JP5071877B2 - 静圧軸受 - Google Patents

Description

本発明は、精密可動テーブル等を支持するのに好適な静圧軸受に関する。

高い案内精度を必要とする工作機械や半導体製造装置などにおいて、静圧軸受が用いられることがある。静圧軸受は、転動体などによる機械的接触が無いため、不規則な振動を生じず、更に摩擦による非線形特性が無いため、ナノメートルオーダの位置決め系においても高精度な位置決めが可能という特徴を有している。しかし、転がり軸受に対して軸受の大きさに対する負荷容量及び剛性が低いという課題があり、静圧軸受の高効率化が強く望まれている。

ここで、軸受面の加工精度や位置決め系の構造体に対する取付け方法による軸受の弾性変形により、軸受面が凸形状になると、軸受の効率低下という問題が発生する。弾性変形が生じやすい例として、軸受を構造体に対して軸受中央部に配したボールジョイント（ピボット軸受）などによって固定した場合に、軸受面の弾性変形が生じることがある。ボールジョイントの例としては、特許文献１，２に記載されたものがある。
特許第２７７６４２７号明細書 特開２００２−１８９０９０号公報

ここで、軸受面の平面精度による負荷容量を技術文献（日本機械学会論文集Ｃ編、６３−６０６（１９９７）Ｐ．５５０）に検証されている計算モデルによりシミュレーションした結果を、図１に示す。ここでは、軸受面ＢＰが平坦（理想平面）の場合（図２（ａ））と、軸受面ＢＰが略凸状に形成された２例の場合（図２の（ｂ）と（ｃ））について、負荷容量と剛性とを比較した結果を示している。

図２に示すように、供試した静圧軸受ＳＢは、環状部付き円板Ｃの環状部Ｒ（外径φ６０ｍｍ）内に円盤状の多孔質部材ＰＲ（外径φ４０ｍｍ）を配置したものであり、図２（ａ）の例では、多孔質部材ＰＲの下面と環状部Ｒの下面（これらを合わせて軸受面ＢＰという、以下同じ）とが平坦で面一になっており、図２（ｂ）の例では、軸受面ＢＰの中央が凸状になるよう環状部Ｒの下面がテーパ面になっていて、その傾き度合いは１μｍ／２０ｍｍであり、図２（ｃ）の例では、軸受面ＢＰの中央が凸状になるよう多孔質部材ＰＲの一部と環状部Ｒの下面がテーパ面になっていて、その傾き度合いは２μｍ／４０ｍｍである。

静圧軸受ＳＢを平面状の相手部材（不図示）に対向させ、多孔質部材ＰＲから０．５Ｍｐａの気体を吐出したものとして、軸受スキマを変えて負荷容量と剛性とをそれぞれ計算した。

その計算結果を示す図１から明らかなように、軸受面ＢＰの面形状により明確な効率低下が発生していることがわかる。より具体的には、軸受面ＢＰが平坦である場合（図２（ａ））と比較し、軸受面ＢＰが凹面である場合には、隙間５μｍでは、負荷容量が第１例（図２（ｂ））で−１２％、第２例（図２（ｃ））では−２９％、剛性が第１例（図２（ｂ））で−１３％、第２例（図２（ｃ））では−２８％もの低下を招いている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、負荷容量や剛性の低下を抑制できる静圧軸受を提供することを目的とする。

本発明の静圧軸受は、第１の部材から第２の部材に向かって流体を吐出することにより発生する静圧を用いて、前記第１の部材に対して前記第２の部材を支持する静圧軸受において、
前記静圧軸受は、円盤状の多孔質部材と、前記第１の部材に取り付けられ前記多孔質部材を内包する環状部付き円板とからなり、
前記静圧軸受の流体を吐出する前記多孔質部材の軸受面は、中央が凹状になるようなテーパ面であり、前記第２部材と前記環状部付き円板の外周との距離は、前記第２部材と前記軸受面との最大距離よりも小さいことを特徴とする。

上述した負荷容量や剛性低下の問題を解消又は緩和するためには、静圧軸受の軸受面を凹面形状に形成することが好ましい。本発明者は、図４に示すモデルに基づき、上述の計算モデルによりシミュレーションした。図４の例では、軸受面ＢＰの中央が凹状になるよう多孔質部材ＰＲの下面がテーパ面になっていて、その傾き度合いは１μｍ／４０ｍｍである。それ以外の条件は、上述のシミュレーションと同じである。

シミュレーション結果を図３に示す。かかる結果によれば、図４に示すごとく軸受面ＢＰが凹面形状である場合、図２（ｂ）に示す軸受面ＢＰが凸面形状である場合（第１例）と比較し、負荷容量及び剛性が高くなり、図２（ａ）に示す軸受面ＢＰが平坦である場合と、ほぼ同等の軸受性能が得られることがわかった。尚、軸受性能に若干の差異は計算されたが、多孔質絞りでは透過率、オリフィス絞りなどであれば形状誤差による性能差と同等レベルであった。

ところで、気体を軸受流体とする静圧軸受には、ニューマティックハンマと呼ばれる自励振動（共振）現象が発生することがある。このニューマティックハンマは、軸受面が凹面である場合に発生することが多い。従って、上記の性能向上のために軸受面を凹面に形成する場合、ニューマティックハンマを抑制できる対策が必要となる。

本発明者の検討結果によれば、軸受面における凹面の最大くぼみ量Δを０＜Δ≦３μｍとすることで、ニューマティックハンマを効果的に抑制できることが判明した。

更に、前記静圧軸受における前記軸受面の外周近傍を保持することにより、前記第１の部材又は前記第２の部材に取り付けられると好ましい。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は、第１の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。

図５において、第１の部材１と、第２の部材２との間に、静圧軸受ＳＢが配置されている。静圧軸受ＳＢは、環状部付き円板Ｃの環状部Ｒ内に円盤状の多孔質部材ＰＲをスキマなく配置したものであり、多孔質部材ＰＲの下面と環状部Ｒの下面とで形成される軸受面ＢＰは、非動作状態で全体的に平坦となっている。

又、静圧軸受ＳＢの上面は、ドーナツ板状の間座３を介して第１の部材１に取り付けられている。間座３の内径は、多孔質部材ＰＲの外径に等しいか、それより大きくなっていると好ましいが、少なくとも多孔質部材ＰＲの上方であって第１部材１との間に空間が生じれば足りる。

不図示のポンプから吐出された気体が多孔質部材ＰＲ内に圧送されると、多孔質部材ＰＲの下面から第２の部材２の表面に向かって気体が吐出され、それによる静圧（対向する両面間に作用する気体の圧力）で、第１の部材１に対して第２の部材２を非接触状態におき、水平方向に移動可能に支持することができる。このとき、第２の部材２と軸受面ＢＰとの間に作用する静圧で、多孔質部材ＰＲが上方に押されるが、第１の部材１と静圧軸受ＳＢとの間には間座３があるので、環状部Ｒの中央が上凸状に変形し、それにより軸受面ＢＰの下面は凹面となる。

本実施の形態によれば、静圧軸受ＳＢの軸受面ＢＰにおいて、その凹面の最大くぼみ量Δを０＜Δ≦３μｍとしているので、ニューマティックハンマを生じさせることなく、第２の部材２を支持することができる。又、静圧軸受ＳＢは、多孔質部材ＰＲの半径方向外方で第１の部材１に取り付けられているので、静圧により円板Ｃの中央が第１の部材１に接近するような撓みが生じ、それにより軸受面ＢＰの中央が更に凹状に変形し、更に効率（負荷容量、剛性）が高まるという効果もある。尚、軸受面ＢＰの下面を予め凹面にしていても良い。

図６は、第２の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。図６において、間座３’は、環状部付き円板Ｃと類似の形状を有しており、即ち間座３’の下面中央には円筒状の孔ＨＬが形成されている。また間座３’と第１の部材１との間には、ピボット軸受４が配置されている。静圧軸受ＳＢの構成自体は第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

本実施の形態によれば、静圧軸受ＳＢは、ピボット軸受４を介して第１の部材１に対して傾き可能に支持されているので、第２の部材２が第１の部材１に対して傾いていた場合でも適切な支持が可能となる。この場合、第１部材１からの反力はピボット軸受４から間座３’の中央に伝達され、更に静圧軸受ＳＢの多孔質部材ＰＲに対して半径方向外方に伝達されるため、軸受面ＢＰの中央は凸状に変形せず、むしろ凹状に変形するので、更に効率（負荷容量、剛性）が高まるという効果もある。

図７は、第３の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。図８は、図７の構成をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。図７に示す静圧軸受ＳＢは、第１の部材１に直接取り付けられている。静圧軸受ＳＢは、矩形状の板ＲＰの下面に円筒状の孔ＨＬ１を２つ形成しており、その中に多孔質部材ＰＲをそれぞれ設けている。又、静圧軸受ＳＢをボルトＢで取り付ける第１の部材１は、軸受面ＢＰに対向するその下面に、孔ＨＬ１を包含する大きさの矩形状の孔ＨＬ２を設けている。多孔質部材ＰＲの下面と板ＲＰの下面とで形成される軸受面ＢＰは、上述の実施の形態と同様に多孔質部材ＰＲの中央は平坦であるが、中央が凹状になるテーパ面としてもよい。

矩形状の孔ＨＬ２が設けられているので、静圧軸受ＳＢが第１の部材１に対して第２の部材２を支持したときに、静圧により矩形状の板ＲＰの孔ＨＬ１の中央が第１の部材１に接近するような上凸状の撓みが生じ、それにより軸受面ＢＰの中央が凹状に変形し、上述の効果を得られる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、図５〜７と同様の構成で、静圧軸受により第２の部材に対して第１の部材を支持しても良い。軸受の形態としては、多孔質絞りのほかに自成絞り、オリフィス絞り、表面絞りなど様々な絞り形状の軸受に対して本発明は有効である。流体としては、空気など気体に限らず、油など液体にも有効である。

静圧軸受の比較例のシミュレーション結果を示す図である。 静圧軸受の比較例の形状を示す断面図である。 本発明の静圧軸受のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の静圧軸受の形状を示す断面図である。 第１の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。 第２の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。 第３の実施の形態にかかる静圧軸受を用いた可動ステージの一部を示す断面図である。 図７の構成をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。

符号の説明

１ 第１の部材
２ 第２の部材
３、３’ 間座
４ ピボット軸受
Ｂ ボルト
ＢＰ 軸受面
Ｃ 円板
ＨＬ 孔
ＨＬ１ 孔
ＨＬ２ 孔
ＰＲ 多孔質部材
Ｒ 環状部
ＲＰ 板
ＳＢ 静圧軸受

Claims (4)

1. 第１の部材から第２の部材に向かって流体を吐出することにより発生する静圧を用いて、前記第１の部材に対して前記第２の部材を支持する静圧軸受において、
   前記静圧軸受は、円盤状の多孔質部材と、前記第１の部材に取り付けられ前記多孔質部材を内包する環状部付き円板とからなり、
   前記静圧軸受の流体を吐出する前記多孔質部材の軸受面は、中央が凹状になるようなテーパ面であり、前記第２部材と前記環状部付き円板の外周との距離は、前記第２部材と前記軸受面との最大距離よりも小さいことを特徴とする静圧軸受。
2. 前記環状部付き円板は、前記第１の部材に対して、ドーナツ板状の間座を介して取り付けられており、前記間座の内径は前記多孔質部材の外径と等しいか、より大きいことを特徴とする請求項１に記載の静圧軸受。
3. 前記環状部付き円板は、前記第１の部材に対して、傾き可能な間座を介して取り付けられており、前記間座には、前記多孔質部材に対応して、前記環状部付き円板との間に円盤状空間を形成する孔を形成していることを特徴とする請求項１に記載の静圧軸受。
4. 前記孔は、前記多孔質部材を包含する大きさの矩形状であることを特徴とする請求項３に記載の静圧軸受。

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