JP2009197943A

JP2009197943A - 気体軸受スピンドル

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Publication number: JP2009197943A
Application number: JP2008041650A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hirata; 淳一平田; Takashi Haraguchi; 隆原口
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03
Also published as: WO2009104542A1

Abstract

【課題】回転軸が高速回転をした場合においても安定して動作する気体軸受スピンドルを提供する。
【解決手段】気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、軸受スリーブ３０とを備える。軸受スリーブ３０は、回転軸１０の側面の少なくとも一部に対向するように配置される。軸受スリーブ３０は、カーボンと、カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、高速回転時でも安定して使用可能な気体軸受スピンドルに関する。

ハウジング内部において、回転軸と回転軸に対向する部材との間の微小な隙間に圧縮空気などの気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される気体軸受スピンドルが従来知られている。このような気体軸受スピンドルでは、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなく、回転軸と、回転軸に対向する部材とが通常は直接接触せず、正常な運転状態である限り、当該部材の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、気体軸受スピンドルは精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される高速スピンドルとして広く使用されている。

この気体軸受スピンドルにおいては、その性能を向上させるために種々の提案がなされている。たとえば、回転軸と、回転軸に対向する部材とが万一接触した場合でも、回転軸の焼付きを回避するため、回転軸に対向する部材として黒鉛からなる内壁を有する軸受スリーブを採用することが提案されている。また、回転軸に対向する部材としての軸受スリーブを、ハウジングに対してＯリングを介して支持することにより、回転軸の振れ回り振動を吸収するといった構成も提案されている（たとえば、特開２００２−２９５４７０号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）参照）。

図４は、上記特許文献１に示されている従来の気体軸受スピンドル（静圧空気軸受スピンドル）のジャーナル軸受部を示す断面模式図である。図４を参照して、従来の気体軸受スピンドルの一例について説明する。

図４に示した従来の気体軸受スピンドルは、回転軸１１０の外径面に気体軸受のためのジャーナル軸受隙間１１３を隔てて軸受スリーブ１３０が配置されている。軸受スリーブ１３０の両端部は、４本のＯリング１４１〜１４４を介してハウジング１２０に支持されている。Ｏリング１４１、１４２は、ハウジング１２０と軸受スリーブ１３０との間の周状空間１２２を気密にシールすると共に、その弾性により回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させる。回転軸１１０は軸受隙間１１３に供給される高圧気体により回転自在に非接触支持される。また、図示はしないが回転軸１１０は軸方向にも高圧気体により非接触支持される。

気体軸受用の高圧気体は、ハウジング１２０に形成された給気通路１２１を通して、ハウジング１２０の内径と軸受スリーブ１３０の外径との間の周状空間１２２に供給される。そして、軸受スリーブ１３０の両端部付近において周状に複数形成された軸受ノズル１５１から回転軸１１０外周の軸受隙間１１３に当該高圧気体は噴出される。なお、図４における回転軸１１０の右端には工具等が取付け可能である。また、回転軸１１０は図示しない駆動手段によって駆動される。
特開２００２−２９５４７０号公報

気体軸受スピンドルは、耐焼付き性を向上させるため、軸受スリーブ１３０を潤滑性に優れた黒鉛で形成すると共に、回転軸１１０を鉄鋼系金属で形成する場合が多い。しかしこのような従来の気体軸受スピンドルでは次のような問題が生じる可能性がある。すなわち、
（１）回転軸１１０が高速回転すると軸受隙間１１３での気体摩擦により熱が発生する。ところが、軸受スリーブ１３０は通常Ｏリング１４１〜１４４によってハウジング１２０に弾性支持されているため、軸受スリーブ１３０からハウジング１２０への伝熱性は良好ではない。この結果、軸受隙間１１３からの放熱が悪く、回転軸１１０及び軸受スリーブ１３０の温度が上昇する場合がある。すると、軸受スリーブ１３０の材料である黒鉛の線膨張係数が回転軸１１０の材料である鉄鋼系材料より小さいため、径方向での寸法増加は軸受スリーブ１３０より回転軸１１０のほうが大きくなる。そのため、回転軸１１０が高速回転すると軸受隙間１１３が次第に狭くなり、場合によっては軸受隙間１１３がゼロになって回転軸１１０と軸受スリーブ１３０とが接触する可能性があった。そして、このような問題は高速回転の用途ほど深刻である。

例えば、軸受スリーブ１３０を線膨張係数α₁＝４×１０^-6／℃の黒鉛により構成し、回転軸１１０を線膨張係数α₂＝１７×１０^-6／℃のステンレス鋼により構成する場合を考える。ここで、軸受スリーブ１３０の内半径（ジャーナル軸受半径）ｒ₁＝２０ｍｍ、軸受隙間１１３（軸受半径隙間）Ｃｒ＝０．００５ｍｍと仮定する。この場合、各部材の温度上昇を均一と仮定すると、約１９℃の温度上昇（＝ΔＴ）でＣｒ＝０となる。なお、このことは以下の数式から計算できる。

ΔＣｒ₁＝ｒ₁（α₂−α₁）ΔＴ（ただし、ΔＣｒ1：軸受半径隙間変化量）
上述のようにＣｒ＝０となる現象（軸受半径隙間ゼロとなる現象）を防ぐ方法として、まず軸受隙間１１３を大きく設定することが考えられる。しかし、軸受隙間１１３を大きくすると軸受剛性が小さくなるため、気体軸受スピンドルが高剛性を必要とする場合には適用できない。また、軸受隙間１１３を大きくすることは振れ回りを抑制する上でも好ましくない。

一方黒鉛と同程度に線膨張係数の小さい、インバー合金やセラミックス等の材料で回転軸１１０を形成する方法も考えられるが、このような材料は一般に高価であり、現実的な解決方法とはいえない。

（２）図４に示した気体軸受スピンドルにおいては、黒鉛製の軸受スリーブ１３０をハウジング１２０に弾性支持するのは、Ｏリングの弾性変形に伴う減衰性能によって回転軸１１０と軸受スリーブ１３０間の相対振動を減衰させるためである。このとき、黒鉛製の軸受スリーブ１３０は質量が軽いために、ハウジング１２０に対して軸受スリーブ１３０の振動が大きくなりやすい。この軸受スリーブ１３０の振動には傾き成分もあるため、軸受スリーブ１３０に支持されている回転軸１１０においても傾きを伴った振れ回り振動を生じることになる。この結果、回転軸１１０の工具が設置された側（工具側）と反対側に配置されたスラスト軸受部において、回転軸１１０と他の部材との接触や、ハウジング１２０に対する回転軸１１０の工具側軸端の振れ回り量が問題となる場合がある。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、回転軸が高速回転をした場合においても安定して動作する気体軸受スピンドルを提供することである。

この発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、軸受スリーブとを備える。軸受スリーブは、回転軸の側面の少なくとも一部に対向するように配置される。軸受スリーブは、カーボンと、カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む。なお、軸受スリーブには、回転軸の側面の一部との間の間隙に気体を供給するための気体供給孔が形成されていてもよい。

このようにすれば、カーボンを用いることで軸受スリーブの潤滑性を確保するとともに、軸受スリーブ全体としての線膨張係数を調整することができる。このため、回転軸と軸受スリーブとの線膨張係数の差を、軸受スリーブがカーボンのみから構成される場合より小さくすることが可能になる。この場合、回転軸の回転に伴う気体摩擦による熱で回転軸および軸受スリーブが熱膨張したときに、カーボンのみからなる軸受スリーブを用いた場合より、回転軸と軸受スリーブとの熱膨張による寸法変化の差を小さくできる。この結果、当該寸法変化に起因して回転軸と軸受スリーブとの間の隙間が無くなり、回転軸と軸受スリーブが接触するという不良の発生を抑制できる。なお、ここでカーボンと上記材料との混合体とは、カーボンと上記材料との混合物を成型したものや、当該混合物を焼成、あるいは加熱処理、加圧処理などの所定の処理を行なってカーボンと上記材料の少なくとも一部が反応したものを含む。

上記気体軸受スピンドルは、弾性部材を介して軸受スリーブを保持するハウジングをさらに備えていてもよい。この場合、弾性部材によって軸受スリーブと回転軸との相対振動を減衰させることができる。さらに、このような弾性部材によって軸受スリーブがハウジングに保持されている場合には、軸受スリーブからハウジングへの伝熱性があまり良くないため、回転軸と軸受スリーブとの温度が上昇しやすい。そのため、本発明により回転軸と軸受スリーブとの線膨張係数の差を小さくすることが特に有効である。

上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸はカーボンより線膨張係数の大きな材料により形成されてもよい。混合体を構成する材料は、カーボンの線膨張係数より大きな線膨張係数を有してもよい。この場合、軸受スリーブと回転軸との線膨張係数の差を、従来のように軸受スリーブをカーボンのみで形成した場合より小さくすることができる。このため、回転軸の回転に伴う熱により回転軸と軸受スリーブとが熱膨張し、互いに接触する可能性を低減できる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、混合体を構成する上記材料は樹脂であってもよい。軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分は、カーボンと樹脂との混合物を成形した成形体により構成されてもよい。この場合、樹脂の組成を調整することで軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分の線膨張係数を調整する自由度を大きくできる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、混合体を構成する上記材料は金属であってもよい。軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分は、カーボンと金属との焼結体であってもよい。この場合、金属の種類を選択することで、軸受スリーブにおいて回転軸と対向する部分の線膨張係数を任意に調整することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブは、軸受スリーブの質量を調整するための質量調整用部品を含んでいてもよい。この場合、軸受スリーブの質量や重心の位置を、質量調整用部品の質量や配置によって任意に調整することができる。このため、ハウジングなど軸受スリーブを保持する部材に対する軸受スリーブの振動を抑制するように、重心の位置や軸受スリーブの質量を設定することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに複数個設置されていてもよい。複数の質量調整用部品は軸受スリーブの中心軸に対して軸対称な位置に配置されていてもよい。この場合、回転軸の回転に伴い軸受スリーブが振動するような際に、質量調整用部品が軸受スリーブの中心軸に対して非対称な位置（偏った位置）に配置されることに起因する異常振動の発生を抑制できる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに複数個設置されていてもよい。軸受スリーブの中心軸に沿った方向における、軸受スリーブの重心の位置は、軸受スリーブの中心軸に沿った方向における中央部に位置してもよい。この場合、上記重心の位置が軸受スリーブの中心軸に沿った方向における中心部からずれた場合に発生し得る、軸受スリーブでの異常振動の発生を抑制することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品を構成する材料は、軸受スリーブにおいて質量調整用部品以外の部分を構成する材料の線膨張係数の値以上の線膨張係数の値を有してもよい。質量調整用部品の少なくとも一部が軸受スリーブに嵌め込まれることにより、質量調整用部品は軸受スリーブに固定されていてもよい。この場合、軸受スリーブの温度が回転軸の回転に伴って上昇するときに、質量調整用部品の方が軸受スリーブにおいて質量調整用部品以外の部分より熱膨張による寸法変化が大きくなる。そのため、当該熱膨張に起因して、質量調整用部品の一部が軸受スリーブに嵌め込まれた部分から、当該質量調整用部品が抜けることを抑制できる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、質量調整用部品は軸受スリーブに着脱可能に設置されていてもよい。この場合、質量調整用部品の装着や離脱により、軸受スリーブの質量や重心の位置を容易に調整することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブには、内部にネジ加工が施された固定用孔が形成されてもよい。質量調整用部品の表面にはネジ加工部が形成されていてもよい。質量調整用部品は固定用孔にねじ込まれることにより固定されてもよい。この場合、質量調整用部品を軸受スリーブに容易に固定することができる。

上記気体軸受スピンドルにおいて、軸受スリーブの側面端部には、側面の外周に沿ってネジ加工部が形成されてもよい。質量調整用部品は、内周部にネジ加工が施されたリング状部材であってもよい。質量調整用部品は、ネジ加工が施された内周部を軸受スリーブのネジ加工部と嵌合させることにより固定されていてもよい。この場合、質量調整用部品を軸受スリーブに容易に固定することができる。

本発明によれば、高速回転時にも安定して動作する気体軸受スピンドルを得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における気体軸受スピンドル１を説明する。

図１に示すように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、軸受スリーブ３０と、ハウジング２０とを備える。軸受スリーブ３０は、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む貫通穴である軸受スリーブ貫通穴３３が形成された円筒状の部材である。ハウジング２０は、軸受スリーブ３０を取り囲み、弾性部材としてのゴム製のＯリング４１〜４４を介して軸受スリーブ３０を保持する。回転軸１０と軸受スリーブ３０とは、１０μｍ以上４０μｍ以下程度のジャーナル軸受隙間１３を隔てて配置されている。

回転軸１０は、円筒状（棒状）の軸部１１と、軸部１１の一方の端部に形成された、軸部１１より直径の大きい円板状の形状を有するフランジ部１２とを有している。軸部１１の他方の端部には工具などを保持するための保持部１９が形成されている。そして、軸受スリーブ３０には、複数のジャーナルノズル５１が形成されている。ジャーナルノズル５１は、軸受スリーブ３０の周壁に形成される。ジャーナルノズル５１は、軸受スリーブ貫通穴３３の内周面と回転軸１０の軸部１１の外周面１１Ａとの間に設けられたジャーナル軸受隙間１３に軸受用気体を供給する。

ジャーナルノズル５１は、軸受スリーブ貫通穴３３の内周面において円周方向に延びる２つの列を構成するように配置されている。ジャーナルノズル５１は、軸受スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸部１１における軸方向）における軸受スリーブ３０の中央部を挟む両側のそれぞれに１列ずつ形成されている。ジャーナルノズル５１は、軸受スリーブ３０の周壁に形成されたスリーブ給気路５２と接続されている。

以上の構成により、軸受スリーブ３０は、ハウジング２０に対して回転軸１０をラジアル方向（軸部１１の軸方向に垂直な方向）に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。なお、軸部１１の軸方向における軸受スリーブ３０の中央部から両側のジャーナルノズル５１までの距離がほぼ等しくなるように、ジャーナルノズル５１は形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受隙間１３内の圧力分布が軸方向における軸受スリーブ３０の中央部に対して対称となる。このようにすれば、回転軸１０は軸受スリーブ３０に対して、軸方向にバランスよく軸支される。

ジャーナルノズル５１は、スリーブ給気路５２と、軸受スリーブ３０、ハウジング２０およびＯリング４２、４３により閉じられた空間である環状空間（周状空間２２のうちＯリング４２、４３により囲まれた一部の空間）とを介して、ハウジング２０内に形成された軸受用気体供給路２１に接続されている。

ハウジング２０の内部には、円環状の形状を有する気体スラスト軸受部材６０が配置されている。気体スラスト軸受部材６０は、回転軸１０のフランジ部１２の両側の端面１２Ａのそれぞれに対して、一方の端面が対向するように配置されている。気体スラスト軸受部材６０と回転軸１０のフランジ部１２とは、１０μｍ以上５０μｍ以下程度のスラスト軸受隙間１４を隔てて配置されている。気体スラスト軸受部材６０には、フランジ部１２に対向する当該一方の面と、これに対向するフランジ部１２の端面１２Ａとの間に設けられたスラスト軸受隙間１４に気体を供給するため、複数個のスラストノズル６１が形成されている。スラストノズル６１は、フランジ部１２の周方向に沿った方向に複数個形成されている。スラストノズル６１は、気体スラスト軸受部材６０に形成されたスラスト軸受給気路６２に接続されている。また、スラスト軸受給気路６２はハウジング２０に形成された軸受用気体供給路２１に接続されている。つまり、スラストノズル６１は、スラスト軸受給気路６２を介して軸受用気体供給路２１に接続されている。そして、軸受用気体供給路２１は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。

フランジ部１２の一部（外周部）には、フランジ部１２内において当該外周部に隣接する部分（たとえばスラストノズル６１と対向するフランジ部１２の部分）よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部１２Ｂが形成されている。薄肉部１２Ｂの一方の面には、フランジ部１２の円周方向に沿って配列された複数のタービン翼１５が形成されている。タービン翼１５は、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸１０をフランジ部１２の周方向に回転させるためのものである。

また、ハウジング２０の内部には、フランジ部１２の外周側に配置され、タービン翼１５に対向する位置に開口を有し、ハウジング２０の内壁からタービン翼１５に向けて圧縮空気などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル７３が形成されている。タービンノズル７３は、フランジ部１２の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝７２に接続されている。円周溝７２は駆動用気体供給路７１に接続されている。つまり、タービンノズル７３は、円周溝７２を介して駆動用気体供給路７１に接続されている。駆動用気体供給路７１は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。

ハウジング２０には、駆動用気体排出路７５が形成されている。駆動用気体排出路７５は、フランジ部１２の薄肉部１２Ｂにおいてタービン翼１５が形成された側の面であって、タービン翼１５が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング２０の外壁に他方の開口を有する。

上記構造において軸受スリーブ３０は、軸受部であるベース体３１と、後述する質量調整用部品３２とを含む。ベース体３１は、軸受スリーブ貫通穴３３を有し、この軸受スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面１１Ａに対向する。軸受スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸方向）における軸受スリーブ３０の両端面と外径側面の端面側には、弾性部材であるゴム製のＯリング４１〜４４がはめ込まれている。軸受スリーブ３０は、上記Ｏリング４１〜４４を介してハウジング２０に対して保持されている。この弾性部材としてのＯリング４１〜４４によって、軸受スリーブ３０と回転軸１０との相対振動を減衰させることができる。

ここで、軸受スリーブ３０は、回転軸１０の側面の少なくとも一部に対向するように配置される。軸受スリーブ３０において回転軸１０と対向する部分であるベース体３１は、カーボンと、カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む。より具体的には、軸受スリーブ３０のベース体３１は、カーボンと、当該カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を成形した成形体により構成される。たとえば、軸受スリーブ３０のベース体３１は、カーボンと樹脂との混合体からなる成形材、またはカーボンと金属との焼結材によって形成されている。また、回転軸１０の円筒状の軸部１１は、カーボンより線膨張係数の大きな材料の一例である鉄鋼系金属（たとえばステンレス鋼など）により形成されている。なお、上記カーボンと混合させる樹脂はたとえばフェノール系樹脂を用いることができる。また、当該カーボンと樹脂との混合体からなる成形材では、たとえばカーボンの組成比率は体積比で６５％以上のものを使用する。この場合、樹脂の組成やカーボンの組成比率を調整することで軸受スリーブ３０において回転軸１０と対向する部分（ベース体３１）の線膨張係数を調整する自由度を大きくできる。なお、カーボンと樹脂との混合体におけるカーボンの組成比率の下限として体積比が６５％としたのは、その比率より低下すると軸受スリーブ３０と回転軸１０との接触時における耐焼付性能が低下するからである。またカーボンの組成比率が多いほど上記耐焼付性能は良好となるが、スリーブの線膨張係数が低くなり、カーボンのみで形成されたスリーブに対する線膨張係数の改善効果が期待できなくなる（つまり以上から軸受の運転条件に応じて最適な組成比率を選定する）。

またカーボンと金属との焼結材に関しては、カーボンと混合させる金属はたとえば鉄（Ｆｅ）又は銅（Ｃｕ）を用いることができる。また、上記焼結材において、たとえばカーボンの混合比率は体積比で２５％以下である。この場合、カーボンの組成比率や金属の種類を選択することで、軸受スリーブ３０におけるベース体３１の線膨張係数を任意に調整することができる。なお、カーボンと金属との焼結体におけるカーボンの混合比率の上限を体積比で２５％としたのは、これ以上カーボンが増加すると正常な金属の焼結が出来難くなるからである。

このように、図１に示した気体軸受スピンドル１では、カーボンを用いることで軸受スリーブ３０での軸受スリーブ貫通穴３３の表面における潤滑性を確保するとともに、軸受スリーブ３０全体としての線膨張係数を調整することができる。このため、回転軸１０と軸受スリーブ３０との線膨張係数の差を、軸受スリーブ３０がカーボンのみから構成される場合より小さくすることが可能になる。この場合、回転軸１０の回転に伴う気体摩擦による熱で回転軸１０および軸受スリーブ３０が熱膨張したときに、カーボンのみからなる軸受スリーブを用いた場合より、回転軸１０と軸受スリーブ３０との熱膨張による寸法変化の差を小さくできる。この結果、当該寸法変化に起因して回転軸１０と軸受スリーブ３０との間のジャーナル軸受隙間１３が無くなり、回転軸１０と軸受スリーブ３０が接触するという不良の発生を抑制できる。

上記軸受スリーブ３０の両端面には回転軸に対して軸対称となるよう、例えば円周状に、複数個のタップ穴３４が形成されている。固定用孔としての当該タップ穴３４の内周面にはネジ加工が施されている。タップ穴３４には、質量調整用部品３２が挿入固定されている。質量調整用部品３２の外周部にはネジ加工部が形成されている。つまり、質量調整用部品３２は、タップ穴３４にねじ込まれることにより固定されており、別の観点から言えば質量調整用部品３２は軸受スリーブ３０に対して着脱可能に設置されている。また別の観点から言えば、質量調整用部品３２の少なくとも一部が軸受スリーブ３０（具体的にはベース体３１）に嵌め込まれることにより、質量調整用部品３２は軸受スリーブ３０に固定されている。この様な構成により、質量調整用部品３２を軸受スリーブ３０に容易に固定することができるとともに、質量調整用部品３２の装着や離脱により、軸受スリーブ３０の質量や重心の位置を容易に調整することができる。なお、この質量調整用部品３２は、上記タップ穴３４にねじ込まれる前に軸受スリーブ３０の重さや重心位置が最適となるよう、その長さを調整されている。

なお、この質量調整用部品３２を構成する材料の線膨張係数は軸受スリーブ３０を構成するベース体３１を構成する材料（軸受スリーブ３０において質量調整用部品３２以外の部分を構成する材料）の線膨張係数と同等またはそれより大きいことが好ましい。この場合、回転軸１０の回転中に軸受スリーブ３０の温度が上昇した場合に、タップ穴３４が形成されたベース体３１の熱膨張による寸法変化（たとえばタップ穴３４の径の拡大）より質量調整用部品３２の熱膨張による寸法変化（たとえば質量調整用部品３２の径の拡大）の方が大きいため、質量調整用部品３２がタップ穴３４から抜けることを抑制できる。

また、上記気体軸受スピンドル１において、図１に示すように質量調整用部品３２は軸受スリーブ３０に複数個設置されていてもよい。軸受スリーブ３０の中心軸に沿った方向における、軸受スリーブ３０の重心の位置は、軸受スリーブ３０の中心軸に沿った方向における中央部に位置している。この場合、上記重心の位置が軸受スリーブ３０の中心軸に沿った方向における中心部からずれた場合に発生し得る、軸受スリーブ３０での異常振動の発生を抑制することができる。

また、複数の質量調整用部品３２は軸受スリーブ３０の中心軸に対して軸対称な位置に配置されている。具体的には、たとえば軸受スリーブ３０の中心軸を中心として円周上に等間隔で並ぶように、複数の質量調整用部品３２は配置される。この場合、回転軸１０の回転に伴い軸受スリーブ３０が振動するような際に、質量調整用部品３２が軸受スリーブ３０の中心軸に対して非対称な位置（偏った位置）に配置されることに起因する異常振動の発生を抑制できる。

次に、図１に示した気体軸受スピンドル１の動作について説明する。図示しない軸受用気体供給源から供給された圧縮空気などの軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、周状空間２２、スリーブ給気路５２およびジャーナルノズル５１を通じてジャーナル軸受隙間１３に供給される。さらに、図示しない軸受用気体供給源から供給された軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スラスト軸受給気路６２およびスラストノズル６１を通じてスラスト軸受隙間１４に供給される。これにより、ジャーナル軸受隙間１３およびスラスト軸受隙間１４においては、供給された軸受用気体により気体膜（気体層）が形成される。その結果、回転軸１０は、回転軸１０を軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）および軸方向（アキシアル方向）において、ハウジング２０に対して非接触かつ回転自在に軸支される。

また、図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源から供給された駆動用気体は、駆動用気体供給路７１から円周溝７２を通じてタービンノズル７３に供給される。タービンノズル７３に供給された駆動用気体は、タービン翼１５に向けて噴出される。そして、噴出した駆動用気体をタービン翼１５で受けることにより、フランジ部１２には回転軸１０の軸まわりに回転する駆動力（トルク）が与えられる。この結果、回転軸１０が軸まわりに回転する。回転軸１０に駆動力を与えた駆動用気体は、駆動用気体排出路７５から気体軸受スピンドル１の外部へと排出される。

以上のように、図１に示した気体軸受スピンドル１の軸受スリーブ３０は、ベース体３１がカーボンと樹脂との成型材、またはカーボンと金属との焼結材によって形成されているため、樹脂や金属の種類や配合率を調整することで、ベース体３１が黒鉛単体により形成された場合に比較して、軸受スリーブ３０の線膨張係数を黒鉛より鉄鋼系金属の線膨張係数により近くすることができる。このため、比較的安価な鉄鋼系金属材料を回転軸１０に採用しても、回転時の軸受部の発熱による軸受隙間（ジャーナル軸受隙間１３）の減少量は少なく、安定した軸受性能が得られる。

例えば、黒鉛の線膨張係数が約４×１０^−６／℃であるのに対して、カーボンと樹脂との成形材においてカーボンの混合比率を上記の体積比の条件内で適宜に選定すれば、線膨張係数を約１５×１０^−６／℃とすることができ、また、カーボンと金属との焼結材においても同様に、上記の体積比の条件内でカーボンの混合比率を適宜に選定すれば、線膨張係数を約１２×１０^−６／℃とすることができる。

なおここで、樹脂系の成形材は、たとえば粉末状カーボンと液体状のフェノール系樹脂が上記比率で混合され、熱圧成形されて製造されており、また金属系の焼結体は、カーボン粉と金属粉が上記比率で混合され、金型内で加圧されて成形され、その後炉内でその金属の融点より低い温度で加熱され固体化されて製造されている。

なお、上記軸受スリーブ３０を構成するベース体３１の材料はカーボンと他の材質とが混合された成型材もしくは焼結材であり、カーボンが含まれているため、従来の黒鉛単体から成るベース体３１と同様に、回転軸１０と軸受スリーブ３０との接触事故時における耐焼付き性は良好に保たれている。さらに耐食性や耐摩耗性を向上させるために、上記回転軸１０の表面に硬質クロムめっきなどのめっき処理のような表面処理層を形成してもよい。

また、軸受スリーブ３０は、Ｏリング４１〜４４によってハウジング２０に支持されている。また、軸受スリーブ３０のベース体３１には質量調整用部品３２が付加されている。質量調整用部品３２の長さ（すなわち質量調整用部品３２の重さ）を任意に調整することにより、軸受スリーブ３０の質量を最適な値に近づけることができる。また、当該質量調整用部品３２の重さや配置を調整することにより、軸受スリーブ３０の軸方向における重心の位置を調整することができる。このため、回転中における軸受スリーブ３０の振動を効果的に減衰させることができる。したがって、回転軸１０の振れ回り量が小さく、スラスト軸受部のフランジ部１２と気体スラスト軸受部材６０との接触を防止でき、且つ回転軸１０の軸端の振れ回り量も抑えることができる。

以上のように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１によれば、回転軸１０の軸受隙間（ジャーナル軸受隙間１３）の変化量が小さいため軸受性能が安定し、且つ回転軸１０の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能である。

（実施の形態２）
図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図２を参照して、本発明の実施の形態２における気体軸受スピンドル１を説明する。

図２に示した気体軸受スピンドル１は、基本的には図１に示した気体軸受スピンドル１と同様の構成を備える。ただし、図２に示した気体軸受スピンドル１では、軸受スリーブ３０の両端面部でなく、軸受スリーブ３０の軸方向に対する側面（円周状の外周側面）に質量調整用部品３２が配置されている点が図１に示した気体軸受スピンドル１と異なっている。つまり、図２に示した気体軸受スピンドル１では、軸受スリーブ３０を構成するベース体３１の外周側面において、軸受スリーブ３０の軸方向における中央部にタップ穴３４が形成され、当該タップ穴３４に質量調整用部品３２がねじ込まれて固定されている。

このような構成によっても、図１に示した気体軸受スピンドル１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の一実施の形態である実施の形態３の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図３を参照して、本発明の実施の形態３における気体軸受スピンドル１の構成について説明する。

図３に示した気体軸受スピンドル１も、基本的には図１に示した気体軸受スピンドル１と同様の構成を備える。ただし、図３に示した気体軸受スピンドル１では、軸受スリーブ３０を構成するベース体３１の外周側面の両端部にネジ加工部４５が形成されている。当該ネジ加工部４５は、上記ベース体３１の外周側面の両端部において円周状に形成された凹部内に形成されている。より具体的には、円周状に形成された凹部の、軸受スリーブ３０の中心軸に沿った壁面にネジ加工部４５が形成されている。当該凹部に、リング状で内側にねじ加工された質量調整用部品３２が固定されている。当該質量調整用部品３２はたとえば金属製である。

図３に示した気体軸受スピンドル１では、図１に示した気体軸受スピンドル１と同様の効果を得ることができる。さらに、図３に示した気体軸受スピンドル１では、軸受スリーブ３０の両端にリング状の質量調整用部品３２が設置されているため、ハウジング２０に対して軸受スリーブ３０を抜き差しする工程を実施する際に、ベース体３１の両端外径側の隅をハウジング２０等に当てて損傷させる心配がなく、上記の工程の作業を容易に行なうことができる。

なお、上記実施の形態１〜３においては、本発明の気体軸受スピンドルの一例として、ジャーナルノズル５１が２列に形成された場合について説明したが、本発明の気体軸受スピンドルはこれに限られず、ジャーナルノズル５１が３以上の列を成すように形成されたものであってもよい。また、実施の形態１〜３においては、軸受スリーブ３０の端面側および外径側面側のそれぞれに１つずつ、合計４つの溝が形成され、弾性部材としてのＯリング４１〜４４が嵌め込まれた場合について説明したが、気密性向上などを目的として、溝が３本以上形成され、３つ以上の弾性部材（たとえばＯリング）がそれぞれ当該溝に嵌め込まれていてもよい。

また、溝は、軸受スリーブ３０のベース体３１における端面側に複数形成してもよいし、ベース体３１の外周側側面（周状空間２２と対向する側面）に複数形成してもよい。この場合、軸受スリーブ３０および回転軸１０の振れ回り振動をより確実に弾性部材としてのＯリングにより吸収することができる。また逆に、弾性部材の剛性を小さくすること等を目的として、弾性部材一個を、軸受スリーブ３０の両端面における外径側角部に嵌め込んでもよい。具体的には、軸受スリーブ３０を構成するベース体３１の両端面における外径側（外周側）の端部の角を削るように溝を形成し、当該溝に弾性部材を配置する。このようにすれば、ジャーナル軸受用の弾性部材とスラスト軸受用の弾性部材の機能を当該１つの弾性部材（たとえばＯリング）で兼用可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によるスピンドル装置は、軸受として静圧気体軸受を用いたスピンドル装置であって、精密加工機や精密検査装置のワークスピンドル装置または工具スピンドル装置などに使用されるものに有利に適用される。

本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの断面模式図である。本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの断面模式図である。本発明の一実施の形態である実施の形態３の気体軸受スピンドルの断面模式図である。従来の気体軸受スピンドル（静圧空気軸受スピンドル）のジャーナル軸受部を示す断面模式図である。

符号の説明

１気体軸受スピンドル、１０回転軸、１１軸部、１１Ａ外周面、１２フランジ部、１２Ａ端面、１２Ｂ薄肉部、１３ジャーナル軸受隙間、１４スラスト軸受隙間、１５タービン翼、１９保持部、２０ハウジング、２１軸受用気体供給路、２２周状空間、３０軸受スリーブ、３１ベース体、３２質量調整用部品、３３軸受スリーブ貫通穴、３４タップ穴、４１〜４４Ｏリング、４５ネジ加工部、５１ジャーナルノズル、５２スリーブ給気路、６０気体スラスト軸受部材、６１スラストノズル、６２スラスト軸受給気路、７１駆動用気体供給路、７２円周溝、７３タービンノズル、７５駆動用気体排出路。

Claims

回転軸と、
前記回転軸の側面の少なくとも一部に対向するように配置された軸受スリーブとを備え、
前記軸受スリーブは、カーボンと、前記カーボンと線膨張係数の異なる材料との混合体を含む、気体軸受スピンドル。
前記回転軸は前記カーボンより線膨張係数の大きな材料により形成され、
前記混合体を構成する前記材料は、前記カーボンの線膨張係数より大きな線膨張係数を有する、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
前記混合体を構成する前記材料は樹脂であり、
前記軸受スリーブにおいて前記回転軸と対向する部分は、前記カーボンと前記樹脂との混合物を成形した成形体により構成される、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
前記混合体を構成する前記材料は金属であり、
前記軸受スリーブにおいて前記回転軸と対向する部分は、前記カーボンと前記金属との焼結体である、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
前記軸受スリーブは、前記軸受スリーブの質量を調整するための質量調整用部品を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに複数個設置され、
複数の前記質量調整用部品は前記軸受スリーブの中心軸に対して軸対称な位置に配置される、請求項５に記載の気体軸受スピンドル。
前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに複数個設置され、
前記軸受スリーブの中心軸に沿った方向における、前記軸受スリーブの重心の位置は、前記軸受スリーブの前記中心軸に沿った方向における中央部に位置する、請求項５に記載の気体軸受スピンドル。
前記質量調整用部品を構成する材料は、前記軸受スリーブにおいて前記質量調整用部品以外の部分を構成する材料の線膨張係数の値以上の線膨張係数の値を有し、
前記質量調整用部品の少なくとも一部が前記軸受スリーブに嵌め込まれることにより、前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに固定されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
前記質量調整用部品は前記軸受スリーブに着脱可能に設置されている、請求項５〜８のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
前記軸受スリーブには、内部にネジ加工が施された固定用孔が形成され、
前記質量調整用部品の表面にはネジ加工部が形成され、
前記質量調整用部品は前記固定用孔にねじ込まれることにより固定される、請求項９に記載の気体軸受スピンドル。
前記軸受スリーブの側面端部には、前記側面の外周に沿ってネジ加工部が形成され、
前記質量調整用部品は、内周部にネジ加工が施されたリング状部材であって、
前記質量調整用部品は、前記ネジ加工が施された内周部を前記軸受スリーブの前記ネジ加工部と嵌合させることにより固定されている、請求項９に記載の気体軸受スピンドル。