JP5129364B2 - 気体軸受 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械、精密測定装置、オプトエレクトロニクスなどにおいて用いられる静圧式の気体軸受に関する。

静圧式の気体軸受は、高速、高精度の回転軸受部として、超精密工作機械や、超精密測定装置に使用されている。そして、その軸受に対する高速回転性能の要求も高まりつつある。
従来、静圧式の気体軸受において、高剛性、高減衰係数特性の両方を兼ね備えた、特性を持つことは自励振動の発生現象などで、限界があり、高剛性、高減衰係数特性を有するために、軸受内部にフルイドダンパを設置するような機構が提案されたりしていた（例えば、非特許文献１参照）。

また、静圧式の気体軸受機構のひとつに、軸受の回転軸と固定軸受筒との隙間（軸受部）に浮動ブッシュを設ける機構がある。

精密工学会誌Vol.63、No.2 1997

非特許文献１に記載された技術は、静圧式の気体軸受にフルイドダンパを付加することにより、整定時間の短縮化と不安定振動の発生防止という点で優れているものの、減衰係数を高めるためにフルイドダンパを回転軸に付加すると、ダンパの粘性のために発熱が大きく、高速回転が不可能であった。
また、浮動ブッシュを内蔵した静圧式の気体浮動ブッシュ軸受は、回転軸と軸受との間に補助軸受として浮動軸受を介在させて、その浮動軸受を回転軸の回転数の１／２で回転させることにより、最も少ない消費動力で高速回転させることができる。
従って、発熱を低減することができるという長所を有しているが、その反面、構造が複雑であり、部品の製作精度が厳しく、製作の困難性が高く、また、回転軸受部の軸剛性、減衰特性が低いことから、全体にコストパフォーマンスが悪く、一般的には商品として使用されていなかった。

そこで、本発明は、前述した従来の欠点を改良すると共に、構造としての長所から、浮動ブッシュを内蔵した気体静圧浮動ブッシュ軸受を利用して、さらに軸受全体の剛性を高めることが可能でかつ減衰特性の高い静圧式の気体軸受を提供することを目的とする。
また、本発明は、回転軸の減衰特性を比較的容易に設定可能な静圧式の気体軸受を提供することを目的とする。

さらに本発明は、加工機械等に採用してその特性を左右する回転軸の整定時間（応答性）を制御できる静圧式の気体軸受を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、軸本体の両端部にフランジ部を有する回転軸と、前記回転軸の外側に回転自在に挿入される本体部と、前記本体部に連接し前記回転軸のフランジ部にそれぞれ対向する壁部とを有する浮動ブッシュと、前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの両端部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面側の隙間、および前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面側の隙間に、磁石と磁性流体とを対向して装着して形成されるフルイドダンパ機構と、気体軸受部とを備え、前記浮動ブッシュは、前記固定軸受筒の内周面に向かって開口するジョイント部と、前記ジョイント部に連絡するように前記本体部および前記壁部内に設けた管路と、前記管路と連通し、前記回転軸の軸本体の外周面と対向する内周面側と前記回転軸のフランジ部と対向する壁面側とに設置された複数のオリフィスとを備え、前記固定軸受筒は、外周に形成された空気供給口と、前記空気供給口に連通し、前記固定軸受筒の内周面側に設置された複数のオリフィスと、前記空気供給口から供給される圧縮空気を前記浮動ブッシュのジョイント部に向かった吐出する空気吐出口とを備え、前記気体軸受部は、前記空気供給口から供給される圧縮空気を、前記オリフィスから前記固定軸受筒と前記浮動ブッシュとの間の隙間部分に通すことによって、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面と前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面との間に形成される第一の軸受部と、前記空気供給口から供給される圧縮空気を、ジョイント部を通って前記浮動ブッシュの管路を経由して前記オリフィスから前記浮動ブッシュと前記回転軸との間の隙間部分に通すことによって、前記浮動ブッシュの本体部の内周面と前記回転軸の軸本体との間のスラスト面と前記浮動ブッシュの壁部と前記回転軸のフランジ部との間のラジアル面との間に形成される第二の軸受部とで構成され、前記フルイドダンパ機構は、前記磁性流体の粘性または前記隙間を変えることによって、前記第一の軸受部の減衰係数およびばね剛性を調整し、前記回転軸の外乱に対する整定時間を制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、軸本体の両端部にフランジ部を有する回転軸と、前記回転軸の外側に回転自在に挿入される本体部と、前記本体部に連接し前記回転軸のフランジ部にそれぞれ対向する壁部とを有する不回転の浮動ブッシュと、前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの壁部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの両端部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面側の隙間、および前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面側の隙間に、磁石と磁性流体とを対向して装着して形成されるフルイドダンパ機構と、気体軸受部とを備え、前記浮動ブッシュは、前記固定軸受筒の内周面に向かって開口するジョイント部と、前記ジョイント部に連絡するように前記本体部および前記壁部内に設けた管路と、前記管路と連通し、前記回転軸の軸本体の外周面と対向する内周面側と前記回転軸のフランジ部と対向する壁面側と前記固定軸受筒の両端部と対向する壁面側とに設置された複数のオリフィスとを備え、前記固定軸受筒は、外周に形成された空気供給口と、前記空気供給口に連通し、前記固定軸受筒の内周面側に設置された複数のオリフィスと、前記空気供給口から供給される圧縮空気を前記浮動ブッシュのジョイント部に向かった吐出する空気吐出口とを備え、前記気体軸受部は、前記空気供給口から供給される圧縮空気を、前記オリフィスから前記固定軸受筒と前記浮動ブッシュとの間の隙間部分に通すことによって、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面と前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面との間に形成される第一の軸受部と、前記空気供給口から供給される圧縮空気を、ジョイント部を通って前記浮動ブッシュの管路を経由して前記オリフィスから前記浮動ブッシュと前記回転軸との間の隙間部分に通すことによって、前記浮動ブッシュの本体部の内周面と前記回転軸の軸本体との間のスラスト面と前記浮動ブッシュの壁部と前記回転軸のフランジ部との間のラジアル面との間に形成される第二の軸受部とで構成され、前記フルイドダンパ機構は、前記磁性流体の粘性または前記隙間を変えることによって、前記第一の軸受部の減衰係数およびばね剛性を調整し、前記回転軸の外乱に対する整定時間を制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２記載の気体軸受において、前記フルイドダンパ機構は、前記浮動ブッシュの回転止め手段を構成することを特徴とする。

本発明によれば、浮動ブッシュの付加と、固定軸受筒と浮動ブッシュとの間に配される第一の軸受部の減衰特性、ばね剛性を調整することができる構成としたので、浮動ブッシュの欠点を解消して、かつ静圧気体軸受の長所を合わせ持つ新たな回転型静圧気体軸受を得ることができる。
また、本発明によれば、固定軸受筒と浮動ブッシュとの間に配される第一の軸受部にフルイドダンパ機構を付加したので、このフルイドダンパ機構の流体粘度を変えたり隙間を変化させて、軸受部の減衰特性、ばね剛性を調整することが容易になり、静圧気体軸受の長所を合わせ持つ新たな回転型静圧気体軸受を得ることができる。

本発明の第一実施形態に係る静圧式の気体軸受を示す一部断面図である。 図１の静圧式の気体軸受の外観図で、外乱Ｘを与える回転軸の位置を示す。 図２の外乱を与えたときの、回転軸の整定時間の変化を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る静圧式の気体軸受を示す一部断面図である。 本発明の第三実施形態に係る式の気体軸受を示す一部断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る静圧式の気体軸受を示す一部断面図である。
本実施形態に係る気体軸受は、回転軸ＫＪと、この回転軸ＫＪの外側に回転自在に挿入した浮動ブッシュＦＢと、この浮動ブッシュＦＢの外側に配した固定軸受筒ＣＪとで構成されている。固定軸受筒ＣＪに対して浮動ブッシュＦＢは回転自在である。

固定軸受筒ＣＪの外周中央部に形成された空気供給口ＡＳから供給された圧縮空気は、固定軸受筒ＣＪの内面側に設置されたオリフィスＯＬ（ＯＬ１１〜ＯＬ１４）を通過して固定軸受筒ＣＪとの間の隙間部分で第一の軸受部（軸受部Ａ）を形成し、同時に、ジョイント部を通って浮動ブッシュＦＢの管路ＡＳＤに流入し、浮動ブッシュＦＢの内径側の軸受面に設置されたオリフィスＯＬ（ＯＬ１〜ＯＬ６）を通過して回転軸ＫＪとの間の隙間部分で第二の軸受部（軸受部Ｂ）を形成して排気口ＥＸ（ＥＸ１〜ＥＸ４）を介して外部へ排気される。
図示したように、軸受部Ａ、軸受部Ｂは、夫々浮動ブッシュＦＢの内外径側で、ラジアル面とスラスト面（両端側）とに亘って形成されている。これらのオリフィス構造は図示していないが、回転軸ＫＪの全周囲に亘って均等分割位置に例えば８等分のように形成されている。

軸受部Ａは、前述した軸受部による静圧式の気体軸受を構成していると共に、フルイドダンパ機構ＦＤを設けている。フルイドダンパ機構ＦＤは、軸受部Ａと同様に固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の隙間に形成されており、隙間の一方の面側に装着した磁石ＭＧと隙間に位置する磁性流体ＪＲとの組み合わせにより形成され、本実施形態では、両端側のスラスト面のフルイドダンパ機構ＦＤ１，ＦＤ４と、ラジアル面に配置したフルイドダンパ機構ＦＤ３，ＦＤ４の４箇所に設けてある。
また、軸受部Ｂは、従来と同等な静圧気体軸受を構成しており、軸受部Ａと同様にスラスト面とラジアル面との組み合わせから構成されている。

以上のような構成において、本発明者等は、フルイドダンパ機構ＦＤを除いた浮動ブッシュ静圧気体軸受構造において、図２に示すように、回転軸ＫＪに衝撃（外乱）を与えた場合の応答特性から、固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の隙間の減衰係数の変化が回転軸ＫＪの応答特性（整定時間）に大きく関わってくることを見い出した。そして、浮動ブッシュＦＢと固定軸受筒ＣＪとの間の軸受特性を改善するように調整することが、従来実用に供することが困難であった浮動ブッシュ静圧気体軸受の実用化を可能にした。

そして、さらに、前述した浮動ブッシュＦＢと固定軸受筒ＣＪとの間の軸受特性を改善するように調整する方法として、フルイドダンパ機構ＦＤを前述した軸受部Ａに設けた。図１に示した構造がそれである。
すなわち、フルイドダンパ機構ＦＤを構成する磁性流体ＪＲの粘性を変化させることにより固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の隙間の減衰係数の変化につながり、また固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の隙間量を変化させることにより、同様に固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の隙間の減衰係数の変化につながり、その調整が回転軸ＫＪの整定時間を改善制御することになる。そして、前述したように高剛性の特性をもった軸受が提供できる。

図１に示す構造において、図２に示すような外乱Ｘを回転軸ＫＪに付加したときの回転軸ＫＪの整定時間は、図３に示すように、軸受部Ａの減衰係数を変化させることで変えられることが確認できた。
また、軸受部Ａにフルイドダンパ機構ＦＤ（ＦＤ１〜ＦＤ４）を用いることで、非特許文献１に記載したような高剛性、高減衰特性をもつ静圧気体軸受が達成できる。

本実施形態によれば、浮動ブッシュＦＢの設置により、２つの軸受部Ａ，Ｂが形成され、それぞれ軸受部Ａ，Ｂの特性が回転軸ＫＪに与える影響が明確になった。
そして、特に浮動ブッシュＦＢと固定軸受筒ＣＪと間に形成される第一の軸受部（軸受部Ａ）の減衰特性が回転軸ＫＪの減衰特性、応答特性に大きく影響を及ぼすことがわかり、この軸受部Ａの減衰特性、ばね剛性を調整することにより、回転軸ＫＪの外乱に対する整定時間を制御することで回転軸ＫＪの発熱を抑制しながら高速回転を可能にし、かつ浮動ブッシュ気体軸受の欠点であった低剛性に対し、軸受部Ａの剛性を高めることにより気体軸受の剛性を高めることができる。
このように、浮動ブッシュＦＢの付加と軸受部Ａの減衰特性、ばね剛性を調整することにより、浮動ブッシュＦＢの欠点を解消して、かつ静圧気体軸受の長所を合わせ持つ新たな回転型静圧気体軸受を得ることができる。

また、本実施形態によれば、第一の軸受部である軸受部Ａにフルイドダンパ機構ＦＤを付加したことで、このフルイドダンパ機構ＦＤの流体粘度を変えたり隙間を変化させて、軸受部Ａの減衰特性、ばね剛性を調整することが容易になり、静圧気体軸受の長所を合わせ持つ新たな回転型静圧気体軸受を得ることができる。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態に係る静圧式の気体軸受を示す一部断面図である。
本実施形態に係る静圧式の気体軸受は、回転軸ＫＪと浮動ブッシュＦＢとの間の軸受構造Ｂは第一実施形態に係る静圧気体軸受と同様であるが、圧縮空気の供給口ＡＳを浮動ブッシュＦＢに設けた点で、第一実施形態に係る静圧気体軸受と相違する。
本実施形態では、その供給口ＡＳから圧縮空気を供給し、浮動ブッシュＦＢが回転しない構成としてある。
本実施形態に係る静圧式の気体軸受は、第一実施形態に係る静圧式の気体軸受のように浮動ブッシュＦＢが回転しなくても同様の効果が得られる。
本実施形態に係る静圧式の気体軸受における静圧軸受構造およびオリフィス構造は、第一実施形態に係る静圧式の気体軸受と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態においては、フルイドダンパ機構ＦＤは、固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの向い合う両面に磁力の高い磁石ＭＧ１，ＭＧ２を設置して、その間に磁性流体ＪＲを保持させるように構成した。
なお、本実施形態において、固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの向い合う両面に磁力の高い磁石ＭＧ１，ＭＧ２を設置して、その間に磁性流体ＪＲを保持させるように構成したフルイドダンパ機構ＦＤについて説明したが、このフルイドダンパ機構ＦＤを浮動ブッシュＦＢの回転止め手段として用いることもできる。要は、軸受部Ａが、浮動ブッシュ静圧気体軸受としての応答特性を向上させ得る高い剛性、高い減衰係数を有することで、本発明のように構成することで達成が可能である。

（第三実施形態）
図５は、本発明の第三実施形態に係る静圧式の気体軸受を示す一部断面図である。
本実施形態に係る静圧式の気体軸受は、固定軸受筒ＣＪと浮動ブッシュＦＢとの間の軸受部Ａにおいて、浮動ブッシュＦＢは回転しない構造とした。そして、軸受部Ａは流体として非圧縮流体である油や水を利用することも可能である。

本実施形態に係る静圧式の気体軸受は、固定軸受部ＣＪ側に開口した流体供給口ＦＳから油あるいは水を供給し、軸受部Ａが油静圧軸受、水静圧軸受を構成する。
浮動ブッシュＦＢと回転軸ＫＪとの間は、浮動ブッシュＦＢの供給口ＡＳからの圧縮空気による静圧気体軸受部Ｂを構成する。

Ａ 軸受部（第一の軸受部）
ＡＳ 空気供給口
ＡＳＤ 管路
Ｂ 軸受部（第二の軸受部）
ＣＪ 固定軸受筒
ＥＸ 排気
ＦＢ 浮動ブッシュ
ＦＤ フルイドダンパ機構
ＦＳ 流体供給口
ＪＲ 粘性流体
ＫＪ 回転軸
ＯＬ オリフィス
Ｍｇ 磁石

Claims (3)

1. 軸本体の両端部にフランジ部を有する回転軸と、
   前記回転軸の外側に回転自在に挿入される本体部と、前記本体部に連接し前記回転軸のフランジ部にそれぞれ対向する壁部とを有する浮動ブッシュと、
   前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの両端部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、
   前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面側の隙間、および前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面側の隙間に、磁石と磁性流体とを対向して装着して形成されるフルイドダンパ機構と、
   気体軸受部と
   を備え、
   前記浮動ブッシュは、前記固定軸受筒の内周面に向かって開口するジョイント部と、前記ジョイント部に連絡するように前記本体部および前記壁部内に設けた管路と、前記管路と連通し、前記回転軸の軸本体の外周面と対向する内周面側と前記回転軸のフランジ部と対向する壁面側とに設置された複数のオリフィスとを備え、
   前記固定軸受筒は、外周に形成された空気供給口と、前記空気供給口に連通し、前記固定軸受筒の内周面側に設置された複数のオリフィスと、前記空気供給口から供給される圧縮空気を前記浮動ブッシュのジョイント部に向かった吐出する空気吐出口とを備え、
   前記気体軸受部は、
   前記空気供給口から供給される圧縮空気を、前記オリフィスから前記固定軸受筒と前記浮動ブッシュとの間の隙間部分に通すことによって、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面と前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面との間に形成される第一の軸受部と、
   前記空気供給口から供給される圧縮空気を、ジョイント部を通って前記浮動ブッシュの管路を経由して前記オリフィスから前記浮動ブッシュと前記回転軸との間の隙間部分に通すことによって、前記浮動ブッシュの本体部の内周面と前記回転軸の軸本体との間のスラスト面と前記浮動ブッシュの壁部と前記回転軸のフランジ部との間のラジアル面との間に形成される第二の軸受部とで構成され、
   前記フルイドダンパ機構は、前記磁性流体の粘性または前記隙間を変えることによって、前記第一の軸受部の減衰係数およびばね剛性を調整し、前記回転軸の外乱に対する整定時間を制御する
   ことを特徴とする気体軸受。
2. 軸本体の両端部にフランジ部を有する回転軸と、
   前記回転軸の外側に回転自在に挿入される本体部と、前記本体部に連接し前記回転軸のフランジ部にそれぞれ対向する壁部とを有する不回転の浮動ブッシュと、
   前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの壁部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、
   前記浮動ブッシュの外側に配される内周部と、前記浮動ブッシュの両端部とそれぞれ対向する両端部とを有する固定軸受筒と、
   前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面側の隙間、および前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面側の隙間に、磁石と磁性流体とを対向して装着して形成されるフルイドダンパ機構と、
   気体軸受部と
   を備え、
   前記浮動ブッシュは、前記固定軸受筒の内周面に向かって開口するジョイント部と、前記ジョイント部に連絡するように前記本体部および前記壁部内に設けた管路と、前記管路と連通し、前記回転軸の軸本体の外周面と対向する内周面側と前記回転軸のフランジ部と対向する壁面側と前記固定軸受筒の両端部と対向する壁面側とに設置された複数のオリフィスとを備え、
   前記固定軸受筒は、外周に形成された空気供給口と、前記空気供給口に連通し、前記固定軸受筒の内周面側に設置された複数のオリフィスと、前記空気供給口から供給される圧縮空気を前記浮動ブッシュのジョイント部に向かった吐出する空気吐出口とを備え、
   前記気体軸受部は、
   前記空気供給口から供給される圧縮空気を、前記オリフィスから前記固定軸受筒と前記浮動ブッシュとの間の隙間部分に通すことによって、前記固定軸受筒の両端面部と前記浮動ブッシュの壁部との間のスラスト面と前記固定軸受筒の内周部と前記浮動ブッシュの本体部の外周面との間のラジアル面との間に形成される第一の軸受部と、
   前記空気供給口から供給される圧縮空気を、ジョイント部を通って前記浮動ブッシュの管路を経由して前記オリフィスから前記浮動ブッシュと前記回転軸との間の隙間部分に通すことによって、前記浮動ブッシュの本体部の内周面と前記回転軸の軸本体との間のスラスト面と前記浮動ブッシュの壁部と前記回転軸のフランジ部との間のラジアル面との間に形成される第二の軸受部とで構成され、
   前記フルイドダンパ機構は、前記磁性流体の粘性または前記隙間を変えることによって、前記第一の軸受部の減衰係数およびばね剛性を調整し、前記回転軸の外乱に対する整定時間を制御する
   ことを特徴とする気体軸受。
3. 請求項２記載の気体軸受において、
   前記フルイドダンパ機構は、前記浮動ブッシュの回転止め手段を構成する
   ことを特徴とする気体軸受。

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