JP5196356B2 - 気体軸受製造方法 - Google Patents

Description

本発明は気体軸受に係り、特に、改良された気体軸受と、このような気体軸受のための軸受面を製作する方法に関する。

種々のタイプの気体軸受が知られている。例えば、公知の回転気体軸受は、固定子（ステータ）に対して回転可能な回転子（ロータ）を備える。典型的な作動条件の下では、かかる軸受の対向軸受面の間に固体同士の接触がない。その代わりに、加圧ガスの層、典型的には空気の層が、軸受面間の層あるいはクッションを形成し、軸受要素間に力を伝達する役割を果たす。気体軸受が非接触であるので、それらは摩擦、摩耗といった伝統的な軸受関連の問題と、潤滑材の必要性とを回避する。空気軸受は、精密位置決めと高速用途に特に有利である。

対向された軸受面間の作業ギャップが実質的に一定で、不変であるとき、気体軸受作動が最適化される。このような一定の作業ギャップを与えることは、このような軸受での軸受面が高い精度で形成されることを要求する。軸受面はまた、（例えば始動または出力低下時の）随時の物理的接触から生じる損傷や摩耗を防止すべく、弾性である必要がある。さらに、このような軸受は、必要なエアクッションを与えるべく、軸受面間にガスの流れを導入するある種の手段を必要とする。

炭化ケイ素等の硬い材料から気体軸受のための軸受面を形成することが知られている。このような装置において、対向された軸受面の間にガスを送出するための手段を提供すべく、１以上の軸受面を通ずる小さな穴が開けられることができる。また、そのような穴を通じて排出されるガスをより均等に分配すべく、穴の付近に軸受面への表面要素または所謂「ポケット」を機械加工する（例えば、圧延する；mill）ことも知られている。このようなポケットの寸法は、軸受性能に重要な効果を与え、それ故高い精度で形成される必要がある。硬い材料にこのようなポケットを形成することは、典型的に時間がかかり、望まれる公差に機械加工することに困難が生ずる可能性がある。この理由のため、多孔質材料から軸受面を形成することに向けられた多くの仕事もあった。しかしながら、このような材料もコストがかかり、扱うのが困難である可能性がある。

米国特許第５８０００６６号明細書

気体軸受が特許文献１にも記載されており、これは、支持セラミック軸にコーティングされた外側ガラス層を含む。セラミック軸は、複数の多孔体が配置された多数の空気キャビティを含む。エアポケットは、レーザー除去を用いて、多孔体の付近でガラス層に形成される。空気軸受作動のために必要とされる寸法を有するエアポケットを形成するために、精密レーザー機械加工プロセスが、ガラス層のある特定の領域を除去するために使用される。このような軸受構造の製造は、結局、比較的複雑で時間がかかると思われる。

本発明の第１の形態によれば、気体軸受のための軸受面を製作する方法が、（ｉ）少なくとも一つの軸受面領域を有するばらの（塊の；bulk）軸受部分を取得するステップと、（ｉｉ）少なくとも一つのガスポケットを画成すべく、前記軸受面領域にコーティングを設けるステップとを備え、ステップ（ｉｉ）が、前記コーティングの厚さによって実質的に規定される深さを有する少なくとも一つのガスポケットを形成することを含む。

このように、本発明は、気体軸受の軸受面を形成するための改良された方法を提供する。上述したように、軸受面は、使用中、ガスの層によって相補軸受面から離される軸受の部分である。それ故、軸受に与えられた負荷は、ガス層によって軸受の対向軸受面間を伝達される。

本発明の方法は、少なくとも１つの軸受面領域を有するばらの軸受部分を取得することを含む。ばらの軸受部分の材料と異なる、軸受面に設けられたコーティングが、少なくとも１つのガスポケットを画成するために用いられる。用語「ガスポケット」とは、対向軸受面間のギャップに送り込まれるガスの分配を補助すべく、軸受面に形成されたもので、凹部（recess）または中空のくぼみ（hollow pit）のことをいう。ガスポケットが、ばらの軸受部分の材料における凹部として形成される従来技術方法と異なり、ガスポケットをコーティングに形成することは多くの利点を有する。例えば、ばらの軸受部分が、柔らかく容易に機械加工可能な材料（例えばアルミニウム）から形成されるのを可能とし、他方、軸受面が硬い、外側の、コーティングを有することを確実にするのを可能とする。これは、使用中の摩耗および断裂に対する軸受面の耐久性を妥協することなしに、製造時の複雑さを低減する。

本発明に従って、コーティングの厚さによって実質的に規定される深さを有するように少なくとも一つのガスポケットを形成することは、ガスポケット形成の複雑さをも低減する。特に、特許文献１に記載されたタイプの従来技術と異なり、本発明は、コーティング厚さが、形成されるガスポケットの深さを制御するのに用いられることを可能にする；例えば、少なくとも１つのガスポケットが、コーティングの厚さとほぼ或いは実質的に等しい深さを有してもよい。このように、軸受面領域上に形成されたコーティング厚さを制御することによって、ガスポケットの深さは容易に設定されることができ、材料の十分に規定された深さを除去する精密レーザー除去技術等の必要性は回避される。コーティング厚さを制御することは、典型的に、材料の十分に規定された深さを高い信頼性で反復可能に除去し得るレーザー除去あるいは機械加工等の技術を実施するよりも、著しく容易な仕事である。

有利的には、ステップ（ｉｉ）が、軸受面領域にコーティングを形成するステップを備える。「形成」ステップは、ばらの軸受領域に層を堆積させること（depositing）、および／または、ばらの軸受領域の材料を変更することを含んでもよい。前記少なくとも１つのガスポケットを画成すべく、コーティングの部分を選択的に除去することを含む、更なるステップが、有利的に実行されてもよい。代替的に、コーティングは、軸受面領域に予め形成されていてもよい；例えば、予め付加されたコーティングを有するばらの軸受部分が設けられてもよい。ステップ（ｉｉ）は、有利的に、少なくとも１つのガスポケットを画成すべく、前記コーティングの部分を選択的に除去することを含んでもよい。

有利的には、前記コーティングの少なくとも幾らかを選択的に除去するステップが、レーザー除去を用いるステップを含んでもよい。換言すれば、高出力レーザー源（例えば二酸化炭素あるいはＮｄ：ＹＡＧレーザー）が、コーティングの領域をばらの軸受部分から除去するために用いられてもよい。

有利的には、前記コーティングの少なくとも幾らかを選択的に除去するステップが、ばらの軸受部分の下層軸受面領域を露出させるべくコーティングを除去するステップを含む。例えば、レーザー除去技術は、コーティングを除去するがばらの軸受部分の材料にごく僅かな影響しか与えないレーザー出力と波長を用いることができる。例えば、レーザー波長は、コーティングによって吸収されるが、ばらの軸受部分の材料によって反射されるものが選択され得る。レーザー露光の継続時間は、ばらの軸受部分の除去を最小にするよう制御されてもよい。この方法で、コーティングは、ばらの軸受部分に対するいかなる重大な影響無しに除去され得る。

完全なコーティングが形成され、このコーティングの部分が除去されることができるけれども、軸受面領域の必要とされる領域にだけ、コーティングを形成する（例えば堆積させる）こともできる。換言すれば、コーティングは、堆積プロセスの間にガスポケットを画成すべく、模様をつけられて（patterned）もよい。このように有利的には、ステップ（ｉｉ）は、軸受面領域に前記コーティングを選択的に形成するステップを備え、コーティングが、少なくとも一つのガスポケットを画成するように堆積される。

有利的には、ステップ（ｉｉ）が、軸受面領域に弾性コーティング（例えば陽極酸化処理されたコーティング）を設けることを含む。このようなコーティングは、対向軸受面が接触したときのダメージに対して耐える硬い面を提供する。コーティングは、２５０μＨｖより大きいか、または３００μＨｖより大きいか、４００μＨｖより大きい硬度を有することができる。例えば、アルミニウム上の硬い陽極酸化処理されたコーティングは、２５０−５００μＨｖの範囲の硬度を有することができる。マイクロビッカース硬度を用いて（即ち、μＨｖの単位で）コーティングの硬度を測定することが、当業者によく知られているということに留意すべきである。

必要なら、コーティングは複数の層を備えてもよく、層は類似の材料からなってもよく、異なった材料からなってもよい。

有利的には、ステップ（ｉｉ）が、１００μｍより小さい厚さ、または５０μｍより小さい厚さ、または３０μｍより小さい厚さ、または２０μｍより小さい厚さを有するコーティングを設けることを含む。好ましくは、ステップ（ｉｉ）が、１μｍより大きい厚さ、または１０μｍより大きい厚さ、または２０μｍより大きい厚さを有するコーティングを設けることを含む。好ましくは、コーティングは、２５μｍに等しいか或いはほぼ等しい厚さを有する。

好ましくは、ステップ（ｉ）が、容易に成形可能な（例えば、容易に機械加工可能な）材料を備えたばらの軸受部分を取得することを含む。有利的に、このような材料は、アルミニウム等の金属である。真鍮、鉄あるいは特定のプラスチックなどの他の材料も、代替的にばらの軸受部分を提供することができる。

対向軸受面間に必要なガスクッションを与えるため、ステップ（ｉ）が、加圧ガスを受け入れるための中空キャビティ或いは通路を有するばらの軸受部分を取得することを含んでもよい。さらに、有利的には、ステップ（ｉ）が、少なくとも一つの穴が形成された軸受面領域を有するばらの軸受部分を取得することを含んでもよい。使用時、これら一つ以上の穴は、軸受面間の作動ギャップへの、或いは作動ギャップからの、必要なガス流を与える。このような穴は、ばらの軸受部分の中空キャビティあるいは通路と流体連通してもよい。ステップ（ｉｉ）は、好都合には、少なくとも一つの穴付近にガスポケットを画成すべく、前記軸受面領域にコーティングを設けることを含んでもよい。換言すれば、穴を介して排出されたガスが、ガスポケットを介して軸受作業ギャップに流入し得る。

コーティングの形成前に穴がばらの軸受部分に形成されることができるけれども、必要なら、このような穴が、コーティング堆積ステップ後に形成されてもよいことに留意すべきである。方法は、このように、有利的には、前記ばらの軸受部分に１つ以上の穴を形成する（例えば、ドリル加工する）ステップを備えてもよい。

好ましくは、ステップ（ｉ）が、回転軸受への包含に適したばらの軸受部分を取得することを含む。例えば、ばらの軸受部分は、固定子と回転子の少なくとも１つを構成してもよい。

本発明の更なる形態によれば、少なくとも一つの軸受面を有する軸受部品が提供される。軸受部品は、少なくとも一つのガスポケットを画成するコーティングを有するばらの軸受部分を備え、前記少なくとも一つのガスポケットが、前記コーティングの厚さと実質的に等しい深さを有する。このような軸受部品は、上述の方法の従って作製されることができる。

好ましくは、コーティングは、例えば陽極酸化処理された或いは硬い陽極酸化処理された弾性コーティングを備える。有利的には、ばらの軸受部分が、中空のコアを備える。ばらの軸受部分は、好ましくは、各ガスポケットの付近に少なくとも一つの穴を備える。上述したように、ばらの軸受部分は、有利的には、アルミニウムなどの金属を備える。

このような軸受部品を備える回転軸受等の軸受が、本発明に従って提供されてもよい。

本発明の更なる形態によれば、気体軸受のための軸受面を製作する方法は、（ｉ）コーティングが形成された少なくとも一つの軸受面領域を有するばらの軸受部分を取得するステップと、（ｉｉ）少なくとも一つのガスポケットを画成すべく、前記コーティングの部分を選択的に除去するステップと、を備え、少なくとも一つのガスポケットを画成すべく前記コーティングの部分を選択的に除去するステップ（ｉｉ）が、ばらの軸受部分の下層軸受面領域を実質的に露出させるべく前記コーティングの前記部分を除去するステップを含み、これにより、少なくとも一つのガスポケットの深さが、コーティングの厚さと実質的に等しくされる。

このように、軸受面を有するばらの軸受部分を取得し、前記軸受面に少なくとも一つのガスポケットを画成すべくレーザー除去を用いるステップを備えた、軸受面を形成する方法が記述される。ばらの軸受部分の軸受面は、好都合には、コーティングを備え、前記レーザー除去ステップは、前記コーティングの少なくとも幾らかを除去すべく配設される。

（ｉ）少なくとも一つの軸受面領域を有するばらの軸受部分を取得するステップと、（ｉｉ）軸受面領域にコーティングを形成するステップとを備える、気体軸受のための軸受面を製作する方法も、記述される。コーティングは、好ましくは硬いコーティングであり、ステップ（ｉｉ）は、好ましくは、陽極酸化処理する或いは硬く陽極酸化処理する技術を含む。

本発明が、例示のみのため、添付図面を参照しつつここで説明される。

本発明の方法を使用して形成された気体軸受を示す図である。 図１の気体軸受の斜視図を示す。 軸受面を形成するための本発明の方法を示す図である。 軸受面を形成するための本発明の方法を示す図である。 軸受面を形成するための本発明の方法を示す図である。 本発明の方法を使用して形成された空気軸受ポケットを示す図である。

図１を参照すると、本発明の回転気体軸受２の断面図が提供される。軸受２は固定子４と回転子６を備える。回転子６は軸８を備え、軸８は、第１の回転子部分１０と第２の回転子部分１２とを有する。第１および第２の回転子部分１０，１２は、軸８から外方に延びる凸状の軸受面１１を有する。固定子４は凹状の軸受面１３を備え、軸受面１３は、回転子６の軸受面１１と相補する（compliment）形状とされる。

回転子６と固定子４の軸受面が必要な作動間隙（ギャップ）によって分離されるよう、固定子４は、第１および第２の回転子部分１０，１２の間に軸方向に位置される。固定子４は、中空のコア１４と、ここから軸受面に設けられた小さい穴１６に延びる通路とを備える。ガス（例えば空気）は、従って、穴１６を通じて固定子／回転子作動間隙へと通ずることができる。

ばらの第１および第２の回転子部分１０，１２と、固定子４とは、アルミニウムから形成されている。アルミニウムは軽量であり、望まれる形状に容易に機械加工することができる。しかしながら、アルミニウムは、望まれる軸受面を提供するには柔らか過ぎる；すなわち、軸受面間の偶然の面接触が使用中に（例えば起動あるいは出力低下中に）起こると、損傷し易いであろう。よって、薄く（略２０μｍ）硬い陽極酸化処理されたコーティング１８が、回転子と固定子両方の軸受面に最外層として設けられる。後により詳述されるように、このコーティングは、穴１６の付近で、ガスポケットを与えるためにレーザー除去によって取り除かれる。

ここで図２を参照すると、図１の参照と共に説明された軸受２のより詳細な斜視図が示される。特に、図２は、固定子４と、回転子の第１および第２の部分１０，１２を示す。回転子は回転子アセンブリ２０をも備え、回転子アセンブリ２０は上述の軸８を形成する。加えて、一体型モータ２２が図示される。

図３を参照すると、本発明に従う軸受面を形成するための方法が図示される。

図３Ａはアルミニウム３０の層を示し、この層は、そこに形成された通路３１を有している。アルミニウム層３０は、図１および図２の参照と共に上述されたタイプの回転子または固定子の軸受面であってもよい。簡単のため平坦な（二次元の）面が示されるけれども、アルミニウムの面は任意の望まれる形状に機械加工されることができる。

図３Ｂは硬い陽極酸化処理された層３２を示し、この層３２は、アルミニウム層３０の表面に形成されている。硬い陽極酸化処理された層３２の厚さは約２０〜２５μｍであり、それは、公知の様々な陽極酸化処理方法を用いて形成されることができる。

硬い陽極酸化処理された層３２が生成されると、その領域が、レーザー除去を用いて、通路３１の領域でアルミニウム層３０から除去されることができる。特に、レーザー除去技術は、通路３１の出口穴の周辺にエアポケット３４を形成するために用いられ得る。このようなエアポケットの横方向の寸法は、レーザービームの横方向の動きによって容易に制御され得る。陽極酸化処理されたコーティング３２が除去によって取り除かれる一方、下層のばらのアルミニウム層３０は、コーティング３２よりも著しくより反射的であり、それ故レーザー放射がそれから反射される。このように、それぞれのエアポケット３４の深さは、陽極酸化処理されたコーティング３２の厚さによって規定される。換言すれば、陽極酸化処理されたコーティングの厚さは、エアポケットの深さの制御に用いられることができる。この方法で、エアポケットの寸法は正確に、そして確実に制御されることができる。

図４を参照すると、図３の参照と共に上述された方法に従って製作された、固定子４の拡大部分断面が与えられる。特に、固定子４が、複数のダイヤモンド形状のエアポケット４０を備えていることが分かり、エアポケット４０は、アルミニウム４４のばら層上に設けられた陽極酸化処理されたコーティング４２のレーザー除去によって形成されている。

陽極酸化処理されたコーティングのレーザー除去が上で説明されたが、当業者は、かかる技術が、他の層形成および／または層除去技術を用いて、適用されることができることを認識するであろう。さらに、単一の選択的な層形成ステップ（例えば、適切なマスクを用いた堆積（deposition））が、コーティングが形成されている間、エアポケットを設けるために使用され得る。

Claims (26)

1. 気体軸受のための軸受面を製作する方法であって、
   （ｉ）少なくとも一つの軸受面領域を有する軸受部分を取得するステップと、
   （ｉｉ）少なくとも一つのガスポケットを画成すべく、前記軸受面領域にコーティングを設けるステップと、
   を備え、
   ステップ（ｉｉ）が、前記コーティングの厚さによって実質的に規定される深さを有する少なくとも一つのガスポケットを形成することを含み、
   ステップ（ｉｉ）が、前記少なくとも一つのガスポケットを画成すべく、前記コーティングの少なくとも幾らかを選択的に除去するステップを含み、
   前記コーティングの少なくとも幾らかを選択的に除去するステップが、レーザー除去を用いるステップを含むことを特徴とする方法。
2. ステップ（ｉｉ）が、前記軸受面領域にコーティングを形成するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コーティングの少なくとも幾らかを選択的に除去するステップが、前記軸受部分の下層軸受面領域を実質的に露出させるべく前記コーティングを除去するステップを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ステップ（ｉｉ）が、前記軸受面領域に前記コーティングを選択的に形成するステップを備え、前記コーティングが、前記少なくとも一つのガスポケットを画成するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ステップ（ｉｉ）が、前記軸受面領域に弾性コーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップ（ｉｉ）が、前記軸受面領域に、陽極酸化処理されたコーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. ステップ（ｉｉ）が、１００μｍより小さい厚さを有するコーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ステップ（ｉｉ）が、５０μｍより小さい厚さを有するコーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ステップ（ｉｉ）が、１０μｍより大きい厚さを有するコーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. ステップ（ｉ）が、容易に成形可能な材料を備えた軸受部分を取得することを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. ステップ（ｉ）が、金属を備えた軸受部分を取得することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ｉ）が、アルミニウムを備えた軸受部分を取得することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. ステップ（ｉ）が、空気の供給を案内するための内部中空通路領域を有する軸受部分を取得することを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ステップ（ｉ）が、少なくとも一つの穴が形成された軸受面領域を有する軸受部分を取得することを含み、ステップ（ｉｉ）が、前記少なくとも一つの穴付近にガスポケットを画成すべく、前記軸受面領域にコーティングを設けることを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記軸受部分に１以上の穴を形成するステップを備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. ステップ（ｉ）が、回転軸受への包含に適した軸受部分を取得することを含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 気体軸受のための軸受面を製作する方法であって、
    （ｉ）コーティングが形成された少なくとも一つの軸受面領域を有する軸受部分を取得するステップと、
    （ｉｉ）少なくとも一つのガスポケットを画成すべく、前記コーティングの部分を選択的に除去するステップと、
    を備え、
    少なくとも一つのガスポケットを画成すべく前記コーティングの部分を選択的に除去する前記ステップ（ｉｉ）が、前記軸受部分の下層軸受面領域を実質的に露出させるべく前記コーティングの前記部分をレーザー除去を用いて除去するステップを含み、これにより、前記少なくとも一つのガスポケットの深さが、前記コーティングの厚さと実質的に等しくされることを特徴とする方法。
18. 少なくとも一つの軸受面を有する軸受部品であって、少なくとも一つのガスポケットを画成するコーティングを有する軸受部分を備え、前記少なくとも一つのガスポケットが、前記コーティングの少なくとも幾らかをレーザー除去を用いて選択的に除去することにより、前記コーティングの厚さと実質的に等しい深さを有することを特徴とする軸受部品。
19. 前記コーティングが弾性コーティングを備えることを特徴とする請求項１８に記載の軸受部品。
20. 前記コーティングが陽極酸化処理されたコーティングを備えることを特徴とする請求項１８に記載の軸受部品。
21. 前記軸受部分が、空気の供給を案内するための中空通路領域を備えることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の軸受部品。
22. 前記軸受部分が、各ガスポケットの付近に少なくとも一つの穴を備えることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の軸受部品。
23. 前記軸受部分が金属を備えることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の軸受部品。
24. 前記軸受部分がアルミニウムを備えることを特徴とする請求項２３に記載の軸受部品。
25. 請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の軸受部品を備えることを特徴とする軸受。
26. 請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の軸受部品を備えることを特徴とする回転軸受。

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