JP4930572B2 - 静圧気体軸受装置 - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸等の被軸受部材から静圧気体軸受、特に多孔質静圧気体軸受に加えられる負荷荷重の限界を検知する限界荷重検知装置を具備した静圧気体軸受装置に関する。
この種の静圧気体軸受装置としては、例えば、非接触変位センサのみにより被軸受部材としての回転軸と静圧気体軸受との軸受隙間（軸受間隙）の幅の変化を検知（検出）する静圧気体軸受装置が特許文献１において提案されている。
ところで、斯かる静圧気体軸受装置では、非接触変位センサのみにより軸受隙間の幅の変化を検知するようになっているために、非接触変位センサ周りの環境変化等の影響により非接触変位センサによる検知結果と現実の軸受隙間の幅の変化とに誤差が生じる虞があり、而して、回転軸等の被軸受部材の被軸受面と静圧気体軸受の軸受面との焼付きを生じ得る程度の接触を未然に防止することが困難である。
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を未然に防止することのできる静圧気体軸受装置を提供することにある。
本発明の第一の態様の静圧気体軸受装置は、導電性の被軸受部材の被軸受面と協働して軸受隙間を形成する軸受面から被軸受面に向かって噴出する高圧気体に基づく軸受隙間における気体圧力により被軸受部材を支える導電性の多孔質静圧気体軸受と、被軸受部材及び多孔質静圧気体軸受に電気的に接続されると共に、被軸受部材及び多孔質静圧気体軸受の相対的な変位による軸受隙間における被軸受部材と多孔質静圧気体軸受との電気的接触に基づいて被軸受部材から多孔質静圧気体軸受に加えられる負荷荷重が限界に至った旨を検知する限界荷重検知装置とを具備している。
第一の態様の静圧気体軸受装置によれば、回転軸等からなる被軸受部材へのラジアル方向の意図しない過負荷により被軸受部材と多孔質静圧気体軸受とが軸受隙間において互いに接触した場合に、周囲の環境変化等の影響を受けずにこれを正確に検知することができる結果、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を未然に防止することができる。
本発明の第二の態様の静圧気体軸受装置では、第一の態様の静圧気体軸受装置において、多孔質静圧気体軸受は、軸受面に開口を夫々有していると共に当該開口から高圧気体が噴出される複数の細孔と、この細孔の開口を少なくとも部分的に画成していると共に、開口から噴出する高圧気体により被軸受面に向かって突出され得るように変形可能な展延部とを有している多孔質体を具備している。
第二の態様の静圧気体軸受装置によれば、複数の細孔の開口から噴出される高圧気体に対して展延部によりいわゆる絞り機能を発揮させ得る上に、複数の細孔の開口から噴出される高圧気体に基づいて被軸受面に向かって突出される展延部の被軸受面への電気的な接触でもって負荷荷重の限界を予め検出することができる結果、軸受面への被軸受面の全体的な接触を回避でき、而して、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
本発明の第三の態様の静圧気体軸受装置では、第二の態様の静圧気体軸受装置において、多孔質体は、軸受面で露出している金属部分及び無機質部分を具備しており、展延部は金属部分からなる。
第三の態様の静圧気体軸受装置によれば、例えば、被軸受面に対面する多孔質体の面を研削加工した際に展延される金属部分を展延部としてそのまま用いることができる。
本発明の第四の態様の静圧気体軸受装置では、第三の態様の静圧気体軸受装置において、軸受面で露出している金属部分は無機質部分で分断されている。
本発明の第五の態様の静圧気体軸受装置では、第三又は第四の態様の静圧気体軸受装置において、金属部分は、錫、燐及び銅のうちの少なくとも一つを含んでおり、無機質部分は、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つを含んでいる。
本発明の第六の態様の第五の態様の静圧気体軸受装置では、第五の態様の静圧気体軸受装置において、金属部分は、更に、ニッケル、クロム及びマンガンのうちの少なくとも一つを含んでいる。
本発明の第七の態様の静圧気体軸受装置では、第二から第六のいずれかの態様の静圧気体軸受装置において、多孔質静圧気体軸受は、多孔質体が焼結された裏金を更に具備している。
本発明の第八の態様の静圧気体軸受装置では、第二から第七のいずれかの態様の静圧気体軸受装置において、限界荷重検知装置は、被軸受面と展延部との電気的な接触に基づいて、被軸受部材から多孔質静圧気体軸受に加えられる負荷荷重が限界に至った旨の検知信号を生成するようになっている。
本発明の第九の態様の静圧気体軸受装置は、第一から第八のいずれかの態様の静圧気体軸受装置において、限界荷重検知装置による検知に基づいて軸受隙間における気体圧力を制御する気体圧力制御手段を更に具備している。
第九の態様の静圧気体軸受装置によれば、限界荷重検知装置により負荷荷重が限界に至った旨を検知した際に、気体圧力制御手段により軸受隙間における気体圧力を制御する結果、作業停止等の甚大な影響を及ぼす被軸受部材の駆動停止等を行わなくても、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
本発明の第十の態様の静圧気体軸受装置では、第九の態様の静圧気体軸受装置において、気体圧力制御手段は、限界荷重検知装置による検知に基づいて軸受隙間における気体圧力を増圧又は減圧させるようになっている。
本発明の第十一の態様の静圧気体軸受装置では、第九又は第十の態様の静圧気体軸受装置において、気体圧力制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定回数に至った場合に、軸受隙間における気体圧力を制御するようになっている。
本発明の第十二の態様の静圧気体軸受装置では、第十一の態様の静圧気体軸受装置において、気体圧力制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定時間内に設定回数に至った場合に、軸受隙間における気体圧力を制御するようになっている。
第十一又は第十二の態様の静圧気体軸受装置によれば、偶発的であって瞬時的な被軸受部材と多孔質静圧気体軸受との電気的接触に応答する無駄な気体圧力の制御を回避できる。
本発明の第十三の態様の静圧気体軸受装置は、第一から第十二のいずれかの態様の静圧気体軸受装置において、被軸受部材を駆動させる駆動手段と、限界荷重検知装置による検知に基づいて駆動手段による被軸受部材の駆動を制御する駆動制御手段とを更に具備している。
第十三の態様の静圧気体軸受装置によれば、限界荷重検知装置により負荷荷重が限界に至った旨を検知した際に、駆動制御手段により被軸受部材の駆動を制御する結果、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
本発明の第十四の態様の静圧気体軸受装置では、第十三の態様の静圧気体軸受装置において、駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知に基づいて駆動手段による被軸受部材の駆動を停止させるようになっている。
本発明の第十五の態様の静圧気体軸受装置では、第十三又は第十四の態様の静圧気体軸受装置において、駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定回数に至った場合に、駆動手段による被軸受部材の駆動を制御するようになっている。
本発明の第十六の態様の静圧気体軸受装置では、第十五の態様の静圧気体軸受装置において、駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定時間内に設定回数に至った場合に、駆動手段による被軸受部材の駆動を制御するようになっている。
第十五又は第十六の態様の静圧気体軸受装置によれば、第十一又は第十二の態様のそれと同様に、偶発的であって瞬時的な被軸受部材と多孔質静圧気体軸受との電気的接触に応答する無駄な被軸受部材の駆動の制御を回避できる。
本発明では、被軸受部材の変位に基づく軸受隙間の幅又は当該幅の変化を検出する検出手段を限界荷重検知装置に加えて更に具備していてもよく、斯かる検出手段の検出結果に基づいて軸受隙間における気体圧力を増圧若しくは減圧させ又は被軸受部材の駆動を制御することにより被軸受部材のより精確な作動を実現し得る。
本発明によれば、焼付きを生じ得る程度の被軸受部材と静圧気体軸受との接触を未然に防止することのできる静圧気体軸受装置を提供し得る。
次に、本発明の実施の形態の例を、図に示す好ましい例に基づいて更に詳細に説明する。尚、本発明はこれらの例に何等限定されないのである。
図１から図４において、本例の静圧気体軸受装置１は、導電性の被軸受部材としての回転軸２の被軸受面３と協働して軸受隙間４を形成する軸受面５から被軸受面３に向かって噴出する高圧気体（高圧空気）に基づく軸受隙間４における気体圧力により回転軸２を支える導電性の多孔質静圧気体軸受７と、回転軸２及び多孔質静圧気体軸受７に電気的に接続されると共に、回転軸２及び多孔質静圧気体軸受７の相対的な変位による軸受隙間４における回転軸２と多孔質静圧気体軸受７との電気的接触に基づいて回転軸２から多孔質静圧気体軸受７に加えられる負荷荷重が限界に至った旨を検知する限界荷重検知装置８と、回転軸２を駆動、本例では回転駆動させる駆動手段９と、限界荷重検知装置８による検知に基づいて駆動手段９による回転軸２の回転駆動を制御する駆動制御手段１０とを具備している。
回転軸２は、金属製の円柱状又は円筒状部材からなり、被軸受面３は、回転軸２の外周面からなる。回転軸２は、少なくとも被軸受面３が導電性を有していればよく、例えば、回転軸２の外周面以外の部位が導電性を有していない部材から構成されていてもよい。
駆動手段９は、本例では、電動モータ１１と、電動モータ１１の出力回転軸と回転軸２の一端とを連結している連結機構１２とを具備しており、電動モータ１１の作動により連結機構１２を介して回転軸２を回転させるようになっている。
多孔質静圧気体軸受７は、多孔質体としての多孔質金属焼結体１５と、多孔質金属焼結体１５が嵌装された裏金１６とを具備している。
多孔質金属焼結体１５は、円筒形状を有しており、多孔質金属焼結体１５の円筒状の内周面は、軸受面（ラジアル軸受面）５として構成されている。多孔質金属焼結体１５は、軸受面５に開口１３を夫々有していると共に開口１３から高圧気体が噴出される複数、本例では多数の細孔１４と、細孔１４の開口１３を少なくとも部分的に画成していると共に、開口１３から噴出する高圧気体により被軸受面３に向かって突出され得るように変形可能な展延部１８とを具備している。軸受面５における展延部１８は、開口１３を絞っているもの、開口１３を塞いでいるもの及び無機質部分２２で分断されているもの等からなる。展延部１８は、高圧気体供給源（図示せず）から多孔質静圧気体軸受７に対して高圧気体が供給されていない場合には、被軸受面３に向かって突出していない状態又は高圧気体の供給時と比較して被軸受面３に向かってあまり突出していない状態であってもよい。高圧気体の開口１３からの噴出に基づいて被軸受面３に向かって突出する展延部１８の突出長Ｌ１は、３μｍ程度から５μｍ程度である。軸受隙間４は、本例では約１０μｍ程度の幅Ｌ２を有している。
多孔質金属焼結体１５の外周面２９には環状凹所３０が形成されており、裏金１６の内周面３１によって蓋された環状凹所３０は、多孔質金属焼結体１５の細孔１４へ高圧気体を供給する環状供給路３２を形成している。
多孔質金属焼結体１５は、導電性を有する金属部分２１及び無機質部分２２を具備している。軸受面５で露出している金属部分２１は、軸受面５で露出している無機質部分２２で分断されている。展延部１８は、軸受面４で露出している金属部分２１からなる。
金属部分２１は、本例では、錫、燐、銅及びニッケルからなるが、例えば、錫、燐及び銅のうちの少なくとも一つを含んで構成されていてもよく、また、錫、燐及び銅のうちの少なくとも一つに加えて、ニッケル、クロム及びマンガンのうちの少なくとも一つを更に含んで構成されていてもよい。
無機質部分２２は、本例では、黒鉛からなるが、例えば、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つを含んで構成されていてもよい。
裏金１６は、多孔質金属焼結体１５が内部に嵌装された金属製の剛性の円筒体からなるり、環状供給路３２に連通すると共にねじが切られた貫通孔３３を具備しており、貫通孔３３に気体供給プラグが取付けられるようになっている。裏金１６の内周面３１がぴったりと多孔質金属焼結体１５の外周面２９に接触していることにより、細孔１４の外周面２９における開口が封止されている。
多孔質静圧気体軸受７において、貫通孔３３に供給された高圧気体は環状供給路３２に供給され、環状供給路３２に供給された高圧気体は、多孔質金属焼結体１５の細孔１４を介して開口１３から噴出されて、軸受面５と被軸受面３との間の軸受隙間４に高圧気体膜を形成し、而して、多孔質静圧気体軸受７は、被軸受面３を有した回転軸２をラジアル方向において高圧気体膜を介して回転自在に支持する。
限界荷重検知装置８は、被軸受面３と展延部１８との図４に示すような電気的な接触（短絡）を検出して、この検出により回転軸２から多孔質静圧気体軸受７に加えられる負荷荷重が限界に至った旨の検知信号を生成し、この検知信号を駆動制御手段１０に送出するようになっている。
駆動制御手段１０は、例えば、マイクロコンピュータ等により具体化され、限界荷重検知装置８からの検知信号を受け取ると、駆動手段９による回転軸２の回転駆動を制御するようになっている。
駆動制御手段１０は、限界荷重検知装置８からの検知信号に基づいて回転軸２の単位時間当たりの回転数を低下させるように電動モータ１１の作動を制御するようになっていてもよく、また、限界荷重検知装置８による検知に基づいて回転軸２の回転を停止させるように電動モータ１１の作動を制御するようになっていてもよい。
駆動制御手段１０は、限界荷重検知装置８からの検知信号の回数が予め設定した設定時間内に設定回数に至った場合に、駆動手段９による回転軸２の回転駆動を制御するようになっていても、斯かる設定時間を設けずに、限界荷重検知装置８からの検知信号の回数が予め設定した設定回数に至った場合に、駆動手段９による回転軸２の回転駆動を制御するようになっていてもよい。
静圧気体軸受装置１は、例えば、軸受隙間４における気体圧力により回転軸２を回転自在に支持している場合に、ラジアル方向の過負荷により回転軸２がラジアル方向に変位されて展延部１８が被軸受面３に展延部１８以外の軸受面５の部位よりも先に電気的に接触すると、限界荷重検知装置８により検知信号が生成され、生成された検知信号に基づき駆動制御手段１０による制御を行うようになっている。
導電性の回転軸２の被軸受面３と協働して軸受隙間４を形成する軸受面５から被軸受面３に向かって噴出する高圧気体に基づく軸受隙間４における気体圧力により回転軸２を支える導電性の多孔質静圧気体軸受７と、回転軸２及び多孔質静圧気体軸受７に電気的に接続されていると共に、回転軸２及び多孔質静圧気体軸受７の相対的な変位による軸受隙間４における回転軸２と多孔質静圧気体軸受７との電気的接触に基づいて回転軸２から多孔質静圧気体軸受７に加えられる負荷荷重が限界に至った旨を検知する限界荷重検知装置８とを具備している以上の静圧気体軸受装置１によれば、回転軸２にラジアル方向の意図しない過大負荷が生じ、回転軸２と多孔質静圧気体軸受７とが軸受隙間４において互いに電気的に接触した場合に、周囲の環境変化等の影響を受けずにこれを正確に検知することができ、而して、焼付きを生じ得る程度の回転軸２と多孔質静圧気体軸受７との接触を未然に防止することができる。
静圧気体軸受装置１によれば、多孔質静圧気体軸受７が、軸受面５に開口１３を夫々有していると共に開口１３から高圧気体が噴出される多数の細孔１４と、細孔１４の開口１３を少なくとも部分的に画成していると共に、開口１３から噴出する高圧気体により被軸受面３に向かって突出され得るように変形可能な展延部１８とを有している多孔質金属焼結体１５を具備しているために、複数の細孔１４の開口１３から噴出される高圧気体に対して展延部１８によりいわゆる絞り機能を発揮させ得る上に、複数の細孔１４の開口１３から噴出される高圧気体に基づいて被軸受面３に向かって突出される展延部１８の被軸受面３への電気的な接触でもって負荷荷重の限界を予め検出することができる結果、軸受面５への被軸受面３の全体的な接触を回避でき、而して、焼付きを生じ得る程度の回転軸２と多孔質静圧気体軸受７との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
静圧気体軸受装置１によれば、多孔質金属焼結体１５が、軸受面５で露出している金属部分２１及び無機質部分２２を具備しており、展延部１８は、金属部分２１からなるために、例えば、被軸受面３に対面する多孔質金属焼結体１５の面（内周面）を研削加工した際に展延される金属部分２１を、開口１３を少なくとも部分的に画成していると共に開口１３から噴出される高圧気体を受けて突出され得る展延部１８としてそのまま構成し得る。
静圧気体軸受装置１によれば、限界荷重検知装置８により負荷荷重が限界に至った旨を検知した際に、駆動制御手段９により回転軸２の回転駆動を制御する結果、焼付きを生じ得る程度の回転軸２と静圧気体軸受７との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
静圧気体軸受装置１は、駆動制御手段１０に代えて又はこれに加えて、限界荷重検知装置８による検知に基づいて軸受隙間４における気体圧力を増圧又は減圧させるように制御するマイクロコンピュータ等からなる気体圧力制御手段（図示せず）を具備していてもよく、斯かる気体圧力制御手段は、限界荷重検知装置８による検知の回数が予め設定した設定回数に至った場合に、軸受隙間４における気体圧力を制御するようになっていてもよく、また、限界荷重検知装置８による検知の回数が予め設定した設定時間内に設定回数に至った場合に、軸受隙間４における気体圧力を制御するようになっていてもよい。斯かる気体圧力制御手段を具備している場合には、作業停止等の甚大な影響を及ぼす回転軸２の回転駆動停止等を行わなくても、焼付きを生じ得る程度の回転軸２と静圧気体軸受７との接触を更に効果的に未然に防止することができる。
また、静圧気体軸受装置１は、上述の構成に加えて、軸受隙間４の幅Ｌ２又は幅Ｌ２の変化を検出する検出手段（図示せず）を更に具備していてもよく、斯かる場合には、検出手段による検出に基づいて軸受隙間４における気体圧力を増圧又は減圧させる手段を更に具備していてもよい。検出手段は、例えば、光学式、静電容量式又は渦電流式等の非接触センサからなっていてもよい。
上記の静圧気体軸受装置１では回転軸２をラジアル方向に関して支持するように構成したが、これに代えて又はこれと共に回転軸２をスラスト方向に関して支持するように静圧気体軸受装置を構成してもよい。
１ 静圧気体軸受装置
２ 回転軸
３ 被軸受面
４ 軸受隙間
５ 軸受面
７ 多孔質静圧気体軸受
８ 限界荷重検知装置
９ 駆動手段
１０ 制御手段
１３ 開口
１４ 細孔
１８ 展延部
２ 回転軸
３ 被軸受面
４ 軸受隙間
５ 軸受面
７ 多孔質静圧気体軸受
８ 限界荷重検知装置
９ 駆動手段
１０ 制御手段
１３ 開口
１４ 細孔
１８ 展延部
Claims (7)
- 導電性の被軸受部材の被軸受面と協働して軸受隙間を形成する軸受面から被軸受面に向かって噴出する高圧気体に基づく軸受隙間における気体圧力により被軸受部材を支える導電性の多孔質静圧気体軸受と、被軸受部材及び多孔質静圧気体軸受に電気的に接続されると共に被軸受部材及び多孔質静圧気体軸受の相対的な変位による軸受隙間における被軸受部材と多孔質静圧気体軸受との電気的接触に基づいて被軸受部材から多孔質静圧気体軸受に加えられる負荷荷重が限界に至った旨を検知する限界荷重検知装置と、被軸受部材を回転駆動させる駆動手段と、限界荷重検知装置による検知に基づいて駆動手段による被軸受部材の回転駆動を制御する駆動制御手段とを具備しており、多孔質静圧気体軸受は、軸受面に開口を夫々有していると共に当該開口から高圧気体が噴出される複数の細孔と、この細孔の開口を少なくとも部分的に画成していると共に開口から噴出する高圧気体により変形されて軸受面から被軸受面に向かって突出され得るように変形可能な展延部とを有している多孔質体を具備しており、多孔質体は、軸受面で露出している金属部分及び無機質部分を具備しており、展延部は金属部分からなり、限界荷重検知装置は、被軸受面と展延部以外の軸受面の部位との接触に先行する被軸受面と開口から噴出する高圧気体により変形されて軸受面から被軸受面に向かって突出した展延部との電気的な接触に基づいて被軸受部材から多孔質静圧気体軸受に加えられる負荷荷重が限界に至った旨の検知信号を生成するようになっており、駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知信号に基づいて駆動手段による被軸受部材の回転駆動を停止させるように、駆動手段による被軸受部材の回転駆動を制御するようになっている静圧気体軸受装置。
- 駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定回数に至った場合に、駆動手段による被軸受部材の駆動を制御するようになっている請求項１に記載の静圧気体軸受装置。
- 駆動制御手段は、限界荷重検知装置による検知の回数が予め設定した設定時間内に設定回数に至った場合に、駆動手段による被軸受部材の駆動を制御するようになっている請求項２に記載の静圧気体軸受装置。
- 軸受面で露出している金属部分は無機質部分で分断されている請求項１から３のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置。
- 金属部分は、錫、燐及び銅のうちの少なくとも一つを含んでおり、無機質部分は、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つを含んでいる請求項１から４のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置。
- 金属部分は、更に、ニッケル、クロム及びマンガンのうちの少なくとも一つを含んでいる請求項５に記載の静圧気体軸受装置。
- 多孔質静圧気体軸受は、多孔質体が焼結された裏金を更に具備している請求項１から６のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置。
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