(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のシャフトと同心円上に取り囲むベアリングハウジングとを備える静圧ベアリング・アセンブリであって、前記ハウジングが前記シャフトと前記ハウジングの間の隙間を満たす流体の２対の対向する加圧流体ポケットにより前記シャフトと前記ハウジングの間半径方向の力を機械的接触なしに伝達し、前記シャフト上の一領域におけるベアリングポケット（19a,19b,16c）への流体の流れを該ポケット（19a,19b,16c）の反対側のシャフトの一領域に配置された円筒状のベアリング補償セクション（B,C）によって調節し、負荷が加わることによって生じる前記ベアリングハウジングの変位により、前記ポケット（19a,19b,16c）の部分で前記隙間が減少すると、前記補償セクション（B,C）の部分で前記隙間を増大させるように調節するものにおいて、
前記補償セクション（B,C）が平坦領域（3b,3c）に囲まれた中央開口領域（4b,4c）を有し、該中央開口領域（4b,4c）が前記ポケット（19a,19b,16c）に接続され、前記ポケット（19a,19b,16c）がなだらかに傾斜した側壁を有する溝（15a,15b,17a,17b）に囲まれた中央ポケット領域を有し、該中央ポケット領域が反対側の前記補償セクション（B,C）に接続され、前記補償セクション（B,C）から前記ポケット（19a,19b,16c）までの接続が、前記流体の流れを前記シャフトの表面に実質的に接する方向に導く角度で作成されることを特徴とする、静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項２】
シャフトが回転スピンドルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項３】
前記隙間が、スピンドルに押し出し膜減衰と、衝撃過負荷抵抗を提供するために十分小さいことを特徴とする、請求項２に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項４】
前記なだらかに傾斜した側壁が、流体の分離とキャビテーションを最小化し、乱流に応じてより小さい引き込み力を提供するよう調整されることを特徴とする、請求項３に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項５】
前記溝が、縦方向のスリット開口部であることを特徴とする、請求項２に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項６】
スリット開口部がくさび形であることを特徴とする、請求項５に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項７】
らせん溝がベアリング表面スリーブの裏面の周りに提供され、前記らせん溝によってコレクタ溝スリットがベアリング・スリーブを通って連通し、前記らせん溝はベアリングの反対側の溝と接続することを特徴とする、請求項５に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項８】
それぞれが中央ポケット領域と環状に取り巻く平坦領域を含むベアリング・パッドが、円周上の位置で半径方向の剛性の変化を低減させ、より均一な流体の流れの拡張を生じさせるために、パッドの一部が重複するように実質的にひし形の形状であることを特徴とする、請求項３に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項９】
通常の流体供給器がスピンドル・シャフトの冷却とベアリング動作のために、高圧流体が補償セクションを取り囲む場合に、ベアリングの領域と交差するシャフト内に形成された開口と共に使用されることを特徴とする、請求項２に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項１０】
１つ又は複数の更に同様の静圧ベアリング・スピンドル・アセンブリの頂部に回転スピンドルが取り付けられることを特徴とする、請求項２に記載の静圧ベアリング・アセンブリ。
【請求項１１】
一対の向かい合ったベアリング面を備える静圧ベアリング・アセンブリであって、一方のベアリング面が対面にベアリング面間の隙間（11a,11b）を満たす流体の加圧流体ベアリングポケットを有し、前記一方のベアリング面の一領域におけるベアリングポケット（19a,19b,16c）への流体の流れを該ポケット（19a,19b,16c）の反対側の領域に配置されたベアリング補償セクション（B,C）によって調節し、負荷が加わることにって生じる前記一方のベアリング面の変位により、前記ポケット（19a,19b,16c）の部分で前記隙間が減少すると、前記補償セクション（B,C）の部分で前記隙間を増大させるように調節するものにおいて、
前記補償セクション（B,C）が平坦領域（3b,3c）に囲まれた中央開口領域（4b,4c）を有し、該中央開口領域（4b,4c）が前記ポケット（19a,19b,16c）に接続され、前記ポケット（19a,19b,16c）がなだらかに傾斜した側壁を有する溝（15a,15b,17a,17b）に囲まれた中央ポケット領域を有し、該中央ポケット領域が反対側の前記補償セクション（B,C）に接続され、前記補償セクション（B,C）から前記ポケット（19a,19b,16c）までの接続が、前記流体の流れを前記一方のベアリング面に実質的に接する方向に導く角度で作成されることを特徴とする、静圧ベアリング・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
本願発明は、好適には水、又はそれに類する、流体（液体、又は気体）の加圧された薄膜によって支持されるベアリングに関し、より詳しくは、熱の発生を最小限に抑え、最大の負荷容量を実現する、超高速回転に適した回転スピンドル又はそれと同様のものに対して有用な静圧ベアリングを指向するだけに留まらないベアリングに関してであり、汚染物質に強い設計をするための自己補償（self compensation）の概念を例証し、それによって静圧流体に基づくこうした水の利用が可能となる。
従って、本発明によって設計者は、許容可能な静圧ベアリングの回転運動の速度と精度を向上させることができる。設計の方法論は、自己補償型静圧ベアリング・スピンドル・ポケットの設計と、角の位置での剛性の変化、ベアリング・ポケット内のキャビテーション、及び乱流による剪断力の生成を最小限にするための補償器に関して述べられる。これらは異なる効果を有するように思われるが、設計上の解決策は、実質的に重複しており、この点についてもここで同時に記述する。重要な問題である流れの問題は切り離して考えてはならない。さもないと、この流れはキャビテーションを引き起こし、結果的にベアリング表面を浸食、及び腐蝕させ、ベアリングの故障につながる。
発明の背景
静圧ベアリングはかなり前から使用されており、ベアリングの動作流体として水（又は同様の、水から派生する、又は水に関連する流体であって、ここではこれらを総称して「水」と呼ぶ）を使用できる手段を提供する米国特許第5,164,237号及び米国特許第5,281,032号に記述されているような補償器の設計に関する改良が最近なされている。しかし、水が熱伝導の点で、かつスピンドル上の剪断応力を低減させるために理想的な流体であるとしても、水の低い粘性は乱流の発生する可能性をより高めることになる。乱流が発生すると、より大きな粘性の剪断損失（shear losses）を生じ、速度と共に増大する出力率が実際に上昇する。今まで、油が使用された場合、流れは滅多に乱流を起こすことはなかったが、高速では、油の高い粘性によって、使用するにはあまりにも高い熱を発生し、それが乱流を大きくする可能性がある。
上述の特許によって可能な水の使用についてここで考えてみると、合理的に高速な薄膜が得られ、実際、乱流の発生した場合でさえも、油の半分の剪断損失を生成するだけである。本発明は、高速の水流を最も効果的に扱うベアリング領域の形状を最適化する際の重要な進歩に関するものである。高速の水流は、その性質、及びスピンドルを高速にしようとする性質によって、ベアリングを乱流状態で動作させる事態を作り出す。以下にも示すように、乱流に関する設計は、ベアリングが油で動作されていても、又乱流のない状態で動作されていても、ベアリングをより強力で、より精密なものとする。
本発明によって設計者は、回転運動静圧ベアリングの許容可能な速度、及び精度を向上させることができる。設計の方法論は、自己補償型静圧ベアリング・スピンドル・ポケットの設計と、角の位置での剛性の変化、ベアリング・ポケット内のキャビテーション、及び乱流による剪断力の生成を最小限にするための補償器に関して述べられる。これらの効果は関係がないように思われるが、設計上の解決策は実質的には重複している必要があり、従って最適な結果に対する組み合わせについての記述がなされる。
鍵となる要素は、流れが分離されるのを阻止しなければならないことであり、この分離はキャビテーションを引き起こす。キャビテーションは、徐々に変化する形状を用いることによって、及び、他に方法がなくて、流れが分離し低圧のキャビテーション領域を作る場合には、ベアリング内の位置の圧力を導入することによって抑止される。
発明の目的
従って、本発明は、直線静圧ベアリングをより効率的に作成し、それを小型化するのに適用可能な同様の設計があるものの、主として高速又は高精度の回転スピンドル、及びそれと同等のものを支持するために使用される静圧ベアリングの流体処理領域に関する、新しく、かつ改良されたベアリングの設計を提供することを目的とする。他の、又更なる本発明の目的は以降で説明され、請求の範囲において、より詳しく記述される。
発明の概要
要約すれば、本発明では、円筒状のシャフトと同心円上にベアリングを取り囲むハウジングを含む静圧ベアリング・アセンブリが提供される。前記ハウジングは、半径方向の力を機械的な接触無しに前記シャフトと前記ハウジングの間に、その間の隙間を充填している、対向する一対の加圧されたベアリング・ポケットの流体によって移す。ここで、シャフトの、ある領域上の円筒状のベアリング・ポケットに流れる流れが、適用された負荷によって生じるベアリングの移動が前記ポケットの領域でベアリングの隙間を減少させ、次に流体補償セクションの領域では、ベアリングの隙間を増大させるように、前記ポケットに対向するシャフトの、ある領域に配置された、ベアリングの円筒状補償セクションによって調整される。前記補償セクションは、前記ポケットに接続され、中央開口領域の周りの平坦領域と共通の面を有する中央開口領域を含む。前記ポケットは、なだらかに傾斜した側壁を有する溝によって取り囲まれ、流体圧力源に接続されている。前記補償セクションから前記ポケットへの前記接続は、流れを前記シャフトの実質的な接線方向、及び一般的には前記シャフトの表面速度ベクトルの方向に向ける角度に設定されている。
好適、及び最善の実施例は以降で記述する。
本発明はここで、以下の図面に関連して記述される。
【図面の簡単な説明】
図１は、スリーブのID及びODで切断された形状を有するスリーブから作られた、自己補償型静圧ベアリングによって回転子が支持され、次にそのスリーブがハウジングの穴に押し入れられる場合の、スピンドルを通る面で見た断面図である。
図２は、従来技術によるタイプ（Ａ）、その他の新しい通過スリット高速細型タイプ（Ｂ）、及びくさび形スリット形状コレクタ・タイプ（Ｃ）の３つのタイプの補償装置を例示する、自己補償型ベアリングの補償領域部分の上面図である。
図３は、いかに流体が高速で孔に入るのが困難かを示す旧タイプの補償器と、スリット内に流体を通す新しいタイプの補償器の側部断面図である。
図４は、キャビテーションを抑止し、中央ポケット領域の前縁で均一な流れ領域を提供するための、窪んだ中央ポケットと、そのポケットの周りで更に窪んでいる溝を有する静圧ベアリング・ポケットの断面図である。
図５は、キャビテーションを抑止し、中央平坦領域の周りに均一な流れ領域を提供するための、ベアリング平坦部を取り囲む領域と同じ高さを有する中央ポケット領域と、ポケットを取り囲むなだらかに傾斜した形状の溝を有する静圧ベアリング・ポケットの断面図である。
図６は、多くのポケット付きベアリングの単一ポケット領域の上面図であり、ポケット領域がひし型を形成するように傾斜されて、ポケットがその結果重複し、より均一なベアリングの剛性形状を提供し、角度の付けられた溝が、有効に水を、溝での乱流とキャビテーションを防止する助けとなる程度の高速で通す方法を示している。
図７は、多くのポケット付きベアリングの単一ポケット領域の上面図であり、ポケット領域が従来の矩形に形成されているものの、窪んではいないが、なだらかに傾斜した溝によって取り囲まれている中央ポケット領域を利用する方法を示している。
図８は、従来の矩形のポケットを使用することによるローブ型剛性効果（lobed stiffness effect）を示す自己補償型静圧ベアリングの半径方向の剛性形状のレーダーチャートである。
図９は、半径方向の孔が、高圧供給機から回転子内の軸方向の孔への高圧流体を幾分吸入し、当業者に周知の標準的手段でスピンドル回転子に保持されるツール（図示せず）に高圧冷却液を提供するスピンドル・システムの断面図である。
図10は、シャフトの中央における冷却液の圧力を、回転子の半径と速度の関数として示したグラフである。
発明の説明
一般に、正確な静圧ベアリングに支持されるスピンドルは、機械にボルト止めされたハウジング、ハウジング内に押し込まれた静圧流体制御ロジックを含む１組のスリーブ、及び小さな隙間（装置のサイズ、流体の圧力と粘性、及びスピンドルの速度によるが、通常は５−50ミクロン）でスリーブ内部に適合する回転シャフトからなる。水圧ポンプは流体をベアリングに供給し、モーターはスピンドル回転子を回転させる。
それぞれ異なっているが、本発明に関する効果を有する５つの構成要素がある。
１）前述の特許で記述したような自己補償システムにおいて、自己補償システムのコレクタ溝が、一端で孔を有する代わりに、コレクタ溝の長さ方向に沿って縦のスリットを有し、スリーブを通してスリーブのOD上にある溝と接続し、流体を対向するポケットに供給する。超高速の場合、コレクタは、スリーブを通って機械製造された中央領域を有するくさび形であり、流体がスムーズに収集され、次に、対向するパッドに流体を送るための水路に効果的に押し込まれる。
２）静圧ベアリング・システムにおいて、ベアリング・パッドが、中央ポケット領域を取り囲む環状の平坦領域を含み、前記中央領域は均一に押し込まれたポケットではなく、むしろ周りの平坦領域と同じ高さのプラトー（plateau）で、その領域と共通の面を有し、中央プラトーは、プラトーの圧力を、十分なポケットが形成された領域で通常存在する高さレベルに維持するチャネルによって取り囲まれている。
３）静圧ベアリング・システムにおいて、中央領域を取り囲むチャネルが、実質的には中央領域より深くなっており、それによって、好適には前述の特許に記述されている接線方向注入手段によるチャネル内への流れが、均一に中央領域の圧力を高く保持する。更にチャネルが、Ｖ字型チャネルのように、なだらかに傾斜した側部を有するように形成されることが好ましい場合、回転子によって引っ張られた流体がチャネルの端で溢れるときに、乱流とキャビテーションが発生する可能性を最小限にする。
４）ベアリング・パッドが通常矩形の形状をしている静圧ベアリング・システムにおいては、本発明のベアリング・パッドが、パッドの一部が重複して２つの目的を達するように、ひし形にされることが望ましい。２つの目的とは、円周部分で半径方向の剛性の変化を小さくすることと、高速での流れの分配を容易にすることである。これは、単一ポイントの注入が流れを吹き飛ばして、それによってポケットの幾つかの領域が、他の、特に高速の部分の領域より低圧になってしまう傾向のある矩形ポケットとは対照的に、角度の付けられたポケットは、流れを単一の入り口ポイント、又は前縁を覆うスリットから、均一に拡がるよう勢いづけるからである。
５）高圧の水がスピンドル内でベアリングを支持するために用いられ、一方で、高圧の水が切断処理の冷却水として使用されることが多いので、スピンドル回転子が、高圧が補償器を取り囲んでいるベアリングの領域と交差する領域に入り込む半径方向の孔を有しており、前記半径方向の孔が、ツールの先端に高圧の冷却水を供給するための回転子に沿って配置された軸方向の孔と公差していれば、同じ供給機がこれら２つに対して使用可能である。
ここで説明する改良に用いることができる典型的なスピンドル・システムの全体構成を記述するために、図１は、スリーブのID及びODで切断された形状を有するスリーブ60から作られた、自己補償型静圧ベアリングによって回転子シャフトが支持され、次にそのスリーブがハウジング90の穴に押し入れられる場合の、スピンドルを通る面で見た断面図を示している。溝71a、72a、及び73aは、水がスピンドルを流れ出るときに水を収集するためのものであって、従ってこれらの溝はドレインに集められる。溝80a、及び81aは外部高圧水システムに接続される。これらの溝からの高圧流体は、その溝の間の空間を横切り、4bのような収集溝に流れる。この溝は、図２に示す溝4bと同様であるが、図１では、溝の裏側が示されており、スリーブ60のOD上に機械製造されたらせん溝69aに接続されている。この溝は、穴21bの接続を介して、図６の15aのような静圧ポケットに接続される。図１では、スピンドルの裏側のらせん溝からの同様の接続は、流体をポケット21cに供給するためのなだらかに傾斜した溝21cの前縁に接続している穴69cである。流体はポケットを横断して平坦部13c及び18cに流れ出た後、ドレイン溝71a、及び72aに流れ出る。ポケットを横切って様々に流れる流体は、溝17cに流れ込む。
本発明を超高速回転が可能なようにする特徴についての議論を進めるために、従来技術によるタイプ（Ａ）、新しい通過スリット高速細型タイプ（Ｂ）、及び新しいくさび形スリット形状コレクタ・タイプ（Ｃ）からなる３つのタイプの補償装置を並べて比較するために例示する、自己補償型ベアリングの補償領域部分の上面図である図２を考える。これらの図は、図６に更に詳しく記述されている静圧ベアリング装置のほんの一部を示しており、実際には静圧ポケットの隣にあって、流体をその隣接するポケットに対向するポケットに供給する。従って、これは、前述した特許に記載された自己補償型静圧ベアリングのフィードバック・ループ特性を形成する。図２に戻ると、平坦部1a、及び1bはスリット6b、及び6aからチャネル２に入力される高圧流体を含んでいる。スリット又は角度を付けられた孔は、乱流を減少させる助けになる。従来の自己補償器は平坦領域3a、及び中央コレクタ溝4aを有する。流体は、流体が孔５に落ちて、図１の60のようにスリーブの裏面のらせん溝に向かい、更に対向するベアリング・ポケットに向かう場合に、溝の一端に押し寄せる。問題は、高速において、孔５に流れが入るのを禁じる、溝4a内で発生する大きな再循環の流れである。この問題を解決するために、本発明に従って、平坦部3bが、実際にはスリーブにわたってずっと切れ込んでいるスリットである溝4bの周りを取り囲んでいる。このことによって、流体は、流体がポケットに入るやいなや、スリーブの裏面のらせん溝に落下することができる。従って、高速では、流れはより一層効率的に収集される。また、この構成は、1mm幅で20mmの長さのスリットが、直径5mmの孔と同じ流れを処理可能であるため、補償器の幅を最小化する助けとなる。図２のｃに示される、別の新しい設計オプションは、くさび型の補償器を有するものであり、平坦部3cはくさびのような形で、中央領域4c全体はスリーブの裏面のらせん溝に接続するようにえぐられている。このタイプの補償器は、超高速で動作し、最も効率的に流体を収集するように作用可能であるが、通常は、グラインダー・スピンドルのような、１つの方向を有するスピンドルに利用される。
なぜ切り込み通過スリットが単一の孔より良いかを、より十分に説明するために、図３について考える。図３は、いかに流体が高速で孔に入るのが困難かを示す旧タイプの補償器（Ａ）と、スリット内に流体を通す新しいタイプの補償器の側部断面図である。図３のＡでは、流体が溝領域4aに入ったときに、流体が回転子表面7aと補償器の間の隙間8aに引き込まれている。補償器の端部で、流体の一部が孔５に落ちていき、らせんチャネル9aに入るが、流体のほとんどは隙間8aに押し込まれる。一方通過スリット補償器Ｂは、流体を対向するポケットに移動させる、らせん溝9bに向けるような長い空間を有する場合に、隙間8bを介して流体を引き込み、スリット4bに入れるスピンドル回転子7bを有している。全ての通過スリット補償器は、その補償器のサイズが、例えば交換式直線運動ボール・ベアリング装置と互換性を有するようにされ、このために極端な空間上の制限を受ける細型ベアリングにおけるように最小化される必要がある場合、直線ベアリングに対しても非常に有用である。
流体が一旦補償器から収集され、ポケットに向かう場合、流体がポケットに入る方法もまた非常に重要である。図４は、ポケット内で乱流を生じさせないために使用される、あるタイプのポケット19aであるが、ポケットの前縁で乱流を起こさないように注意する必要がある。ここで、回転子10aが流体を隙間11aを横切って引き込み、流体がなだらかに傾斜した側面を有するドレイン溝12aに達するとき、流れは、溝12aが矩形形状を有していても、分離される可能性が少なく、その後ポケット領域に導かれる。流体は次に、平坦部13aを横切って引き込まれ、チャネル・ポケット領域16aより深い、なだらかに傾斜した流体分配溝15aに達する。傾斜し、より深いこの溝は、孔21aを介してポケットにつながる溝14aを介して補償器から供給された高圧流体を、中央ポケット領域16aの表面に均一に分配するよう勢いづける。この高圧流体の線もまたキャビテーションの可能性を最小化する。流体が中央ポケット領域16aを横切った後、流体は反対側のなだらかに傾斜して窪んでいる溝17aの溝システムに到達する。この溝もまた、スピンドルの双方向回転が可能なように補償器からその溝への入り口孔を有する。流体がなだらかに傾斜したドレイン溝20aによってベアリングを離れる場合は、次に、なだらかな傾斜によって、なだらかに方向付けられ、平坦部18aを横切り、ベアリングの外へ流れ出る。
ポケットがどんな深さでも流体が乱流を生じる場合の超高速設計に関して、図５に示す設計19bを使用することが実際に有用である。ここで流体が補償器から収集され、溝14bを介してポケットに向かう場合、流体がポケットに入る方法もまた非常に重要である。図５は、ポケット内の乱流に使用されるポケット19bの、あるタイプを示している。流体が回転子10bによって、隙間11bを横切って引き込まれ、なだらかに傾斜した側面を有するドレイン溝12bに達すると、溝12bが矩形形状を有していても、分離される可能性が少なく、その後ポケット領域に導かれる。ここで流体は、実際に平坦部13b、及び18bと同じ高さの中央ポケット領域16bより深い、なだらかに傾斜した流体分配溝15bに達する。傾斜し、より深いこの溝は、孔21bを介してポケットにつながる溝14bを介して補償器から供給された高圧流体を、中央ポケット領域16bの表面に均一に分配するよう勢いづける。この高圧流体の線もまたキャビテーションの可能性を最小化する。領域16b内の流体は乱流を生じるが、剪断応力が速度とポケットの深さに比例する場合の粘性の流れと同じではない。このことが、乱流のないベアリングが深いポケットを使用する理由であり、乱流による剪断応力は隙間に基づくReynolds番号に依存し、従って、ポケットは通常3mmより深い。深さを持たないポケットを有する方が好ましい。このことはまた、押し出し膜の減衰効果を大幅に増大させ、高速において大きな流体力学上の上昇を与える。従って、この設計は、信じられないほど高い動的剛性を生じる。流体が中央ポケット領域16bを横切った後、流体は反対側のなだらかに傾斜して窪んでいる溝17bの溝システムに到達する。この溝もまた、スピンドルの双方向の回転が可能なように補償器からその溝への入り口孔を有する。流体がなだらかに傾斜したドレイン溝20bによってベアリングを離れる場合は、次に、なだらかな傾斜によって、なだらかに方向付けられ、平坦部18bを横切り、ベアリングの外へ流れ出る。
この新しい発明では、ポケットの中央領域がもはや、従来のポケットの方法で窪ませられることはなく、むしろ、周りの平坦領域と同じ高さを有する。このことはスピンドルに、非常に高い押し出し膜減衰と、押し上げられた中央部分と回転する回転子の間の小さな隙間の存在による衝撃過負荷抵抗を与え、従って負荷が急に加えられると、流体は即座に押し出されず、流体膜は回転子がベアリング・ハウジングと物理的に接触するのを防止する。この概念は直線ベアリングで利用されているが、小さな隙間が大きな粘性剪断応力を生成するので、常にスピンドルには悪いものと考えられている。実際このことは、油に関しては真実であるが、ボール・ベアリングに匹敵する速度で動作するスピンドル内の低い粘性の水においては、ポケット内の乱流が、ポケットがいかなる深さも有していない場合よりも多くの熱を生成する。この概念は、ここではベアリング平坦部と同じ高さの面にポケットの中央部分を保ち、そこをスピンドル内の乱流とキャビテーションを抑止するＶ字型の溝で取り囲むためのものであり、高圧に保たれている中央部分が、シャフトに加えられた負荷を支持し続ける。
流体が補償器によってどのように収集され、次にポケットに分配されるかと言うことは確立されており、図６は、流体の均一な流れを促進し、腐食性の破壊をもたらすキャビテーションと乱流を抑止するように、どのようにポケット自身が形成されるかを例示している。図６は、多くの、ポケットを有するベアリングの単一ポケット領域の上面図であり、ポケット領域16bがひし型を形成するように傾斜されて、複数のポケット・ベアリング内のポケットがその結果重複し、より均一なベアリングの剛性形状を提供し、角度の付けられた溝15bと17b、及び22と21が、孔21bからそれらに入る水を溝での乱流とキャビテーションを防止する助けとなるような高速で効果的に通す方法を示している。これらの溝は中央の窪んだ部分のないポケット領域16bを取り囲み、従って、ポケットの反対側の補償器によって示されるような高速においてその領域を保持するよう作用する。この設計では、中央ポケット領域16bもまた、図５のベアリング平坦部13b、18bと同じ高さにある。図６はまた、図１で示された、システム以外の特質も示している。ここでは、ドレイン溝91と93、漏出防止平坦部97と98、及び補償器を供給する加圧された溝２がある。加圧された流体の流れは補償器平坦部3bを横切って、通過スリットコレクタ4bに入り、ここでは示していないベアリング・スリーブ裏側のらせん溝を通り、位置的にポケット16bの反対側のポケットに達する。
ひし形のポケットは、普通のEDM機に実装されている電子放送法（EDM）を使用して簡単に作ることができる。しかし、単純さと、より小さい速度のために、図７に示すような標準の矩形ポケットを使用することが好ましい場合もある。ここでは、図６に示すものと同様の特質がある。外部漏出平坦部99と、ドレイン溝73a、72a、及び71aがある。また、圧力溝80aと、漏出防止平坦部97、及び98がある。流体供給溝80aにおける高圧流体は、補償器平坦部3bを横切って流れ、ポケット16aの反対側のポケットに向けられるベアリング・スリーブのOD上のらせん溝につながる通過スリット・コレクタ4bに入る。ポケットからの流体は、ベアリング内のポケット圧力差を最大にする助けとなるドレイン溝71a、12a、20a、及び72aを介してベアリングを離れる。この結果、ポケット間にドレイン溝を使用しないベアリングより、非常に多くの流れがこのタイプのベアリングを通過するが、ベアリングの負荷容量を増大させる、非常に大きな差のポケット圧力を生じる。この補償器からの高圧流体は、流体が、中央が窪んだポケット領域16aを横切る孔21を介してベアリング領域に入っており、図６の窪んだポケット領域のないものでは必要であった側部溝21及び22を必要としないことに注意すべきである。流体はポケット領域16aの端部に行き、ベアリングが双方向であるか、又はグラインダー用のようにベアリングが単方向であれば、これもまたなだらかに傾斜しているチャネル17aに達することがある。ここで溝17aはコスト削減のために省略できる。この場合、ポケット領域61aの端部はなだらかに傾斜していなければならず、実際には、なだらかに傾斜した端部を有する深い溝15aの前縁で扇型のスリットが提供されることもある。
ひし形の形状をしていないポケットの効果を示すために、図８に、従来の矩形のポケットを使用することによるローブ型剛性の効果を示す自己補償型静圧ベアリングの半径方向の剛性形状のレーダーチャートを示す。ひし形のポケットが使用されている場合、この効果は50％かそれ以上低下する。これはスピンドルの精密さをもたらす。
従って、要約すると、本発明は静圧ベアリング・ポケットの従来の設計とは全く異なる方法でポケットを形成することに関する。新しい本発明では、ポケットの中央領域がもはや従来の方法で窪ませられることがなく、むしろ、周りの平坦領域と同じ高さを有し、それによって、スピンドルに、非常に高い押し出し膜減衰と、押し上げられた中央部分と回転する回転子の間の小さな隙間の存在による衝撃過負荷抵抗が与えられる。更に、ポケットのこの中央領域の上に高い静圧を維持するために、その領域は、ポケットを浸食する流れの分離とキャビテーションが発生する可能性を最小限にする、傾斜した側面を有する溝によって取り囲まれる。従って、中央領域が小さな隙間にあって、スムーズでなだらかに傾斜した溝によって取り囲まれているので、高速において、特に水が使用されている場合に生じる乱流によって、深いポケットが使用されて大きな乱流を生じる設計が使用された場合よりも、引き込む力が非常に小さい。更に、ポケットがひし形のような形に形成され、隣接するポケットが実際に重複し、この構造が精度を高め、ポケットの周りの溝内の流れを勢いづけ、乱流の増加及び腐蝕による破損をもたらす悪循環する流れパターンを生じることなく、中央平坦領域の周りに流れる。更に、前記周りを取り囲む溝に、負荷が加えられたシャフトを支持するための自己補償手段によって高圧が提供される。ここで、ポケット及び補償器が中に製造されるベアリング・スリーブ全部にわたって切り込まれたコレクタ溝、又はスリットを囲む平坦領域を横切って流れる、ポンプからの一定の高圧流体によって、ポケットに隣接するベアリングの領域が補償装置を取り囲む場合、自己補償システムによってシャフト上に加えられた負荷に比例して、高圧が分配される。スリーブは大きなハウジングに適合して収縮して良好な密閉を提供し、従って、スリーブの裏面にらせん溝を含んでいる。切り込まれている前記スリットは、スリーブの裏面の周りを覆うらせん溝に接続され、次にドレイン溝及び高所の平坦領域によって取り囲まれているベアリングの反対側の溝に達する孔、又はスリットと接続される。溝自身は中央の高所領域を取り囲み、前記高所領域は、平坦部と同じ高さを有し、その結果、中央領域がポケットと同じ圧力になり、従ってシャフトに関する負荷を支持する。従って、回転子が回転し、切断力を通して負荷が加えられた場合、例えば、補償器と回転子の間の隙間が、回転子のある側部では増加し、他の側部では減少する場合、ここで一方の補償器に他方より多くの流体が流れ、一方のポケットに流れる流体が他方よりも大きく、ポケット間の圧力差が回転子に対する負荷のバランスを取るよう作用する。回転子が高速で回転している場合、補償器に流れ込む流体が即時にスリットに流れ込み、スリーブを通って、それを反対側のポケット領域につなげる溝に入る。通過スリットの使用によって高速の回転子は、補償器の中央にあるコレクタ溝の端部に流体を引き込むことがなく、使用しない場合には再循環する流れを低減させる、エネルギーを奪う圧力を形成する。更に、システムの効率が向上するので、圧力供給装置の出力を増大させることが当然のようになり、高圧流体のある部分が回転子内の半径方向の孔を通って吸入することができ、次にそれらが、スピンドル内に保持されたツールに高圧流体を供給する軸方向の孔に達することができ、それによって統合された、ツールを通る冷却が得られる。
好ましい速度と負荷容量の程度、及び出費できる費用に依存して、これらの設計の全て、又は一部の利点が自在に組み合わせられる。
多くのアプリケーションでは、好適な負荷物と共に水が静圧流体として使用され、かつ切断流体としても使用されるので、ベアリング用とツール用には同一の流体を使用するのが望ましい。現在、ボール・ベアリング・スピンドルはスピンドルに、ベアリングの進路の下に潤滑剤として使用するための高圧の油と、ツールを冷却しごみを洗い流すための冷却液に基づいた高圧水を提供するための非常に高価な接続手段を使用しているために、このことはスピンドルのコストを最小化する。図９は、半径方向の孔95及び98が、高圧供給溝81a、及び80aから回転子50内の軸方向の孔96、及び97への高圧流体を幾分吸入し、高圧冷却液を、当業者に周知の標準的手段で、スピンドル回転子に保持されるツール（図示せず）に提供するスピンドル・システムの概略断面図を示している。スピンドルは図１で示した他のものと同じ構成であり、ハウジング90、ハウジング内で収縮する前に、中に製造されるベアリング・ロジックに関するスリーブ60、及びドレイン溝71a、72a、及び73aを有する。
任意の内側及び外側の半径の組み合わせにおける、（測定装置上の）圧力は、以下の式で計算できる。
Ｐ（可能）＝PS−Ｐ（遠心）
Ｐ（遠心）＝ρ（r12−r22）ω2/2
ここで、ρは流体の密度、ωは速度、r1及びr2はそれぞれ、スピンドルOD、及び軸方向の孔の位置の半径である。
図10は、シャフトの中央における冷却液の圧力を、回転子の半径と速度の関数として示したグラフである。ベアリング剪断領域が最小化されて剪断力の損失が最小になった超高性能スピンドルに多いもので、冷却液の供給が1,500psi（1psi＝6894.757N/m2）であり、及び供給圧力溝が100mmの半径である場合、20,000rpmで、950psiまでの遠心圧力が生成された。冷却液システムを通っても、かなりの程度（650psi）が依然残っている。スピンドルが回転していなくても、静圧がオンであれば、冷却液はスピンドルを流れ出ることに注意が必要である。従って、流体を適当な所定の高速でのみツール内に入れることができる、図９の遠心力起動バルブ101、及び102を提供することが必要なこともある。
更に、当業者においても、本発明に対し修正を加えることができるが、こうした全ての修正は、請求の範囲に定義された本発明の意図、及び範囲内に含まれると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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