JPH09222119A - 回転軸受装置及びこれを用いた回転駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストでしかも静圧エアーベアリング並の
高い回転精度が得られる回転軸受装置を提供する。 【解決手段】 回転軸２４に固定されたロータ２５と固
定部材３５との間の微少ギャップには、オイル３６が充
填されている。固定部材３５と回転軸２４との間にはオ
イルシール３９，４０が装着され、オイル３６の外部へ
の漏れ出しを防止している。ロータ２５は、その側面及
び両端面に側面溝４１及び端面溝４２を周方向の全域に
わたってそれぞれ複数形成してなる。各側面溝４１は、
Ｖ型パターンでロータ２５の回転に伴ってその側面の軸
方向中央部にオイル３６を誘導して動圧を発生させる。
各端面溝は、ロータ２５の回転に伴ってその端面の外周
縁の近傍箇所に内側から外側へとオイルを誘導して動圧
を発生させる。ロータ２５と固定部材３５との間の油膜
厚は回転により均一化されるので、ロータ２５は、ラジ
アル方向及び上下スラスト方向に高い回転精度及び高い
軸受剛性で軸支される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密測定機用回転
テーブルの軸受及び工作機械用高精度回転軸受等に好適
な回転軸受装置及びこれを用いた回転駆動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】回転テーブル等を高い回転精度で軸支す
るための回転軸受装置として、従来から真円度測定機な
どで使用されている静圧エアーベアリングが知られてい
る。この静圧エアーベアリングは、高い回転精度が得ら
れる反面、エアーを常時供給するためのエアー供給源や
配管等を必要とするため、装置が大掛かりとなり、コス
トアップにつながるという問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題点を解決するためになされたもので、低コストでし
かも静圧エアーベアリング並の高い回転精度が得られる
回転軸受装置を提供することを目的とする。

【０００４】本発明は、また、そのような回転軸受装置
を用いて回転体を短時間で高い回転精度で駆動するのに
適した回転駆動方法を提供することを他の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の回転軸受装置
は、回転軸に固定された円筒状の回転部材と、この回転
部材を微少ギャップを介して取り囲むように配置された
固定部材と、前記回転部材と前記固定部材との間の微少
ギャップに充填された油と、前記固定部材と前記回転軸
との間に装着されて前記微少ギャップに充填された油の
外部への漏れ出しを防止するシール部材とを備え、前記
円筒状の回転部材は、その側面及び両端面に側面溝及び
端面溝を周方向の全域にわたってそれぞれ複数形成した
ものであり、前記各側面溝は、前記回転部材の回転に伴
ってその側面の軸方向の所定箇所に前記油を誘導して動
圧を発生させるパターンを形成し、前記各端面溝は、前
記回転部材の回転に伴ってその端面の外周縁の近傍箇所
に内側から外側へと前記油を誘導して動圧を発生させる
パターンを形成していることを特徴とする。

【０００６】なお、前記側面溝は、例えば前記回転部材
の側面を前記軸方向の所定箇所から軸方向に離れるに従
って回転方向前方に向かうようなパターンの溝である。
また、前記端面溝は、例えば前記回転部材の端面を前記
外周縁の近傍箇所から内周側に向かうに従って回転方向
前方に向かうようなパターンの溝である。また、前記側
面溝及び端面溝は、回転方向後方側の側壁が開放側に向
くように傾斜していることが望ましい。

【０００７】また、本発明に係る回転軸受装置の回転駆
動方法は、上述した回転軸受装置を使用して、回転駆動
開始時に回転体を定格回転数を超える回転数で回転させ
て軸受剛性を安定化させたのち、前記回転体を前記定格
回転数で回転させるようにしたことを特徴とする。

【０００８】本発明の回転軸受装置によれば、回転部材
が回転すると、その側面に形成された複数の側面溝を伝
わって、周方向の全域にわたり、油が側面の軸方向所定
箇所に集中すると共に、両端面にそれぞれ形成された複
数の端面溝を伝わって、周方向の全域にわたり、油が両
端面の外周縁近傍位置に集中する。これらの部分に発生
した動圧が回転部材をラジアル方向及びスラスト方向に
支持する。回転が安定すると、回転部材と固定部材との
間の油膜が均一化され、回転部材が固定部材に対して微
小膜厚の油膜を介して高い回転精度で保持されると共
に、局部的に発生した油圧の高まりによって軸受剛性が
増大する。このように、この発明によれば、側面溝及び
両端面の端面溝を介して油が移動することによって発生
した局部的な油圧の高まりによって、回転部材がラジア
ル方向及びスラスト方向に高い剛性で安定に保持され、
この結果、静圧エアーベアリング並の高い回転精度を実
現することができる。

【０００９】しかも、この発明によれば、固定部材と回
転部材との間の微少ギャップに充填された油は、固定部
材と回転軸との間に装着されたシール部材によってほぼ
完全にシールされるので、油の補給が不要になる。この
ため、油供給用の装置や配管等が不要となり、回転軸受
装置全体を小型化及び簡略化することができる。これに
よって、回転軸受装置のコスト低減を図ることができ
る。

【００１０】なお、溝の数が増えると、耐荷重性能は向
上するが、溝以外の微小膜厚の油膜の形成される面積が
少なくなるため回転精度が低下するため、両者のバラン
スを考慮して適切な本数に設定することが望ましい。ま
た、側面溝及び端面溝の回転方向後方側の側壁を開放側
に向くように傾斜させると、回転部材と固定部材との間
のラジアル方向及びスラスト方向の圧力が更に高まっ
て、軸受剛性を格段に向上させることができると共に、
油の流れをスムーズにして回転効率も向上させることが
できる。

【００１１】この回転軸受装置によって軸支される回転
体の定格回転数が比較的低速である場合には、動圧発生
から軸受剛性が安定化するまでに時間がかかることが考
えられるが、本発明の回転駆動方法によれば、回転駆動
開始時に回転体を定格回転数を超える回転数、好ましく
は２〜３倍の回転数で回転させたのち、回転体の回転数
を定格回転数まで落とすようにしているので、軸受剛性
を短時間で安定化させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本
発明の回転軸受装置が適用される真円度測定機を示す図
である。この真円度測定機は、本体部１、演算指示部２
及びこれらを接続するケーブル３により構成されてい
る。本体部１のベース１１の一端側には、本発明に係る
回転軸受装置１２が内蔵され、この回転軸受装置１２
に、ワーク１３を保持する求心テーブル１４が設置され
ている。求心テーブル１４は、つまみ１５の操作によっ
てワーク１３の心出し、水平出しが行えるようになって
いる。一方、ベース１１の他端側には、コラム１６が立
設され、このコラム１６にスライダ１７が図中Ｚ軸方向
に移動可能に装着されている。スライダ１７には、図中
Ｒ軸方向に進退するアーム１８が設けられている。アー
ム１８の先端には検出器ユニット１９が装着され、この
検出器ユニット１９のスタイラス２０がワーク１３の測
定位置に接触するようにスライダ１７及びアーム１８が
Ｚ軸及びＲ軸方向にそれぞれ駆動されて検出器ユニット
１９が位置決めされる。演算指示部２は、ケーブル３を
介して本体部１の回転駆動制御、Ｒ軸駆動制御及びＺ軸
駆動制御を実行するほか、検出器ユニット１９から取り
込まれたデータを処理及び記録する。

【００１３】次に、この真円度測定機の回転軸受装置１
２について説明する。図２は、回転軸受装置１２の一部
切欠した側面図、図３は、図２のＸ−Ｘ矢視断面図であ
る。モータ、電磁クラッチ、ロータリエンコーダ等によ
って構成される回転駆動部２１の駆動軸２２とカップリ
ングジョイント２３を介して連結された回転軸２４に
は、回転部材として円筒状のロータ２５が図示しないボ
ルト等によって固定されている。回転軸２４の上端に
は、前述した心出しテーブル１４を載置するための載物
テーブル２６がボルト２７によって固定されている。

【００１４】一方、回転駆動部２１から延びるハウジン
グ２８には、円板状の回転ユニット保持板２９が固定さ
れ、更にこの回転ユニット保持板２９の上に下板３０、
ステータ３１及び上板３２がこの順に配置されている。
下板３０は円板状で、その上面がロータ２５の下端面と
微少ギャップを介して対向するように配置されている。
ステータ３１は円筒状で、その内周面がロータ２５の側
面と微少ギャップを介して対向するように配置されてい
る。上板３２は円板状で、その下面がロータ２５の上端
面と微少キャップを介して対向するように配置されてい
る。これら下板３０、ステータ３１及び上板３２は、回
転ユニット保持板２９と共にボルト３３，３４によって
固定され、ロータ２５を取り囲む固定部材３５を形成し
ている。

【００１５】固定部材３５とロータ２５及び回転軸２４
によって形成される空間には、オイル３６が充填されて
いる。また、下板３０の回転軸２４が貫挿される孔３７
の内面下端部と回転軸２４との間、及び上板３２の回転
軸２４が貫挿される孔３８の内面上端部と回転軸２４と
の間には、それぞれオイルシール３９，４０が装着さ
れ、オイル３６の外部への漏れ出しを防止している。

【００１６】ロータ２５は、この例では上面からみて時
計方向に回転する。ロータ２５の側面には、周方向に複
数の側面溝４１が形成されている。これらの側面溝４１
は、ロータ２５の側面の軸方向中央部から回転方向前方
に、中心軸に対してほぼ４５°の角度をなして開くＶ型
パターンを形成している。また、ロータ２５の上下端面
には、図３に示すように、放射状に配置された複数の端
面溝４２が形成されている。これらの端面溝４２は、ロ
ータ２５の両端面の外周端縁部の近傍から回転方向前方
側の回転軸２５への接線方向に沿って内径側に延びるパ
ターンとなっている。各溝４１，４２の断面形状は、例
えば図４（ａ）又は（ｂ）に示すように、回転方向に対
して後ろ側の壁面４９が外側（開放側）側に向くように
傾斜していることが望ましい。

【００１７】次に、このように構成された回転軸受装置
１２の動作について説明する。回転駆動部２１の回転駆
動力がカップリングジョイント２３を介して回転軸２４
に伝達されると、ロータ２５が図中矢印方向に回転す
る。このロータ２５の回転に伴って、ロータ２５の側面
とステータ３１との間の微少ギャップに充填されたオイ
ル３６は、側面溝４１の両端から中央に向けて移動し、
オイル３６は側面溝４１の中央部分、即ちＶ型の頂点部
分に集中する。このため、この部分の油圧が高まり、ロ
ータ２５がステータ３１に対してラジアル方向に支持さ
れる。

【００１８】一方、ロータ２５の回転に伴って、ロータ
２５の上下の端面と上板３２及び下板３０との間の微少
ギャップに充填されたオイル３６は、端面溝４２を端面
の内周側から外周側に向けて移動し、オイル３６は端面
溝４２の外周縁部側の端部に集中する。このため、この
部分の油圧が高まり、ロータ２５が上板３２及び下板３
０に対してスラスト方向に支持されることになる。

【００１９】ロータ２５の回転が安定すると、ロータ２
５と下板３０、ステータ３１及び上板３２との間に存在
する微小膜厚の油膜が均一化され、ロータ２５が固定部
材３５に対して高い回転精度で保持される。また、各溝
４１，４２の断面形状を、図４（ａ）又は（ｂ）に示す
ような後方壁４９が傾斜する形状としているため、溝４
１，４２全体でも高い動圧が発生し、軸受剛性を高める
ことができる。

【００２０】また、この実施例では、オイルシール３
９，４０によって、オイル３６の外部への漏れ出しを防
止しているので、オイル３６を補給する必要が殆どな
く、オイルの循環系が不要である分、装置の小型化を図
ることができる。この種のオイルシール３９，４０とし
ては、例えば図５に示すようなものを使用することがで
きる。このオイルシール４０は、上板３２の孔３８の上
端に形成された段部４３に嵌合されボルト４４等によっ
て上板３２に固定されるもので、環状のリング４５と、
このリング４５の内側に接着、アウトサート成型等の方
法で固着されて回転軸２４の外周面に摺接するゴム等か
らなる摺動シール体４６と、この摺動シール体４６と回
転軸２４との間の密着性を高めるために摺動シール体４
６に装着される圧縮性を有するリング状スプリング４７
（Ｏリングでも良い）とにより構成されている。なお、
回転軸２４の摺動シール体４６の摺動部には、焼き付け
防止用の特殊メッキ処理などを施しておくのが望まし
い。オイルシール３９もこれと同様の構成のものを用い
ることができる。

【００２１】本発明者は、この実施例の回転軸受装置を
試作して真円度測定機に組み込んだところ、以下のよう
な結果を得ることができた。即ち、オイル３６として
は、機械潤滑用オイル、摺動用オイル等の利用が考えら
れるが、本発明者の実験によれば、自動車用エンジンオ
イル７．５Ｗ−３０を使用したときのデータが最良であ
った。ロータ２５と固定部材３５との間の回転時の微少
ギャップ（油膜）は、５〜１０μｍが適切であった。そ
して、この回転軸受装置１２によって真円度測定機用回
転テーブルに要求される規格値、即ち無荷重時の回転精
度０．０４μｍ、２０ｋｇ荷重時０．１０μｍをクリア
することが確認できた。

【００２２】一方、オイルの動圧を利用した本実施例の
回転軸受装置を利用した場合、真円度測定機では、テー
ブルの回転数が４〜６ｒｐｍと低速であるため、動圧の
発生から所望の軸受剛性が得られるまでに時間がかかっ
たが、回転起動時にロータ２５の回転数を、例えば２０
ｒｐｍ程度と高めにし、軸受剛性が安定化したところで
ロータ２５の回転数を定格回転数４〜６ｒｐｍに落とす
ことにより、短時間で高い回転精度を得ることができ
た。

【００２３】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではない。上記実施例では、端面溝４２を回転
軸２４への接線方向に延びる直線パターンとしたが、例
えば図６に示すように、端面溝５１を回転軸２４に接す
る円弧状パターンとしてもよい。この場合、端面溝５１
に沿ったオイル３６の移動は、先の実施例よりもスムー
ズになされる。

【００２４】また、側面溝４１についても、種々の変形
例が考えられる。図７の側面溝５２は、先の実施例にお
けるＶ字形の頂点部分を上下に切り離したパターンであ
る。このパターンによれば、溝の長さが先の実施例より
も短い分だけ油圧は低下するが、ロータ２５のラジアル
方向の支点が２カ所になる分だけ軸受としての安定性が
増す。同様の観点から、図８に示すように、側面溝５３
をＷ字型のパターンとすることも考えられる。更に、図
９に示す側面溝５４は、Ｖ字型の頂点部分が円弧状に形
成されており、ラジアル方向の支点となる軸方向範囲が
先の実施例よりも拡大されるという利点がある。

【００２５】また、前記実施例では、真円度測定機に本
発明を適用した場合について説明したが、本発明の回転
軸受装置は、精密測定機の分野のみならず、工作機械の
高精度下回転軸受にも適用可能である。特に本発明を研
削盤用高精度主軸に適用した場合、高い回転精度と軸受
剛性とにより、振動（いわゆるビビリ）の発生を防止し
て、研削精度を格段に向上させることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
転部材に形成された特殊形状の側面溝及び端面溝を介し
て油が移動することにより発生する局部的な油圧の高ま
りと、微小膜厚の油膜の均一化とによって、回転部材を
ラジアル方向及びスラスト方向に高い剛性で保持するこ
とができると共に、静圧エアーベアリング並の高い回転
精度を実現することができる。

【０００１０】しかも、この発明によれば、固定部材と
回転部材との間の微少ギャップに充填された油は、固定
部材と回転軸との間に装着されたシール部材によってほ
ぼ完全にシールされるので、オイルレベルゲージに基づ
く極めて頻度の少ない油の補給や数年（３年位）に一度
程度の油交換の他は、油供給用の装置や配管等による油
の補給が不要となり、回転軸受装置全体を小型化及び簡
略化することができる。これによって、回転軸受装置の
コスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る回転軸受装置を適用
した真円度測定機を示す正面図である。

【図２】 同回転軸受装置の一部切欠した側面図であ
る。

【図３】 図３のＸ−Ｘ矢視断面図である。

【図４】 同回転軸受装置における側面溝及び端面溝の
断面形状を示す断面図である。

【図５】 同回転軸受装置のオイルシールの一例を示す
部分断面図である。

【図６】 本発明に係る回転軸受装置の端面溝の他の例
を示す平面図である。

【図７】 本発明に係る回転軸受装置の側面溝の他の例
を示す側面図である。

【図８】 本発明に係る回転軸受装置の側面溝の更に他
の例を示す側面図である。

【図９】 本発明に係る回転軸受装置の側面溝の更に他
の例を示す側面図である。

【符号の説明】

１…本体部、２…演算指示装置、１２…回転軸受装置、
２１…回転駆動部、２４…回転軸、２５…ロータ、２６
…載置テーブル、３０…下板、３１…ステータ、３２…
上板、３５…固定部材、３６…オイル、３９，４０…オ
イルシール、４１，５２，５３，５４…側面溝、４２，
５１…端面溝

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固定された円筒状の回転部材
   と、 この回転部材を微少ギャップを介して取り囲むように配
   置された固定部材と、 前記回転部材と前記固定部材との間の微少ギャップに充
   填された油と、 前記固定部材と前記回転軸との間に装着されて前記微少
   ギャップに充填された油の外部への漏れ出しを防止する
   シール部材とを備え、 前記円筒状の回転部材は、その側面及び両端面に側面溝
   及び端面溝を周方向の全域にわたってそれぞれ複数形成
   したものであり、 前記各側面溝は、前記回転部材の回転に伴ってその側面
   の軸方向の所定箇所に前記油を誘導して動圧を発生させ
   るパターンを形成し、 前記各端面溝は、前記回転部材の回転に伴ってその端面
   の外周縁の近傍箇所に内側から外側へと前記油を誘導し
   て動圧を発生させるパターンを形成していることを特徴
   とする回転軸受装置。
2. 【請求項２】 前記側面溝は、前記回転部材の側面を前
   記軸方向の所定箇所から軸方向に離れるに従って回転方
   向前方に向かう溝であることを特徴とする請求項１記載
   の回転軸受装置。
3. 【請求項３】 前記端面溝は、前記回転部材の端面を前
   記外周縁の近傍箇所から内周側に向かうに従って回転方
   向前方に向かう溝であることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の回転軸受装置。
4. 【請求項４】 前記側面溝及び端面溝は、回転方向後方
   側の側壁が開放側に向くように傾斜していることを特徴
   とする請求項１〜３のいずれか１項記載の回転軸受装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回
   転軸受装置を使用して回転体を回転させるための回転駆
   動方法であって、 回転駆動開始時に前記回転体を定格回転数を超える回転
   数で回転させて軸受剛性を安定化させたのち、前記回転
   体を前記定格回転数で回転させるようにしたことを特徴
   とする回転駆動方法。