JP3746242B2 - 層流空気静圧軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静圧軸受に関し、特に高精度な層流空気静圧軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気静圧軸受は、ガイド部材と該ガイド部材に軸受間隙を介して対向して可動部材を配置し、ガイド部材又は可動部材の一方に空気供給通路を形成して軸受間隙に空気流を供給するようにしたものである。この空気静圧軸受は空気の平均化効果により、転がり軸受等と比べ移動誤差が小さく高い精度の軸受が得られる。そのため、高精度が要求される様々な装置、機械に用いられている。しかし、工作機械や測定装置における高精度化に伴い、１ナノメートル以下の加工精度や測定精度まで要求されるようになった。そのため、これまであまり問題視されることはなかった静圧軸受の微小な振動が、精度を向上させる妨げとして現れてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
静圧軸受の微小振動は空気の流れが乱れ、乱流の状態になることにより生じる。乱流から生じる振動は固有の振動数を持たない１０〜数１０ｋＨｚの振動のため、機械の共振周波数をこの微小振動の周波数の帯域外に外すことはできない。従って、実際の振動の振幅は１ナノメートル以下であるが、機械の構造によってはこの微小振動が機械を共振させ、数十ナノメートルの振動に増大することも起きうる。従来の静圧軸受はこのような微小振動は無視できるレベルのものとして、考慮されておらず、上述したように、１ナノメートル以下の加工精度や測定精度が要求される機械や装置にとっては問題となってきた。
【０００４】
高精度な静圧軸受を実現するには、上述したように、軸受内の配管内を流れる空気流の乱流をなくすか、乱流に起因する振動の影響をなくす必要がある。単純に空気の供給圧を下げて行けば、流速が遅くなり配管内の乱流をなくすことができる。しかし、静圧軸受の剛性は圧力に比例するので、低い圧力で静圧軸受を使用することはできない。
そこで、本発明は、軸受の剛性を維持しつつ、極めて振動の発生のない空気静圧軸受を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
流体の流れには層流と乱流の２つの状態があり、静圧軸受の空気通路を流れる空気の流れが乱流になることにより、上述した振動が発生するものであるから、この空気流を層流にすることができればよい。流体の流れの２つの状態はレイノルズ数Ｒｅの数値の大きさで識別することができる。レイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝ρｕＬ／μ
（ただし、ρ：密度、ｕ：速度、Ｌ：長さ（管の直径）、μ：粘性係数）
で定義される。
層流と乱流の遷移域はＲｅ＝２０００〜３０００にあるため、レイノルズ数Ｒｅが２０００以下であれば、層流の状態となる。そして、層流の状態では完全になめらかな流れとなるために、空気の流れに振動が生じることはない。従来の静圧軸受では、配管の直径と本数は、その中を流れる空気が大きな圧力損失を起こさない程度で最小の値となるように決定されていたが、本発明では、空気静圧軸受の中を流れる空気の全経路において、層流になるようにする。
前記レイノルズ数Ｒｅにおいて、密度ρは空気圧力に影響することから、レイノルズ数Ｒｅは、圧力、流速，管路の径に比例することがわかる。また静圧軸受に供給できる空気圧力は、使用現場において自ずから決まっている。そこで、本発明は、適用する空気供給圧力に基づいて、空気供給通路及び軸受間隙で空気流が層流となる大きさ、形状に空気供給通路及び軸受間隙を構成することによって、空気流の全経路で層流の流れ（例えばレイノルズ数Ｒｅ＝２０００以下の流れ）を達成させるようにし、振動の発生を防止した。
【０００６】
さらに、前記空気供給通路を主配管、該主配管につながる分岐配管及び該分岐配管と前記軸受間隙とにつながるオリフィスで構成し、これらの各部位において層流が形成されるようにした。そのために、必要に応じて、主配管へ空気を供給する空気流入口を前記主配管に複数設けること、主配管を複数設け主配管間を分岐配管で接続すること、乱流の生じ易い主配管の空気通路断面積を分岐配管の空気通路断面積より大きくすることで、各部位において層流が形成されるようにした。また、主配管、分岐配管の屈曲部がなめらかな曲線で構成したり、各分岐配管につながるオリフィスを２個以上の孔で構成した。また、軸受間隙を６μｍ以下として層流の流れを確実とした。そして、この層流空気静圧軸受を工作機械や測定器に適用した。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の層流空気軸受を適用する直線移動機構の説明図である。固定部のガイド部材１に対して数μｍの空気の層を形成する軸受間隙３を介して可動部材のスライド２が浮いた状態で支えられる。
図２は、図１に示す直線移動機構の断面説明図である。スライド２の内部には空気通路を形成する空気配管が櫛歯状に通じており（なお、この空気配管の配設側は、スライド２側でもガイド部材１側でもよいが、この図１、図２で示す例ではスライド２側に設けた例を示している。）、この空気通路は、主配管１０、該主配管１０につながる複数の分岐配管１１，１１，・・・、該各分岐配管１１の先端に設けられ、それぞれの分岐配管１１とガイド部材１とスライド２間に設けられた軸受間隙３をつなぐオリフィス１２で構成されている。この主配管１０、分岐配管１１、オリフィス１２、軸受間隙３で空気静圧軸受を構成している。
【０００８】
主配管１０の空気流入口１３から導入された空気は、該主配管１０を通り、各分岐配管１１に導かれ、その先端に設けられたオリフィス１２から空気は空気静圧軸受面、すなわち軸受間隙３に供給される。この軸受間隙３に供給された空気圧によって、スライド２はガイド部材１から浮いた状態が保持される。
【０００９】
図３は、図１、図２に示すようなタイプの従来の直線移動機構における空気静圧軸受の空気の流れの説明図である。空気流入口１３から、空気は主配管１０、各分岐配管１１、オリフィス１２を通り軸受間隙３に供給されるが、空気流入口１３から供給された空気は主配管１０から分岐配管１１へ分岐が繰り返される毎に少しずつ流速が遅くなっていく。また、前述したように空気の流れが層流か乱流かはレイノルズ数Ｒｅの大きさで決まり、このレイノルズ数Ｒｅの大きさは流速に比例する。
【００１０】
そのため、空気流入口１３に近い主配管１０の部分では、空気の流速は速く乱流Ｆｔになるが、末端に行くにしたがって層流Ｆｌとなる。乱流と層流の間には遷移域が存在するが、図３では簡単にするために乱流Ｆｔと層流Ｆｌの２つの状態のみを示している。なお、分岐配管１１内はオリフィス１２の１個分の流量となり流速が低下するから層流Ｆｌとなる。
【００１１】
以上のように、主配管１０の空気流入口１３近傍では乱流Ｆｔが生じ、これが振動発生の原因となる。これを避けるために、空気の圧力を下げてレイノルズ数Ｒｅを下げていき、主配管１０のすべての領域においても層流Ｆｌが形成させるようにする方策があるが、この方策では空気静圧軸受の剛性は空気の圧力に比例することから、軸受の剛性の低下となり好ましくない。
そこで、本発明は、空気静圧軸受の剛性は低下させず、空気供給通路全領域で空気の流れが層流を形成するように、空気静圧軸受の空気通路、軸受間隙を構成したものである。
【００１２】
図４は、本発明の層流空気静圧軸受の一実施形態の説明図であり、上述した主配管１０における乱流Ｆｔの発生を防止するために、主配管１０の直径を大きくしたものである。すなわち、前述したように、空気流が層流になるか乱流になるかはレイノルズ数Ｒｅを求めればわかる。また、この空気静圧軸受を使用する使用現場において、該空気静圧軸受に供給できる空気圧力は決まっている。そのため、レイノルズ数（Ｒｅ＝ρｕＬ／μ）における、密度ρは空気圧力によって決まるから、一定である。その結果、レイノルズ数Ｒｅは速度ｕ、管の直径Ｌに比例することになる。
【００１３】
そこで、主配管１０の直径を例えば２倍（２Ｌ）とすると、流速は主配管１０断面積に比例して４分の１となる（ｕ／４）。その結果、管の直径×流速は２分の１（２Ｌ・（ｕ／４）＝Ｌ・ｕ／２）となり、レイノルズ数Ｒｅは１／２となり、層流を得ることができる。よって、図４に示した本発明の実施形態では、使用する圧縮空気源からの空気圧力に基づいて、レイノルズ数Ｒｅが２０００以下となるように、主配管の直径の大きさを決めた。
【００１４】
また、図５は、この主配管１０での乱流発生を防止するための別な態様の説明図である。主配管１０に導入される空気の導入口である空気流入口１３を増加させたものである。図５に示す例では、空気流入口１３ａ，１３ｂが図２に示す従来例と比較して２倍に増加されている。主配管１０に導入される空気は複数の分岐配管１１、オリフィス１２を介して排出されるものであり、主配管１０に導入される空気の入り口が増加されれば、その分、主配管１０に空気流入口１３の近傍の流速は小さくなる。例えば、図２に示した例と図５に示した例では、空気流入口２倍となっていることから、図５に示す実施形態おける空気流入口１３ａ，１３ｂの近傍は、図２に示す形態と比較し、１／２の流速となる。その結果、レイノルズ数Ｒｅは、１／２となり低下し、層流となり乱流の発生を防止することができる。
【００１５】
図６は、主配管１０での乱流発生を防止させる他の方法を実施した本発明の他の実施形態の説明図である。この実施形態は主配管１０の数を増加させたもので、図６に示す例では、主配管を１０ａ，１０ｂと２倍にし、主配管１０ａ，１０ｂを分岐配管１１で接続している。この例も主配管の管の直径が大きくなったときと同じ、又は、空気流入口が増加されたときと同一の理由で、レイノルズ数Ｒｅを小さくできるものである。
【００１６】
また、主配管１０，分岐配管１１において、図７（ａ）に示すように配管の屈曲部では、流路の凹部、凸部付近で乱流Ｆｔになりやすい。そこで、図７（ｂ）に示すようにこの屈曲部も可能な限りなめらかな曲線に加工して局所的な乱流発生を防止する。
【００１７】
さらに、オリフィス１２の部分は、流路が最も細くなる部分であり、図８（ａ）に示すように、流速が増大しレイノルズ数Ｒｅが高くなり乱流Ｆｔになりやすい。そこで、図８（ｂ）に示すように、オリフィスの数を増加させてこの部分の空気の流れも層流とする。図８に示す例では、分岐配管１１の先端に２つのオリフィスの孔１２ａ、１２ｂを設けて乱流発生を防止している。
【００１８】
上述した各実施形態では、この空気静圧軸受に適用される供給空気圧に基づいて、各部位でレイノルズ数が２０００以下となるように空気通路の大きさ、形状を決定し、そのような構成となるようにした。すなわち、レイノルズ数が２０００以下となるように、主配管１０、分岐配管１１及びオリフィス１２の大きさ、数、形状を決定し空気流通路を設計した。
【００１９】
また、上述した配管以外にも、オリフィス１２から流れ出る流量を減らすことによって、主配管１０，分岐配管１１，オリフィス１２の空気流通路に流れる空気の流れの流速を小さくすることもできることから、軸受間隙３を従来は１０〜２０μｍである点を６μｍ以下とした。これによって、オリフィス１２から流れ出る流量を減らしレイノルズ数を下げた。この軸受間隙３を小さくすることは、軸受剛性を強くするという効果もある。
【００２０】
図９は、本発明の層流空気静圧軸受を適用した、工作機械や測定器などの精密位置決めに用いられる直動移動機構の一実施形態の斜視図であり、図１０は同実施形態の断面図である。
【００２１】
固定部１１０には一対のガイド部材１１１ａ，１１１ｂが設けられ、該ガイド部材１１１ａ，１１１ｂにガイドされて可動部材のスライド１２０が直動できる。該スライド１２０は、固定部１１０にはモータ１３０が取り付けられ、該モータ１３０のロータ軸にはねじ１３１が取り付けられている。スライド１２０には該ねじと螺合するナットを備えている。モータ１３０を駆動し、ねじ１３１、ナット機構によって、回転運動から直動運動変換してスライド１２０をガイド部材１１１ａ，１１１ｂに沿って直動させるものである。
【００２２】
そして、このスライド１２０は、図１０に示すように本発明の層流空気静圧軸受で構成されている。すなわち、スライド１２０の脚部がガイド部材１１１ａ，１１１ｂの底面、側面、天面と対向し、これらの部分で軸受間隙３を構成し、空気流が、スライド１２０に設けられた主配管１０，分岐配管１１を介してオリフィス１２からこの軸受間隙に流れ出て層流空気静圧軸受を構成している。また、図示はしていないが、ねじの部分も層流空気静圧軸受で構成し、完全な非接触式によりスライド１２０を１ｎｍ単位で位置決め可能としている。
【００２３】
図１１は、本発明の層流空気静圧軸受を適用した、回転テーブル装置の一実施形態の斜視図であり、図１２は同実施形態の断面図である。この実施形態も工作機械や測定器などの精密な位置決めが必要な機械、装置に適用されるものである。
【００２４】
この実施形態では、この回転テーブル装置自体でモータを構成しており、固定部２１０がモータ（ＡＣサーボモータ）のステータを構成している。また、可動部材である回転するロータ部分２２０がモータのロータをも構成している。ロータ部分２２０の上面には加工するワークや各種部材を取付可能にするために、溝や穴が形成されている。また、固定部（ステータ）２１０に係合される部分は鍔状に形成され、該鍔状部分の周面部に磁石２２１が配設されている。固定部２１０は、ロータ部分２２０の鍔状部分の上下周面及び側周面に対向する面が形成され、この対向面間で軸受間隙３を構成している。固定部２１０には、ロータ部分２２０の磁石２２１に対向する位置にコイル２１１が配設され、さらに、主配管１０、分岐配管１１の空気通路を形成する配管が配設され分岐配管１１の各先端にはオリフィス１２が配設されている。この各オリフィス１２から、前記ロータ部分２２０の鍔状部分の上下周面及び側周面とこれに対向する固定部２１０の面間で形成された軸受間隙３に空気を流出させるようになっている。なお、ロータ部分２２０にはコード板２２２が設けられ、このコード板２２２に対向して、固定部２１０には、受光素子２１２が設けられ、ロータ部分２２０の回転位置を検出できる構造となっている。
【００２５】
ロータ部分２２０は、固定部２１０と完全な非接触構造となっていること、さらに上述したように、固定部２１０に設けた空気流通路の主配管１０、分岐配管１１、オリフィス１２、軸受間隙３で構成される層流空気静圧軸受によって、この実施形態では１０万分の１度の位置決めを可能とし、高精度な回転位置決めができる。
【００２６】
なお、図９、図１０に示した直動移動機構のモータ１３０も図１１，１２で示す回転テーブル装置と同様な形態で構成され、前記モータ１３０のロータもステータに層流空気静圧軸受により非接触構造で支えられている。
【００２７】
図１３は、本発明の層流空気静圧軸受の効果をみるために、本発明の層流空気静圧軸受と従来の通常の空気静圧軸受を用いて実験を行い、振動を測定したものである。空気の供給圧力を１ｋｇｆ／ｃｍ^２から６ｋｇｆ／ｃｍ^２まで上げて、それぞれ振動を測定したもので、空気の供給圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ^２までは、両者はほとんど変わりはなく、振動は測定不可能なレベルであり、ほとんど振動は発生していない。しかし、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えると、通常の空気静圧軸受では徐々に振動が大きくなっている。しかし、本発明の層流空気静圧軸受では空気の供給圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えても、依然として振動は測定不可能なレベルであり、最高の空気の供給圧力６ｋｇｆ／ｃｍ^２では、振動の発生が、本発明の層流空気静圧軸受と通常の空気静圧軸受では格段の差が生じている。
以上の通り、本発明の層流空気静圧軸受によって、１ナノメートル以下の精度で空気軸受を安定化させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、空気の流通路、軸受間隙において空気の流れを層流とするように構成することによって、振動発生要因をなくしたので、１ナノメートル以下の精度で安定している空気静圧軸受を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の層流空気軸受を適用する直線移動機構の説明図である。
【図２】図１に示す直線移動機構の断面説明図である。
【図３】図１、図２に示すようなタイプの従来の直線移動機構における空気静圧軸受の空気の流れの説明図である。
【図４】本発明の層流空気静圧軸受の一実施形態の説明図である。
【図５】本発明が適用するの主配管での乱流発生を防止するための別な態様の説明図である。
【図６】本発明の他の実施形態の説明図である。
【図７】空気流通路を形成する配管の屈曲部での空気の流れを説明する説明図である。
【図８】オリフィスでの乱流発生を防止するための説明図である。
【図９】本発明の層流空気静圧軸受を適用した直動可動機構の斜視図である。
【図１０】図９に示す直動可動機構の断面図である。
【図１１】本発明の層流空気静圧軸受を適用した回転テーブル装置の斜視図である。
【図１２】図１１に示す回転テーブル装置の断面図である。
【図１３】本発明の層流空気静圧軸受と従来の通常の空気静圧軸受に対する実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ガイド部材
２ スライド
３ 軸受間隙
１０ 主配管
１１ 分岐配管
１２ オリフィス
１３ 空気流入口
１１０ 固定部
１１１ａ，１１１ｂ ガイド部材
１２０ スライド
１３０ モータ
１３１ ねじ
２１０ 固定部
２１１ コイル
２１２ 受光素子
２２０ ロータ部分
２２１ 磁石
２２２ コード板

Claims (10)

1. ガイド部材と該ガイド部材に軸受間隙を介して対向して配置された可動部材と、前記ガイド部材又は前記可動部材の一方に空気供給通路を形成して前記軸受間隙に空気流を供給するようにした空気静圧軸受において、
   前記空気供給通路は複数の空気供給口を持ち、該空気供給通路を通過した空気はオリフィスを通って軸受隙間に供給され、使用する空気供給圧力に基づいて、前記空気供給通路及び軸受間隙で空気流が層流となる形態に前記空気供給通路及び前記軸受間隙が構成されていることを特徴とする層流空気静圧軸受。
2. 前記空気供給通路は、主配管、該主配管につながる分岐配管及び該分岐配管と前記軸受間隙とにつながるオリフィスで構成されている請求項１記載の層流空気静圧軸受。
3. 前記主配管を複数設け、主配管間を分岐配管で接続した請求項２記載の層流空気静圧軸受。
4. 前記主配管の空気通路断面積を分岐配管の空気通路断面積より大きくした請求項２乃至３の内いずれか１項に記載の層流空気静圧軸受。
5. 前記主配管、分岐配管の屈曲部がなめらかな曲線で構成された請求項２乃至４の内いずれか１項に記載の層流空気静圧軸受。
6. 各分岐配管につながるオリフィスを２個以上の孔で構成した請求項２乃至５の内いずれか１項に記載の層流空気静圧軸受。
7. 前記軸受間隙を６μｍ以下とした請求項１乃至６項の内いずれか１項に記載の層流空気静圧軸受。
8. 前記空気供給通路及び軸受間隙の各部位における空気流のレイノルズ数が２０００以下となる大きさ形状に前記空気供給通路及び軸受間隙が形成されている請求項１乃至７項の内いずれか１項に記載の層流空気静圧軸受。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の層流空気静圧軸受を適用した工作機械。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の層流空気静圧軸受を適用した測定器。

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