JP4276277B2

JP4276277B2 - 流体軸受構造および流体軸受の組立方法

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Publication number: JP4276277B2
Application number: JP2007235639A
Authority: JP
Inventors: 知彦河合; 建三蛯原
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: CN101387316A; US20090067764A1; EP2037136A2; JP2009068555A

Description

本発明は流体軸受構造および流体軸受の組立方法に関し、特に、超精密加工機や超精密三次元測定機などのナノオーダーの位置決め精度を必要とする装置に使用される軸受に適した流体軸受構造および流体軸受の組立方法に関する。

超精密加工機や超精密三次元測定機などのナノオーダーの位置決め精度を必要とする装置では、可動部材の移動時における摩擦の影響をなくすために、空気軸受などの非接触の軸受が用いられている。空気軸受は数ミクロンの微小な間隙に圧縮空気を送り込んで、非接触の軸受を構成するものである。
空気軸受などの流体軸受は、軸受間隙が軸受剛性と関係しており、軸受間隙が狭い方が軸受剛性は高くなる。高い軸受剛性を持たせ、かつ、軸受が非接触の状態を保つには軸受間隙を数ミクロンにする必要がある。
この数ミクロンの軸受間隙が狭すぎると、外力によって容易に軸受が接触するので、負荷容量が少なくなり、逆に広すぎると十分な軸受剛性が得られなくなるため、最適な軸受間隙に管理する必要がある。
数ミクロンの軸受間隙を形成するために、軸受を構成する部品を軸受間隙が数ミクロンとなるように加工する必要がある。軸受間隙を数ミクロンの目標にするために、部品の寸法測定と加工を繰り返し実行しなければならず、機械加工のみでこの部品を加工することは、非常に時間を要している。そして、各部品を加工した後は、その軸受間隙を調整することができない。軸受間隙の調整が可能で、軸受を構成する部品の機械加工の負担を軽減する流体軸受の構造として、特許文献１に公開される技術がある。

特開２００６−８３９３９号公報

特許文献１に公開される技術は、直動軸の空気軸受間隙を組立て時に調整できる流体軸受構造である。この流体軸受構造は、流体軸受を構成する板状部材を連結固定するボルトとボルト挿通孔の位置関係を調整することにより軸受の軸受間隙を調整できた。これにより、流体軸受を構成する部品の加工が容易となり加工時間を短縮できた。
しかしながら、特許文献１に公開される流体軸受の組み立て時には、各面の空気軸受の間隙をインジケータを用いて測定し微調整を行いながら作業を実施する必要があった。この組立方法では、調整作業に時間がかかるだけでなく、間隙を全体的に均一に調整して空気軸受を組み立てることは非常に困難であった。
本発明の目的は、流体軸受を組み立てるに際し、作業者が煩雑な調整作業を行う必要がないだけでなく、常に、正確な軸受間隙で組み立てることが可能な、流体軸受構造およびその組立方法を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、ガイドとスライドからなる流体軸受構造であって、前記スライドは、平坦な面とそれに直角な端面を有する四角形状の板状部材の一方の辺の近傍に該辺に沿って２以上のボルト挿通孔を設け、対抗する他方の辺の辺側の前記端面にボルト挿通孔に対応してタップ穴を設け、一方の板状部材のボルト挿通孔にボルトを挿通して他方の板状部材のタップ穴と螺合させて、４枚の前記板状部材をボルトで結合して箱型とし、前記箱型の内面を流体軸受の軸受面として前記ガイドが挿通された流体軸受構造において、前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、前記流体軸受を使用する温度と異なる温度環境の下で前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とするように、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質であることを特徴とする流体軸受構造である。

請求項２に係る発明は、ガイドとスライドからなる流体軸受構造であって、前記スライドは、平坦な面とそれに直角な端面を有する四角形状の板状部材の一方の辺の近傍に該辺に沿って２以上のボルト挿通孔を設け、対抗する他方の辺の辺側の前記端面にボルト挿通孔に対応してタップ穴を設け、一方の板状部材のボルト挿通孔に該ボルト挿通孔の径より小さい径のボルトを挿通して他方の板状部材のタップ穴と螺合させて、４枚の前記板状部材をボルトで結合して箱型とし、箱の内面を流体軸受の軸受面としてガイドが挿通され、前記ボルト挿通孔に対するボルトの挿通位置を調整することにより、軸受間隙を調整できるようにした流体軸受構造において、前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、該流体軸受を使用する温度と異なる温度環境下で、前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とするように、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質であることを特徴とする、流体軸受構造である。

請求項３に係る発明は、ガイドとスライドからなる流体軸受を組み立てる方法であって、前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質を選択し、該流体軸受を使用する温度と異なる温度環境下で前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とすることを特徴とした流体軸受の組立方法である。

本発明は、流体軸受の軸受間隙が流体軸受を構成するガイドとスライドとの熱膨張率の差と恒温槽の設定温度とによって決まっており、作業者が調整する必要がないだけでなく、常に、正確な軸受間隙で組み立てることが可能である。
また、空気軸受を使用する高精度の３次元測定器のような測定器や加工機は、一般的には恒温槽内で稼動する。したがって、室温が常時一定であるので構成材料の熱膨張で流体軸受間隙が変化することもない。

以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態である流体軸受の概要の説明図である。符号２０は、流体軸受をガイドするための機械などに固定される軸受ガイドである。この軸受ガイド２０を包囲するように箱型の軸受（スライダ）１０が構成されている。
図１（ｂ）は、箱形の軸受（スライダ）１０を構成する平坦な面とそれに垂直な端面とを備えた板状部材１の斜視図である。板状部材１の平坦な面６には、その一端辺部にボルト挿通孔２がその端部の辺に沿って複数（この実施形態では３つ）形成されている。また、このボルト挿通孔２が形成された端部に対向する辺側の端面７には、ボルト挿通孔２と対応するようにタップ穴３が辺に沿って複数（この実施形態では３つ）形成されている。また、板状部材１の平坦な面６には、複数（図１（ｂ）では４つを図示している）の流体吐出口４が設けられている。
この板状部材１を４枚組み合わせて、箱形の軸受（スライダ）１０を形成する。１つの板状部材１の端面７に他の板状部材１の平坦な面６を当接し、端面７に設けられたタップ穴３とボルト挿通孔２の位置を合わせ、ボルト５をボルト挿通孔２に通して、タップ穴と螺合させて２つの板状部材１を結合する。同様にして、４枚の板状部材１を結合し箱形の軸受（スライダ）１０を形成する。

図２は、図１を駆動方向に垂直に切った断面図、換言すれば、図１の上方からこの流体軸受を見た平面図である。軸受ガイド２０が固定されている加工機や測定器が稼動する恒温室内などの使用温度環境において、軸受ガイド２０と軸受（スライダ）１０との間には、図２に示すように軸受間隙ｄが形成される。図１，図２では省略されているが、軸受間隙ｄに空気などの圧縮流体を噴射させて流体軸受を形成している。空気軸受を使用する高精度の３次元測定器のような測定器や加工機は、一般的には恒温槽内で稼動する。したがって、室温が常時一定であるので構成材料の熱膨張で流体軸受間隙であるｄが変化することもない。

ガイドとスライドとの熱膨張率の異なる流体軸受の例の断面図である図３は、前記測定器や加工機の使用温度環境において、図２に示される軸受間隙ｄを最適な軸受間隙に管理するための本発明の実施形態を説明するものである。使用温度環境を２２℃として、組立温度環境である３０℃の温度環境下で軸受間隙ｄがゼロになるように、軸受ガイド２０と軸受（スライダ）１０を構成する板状部材１の平坦な面６とを密着させて組み立てる。軸受間隙ｄをゼロにするのは、軸受（スライダ）１０を構成する板状部材１の平坦な面６を軸受ガイド２０に密着させるだけでよいので、従来技術で必要とされた調整作業は必要ない。
図３に示される実施形態では、軸受ガイド２０の断面寸法が１００*１００ｍｍの正方形、軸受（スライダ）１０の線熱膨張係数が１０＊１０^-6／℃、軸受ガイド２０の線熱膨張係数が２０＊１０^-6／℃としている。材質の例としては、軸受（スライダ）１０に用いる線膨張係数の小さいステンレスと軸受ガイド２０に用いる線膨張係数の大きいジュラルミンとの組み合わせを例としている。

ガイドとスライドとの熱膨張率の異なる流体軸受を使用温度の環境下に置いたときの状態を表した断面図である図４は、図３に示されるように組み立てられた軸受（スライダ）１０と軸受ガイド２０とを、測定器や加工機が稼動する使用温度環境である２２℃の環境下におくと、組立温度環境３０℃と使用温度環境２２℃との温度差である８℃により、軸受（スライダ）１０と軸受ガイド２０とが収縮し、熱膨張率の差から軸受部分の断面寸法に約８μｍの差が生じる。軸受両側が均等な間隙になるとみなすと、片側４μｍの軸受間隙が構成される。軸受ガイド２０の断面形状が正方形状であるので、熱膨張率の相違による寸法収縮が一様に発生し、一様な軸受間隙が形成される。軸受（スライダ）１０を構成する板状部材１は、軸受ガイド２０の面に平行となり、調整を施すことなく高精度な軸受間隙を形成することが可能である。

図５は、軸受ガイド２０の断面形状を示す図である。図５（ａ）は略正方形である角が取れた正方形の軸受ガイド２０の例である。軸受ガイド２０の角部を取り軸受（スライダ）１０とで形成される空間部は空気抜きのために設けられている。略正方形であることにより線膨張による寸法変化が均等になり、均一な軸受間隙を得ることが可能である。図５（ｂ）は正方形の軸受ガイド２０の各辺に窪みを形成した例である。この軸受ガイド２０の例においても部分的には正方形状を構成している。図５（ｂ）では太い線部が仮想的な正方形状を構成している例である。

図６は、本発明の流体軸受を組み立てる時の温度と使用する時の温度における軸受間隙の関係を示す図である。図６（ａ）は、流体軸受を組み立てる設定温度が、該流体軸受を使用する温度より高い場合の例である。図６（ａ）では、３０℃を流体軸受の組立温度とし、２２℃を該流体軸の使用温度としている。前記使用温度において最適な軸受間隙ｄを生成するように、寸法変化の大きい（換言すると熱膨張率の大きい）材質をガイドに選択し、寸法変化の小さい（換言すると熱膨張率の小さい）材質をスライドに選択する。図６（ｂ）では、１４℃を流体軸受の組立温度とし、２２℃を該流体軸の使用温度としている。前記使用温度において最適な軸受間隙ｄを生成するように、寸法変化の大きい（換言すると熱膨張率の大きい）材質をスライドに選択し、寸法変化の小さい（換言すると熱膨張率の小さい）材質をガイドに選択する。

図７は、本実施形態である流体軸受では、上述したボルト挿通孔２の径がボルトの径より大きく形成されていることを示している。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、ボルト挿通孔２と該ボルト挿通孔２に挿入されタップ穴３（図１参照）と螺合したボルト５との位置関係と、軸受（スライダ）１０のボルト５による結合部を示す図である。このように、ボルト５の径よりもボルト挿通孔２の径を大きくすることにより、ボルト挿通孔２に挿通されるボルト５のボルト挿通孔２の位置関係を調整することが可能となる。図７では説明の都合上一方の板状部材を１ａ、他方の板状部材を１ｂとして説明している。図７（ａ）は、ボルト挿通孔２とボルト５の中心軸とが一致するように板状部材１を位置決めしてボルト５で固定する状態を示している。図７（ｂ）は、ボルト挿通孔２に対してボルト５が、板状部材１の平坦な面６の長手方向（ボルトで結合する側の辺に対して直角の辺の方向）の内側によった状態で板状部材１を固定し連結したものである。図７（ｃ）は、ボルト挿通孔２に対してボルト５が、板状部材の平坦な面６の長手方向外側によった状態で板状部材１を固定し連結したものである。この構成により、ボルト挿通孔２やタップ穴３の形成位置ずれが生じても、箱形の軸受（スライダ）１０の軸受面を形成する内面で囲まれた領域の大きさを変えて、軸受ガイド２０に板状部材１の平坦な面６を（圧力を付加しない状態で）密着させて該ボルト５で板状部材１を結合して箱形の軸受（スライダ）１０を形成する作業が容易に実施できる。
なお、軸受流体を組み立てる温度において、板状部材１と軸受ガイド２０とが密着して軸受（スライダ）１０を形成できるように、タップ穴３の形成位置およびボルト孔の形成位置を正確に工作すれば、前記および図７に示されるように、ボルト５の径よりもボルト挿通孔２の径を大きくすることにより微調整可能とする構成をとらなくてもよい。
また、本発明の流体軸受構造が温度環境の変化によって破壊されるのを防止するため、当該流体軸受構造を有する測定装置や加工機に加温装置や冷却装置の温度調節器を具備させることも当業者が必要に応じて実施してもよい。

（ａ）はボルト挿通孔とボルトとの間隙部分で軸受間隙が調整可能である流体軸受構造の例であり、（ｂ）は同軸受構造に用いられる板状部材の斜視図である。図１に示される流体軸受構造において駆動方向に垂直に切った断面図である。ガイドとスライドとの熱膨張率の異なる流体軸受の例の断面図である。ガイドとスライドとの熱膨張率の異なる流体軸受を使用温度の環境下に置いたときの状態を表した断面図である。ガイドの断面形状が、正方形の角が取れた形状（ａ）と、各辺に窪みをもつ形状（ｂ）の例である。流体軸受を組み立てる時の温度と使用する時の温度における軸受間隙の関係を示す図である。本発明の実施形態である流体軸受において、ボルト挿通孔２の径がボルト５の径より大きく形成されていることを示す図である。

符号の説明

１板状部材
２ボルト挿通孔
３タップ穴
４流体吐出口
５ボルト
６平坦な面
７端面
８流体軸受面
１０軸受（スライダ）
２０軸受ガイド

Claims

ガイドとスライドからなる流体軸受構造であって、前記スライドは、平坦な面とそれに直角な端面を有する四角形状の板状部材の一方の辺の近傍に該辺に沿って２以上のボルト挿通孔を設け、対抗する他方の辺の辺側の前記端面にボルト挿通孔に対応してタップ穴を設け、一方の板状部材のボルト挿通孔にボルトを挿通して他方の板状部材のタップ穴と螺合させて、４枚の前記板状部材をボルトで結合して箱型とし、前記箱型の内面を流体軸受の軸受面として前記ガイドが挿通された流体軸受構造において、
前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、前記流体軸受を使用する温度と異なる温度環境の下で前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とするように、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質であることを特徴とする流体軸受構造。
ガイドとスライドからなる流体軸受構造であって、前記スライドは、平坦な面とそれに直角な端面を有する四角形状の板状部材の一方の辺の近傍に該辺に沿って２以上のボルト挿通孔を設け、対抗する他方の辺の辺側の前記端面にボルト挿通孔に対応してタップ穴を設け、一方の板状部材のボルト挿通孔に該ボルト挿通孔の径より小さい径のボルトを挿通して他方の板状部材のタップ穴と螺合させて、４枚の前記板状部材をボルトで結合して箱型とし、箱の内面を流体軸受の軸受面としてガイドが挿通され、前記ボルト挿通孔に対するボルトの挿通位置を調整することにより、軸受間隙を調整できるようにした流体軸受構造において、
前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、該流体軸受を使用する温度と異なる温度環境下で、前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とするように、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質であることを特徴とする流体軸受構造。
ガイドとスライドからなる流体軸受を組み立てる方法であって、前記流体軸受の軸受面は、駆動方向に垂直な断面形状が略正方形または略正方形の一部であり、前記ガイドと前記スライドとがそれぞれ熱膨張率の異なる材質を選択し、該流体軸受を使用する温度と異なる温度環境下で前記ガイドと前記スライドの軸受間隙部を密着させて組み立て、前記使用する温度での軸受間隙を組み立て時の前記温度環境の設定温度により調整可能とすることを特徴とした流体軸受の組立方法。