JPH116525A - 流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステップ的、インパルス的な負荷が作用
し、軸受隙間内の流体膜に振動的挙動が生じても、速や
かにその振動的挙動を減衰することのできる流体軸受装
置を提供することを目的とする。 【解決手段】相対移動する二部材１１、１２のうち一方
の部材１１に相対移動方向に沿って設けられた案内面１
３と、相対移動する二部材１１、１２のうち他方の部材
１２に当該案内面１３と対向して設けられる軸受面１５
とを有し、案内面１３と軸受面１５との間に流体を介在
させて二部材１１、１２を相対移動させる流体軸受装置
３は、その軸受面１５の外周に当該軸受面１５を囲むよ
うに溝部３１が設けられるとともに、この溝部３１の外
周から軸受面１５に沿って外側に延出しかつ案内面１３
と対向する対向面部３２が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二部材を相対移動
可能に案内する流体軸受装置に関する。例えば、三次元
測定機、真円度測定器等の測定機、または、半導体製造
装置等の超精密加工機における案内要素として利用する
ことができる。

【０００２】

【背景技術】静圧空気軸受装置のような流体軸受装置
は、非接触軸受であり、摩擦、摩耗、ヒステリシスなど
がなく、また、軸受案内面の微小な凹凸を軸受隙間内に
形成された空気膜等により平均化できる効果などから運
動精度がきわめて良好であるという長所をもち、このこ
とから、三次元測定機をはじめとする多くの精密機器に
おける可動部の軸受として利用されている。このような
流体軸受装置として、例えば、特開平８−５４０２１号
公報に示される流体軸受装置が出願人によって提案され
ている。

【０００３】この流体軸受装置１は、図２に示すよう
に、相対移動する二部材、つまり、軌道台１１および可
動台１２のうち一方、ここでは、軌道台１１の上面に相
対移動方向に沿って形成された案内面１３と、他方の可
動台１２側に設けられた軸受パッド１４とから構成され
ている。軸受パッド１４には、案内面１３と対向する部
分に可動台１２を実質的に支持する軸受面１５が形成さ
れ、この軸受面１５には、案内面１３に開口されかつ当
該案内面１３と軸受面１５との間に流体となる空気を噴
出する流体噴出口１６が設けられている。そして、流体
噴出口１６内に空気を供給するために、絞り１７を通じ
て連通する流体流路１８が軸受パッド１４に設けられ、
この流体流路１８には、図示略の外部供給源から空気を
導くための配管１９が接続され、この配管１９から空気
が所定の圧力Ｐｓで供給されている。

【０００４】一方、流体軸受装置１には、軸受パッド１
４の上部に流体噴出口１６とチャンバ連通孔２０を通じ
て連通するチャンバ２１が形成されている。チャンバ２
１を構成する上壁は、可動台１２に作用する負荷変動に
応じて案内面１３と流体パッド１４の底面との間の軸受
隙間方向、つまり、上下方向へ変位可能な受圧板２２と
して形成されている。具体的には、受圧板２２の周縁に
薄肉部２３を形成し、当該薄肉部２３の変形によって受
圧板２２が上下方向に変位可能となっている。

【０００５】このような流体軸受装置１によれば、空気
が絞り１７、流体噴出口１６を通じて案内面１３と軸受
面１５との間の軸受隙間ｈに供給されている状態におい
て、軸受パッド１４に作用する負荷Ｗに変動δＷが生じ
ると、軸受隙間ｈ内の圧力ＰｒもδＰｒ変動し、これに
伴い、軸受隙間ｈはδｈだけ変動する。これに対して、
チャンバ２１が流体噴出口１６と連通しているので、両
者は等しい圧力でバランスし、受圧板２２は、外部から
の負荷の変動Ｗと、チャンバ２１内の圧力変動δＰｒに
よってδＨだけ変動する。そして、δＷ＞０の場合、δ
Ｈ＞０、δｈ＜０となるので、両者が相殺されて、流体
軸受装置１に作用する荷重に負荷変動δＷが生じても、
移動台１１と可動台１２との上下方向の相対位置Ｈ０は
常に一定に維持される。従って、流体軸受装置１によれ
ば、軸受面１５が支持できる負荷Ｗの範囲では上記Ｈ０
がほとんど変動しないので、当該範囲で静的な軸受剛性
は無限大であると考えることができ、三次元測定機等の
案内要素として採用した場合、高精度の測定を行うこと
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、流体軸
受装置１の構造は、上述したように静的な軸受剛性は無
限大といえるが、案内面１３と軸受面１５との間に介在
する空気膜そのものの軸受剛性は、チャンバ２１が設け
られていない通常の静圧式流体軸受装置と同様である。
従って、軸受面１５に対してステップ的、インパルス的
に負荷Ｗが作用した場合、その衝撃によって軸受隙間ｈ
内の空気膜が上下方向に振動的挙動を示すことがあり、
可動台１２を高速、高加減速で移動させる必要のある測
定機等の案内要素としてこのような流体軸受装置を採用
する場合、空気膜の振動的挙動を解消しなければならな
いという問題がある。

【０００７】また、上述した流体軸受装置１では、可動
台１２を支持する受圧板２２の周縁に当該受圧板２２を
上下方向に変位させる薄肉部を形成しなければならない
ので、軸受パッド１４の外形寸法Ｌ１を本来可動台１２
を支持する有効な軸受面１５の寸法Ｌ２よりも大きくし
なければならない。従って、軸受パッド１４の軸受面１
５の周囲には、軸受面として機能しない部分が生じてし
まう。

【０００８】本発明の目的は、ステップ的、インパルス
的な負荷が作用し、軸受隙間内の流体膜に振動的挙動が
生じても、速やかにその振動的挙動を減衰することので
きる流体軸受装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流体軸受装
置は、相対移動する二部材のうち一方の部材に前記相対
移動方向に沿って設けられた案内面と、前記相対移動す
る二部材のうち他方の部材に当該案内面と対向して設け
られる軸受面とを有し、前記案内面と前記軸受面との間
に流体を介在させて前記二部材を相対移動させる流体軸
受装置であって、前記軸受面の外周には、当該軸受面を
囲むように溝部が設けられるとともに、この溝部の外周
から前記軸受面に沿って外側に延出しかつ前記案内面と
対向する対向面部が設けられ、前記溝部は、当該流体軸
受装置の外部と連通していることを特徴とする。ここ
で、上述した流体とは、相対移動する二部材間に介在し
て当該二部材の移動に伴う摩擦を低減することができる
ものをいうが、主として軸受剛性が問題とされる圧縮性
流体を指し、例えば、空気等の気体を流体として採用し
た場合が該当する。また、軸受面を囲むように設けられ
る溝部は、流体噴出口の外周を囲み、平面視で閉じた形
状の溝であればよく、円形の流体噴出口であれば円環状
の溝部となり、矩形状の流体噴出口であれば矩形状の溝
部となる。

【００１０】このような本発明によれば、流体軸受装置
にステップ的、インパルス的に負荷が作用した場合、対
向面部と案内面とが接近し、流体の粘性に起因して瞬間
的にこの部分の圧力が上昇するスクィーズ膜効果が生じ
るので、この部分の高圧空気によって軸受隙間の収縮挙
動が規制され、流体膜の振動的挙動の振幅を抑えること
が可能となる。そして、スクィーズ膜効果によって生じ
た対向面部と案内面との間の高圧空気は、軸受隙間の収
縮とともに溝部に流れ込み、外部に放出されるので、高
圧空気の反発力もこれに伴い低下し、上述した振動的挙
動は速やかに減衰する。

【００１１】すなわち、溝部は、上述した軸受機能を有
する軸受面とスクィーズ効果を発生させる対向面部とを
機能的に分離させる役割を有し、溝部が連通孔等によっ
て外部と連通し、低圧となることにより機能的に分離さ
せることが可能となる。また、軸受面の周囲に対向面部
および溝部を形成するだけで、流体膜の振動的挙動を減
衰できるので、高精度の流体軸受装置を簡素な構造で安
価に製造することが可能となる。

【００１２】以上において、上述した流体軸受装置の構
造は、軸受面に前記案内面に開口されかつ当該案内面に
対して流体を噴出する流体噴出口が設けられ、この流体
噴出口に連通するチャンバが設けられるとともに、この
チャンバの上壁が負荷変動に応じて案内面と流体噴出口
との間の軸受隙間方向へ変位可能な受圧板として構成さ
れ、負荷変動によって生じる受圧板の変位と軸受隙間変
動とが相殺されるように構成された流体軸受装置に採用
するのが好ましい。

【００１３】すなわち、上述したように、負荷変動によ
って生じる受圧板の変位と軸受隙間変動とが相殺される
ように構成された流体軸受装置であれば、その構造によ
り静的な軸受剛性が向上されるうえ、溝部および対向面
部が設けられているので、ステップ的、インパルス的に
作用する負荷変動による動的な軸受剛性をも向上するこ
とが可能となる。また、このような流体軸受装置では、
上述したように薄肉部を含む受圧板の外形が軸受面の外
形よりも大きくなってしまうので、わずかな設計変更を
するだけで軸受面の外周部分に溝部および対向面部を形
成することが可能となり、流体軸受装置の構造の合理化
が図られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図面
に基づいて説明する。尚、以下の説明では、既に説明し
た部材または部分と同一または類似の部材または部分に
ついてはその説明を省略または簡略にする。背景技術で
説明した流体軸受装置１において、軸受パッド１４の外
形寸法Ｌ１は、軸受面１５の寸法Ｌ２よりも大きくなっ
ていて、軸受面１５の周囲は、当該軸受面１５よりも案
内面１３から離間する方向に控えられている他、特段の
加工は施されていなかった。これに対して、本発明の実
施形態に係る流体軸受装置１は、図１に示すように、軸
受面１５の外周に、軸受面１５を囲む溝部３１が形成さ
れているとともに、さらにその外側に軸受面１５に沿っ
て外側に延出しかつ案内面１３と対向する対向面部３２
が設けられている。

【００１５】前記流体噴出口１６は、軸受パッド１４の
底面に円環状に形成される外周溝と、この円環状の外周
溝の互いに対向する部分を直径長さで連絡しかつ互いに
直交する２本の縦溝、横溝とを備えている。溝部３１
は、この流体噴出口１６の外周溝のさらに外側を囲む円
環状の溝であり、当該溝部３１の底部と軸受パッド１４
の側面との間には、連通孔３３が設けられ、これによ
り、溝部３１の内部は、外部の圧力すなわち大気圧と同
じ圧力となっている。

【００１６】このような流体軸受装置３にステップ的、
インパルス的な負荷が作用した場合に、軸受隙間ｈ間の
空気膜の振動的挙動を減衰する構造について、以下に説
明する。 絞り１７を通じて流体噴出口１６から空気が軸受隙
間ｈに供給されている状態において、受圧板２２の上部
からインパルス的に負荷ＷＳが作用すると、この衝撃に
よって、軸受面１５と案内面１３とが接近して軸受隙間
ｈが収縮する。

【００１７】 軸受隙間ｈの収縮とともに、対向面部
３２と案内面１３とが接近するとともに、空気の粘性に
起因して瞬間的にこの部分の圧力が上昇し、これによ
り、軸受隙間ｈの収縮が規制され、軸受隙間ｈにおける
流体膜の振動的挙動の振幅が小さく抑えられる。 軸受隙間ｈの収縮が終了すると同時に、対向面部３
２と案内面１３との間の高圧空気は、軸受パッド１４の
外周および溝部３１に流れ込み、連通孔３３を通じて外
部に排出されて対向面部３１、案内面１３間の圧力が低
下する。これによって、当該部分に生じていた軸受隙間
ｈを拡張する方向の力は吸収され、軸受隙間ｈの振動は
急激に減衰する。

【００１８】前述の実施形態によれば、以下のような効
果がある。すなわち、流体軸受装置３にステップ的、イ
ンパルス的に負荷ＷＳが作用した場合、対向面部３２と
案内面１３とが接近し、空気の粘性に起因して瞬間的に
この部分の圧力が上昇するスクィーズ膜効果が生じるの
で、この部分の高圧空気によって軸受隙間ｈの収縮挙動
が規制され、流体膜の振動的挙動の振幅を抑えることが
できる。また、スクィーズ膜効果によって生じた対向面
部３２と案内面１３との間の高圧空気は、軸受隙間ｈの
収縮とともに溝部３１に流れ込み、外部に放出されるの
で、高圧空気の反発力もこれに伴い低下し、上述した振
動的挙動を速やかに減衰させることができる。

【００１９】さらに、軸受面１５の周囲に対向面部３２
および溝部３１を形成するだけで、上述したステップ
的、インパルス的負荷変動による流体膜の振動的挙動を
減衰できるので、高精度の流体軸受装置１を簡素な構造
で安価に製造することができる。そして、流体軸受装置
３は、チャンバ２１、受圧板２２による静的な軸受剛性
を向上することができるうえ、溝部３１、対向面部３
２、連通孔３３を備えているので、ステップ的、インパ
ルス的な負荷変動に対する動的な軸受剛性をも向上する
ことができ、軌道台１１に対して可動台１２が高速、高
加減速に移動する測定機等の案内要素として採用するこ
とができる。また、溝部３１および対向面部３２が軸受
パッド１４のデッドスペース部分に設けられているの
で、流体軸受装置３の構造の合理化を図ることができ
る。

【００２０】尚、本発明は、前述の実施形態に限定され
るものではなく、次に示すような変形をも含むものであ
る。すなわち、前述した実施形態では、流体噴出口１６
に連通するチャンバ２１が設けられた流体軸受装置３に
溝部３１と対向面部３２とを設けていたが、これに限ら
ず、このようなチャンバ２１が設けられていない流体軸
受装置に溝部３１および対向面部３２を設けても、前述
した実施形態の効果と同様の効果を享受することができ
る。

【００２１】また、本発明に係る流体軸受装置は、三次
元測定機、二次元測定機、大型ハイトゲージ等の各種測
定機の他、工作機械や精密テーブル等にも利用すること
ができ、その適用対象は限定されない。さらに、前述の
実施形態では、流体軸受装置３の流体としては、空気を
用いていたが、これに限らず、要するに、圧縮性の流体
を用いた流体軸受装置であれば、背景技術で述べた問題
と同様の問題が生じ、本発明を利用することにより、前
述の実施形態と同様の効果を享受することができる。

【００２２】そして、前述した実施形態における溝部は
環状の溝部３１であったが、これに限らず、流体噴出口
１６の形状に応じて形成されていればよく、例えば、流
体噴出口が矩形状に形成された流体軸受装置であれば、
この流体噴出口に応じて溝部も矩形状に形成すればよ
い。また、前述した実施形態では、溝部３１と外部との
連通は、軸受パッド１４の側面に至る連通孔３３によっ
て行われていたが、これに限らず、溝部３１の深さ方向
に延び、軸受パッド１４の上面に至る連通孔であっても
よい。要するに、軸受面１５と対向面部３２とを機能的
に分離させるために、溝部３１の内部が低圧状態となる
ような構造であればよい。その他、本発明の実施の際の
具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成でき
る範囲で他の構造等としてもよい。

【００２３】

【発明の効果】前述のように本発明の流体軸受装置によ
れば、対向面部および環状溝を備えているので、ステッ
プ的、インパルス的な負荷が作用し、軸受隙間内の流体
膜に振動的挙動が生じても、速やかにその振動的挙動を
減衰することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る流体軸受装置の構造を
表す断面詳細図である。

【図２】従来の流体軸受装置の構造を表す断面詳細図で
ある。

【符号の説明】

３ 流体軸受装置 １１、１２ 相対移動する二部材 １３ 案内面 １５ 軸受面 １６ 流体噴出口 ２１ チャンバ ２２ 受圧板 ３１ 溝部 ３２ 対向面部 ＷＳ 負荷変動 ｈ 軸受隙間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対移動する二部材のうち一方の部材に前
   記相対移動方向に沿って設けられた案内面と、前記相対
   移動する二部材のうち他方の部材に当該案内面と対向し
   て設けられる軸受面とを有し、前記案内面と前記軸受面
   との間に流体を介在させて前記二部材を相対移動させる
   流体軸受装置であって、 前記軸受面の外周には、当該軸受面を囲むように溝部が
   設けられるとともに、この溝部の外周から前記軸受面に
   沿って外側に延出しかつ前記案内面と対向する対向面部
   が設けられ、 前記溝部は、当該流体軸受装置の外部と連通しているこ
   とを特徴とする流体軸受装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の流体軸受装置において、 前記軸受面には、前記案内面に開口されかつ当該案内面
   に対して流体を噴出する流体噴出口が設けられ、 この流体噴出口に連通するチャンバを設けるとともに、
   このチャンバの上壁を負荷変動に応じて前記案内面と前
   記流体噴出口との間の軸受隙間方向へ変位可能な受圧板
   に構成し、負荷変動によって生じる受圧板の変位と軸受
   隙間変動とが相殺されるように構成した、ことを特徴と
   する流体軸受装置。