JPH0730795B2 - 多孔質静圧案内の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 回転運動を直線運動に変換させるねじ送りの高速化，高
精度化を達成させる手段の一つとして、雄ねじと雌ねじ
との間のスキマに加圧流体を供給し、流体圧を介して雄
ねじと雌ねじ間を支持する静圧ねじがある。また回転体
の軸と、これを支持する軸受との間のスキマに加圧流体
を供給する流体軸受が提案されている。これらは一般に
静圧案内と言われている。しかして、本発明は多孔質静
圧案内の製造方法に関する。

（従来技術及び発明が解決しようとする問題点） 周知のごとく、静圧案内は案内面間に加圧流体、例えば
気体や流体を供給し物体を流体圧によって浮上させる非
接触案内であるため、物体の移動に伴う摩擦損失を極め
て小さくできることは勿論、案内面の摩耗も皆無にでき
る。加えて、流体が案内面の加工精度を平均化する効果
もあるため案内精度が著しく向上するなど、物体を長期
間に亘って高速・高精度に運動させる手段として超高速
回転、超精密な加工や測定、あるいは、高精度な送りや
位置決め等が要求される機構要素系、例えば、回転軸受
や直進ガイド等の案内に用いられ、また、送りねじにも
適用されはじめており、さらに一層の性能向上が望まれ
ている。

一般に静圧案内は、単に案内面間に加圧流体を供給する
のでなく案内面間で構成される浮上スキマ内の流路抵抗
とは別に、もう一つ以上の流路抵抗、即ち絞りを設け小
流量で、且つ、案内面間の浮上剛性（以下剛性と言う）
が大きくなるように工夫する。

一般に雄ねじと雌ねじ、または軸と軸受間のスキマが減
少するとスキマ内の流路抵抗が増すため流体圧が上昇
し、逆にスキマが増大すると流体圧が下降するバランス
で一定のねじスキマや軸受スキマが保たれるように構成
される。このスキマ変化による流体圧の上昇や下降の割
合が大きいほど雄ねじと雌ねじ、または軸と軸受間の剛
性が高いことになり、性能が良いことになる。しかしな
がらスキマ内の流路抵抗のみでは、この剛性をさほど高
められないので、通常は自成絞り、表面絞り、あるいは
オリフィス絞り等の流路抵抗をさらに付加して、剛性を
効率よく高める工夫がされる。

この場合、絞りが静圧案内の性能を支配する剛性に重要
な役割を果たすので、まず、この絞りについて説明す
る。

第４図は従来の静圧案内における絞りの例を示した断面
図で、（Ａ）が自成絞り、（Ｂ）がオリフィス絞り、
（Ｃ）が面絞り、（Ｄ）が多孔質絞りであって、図にお
いて、１が浮上体、２が浮上面、３が案内面、４が浮上
スキマ、５が給気孔、６がオリフィス、７が微小溝、８
が多孔質体である。

自成絞りは、浮上スキマ４における給気孔５の直下の部
分で構成される空間断面で流体通路を縮小して絞りとす
るものである。

オリフィス絞りは、中心に微小な孔が穿けられたオリフ
ィス６を給気孔５下に設けて絞りとするものである。

面絞りは、浮上面２に微小な断面を有する微小溝７を加
工して絞りとするものである。

多孔質絞りは、多孔質体８内に存在する連った無数の微
小空間で構成される通路を絞りとするものである。

いずれにしても給気孔５から元圧Psで加圧供給された流
体は、一旦、これらの絞りで中間圧Pmに減圧されたのち
浮上スキマ４内で、さらに減圧された最後は浮上スキマ
４外の大気圧Pa中に開放される。しかるに、浮上スキマ
４内の圧力総和は浮上体１にかかる重量と等しく、これ
が釣合っていることになる。従って、剛性は重量増減に
伴う浮上スキマ変化の割合で元圧Ps及び大気圧Paは一定
であるから、結局、浮上スキマ変化に対する中間圧Pmの
変化割合が大きいほど剛性（浮上スキマに反比例）が高
くなる。高精度の形状加工は、剛性を高める必須要件で
あるので、この剛性が高いことは、加工が高精度である
ことを反映している。

一方、自成絞り、オリフィス絞り、及び、面絞りは、い
ずれも流体通路の断面積変化を主体とした絞りであるの
に対し、多孔質絞りは断面積変化は勿論、これに流体と
多孔質体壁面との接触による粘性抵抗が加わることが他
の絞りと著しく異る点である。

この粘性抵抗は流速に比例するから多孔質絞りにおい
て、浮上スキマ４が減少すれば当然、浮上スキマ内の粘
性抵抗（浮上スキマの３乗に反比例）が増大し、この
分、多孔質体８内の流量、即ち流速が減少しようとする
が粘性抵抗は流速に比例するので、多孔質絞りによる粘
性抵抗はかえって小さくなる。このため、浮上スキマ４
内により流体を供給し中間圧Pmを上昇させる結果とな
る。逆に浮上スキマ４が増大すれば中間圧Pmをより下降
させる。これは剛性を高める効果そのものである。この
ように多孔質絞りは粘性抵抗の作用分だけ他の絞りに比
べ静圧案内の高剛性化の点で優位の絞りとなっている。

尚、一般に静圧案内では前述の中間圧Pmが高いほど負荷
重を大きくとれ、且つ、浮上スキマ変化に対する中間圧
Pmの上昇、下降幅が大きいほど高剛性となるが、中間圧
Pmは元圧Ps以上には成り得ないから中間圧Pmをあまり高
めると剛性が得られなくなる。このため、中間圧Pmのピ
ーク値が元圧Psの2/3程度になるように浮上スキマ部と
絞り部との流路抵抗の比をさだめるのが普通である。

この場合、浮上スキマが小さいほど剛性が上がるので優
位になるが、上記流路抵抗の比を一定にする必要がある
から、浮上スキマが小さくなれば、浮上スキマの流路抵
抗は必然的に大となる。従って、この分だけ静圧案内の
絞り抵抗も大きくでき、さらに負荷重に対応するスキマ
変動の絶対値も小さくできるので小流量・高剛性の静圧
案内となるが、浮上スキマの極小化は加工技術に依存す
るため、静圧案内の高性能化は高精度加工技術の向上と
密接に関連していることも周知の事実である。

以下多孔質絞りにおける従来の問題点について説明す
る。

第５図は厚膜多孔質体を用いた場合の供圧構造の断面図
を示すもので、図において、１は浮上体、２は浮上面、
３は案内面、４は浮上スキマ、５は給気孔、９は供圧
口、10は開放口、11は封止面、12及び13はそれぞれ矢印
Ａ及び矢印Ｂであって、何れも多孔質体８内において流
体の流れる方向、位置、及び流量を矢印の向き、位置、
及び大きさに対応させたものである。第５図において流
体は供圧口９から開放口10に向って、流路抵抗が最小と
なるように流れようとする。この場合、多孔質体８が厚
くなるほど、供圧口９の幅が広くなるほど流体は矢印A1
2のように流れ開放口10に集中し、この分矢印B13に示す
中央部の流れが小さくなる。

第６図は薄膜多孔質体を用いた場合の供圧構造の断面図
を示すもので、図において、１は浮上体、２は浮上面、
３は案内面、４は浮上スキマ、５は給気孔、９は供圧
口、10は開放口、11は封止面、13は矢印Ｂ、14は矢印
Ｃ、15は矢印Ｄであり、矢印は流体の流れを示す。第６
図においても流体は流路抵抗が最小となるように流れよ
うとするから、多孔質体８が薄くなるほど、供圧口９の
幅が狭くなるほど流体は浮上スキマ４を通らず多孔質体
８内を矢印C14及び矢印D15のように流れ、やはり矢印B1
3に示す中央部の流れが小さくなる。

以上、単なる多孔質絞りでは供圧口９の幅や多孔質体８
の厚さを工夫しても、流体は浮上スキマ４の中央部付近
を迂回し開放口10近辺に集中することを述べた。他方、
流路抵抗の総和は多孔質部と浮上スキマ部との流路抵抗
の和であって、この流路抵抗の差分で前述の中間圧Pmが
定まるから浮上スキマ４部の流路抵抗が大きいほど、小
流量で中間圧Pmの上昇／下降幅、即ち、剛性が高くとれ
る。従って、開放口10近辺の浮上スキマ４に依存せず、
流体が浮上スキマ４内をより長距離にわたって流れる供
圧構造が望ましく、このためには多孔質体の浮上面２で
特に流路抵抗を大きくすればよく、通常、浮上面２を目
潰しさせた多孔質絞りが用いられる。

第７図は目潰しした多孔質体における従来の供圧構造の
断面図で、１は浮上体、２は浮上面、３は案内面、４は
浮上スキマ、５は給気孔、９は供圧口、10は開放口、11
は封止面、12,13は流体の流れを示す矢印である。16は
浮上面２の目潰し層、17は矢印Ｅで流体の流れを示す。
第７図では目潰しによって多孔質体８内部より目潰し層
16の流路抵抗が十分大きくなるので多孔質体８内部は元
圧Psに近いほぼ一様な圧力になる。このため、流体は多
孔質体８内部を矢印A12のように流れたとしても目潰し
させた浮上面２からは矢印E17のように、ほぼ一様に流
れ出る。このため、一様な多孔質体に比べ中央付近の矢
印B13に示す浮上スキマ４内を長距離にわたって流れる
流体が多くなり、この分、小流量で高剛性が得られる多
孔質絞りを実現できることになる。

以上、多孔質絞りが従来の絞りに比べ優位の絞りである
こと、並びに多孔質体に表層絞りを付加したほうが、さ
らに小流量・高剛性の案内となること等説明した。以
下、従来の表層絞り技術について説明する。

従来の技術は、前述したように多孔質体表層における流
体の通過断面積を目潰しによって小さくする方法がとら
れる。この理由は従来の多孔質素材が、主に金属材料で
構成されることと密接に関連している。即ち、金属パウ
ウダの粒子を融点以下の温度で焼成結合して得られる多
孔質体では粒子間の無数に連なった空間を流体の流路と
するが、この多孔質体は以前から焼結含油軸受やフイル
タ用材料に実用されている関係で多種多様な材料が比較
的容易、且つ安価に入手できるためである。

金属材料多孔質体における目潰しは金属の塑性変形を利
用したもので、具体的には切削、或は研削加工条件、例
えば加工工具の切り刃の鋭さ、切り込み量、加工速度、
又は加工温度等を選択して加工することで、多孔質体面
に存在する流体通路の断面積を塑性変形により表層で小
さくするものである。従って塑性変形量が表層の流路抵
抗増大分に相当することになる。しかるに、多孔質体面
には大小無数の孔が存在するから、当然塑性変形量が増
せば小さな孔は封止されるし、半封止の孔や、さほど封
止されない孔などが確率的に取り残されることになる。
これが目潰しによる表層絞りの原理であって、塑性変形
量によって多孔質体表層の流路抵抗を制御しようとする
ものである。ただし塑性変形による目潰しは塑性変形が
可能な材料に限られること、加工条件の選定を要するこ
とは勿論、多孔質素材の特性、例えば焼結強度や硬度の
バラツキが加工条件に悪影響すること、加工工具の摩擦
や損傷や加工条件の安定確保を妨げ、再現性や生産性に
乏しいこと、或は塑性変形そのものが確率的な加工に基
くため、適正、且つ均一な目潰し面の実現を妨げる欠点
を数多く有している。とくに、塑性変形量が多孔質体を
構成するパウダの粒子径に近付けば、粒子の脱落や再付
着が同時に進行するし、加工工具の摩耗や損傷も激しく
なるから目潰し量の正確な制御は期待し得ず、目潰し面
の加工精度は大幅な低下は避けられない。このように、
塑性変形は加工精度の向上とは相反する要素であるが、
前述のように静圧案内の性能そのものは加工精度の向上
に直結しているから塑性変形による目潰しは静圧案内の
高性能化に逆行する表層絞り技術であると言える。

一方、目潰しは多孔質体の流路抵抗を大幅に変化させ
る。ただし、静圧案内の剛性を確保するには中間圧Pmの
ピーク値が元圧Psの2/3程度になるよう流路抵抗の比を
定める必要があることは前述した通りで、単に、多孔質
体面を均一に目潰しするだけでなく多孔質絞り全体の流
路抵抗の制御が求められる。このため、目潰しの良否が
静圧案内の性能を決めると言っても過言でない。ところ
が、現実には多孔質絞りが実用に供されている例は皆無
に等しく、従来の絞り、特に面絞りが静圧案内の主流と
なっている。このこと自体が多孔質絞りを自現させる流
路抵抗の制御、或は表層絞りの付加等に対するの技術が
未解決であることを如実に示している。

（発明の目的） 本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもの
で、その目的は新たな流路抵抗制御手段を付与した多孔
質静圧案内の製造方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は浮上体と固定体と
からなる静圧案内の製造において、浮上体を多孔質セラ
ミック体で形成し、前記浮上体の表面の第１の領域をメ
ッキ液に浸す工程と、前記浮上体の表面の第１の領域以
外の第２の領域から、前記浮上体を介して、メッキ液の
吸引圧力を制御しながら吸引することにより、前記第１
の領域の表面および多孔質セラミックの内部に被膜を形
成する工程と、ついで前記多孔質体に前記メッキ下地に
到る精密加工を施す工程とを有することを特徴とする多
孔質静圧案内の製造方法を発明の要旨とする。

（実施例１） 始めに、無電解メッキについて簡単に説明する。

周知の如く、電気メッキは電解液中の金属陽イオンその
ものを外部からの電流作用によって陰極に導いて付着さ
せるが、広義の無電解メッキは外部電流によらず電解液
中の金属陽イオンを還元して析出させるメッキ法のすべ
てを含む総称でもあり、化学メッキと呼ばれることもあ
る。

無電解メッキの特徴は外部電流によらず電解液中の金属
陽イオンを還元して析出させる点にあるが、この方法に
は異種金属間に固有の電位差を利用した例えば、置換亜
鉛メッキや浸漬金メッキのように、電位の低い金属
（卑）に電位の高い金属（貴）の陽イオンを接触させ、
貴の金属を還元析出させて付着させる方法、並びに、還
元剤の酸化や分解反応に基く還元作用を利用した例え
ば、化学銅メッキや無電解ニッケル（Ni）メッキのよう
に、被メッキ物そのものが触媒となって電解液中の金属
陽イオンを還元し、その表面に金属を析出させて付着さ
せる方法とに大別される。ただし、今日、工業的に重要
な役割を果たしているのは還元法である。

このように無電解メッキは被メッキ物表面の化学反応に
基くものであるから、電気メッキのように電界強度の高
い所に付着が集中したりせず、極めて均一な厚さにメッ
キできること、並びに電界が存在し得ない個所、例えば
多孔質体内にもメッキできること等、電気メッキとは異
なる特徴を持っている。

以上、単に無電解メッキと言っても様々な方法が有るこ
とを説明したが、多孔質体の流路抵抗制御手段として還
元法の無電解ニッケルメッキが、中でも特に好適なので
以下無電解ニッケルメッキによる実施例について説明す
る。

第１図は本発明に用いられている無電解ニッケルメッキ
（以下Niメッキと言う）の実施例であって、図におい
て、18はメッキされる被多孔質体、19は被多孔質体18の
保持具、20はNiメッキ液21が入っているビーカ、22は温
度計、23は水温式恒温槽で24は水を温めるヒータ、25は
プロペラ式の攪拌器、26は管路27を介して保持具19や真
空ポンプ29と接続されている負圧タンク、28は負圧圧力
計である。また、30、31、及び32は管路27に設けた、そ
れぞれ、流量調整弁、開閉弁Ａ、及び開閉弁Ｂで、33は
開閉弁Ｃである。これらの弁は管路27を流れるNiメッキ
液の流量制御、並びに負圧タンク26内の廃液を処理する
ときに使用する。

このような構をとってあるので、Niメッキ液21の温度、
並びに被多孔質体18内部を流れるNiメッキ液の流量は自
由に製造できる。従って、一旦、被多孔質体18内部を水
で置換した後、流量調整弁30を閉じてメッキ液に被多孔
質体18を投入すれば、被多孔質体18へのNiメッキ液21の
侵入は拡散のみとなる。この場合、メッキ液中のNi陽イ
オンは侵入すればするほど、被多孔質体18内の壁面に付
着して減少するため、メッキは被多孔質体18の表層部分
のみに限定され、ついには被多孔質体18の表面に存在す
る無数の孔は封止される。一方、流量調整弁30を開けて
メッキすれば、Ni陽イオンを含む新たなメッキ液が常に
被多孔質体18内部に補充されるため、被多孔質体18内の
深層部分にもメッキできることになる。しかるに、メッ
キ液の流量は負圧タンク26内の負圧力と流量調整弁30
で、メッキ速度はNiメッキ液21の温度で、メッキ量は時
間でコントロールできる。このため、予めメッキ量と多
孔質体の流路抵抗との関係を求めておけば、メッキ量は
予測でき、場合によっては、メッキ途中で流路抵抗を計
測しながらメッキすることも可能となる。

これらによる効果としては多孔質体の流路抵抗を正確に
制御できること、流路抵抗を表層部で大きくできること
は勿論、深層部でも制御できるので、この分、流路抵抗
の制御域が広がること、或は多孔質体表面の封止メッキ
もできるから封止不要な表面はマスキングすることで多
孔質体に封止面を選択的に形成できること等、塑性変形
を利用した従来技術に比べ流路抵抗の制御性が高まり、
また制御域が広がることは勿論、新たな効果も生ぜしめ
ることになる。

さらに、メッキ液の流量を調整すれば、多孔質体の表層
から深層に至るメッキの付着度合が徐々に減少するよう
に変化させることが可能である。また、これは保持具19
に対して被多孔質体18の表裏を逆にセットすれば表層以
外に深層に対してもメッキの付着したものも作成可能で
ある。

尚、通常の電気メッキでは深層メッキはほとんど不可能
であることは言うまでもない。特にNiメッキは腐食性が
ない点がすぐれている。

（実施例２） つぎに、多孔質体に対するNiメッキの付着形態について
説明する。

第２図は焼結多孔質体の断面構造モデルを示したもの
で、図において、34は焼結粒子、35は焼結粒子34間の粒
子結合部、36は焼結粒子34の空胞、即ち、流体の通路で
ある。また第２図（Ａ）は焼結粒子34の中心を通る断面
で、第２図（Ｂ）は焼結粒子34の粒子結合部35を通る断
面で、それぞれ切断したときの断面構造である。このよ
うに断面位置によって流体通路36の占める面積が異るか
ら、結局、多孔質体は瓢箪を立体的に連ねたような流体
通路で構成されていると言える。ただし、第２図は理解
を容易にするため、直径の等しい球形の焼結粒子34が整
然と配列した構造で示したが、実際は形状、大きさが異
る焼結粒子34がランダムに配列された構造であり、一様
な流体通路が多孔質体内に形成されているとは限らず、
大小異る流体通路が混在していることになる。

一方、静圧案内を構成するとき従来の絞りであれば、設
計さえ可能なら所望の流路抵抗の絞りを精密加工によっ
て製作できるが、多孔質絞りは焼結粒子34径の選択自由
度や均一性に限界があり、また多孔質体そのものも独特
な製造技術によるため、所望の流路抵抗を得るのが容易
でない。従って、既成の多孔質素材を用い何らかの手段
で所望の流路抵抗に制御することは勿論、表層部で特に
絞り抵抗が増大するような流路抵抗制御手段が求められ
ることは前述した通りである。

第３図は本発明のNiメッキを施した多孔質絞り形状の断
面モデルの一例を示すもので、37は多孔質体が一様でな
いため生じる太めの流体通路、38は同様に細めの流体通
路、39はメッキ液の流入側、40は流出側、また、41は多
孔質体内に対するメッキ液の供給量を多くして付着させ
た深層メッキ膜、42はメッキ液の供給量を少なくして付
着させた表層メッキ膜である。

多孔質体内を通過するメッキ液の流量は流入側39と流出
側40との圧力差でコントロールすることは前述の通りで
あるが、この場合、深層、及び表層メッキに拘らずメッ
キ液は抵抗が最小となるように多孔質体内を流れるた
め、当然、メッキ液は抵抗が小さい太めの流体通路37に
集中するから太めの流体通路37には、より深層部までメ
ッキが付着し、細めの流体通路38へのメッキは表層部に
限られることになり、結果として多孔質体における流路
抵抗が均一となるように作用する。ただし、多孔質体表
面の平坦部にはメッキ液が均等に供給される結果、付着
膜厚が一定となるのでメッキ前の加工精度が確保され
る。

加えて、周知のように、Niメッキ膜そのものは耐腐食
性、耐摩耗性、或は耐潤滑性に富んだ硬質膜であり、塑
性変形が起こりにくい膜である。このため、メッキ後で
あっても研削、或は砥粒加工等による多孔質体表面の高
精度加工が可能である。特に多孔質素材にセラミック材
料、例えばアルミナ（Al₂O₃）、窒化珪素（SiN）、或は
炭化珪素（SiC）等を用いれば、多孔質体そのものも塑
性変形を許さない材料となるので、ダイヤモンド工具を
用いたメッキ下地層に至る超精密加工も実現できるか
ら、加工精度の向上と直結する静圧案内の性能を従来に
比べ、大幅に高めることができる。

（発明の効果） 元来静圧案内において、浮上体と固定体との接触面は、
強固かつ表面が滑らかであることが必要である。しか
し、浮上体に金属メッキしただけでは、たとえ、それが
耐腐食性，耐摩耗性，潤滑性に優れたNiメッキ膜であっ
ても、それは平滑なセラミック体には劣るものである。
しかし、本発明のように、下地を多孔質セラミック体か
ら構成した場合、多孔質セラミック体は全く塑性変形を
許さない材料であるので、メッキ後、多孔質体表面のメ
ッキ膜を除去するような『メッキ下地に到る精密加工す
る』ことも可能になり、メッキ後、多孔質セラミック体
を浮上体の接触面に露出させることが可能になる。

しかして、多孔質の『孔』の中は深くまでメッキされる
一方、多孔質体は強固なセラミックから構成されている
ので、超高速に耐え、高い剛性を有し、高精度な位置決
めの可能な浮上体を有する、優れた静圧案内を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の無電解ニッケルメッキ実施例、第２図
は焼結多孔質体の断面構造モデル、第３図は本発明にお
ける無電解ニッケルメッキを適用した多孔質絞り形状を
示した断面モデル、第４図は従来の静圧案内における絞
りの例を示した断面図、第５図は厚膜多孔質体を用いた
場合の供圧構造の断面図、第６図は薄膜多孔質体を用い
た場合の供圧構造の断面図、第７図は目潰しした多孔質
体における従来の供圧構造の断面図を示す。 １……浮上体 ２……浮上面 ３……案内面 ４……浮上スキマ ５……給気孔 ６……オリフィス ７……微小溝 ８……多孔質体 ９……供圧口 10……開放口 11……封止面 12……矢印Ａ 13……矢印Ｂ 14……矢印Ｃ 15……矢印Ｄ 16……目潰し層 17……矢印Ｅ 18……メッキされる被多孔質体 19……被多孔質体の保持具 20……ビーカ 21……Niメッキ液 22……温度計 23……水温式恒温槽 24……ヒータ 25……プロペラ式攪拌器 26……負圧タンク 27……管路 28……負圧圧力計 29……真空ポンプ 30……流量調整弁 31……開閉弁Ａ 32……開閉弁Ｂ 33……開閉弁Ｃ 34……焼結粒子 35……粒子結合部 36……空胞 37……太めの流体通路 38……細めの流体通路 39……メッキ液の流入側 40……メッキ液の流出側 41……深層メッキ膜 42……表層メッキ膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】浮上体と固定体とからなる静圧案内の製造
   において、 浮上体を多孔質セラミック体で形成し、前記浮上体の表
   面の第１の領域をメッキ液に浸す工程と、 前記浮上体の表面の第１の領域以外の第２の領域から、
   前記浮上体を介して、メッキ液の吸引圧力を制御しなが
   ら吸引することにより、前記第１の領域の表面および多
   孔質セラミックの内部に被膜を形成する工程と、 ついで前記多孔質体に前記メッキ下地に到る精密加工を
   施す工程 とを有することを特徴とする多孔質静圧案内の製造方
   法。