JPH09242756A

JPH09242756A - 支持装置および軸受

Info

Publication number: JPH09242756A
Application number: JP8087396A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Sawada; 潔沢田; Shunichi Otaka; 俊一尾高
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1997-09-16

Abstract

(57)【要約】【課題】部材を離間させる方向に作用する外力の変動
に対し、安定して部材間の間隙を維持することのできる
支持装置を提供すること。【解決手段】流体噴出孔４から噴出する流体の排斥力
Ｆ１により被支持部材３を排斥する一方、流体吸入口５
から吸入される流体の吸引力Ｆ２により被支持部材３を
引き付け、両者のバランスにより、支持部材２に対する
被支持部材３の離間距離Ｄを、設定値Ｄ０の近傍に保持
する。被支持部材３の重量をＭＧとした場合、排斥力Ｆ
１および吸引力Ｆ２の大きさと減衰特性は、Ｄ＜Ｄ０の
領域でＦ１＋ＭＧ＋Ｆ２＞０、Ｄ０を始点とするＤ＞Ｄ
０の所定区間でＦ１＋ＭＧ＋Ｆ２＜０、Ｄ＝Ｄ０の位置
でＦ１＋ＭＧ＋Ｆ２＝０となるように設計する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、支持装置および軸
受の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】支持装置の一種として利用されている公
知の静圧軸受の作用原理を図１に示す。図１に於いて、
１０１ａは図中上下方向の中心軸を有する回転軸１０１
の軸端、１０２ａは軸端１０１ａを支える軸受面であっ
て、流体噴出孔１０３ａを備える。流体噴出孔１０３ａ
から一定の給気圧Ｐで流体を噴出させたときに軸端１０
１ａに作用する排斥力Ｆの大きさは、軸端１０１ａの面
積Ｓの大きさや給気圧Ｐの大きさにもよるが、軸受面１
０２ａと軸端１０１ａとの間の間隙Ｄの変化に応じ、定
性的に見て図２のように変化する。しかし、実際には回
転軸１０１には軸方向の外力、つまり、軸端１０１ａを
軸受面１０２ａから離間させたり接近させたりする方向
の力が変動的に作用するので、間隙Ｄを略一定の値に維
持して軸端１０１ａを保持するためには、排斥力Ｆだけ
では不十分であり、これに対向する力、つまり、軸端１
０１ａを軸受面１０２ａに接近させるための力が必要と
なる。

【０００３】これを実現する最も簡単な方法は、回転軸
１０１のもう一方の軸端１０１ｂに軸端１０１ａの側と
同様の構成を適用し、図３のような構成とすることであ
る。軸端１０１ａを軸受面１０２ａから離間させる方向
の力を正とすると、軸端１０１ａ，１０１ｂに作用する
排斥力Ｆ１，Ｆ２の大きさは、軸受面１０２ａと軸端１
０１ａとの間の間隙Ｄ１の変化に応じ、定性的に見て図
４のように変化し、結果的に、排斥力Ｆ１，Ｆ２の合力
Ｆが零となるＤ１の位置、つまり、Ｄ１＝Ｄ０のところ
で回転体１０１の軸方向位置が安定することになる。ま
た、Ｄ１＜Ｄ０の区間ではＦ＞０となって軸端１０１ａ
を軸受面１０２ａから離間させようとする力が働き、Ｄ
１＞Ｄ０の区間ではＦ＜０となって軸端１０１ａを軸受
面１０２ａに接近させようとする力が働くので、回転軸
１０１の軸方向に作用する変動的な外力に対しても所定
の範囲で対処することができ、この変動的な外力が取り
除かれれば、回転軸１０１はＤ１＝Ｄ０の位置に自動的
に安定することになる。

【０００４】また、図５に示すように中心軸が必ず上下
方向を向く回転軸１０１に於いては、前述の排斥力Ｆ２
に代えて回転軸１０１自体の重量ＭＧを釣り合いのため
の力として利用することができる。この場合は、図６に
示す通り、軸端１０１ａを軸受面１０２ａに接近させる
方向に作用する重量ＭＧの大きさは間隙Ｄに関わりなく
一定で、結果的に、排斥力Ｆ１，重量ＭＧを合わせた正
味の排斥力Ｆが零となるＤの位置、つまり、Ｄ＝Ｄ０の
ところで回転体１０１の軸方向位置が安定することにな
る。前記と同様、Ｄ＜Ｄ０の区間ではＦ＞０となって軸
端１０１ａを軸受面１０２ａから離間させようとする力
が働き、Ｄ＞Ｄ０の区間ではＦ＜０となって軸端１０１
ａを軸受面１０２ａに接近させようとする力が働くの
で、回転軸１０１の軸方向に作用する変動的な外力に対
しても所定の範囲で対処することができ、この変動的な
外力が取り除かれれば、回転軸１０１はＤ＝Ｄ０の位置
に自動的に安定することになる。

【０００５】更に、図７に示すように回転軸１０１の一
定方向に定常的な外力Ｆｅ、例えば、工具押圧力の反力
Ｆｅ等が作用する場合も、この外力Ｆｅを前述の排斥力
Ｆ２に代えて釣り合いのための力として利用することが
できる。この場合は、図８に示す通り、軸端１０１ａを
軸受面１０２ａに接近させる方向に作用する定常的な外
力Ｆｅの大きさは間隙Ｄに関わりなく一定で、結果的
に、排斥力Ｆ１，定常的な外力Ｆｅを合わせた正味の排
斥力Ｆが零となるＤの位置、つまり、Ｄ＝Ｄ０のところ
で回転体１０１の軸方向位置が安定することになる。前
記と同様、Ｄ＜Ｄ０の区間ではＦ＞０となって軸端１０
１ａを軸受面１０２ａから離間させようとする力が働
き、Ｄ＞Ｄ０の区間ではＦ＜０となって軸端１０１ａを
軸受面１０２ａに接近させようとする力が働くので、回
転軸１０１の軸方向に作用する変動的な外力（定常的な
外力Ｆｅ以外の外乱）に対しても所定の範囲で対処する
ことができ、この変動的な外力が取り除かれれば、回転
軸１０１はＤ＝Ｄ０の位置に自動的に安定することにな
る。

【０００６】既に述べた通り、回転軸１０１の軸方向位
置を安定させるためには図３に示すような構成をとれば
よいのだが、実際に回転軸１０１を駆動軸や従動軸また
はアイドラー等として利用する場合には、軸端１０１ａ
や１０１ｂを軸受面１０２ａまたは１０２ｂよりも外側
に突出させて他の部材と係合させる必要があり、そのた
めには、図９に示すように回転軸１０１の軸端１０１ａ
や１０１ｂを縮径化しなければならず、この縮径化が構
造的な強度の低下を招くといった欠点がある。

【０００７】また、この種の支持装置を単なる支持装置
として利用する方法として、近接して配置される２つの
部材の一方を他方との間に略一定の間隙をおいて保持す
るといった使い方がある。例えば、図５に示す１０２ａ
を載置面としての部材、また、１０１を載置物としての
部材とするなら、前記一方の部材が載置面１０２ａ、前
記他方の部材が載置物１０１であって、前述の排斥力Ｆ
１により載置物１０１の重量ＭＧが支えられて、載置面
１０２ａと載置物１０１との間に間隙Ｄが形成されてい
るということになる。

【０００８】この種の支持装置を単なる支持装置として
利用する場合の欠点は、まず、載置物１０１を載置面１
０２ａから離間させる方向に作用する外力に対する安定
度が低いということにある。つまり、正圧による排斥力
Ｆ１で載置物１０１を支える図５の構成では、載置物１
０１を載置面１０２ａに押し付ける方向の力が強くなっ
たとしても、その間隙が僅かに減少するだけで排斥力Ｆ
１が著しく増大してこの力に耐えることができるが、逆
に、載置物１０１を載置面１０２ａから離間させる方向
の力が強くなると、これに反発する力が載置物１０１の
自重以外に存在せず、極めて容易に載置物１０１が載置
面１０２ａから離間してしまうのである。また、もう１
つの問題は、載置面１０２ａに対して載置物１０１を安
定的に保持するためには、必ず、載置面１０２ａの上に
載置物１０１を置かなければならず、載置物１０１に吊
設するようなかたちで載置物１０１を保持することはで
きないという点にある。

【０００９】一見すると、図５の状態から載置面１０２
ａと載置物１０１との位置関係を入れ替え、吊設物とな
った載置物１０１の重量ＭＧに見合う力で流体噴出孔１
０３ａから載置物１０１を吸引すればよいようだが、実
際には、このような構成をとると載置物１０１が落下す
るか流体噴出孔１０３ａに張り付くかのいずれかであ
る。つまり、負圧による吸引力で載置物１０１を吊設し
た場合では、載置物１０１を載置面１０２ａから引き離
す方向の力が作用して間隙が僅かに増大しただけでも吸
引力の方は極度に弱まり、載置物１０１が直ちに落下し
てしまうといった現象が生じるのである。要するに、載
置面１０２ａと載置物１０１との間隙が小さい区間では
距離変化に対する吸引力の変化が極めて大きいというこ
とであって、逆に、外乱の変動による載置物１０１の落
下を防止するために少しでも吸引力を強くしようものな
ら、載置物１０１は流体噴出孔１０３ａに張り付いてし
まうのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、部材
の接離方向に対して作用する外力の変動に対しても安定
して部材間の間隙を維持することのできる支持装置を提
供することにあり、更に、軸受にあっては、軸端の縮径
化を必要とせず、軸方向位置の安定を回転軸の一端面だ
けで保持することのできる軸受を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、近接して配置
される部材の対向面の一方に、流体噴出孔と流体吸入孔
とを設け、前記流体噴出孔から噴出する流体が他方の部
材の対向面を退ける排斥力と、前記流体吸入孔から吸入
される流体が前記他方の部材の対向面を引き付ける吸引
力とにより、前記部材間に間隙をおいて一方の部材に対
して他方の部材を支持するようにしたことを特徴とする
構成を有する。

【００１２】流体噴出孔から噴出する流体の排斥力と流
体吸入孔から吸入される流体の吸引力の各々の大きさ、
および、その減衰特性の相互関係は、前記一方の対向面
と他方の対向面との間の間隙が設定値となるときに排斥
力と吸引力と前記他方の対向面に作用する外力との和が
零となり、前記一方の対向面と他方の対向面との間の間
隙が前記設定値よりも小さいときには前記和が排斥力と
して作用し、かつ、前記一方の対向面と他方の対向面と
の間の間隙が前記設定値よりも大きいときには前記和が
吸引力として作用するように設計する。

【００１３】その結果、前記部材間の間隙の大きさは外
力の変動に応じて前記和が零となるように僅かに変化
し、部材間の間隙が略一定の量に保持される。外力が変
動しても部材間の間隙が大きく変化しないのは、部材を
相互に接近させる方向の力が強くなっても、その間隙が
僅かに減少するだけで流体の噴出による排斥力が著しく
増大し、この荷重に耐えて間隙の変動量を最小限度に食
い止めるからであり、また、部材を離間させる方向の力
が作用したときには、この力に抗し、流体吸入孔から吸
入される流体の吸引力が反力として作用するからであ
る。

【００１４】流体としては、気体および液体を使用する
ことができ、気体の場合では無害な空気等が望ましい。
また、排斥力もしくは吸引力のどちらか一方を流体では
なく磁石による磁力によって発生させるようにしてもよ
い。当然、このような支持装置を軸受に適用する場合に
は、流体噴出孔と流体吸入孔を固定側の部材である軸受
面に設け、この軸受面で可動側である回転軸の一端面を
支持するようにする。

【００１５】この軸受は、工作機械の工具の回転運動を
支持するための軸受、特に、工具に作用する軸方向の外
力を支持するスラスト軸受等として使用することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１０は、本発明の支持装置の原
理を説明する説明図である。本発明は、支持面となる支
持部材２の上に支持間隙Ｄをもって被支持体３を保持す
るもので、前記支持部材２には、流体噴出孔もしくは流
体吸入孔を構成する流体供給孔４，５が設けられ該流体
供給孔４，５には圧力源からそれぞれ給気圧Ｐ１，Ｐ２
の流体が供給されるものとする。なお、給気圧Ｐ１，Ｐ
２は大気圧を基準としたゲージ圧であるので、−１気圧
までの負の圧力あるいは正の圧力である。また、流体供
給孔４，５によって支持間隙Ｄへ供給される流体の供給
経路のコンダクタンスをそれぞれｋc1、ｋc2（流体絞り
機構の抵抗の逆数）とする。また、被支持体３が支持部
材２に対面する支持面において、給気圧Ｐ１，Ｐ２の圧
力源から出入りする流体が達する範囲の面積に圧力分布
を積分して求めた面積をＳ１、Ｓ２とする。圧力は支持
面の吐出口の圧力を基準にするので実行面積Ｓ１、Ｓ２
は物理的面積より小さくなる。

【００１７】支持面と被支持体３との間隙Ｄが変わる
と、各部の流体の抵抗は間隙Ｄの３乗に逆比例して変化
するが、全体で均一に間隙Ｄが変化するならば全体の流
れの場は相似なので圧力分布、即ち実行面積Ｓ１，Ｓ２
も一定である。Ｂ１，Ｂ２は各流体供給孔４．５から支
持装置外への流体の流出経路の有効幅であり、これによ
り該流出経路の抵抗は１／（Ｂ１×Ｄ³）、１／（Ｂ２
×Ｄ³）として表される。また、Ｂ３は、流体供給孔
４，５間に流れる流体の経路の有効幅であり、この経路
の抵抗は１／（Ｂ３×Ｄ³）として表される。

【００１８】そこで、まず、流体供給孔４，５間に流体
が流れないとして図１０の等価回路を考えると図１１の
ようになる。なお、流体供給孔４，５間に流体が流れ
ず、給気圧Ｐ１，Ｐ２間に流体が流れないから有効面積
Ｓ１とＳ２は物理的に重なり合う部分を持たない。ま
た、Ｐ１´、Ｐ２´は流体が被支持部材３に作用する供
給側の圧力であり、この圧力に上記有効面積Ｓ１、Ｓ２
をそれぞれ乗じたものがそれぞれの面積による支持力Ｆ
１、Ｆ２となるとする。この図１１から、給気圧Ｐ１に
よる被支持体３の支持力Ｆ１は次の第１式で示される。

【００１９】Ｆ１＝Ｐ１´・Ｓ１＝Ｐ１・Ｓ１・ｋc1／（ｋc1＋Ｂ１・Ｄ³） …（１）また、給気圧Ｐ２による被支持体３の支持力Ｆ２は、Ｆ２＝Ｐ２・Ｓ２・ｋc2／（ｋc2＋Ｂ２・Ｄ³） …（２）全体の支持力Ｆは、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝{(P1・S1・ｋc1・B2＋P2・S2・ｋc2・B1）Ｄ³ ＋（P1・S1＋P2・S2) ｋc1・ｋc2｝／｛B1・B2・Ｄ⁶＋（ｋc1・B2＋ｋc2・B1）Ｄ³＋ｋc1・ｋc2｝ …（３）第３式において、Ｐ１、Ｐ２は第３式の上では対称であ
り、分母は常に正であるから、Ｐ１を正、Ｐ２を負とし
て分子を検討する。

【００２０】分子の２つの項が異符号になる場合を考え
る。Ｄ³の係数が正で、（ｋc1・ｋc2）の係数が負のと
きＰ１・Ｓ１・ｋc1・Ｂ２＋Ｐ２・Ｓ２・ｋc2・Ｂ１＞０ …（４）Ｐ１・Ｓ１＋Ｐ２・Ｓ２＜０ …（５）第４式より、Ｐ１＞−（Ｓ２／Ｓ１）・（ｋc2・Ｂ１／ｋc1・Ｂ２）
・Ｐ２第５式より、Ｐ１＜−（Ｓ２／Ｓ１）・Ｐ２故に、 −（S2／S1)(ｋc2・B1／ｋc1・B2)P2 ＜P1＜−(S2 ／S1) ・P2 …（６）即ち、ｋc2・B1＜ｋc1・B2であるときは、上記（６）式
が満たされるように、給気圧Ｐ１、Ｐ２、コンダクタン
スｋc1、ｋc2を調整すれば、第３式の分子の２つの項は
異符号となり、間隙Ｄの変化によって支持力Ｆが反転す
ることになる。

【００２１】Ｄ³の係数が負で、（ｋc1・ｋc2）の係数
が正のときには同様に、 −(S2 ／S1) ・P2＜P1＜−（S2／S1)(ｋc2・B1／ｋc1・B2)P2 …（７）となり、ｋc2・B1＞ｋc1・B2であるときは、上記（７）
式が満たされるように、給気圧Ｐ１、Ｐ２、コンダクタ
ンスｋc1、ｋc2を調整すれば、間隙Ｄの変化によって支
持力Ｆが反転することになる。

【００２２】流体供給孔４，５間に流体が流れるとする
と、図１０の等価回路は図１２となる。なお、流体供給
孔４，５間に流体の流れがあるから実行面積Ｓ１、Ｓ２
は重なりあう部分を持つことがある。また、Ｑ１、Ｑ
２、Ｑ３は各経路の流体の単位時間当たりの流量を表
す。この図１２より、Ｑ１／（Ｂ１・Ｄ³）＝Ｐ１´ Ｑ３／（Ｂ２・Ｄ³）＝Ｐ２´ Ｑ２／（Ｂ３・Ｄ³）＝Ｐ１´−Ｐ２´ （Ｑ１＋Ｑ２）／ｋc1＝Ｐ１−Ｐ１´ （Ｑ３−Ｑ２）／ｋc2＝Ｐ２−Ｐ２´ 前記６つの式から流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を消して圧力Ｐ
１、Ｐ２の関数として、圧力Ｐ１´、Ｐ２´を求め、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝Ｐ１´・Ｓ１＋Ｐ２´・Ｓ２に代入することによって得られる支持力Ｆの式を求め
る。この式は複雑で詳細は省略するが、この式も分母は
常に正であり、分子はＤ³の項とＤのつかない項の２つ
の項に分けられ、この２つの項の符号が異なるように設
計することによって、支持力ＦがＤの大きさによって反
転するような構成を得ることができる。

【００２３】図１３は本発明を適用した一実施形態の支
持装置１の概略構成を示した図である。図１３に於い
て、２は支持部材となる一方の部材、また、３は被支持
部材としての他方の部材であり、相互の対向面間に略一
定の間隙Ｄを保って、支持部材２の載置面上に被支持部
材３が保持されるようになっている。支持部材２には空
気等の気体を噴出するための流体噴出孔４とこれを吸入
するための流体吸入孔５とが設けられ、流体噴出孔４に
は正圧Ｐ１を発生させるためのコンプレッサー等が、ま
た、流体吸入孔５には負圧Ｐ２を発生させるための真空
装置等が接続されている。なお、流体噴出孔４及び流体
吸入孔５はスリット状のものでもよい。

【００２４】図１３の例では被支持部材３が重合する支
持部材２の面上の外周部に流体噴出孔４を設けると共
に、その中心部に流体吸入孔５を設けるようにしてい
る。図１３で示す実施形態の場合には、図１５に示す支
持部材２の平面図に示すように流体噴出孔４は、流体吸
入孔５を中心とする支持部材２上の円の軌跡に沿って所
定間隔で多数（図１５では４個）の小孔を穿設して形成
している。無論、これとは逆に図１７に示す実施形態の
ように流体噴出孔４と流体吸入孔５の位置関係を入れ替
えてもよい。なお、流体噴出孔４及び流体吸入孔５を図
１６に示すように線対称に設けても良い。

【００２５】更に、図１８に示す実施形態のように、中
央部に位置する流体噴出孔４を中心とする支持部材２上
の複数の同心円の各々の軌跡に沿って各軌跡毎に流体吸
入孔５もしくは流体噴出孔４のいずれか一方となる多数
の同種の小孔を穿設し、同心円の径方向に沿って、流体
噴出孔４と流体吸入孔５とを互い違いに設けるようにし
てもよい。この場合も、各円の軌跡に沿って所定間隔で
多数の小孔を穿設して流体噴出孔４または流体吸入孔５
を形成する。なお、中央部に位置する孔を流体吸入孔５
として流体噴出孔４と流体吸入孔５の位置関係を入れ替
えてもよい。

【００２６】更に、流体噴出孔４と流体吸入孔５の位置
関係を図１９に示すように、千鳥配列としても良く、ま
た、図２０に示すように、必ずしも、流体噴出孔４と流
体吸入孔５とを規則正しく配置する必要はない。

【００２７】また、支持部材２が十分に広く該支持部材
２に万遍なく流体噴出孔４と流体吸入孔５とが設けられ
ているのであれば被支持部材３を水平面内で摺動動作さ
せることも可能である。もし、流体噴出孔４と流体吸入
孔５とを同心円に沿って規則正しく配備する方法によっ
て被支持部材３を水平面内で摺動動作させるのであれ
ば、流体噴出孔４と流体吸入孔５との間の配設ピッチを
小さく構成し、流体噴出孔４と流体吸入孔５の組を多数
密接して配備するようにする。このような構成によれ
ば、ある程度の重量のある被支持部材３を殆ど摩擦力の
作用しない状態で水平面内で移動させることができ、工
作機械における可動部等（リニアスケール等）を移動さ
せる際に有効に利用することができる。

【００２８】または、支持部材２に流体噴出孔４および
流体吸入孔５を設けずに被支持部材３側に流体噴出孔４
および流体吸入孔５を設けて、被支持部材３を支持部材
２の面上を移動させたり、もしくは支持部材２の面に所
定間隔を持って被支持部材３を吸着して支持部材２の面
に吊設した形態で被支持部材３を移動させることができ
る。流体として水，油等の液体を用いる場合では、支持
部材２の外周部にトレイ状のオイルパン等を設けること
がある。流体噴出孔４および流体吸入孔５の流体経路上
の絞り機構による流路抵抗（前述したコンダクタンスの
値ｋc1, ｋc2）やコンプレッサーおよび真空装置で供給
される給気圧Ｐ１、Ｐ２は、前述したように、間隙Ｄの
変化によって支持力Ｆが反転するように、被支持部材３
の重量ＭＧおよび被支持部材３に外部から作用する別の
負荷等を考慮して決めるようにする。

【００２９】つまり、支持部材２と被支持部材３の底面
との間の間隙が設定値Ｄ０となるときに、流体噴出孔４
から噴出する空気が被支持部材３の対向面を退ける支持
力（この支持力は被支持部材３を支持部材２から排斥す
る方向の力であるから以下排斥力という）Ｆ１と流体吸
入孔５から吸入される空気が被支持部材３の対向面を引
き付ける支持力（この支持力は被支持部材３を支持部材
２に吸引する方向の力であるから以下吸引力という）Ｆ
２と被支持部材３の重量ＭＧ（大気圧等を含む荷重）と
の和が零となり、支持部材２と被支持部材３の底面との
間の間隙が設定値Ｄ０よりも小さいときには前記和が排
斥力として作用し、かつ、支持部材２と被支持部材３の
底面との間の間隙が設定値Ｄ０よりも大きいときには前
記和が吸引力として作用するように、流体噴出孔４およ
び流体吸入孔５の流体経路上の絞り機構による流路抵抗
（コンダクタンスｋc1, ｋc2）やコンプレッサーおよび
真空装置の給気圧Ｐ１，Ｐ２を決める。

【００３０】図１４はこのような設計要件を概念的に示
すグラフであり、図中最も上に位置する線図Ａが流体噴
出孔４から噴出する空気による排斥力（支持力）Ｆ１と
間隙Ｄとの関係を、また、図中最も下に位置する線図Ｂ
が流体吸入孔５から吸引される空気による吸引力（支持
力）Ｆ２と重量ＭＧとの和（Ｆ２＋ＭＧ）と間隙Ｄとの
関係を示している。なお、図１４では排斥力Ｆ１の働く
方向を正の向きとしているので、吸引力Ｆ２および重量
ＭＧは共に負の値である。

【００３１】Ｄ０は被支持部材３に外部からの負荷が全
く作用しない状態で支持部材２と被支持部材３の底面と
の間に形成されるべき間隙の大きさを示すもので、Ｄ＝
Ｄ０の位置でＦ１＋（Ｆ２＋ＭＧ）＝０となるように前
記各要件を設計する必要がある。更に、支持部材２と被
支持部材３の底面との間の間隙Ｄが設定値Ｄ０よりも小
さいときに前記和が排斥力として作用し〔Ｄ＜Ｄ０の条
件下でＦ１＋（Ｆ２＋ＭＧ）＞０〕、また、支持部材２
と被支持部材３の底面との間の間隙Ｄが設定値Ｄ０より
も大きいときには前記和が吸引力として作用する必要が
ある〔Ｄ＞Ｄ０の条件下でＦ１＋（Ｆ２＋ＭＧ）＜
０〕。要するに、線図Ａと線図Ｂを合成して得られる線
図ＣがＤ＝Ｄ０の位置で支持力０の横軸と交わり、少な
くとも、Ｄ＝Ｄ０の近傍においては、Ｄ＜Ｄ０の領域で
線図Ｃが支持力０の横軸よりも上に位置し、Ｄ＞Ｄ０の
領域で線図Ｃが支持力０の横軸よりも下に位置していな
ければならないということである。

【００３２】このような条件下で、被支持部材３を支持
部材２に接近させる方向に外力が作用すれば、被支持部
材３の底面の位置がＤ＝Ｄ０の位置から支持部材２の側
に向けてＤ＜Ｄ０の方向にずれ込むが、このずれ込みが
増大するにつれて実質的な支持力Ｆ＝Ｆ１＋（Ｆ２＋Ｍ
Ｇ）が増大するため、最終的には外力と実質的な支持力
Ｆとが釣り合うＤ＜Ｄ０の位置で被支持部材３の位置が
安定することになる。

【００３３】また、被支持部材３を支持部材２から離間
させる方向に外力が作用すれば、被支持部材３の底面の
位置がＤ＝Ｄ０の位置から支持部材２とは逆側に向けて
Ｄ＞Ｄ０の方向にずれ込むが、このずれ込みが増大する
につれて支持力Ｆ＝Ｆ１＋（Ｆ２＋ＭＧ）は実質的な吸
引力となって増大するため、最終的には外力と実質的な
吸引力Ｆとが釣り合うＤ＞Ｄ０の位置で被支持部材３の
位置が安定することになる。

【００３４】このうち、Ｄ＜Ｄ０方向へのずれ込みに応
じて実質的な排斥力（支持力）Ｆを増大させて支持部材
２に対する被支持部材３の異常接近を防止しようとする
機能は図５，図６および図７，図８の従来例にも見られ
るが、Ｄ＞Ｄ０方向へのずれ込みに応じて実質的な吸引
力Ｆを増大させて支持部材２に対する被支持部材３の異
常な離間動作を防止しようとする機能は、図５，図６お
よび図７，図８の従来例には全く見られない。

【００３５】一見すると、図６および図８のグラフは図
１４に示したグラフと似通っているようだが、実は、図
６に示すものでは被支持部材１０１の重量ＭＧによって
排斥力Ｆ１のグラフをＦの位置までマイナス方向にシフ
トしているに過ぎず、Ｄ＞Ｄ０の状況下においても、被
支持部材１０１と支持部材１０２ａとが引き付け合う力
というものは全く作用していない（図６の線図Ｆ１を参
照）。従って、例えば、図５に示すような構造を横置き
型に配置したような場合、つまり、重量ＭＧを利用でき
ないような状況下においては、Ｄ＞Ｄ０方向へのずれ込
みに応じて実質的な吸引力Ｆを増大させるといったこと
は完全に不可能で、Ｄ＞Ｄ０の状況下でも吸引力ではな
く常に排斥力が作用するか、または、吸引力も排斥力も
作用しない状態となってしまう。

【００３６】図８に示すものも基本的には図６に示すも
のと同様で、重量ＭＧに代えて定常的な外力Ｆｅにより
排斥力Ｆ１のグラフをＦの位置までマイナス方向にシフ
トしているに過ぎず、Ｄ＞Ｄ０の状況下において被支持
部材１０１と支持部材１０２ａとが引き付け合う力とい
うものは全く作用しない（図８の線図Ｆ１を参照）。従
って、定常的な外力Ｆｅを利用できないような状況下に
おいては、Ｄ＞Ｄ０方向へのずれ込みに応じて実質的な
吸引力Ｆを増大させるといったことは完全に不可能で、
Ｄ＞Ｄ０の状況下でも吸引力ではなく常に排斥力が作用
するか、または、吸引力も排斥力も作用しない状態とな
ってしまう。

【００３７】これに対し、図１４に示す本実施形態にお
いては、Ｄ＝Ｄ０における排斥力Ｆ１の値〔絶対値〕を
実際の吸引力Ｆ２を含む吸引力（Ｆ２＋ＭＧ）の値〔同
じく絶対値〕よりも大きくなるように設計し、更に、Ｄ
＝Ｄ０の位置から離れるに従って共に減少する排斥力Ｆ
１の減衰特性と吸引力Ｆ２の減衰特性とを調整し、Ｄ０
を始点とするＤ＞Ｄ０の所定区間においては常に吸引力
Ｆ２（純粋な吸引力）が排斥力Ｆ１（純粋な排斥力）を
上回るように設計しているので、被支持部材３を支持部
材２から離間させる方向に作用する外力によるＤ＞Ｄ０
方向へのずれ込みを、図６（図５）および図８（図７）
に示される従来例に比べ、より確実に防止することがで
きる。

【００３８】また、図１３，図１７，図１８，図２０と
は逆に支持部材２に被支持部材３を非接触で吊設する場
合の設計上の要件は、Ｄ＜Ｄ０の領域で（Ｆ１＋ＭＧ）
＋Ｆ２＞０、Ｄ０を始点とするＤ＞Ｄ０の所定区間で
（Ｆ１＋ＭＧ）＋Ｆ２＜０、Ｄ＝Ｄ０の位置で（Ｆ１＋
ＭＧ）＋Ｆ２＝０となる設計を行うことであり、結果的
に、支持部材２に被支持部材３を非接触で載置する前述
の実施形態と同一である。但し、この場合は被支持部材
３を支持部材２から離間させる方向の力の向きを正とす
ると、排斥力Ｆ１と重量ＭＧが正の値、吸引力Ｆ２が負
の値となる。

【００３９】次に、図１７の支持装置構造を適用した軸
受６について説明する。図２１は、回転軸（工作機械の
スピンドル等）７を径方向に支持する公知の静圧ラジア
ル軸受８，９と、図１７の支持装置構造を適用したスラ
スト軸受１０とで構成される軸受６の構成を概略で示す
断面図である。

【００４０】スラスト軸受１０の主要部を構成する軸受
面１１には、空気等の気体を噴出するための流体噴出孔
４とこれを吸入するための流体吸入孔５とが設けられ、
流体噴出孔４には正圧Ｐ１を発生させるためのコンプレ
ッサー等が、また、流体吸入孔５には負圧Ｐ２を発生さ
せるための真空装置等が接続されている。なお、この場
合はスラスト軸受１０の他に２つの静圧ラジアル軸受
８，９が設けられているので、これらのものにもコンプ
レッサー等からの正圧Ｐ１が供給され、軸受８，９の孔
１２から噴出される空気の圧力によって回転軸７が径方
向に保持される。

【００４１】つまり、図１７に示したものと同様、流体
噴出孔４から噴出される空気により回転軸７の軸端７ａ
を軸受面１１から離間させる排斥力Ｆ１を作用させる一
方、流体吸入孔５から吸入される空気により回転軸７の
軸端７ａを軸受面１１に接近させる吸引力Ｆ２を作用さ
せ、両者の釣り合いによって軸受面１１と軸端７ａとの
間に所定の間隙を維持する構成である。

【００４２】従って、回転軸７の軸方向に作用する外力
に対し、図１７に示したものと同様の効果、つまり、軸
端７ａが軸受面１１に接近する方向のずれ込みに応じて
実質的な排斥力を増大させて軸受面１１に対する軸端７
ａの異常接近を防止し、かつ、軸端７ａが軸受面１１か
ら離間する方向のずれ込みに応じて実質的な吸引力を増
大させて軸受面１１からの軸端７ａの異常な離間動作を
防止することができるといった効果を達成することがで
きる。

【００４３】但し、図２１の例では回転軸７の重量が軸
方向に作用することはないので、図１４で説明した条件
式において重量ＭＧ＝０とおく必要がある。つまり、図
２１の構成に対する設計上の要件は、軸受面１１と軸端
７ａとの間に形成されるべき間隙の大きさをＤ０、ま
た、実際の間隙の大きさをＤとした場合、Ｄ＝Ｄ０の位
置でＦ１＋Ｆ２＝０、Ｄ＜Ｄ０の位置でＦ１＋Ｆ２＞
０、Ｄ＞Ｄ０の位置でＦ１＋Ｆ２＜０である。また、工
具押圧力の反力Ｆｅ等が回転軸７の軸方向に定常的に作
用するのであれば、この力Ｆｅを前述の重量ＭＧに置き
換えればよく、これに対応する設計要件は、Ｄ＝Ｄ０の
位置でＦ１＋（Ｆ２＋Ｆｅ）＝０、Ｄ＜Ｄ０の位置でＦ
１＋（Ｆ２＋Ｆｅ）＞０、Ｄ＞Ｄ０の位置でＦ１＋（Ｆ
２＋Ｆｅ）＜０である。なお、いずれの場合も、軸端７
ａを軸受面１１から離間させる方向の力が正、軸端７ａ
を軸受面１１に接近させる方向の力が負である。

【００４４】この実施形態によれば、回転体７の軸方向
の正逆に作用する変動的な外乱を支えるための軸受面１
１が回転体７の一方の軸端７ａの側だけに存在すればよ
いので、他方の軸端７ｂの側をわざわざ縮径化してその
外周部に軸受面と対向する面を形成するといった必要が
ない。つまり、回転体７の外径をその全長にわたって大
径部として構成することができ、軸の構造的な強度が維
持される。また、静圧ラジアル軸受８，９も本発明の排
斥力と吸引力でバランスを取る支持装置で構成してもよ
い。流体噴出孔４若しくは流体吸引孔５のどちらか一方
を磁石に代えて、磁力により排斥力若しくは吸引力を発
生させるようにして本発明を構成してもよい。

【００４５】

【発明の効果】本発明の支持装置によれば、近接して配
置される２つの部材を接近させようとして働く外力、お
よび、これらを離間させようとして働く外力の各々に抗
し、前記２つの部材間の間隙を略一定の状態に保って両
者の位置関係を確実に保持することができる。特に、近
接して配置される２つの部材を離間させようとして働く
外力に対しても抵抗力があるので、支持部材となる部材
の面からもう一方の部材を吊設するような形で離間させ
て保持することも可能となる。

【００４６】また、本発明の軸受によれば、回転体の片
側の軸端に対向する１つの軸受面さえあれば前記回転体
の軸方向に作用する正逆の外力を支えることができるの
で、回転体の他端を小径化してその外周部に形成される
端面を利用して回転体を両方向から押圧するようにして
軸方向位置を維持していた従来の静圧軸受等とは違っ
て、回転体の端部をわざわざ縮径化する必要がなく、回
転体の構造的な強度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知の静圧軸受の作用原理を示す図である。

【図２】静圧軸受の一端面に作用する排斥力の減衰特性
を示す図である。

【図３】回転軸の両端面に排斥力を作用させるようにし
た公知の静圧軸受の作用原理を示す図である。

【図４】静圧軸受の両端面に作用する排斥力の減衰特性
を示す図である。

【図５】回転軸の重量を釣り合いのための力として利用
するようにした公知の静圧軸受の作用原理を示す図であ
る。

【図６】排斥力の減衰特性と回転軸の重量との関係を示
す図である。

【図７】定常的に作用する外力を釣り合いのための力と
して利用するようにした公知の静圧軸受の作用原理を示
す図である。

【図８】排斥力の減衰特性と定常的に作用する外力との
関係を示す図である。

【図９】回転軸を縮径化して両端面に排斥力を作用させ
るようにした公知の静圧軸受を示す図である。

【図１０】本発明の原理を説明する図である。

【図１１】本発明の原理作用を説明するための流体供給
孔間に流体の流れがないときの等価回路である。

【図１２】同流体供給孔間に流体の流れがあるときの等
価回路である。

【図１３】本発明を適用した一実施形態の支持装置の概
略構成を示した図である。

【図１４】本発明を適用した一実施形態の支持装置の作
用原理を示した図である。

【図１５】本発明の一実施形態における支持部材の平面
図である。

【図１６】本発明の別の実施形態における支持部材の平
面図である。

【図１７】本発明を適用した別な実施形態の支持装置の
概略構成を示した図である。

【図１８】本発明を適用した別な実施形態の支持装置の
概略構成を示した図である。

【図１９】本発明の別の実施形態における支持部材の平
面図である。

【図２０】本発明を適用した一実施形態の支持装置の概
略構成を示した図である。

【図２１】本発明を適用した一実施形態の軸受の概略構
成を示した図である。

【符号の説明】

１支持装置２支持部材３被支持部材４流体噴出孔（流体供給孔）５流体吸入孔（流体供給孔）６軸受７回転軸８，９ラジアル軸受１０スラスト軸受１１軸受面１２孔Ｆ１，Ｆ２排斥力Ｐ１，Ｐ２給気圧Ｓ１，Ｓ２面積Ｄ，，Ｄ１，Ｄ２間隙１０１回転軸（被支持部材）１０１ａ，１０１ｂ軸端１０２ａ軸受面（支持部材）１０２ｂ軸受面１０３ａ，１０３ｂ流体噴出孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】近接して配置される部材の対向面の一方
に、流体噴出孔と流体吸入孔とを設け、前記流体噴出孔
から噴出する流体が他方の部材の対向面を退ける排斥力
と、前記流体吸入孔から吸入される流体が前記他方の部
材の対向面を引き付ける吸引力とにより、前記部材間に
間隙をおいて一方の部材に対して他方の部材を支持する
ようにしたことを特徴とする支持装置。
【請求項２】前記一方の対向面と他方の対向面との間
の間隙が設定値となるときに排斥力と吸引力と前記他方
の対向面に作用する外力との和が零となり、前記一方の
対向面と他方の対向面との間の間隙が前記設定値よりも
小さいときには前記和が排斥力として作用し、かつ、前
記一方の対向面と他方の対向面との間の間隙が前記設定
値よりも大きいときには前記和が吸引力として作用する
ように、前記流体噴出孔から噴出する流体の排斥力と前
記流体吸入孔から吸入される流体の吸引力の大きさおよ
び減衰特性を調整してあることを特徴とする請求項１記
載の支持装置。
【請求項３】前記外力が変動すると前記間隙の大きさ
が変動して前記和が零に維持されることを特徴とする請
求項２記載の支持装置。
【請求項４】前記流体噴出孔か流体吸入孔のどちらか
一方を磁石とし、前記流体の変わりに磁力とし、前記排
斥力もしくは吸引力を磁力によって発生させるようにし
た請求項１，請求項２または請求項３記載の支持装置。
【請求項５】前記流体として気体を使用することを特
徴とした請求項１，請求項２、請求項３または請求項４
記載の支持装置。
【請求項６】前記流体として液体を使用することを特
徴とした請求項１，請求項２、請求項３または請求項４
記載の支持装置。
【請求項７】請求項１，請求項２，請求項３，請求項
４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の支
持装置よりなる軸受。
【請求項８】前記軸受けが回転運動を支持するもので
ある請求項７記載の軸受。
【請求項９】前記軸受けが工作機械の工具の回転運動
を支持するものである請求項８記載の軸受。
【請求項１０】前記軸受けが回転する工作機械の工具
に作用する軸方向の外力を支持するものである請求項９
記載の軸受。