JPH06249236A - 空気動圧軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】剛性及び負荷容量が高く、使用用途に制限され
ることなく各種軸受部に適用可能な空気動圧軸受を提供
すると共に、軸受の発熱による軸受クリアランスの変動
を抑え、高い剛性及び負荷容量を確保することが可能な
空気動圧軸受を提供することにある。 【構成】回転軸１を支承するラジアル空気動圧軸受３及
び一対のスラスト空気動圧軸受４，４を備え、上記ラジ
アル空気動圧軸受３の両端にスラスト空気動圧軸受４を
配設してこれら空気動圧軸受３，４の軸受クリアランス
を連通連結させると共に、上記スラスト空気動圧軸受３
にはポンプイン型のスパイラル状溝を形成し、作動流体
である空気をスラスト空気動圧軸受３からラジアル空気
動圧軸受４へ押し込むように構成したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気の動圧を利用して
回転軸を支承する空気動圧軸受に係り、詳細には、当該
軸受の負荷容量及び剛性を高めるための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気の潤滑膜によって回転軸を非接触に
支承する空気軸受は、空気に付加する圧力をコンプレッ
サ等の加圧機によって与える静圧型と、加圧機を使用せ
ずに軸の回転によってこれを得る動圧型とに分類され
る。後者の動圧型すなわち空気動圧軸受は加圧機が必要
ないので、その分だけ前者の静圧型に比べて機器構成を
簡略化でき、メインテナンスも容易であるといった利点
を備えている。また、加圧機が必要ないので、騒音や振
動の発生がないといった利点を備えている。

【０００３】しかし、動圧型は軸の回転によって空気に
圧力を付加しているので、静圧型に比較して負荷容量及
び剛性が低く、また変動荷重及び衝撃荷重に弱いといっ
た欠点を有している。このため、従来の空気動圧軸受は
その使用用途が軽荷重で負荷変動の少ない軸受部、例え
ばレーザープリンタのポリゴンミラー等に限られてお
り、高い剛性と負荷容量が要求される軸受部、例えば工
作機械のスピンドル等については静圧型のものを使用せ
ざるを得なかった。

【０００４】空気動圧軸受の負荷容量及び剛性を向上さ
せるためには、空気潤滑膜の発生する軸受クリアランス
を小さくして空気に付加する圧力を高めれば良いのであ
るが、軸が回転すると空気に剪断摩擦熱が発生し、この
剪断摩擦熱によって軸受材料が膨張するので、この膨張
分を見込んで軸受クリアランスを設定する必要があり、
軸受クリアランスを小さく設計することには限界があっ
た。

【０００５】また、従来では熱膨張による軸受クリアラ
ンスの変動を抑える目的で、セラミクスを軸受材料に使
用した空気動圧軸受も提案されているが、その負荷容量
及び剛性は未だに十分とは言えず、やはり高い剛性と負
荷容量が要求される軸受部に使用することはできなかっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の空
気動圧軸受は静圧軸受に比較して優れた点を備えてはい
るものの、剛性及び負荷容量が低いために使用用途が著
しく制限され、各種軸受部への適用の妨げとなってい
た。

【０００７】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであり、その目的とするところは、剛性及び負荷容
量が高く、使用用途に制限されることなく各種軸受部に
適用可能な空気動圧軸受を提供することにある。

【０００８】また、本発明の他の目的は、軸受の発熱に
よる軸受クリアランスの変動を抑え、高い剛性及び負荷
容量を確保することが可能な空気動圧軸受を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の空気動圧軸受は、回転軸を支承するラジア
ル空気動圧軸受及び一対のスラスト空気動圧軸受を備
え、上記ラジアル空気動圧軸受の両端にスラスト空気動
圧軸受を配設してこれら空気動圧軸受の軸受クリアラン
スを連通連結させると共に、上記スラスト空気動圧軸受
にはポンプイン型のスパイラル状溝を形成し、作動流体
である空気をスラスト空気動圧軸受からラジアル空気動
圧軸受へ押し込むように構成したことを特徴とするもの
である。

【００１０】また、このような技術的手段においては、
上記ラジアル空気動圧軸受から吐出された作動流体を上
記スラスト空気動圧軸受に循環させる流体通路を設ける
のが好ましく、更にはこの流体通路の途中に作動流体の
冷却手段を設けるのが好ましい。

【００１１】更に、このような技術的手段においては、
上記スラスト空気動圧軸受のポンプイン型スパイラル状
溝の外周側にポンプアウト型のスパイラル状溝を形成
し、作動流体がこれらスパイラル状溝の境界部で当該軸
受に供給されるように構成することが好ましい。

【００１２】

【作用】上記技術的手段は次のように作用する。請求項
１記載の空気動圧軸受によれば、ポンプイン型のスパイ
ラル状溝を備えた一対のスラスト空気動圧軸受をラジア
ル空気動圧軸受の両側に配設し、作動流体である空気を
スラスト空気動圧軸受からラジアル空気動圧軸受へ押し
込むように構成しているので、軸受内における空気の循
環量が増加し、空気に付加する圧力を高めることができ
る。その結果、空気動圧軸受の負荷容量及び剛性が向上
する。

【００１３】また、請求項２記載の空気動圧軸受によれ
ば、ラジアル空気動圧軸受から吐出した作動流体をスラ
スト空気動圧軸受に循環させる流体通路を設けているの
で、剪断摩擦熱によって高温となった作動流体が軸受内
に滞留することがなく、軸受の冷却効果が促進される。
このため、軸受の発熱による軸受クリアランスの変動を
抑えてこれを無視することができ、その分だけ軸受クリ
アランスを小さく設定できる。その結果、空気動圧軸受
の負荷容量及び剛性が一段と向上する。

【００１４】また、請求項３記載の空気動圧軸受によれ
ば、上記流体通路の途中に作動流体の冷却手段を設けて
いるので、軸受には常に除熱された作動流体が供給され
るので、請求項２記載の空気動圧軸受の作用が更に顕著
に引き出される。

【００１５】更に、請求項４記載の空気動圧軸受によれ
ば、スラスト空気動圧軸受のポンプイン型のスパイラル
状溝の外周側にポンプアウト型のスパイラル状溝を形成
し、これらスパイラル状溝の境界部で作動流体が当該軸
受に供給されるように構成したので、スラスト空気動圧
軸受に供給された作動流体の一部はポンプイン型スパイ
ラル状溝によってラジアル空気動圧軸受に押し込まれる
一方、残りの作動流体はポンプアウト型スパイラル状溝
によってスラスト空気動圧軸受の外周に吐出される。こ
のため、作動流体である空気はスラスト空気動圧軸受の
外周側から当該軸受に吸い込まれることがなく、軸受内
を循環する空気はスパイラル状溝の境界部に供給される
分のみとなるので、軸受内に吸い込まれる空気の温度制
御及び清浄化を容易に行うことができる。

【００１６】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の空気動圧
軸受を詳細に説明する。図１は本発明を適用した工作機
械用スピンドルの一実施例を示すものである。この実施
例のスピンドルは主軸１を駆動するモータが一体に組み
込まれたビルトインタイプであり、主軸１の回転を支承
する軸受部１０と、この軸受部１０に固定されたモータ
部２０とから構成されている。

【００１７】先ず、上記軸受部１０は、軸端に工具ある
いは工作物（図示せず）が固定される主軸１と、この主
軸１をハウジング２に対して回転自在に支承するラジア
ル空気動圧軸受（以下、ラジアル軸受）３及び一対のス
ラスト空気動圧軸受（以下、スラスト軸受）４，４とか
ら構成されている。

【００１８】上記ラジアル軸受３は上記主軸１に接着接
合された内輪３１と、この内輪３１と所定の軸受クリア
ランスを保持して上記ハウジング２に焼き嵌めされた外
輪３２とから構成されている。上記内輪３１の周面に
は、図２に示すような二重のヘーリング・ボーン状パタ
ーンを有する動圧発生用溝３３，３３が形成されてお
り、その溝深さは１０μｍ、溝本数は１５本、主軸回転
方向（矢線Ａ方向）に対する溝角度β＝３０°である。
従って、この内輪３１が主軸１と共に矢線Ａ方向へ回転
すると、作動流体である空気は内輪３１の軸方向両端及
びヘーリングボーン状溝３３，３３の境界部（矢線Ｃ位
置）から各ヘーリング・ボーン状溝３３の中央部（矢線
Ｄ位置）へ流動し、この位置で高い動圧が発生する。

【００１９】また、上記一対のスラスト軸受４，４は上
記ラジアル軸受３の内輪３１を挟み込むようにして上記
主軸１に嵌め合い接合され、押さえ板１１，１２及び止
めねじ１３，１４によってラジアル軸受３の内輪３１に
押し当てられている。各スラスト軸受４のラジアル軸受
３側の表面にはスパイラル状パターンを有する動圧発生
用溝４１が形成されている。図３はこの動圧発生用溝４
１のパターンを示すものであり、内周側にはポンプイン
型スパイラル状溝４２が形成される一方、外周側にはポ
ンプアウト型スパイラル状溝４３が形成されている。従
って、スラスト軸受４が主軸１と共に矢線Ｂ方向へ回転
すると、ポンプイン型スパイラル状溝４２が作動流体で
ある空気を内周方向へ吸い込む一方、ポンプアウト型ス
パイラル状溝４３は空気を外周方向へ吐出する。各スパ
イラル状溝４２，４３は深さ１５μｍ、溝本数３０本、
円周方向に対する溝角度α＝１６°である。また、図３
中に示されたＲ₀＝２０ｍｍ、Ｒ_m＝３５ｍｍ、Ｒ₁＝４
２ｍｍ、Ｒ₂＝４４ｍｍ、Ｒ ₃＝４５ｍｍである。

【００２０】ラジアル軸受３の外輪３２はその軸方向の
長さが内輪３１のそれよりも５〜２０μｍ短く形成され
ており、これによって上記外輪３２の端面とスラスト軸
受４との間に所定の軸受クリアランスが保持されるよう
になっている。５μｍ以下では各スラスト軸受４の軸受
クリアランスが２．５μｍ以下となるので、外輪３２の
端面のうねりや平面度がスラスト軸受４の性能に大きく
影響を及ぼす他、作動流体である空気には多量の剪断摩
擦熱が発生してしまう。また、２０μｍ以上では、各ス
ラスト軸受４の軸受クリアランスが１０μｍ以上となる
ので、スラスト軸受４の負荷容量及び剛性が低くなり、
機械工作用のスピンドルとしては不適当である。それ
故、本実施例ではこの値を１０μｍに設定した。

【００２１】上記ラジアル軸受の内外輪３１，３２及び
スラスト軸受４にはアルミナ焼結体のセラミクス材を用
い、上記ヘーリングボーン状溝３３及びスパイラル状溝
４１の加工はショット・ブラスト、砥粒液中での超音波
加工、レーザー等で容易に行うことができる。本実施例
では、内輪３１あるいはスラスト軸受４の溝加工面に樹
脂製マスクを貼り付け、３５０メッシュのＡｌ₂Ｏ₃砥粒
を用いたショットブラストにより行った。溝深さは軸受
クリアランスによって適切な深さが決まるが、今回は内
輪３１のヘーリングボーン状溝３３の深さを１０μｍ、
スラスト軸受４のスパイラル状溝４１の深さを１５μｍ
とした。

【００２２】また、上記ラジアル軸受３の外輪３２の外
周面には円周方向に沿ってリング状溝３４が形成されて
おり、このリング状溝３４内の雰囲気はハウジング２に
穿設された吸気口２１によって外気と連通連結されてい
る。この吸気口にはハウジング２内に吸い込んだ外気か
ら塵芥や湿分を取り除くフィルター２２が装着されてい
る。更に、上記外輪３２には上記リング状溝３４と各ス
ラスト軸受４，４の軸受クリアランスとを連通連結する
流体供給通路３５が軸方向に貫通する一方、上記リング
状溝３４とラジアル軸受３の軸受クリアランスとを連通
連結する流体供給通路３６が半径方向に貫通している。
上記流体供給通路３５のスラスト軸受４側の開口は、ス
ラスト軸受４に形成されたポンプイン型スパイラル状溝
４２とポンプアウト型スパイラル状溝４３の境界部に対
向している。また、上記流体供給通路３６のラジアル軸
受３側の開口は二重に形成されたヘーリングボーン状溝
３３，３３の境界部、すなわち図２に示す矢線Ｃの位置
に対向している。そして、これらの流体供給通路３５，
３６は外輪３２の円周方向に沿って１２０°の等間隔で
３箇所に形成されている。

【００２３】更に、上記外輪３２には上記リング状溝３
４とラジアル軸受３の軸受クリアランスとを連通連結す
る流体排出通路３７が形成されている。この流体排出通
路３７は主軸１を挟んで上記流体供給通路３５，３６の
形成位置と対向する位置に形成されている。そして、こ
の流体排出通路３７のラジアル軸受３側の開口は各ヘー
リングボーン状溝３３の中央部、すなわち図２に示す矢
線Ｄの位置に対向している。

【００２４】次に、上記モータ部２０について説明する
と、符号２３は押さえ板１２を介して主軸１と結合され
たロータ、符号２４はモータハウジング２５に固定され
たステータであり、上記モータハウジング２５は軸受部
２０のハウジング２に固定されている。また、上記ステ
ータ２４とモータハウジング２５との間にはウォーター
ジャケット２６が配設され、冷却水２７によって上記ス
テータ２４の過熱を防止している。更に、符号２８はロ
ータリーエンコーダであり、ロータ２３の回転数すなわ
ち主軸１の回転数を検出するように構成されている。そ
して、このように構成されたモータ部２０はカバー２９
によって覆われている。

【００２５】また、図１中において、符号５０は主軸１
側の押さえ板１２に固定されたマグネット、符号５１は
ハウジング２側に固定されたマグネット５１であり、こ
れらマグネットの反発力によって主軸を軸方向に浮上支
持するように構成されている。これにより空気動圧の発
生が不十分な起動時及び停止時においても、スラスト軸
受４とラジアル軸受３とが固体接触するのを防止するこ
とができる。

【００２６】以上のように構成された本実施例のスピン
ドルにおいて、モータ部２０のロータ２３が回転してこ
れに連結された主軸１が回転すると、上記軸受部ではラ
ジアル軸受３及びスラスト軸受４の軸受クリアランスに
空気動圧が発生し、主軸１は空気潤滑膜によって非接触
でその回転を支承される。

【００２７】図４及び図５はこのときの軸受部１０にお
ける空気の流れを示したものである。先ず主軸１が回転
すると、スラスト軸受４のポンプイン型スパイラル状溝
４２が内周方向に向けて空気を吸い込む一方、ポンプア
ウト型スパイラル状溝４３は空気を外周方向に吐出する
ので、これらスパイラル状溝４２，４３の境界部は負圧
となる。また同様にして、ラジアル軸受３では二重に形
成されたヘーリングボーン状溝３３，３３の境界部が負
圧となる。このため、図４に矢線で示すように、ハウジ
ング２外の空気は吸気口２１を介してリンク状溝３４に
吸い込まれ、流体供給通路３５，３６を通ってラジアル
軸受３及びスラスト軸受４の軸受クリアランスに夫々供
給される。

【００２８】このとき、スラスト軸受４の軸受クリアラ
ンスとラジアル軸受３の軸受クリアランスとは連通連結
しているので、スラスト軸受４のポンプイン型スパイラ
ル状溝４２はスラスト軸受４に供給された空気をラジア
ル軸受３に押し込む働きをする。その結果、各軸受３，
４内における空気の循環量が増加し、空気に付加する圧
力を高めることができ、各軸受３，４の負荷容量及び剛
性が向上する。

【００２９】また、このときにスラスト軸受４の外周か
らはポンプアウト型スパイラル状溝４３の働きによって
空気が吐出しているので、スラスト軸受４の軸受クリア
ランスに対して当該軸受４の外周部から空気が流入する
ことは一切ない。従って、スラスト軸受４及びラジアル
軸受３に供給される空気は必ず吸気口２１のフィルター
２２を通してハウジング２内に吸引されるので、これら
軸受３，４内の空気は常に清浄なものなる。

【００３０】次に、スラスト軸受４によってラジアル軸
受３に押し込まれた空気あるいは流体供給通路３６によ
ってラジアル軸受３に吸い込まれた空気について考察す
ると、これら空気は内輪３１に形成された各ヘーリング
ボーン状溝３３，３３の中央部（図２の矢線Ｄ位置）に
導かれて昇圧する。このため、図５に矢線て示すよう
に、昇圧した空気は外輪３２に形成された流体排出通路
３７を通ってリング状溝３４に排出される。そして、リ
ング状溝３４に排出された空気は流体供給通路３５，３
６によって再度スラスト軸受４及びラジアル軸受３に供
給される。つまり、本実施例においてはスラスト軸受４
の外周からハウジング外へ吐出される空気量の分だけが
吸気口２１からハウジング２内に吸引され、ラジアル軸
受３に流入した空気量の分は常にハウジング２内を循環
している。

【００３１】このため、剪断摩擦熱によって高温となっ
た空気の軸受３，４内での滞留が防止され、ラジアル軸
受３の内輪３１あるいはスラスト軸受４の熱膨張を抑え
ることができる。また、ラジアル軸受３から吐出した空
気はリング状溝３４においてハウジング２に接するの
で、ハウジング２が高温となった空気を冷却する働きを
なし、空気はスラスト軸受４へ再供給される迄の間に除
熱される。すなわち、本実施例ではハウジング２が本発
明の冷却手段を構成し、これによって内輪３１あるいは
スラスト軸受４の熱膨張をより一層効果的に抑えること
ができる。

【００３２】その結果、本実施例ではラジアル軸受３及
びスラスト軸受４の軸受クリアランスを従来よりも小さ
く設定することができるので、その分だけ作動流体であ
る空気に付加する圧力を上昇させることができ、各軸受
３，４の負荷容量及び剛性を高めることができる。

【００３３】ハウジング内を循環する空気量は、ラジア
ル軸受３の外輪３２に形成した流体供給通路３５，３６
及び流体排出通路３７の孔径で自在に調節することがで
き、この孔径は０．２〜２ｍｍである。０．２ｍｍ以下
では加工が困難であり、また２ｍｍ以上では循環過多と
なって空気に十分な動圧を発生させることができないか
らである。従って、本実施例ではこれら通路３５，３
６，３７の孔径を０．５ｍｍとした。

【００３４】また、本実施例のスピンドルはその主軸１
の回転速度が高くなるにつれてスラスト軸受４からラジ
アル軸受３に押し込まれる空気量が増加するので、主軸
１の回転速度が高いほど負荷容量及び剛性が向上する。
更に、主軸１の回転速度が高くなれば軸受３，４内の空
気の循環も促進されるので、軸受の冷却効果が一層顕著
に現れる。つまり、本実施例のスビンドルはより高速回
転に適したものとなっている。

【００３５】尚、本実施例ではハウジング２の自然放冷
によってハウジング２内を循環する空気の冷却を行った
が、ハウジング２にウォータージャケット等を装着して
流体供給通路３５，３６及び流体排出通路３７を強制的
に冷却すれば、更なる効果を得ることもできる。また、
本実施例では吸気２１口にフィルター２２を装着してハ
ウジング２内に吸い込む空気の清浄化を行ったが、ハウ
ジング２外にエアクリーナーを設けてこのクリーナーと
吸気口２１とをホースで連結するように構成しても良
い。

【００３６】以下に示す表１は、本実施例のスピンドル
と従来のスピンドルとの性能及び製造コストを比較した
ものである。表中において、従来品Ｉは軸受クリアラン
スを５μｍに設定した空気静圧軸受で主軸を支承したス
ピンドルであり主軸回転数は８０００ｒｐｍ、従来品Ｉ
Ｉはボール軸受で主軸を支承したスピンドルであり主軸
回転数は６８００ｒｐｍである。また、本実施例の主軸
回転数は１００００ｒｐｍである。この比較結果から明
らかなように、本実施例のスピンドルは温度上昇の防
止、高速回転への適応性、剛性のいずれについても従来
品より良好な結果を示した。

【００３７】

【表１】

【００３８】また、以下の表２に本実施例のスピンドル
及び上記従来品Ｉに係るスピンドルの負荷容量、剛性値
を示す。この比較結果から明らかなように、本実施例の
スピンドルは負荷容量及び剛性値が従来品よりも格段に
向上したものとなっている。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１記載
の空気動圧軸受によれば、軸受内における空気の循環量
を増加させて空気に付加する圧力を高めることができる
ので、その分だけ負荷容量及び剛性を高めることがで
き、使用用途に制限されることなく各種軸受部にこの空
気動圧軸受を適用することが可能となる。

【００４１】また、請求項２記載の空気動圧軸受によれ
ば、軸受の冷却効果が促進されて軸受クリアランスの変
動を抑えることができるので、その分だけ軸受クリアラ
ンスを小さく設定することができ、この点においても空
気動圧軸受の負荷容量及び剛性を一段と向上させること
が可能となる。

【００４２】また、請求項３記載の空気動圧軸受によれ
ば、軸受には常に除熱された作動流体が供給されるの
で、請求項２記載の空気動圧軸受の効果を更に顕著に引
き出すことが可能となる。

【００４３】更に、請求項４記載の空気動圧軸受によれ
ば、作動流体である空気はスラスト空気動圧軸受の外周
側から当該軸受に吸い込まれることがないので、作動流
体の軸受内への吸気経路を一元化することができ、作動
流体である空気の温度制御及び清浄化を容易に行うこと
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の空気動圧軸受を適用したスピンドル
の実施例を示す概略図である。

【図２】 実施例に係るラジアル空気動圧軸受のヘーリ
ングボーン状溝のパターンを示す図である。

【図３】 実施例に係るスラスト空気動圧軸受のスパイ
ラル状溝のパターンを示す図である。

【図４】 実施例に係る軸受部の作動流体の吸気経路を
示す説明図である。

【図５】 実施例に係る軸受部の作動流体の排出経路を
示す説明図である。

【符号の説明】

１…主軸（回転軸）、３…ラジアル空気動圧軸受、４…
スラスト空気動圧軸受、３５，３６…流体供給通路、３
７…流体排出通路、４２…ポンプイン型スパイラル状
溝、４３…ポンプアウト型スパイラル状溝

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を支承するラジアル空気動圧軸受
   及び一対のスラスト空気動圧軸受を備え、 上記ラジアル空気動圧軸受の両端にスラスト空気動圧軸
   受を配設してこれら空気動圧軸受の軸受クリアランスを
   連通連結させると共に、 上記スラスト空気動圧軸受にはポンプイン型のスパイラ
   ル状溝を形成し、作動流体である空気をスラスト空気動
   圧軸受からラジアル空気動圧軸受へ押し込むように構成
   したことを特徴とする空気動圧軸受。
2. 【請求項２】 請求項１記載の空気動圧軸受において、
   上記ラジアル空気動圧軸受から吐出された作動流体を上
   記スラスト空気動圧軸受に循環させる流体通路を設けた
   ことを特徴とする空気動圧軸受。
3. 【請求項３】 請求項２記載の空気動圧軸受において、
   上記流体通路の途中に作動流体の冷却手段を設けたこと
   を特徴とする空気動圧軸受。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の空気動圧軸受において、上記スラスト空気動圧軸受は
   ポンプイン型スパイラル状溝の外周側にポンプアウト型
   のスパイラル状溝を備え、空気はこれらスパイラル状溝
   の境界部で当該軸受に供給されることを特徴とする空気
   動圧軸受。