(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状の剛体と、球面状の軸受面を有し、前記剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受と、該球面静圧気体軸受に圧力気体を供給する給気機構と、を具備し、
前記剛体、前記球面静圧気体軸受及び前記給気機構が、定式化された前記軸受面における前記剛体の浮上幅に基づいて設計されたものであり、
前記球面静圧気体軸受の流量、負荷容量及び軸受剛性が、前記浮上幅を用いて算出されたものであり、
前記球面静圧気体軸受において、前記軸受面内に給気する絞りの形状が、環状スロットとなっており、
前記球面静圧気体軸受が、
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材と、
を具備するものである、
ことを特徴とする、球体浮上装置。
【請求項２】
球面状の軸受面を有し、球状の剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受であって、
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材と、
を具備する球面静圧気体軸受について、
前記軸受面各所における浮上幅を算出するステップと、
前記浮上幅及び前記軸受面における圧力分布から前記軸受面における流量を算出するステップと、
前記軸受面における圧力分布から負荷容量を算出するステップと、
を含むことを特徴とする、球面静圧気体軸受の性能計算方法。
【請求項３】
前記負荷容量を用いて軸受剛性を算出するステップをさらに含む、請求項２に記載の性能計算方法。
【請求項４】
球状の剛体と、球面状の軸受面を有し、前記剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受であって、前記軸受面内に給気する絞りの形状が環状スロットとなっている球面静圧気体軸受と、該球面静圧気体軸受に圧力気体を供給する給気機構と、を具備し、前記球面静圧気体軸受が、球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材と、を具備する、ように構成された球体浮上装置の設計方法であって、
前記軸受面各所における浮上幅を算出するステップと、
前記浮上幅及び前記軸受面における圧力分布から前記軸受面における流量を算出するステップと、
前記軸受面における圧力分布から負荷容量を算出するステップと、
前記負荷容量を用いて軸受剛性を算出するステップと、
算出された前記負荷容量、前記流量及び前記軸受剛性を達成することのできる、給気圧力、周辺圧力、前記球面静圧気体軸受の軸受半径、前記環状スロットの半径、前記環状スロットの幅、及び、前記環状スロットの深さを決定するステップと、
を含むことを特徴とする球体浮上装置の設計方法。
【請求項５】
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、及び、該係合部を上面に載置するベース部、を含む下部部材と、
を具備し、
前記下部部材のテーパ部の全体が前記上部部材のテーパ部に覆われたときに、前記上部部材の前記下面と前記下部部材の前記ベース部の上面との間に間隙が形成されるように構成されている、ことを特徴とする軸受。
【請求項６】
前記上部部材の前記下面及び前記下部部材の前記ベース部には、互いを締め付けるネジを通すネジ穴が形成されている、請求項５に記載の軸受。
【請求項７】
前記下部部材の前記挿入部は、上面が前記上部部材の上面開口部に到達したときに該上部部材の上面とともに球面を成すように、形成されており、
さらに、前記上部部材の上面及び前記下部部材の前記挿入部の上面は、前記ネジによる締め付けがなされた後に、磨き加工を施されたものである、請求項６に記載の軸受。
【請求項８】
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材と、
を具備することを特徴とする軸受。
【請求項９】
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材を製造するステップと、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部であって、該テーパ部の全体が前記上部部材の前記係合穴のテーパ部に覆われたときに該係合穴から延出する間隙形成部を有する係合部、及び、該係合部を上面に載置するベース部、を含む下部部材を製造するステップと、
前記係合部のテーパ部の全体が前記係合穴のテーパ部に覆われるように、前記上部部材と前記下部部材とを組み合わせるステップと、
前記上部部材の前記下面と前記下部部材の前記ベース部とをネジを用いて締め付けるステップと、
を含むことを特徴とする軸受製造方法。
【請求項１０】
前記締め付けるステップが、
前記上部部材の前記上面開口部を水中に浸すステップと、
前記上部部材の前記給気口に空気を供給し、前記上部部材の前記導入路と前記下部部材の前記挿入部との間に形成された環状スロットを通って前記上面開口部から吐出される空気の量に従って、前記ネジの締め付けを調整するステップと、
を含む、請求項９に記載の軸受製造方法。
【請求項１１】
前記締め付けるステップの後に、前記上部部材の上面と前記下部部材の前記挿入部の上面とにより形成された球面に対して磨き加工を施すステップ、をさらに含む、請求項９又は請求項１０に記載の軸受製造方法。
【請求項１２】
球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材を製造するステップと、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材を製造するステップと、
前記係合部のテーパ部が前記係合穴のテーパ部に係合するように、前記上部部材と前記下部部材とを組み合わせるステップと、
を含むことを特徴とする軸受製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静圧気体軸受を応用した球体浮上装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧力気体を用いて球体を浮上させる装置は実用化されているが、その流量は数十〜数百[l/sec]と大きく、そのため圧力気体が球体に与える擾乱トルクは大きいものであった。浮上球体の回転運動は作動流体による擾乱トルクの影響を受けやすく、これが問題となるようなアプリケーションにおいては，微小差圧・微小流量であることによる擾乱トルクの削減が重要である。しかし、これを実現するための浮上装置の包括的設計手法は確立されていない。また、従来に比して小規模のポンプで圧力空気を供給できるため、省エネルギー・省スペース・軽量化・高信頼性化・騒音低減の観点でも、微小差圧・微小流量を実現することは望ましい。
【０００３】
従来、静圧気体軸受を利用した平面軸受については数多く実用化されており、その給気絞り型によって性能計算の方法が確立されている（非特許文献１）。
【０００４】
その給気絞り型の１つとしてスロット絞り型がある。これは軸受面内に点状ではなく線状に給気し、軸受面内に一様で広がりのない流れを生み出すものである。さらにこのスロット形状を円形にした、円形スロット絞り気体軸受が考えられ、軸受剛性・負荷容量が高く、流量・差圧が小さいという特徴を持った軸受が実現されている。
【０００５】
【非特許文献１】「気体軸受ハンドブック」十合晋一著  共立出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の平面軸受における給気絞りの特性は、球面静圧気体軸受においても同様の特性を有すると期待できるが、その性能計算の手法は確立されていない。平面軸受においては、浮上幅が軸受面全体にわたって一様であるが、球面軸受においては浮上状態によって軸受面の場所により浮上幅が異なる。このために平面軸受における性能計算をそのまま球面軸受に適用することはできない。
【０００７】
また、上記のスロット絞りによって、流量・差圧が小さい軸受を実現するためには、そのスロット幅を極めて狭くする必要がある。従来の平面軸受においては、これを実現するためにスロット幅に相当する厚さを持ったシムを、スロットを形成する軸受部材間に挟む方式が提供されていた。しかしこの手法を球面軸受に適用すると、軸受面の球面精度を保持できなくなるという問題がある。またシムを薄く製作することは非常に困難であり、この手法には限界があった。
【０００８】
本発明の目的は、微小流量・微小差圧で作動可能な球体浮上装置を提供することにある。このために平面静圧気体軸受において用いられてきた軸受性能計算の手法を、球面静圧気体軸受においても用いることができるように定式化を行う。さらにこの定式化を元にした軸受の設計手法を確立し、微小流量、微小差圧での作動を実現する軸受を設計する。この設計結果を実現するために、加工方法が容易かつ球面軸受においても適用可能な微小な幅の円形スロット絞りの製作手法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る球体浮上装置は、球状の剛体と、球面状の軸受面を有し、前記剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受と、該球面静圧気体軸受に圧力気体を供給する給気機構と、を具備し、前記剛体、前記球面静圧気体軸受及び前記給気機構が、定式化された前記軸受面における前記剛体の浮上幅に基づいて設計されている、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明に球面静圧気体軸受の性能計算方法は、球面状の軸受面を有し、球状の剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受について、前記軸受面各所における浮上幅を算出するステップと、前記浮上幅及び前記軸受面における圧力分布から前記軸受面における流量を算出するステップと、前記軸受面における圧力分布から負荷容量を算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る球体浮上装置の設計方法は、球状の剛体と、球面状の軸受面を有し、前記剛体を圧力気体により非接触で浮上させるための球面静圧気体軸受であって、前記軸受面内に給気する絞りの形状が環状スロットとなっている球面静圧気体軸受と、該球面静圧気体軸受に圧力気体を供給する給気機構と、を具備する球体浮上装置の設計方法であって、前記軸受面各所における浮上幅を算出するステップと、前記浮上幅及び前記軸受面における圧力分布から前記軸受面における流量を算出するステップと、前記軸受面における圧力分布から負荷容量を算出するステップと、前記負荷容量を用いて軸受剛性を算出するステップと、算出された前記負荷容量、前記流量及び前記軸受剛性を達成することのできる、給気圧力、周辺圧力、前記球面静圧気体軸受の軸受半径、前記環状スロットの半径、前記環状スロットの幅、及び、前記環状スロットの深さを決定するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る軸受は、球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、及び、該係合部を上面に載置するベース部、を含む下部部材と、を具備し、前記下部部材のテーパ部の略全体が前記上部部材のテーパ部に覆われたときに、前記上部部材の前記下面と前記下部部材の前記ベース部の上面との間に間隙が形成されるように構成されている、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る軸受は、球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材と、
前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る軸受製造方法は、球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材を製造するステップと、前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部であって、該テーパ部の略全体が前記上部部材の前記係合穴のテーパ部に覆われたときに該係合穴から延出する間隙形成部を有する係合部、及び、該係合部を上面に載置するベース部、を含む下部部材を製造するステップと、前記係合部のテーパ部の略全体が前記係合穴のテーパ部に覆われるように、前記上部部材と前記下部部材とを組み合わせるステップと、前記上部部材の前記下面と前記下部部材の前記ベース部とをネジを用いて締め付けるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る軸受製造方法は、球面状の上面に上面開口部が形成され下面に下面開口部が形成された上部部材であって、前記上面開口部と外部から空気を取り入れる給気口とに連通する導入路、及び、該導入路と前記下面開口部とに連通し下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合穴、を含む上部部材を製造するステップと、前記導入路より小さい断面積を有し、前記係合穴を通って該導入路に挿入されることにより該導入路との間に環状のスロットを形成する円柱状の挿入部、及び、該挿入部に結合され前記係合穴に係合するように下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部を含む係合部、を含む下部部材を製造するステップと、前記係合部のテーパ部が前記係合穴のテーパ部に係合するように、前記上部部材と前記下部部材とを組み合わせるステップと、を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明においては、球面軸受における浮上幅、さらには圧力分布に対する負荷容量を、軸受面上において鉛直下方向からの位相に依存するパラメータとして扱い、軸受性能計算を行う。具体的にその定式化手法を示す。
【００１７】
平面軸受においては、軸受面の各所において浮上幅は一定となる。しかし球面軸受においては軸受面の場所によって浮上幅が異なり、さらには軸受面の曲率半径、浮上させる球の半径にも依存して変化する。ここでは、軸受面の曲率半径が、浮上させる球の半径Ｒと一致し、軸受面の中心の直上に浮上球の中心が来るものとする。そこで図１のように浮上球１と軸受面２の関係を考える。浮上幅ｈ*は軸受面の最下面部７からの位相差θの関数となる。図１における斜線の三角形に余弦定理を適用すると、次の関係式が得られる。
【数１】
0004806741.tif 000002
ここでｈは軸受面最下面７における浮上幅である。これを解くと、関数ｈ*は次式のように表される。
【数２】
0004806741.tif 000003
この関数ｈ*(θ)は、ｈがＲに比して十分小さい場合、以下のように近似して計算しても誤差は十分小さく、軸受性能の計算にはほとんど影響しない。
【数３】
0004806741.tif 000004
負荷容量は、浮上球１に加わる圧力の上向きの成分を軸受面２全体で積分することにより求められる。軸受面２上で浮上球１に加わる圧力はその球面に垂直に加わることから、負荷容量は次式で計算される。
【数４】
0004806741.tif 000005
ここでθaは軸受最下面７に対する軸受端８の位相、ｐaは周辺圧力である。
【００１８】
以上の球面軸受の定式化を用いれば、従来提案されている平面軸受での性能計算手法をそのまま拡張して用いることが可能となる。ここではその一例として円形スロット絞りスラスト軸受を用いた球面軸受の性能計算を行う。
【００１９】
非特許文献１より、軸受性能の計算には、以下の狭い隙間を流れる粘性流についての流量導出式を用いる。
【数５】
0004806741.tif 000006
ここで、ｑxはx方向の流れにおける流量、Ｂは流路幅、ｈは浮上幅、μは気体の粘性係数、ｐは圧力である。
【００２０】
図２に、円形スロット絞りを用いた球面静圧気体軸受の模式的断面図を示す。この絞り形式を用いた軸受においては、チャンバー４から絞り出口６までのスロット３内の流れを同軸円筒形平行隙間内流れとして、また絞り出口６から軸受端８までの軸受面２上の流れを球面隙間内の放射状流れとして扱うことができる。このそれぞれについて、給気条件、設計条件から各隙間内流れの流量を求める。
【００２１】
まず、スロット３内の流量は、次式のように求められる。
【数６】
0004806741.tif 000007
ここで、ｈslはスロット幅、ｌslはスロット深さ、ｐsは給気口５における圧力、ｐ0は絞り出口６における圧力、Ｒaは一般気体定数、Ｔは温度である。
【００２２】
次に軸受面２上の流量を求める。軸受面各所における浮上幅ｈ*は、(2)式で求めたようにθの関数となる。この関数ｈ*（θ）を用いると、軸受面２上の流量は次式で求められる。
【数７】
0004806741.tif 000008
ここで、θ0は軸受最下面７に対する絞り出口６の位相であり、またＦ(θ)は、以下に示すｆ(θ)の積分関数である。
【数８】
0004806741.tif 000009
Ｆ(θ)を解析的に求めることは困難である。しかし、ｈがＲに比して十分小さい場合、ｆ(θ)を以下のように近似して用いることにより、解析的に求めることは可能となる。
【数９】
0004806741.tif 000010
この近似を用いると、Ｆ(θ)は以下のように求められる。
【数１０】
0004806741.tif 000011
軸受内の流れに対する連続条件により、(6)、(7)式から次式が得られる。
【数１１】
0004806741.tif 000012
ただし、
【数１２】
0004806741.tif 000013
である。この絞り出口圧力が与えられれば、(6)あるいは(7)式に代入することで流量を計算することができる。
【００２３】
次に、絞り出口圧力ｐ0と周囲圧力ｐaから軸受面２上の圧力分布を計算する。
しかし、圧力分布を実際に計算することは難しく、ここでは圧力ｐ(θ)をθの一次関数として近似する。すなわち、
【数１３】
0004806741.tif 000014
ただし、θ＜θ0においてはｐ＝ｐ0で一定であるとする。
【００２４】
この圧力分布を(4)式に代入することにより、負荷容量を求めることができる。(9)の近似式を用いた場合、負荷容量は具体的に以下の式で計算できる。
【数１４】
0004806741.tif 000015
軸受剛性は浮上幅ｈの増加量に対する負荷容量の減少量の割合である。すなわち、
【数１５】
0004806741.tif 000016
で求めることができる。 負荷容量の計算の場合と同様に(9)の近似式を用いた場合、(14)式をｈで微分することにより軸受剛性は以下の式で計算できる。
【数１６】
0004806741.tif 000017
ここで、
【数１７】
0004806741.tif 000018
である。
【００２５】
以上のように、給気圧力ｐs、周辺圧力ｐa、絞り出口位相θ0、軸受端位相θa、スロット幅ｈsl、スロット深さｌsl、浮上幅ｈをパラメータとして、流量、軸受の負荷容量すなわち浮上させることが可能な球の質量、軸受剛性を算出することが可能となる。実際の設計手順としては、ｐs、ｐa、θ0、θa、ｈsl、ｌslを固定した上でｈを目標設計値近辺で変化させ、流量、負荷容量、軸受剛性の計算を行う。
【００２６】
ここではスロット絞り形式の場合について軸受性能の計算手法を提示したが、この手法は他の絞り形状、例えば自成絞りやオリフィス絞りの点状給気の軸受にも適用可能である。本手法の新しいところは球面状の軸受面において浮上幅を定式化し、球面状の軸受面における圧力分布から負荷容量、流量、軸受剛性を算出する手法を与えたことにあり、これは絞り形状を問わず適用可能である。
【００２７】
自成絞り、オリフィス絞りといった通常の軸受の絞り形式が点状の給気孔であるのに対して、スロット絞りは線状に給気する。球面上スラスト軸受においては円形にこの絞りを配置することにより、同心円状の圧力分布が形成され放射状にほぼ一様な流れを形成することができる。これにより、給気圧力に対して効率的に負荷容量を上げることが可能となる。逆に、目的の負荷容量を得るために必要な給気圧力は小さくて済み、同時に流量も少なくすることができる。このようにスロット絞りを球面軸受に適用することにより、微小差圧、微小流量での球の浮上が可能となる。
【００２８】
球面軸受上を流れる気体による粘性力は、球に対し回転擾乱を与える。しかし微小差圧・微小流量での給気条件が達成されたことにより、軸受面上は安定な一様流れが支配することになり、この流れが球に及ぼす粘性トルクを低減することができる。
【００２９】
円形スロット絞りを球面軸受に応用した軸受性能計算に基づくと、微小流量、微小差圧、高剛性の性能を得るためには、浮上幅をできる限り小さく設計すればよいことがわかる。しかし、微小な浮上幅においても軸受面上に一様な流れを作り出す流路を構成するためには、軸受面、剛体球ともに高精度で仕上げられている必要がある。また、浮上幅を小さくする軸受を実現するには、スロット幅もできる限り小さくする必要性が生じる。円形スロットにおいて、一様な流れを作り出す流路を構成するためには、全周にわたって均一な幅を実現する必要がある。このような高精度の軸受面かつ微小で全周にわたって均一な幅の環状スロットを有する軸受の製作において、従来の機構設計および機械加工手法における難点を以下のように解決した。
【００３０】
円形スロット絞りを形成するスロット内側の部材とスロット外側の部材において、スロット幅はスロット内側の外周半径とスロット外側の内周半径の差で表される。円形のスロットにおいてそのスロット幅を極めて小さく、また全周において均一化するためには、このスロット内側部材の中心軸とスロット外側部材の中心軸を高精度で一致させ保持する必要がある。本発明では、図３に示すように、このスロット内側９とスロット外側１０の部材の中心軸を高精度で一致させるために、両者の合わせ部分１１をテーパー形状にした。その結果、スロット幅は全周において容易に均一化することが可能となる。
【００３１】
実際にはスロット内側９とスロット外側１０のテーパー部合わせ面１１については、完全同一のテーパー角度に機械加工仕上げをするのは困難である。
そこで、本発明では、スロット内側９とスロット外側１０の直線接合部１２において約０．１ｍｍの隙間１３を設け、両者を数箇所でネジ止め１４で調整する方式を採用した。そして、実際に、給気口５より空気を給気し、スロットから吐き出される空気については水中で気泡の大きさを確認しながら、数箇所のネジ締付け具合を微調整することにより、スロット全周部における空気吐出し量の均一化を実現した。
【００３２】
この手法により、スロット内側９とスロット外側１０のテーパー部合わせ面１１の完全結合も実現し、テーパー部における僅少の空気漏れも防止可能となったので、空気の吐き出しが安定するようになった。
【００３３】
球面軸受においては、スロット内側９とスロット外側１０の位置を調整することにより軸受面２の球面形が崩れてしまう。そこで本発明では、スロット内側９とスロット外側１０の位置関係を調整して組み上げた後に、軸受面２を一体機械加工で仕上げる手法を採用した。これにより、高精度で球面形状を実現できるようになる。
【００３４】
軸受性能の定式化において採用した浮上幅の近似は、浮上球１の半径と軸受面２の曲率半径が一致するものとして計算された。浮上球１の半径と軸受面２の曲率半径が異なる場合、浮上幅によって圧力分布が異なり、浮上する際の気体の流れが不安定になるという問題がある。本発明では、浮上球１の半径と軸受面２の曲率半径が高精度で一致するよう仕上げるために、軸受面２にラッピング仕上げ（磨き加工）を施した。これにより、浮上球１の半径と軸受面２の曲率半径が高精度で一致し、球面軸受上の気体の流れを安定にすることできる。
【００３５】
ここで、上記図３に示した球面静圧気体軸受の構成は、次のように別の表現により示すこともできる。
【００３６】
球面静圧気体軸受１００は、上部部材２００とこれに組み合わせられる下部部材３００とを含む。
上部部材２００は、内部に貫通穴が形成された円筒型の形状を有する。この上部部材２００の上面２０１は球面状に形成されている。この上面２０１には、開口部（上面開口部）２０２が形成されている。また、下面２０３にも、開口部（下面開口部）２０４が形成されている。上部部材２００には、これら上面開口部２０２と下面開口部２０４とを連通させる貫通穴が形成されている。
【００３７】
このような貫通穴は、上面開口部２０２と外部から空気を取り入れる給気口２０５とに連通する導入路２０６を含む。さらにこの貫通穴は、この導入路２０６に連通する係合穴２０７をも含む。この係合穴２０７は、下方向に進むにつれて増加する断面積を有するテーパ部２０７ａ（このテーパ部２０７ａが合わせ面１１を形成することになる）と、断面積が一定の部分２０７ｂと、を含む。この係合穴２０７は、下面開口部２０４と連通する。
【００３８】
下部部材３００は、上部部材２００の導入路２０６より小さい断面積を有し、係合穴２０７を通って導入路２０６に挿入される円柱状の挿入部３０１と、この挿入部３０１に結合され係合穴２０７に係合するように形成された係合部３０２と、この係合部３０２を上面３０３の上に載置するベース部３０４と、を含む。
【００３９】
挿入部３０１は、上部部材２００の導入路２０６に挿入されることにより、導入路との間に環状のスロット３を形成する。この挿入部の上端と下端との間には、この挿入部の他の部分よりも断面積が小さい部分３０１ａが形成されており、この部分３０１ａは、導入路２０６とともにチャンバー４を形成する。このチャンバー４は給気口２０５と連通する。
さらに、挿入部３０１の上面３０１ｂは、上部部材２００の上面２０１とともに球面を形成するように構成されている。
【００４０】
係合部３０２は、その上端において挿入部３０１の下端と結合されている。この係合部３０２は、下方向に進むにつれて断面積が増加するテーパ部３０２ａ（このテーパ部３０２ａが合わせ面１１を形成することになる）を含むように形成されている。このテーパ部３０２ａは、上部部材２００のテーパ部２０７ａに係合し、その外周面がテーパ部２０７ａの内周面にほぼ一致するように形成されている。
【００４１】
さらに、係合部３０２は、テーパ部３０２に結合され断面積が略一定の部分３０２ｂを含む。この部分３０２ｂは、テーパ部３０２ａの略全体が上部部材２００のテーパ部２０７ａに覆われたときに、上部部材２００の係合穴の外部に延出するように、構成されている。この部分３０２ｂにおける上部部材２００の係合穴の外部に延出する部分（間隙形成部）が、上述した隙間１３すなわち間隙１３を与えることになる。よって、間隙１３の大きさは、例えば、係合部３０２の部分３０２ｂの高さを調整することにより、変化させることができる。
【００４２】
さらに、上部部材２００の下面２０３及び下部部材３００のベース部３０４には、上部部材２００と下部部材３００とを互いに締め付けて間隙１３の大きさを変化させるためのネジを通すネジ穴２０８、３０５が形成されている。
【００４３】
なお、図３には、上部部材２００及び下部部材３００のそれぞれにテーパ部２０７ａ及びテーパ部３０２ａを形成して、上部部材２００の導入路２０６の中心軸と下部部材３００の挿入部３０１の中心軸とを高精度に一致させる構成（テーパ部加工方式）、及び、これらのテーパ部の完全な結合を実現するために間隙１３を設ける構成（間隙加工方式）の両方を実施した球面静圧気体軸受が、本発明の最良の実施の形態として示されているが、本発明は、これに限定されるものではなく、テーパ部加工方式のみを実施した球面静圧気体軸受も含む。
【００４４】
このような構成を有する上部部材２００と下部部材３００とを、次のような手順に従って組み付けることにより、球面静圧気体軸受が製造される。
【００４５】
まず、上述した構成を有する上部部材２００及び下部部材３００がそれぞれ個別に製造される。次に、上部部材２００と下部部材３００とが、下部部材３００のテーパ部３０２ａの略全体が上部部材２００のテーパ部２０７ａに覆われるように、組み合わされる。これにより、下部部材３００の係合部３０２のうち部分３０２ｂの一部分（すなわち間隙形成部）のみが、上部部材２００の係合穴の外部に延出することになる。この結果、上部部材２００の下面２０３と下部部材３００のベース部３０４の上面３０４との間には、間隙が形成される。
【００４６】
この後、上部部材２００のネジ穴２０８及び下部部材３００のネジ穴３０５にネジが挿入され、上部部材２００と下部部材３００とが互いに締め付けられる。この締め付けを調整することにより、上部部材２００のテーパ部２０７ａの中心軸と下部部材３００のテーパ部３０２ａの中心軸と（ひいては導入路２０６の中心軸と挿入部３０１の中心軸とを）を高精度で合わせることができる。この結果、導入路２０６と挿入部３０１との間に形成される環状スロット３の幅を高精度で均一にすることができる。
【００４７】
なお、このような締め付けを行う際には、上部部材２００の上部部材２００に対して給気口２０５から空気を供給するとともに、上部部材２００の上面開口部２０２を水中に浸すこともできる。この結果、環状スロット３を通って上面開口部２０２から吐出される空気の量に従って、ネジの締め付けを微調整することにより、環状スロット３の幅をより高精度に調整することができる。
【００４８】
このような締め付けが完了した後、上部部材２００の上面２０１と下部部材３００の挿入部３０１の上面３０１ｂとにより形成される球面に対して、磨き加工が施される。
【００４９】
球体浮上装置の性能計算を行うために、球面軸受を数学的に定式化した。これにより、要求性能を実現するための定量的設計が可能になった。
【００５０】
本発明で採用している円形スロット絞りスラスト軸受を適用することにより、従来にない低擾乱トルクの球体浮上装置が実現できる。これにより、３次元回転自由度を持つ球体をより高精度で綿密に制御を行う対象に適用可能となる。また、本浮上装置を作動させるためのポンプの規模を小さくすることができ、省エネルギー・省スペース・軽量化・高信頼性化・騒音低減の観点で従来のものより有利となる。たとえば従来機械式ポンプが必要であったような球体浮上装置においても、圧電振動ポンプが適用可能となり、応用範囲は非常に広範にわたる。
【００５１】
加工・精度管理手法の観点では、球面軸受に適用するのが困難であった円板形スロット絞りスラスト軸受の加工精度の確保を、本発明で提示する加工手法・機構により容易に実現できるようになった。これは従来の平面軸受にも適用可能であり、その加工精度の確保も同様に容易に実現できるようになった。
【００５２】
一例として、人工衛星の姿勢制御装置（3次元球体リアクションホイール）の試験機として製作した、直径11/8インチの鋼球を浮上させる装置例を図４に示す。図４は給気口を含む断面図である。ポンプにより給気口５から流入した気体は、リング形のチャンバー４を介して、円筒状に配したスロット３へと供給される。スロット３から軸受面２内に噴出されると、気体は軸受面２を放射状に広がり、軸受端８において開放される。この試作機における設計パラメータは、絞り出口位相θ0は27.27[deg]、軸受端位相θaは66.38[deg]、スロット深さｌslは10[mm]、スロット幅ｈslは5[μm]である。この設計条件において給気圧力ｐsを0.03[MPa]とすると鋼球は浮上した。このとき流量Ｍは0.016[l/min]であった。給気圧力と流量の関係について、本発明における定式化による理論値と製作した装置による実験値は良く一致していることがわかっており，設計段階において性能を見積もることが可能であることが確認できている。
【００５３】
本試作機の製作では、図５の分解図に示すように内側スロット９と外側スロット１０をテーパー形状の面１１を合わせて組み上げた。これにより内側スロット９と外側スロット１０の中心軸を同一化し、スロット３の溝幅５[μm]を全周において均一に達成することに成功した。その後、組み上げた軸受面２を一体機械加工を施し、さらにラッピング加工で仕上げることにより、軸受面２全体で流れを安定化する高精度の球面を実現した。
【００５４】
なお、スロット３の幅が一例として５[μm]である場合について説明してきたが、本発明は、これに限定されるものではない。微小流量・微小差圧・高剛性を実現するには、浮上幅をできる限り小さい値に設計する必要があり、これを実現するためにスロット幅もできる限り設計する必要がある。一方で、浮上幅、スロット幅を極端に小さく設計すると工作上の誤差の影響が大きくなり、期待した性能が得られなくなる。本試作機では、圧電振動ポンプでも作動可能となるような軸受性能を実現し、かつ工作誤差の影響が大きくならない程度の設計値として、スロット３の幅を５[μm]とし、実際に性能計算で得た値に近い性能を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、ロボットアームの関節、低擾乱機械式ジャイロ、慣性諸元測定装置、3次元自由運動模擬装置（無重力模擬）、人工衛星の姿勢制御装置、超精密リニアガイド、耐震及び防振装置、遊園地の機械遊具、非接触パラレルリンク機構装置、超精密定盤、僅小接触感応型回転ドア、僅小接触感応型回転舞台、ワークテーブル、トラックボール（マウスの球が上になっている物）、全方向移動台車、大型スピーカー台（防振用途）、その他介護・健康・医療機器への応用化が可能である。
【００５６】
これらのうち一例として、本発明を非接触パラレルリンク機構装置に適用した具体例について、図６を参照して説明する。
【００５７】
図６（ａ）は、本発明に係る球面静圧気体軸受を利用した非接触パラレルリンク機構の構成を示す模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した非接触パラレルリンク機構の構成を示す分解図である。
【００５８】
図６（ａ）に示すように、非接触パラレルリンク機構は、主に、板状のテーブル６０１と、板状のベース６０２と、複数の支持機構６０３と、を含む。この図６（ａ）には、複数の支持機構６０３の一例として、３つの支持機構６０３が用いられている。
【００５９】
図６（ｂ）に示すように、支持機構６０３は、支柱６０３ａと、この支柱６０３ａとテーブル６０１及びベース６０２との間にそれぞれ配置される１つの浮上球６０３ｂ及び２つの軸受支柱６０３ｃと、を含む。軸受支柱６０３ｃとして、本発明に係る球面静圧気体軸受が用いられている。
【００６０】
一般的なパラレルリンク機構と同様に、図６に示した非接触パラレルリンク機構によれば、複数のリンク機構すなわち支持機構６０３をそれぞれ並列に制御して、１点の動き（すなわちテーブル６０１の動き）を決めることができる。
【００６１】
さらには、図６に示した非接触パラレルリンク機構によれば、リンク機構すなわち支持機構６０３において、浮上球６０３ｂと軸受支柱６０３ｃとが非接触となるので、摩擦抵抗のないリンク機構を実現することができる。よって、本発明に係る球面静圧気体軸受を利用した非接触パラレルリンク機構は、産業上の利用用途が大きいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】球面軸受における浮上幅の説明図である。
【図２】円形スロット絞りスラスト球面軸受の模式図である。
【図３】本発明に係る球面静圧気体軸受の構成を示す模式図である。
【図４】本発明に係る球面静圧気体軸受を用いた姿勢制御装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係る球面静圧気体軸受を用いた姿勢制御装置の構成を示す分解図である。
【図６】本発明に係る球面静圧気体軸受を利用した非接触パラレルリンク機構の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  浮上球
２  軸受面
３  スロット
４  チャンバー
５  給気口
６  絞り出口
７  軸受最下面
８  軸受端
９  スロット内側
１０  スロット外側
１１  合わせ面
１２  直線結合部
１３  隙間（間隙）
１４  ねじ止め
【図１】
0004806741.tif 000019
【図２】
0004806741.tif 000020
【図３】
0004806741.tif 000021
【図４】
0004806741.tif 000022
【図５】
0004806741.tif 000023
【図６】
0004806741.tif 000024