(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材を回転可能に軸承する軸受部材と、
この軸受部材に形成され且つ軸荷重を支持する軸受面とを有する流体軸受において、
軸受部材の内周面には円周方向に適宜の間隔をあけて複数の静圧ポケットが列設され、
該内周面の静圧ポケット以外の区域に動圧発生用ランドが設けられ、
軸受部材には給油孔及び排油孔が形成され、
給油孔は一端側が外部の給油手段に連通されるとともに他端側が静圧ポケットに開口し、
排油孔は一端側が動圧発生用ランドに適宜数開口するとともに他端側が大気の吸引を防止するように制御装置によって制御される電磁制御弁が設けられた排油経路に接続され、
前記制御装置は、前記軸部材の回転速度とこの軸部材の偏心量とから流体軸受内の圧力分布を推定し、
圧力がしきい値まで下がった動圧発生用ランドに開口する排油孔に接続された排油経路に設けられた電磁制御弁を閉じるように制御することを特徴とする流体軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体軸受、例えば工作機械の主軸等に用いられる流体軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の技術における工作機械の主軸等の回転軸を支承する流体軸受の内周面の展開図を示す。流体軸受の軸受面には、図１２（Ａ）及び（Ｃ）に示すような四辺形又は図１２（Ｂ）に示すようなＵ字形の静圧ポケット２１が、適宜の間隔をあけて軸の回転方向に並んで形成されている。そして、静圧ポケット２１の底面には、油供給孔２３が開口している。また、静圧ポケット２１以外の軸受面域は、動圧発生用ランド７となっている。
【０００３】
流体軸受には、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示す非分離型と図１２（Ｃ）に示す分離型とがある。このような流体軸受では、油供給孔２３を通って静圧ポケット２１に供給された潤滑油は、回転軸を静圧的に支持する。この油は動圧発生用ランドと回転軸との間に供給されるので、回転軸が回転すると、回転軸は動圧により支持される。
【０００４】
非分離型の流体軸受は、動圧発生用ランドの面積が大きく、発生する動圧も大きいため、剛性及び減衰性が高い。しかし、回転軸の回転速度が高速であると、動圧発生用ランド７において流体摩擦により潤滑油に大量の発熱が生じる。この発熱により軸受が熱膨張して軸受隙間が縮小する。その結果、動圧発生用ランド７における潤滑油の発熱量はさらに増大し、軸受の熱膨張がさらに増大するという悪循環が生じる。
【０００５】
一方、分離型の流体軸受は、非分離型で問題となる発熱を抑制するために、動圧発生用ランドの回転方向に潤滑油を回収する分離溝２２を形成している。しかしながら、分離型の流体軸受は、非分離型に比べて動圧発生用ランド７が小さく分割されているため、軸受負荷能力が低下、即ち剛性が低下する。そして、回転軸の回転速度が高速になるほど、動圧支持剛性を高めたいという要求と、動圧発生用ランド７での発熱問題とは、二律背反となる。
【０００６】
そこで出願人は、特願２０００−２８９８８９号にて、軸受剛性の向上と動圧発生用ランド７における発熱の抑制という二つの課題を合わせて解決する流体軸受を提案した。この発明の流体軸受は、一端側が動圧発生用ランド７に開口するとともに、他端側が排出手段に連通する排出孔を設けている。この流体軸受によれば、動圧発生用ランド７が比較的大きいため静剛性が非分離型の流体軸受に近く、排出孔により潤滑油が回収されるため温度上昇が分離型の流体軸受に近い特性が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記流体軸受では、動圧発生用ランド７が大気と連通している。そのため、研削抵抗等の荷重負荷により軸受に対して回転軸が偏心させられた場合、軸受内の一部に負圧領域が発生するおそれがある。このとき、負圧領域の動圧発生用ランド７には、排出孔を通って外部から大気が吸い込まれてしまう。このような動圧発生用ランド７での負圧領域の発生は、特に高速回転になるほど小さな偏心量でも発生する。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、軸受剛性の向上と動圧発生用ランドにおける発熱の抑制という二つの課題を合わせて解決しつつ、荷重負荷により回転軸が偏心した場合でも排出孔からの大気の吸い込みを防止することができる流体軸受を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の静圧流体軸受は、軸部材を回転可能に軸承する軸受部材と、この軸受部材に形成され且つ軸荷重を支持する軸受面とを有する流体軸受において、軸受部材の内周面には円周方向に適宜の間隔をあけて複数の静圧ポケットが列設され、該内周面の静圧ポケット以外の区域に動圧発生用ランドが設けられ、軸受部材には給油孔及び排油孔が形成され、給油孔は一端側が外部の給油手段に連通されるとともに他端側が静圧ポケットに開口し、排油孔は一端側が動圧発生用ランドに適宜数開口するとともに他端側が大気の吸引を防止するように制御装置によって制御される電磁制御弁が設けられた排油経路に接続され、前記制御装置は、前記軸部材の回転速度とこの軸部材の偏心量とから流体軸受内の圧力分布を推定し、圧力がしきい値まで下がった動圧発生用ランドに開口する排油孔に接続された排油経路に設けられた電磁制御弁を閉じるように制御することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の第１実施形態における静圧流体軸受（以下、単に流体軸受と言うこともある）について図面に従って説明する。
【００１６】
流体軸受は、例えば図１に示すように研削盤の砥石軸に用いられる。図１において、２は例えば研削盤の砥石台を構成する軸受ハウジングであり、環状の流体軸受１は、砥石軸等の回転軸１９を支持している。回転軸１９は、その一端に砥石車Ｇが固定され、その他端にベルト（図略）を介してモータＭ１が接続され、このモータＭ１により回転する。一端にフランジ部が形成された軸受１は、軸受ハウジング２の円筒内孔の両端にそれぞれ密嵌合され、そのフランジ部を軸受ハウジング２の端面にボルトにて固定している。流体軸受１は、図２に示すように、軸受メタルとしての環状のインナスリーブ１ａと、このインナスリーブ１２が密嵌合にて固着された軸受ケース１ｂとから構成される。
【００１７】
インナスリーブ１ａの内周面に形成された軸受面には、等角度間隔で複数の静圧ポケット２１が形成されている。静圧ポケット２１の形状は、例えば、図３（Ａ）に示す四辺形や、図３（Ｂ）に示すＵ字状や、図３（Ｃ）に示す中央にランド部７が形成された環状の四辺形などがある。静圧ポケット２１以外の軸受面域は、動圧を発生するランド部（動圧発生用ランド）７となっている。また、静圧ポケット２１のそれぞれの中央には、図略の絞りを持つ油供給孔２３の一端が開口している。油供給孔２３の他端には、インナスリーブ１ａの外周面と軸受ケース１ｂの内周面との間に形成された環状の油供給路が接続されている。この油供給路にはモータ駆動ポンプ（図略）が接続されている。
【００１８】
また、インナスリーブ１ａの内周面には、複数の排出孔４が形成されている。図２に示すように、排出孔４のそれぞれの一端はランド部７に開口し、それぞれの他端は排油経路１２及び６を介してタンクに接続されている。排出孔４は、例えば、図３に示すような静圧ポケット２１のそれぞれの間に配置された１つの排出孔４であったり、図４に示すような静圧ポケット２１のそれぞれの間に配置された２つの排出孔４であったりする。図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示す環状の静圧ポケット２１を持つ流体軸受の場合、環状の静圧ポケット２１に囲まれたランド部７の中央に排出孔４を設けてもよい。これらの排出孔４と排油経路１２及び６との間には、大気の吸引を防止する吸引防止機構である逆流防止機構３が設けられている。
【００１９】
図５に第１実施形態の特徴部分を示す。流体軸受１の複数のランド部７それぞれには、円周上等間隔に放射状に設けられた排油孔４ａ１及び４ａ２が開口している。排油孔４ａ１及び４ａ２は、流体軸受１に設けられた排油経路１２及び逆流防止機構３を介して排油経路６に接続されている。逆流防止機構３は、例えば、ケース８、バネ９及び弁１０により構成される逆止弁であり、流体軸受１に圧力がかかっていないときはバネ９に付勢された弁１０により開放孔５を塞いでいる。
【００２０】
流体軸受１の静圧ポケット２１に油が供給されると、静圧ポケット２１に圧力（静圧）が発生し、この圧力により回転軸１９が流体軸受１に支承される。そして、静圧ポケット２１に満たされた油は、ランド部７と回転軸１９の外周面との間に流入する。回転軸１９が流体軸受１に対して回転すると、ランド部７と回転軸１９の外周面との間にある油にはくさび効果により動圧が発生する。この高圧の油は、ランド部７と回転軸１９の外周面との隙間から漏れ、排油経路６を通って外部（タンク）に排出される。さらに、この高圧の油は、排出孔４ａ１及び４ａ２、排油経路１２を通過して弁１０を押し上げ開放孔５を開くため、開放孔５からも排油経路６を通って外部（タンク）に排出される。
【００２１】
ところで、図６に示すように、円筒工作物Ｗを回転軸１９に支持された砥石車Ｇで研削加工するとき、研削抵抗などにより回転軸１９には矢印方向の荷重負荷が作用する。この荷重負荷は、流体軸受１に対して回転軸１９を偏心させる。このときの作用を図７及び図８をもとに説明する。なお、図６及び図７において、逆流防止機構３は省略されている。
【００２２】
図７に示すように、回転軸１９に排出孔４ｅの後方から荷重負荷が作用すると、回転軸１９が偏心してランド部７ｅと回転軸１９との間の軸受隙間が広くなる。このとき、回転軸１９が反時計回りに回転すると、油の流れる方向に対して軸受隙間が狭くなるランド部７ａ及び７ｂではくさび効果が増大する。その結果、図８に示すように、ランド部７ａ及び７ｂに流入する油が増大するため、排出孔４ａ及び４ｂから排出される油も増大する。逆に、油の流れる方向に対して軸受隙間が広くなるランド部７ｃ及び７ｄではくさび効果が減少する。その結果、図８に示すように、ランド部７ｃ及び７ｄに流入する油が減少するため、排出孔４ｃ及び４ｄから排出される油も減少する。特に、ランド部７ａ及び７ｄでは、回転軸１９の外周面とのなす角が大きいため、図７に示すように、偏心量の増大に対する排出流量の変化が大きい。なお、ランド部７ｅでは、回転軸１９との間の軸受隙間が広がるため、偏心量が大きくなるにしたがい徐々にくさび効果が減少していく。
【００２３】
回転軸１９の偏心量が大きくなると、ランド部７ｄに負圧領域が発生する。ここで、図５に示す逆流防止機構３がないと、図８の破線に示すように、排出孔４ｄから大気を吸引することとなる。ところが、排出孔４ｄに接続された逆流防止機構３は、回転軸１９の偏心によりランド部７ｄの圧力が下がるにしたがい、弁１０がバネ９により押し戻され、弁１０と開放孔５との隙間が徐々に狭くなっていく。そして、ランド部７ｄの圧力がバネ９の荷重以下に下がると、開放孔５が弁１０により完全に塞がれる。このため、更なる回転軸１９の偏心または回転速度の増加によりランド部７ｄの圧力が負圧になった場合でも、外部から大気を吸込むことがなくなる。従って、大気を吸い込むことにより発生する剥離キャビテーションが防止される。なお、図５では流体軸受１に逆流防止機構３を設けて説明しているが、逆流防止機構３は排油経路６及び１２中のどこに設けても良い。
【００２４】
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態における逆流防止機構３は、第１実施形態のそれとまったく同じであるので、その説明は省略する。
【００２５】
流体軸受１には、ランド部７と回転軸１９との間が負圧または低圧となったときに、大気の吸引を防止する逆流防止機構３に加え、外部より油を取り込む油導入機構１３が設けられている。油導入機構１３は、流体軸受１のランド部７に形成された排出孔４ａ１及び４ａ２に接続される排油経路１２と軸受ハウジング２に形成された油導入路１６との間に配置される。油導入機構１３は、例えば、逆流防止機構３を上下さかさまにしたもので、ケース内で荷重Ｐ２のバネに付勢された弁１４により構成される逆止弁であり、通常は弁１４により開放孔１５を塞いでいる。
【００２６】
また、軸受ハウジング２の内周には、らせん状の冷却油溝１１が形成されている。冷却油溝１１は、一端で油導入路１６と接続するとともに、他端でタンクにつながる排出油路１７に接続している。油導入路１６からは圧力Ｐ１の油が導入され、この油は、らせん状の冷却油溝１１を通って流体軸受１を冷却し、排出油路１７からタンクへ回収される。
【００２７】
油導入路１６から導入される油の圧力Ｐ１は、油導入機構１３のバネ圧Ｐ２より高く、逆流防止機構３が開いているときの排出油圧Ｐ０より低く設定されている。従って、通常は、ランド部７から排出孔４ａ１及び４ａ２に導かれた油の圧力により弁１０が押され、隙間より排出油は排油管路６を通って外部に開放される。このとき、バネ圧Ｐ２と排出油圧Ｐ０により弁１４が押されて開放孔１５は塞がれている。そのため、油導入路１６と排出孔４ａ１及び４ａ２とは完全に遮断され、油導入路１６から導入される油は、流体軸受１の外周面を囲むように軸受ハウジング２の内周に形成された冷却油溝１１を通り、流体軸受１の外周を冷却してタンクに戻る。
【００２８】
一方、排出孔４ａ１及び４ａ２から排出される油圧が下がって逆流防止機構３が開放孔５を塞いだ場合、油導入路１６から導入される油は、バネ圧Ｐ２よりも高い油圧Ｐ１により弁１４を押し開放孔１５を開く。そして、その油が排出孔４ａ１及び４ａ２を通ってランド部７に導かれる。
【００２９】
これにより、第２実施形態の流体軸受１では、ランド部７が負圧になった場合、外部から大気の吸込みを防止することができ、大気を吸い込むことにより発生する剥離キャビテーションが防止される。また、油導入路１６から油を導入することにより、油の排出作用がなく局所的に高温状態になっているランド部７を冷却することができる。この油の導入により、油中に溶解している気体が分離析出する気体性キャビテーションや、飽和蒸気圧に達した潤滑油に蒸気泡が発生する蒸気性キャビテーションが防止される。さらに、冷却油溝１１により常に流体軸受１が冷却される。
【００３０】
本発明の第３実施形態を図１０に示す。第３実施形態の流体軸受１は、第１及び第２実施形態のものに各種センサを追加したものである。回転軸１９の回転速度を検出するエンコーダ３２が回転軸１９の一端に設けられている。また、流体軸受１内の油圧を検出する圧力センサ３３がランド部７の適宜個所に設けられている。さらに、軸受隙間（流体軸受１に対する回転軸１９の偏心量）を検出する変位センサ３４が流体軸受１の内周面に設けられている。そして、これらのセンサ３２〜３４の出力値は、制御装置３１に入力されるようになっている。この制御装置３１は、排油経路４２中に設けられた電磁制御弁４１（逆流防止機構）を開閉すべく接続されている。なお、これらのセンサ３２〜３４は全てが必要と言うわけではなく、これらのうちの一部を備えるのみでも良い。
【００３１】
このように構成された流体軸受１では、圧力センサ３３の出力値がしきい値（大気圧程度）まで下がったとき、制御装置３１が電磁制御弁４１を閉じるように制御する。あるいは、回転軸１９の回転速度と流体軸受１に対する回転軸１９の偏心量との関係から流体軸受１内の圧力分布を推定することができるので、この関係を制御装置３１にあらかじめ記憶しておき、エンコーダ３２及び変位センサ３４の出力値をもとに電磁制御弁４１を開閉制御する。なお、電磁制御弁４１の開閉制御は、単なるＯＮ／ＯＦＦ制御でも良いし、連続的に絞り開度が変化するような制御でも良い。
【００３２】
このように電磁制御弁４１を制御することにより、流体軸受１内に大気を吸い込むことが未然に防止され、大気を吸い込むことにより発生する剥離キャビテーションが防止される。なお、図１０では砥石車Ｇから遠い側の流体軸受１にのみセンサ３２〜３４を配置して電磁制御弁４１を制御しているが、この構成を砥石車Ｇから近い側の流体軸受１にのみに設けても良いし、両方の流体軸受１に設けても良い。
【００３３】
本発明の第４実施形態を図１１に示す。流体軸受１は、軸受ハウジング２の内周面に密嵌合されている。軸受ハウジング２の内周面の一部には、環状に油溜り溝１８が形成されている。流体軸受１の排出孔４ａ〜４ｅは、放射状に流体軸受１を貫通し、一端がランド部７に、他端が油溜り溝１８にそれぞれ開口している。油溜り溝１８には油が満たされていて、軸受ハウジング２の鉛直上方に貫通する排油経路１７を介してタンクに接続されている。なお、環状の油溜り溝１８は、流体軸受１の外周面に形成しても良い。
【００３４】
このような構成により、油溜り溝１８は、ランド部７（流体軸受１内）へ大気を吸引することを防止する吸引防止機構として機能する。つまり、通常はランド部７に流入した油は、排出孔４ａ〜４ｅを通って油溜り１８に排出されるが、ランド部７に負圧が生じた場合、油溜り溝１８に満たされた油が排出孔４ａ〜４ｅを通ってランド部７に流入する。このため、流体軸受１内に大気を吸込むことが防止され、大気を吸い込むことにより発生する剥離キャビテーションが防止される。
【００３５】
以上、各実施形態に示した流体軸受を研削盤に用いる場合、図６乃至図８に示すように、荷重負荷の方向が一方向に限定され、負圧が発生するランド部（排出孔）が特定されるので、その排出孔にのみ吸引防止機構を設けるようにしても良い。
【００３６】
【発明の効果】
この発明の流体軸受においては、動圧発生用ランド非分離型に近い高い静剛性の維持と、動圧発生用ランド分離型に近い優れた温度上昇抑制という二つの性能が発揮されつつ、電磁制御弁により外部から大気を吸い込むことを防止することができる。従って、大気を吸い込むことにより発生する剥離キャビテーションが防止される。さらに、軸部材の回転数及び偏心量から流体軸受内の圧力分布を推定し、電磁制御弁を開閉制御するので、流体軸受内に大気を吸い込むことが未然に防止され、より細かな制御をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における流体軸受を適用した砥石軸の断面概略図である。
【図２】第１実施形態における流体軸受の断面斜視図である。
【図３】第１実施形態における流体軸受の内周面展開図である。
【図４】第１実施形態における流体軸受の内周面展開図である。
【図５】第１実施形態の特徴部分の断面概略図である。
【図６】研削加工の概略説明図である。
【図７】研削加工による荷重負荷による回転軸の偏心を表す図である。
【図８】回転軸が偏心したときの流体軸受から排出する油の流量を示すグラフである。
【図９】第２実施形態の特徴部分の断面概略図である。
【図１０】第３実施形態における流体軸受を適用した砥石軸の断面概略図である。
【図１１】第４実施形態の特徴部分の断面概略図である。
【図１２】従来技術における流体軸受の内周面展開図である。
【符号の説明】
１  流体軸受（１ａ  インナスリーブ、１ｂ  軸受ケース）
２  軸受ハウジング
３  逆流防止機構
４  排出孔
５  開放孔
６  排油経路
７  動圧発生用ランド（ランド部）
８  ケース
９  バネ
１０  弁
１１  冷却油溝
１２  排油経路
１３  油導入機構
１４  弁
１５  開放孔
１６  油導入路
１７  排油経路
１８  油溜り溝
１９  回転軸
２１  静圧ポケット
２２  分離溝
２３  供給口
３１  制御装置
３２  エンコーダ
３３  圧力センサ
３４変位センサ
４１  電磁制御弁
４２  排油経路
【図１】
0004161651.tif 000002
【図２】
0004161651.tif 000003
【図３】
0004161651.tif 000004
【図４】
0004161651.tif 000005
【図５】
0004161651.tif 000006
【図６】
0004161651.tif 000007
【図７】
0004161651.tif 000008
【図８】
0004161651.tif 000009
【図９】
0004161651.tif 000010
【図１０】
0004161651.tif 000011
【図１１】
0004161651.tif 000012
【図１２】
0004161651.tif 000013