(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの内径部の前記ロータ側の内径を反ロータ側より大きくすることによって、前記スラストプレートの倒れ込みを防ぐように構成されていることを特徴とする流体軸受。
【請求項２】
スラストプレートの内径部に、ロータ側の内径を反ロータ側より大きくするための段差が設けられていることを特徴とする請求項１記載の流体軸受。
【請求項３】
スラストプレートの内径部の内径が、ロータ側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小していることを特徴とする請求項１記載の流体軸受。
【請求項４】
ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの外径部の外径が、ロータ側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小していることを特徴とする流体軸受。
【請求項５】
ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの反ロータ側面に外径が前記スラストプレート側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小した突出部が設けられていることを特徴とする流体軸受。
【請求項６】
流体の静圧によって回転体を非接触で支持する静圧流体軸受であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の流体軸受。
【請求項７】
流体の動圧によって回転体を非接触で支持する動圧流体軸受であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の流体軸受。
【請求項８】
一対のスラストプレートがロータの両端に設けられていることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の流体軸受。
【請求項９】
スラストプレートの最大内径と最小内径の差が３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の流体軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受隙間の流体の静圧または動圧によって、工作機械の回転主軸等の回転体を非接触で支持する流体軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静圧気体軸受および動圧気体軸受等の気体軸受を含む流体軸受は、摩擦抵抗が少ないために回転軸等の可動部材が軽く滑らかにかつ高精度に動く。従って、高精度を必要とする精密工作機械の高速回転主軸等に広く利用されている。
【０００３】
一般的に静圧気体軸受は、その軸受隙間に気体を噴出する絞りを有し、その絞り方式は自成絞り型や表面絞り型、多孔質絞り型等が知られている。軸受の構造は、回転体の半径方向を支持するラジアル軸受部と、軸方向を支持するスラスト軸受部からなり、それぞれ回転体のロータおよびスラストプレートと対向して軸受隙間を構成し、そこに前述のいずれかの絞りから気体を噴出し回転体を支持している。このような静圧気体軸受の軸受隙間は、数μｍから十数μｍと極めて狭い。
【０００４】
また、動圧気体軸受は、回転体のロータやスラストプレートまたはこれらに対向する軸受面に深さ数μｍないし数十μｍの螺旋状あるいはヘリングボーン状の動圧発生溝を設け、ロータやスラストプレートと軸受面の間の軸受隙間の空気を動圧発生溝に巻き込むことによって動圧を発生させ回転体を支持している。軸受隙間は前述の静圧気体軸受と同様に数μｍから十数μｍと極めて狭い。
【０００５】
なお、ロータとスラストプレートとは部分的に一体であったり、ボルト等で締結されたりしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術によれば、気体軸受が高速回転するとロータおよびスラストプレートが遠心力のため変形し、スラストプレートの倒れ込みのために軸受隙間が局部的に縮小して、かじりや焼き付き等のトラブルを生じる。すなわち、回転する円筒状または円板状の部材は、外径が大きいものほど外側への変位量は大きくなるため、ロータとスラストプレートを比較するとロータよりもスラストプレートの方が大きく変位して、軸受隙間の間隙寸法が変化する。
【０００７】
図９の（ａ）は、停止時と回転時のロータとスラストプレートの断面を模式的に示すもので、ロータとスラストプレートのように外径の違うものを締結して回転させると、スラストプレートがロータ側へ倒れ込むことが分かっている。すなわち、より外側へ変位しようとするスラストプレートに対して、ロータがその締結部を拘束しているために、スラストプレートに引っ張られたロータの締結部付近が外側へ膨らむ一方で、スラストプレートはロータ側に引っ張られるために、ロータ側へ倒れ込んでくる。
【０００８】
回転体がこのように変形すると、ラジアル軸受部やスラスト軸受部の軸受隙間が局部的に小さくなり、軸受面が接触してかじりや焼き付き等のトラブルとなり、変形量によっては回転しただけで接触して気体軸受として機能しなくなってしまうということもあった。
【０００９】
スラストプレートの倒れ込みを防ぐために、スラストプレートの反ロータ側にロータと同形状のものを取り付ける対策も容易に考えられるが、この部分にはモータや治工具等を取り付けることが多く、これらの形状は使用条件や使用目的で決定されるものであるため、その形状をスラストプレートの変形を抑えるのに最適な形にすることは困難であった。
【００１０】
一方、ロータの変形に関しては特開昭６３−１７６８１７号公報、スラストプレートの変形に対しては特許第２７１１５８４号明細書等に記載されているように、ロータやスラストプレートの変形量が大きい箇所に対向する軸受部分、もしくはロータやスラストプレート自身を変形後の形状に合わせて逃がす等の対策も知られている。
【００１１】
しかしながら、上記の方法では、回転による変形後に最適な軸受隙間になるよう設計されるため、回転体の停止時には必ずしも最適な軸受隙間とはならず、気体軸受としての性能が起動時や低速回転時に著しく低下するという未解決の課題があった。
【００１２】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、起動時や低速回転時の軸受性能を損なうことなく、高速回転時の遠心力によるスラストプレートの倒れ込みを効果的に防ぐことができる流体軸受を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題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による流体軸受は、ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの内径部の前記ロータ側の内径を反ロータ側より大きくすることによって、前記スラストプレートの倒れ込みを防ぐように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの外径部の外径が、ロータ側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小していることを特徴とする流体軸受でもよい。
【００１５】
また、ロータの端部にスラストプレートを有する回転体と、前記ロータに対向するラジアル軸受部と、前記スラストプレートに対向するスラスト軸受部を備えており、前記スラストプレートの反ロータ側面に外径が前記スラストプレート側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小した突出部が設けられていることを特徴とする流体軸受でもよい。
【００１６】
【作用】
回転体のスラストプレートのロータ側がロータによって拘束されているために、回転時の遠心力によるスラストプレートの変形（膨張）がロータ側より反ロータ側で大きくなり、このためにスラストプレートの倒れ込みが生じる。そこで、スラストプレートの内径部の反ロータ側の内径を小さくして、前記変形に対する拘束力をロータ側と同等にすることで、スラストプレートの倒れ込みを防止する。
【００１７】
軸受隙間の間隙寸法を高速回転時に合わせて設計しておく場合等に比べて、起動停止時や、低速回転時の軸受性能が劣化するおそれがなく、常時良好な軸受性能を維持し、しかもスラストプレートの倒れ込みによるかじりや焼き付き等のおそれのない高性能な流体軸受を実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は第１の実施の形態による静圧流体軸受である流体軸受を示すもので、これは、円筒状の軸受面を有するロータ１１と、その両端のそれぞれに、図示しないボルト等によって締結された一対のスラストプレート１２を有する回転体１０と、これを非接触で回転自在に支持する支持部材である軸受ハウジング１からなり、軸受ハウジング１は、回転体１０のロータ１１の軸受面に対向する表面を有する一対の多孔体であるラジアル軸受パッド２を備えたラジアル軸受部と、各スラストプレート１２の軸受面に対向する表面を有する多孔体であるスラスト軸受パッド３を備えたスラスト軸受部を備えている。ラジアル軸受パッド２およびスラスト軸受パッド３は焼き嵌めや接着などによって軸受ハウジング１に固着されている。
【００２０】
図示しない加圧気体供給源から供給される流体である加圧気体は、軸受ハウジング１に設けられた加圧気体供給孔１ａを経てラジアル軸受パッド２およびスラスト軸受パッド３に分配供給され、ロータ１１やスラストプレート１２の軸受面に向かって噴出された後、スラストプレート１２の軸受面の外周および排気穴１ｂを経て排出される。回転体１０は、このように軸受隙間に噴出される流体の静圧によって非接触で支持される。
【００２１】
回転体１０が図示されていないモータ等によって回転されると、遠心力によりロータ１１およびスラストプレート１２は径方向へ膨張する。このとき、スラストプレート１２のロータ側は外径の小さいロータ１１に拘束されているため外径方向への変位量が小さくなり、このためにスラストプレート１２の倒れ込みを生じる。
【００２２】
そこで、スラストプレート１２の内径部１２ａに段差１２ｂを設けて、反ロータ側の内径部がロータ側の内径より小さくなるようにステップ状に縮小し、スラストプレート１２の反ロータ側の遠心力による変位を低減する。すなわち、条件により、反ロータ側の内径部１２ａの内径φＡ1 、厚さＣ1 、ロータ側の内径φＢ1 、厚さＣ2 の寸法を最適化することにより（φＡ1 はゼロでもよい）、ロータ１１によって拘束されたロータ側の変位と反ロータ側の変位を同等にすれば、スラストプレート１２のロータ側への倒れ込みを防ぐことができる。
【００２３】
本実施の形態によれば、遠心力によるスラストプレートの変形量がロータ側と反ロータ側で不均一になることに起因するスラストプレートの倒れ込みを防ぎ、高速回転時の軸受のかじりや焼き付きを効果的に回避することができる。
【００２４】
軸受隙間を高速回転時の変形に合わせて予め大きくしておく場合に比べて、起動時や低速回転時等においても良好な軸受性能を維持できるという特筆すべき長所がある。
【００２５】
図８に示すようにロータ１１１の両端に均一な内径Ａ0 の内径部１１２ａを有するスラストプレート１１２を締結し、軸受ハウジング１０１の軸受パッド１０２，１０３によって非接触に支持する従来例では、例えば、図９の（ａ）に示すように倒れ込み量が２．４μｍであったものが、本実施の形態によれば、図９の（ｂ）に示すように倒れ込み量０．６μｍまで低減できる。
【００２６】
なお、図７の（ａ）に示すように、スラストプレート１２にモータの回転部Ｍ1 や治工具Ｔ1 等が取り付けられていても、それを考慮した最適な寸法を取ることにより、スラストプレート１２の倒れ込みを防ぐことができる。
【００２７】
スラストプレートの内径等の寸法は有限要素法などの解析技術を用いれば容易に決定できる。
【００２８】
実験等によれば、スラストプレートの最大内径φＢ1 と最小内径φＡ1 の差が３ｍｍ以上であると良好な結果が得られることが判明している。
【００２９】
図２は第１の実施の形態の一変形例を示す。これは、スラストプレート１２の内径部１２ｃをロータ側から反ロータ側に向かってφＢ1 からテーパ状にφＡ1 まで縮小したもので、内径φＡ1 、φＢ1 およびスラストプレート１２の厚さＣ3 を最適化することでスラストプレート１２の倒れ込みを防ぐ。
【００３０】
図３は一参考例による流体軸受を示すもので、これは、円筒状の軸受面を有するロータ２１と、その両端のそれぞれに、図示しないボルト等によって締結された一対のスラストプレート２２を備えた回転体２０を有する。これを非接触で回転自在に支持する軸受ハウジング１、ラジアル軸受パッド２、多孔体であるスラスト軸受パッド３等については第１の実施の形態と同様であるので、同一符号で表わし説明は省略する。
【００３１】
図示しない加圧気体供給源から供給される加圧気体は、軸受ハウジング１に設けられた加圧気体供給孔１ａを経てラジアル軸受パッド２およびスラスト軸受パッド３に分配供給され、それぞれに対向する軸受面に向かって噴出された後、スラスト軸受面の外周および排気穴１ｂを経て排出される。
【００３２】
回転体２０が図示されていないモータ等によって回転されると、遠心力によりロータ２１およびスラストプレート２２は径方向へ膨張する。このとき、スラストプレート２２のロータ側は外径の小さいロータ２１に拘束されているため、ロータ側に倒れ込みを生じるおそれがある。
【００３３】
そこで、スラストプレート２２の外径部２２ａの反ロータ側の外径がロータ側の外径より小さくなるように段差２２ｂを設けてステップ状に縮小し、反ロータ側の遠心力による外径方向の変位を低減する。すなわち、条件により、スラストプレート２２の反ロータ側の外径φＡ2 、厚さＤ1 、ロータ側の外径φＢ2 、厚さＤ2 の寸法を最適化することにより、遠心力によるロータ側と反ロータ側の変位を同等にすれば、スラストプレート２２のロータ側への倒れ込みを防ぐことができる。
【００３４】
本参考例によれば、遠心力によるスラストプレートの変形量がロータ側と反ロータ側で不均一になることに起因するスラストプレートの倒れ込みを防ぎ、高速回転時の軸受のかじりや焼き付きを効果的に回避することができる。
【００３５】
軸受隙間を高速回転時の変形に合わせて予め大きくしておく場合に比べて、起動時や低速回転時等においても良好な軸受性能を維持できるという特筆すべき長所がある。
【００３６】
なお、図７の（ｂ）に示すように、スラストプレート２２にモータの回転部Ｍ2 や治工具Ｔ2 等が取り付けられていても、それを考慮した最適な寸法を取ることにより、スラストプレート２２の倒れ込みを防ぐことができる。
【００３７】
スラストプレートの内径等の寸法は有限要素法などの解析技術を用いれば容易に決定できる。
【００３８】
実験等によれば、スラストプレートの最大外径Ｂ2 と最小外径Ａ2 の差が３ｍｍ以上であると良好な結果が得られることが判明している。
【００３９】
図４は第２の実施の形態を示す。これは、スラストプレート２２の外径部２２ｃをロータ側から反ロータ側に向かってφＢ2 からテーパ状にφＡ2 まで縮小したもので、外径φＡ2 、φＢ2 およびスラストプレート２２の厚さを最適化することでスラストプレート１２の倒れ込みを防ぐ。
【００４０】
図５は他の参考例による流体軸受を示すもので、これは、円筒状の軸受面を有するロータ３１と、その両端のそれぞれに、図示しないボルト等によって締結された一対のスラストプレート３２を備えた回転体３０を有する。これを非接触で回転自在に支持する軸受ハウジング１、ラジアル軸受パッド２、スラスト軸受パッド３等については第１の実施の形態と同様であるので同一符号で表わし説明は省略する。
【００４１】
図示しない加圧気体供給源から供給される加圧気体は、軸受ハウジング１に設けられた加圧気体供給孔１ａを経てラジアル軸受パッド２およびスラスト軸受パッド３に分配供給され、それぞれに対向する軸受面に向かって噴出された後、スラスト軸受面の外周および排気穴１ｂを経て排出される。
【００４２】
回転体３０が図示されていないモータ等によって回転されると、遠心力によりロータ３１およびスラストプレート３２は径方向へ膨張する。このとき、スラストプレート３２のロータ側は外径の小さいロータ３１に拘束されているためスラストプレート３２の倒れ込みを生じるおそれがある。
【００４３】
そこで、スラストプレート３２の反ロータ側にロータ３１と同じ外径の突出部３２ａを設けて、スラストプレート３２の両側の拘束力を均等にする。すなわち、条件により、スラストプレート３２の外径φＢ3 厚さＥ1 、突出部３２ａの外径φＡ3 、厚さＥ2 の寸法を最適化することにより、スラストプレート３２のロータ側と反ロータ側の遠心力による変位を同等にすれば、スラストプレート３２のロータ側への倒れ込みを防ぐことができる。
【００４４】
本参考例によれば、遠心力によるスラストプレートの変形量がロータ側と反ロータ側で不均一になることに起因するスラストプレートの倒れ込みを防ぎ、高速回転時の軸受のかじりや焼き付きを効果的に回避することができる。
【００４５】
軸受隙間を高速回転時の変形に合わせて予め大きくしておく場合に比べて、起動時や低速回転時等においても良好な軸受性能を維持できるという特筆すべき長所がある。
【００４６】
なお、図７の（ｃ）に示すように、スラストプレート３２にモータの回転部Ｍ3 や治工具Ｔ3 等が取り付けられていても、それを考慮した最適な寸法を取ることにより、スラストプレート３２の倒れ込みを防ぐことができる。
【００４７】
スラストプレートの内径等の寸法は有限要素法などの解析技術を用いれば容易に決定できる。
【００４８】
実験等によれば、スラストプレートの突出部の厚さＥ2 が、スラストプレートの厚さＥ1 の２０％以上であると良好な結果が得られることが判明している。
【００４９】
図６は第２の実施の形態の一変形例を示す。これは、スラストプレート３２の突出部３２ｂを外径φＡ3 の端面に向かってテーパ状に縮小したもので、突出部３２ｂの外径φＡ3 、厚さＥ2 、スラストプレート３２の外径φＢ3 および厚さＥ1 を最適化することでスラストプレート３２の倒れ込みを防ぐ。つまり、本変形例では、スラストプレート３２の反ロータ側面に外径がスラストプレート側から反ロータ側に向かってテーパ状に縮小した突出部３２ｂが設けられている。
【００５０】
なお、第１、第２の実施の形態はいずれも、軸受面に気体を噴出する軸受パッドを用いた静圧流体軸受であるが、軸受パッドを使用することなく軸受面にヘリングボーン溝等の動圧発生溝を設けた動圧流体軸受であっても、上記と同様にスラストプレートの内径部や外径部の形状を変化させたり、スラストプレートの端面に突出部を設ける等の手段を適用し、遠心力によるスラストプレートの倒れ込みを防ぐことができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００５２】
高速回転時のスラストプレートの倒れ込みを効果的に回避できる。これによって、低速回転時や起動停止時における軸受性能の劣化を招くことなく、常時良好な軸受性能を維持し、しかもスラストプレートの倒れ込みによるかじりや焼き付き等のおそれのない高性能な流体軸受を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施の形態による流体軸受を示す模式断面図である。
【図２】  第１の実施の形態の一変形例を示す模式断面図である。
【図３】  一参考例による流体軸受を示す模式断面図である。
【図４】  第２の実施の形態を示す模式断面図である。
【図５】  他の参考例による流体軸受を示す模式断面図である。
【図６】  第２の実施の形態の一変形例を示す模式断面図である。
【図７】  図１、図３、図５の流体軸受にそれぞれ治工具とモータを取り付けた場合を示す図である。
【図８】  一従来例による流体軸受を示す模式断面図である。
【図９】  図８の装置と図１の装置におけるスラストプレートの倒れ込みを比較する図である。
【符号の説明】
１    軸受ハウジング
２    ラジアル軸受パッド
３    スラスト軸受パッド
１０，２０，３０    回転体
１１，２１，３１    ロータ
１２，２２，３２    スラストプレート
１２ａ，１２ｃ    内径部
１２ｂ，２２ｂ    段差
２２ａ，２２ｃ    外径部
３２ａ，３２ｂ    突出部
【図１】
0003652187.tif 000002
【図２】
0003652187.tif 000003
【図３】
0003652187.tif 000004
【図４】
0003652187.tif 000005
【図５】
0003652187.tif 000006
【図６】
0003652187.tif 000007
【図７】
0003652187.tif 000008
【図８】
0003652187.tif 000009
【図９】
0003652187.tif 000010