(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便な構造で、高回転にも耐える回転機器用の流体軸受装置を提供する。【解決手段】軸孔を区画する内周面に軸方向に所定幅の軸受面１ａを持つ軸孔部材１と、軸孔に回動自在に保持され軸受面に対向する軸面２ａをもつ軸部材２と、軸受面と軸面の間に流体を供給する流体供給手段とを有し、軸受面及び軸面はいずれも円錐台形の側周面状であり、流体供給手段は軸受面及び軸面との間に軸方向に流体を供給する。軸受面と軸面は円錐台形の側周面状であり、それらの間隙に流体が軸方向に供給されるので、軸部材２が軸孔部材１の軸心に付勢され、半径方向の荷重と、軸方向の荷重とを１つの機構で受けることができ、構造が簡単な回転機器が実現できる。軸部材２は軸上にタービン８を有し、軸孔部材１のノズル６からの噴流で回転する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸孔を区画する内周面に軸方向に所定幅の軸受面を持つ軸孔部材と、
該軸孔に回動自在に保持され該軸受面に対向する軸面をもつ軸部材と、
該軸受面と該軸面の間に流体を供給する流体供給手段と、
を有する流体軸受装置であって、
前記軸受面及び前記軸面はいずれも円錐台形の側周面状であり、かつ前記流体供給手段は該軸受面及び該軸面の間に軸方向に流体を供給するものであることを特徴とする流体軸受装置。
【請求項２】
前記軸孔部材は、円錐の頂点方向が互いに逆方向となる２個１組の少なくとも１組の前記軸受面を有し、
前記軸部材は、前記１組の前期軸受面とそれぞれ対向する、少なくとも１組の前記軸面を有する請求項１記載の流体軸受装置。
【請求項３】
前記流体はガスである請求項１または２に記載の流体軸受装置。
【請求項４】
前記ガスは空気である請求項３に記載の流体軸受装置。
【請求項５】
前記軸受面とこれに対向する前記軸面とが、軸方向の断面上において前記軸部材の軸方向に対しなす角度は相等しい請求項１から４のいずれか１項に記載の流体軸受装置。
【請求項６】
前記軸受面の最小内径は、前記軸面の最大外径より小さい請求項１から５のいずれか１項に記載の流体軸受装置。
【請求項７】
前記軸受面と前記軸面は、軸方向にそれぞれ少なくとも４つ存在する請求項１から６のいずれか１項に記載の流体軸受装置。
【請求項８】
軸孔を区画する内周面に軸方向に所定幅の軸受面を持つ軸孔部材と、
該軸孔に回動自在に保持され該軸受面に対向する軸面をもつ軸部材と、
該軸受面と該軸面の間に流体を供給する流体供給手段とを有し、
前記軸受面及び前記軸面はいずれも円錐台形の側周面状であり、かつ前記流体供給手段は該軸受面及び該軸面の間に軸方向に流体を供給する流体軸受装置と、
前記軸部材に同軸上に形成された流体により駆動されるタービンと前記軸孔部材に形成された該タービンに向けて流体を噴出するノズル口とを持つ駆動部と、
を有することを特徴とする回転駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速で回転する軸に砥石や工具を取り付け種々の加工に使用するリューター等の工作装置や、医科用、歯科用の器具（ハンドピース）などの回転機器に使用する軸受装置が知られている。このような回転機器では、駆動にモータを用いるものや、圧縮空気によりタービンを回転させるものがある。また、軸受にはボールベアリングのようなころがり軸受や、軸またはスリーブにヘリングボーン状やＶ字状に配置した動圧発生溝により、軸が回転する際に流体の圧力を発生させて軸を受ける動圧軸受、外部から圧縮空気を供給して軸を受ける静圧軸受などのすべり軸受がある。
【０００３】
一般に、砥石や工具を高速で回転させるほど研削や切削は容易となり、加工時の負荷を小さくでき、短時間で加工を終えることができる。このため高速で回転させるための考案がなされてきた。特許文献１はモータによって駆動する主軸をエアーで支持する構造を開示している。特許文献２は圧縮空気でタービンを回転させ、軸方向、半径方向を静圧軸受で受けるという構造を開示している。特許文献３は流体で回転するタービンの半径方向を静圧軸受で受け、軸方向を凸球面等と平面を接触させるという構造を開示している。
【０００４】
しかしながら、上記した従来例では、構造が複雑であったり（特許文献１、２）、寿命のきわめて短いもの（特許文献３）であったりするという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１１７９３９号公報
【特許文献２】特開２００１−２０７０１号公報
【特許文献３】特開平６−２９２６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先端に小さな刃先や砥石を取り付け、高速で回転する機器を片手で保持し、目視で対象を確認しながら細かな加工を施す用途には、簡単な構造で小型軽量であるものが求められてきた。現在でも上記のような用途、具体的にはガラス細工、金属加工後のバリ取り、加工後の面取り、趣味の工作、医科や歯科の治療用などの用途にこのような回転機器の要望が強い。
【０００７】
本発明の目的は、簡便な構造で、高回転にも耐える回転機器用の流体軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明者は流体軸受について鋭意検討した結果、本発明に至った。本発明の流体軸受装置は、軸孔を区画する内周面に軸方向に所定幅の軸受面を持つ軸孔部材と、軸孔に回動自在に保持され軸受面に対向する軸面をもつ軸部材と、軸受面と軸面の間に流体を供給する流体供給手段とを有する流体軸受装置であって、軸受面及び軸面はいずれも円錐台形の側周面状であり、流体供給手段は軸受面及び軸面と間に軸方向に流体を供給するものであることを特徴とする。本発明の流体軸受装置の軸受面と軸面は円錐台形の側周面状であり、それらの間隙に流体が軸方向に供給されるので、軸部材が軸孔部材の軸心に付勢され、半径方向の荷重と、軸方向の荷重とを１つの機構で受けることができ、構造が簡単な回転機器が実現できる。
【０００９】
軸孔部材は円錐の頂点方向が互いに逆方向となる２個１組の、少なくとも１組の軸受面を有し、軸部材は１組の軸受面とそれぞれ対向する、少なくとも１組の軸面を有するとよい。こうすれば、軸孔部材や軸部材の製作が容易となり、軸受装置の組立ても容易になる。
【００１０】
流体はガスであるとよい。高速回転を実現でき、特に加工物が酸化を嫌うものである場合適切なガスを選択することにより、排気による影響を避けることができる。
【００１１】
ガスは空気であってもよい。コンプレッサーなどにより簡便に圧力流体を発生させることができる。
【００１２】
軸受面とこれに対向する軸面とが、軸方向の断面上において軸部材の軸方向に対しなす角度は相等しいことが望ましい。このような構造により良好な軸受を形成できる。
【００１３】
軸受面の最小内径は、前記軸面の最大外径より小さいことが望ましい。このような構成により軸受面、軸面の面積を大きくすることができ、単位面積当たりの荷重を小さくできるので、小型でも大きな荷重に耐えられる軸受装置とすることができる。
【００１４】
軸受面と軸面は、軸方向にそれぞれ少なくとも４つ存在するとよい。こうすることによって、小型で、半径方向の荷重と軸方向の荷重とを１つの機構で受ける軸受装置とすることができる。
【００１５】
軸部材は、同軸上に流体により駆動されるタービンを有し、軸孔部材は、該タービンに向けて流体を噴出するノズル口を持つものとすることができる。このような構造により容易に回転駆動装置が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
流体軸受装置において、軸受面及び前記軸面はいずれも円錐台形の側周面状であるため、半径方向と軸方向の軸受を別途に設ける必要がなく、長寿命で簡単な構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の流体軸受装置を示す中心軸で切断した切断部端面図である。
【図２】本発明の流体軸受装置を示す、ノズル部で切断した半径方向の断面図である。
【図３】本発明の軸受装置にタービンを設けた様子を示す切断部端面図である。
【図４】タービンとノズルの関係を示すため図３のノズル部で切断した半径方向の断面図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す切断部端面図である。
【図６】組み立てる様子を示す外輪と内輪の立体的な模式図である。
【図７】タービンとノズルとサブノズルとの関係を示す、図５のノズル部で切断した半径方向の断面図である。（外輪用カラーは省略した）
【図８】内輪に動圧発生溝を設けた様子を示す模式図である。
【図９】動圧流体軸受とした別の実施例を示す切断部端面図である。
【図１０】本発明の軸受を有する工作機械の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の１実施例を示す切断端面図である。本実施例の流体軸受装置は、両端部の内周側に傾斜面１ａをもち、中央部にノズル６を有する円筒状の軸孔部材１と、軸孔部材１の内側に、軸３と、径方向に突出し軸方向の一方側が円錐台形状（または切頭円錐形状）をなす第１フランジ４、第２フランジ５とを有して回動自在に設けられた軸部材２とからなる。
【００１９】
軸孔部材１の傾斜面１ａは、軸部材２のフランジ部の円錐台形状の円錐凸面に対応するように円錐台形状の円錐凹面を有する。本実施例では、軸孔部材１の円錐台形状の側周面状（円錐凹面）の部分が本発明の軸受面に該当し、軸受面に対向する軸部材２の円錐台形状の側周面状の部分が本発明の軸面に該当する。したがって、図１では軸受面１ａと軸面２ａの数はそれぞれ２つあることになる。また、軸受面１ａと軸面２ａとは、断面上で軸部材２の軸方向に対し同一の角度を持つ。実施例１ではその角度を３０度としたが、小さな角度では軸方向の荷重を支える効果が薄れ、大きな角度では半径方向の荷重を支える効果が薄れるという関係がある。用途に応じて１０度から８０度の範囲で選択するのが好ましい。なお、圧縮空気が供給されていない場合、軸受面１ａと軸面２ａは一部が接触する場合があるが、各図は圧縮空気が供給されている状態を表わしているものである。
【００２０】
流体軸受装置には、軸孔部材１のノズル６を通して外部から圧縮空気が供給される。図１では簡略化して示したが、図２に示すようにノズル６はその延長が軸孔部材１の中心を通らないよう、ずれて設けられている。よって圧縮空気は軸孔部材１の内周にガイドされ軸孔部材１と軸部材２の間の空間を回転する。軸方向においては、圧縮空気は先端側と後端側に分かれ、図１で軸孔部材１と軸３が平行になって対向する空間を通り、軸孔部材１の軸受面１ａと軸部材２の軸面２ａとからなる狭小な空間に達する。このとき軸受面１ａと軸面２ａの互いの中心がずれて一部が近接すれば、軸受面１ａと軸面２ａは、断面において曲率が異なるので、近接部分近傍の空間はくさび状となり、前述した軸部材２の周りを回転している圧縮空気が導かれ、軸受面１ａと軸面２ａを分離するよう作用する。結果として軸部材２の中心は軸孔部材１の中心とほぼ一致する位置に付勢され、圧縮空気の圧力は周方向に渡ってほぼ等しくなり、安定して保持される。図２では均等に配置された４つのノズル６があるが、軸部材２の中心が軸孔部材１の中心に付勢されればよく、数や配置を限定するものではない。本実施例の流体軸受装置は、ノズル６を通して圧縮空気を供給することにより軸部材２は軸孔部材１の軸心に付勢される。軸部材２が回動していなくとも軸部材２は軸孔部材１と非接触となるため手で軸部材２を回動させると、軸部材２は相当長く回転を続ける。
【００２１】
また、ノズル６は両端の２つの軸受面１ａと軸面２ａのほぼ中央に設けられているので、半径方向と同時に軸方向に対しても両端部の軸受面１ａと軸面２ａの間隔が均等になるように作用する。このように本発明の流体軸受は、半径方向の荷重と軸方向の荷重を１つの機構で支持するものである。特に、軸方向を点接触支持するものに比べ耐久性に優れたものとなる。
【００２２】
さらに上記軸受装置を回転駆動装置に適用することができる。軸３にタービン８を設けた様子を切断端面図である図３に示し、図３の中央部の半径方向の断面図を図４に示す。なお、図４はわかりやすくするために図３とは比例関係を変えてある。また、ノズル６は、その延長が軸部材の中心を通らないようずれて設けられているが、図３では簡略化して示した。タービン８は半径流タービンであり、タービン８とノズル６の関係を図４のようにすれば、タービン８を回転させることができる。
【００２３】
タービン８を回転させた排気は、先端側と後端側に分かれ、図３で軸孔部材１と軸３が平行になって対向する空間を通り、軸孔部材１の軸受面１ａと軸部材２の軸面２ａとからなる狭小な空間に達する。排気はこの断面上互いに平行な軸受面１ａと軸面２ａを半径方向で均等に分離するよう作用し、流体軸受を形成し、排出口７から外部へ排出される。各部品を図３のように配置することにより、軸受面１ａと軸面２ａの間で両面を分離する流体と、タービン８を回転させる流体とが、共通のノズル６と排出口７を持つ回転駆動装置が得られる。このようにすることにより、専用のノズルや排気口の加工を省略でき、回転駆動装置全体として配管の構造を簡単にでき小型化に寄与することができる。軸部材２はタービン８と共に回転するので、先端側に不図示のコレットチャック等を設け、工具や砥石などを取り付ければ、所定の用途を達成することができる。
【００２４】
以上のように構成すれば、軸受装置を流体軸受としたため軸受部での発熱の心配がなく、さらに駆動に流体を使うため、モータを使うもののように駆動部の発熱の問題がない回転駆動装置を提供できる。
【００２５】
組立方法の一例としては、両端部の内面に軸受を加工した円筒状の軸孔部材１に、あらかじめ所定の方法で軸３にタービン８と第１フランジ４を固定したものを挿入し、ついで第２フランジ５を軸３に挿入し、ロックナット９で軸３の端部に設けられた不図示のねじ部で締結、固定する、というものであるが、特に限定するものではない。
【００２６】
図１、３では軸部材２のうち、軸３と第１フランジ４、第２フランジ５が別体であったが、このうち軸３と第１フランジ４が一体に形成されてもよい。軸部材２を作る際に第１フランジ４も同時に作ることができ、第１フランジ４を固定する工数を削減できるという利点がある。なお、材質については特に限定しない。
【００２７】
本構造は、排出された流体の経路を確保すれば、流体がオイルや水や不凍液などのような液体の場合にも適用できる。たとえば、魚用の水槽にポンプで水を循環させる場合、水槽内の経路に上記軸孔部材１を透明な樹脂で形成した本回転駆動装置を設置すれば、タービン８の回転を目視確認することにより、水の循環を確認でき、装飾にもなる。また、水力発電機への適用も可能である。
【実施例２】
【００２８】
軸受面と軸面の数を増やし大きな荷重に耐えられる軸受装置を持った回転駆動装置の実施例を述べる。この実施例の切断端面図を図５に示す。軸孔部材１はハウジング１０とハウジング１０に固定され軸受面１ａをもつ外輪１１とからなり、軸部材２は軸３と軸３に固定される内輪１２、端部用内輪１３とからなる。軸３に固定されたタービン８の先端側、後端側に外輪１１と内輪１２とが交互に配置される。
【００２９】
図５と、立体的な模式図である図６からわかるように、軸受面１ａは外輪１１の傾斜面であり、軸面２ａは内輪１２、端部用内輪１３の傾斜面である。いずれも円錐台形の側周面状であることや、軸受面１ａが円錐凹面であり、軸面２ａが円錐面（円錐凸面）となっていることは実施例１と同様である。本実施例では、外輪１１の内輪１２に対向していない面を除く円錐台形状の側周面状（円錐凹面）の部分が本発明の軸受面に該当し、軸受面に対向する内輪１２、端部用内輪１３の円錐台形状の側周面状（円錐凸面）の部分が軸面に該当する。したがって、図５では、軸受面１ａと軸面２ａの数はそれぞれ１０あることになるが、数を限定するものではなく、全体の寸法等に応じ増減が可能である。
【００３０】
内輪１２は図６のように、大きさを無視するとそろばんの珠に似た形状であり、外輪１１は内輪１２を軸方向に２つ並べたときの空間を埋めるような形状となっている。なお、図５からわかるように端部用内輪１３は内輪１２を軸方向に半分にした形状であり、外径や傾斜面の角度等は内輪１２と同じである。図５、図６からわかるように、外輪１１のもっとも小さい部分、すなわち軸受面１ａの最小内径は、内輪１２、端部用内輪１３のもっとも大きな部分、すなわち軸面２ａの最大外形より小さいという関係になっている。このような構成により軸受面１ａ、軸面２ａの面積を大きくすることができ、単位面積当たりの荷重を小さくできるので、小型で大きな荷重に耐えられる軸受装置が得られる。
【００３１】
外輪１１、内輪１２はいずれも２つの傾斜面をもっており、端部用内輪１３は１つの傾斜面をもっている。本実施例では外輪１１、内輪１２、端部用内輪１３の傾斜面の角度を断面上、軸方向に対し４５度としたが、用途に応じて１０度から８０度の角度を適宜選択するのが好ましい。なお、本実施例では１つの外輪１１、内輪１２のもつ２つの傾斜面は互いに等しい角度としたが、対向する軸受面１ａと軸面２ａとが相等しい角度であれば、２つの傾斜面の角度は互いに異なっていてもよく、１０度から８０度の角度を適宜選択するものとする。
【００３２】
組立方法の一例を述べる。まず固定用フランジ１４のついた軸３に端部用内輪１３を入れ、固定用フランジ１４に突き当てる。これを先端側になるようにハウジング１０に入れ、続いて外輪１１をハウジング１０の突き当て部まで入れる。つぎに内輪１２と外輪１１を後端側から所定数、交互に入れ、寸法調整用の内輪用カラー１５を入れ、次いでタービン８、内輪用カラー１５、外輪用カラー１６を入れ、再び外輪１１と内輪１２を所定数、交互にセットしていき、端部用内輪１３、固定用フランジ１４を入れロックナット９で軸３の端部に設けた不図示のねじ部で締結し固定する。外輪１１は固定リング１７をハウジング１０の端部に設けた不図示のねじ部で締結し固定する。それぞれの外輪１１同士、内輪１２同士は相互に突き当たることにより位置が決まる。
【００３３】
つぎに動作の様子を述べる。まずサブノズル１８から圧縮空気を送ると、軸３が回転する。このサブノズル１８による回転は、図７からわかるように圧縮空気がタービン８の羽根に当たる角度が小さいことと、図５からわかるようにサブノズル１８がタービン８の幅方向の中央から離れた位置に配置されているため、タービン８の羽根を効率よく回転させるわけではなく、比較的ゆっくりした回転となる。この回転を予備回転と呼ぶ。この予備回転を確認することにより、軸受面１ａと軸面２ａが分離し流体軸受が形成されたことを確認することができる。次いでノズル６から圧縮空気を送ると、ノズル６は図５からわかるようにタービン８の幅方向中央部に配されていることと、図７からわかるように圧縮空気はタービン８の羽根に大きな角度で当たり、効率よくタービン８を回転させるため、予備回転の力に打ち勝って、タービン８は予備回転とは逆方向に回転し出す。この回転を主回転と呼ぶ。なお、図５ではノズル６とサブノズル１８は同位相の位置にあるように表わしたが、両ノズルの位相は図７のようにずれていてもよい。主回転が始まったのちサブノズル１８からの圧縮空気の供給は停止してよい。
【００３４】
回転を停止するときは、ノズル６からの圧縮空気の供給を停止すると同時にサブノズル１８から圧縮空気を送るようにするか、または、サブノズル１８から圧縮空気を供給した後、ノズル６からの供給を停止する。圧縮空気が供給されなくなれば、外輪１１と内輪１２等とを非接触に保つことができなくなり、高速で回転していた場合には両者が焼き付いて破損し用をなさなくなってしまうことがあるが、サブノズル１８からの圧縮空気により、外輪１１と内輪１２等が接触することを防止できる。さらにサブノズル１８からの圧縮空気は、前述のようにノズル６からの圧縮空気による主回転とは逆方向に回転させるよう向きであるため、ブレーキとして作用し、停止に要する時間を短縮できる。このサブノズル１８による予備回転は、上記したようにゆっくりした回転なので、予備回転になってから圧縮空気を停止しても傷つきにくい。さらに、外輪１１や内輪１２、端部用内輪１３が金属製であれば、表面にめっきやＣＶＤ、電着塗装などで硬質の被膜や潤滑性のある被膜を設けるとよい。
【００３５】
ノズル６、サブノズル１８は軸方向にわずかな傾きを持たせると排気がスムーズとなる。この場合先端側に傾くものと、後端側に傾くものの角度と数を等しくするとよい。
【００３６】
流体の供給源は特に限定しないが、本実施例の場合は圧縮空気を不図示のコンプレッサーで供給し、コンプレッサーとノズルの間にフィルター付きのレギュレータを配置しオイルミストを除去し、圧力の変動が小さくなるようにした。
【００３７】
なお、被加工物が酸化を嫌うものである場合や、水蒸気による弊害が懸念される場合は、排気による影響を考えて、圧縮空気ではなく、窒素ガスなどの適切なガスを使用するものとする。
【００３８】
以上のような回転駆動装置を適用した工作装置の一例を図１０に示した。コレットチャック２４に軸付きの砥石２５が装着され、内部にノズル６、サブノズル１８への配管（不図示）を施し後端側にサブノズル用配管２６とノズル用配管２７が接続されている。
【実施例３】
【００３９】
別の実施例として図８に示すような、周知の動圧発生溝１９を設けた動圧発生用内輪２０や同様な動圧発生用端部用内輪２１を使い、回転駆動装置を構成してもよい。本実施例では、外輪１１の動圧発生用内輪２０に対向していない面を除く円錐台形状の側周面状（円錐凹面）の部分が本発明の軸受面に該当し、軸受面に対向する動圧発生用内輪２０、動圧発生用端部用内輪２１の円錐台形状の側周面状（円錐凸面）の部分が軸面に該当する。また、図８では内輪２０に動圧発生溝１９が設けられているが、動圧発生溝は内輪または外輪の少なくともいずれか一方に設けることとする。これらの場合、切断端面図である図９に示すように、ハウジング１０に適切に設けたタービン用排気口２３から圧縮空気を排出するようにし、圧縮空気が軸受面１ａや軸面２ａの動圧に影響を与えないようにする。
【００４０】
タービン８の駆動には圧縮空気を使うが、この圧縮空気は軸受部には使われない。すなわち、タービン８により軸部材２に回転が生じ、軸受面１ａと軸面２ａとの相対的運動によって軸面に設けられた動圧発生溝１９により空気に発生する圧力で軸受面１ａと軸面２ａを分離する。流体としてオイルを使う場合には、別途オイル漏れ防止の方策を採るものとする。このときタービン８の駆動に圧縮空気を使い、軸受の流体としてオイルを使うことができる。圧縮空気が軸受部に使われないため、低圧でも高回転が得られる。
【００４１】
各実施例の本発明の流体軸受を利用する場合、上記ハウジング１０または軸孔部材１をさらに外装用円筒に収め、先端側に砥石や刃等の工具を固定するためのコレットチャック等を設けたり、配管等を固定したりするようにするとよい。また、各実施例では先端側、後端側に排気するようにしたが、対象によっては、排気がかからないように適宜排出路を設けるものとする。
【符号の説明】
【００４２】
１    軸孔部材
１ａ  斜面、軸受面
２    軸部材
２ａ  軸面
３    軸
４    第１フランジ
５    第２フランジ
６    ノズル
７    排出口
８    タービン
９    ロックナット
１０  ハウジング
１１  外輪
１２  内輪
１３  端部用内輪
１４  固定用フランジ
１５  内輪用カラー
１６  外輪用カラー
１７  固定リング
１８  サブノズル
１９  動圧発生溝
２０  動圧発生用内輪
２１  動圧発生用端部用内輪
２２  カラー
２３  タービン用排気口
２４  コレットチャック
２５  砥石
２６  サブノズル用配管
２７  ノズル用配管
【図１】
2011140983.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011140983.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011140983.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011140983.tif 000011
【図１０】
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