
び第5図aから分るように、周方向溝7より内側の給気
孔8の近傍をのぞく領域でも比較的大きな圧力変化が生
じることになり、第14図の静圧気体軸受に比較して、特
に、軸受の中央部において大きな圧力変化が得られる。
つまり、より広い面積にわたって圧力が大きく変化する
ために、大きな剛性が得られる。
また、2列の給気孔8の列の中間には溝部がない広い
ランド部10を作ることができ、かつ使用しうる軸受すき
まが小さいため、第6図aで示すように、減衰係数も大
幅に改善される。
第8図乃至第10図は、第1図に示す静圧気体軸受(本
発明品)と、第14図に示す静圧気体軸受(比較品)の性
能計算の結果を示す。ここで、静圧気体軸受の各部の寸
法は、先に述べたものと同様であり、第8図は軸受剛
性、第9図は減衰係数、第10図は消費流量である。各種
の静圧気体軸受において、剛性が最大になるように、そ
れぞれの軸受すきまを定めた場合、この発明に係る静圧
気体軸受は、他の静圧気体軸受より高い剛性が得られる
と共に、減衰係数も大幅に向上し、また、軸受すきまが
小さいので、気体の消費流量も減少することが分る。
さらに、この発明におけるランド部の影響を検討した
結果を第17図に示す。
第17図は第1図に示す静圧気体軸受において周方向溝
7の位置を軸受端近傍に固定し、軸方向溝6の長さを、
その内側端部にある給気孔8とともに変化させた場合の
剛性の計算結果である。
軸受は軸外径60mm、軸受面の幅40mm、オリフィス孔径
0.1mm、給気孔の個数6ヶ×2列、給気溝の幅0.7mm、給
気溝の深さ20μm、周方向溝間の軸方向間隔30mmとした
時の値であり、グラフ中のL1は第1図における給気孔間
の軸方向の距離を示す。第17図から明らかなように、軸
方向溝6が短くなり給気孔8が外側に移動するほど内側
のランド部分が広がり、この軸受の剛性は向上する。
ところで、軸受を実際に製作するにあたっては、給気
孔8を軸受外側端部に極端に近づけて加工するのは不可
能である。
また、この発明の軸受においては、周方向溝7も上記
と同様、内側のランド部を広げて剛性を上げるという理
由から外側端部へ設ける方が望ましい。
以上より、設計に当っては、給気孔8が容易に加工し
うる範囲内で外側端部より給気孔8を設け、さらに、そ
の孔から外側端部よりに周方向溝7を設け、この周方向
溝7と給気孔8とを短い軸方向溝6でつないだ形に設計
すると良い。
第11図は、この発明に係る静圧軸受の他の実施例を示
す。この静圧気体軸受は、軸1に筒体11を嵌着し、その
筒体11の外径面に、周方向に等間隔に配置した複数のT
形給気溝5′を軸方向に2列に設け、各給気溝5′の軸
方向6′に給気孔8′の先端のノズル9′を連通せし
め、軸1には、給気孔8′に対する圧縮空気の給気路12
を設けた構成としたのである。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、軸受外側端部にお
ける周方向溝の表面絞り作用による圧力変化と軸受中央
部におけるランド部の圧力変化とを有効に利用すること
ができるので、軸受剛性を大きく向上させると共に、溝
部容積も小さいため減衰係数も大きく、安定な軸受を形
成することができる。
また、軸受すきまを小さくできるので、空気の消費流
量を減少させることもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明に係る静圧気体軸受の一実施例を示
す縦断正面図、第2図は上記軸受の周方向圧力分布を示
すグラフ、第3図は同上軸受面の展開図、第4図a、
b、第5図a、bおよび第6図a、bは、本発明に係る
静圧気体軸受と第14図に示す静圧気体軸受の軸方向圧力
分布、軸偏心量1μmあたりの圧力変化の軸方向分布お
よび軸偏心速度1μm/sあたりの圧力変化の軸方向分布
を示すグラフ、第7図a、bは、本発明の軸受と従来の
軸受の軸受面の展開図、第8図乃至第10図は、本発明の
軸受と従来の軸受の、剛性、減衰係数および消費流量の
比較を示すグラフ、第11図は、この発明に係る軸受の他
の実施例を示す縦断正面図、第12図は、従来の軸受を示
す縦断正面図、第13図は同上の縦断側面図、第14図は従
来の軸受の縦断正面図、第15図は第14図に示す軸受の周
方向の圧力分布を示すグラフ、第16図は第14図に示す軸
受の軸受面の展開図、第17図は、この発明の軸受におい
て、給気孔位置を変化させたときの軸受剛性の計算結果
である。 1……軸、2……軸受部材、 5……給気溝、6……軸方向溝、 7……周方向溝、8……給気孔、 9……ノズル。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】軸受部材の軸受面と、その軸受部材で支持
    される軸の上記軸受面と対向する面のいずれか一方の面
    の両端部に複数の給気溝を周方向に等間隔に設け、上記
    各給気溝を、上記軸受面端に近接して設けられた周方向
    溝と、その周方向溝の長さ方向中央から軸受面中央に向
    けて延びる上記周方向溝と同一深さの長さの短かい軸方
    向溝とで形成して、軸方向に並ぶ軸方向溝の内端間に広
    いランド部を設け、各給気溝の軸方向溝に給気孔を連通
    させた静圧気体軸受。
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