(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質軸受面から気体を供給することによって気体膜を形成し回転体を支持する静圧気体軸受において、
前記多孔質軸受面は、前記回転体の回転方向に並設され、前記気体の、前記多孔質軸受面の軸受幅であって前記回転方向に沿った１ｍｍ以下の区分幅の総通気流量が、前記回転方向のいずれの位置においても所定の通気流量を満たす複数の有効通気部と、前記複数の有効通気部をそれぞれ分離するために延在する線状の非有効通気部と、を有し、
前記非有効通気部は、前記回転方向に垂直な軸に対して前記回転方向に傾斜していることを特徴とする静圧気体軸受。
【請求項２】
前記非有効通気部は、目止め処理により前記通気流量が抑制されてい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】
前記多孔質軸受面は、前記有効通気部がオーバーラップした、過通気流量を有するオーバーラップ部をさらに有することを特徴とする請求項１または２記載の静圧気体軸受。
【請求項４】
前記有効通気部は、平行四辺形となる形状を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の静圧気体軸受。
【請求項５】
前記有効通気部は、三角形となる形状を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の静圧気体軸受。
【請求項６】
前記非有効通気部は、前記回転方向に垂直な方向の各有効通気部の長さをｈ、前記非有効通気部の線幅の最大値をΔｂとするとき、０．１＜（１−（ｈ−Δｂｔａｎ｜θ｜）／ｈ）の関係を満たす範囲の角度θで傾斜していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の静圧気体軸受。
【請求項７】
多孔質軸受面から気体を供給することによって気体膜を形成し回転体を支持する静圧気体軸受において、
前記多孔質軸受面は、前記回転体の回転方向に並設された、前記気体の所定の通気流量を満たす複数の有効通気部と、前記複数の有効通気部をそれぞれ分離するために延在する線状の非有効通気部と、を有し、
前記非有効通気部は、前記回転方向に垂直な方向に階段状に形成されていることを特徴とする静圧気体軸受。
【請求項８】
前記非有効通気部は、目止め処理により前記通気流量が抑制されていることを特徴とする請求項７記載の静圧気体軸受。
【請求項９】
前記多孔質軸受面は、前記有効通気部がオーバーラップし、過通気流量を有するオーバーラップ部をさらに有することを特徴とする請求項７または８に記載の静圧気体軸受。
【請求項１０】
前記有効通気部は、四角形となる形状を有することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一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、加工機の回転軸等の回転体を非接触にて回転支持する静圧気体軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機能向上の要求に伴い、光学素子に求められる加工精度が年々高まってきている。例えば、回折光学素子等においては光学素子金型の必要形状精度がナノメートルレベルにまで達している。そのため、光学素子金型を加工する加工装置にも従来より高精度なものが求められるようになってきている。このような加工装置では、可動部の摩擦要因を減らし、非線形要素を極力少なくすることで、送り精度および回転精度を高める工夫が行われている。特に、工具あるいは被加工物を設置、回転させる主軸スピンドルには高い回転精度が必要となるため、回転軸を支持する回転軸受のさらなる高精度化が求められている。
【０００３】
高精度な回転精度を得ようとする場合、回転軸の支持には、気体膜が発生する気体圧力により回転軸を非接触支持する静圧気体軸受を用いるのが一般的である。静圧気体軸受における回転軸の支持力は、気体膜の発生する圧力により決定される。したがって、静圧気体軸受において、回転精度は発生圧力のバランスにより決定される。そのため、高回転精度を得るためには、軸受および回転体の真円度、円筒度が十分に作製されていること、および、回転軸が回転し、軸受部との位相が変化する間、気体膜の圧力分布における軸対称成分が各方位において常に等しいことが必要となる。しかし、現実的には、軸受および回転体の機械加工精度には限界があるため、最高精度のものであっても、回転軸外径形状、軸受部内径形状は真円度、円筒度に数十〜数百ｎｍ程度の形状誤差を有している。気体膜の発生圧力を管理、調整するには、軸受面からの通気流量分布を管理する必要がある。このような場合、軸受面全体に、気体通気性を持つ孔径０．１〜５００μｍ程度の連続気孔を複数有する多孔質軸受を用いるのが有効である。
【０００４】
多孔質軸受は、通気流量の調整および給気口に絞り効果を与える目的で、通気孔に目止め処理を施して使用する場合が多い。多孔質材の通気孔は、孔の大きさおよび分布にある程度のばらつきが存在するため、軸受面全範囲の通気流量の分布を高精度に測定および調整することが難しい。そのため、軸受面を所定の範囲ごとに区分けし、各区分の通気流量を管理することが有効である。
【０００５】
特許文献１には、多孔質軸受面に密着しうるリング状弾性体を軸受面に押圧し、所定の区分ごとに通気流量を測定および調整する流量測定装置技術が開示されている。この従来技術では流量調整方法として、予め所定の通気流量以下になるように軸受面に樹脂を含浸させて多孔質材の孔を塞いだ後、所定の区分ごとに気体通気流量を測定しながら溶剤により適宜樹脂を除去し、通気流量が所定の値になるように調整している。
【０００６】
図１２（ａ）は、従来技術を適用した多孔質ラジアル軸受の外観図である。図１２（ｂ）は、軸受面の一部を周方向に平面展開し、有効通気部１０３および非有効通気部１０４の設置配向図と軸受幅での総通気流量を周方向に沿って１ｍｍ以下の区分幅で微小区分分割した場合の周方向の通気流量分布グラフをあらわしたものである。ハウジング部１０１に支持された多孔質体に対して、リング状弾性体の押圧によりシールされた区分ごとに流量を測定し、流量調整を行い、区分内の通気流量が管理された有効通気部１０３が周方向に等分配置となるようにし、発生圧力の軸対称性を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２７２９７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、所定の区分ごとに通気流量管理を行った場合でも、近年の超精密加工装置の主軸等に求められている高い回転精度を達成しようとする場合には、わずかな流量分布のばらつきが、発生圧力のバランスを崩し、要求精度達成の障害となっている。
【０００９】
図１２に示した従来例では、発生圧力の軸対称性向上を図るため、周方向に同一形状の有効通気部を均等配置したが、通気流量に着目すると、周方向に沿って通気流量が正弦波状に変動していることがわかる。このような、回転方向に通気流量の変動を有する軸受において、回転軸が回転して軸受部との位相が変化すると、回転体の真円度、円筒度誤差により、位相に同期して軸受隙間が変動することとなる。この場合の回転精度に与える悪影響は、数十ｎｍ程度であり、従来では問題とならないレベルの影響であったが、ナノメートルオーダーでの回転精度が求められる場合には、解決しなければならない問題である。
【００１０】
本発明は、高い回転精度を実現するとともに、安定した品質で安価に製造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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の静圧気体軸受は、多孔質軸受面から気体を供給することによって気体膜を形成し回転体を支持する静圧気体軸受において、前記多孔質軸受面は、前記回転体の回転方向に並設され、前記気体の、前記多孔質軸受面の軸受幅であって前記回転方向に沿った１ｍｍ以下の区分幅の総通気流量が、前記回転方向のいずれの位置においても所定の通気流量を満たす複数の有効通気部と、前記複数の有効通気部をそれぞれ分離するために延在する線状の非有効通気部と、を有し、前記非有効通気部は、前記回転方向に垂直な軸に対して前記回転方向に傾斜していることを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の静圧気体軸受は、多孔質軸受面から気体を供給することによって気体膜を形成し回転体を支持する静圧気体軸受において、前記多孔質軸受面は、前記回転体の回転方向に並設された、前記気体の所定の通気流量を満たす複数の有効通気部と、前記複数の有効通気部をそれぞれ分離するために延在する線状の非有効通気部と、を有し、前記非有効通気部は、前記回転方向に垂直な方向に階段状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
通気流量がそれぞれ管理された複数の有効通気部と、通気流量が極少またはゼロである非有効通気部とを有する軸受面において、通気流量分布を均一にして回転精度を向上させることができる。区分された各有効通気部の形状および設置配向が高精度でなくてもよいため、高い回転精度を有する静圧気体軸受を安定して低コストで製造できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１によるラジアル静圧気体軸受を示す外観図である。
【図２】図１のラジアル静圧気体軸受の軸受面の一部を回転方向に平面展開した模式図と周方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【図３】非有効通気部を傾斜させない構成において、通気流量変動が回転精度に悪影響を与える場合を説明するために、軸受面の一部を周方向に平面展開した模式図と回転方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【図４】図１のラジアル静圧気体軸受におけるリサージュ測定波形である。
【図５】図３の構成において、通気流量変動が回転精度に悪影響を与える場合のリサージュ測定波形である。
【図６】実施例１によるスラスト静圧気体軸受を示す外観図である。
【図７】実施例２によるラジアル静圧気体軸受において、線状の非有効通気部の傾斜角度、線幅、組合わせ形状を説明する図である。
【図８】実施例３によるラジアル静圧気体軸受において、軸受面の一部を回転方向に平面展開した模式図と周方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【図９】実施例３に類似した非有効通気部を傾斜させない構成において、通気流量変動が回転精度に悪影響を与える場合の、軸受面の一部を回転方向に平面展開した模式図と周方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【図１０】実施例４によるラジアル静圧気体軸受において、軸受面の一部を回転方向に平面展開した模式図と周方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【図１１】実施例５によるラジアル静圧気体軸受において、非有効通気部の形状を説明する図である。
【図１２】従来技術を示すもので、（ａ）はラジアル静圧気体軸受を示す外観図、（ｂ）は軸受面の一部を回転方向に平面展開した模式図と周方向の通気流量分布グラフを対応させたものである。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１によるラジアル静圧気体軸受を示す外観図であり、軸中心Ｏを軸芯とする図示しない回転軸（回転体）を回転支持するものである。ハウジング部１に保持された軸受部は多孔質体２で構成されており、図示しない気体供給口から圧力発生源となる気体が供給されている。軸受面に気体膜を形成するための気体噴出量を管理するため、軸受面を所定の通気量分布条件を満たす複数の有効通気部３と非有効通気部４とに分けて、各有効通気部３の通気流量をそれぞれ制御する手段を設ける。線状の非有効通気部４は、軸受面において回転方向に垂直な方向に延在し、軸受面上の回転方向に垂直な軸に対して傾斜して配置され、複数の有効通気部３は、回転方向に並設されている。
【００１５】
本実施例においては、非有効通気部４は目止め処理により気体通気を抑制されており、未管理通気部による流量分布の設計誤差を防いでいる。有効通気部３どうしの間はクリアランス状態、すなわち線状に延在する非有効通気部４によってそれぞれ分離され、その間隔を１ｍｍ±０．２ｍｍとしてある。そうすることで、管理区分のオーバーラップによる既管理区分への干渉を防ぐとともに、管理区分の位置決めを容易なものとしている。
【００１６】
有効通気部３は、平面展開した場合に形状が平行四辺形となる形状をしており、回転方向に沿って整数個配設されている。これにより、軸受面における圧力発生部の比率を大きくすることで軸受の負荷容量を大きくするとともに、回転方向に沿った通気量分布が全範囲において一定となるようにする。
【００１７】
図２（ａ）は、上記軸受面の一部を回転方向（周方向）に平面展開した、有効通気部３および非有効通気部４の設置配向図と軸受幅での総通気流量を回転方向に沿って１ｍｍ以下の区分幅で微小区分分割した場合の通気流量分布グラフを示す。図１２の従来例と比較した場合、非有効通気部４が線状かつ回転方向に垂直な軸受面上の軸に対して回転方向に傾斜していることにより、通気流量変動が非常に小さくなっている。そのため、回転軸が回転し、軸受部との位相が変化する間、気体膜の圧力分布における軸対称成分が回転方向の各方位において常に等しくなっている。
【００１８】
有効通気部３の設置配向の理想状態は、有効通気部３どうしの間に非有効通気部４およびオーバーラップ部が存在しない場合であるが、微小気孔が分散した多孔質軸受面においてこれを実現することは非常に困難である。図２（ｂ）は、本実施例による静圧気体軸受において、有効通気部３および非有効通気部４の形状誤差やズレが大きい場合の図２（ａ）と同様の展開模式図および通気流量分布グラフである。すなわち、隣り合う有効通気部間には、クリアランス、オーバーラップおよび理想状態が混在する場合である。図２（ａ）の場合との比較では、わずかに回転方向に沿った通気流量変動が多くなっているが、この場合でも、周方向に沿った１ｃｍ２
あたりの通気流量変動は３％程度であり、その影響は気体膜の平均化効果により鈍化され問題とならないレベルに収まっている。図４に、本実施例によるラジアル静圧気体軸受にロータ（回転体）を設置して、回転させ、慣性運動させたときのリサージュ測定波形を示す。通気流量の変動が回転精度に悪影響を及ぼすことなくナノメートルオーダーの回転精度を達成している。
【００１９】
図３は、図１と同様のラジアル軸受の軸受面において、非有効通気部１４を回転方向に垂直な軸受面内上の軸に対して傾斜させずに配置した場合を示すもので、（ａ）はオーバーラップを生じた場合、（ｂ）はオーバーラップのない場合を示す。いずれの場合も、回転方向に沿った通気流量分布を見ると、非有効通気部１４が存在する部分で通気流量がパルス状に急峻に変化している。このような通気流量分布の急激あるは過大な変化が存在すると発生圧力にアンバランスを生じ回転精度に悪影響を与えることとなる。図５は、図４と同様の試験を図３（ａ）に示す軸受面を持つラジアル軸受で行った場合のリサージュ測定波形を示す。通気流量の変動が回転精度に悪影響を及ぼし、基礎円に対して１０ｎｍ程度のガタツキを発生させ、ナノメートルオーダーでの回転精度に悪影響を与えている。
【００２０】
図６は、本実施例を適用したスラスト静圧気体軸受の外観図であり、ハウジング部７に支持された多孔質体８の端面に複数の有効通気部９と傾斜した線状の非有効通気部１０を交互に配置している。
【実施例２】
【００２１】
図７は、実施例２によるラジアル静圧気体軸受における有効通気部２３および非有効通気部２４の設置配向図であり、（ａ）、（ｂ）は非有効通気部２４の傾斜角度や幅に、部位によって差異がある場合である。図７（ｃ）は回転方向に傾斜した部分とその逆方向に傾斜した部分を組合わせた非有効通気部２４を用いた場合を示す。
【００２２】
いずれの場合も、有効通気部２３の長さをｈ、線状の非有効通気部２４の周方向の線幅の最大値をΔｂとするとき、０．１＜（１−（ｈ−Δｂｔａｎ｜θ｜）／ｈ）であらわされる関係を満たす範囲の角度θで非有効通気部２４を傾斜させている。これにより、非有効通気部２４の存在による影響は発生圧力のバランスに悪影響を与えない程度に収めることができる。非有効通気部２４の傾斜および線幅に、部位によって差異がある場合でも、上記条件を満足すれば、発生圧力にアンバランスを生じることなく高回転精度を達成することができる。
【００２３】
上記関係式は、軸受面を回転方向のある区間で任意に抽出した場合に、１−有効通気部面積／軸受面面積＜１０％  となる関係を軸受面上の各寸法に展開したものである。１０％の規格値は、静圧気体軸受の加圧気体の供給圧力０．５ＭＰａ、基準軸受隙間５μｍ、軸受面から噴出する通気流量４０〜６０ｓｃｃｍ／ｃｍ２を一般的な使用条件として行った軸受特性シミュレーションにより算出した。この結果、周方向の通気流量変動が６〜８ｓｃｃｍ／ｃｍ２程度の変化でナノメーターオーダーでの回転精度に影響がでることが確認されており、非有効通気部が傾斜している場合において十分な効果が得られる傾斜角度を決定し、関係式とした。
【００２４】
上記一般使用条件と異なる条件下の静圧気体軸受おいても、上記関係式を満たす場合には高回転精度の達成に有意な効果を得ることができる。
【実施例３】
【００２５】
図８は、実施例３によるラジアル静圧気体軸受を示す。図８（ａ）は、線状の非有効通気部３４における回転方向に垂直な軸受面上の軸と平行な成分が階段状に傾斜して連設する形状を示し、（ｂ）は、各階段の間に周方向に延びる線状の成分を有する非有効通気部３４を設けた構成を示す。非有効通気部３４の存在により、図３の例と同様に通気流量がパルス状に急峻に変化しているが、前記平行成分の移動平均が回転方向に垂直な軸受面上の軸に対して傾斜しているため、周方向に沿った１ｃｍ２あたりの通気流量変動が１０％未満に抑えられる。これにより、オーバーラップによる過通気部３５があっても発生圧力のアンバランスを防ぎ、回転精度への悪影響を抑制することができる。１０％の規格値は、静圧気体軸受の軸受内径３４〜８０ｍｍ、軸受幅２３〜３５ｍｍの場合を一般的な軸受寸法として行った軸受特性シミュレーションにより、許容できる通気流量変動を算出したものである。
【００２６】
図９（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）の構成に類似しているが、有効通気部４３の間の非有効通気部４４が傾斜しない階段状に配置されたラジアル静圧気体軸受についての、有効通気部４３の設置配向図および通気流量分布グラフである。非有効通気部４４における回転方向に垂直な軸受面上の軸と平行な成分の移動平均の傾斜度が小さいため、１ｃｍ２あたりの通気流量変動が１０％を超えており、発生圧力のアンバランスが生じ、回転精度への悪影響がある。
【実施例４】
【００２７】
図１０は、実施例４によるラジアル静圧気体軸受における有効通気部５３および非有効通気部５４の設置配向図および通気流量分布グラフである。有効通気部５３の形状が三角形をしており、回転方向に沿って三角形状を対向させるかたちで設置配向している。通気の抑制された非有効通気部５４や、管理区分のオーバーラップによる過通気部５５が存在する場合、また、有効通気部５３や非有効通気部５４の形状誤差やズレがある場合にも、回転方向に沿った通気流量変動は問題とならないレベルに収まっている。
【実施例５】
【００２８】
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実施例５によるラジアル静圧気体軸受を示すもので、有効通気部６３の間の非有効通気部６４が、軸受面上に、連続かつ滑らかな曲線状に存在している。このように、非有効通気部は曲線状であってもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１、７    ハウジング部
２、８    多孔質体
３、９、２３、３３、５３、６３    有効通気部
４、１０、２４、３４、５４、６４    非有効通気部
【図１】
0005808100.tif 000002
【図２】
0005808100.tif 000003
【図３】
0005808100.tif 000004
【図４】
0005808100.tif 000005
【図５】
0005808100.tif 000006
【図６】
0005808100.tif 000007
【図７】
0005808100.tif 000008
【図８】
0005808100.tif 000009
【図９】
0005808100.tif 000010
【図１０】
0005808100.tif 000011
【図１１】
0005808100.tif 000012
【図１２】
0005808100.tif 000013