TWI571571B - 空氣軸承改良構造 - Google Patents

Description

空氣軸承改良構造

本發明係與氣體軸承技術有關，特別是關於一種靜壓型且具高深寬比孔徑之空氣軸承改良構造。

空氣軸承者，係以氣體為潤滑劑之滑動軸承，藉由氣體之黏滯性以增加兩相對位移物體間隙內之氣體壓力，從而浮起物體並承載負荷者，其低摩擦系數與低摩擦力矩之特性，適於高速運動之技術領域，並可藉由氣體於相對位移端面間所形成之氣膜，降低運動時之振動幅度，而得以滿足高運動精度之需求，除此之外，空氣軸承更具有諸如使用壽命長、易於保養、不易受溫度之影響等等特性，使得空氣軸承被廣泛地應用於諸多不同之產業中。

而在要求定位精度高與快速運動之精密加工機械或量測儀器中，傳統之液體軸承由於在高轉速與溫昇效應下，易引起軸承變形及耗損熱量，造成液體軸承之損壞，相較之下，氣靜壓型式之空氣軸承，由於其氣體黏度遠小於傳統液體軸承之液體黏度，而可特別適於高速之運動，惟相對地，由於氣體之黏度較小，造成氣靜壓軸承之承載能力與剛性亦相對較低，而限制了其具體應用之範圍。

氣靜壓型式之空氣軸承，乃以供氣系統將加壓氣體供入節流器中，再藉由節流器將氣體導入軸承間隙內產生靜壓力以承載負荷者，而 透過不同節流氣之構造，係可使空氣軸承具有不同之特性，其中，以具有通氣性之多孔質材料所製成之節流器，其穩定性與負荷能力均優於其他之習知節流器，惟由於其於製造上相對較為困難，造成其成本過高，而難以被廣泛地被採用，同時由於難以對所製成之多孔質內部孔隙進行控制，使得在孔徑大小、分布狀態之調整與控制上，難以獲得較佳之設置狀態。

因此，本發明之主要目的係在提供一種具高深寬比之空氣軸承改良構造，其係為於以多孔質材料所製成之本體上，設有由鋁與多數通孔所組成之一節流層部，而得透過對各該通孔之孔徑或分布狀態進行改變或調整，以克服習知多孔質節流型式空氣軸承難以控制孔徑分布之缺失，從而提高空氣軸承在孔徑參數上調整之自由度，並得以兼具多孔質節流技術之所具備之高剛性與高穩定性本發明，以提高出氣均勻度、氣膜剛性與氣流穩定度。

緣是，為達成上述目的，本發明所提供之空氣軸承改良構造，其主要乃係包含了有一多孔質本體，具有一基部，一設於該基部之氣室，係為位於該基部內部之多數空隙彼此連通而成者；一節流層部，係設於該多孔質本體之一側端面，係由一鋁層與多數具預定長度之通孔所組成，並使各該通孔彼此同向地分別貫穿該鋁層，而各自與該氣室相連通。

其中，該鋁層藉由物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)於該本體之一側端面上。

其中，該鋁層之厚度係介於3至5微米之間。

其中，各該通孔之形狀係可因應不同之氣流輸出需求，係可 使其孔徑得以為單一之內徑或具有變化之非單一內徑。

其中，具有非單一內徑之通孔，其內徑之變化係得以呈孔軸兩端內徑大於中段部位者，或孔軸兩端內徑小於中段部位者。

其中，各該通孔係可被均勻地分設於該鋁層中，其彼此間之分隔間距係可介於250~400奈米之間。

其中，各該通孔之孔徑與孔深間之深寬比係至少大於等於6。

其中，各該通孔之設置，係可藉由本發明選自於由超音波加工(USM)、電化學加工(ECM)、放電加工(EDM)、雷射加工(LBM)、電子束加工(EBM)以及陽極處理(AO)等加工方法所組成之群。

於上述加工方法中，以陽極處理於該鋁層上所形成之多數通孔，係可具有較為均一之內徑，且適於提高各該通孔之深寬比，而具有能對空氣產生限流、導流之較佳作用，從而使出氣之氣流達到整定流向、完全發展之流動氣體，確保層流以提高穩定性。

(10)‧‧‧空氣軸承改良結構

(20)‧‧‧多孔質本體

(21)‧‧‧基部

(22)‧‧‧氣室

(30)‧‧‧節流層部

(31)‧‧‧鋁層

(32)(32’)(32”)(32''')‧‧‧通孔

第一圖係本發明第一較佳實施例之剖視圖。

第二圖係本發明第一較佳實施例之氣流示意圖。

第三圖係本發明第一較佳實施例之部分立體圖

第四圖係本發明第一較佳實施例之局部節流層立體剖視示意圖。

第五圖係本發明第二較佳實施例之局部節流層立體剖視示意圖。

第六圖係本發明第三較佳實施例之局部節流層立體剖視示意圖。

第七圖係本發明第四較佳實施例之局部節流層立體剖視示意圖。

茲即舉以本發明一較佳實施例，並配合圖式作進一步之說明。

請參閱第一圖至第四圖所示，在本發明第一較佳實施例中所提供之空氣軸承改良構造(10)，其主要乃係包含了有一多孔質本體(20)與一節流層部(30)，其中：該多孔質本體(20)乃係由習知燒結技術所製成者，其係具有一基部(21)，一位於該基部(21)內部而由多數空隙彼此連通而成之氣室(22)，俾以該多數之空隙構成氣體流動之路徑，從而獲得與習知多孔質節流器相仿之功效。

該節流層部(30)係由一鋁層(31)與多數具預定長度之通孔(32)所組成，並設於該多孔質本體(20)之一側端面上，，進一步而言，該鋁層(31)係以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)將鋁沉積於該多孔質本體(20)一側端面上，約3至5微米之厚度，再藉由陽極氧化處理於該鋁層(31)上氧化形成各該通孔(32)；其中，藉由陽極氧化處理所形成之各該通孔(32)，係彼此同向且均勻地分設於該鋁層(31)中，具體而言，各該通孔(32)彼此間之間距係可介於250至450奈米間，以於該鋁層(31)上形成均勻之矩陣排列狀態，同時，更可使各該通孔(32)之孔徑達到奈米級之尺寸，俾得於厚度甚薄之該鋁層(31)中，提高各該通孔之孔徑與孔深間之比值，是等比值之較佳狀態係為大於等於6。

藉由上述構件之組成，該空氣軸承之改良構造(10)在使用 時，乃係由外部將高壓氣體導入該多孔質本體(20)中，再經由該節流層部(30)向外流出者，其中，當外部高壓氣體進入該該多孔質本體(20)之氣室(22)時，係受到該基部(21)之阻擋，而使流速減緩，繼之，受到該多孔質本體(20)阻尼作用之高壓氣體，則受到該節流層部(30)中各該陣列通孔(32)之導引而流出，俾得以各該通孔(32)對所流出之氣體施以整流定向，確保氣體流動之層流狀態，以獲得較佳之氣膜穩定度。

另外，所需進一步說明者係，前述第一較佳實施例中所揭露之通孔製造方法，乃係舉以陽極氧化處理之技術為例，於是等製法下所形成之通孔，其孔徑實質上係傾向於單一，亦即該第一較佳實施例中所揭露之通孔(32)在一定公差允許範圍內，係可被稱為具單一孔徑之直孔，惟，本發明所應受保護之範圍並不以之為限，即，各該通孔之孔徑縱稍有變化，而有如第五圖至第七圖所示之第二實施例至第四實施例所例示般之具有如兩端內徑不等之錐狀孔形、中段內徑較小之中窄狀孔形，或兩端內徑較小之中廣狀孔形等不同孔形狀變化之通孔(32’)(32”)(32''')者，亦均為本發明所應受保護範圍之內。

再者，用以形成各該通孔(32)之加工方法除上述之陽極氧化處理外，亦得以選用如超音波加工(USM)、電化學加工(ECM)、放電加工(EDM)、雷射加工(LBM)、電子束加工(EBM)等習知之微孔加工技術來達成者，其亦均應為本發明所應受保護之範疇者。

(10)‧‧‧空氣軸承改良結構

(20)‧‧‧多孔質本體

(21)‧‧‧基部

(22)‧‧‧氣室

(30)‧‧‧節流層部

(31)‧‧‧鋁層

(32‧‧‧通孔

Claims (9)

1. 一種空氣軸承改良構造，包含有：一多孔質本體，具有一基部，一設於該基部之氣室，係為位於該基部內部之多數空隙彼此連通而成者；一節流層部，係設於該多孔質本體之一側端面，係由一鋁層與多數具預定長度之通孔所組成，並使各該通孔彼此同向地分別貫穿該鋁層，而各自與該氣室相連通，其中：該鋁層的厚度係介於3~5微米(μm)之間。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，該鋁層係藉由物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)於該本體之一側端面上。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔的加工法係選自於由超音波加工(USM)、電化學加工(ECM)、放電加工(EDM)、雷射加工(LBM)、電子束加工(EBM)以及陽極氧化處理(AAO)等微孔加工方法所組成之群組。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔彼此係等間距地排列於該鋁層中，且彼此間距係介於250~400奈米(nm)之間。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔之深度與孔徑之比值係大於等於6。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔孔軸兩端之孔徑係彼此相等。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔之 孔軸兩端之孔徑係彼此不相等。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔之孔軸中段部位孔徑係大於該孔軸兩端之孔徑。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之空氣軸承改良構造，其中，各該通孔之孔軸中點孔徑小於該孔軸兩端孔徑。