JP2000291657A - 静圧気体軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スロット絞り形式の静圧空気軸受を簡単に製
作できると共に実用に供することができるようにする。 【解決手段】 回転軸１及びその回転軸１と一体的に設
けられたスラスト板２に対向する軸受面１８，２３を有
し、回転軸１及びスラスト板２と軸受面１８，２３の間
に形成された軸受隙間１２，１４に向けてスロット隙間
２０，２５から圧縮空気を噴出させることにより、回転
軸１及びスラスト板２を非接触状態に保持したジャーナ
ル軸受１３及びスラスト軸受１５の静圧気体軸受におい
て、スロット隙間２０，２５が開口した軸受面１８，２
３を黒鉛で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静圧気体軸受に関
し、例えば主に精密加工、精密検査などに使用される高
精度のエアスピンドル又はエアスライドに組み込まれた
静圧気体軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、静圧空気軸受の絞り形式には、
複数の小径穴（以下、給気孔と称す）により絞りを働か
せる自成絞り、給気孔にポケットを設けることで負荷能
力を向上させるオリフィス絞り、軸受面に給気孔と連通
する溝を形成することで負荷能力を向上させる表面絞
り、通気性のある多孔質材料の流体抵抗により絞りを働
かせる多孔質絞りなどがある。

【０００３】これら絞り形式の一つとしてスロット絞り
があり、この種の静圧空気軸受の一例を図６（ａ）
（ｂ）に示す。この静圧空気軸受は、回転軸１に一体に
設けられたスラスト板２を軸受隙間３を介して非接触支
持するスラスト軸受４であり、このスラスト軸受４はケ
ース５に取り付けられている。

【０００４】このスラスト軸受４は二つの軸受部材４ａ
と４ｂからなり、前述したスラスト板２と対向する軸受
面６を有する。これら二つの軸受部材４ａと４ｂを接合
することにより、一方の軸受部材４ｂが有する隔壁７で
もって軸受面６に開口するスロット隙間８を形成すると
共にその隔壁７に隣接して給気室９を形成する。

【０００５】このスラスト軸受４では、空気供給口１０
から圧縮空気を供給すると、空気は給気室９を通過し円
周上に設けられた幅数ミクロンから数十ミクロンのスロ
ット隙間８で絞られた後、軸受面６に対向するスラスト
板２との間の軸受隙間３へと噴出される。このようにス
ラスト軸受４は、スロット隙間８でもって絞りを働かせ
るものである。

【０００６】給気孔を有する絞り形式では点給気となる
のに対し、スロット絞りでは線給気となるため、軸受隙
間内に入った空気は、スラスト軸受の場合、その半径方
向の一様な流れとなり、ジャーナル軸受の場合、その軸
方向の一様な流れとなり、給気の広がりがなく負荷能力
が高くなる。また、多孔質軸受では絞りが材料内の連通
孔の不均一さや目詰まりの不均一さに依存するという欠
点があるが、スロット絞りではその問題もない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うにスロット絞りには優れた利点があるにもかかわら
ず、静圧空気軸受としてはあまり実用化されていないと
いうのが現状である。その理由は以下の通りである。

【０００８】一般に、スロット絞り以外の絞り形式の場
合、静圧空気軸受を構成する軸受部材には加工性に優れ
た銅合金が使用され、軸受面を精密に仕上げる必要があ
るため、その軸受面を研削加工するようにしている。図
７に示すように銅合金で製作された軸受部材４ａ，４ｂ
により形成された軸受面６を研削加工すると、スロット
隙間８が幅数ミクロンから数十ミクロンと狭いために、
軸受部材４ａ，４ｂ間に形成されたスロット隙間８が研
削加工時のばりやかえりで目詰まり（図中ａ部分）して
しまう。

【０００９】その結果、空気がスロット隙間８を通過す
ることができなくなり、静圧空気軸受として使用できな
くなってしまう。なお、目詰まりの発生を防止するため
に研削加工後に精度良く組み立てる方法も考えられる
が、組立が困難であり実用的でない。つまり、スロット
絞りを静圧空気軸受に採用するには、製作が困難である
という欠点を有する。

【００１０】そこで、本発明は前述した問題点に鑑みて
提案されたもので、その目的とするところは、スロット
絞り形式の静圧空気軸受を簡単に製作できると共に実用
に供することができるようにすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】スロット絞り形式の静圧
空気軸受を製作可能とするためには、その軸受面を研削
加工してもスロット隙間が目詰まりしない材料とする必
要がある。また、万一、回転軸と静圧空気軸受が接触し
た場合でも静圧空気軸受の損傷を軽減するために耐焼付
き性の良好な材料とする必要もある。

【００１２】そこで、前述した目的を達成するため、本
発明は、スロット隙間が開口した軸受面を持つ軸受部材
を黒鉛で形成したことを特徴とする。ここで、黒鉛は、
脆性材料であるので研削加工時にばりやかえりが発生し
ないためスロット隙間が目詰まりせず、さらに、耐焼付
き性も銅合金と比較して良好である。

【００１３】但し、黒鉛は弾性係数が小さく変形しやす
い。一般に静圧空気軸受では供給する圧縮空気の圧力を
大きくすることで負荷能力を向上させるが、スロット隙
間を有するスラスト軸受４（図６参照）を構成する軸受
部材４ａ，４ｂを黒鉛で製作し、空気供給口１０から供
給する圧縮空気の圧力を徐々に大きくしていくと、スロ
ット隙間８を形成するために給気室９と軸受隙間３との
間に設けられた隔壁７が給気室９での圧力と軸受隙間３
での圧力の差によって図８に示すように変形する可能性
がある。仮に隔壁７が変形すると、絞りの効果が変化す
る上、軸受面精度も劣化することから軸受性能が著しく
劣化する虞がある。

【００１４】また、スロット隙間８を形成する方法とし
て、一方の軸受部材４ｂの外径面１１ａと１１ｂ 〔図
６（ｂ）参照〕の半径寸法差が所望のスロット隙間８と
なるように精度良く加工した後、一方の軸受部材４ｂを
他方の軸受部材４ａに焼嵌め、圧入又はボルトにより固
定する方法がある。ところが、軸受部材４ａと４ｂの接
触面が黒鉛であると接触部位が変形しやすく、スロット
隙間８の寸法も変化して所望の軸受性能が得られない可
能性がある。

【００１５】そこで、本発明では、軸受部材を黒鉛で構
成すると共にその軸受部材の一部を黒鉛よりも弾性係数
が大きい材料で構成したことにより、軸受部材の変形を
抑制する。すなわち、静圧空気軸受の軸受面を黒鉛で形
成したことにより、その軸受面を研削加工してもスロッ
ト隙間の目詰まりが発生しない。また、黒鉛は弾性係数
が小さい材料であるために変形しやすいが、軸受部材の
一部を黒鉛よりも弾性係数が大きい材料で構成したこと
により、その軸受部材の変形を抑制することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に係る静圧空気軸受の実施
形態を以下に詳述する。

【００１７】図１に示す実施形態は、回転軸１を軸受隙
間１２を介して非接触支持するジャーナル軸受１３と、
回転軸１に一体に設けられたスラスト板２を軸受隙間１
４を介して非接触支持するスラスト軸受１５であり、ジ
ャーナル軸受１３はハウジング１６に、スラスト軸受１
５はそのハウジング１６及びケース１７にそれぞれ取り
付けられている。

【００１８】前述したジャーナル軸受１３は材質を黒鉛
とした軸受部材１３ａ，１３ｂから構成されており、前
述した回転軸１と対向する軸受面１８を有する。これら
二つの軸受部材１３ａと１３ｂを接合することにより、
一方の軸受部材１３ｂが有する隔壁１９でもって軸受面
１８に開口するスロット隙間２０を形成すると共に、そ
の隔壁１９に隣接して給気室２１を形成する。

【００１９】このジャーナル軸受１３では、空気供給口
２２から圧縮空気を供給すると、空気は給気室２１を通
過し円周上に設けられた幅数ミクロンから数十ミクロン
のスロット隙間２０で絞られた後、軸受面１８に対向す
る回転軸１との間の軸受隙間１２へと噴出される。この
ようにジャーナル軸受１３は、スロット隙間２０でもっ
て絞りを働かせながら、回転軸１を空気の圧力で非接触
支持する。

【００２０】同様に、スラスト軸受１５は材質を黒鉛と
した軸受部材１５ａ，１５ｂから構成されており、前述
したスラスト板２と対向する軸受面２３を有する。これ
ら二つの軸受部材１５ａと１５ｂを接合することによ
り、一方の軸受部材１５ｂが有する隔壁２４でもって軸
受面２３に開口するスロット隙間２５を形成すると共
に、その隔壁２４に隣接して給気室２６を形成する。

【００２１】このスラスト軸受１５では、空気供給口２
２から圧縮空気を供給すると、空気は給気室２６を通過
し円周上に設けられた幅数ミクロンから数十ミクロンの
スロット隙間２５で絞られた後、軸受面２３に対向する
スラスト板２との間の軸受隙間１４へと噴出される。こ
のようにスラスト軸受１５は、スロット隙間２５でもっ
て絞りを働かせながら、スラスト板２を空気の圧力で非
接触支持する。

【００２２】これらジャーナル軸受１３及びスラスト軸
受１５は、それぞれの軸受部材１３ａ，１３ｂ，１５
ａ，１５ｂを黒鉛で製作していることから、軸受部材１
３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂをハウジング１６及びケ
ース１７に取り付けた後に軸受面１８，２３を研削加工
で仕上げることが可能で、研削加工によってスロット隙
間２０，２５が目詰まりすることもない。また、黒鉛は
潤滑性が良好なので、過負荷などによって回転軸１と軸
受面１８，２３が接触しても、重大な損傷は生じない。

【００２３】次に、本発明の第２の実施形態を図２に示
す。この実施形態は、スロット絞り形式のスラスト軸受
２７であり、三つの軸受部材２７ａ，２７ｂ，２７ｃか
ら構成され、軸受部材２７ｂと２７ｃは焼嵌め、接着等
により一体になっている。軸受面２８を形成した軸受部
材２７ａ，２７ｂは材質を黒鉛としているが、残りの軸
受部材２７ｃは黒鉛よりも弾性係数が大きい材料、例え
ばステンレスを使用している。

【００２４】図２に示すように軸受部材２７ｂと２７ｃ
により形成された隔壁２９は、その軸受面２８側を黒鉛
の軸受部材２７ｂとし、給気室３０側を黒鉛よりも弾性
係数が大きい材料であるステンレスの軸受部材２７ｃで
構成したことにより、負荷能力を向上させるために圧縮
空気の圧力を大きくしたことにより給気室３０での圧力
と軸受隙間１４での圧力の差が大きくなっても、その圧
力差による隔壁２９の変形を抑制することが可能である
（図７では隔壁７が変形している）。

【００２５】また、図２の実施形態では、軸受部材２７
ｂ，２７ｃが共にスロット隙間３１を形成するための外
径面３２ａを有しているが、一方の軸受部材２７ｃが必
ずしもスロット隙間３１を形成する必要はなく、例えば
図３に示す第３の実施形態のような構造でもよい。

【００２６】この実施形態では、スラスト軸受３３を、
三つの軸受部材３３ａ，３３ｂ，３３ｃで構成し、軸受
面３４を形成した軸受部材３３ａ，３３ｂを黒鉛で構成
する。一方、隔壁３５の一部を構成する軸受部材３３ｃ
を黒鉛よりも弾性係数が大きい材料（例えばステンレ
ス）としたことにより、前述した隔壁３５の変形は小さ
くすることが可能である。なお、この場合、スロット隙
間３６は一つの軸受部材３３ｂのみで形成されている。

【００２７】本発明の第４の実施形態を図４に示す。こ
の実施形態のスラスト軸受３７は、四つの軸受部材３７
ａ〜３７ｄから構成されている。

【００２８】軸受面３８を形成した軸受部材３７ａ，３
７ｂは材質を黒鉛としているが、残りの軸受部材３７
ｃ，３７ｄは例えばステンレスを使用している。このス
ラスト軸受３７は、軸受部材３７ａを軸受部材３７ｄに
取り付け、さらに軸受部材３７ｂを軸受部材３７ｃに取
り付けた後、軸受部材３７ｃを軸受部材３７ｄに焼嵌め
することにより製作される。

【００２９】このように軸受部材３７ｃと３７ｄの接触
面をステンレスで形成したことにより、軸受部材３７ｃ
と３７ｄの接触部位における変形を抑制することがで
き、所望のスロット隙間３９を精度良く、容易に製作で
きる。

【００３０】この第４の実施形態では、軸受部材３７ｂ
と３７ｃとでスロット隙間３９の片側に隔壁４０を形成
した構造のものであるが、図５に示す第５の実施形態の
ように黒鉛からなる軸受部材３７ａ' ，３７ｂとステン
レスからなる軸受部材３７ｃ，３７ｄ' とで構成し、軸
受部材３７ｂと３７ｃ、及び軸受部材３７ａ' と３７
ｄ' とでスロット隙間３９の両側に隔壁４０，４１を形
成した構造であってもよい。

【００３１】ここで、前述した図２や図４、図５の実施
形態のように軸受部材２７ｃ，３７ｃ，３７ｄ，３７
ｄ' の材質をステンレスとした場合、回転軸の回転やモ
ータの発熱による影響などで軸受温度が上昇すると、黒
鉛とステンレスの熱膨張係数の差が大きい（一般的に黒
鉛の熱膨張係数は３×１０^-6〜７×１０^-6［／℃］、ス
テンレスの熱膨張係数は１１×１０^-6〜３６×１０
^-6［／℃］程度である）ためにスロット隙間３１が変化
したり、軸受面精度の劣化が生じる可能性がある。

【００３２】そこで、前述した軸受部材２７ｃ，３７
ｃ，３７ｄ，３７ｄ' の材質としてステンレスの代わり
に黒鉛と熱膨張係数の近い材質である、例えばインバー
合金やセラミック等の材質とすることにより、軸受温度
が上昇した場合でも安定した軸受性能が得られるように
することも可能である。なお、一般的に黒鉛の熱膨張係
数が３×１０^-6〜７×１０^-6［／℃］程度であることか
ら、熱膨張係数が８×１０^-6［／℃］以下の材質を軸受
部材２７ｃに使用すればよい。

【００３３】以上で説明した第２〜第５の実施形態で
は、本発明をスラスト軸受に適用した場合について説明
したが、本発明はこれに限定されることなく、第２〜第
５の実施形態のような構造をジャーナル軸受に適用する
ことも可能である。また、前述した第１〜第５の実施形
態では、スロット隙間を軸受面の円周上に沿って連続的
に形成した環状のものであるが、本発明はこれに限定さ
れることなく、スロット隙間を軸受面の円周上に沿って
非連続的に形成したスリット状のものであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、スロット絞りを有する
静圧空気軸受の軸受面を黒鉛で形成したことにより、そ
の軸受面を研削加工で仕上げる場合であっても、黒鉛が
脆性材料で研削加工時にばりやかえりが発生しないため
スロット隙間が目詰まりせず、さらに、耐焼付き性も従
来の銅合金と比較して良好で、静圧気体軸受の製作が容
易となってコスト低減も図れる。

【００３５】また、軸受面を黒鉛で形成された静圧気体
軸受において、スロット隙間を形成するために給気室と
軸受隙間との間に設けられた隔壁を、黒鉛と黒鉛よりも
弾性係数が大きい材料で構成したことにより、負荷能力
の向上のために供給する圧縮空気の圧力を大きくして
も、隔壁の変形を効果的に抑制することができ、軸受性
能の劣化を防止でき、さらに、より圧力の高い気体を供
給することが可能となることで軸受性能の向上が図れ
る。

【００３６】さらに、スロット隙間を形成するための二
つの軸受部材の接合部を、互いに黒鉛よりも弾性係数が
大きい材料で構成したことにより、スロット隙間を精度
良くかつ安定して製作することができ、従来の銅合金や
黒鉛同士の接触嵌合品に起こりやすい接触部の変形防止
も可能となる。なお、黒鉛よりも弾性係数が大きい材料
として、黒鉛の熱膨張係数と同等の材料を選定すれば、
軸受温度が上昇した場合でも軸受性能の著しい劣化を防
ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態でジャーナル軸受及び
スラスト軸受を示す断面図

【図２】本発明の第２の実施形態でスラスト軸受を示す
断面図

【図３】本発明の第３の実施形態でスラスト軸受を示す
断面図

【図４】本発明の第４の実施形態でスラスト軸受を示す
断面図

【図５】本発明の第５の実施形態でスラスト軸受を示す
断面図

【図６】（ａ）は静圧気体軸受の従来例でスラスト軸受
を示す平面図（ｂ）は（ａ）の断面図

【図７】図６（ｂ）の部分拡大でスロット隙間が目詰ま
りした状態を示す断面図

【図８】図６（ｂ）の部分拡大で軸受部材の隔壁が変形
した状態を示す断面図

【符号の説明】

１ 可動部（回転軸） ２ 可動部（スラスト板） １２ 軸受隙間 １３ 静圧気体軸受（ジャーナル軸受） １４ 軸受隙間 １５ 静圧気体軸受（スラスト軸受） １８ 軸受面 ２０ スロット隙間 ２３ 軸受面 ２５ スロット隙間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動部と対向する軸受面を形成した軸受
   部材を備え、その軸受部材の軸受面に開口するスロット
   隙間から、軸受面と可動部間の軸受隙間に向けて圧縮気
   体を噴出させることにより、可動部を非接触状態に保持
   した静圧気体軸受において、前記軸受部材を黒鉛で形成
   したことを特徴とする静圧気体軸受。
2. 【請求項２】 前記軸受部材は給気室側と軸受隙間側と
   の間に位置する隔壁を有し、その隔壁の軸受隙間側を黒
   鉛で、かつ、給気室側を黒鉛よりも弾性係数が大きい材
   料で構成したことを特徴とする請求項１記載の静圧気体
   軸受。
3. 【請求項３】 前記軸受部材は、黒鉛よりも弾性係数が
   大きい材料同士を互いに嵌合させたことにより形成され
   ていることを特徴とする請求項２記載の静圧気体軸受。
4. 【請求項４】 前記黒鉛よりも弾性係数が大きい材料と
   して、熱膨張係数が８×１０^-6［／℃］以下の材料を選
   定したことを特徴とする請求項２又は３記載の静圧気体
   軸受。