(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍔状に突出するスラスト部を有する回転体の回転軸のスラスト荷重を、前記スラスト部に対向して設けられた多孔質体の表面に開口する孔から噴出される気体によって支持する静圧気体軸受において、
前記多孔質体は、
前記多孔質体の表面のある領域から、前記回転体の回転軸に対して垂直に交りかつ前記多孔質体の表面と対向する仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さを基準距離としたとき、
前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも長い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より多く、
前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも短い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より少なくなるように構成されたことを特徴とする静圧気体軸受。
【請求項２】
前記多孔質体の表面の開口量は、前記多孔質体の表面の孔をふさぐことにより調整されることを特徴とする請求項１記載の静圧気体軸受。
【請求項３】
前記孔は、ラッカーによりふさがれていることを特徴とする請求項２に記載の静圧気体軸受。
【請求項４】
前記スラスト部に対向する部位に前記多孔質体を保持する多孔質体保持部を有するハウジングを備え、
前記多孔質体保持部は、前記多孔質体に加圧気体を供給する同心円状の気体供給路を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密加工機の主軸に代表される回転体の回転精度を向上させる静圧気体軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密加工機の主軸に代表される回転体には高い回転精度が求められており、回転体を非接触に回転支持する静圧気体軸受が一般的に用いられている。静圧気体軸受は、軸受部から噴出される気体の大気開放時流量が均一となるように流量調整が行われている。
【０００３】
図３は、静圧気体軸受の一従来例を示したものである。回転体１０７は、スラスト部１１５を有し、このスラスト部１１５の一方の平面に対向する位置に配置した一方の多孔質体１０８と、他方の平面に対向する位置に配置した他方の多孔質体１０９によって回転体１０７を回転軸方向に支持する。図３は、スラスト部１１５の一方の平面および他方の平面が、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行である場合を示している。しかし、一方の多孔質体１０８の、回転体１０７のスラスト部１１５と対向する平面は、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行ではない。この場合、矢印で示すように回転体１０７が回転して、一方の多孔質体１０８との位相が変化し、図３（ａ）から図３（ｂ）の状態になったとしても、一方の多孔質体１０８側から見た回転体１０７のスラスト部１１５との軸受隙間１１０は変化しない。
【０００４】
図４は、静圧気体軸受の他の従来例を示したものである。図４には、一方の多孔質体１０８のスラスト部１１５と対向する平面が、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行である場合を示している。しかし、スラスト部１１５の一方の平面は、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行ではない。この場合、矢印で示すように回転体１０７が回転して一方の多孔質体１０８との位相が変化し、図４（ａ）から図４（ｂ）の状態になったとしても、回転体１０７側から見た多孔質体１０８との軸受隙間１１０は変化しない。スラスト部１１５と一方の多孔質体１０８および他方の多孔質体１０９の平面のどちらか一方が、仮想平面と平行であれば、一方の多孔質体１０８および他方の多孔質体１０９による気体膜の圧力分布は均一となり、軸ぶれは発生しない。
【０００５】
しかしながら、機械加工精度には限界があるため機械加工面は必ず形状誤差を有している。この形状誤差によって発生するずれを修正する方法として、流量調整による方法が知られている。例えば特許文献１には、固定側ベルホルダー軸と可動側ベルホルダー軸の同軸度にずれが生じた場合、多孔質体により構成された静圧気体軸受部から噴出される気体の流量を調節することにより、合致精度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３９２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来例のように、気体の流量を調整することにより同軸度を向上させるだけでは、超精密加工機の主軸に求められているような、ナノメートルオーダーの回転精度を達成しようとする場合には不十分である。
【０００８】
図５に示す静圧気体軸受は、一方の多孔質体１０８のスラスト部１１５の平面と対向する面と、スラスト部１１５の一方の面とはいずれも、回転軸と垂直に交わる仮想平面とは平行でない。そのために、回転体１０７が回転して一方の多孔質体１０８および他方の多孔質体１０９との位相が変化すると、図５（ａ）に示す軸受隙間１１０ａから、（ｂ）に示す１１０ｂへと変化してしまう。これにより一方の多孔質体１０８および他方の多孔質体１０９から噴出され、軸受隙間に形成された気体膜の圧力分布が変化し、回転体が傾くことで軸ぶれが発生し、回転精度が低下してしまう。
【０００９】
回転体のスラスト部の多孔質体と対向する面を、回転軸と垂直に交わる仮想平面と平行に形状誤差なく加工することは難しいため、通常、前記形状は理想形状からの形状誤差を有している。前記従来例では、スラスト部と多孔質体の両方の形状誤差を含んだ軸受隙間を測定して流量を調整することとなり、多孔質体に対するスラスト部の位相が変化すると、軸受隙間の値が変動することになる。
【００１０】
従来求められていた数百ナノメートルオーダーの回転精度であれば、スラスト部と多孔質体の形状誤差による軸受隙間の変動は多孔質体から噴出され軸受隙間に形成される気体膜の平均化効果により、問題とならない程度にまで打ち消されていた。しかし、回転精度としてナノメートルオーダーが求められる場合は、わずかな軸受隙間の変動も回転精度を劣化させる要因となる。
【００１１】
本発明は、ナノメートルオーダーの高回転精度を達成することのできる静圧気体軸受を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の静圧気体軸受は、鍔状に突出するスラスト部を有する回転体の回転軸のスラスト荷重を、前記スラスト部に対向して設けられた多孔質体の表面に開口する孔から噴出される気体によって支持する静圧気体軸受において、前記多孔質体は、前記多孔質体の表面のある領域から、前記回転体の回転軸に対して垂直に交りかつ前記多孔質体の表面と対向する仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さを基準距離としたとき、前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも長い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より多く、前記ある領域とは別の領域から前記仮想平面に垂線を下ろしたときの該垂線の長さが、前記基準距離よりも短い領域の前記多孔質体の表面の開口量を、前記ある領域の前記多孔質体の表面の開口量より少なくなるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
多孔質体の表面が回転体の回転軸に対して垂直に交わる仮想平面と平行であることと等価となり、回転体が回転してスラスト部と多孔質体との位相が変化しても、軸受隙間に形成された気体膜の圧力分布が均一になる。
【００１４】
このため、回転体を常に一定の力で回転自在に支持することが可能となり、軸ぶれの発生がなくなり、回転精度が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による静圧気体軸受を示し、（ａ）は模式断面図、（ｂ）はハウジングに設けられた多孔質体保持部の模式平面図である。
【図２】軸受隙間と支持圧力の関係を示すグラフである。
【図３】回転体と軸受部の位相が変化した場合を示す模式断面図である。
【図４】回転体と軸受部の位相が変化した場合を示す模式断面図である。
【図５】回転体と軸受部の位相が変化した場合を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
本実施形態による静圧気体軸受は、図１（ａ）に示すように、回転体２４が回転軸２０の径方向へ鍔状に突出するスラスト部１９を有している。そして、スラスト部１９の一方の面および他方の面が回転軸２０と垂直に交わる仮想平面２１と平行である。ハウジング１２には、スラスト部１９の一方の面に対向する部位に一方の多孔質体１３が多孔質体保持部を介して配置されている。ハウジング部１２の多孔質体保持部は、多孔質体への気体供流路２２と接着面２３とが構成されている。接着面２３により、一方の多孔質体１３および他方の多孔質体１４をハウジング１２に接着固定する。また、気体供給路２２により、ハウジング部１２から各多孔質体１３、１４に加圧気体を供給している。各多孔質体１３、１４から排出された加圧気体は、ハウジング１２に構成された排気孔２５から周囲に排気される。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、ハウジング部１２の前記多孔質体保持部は１つの加圧気体供給孔１８ａに連通した同心円状の気体供給路２２とそれ以外の接着面２３とで構成されている。多孔質体内は、横への気体の流れが生じるたくさんの気孔から構成されており、多孔質体の全面から加圧気体を供給しなくても、多孔質体の軸受面全面から気体を噴出できる。
【００１９】
回転体２４は、前記回転軸２０の径方向に鍔状に突出したスラスト部１９を有し、前記スラスト部１９の一方の平面と対向する位置に一方の多孔質体１３が配置され、他方の平面と対向する位置に他方の多孔質体１４が配置されている。
【００２０】
本発明の特徴について説明する。従来、多孔質体を用いた軸受では、多孔質体を透過して噴出される気体の流量が、軸受面となる多孔質体の表面において一様になるように調整していた。しかし、多孔質体の表面とスラスト部の平面の平面形状誤差により軸受隙間が変動し、回転体の軸ぶれが発生する。
【００２１】
本発明では、多孔質体の表面を平面度測定器等の測定器にて計測し、回転軸２０に対して垂直に交わる仮想平面２１と多孔質体との距離（平面形状誤差）を求める。この距離（平面形状誤差）に応じて、各多孔質体１３、１４から噴出される気体の流量を異ならせることにより、回転体のスラスト荷重を支持する圧力を一定にすることができるものである。軸ぶれの発生は、回転体のスラスト荷重を支持する圧力が一回転のあいだに変化してしまうために起こる。よって、少なくとも回転軸２０から等しい径方向の距離にある各多孔質体１３、１４の領域から透過噴出される気体の流量は、回転軸２０に対して垂直に交わる仮想平面２１と各多孔質体１３、１４との距離（平面形状誤差）に応じて異ならせることが必要である。噴出される気体の流量は、例えば、多孔質体表面に施す目止め量によって変化させる。本明細書において、目止めとは、多孔質体表面にラッカー等を吹き付け、多孔質体表面の孔をふさぐ行為をいう。また、目止め量とは、多孔質体の孔をふさいだ量のことをいう。これにより、多孔質体の表面に開口する孔の数を調整することが可能となる。
【００２２】
次に、各多孔質体１３、１４から噴出される気体の流量を変化させる方法について説明する。
【００２３】
まず、各多孔質体１３、１４の表面を平面度測定器等の測定器にて計測する。各多孔質体１３、１４の表面に設定した計測点それぞれに対し、回転軸２０に対して垂直に交わる仮想平面２１からの距離を求める。回転軸２０からの径方向距離が等しい同一円周上に位置する計測点ごとに仮想平面２１からの距離を求める。同一円周上とは回転軸２０からの距離が一定範囲内にある表面のことである。一定範囲は例えば数ｍｍから数ｃｍの範囲であり、この範囲であれば本発明の効果を十分得ることが可能である。
【００２４】
従来一般的に行われているように、軸受から噴出される気体の大気解放時流量を、各多孔質体１３、１４の前記同一円周上に位置する測定点において一様になるように調整する。すると、回転体２４を支持する圧力が各多孔質体１３、１４とスラスト部１９との間の軸受隙間においては均一とはならず、回転体２４の軸ぶれが発生する。そこで、各多孔質体１３、１４表面の、回転軸２０に対して垂直に交わる仮想平面２１からの距離の不均一を補償するように、各多孔質体１３、１４から噴出される気体の流量を多孔質体表面に施す目止め量によって変化させる。
【００２５】
例えば、各多孔質体１３、１４の同一円周上のある領域を基準領域とする。前記基準領域の仮想平面２１からの距離を基準距離とする。同一円周上の別の領域を仮に第一の領域とした場合、第一の領域の仮想平面２１からの距離が、前記基準距離より長い場合、第一の領域から噴出される気体の流量が、基準領域から噴出される流量よりも増加するように多孔質体の表面に施す目止め量を調整する。つまり基準領域よりも、第一の領域の孔の開口量を多くする。同一円周上の別の領域を仮に第二の領域とした場合、第二の領域の仮想平面２１からの距離が前記基準距離より短い場合、第二の領域から噴出される気体の流量が、基準領域から噴出される流量よりも減少するように目止め量を調整する。つまり基準領域よりも、第二の領域の孔の開口量を少なくする。前記領域と仮想平面との距離は、例えば前記領域の各点から前記仮想平面に垂線を降ろしたときの垂線の長さの平均値から求めることができる。この領域は、できるかぎり狭く設定することにより精度が向上する。多孔質体表面の各点（各孔）ごとに測定することが一番優れた効果を得ることは言うまでもない。
【００２６】
以上のように、流量調整を行うことにより、軸受の回転体２４を支持する圧力が回転中であっても常に均一になる。すなわち、回転体２４の支持点が回転軸２０に対して垂直に交わる平面上の点となる。このため、各多孔質体１３、１４の表面が回転体２４の回転軸２０に対して垂直に交わる仮想平面２１と平行であることと等価となり、各多孔質体１３、１４の円周方向において均一な支持圧力を得ることができる。
【００２７】
前記流量調整量は以下のように決定する。静圧気体軸受の軸受隙間と支持圧力には図２に示すような相関関係がある。これは、多孔質体の表面上のある一点から噴出される大気解放時流量が一定の場合における軸受隙間と支持圧力の関係を表したものである。この関係は、軸受隙間内の気体の流れを表すレイノルズ方程式を差分法により解き、軸受隙間と軸受隙間内圧力の関係を求めたものである。
【００２８】
図２において、曲線ｗ７上の点ｍに注目する。軸受隙間が変化し、曲線ｗ７上の点ｎになったとする。点ｎでは軸受隙間が広がったため支持圧力が小さくなってしまう。この変化が回転中に起こると、回転体２４の支持バランスが崩れ、軸ぶれが発生してしまう。曲線ｗ８は大気解放時流量がｗ７よりも多い場合の軸受隙間と支持圧力の関係をグラフで表したものである。点ｎにおける支持圧力を増加させるためには、多孔質体表面に施す目止め量を減少させることで、大気解放時流量を増加させ、同じ軸受隙間である曲線ｗ８上の点ｏとすると、点ｍと同等の支持圧力を点ｎにおける軸受隙間で得ることが可能となる。このような静圧気体軸受の特性をシミュレーションにより求め、点ｍと同等の支持圧力を得ることができる大気解放時流量値を算出する。
【００２９】
具体的な一例として、実際に使用している流量特性と軸受隙間で流量調整量を求めてみる。図２における軸受特性曲線ｗ７は大気解放時流量が５７ｓｃｃｍ／ｃｍ２、ｗ７上の点ｍを軸受隙間が５μｍである場合とする。一方の多孔質体１３の表面形状の誤差により回転軸に対して垂直に交わる仮想平面からの距離が大きくなり、軸受隙間が６μｍとなった場合、支持圧力が低下しｗ７上の点ｎとなってしまう。このままでは回転体２４の支持バランスが崩れ、軸ぶれが発生してしまうので、軸受隙間６μｍの場合の点ｎにおいても軸受隙間５μｍの場合であるｗ７上の点ｍと同等の支持圧力を得る必要がある。そこで、一方の多孔質体１３の表面に施す目止め量を緩め、孔の開口量を増やすことで前記流量を増加させる。本具体例においては、前記流量を９８ｓｃｃｍ／ｃｍ２にまで増加させることで、軸受隙間が６μｍの場合においても軸受隙間が５μｍの場合と同等の支持圧力を示す点ｏを通る軸受特性曲線ｗ８を示すこととなる。このように前記流量を調整することで軸受隙間６μｍの場合の点ｎにおいても、軸受隙間５μｍの場合であるｗ７上の点ｍと同等の支持圧力を得ることができる。
【００３０】
この流量調整を、一方の多孔質体１３の同一円周上の各領域において実施する。同一円周上の各領域は円周方向に分割した領域であればよく、等分である必要はない。また領域の分割数は多いほうがよい。
【００３１】
また、本実施例における静圧気体軸受においては、半径方向については支持圧力が均一となる必要はないが、複数の半径における、複数の円周方向平面形状に基づいて前記流量調整を行うことで、より均一な円周方向の支持圧力を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１２  ハウジング部
１３  一方の多孔質体
１４  他方の多孔質体
１９  スラスト部
２０  回転軸
２１  仮想平面
【図１】
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【図２】
0005645560.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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