JPS58196319A - 空気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、軸受すき間を使用条件に合わせて設定可能に
した空気軸受装置に関するものである。

空気軸受は、摩擦が非常に小さいため、高速用およびス
テγツクスリップをきらう高精度用の回転部などに実用
的に使われ始じめている。空気軸受の長所、短所は、潤
滑剤である空気の粘性が油などの液体潤滑剤に比較して
非常に小さい点に起因しており、短所としては前記のよ
うに粘性が小さいため、軸受面の面精度を高くして軸受
すき間を小さくする必要があ名。また、各々の空気軸受
の形状、大きさ、使用供給圧力などの条件によって具体
的な数値は異なるが、空気軸受の軸受剛性は、第１図に
示すように、軸受すき一間の大小によって敏感に変化し
、軸受すき間が所定の値にあるときピーク値を示す。そ
こで、空気軸受を使用する場合は、軸受すき間の設定が
重要な問題となる。さらにまた、軸受すき間と空気の吐
出流量との関係は、第２図に示すような傾向にあり、軸
受すき間が小さい場合には、吐出流量すなわち軸受すき
間を流れる空気の流量が減少する。この軸受すき間を流
れる空気は、軸受の発熱を押える作用を持っているため
、低速の場合は軸受すき間が小さくても発熱の問題はな
いが、高速の場合には軸受すき間をある程度大きくして
吐出流量を多くしなければ発熱してしまう。このように
、空気軸受においては、軸受すき間の大小が重要なポイ
ントとなる。

本発明の目的は、前述したように空気軸受においてその
特性に大きな影響を及ぼす軸受すき間に着目し、この軸
受すき間のコントロールにより、使用条件により適した
状態で使用し得るようにした空気軸受装置を提供するに
ある。

本発明の他の目的は、軸受すき間をコントロールするこ
とにより、特定の回転軸を低速と高速など異なった使用
条件のもとでも使用し得るようにした空気軸受装置を提
供するにある。

本発明のさらに他の目的は、回転軸の増速途中で軸受す
き間を変化させて軸受剛性を変えることにより、軸系の
固有振動数をより短時間のうちに変化させ、危険速度の
通過を容易にして超高速回転を可能にした空気軸受装置
を提供するにある。

かかる目的を達成するための本発明は、回転軸を支持す
る空気軸受装置において、回転軸と軸受部材との間に形
成される空気軸受をテーパ状にし、同テーパ状の空気軸
受を形成している軸受部材を前記回転軸の軸方向へ移動
可能に設け、前記軸受部材の軸方向位置を変えることに
よシ軸受すき間を適宜に設定もしくは変更し得るように
した空気軸受装置にある。

せなど種々、の手段を採用できる。

また、前記本発明の空気軸受装置において、テーパ状の
空気軸受のすき間の大小を検知する手段を付加し、その
出力信号に関連して軸受部材を自動的に移動させるよう
にすれば、運転中の熱変位による軸受すき間の変化を補
償したり、または゛指令値に従って軸受すき間を自動的
に変更するなどの適応制御が可能となる。

なお、軸受すき間を検知する手段としては、圧力センサ
による空気軸受内の圧力検知、前述した空気軸受の吐出
流量検知ならびに回転軸の変位検知など種々の手段を採
用できる。

以下本発明の一実施例を示す第３図について説明する。

１はメインモータ２によ−って駆動される回転軸、３，
４は軸受部材、５はベースである。

６．７は、回転軸１と軸受部材３，４との間に形成され
た空気軸受で、図示しない圧力制御装置によって所定の
圧力Ｐ、に定められた加圧空気を、軸受部材３，４にそ
れぞれ設けた流路８．９から供給されるように々ってい
る。

前記一対の空気軸受６．７は、テーパ状に形成され、互
いに逆向き、すなわち本実施例においては大径側が向い
合うようになっている。前記軸受部材３．４のうち第３
図において左方の軸受部材４はペース５に固定されてい
るが、右方の軸受部材３はペース５に設けたガイド１０
により回転軸１の軸方向に移動可能に設けられている。

この軸受部材３には、回転軸１と平行に配置され、軸受
１１．１２に回転可能に支持されたボールネジまたはバ
ンクラッシュを除去するように構成したネジなどのネジ
１３がネジ係合されている。ネジ１３は、送りモータ１
４に連結され、正逆の回転を与えられるようになってい
る。

軸受部材３の軸受面には、空気軸受６内の圧力Ｐを検知
する圧力センサＩ５が埋設されている。

圧力センサ１５からの出力信号ｐは、演算部１６へ伝達
される。演算部１６は、前記圧力Ｐを軸受すき間Ｃの値
に換算するかもしくはそのまま制御用の信号として用い
、出力信号ｐが予じめ定めた値になるように送りモータ
１４にて軸受部材３を第３図において右または左へ移動
させ、軸受すき間Ｃの値を、変化させるようになってい
る。なお、この演算部１６は、前記出力、信号ｐを常に
一定に保つように送りモータ１４を駆動するが、または
回転軸ｌの回転数に応じて予じめ定めた関係をもって前
記出力ｐを変化させるように送りモータＩ４を駆動する
か、さらには回転軸１の回転数が予じめ定めた値以上に
なると出方信号ｐを急速に所定量小さくするように送り
モータ１４を駆動するかのうち、のいずれか１つないし
は複数を組合せて行ない得るように構成されている。

次いで本装置の作用について説明する。第１図空気軸受
５．６の最適軸受すき間ｃ１を求め、そのときの空気軸
受６内の圧力Ｐ１を求めておく。演算部１６には前記最
適軸受すき間ＣＩまたはＰ、を設定値として入力してお
く。次いで流路８，９がら加圧空気を供給すると、空気
軸受６に設けた圧力センサ１５が圧力Ｐを感知してその
出力信号ｐを演算部１６へ伝える。前記圧力Ｐは、軸受
すき間Ｃが小さいときには高く、大きい場合は低い傾向
を取るので、前記出方信号ｐが小さい場合には演算部１
６によって送りモータ１４を正回転させてネジ１３によ
り軸受部材３を第３図において左方へ移動させる。この
移動により、軸受すき間Ｃは小さくされ、圧力Ｐが上昇
する。前記出力信号ｐが大きい場合には、前記とは逆に
軸受部材３を右方へ移動させて軸受すき間Ｃを増加させ
れば、圧力Ｐが降下する。こうして圧力Ｐすなわち軸受
すき間Ｃが演算部１６に入力されている最適軸受すき間
Ｃ１になり、圧力ＰがＰｌになると、演算部１６は送り
モータ１４を停止させ、軸受部材３をその位置に保持す
る。

このとき、第３図において左方の空気軸受７は右方の空
気軸受６と対称的に形成されているので、この左方の空
気軸受７の軸受すき間Ｃも最適軸受すき間Ｃ５になされ
る。

そこで、空気軸受６．７は、回転軸１および軸受部材３
，４の加工および組立誤差を補償して、確実に所期の特
性を備えた空気軸受となって回転軸１を支持する。

なお、本洟施例のように一方の軸受部材３のみを移動可
能にした場合は、その移動量の１／２だけ回転軸１が軸
方向へ移動するが、前記軸受５部材３の移動量はわずか
であるから前記回転軸１の移動は無視し得る程度のもの
である。ただし、前記回転軸１の移動を押えたい場合に
は、左方の軸受部材４を右方の軸受部材３と対称的に移
動させるように構成すればよい。

前記空気軸受６．７の軸受すき間Ｃは、回転軸１の回転
による該軸受部の昇温や他の要因により変化することが
ある。この軸受すき間Ｃの変化にりモータ１４が作動さ
れ、軸受部材３を移動させて軸受すき間Ｃを最、適軸受
すき間Ｃ１に保つ。そこで、空気軸受６．７は、運転中
の熱変位等による変化をも補償して回転軸１を最適状態
で支持し続ける。

また、演算部１６に設定する最適軸受すき間Ｃ１を回転
軸１の回転数の変化に応じた値、たとえば回転数が高い
場合には軸受すき間Ｃを大きくして空気の吐出流量を多
くして冷却機能を増加させるような値に修正するように
構成しておけば、回転数の変化にも対応した状態で運転
することができる。

さらにまた、回転軸１を超高速回転させる場合には、軸
系の固有振動数に対し回転軸１の回転数が下（剛性ロー
タの域）か上（弾性ロータの域）であって前記固有振動
数を中心とする危麺領域から離れた範囲で使用しなけれ
ばならず、剛性ロータの域で使用する場合は、軸系の固
有振動数を上げて危険速度から十分下の回転数で使用し
なけれ転 ばならないため、回数の増加には限界があり、他方、弾
性ロータの域で使用する場合は危険速度を通過させなけ
ればならないため、危険を伴ない、回転軸１のアンバラ
ンスを十分に除去する必要があり、かつ大きなトルクで
危険速度を瞬時に通過させる必要があるが、本装置によ
れば、はとんど危険を伴なうことなく、容易に超高速回
転が可能となる。すなわち回転軸１の起動時には、軸受
すき間Ｃを軸受剛性が高くなる値に定めておく。このと
きの回転軸１の回転数Ｎと振動振巾Ｓの関係は第４図の
右の山を形成する曲線Ａで示す関係にあるとする。なお
、第４図において、Ｅ　ｍａｘは限界振巾、Ｎｎｌは前
記のように軸受剛性を高くしたときの軸系の固有振動数
、Ｎｎ＋を含む斜線部はその前後に及ぶ危険領域である
。

こうして回転軸１を起動すれば、振動振巾は回転数の増
加に伴ない曲線人に沿ってゆるやかに上昇する。曲線Ａ
の危険領域に至らない所定の回転数Ωに達したところで
、送りモータ１４を作動させ、軸受すき間Ｃを増加させ
て軸受剛性を低下させる。この低下した軸受剛性のもと
ての回転数Ｎと振動振巾８の関係を、第４図に曲線Ｂで
示すように、固有振動数Ｎ旧が、前記切換時の回転数Ω
より相当低くなるように定め、その前後に及ぶ危険領域
が前記回転数Ωに達しないようにしておけば、軸系の固
有振動数をＮｎｌからＮｎ２へ切換えることは、軸受部
材３をわずかに移動するだけで瞬時のうちに行なわれる
ので、危険領域の通過が簡単にできる。この後の回転軸
１の回転数の増加に伴なう振動振巾は、曲線にで示すよ
うに次第に低下していく。このように本装置によれば、
低速域から超高速域までの回転が可能となり、しかも超
高速域では軸受すき間Ｃを大きくしているので、発熱の
問題に対しても有利である。

第５図は本発明の他の実施例を示すもので、軸受部材３
ａをベース５のガイド溝１７によって回転軸１の軸方向
にのみ移動可能に設け、軸受部材３ａをバネ１８により
常に第５図において右方へ押圧すると共に、バネ１８に
よって押圧される側すなわち第５図において右側の軸受
部材３ａとベース５の対向面間に流路１９にて加圧空気
を供給して空気軸受的な機能を持たせるようにし、この
流路１９から加圧空気の圧力変化または供給のＯＮ、Ｏ
ＦＦにより軸受部材３ａを移動させるようにしたもので
ある。この場合、第５図に示すように、軸受部材３ａの
前後にストッパ２０．２１を設け、それらの寸法ｄ＋、
ｄ２により軸受部材３ａの前進限位置と後退限位置を定
め、両位置において軸受すき間Ｃが所定の値になるよう
に定めておけば、回転軸１を高速と低速に切換えて回転
させる場合の軸受すき間Ｃの変更や、前述したように超
高速回転させる場合の軸受すき間Ｃの変更などのように
予じめ最適軸受すき間を設定できるときには、単に流路
１９からの加圧空気のＯＮ、ＯＦＦのみでよく、第３図
に示した圧力センサ１５のような軸受すき間Ｃの検知手
段を用いることなしに、所期の目的を達成することがで
き、さらに非常に迅速に切換えられるので、超高速回転
の場合の切換えに適している。

第６図は本発明のさらに他の実施例を示すもので、第５
図に示したと同様に設けられた軸受部材３ａの前後の面
とこれらに対向するベース５の面間に流路１９ａ　、　
ｌ’？ｂから加圧空気を供給し、加圧空気の圧力を前後
で高低逆に変化させたり、ＯＮ。

ＯＦＦさせることにより軸受部材３ａを移動させるよう
にしだものである。

段を採用でき、また、場合によっては手動で設定するよ
うにしてもよい。また、軸受すき間Ｃの検知は、圧力セ
ンサ１５に限られるものでなく、この軸受すき間Ｃと加
圧空気の吐出流量とは第２図に示したように各々の空気
軸受において一定の関係を有するので、吐出流量から軸
受すき間Ｃを検知するようにしてもよく、さらにまた回
転軸１の軸方向移動量または半径方向の移動すなわち”
しずみ１量など種々の手段を採用し得ることは言うまで
もない。

また、空気軸受６，７のテーパの向きを、第３図とは逆
に、大径側をそれぞれ外側に向けてもよい。このように
すれば、回転軸１が熱膨張によってＭ’−びだとき、軸
受すき間Ｃが大きくなる方向で°あるため、焼付きを起
こす心配がなく、特に軸受すき間Ｃを手動で設定する場
合に適している。さらにまだ、前述した実施例は、回転
軸１を対をなす２つのテーパ状の空気軸受６．７にて支
持するようにして、両方の軸受すき間Ｃを同時に調整し
得るようにしだ例を示したが、回転軸を支持する複数の
空気軸受のうち熱膨張などによって軸受すき間が変化を
起こす可能性のある個所の空気軸受のみに本発明を適用
してもよい等、種々の実施態様がある。

以上述べたように本発明によれば、空気軸受の長所をよ
り完全に発揮させることができると共に、使用条件に適
した状態で使用することができ、１つの回転軸を高速と
低速などの異なる条件のもとでも使用でき、さらには超
高速回転が容易に得られるなどの効果が得られる。また
軸受すき間を自動的にコントロールするように構成すれ
ば運転中の熱膨張などによる軸受すき間の変化を補償し
て常に最適状態に保つたり、さらには回転数の変化にも
自動的に対応して広範囲の回転数に対して最適状態が得
られるなどの効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空気軸受の軸受すき間と軸受静剛性との関係の
一例を示す曲線図、第２図は空気軸受の軸受すき間と加
圧空気の吐出流量との関係の一例を示す曲線図、第３図
は本発明の一実施例を示す断面図、第４図は軸系の高低
２２の固有振動数の変化に基ずく回転数と振動振巾との
関係を示す曲線図、第５図および第６図は本発明の他の
実施例を示す要部断面図である。 １・・・・・回転軸、　３１３ａ、４・・・・・・軸受
部材、５・・・・・・ベース、６，７・・・・・・空気
軸受、８１９１１９．１９ａｌｌ’？ｂ・・・−・・流
路、１０．１７・・・・・・ガイド、　１３・・・・・
・ネジ、１４・・・・・・送りモータ、　１５・・・・
・・圧力センサ、１６・・・・・・演算部、１８・・・
・・・バネ、２０．２１・・・・・・ストッパ、 Ｃ・・・・軸受すき間。 出願人　東芝機械株式会社 第３口 第４口 １０２− 第５図 オ６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸を支持する空気軸受装置において、回転軸と
   軸受部材との間に形成される空気軸受をテーパ状にし、
   同テーパ状の空気軸受を形成している軸受部材を前記回
   転軸の軸方向へ移動可能に取付けたことを特徴とする空
   気軸受装置。 ２、空気軸受が互いに逆向きの一対のテーパ状の空気軸
   受になされ、一方のテーパ状の空気軸受の軸受部材が回
   転軸の軸方向へ移動可能に取付けられている特許請求の
   範囲第１項記載の空気軸受装置。 ３、軸受部材が、ねじによって移動されると共に所定位
   置に静止されるようになされている特許請求変化によっ
   て移動可能になされている特許請求の５、軸受部材が、
   互いに対向する１１４％圧の変化によって移動可能にな
   されている特許請求の範囲第１または２項記載の空気軸
   受装置。 ６、軸受部材が、テーパ状の空気軸受のすき間を予じめ
   定められた大、小に変化させるべく、２位置間を移動可
   能に取付けられ、かつ回転軸の回転数に応じて一方の位
   置から他方の位置へ自動的に移動可能になされている特
   許請求の範囲第１ないし５項のいずれか１項に記載の空
   気軸受装置。 ７、回転軸を支持する空気軸受装置において、回転軸と
   軸受部材との間に少なくとも１つのテーパ状の空気軸受
   を設け、同テーパ状の空気軸受を形成している軸受部材
   を前記回転軸の軸方向へ移動可能に取付けると共に、前
   記テーパ状の空気軸受のすき間の大小を検知する手段を
   設け、同手段からの出力信号に関連して前記軸受部材を
   移動させ得るようにしたことを特徴とする空気軸受装置
   。 ８、空気軸受のすき間の大小を検知する手段が、前記空
   気軸受内の圧力を検知する圧力センサである特許請求の
   範囲第７項記載の空気軸受装置。 ９、空気軸受のすき間の大小を検知する手段が、前記空
   気軸受への空気の吐出流量から検知するようになってい
   る特許請求の範囲第７項記載の空気軸受装置。 １０、空気軸受のすき間の大小を検知する手段が、回。 転軸の変位から検知するようになっている特許請求の範
   囲第７項記載の空気軸受装置０