(57)【要約】【課題】摩擦が極めて少なく、ガタもなく、寿命も半永久的で、安価に製造することができる高精度静圧式エアーベアリングを提供すること、及びそれを用いた安価な測定機を提供すること。【解決手段】エアーベアリング１０を同心の２個のテーパー部１１Ｂを有する孔１１Ａが形成された回転体１１と、エアを吹き出すための貫通孔１２Ａが形成された２個のボール１２，１２と、そのボール１２、１２を夫々保持するボールホルダ１３とで構成し、２個のボール１２、１２を２個のテーパー部１１Ｂ、１１Ｂに夫々１個づつ挿入してエアを噴射し、テーパー部１１Ｂとボールと１２の隙間でエアー支持層を形成させたので、高精度加工を必要とする部分が少なく、安価な静圧式エアーベアリング１０を得ることができるようにした。また、測定機５０にこの安価なエアーベアリング１０を使用した。【選択図】　　　　　図１
2004052836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転物を支持する静圧式のエアーベアリングにおいて、
同心の２個のテーパー部を有する孔が形成された回転体と、
所定の間隔で配置され、前記２個のテーパー部に夫々１個ずつ挿入された２個のボールと、
該ボールを夫々保持するボールホルダと、を含み、
前記２個のボールの内の少なくとも１個のボールには、エアを吹き出すための貫通孔が形成されていることを特徴とする静圧式のエアーベアリング。
【請求項２】
前記貫通孔からエアが吹き出されていない時に、前記回転体の質量を支えて、前記テーパー部とボールとの隙間を確保する回転体支持部が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の静圧式のエアーベアリング。
【請求項３】
前記貫通孔は前記ボールホルダに形成されたエアー流路と連通し、前記貫通孔から吹き出されるエアは前記ボールホルダのエアー流路を経由して供給されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の静圧式のエアーベアリング。
【請求項４】
ワークを回転させながら該ワークの変位を計測する測定機において、
該ワークの変位を読取る変位計と、
前記請求項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載のエアーベアリングとが設けられ、
該エアーベアリングで前記ワークを回転支持することを特徴とする測定機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエアーベアリング及びそれを用いた測定機に係り、特に回転物を支持する静圧式のエアーベアリング及びそれを用いた変位測定機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転体を支持するベアリングには、回転体を滑動支持する滑り軸受、内輪と外輪との間に転動体を介在させたボールベアリングやニードルベアリング等の転がり軸受、及び空気圧や油圧を用いた流体軸受等、種々のベアリングが用いられていた。
【０００３】
流体軸受には、回転体とガイドとの間に圧力流体を供給して圧力流体層を形成し、この圧力流体層によって回転体を支持する静圧流体軸受と、回転体の回転力によって回転体とガイドとの隙間に流体を巻き込み、支持層を形成する動圧流体軸受とがある。
【０００４】
滑り軸受は、構造がシンプルで安価に製造することができるが、摩擦係数が大きいことと、回転体と軸受との間のガタが大きいこと、及び摩耗が激しいために寿命が短いという欠点を有している。また、転がり軸受は、摩擦係数が転がり摩擦のため比較的小さく、ガタも小さなものから大きなものまで製造することができ、寿命も長い。しかし、よりシビアな要求仕様の場合には、転がり摩擦による摩擦係数であっても満足できない場合があり、寿命についても不満足な場合があった。
【０００５】
これらに対して流体軸受は、摩擦係数が極めて小さく、ガタもなく、摩耗がないので寿命も半永久的である。図４に流体軸受として一般的に用いられている静圧式エアーベアリングの構造例を示す。図４（ａ）は、回転体の外周を支持したもので、図４（ｂ）は、回転体の内周を支持したものである。
【０００６】
図４（ａ）に示したエアーベアリング１１０は、回転体１１１のラジアル方向をベアリング本体１１２の内周部に形成された圧力エアー層で支持し、回転体１１１のスラスト方向はベアリング本体１１２の上面のエアー層でベアリング本体１１２の質量を受ける構造になっている。
【０００７】
また、図４（ｂ）に示したエアーベアリング１２０は、ベアリング本体１２２の外周からエアを吹出し、回転体１２１の内周の垂直部分から両テーパー部にかけて形成される圧力エアー層で、ラジアル方向及びスラスト方向が支持される構造になっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このエアーベアリング１１０、１２０は、摩擦が極めて少なく、ガタもなく、寿命も半永久的ではあるが、高精度の回転軸受を実現するためには、エアーベアリング１１０、１２０を構成する各部品は極めて高精度に加工されなければならず、製造コストが非常に高いという問題があった。
【０００９】
例えば、図４（ａ）に示したエアーベアリング１１０の場合には、ベアリング本体１１２の孔の直径と円筒度、及び上面の平坦度と孔との直角度、また、回転体１１１では軸部の直径と円筒度、及びフランジ下面の平坦度と軸心との直角度等が高精度に加工されなければならない。また、図４（ｂ）に示したエアーベアリング１２０の場合には、ベアリング本体１２２及び回転体１２１のどちらも、垂直部分の直径とテーパー部のテーパー度を高精度に加工して、ベアリング本体１２２と回転体１２１との隙間が一様な所定の寸法になるように仕上げなければならなかった。
【００１０】
また、ワークを回転させながらワークの端面や外周部の変位を測定して、端面の振れや同芯度を求める測定機には、回転精度の点から静圧式のエアーベアリングが用いられていたが、このようにエアーベアリングが高価なため、測定機全体のコストを押し上げていた。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、摩擦が極めて少なく、ガタもなく、寿命も半永久的で、安価に製造することができる高精度静圧式エアーベアリングを提供すること、及びそれを用いた安価な測定機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転物を支持する静圧式のエアーベアリングにおいて、同心の２個のテーパー部を有する孔が形成された回転体と、所定の間隔で配置され、前記２個のテーパー部に夫々１個ずつ挿入された２個のボールと、該ボールを夫々保持するボールホルダと、を含み、前記２個のボールの内の少なくとも１個のボールには、エアを吹き出すための貫通孔が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項１の発明によれば、２個のテーパー孔部にボールを挿入してエアを噴射し、テーパー孔とボールとの隙間でエアーベアリングを形成しているので、高精度加工を必要とする部分が少なく、安価な静圧式エアーベアリングを得ることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静圧式のエアーベアリングにおいて、前記貫通孔からエアが吹き出されていない時に、前記回転体の質量を支えて、前記テーパー部とボールとの隙間を確保する回転体支持部が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明によれば、エアが供給されていない時でもテーパー部とボールとが接触せずに隙間が確保されているので、エアが供給された時にエアーベアリングが形成され、自動求芯効果が得られる。
【００１６】
更に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の静圧式のエアーベアリングにおいて、前記貫通孔は前記ボールホルダに形成されたエアー流路と連通し、前記貫通孔から吹き出されるエアは前記ボールホルダのエアー流路を経由して供給されることを特徴としている。
【００１７】
請求項３の発明によれば、エアがボールホルダに形成されたエアー流路を経由して供給されるので、ボールの貫通孔とエアー供給路との接続が容易である。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、ワークを回転させながら該ワークの変位を計測する測定機において、該ワークの変位を読取る変位計と、前記請求項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載のエアーベアリングとが設けられ、該エアーベアリングで前記ワークを回転支持することを特徴としている。
【００１９】
請求項４の発明によれば、測定機は、摩擦が極めて少なく、ガタもなく、摩耗がないので寿命も半永久的という機能を有しつつ、安価な静圧式のエアーベアリングを用いているので、コストの高騰を抑えることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る静圧式のエアーベアリング及びそれを用いた測定機の好ましい実施の形態について詳説する。尚各図において、同一の部材については同一の番号又は符号を付している。
【００２１】
図１は、本発明に係る静圧式のエアーベアリングを示す測断面図である。エアーベアリング１０は、図１に示すように、回転体１１、２個のボール１２、１２、ボールホルダ１３、１３、及び回転体支持部１４を有している。回転体１１には、中心部を貫通する孔１１Ａが形成され、孔１１Ａの両端にはテーパー部１１Ｂ、１１Ｂが形成されている。
【００２２】
２個のボール１２、１２には夫々中心部に貫通孔１２Ａが形成され、貫通孔１２Ａと連通する中空のボールホルダ１３に溶接されている。回転体１１の各テーパー部１１Ｂには、テーパー部１１Ｂとボール１２とで一定の隙間が形成されるように所定の間隔で配置されたボール１２、１２が挿入され、その位置でボールホルダ１３、１３が固定されている。従って、回転体１１は２個のボール１２、１２で一定の隙間を持って挟持される構造になっている。ボールホルダ１３の中空部はエアー流路１３Ａになっており、ボール１２の貫通孔１２Ａと連通するとともに、図示しないエアー供給路に接続されている。
【００２３】
また、回転体１１の下端面に対向して回転体支持部１４が設けられ、回転体支持部１４の上面に形成されたリング状の突出部１４Ａで回転体１１の質量を受けるようになっている。このため、エアが供給されない時には回転体１１が回転体支持部１４の突出部１４Ａで支持され、下側のボール１２と回転体１１の下側のテーパー部１１Ｂとの間で僅かな隙間が確保されるようになっている。例えば、エアが供給された時に各テーパー部１１Ｂとボール１２とのギャップが１０μｍの時には、エアが停止した時にギャップ５μｍが確保されるように、回転体支持部１４の高さ方向の位置が調整される。この初期ギャップ（例えば５μｍ）が確保されず、テーパー部１１Ｂとボール１２とが接触している状態では、エアが供給されてもエアーベアリングは構成されないため、回転体支持部１４の位置調整は重要である。
【００２４】
次に、以上のように構成された静圧式のエアーベアリング１０の作用について説明する。　先ずエアーベアリング１０に、エアが供給されていない初期状態においては、回転体１１の下端面が回転体支持部１４の突出部１４Ａに接触して回転体１１が支持されている。この時、下側のボール１２と回転体１１の下側のテーパー部１１Ｂとの初期ギャップ（例えば５μｍ）が確保されている。
【００２５】
次にエアー供給路に設けられている図示しないバルブが開かれ、高圧のエアがエアー流路１３Ａを経由してボール１２、１２の貫通孔１２Ａ、１２Ａから回転体１１の孔１１Ａ内に供給される。エアが供給されると、エアが孔１１Ａ内に充満するとともに、両端のテーパー部１１Ｂとボール１２との隙間から外部に流出する。
【００２６】
これにより、回転体１１は自動求芯されるとともに、上下の隙間が等しくなるように回転体１１が浮上されてギャップ（例えば１０μｍ）が形成される。このように、回転体１１はラジアル方向、及びスラスト方向が高精度で支持され、極低摩擦係数の静圧式エアーベアリングが構成される。
【００２７】
尚、本実施の形態では、２個のボール１２、１２夫々に貫通孔１２Ａを設け、回転体１１の両側からエアを供給したが、これに限らず、貫通孔１２Ａを設けたボール１２を１個のみとして他方は貫通孔１２Ａのないボールとし、１箇所からエアを供給するようにしてもよい。また、回転体１１に貫通した孔１１Ａを設け、孔１１Ａの両端にテーパー部１１Ｂ、１１Ｂを形成したが、これに限ることなく、回転体１１の両端面に互いに同心の２個のテーパー穴を形成して、このテーパー穴に夫々貫通孔１２Ａを有するボール１２を挿入し、両側から同じ圧力のエアを供給するようにしてもよい。
【００２８】
図２は、ボール１２、１２を夫々保持するボールホルダ１３、１３の軸心が同一線上にない場合を表わした測断面図である。図２（ａ）は互いに傾斜している場合を表わし、図２（ｂ）は平行にシフトしている場合を表わしている。図２に示すように、傾斜量やシフト量がある範囲以内であれば回転体１１が傾斜して正規のエアーギャップが確保され、エアーベアリングとして機能する。従って、２個のボールホルダ１３、１３の芯合わせは、それほど厳密になされなくてもよく、ボール間隔調整機構を安価に製作することができる。
【００２９】
図３は、本発明のエアーベアリング機構を応用して、柱状のワークを回転させながらワークの変位を測定する測定機を表わす測断面図である。図３に示すように、この測定機５０は、被測定物であるワークＷの中心孔に対する端面の振れ測定、同芯度測定、及び円筒度測定を行うものである。
【００３０】
測定機５０は、エア噴出用の貫通孔１２Ａを有し、ボールホルダ１３に固着された２個のボール１２、１２と、回転体支持部１４と、変位計５１、５１，５１を有している。２個のボール１２、１２はワークＷの中心孔の両側に形成されたテーパー部分に挿入され、ボール１２の貫通孔１２Ａからエアが供給された時に、両側のテーパー部分とボール１２、１２とのギャップが所定の値になるようにボール１２、１２の間隔が調整される。また、上側のボール１２は上方に大きく退避できるようになっている。
【００３１】
ワークＷの下端面に対向して設けられた回転体支持部１４は、回転体支持部１４の上面に形成されたリング状の突出部１４ＡでワークＷの質量を受けるようになっている。このため、エアが供給されない時にはワークＷが回転体支持部１４の突出部１４Ａで支持され、下側のボール１２とワークＷの下側のテーパー部分との間で僅かな隙間が確保されるようになっている。
【００３２】
柱状のワークＷの端面及び側面には、ワークＷを回転させたときの変位を検出する変位計５１、５１、５１がセットされる。変位計５１、５１、５１は光学式変位計、渦電流式変位計、容量式変位計、空気マイクロメータ等の被接触式変位計が好適であるが、電気マイクロメータ、リニアスケール変位計等の接触式変位計であってもよい。尚、変位計５１は１個のみで、測定位置に応じてセット替えして測定するようにしてもよい。
【００３３】
次に、このように構成された測定機５０の作用について説明する。最初に上側のボール１２が上方に退避した状態で、ワークＷが回転体支持部１４の突出部１４Ａ上にセットされる。この時ワークＷの中心孔に形成された下側のテーパー部分と下側のボール１２とのギャップは約５μｍになっている。次に上方に退避していたボール１２をゆっくりと下降させ、ワークＷの中心孔に形成された上側のテーパー部分に軽く接触させる。次にその位置から上側のボール１２を約２０μｍ上昇させて固定する。これによりテーパー角度が９０°の場合には、テーパー部分とボール１２とのギャップは下側で約５μｍ、上側で約１５μｍとなる。
【００３４】
次に、両側のボール１２の貫通孔１２Ａからエアを供給する。すると上下のギャップが等しくなるようにワークＷが浮上されるとともに自動求芯され、上下のギャップが約１０μｍとなり、ワークＷがエアで支持され、極低摩擦力で精密回転が可能になる。尚、厳密にはワークＷの質量に対応した分だけ下側のギャップは１０μｍよりも少ない値でバランスするようになる。
【００３５】
この状態で、ワークＷの端面、及び側面に変位計５１、５１、５１をセットし、ワークＷをゆっくりと回転させながら端面、及び側面の振れを検出する。これによりワークＷの中心孔に対する端面の振れ、同芯度、円筒度が精密に測定される。
【００３６】
尚、本実施の形態では、エアーベアリング１０の回転体１１を用いずに、ワークＷを直接エアー支持するように構成したが、これに限らず、エアーベアリング１０の回転体１１の外筒部にワークＷの中心孔を嵌合させて回転させるように構成してもよい。また、前述の実施形態では、エアーギャップを１０μｍとしたが、ベアリング剛性、回転体１１とワークＷの合算質量、及びエアー圧等を勘案して適宜設定される。
【００３７】
更に、本実施の形態では、ボール１２とテーパー部１１Ｂとの間でエアーギャップを形成し、ラジアル方向とスラスト方向を支持する構成をとっているが、２個のボール１２、１２を孔１１Ａに挿入してラジアル方向のみを支持し、スラスト方向は別の支持機構を用いる構成にすることもできる。この場合でも、従来のエアーベアリング機構に比べて大幅なコストダウンが図れる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の静圧式のエアーベアリングによれば、高精度の加工を必要とする部品を用いることなく、ボールと孔のテーパー部との間でエアーギャップを形成させているので、摩擦力が極めて少なく、ガタもなく、摩耗がないので寿命も半永久的というエアーベアリング本来の機能を有しつつ、安価な静圧式のエアーベアリングを得ることができる。
【００３９】
また、本発明に係るワークを回転させてワークの振れや同芯度を測定する測定機によれば、前記の安価な静圧式エアーベアリングを用いてワークを回転させる構造をとっているので、測定機全体のコストの高騰を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るエアーベアリングを表わす測断面図
【図２】２個のボールホルダの軸心が一致していない場合を表わす側断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る測定機を表わす測断面図
【図４】従来のエアーベアリングを表わす断面図
【符号の説明】
１０…エアーベアリング、１１…回転体、１１Ａ…孔、１１Ｂ…テーパー部、１２…ボール、１２Ａ…貫通孔、１３…ボールホルダ、１３Ａ…エアー流路、１４…回転体支持部、１４Ａ…突出部、５０…測定機、５１…変位計、Ｗ…ワーク
【図１】
2004052836.tif 000003
【図２】
2004052836.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004052836.tif 000006