(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と可動部に互いに対向する軸受面を設け、上記２つの軸受面の間に形成された軸受隙間に給気絞りを介して圧縮空気を供給し、上記固定部に対して可動部を非接触状態に保持した静圧空気軸受において、上記軸受隙間の軸方向両側に、上記軸受隙間と連通し、かつ、その内部に導入される圧縮空気の圧力を周囲の雰囲気圧力よりも高圧に設定し得る加圧空間を形成し、上記固定部側に上記加圧空間と連通する給気管路を設け、この給気管路を圧力調整手段を介して圧縮空気源に接続した静圧空気軸受装置。
【請求項２】
両面対向型のスラスト板を具えた静圧空気スラスト軸受装置において、上記スラスト板の内周側または外周側に設けられた軸受隙間出口部と隣接状態で、軸受部材の固定部と主軸部材の可動部との間に、軸受隙間および非接触シール部を介して当該軸受装置の外部と隔離された加圧空間を形成し、かつ、上記軸受隙間の入口部に、圧縮空気源から上記加圧空間内に圧縮空気を導入するための給気管路を接続し、この給気管路に、上記加圧空間に流入する圧縮空気圧力の調整手段を設けた静圧空気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静圧空気軸受装置に関するものであり、より具体的に説明すると、例えば、半導体ウエハー研削用高速スピンドル装置のような精密加工機や精密検査機に組み込んで使用する静圧空気軸受装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静圧空気軸受は、可動部と固定部の間に微小な軸受隙間を設け、絞り弁などの圧力調整手段を介して圧縮空気を上記軸受隙間に導入し、軸受隙間内に導入された高圧空気の圧力によって、可動部を固定部に対して非接触状態に支持している。静圧空気軸受は、在来のオイル潤滑方式の軸受と比較したとき、摩擦抵抗が極めて少なく、また、所謂、平均化効果によって、軸受面の形状精度より高い案内精度が得られるため、精密加工機や精密検査機のスピンドルや直進案内装置などの軸受装置として使用され、その有用性が評価されている。
【０００３】
静圧空気軸受に組み込まれる圧力調整手段としては、軸受面に微細な穴を開口させた自成絞り、および、オリフイス絞り、狭い隙間の流路抵抗を利用するスロット絞り、多孔質材料の連通孔を利用する多孔質絞り、軸受面に給気源に連通する浅溝を設け、流れ方向の流路抵抗に変化を持たせる表面絞りなどが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静圧空気軸受は、低粘性で圧縮性のある気体、例えば、空気を潤滑媒体としてして使用しているため、上記の利点が評価される反面、オイル潤滑方式の軸受に比較して支持剛性や振動の減衰性能が低く、使用可能な産業分野が制約されるという問題点が指摘されている。このため、近年、加工または検査対象物に一層の精度向上が要求されるのに従って、静圧空気軸受においても、支持剛性や振動減衰性能の向上が強く要望されつつある。
【０００５】
このような要望に答えるため、静圧空気軸受の支持剛性を高める手段として、自成絞りやオリフイス絞りと浅溝を組み合わせた複合絞りが提案されているが、浅溝の容積を大きくすると、振動の減衰性能が低下し、浅溝の容積が一定の限界を越えると、自励振動が発生するという問題が指摘されている。一方、軸受給気圧を上げる方式も検討されているが、この方式を採用した場合、支持剛性が比例的に高まる反面、振動減衰性能の低下が避け難いという問題が付随する。別法として、軸受隙間を狭めることによって、支持剛性と減衰係数の両方を改善する方式も提案されているが、軸受隙間を狭めた場合、温度上昇に伴う軸受構成部材の熱変形などの影響が大きくなり、安定した軸受性能が得られなくなる。また、軸受隙間を狭目に設定した場合、軸受構成部材の寸法精度や形状精度を厳密に管理する必要があり、静圧空気軸受の製作コストが高騰してしまう。
【０００６】
本発明は、支持剛性と振動の減衰性能を共に向上させた、高精度の静圧空気軸受の提供を主要な目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軸受隙間と隣接状態で、圧縮空気の貯留空間（以下、加圧空間と称する。）を設け、この加圧空間内に供給された圧縮空気の圧力を、周囲の雰囲気圧より高圧に保持することによって、軸受隙間全体の圧力を上げ、これによって静圧空気軸受装置の支持剛性と振動減衰性能を向上させるものである。
具体的には、請求項１に記載のとおり、固定部と可動部に互いに対向する軸受面を設け、上記２つの軸受面の間に形成された軸受隙間に給気絞りを介して圧縮空気を供給し、上記固定部に対して可動部を非接触状態に保持した静圧空気軸受において、上記軸受隙間の軸方向両側に、上記軸受隙間と連通し、かつ、その内部に導入される圧縮空気の圧力を周囲の雰囲気圧力よりも高圧に設定し得る加圧空間を形成し、上記固定部側に上記加圧空間と連通する給気管路を設け、この給気管路を圧力調整手段を介して圧縮空気源に接続したことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、また、自成絞り、オリフィス絞り、多孔質絞りなどの給気圧力調整手段を軸受面に配置した両面対向型の静圧空気スラスト軸受において、一方のスラスト板の内周側または外周側に設けられた軸受隙間出口部と隣接状態で、軸受部材の固定部と可動部との間に、軸受隙間および非接触シール部を介して軸受装置の外部と隔離された加圧空間を形成し、この加圧空間内に供給された圧縮空気の圧力を、周囲の雰囲気圧より高圧に保持することによって、軸受隙間全体の圧力を上げ、これによって静圧空気スラスト軸受の支持剛性と振動減衰性能を向上させるものである。
具体的には、請求項２に記載のとおり、両面対向型のスラスト板を具えた静圧空気スラスト軸受装置において、上記スラスト板の内周側または外周側に設けられた軸受隙間出口部と隣接状態で、軸受部材の固定部と主軸部材の可動部との間に、軸受隙間および非接触シール部を介して当該軸受装置の外部と隔離された加圧空間を形成し、かつ、上記軸受隙間の入口部に、圧縮空気源から上記加圧空間内に圧縮空気を導入するための給気管路を接続し、この給気管路に、上記加圧空間に流入する圧縮空気圧力の調整手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
軸受隙間と隣接状態で、加圧空間を設け、この加圧空間に供給される圧縮空気の圧力を周囲の雰囲気圧力よりも高圧に保持することによって、軸受隙間全体の圧力を上げ、これによって静圧空気軸受装置の支持剛性と振動減衰性能を向上させる。本発明は静圧空気ラジアル軸受装置と静圧空気スラスト軸受装置の両方に適用して上記の効果を達成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、明細書に添付した図１〜図１４を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
まず、図１は本発明をラジアル軸受に適用した場合であって、図１（Ａ）に示すように、軸（１）の外径面と軸受部（２）の内径面は、微小な軸受隙間（３）を介して対向し、軸受面に連通する複数個の給気絞り（４）に圧縮空気源（図示せず）から圧縮空気を供給することによって、静圧空気ラジアル軸受を構成している。軸受部（２）の軸方向両端には、円周溝状の加圧空間（５）（5') が設けられ、加圧空間（５）（5'）は、非接触シール部（６）（6'）によって軸受外部の空間と仕切られている。非接触部のシール隙間（７）（7'）は、軸受隙間（３）と同程度の微小隙間であり、軸受隙間（３）から流出する軸受排気は、シール隙間（７）（7'）で絞られることによって、加圧空間（５）（5'）の内部圧力を軸の外部の雰囲気圧よりも高圧に保持している。
【００１２】
このような加圧空間を設けることによって、図１（Ｂ）に斜線で示すように、本発明の静圧空気軸受では、従来型の静圧空気軸受に比較して、軸受隙間全体の圧力が高くなり、振動の減衰性能が改善される。図１（Ｂ）中、圧力分布を示す折れ線のうち、実線は加圧空間（５）（5'）を設けた場合、点線は加圧空間を設けない場合の圧力分布をそれぞれ示している。シール隙間（７）（7'）から流出する空気は、ハウジング（８）に設けた排気管路（９）（9'）から系外に排出される。したがって、シール隙間（７）（7'）出口の空気圧は、雰囲気圧と等しくなる。
【００１３】
加圧空間（５）（5'）の圧力が円周方向に沿って一定でないと、不安定振動が発生するおそれがあるので、加圧空間（５）（5'）の寸法は、円周方向に沿う流路抵抗が軸受隙間に比べて無視し得る程度に大きくなるように選定する必要がある。給気絞り（４）は、図１においては自成絞りとして例示したが、静圧空気軸受で一般に使用されるオリフイス絞り、多孔質絞り、表面絞り、スロット絞り、給気孔絞り（自成絞り、または、オリフイス絞り）と浅溝からなる複合絞りなど、他の絞り方式も利用可能である。
【００１４】
図１に示す構成では、軸受の寸法諸元と非接触シール部(6)(6')の隙間寸法が決まれば、加圧空間(5)(5')の内部の空気圧力は一定値に維持される。一方、軸受面に設ける給気絞り(4)の給気側と軸受隙間(3)側の圧力の比が、ある最適値を取る時に、静圧空気軸受の静剛性は最大になる。このため、加圧空間(5)(5')に圧力調整弁（図示せず）を介して圧縮空気を供給することによって、加圧空間(5)(5')内の空気圧を調整すれば、軸受面の給気絞り(4)の圧力比を最適値に近づけることが可能になり、支持剛性の高い静圧空気軸受が得られる。
【００１５】
また、使用中に加圧空間(5)(5')内の空気圧を調整することによって、軸受特性を調整することも可能になる。ただし、軸受面の給気絞り(4)を正常に作動させて静圧空気軸受の静剛性を高めるためには、加圧空間(5)(5')内に圧縮空気を導入する時、加圧空間(5)(5')内の空気圧は、軸受面の給気絞り(4)出口部での圧力が、静圧空気軸受への供給圧力よりも低くなる範囲に制御する必要がある。また、軸受隙間(3)の変化に対応して、加圧空間(5)(5')の内部圧力が変化すると、加圧空間(5)(5')における圧力変化の遅れが逆に振動の減衰性能を低下させ、自励振動の原因にもなる。圧力調整手段、例えば、給気絞り(4)の作動によって加圧空間(5)(5')の内部圧力の変化を抑えれば、自励振動の発生を防止し、振動の減衰性能を向上させることができる。なお、加圧空間(5)(5')への給気管路は、断面積を十分に大きくして、絞り作用を発生させないようにする必要がある。
【００１６】
図２は、加圧空間（５）（5'）に圧力調節弁（11）を介して圧縮空気源につながる給気管路（10）を接続し、加圧空間（５）（5'）の内部圧力を調整可能にした静圧空気ラジアル軸受を示す。給気絞りとして、この実施例では、軸（１）の軸線と直交方向に延びる狭少隙間（12) の絞り作用を利用するスロット絞りが設けられている。
【００１７】
また、図３は、加圧空間(5)(5')に、絞り弁(13)を介して静圧空気軸受外に延びる排気管路(14)を接続し、加圧空間(5)(5')から軸受の外部空間に向かって流出する排気を絞ることによって、加圧空間(5)(5')の内部圧力を調整可能にした比較例を示す。給気絞りとしては、通気性のある多孔質材料(15)を利用した多孔質絞りが使用されている。
【００１８】
図１に示す実施例では、加圧空間（５）（5'）を静圧空気軸受の軸方向に沿う両端に設けたが、用途によっては、片側のみに設けるだけで十分な振動減衰効果が得られる場合がある。また、給気孔絞りや複合絞り、スロット絞りなど、軸受面の限られた範囲で、圧縮空気が流入するタイプの絞りを採用した静圧空気軸受で、片側に加圧空間を設ける場合には、加圧空間と反対側の、圧力が周囲の雰囲気圧と等しい方の軸受隙間出口の近傍に給気絞りを設けることによって、加圧空間の形成によって軸受隙間（３）の圧力が上がった場合でも、給気絞りの給気側と軸受隙間側の圧力比を最適値に近付けることができる。
【００１９】
図４は、静圧空気ラジアル軸受の一方の軸受端に非接触シール部(17)および加圧空間(16)を設け、給気絞り(18)および浅い円周溝(19)からなる複合絞りを他方の軸受端寄りに設けた比較例を示す。
【００２０】
図５は、静圧空気スラスト軸受(24)の外形側に加圧空間(21)および非接触シール部(20)を設け、給気絞り(23)を内径側寄りに設けた比較例を示す。空気管路(22)を介して、加圧空間(21)と圧力調整手段（図示せず）とを接続し、加圧空間(21)内の圧力を一定に維持することが望ましい。
【００２１】
次に、複数個の静圧空気軸受を隣接配置して使用する場合について説明する。この場合には、それぞれの軸受隙間が、非接触シール部としての作用を持つため、特別に非接触シール部を設ける必要性は認められない。
【００２２】
図６は、隣接配置された２個の静圧空気ラジアル軸受(28)(29)の間の円周溝状の空間(27)を加圧空間に構成した実施例を示す。
【００２３】
図７は、両面対向型静圧空気スラスト軸受(30)(31)の外形側に加圧空間(32)を設けた場合を示す。両面対向型の静圧空気スラスト軸受では、軸の変位に伴う圧力の変化は、逆向き（一方の圧力が上がると、他方の圧力は下がる）になるので、両面の加圧空間(32)を共通化し、加圧空間(32)の圧力変化を抑えることによって、自励振動の発生を抑制する。図７に点線で示すように、この比較例では、加圧空間(32)用の圧力調整手段を設けることも可能である。
【００２４】
図８は、隣接するスラスト軸受(38)とラジアル軸受(37)の間に加圧空間(39)を設け、さらに、加圧空間(39)と圧力調整手段とを連通する給気管路(40)(41)(42)を設けた実施例を示す。
【００２５】
図９および図１０は、本発明を、静圧空気軸受方式の直動案内装置に適用した実施例を示す。図１０は図９のＸ−Ｘ線から見た図である。直動案内装置の場合、固定ガイド部材の一つの面に対向して、移動テーブル側に溝で区切られた複数個の軸受(43)(49)を設ける場合が多い。これらの軸受部に、軸受給気管路(44)から圧縮空気が供給される。これらの軸受を囲む形で、非接触シール部(45)(48)を設けることによって、加圧空間を構成することができる。さらに、各面の加圧空間を空気管路(47)を介して圧力調整手段（図示せず）に接続し、各加圧空間の圧力を一定の値に維持する。
【００２６】
本発明によれば、溝などによらずに、軸受隙間の平均圧力を高めることができるため、従来の静圧空気軸受に比較して振動の減衰性能が良好で、外乱に強い、高精度の静圧空気軸受装置が提供される。
【００２７】
図１１は、本発明を適用した静圧空気スラスト軸受を示す。また、図１２は、その部分拡大縦断面図を示す。ラジアル軸受(52)(53)およびスラスト軸受(54)(55)には、軸受隙間に開口する微細な絞り孔(56)(57)(58)(59)と連通する浅い円周溝(60)(61)(62)(63)が設けられており、軸受給気管路(64)(65)(66)などを経由して圧縮空気を供給すると、主軸(51)が軸受に対して非接触状態で支持される。各軸受隙間から流出する圧縮空気は、排気孔(67)(68)などを経由して静圧空気軸受外に排出される。ラジアル軸受側のスラスト軸受(54)の軸受隙間出口部に設けられた加圧空間(69)には、一定の圧力に調整された圧縮空気が、軸受給気管とは別に設けられた給気管路(70)(71)を通って供給される。給気管路(71)は、加圧空間(69)の内部圧力を圧縮空気の供給圧力と等しく保つのに十分な流路面積を確保するため、円周方向に沿い複数個所に設ける。このため、加圧空間(69)の内部圧力が周囲の雰囲気圧よりも高くなり、これに伴って軸受隙間の圧力が上昇するので、スラスト軸受(54)の軸受反力が大きくなる。この結果、主軸のスラスト板(72)は、スラスト軸受(55)側に移動し、両面のスラスト軸受(54)(55)の軸受反力が釣り合う位置に静止する。したがって、スラスト軸受(55)の軸受隙間は、従来よりもかなり狭く設定することが可能になり、絞りの種類や寸法諸元を、この狭い軸受隙間に対応して選択すれば、軸受の支持剛性および振動の減衰性能を飛躍的に向上させることができる。また、スラスト軸受(54)は、軸受隙間が広くなるが、軸受隙間の平均圧力が高くなっているため、振動の減衰係数はあまり低下せず、絞り弁の寸法諸元の最適化によって、支持剛性、減衰係数の低下を最低限度に抑制することが可能になる。したがって、本発明は、２個のスラスト軸受(54)(55)を合わせた支持剛性、振動減衰係数の改善に大きく寄与し、高精度の静圧空気軸受装置を実現することができる。軸受隙間の出口圧力を上昇させた側のスラスト軸受(54)は、給気圧力を上げた場合でも、軸受隙間の出口側の圧力を比例的に上昇させることによって、振動の減衰係数を従来と略同一のレべルに維持することが可能となるから、軸受給気圧を上げて高性能化を図る場合には、特に顕著な効果が認められる。
【００２８】
図１１では、加圧空間(69)に一定圧力の圧縮空気を供給する実施例を説明したが、軸受排気を制限することによっても、加圧空間(69)の内部圧力を周囲の雰囲気圧力よりも高圧に維持することができる。この場合は、給気管路(70)に適切な絞り弁を介在させ、この絞り弁を介して軸受排気を静圧空気軸受装置の外部に排出する。
【００２９】
軸受の絞り型式については、図１１では、加圧空間(69)の圧力調整手段として、絞り孔と軸受面に設けた浅溝からなる複合絞りを使用した実施例が説明されているが、この他、静圧空気軸受装置に一般的に用いられている自成絞り、オリフイス絞り、スロット絞り、多孔質絞りなどを使用することができる。
【００３０】
図１３は、ラジアル軸受と反対側のスラスト軸受(81)の内周側の加圧空間(82)の内部圧力を上げ、ラジアル軸受側のスラスト軸受(84)の軸受隙間を狭くした実施例を示す。加圧空間(82)は、給気管路(83)を介して圧力調整手段（図示せず）に接続されている。圧力調整手段としては、一定圧力に調整した圧縮空気源、または、加圧空間(82)からの軸受排気を制限する絞り弁のいずれかが使用可能である。
【００３１】
図１４は、２枚のスラスト板(91)(92)で、ハウジング(93)を挟み込む型式の両面対向型静圧空気スラスト軸受を示し、一方のスラスト軸受(94)の外周部に微小な隙間による非接触部(95)を利用して加圧空間(96)を構成し、これによって、他方のスラスト軸受(97)の軸受隙間を小さくしている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、溝などによらずに、軸受隙間の平均圧力を上げることができるので、従来の静圧空気軸受装置よりも振動の減衰性能が良好で、外乱に強い高精度の静圧空気軸受装置が取得される。
【００３３】
また、両面対向型静圧空気スラスト軸受装置に本発明を適用した場合には、当該スラスト軸受の一方の軸受隙間を小さくし、他方の軸受隙間圧力を高めることによって、支持剛性と振動減衰係数の大きな高精度の静圧空気スラスト軸受装置が取得される。また、両方のスラスト軸受隙間の合計値は、従来の軸受装置と同程度に維持されているので、軸受構成部材の寸法管理も容易である。さらに、熱変形によって軸受隙間に関連する寸法が変化したような場合でも、隙間が小さい方の軸受が高い剛性を保持しているため、寸法の変化の殆どすべてが隙間の大きい方の軸受で吸収される。この結果、軸受とスラスト板との接触が回避され、性能の安定した信頼性の高い両面対向型静圧空気スラスト軸受装置が提供される。
【００３４】
また、加圧空間の内部圧力を調整することによって、軸受特性を変化させることができるから、運転条件の変化に対応して最適な軸受特性を設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）は本発明の実施の形態を示す静圧空気軸受装置の部分縦断面図、（Ｂ）は圧力分布図である。
【図２】  別の実施の形態を示す部分縦断面図である。
【図３】  比較例を示す部分縦断面図である。
【図４】  比較例を示す部分縦断面図である。
【図５】  比較例を示す部分縦断面図である。
【図６】  別の実施の形態を示す部分縦断面図である。
【図７】  比較例を示す部分縦断面図である。
【図８】  別の実施の形態を示す部分縦断面図である。
【図９】  別の実施の形態を示す縦断面図である。
【図１０】  図９のＸ−Ｘ線から見た図である。
【図１１】  別の実施の形態を示す縦断面図である。
【図１２】  図１１の部分拡大図である。
【図１３】  別の実施の形態を示す縦断面図である。
【図１４】  別の実施の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３  軸受隙間
５，5'，16，21，27，32，39  加圧空間
６，6'，17，20，45，48  非接触シール部
【図１】
0004031867.tif 000002
【図２】
0004031867.tif 000003
【図３】
0004031867.tif 000004
【図４】
0004031867.tif 000005
【図５】
0004031867.tif 000006
【図６】
0004031867.tif 000007
【図７】
0004031867.tif 000008
【図８】
0004031867.tif 000009
【図９】
0004031867.tif 000010
【図１０】
0004031867.tif 000011
【図１１】
0004031867.tif 000012
【図１２】
0004031867.tif 000013
【図１３】
0004031867.tif 000014
【図１４】
0004031867.tif 000015