JP6288999B2

JP6288999B2 - 静圧気体軸受装置

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Publication number: JP6288999B2
Application number: JP2013192376A
Authority: JP
Inventors: 琢哉平山
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: JP2015059587A

Description

本発明は、高速回転するローラ、プーリ等の回転体を、簡易な構造で安定して非接触状態で支持することが可能な静圧気体軸受装置に関する。

特許文献１には、円柱部およびこの円柱部の両端部に固設されたフランジ状の鍔部を備える回転部材を非接触状態で支持する静圧気体軸受装置が記載されている。

この静圧気体軸受装置は、回転部材の外周面とラジアル軸受隙間を介して対面し、このラジアル軸受隙間に気体を噴出するラジアル軸受面と、鍔部の一方の端面とスラスト軸受隙間を介して対面し、このスラスト軸受隙間に気体を噴出するスラスト軸受面と、を備えている。また、静圧気体軸受装置のスラスト軸受面、およびこのスラスト軸受面とスラスト軸受隙間を介して対面する鍔部の端面の少なくともいずれか一方には、回転部材の回転軸を中心とする環状溝が形成されている。この環状溝は、スラスト軸受面からスラスト軸受隙間に噴出した気体の圧力溜りとして機能し、軸受剛性および負荷容量を向上させるとともに、スラスト軸受隙間の急激な気圧変化を減衰させるダンパとしても機能し、自励振動（静圧気体軸受装置と回転部材との相対位置がスラスト方向に振動する現象）を抑制する。

このような構成により、特許文献１に記載の静圧気体軸受装置は、軸受剛性、負荷容量を向上させつつも自励振動を抑制することができる。

特開平７−３１７７６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静圧気体軸受装置では、所望の性能を発揮できるように環状溝を設計することが難しいという問題がある。すなわち、上述したように、環状溝は、スラスト軸受面からスラスト軸受隙間に噴出した気体の圧力溜りとして機能するとともに、スラスト軸受隙間の急激な気圧変化を減衰させるダンパとしても機能するものであるが、環状溝の溝幅、深さ等の寸法を適切な値に設計しないと、スラスト軸受隙間の気圧変化によって生じた環状溝内の気圧変化の影響で、却って自励振動が大きくなる可能性がある。

また、特許文献１に記載の静圧気体軸受装置では、ラジアル軸受面およびスラスト軸受面のそれぞれに気体を噴出する仕組みを設ける必要があるため、構造が複雑化する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体を、簡易な構造で、より安定して非接触状態で支持することが可能な静圧気体軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、回転体の両端面をスラスト方向に貫通するエアシャフト用挿入穴に、このエアシャフト用挿入穴の内径よりも小さい外径を有するエアシャフトを挿入するとともに、一対のスラストプレートにより回転体をスラスト方向両側から非接触状態で挟み込む。また、回転体の内周面（シャフト挿入穴の側壁）と対面するエアシャフトの外周面から気体を噴出して、回転体の内周面とエアシャフトの外周面との間のラジアル軸受隙間内に気体膜を形成させるとともに、この気体をラジアル軸受隙間の両端部から排出させ、回転体の端面とこの端面に対面するスラストプレートの端面に形成されたスラスト軸受面との間のスラスト軸受隙間内にも気体膜を形成する。さらに、ラジアル軸受隙間とスラスト方向に重なるスラスト軸受面内の環状領域に、外部への排気口に繋がる流路の吸気口を設け、ラジアル軸受隙間から排出される気体が急増した場合に気体の一部をこの流路から排出することにより、スラスト軸受隙間に流入する気体の増減を抑制して、スラスト軸受隙間の急激な圧力変化を減衰させる。

例えば、本発明は、両端面をスラスト方向に貫通するエアシャフト用挿入穴が形成された回転体を非接触状態で支持する静圧気体軸受装置であって、
前記エアシャフト用挿入穴の内径よりも小さい外径を有し、当該エアシャフト用挿入穴に挿入されるエアシャフトと、
前記エアシャフト用挿入穴に前記エアシャフトが挿入された前記回転体を、前記スラスト方向において前記両端面側から非接触で挟み込む一対のスラストプレートと、を有し、
前記エアシャフトは、
ラジアル軸受隙間を介して前記回転体の前記エアシャフト用挿入穴の内周面と対面し、当該ラジアル軸受隙間に気体を噴出する外周面を有し、
前記一対のスラストプレートの各々は、
スラスト軸受隙間を介して前記回転体の前記端面と対面する一方の端面にスラスト軸受面を有し、
前記一対のスラストプレートの少なくとも一方は、
前記スラスト軸受面において前記ラジアル軸受隙間と前記スラスト方向に重なる環状領域に設けられた環状溝と、当該環状溝の溝底に設けられた吸気口と、当該吸気口に流入した気体を外部へ排出する排気口と、を備えた流路を有する。

ここで、前記流路は、前記吸気口から前記スラストプレートの他方の端面まで前記スラスト方向に貫通する貫通穴であってもよい。あるいは、前記スラスト軸受面に形成され、前記環状領域内から前記スラストプレートの側面まで続くラジアル方向の溝であってもよい。

本発明では、エアシャフトの外周面から噴出した気体によってラジアル軸受隙間内に気体膜が形成されるとともに、ラジアル軸受隙間の端部から排出された気体によってスラスト軸受隙間内にも気体膜が形成される。このため、スラスト軸受面からスラスト軸受隙間に気体を噴出する仕組みを設ける必要がない。また、ラジアル軸受隙間から排出される気体が急増した場合に、この気体の一部は、ラジアル軸受隙間とスラスト方向に重なるスラスト軸受面内の環状領域に設けられた吸気口に流入し、流路により適度な絞り効果が付与された後、排気口から外部へ排出される。このため、スラスト軸受隙間に流入する気体の増減を抑制して、スラスト軸受隙間の急激な圧力変化を減衰させることができ、これにより、回転体の自励振動を防止できる。したがって、本発明によれば、回転体を簡易な構造で、より安定した状態にて非接触状態で支持することが可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るエアベアリングユニット４の、プーリ２の組み付け前の状態における外観図である。図２は、本発明の一実施の形態に係るエアベアリングユニット４の、プーリ２の組み付け後の状態における側面図である。図３（Ａ）は、プーリ２の正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。図４は、エアシャフトユニット１の部品展開図である。図５（Ａ）は、エアシャフト１１の正面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すエアシャフト１１のＢ−Ｂ断面図であり、図５（Ｃ）は、エアシャフト１１の底面図であり、図５（Ｄ）は、エアシャフト本体部１５の拡大部分断面図である。図６（Ａ）は、スラストプレート１３の正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すスラストプレート１３のＣ−Ｃ断面図である。図７は、エアシャフトユニット１への給気中におけるプーリ２の支持状態を模式的に示した図である。図８（Ａ）は、スラストプレート１３の変形例１３Ａの正面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すスラストプレート１３の変形例１３ＡのＤ−Ｄ断面図である。図９（Ａ）は、スラストプレート１３の変形例１３Ｂの正面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すスラストプレート１３の変形例１３ＢのＥ−Ｅ断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本実施の形態に係る静圧気体軸受装置の全体構造について説明する。ここでは、軸心Ｏ方向に長尺な回転体、例えば光ファイバ、カーボン繊維等の線材を送るプーリ２の非接触状態での支持に適した両持ちタイプのエアベアリングユニット４を一例に挙げる。

図１は、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４の、プーリ２の組み付け前の状態における外観図である。また、図２は、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４の、プーリ２の組み付け後の状態における側面図である。

図示するように、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４は、着脱可能なプーリ２と、プーリ２を回転可能に非接触状態で支持するエアシャフトユニット１と、エアシャフトユニット１を両端支持する２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂと、を備えている。

後述するように、エアシャフトユニット１は、スラストプレート１２、エアシャフト本体部１５およびロッド部１１５が軸心Ｏ方向に連続して一体的に形成されたエアシャフト１１と、エアシャフト本体部１５を介してスラストプレート１２に対向配置されたスラストプレート１３と、スラストプレート１３をロッド部１１５に固定するためのナット１４と、の組立体である（図４参照）。また、プーリ２は、軸心Ｏ方向に形成されたエアシャフト挿入用穴２２内にエアシャフト１１をロッド部１１５側から挿入して、エアシャフト本体部１５上にプーリ２を保持させた後、ロッド部１１５をスラストプレート１３に挿入し、さらにロッド部１１５のネジ部１１５１にナット１４を螺合して、ロッド部１１５にスラストプレート１３を装着することにより、エアシャフトユニット１に非接触状態で回転可能に組み付けられる。

一方、２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂは、例えば石定盤等の台座上に、エアシャフトユニット１の長さに応じた間隔で対向するように配置されて固定される。各シャフトホルダ３Ａ、３Ｂは、軸心Ｏが台座に対してほぼ平行に向けられたエアシャフトユニット１の両端部にそれぞれ配置されたスラストプレート１２、１３を、プーリ２の最大径に応じた高さの位置で保持する。

各シャフトホルダ３Ａ、３Ｂは、それぞれ、例えば、台座にボルトで固定されるフランジ３５付き下側ブロック材３３と、下側ブロック材３３の上面３３１に載せられた上側ブロック材３２と、下側ブロック材３３の上面３３１と上側ブロック材３２の底面３２１との間隔ｔ１を調整するための２本のボルト３４と、を有している。下側ブロック材３３の上面３３１と上側ブロック材３２の底面３２１にはそれぞれ断面半円形状の溝が厚さｔ２方向に形成されており、これらの溝が対向することにより所定の高さの位置にシャフト固定穴３１が形成されている。２本のボルト３４は、シャフト固定穴３１の軸心Ｏと直交する垂直方向の両側の位置において、上側ブロック材３２のボルト穴３２２を介して下側ブロック材３３のネジ穴３３２に締結されている。

対向配置された２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂのシャフト固定穴３１に、エアシャフト本体部１５の両端部にそれぞれ配置されたスラストプレート１２、１３が挿入され、シャフトホルダ３Ａ、３Ｂをそれぞれ２本のボルト３４が締め付けることによって、下側ブロック材３３と上側ブロック材３２との間隔ｔ１が狭まり、エアシャフト本体部１５の両端部にそれぞれ配置されたスラストプレート１２、１３が固定されることにより、エアシャフトユニット１自体も固定される。これにより、エアシャフトユニット１に組み付けられたプーリ２は、所定の高さの位置で軸心Ｏ方向回りに非接触状態で回転可能に保持される。

なお、本実施の形態では、フランジ３５付き下側ブロック材３３と上側ブロック材３２との間隔ｔ１を２本のボルト３４で調整する２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂを用いているが、エアシャフト本体部１５およびその両端部にそれぞれ配置されたスラストプレート１２、１３を有するエアシャフトユニット１を、スラストプレート１２、１３で保持可能な構造であれば、どのようなタイプのシャフトホルダを用いてもよい。

つぎに、プーリ２、およびこのプーリ２を軸心Ｏ回りに回転可能に非接触状態で支持するエアシャフトユニット１の詳細を説明する。

図３（Ａ）は、プーリ２の正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すプーリ２のＡ−Ａ断面図である。

図示するように、支持対象のプーリ２は、例えば直径ｒ２よりも軸心Ｏ方向に長尺な略円柱形状からなるプーリ本体部２０を有しており、その外周面２３には、周方向に線材がかけられる。また、プーリ本体部２０には、軸心Ｏが通過する位置に、両端面２５Ａ、２５Ｂを貫通するエアシャフト挿入用穴２２が形成されており、このエアシャフト挿入用穴２２内に、エアシャフト１１の多孔質焼結層１１２で外周面を覆われたエアシャフト本体部１５がスライド可能に挿入される。また、エアシャフト挿入用穴２２の両端部にはテーパー２６が形成されている（図５参照）。

プーリ本体部２０の両端面２５Ａ、２５Ｂには、エアシャフト挿入用穴２２を囲む位置にボス２４Ａ、２４Ｂがそれぞれ形成されている。各ボス２４Ａ、２４Ｂの端面２４１Ａ、２４１Ｂは平坦に仕上げられている。プーリ２を組み付けた状態（図２の状態）のエアベアリングユニット４において、一方のボス２４Ａの端面２４１Ａは、わずかな間隔（スラスト軸受隙間）をおいて、スラストプレート１２の一方の端面（エアシャフト１１の段差面）であるスラスト軸受面１２１に対向し、他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂは、わずかな間隔（スラスト軸受隙間）をおいてスラストプレート１３の一方の端面であるスラスト軸受面１３１に対向している（図２参照）。

なお、図示したように、プーリ本体部２０の両端部には、外周面２３から径方向外側に張り出した環状のフランジ部２１が形成されていてもよい。

図４は、エアシャフトユニット１の部品展開図である。

図示するように、エアシャフトユニット１は、スラストプレート１２、エアシャフト本体部１５およびロッド部１１５が軸心Ｏ方向に連続して一体的に形成されたエアシャフト１１と、エアシャフト本体部１５を介してスラストプレート１２に対向配置されたスラストプレート１３と、スラストプレート１３をロッド部１１５に固定するためのナット１４と、を備えている。エアシャフト本体部１５は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入され、プーリ２を軸心Ｏ回りに回転可能かつラジアル方向（径方向）に非接触状態で支持する。スラストプレート１２、１３は、プーリ２をスラスト方向（軸方向）に非接触状態で支持する。また、スラストプレート１３は、エアシャフト１１のロッド部１１５側からプーリ２が抜け落ちるのを阻止する。

図５（Ａ）は、エアシャフト１１の正面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すエアシャフト１１のＢ−Ｂ断面図であり、図５（Ｃ）は、エアシャフト１１の底面図であり、図５（Ｄ）は、エアシャフト本体部１５の拡大部分断面図である。

図示するように、エアシャフト１１は、スラストプレート１２、エアシャフト本体部１５およびロッド部１１５が軸心Ｏ方向に連続して一体的に形成された段付き円柱形状部材である。エアシャフト本体部１５は、バックメタル部１１１と、バックメタル部１１１の外周面１１４２全体を覆うように形成された多孔質焼結層１１２と、を備えている。

スラストプレート１２は、プーリ２のボス２４Ａ、２４Ｂの外径とほぼ同径に形成されており、エアシャフト本体部１５は、スラストプレート１２よりも小径に形成されており、そして、ロッド部１１５は、エアシャフト本体部１５よりもさらに小径に形成されている。

スラストプレート１２は、一方の端面（エアシャフト本体部１５が連結されている側の端面）であるスラスト軸受面１２１が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１から他方のシャフトホルダ３Ｂ側に突き出す位置まで一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に挿入される（図２参照）。この状態で一方のシャフトホルダ３Ａの２本のボルト３４が締め付けられ、これにより、エアシャフト１１のスラストプレート１２側の端部が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に固定される。

また、スラストプレート１２の他方の端面（エアシャフト本体部１５が連結されている側の端面と反対側の端面）１２２には、この端面１２２からスラストプレート１２の内部を通過してエアシャフト本体部１５のバックメタル部１１１の内部に至る通気路１１６が形成されている。この端面１２２における通気路１１６の開口部（給気口）１１７には、ポンプの給気管４１を連結するためのカプラ４０（図２参照）をねじ込むネジ部１１８が形成されている。

上述したように、エアシャフト本体部１５のバックメタル部１１１の外周面１１４２の全域に、通気性を有する多孔質焼結層１１２が形成されている。また、この外周面１１４２には、多孔質焼結層１１２との境界部に位置する複数の環状溝１１４３が周方向に形成されており、各環状溝１１４３の溝底には、それぞれ、通気路１１６に繋がる孔１１４４が形成されている。これにより、給気口１１７に連結されたポンプの給気管４１からの給気が開始されると、ポンプから送られてきた圧縮空気が、通気路１１６および孔１１４４を介して、バックメタル部１１１の外周面１１４２に位置する周方向の各環状溝１１４３に供給され、多孔質焼結層１１２内の細孔を通過して、エアシャフト本体部１５の外周面である多孔質焼結層１１２の外周面１１２１からプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１に向かって噴出する。

なお、エアシャフト本体部１５のバックメタル部１１１の外周面１１４２に位置する環状溝１１４３の本数およびレイアウトは、多孔質焼結層１１２の外周面１１２１全域から圧縮空気が均一に噴出するように適宜定めればよい。例えば、エアシャフト本体部１５の長さ（多孔質焼結層１１２の幅）ｔ４等に応じた本数の環状溝１１４３を、バックメタル部１１１の軸心Ｏ方向にほぼ等間隔で配置してもよい。また、エアシャフト本体部１５の中央位置（エアシャフト本体部１５の一方の端から軸心Ｏ方向にｔ４／２だけ中央側の位置）からスラストプレート１２側およびロッド部１１５側に離れた位置等、ラジアル軸受隙間６０全体の圧力を高く維持可能な位置に環状溝１１４３を形成してもよい。

多孔質焼結層１１２が形成されたエアシャフト本体部１５は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入される。多孔質焼結層１１２を含めたエアシャフト本体部１５の外径Ｒ１は、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内径ｒ１（図３参照）よりも所定の寸法だけ小さく設計されている。このため、エアシャフト本体部１５がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に挿入されると、このエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１と、エアシャフト本体部１５のバックメタル部１１１の外周面１１４２上に形成された多孔質焼結層１１２の外周面１１２１との間に、ラジアル軸受隙間６０が形成される（図７参照）。そして、ポンプからエアシャフト１１への給気開始後、エアシャフト本体部１５の多孔質焼結層１１２から噴出する圧縮空気により、このラジアル軸受隙間６０に高圧の空気膜が形成される。この空気膜の圧力によってプーリ２およびエアシャフト１１間のラジアル方向の荷重が支えられる。

エアシャフト本体部１５の長さｔ４は、プーリ２の両端面２５Ａ、２５Ｂのボス２４Ａ、２４Ｂの端面２４１Ａ、２４１Ｂ間の距離（プーリ２の長さ）ｔ３よりも所定の寸法だけ大きく設計されている。このため、ポンプからエアシャフト１１への給気開始後、エアシャフト本体部１５に挿入されたプーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａと、スラストプレート１２のスラスト軸受面１２１との間には、ラジアル軸受隙間６０と繋がるスラスト軸受隙間６１ａが形成される。同様に、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂと、エアシャフト本体部１５の端面（エアシャフト本体部１５およびロッド部１１５の外径差により形成された段差面）１１４１に接触するスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１との間にも、ラジアル軸受隙間６０と繋がるスラスト軸受隙間６１ｂが形成される（図７参照）。

ロッド部１１５は、後述するスラストプレート１３のエアシャフト挿入用穴１３３内に挿入される。また、このロッド部１１５の先端には、ナット１４と螺合するネジ部１１５１が形成されている（図４参照）。

図６（Ａ）は、スラストプレート１３の正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すスラストプレート１３のＣ−Ｃ断面図である。

図示するように、スラストプレート１３は、スラストプレート１２の外径とほぼ同じ外径の円筒形状であり、軸心Ｏが通過する位置に、一方の端面であるスラスト軸受面１３１および他方の端面１３２を貫通するエアシャフト挿入用穴１３３が形成されている。このエアシャフト挿入用穴１３３には、エアシャフト１１のロッド部１１５が挿入される。

また、ラジアル軸受隙間６０と軸心Ｏ方向（スラスト方向）において重なるスラスト軸受面１３１の領域、つまり、スラスト軸受面１３１において、内径が多孔質焼結層１１２で覆われたエアシャフト本体部１５の外径Ｒ１より大きく、かつ外径がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内径ｒ１より小さい環状領域１４５（図７参照）には、軸心Ｏ方向における一方の端面であるスラスト軸受面１３１およびスラスト軸受面１３１と対向する他方の端面１３２を貫通する微細な貫通穴１３４が形成されている。この貫通穴１３４は、一方の端面であるスラスト軸受面１３１側の環状領域１４５に吸気口１３５を備えるとともに、他方の端面１３２側に排気口１３６を備えており、ラジアル軸受隙間６０から排出された圧縮空気の一部を吸気口１３５に取り込んで排気口１３６から排出する流路として機能する。

さて、上記構成を有するエアシャフトユニット１は、以下のように組み立てられる。

まず、エアシャフトユニット１にプーリ２が組み付けられる。具体的には、エアシャフト１１の多孔質焼結層１１２が形成されたエアシャフト本体部１５がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２内に位置するように、スラストプレート１２が一体的に形成されたエアシャフト１１をロッド部１１５側からプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２に挿入し、それから、エアシャフト１１のロッド部１１５をスラストプレート１３のシャフト挿入用穴１３３に挿入する。この状態で、ロッド部１１５の先端に形成されたネジ部１１５１にナット１４が締結されると、スラストプレート１３は、スラスト軸受面１３１が、エアシャフト本体部１５およびロッド部１１５の外径差により形成される段差面（エアシャフト本体部１５のロッド部１１５側の端面）１１４１に接触した位置で固定される。

その後、このようにしてプーリ２が組み付けられたエアシャフトユニット１の軸心Ｏを台座に対してほぼ平行に向けた状態で、その両端（スラストプレート１２、１３）が、所定の間隔で対向配置された２台のシャフトホルダ３Ａ、３Ｂに固定される（図１、図２参照）。具体的には、スラストプレート１２のスラスト軸受面１２１が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１から他方のシャフトホルダ３Ｂ側に突き出すように、スラストプレート１２が一方のシャフトホルダ３Ａのシャフト固定穴３１内に挿入されるとともに、スラストプレート１３のスラスト軸受面１３１が他方のシャフトホルダ３Ｂのシャフト固定穴３１から一方のシャフトホルダ３Ａ側に突き出すように、スラストプレート１３が他方のシャフトホルダ３Ｂのシャフト固定穴３１内に挿入される。この状態で各シャフトホルダ３Ａ、３Ｂの２本のボルト３４の締め付けにより、スラストプレート１２、１３がそれぞれシャフトホルダ３Ａ、３Ｂのシャフト固定穴３１内に固定される。

上述したように、エアシャフト１１のエアシャフト本体部１５の長さｔ４は、プーリ２の長さｔ３よりも所定の寸法だけ長いため、プーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａとスラストプレート１２のスラスト軸受面１２１との間にスラスト軸受隙間６１ａが形成され、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂとスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１との間にスラスト軸受隙間６１ｂが形成される。これらのスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内には、ラジアル軸受隙間６０から排気された圧縮空気が流入し、高圧の空気膜が形成される。この空気膜の圧力によってプーリ２のスラスト方向の荷重が支えられる。

つぎに、エアシャフトユニット１への給気中におけるプーリ２の支持状態について説明する。

図７は、エアシャフトユニット１への給気中におけるプーリ２の支持状態を模式的に示した図である。

図示するように、プーリ２を組み付けた状態（図２の状態）のエアベアリングユニット４において、ポンプの給気管（不図示）をエアシャフト１１のスラストプレート１２に設けられた給気口１１７に連結し、ポンプからの圧縮空気ｆの供給を開始すると、この圧縮空気ｆは、スラストプレート１２およびエアシャフト本体部１５のバックメタル部１１１内の通気路１１６およびバックメタル部１１１内の孔１１４４を介して、バックメタル部１１１の外周面１１４２に位置する各環状溝１１４３に供給され、エアシャフト本体部１５の多孔質焼結層１１２の外周面１１２１からラジアル軸受隙間６０内に噴出する。このため、ラジアル軸受隙間６０内に高圧の空気膜が形成され、その圧力によってプーリ２のラジアル方向の荷重が支えられる。これにより、プーリ２のラジアル方向への移動が拘束される。

さらに、ラジアル軸受隙間６０内の圧縮空気ｆは、エアシャフト本体部１５の多孔質焼結層１１２の外周面１１２１に沿って、スラストプレート１２のスラスト軸受面１２１側およびスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１側に向かって流れてゆき、ラジアル軸受隙間６０から排出される。そして、プーリ２の一方のボス２４Ａの端面２４１Ａとスラストプレート１２のスラスト軸受面１２１との間のスラスト軸受隙間６１ａ、および、プーリ２の他方のボス２４Ｂの端面２４１Ｂとスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１との間のスラスト軸受隙間６１ｂに流入する。

スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂに流入した圧縮空気ｆ１は、プーリ２の各ボス２４Ａ、２４Ｂの外周に向かって放射状に流れて行き、最終的に外部（大気圧）に排出される。各スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の圧力は、ラジアル軸受隙間６０から排気された圧縮気体ｆ１が流入するプーリ２のボス２４Ａ、２４Ｂの内周側において高くなっており、ボス２４Ａ、２４Ｂの外周に向かうにしたがって徐々に減少する。このため、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内には平均圧力の高い空気膜が形成されていることとなり、その圧力によってプーリ２のスラスト方向の荷重が支えられる。これにより、スラスト方向へのプーリ２の移動が拘束される。

ラジアル軸受隙間６０とスラスト軸受隙間６１ａ、１６ｂとの交差部には、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の両端部に形成されたテーパー部２６によって、圧縮空気流入側となるラジアル軸受隙間６０および圧縮空気排出側となるスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂよりも圧縮空気の通過面積が大きい領域６２が形成されている。この領域６２が圧縮空気の圧力溜りとして機能する。このため、エアベアリングユニット４の軸受剛性および負荷容量が向上する。

ところで、プーリ２の自励振動は、つぎのようにして発生する。一方のスラスト軸受隙間６１ａの圧力が上昇すると、他方のスラスト軸受隙間６１ｂが狭まる方向にプーリ２が押され、これにより、プーリ２が軸心Ｏに沿ってスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１へ近付く方向に移動する。その結果、他方のスラスト軸受隙間６１ｂが狭くなって圧力が上昇し、他方のスラスト軸受隙間６１ｂが広がる方向にプーリ２が押し戻されることになり、これにより、プーリ２が軸心Ｏに沿ってスラストプレート１３のスラスト軸受面１３１から離れる方向に移動する。これが繰り返されることにより、プーリ２がスラスト方向に振動する。

ここで、ラジアル軸受隙間６０から排出される圧縮空気ｆが急増した場合、この圧縮空気ｆの一部ｆ２は、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向（軸心Ｏ方向）に重なるスラスト軸受面１３１の領域に設けられた吸気口１３５に流入し、貫通穴１３４により適度な絞り効果が付与された後、排気口１３６から外部（大気圧）へ排出される。このため、ラジアル軸受隙間６０から排出される圧縮空気ｆが急増した場合に、スラスト軸受隙間６１ｂに流入する圧縮空気ｆ１の急増を抑制して、スラスト軸受隙間６１ｂ内の急激な圧力変動、特に、ラジアル軸受隙間６０とスラスト軸受隙間６１ａ、１６ｂとの交差部６２に形成される圧力溜まり内の急激な圧力変動を減衰させることができ、これにより、プーリ２の自励振動を防止できる。

なお、貫通穴１３４の直径は、吸気口１３５に流入した圧縮空気ｆ２に適度な絞り効果を付与して、排気口１３６から外部へ排出することができる値に設計される。この値は、ラジアル軸受隙間６０の厚さｓ２、スラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂの厚さｓ１、スラストプレート１２、１３（スラスト軸受面１２１、１３１）の外径、エアシャフト本体部１５（多孔質焼結層１１２の外周面１１２１）の長さ、および多孔質焼結層１１２の外周面１１２１から噴出する圧縮空気の流量等に依存する。好ましくは、スラスト軸受面１３１において、内径が多孔質焼結層１１２で覆われたエアシャフト本体部１５の外径Ｒ１より大きく、かつ外径がプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内径ｒ１より小さい環状領域１４５内に流路として機能する貫通穴１３４の吸気口１３５が収まるように、ラジアル軸受隙間６０の厚さｓ２以下に設計される。また、プーリ２の自励振動を防止するための手段として、流路として機能する貫通穴１３４の一つの設置では不十分である場合には、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向に重なるスラスト軸受面１３１の環状領域１４５に、複数の吸気口１３５が周方向に並ぶように、複数の貫通穴１３４を形成してもよいし、あるいは、スラストプレート１２にもスラストレート１３と同様の流路としての貫通穴１３４を形成してもよい。また、貫通穴１３４の排気口１３６にタップを設けてチューブ、スピードコントローラ、サイレンサ等の流量調節手段を接続することによって、吸気口１３５に流入した圧縮空気ｆ２に適度な絞り効果を付与するようにしてもよい。この場合、貫通穴１３４の直径の設計自由度が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明した。

本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１に対向するエアシャフト本体部１５の多孔質焼結層１１２の外周面１１２１からラジアル軸受隙間６０に圧縮空気ｆが供給され、このラジアル軸受隙間６０から排気される圧縮空気ｆ１が、プーリ２の端面２４１Ａとスラストプレート１２の端面１２１との間に形成されるスラスト軸受隙間６１ａ、およびプーリ２の端面２４１Ｂとスラストプレート１３の端面１３１との間に形成されるスラスト軸受隙間６１ｂに、それぞれ導入されるので、ラジアル軸受隙間６０内の空気膜の圧力およびスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の空気膜の圧力により、プーリ２のラジアル方向の荷重およびスラスト方向の荷重を非接触で支えることができる。このため、動力損失がほとんど発生しないので、プーリ２を安定した状態で高速に回転させることができる。また、ラジアル軸受隙間６０から排気される圧縮空気ｆ１をスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂ内の空気膜の形成に利用しているため、スラスト軸受面１２１、１３１からスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂに圧縮空気を噴出する仕組みを設ける必要がない。したがって、高速回転するプーリ２を保持するエアベアリングユニット４の構造を簡略化することができるとともに、エアベアリングユニット４の製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、ラジアル軸受隙間６０から排出される圧縮空気が急増した場合に、この圧縮空気の一部が、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向に重なるスラスト軸受面１３１内の環状領域１４５に設けられた吸気口１３５に流入し、貫通穴１３４により適度な絞り効果が付与された後、排気口１３６から外部へ排出される。このため、スラスト軸受隙間６１ｂに流入する圧縮空気の急増を抑制して、スラスト軸受隙間６１ｂの急激な圧力変化を減衰させることができ、これにより、プーリ２の自励振動を防止できる。したがって、プーリ２をより安定的に非接触状態で支持することができる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、ラジアル軸受隙間６０とスラスト軸受隙間６１ａ、１６ｂとの交差領域６２（プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の両端部に形成されたテーパー部２６）が圧縮空気の圧力溜りとして機能するため、エアベアリングユニット４の軸受剛性および負荷容量を向上させることができる。そして、上述の貫通穴１３４が、この圧力溜まりを外部（大気圧）とつなぐ位置に形成されているため、この圧力溜まりの急激な圧力変動が抑制される。このため、圧力溜まりに起因するプーリ２の自励振動の発生が防止される。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、エアシャフトユニット１がその両端部で保持されているため、長尺なプーリ２を保持するためにエアシャフト１１を長尺化させても、エアシャフト１１の、自重による撓みを抑制することができる。このため、わずかなラジアル軸受隙間６０をおいて対向する、プーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内周面２２１とエアシャフト１１のエアシャフト本体部１５の多孔質焼結層１１２の外周面１１２１との接触を防止することができる。このため、支持対象のプーリ２を軸心Ｏ方向に長くしても、このプーリ２を安定して非接触状態で支持することができる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、エアシャフト１１側に多孔質焼結層１１２が形成されているため、支持対象のプーリ２には、エアシャフト１１を挿入するためのエアシャフト挿入用穴２２が形成されていれば足り、特別な部位が形成されている必要がない。このため、交換部品であるプーリ２の製造コストを低減することができると共に、ランニングコストも削減することができる。

なお、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４において、例えば、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すスラストプレート１３の変形例１３Ａのように、軸心Ｏ方向（スラスト方向）においてラジアル軸受隙間６０と重なるスラスト軸受面１３１内の環状領域１４５に、吸気口１３５としての環状溝１３７を形成し、この環状溝１３７の溝底１３７１およびスラストプレート１３Ａの他方の端面１３２を貫通するように貫通穴１３４を形成してもよい。この環状溝１３７は、ラジアル軸受隙間６０とスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂとの交差領域６２とともに、圧縮空気の圧力溜りとして機能して、エアベアリングユニット４の軸受剛性および負荷容量をさらに向上させる。なお、環状溝１３７は、好ましくは、エアシャフト１１の多孔質焼結層１１２で覆われたエアシャフト本体部１５の外径Ｒ１よりも内径が大きく、かつプーリ２のエアシャフト挿入用穴２２の内径ｒ１よりも外径が小さくなるように設計される。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、ラジアル軸受隙間６０から排出される圧縮空気の一部を外部に排出する流路として、スラストプレート１３において、一方の端面であるスラスト軸受面１３１内の、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向に重なる環状領域１４５に吸気口１３５を備えるとともに、他方の端面１３２に排気口１３６を備える貫通穴１３４を設けて、ラジアル軸受隙間６０から排出された気体の一部を吸気口１３５に取り込んで排気口１３６から排出する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されない。このような流路は、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向に重なるスラスト軸受面１３１内の環状領域１４５に設けられた吸気口と、この吸気口に流入した圧縮空気を外部へ排出する排気口と、を備えたものであればよい。

例えば、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すスラストプレート１３の変形例１３Ｂのように、ラジアル軸受隙間６０とスラスト方向に重なるスラスト軸受面１３１内の環状領域１４５からスラストプレート１３の外周面１４１まで続くラジアル方向の溝１３８が、このような流路としてスラスト軸受面１３１に形成されていてもよい。この場合、スラスト軸受面１３１の内周側に位置する溝１３８の一方の端部１３９が吸気口１４２となり、スラストプレート１３の外周面１４１において開口する溝１３８の他方の端部１４０が排気口１４３となる。そして、ラジアル軸受隙間６０から排出される圧縮空気が急増した場合に、この圧縮空気の一部が吸気口１４２に流入し、溝１３８により適度な絞り効果が付与された後、排気口１４３から外部へ排出される。また、この溝１３８は、ラジアル軸受隙間６０とスラスト軸受隙間６１ａ、６１ｂとの交差領域６２とともに、圧縮空気の圧力溜りとして機能し、エアベアリングユニット４の軸受剛性および負荷容量をさらに向上させる。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、段付き円柱形状のエアシャフト１１を用いているが、このエアシャフト１１を例えば円筒状部材を利用した中空構造としてもよい。

また、本実施の形態に係るエアベアリングユニット４では、エアシャフトユニット１の給気口１１７に圧縮空気を供給することにより、多孔質焼結層１１２の外周面１１２１からラジアル軸受隙間６０に圧縮空気を供給する多孔質絞りタイプのエアベアリングを利用しているが、本発明は多孔質焼結層１１２の外周面１１２１からラジアル軸受隙間６０に圧縮空気を供給することができるものであれば、オリフィス絞りタイプ、自成絞りタイプ等のエアベアリングを利用してもよい。

以上、本実施の形態では、長尺なプーリ２を支持するエアベアリングユニット４を例に挙げたが、長尺なプーリ２以外の回転体を支持するものでもよい。例えば、通常のプーリを複数支持するものであってもよい。

１：エアシャフトユニット、２：プーリ、３Ａ、３Ｂ：シャフトホルダ、４：エアベアリングユニット、１１：エアシャフト、１２、１３、１３Ａ、１３Ｂ：スラストプレート、１４：ナット、１５：エアシャフト本体部、２０：プーリ本体部、２１：フランジ部、２２：エアシャフト挿入用穴、２３：プーリの外周面、２４Ａ、２４Ｂ：ボス、２５Ａ、２５Ｂ：プーリの端面、２６：テーパー、３２：上側ブロック材、３３：下側ブロック材、３４：ボルト、３５：フランジ、１１１：バックメタル、１１２：多孔質焼結層、１１５：ロッド部、１１６：通気路、１１７：給気口、１１８：ネジ部、１２１、１３１：スラスト軸受面、１２２、１３２：スラストプレートの端面、１３３：シャフト挿入用穴、１３４：貫通穴、１３５、１３９、１４２：給気口、１３６、１４０、１４３：排気口、１３７：環状溝、１３８：溝、１４１：スラストプレートの外周面、２２１：プーリの内周面、２４１Ａ、２４１Ｂ：ボスの端面、３２１：上側ブロック材の下面、３２２：上側ブロック材のボルト穴、３３１：下側ブロック材の上面、３３２：下側ブロック材のボルト穴、１１２１：多孔質焼結層の外周面、１１４１：エアシャフト本体部の端面（段差面）、１１４２：バックメタル部の外周面、１１４３：環状溝、１１４４：孔、１１５１：ネジ部、１３７１：溝底

Claims

両端面をスラスト方向に貫通するエアシャフト用挿入穴が形成された回転体を非接触状態で支持する静圧気体軸受装置であって、
前記エアシャフト用挿入穴の内径よりも小さい外径を有し、当該エアシャフト用挿入穴に挿入されるエアシャフトと、
前記エアシャフト用挿入穴に前記エアシャフトが挿入された前記回転体を、前記スラスト方向において前記両端面側から非接触で挟み込む一対のスラストプレートと、を有し、
前記エアシャフトは、
ラジアル軸受隙間を介して前記回転体の前記エアシャフト用挿入穴の内周面と対面し、当該ラジアル軸受隙間に気体を噴出する外周面を有し、
前記一対のスラストプレートの各々は、
スラスト軸受隙間を介して前記回転体の前記端面と対面する一方の端面にスラスト軸受面を有し、
前記一対のスラストプレートの少なくとも一方は、
前記スラスト軸受面において前記ラジアル軸受隙間と前記スラスト方向に重なる環状領域に設けられた環状溝と、当該環状溝の溝底に設けられた吸気口と、当該吸気口に流入した気体を外部へ排出する排気口と、を備えた流路を有する
ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
請求項１に記載の静圧気体軸受装置であって、
前記流路は、前記吸気口から前記スラストプレートの他方の端面まで前記スラスト方向に貫通する貫通穴を具備している
ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
請求項１または２に記載の静圧気体軸受装置であって、
前記吸気口は、前記環状領域内に収まるように形成されている
ことを特徴する静圧気体軸受装置。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置であって、
前記流路の前記排気口に接続され、当該排気口から排出される気体の流量を調節する流量調節手段をさらに有する
ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置であって、
前記エアシャフト用挿入穴の両端部にテーパーが形成された前記回転体をさらに有する
ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の静圧気体軸受装置であって、
前記一対のスラストプレートの一方は、
前記エアシャフトの一方の端部に一体的に形成されており、
前記エアシャフトは、
円柱状あるいは円筒状のバックメタルと、
前記バックメタルの外周面に形成された多孔質層と、を有する
ことを特徴とする静圧気体軸受装置。