JPH06213235A

JPH06213235A - 自己補償型静水圧線形運動軸受

Info

Publication number: JPH06213235A
Application number: JP2234992A
Authority: JP
Inventors: Alexander H Slocum; アレクサンダー・エイチ・スローカム
Original assignee: Advanced Eng Syst Operation & Prod Inc
Current assignee: Advanced Eng Syst Operation & Prod Inc
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】新規な自己補償型線形静水圧軸受及びその方法
を提供する。【構成】好ましくは円形の環状加圧流体受容溝が対向す
るキャリッジ軸受面に設けられて、軸受面に対向して形
成された縦方向リセスポケットに流体を供給するように
規制されて、軸受レールと対向する軸受面との怠惰のギ
ャップに加圧流体の薄膜層を形成する。対向する軸受面
のポケット内の差圧の確立を規制して、軸受の両側に加
えられた負荷が補償される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水や空気を含む液体又
は気体などの加圧流体の薄膜により指示される線形運動
軸受に関する。なお、本明細書では、流体静力学軸受と
静水圧軸受とを言い換え可能なものとして称することに
する。

【０００２】さらに、詳細には、本発明は、軸受キャリ
ッジの線形運動を案内する矩形断面を有する直線軸受レ
ールを含むシステムに関する。軸受キャリッジは、軸受
レールに対面する側の軸受キャリッジの表面のポケット
から発散される流体の加圧薄膜の手段により、軸受レー
ルから一定の距離が維持される。軸受キャリッジに力が
加わるにつれて、力が加えられる側の軸受の空隙が減少
し、反対側の軸受の空隙が増加する。軸受ポケットから
流出流体に対する抵抗は、空隙の寸法の立方に反比例す
る。これは、相補対向ポケット軸受が相互に直列接続さ
れた２つの抵抗及び別の抵抗組と並列接続された抵抗の
ように作動することを意味する。従って、負荷が加えら
れると、負荷側の軸受ポケットから流出する流体の抵抗
が増加し、反対側の抵抗は減少する。結果として、負荷
及び２つのポケットの間に発生する差圧が平衡するま
で、負荷が加えられる側のポケットにおいて圧力が増加
する。従って、加えられた負荷に関して軸受が補償を行
う。ポケットに流入する流体の抵抗は補償と称される。

【０００３】

【従来の技術】従来技術においては、３つのタイプの補
償が提案されている。固定式補償は固定弁抵抗として作
動する細管又はオリフィスを用いる。可変式補償はダイ
ヤフラム及び弁を用いてポケット抵抗に反比例する流れ
を生じさせることにより、固定式補償装置の使用により
形成される圧力差よりも大きな圧力差を生じる。しかし
ながら、これらの種類の補償は、軸受間隙に対して調整
される必要がある。

【０００４】軸受の動作性能を向上させるために軸受間
隙が小さくなればなるほど、製造時誤差により補償装置
を手作業で調整する必要があるため、これらのタイプの
補償のいずれをも用いることが困難になる。３つの軸を
有する機械工具は３６の軸受ポケットを備えることが可
能であるから、必要な労力はけた外れのものとなる。

【０００５】３つの種類の補償は、軸受間隙の変化によ
り軸受自身がポケットへの流体の流れを変化させるの
で、自己補償と称される。現行の自己補償方法は軸受表
面上に線形通路を備えており、一次的にはスピンドルに
適応される。これについては後に詳述する。しかしなが
ら、これらの設計では、分析的に特定することが困難な
非効率的な流量パターン、特に線形溝の終端付近の流れ
が生じ、結果的に、不適切な抵抗設計であり、そのため
補償器を手で調整する必要が生じるため、商業部門で許
容可能な動作性能を示していない。この困難は、従来の
線形溝型自己補償装置においても、その幾何学形状が常
に実際に実現できるとは限らないために、生じている。

【０００６】本発明の根底にあるものは、軸受の反対側
で軸受ポケットに接続されている装置の中心にある穴に
流体を供給する加圧環状路の形式の自己補償装置の使用
により、従来技術に基づくアプローチの限界を解消する
ことである。しかしながら、環状路は製造が容易であ
り、線形通路よりも後続的に安定しており、さらに、環
状路から中央に送られる流体流れは精度よく分析的に決
定可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、従来技術の欠点を回避可能な新規かつ改良された自
己補償式流体又は静水圧線形運動軸受及びその方法を提
供することであり、さらに、加圧流体の対向するポケッ
ト静水圧軸受内への流れを規制するための新規な機構を
含み、それにより、流体流れの変動が軸受ギャップに比
例して、軸受自身の表面上で分析的に表現可能なシステ
ムにより制御される。

【０００８】本発明の別の目的は、流体抵抗が軸受の通
常の平衡位置において軸受キャリッジ面上の幾何学パタ
ーンに関連し、機構の抵抗が通常の平衡ギャップの大き
さにかかわらず軸受ポケットから流体抵抗に対して所望
なように比例するような新規な軸受構造を提供し、それ
により動作性能を特に手動により調整することが不要な
製造が容易な静水圧軸受を獲得することにある。

【０００９】本発明の別の目的は、機械工具製造者が、
従来のモジュラー圧延要素軸受を使用してきたのと同様
の容易さで、静水圧軸受を使用可能になるような廉価な
モジュラー軸受設計を提供することである。

【００１０】さらに、本発明の別の目的は、軸受が高速
で移動する場合にも、軸受の全ての領域が十分な流体流
れを受けることが保証されるような新規な軸受を提供す
ることである。

【００１１】これらの及びさらに別の目的については、
以下の説明及び特許請求範囲の記載によりさらに詳細に
なる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの観点から
本発明を要約すれば、本発明は、対向するキャリッジ軸
受面を有し、それに沿って及びその間に軸受レールを受
容し、さらに、各軸受面がその面内に同様の対称的なポ
ケットを備え、そのポケットから加圧流体がレールとキ
ャリッジ面の間のギャップに流体の薄膜を生じるように
発散される線形運動静水圧軸受における、軸受の両側の
負荷の変化の自己補償のための方法であって、各軸受面
上に、対応するポケットから縦方向に間隔をおいて、分
析的に表現可能な幾何学形状の加圧流体受容溝を設け、
各溝から反対側に配置されたポケットに流体が前記表面
の外部に供給され、溝からの流体流れに対する抵抗が、
軸受が通常の平衡位置にあり、ギャップが外部力により
負荷を受けない場合に、反対側の表面のポケットからの
流体流れに対する抵抗の割合に等しくなるように調整さ
れ、それにより、外部力が加わると、加えられた負荷を
補償するように対向するポケットに差圧が確立されて、
流体流れが規制されて加えられた負荷により生じる軸受
ギャップの変化に比例して負荷を自己補償することを含
んでいる。

【００１３】好適な及び最良の設計については、以下に
説明する。

【００１４】

【実施例】添付図面は、正確な摩擦なし運動性能を提供
するための加圧流体薄膜を用いた機械工具テーブルを指
示するための機構又はシステムを含んでいる。最大の多
様性を確保するために、テーブルのような構成要素がボ
ルト締め可能なモジュラー軸受キャリッジを提供するこ
とが好ましい。正確な線形運動を得るために、５自由度
が制限される必要がある。５自由度のうちの２つは平行
運動であり、３つは回転運動である。回転運動に対する
最大の抵抗を得るために、軸受は可能な限り隔置される
必要がある。すなわち、一般的には、２つの長い直線構
造部材、すなわち軸受レールが少なくとも３つの軸受キ
ャリッジと共に設けられる必要があるが、４つ又はそれ
以上のキャリッジがレールに沿って移動する運動に対す
る剛性を付加するためにさらに設けられる必要がある。

【００１５】図１及び図２に示すように、本発明の軸受
キャリッジ１９は軸受レール１７に沿って移動する。Ｙ
方向への軸受キャリッジの運動は、軸受レールの上方及
び下方面に関しては、それぞれ、１６Ａ及び１６Ｂに関
して、縦方向に伸びる軸受面１４Ａ及び１４Ｂにより案
内される。さらに図２に詳細に示されているように、軸
受表面１４Ａ及び１４Ｂは小さな対向して縦方向に伸び
るポケット領域１０Ａ及び１０Ｂをそれぞれ含み、そこ
には、後述のような中間アパーチャ９Ａ及び９Ｂからの
高圧の加圧流体が充填される。ポケット１０Ａ及び１０
Ｂへの流体流れは、それぞれの小さな対向する自己補償
装置１Ａ及び１Ｂにより規制され、この自己補償装置は
環状溝５Ａ及び５Ｂを含み、それとポケット１０Ａ及び
１０Ｂの間には、横方向に伸びる溝又はリセス１５Ａ及
び１５Ｂが設けられ、それによりＺ軸方向での補償装置
１Ａ及び１Ｂからの漏れ流体が短絡せずにそれぞれの軸
受面１４Ａ及び１４Ｂに向かうことが可能になる。ポケ
ット１０Ａ及び１０Ｂ、横方向リセス又は溝１５Ａ及び
１５Ｂ及び環状溝５Ａ及び５Ｂは、こうして連続して縦
方向に軸受面１４Ａ及び１４Ｂに沿って配置される。軸
受レール１７に関する軸受キャリッジ１９のＹ位置は軸
受キャリッジ、軸受ギャップ１２Ａ及び１２Ｂ、軸受装
置及び自己補償装置の相対的流体抵抗に対して加えられ
るＹ方向負荷に依存している。

【００１６】図３は、図１及び図２のシステムの平行流
体流れ抵抗を示している。一定の圧力源２０からの流体
は供給ホース２１を介して軸受キャリッジに入る。流れ
はＴ分路において分割されて、それぞれ管路２Ａ及び２
Ｂを介して自己補償装置１Ａ及び１Ｂに方向付けられ
る。流体は供給圧力でそれぞれの環状溝５Ａ及び５Ｂ内
の穴３Ａ及び３Ｂを介して自己補償装置１Ａ及び１Ｂに
入り込む。いくらかの流体が環状溝５Ａ及び５Ｂの外部
の４Ａ及び４Ｂにおいて供給ランドを横切って環状溝か
ら漏れるが、漏れは非常に少なく、ポンプが適当な寸法
であれば、システムの動作性能に対する深刻な影響は生
じない。実際には、この流体の外への流れは軸受を清浄
するように作用して、事実上好ましいものである。この
漏れ流れに対する供給ランド抵抗Ｒ4A及びＲ4Bはおおよ
そ以下の式に示すように、流体粘度μ、軸受ギャップ１
２Ａ及び１２Ｂ（それぞれ、ｈ12A及びｈ12Bと言及す
る）、環状体の外形（両方ともＤ3に等しい）及び自己
補償装置の外周に現れる環状溝５Ａ及び５Ｂの外形（両
方ともＤ4に等しい）の関数である。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】

【００１９】環状体５Ａ及び５Ｂ内の流体は常に低い圧
力領域に流れようとし、従って、流れはそれぞれの環状
補償ランド６Ａ及び６Ｂを横切って生じる。これらのラ
ンドを横切る流れに対する抵抗Ｒ6A及びＲ6Bはその内径
Ｄ1及び外径Ｄ2に依存しており、この例ではそれらは自
己補償装置１Ａ及び１Ｂ、並びに、ｈ12A及びｈ12Bと前
述された軸受ギャップ１２Ａ及び１２Ｂにおいて同じで
ある。

【００２０】

【数３】

【００２１】

【数４】

【００２２】図２及び図３に示すように、補償ランド６
Ａ及び６Ｂを交差した後、流体はそれぞれの中央穴７Ａ
及び７Ｂに入り、それから軸受キャリッジ内の通路８Ａ
及び８Ｂを流れる。軸受ギャップは、典型的には０．０
１ミリメートルのオーダーであり、通路は少なくとも直
径数ミリメートルであり、通路抵抗は補償ランドの抵抗
に比較してそう大きなものではない。通路は自己補償装
置１Ａ及び１Ｂから反対側の軸受面１４Ｂ及び１４Ａに
それぞれ向かう。それから、流体は自己補償装置として
軸受キャリッジ１９の反対側の軸受表面に供給される。
通路８Ａ及び８Ｂからの流体は内部からの抵抗なしに軸
受表面１４Ｂ及び１４Ａに、好ましくは中央穴９Ｂ及び
９Ａに入り込む。流体は軸受ポケット１０Ｂ及び１０Ａ
を加圧された状態に保持して、それから、流体は各ラン
ド１１Ｂ及び１１Ａをわたり軸受表面から流れる。

【００２３】軸受表面からの流体流れの抵抗は、軸受の
幅及び長さ、ポケットの幅及び長さ、軸受ギャップ及び
流体粘度に依存している。当業者であれば等しくない寸
法の軸受の計算でもなすことが可能であるが、仮に軸受
表面が同じ寸法をもっているものと仮定して、軸受表面
幅をａ、軸受長さをｂ、ランド幅をｌ、軸受ポケットコ
ーナーの半径をｒPとすると、軸受表面１４Ａ及び１４
Ｂからの流体流れに対する抵抗Ｒ11A及びＲ11Bは次式の
ようになる。

【００２４】

【数５】

【００２５】

【数６】

【００２６】図３に示すような等価回路では、供給圧力
ＰSとすると、軸受表面ポケット１０Ａ及び１０Ｂ内の
それぞれの圧力Ｐ10A及びＰ10Bは、次式のようになる。

【００２７】

【数７】

【００２８】

【数８】

【００２９】軸受圧力の差から生じた軸受キャリッジ上
の正味力は、軸受表面の有効面積に依存している。自己
補償装置によるこの面積の貢献は無視できる点に留意さ
れたい。矩形ポケットの軸受表面に関しては、有効面積
Ａは軸受設計の当業者によって次式により示される。

【００３０】

【数９】

【００３１】軸受により支持可能な力Ｆは、従って、次
式により示される。

【００３２】

【数１０】

【００３３】軸受の動作性能を最大にするために、上述
の式を組み合わせて、軸受変位及び自己補償装置及び軸
受表面の相対的流体抵抗の関数として負荷容量を示す必
要がある。

【００３４】軸受キャリッジに負荷がかかっていない場
合には、値ｈ12A及びｈ12Bは名目ギャップｈに等しくな
る。負荷が加わっている軸受キャリッジのＹ方向への変
位はδである。各流体抵抗は軸受ギャップの３乗の逆数
を乗じた同じ比例因数を有していることに留意された
い。軸受抵抗因数に対する補償装置抵抗因数の割合がγ
である場合には、上述の式の組合わせにより、次式のよ
うな、負荷容量Ｆに関する式を導くことが可能である。

【００３５】

【数１１】

【００３６】変位δに関する負荷容量の微分により軸受
の剛性Ｋに関する表現を次式のように得ることが可能で
ある。

【００３７】

【数１２】

【００３８】図６及び図７は、それぞれ、補償装置及び
軸受の相対抵抗及び軸受変位の関数としての供給圧力及
び装置有効面積当たりの剛性及び負荷容量を示してい
る。軸受からの流体流れの総抵抗は図３に示すように抵
抗おおよその総和になる。

【００３９】例えば、従来の固定抵抗毛細管補償型軸受
の動作性能に関して、本発明の設計に関する上述の式を
実行させてみた例を次に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】これらの結果は、本発明が特許請求する設
計により、軸受の性能に関する正確な分析的表現に基づ
くスプレッドシートプログラムを用いて公式化が可能な
ので容易であることが示される。従来の固定抵抗毛細管
型補償軸受と比較されたかかる軸受の動作性能の結果
は、自己補償型軸受の優れた負荷容量と剛性性能を示し
ている。

【００４２】図に示すように、この実施に関して、ポケ
ット１０Ａ及び１０Ｂは、環状体である環状溝５Ａ及び
５Ｂの外径に比較できる幅、さらにはポケットの幅とそ
れよりも長い縦方向長さと比較して小さな横方向リセス
１５Ａ（１５Ｂ）の幅と比較できる幅を有する、実質的
な矩形である。

【００４３】図５に示すように、前述した如く、線形運
動機械工具テーブル２８を適切に支持するために、マス
ター軸受レール２２を用いて、Ｙ及びＺ方向への制限を
達成し、二次的軸受レール１７を用いてＹ方向への制限
を達成可能である。２つの軸受レールは機械ベース２９
に固定される。マスターレール上には、図４に示すよう
に軸受キャリッジ２３及び識別装置３１が配置される。
これらのキャリッジは対向する自己補償軸受の直交する
セットを備え、各キャリッジはＹ及びＺ方向への力に抵
抗可能である。軸受２６Ａ及び２６Ｂは、図１及び図２
の軸受キャリッジの軸受１４Ａ及び１４Ｂと同様に対で
作動する。負荷がＹ方向に加えられると、軸受ギャップ
２４Ａ及び２４Ｂが変化して、前述のように、圧力差を
生じさせて、それにより供給された負荷が補償される。
同様に、軸受２７Ａ及び２７Ｂは、ギャップ寸法２５Ａ
及び２５Ｂの変化により確立された圧力差によりＺ方向
に加えられた負荷を支持する。流体はポンプ２０からの
管路２１を介して軸受キャリッジに加えられる。

【００４４】前述のように、キャリッジ１９及び同一の
キャリッジ２３は二次軸受レール上にある。これらの軸
受キャリッジの双方ともＹ方向のみの負荷を支持する。
ギャップ１８は通常の軸受ギャップｈよりオーダーの大
きな寸法を有していることに留意されたい。これによ
り、１自由度制限軸受がＺ方向への運動に抵抗しないこ
とが保証される。従って、２つの軸受レールのｙ軸周り
の相対的角度位置は環状ではなく、それにより製造費用
を減じることが可能になる。

【００４５】レール１７はレール２２から距離をおいて
配置されるので、Ｘ軸周りの運動に対する抵抗も提供さ
れることになる。同様に、キャリッジ１９、２３及び３
０、３１のセットの間にはＸ方向間隔があるので、Ｚ軸
周りの運動に対する抵抗が得られる。キャリッジ２３と
３１の間のＸ方向間隔により、Ｙ軸周りの動きに対する
抵抗が得られ、軸受キャリッジ１９、３０及び２３、３
１のＺ方向間隔によりＸ軸周りの運動に対する抵抗が得
られる。

【００４６】このようにして、本発明の目的は、一般的
に、その運動が線形経路に沿って案内されるテーブル表
面を支持する１又はそれ以上の軸受キャリッジ１９の運
動を案内する１又は２の矩形断面直線軸受レール１７の
手段により円滑で正確な線形運動を提供する機構によ
り、達成される。軸受キャリッジ１９は、軸受レールに
面するキャリッジの選択面内の対向するリセスポケット
１０Ａ及び１０Ｂのセットから流れる加圧流体の薄膜に
より軸受レール１７との機械的接触から保持される。ポ
ケットへの流体の流れが規制されて、差圧がポケットの
間に確立され、それによりキャリッジ加えられる負荷の
変化が補償される。この流体流れの規制は、環状リセス
溝（５Ａ、５Ｂ）内に加圧流体を提供することにより得
られ、リセス溝から流体が環状体の中央の供給穴（７
Ａ、７Ｂ）に流れ込み、供給穴は内部又は外部の通路
（８Ａ、８Ｂ）の手段により供給穴開口（１０Ａ、１０
Ａ）から別の軸受キャリッジ面に配置された軸受ポケッ
トに接続されている。

【００４７】環状体溝から供給穴への流体流れに対する
抵抗は、軸受が外部からの負荷を受けていない通常の平
衡位置にある場合に、軸受ポケットからの流体流れに対
する抵抗の割合と等しくなるように設計される。外部負
荷が供給されると、負荷の側にある軸受ポケットに流体
を供給する調整装置の流体抵抗は、供給された負荷の反
対側の軸受ポケットからの流体流れに対する抵抗に生じ
る増加に比例するように急速に減少する。これとは逆
に、供給された負荷の反対側の軸受ポケットに流体を供
給する調整装置は、負荷の側にある軸受ポケットからの
流体流れに対する抵抗に生じる増加と同じ割合で減少す
る抵抗を有している。結果として、負荷の側の軸受ポケ
ットの圧力が急速に上昇し、加えられた負荷の反対側の
軸受ポケットの圧力が急速に下降する。従って、差圧が
急速に確立されて、加えられた圧力に対する補償として
作用する。規制装置の作動は、軸受自身の幾何学形状及
び軸受自身の運動に基づいており、従って、この設計が
自己補償型と称されてきた。

【００４８】この点において、従来技術と本発明との相
違は明白である。図８はスタンフィールドにより開示さ
れた従来の自己補償型流体流れ制限装置である（Ｆ．
Ｍ．スタンフィールド「Hydrostatic Bearings for Mac
hine Tools and Similar Applications」、第１２７頁
〜第１３１頁）。図９はこの種の軸受に関する平衡抵抗
の概略を示している。流体は、圧力源に接続された穴３
５を介して補償装置に入り込む。流体は補償ランド３６
を横切って流れ、矩形の環状体３７に入り込む。流体
は、対で、自己補償装置の反対側に位置する軸受に設け
られた通路３８に入り込む。軸受の抵抗は抵抗器４０と
して示されている。流体が矩形環状体３７から漏れてラ
ンド３９を介して直接接地可能なような、大きな流れが
存在することに留意する必要がある。これは短絡回路の
接地のように作用するので軸受の動作性能を大きく低下
させる。しかしながら、この設計は、抵抗器から接地へ
流れる漏れが実際には回転スピンドルにより調整ポケッ
ト内に汲み上げられるのでスピンドル用に用いることが
可能である。スタンフィールド自身この技法を「軸受を
軸支する場合にのみ応用可能である」と考えている。も
し、この設計が本発明の目的に関して対向パッド型線形
運動軸受に対して試みられた場合には、剛性が低くな
り、漏れも大きいものとなるであろう。

【００４９】図１０は、別の従来例であるドイツの製造
業者であるゾーレルン社（ZollernInc.）で用いられて
いる自己補償型流体流れ規制装置を示している。この装
置は実際には、対向自己補償装置が流体を供給する軸受
内に配置される。図１１は、この種の軸受の等価の抵抗
を示している。圧力源からの流体は溝４１に入り込み、
ランド４２及び４３を横切って補償収集溝４４及び４５
に入り込む。溝４４及び４５は、対向する軸受パッドに
流体を送る共通通路に接続される。相互に対向する補償
装置からの流体は、穴４８を介して、矩形の環状ポケッ
ト４７に流れ込む。流体は、次いで、軸受からランド４
９を横切って流れる。補償収集溝４４及び４５からの流
体はランド４６を横切って矩形環状体４７に漏れる可能
性があることに留意する必要がある。この結果、動作性
能が低下することになる。さらに、軸受面積の大きな部
分を補償器により分割するという事実がさらに、軸受の
動作性能を低下させる。

【００５０】図１２は、１９４８年にホッファー（Hoff
er）に特許が付与された（米国特許第２４４９２９７
号）さらに別の自己補償型流体流れ規制装置を示してい
る。溝５０及び５１が圧力源に接続される。流体はラン
ド５３及び５４を横切って補償収集溝５２内に入り込
む。圧力供給溝からの漏れ流れがランド５５にわたり生
じる。しかしながら、漏れ流れは、ランド５６及び５７
を横切る補償器収集溝５３から生じる。圧力供給溝が収
集溝よりも長くなく、ランド５６及び５７が短い場合に
は、図８に示した設計の場合のように短絡抵抗が接地さ
れる。圧力供給溝が収集溝５２よりも長く、及び／又は
ランド５６が長い場合には、正味効果として、図１４に
図示の流れフィールドに示すように、収集溝の端部に流
体の流れが生じることになる。システムの幾何学形状
を、収集器の端部から正味流れが生じないように、調整
することは理論的には可能であるが、しかし、これには
かなりの数の要素成形及び試験が必要となる。こうし
て、顧客の特別のニーズのために新しい軸受を設計する
には費用がかかる。この設計においてしばしば生じる結
果として、流体が補償器収集溝５２内に流れ込む。さら
に、端部領域が汚れや粘度効果に曝されて、軸受の動作
の部分として有害に作用する。実際には、図１４に示す
ように、軸受が動く場合に補償収集溝の端部に汚れを汲
み上げる正味環状流れが存在することになる。

【００５１】上述の及びその他の従来技術に比較して、
本発明により開示された新規な環状自己補償装置は、こ
れに対して、かかる装置設計及び軸受の性能の予測を示
す正確な式により、十分に表現が可能なものである。軸
受が予測通り正確に動作しているかの試験により、この
軸受は顧客の変更ニーズに対して迅速かつ最小の費用で
製造することが可能であるため、本発明に基づく成功し
たモジュラー軸受設計の本質の１つであることが示され
る。

【００５２】従来技術のように流れフィールドが補償及
び供給溝の端部においてどうであるかを推測するのでは
なく、本発明は流れフィールドがどのようなものである
かを問題なく保証する。本発明のように流れフィールド
十分に定義するためには、十分に分析的である必要があ
る。全ての軸周りの平面的な対称性は円形を意味し、そ
のため図１、図２及び図１５に示す環状自己保証装置が
開発される。この設計は、単純であり定義可能であると
いう特徴のため、洗練されておりかつ新規なものであ
る。さらに、円形の環状体（６Ａ、６Ｂ）は構造的に従
来の線形要素よりも優れており、ランド（４Ａ、４Ｂ）
を横切る圧力環状溝（５Ａ、５Ｂ）からの均一な環状漏
れ流れが自己保証装置に汚れが入り込むのを防止する。
従って、ここに開示された新規な設計は定義付けが可能
である構造的に優れているばかりでなく、自己清浄も可
能である。

【００５３】これらの利点が、本発明の静水圧軸受が機
械工具設計の現状を進展させるための本質となる。図１
６の費用曲線に示されるように、静水圧軸受は回転要素
軸受よりも高価なものであるが、静水圧軸受は実質的に
より大きな動作性能を示す。特に、静水圧軸受は面仕上
げの影響を受けにくい。また、静止摩擦がゼロである。
また摩耗率もぜろであり、大きな負荷能力及び剛性を有
している。またダンパ性能に優れ、回転要素軸受が軸受
レールの表面に凹凸をつけるような過負荷に対する免疫
性も有している。

【００５４】しかしながら、後述のように、静圧軸受
は、通常使用されるオイルが汚れており燃焼性があるの
で、広く使用されることはなかった。補償装置は汚れに
より詰まったり損傷する傾向があり、また軸受ランドの
抵抗に補償装置の流体抵抗を調整することは困難であり
かつ高価についた。また軸受内の流体の粘性シヤーによ
り熱が発生する。

【００５５】これに対して、本発明の新規な設計は、定
義付けが可能であり、技術者が、これらの問題を回避す
べく、軸受ギャップ及び流体を選択することを可能にす
る。従って、図１６の静圧曲線を下方にシフトさせるこ
とを助けて、本発明の静水圧軸受は、用途の重なり領域
において、回転要素軸受のとさらに強い競争相手にな
る。特に、既に示したようにギャップを非常に小さくす
ることが可能なので、静水圧流体として水を用いること
が可能である。水は高い熱容量と優れた熱伝導性を備え
ている。結果として、軸受により発生された熱は、迅速
に循環するので、回転要素が発生するものよりも高くは
ならない。さらに、水は実際には予冷却可能であり、そ
れにより軸受を、以前に用いられていた油静水圧軸受と
同様に、等温とすることが可能であり、水の使用はこの
実行をより容易なものにする。

【００５６】軸受設計が直面するさらに別の問題は速度
である。しかしながら、図１６に示すように、速度は困
難の係数を増加させる。従来の静水圧軸受では、流れは
ランドを横切り出るように強制されるが、軸受が移動す
るにつれて、流体の一方の側が、軸受とレールの間の相
対的な剪断運動により戻される。実施には、最大速度Ｖ
maxが流入する流れと流出する流れが等しい場合に生じ
る。

【００５７】

【数１３】

【００５８】例えば水が静水圧流体として用いられた場
合であっても、軸受ギャップが減少して、流れ率及び汲
み上げ力要求を減少させるにつれて、速度はすぐに低い
値になってしまう。

【００５９】図１及び図２に示す、本発明の自己補償装
置は、軸受運動の１つの方向に対して軸受内に汲み上げ
られ、それにより軸受内に空気が入り込むの防止する、
漏れ流れを提供する。速度があると、漏れランド４Ａ及
び４Ｂからの漏れ流れが、それぞれ、チャネル１５Ａ及
び１５Ｂを横切るように生じ、軸受ランド１１Ａ及び１
１Ｂに抗するように、それぞれ、流れることになる。汲
み上げ動作は低圧の場合にのみ生じ、従って、軸受の動
作性能には影響を与えない。式１３による速度が超過さ
れると、流体は空気の代わりに軸受内に引き込まれる。
空気が軸受内に引き込まれた場合には、剛性が非常に損
なわれ、軸受は摩耗する。軸受に空気が入り込まないよ
うにする現在の方法は、大きなギャップと高圧を用いて
いる。しかしながら、これでは、大きな流れを発生する
ために必要な汲み上げ量により過剰な熱が生じてしま
う。

【００６０】図１７に示すように、供給穴６０を介して
補償装置に加圧流体が入り込むように軸受を構成するこ
とが可能である。それは、環状体６１を充填し、補償ラ
ンド６２を横切って、供給穴６０に入り込む。図１及び
図２の実施例に示すように、環状体６１からの漏れ流れ
がランド６４にわたって生じ、それは、通常は溝６５を
介して出現する。軸受がＸ方向に移動する場合には、い
くつかの漏れ流れが軸受レールの表面に粘着し、それが
表面６４にわたり生じ、軸受ランド６６上に当たること
にある。式１３による速度が超過されると、しかしなが
ら、この当たった流体が空気の代わりに軸受ポケット６
７に引き込まれる。負のＸ方向への運動に関して、６０
及び６１のような第２の補償装置が、軸受の他方端（図
示せず）で用いられるか、またオリフィス７１により供
給される補助溝７０が用いられる。ランド６９を横切る
溝７０からの流れはその少量が軸受負荷容量及び剛性に
荷担するが、その大部分は高速運動の先導軸受ランドに
対する流れ源を提供することになる。

【００６１】本発明の設計の自己補償型静水圧軸受の頑
丈さ及び定義付け特徴のために、この軸受は、図１、図
４及び図５に示すようなモジュラー形式で用いるのに特
に適している。さらに、所望の場合には、空気その他の
ガスを含む加圧流体を用いることも可能である。さら
に、別の実施例が当業者により想到可能であるが、それ
らは全て特許請求の範囲で定義される本発明の精神及び
範囲内に含まれるものである。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来技
術の欠点を回避可能な新規かつ改良された自己補償式流
体又は静水圧線形運動軸受及びその方法が提供され、そ
れによれば、加圧流体の対向するポケット静水圧軸受内
への流れを規制するための新規な機構が提供されて、そ
れにより、流体流れの変動が軸受ギャップに比例して、
軸受自身の表面上で分析的に表現可能なシステムにより
制御される。

【００６３】さらに、本発明によれば、流体抵抗が軸受
の通常の平衡位置において軸受キャリッジ面上の幾何学
パターンに関連し、機構の抵抗が通常の平衡ギャップの
大きさにかかわらず軸受ポケットから流体抵抗に対して
所望なように比例するような新規な軸受構造が提供さ
れ、それにより動作性能を特に手動により調整すること
が不要な製造が容易な静水圧軸受が得られる。。

【００６４】さらに、本発明によれば、機械工具製造者
が、従来のモジュラー圧延要素軸受を使用してきたのと
同様の容易さで、静水圧軸受を使用可能になるような廉
価なモジュラー軸受設計を行うことが可能である。

【００６５】さらに、本発明によれば、軸受が高速で移
動する場合にも、軸受の全ての領域が十分な流体流れを
受けることが保証されるような新規な軸受を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｘ方向に移動可能であり、Ｙ方向には静水圧軸
受構成要素及び軸受レールにより案内された１自由度制
限軸受を示す、本発明に基づいて構成された軸受の拡大
分解図である。

【図２】自己補償流体流れ規制装置、軸受ポケット及び
ランド、及び軸受を流れる流体流れの様子を示した、図
１のシステムの動作の概略図である。

【図３】図１及び図２に示された軸受の流体抵抗の概略
図である。

【図４】Ｘ方向に移動可能であり、Ｙ及びＺ方向には静
水圧軸受構成要素及び軸受レールにより案内された２自
由度制限軸受の概略図である。

【図５】Ｘ方向への移動は自由であるが、Ｙ及びＺ方向
に沿った移動及びＸ、Ｙ及びＺ軸回りの移動は、図１に
示されたような２つの１自由度制限軸受キャリッジ及び
図４に示されたような一対の２自由度制限軸受キャリッ
ジの組合わせ動作により制限された機械工具テーブルの
頂部及び端面図である。

【図６】流体が軸受ポケットから周囲に流れるような軸
受ランドと自己補償装置の相対的流体抵抗の変化の効果
を示す、図１及び図２に示された１自由度制限軸受の負
荷容量対変位の関係を示すグラフである。

【図７】流体が軸受ポケットから周囲に流れるような軸
受ランドと自己補償装置の相対的流体抵抗の変化の効果
を示す、図１及び図２に示された１自由度制限軸受の剛
性対変位の関係を示すグラフである。

【図８】自己補償型流体流れ制限装置の従来例である。

【図９】図８に示す自己補償型流体流れ制限装置内の流
体抵抗の概略図である。

【図１０】自己補償型流体流れ制限装置の別の従来例で
ある。

【図１１】図１０に示す自己補償型流体流れ制限装置内
の流体抵抗の概略図である。

【図１２】自己補償型流体流れ制限装置のさらに別の従
来例である。

【図１３】図１２に示す自己補償型流体流れ制限装置内
の流体抵抗の概略図である。

【図１４】図１２及び図１３に示す自己補償型流体流れ
制限装置内の流体流れの概略図である。

【図１５】本発明の自己補償型流体流れ制限装置内の流
体流れの概略図である。

【図１６】費用の観点から、現在流通している軸受技法
の相対的利点を示すグラフである。

【図１７】高速運動に特に適するように設計された、図
１の自己補償型流体流れ制限装置を用いた軸受面設計を
示す、本発明の好適な実施例の概略図である。

【符号の説明】

１自己補償装置５環状溝９中間アパーチャ１０ポケット領域１２軸受ギャップ１４軸受面１５リセス１７軸受レール１９軸受キャリッジ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向するキャリッジ軸受面を有し、それに
沿って及びその間に軸受レールを受容し、さらに、各軸
受面がその面内に同様の対称的なポケットを備え、その
ポケットから加圧流体がレールとキャリッジ面の間のギ
ャップに流体の薄膜を生じるように発散される線形運動
静水圧軸受における、軸受の両側の負荷の変化の自己補
償のための方法であって、各軸受面上に、対応するポケ
ットから縦方向に間隔をおいて、分析的に表現可能な幾
何学形状の加圧流体受容溝を設け、各溝から反対側に配
置されたポケットに流体が前記表面の外部に供給され、
溝からの流体流れに対する抵抗が、軸受が通常の平衡位
置にあり、ギャップが外部力により負荷を受けない場合
に、反対側の表面のポケットからの流体流れに対する抵
抗の割合に等しくなるように調整され、それにより、外
部力が加わると、加えられた負荷を補償するように対向
するポケットに差圧が確立されて、流体流れが規制され
て加えられた負荷により生じる軸受ギャップの変化に比
例して負荷を自己補償することから成ることを特徴とす
る方法。
【請求項２】各溝が実質的に円形環状形状に形成され
て、加圧流体が、円形体内の表面ランドにわたり流れ、
実施素敵に中央開口に流れ込み、軸受表面と対向するポ
ケットに供給されることを特徴とする、請求項１に記載
の方法。
【請求項３】横方向に伸びる溝が、各面上のポケットと
第１の溝の間において第１の溝の外部に漏れ流れを生じ
させるように形成されることを特徴とする、請求項１に
記載の方法。
【請求項４】流体がさらにポケットの先端に供給されて
軸受キャリッジが高速で運動した場合に空気が入り込む
のを防止可能なことを特徴とする、請求項３に記載の方
法。
【請求項５】前記第１の溝と同様の別の加圧流体受容溝
又は横方向に伸びる流体受容補助溝がかかる別の加圧流
体を供給するべく第１の溝の反対側のポケット側の各軸
受表面に形成されることを特徴とする、請求項４に記載
の方法。
【請求項６】一対の対向キャリッジ軸受面を備え、それ
に沿って及びその間に軸受レールを受容し、さらに、各
軸受面がその面内に同様のポケットを備え、そのポケッ
トから加圧流体がレールとキャリッジ面の間のギャップ
に流体の薄膜を生じるように発散される線形運動静水圧
軸受であって：各軸受面上に、対応するポケットから縦
方向に間隔をおいて、分析的に表現可能な幾何学形状の
加圧流体受容溝を設けられることと；反対側に配置され
た軸受表面のポケットに前記表面の外部において前記各
溝からの加圧流体を提供するための手段と、その場合
に、溝からの流体流れに対する抵抗が、軸受が通常の平
衡位置にあり、ギャップが外部力により負荷を受けない
場合に、反対側の表面のポケットからの流体流れに対す
る抵抗の割合に等しくなるように調整されことと；加圧
流体を溝に供給するための手段と、それにより、外部力
が加わると、加えられた負荷を補償するように対向する
ポケットに差圧が確立されて、流体流れが規制されて加
えられた負荷により生じる軸受ギャップの変化に比例し
て負荷を自己補償することと；から成ることを特徴とす
る軸受。
【請求項７】加圧流体受容溝が実施素敵に円形環状輪郭
を有していることを特徴とする、請求項６に記載の軸
受。
【請求項８】環状ランド面が各円形環状溝によって囲ま
れ、それにわたり、かかる溝からの加圧流体が実施素敵
に中央開口に流れ込み、反対側に配置された軸受面のポ
ケットにさらに供給されることを特徴とする、請求項７
に記載の軸受。
【請求項９】加圧流体供給手段が円形環状溝内の開口に
流体源から流体を供給することを特徴とする、請求項８
に記載の軸受。
【請求項１０】さらに溝が対応するポケットと円形環状
溝の間にあって各軸受表面を横切るように横方向に伸び
るように形成されて円形環状溝の外部において前記表面
に沿って流体漏れ流れを存在せしめることを特徴とす
る、請求項８に記載の軸受。
【請求項１１】円形環状溝から前記ポケットの反対側
に、さらに別の横方向に伸びる溝が設けられていること
を特徴とする、請求項１０に記載の軸受。
【請求項１２】さらに円形環状溝が第１の円形環状溝か
ら対応するポケットの反対側の軸受面に設けられている
ことを特徴とする、請求項１０に記載の軸受。
【請求項１３】さらに別の流体供給溝が、円形環状溝か
ら対応するポケットの反対側の軸受面に設けられてお
り、別の流体をポケットの先導端に供給して、軸受キャ
リッジが高速で運動する場合に空気がその内部に入り込
まないようにしたことを特徴とする、請求項１０に記載
の軸受。
【請求項１４】前記軸受キャリッジが１つの平行運動度
制限を行うのみの小さなモジュラーキャリッジであり、
前記軸受がその運動及び支持を助けるためにテーブルに
ボルト締めされることを特徴とする、請求項６に記載の
軸受。
【請求項１５】前記軸受キャリッジが２つの平行運動度
制限を行うのみの小さなモジュラーキャリッジであり、
前記軸受がその運動及び支持を助けるためにテーブルに
ボルト締めされることを特徴とする、請求項６に記載の
軸受。
【請求項１６】テーブルが運動の所望の方向に沿って１
自由度のみを有し、所望の方向に直交する２つの平行運
動方向及び３つの全ての軸周りの回転運動に対して高い
剛性で制限を与えるように、テーブルの運動を支持し案
内するべく接続された、請求項１４に記載された２つの
モジュラー静水圧軸受キャリッジ。
【請求項１７】レールと、及び、そのレールとの間のギ
ャップを充填する流体の加圧軸受ポケットによりそのレ
ールと接触しないように保持される軸受キャリッジとを
備え、軸受ポケットに対する流体流れは、前記ポケット
に対向するように配置された補償装置により規制され
て、供給された負荷により生じた軸受の変位により前記
ポケットの領域内で軸受ギャップが減少し、次いで、前
記流体規制補償装置の範囲において軸受ギャップが増加
するようにされて成る静水圧軸受において：前記補償装
置が、前記ポケットに接続された中央凹部開口領域と、
前記中央凹部開口領域を囲む上昇ランド領域と、前記ラ
ンド領域を囲む環状凹部溝圧力源領域とからなり、前記
溝圧力源領域が前記流体圧力が前記溝圧力源から前記中
央凹部開口領域にギャップと前記ランド領域の寸法と形
状により規制されるように流体圧力源に接続され、前記
溝圧力源領域が前記溝圧力源領域を囲む大きな上昇ラン
ドにより流体の外部への漏れを防止するように構成され
ていることを特徴とする軸受。
【請求項１８】前記中央凹部開口領域、前記第１ランド
領域及び前記溝圧力源領域が、領域間の流体抵抗を流体
動力学の基本方程式を用いて高い精度で単純な定義方法
で計算可能なような形状に構成されたことを特徴とす
る、請求項１７に記載の軸受。
【請求項１９】前記中央凹部開口領域、前記ランド領域
及び前記溝圧力源領域が全て円形であることを特徴とす
る、請求項１８に記載の軸受。
【請求項２０】前記補償装置が前記軸受の各端部に配置
されて、流体を軸受に対向する２つのポケットのうちの
１つに供給し、それにより、前記軸受が高速で運動され
た場合に、前記補償装置からの漏れ流れが粘度シーアに
よりポケットの先導端に引き込まれるようにして、前記
ポケット内に空気が引き込まれないようにしたことを特
徴とする、請求項１７に記載の軸受。
【請求項２１】流体層分割軸受レールに沿って可動の１
対の縦方向に伸び対向する線形キャリッジ軸受面を備え
た静水圧軸受であって、前記面の両側に連続して、前記
面の中間において縦方向に伸びるリセスポケットと、前
記面を横切って横方向に伸びる溝と、中央開口が配置さ
れた実質的に円形の環状溝と、前記円形環状溝にさらに
前記中央開口領域を貫通するように加圧流体を流すため
の手段とを備えたことを特徴とする軸受。
【請求項２２】１つの軸受面の中央開口領域から対向軸
受面のリセスポケットに流体を流すための手段が設けら
れていることを特徴とする、請求項２１に記載の軸受。
【請求項２３】各軸受面の縦方向に伸びるリセスポケッ
トより前に、流体供給手段が高い軸受キャリッジ速度で
空気の介入を防止するべく設けられていることを特徴と
する、請求項２１に記載の軸受。
【請求項２４】縦方向に伸びるリセスポケットが、相応
の幅を有する横方向に伸びる溝及び円形環状溝に比較し
て大きな断面を有することを特徴とする、請求項２１に
記載の軸受。
【請求項２５】縦方向に伸びるリセスポケットの横方向
幅が円形環状溝の外径に匹敵することを特徴とする、請
求項２１に記載の軸受。
【請求項２６】流体が気体及び液体の一方であることを
特徴とする、請求項２１に記載の軸受。
【請求項２７】前記流体が空気及び水の一方であること
を特徴とする、請求項２６に記載の軸受。