(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向の軸受けをするために軸に沿ってハウジング内に配設された３つの気体軸受が存在し、第１の気体軸受及び第３の気体軸受が互いに同軸に取り付けられており、第１の気体軸受と第３の気体軸受との間の中心に存在する第２の気体軸受が、第１及び第３の気体軸受に対して偏心的な変位をさせられるように取り付けられている、一方の端部に工具を配設した高速回転軸の気体軸受装置において、
変位装置（１）が、増加する軸（３）の回転数により増加する第２の気体軸受（２）の偏心的な変位を行なうために設けられていること、
変位装置（１）が、半径方向の緊張力ＦＶ  を空気圧により発生させるための一体化された変位装置（１）として形成されており、孔（１３）を介して軸受間隙（６，７）と接続されている圧力室（１２）が、半径方向の緊張力ＦＶ  を発生させるために設けられていること、
圧力室（１２）が、第２の気体軸受（２）とハウジング（５）との間に配設されていることを特徴とする気体軸受装置。
【請求項２】
ハウジング（１４）に対する第２の気体軸受（２）の半径方向の遊び（４）が、収容される軸（３）に対する気体軸受（２）の半径方向の軸受間隙と同じ大きさであることを特徴とする請求項１に記載の気体軸受装置。
【請求項３】
第２の気体軸受（２）が、軸方向の遊び（５）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体軸受装置。
【請求項４】
第２の気体軸受（２）の両方の平坦面（３１，３２）の一方が、第１の気体軸受（９）又は第３の気体軸受（８）の平坦面（３３，３４）と接触することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項５】
半周波数渦を使用する際の第２の気体軸受（２）の半径方向の剛性ｃに対する変位装置（１）の半径方向の緊張力ＦＶ  の比が、気体軸受装置の運転回転数におけるよりも３．３倍だけ大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項６】
第２の気体軸受（２）の軸方向の遊び（５）が、その長手方向膨張率αと、軸受幅Ｂと、運転回転数における第２の気体軸受（２）とハウジング（１４）との間の温度差Δｔの積よりも１．１５倍だけ大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項７】
第２の気体軸受（２）の半径方向の摩擦力ＦＲ  が、運転回転数における変位装置（１）の最大の半径方向の緊張力ＦＶｍａｘの６５％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項８】
第２の気体軸受（２）の偏心的な変位が、気体軸受装置の静止状態で、第２の気体軸受（２）の半径方向の軸受間隙（６）の１０％の最小偏心度を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項９】
圧力室（１２）が、圧力損失に対するシール装置を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項１０】
シール装置が、少なくとも１つのシール（１６，１７）を備えることを特徴とする請求項９に記載の気体軸受装置。
【請求項１１】
シール（１６，１７）が、シリコンから成ることを特徴とする請求項１０に記載の気体軸受装置。
【請求項１２】
圧力室（１２）の周囲角度βが、１２０°であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項１３】
圧力室（１２）の周囲角度βが、最大で２１０°であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項１４】
運転状態にある圧力室（１２）の間隙高さ（１８）が、第２の気体軸受（２）の半径方向の遊び（４）の７０％であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の軸受装置。
【請求項１５】
圧力室（１２）の直径が、第２の気体軸受（２）の直径よりも１．７倍だけ大きいことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項１６】
圧力室（１２）の幅が、第２の気体軸受（２）の軸受幅の４０％であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の気体軸受装置。
【請求項１７】
半径方向の軸受けをするために軸に沿ってハウジング内に配設された３つの気体軸受が存在し、第１の気体軸受及び第３の気体軸受が互いに同軸に取り付けられており、第１の気体軸受と第３の気体軸受との間の中心に存在する第２の気体軸受が、第１及び第３の気体軸受に対して偏心的な変位をさせられるように取り付けられている、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の一方の端部に工具を配設した高速回転軸の気体軸受装置を運転するための方法において、
変位装置を介して、増加する軸の回転数と共に増加する第２の気体軸受の偏心的な変位が行なわれるようにすること、
変位装置が、空気圧により操作され、孔を介して、第２の気体軸受に作用する変位装置の圧力室の圧力供給が、半径方向又は軸方向の軸受間隙によって行なわれるようにすることを特徴とする気体軸受装置を運転するための方法。
【請求項１８】
孔に対する開口部における半径方向又は軸方向の軸受間隙内の圧力が、増加する軸の回転数と共に増加し、減少する回転数と共に降下するようにすることを特徴とする請求項１７に記載の気体軸受装置を運転するための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の上位概念の特徴を有する、一方の端部に工具を配設した高速回転軸の気体軸受装置に関する。更に、本発明は、特許請求項１７の上位概念の特徴を有する、高速回転軸の気体軸受装置を運転するための方法に関する。
【０００２】
従来技術としては、独国特許第１９７  ２５  ７８４号明細書から、高速回転する工具の気体軸受装置が公知であるが、この場合、軸を半径方向に軸受けするために、少なくとも３つの気体軸受が存在し、その第１の気体軸受の軸受穴と第３の気体軸受の軸受孔は、互いに同軸に配設されており、一方、第２の気体軸受の軸受孔は、第１及び第３の気体軸受の軸受孔に対して偏心的な変位をさせられるように取り付けられている。
【０００３】
更に、独国特許第１９８  ２１  ６０１号明細書（独国特許第１９７  ２５  ７８４号明細書に対する追加特許）には、ハウジングに対する中心の気体軸受の半径方向の剛性の値が、ハウジングに対する第１又は第３の気体軸受の半径方向の剛性の値に対してできるだけ小さく選択されるべきである高速回転軸の気体軸受装置が記載されている。
【０００４】
本発明の基本にある課題は、個々に一定の運転条件に適合させることができる、一方の端部に工具を配設した高速回転軸の気体軸受装置を提供することである。更に、この様式の気体軸受装置を運転するための方法が提供されるべきである。
【０００５】
この課題は、気体軸受装置に対して、上位概念と関連して特許請求項１を特徴付ける部分の特徴によって解決される。気体軸受装置の有利な実施形は、従属請求項２〜１６に記載されている。方法に対して、この課題は、特許請求項１７を特徴付ける部分の特徴によって解決される。有利な方法の変形例は、従属請求項１８に記載されている。
【０００６】
本発明による気体軸受装置は、軸の回転数に依存して第２の気体軸受の偏心的な変位を行なうための変位装置を備えている。高速回転軸の気体軸受装置が、非常に高い１２０，０００ｒｐｍの回転数又はそれ以上で運転される場合には、軸の最終回転数が超臨界の振動領域に存在する。これにより、最終回転数へと軸を増速する際は、気体軸受装置の第１の固有振動を通過しなければならず、このことは、使用者側が必要とする常に高い最終回転数で増々困難となる。何故なら、常に高い軸のバランス状態が要求されるべきであるからである。
【０００７】
本発明による気体軸受装置では、変位装置を介して、増速及び減速する際の軸の回転数に依存して変化する半径方向の緊張力が第２の気体軸受に導入され、変位装置の半径方向の緊張力は、特に増速する際に増加する回転数と共に増加する。これにより、軸受けされた軸は、最終回転数に達した際に初めて運転されるのではなく、超臨界の振動領域にある最終回転数に向かう全増速領域の間も運転される。これにより、気体軸受装置のいかなる固有振動も、もはや通過する必要はなく、僅かな軸のバランス状態を要求することができる。
【０００８】
軸の回転数に依存して変位装置の緊張力を変化させる場合、軸に対する第２の気体軸受の半径方向の軸受間隙も、またこれにより、ハウジングに対する第２の気体軸受の間隙高さも変化する。
【０００９】
軸を増速する際の増大した安定性を得るため、ハウジングに対する第２の気体軸受の半径方向の遊びは、収容される軸に対する第２の気体軸受の半径方向の軸受間隙と同じ大きさであるべきことが分かった。
【００１０】
気体軸受装置の別の有利な実施形によれば、第２の気体軸受から、第１又は第３の気体軸受を介して摩擦熱が空気又は水で冷却されるハウジングに導出される。
【００１１】
第２の気体軸受の十分な変位能力を全ての運転状態にわたって得るために、その軸方向の遊びは、その長手方向の膨張率αと、軸受幅Ｂと、運転回転数における第２の気体軸受とハウジングとの間の温度差Δｔの積よりも１．１５倍だけ大きくあるべきである。
【００１２】
更に、回転数を増速する際の軸受装置の改善された安定性は、半周波数渦を使用する際の第２の気体軸受の半径方向の剛性ｃに対する変位装置の半径方向の緊張力ＦＶ  の比が、気体軸受装置の運転回転数におけるよりも３．３倍だけ大きい場合に得られる。
【００１３】
第１又は第３の気体軸受の平坦面と中心の第２の気体軸受の平坦面との間の半径方向の摩擦力ＦＲ  のベクトルは、その半径方向の緊張力を変化させる際の第２の気体軸受の運動方向と対向している。従って、最終回転数へと軸を増速する際は、半径方向の摩擦力が、変位装置の半径方向の緊張力とは反対に作用し、一方、軸を減速する際は、摩擦力が、緊張力と同じ方向に作用し、これにより、第２の気体軸受は、軸を減速する際に付加的に負荷を受ける。第２の気体軸受の過負荷を回避するため、第２の気体軸受の半径方向の摩擦力は、運転回転数における変位装置の最大の半径方向の緊張力ＦＶｍａｘの６５％であるべきである。
【００１４】
最終回転数へと増速する際の初期段階で既に軸を有利に安定化することは、変位装置が、気体軸受装置の静止状態で、軸に対する第２の気体軸受の半径方向の軸受間隙の１０％の最小偏心度を備える場合に得られる。
【００１５】
本発明では、半径方向の緊張力が、空気圧により発生させられ、孔を介して軸の軸受間隙と接続されている圧力室が半径方向の緊張力を発生させるために設けられている。この孔は、圧力補償孔として使用され、これにより、軸の半径方向又は軸方向の軸受間隙内で上昇させられる圧力は、第２の気体軸受の圧力室に更に伝導され、これにより、第２の気体軸受では、所望の半径方向の緊張力が、その時間的な経過と共に、回転数に依存して上昇もしくは降下する。これにより、例えば半径方向の緊張力を電気又は電磁気により発生させるためのいかなる付加的なユニットも必要なく、半径方向の緊張力は、運転回転数へと軸を増速する際に自動的に形成される。
【００１６】
圧力室は、気体軸受装置のハウジング内に取り付けることができ、特に有利な実施形にあっては、気体軸受とハウジングの間に配設され、いかなる別の構成要素も必要とされない。圧力補償孔及び圧力室は、できるだけ小さな容積を占めるべきである。何故なら、気体軸受装置の移送能力は低く、従って、最終回転数へと軸を増速する際の所望の迅速な圧力上昇においては、第２の気体軸受とハウジングとの間の圧力室が、できるだけ小さい間隙高さを備えるべきであるからである。
【００１７】
しかしながら、有利な様式では、運転状態にある圧力室の間隙高さが、第２の気体軸受の半径方向の遊びの７０％である。圧力室の幅は、必要な半径方向の緊張力を調達するために、第２の気体軸受の軸受幅の４０％であるべきである。
【００１８】
圧力室内での確実な圧力上昇を得るために、シール装置が設けられるべきであり、このシール装置は、有利な様式では、シールリングを介して構成される。これらのシールリングは、第２の気体軸受の半径方向の剛性をできるだけ僅かに増大させるために、シリコンから構成することができる。
【００１９】
自己調整的な空気圧による半径方向の緊張力の発生を行なうための説明した形成される変位装置では、半径方向の緊張力の発生を行なうための言及した他の原理による変位装置とは逆に、いかなる電気による制御装置／調整装置も必要ない。むしろ、自己調整的な空気圧による半径方向の緊張力の発生が行なわれ、これは、補償孔が圧力室へと通じる加圧ポイントを相応に選択することにより、最終回転数へと増速する際に増加する所望の半径方向の緊張力の経過を生じさせる。
【００２０】
シリンダ状に形成された第２の気体軸受では、圧力室が、有利な様式では、第２の気体軸受の外側の表面の部分領域に取り付けられており、この場合、半径方向の緊張力の発生を行なうための圧力室の周囲角度βは、最大２１０°である。特に有利な、また適切な半径方向の緊張力の作用は、圧力室の周囲角度βが１２０°である場合に生じる。
【００２１】
一方の端部に工具を配設した高速回転軸の気体軸受装置を運転するための本発明による方法では、変位装置を介して、増加する軸の回転数により増加する第２の気体軸受の偏心的な変位が行なわれる。
【００２２】
変位装置は、自動的に空気圧により操作され、この場合、いかなる外部からの気体供給も行なわれず、半径方向の緊張力を発生させるための圧力上昇は、軸の軸受間隙と圧力室との間の孔を介して行なわれる。
【００２３】
この場合、有利な様式では、孔の開口部における半径方向又は軸方向の軸受間隙内の圧力が上昇し、減少する回転数と共に降下し、これにより、軸を増速もしくは減速する際に上昇もしくは降下する所望の半径方向の緊張力の経過が生じる。
【００２４】
本発明を、指図における実施例を基にして詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本質的にシリンダ状に形成されたハウジング１４内の高速回転軸３の従来技術による気体軸受装置を示す。軸３は、モータ１５、例えば、直流モータ又は三相交流非同期モータによって駆動され、この場合、気体軸受装置は、中心の第２の気体軸受２と第１の気体軸受９と第３の気体軸受８とから成り、これらの気体軸受は、ウェブ３５を介して結合することができる。
【００２６】
モータ１５とは逆の方向に面する軸３の端部には、ポリゴンミラー２７が存在することができ、このポリゴンミラーは、ハウジング１４内の開口部２８を介して光線、例えばレーザ光線によって照明を受けることができ、反射されたレーザ光線は、レーザディスプレイテクノロジ（ＬＤＴ）によるデジタル画像を構成するために使用することができる。この場合、軸３は、１２０，０００ｒｐｍの回転数又はそれ以上で運転される。言及したＬＤＴ応用のための応用例は、多数の内のただ１つに過ぎない。軸３の端部には、他の任意の工具を取り付けることもできる。
【００２７】
図１による気体軸受装置では、例えば電磁気により作動する変位装置１は、図２によるハウジング１４の保持装置２０に設けられており、この変位装置は、アンカ２２、ジョイント２３、レバー１１、ホルダ３９の軸受２５における別のジョイント２４、プル／プッシュロッド２１を介して、中心の第２の気体軸受２と結合されている。変位装置１を操作する場合、第２の気体軸受２に対して、力の方向２９にプル／プッシュロッド２１を介して半径方向の緊張力ＦＶ  が導入される。これにより、変位装置１は、増加する軸３の回転数により増加する第１の気体軸受９及び第３の気体軸受８に対する第２の気体軸受２の偏心的な変位を行なうために使用され、この回転数は、例えば回転数センサ１０、例えばホールセンサを介して確定される。回転数センサ１０は、図示されてない制御装置／調整装置を介して変位装置１の制御装置と接続されており、従って、制御装置は、運転回転数へと軸３を増速する際に軸３の回転数が増加する場合、増加する半径方向の緊張力ＦＶ  を、第２の気体軸受２に加えることができる。この場合、プル／プッシュロッド２１は、ネジ３０を介して第２の気体軸受２と結合されている。
【００２８】
図１及び２による気体軸受装置では、外部の変位装置１が設けられており、この変位装置は、半径方向の緊張力ＦＶ  を、第２の気体軸受２に、軸３の回転数に依存して第１の気体軸受９及び第３の気体軸受８に対して第２の気体軸受の偏心的な変位を行なうために導入する。
【００２９】
図３〜５からは、本発明による気体軸受装置の特に有利な実施形が分かるが、この場合、いかなる独立した変位装置１も設けられておらず、軸３を増速及び減速する際に第２の気体軸受２の偏心的な変位を行なうための半径方向の緊張力ＦＶ  は、空気圧によって半径方向の軸受間隙６又は軸方向の軸受間隙７内で上昇させられた圧力により発生させられ、この圧力は、圧力室１２を有する孔１３ａ又は１３ｂを介して、半径方向の緊張力ＦＶ  を調達するための第２の気体軸受２に供給される。
【００３０】
第２の気体軸受２は、平坦面３１，３２を備えており、これらの平坦面は、第３の気体軸受８及び第１の気体軸受９の平坦面３３，３４に、第２の気体軸受２から熱を導出するために接触させることができる。平坦面３１，３２の間の間隔は、第２の気体軸受２の幅Ｂに相応する。図３，５による気体軸受装置の実施形にあっては、固定ネジ３８を設けることができ、しかしながらこの固定ネジは、穿孔することによって製造する際に第２の気体軸受２を固定するためにだけ使用され、第２の気体軸受２の偏心的な変位と関連したいかなる応用も備えていない。
【００３１】
第２の気体軸受２は、ハウジング１４に対する半径方向の遊び４を、また、ここでは第１の気体軸受９に対する軸方向の遊び５を有する。
【００３２】
図３による気体軸受装置は、孔１３ａを備えており、この孔は、第２の気体軸受２と軸３との間の半径方向の軸受間隙６から出発して、第２の気体軸受２とハウジング５との間の圧力室１２への接続部を確立する。軸３を増速する際、半径方向の軸受間隙６内で上昇させられた圧力は、孔１３ａを介して圧力室１２に更に伝導され、そこで、第１の気体軸受９及び第３の気体軸受８に対する第２の気体軸受２の偏心的な変位を行なうために増加する所望の半径方向の緊張力ＦＶ  が構成される。
【００３３】
図４による断面図Ｇ−Ｈからは、傾斜角度γが分かり、この傾斜角度は、垂直に対する孔１３ａの位置を示す。圧力室１２は、間隙高さ３６及び周囲角度βを備えており、気体軸受装置の軸方向にはシール１６，１７によって、また第２の気体軸受２の接線方向にはシール１８，１９によって、ハウジング１４に対してシールされている。この場合、シール１６，１７，１８，１９は、アーチ形の四角形を構成する。加圧ポイント３７ａを有する孔１３ａは、圧力室１２に通じる。
【００３４】
図５による気体軸受装置の実施形にあっては、半径方向の孔１３ａの代わりに、加圧ポイント３７ｂを有する軸方向の孔１３ｂが設けられており、この孔は、圧力室１２と軸３の軸方向の軸受間隙７との間の接続部を確立する。
【００３５】
半径方向の孔１３ａを有する実施形の場合（図３，４を参照のこと）も、また軸方向の孔１３ｂを有する実施形の場合も、いかなる独立した変位装置１も必要としない。図１，２による変位装置１のように第２の気体軸受２に作用する半径方向の緊張力を調達するために必要な圧力は、独立した気体供給装置を有することなく、軸受間隙６，７内で上昇させられる圧力によって内部で発生させられる。従って、空気圧式の変位装置と半径方向の緊張力ＦＶ  の調達装置を一体化したこの様式の気体軸受装置は、特に確実であり、僅かな数の構成要素しか必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による気体軸受装置の本質的にシリンダ状に形成されたハウジングを経る図２による縦断面Ｃ−Ｄを示す。
【図２】  図１による断面Ａ−Ｂを示す。
【図３】  本発明による気体軸受装置の実施形の本質的にシリンダ状のハウジングを経る図４による断面Ｅ−Ｆを示す。
【図４】  図３による断面Ｇ−Ｈを示す。
【図５】  気体軸受装置の別の実施形の本質的にシリンダ状のハウジングを経る縦断面を示す。
【符号の説明】
１                      変位装置
２                      第２の気体軸受
３                      軸
４                      半径方向の遊び
５                      軸方向の遊び
６                      半径方向の軸受間隙
７                      軸方向の軸受間隙
８                      第３の気体軸受
９                      第１の気体軸受
１０                      回転数センサ
１１                      レバー
１２                      圧力室
１３ａ，１３ｂ            孔
１４                      ハウジング
１５                      モータ
１６，１７，１８，１９    シール
２０                      保持装置
２１                      プル／プッシュロッド
２２                      アンカ
２３，２４                ジョイント
２５                      軸受
２７                      ポリゴンミラー
２８                      開口部
２９                      力の方向
３０                      ネジ
３１，３２，３３，３４    平坦面
３５                      ウェブ
３６                      間隙高さ
３７ａ，３７ｂ            加圧ポイント
３８                      固定ネジ
３９                      ホルダ
ＦＶ                        半径方向の緊張力
ＦＲ                        半径方向の摩擦力
ｃ                        半径方向の剛性
α                        軸受膨張率
β                        周囲角度
γ                        傾斜角度
Δｔ                      温度差
【図１】
0004116430.tif 000002
【図２】
0004116430.tif 000003
【図３】
0004116430.tif 000004
【図４】
0004116430.tif 000005
【図５】
0004116430.tif 000006