JP5645560B2 - Static pressure gas bearing - Google Patents
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Description
本発明は、精密加工機の主軸に代表される回転体の回転精度を向上させる静圧気体軸受に関するものである。 The present invention relates to a static pressure gas bearing that improves the rotational accuracy of a rotating body represented by a main shaft of a precision processing machine.
精密加工機の主軸に代表される回転体には高い回転精度が求められており、回転体を非接触に回転支持する静圧気体軸受が一般的に用いられている。静圧気体軸受は、軸受部から噴出される気体の大気開放時流量が均一となるように流量調整が行われている。 High rotational accuracy is required for a rotating body typified by a main spindle of a precision processing machine, and a static pressure gas bearing that rotatably supports the rotating body in a non-contact manner is generally used. In the static pressure gas bearing, the flow rate is adjusted so that the flow rate of the gas ejected from the bearing portion is uniform when released into the atmosphere.
図3は、静圧気体軸受の一従来例を示したものである。回転体107は、スラスト部115を有し、このスラスト部115の一方の平面に対向する位置に配置した一方の多孔質体108と、他方の平面に対向する位置に配置した他方の多孔質体109によって回転体107を回転軸方向に支持する。図3は、スラスト部115の一方の平面および他方の平面が、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行である場合を示している。しかし、一方の多孔質体108の、回転体107のスラスト部115と対向する平面は、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行ではない。この場合、矢印で示すように回転体107が回転して、一方の多孔質体108との位相が変化し、図3(a)から図3(b)の状態になったとしても、一方の多孔質体108側から見た回転体107のスラスト部115との軸受隙間110は変化しない。
FIG. 3 shows a conventional example of a static pressure gas bearing. The rotating
図4は、静圧気体軸受の他の従来例を示したものである。図4には、一方の多孔質体108のスラスト部115と対向する平面が、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行である場合を示している。しかし、スラスト部115の一方の平面は、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行ではない。この場合、矢印で示すように回転体107が回転して一方の多孔質体108との位相が変化し、図4(a)から図4(b)の状態になったとしても、回転体107側から見た多孔質体108との軸受隙間110は変化しない。スラスト部115と一方の多孔質体108および他方の多孔質体109の平面のどちらか一方が、仮想平面と平行であれば、一方の多孔質体108および他方の多孔質体109による気体膜の圧力分布は均一となり、軸ぶれは発生しない。
FIG. 4 shows another conventional example of a static pressure gas bearing. FIG. 4 shows a case where the plane facing the
しかしながら、機械加工精度には限界があるため機械加工面は必ず形状誤差を有している。この形状誤差によって発生するずれを修正する方法として、流量調整による方法が知られている。例えば特許文献1には、固定側ベルホルダー軸と可動側ベルホルダー軸の同軸度にずれが生じた場合、多孔質体により構成された静圧気体軸受部から噴出される気体の流量を調節することにより、合致精度を向上させる方法が開示されている。 However, since the machining accuracy is limited, the machined surface always has a shape error. As a method for correcting the deviation caused by the shape error, a method based on flow rate adjustment is known. For example, in Patent Document 1, when a deviation occurs in the coaxiality of the fixed bell holder shaft and the movable bell holder shaft, the flow rate of the gas ejected from the static pressure gas bearing portion formed of the porous body is adjusted. Thus, a method for improving the matching accuracy is disclosed.
上記従来例のように、気体の流量を調整することにより同軸度を向上させるだけでは、超精密加工機の主軸に求められているような、ナノメートルオーダーの回転精度を達成しようとする場合には不十分である。 In the case of trying to achieve nanometer-order rotational accuracy as required for the spindle of ultra-precision processing machines, simply by improving the coaxiality by adjusting the gas flow rate as in the conventional example above. Is insufficient.
図5に示す静圧気体軸受は、一方の多孔質体108のスラスト部115の平面と対向する面と、スラスト部115の一方の面とはいずれも、回転軸と垂直に交わる仮想平面とは平行でない。そのために、回転体107が回転して一方の多孔質体108および他方の多孔質体109との位相が変化すると、図5(a)に示す軸受隙間110aから、(b)に示す110bへと変化してしまう。これにより一方の多孔質体108および他方の多孔質体109から噴出され、軸受隙間に形成された気体膜の圧力分布が変化し、回転体が傾くことで軸ぶれが発生し、回転精度が低下してしまう。
In the static pressure gas bearing shown in FIG. 5, the surface of the
回転体のスラスト部の多孔質体と対向する面を、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行に形状誤差なく加工することは難しいため、通常、前記形状は理想形状からの形状誤差を有している。前記従来例では、スラスト部と多孔質体の両方の形状誤差を含んだ軸受隙間を測定して流量を調整することとなり、多孔質体に対するスラスト部の位相が変化すると、軸受隙間の値が変動することになる。 Since it is difficult to machine the surface of the rotating body facing the porous body parallel to the virtual plane perpendicular to the rotation axis without a shape error, the shape usually has a shape error from the ideal shape. ing. In the conventional example, the bearing gap including the shape error of both the thrust part and the porous body is measured to adjust the flow rate, and when the phase of the thrust part with respect to the porous body changes, the value of the bearing gap varies. Will do.
従来求められていた数百ナノメートルオーダーの回転精度であれば、スラスト部と多孔質体の形状誤差による軸受隙間の変動は多孔質体から噴出され軸受隙間に形成される気体膜の平均化効果により、問題とならない程度にまで打ち消されていた。しかし、回転精度としてナノメートルオーダーが求められる場合は、わずかな軸受隙間の変動も回転精度を劣化させる要因となる。 If the rotational accuracy is on the order of several hundred nanometers, which has been required in the past, the variation in the bearing gap due to the shape error of the thrust part and porous body will be the effect of averaging the gas film that is ejected from the porous body and formed in the bearing gap Because of this, it was canceled to the extent that it would not be a problem. However, when a nanometer order is required as the rotation accuracy, a slight change in the bearing clearance is a factor that degrades the rotation accuracy.
本発明は、ナノメートルオーダーの高回転精度を達成することのできる静圧気体軸受を提供することを目的とするものである。 An object of this invention is to provide the static pressure gas bearing which can achieve the high rotation precision of a nanometer order.
上記目的を達成するため、本発明の静圧気体軸受は、鍔状に突出するスラスト部を有する回転体の回転軸のスラスト荷重を、前記スラスト部に対向して設けられた多孔質体の表面に開口する孔から噴出される気体によって支持する静圧気体軸受において、前記多孔質体は、前記多孔質体の表面のある領域から、前記回転体の回転軸に対して垂直に交りかつ前記多孔質体の表面と対向する仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さを基準距離としたとき、前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも長い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より多く、前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも短い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より少なくなるように構成されたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the static pressure gas bearing of the present invention provides a surface of a porous body provided with a thrust load of a rotating shaft of a rotating body having a thrust portion protruding in a bowl shape so as to face the thrust portion. in the externally pressurized gas bearing for supporting the gas blown from the opening holes in said multi Anashitsutai, the from one region of the surface of the porous body, exchange perpendicular to the axis of rotation of said rotary member Li Kui When the length of the perpendicular when the perpendicular is lowered to the virtual plane facing the surface of the porous body is used as a reference distance, the perpendicular when the perpendicular is lowered from the area different from the certain area to the virtual plane. The opening amount of the surface of the porous body in the region where the length of the perpendicular is longer than the reference distance is larger than the opening amount of the surface of the porous body in the certain region, and from a region different from the certain region Of the perpendicular when the perpendicular is dropped on the virtual plane Saga, the opening amount of the surface of the porous body region shorter than the reference distance, characterized in that it is configured to be less than the opening amount of the surface of the porous body of the certain region.
多孔質体の表面が回転体の回転軸に対して垂直に交わる仮想平面と平行であることと等価となり、回転体が回転してスラスト部と多孔質体との位相が変化しても、軸受隙間に形成された気体膜の圧力分布が均一になる。 This is equivalent to the fact that the surface of the porous body is parallel to a virtual plane perpendicular to the rotation axis of the rotating body, and even if the rotating body rotates and the phase between the thrust part and the porous body changes, the bearing The pressure distribution of the gas film formed in the gap is uniform.
このため、回転体を常に一定の力で回転自在に支持することが可能となり、軸ぶれの発生がなくなり、回転精度が大幅に向上する。 For this reason, it becomes possible to always support the rotating body so as to be freely rotatable with a constant force, the occurrence of the shaft shake is eliminated, and the rotation accuracy is greatly improved.
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態による静圧気体軸受は、図1(a)に示すように、回転体24が回転軸20の径方向へ鍔状に突出するスラスト部19を有している。そして、スラスト部19の一方の面および他方の面が回転軸20と垂直に交わる仮想平面21と平行である。ハウジング12には、スラスト部19の一方の面に対向する部位に一方の多孔質体13が多孔質体保持部を介して配置されている。ハウジング部12の多孔質体保持部は、多孔質体への気体供流路22と接着面23とが構成されている。接着面23により、一方の多孔質体13および他方の多孔質体14をハウジング12に接着固定する。また、気体供給路22により、ハウジング部12から各多孔質体13、14に加圧気体を供給している。各多孔質体13、14から排出された加圧気体は、ハウジング12に構成された排気孔25から周囲に排気される。
As shown in FIG. 1A, the static pressure gas bearing according to the present embodiment has a
図1(b)に示すように、ハウジング部12の前記多孔質体保持部は1つの加圧気体供給孔18aに連通した同心円状の気体供給路22とそれ以外の接着面23とで構成されている。多孔質体内は、横への気体の流れが生じるたくさんの気孔から構成されており、多孔質体の全面から加圧気体を供給しなくても、多孔質体の軸受面全面から気体を噴出できる。
As shown in FIG. 1B, the porous body holding portion of the housing portion 12 is composed of a concentric
回転体24は、前記回転軸20の径方向に鍔状に突出したスラスト部19を有し、前記スラスト部19の一方の平面と対向する位置に一方の多孔質体13が配置され、他方の平面と対向する位置に他方の多孔質体14が配置されている。
The rotating body 24 has a
本発明の特徴について説明する。従来、多孔質体を用いた軸受では、多孔質体を透過して噴出される気体の流量が、軸受面となる多孔質体の表面において一様になるように調整していた。しかし、多孔質体の表面とスラスト部の平面の平面形状誤差により軸受隙間が変動し、回転体の軸ぶれが発生する。 The features of the present invention will be described. Conventionally, in a bearing using a porous body, the flow rate of the gas that permeates and is ejected through the porous body is adjusted to be uniform on the surface of the porous body that becomes the bearing surface. However, the bearing gap fluctuates due to a planar shape error between the surface of the porous body and the plane of the thrust portion, and shaft runout of the rotating body occurs.
本発明では、多孔質体の表面を平面度測定器等の測定器にて計測し、回転軸20に対して垂直に交わる仮想平面21と多孔質体との距離(平面形状誤差)を求める。この距離(平面形状誤差)に応じて、各多孔質体13、14から噴出される気体の流量を異ならせることにより、回転体のスラスト荷重を支持する圧力を一定にすることができるものである。軸ぶれの発生は、回転体のスラスト荷重を支持する圧力が一回転のあいだに変化してしまうために起こる。よって、少なくとも回転軸20から等しい径方向の距離にある各多孔質体13、14の領域から透過噴出される気体の流量は、回転軸20に対して垂直に交わる仮想平面21と各多孔質体13、14との距離(平面形状誤差)に応じて異ならせることが必要である。噴出される気体の流量は、例えば、多孔質体表面に施す目止め量によって変化させる。本明細書において、目止めとは、多孔質体表面にラッカー等を吹き付け、多孔質体表面の孔をふさぐ行為をいう。また、目止め量とは、多孔質体の孔をふさいだ量のことをいう。これにより、多孔質体の表面に開口する孔の数を調整することが可能となる。
In the present invention, the surface of the porous body is measured by a measuring instrument such as a flatness measuring instrument, and the distance (planar shape error) between the
次に、各多孔質体13、14から噴出される気体の流量を変化させる方法について説明する。 Next, a method for changing the flow rate of the gas ejected from the porous bodies 13 and 14 will be described.
まず、各多孔質体13、14の表面を平面度測定器等の測定器にて計測する。各多孔質体13、14の表面に設定した計測点それぞれに対し、回転軸20に対して垂直に交わる仮想平面21からの距離を求める。回転軸20からの径方向距離が等しい同一円周上に位置する計測点ごとに仮想平面21からの距離を求める。同一円周上とは回転軸20からの距離が一定範囲内にある表面のことである。一定範囲は例えば数mmから数cmの範囲であり、この範囲であれば本発明の効果を十分得ることが可能である。
First, the surfaces of the porous bodies 13 and 14 are measured with a measuring instrument such as a flatness measuring instrument. For each measurement point set on the surface of each porous body 13, 14, the distance from the
従来一般的に行われているように、軸受から噴出される気体の大気解放時流量を、各多孔質体13、14の前記同一円周上に位置する測定点において一様になるように調整する。すると、回転体24を支持する圧力が各多孔質体13、14とスラスト部19との間の軸受隙間においては均一とはならず、回転体24の軸ぶれが発生する。そこで、各多孔質体13、14表面の、回転軸20に対して垂直に交わる仮想平面21からの距離の不均一を補償するように、各多孔質体13、14から噴出される気体の流量を多孔質体表面に施す目止め量によって変化させる。
As is generally done in the past, the flow rate of the gas ejected from the bearing at the time of release to the atmosphere is adjusted to be uniform at the measurement points located on the same circumference of the porous bodies 13 and 14. To do. Then, the pressure for supporting the rotating body 24 is not uniform in the bearing gap between the porous bodies 13 and 14 and the
例えば、各多孔質体13、14の同一円周上のある領域を基準領域とする。前記基準領域の仮想平面21からの距離を基準距離とする。同一円周上の別の領域を仮に第一の領域とした場合、第一の領域の仮想平面21からの距離が、前記基準距離より長い場合、第一の領域から噴出される気体の流量が、基準領域から噴出される流量よりも増加するように多孔質体の表面に施す目止め量を調整する。つまり基準領域よりも、第一の領域の孔の開口量を多くする。同一円周上の別の領域を仮に第二の領域とした場合、第二の領域の仮想平面21からの距離が前記基準距離より短い場合、第二の領域から噴出される気体の流量が、基準領域から噴出される流量よりも減少するように目止め量を調整する。つまり基準領域よりも、第二の領域の孔の開口量を少なくする。前記領域と仮想平面との距離は、例えば前記領域の各点から前記仮想平面に垂線を降ろしたときの垂線の長さの平均値から求めることができる。この領域は、できるかぎり狭く設定することにより精度が向上する。多孔質体表面の各点(各孔)ごとに測定することが一番優れた効果を得ることは言うまでもない。
For example, a certain region on the same circumference of the porous bodies 13 and 14 is set as the reference region. A distance from the
以上のように、流量調整を行うことにより、軸受の回転体24を支持する圧力が回転中であっても常に均一になる。すなわち、回転体24の支持点が回転軸20に対して垂直に交わる平面上の点となる。このため、各多孔質体13、14の表面が回転体24の回転軸20に対して垂直に交わる仮想平面21と平行であることと等価となり、各多孔質体13、14の円周方向において均一な支持圧力を得ることができる。
As described above, by adjusting the flow rate, the pressure for supporting the rotating body 24 of the bearing is always uniform even during rotation. That is, the support point of the rotating body 24 is a point on a plane that intersects the rotating shaft 20 perpendicularly. For this reason, this is equivalent to the surface of each porous body 13, 14 being parallel to a
前記流量調整量は以下のように決定する。静圧気体軸受の軸受隙間と支持圧力には図2に示すような相関関係がある。これは、多孔質体の表面上のある一点から噴出される大気解放時流量が一定の場合における軸受隙間と支持圧力の関係を表したものである。この関係は、軸受隙間内の気体の流れを表すレイノルズ方程式を差分法により解き、軸受隙間と軸受隙間内圧力の関係を求めたものである。 The flow rate adjustment amount is determined as follows. There is a correlation as shown in FIG. 2 between the bearing clearance and the support pressure of the hydrostatic gas bearing. This represents the relationship between the bearing gap and the support pressure when the flow rate at the time of air release ejected from a certain point on the surface of the porous body is constant. This relationship is obtained by solving the Reynolds equation representing the gas flow in the bearing gap by the difference method, and obtaining the relationship between the bearing gap and the pressure in the bearing gap.
図2において、曲線w7上の点mに注目する。軸受隙間が変化し、曲線w7上の点nになったとする。点nでは軸受隙間が広がったため支持圧力が小さくなってしまう。この変化が回転中に起こると、回転体24の支持バランスが崩れ、軸ぶれが発生してしまう。曲線w8は大気解放時流量がw7よりも多い場合の軸受隙間と支持圧力の関係をグラフで表したものである。点nにおける支持圧力を増加させるためには、多孔質体表面に施す目止め量を減少させることで、大気解放時流量を増加させ、同じ軸受隙間である曲線w8上の点oとすると、点mと同等の支持圧力を点nにおける軸受隙間で得ることが可能となる。このような静圧気体軸受の特性をシミュレーションにより求め、点mと同等の支持圧力を得ることができる大気解放時流量値を算出する。 In FIG. 2, attention is paid to a point m on the curve w7. It is assumed that the bearing clearance has changed to a point n on the curve w7. At point n, the bearing pressure is increased because the bearing gap is widened. When this change occurs during the rotation, the support balance of the rotating body 24 is lost, and shaft shake occurs. A curve w8 is a graph showing the relationship between the bearing clearance and the support pressure when the flow rate during release to the atmosphere is higher than w7. In order to increase the support pressure at the point n, the amount of sealing applied to the surface of the porous body is decreased to increase the flow rate at the time of air release, and the point o on the curve w8, which is the same bearing gap, It is possible to obtain a support pressure equivalent to m at the bearing gap at point n. The characteristics of such a static pressure gas bearing are obtained by simulation, and a flow rate value at the time of opening to the atmosphere at which a support pressure equivalent to the point m can be obtained is calculated.
具体的な一例として、実際に使用している流量特性と軸受隙間で流量調整量を求めてみる。図2における軸受特性曲線w7は大気解放時流量が57sccm/cm2、w7上の点mを軸受隙間が5μmである場合とする。一方の多孔質体13の表面形状の誤差により回転軸に対して垂直に交わる仮想平面からの距離が大きくなり、軸受隙間が6μmとなった場合、支持圧力が低下しw7上の点nとなってしまう。このままでは回転体24の支持バランスが崩れ、軸ぶれが発生してしまうので、軸受隙間6μmの場合の点nにおいても軸受隙間5μmの場合であるw7上の点mと同等の支持圧力を得る必要がある。そこで、一方の多孔質体13の表面に施す目止め量を緩め、孔の開口量を増やすことで前記流量を増加させる。本具体例においては、前記流量を98sccm/cm2にまで増加させることで、軸受隙間が6μmの場合においても軸受隙間が5μmの場合と同等の支持圧力を示す点oを通る軸受特性曲線w8を示すこととなる。このように前記流量を調整することで軸受隙間6μmの場合の点nにおいても、軸受隙間5μmの場合であるw7上の点mと同等の支持圧力を得ることができる。
As a specific example, the flow rate adjustment amount is calculated from the flow characteristics actually used and the bearing clearance. The bearing characteristic curve w7 in FIG. 2 assumes that the flow rate when released to the atmosphere is 57 sccm / cm 2 and the point m on w7 is when the bearing clearance is 5 μm. When the distance from the virtual plane perpendicular to the rotation axis increases due to an error in the surface shape of one of the porous bodies 13, and the bearing gap becomes 6 μm, the support pressure decreases and becomes a point n on w7. End up. If this is the case, the support balance of the rotating body 24 will be lost and shaft wobbling will occur. Therefore, it is necessary to obtain a support pressure equivalent to the point m on w7 which is the case of the bearing clearance of 5 μm even at the point n of the bearing clearance of 6 μm. There is. Therefore, the flow rate is increased by loosening the sealing amount applied to the surface of one porous body 13 and increasing the opening amount of the holes. In this specific example, by increasing the flow rate to 98 sccm / cm 2 , the bearing characteristic curve w8 passing through the point o indicating the support pressure equivalent to that when the bearing gap is 5 μm is obtained even when the bearing gap is 6 μm. Will be shown. By adjusting the flow rate in this way, a supporting pressure equivalent to the point m on w7 which is the case of the
この流量調整を、一方の多孔質体13の同一円周上の各領域において実施する。同一円周上の各領域は円周方向に分割した領域であればよく、等分である必要はない。また領域の分割数は多いほうがよい。 This flow rate adjustment is performed in each region on the same circumference of one porous body 13. Each region on the same circumference may be a region divided in the circumferential direction and does not need to be equally divided. Also, it is better that the number of area divisions is larger.
また、本実施例における静圧気体軸受においては、半径方向については支持圧力が均一となる必要はないが、複数の半径における、複数の円周方向平面形状に基づいて前記流量調整を行うことで、より均一な円周方向の支持圧力を得ることが可能となる。 Further, in the static pressure gas bearing in the present embodiment, the support pressure does not have to be uniform in the radial direction, but by adjusting the flow rate based on a plurality of circumferential planar shapes at a plurality of radii. Thus, a more uniform support pressure in the circumferential direction can be obtained.
12 ハウジング部
13 一方の多孔質体
14 他方の多孔質体
19 スラスト部
20 回転軸
21 仮想平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Housing part 13 One porous body 14 The other
Claims (4)
前記多孔質体は、
前記多孔質体の表面のある領域から、前記回転体の回転軸に対して垂直に交りかつ前記多孔質体の表面と対向する仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さを基準距離としたとき、
前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも長い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より多く、
前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも短い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より少なくなるように構成されたことを特徴とする静圧気体軸受。 A hydrostatic gas bearing that supports a thrust load of a rotating shaft of a rotating body having a thrust portion protruding in a bowl shape by a gas ejected from a hole opening in a surface of a porous body provided to face the thrust portion. In
The multi-Anashitsutai is,
From a region of the surface of the porous body, a reference length of said vertical lines when a perpendicular line is dropped on the surface facing the imaginary plane perpendicular to exchange Li Kui the porous body with respect to the rotational axis of the rotary body When distance
The amount of opening of the surface of the porous body in the region where the length of the perpendicular when the perpendicular is lowered from the region different from the certain region to the virtual plane is longer than the reference distance, More than the opening amount of the surface of the porous body,
The amount of opening of the surface of the porous body in the region where the length of the perpendicular when the perpendicular is lowered from the region different from the certain region to the virtual plane is shorter than the reference distance is set in the region. A hydrostatic gas bearing characterized by being configured to be smaller than the opening amount of the surface of the porous body .
前記多孔質体保持部は、前記多孔質体に加圧気体を供給する同心円状の気体供給路を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の静圧気体軸受。 4. The hydrostatic gas bearing according to claim 1, wherein the porous body holding portion has a concentric gas supply path for supplying pressurized gas to the porous body. 5.
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