JP5408613B2 - 気体軸受スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに関するものである。

回転軸とハウジング内部において回転軸に対向する部材との間の微小な隙間に圧縮空気などの圧縮気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される気体軸受を備えた気体軸受スピンドルにおいては、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなく、回転軸と、回転軸に対向する部材とが直接接触しないため、正常な運転状態である限り、部材の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、気体軸受スピンドルは精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される高速スピンドルとして広く使用されている。

この気体軸受スピンドルに対しては、その性能を向上させるため、種々の提案がなされている。たとえば、回転軸と、回転軸に対向する部材とが万一接触した場合でも、回転軸の焼付きを回避するため、回転軸に対向する部材として黒鉛からなる内壁を有するスリーブを採用した気体軸受スピンドルが提案されている。また、Ｏリングを介して回転軸に対向する部材としてのスリーブをハウジングに対して支持することにより、回転軸の振れ回り振動を吸収可能な気体軸受スピンドルが採用される場合もある（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

図５は、従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略断面図である。図５を参照して、従来の気体軸受スピンドルの一例について説明する。

図５を参照して、従来の気体軸受スピンドル１００は、回転軸１１０と、回転軸１１０の外周面１１１Ａの一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴１３３を有するスリーブ１３０と、スリーブ１３０を取り囲み、ゴム製のＯリング１４１、１４２を介してスリーブ１３０を保持するハウジング１２０とを備えている。回転軸１１０とスリーブ１３０とは、微小なジャーナル軸受隙間１１３を隔てて配置されている。

回転軸１１０は、円筒状の軸部１１１と、軸部１１１の一方の端部に形成された軸部１１１よりも直径の大きい円盤状の形状を有するフランジ部１１２とを有しており、軸部１１１の他方の端部には工具などを保持するための保持部１１９が形成されている。そして、スリーブ１３０には、スリーブ１３０の周壁に形成され、スリーブ貫通穴１３３の内周面と回転軸１１０の軸部１１１の外周面１１１Ａとの間に設けられたジャーナル軸受隙間１１３に軸受用気体を供給するための複数個のジャーナルノズル１５１が形成されている。

ジャーナルノズル１５１は、スリーブ貫通穴１３３の円周方向に延びる２つの列を構成するように配置されており、スリーブ貫通穴１３３の延びる方向（回転軸１１０の軸部１１１における軸方向）におけるスリーブ１３０の中央部を挟む両側のそれぞれに１列ずつ形成されている。

以上の構成により、スリーブ１３０は、ハウジング１２０に対して回転軸１１０を軸部１１１の軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。さらに、ハウジング１２０の内部には、円環状の形状を有するスラスト軸受１６０が、回転軸１１０のフランジ部１１２の両側の底面１１２Ａのそれぞれに対して一方の底面が対向するように配置されている。ここで、スラスト軸受１６０と回転軸１１０のフランジ部１１２とは、微小なスラスト軸受隙間１１４を隔てて配置されている。スラスト軸受１６０には、当該一方の底面と、これに対向するフランジ部１１２の底面１１２Ａとの間に設けられたスラスト軸受隙間１１４に気体を供給するための複数個のスラストノズル１６１が形成されている。スラストノズル１６１は、フランジ部１１２の周方向に沿った方向に複数個形成されている。

さらに、ジャーナルノズル１５１は、スリーブ給気路１５２と、スリーブ１３０、ハウジング１２０およびＯリング１４２により閉じられた空間である環状空間１２２とを介してハウジング１２０内に形成された軸受用気体供給路１２１に接続されている。また、スラストノズル１６１は、スラスト軸受給気路１６２を介して軸受用気体供給路１２１に接続されている。そして、軸受用気体供給路１２１は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１００の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。

さらに、フランジ部１１２の一部である外周部には、フランジ部１１２内において隣接する部分よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部１１２Ｂが形成されており、薄肉部１１２Ｂの一方の底面には、フランジ部１１２の円周方向に配列され、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸１１０をフランジ部１１２の周方向に回転させるための複数のタービン翼１１５が形成されている。さらに、ハウジング１２０の内部には、フランジ部１１２の外周側に配置され、タービン翼１１５に対向する位置に開口を有し、ハウジング１２０の内壁からタービン翼１１５に向けて圧縮気体などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル１７３が形成されている。タービンノズル１７３は、フランジ部１１２の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝１７２を介して駆動用気体供給路１７１に接続されている。そして、駆動用気体供給路１７１は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１００の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。さらに、ハウジング１２０には、フランジ部１１２の薄肉部１１２Ｂのタービン翼１１５が形成された側の面であって、タービン翼１１５が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング１２０の外壁に他方の開口を有する駆動用気体排出路１７５が形成されている。

ここで、スリーブ１３０は、スリーブ貫通穴１３３を有し、外周面の一部がスリーブ１３０の外周面を成し、スリーブ貫通穴１３３の内周面が回転軸１１０の外周面１１１Ａに対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部１３１と、スリーブ貫通穴１３３の延びる方向（回転軸１１０の軸方向）における軸受部１３１の両側の端部のそれぞれに外嵌めされることにより嵌め込まれ、弾性部材であるゴム製のＯリング１４１、１４２を介してスリーブ１３０をハウジング１２０に対して保持する金属製の保持リング１３２とを含んでいる。

このように、スリーブ１３０は、黒鉛などの焼結材からなる軸受部１３１を有しているため、回転軸１１０と、スリーブ１３０とが万一接触した場合でも、回転軸１１０の焼付きを抑制することができる。また、Ｏリング１４１、１４２を介してスリーブ１３０がハウジング１２０に対して支持されていることにより、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。

特開２００２−２９５４７０号公報 特開２００７−１７０５３４号公報

しかしながら、上記従来の気体軸受スピンドルにおいては、以下のような問題があった。図６および図７は、従来の気体軸受スピンドルにおけるスリーブの支持構造の一例を示す概略断面図である。

上述のように、図５に示す従来の気体軸受スピンドルにおいては、回転軸１１０をスリーブ１３０に対して回転自在に非接触支持するため、図示しない軸受用気体供給部から環状空間１２２に圧縮気体が供給される。ここで、図６に示すように、軸方向において対向する保持リング１３２と軸受部１３１の間には、微小な隙間１９０が形成される。そして、当該隙間１９０は、環状空間１２２と連通する。そのため、環状空間１２２に圧縮気体が供給されると、保持リング１３２の軸方向には雰囲気圧との差により外径φＤ、内径φｄ_１のリング状の面積に比例した力が生じ、この力によって、嵌合面１８０において保持リング１３２が軸受部１３１に対してずれる場合がある。保持リング１３２がずれると、保持リング１３２とハウジング１２０との間隔が本来の値から外れ、回転軸１１０が振れ回り振動した際のＯリング１４１，１４２の弾性変形が阻害されて、気体軸受スピンドル１００の性能が低下する場合がある。

これに対し、保持リング１３２の厚みを薄くして、保持リング１３２の内径φｄ_１を大きくすることにより、保持リング１３２に生じる力を小さくすることができる。しかし、保持リング１３２にはＯリング１４１，１４２を保持するための溝１３２Ａを形成する必要があるため、保持リング１３２を大幅に薄くすることは困難である。また、スリーブ１３０の製造プロセスにおいて、スリーブ貫通穴１３３の加工を行なうに際しては、非金属焼結体からなる軸受部１３１に比べて靭性の高い金属製の保持リング１３２に応力が負荷されるようにスリーブ１３０を保持することが好ましいが、保持リング１３２の厚みを薄くすると剛性が低下するため、スリーブ１３０を保持したときの応力によってスリーブ１３０の変形が生じるおそれがある。

また、図７に示すように、スリーブ１３０の軸受部１３１および保持リング１３２の嵌合面１８０を貫通するようにスリーブ給気路１５２を形成した場合、高速回転する回転軸１１０が軸受部１３１と接触すると、嵌合面１８０において、軸受部１３１と保持リング１３２とが回転方向にずれる。その結果、保持リング１３２に設けられたスリーブ給気路１５２と軸受部１３１に設けられたジャーナルノズル１５１との連通が切断され、スリーブ給気路１５２が塞がる。このようにスリーブ給気路１５２が塞がると、軸受隙間１１３に圧縮気体を供給することができなくなり、回転軸１１０を非接触支持することが困難になるという問題が生じる。

本発明は、上述のような従来の気体軸受スピンドルの問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、圧縮気体を供給した際に生じる保持リングのずれを抑制することが可能な気体軸受スピンドルを提供することである。

本発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、スリーブを取り囲み、弾性部材を介してスリーブを保持するハウジングとを備えている。スリーブは、スリーブ貫通穴を有し、非金属焼結体からなる軸受部と、軸受部の外周面側に嵌め込まれ、弾性部材を介してハウジングに対してスリーブを保持する金属製の保持リングとを含んでいる。そして、保持リングと軸受部とは、軸受部の外周面と保持リングの内周面との境界面である第１嵌合面と、スリーブ貫通穴の中心軸からの距離が第１嵌合面よりも大きく、第１嵌合面から見てスリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブ貫通穴の中央側に形成された、軸受部の外周面と保持リングの内周面との境界面である第２嵌合面とにおいて接触している。

上述のように、スピンドルに圧縮気体が供給されると、保持リングに対しては、雰囲気圧との差により軸方向に力が加わる。これに対し、本発明の気体軸受スピンドルにおいては、第１嵌合面から見て軸方向中央側に、第１嵌合面よりもスリーブ貫通穴の中心軸からの距離が大きな第２嵌合面が形成されている。これにより、保持リングにおいて上記圧力差によりに力を受ける面積を小さくすることができ、保持リングに負荷される力を小さくすることができる。また、保持リングと軸受部との嵌合によって得られる締結力は嵌合面の面積に比例する。本発明の気体軸受スピンドルにおいては、第２嵌合面は第１嵌合面よりもスリーブ貫通穴の中心軸からの距離が大きい、つまり嵌合面の周長が長くなっている。これにより、嵌合面における軸方向単位長さあたりの面積が大きくなり、高い締結力を得ることができる。

さらに、上記嵌合によって得られる周方向の締結トルクは、嵌合面の径の大きさに比例する。本発明の気体軸受スピンドルにおいては、第２嵌合面は第１嵌合面よりもスリーブ貫通穴の中心軸からの距離が大きい。これにより、高い締結トルクが得易くなっており、高速回転する回転軸が軸受部と接触した場合に生じる軸受部と保持リングとの嵌合面における回転方向のずれを抑制することができる。

以上のように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、圧縮気体を供給した際に生じる保持リングのずれを抑制することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいては、軸受部には、スリーブ貫通穴に対して開口し、スリーブと回転軸との間の隙間である軸受隙間に気体を供給するノズルが形成され、保持リングには、保持リングを貫通するスリーブ給気路が形成されてもよい。この場合、スリーブの保持リングと軸受部との境界を含む領域には、スリーブ給気路とノズルとを連通し、ノズルに気体を供給する環状の気体供給溝が、スリーブ貫通穴を取り囲むように形成されていることが好ましい。

このような構成を採用することにより、高速回転する回転軸が軸受部と接触し、保持リングが軸受部に対して周方向にずれた場合でも、スリーブ給気路に供給された圧縮気体が環状の気体供給溝を介してノズルから軸受隙間に供給される。そのため、保持リングが軸受部に対して周方向にずれた場合における軸受隙間への圧縮気体の供給が、より確実に確保される。また、スリーブの製造プロセスにおいて、軸受部と保持リングとを組み合わせる際に、スリーブ給気路とノズルとの周方向における位置あわせが不要となる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記気体供給溝は第１嵌合面を含むように形成されている。これにより、第２嵌合面によって得られる締結力や気密性を妨げることなく、上記気体供給溝の形成による効果を得ることができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、軸受部の外周面は保持リングにより全域にわたって覆われている。これにより、非金属焼結材からなる軸受部の外周面を衝撃等による損傷から保護することができる。ここで、軸受部の外周面が保持リングにより全域にわたって覆われている状態とは、軸受部の外周面が保持リングによって完全に被覆されている状態までは必要なく、スリーブの取り扱い時および気体軸受スピンドルの運転時において、他の部材と軸受部の外周面とが直接接触することが無い程度に、実質的に軸受部の全体が保持リングにより覆われている状態を意味する。

上記気体軸受スピンドルにおいては、スリーブには、第１嵌合面と第２嵌合面とを繋ぐ保持リングと軸受部との境界部と、気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続する排気通路がさらに形成されていてもよい。

保持リングと軸受部との上記境界部には、微小な隙間が存在する。そして、第２嵌合面における気密状態が十分ではない場合、スピンドルに圧縮気体が供給されると、当該微小な隙間へと漏れ出た圧縮気体によって、保持リングが軸方向に力を受ける可能性がある。これに対し、上記構成を採用することにより、上記微小な隙間へと漏れ出た圧縮気体を、上記排気通路を介して外部に排出し、保持リングに対して負荷される力を抑制することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記排気通路は保持リングに形成されている。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部の強度を低下させることなく、上記排気通路を形成することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいては、第１嵌合面と第２嵌合面とを繋ぐ保持リングと軸受部との境界部は、モールド材によって充填されていてもよい。

上述のように、保持リングと軸受部との上記境界部には、微小な隙間が存在し、これに起因して保持リングが軸方向に力を受ける可能性がある。これに対し、上記構成を採用することにより、上記微小な隙間に気体が侵入することを抑制し、保持リングに対して負荷される力を低減するとともに、軸受部と保持リングとの締結力を効果的に増加させることが可能となる。なお、上記モールド材としては、たとえば接着剤を採用することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブには、上記境界部とスリーブの外部とを接続し、当該境界部にモールド材を供給するためのモールド材供給路がさらに形成されている。これにより、保持リングと軸受部との上記境界部へのモールド材の充填を容易に実施することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記モールド材供給路は、上記境界部と気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続するように形成されている。これにより、上記モールド材供給路は常に大気に開放されているため、スピンドルに圧縮気体が供給されても、圧縮気体が上記モールド材供給路から上記境界部に漏れ入ることがない。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記モールド材供給路は保持リングに形成されている。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部の強度を低下させることなく、上記モールド材供給路を形成することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブには、上記境界部とスリーブの外部とを接続し、当該境界部をモールド材にて充填する際に、境界部から空気を排出するための空気排出路がさらに形成されている。これにより、保持リングと軸受部との上記境界部へのモールド材の充填を一層容易に実施することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記空気排出路は、上記境界部と気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続するように形成されている。これにより、上記空気排出路は常に大気に開放されているため、スピンドルに圧縮気体が供給されても、圧縮気体が上記空気排出路から上記境界部に漏れ入ることがない。

上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、上記空気排出路は保持リングに形成されている。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部の強度を低下させることなく、上記空気排出路を形成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、圧縮気体を供給した際に生じる保持リングのずれを抑制することが可能な気体軸受スピンドルを提供することができる。

気体軸受スピンドルの構成を示す概略断面図である。 気体軸受スピンドルの要部を示す概略部分断面図である。 気体軸受スピンドルの要部を示す概略部分断面図である。 気体軸受スピンドルの要部を示す概略部分断面図である。 従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略断面図である。 従来の気体軸受スピンドルにおけるスリーブの支持構造の一例を示す概略部分断面図である。 従来の気体軸受スピンドルにおけるスリーブの支持構造の一例を示す概略部分断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、実施の形態１における気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、弾性部材としてのゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。回転軸１０とスリーブ３０とは、１０μｍ以上４０μｍ以下程度のジャーナル軸受隙間１３を隔てて配置されている。

回転軸１０は、円筒状の軸部１１と、軸部１１の一方の端部に形成された軸部１１よりも直径の大きい円盤状の形状を有するフランジ部１２とを有しており、軸部１１の他方の端部には工具などを保持するための保持部１９が形成されている。そして、スリーブ３０には、スリーブ３０の周壁に形成され、スリーブ貫通穴３３の内周面と回転軸１０の軸部１１の外周面１１Ａとの間に設けられたジャーナル軸受隙間１３に軸受用気体を供給するための複数個のノズルであるジャーナルノズル５１が形成されている。

ジャーナルノズル５１は、スリーブ貫通穴３３の円周方向に延びる２つの列を構成するように配置されており、スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸部１１における軸方向）におけるスリーブ３０の中央部を挟む両側のそれぞれに１列ずつ形成されている。

また、スリーブ３０はスリーブ貫通穴３３を有し、スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面１１Ａに対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部３１と、軸受部３１に外嵌めされることにより嵌め込まれ、弾性部材であるゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０をハウジング２０に対して保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。保持リング３２の軸受部３１への嵌め込みは、たとえば焼嵌めにより実施することができる。

以上の構成により、スリーブ３０は、ハウジング２０に対して回転軸１０を軸部１１の軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。なお、軸部１１の軸方向におけるスリーブ３０の中央部から両側のジャーナルノズル５１までの距離がほぼ等しくなるように、ジャーナルノズル５１は形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受隙間１３内の圧力分布が軸方向にほぼ対称となり、回転軸１０はスリーブ３０に対して、軸方向にバランスよく軸支される。

さらに、ハウジング２０の内部には、円環状の形状を有するスラスト軸受６０が、回転軸１０のフランジ部１２の両側の底面１２Ａのそれぞれに対して一方の底面が対向するように配置されている。ここで、スラスト軸受６０と回転軸１０のフランジ部１２とは、１０μｍ以上５０μｍ以下程度のスラスト軸受隙間１４を隔てて配置されている。スラスト軸受６０には、当該一方の底面と、これに対向するフランジ部１２の底面１２Ａとの間に設けられたスラスト軸受隙間１４に気体を供給するための複数個のスラストノズル６１が形成されている。スラストノズル６１は、フランジ部１２の周方向に沿った方向に複数個形成されている。

ジャーナルノズル５１は、気体供給溝５４と、スリーブ給気路５２と、スリーブ３０、ハウジング２０およびＯリング４２により閉じられた空間である環状空間２２とを介して、ハウジング２０内に形成された軸受用気体供給路２１に接続されている。気体供給溝５４は、軸受部３１と保持リング３２とが接触する面である第１嵌合面８１を含むように保持リング３２に形成された円環状の溝である。また、気体供給溝５４は、保持リング３２に設けられたスリーブ給気路５２と軸受部３１に設けられたジャーナルノズル５１とを連通する。

さらに、スラストノズル６１は、スラスト軸受給気路６２を介して軸受用気体供給路２１に接続されている。そして、軸受用気体供給路２１は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。

また、フランジ部１２の一部である外周部には、フランジ部１２内において隣接する部分よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部１２Ｂが形成されている。そして、薄肉部１２Ｂの一方の底面には、フランジ部１２の円周方向に配列され、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸１０をフランジ部１２の周方向に回転させるための複数のタービン翼１５が形成されている。さらに、ハウジング２０の内部には、フランジ部１２の外周側に配置され、タービン翼１５に対向する位置に開口を有し、ハウジング２０の内壁からタービン翼１５に向けて圧縮気体などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル７３が形成されている。タービンノズル７３は、フランジ部１２の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝７２を介して駆動用気体供給路７１に接続されている。そして、駆動用気体供給路７１は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。さらに、ハウジング２０には、フランジ部１２の薄肉部１２Ｂのタービン翼１５が形成された側の面であって、タービン翼１５が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング２０の外壁に他方の開口を有する駆動用気体排出路７５が形成されている。

ここで、図１および図２を参照して、保持リング３２は、スリーブ貫通穴３３の延びる方向に並ぶように１対配置されている。そして、保持リング３２と軸受部３１とは、軸受部３１の外周面と保持リング３２の内周面との境界面であり、軸方向の端部から延在する第１嵌合面８１と、第１嵌合面８１よりも大きな径を有し、第１嵌合面８１から見て軸方向の中央側に形成された軸受部３１の外周面と保持リング３２の内周面との境界面である第２嵌合面８２とにおいて接触している。

すなわち、本実施の形態における気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、弾性部材であるゴム製のＯリング４１，４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。スリーブ３０は、スリーブ貫通穴３３を有し、非金属焼結体からなる軸受部３１と、軸受部３１の外周面側に嵌め込まれ、Ｏリング４１，４２を介してハウジング２０に対してスリーブ３０を保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。そして、保持リング３２と軸受部３１とは、軸受部３１の外周面と保持リング３２の内周面との境界面である第１嵌合面８１と、スリーブ貫通穴３３からの距離（スリーブ貫通穴３３の中心軸からの距離）が第１嵌合面８１よりも大きく、第１嵌合面８１から見てスリーブ貫通穴３３の延びる方向におけるスリーブ貫通穴３３の中央側に形成された軸受部３１の外周面と保持リング３２の内周面との境界面である第２嵌合面８２とにおいて接触している。

次に、図１を参照して、実施の形態１の気体軸受スピンドル１の動作について説明する。図示しない軸受用気体供給源から供給された圧縮気体などの軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、環状空間２２、スリーブ給気路５２、気体供給溝５４およびジャーナルノズル５１を通じてジャーナル軸受隙間１３に供給される。さらに、図示しない軸受用気体供給源から供給された軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スラスト軸受給気路６２およびスラストノズル６１を通じてスラスト軸受隙間１４に供給される。これにより、ジャーナル軸受隙間１３およびスラスト軸受隙間１４においては、供給された軸受用気体により気体膜が形成される。その結果、回転軸１０は、回転軸１０を軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）および軸方向（アキシアル方向）において、ハウジング２０に対して非接触かつ回転自在に軸支される。

さらに、図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源から供給された駆動用気体は、駆動用気体供給路７１から円周溝７２を通じてタービンノズル７３に供給される。タービンノズル７３に供給された駆動用気体は、タービン翼１５に向けて噴出する。そして、噴出した駆動用気体をタービン翼１５で受けることにより、フランジ部１２には回転軸１０の軸まわりに回転する駆動力（トルク）が与えられて、回転軸１０が軸まわりに回転する。回転軸１０に駆動力を与えた駆動用気体は、駆動用気体排出路７５から気体軸受スピンドル１の外部へと排出される。

ここで、図２を参照して、軸受部３１と保持リング３２とは、軸方向の端部側に位置する直径φｄ_１の円筒面である第１嵌合面８１と、第１嵌合面８１に対して軸方向内側に位置し、φｄ_１よりも大きい直径φｄ_２の円筒面である第２嵌合面８２とにおいて接触している。したがって、供給された圧縮気体と雰囲気圧との差によって、保持リング３２は、軸方向に外径φＤ（Ｄは保持リング３２の外径）、内径φｄ_２の環状の面積に比例した力を受ける。そして、第２嵌合面８２は、第１嵌合面８１よりも径が大きいため、外径φＤ、内径φｄ_１の環状の面積に比例した力を受ける従来の気体軸受スピンドル１００（図５および図６参照）に比べて圧力を受ける面積が小さくなって、保持リング３２にかかる軸方向の力は小さくなっている。

また、嵌合によって得られる締結力は嵌合面の面積に比例する。本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、第２嵌合面８２は第１嵌合面８１よりも径が大きいため、嵌合面における軸方向の単位長さあたりの面積が大きく、高い締結を得ることができる。さらに、嵌合によって得られる周方向の締結トルクは嵌合面の径の大きさに比例する。本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、第２嵌合面８２は第１嵌合面８１よりも径が大きいため高い締結トルクを得やすく、高速回転する回転軸１０が軸受部３１と接触した場合における軸受部３１と保持リング３２との回転方向のずれが抑制される。

さらに、本実施の形態における気体軸受スピンドル１の保持リング３２においては、Ｏリング４１，４２を保持するための溝を形成すべき領域（第１嵌合面８１の外周側の領域）において、保持リング３２の径方向の厚みを薄くする必要が無い。そのため、Ｏリング４１，４２を保持するための溝３２Ａの形成も容易となっている。また、スリーブ３０の製造プロセスにおいてスリーブ３０の内周面を加工する際には、非金属焼結体からなる軸受部３１に比べて靭性の高い金属製の保持リング３２に応力が負荷されるようにスリーブ３０を保持することが望ましい。そして、本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、第１嵌合面８１の外周側における保持リング３２の厚みを十分に厚くし、保持リング３２の当該領域の外周面を保持することで、スリーブ３０を保持した際の応力によって生じるスリーブ３０の変形を抑制することができる。その結果、スリーブ３０の内周面を精密に加工することが容易となっている。

なお、本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、軸受部３１には、スリーブ貫通穴３３に対して開口し、スリーブ３０と回転軸１０との間の隙間であるジャーナル軸受隙間１３に気体を供給するジャーナルノズル５１が形成され、保持リング３２には、保持リング３２を貫通するスリーブ給気路５２が形成されている。ここで、スリーブ３０の保持リング３２と軸受部３１との境界を含む領域には、スリーブ給気路５２とジャーナルノズル５１とを連通し、ジャーナルノズル５１に気体を供給する環状の気体供給溝５４が、スリーブ貫通穴３３を取り囲むように形成されていることが好ましい。この気体供給溝５４は必須の構成ではないものの、これを形成しておくことにより、高速回転する回転軸１０が軸受部３１と接触し、保持リング３２と軸受部３１とが周方向にずれた場合でも、スリーブ給気路５２に供給された圧縮気体が環状の気体供給溝５４を介してジャーナルノズル５１からジャーナル軸受隙間１３に供給される。そのため、保持リング３２と軸受部３１とが周方向にずれた場合におけるジャーナル軸受隙間１３への圧縮気体の供給を、より確実に確保することができる。また、気体供給溝５４を形成しておくことにより、スリーブ３０の製造プロセスにおいて、軸受部３１と保持リング３２とを組み合わせる際に、スリーブ給気路５２とジャーナルノズル５１との周方向における位置あわせが不要となる。

また、気体供給溝５４は、図２に示すように、第１嵌合面８１を含むように形成されることが好ましい。これにより、第２嵌合面８２によって得られる締結力や気密性を妨げることなく、気体供給溝５４の形成による効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態における気体軸受スピンドルにおいては、図１に示すように、軸受部３１の外周面は、保持リング３２により全域にわたって覆われていることが好ましい。これにより、焼嵌めによる締結力を最大限に得ることができるだけでなく、非金属焼結材からなる軸受部３１の外周面を衝撃等による損傷から保護することができる。また、本実施の形態における気体軸受スピンドルにおいては、第２嵌合面８２の外周側における保持リング３２の厚みが薄いため、スリーブ３０の外周面を全域にわたって覆っても、質量の増加を最小限に抑えることができる。一般に、スリーブ３０の質量が大きくなると、Ｏリング４１，４２が支持する系全体の固有振動数が低下するとともに、回転軸１０の振れ回り振動に対するスリーブ３０の応答性が低下する。これに対し、上記本実施の形態における構造を採用することにより、質量の増加を最小限に抑えることができるため、Ｏリング４１，４２の弾性による回転軸１０の振れ回り振動を減衰する効果への影響を最小限に抑えることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、図３を参照して、実施の形態２の気体軸受スピンドル１においては、排気通路９３が形成されている点で、実施の形態１の気体軸受スピンドル１とは異なっている。

具体的には、実施の形態２における気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０に、第１嵌合面８１と第２嵌合面８２とを繋ぐ保持リング３２と軸受部３１との境界部と、気体軸受スピンドル１において大気に開放された領域とを接続する排気通路９３が形成されている。上述のように、軸受部３１と保持リング３２とは、第１嵌合面８１と第２嵌合面８２とにおいて勘合するが、第１嵌合面８１と第２嵌合面８２とを繋ぐ保持リング３２と軸受部３１との境界部には微小な嵌め合い部隙間９１が存在する。ここで、第２嵌合面８２における気密が不十分である場合、スピンドルに圧縮気体が供給されると嵌め合い部隙間９１へと漏れ出た圧縮気体によって圧力が生じて、保持リング３２が軸方向に力を受ける。これに対し、嵌め合い部隙間９１と気体軸受スピンドル１において大気に開放された領域（たとえば、スリーブ３０の端部とハウジング２０との隙間であるスリーブ端部側隙間９２）とを接続する排気通路９３を設けることで、漏れ出た圧縮気体による不要な圧力を排出することが可能となり、保持リング３２に生じる軸方向の力を抑制することができる。

ここで、排気通路９３は、保持リング３２に形成されていることが好ましい。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部３１の強度を低下させることなく、排気通路９３を形成することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、図４を参照して、実施の形態３の気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０における第１嵌合面８１と第２嵌合面８２とを繋ぐように存在する嵌め合い部隙間９１が、接着剤等のモールド材９６によって充填されている点で、実施の形態１の気体軸受スピンドル１とは異なっている。

つまり、実施の形態３における気体軸受スピンドル１においては、第１嵌合面８１と第２嵌合面８２とを繋ぐ保持リング３２と軸受部３１との境界部が、モールド材９６によって充填されている。

上述のように、保持リング３２と軸受部３１との境界部には、微小な嵌め合い部隙間９１が存在し、これに起因して保持リング３２が軸方向に力を受ける可能性がある。これに対し、実施の形態３における気体軸受スピンドル１においては、上記モールド材９６による嵌め合い部隙間９１の充填によって、嵌め合い部隙間９１に気体が侵入することを抑制し、保持リング３２に生じる軸方向の力を低減することが可能となっている。また、上記軸受部３１と保持リング３２との焼嵌めと、モールド材９６による充填とを併用することで、軸受部３１と保持リング３２との締結力を効果的に増加させることができる。

ここで、本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０には、保持リング３２と軸受部３１との上記境界部と、スリーブ３０の外部とを接続し、当該境界部にモールド材９６を供給するためのモールド材供給路９４が形成されていることが好ましい。これにより、上記保持リング３２と軸受部３１との境界部へのモールド材９６の充填を容易に実施することができる。また、モールド材供給路９４は、上記境界部と気体軸受スピンドル１において大気に開放された領域（たとえばスリーブ端部側隙間９２）とを接続するように形成されていることが好ましい。これにより、気体軸受スピンドル１に圧縮気体が供給されても、圧縮気体が上記モールド材供給路９４から上記境界部に漏れ入ることがない。また、モールド材供給路９４は、保持リング３２に形成されていることが好ましい。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部３１の強度を低下させることなく、上記モールド材供給路９４を形成することができる。

また、本実施の形態における気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０には、上記境界部とスリーブ３０の外部とを接続し、当該境界部をモールド材９６にて充填する際に、境界部から空気を排出するための空気排出路９５が形成されていることが好ましい。これにより、保持リングと軸受部との上記境界部へのモールド材９６の充填を一層容易に実施することができる。さらに、空気排出路９５は、上記境界部と気体軸受スピンドル１において大気に開放された領域（たとえばスリーブ端部側隙間９２）とを接続するように形成されていることが好ましい。これにより、気体軸受スピンドル１に圧縮気体が供給されても、圧縮気体が上記空気排出路９５から上記境界部に漏れ入ることがない。また、空気排出路９５は、保持リング３２に形成されていることが好ましい。これにより、ヤング率の小さい非金属焼結材からなる軸受部３１の強度を低下させることなく、空気排出路９５を形成することができる。

ここで、上述のようにモールド材供給路９４および空気排出路９５を形成する構造を採用した場合、以下のような手順でモールド材９６による嵌め合い部隙間９１の充填を容易に実施することができる。まず、軸受部３１と保持リング３２とを焼嵌めすることにより組み合わせる。その後、モールド材供給路９４からモールド材９６を注入し、嵌め合い部隙間９１をモールド材９６によって充填するとともに、嵌め合い部隙間９１に存在する空気を空気排出路９５から外部へと排出する。

また、モールド材供給路９４を形成しない場合、以下のような手順でモールド材９６による嵌め合い部隙間９１の充填を実施することができる。まず、軸受部３１および保持リング３２における嵌め合い部隙間９１を構成すべき面の少なくともいずれか一方に、モールド材９６を塗布する。その後、軸受部３１と保持リング３２とを焼嵌めする。この場合、モールド材供給路９４は不要であるが、空気排出路９５は、形成しておくことが好ましい。空気排出路９５を設けることで、焼嵌め時に嵌め合い部隙間９１から不要な空気を効率よく排出することができ、嵌め合い部隙間９１内部全体をモールド材で満たすことが容易となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の気体軸受スピンドルは、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに特に有利に適用され得る。

１ 気体軸受スピンドル、１０ 回転軸、１１ 軸部、１１Ａ 外周面、１２ フランジ部、１２Ａ 底面、１２Ｂ 薄肉部、１３ ジャーナル軸受隙間、１４ スラスト軸受隙間、１５ タービン翼、１９ 保持部、２０ ハウジング、２１ 軸受用気体供給路、２２ 環状空間、３０ スリーブ、３１ 軸受部、３２ 保持リング、３２Ａ 溝、３３ スリーブ貫通穴、４１、４２ Ｏリング、５１ ジャーナルノズル、５１Ｃ 中央ジャーナルノズル、５２ スリーブ給気路、５４ 気体供給溝、６０ スラスト軸受、６１ スラストノズル、６２ スラスト軸受給気路、７１ 駆動用気体供給路、７２ 円周溝、７３ タービンノズル、７５ 駆動用気体排出路、８１ 第１嵌合面、８２ 第２嵌合面、９１ 嵌め合い部隙間、９２ スリーブ端部側隙間、９３ 排気通路、９４ モールド材供給路、９５ 空気排出路、９６ モールド材。

Claims (12)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、
   前記スリーブを取り囲み、弾性部材を介して前記スリーブを保持するハウジングとを備え、
   前記スリーブは、
   前記スリーブ貫通穴を有し、非金属焼結体からなる軸受部と、
   前記軸受部の外周面側に嵌め込まれ、前記弾性部材を介して前記ハウジングに対して前記スリーブを保持する金属製の保持リングとを含み、
   前記保持リングと前記軸受部とは、前記軸受部の外周面と前記保持リングの内周面との境界面である第１嵌合面と、前記スリーブ貫通穴の中心軸からの距離が前記第１嵌合面よりも大きく、前記第１嵌合面から見て前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記スリーブ貫通穴の中央側に形成された前記軸受部の外周面と前記保持リングの内周面との境界面である第２嵌合面とにおいて接触しており、
   前記スリーブには、前記第１嵌合面と前記第２嵌合面とを繋ぐ前記保持リングと前記軸受部との境界部と、前記気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続する排気通路がさらに形成されている、気体軸受スピンドル。
2. 前記排気通路は前記保持リングに形成されている、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
3. 回転軸と、
   前記回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、
   前記スリーブを取り囲み、弾性部材を介して前記スリーブを保持するハウジングとを備え、
   前記スリーブは、
   前記スリーブ貫通穴を有し、非金属焼結体からなる軸受部と、
   前記軸受部の外周面側に嵌め込まれ、前記弾性部材を介して前記ハウジングに対して前記スリーブを保持する金属製の保持リングとを含み、
   前記保持リングと前記軸受部とは、前記軸受部の外周面と前記保持リングの内周面との境界面である第１嵌合面と、前記スリーブ貫通穴の中心軸からの距離が前記第１嵌合面よりも大きく、前記第１嵌合面から見て前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記スリーブ貫通穴の中央側に形成された前記軸受部の外周面と前記保持リングの内周面との境界面である第２嵌合面とにおいて接触しており、
   前記第１嵌合面と前記第２嵌合面とを繋ぐ前記保持リングと前記軸受部との境界部は、モールド材によって充填されている、気体軸受スピンドル。
4. 前記スリーブには、前記境界部と前記スリーブの外部とを接続し、前記境界部に前記モールド材を供給するためのモールド材供給路がさらに形成されている、請求項３に記載の気体軸受スピンドル。
5. 前記モールド材供給路は、前記境界部と前記気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続するように形成されている、請求項４に記載の気体軸受スピンドル。
6. 前記モールド材供給路は前記保持リングに形成されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
7. 前記スリーブには、前記境界部と前記スリーブの外部とを接続し、前記境界部を前記モールド材にて充填する際に、前記境界部から空気を排出するための空気排出路がさらに形成されている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
8. 前記空気排出路は、前記境界部と前記気体軸受スピンドルにおいて大気に開放された領域とを接続するように形成されている、請求項７に記載の気体軸受スピンドル。
9. 前記空気排出路は前記保持リングに形成されている、請求項７または８に記載の気体軸受スピンドル。
10. 前記軸受部には、前記スリーブ貫通穴に対して開口し、前記スリーブと前記回転軸との間の隙間である軸受隙間に気体を供給するノズルが形成され、
    前記保持リングには、前記保持リングを貫通するスリーブ給気路が形成され、
    前記スリーブの前記保持リングと前記軸受部との境界を含む領域には、前記スリーブ給気路と前記ノズルとを連通し、前記ノズルに気体を供給する環状の気体供給溝が、前記スリーブ貫通穴を取り囲むように形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
11. 前記気体供給溝は前記第１嵌合面を含むように形成されている、請求項１０に記載の気体軸受スピンドル。
12. 前記軸受部の外周面は前記保持リングにより全域にわたって覆われている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。

Images