JP5422825B2 - 流体軸受構造及び形状検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、作動流体の圧力を利用して円筒状のロータを中空状の固定軸の外周面に対して回転自在に支持するための流体軸受構造等に関する。

圧延材等のシート材を製造する製造ライン上には、シート材の幅方向の張力分布を検出する形状検出装置が配設されており、この形状検出装置は、支持フレームに一体的に設けられかつ水平方向へ延びた中空状の固定軸と、この固定軸に回転可能に設けられかつ走行中のシート材を支持する複数の円筒状のロータとを備えている。そして、形状検出装置は、エアの圧力を利用して複数のロータを固定軸の外周面に対して回転自在に支持するためのエア軸受構造を備えており、このエア軸受構造の具体的な構成等は、次のようになる（特許文献１及び特許文献２参照）。

即ち、固定軸の外周面と複数のロータの内周面の間には、エアのエア膜を生成可能な環状の微小間隙が形成されており、固定軸は、内側に、エア通路を有しており、このエア通路は、エアを供給するエア供給源に接続されている。また、固定軸の外周面には、エアを噴出可能な複数の噴出孔がエア通路に連通するように形成されており、各噴出孔は、固定軸の厚み方向に平行になっている。

従って、エア供給源の駆動により固定軸のエア通路にエアを供給することにより、複数の噴出孔からエアを噴出させて、固定軸の外周面と複数のロータの内周面との間にエア膜を生成する。これにより、エアの圧力を利用して複数のロータを固定軸の外周面に対して回転自在に支持することができる。

また、複数のロータを固定軸の外周面に対して回転自在に支持した状態の下で、シート材の走行中に、例えば微小間隙における各ロータに対応する部分の上側と下側の差圧を検出し、検出された差圧に基づいてシート材の幅方向の張力分布を演算する。これにより、形状検出装置の運転中に、シート材の平坦度を検出することができる。

特開２００６−２０８２６９号公報 特開平５−２０８２１５号公報

ところで、形状検出装置の運転中に、固定軸の外周方向における一部の領域にはシート材からラジアル負荷加重が複数のロータを介して作用している。一方、ラジアル負荷加重が前記一部の領域に作用した状態においても、エア軸受構造に安定した支持性能を発揮させるには、エアの消費流量を増大して、エアの圧力による支持剛性を十分に高くする必要がある。そのため、エア軸受構造を備えた形状検出装置のランニングコスト及び消費エネルギーが増大するという問題がある。

なお、前述の問題は、形状検出装置に用いられるエア軸受構造だけでなく、固定軸の外周方向における一部の領域にラジアル負荷荷重が作用する他の流体軸受構造等においても同様に生じるものである。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の流体軸受等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、作動流体の圧力を利用して円筒状のロータを中空状の固定軸の外周面に対して回転自在に支持するための流体軸受構造において、前記固定軸の外周面と前記ロータの内周面の間に前記作動流体の流体膜を生成可能な環状の微小間隙が形成され、前記固定軸は内側に前記作動流体を供給する作動流体供給源に接続した流体通路を有し、前記固定軸の外周面に前記作動流体を噴出可能な複数の噴出孔が前記流体通路に連通するように形成され、前記固定軸の外周方向におけるラジアル負荷荷重の作用する荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定軸の厚み方向に対して前記ロータの長手方向の中心側に傾斜し、前記ロータの長手方向の中心よりも一方側に位置する複数の第１傾斜噴出孔と、前記ロータの長手方向の中心よりも他方側に位置する複数の第２傾斜噴出孔とからなっており、前記固定軸の外周方向における前記荷重作用領域から外れた領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定軸の厚み方向に平行になっていることを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「作動流体」とは、エア等の気体、及び油等の液体を含む意であって、「流体膜」は、エア膜等の気体膜、及び油膜等の液体膜を含む意である。また、「流体軸受構造」とは、エア軸受構造等の気体軸受構造、及び液体軸受構造を含む意であって、「流体流路」とは、エア流路等の気体流路、及び油流路等の液体流路を含む意である。

第１の特徴によると、前記流体供給源の駆動により前記固定軸の前記流体通路に前記作動流体を供給することにより、複数の前記噴出孔から前記作動流体を噴出させて、前記固定軸の外周面と前記ロータの内周面との間に前記流体膜を生成する。これにより、前記作動流体の圧力を利用して前記ロータを前記固定軸の外周面に対して回転自在に支持することができる。

前述の作用の他に、前記固定軸の外周方向における前記荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔が前記固定軸の厚み方向に対して前記ロータの長手方向の中心側に傾斜し、前記固定軸の外周方向における前記外れた領域に位置する複数の前記噴出孔が前記固定軸の厚み方向に平行になっているため、前記荷重作用領域の前記作動流体の圧力による支持剛性が前記外れた領域の前記作動流体の圧力による支持剛性よりも高くなる。換言すれば、前記荷重作用領域の前記作動流体の圧力による支持剛性を十分に確保しつつ、前記外れた領域の前記作動流体の圧力による支持剛性を低くできる。これにより、ラジアル負荷荷重が前記荷重作用領域に作用した状態にあっても、前記流体軸受構造に安定した支持性能を発揮させつつ、作動流体の消費量を全体として低減することができる。

本発明の第２の特徴は、作動流体の圧力を利用してロータ軸を円筒状の固定部材の内周面に対して回転自在に支持するための流体軸受構造において、前記固定部材の内周面と前記ロータ軸の外周面の間に前記作動流体の流体膜を生成可能な環状の微小間隙が形成され、前記固定部材に前記作動流体を供給する作動流体供給源に接続した流体通路が形成され、前記固定部材の内周面に前記作動流体を噴出可能な複数の噴出孔が前記流体通路に連通するように形成され、前記固定部材の内周方向におけるラジアル負荷荷重の作用する荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定部材の厚み方向に対して前記固定部材の長手方向の中心側に傾斜し、前記固定部材の長手方向の中心よりも一方側に位置する複数の第１傾斜噴出孔と、前記固定部材の長手方向の中心よりも他方側に位置する複数の第２傾斜噴出孔とからなっており、 前記固定部材の内周方向における前記荷重作用領域から外れた領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定部材の厚み方向に平行になっていることを要旨とする。

第２の特徴によると、前記流体供給源の駆動により前記固定部材の前記流体通路に前記作動流体を供給することにより、複数の前記噴出孔から前記作動流体を噴出させて、前記固定部材の内周面と前記ロータ軸の外周面との間に前記流体膜を生成する。これにより、前記作動流体の圧力を利用して前記ロータ軸を前記固定部材の内周面に対して回転自在に支持することができる。

前述の作用の他に、前記固定部材の内周方向における前記荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔が前記固定部材の厚み方向に対して前記固定部材の長手方向の中心側に傾斜し、 前記固定部材の内周方向における前記外れた領域に位置する複数の前記噴出孔が前記固定部材の厚み方向に平行になっているため、前記荷重作用領域の前記作動流体の圧力による支持剛性が前記外れた領域の前記作動流体の圧力による支持剛性よりも高くなる。換言すれば、前記荷重作用領域の前記作動流体の圧力による支持剛性を十分に確保しつつ、前記外れた領域の前記作動流体の圧力による支持剛性を低くできる。これにより、ラジアル負荷荷重が前記荷重作用領域に作用した状態であっても、前記流体軸受構造に安定した支持性能を発揮させつつ、作動流体の消費量を全体として低減することができる。

本発明の第３の特徴は、シート材の幅方向の張力分布を検出する形状検出装置において、第１の特徴からなる流体軸受構造を用いたこと要旨とする。

第３の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、ラジアル負荷荷重が前記荷重作用領域に作用した状態であっても、前記流体軸受構造に安定した支持性能を発揮させつつ、作動流体の消費量を全体として低減できるため、前記流体軸受構造を備えた前記形状検出装置等の装置のランニングコスト及び消費エネルギーを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る形状検出装置を示す部分断面図である。 図３におけるII-II線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態に係る形状検出装置を示す正面図であって、一部を省略してある。 本発明の第１実施形態に係る形状検出装置の変形例を示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係る形状検出装置の変形例を示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態に係るエア軸受構造を示す断面図である。 図６におけるVII-VII線に沿った断面図である。

（第１実施形態）
本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向をそれぞれ指している。

図２及び図３に示すように、本発明の第１実施形態に係る形状検出装置１は、圧延材等のシート材Ｓを製造する製造ライン上に配設されてあって、シート材Ｓの幅方向の張力分布を検出する装置である。また、形状検出装置１は、装置フレーム３を備えており、この装置フレーム３は、左右方向へ延びた支持台５と、この支持台５の上面に左右方向に離隔して設けられた一対の側板７等とからなっている。

一対の側板７の間には、左右方向（水平方向の一例）へ延びた中空状の固定軸９が一体的に設けられており、この固定軸（共通の固定軸）９には、走行中のシート材Ｓを支持する複数の円筒状のロータ１１が回転可能に設けられている。また、隣接関係にあるロータ１１の間、及び隣接関係にある側板７とロータ１１の間には、それぞれ、複数のストラストパッド１３が周方向に間隔を置いて設けられている。

形状検出装置１は、エアの圧力を利用して複数のロータ１１を固定軸９の外周面に対して回転自在に支持するためのエア軸受構造１５を備えており、このエア軸受構造１５の具体的な構成は、次のようになる。

固定軸９の外周面と複数のロータ１１の内周面の間には、エアのエア膜を生成可能な環状の微小間隙１７が形成されており、この微小間隙は、左右方向へ延びている。また、固定軸９は、内側に、エア通路１９を有しており、このエア通路１９は、エアを供給するエアコンプレッサ等のエア供給源２１にエア配管２３を介して接続されている。更に、固定軸９の外周面には、エアを噴出可能な複数の噴出孔２５がエア通路１９に連通するように形成されており、各噴出孔２５の出口側には、凹部２７が形成されている。

図１及び図２に示すように、固定軸９の外周方向におけるラジアル負荷荷重ＲＬの作用する荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性は、荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性よりも高くなっている。ここで、本発明の第１実施形態にあって、ラジアル負荷荷重ＲＬとは、シート材Ｓから複数のロータ１１を介して作用するラジアル方向の負荷荷重のことであって、荷重作用領域ＦＡは、固定軸９の外周方向における上側半分の領域のことをいう。

具体的には、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔２５（２５Ａ，２５Ｂ）は、固定軸９の厚み方向ＴＤに対して対応関係にあるロータ１１の長手方向（左右方向）の中心１１ｃ側に傾斜してあって、対応関係にあるロータ１１の長手方向の中心１１ｃよりも左方側（一方側）に位置する複数の第１傾斜噴出孔２５（２５Ａ）と、対応関係にあるロータ１１の長手方向の中心１１ｃよりも右方側（他方側）に位置する複数の第２傾斜噴出孔２５（２５Ｂ）とからなっている。そして、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する複数の噴出孔２５（２５Ｃ）は、固定軸９の厚み方向ＴＤに平行になっている。

なお、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔２５を複数の第１傾斜噴出孔２５Ａと複数の第２傾斜噴出孔２５Ｂとからなるようにする代わりに、図４に示すように、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔２５（２５Ｄ）の形成密度（配置密度）を、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する複数の噴出孔２５（２５Ｃ）の形成密度よりも高くしたり、図５に示すように、荷重作用領域ＦＡに位置する各噴出孔２５（２５Ｅ）の開口面積を、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する各噴出孔２５（２５Ｃ）の開口面積よりも大きくしたりしても構わない。

図２に示すように、微小間隙１７における各ロータ１１に対応する部分の上側と下側の差圧を検出するため、各ロータ１１の上側部分及び下側部分には、圧力検出管２９が設けられており、各圧力検出管２９は、差圧検出器（図示省略）に電気的に接続されている。なお、差圧検出器は、形状検出装置１のコントローラ（図示省略）に電気的に接続されている。

続いて、本発明の第１実施形態の作用及び効果について説明する。

エア供給源２１の駆動により固定軸９のエア通路１９にエアを供給することにより、複数の噴出孔２５からエアを噴出させて、固定軸９の外周面と複数のロータ１１の内周面との間にエア膜を生成する。これにより、エアの圧力を利用して複数のロータ１１を固定軸９の外周面に対して回転自在に支持することができる。

また、複数のロータ１１を固定軸９の外周面に対して回転自在に支持した状態の下で、シート材Ｓの走行中に、差圧検出器によって微小間隙１７における各ロータ１１に対応する部分の上側と下側の差圧を検出する。そして、形状検出装置１のコントローラによって微小間隙１７における各ロータ１１に対応する部分の上側と下側の差圧に基づいてシート材Ｓの幅方向の張力分布を演算する。これにより、形状検出装置１の運転中に、シート材Ｓの平坦度を検出することができる。

前述の作用の他に、荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性が荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性よりも高くなっているため、換言すれば、荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性を十分に確保しつつ、荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性を低くできるため、形状検出装置１の運転によってラジアル負荷荷重ＲＬが荷重作用領域ＦＡに作用した状態にあっても、エア軸受構造１５に安定した支持性能を発揮させつつ、エアの消費量を全体として低減することができる。

よって、本発明の第１実施形態によれば、ラジアル負荷荷重ＲＬが荷重作用領域ＦＡに作用した状態にあっても、エア軸受構造１５に安定した支持性能を発揮させつつ、エアの消費量を全体として低減できるため、エア軸受構造１５を備えた形状検出装置１のランニングコスト及び消費エネルギーを低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図６及び図７を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向をそれぞれ指している。

図６及び図７に示すように、本発明の第２実施形態に係るエア軸受構造３１は、
エアの圧力を利用してロータ軸３３を円筒状の固定部材３５の内周面に対して回転自在に支持するための構造であって、エア軸受構造３１の具体的な内容は、以下のようになる。なお、固定部材３５は、支持フレーム３７に複数の支柱３９を介して固定されている。

固定部材３５の内周面とロータ軸３３の外周面の間には、エアのエア膜を生成可能な環状の微小間隙４１が形成されており、この微小間隙４１は、左右方向へ延びている。また、固定部材３５には、エア通路４３が形成されており、このエア通路４３は、エアを供給するエアコンプレッサ等のエア供給源４５にエア配管４７を介して接続してある。更に、固定部材３５の内周面には、エアを噴出可能な複数の噴出孔４９がエア通路４３に連通するように形成されている。

固定部材３５の内周方向におけるラジアル負荷荷重ＲＬの作用する荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性は、固定部材３５の内周方向における荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性よりも高くなっている。ここで、本発明の第２実施形態にあって、ラジアル負荷荷重ＲＬとは、ロータ軸３３を介して作用するラジアル方向の負荷荷重のことであって、荷重作用領域ＦＡは、固定部材３５の内周方向における下側半分の領域のことをいう。

具体的には、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔４９（４９Ａ，４９Ｂ）は、固定部材３５の厚み方向ＴＤに対して固定部材３５の長手方向（左右方向）の中心３５ｃ側に傾斜してあって、固定部材３５の長手方向の中心３５ｃよりも左方側（一方側）に位置する複数の第１傾斜噴出孔４９（４９Ａ）と、固定部材３５の長手方向の中心３５ｃよりも右方側（他方側）に位置する複数（１つのみ図示）の第２傾斜噴出孔４９（４９Ｂ）とからなっている。そして、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する複数の噴射孔４９（４９Ｃ）は、固定部材３５の厚み方向ＴＤに平行になっている。

なお、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔４９を複数の第１傾斜噴出孔４９Ａと複数の第２傾斜噴出孔４９Ｂとからなるようにする代わりに、荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性が荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性よりも高くなるように、荷重作用領域ＦＡに位置する複数の噴出孔４９の形成密度（配置密度）を、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する複数の噴出孔４９の形成密度よりも高くしたり、荷重作用領域ＦＡに位置する各噴出孔４９の開口面積を、荷重作用領域ＦＡから外れた領域に位置する各噴出孔４９の開口面積よりも大きくしたりしても構わない。

続いて、本発明の第２実施形態の作用及び効果について説明する。

エア供給源４５の駆動により固定部材３５のエア通路４３にエアを供給することにより、複数の噴出孔４９からエアを噴出させて、固定部材３５の内周面とロータ軸３３の外周面との間にエア膜を生成する。これにより、エアの圧力を利用してロータ軸３３を固定部材３５の内周面に対して回転自在に支持することができる。

前述の作用の他に、荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性が荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性よりも高くなっているため、換言すれば、荷重作用領域ＦＡのエアの圧力による支持剛性を十分に確保しつつ、荷重作用領域ＦＡから外れた領域のエアの圧力による支持剛性を低くできるため、ラジアル負荷荷重ＲＬが荷重作用領域ＦＡに作用した状態であっても、エア軸受構造３１に安定した支持性能を発揮させつつ、エアの消費量を全体として低減することができる。

従って、本発明の第２実施形態によれば、ラジアル負荷荷重ＲＬが荷重作用領域ＦＡに作用した状態であっても、エア軸受構造３１に安定した支持性能を発揮させつつ、エアの消費量を全体として低減できるため、エア軸受構造３１を備えた装置のランニングコスト及び消費エネルギーを低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

ＦＡ 荷重作用領域
ＲＬ ラジアル負荷荷重
Ｓ シート材
ＴＤ 厚み方向
１ 形状検出装置
３ 装置フレーム
５ 支持台
７ 側板
９ 固定軸
１１ ロータ
１１ｃ ロータの中心
１５ エア軸受構造
１７ 微小間隙
１９ エア通路
２１ エア供給源
２５ 噴出孔
２５Ａ 第１傾斜噴出孔
２５Ｂ 第２傾斜噴出孔
２５Ｃ 噴射孔
２９ 圧力検出管
３１ エア軸受構造
３３ ロータ軸
３５ 固定部材
３５ｃ 固定部材の中心
４１ 微小間隙
４３ エア通路
４５ エア供給源
４９ 噴出孔
４９Ａ 第１傾斜噴出孔
４９Ｂ 第２傾斜噴出孔
４９Ｃ 噴射孔

Claims (3)

1. 作動流体の圧力を利用して円筒状のロータを中空状の固定軸の外周面に対して回転自在に支持するための流体軸受構造において、
   前記固定軸の外周面と前記ロータの内周面の間に前記作動流体の流体膜を生成可能な環状の微小間隙が形成され、前記固定軸は内側に前記作動流体を供給する作動流体供給源に接続した流体通路を有し、前記固定軸の外周面に前記作動流体を噴出可能な複数の噴出孔が前記流体通路に連通するように形成され、
   前記固定軸の外周方向におけるラジアル負荷荷重の作用する荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定軸の厚み方向に対して前記ロータの長手方向の中心側に傾斜し、前記ロータの長手方向の中心よりも一方側に位置する複数の第１傾斜噴出孔と、前記ロータの長手方向の中心よりも他方側に位置する複数の第２傾斜噴出孔とからなっており、
   前記固定軸の外周方向における前記荷重作用領域から外れた領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定軸の厚み方向に平行になっていることを特徴とする流体軸受構造。
2. 作動流体の圧力を利用してロータ軸を円筒状の固定部材の内周面に対して回転自在に支持するための流体軸受構造において、
   前記固定部材の内周面と前記ロータ軸の外周面の間に前記作動流体の流体膜を生成可能な環状の微小間隙が形成され、前記固定部材に前記作動流体を供給する作動流体供給源に接続した流体通路が形成され、前記固定部材の内周面に前記作動流体を噴出可能な複数の噴出孔が前記流体通路に連通するように形成され、
   前記固定部材の内周方向におけるラジアル負荷荷重の作用する荷重作用領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定部材の厚み方向に対して前記固定部材の長手方向の中心側に傾斜し、前記固定部材の長手方向の中心よりも一方側に位置する複数の第１傾斜噴出孔と、前記固定部材の長手方向の中心よりも他方側に位置する複数の第２傾斜噴出孔とからなっており、
   前記固定部材の内周方向における前記荷重作用領域から外れた領域に位置する複数の前記噴出孔は、前記固定部材の厚み方向に平行になっていることを特徴とする流体軸受構造。
3. シート材の幅方向の張力分布を検出する形状検出装置において、
   請求項１に記載の流体軸受構造を用いたことを特徴とする形状検出装置。

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