JPH03249424A - 静圧気体軸受 - 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】 （ａ業上の利用分野） 本発明の静圧気体軸受は、精密工作機械等の回転部分を
支承する場合に利用するもので、本発明は、この様な静
圧気体軸受の剛性向上を図るものである。

（従来の技術） 精密工作機械等に組み込まれ、高速で回転する、回転軸
等の回転部材を空気等の圧縮気体の力により支承する静
圧気体軸受が、従来から広く使用されている。

第１０〜１１図は、この様な従来から知られている静圧
気体軸受の１例として、特公昭４５−３７６８３号公報
に記載された静圧気体軸受を示している。

第１０図に於いて１は、内周面を円筒状の軸受面２とし
た軸受部材で、この軸受部材１の内側に回転軸３を挿通
している。上記軸受面２の上下左右４個所位置には、そ
れぞれ凹部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを形成し、各凹部４
ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに圧縮気体を送り込む事で、上記
回転軸３を軸受部材１の内側に、非接触状態で支承する
様にしている。

上記４個の凹部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの内、上下２個
所位置の凹部４ａ、４ｂは第一の制御絞り弁６を介して
、左右２個所位置の凹部５ａ、５ｂは第二の制御絞り弁
７を介して、それぞれコンプレッサ等の圧縮気体供給源
に通じさせている。

上記第一、第二の制御絞り弁６．７は、軸受面２と回転
軸３の外周面とが同心になる様に、上下の凹部４ａ、４
ｂ１或は左右の凹部５ａ、５ｂに送る圧縮気体の量と圧
力とを調節する為のもので、例えば第１１図に示す様に
構成されている。

第一（第二）の制御絞り弁６（７）を構成するハウジン
グ８の片面中央部に設けた第一ボート９と凹部４ａ　（
５ａ）とは第一供給管１０により、他面中央部に設けた
第二ボート１１と凹部４ｂ（５ｂ）とは第二供給管１２
により、それぞれ連通させている。又、上記ハウジング
８の中間部にはダイヤフラム１５を設けて、このハウジ
ング８の内側を、第一ボート９側の第−室１３と第二ボ
ート１１側の第二室１４とに分割し、これら第、第二両
室１３．１４に、圧縮気体供給源から圧縮気体を送り込
んでいる。

上記ハウジング８の内面で、第一、第二側ボート９．１
１の開口部を囲む位置は、全周に亙ってそれぞれ内方に
突出させ、上記ダイヤフラム１５の両側には、第一、第
二側ボート９．１１と第一第二両室１３．１４との間に
、それぞれ第一、第二側絞り流路１６．１７を形成して
いる。

上述の様に構成される為、回転軸３の変位に基づいて、
この回転軸３の外周面と軸受面２とが同心でなくなった
場合、第一　第二の制御絞り弁６．７の作用により、凹
部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに送り込まれる圧縮空気の量
と圧力とが適当に調節され、上記回転軸３の外周面と軸
受面２とが同心になる。

例えば、第１１図に於いて回転軸３が下方に変位した場
合、回転軸３の外周面と軸受面２との間の軸受隙間１８
の寸法が、下側で小さく、上側で大きくなる。この寸法
変化に伴ない、下側の凹部４ｂ　（５ｂ）内の圧力が高
く、上側の凹部４ａ（５ａ）内の圧力が低くなり、第二
供給管１２により凹部４ｂ　（５ｂ）と通じた第二ボー
ト１１内の圧力が上昇し、第一供給管１０により凹部４
ａ（５ａ）と通じた第一ボート９内の圧力が低下する。

この結果、第一、第二側ボート９．１１を仕切るダイヤ
フラム１５が上方に変位し、第二絞り流路１７が広く、
第一絞り流路１６が狭くなって、下側の凹部４ｂ　（５
ｂ）内に送り込む圧縮気体の量と圧力とが大きくなり、
上側の凹部４ａ（５ａ）内に送り込まれる圧縮気体の量
と圧力とが小さくなって、回転軸３が第１１図で上方に
押され、この回転軸３の変位が解消される。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述の様に構成され作用する、従来の静圧気
体軸受に於いては、次に述へる様な問題があった。

即ち、従来構造の場合、軸受隙間１８に圧縮気体を供給
する為の凹部４ａ、４ｂ、５ａ１５ｂが、大きな凹みで
あった為、これらの凹部４ａ、４ｂ１５ａ、５ｂに送り
込んだ圧縮気体により、自助振動が発生し易く、発生し
た場合には、静圧気体軸受を組み込んだ工作機械等の運
転を安定して行なえなくなってしまう。

特に、第１０〜１１図に示した様に、第一、第二の両制
御絞り弁６．７と各凹部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂとを連
通ずる為の、第一、第二両室１３１０．１２が長くなる
と、流量制御の応答性が悪くなって、上述の様な自励振
動が発生し易くなる。

又、従来の静圧気体軸受の場合、軸受面２を焼き入れ鋼
により構成していた為、軸受隙間１８に少しのごみが詰
まった場合でも、回転軸３の焼き付き等、修復不能とな
る様な故障が生じ易かった。

本発明の静圧気体軸受は、上述の様な問題を解決するも
のである。

（課題を解決する為の手段） 本発明の静圧気体軸受は、ハウジングと、このハウジン
グに設けた軸受面と軸受隙間を介して対向する回転部材
と、上記”軸受面に形成され、且つ給気流路を介して圧
縮気体の供給源に通じるスリット溝と、このスリット溝
と供給源との間に設けられ、且つ板ばねの弾性的変位に
基づき、上記スリット溝への圧縮気体の供給量を調節す
る制御絞り弁とを具えている。

そして、必要に応じて軸受面を、炭素繊維とグラファイ
トとの少なくとも一方を含む、アルミニウム系又は銅系
の軟質合金により構成している。

（作　　用） 上述の様に構成される本発明の静圧気体軸受の場合、回
転部材を支承する為の圧縮気体は、制御絞り弁とスリッ
ト溝とを通じて軸受隙間に送り込まれ、上記回転部材を
ハウジングに対して、非接触状態で支承する。

本発明の静圧気体軸受の場合、圧縮気体の吹き出し部を
スリット溝とする事で、動的剛性特性が向上し、制御絞
り弁を設ける事で静的剛性特性が向上する為、全体的な
剛性特性が向上する。

又、スリット溝の容積は、従来構造に於ける凹部に比べ
て容積が小さく、又ダンピング面が犬ぎくとれる為、自
助振動が発生しにくく、静圧気体軸受を組み込んだ装置
の運転を安定した状態で行なえる。

更に、軸受面を、炭素繊維とグラファイトとの少なくと
も一方を含む、アルミニウム系又は銅系の軟質合金によ
り構成した場合、軸受隙間にごみが詰まった場合にも、
焼き付き等、修復不能な故障に繋りにくくなる。

（実施例） 次に、図示の実施例を説明しつつ、本発明を更に詳しく
説明する。

第１〜３図は本発明の第一実施例を示している。

第１図に於いて、それぞれ短筒状に形成された内筒２０
に外筒２１を外嵌固定している。内筒２０の内側には、
円管状の回転部材２２が挿通されており、この回転部材
２２の両端部にそれぞれ固定されたフランジ片２３ａ、
２３ｂの内側面と、上記内筒２０と外筒２１との端面に
固定した軸受部材２４ａ、２４ｂの軸受面２５　ａ、　
２５　ｂとが対向している。そして、内筒２０と外筒２
１と軸受部材２４ａ、２４ｂとで、バウンシング１９を
構成している。

内筒２０と外筒２１との間に挟まれる様にして、これら
両部材２０．２１の端面に固定された各軸受部材２４ａ
、２４ｂは、それぞれの外側面を軸受面２５ａ、２５ｂ
としており、少なくとも各軸受面２５ａ、２５ｂを、炭
素繊維とグラファイトとの少なくとも一方を含む、アル
ミニウム系又は銅系の軟質合金により構成している。そ
して、各軸受面２５　ａ、　２５　ｂに、それぞれ′４
２図に示す様に、複数の同心円弧部とこれら複数の同心
円弧部同士を連続させる放射部とから成る、スリット溝
ｉｓａ、２６ｂを形成している。そして、各スリット溝
２６ａ、２６ｂの幅は、０，８〜２ｍｍ程度とし、深さ
は、５０〜３００μｍ程度としている。又、各スリット
溝２６ａ、２６ｂに通じる通孔４４．４４の内径は、１
〜２ｍｍ程度としている。

各スリット溝２６ａ、２６ｂはそれぞれ、上記通孔４４
．４４と、内径が２〜４ｍｍ程度の分配流路２７ａ、２
７ｂと、外筒２１内に設けられた制御絞り弁２８と、給
気流路２９とを介して、コンプレッサ等の圧縮気体供給
源に通じており、各スリット溝２６ａ、２６ｂに圧縮気
体を送り込む事により、上記回転部材２２をハウジング
１９に、非接触状態で支承する様にしている。

即ち、上記各スリット溝２６ａ、２６ｂ内に送り込まれ
た圧縮気体により、上記軸受面２５ａ、２５ｂとフラン
ジ片２３ａ、２３ｂの内側面との間の軸受隙間を介して
、両部材２２．１９同士が互いに接触する事なく回転す
る様にしている。

各スリット溝２６ａ、２６ｂに通じる分配流路２７ａ、
２７ｂと給気流路２９との間に設けた制御絞り弁２８は
、前述した従来構造に於ける第、第二の制御絞り弁６．
７（第１０〜１１図参照）と同様に機能して、両スリッ
ト溝２６ａ、２６ｂへの圧縮気体の供給量と圧力とを調
節し、フランジ片２３ａの内側面と軸受面２５ａとの間
の軸受隙間の大きさと、フランジ片２３ｂの内側面と軸
受面２５ｂとの間の軸受隙間の大きさとが大きく異なら
ない様にするものである。

そして、本実施例の場合、この様な制御絞り弁２８を、
前記外筒２１の外周面に形成した凹部３０に、第３図に
示す様な、１枚の金属板ばね製のダイヤフラム３１と、
このダイヤフラム３１を挟む１対の弁座板３２．３２と
を嵌装し、上記凹部３０の開口部を蓋板４３により塞ぐ
事で構成している。蓋板４３には、スリット溝２６ｂに
通じる分配流路２７ｂの一部を形成し、１対の分配流路
が上記制御絞り弁２８に対して、両側から接続される様
にしている。尚、この制御絞り弁２８の基本的構成及び
作用自体は、前述した第一、第二の制御絞り弁６．７と
同様である為、詳しい説明は省略する。

上述の様に構成される本発明の静圧気体軸受の場合、回
転部材２２を支承する為の圧縮気体は、各スリット溝２
６　ａ、　２６　ｂを通じて、各フランジ片２３ａ、２
３ｂの内側面と軸受面２５ａ、２５ｂとの間の軸受隙間
に送り込まれ、回転部材２２を非接触状態で支承すると
共に、回転部材２２が軸方向（第１図の左右方向）にず
れた場合には、制御絞り弁２８の作用により、このずれ
を修正する。

更に、本発明の静圧気体軸受の場合、スリット溝２８ａ
、２６ｂの働きにより、比較的高周波域での特性向上が
図られ、制御絞り弁２８の働きにより、比較的低周波域
での特性向上が図られる為、はぼ全周波数域で、十分な
特性を得る事が出来る。

例えば、本発明者が行なフた実験によると、軸受面にス
リット溝を形成し、制御絞り弁を設けなかった場合、軸
受剛性Ｋ（＝負荷容量／変位）の逆数であるコンプライ
アンスと振動周波数との関係が、第４図の破線ａで示す
様に変化したのに対し、前記第１０〜１１図に示す様に
、制御絞り弁を設け、軸受面には隼なる凹部を形成した
だけの場合、上記関係が、同図に鎖線すで示す様に変化
した。更に、ｚｉ図に示す様に、軸受面にスリット溝を
形成すると共に、制御絞り弁を設けた構造の場合、上記
関係が、同図に実線Ｃで示す様に変化した。

この第４図から明らかな通り、本発明の静圧気体軸受は
、はぼ全周波数域で、十分な特性を得られる。

又、制御絞り弁２８をハウジング１９に内蔵し、この制
御絞り弁２８と各スリット溝２６ａ、２６ｂとを結ぶ分
配流路２７ａ、２７ｂを短くしている為、静圧気体軸受
自体を小型化出来るだけでなく、回転部材２２が変位し
た場合に於ける制御絞り弁２８の応答性が向上する。

更に、軸受面２５ａ、２５ｂを軟質合金により造ってい
る為、各スリット溝２６ａ、２６ｂの形成作業が容易で
、しかも軸受隙間にごみ等の異物が入り込んだ場合にも
、摩擦係数が小さいので、焼き付き等、修復不能な故障
の原因が発生しにくくなる。

尚、軸受面２５ａ、２５ｂにスリット溝２６ａ、２６ｂ
を多数形成する事で、軸受隙間への圧縮気体の送り込み
を行なっている為、圧力分布を軸受隙間全体で比較的平
坦にし、十分な負荷容量を確保しつつ、ダンピング面積
を十分に確保して、自助振動を生じ難い静圧気体軸受を
得る事が出来る。

次に、第５〜７図は本発明の第二実施例を示している。

本実施例の場合、ハウジング１９を構成する内筒２０を
炭素繊維とグラファイトとの少なくとも一方を含む、ア
ルミニウム系又は銅系の軟質合金により造り、又、回転
部材２２及びフランジ片２３ａ、２３ｂは、強度及び耐
久性向上の為に、鋼を使用する。内筒２０の内周面は軸
受面４２とし、この軸受面４２に、Ｎ７図に示す様な１
日１字形のスリット溝３３．３３を形成している。そし
て、第５．６．９図に示す様に、外筒２１の外周面に形
成した凹部３０．３０に内蔵した制御絞り弁３４．３４
を通じて、各スリット溝３３．３３に圧縮気体を供給す
る様にしている。

内筒２０内周面の軸受面４２に、上述の様なスリット溝
３３．３３を形成する作業は、従来から知られた各種加
工方法によって行なう事が出来るが、軸受面４２を軟質
合金により構成した場合には、例えば特開昭６３−２３
０２１９号公報に示されている様な転造加工法を利用す
る事により、各スリット溝３３．３３を容易に形成する
事が出来る。

即ち、第８図に示す様に、円筒状のホルダ３５の保持孔
３６．３６に転勤自在に保持された鋼球３７．３７を、
押圧棒３８の外周面で上記軸受面４２に押圧しつつ、上
記押圧棒３８を回転させたり、或は軸方向に変位させれ
ば、軸受面４２に鋼球３７．３７の圧痕に基づくスリッ
ト溝３３．３３を形成する事が出来る。

又、ハウジング１９の一部で、前記制御絞り弁３４．３
４設置部分から外れた部分には、排気流路４１を設けて
、各スリット溝３３．３３から上記軸受隙間に吹鮒出し
た圧縮気体を、外部に排出自在としている。

本第二実施例に示したラジアル軸受の場合も、前述した
第一実施例に示したスラスト軸受の場合と同様に、スリ
ット溝３３と制御絞り弁３４との共働作用により、良好
な特性を得る事が出来る。

尚、軸受面２５　ａ、　２５　ｂ、　４２の材質を、炭
素繊維や鉛、錫等を含む銅合金にすると鋼より軟らかく
加工の容易な利点がある。

摺動性と耐摩耗性との向上を意図した炭素繊維を含む銅
合金は、炭素繊維を１〜１０重量％含有している。尚、
炭素繊維が１重量％より少なくても１０重量％より多く
ても、摺動性は低くなる。

摺動性をあまり重視しない場合は、１重量％より少なく
しても良く、又、反対に、１０重量％より多くしても良
い。

又、軸受面２５ａ、２５ｂ、４２は炭素繊維に代えてグ
ラファイトを含む銅合金で形成しても良い。グラファイ
トは摺動性と耐摩耗性との向上を意図して添加するもの
で、その添加量は１〜１０重量％である。グラファイト
が１重量％より少ないと摺動性が低くなる。グラファイ
トが１０重量％より多いと強度的に弱くなる。しかし、
グラファイトは摺動性をあまり重視しない場合は、１重
量％より少なくしても良く、又、強度をあまり重視しな
い場合等は、１０重量％より多くしても良い。

グラファイトは炭素繊維よりは金属から遊離し易い。そ
れ故に、グラファイトを含む銅合金より炭素繊維を含む
銅合金の方が強度が強い。

更に、軸受面２５　ａ、　　２５　ｂ、　４２の材質を
アルミニウム合金を用いれば、鋼より軟らかいので加工
容易という利点がある。

摺動性と耐摩耗性との向上と軽量化とを意図した炭素繊
維を含むアルミニウム合金は、例えばシリコンが９〜１
６重量％、銅が１〜４重量％、マグネシウムが１〜３重
量％、鉄が１〜５重量％、炭素繊維が１〜１０重量％、
そして残部がアルミニウムの配合とする。

尚、炭素繊維が１重量％より少なくても、反対に１０重
量％より多くても、摺動性が低くなる。

但し、炭素繊維は、摺動性をあまり重視しない場合は１
重量％より少なくしても良く、又、１０重量％より多く
しても良い。

又、軸受面２５ａ、２５ｂ、４２の材質は、炭素繊維に
代えてグラファイトを含むアルミニウム合金としても良
い。摺動性と耐摩耗性との向上と軽量化とを意図した、
グラファイトを含むアルミニウム合金は、例えばシリコ
ンが９〜１６重量％、銅が１〜４重量％、マグネシウム
が１〜３重量％、鉄が１〜５重量％、グラファイトが１
〜１０重量％、そして残部がアルミニウムの配合とする
。

尚、グラファイトが１重量％よりも少ないと、摺動性が
低くなる。反対に、グラファイトが１０重量％より多い
と強度的に弱くなる。但し、グラファイトは、摺動性を
あまり重視しない場合は１重量％より少なくしても良く
、又、強度をあまり重視しない場合等には、１０重量％
より多くして４゜ も良い。

グラファイトは炭素！ａ維よりは金属から遊離し易い。

それ故に、グラファイトを含むアルミニウム合金より炭
素繊維を含むアルミニウム合金の方が強度が強い。

又、スリット溝２６ａ、２６ｂ、３３の断面形状は円弧
形でも、或は矩形でも良い。

（発明の効果） 本発明の静圧気体軸受は、以上に述べた通り構成され作
用する為、回転部材を支承する為の圧縮気体による自助
振動が発生し難く、静圧気体軸受を組み込んだ工作機械
等の運転を安定して行なえ、しかも軸受剛性も十分に高
くする事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の第一実施例を示しており、第１図
は断面図、第２図は軸受面に形成したスリット溝の形状
を示す、第１図のＡ−Ａ親図、第３図は制御絞り弁の分
解斜視図、第４図は従来の静圧気体軸受と本発明の静圧
気体軸受との特性の差を示す線図、第５〜７図は本発明
の第二実施例を示しており、第５図は断面図、第６図は
第５図のＢ−Ｂ断面図、第７図は軸受面に形成したスリ
ット溝の形状を示す、第６図のＣ−Ｃ視図、第８図はス
リット溝を形成する方法の１例を示す断面図、第９図は
第１図のＤ−Ｄ親図、第１０図は従来の静圧気体軸受の
１例を示す断面図、第１１図は制御絞り弁による制御回
路を示す断面図である。 １：軸受部材、２；軸受面、３：回転軸、４ａ、４ｂ、
５ａ、５ｂ：凹部、６：第一の制御絞り弁、７：第二の
制御絞り弁、８：ハウジング、９：第一ボート、１０：
第一供給管、１１：第二ボート、１２；第二供給管、１
３：第−室、１４：第二室、１５：ダイヤフラム、１６
：第一絞り流路、１７：第二絞り流路、１８：軸受隙間
、１９：ハウジング、２０：内筒、２１：外筒、２２：
回転部材、２３ａ、２３ｂ：フランジ片、２４ａ、２４
ｂ二軸受部材、２５ａ、２５ｂ：軸受面、２６ａ、２６
ｂニスリツト溝、２７ａ、２７ｂ；分配流路、２８：制
御絞り弁、２９：給気流路、３０：凹部、３１；ダイヤ
フラム、３２：弁座板、３３ニスリツト溝、３４：制御
絞り弁、３５：ホルダ、３６：保持孔、３７：＃４球、
３８：押圧棒、４１：排気流路、４２：軸受面、４３：
蓋板、４４：通孔。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングと、このハウジングに設けた軸受面と
   軸受隙間を介して対向する回転部材と、上記軸受面に形
   成され、且つ給気流路を介して圧縮気体の供給源に通じ
   るスリット溝と、このスリット溝と供給源との間に設け
   られ、且つ板ばねの弾性的変位に基づき、上記スリット
   溝への圧縮気体の供給量を調節する制御絞り弁とを具え
   た静圧気体軸受。
2. （２）軸受面が、炭素繊維とグラファイトとの少なくと
   も一方を含む、アルミニウム系又は銅系の軟質合金によ
   り構成されている、請求項１に記載の静圧気体軸受。
3. （３）制御絞り弁を、ハウジングに組み込んだ、請求項
   １又は請求項２に記載の静圧気体軸受。