(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部材を固定部材との軸受隙間に静圧気体層を形成して支承し、非接触の状態で移動自在としてなる静圧気体軸受装置において、上記可動部材及び／又は固定部材の軸受面に、前記軸受隙間へ圧縮気体を噴出する複数個の気体噴出孔を形成し、これら気体噴出孔に、座ぐりを設けた多孔質体からなるブッシュを前記座ぐりと反対側の面が前記軸受面と同一面上に位置するように挿嵌するとともに、前記軸受面に、各気体噴出孔と連通する環状の絞り溝を刻設したことを特徴とする静圧気体軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受剛性が極めて高い静圧気体軸受装置に関するものであり、具体的には、直線案内装置などに用いられるスラスト軸受や高速回転モータなどに用いられるラジアル軸受として好適に使用できるものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、物体を所定の位置に位置決めしたり、搬送するための直線案内装置などに用いられるスラスト軸受や高速回転モータなどに用いられるラジアル軸受として静圧気体軸受装置が使用されている。
【０００３】
図３は従来の静圧気体軸受装置を直線案内装置として用いた例を示す斜視図であり、この直線案内装置は、略四角柱の固定部材２２と、該固定部材２２を囲繞する可動部材２１とからなり、上記固定部材２２の４つの軸受面２４と対向する可動部材２１の各軸受面２３には、図４（ａ）（ｂ）に示すような、自成絞りの気体噴出孔２７と、該気体噴出孔２７に連通し、圧縮気体を可動部材２１と固定部材２２との軸受隙間２５全体に供給するための絞り溝２８を形成したものがあり、上記絞り溝２８の溝形状として図４（ａ）に示すようなＴ字状をしたものや図４（ｂ）に示すような田字状をしたものがあった（特開昭５９−１３１２０号公報参照）。
【０００４】
そして、上記可動部材２１の側壁に形成された気体供給孔２６に圧縮気体を供給し、気体噴出孔２７より固定部材２２との軸受隙間２５に圧縮気体を噴出させるとともに、絞り溝２８を介して軸受隙間２５全体に供給することで静圧気体層を形成し、固定部材２２に対し可動部材２１を非接触の状態で支承するようになっていた。
【０００５】
ところで、このような静圧気体を用いた直線案内装置の軸受剛性を高めるためには、軸受隙間２５を狭くすることにより軸受隙間２５内の流量抵抗を高めるとともに、気体噴出孔２７における流量抵抗を、軸受隙間２５内の流量抵抗と同程度の大きさにする必要がある。
【０００６】
しかしながら、図４（ａ）（ｂ）に示すような自成絞りの気体噴出孔２７による給気方式では、気体噴出孔２７の口径を大きくし、軸受剛性を高めようとすると、気体噴出孔２７における流量抵抗が軸受隙間２５内の流量抵抗よりも大きくなるため、絞り溝２８を形成したとしても軸受剛性を高めるには限界があった。
【０００７】
また、気体噴出孔２７による給気方式に代わるものとして、図４（ｃ）に示すような、可動部材２１の軸受面３３に凹部３６を形成し、該凹部３６に多孔質体３７を固着し、多孔質絞りを構成したものが知られている。
【０００８】
図４（ｃ）の如き多孔質絞りを有する直線案内装置は、圧縮気体の噴出領域を大きくできることから、軸受剛性を高めることができるものの、軸受面３３において多孔質体３７の占める割合が大きいために多孔質体３７内における気体の圧縮効果によって振動が発生するといった課題があった。
【０００９】
しかも、多孔質体３７をそのまま用いたのでは、気体の透過性が高く絞り効果が得られないため、多孔質体３７の表面に研削加工を施して目詰まりさせる必要があるが、目詰まりをさせると多孔質体３７内を通過する気体の透過性が不均一となるために流量ばらつきが発生し、軸受剛性が低下するといった課題があり、より軸受剛性を高めた直線案内装置を製作することは難しいものであった。
【００１０】
一方、図４（ｃ）の如き多孔質絞りの直線案内装置における課題を解消するために、図４（ｄ）に示すような、軸受面４３に多数個の気体噴出孔４７を穿設し、該気体噴出孔４７に円柱状の多孔質体からなるブッシュ４８を挿嵌したものが提案されている（特開昭５５−６０７２０号公報参照）。
【００１１】
このように、気体噴出孔４７に円柱状のブッシュ４８を設けることで、気体の流れる領域を小さくすることができるため、ブッシュ４８内における気体の圧縮効果による振動を抑えることができるものの、円柱状のブッシュ４８では気体の透過性が高いことから目詰まりさせないと絞り効果による噴出圧を高めることができず、また、目詰まりさせるために研削加工を施すと、各ブッシュ４８の目詰まりが不均一となることから、流量ばらつきが発生するといった課題があった。
【００１２】
その上、図４（ｄ）の軸受面４３を備えたものでは、ブッシュ４８から圧縮気体が噴出されるのみで、圧縮気体の噴出領域が小さいことから、全体的な軸受剛性は図４（ａ）〜（ｃ）に示す直線案内装置よりも低いものであった。
【００１３】
本発明の目的は、従来の静圧気体軸受装置では得られなかった極めて高い軸受剛性を有する静圧気体軸受装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、可動部材を固定部材との軸受隙間に静圧気体層を形成して支承し、非接触の状態で移動自在としてなる静圧気体軸受装置において、上記可動部材及び／又は固定部材の軸受面に、前記軸受隙間へ圧縮気体を噴出する複数個の気体噴出孔を形成し、これら気体噴出孔に座ぐりを設けた多孔質体からなるブッシュを挿嵌するとともに、前記軸受面に、各気体噴出孔と連通する環状の絞り溝を刻設したことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る静圧気体軸受装置を直線案内装置に用いた例を示す斜視図であり、略四角柱の固定部材２と、該固定部材２を囲繞する可動部材１とからなり、上記可動部材１の側壁面に設けた気体供給孔６に圧縮気体を供給し、該圧縮気体を可動部材１と固定部材２との軸受隙間５に噴出させて静圧気体層を形成することにより、可動部材１を固定部材２と非接触の状態で支承し、別の駆動手段（不図示）でもって可動部材１を移動させるようになっている。
【００１６】
また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、上記固定部材２の４つの軸受面４と対向する可動部材１の各軸受面３には、複数個の気体噴出孔７をほぼ一定の間隔で穿設するとともに、上記気体噴出孔７に多孔質体からなるブッシュ８を挿嵌し、エポキシ樹脂系や無機系の接着剤により固着してある。上記ブッシュ８は、外径Ｌ３〜８ｍｍ程度の円柱状体に内径Ｉが１〜５ｍｍ程度となるような座ぐり８ａを設けた有底筒状体をしたもので、座ぐり８ａと反対側の面が軸受面３と同一面上に位置するように配置してある。
【００１７】
このように、気体噴出孔７内に多孔質体からなるブッシュ８を設けることで、圧縮気体の流量を高めることができるとともに、ブッシュ８に座ぐり８ａを設け、底部８ｂの厚み幅Ｔを小さくすることで絞り効果が得られるようにしてあることから、圧縮気体の噴出圧を高めることができる。
【００１８】
即ち、ブッシュ８に座ぐり８ａがないとブッシュ８内における気体の透過性が高いため、目詰まりさせないと噴出圧を高めることができないのであるが、本発明はブッシュ８に座ぐり８ａを設けて底部８ｂの厚み幅ｔを薄くして絞り効果を持たせてあることから、従来のような目詰まりをさせる必要がなく、各ブッシュ８から噴出される圧縮気体の流量を均一にすることができる。
【００１９】
また、可動部材１の各内壁面３には、断面形状がコ字状をした溝幅Ｗが０．６〜１ｍｍ、溝深さＨが１０〜４０μｍ程度の２つの環状絞り溝９を同心円状に刻設し、各気体噴出孔７と連通させてある。
【００２０】
その為、各気体噴出孔７に供給された圧縮気体の一部は、環状絞り溝９を介して軸受隙間５の周囲に噴出させることができるため、軸受隙間５全体に均一な静圧気体層を形成することができる。
【００２１】
その為、可動部材１の気体供給孔６に圧縮気体を供給すれば、気体噴出孔７に設けた座ぐり８ａを有するブッシュ８と該ブッシュ８と連通する環状絞り溝９との相乗効果により極めて高い軸受剛性を得ることができる。
【００２２】
なお、図２（ｂ）に示すように、可動部材１の内部には気体供給孔６に供給された圧縮気体を各軸受面３の気体噴出孔７にそれぞれ供給するための給気路１０を設けてある。
【００２３】
ところで、ブッシュ８の底部８ｂにおける絞り効果を高めるためには、底部８ｂの厚み幅Ｔをできるだけ薄くする必要があるが、ブッシュ８に供給される圧縮気体の噴出圧が高すぎると破損する恐れがあることから、底部８ｂの厚み幅Ｔは０．５〜１ｍｍとすることが良い。
【００２４】
また、このようなブッシュ８を構成する多孔質体としては、気孔率３０〜４０％でかつ平均気孔径０．１〜２μｍのものが良い。これは気孔率が３０％未満であったり、平均気孔径が０．１μｍ未満であると、気体の透過性が小さすぎるために軸受剛性を高めることができず、逆に、気孔率が４０％より大き過ぎたり、平均気孔径が２μｍより大きくなると、気体の透過性が高くなり過ぎるために目詰まりさせるための加工が必要となるからである。
【００２５】
なお、多孔質体の材質としては、焼結金属やＴｉＣ系、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系、ＷＣ系のサーメット材、さらにはアルミナ、コージライト、ムライト、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックスを用いることができる。これらの中でもセラミックスは比重が焼結金属やサーメット材と比べて小さいことから、可動部材１の駆動トルクを小さくする効果がある。
【００２６】
一方、可動部材１や固定部材２を構成する材質としては、アルミニウムやステンレスなどの金属やアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックスを用いることができる。特に上記セラミックスは熱的な変形が少なく、比重が小さいうえ、高剛性でかつ高精度に加工できることから、高精度な位置決めが可能な直線案内装置を得ることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、ブッシュ８を有する気体噴出孔７と該気体噴出孔７と連通する環状絞り溝９を同心円状に設けた２重構造とした例を示したが、１重構造であっても良く、この場合、ブッシュ８を有する気体噴出孔７は軸受面３の中央よりも周縁に設けた方が良い。
【００２８】
また、本実施形態では、可動部材１が固定部材２を囲繞した例を示したが、固定部材２が可動部材１を囲繞した構造をしたものにも用いることができるとともに、気体噴出孔７は固定部材２の軸受面４側に形成しても良く、さらには可動部材１及び固定部材２の両軸受面３，４に形成することもできる。
【００２９】
また、本実施形態では、スラスト軸受を構成する直線案内装置を例にとって説明したが、高速回転モータなどのラジアル軸受としても用いることができることは言うまでもない。
【００３０】
（実施例）
ここで、本発明の静圧気体軸受装置として、可動部材１の軸受面３を図２のように形成した図１の直線案内装置と、比較例の静圧気体軸受装置として、可動部材２１の軸受面２３，３３，４３を図４（ａ）〜（ｄ）のように形成した図３の直線案内装置とを試作し、軸受剛性について比較実験を行った。
【００３１】
本実験では、同一条件での比較を行うために可動部材１，２１及び固定部材２，２２を純度９９．５％のアルミナセラミックスにより形成し、固定部材２，２２の断面の寸法を８０ｍｍ×８０ｍｍとするとともに、これらの固定部材２，２２を囲繞する可動部材１，２１の各軸受面３，２３，３３，３４における受圧面積を７０ｍｍ×１８０ｍｍとした。
【００３２】
なお、可動部材１，２１の各軸受面３，２３，３３，３４の寸法は以下の通りである。
【００３３】
〔本発明〕図２の軸受面・・・ブッシュ８の数                ：１８個
ブッシュ８の外径Ｌ            ：６ｍｍ
ブッシュ８の底部８ｂの厚み幅Ｔ：０．７ｍｍ
ブッシュ８の気孔率            ：３７．８％
ブッシュ８の平均気孔径        ：０．４３μｍ
環状絞り溝９の寸法            ：幅Ｗ１ｍｍ、深さＨ２０μｍ
〔比較例〕
図４（ａ）の軸受面・・・気体噴出孔２７の数    ：１個
気体噴出孔２７の外径  ：５ｍｍ
Ｔ字状絞り溝２８の寸法：幅１ｍｍ、深さ２０μｍ
図４（ｂ）の軸受面・・・気体噴出孔２７の数    ：４個
気体噴出孔２７の外径  ：０．３ｍｍ
田字状絞り溝２８の寸法：幅１ｍｍ、深さ２０μｍ
図４（ｃ）の軸受面・・・多孔質体の寸法：６０ｍｍ×１６０ｍｍ×１０ｍｍｔ
図４（ｄ）の軸受面・・・ブッシュ４８の数    ：１２個
ブッシュ４８の外径  ：６ｍｍ
ブッシュ４８の気孔率：３７．８％
ブッシュ４８の平均気孔径：０．４３μｍ
そして、可動部材１，２１の気体供給孔６，２６に４ｋｇｆ／ｃｍ２の圧縮気体をそれぞれ供給し、ラジアル剛性、モーメント剛性、及び最大負荷容量について各々測定した。
【００３４】
なお、ラジアル剛性の測定は、直線案内装置の可動部材１，２１の上面四隅に電気マイクロメータを設置し、可動部材１，２１を非接触の状態で支承した時の浮上量を上記電気マイクロメータにより測定し、その平均値をＭ１とし、次に、可動部材１，２１の中央に負荷を加えた時の電気マイクロメータの値を測定し、その平均値をＭ２とする。そして、可動部材１，２１に加えた負荷荷重を（Ｍ１−Ｍ２）の値で除した値をラジアル剛性とした。
【００３５】
また、モーメント剛性の測定は、直線案内装置の可動部材１，２１の上面四隅に電気マイクロメータを設置し、可動部材１，２１を静圧支持した状態で可動部材１，２１に偏荷重を加え、その変位量を電気マイクロメータで測定し、単位時間（秒）当たりトルクの大きさをモーメント剛性とした。
【００３６】
さらに、最大負荷容量の測定は、可動部材１，２１を静圧支持した状態で荷重を加え、ストローク移動させた時に全域において可動部材１，２１が固定部材２，２２と接触する荷重値を最大負荷容量とした。
【００３７】
結果は表１にそれぞれ示す通りである。
【００３８】
【表１】
0003660779.tif 000002
【００３９】
この結果、本発明の直線案内装置は、ラジアル剛性、モーメント剛性、及び最大負荷容量の全ての点で比較例の直線案内装置に比べて優れていることが判る。
【００４０】
特に、最大負荷容量においては、比較例の中で最も大きな負荷容量を有する図４（ｃ）の軸受面３３を持った直線案内装置と比較しても２倍以上の最大負荷容量を有していた。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、可動部材を固定部材との軸受隙間に静圧気体層を形成して支承し、移動自在としてなる静圧気体軸受装置において、上記可動部材及び／又は固定部材の軸受面に、前記軸受隙間へ圧縮気体を噴出する複数個の気体噴出孔を形成し、これら気体噴出孔に座ぐりを設けた多孔質体を挿嵌するとともに、前記軸受面に、各気体噴出孔と連通する環状の絞り溝を設けたことにより、従来の自成絞りの気体噴出孔を有する静圧気体軸受装置や多孔質絞りを有する静圧気体軸受装置と比べ、非常に高い軸受剛性が得られるとともに、振動を生じることなく安定して可動部材を移動させることができる。
【００４２】
その為、高負荷荷重が加わるような直線案内装置等のスラスト軸受や高速回転モータ等のラジアル軸受にも好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静圧気体軸受装置を直線案内装置に用いた例を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１における可動部材の一部を破断した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】従来の静圧気体軸受装置を静圧直線案内装置に用いた例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は図４における可動部材の一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１・・・可動部材、  ２・・・固定部材、  ３・・・可動部材の軸受面、
４・・・固定部材の軸受面、  ５・・・軸受隙間、  ６・・・気体供給孔、
７・・・気体噴出孔、  ８・・・ブッシュ、  8a・・・座ぐり、
8b・・・ブッシュの底部、  ９・・・環状絞り溝、  10・・・給気路、
21・・・可動部材、  22・・・固定部材、  23・・・可動部材の軸受面、
24・・・固定部材の軸受面、  25・・・軸受隙間、  26・・・気体供給孔、
27・・・自成絞りの気体噴出孔、  28・・・絞り溝、
34・・・可動部材の軸受面、  36・・・凹部、  37・・・多孔質体、
44・・・可動部材の軸受面、  47・・・気体噴出孔、  48・・・ブッシュ
【図１】
0003660779.tif 000003
【図２】
0003660779.tif 000004
【図３】
0003660779.tif 000005
【図４】
0003660779.tif 000006