(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と該支持体に対して摺動する摺動体とを備え、
前記支持体及び前記摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差が１μｍ以下であり、
前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、
前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との隙間が１μｍ〜５μｍであり、
前記支持体と前記摺動体との間であって前記支持体及び前記摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、
前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との間に前記粘性流体が保持される構造を有することを特徴とする非接触摺動流体軸受。
【請求項２】
前記粘性流体が空気であることを特徴とする請求項１に記載の非接触摺動流体軸受。
【請求項３】
前記支持体及び前記摺動体が非金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触摺動流体軸受。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の非接触摺動流体軸受を形成する方法であって、ＦＰＳＰ処理を施して前記マイクロディンプルを形成することを特徴とする非接触摺動流体軸受の形成方法。
【請求項５】
前記ＦＰＳＰ処理として、前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれ粒径が３０μｍ〜８０μｍの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を５０ｍ/ｓｅｃ〜２００ｍ／ｓｅｃの吹き付け速度で噴射し、前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれ前記マイクロディンプルを形成することを特徴とする請求項４に記載の非接触摺動流体軸受の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触摺動流体軸受及びその形成方法に関し、更に詳しくは、支持体と摺動体との間に均一な圧力を伝搬する大きな圧力空間を設けて摺動体を支持体から流体圧で浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、対向する摺動面が非接触で摺動することを可能にした非接触摺動流体軸受及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触な摺動構造として、空気圧を利用した静圧軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような静圧軸受では、負荷に対抗する軸受部において自制絞りや多孔質絞りの焼結体を用いて空気の動圧を静圧に変換し、摺動体を浮かせて摺動面での摩擦を軽減することできる。しかしながら、該軸受部に高圧の空気を供給すると変形等が生じるため作用が限定的であると共に、寸法上の理由から大きな負荷に耐えられないという問題がある。また、使用可能な流体が空気に限定されると共に、その際の空気の消費量が多く、排気対策も必要である。更には、軸受構造が複雑になるので製造コストが高くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６０８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、支持体と摺動体との間に均一な圧力を伝搬する大きな圧力空間を設けて摺動体を支持体から流体圧で浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、対向する摺動面が非接触で摺動することを可能にした非接触摺動流体軸受及びその非接触摺動流体軸受の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明の非接触摺動流体軸受は、支持体と該支持体に対して摺動する摺動体とを備え、前記支持体及び前記摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差が１μｍ以下であり、前記支持体及び前記摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との隙間が１μｍ〜５μｍであり、前記支持体と前記摺動体との間であって前記支持体及び前記摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、前記支持体の摺動面と前記摺動体の摺動面との間に前記粘性流体が保持される構造を有することを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法は、上述の非接触摺動流体軸受を形成する方法であって、ＦＰＳＰ（Fine Particle Shot Peening）処理を施して前記マイクロディンプルを形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の発明者は、新たな非接触な摺動構造として、支持体と摺動体との間に加圧された粘性流体が供給される圧力空間を設け、その粘性流体の流体圧で摺動体を支持体から浮かせ、支持体と摺動体とが機械的に接触しない隙間を保持することで、その圧力空間が負荷に対抗する軸受部として機能する構造（流体軸受）を知見して本発明に至ったのである。
【０００８】
本発明では、支持体と該支持体に対して摺動する摺動体とを備え、支持体及び摺動体の摺動面の目標形状に対する寸法誤差は１μｍ以下であり、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との隙間が１μｍ〜５μｍであり、支持体と摺動体との間であって支持体及び摺動体の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間が形成され、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との間に粘性流体が保持される構造を有するので、圧力空間が負荷に対抗する軸受部として機能すると共に、支持体と摺動体の各摺動面の隙間において自動調芯され、支持体と摺動体とが完全に非接触な状態となり、その非接触状態を常に維持することができる。特に、負荷に対する剛性を高めることができるので、振動を低減することができると共に、支持体及び摺動体の摺動面が非接触であるので、摩擦と発熱を生じることがなく、回転数や往復運動速度も制限され難い。また、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成されていることで、摺動面の表面保護に寄与する。更には、本発明の非接触摺動流体軸受は少ない部品点数で構成することができるので、製造コスト及び維持管理コストを抑制することができる。
【０００９】
本発明の非接触摺動流体軸受において、粘性流体は空気であると良い。更に、支持体及び摺動体は非金属からなることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法では、ＦＰＳＰ処理を施してマイクロディンプルを形成する。このＦＰＳＰ処理として、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれ粒径が３０μｍ〜８０μｍの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を５０ｍ/ｓｅｃ〜２００ｍ／ｓｅｃの吹き付け速度で噴射し、支持体及び摺動体の摺動面にそれぞれマイクロディンプルを形成すると良い。これにより、支持体及び摺動体に対して適度な表面粗度を有する摺動面を形成することができる。
【００１１】
なお、本発明において、「目標形状」とは、支持体の摺動面と摺動体の摺動面との隙間が１μｍ〜５μｍとなるように設定された摺動面の形状である。「目標形状に対する寸法誤差が１μｍ以下である」とは、例えば、目標形状が平面である場合、平面度が１μｍ以下であることを意味し、目標形状が円周面である場合、円筒度が１μｍ以下であることを意味し、目標形状が幾何学曲線で描写される場合、その幾何学曲線に対する誤差が１μｍ以下であることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの一例を示す側面図である。
【図２】図１のエアスライダを示す断面図である。
【図３】図２のＡ部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの変形例を示す側面図である。
【図５】図４のエアスライダを示す断面図である。
【図６】図４のエアスライダの要部を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの他の変形例を示す側面図である。
【図８】図７のエアスライダを示す断面図である。
【図９】図７のエアスライダの要部を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアシリンダを示す断面図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は図１０のエアシリンダの要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したギアタービンの内部を示す断面図である。
【図１３】図１２のギアタービンを示す断面図である。
【図１４】（ａ），（ｂ）は図１２のギアタービンの要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の構成について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１及び図２は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダを示すものである。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態のエアスライダ１０は、支持体１としてのガイドレール１１と、ガイドレール１１に対して摺動自在に構成された摺動体２としてのスライダ１２とを有している。
【００１５】
ガイドレール１１は、平板状のベース部１３と、ベース部１３の両端部に固定された一対のレール部１４から構成されている。ガイドレール１１は、スライダ１２を収容するための収容孔１５を有している。この収容孔１５にスライダ１２が配置されている。
【００１６】
スライダ１２は、外面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５を有している。この圧力空間５は、ガイドレール１１とスライダ１２との間であってガイドレール１１及びスライダ１２の摺動面に隣接するように配置されている。また、スライダ１２には、加圧された粘性流体を圧力空間５に供給する空気供給孔６が形成されている。この空気供給孔６は、方向制御弁３を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ４に接続されている。圧力空間５は、連結部７を介して空気供給孔６に接続されている。なお、圧力空間５に供給される粘性流体の圧力は、スライダ１２（摺動体２）に掛かる荷重及び圧力空間５の面積に応じて適宜決定される。
【００１７】
エアスライダ１０において、ガイドレール１１及びスライダ１２の摺動面は、ガイドレール１１の内面及びスライダ１２の外面である。具体的に、スライダ１２の底面１２ａとベース部１３の上面１３ａとは互いに対向する摺動面である。また、スライダ１２の側面１２ｂとレール部１４の側面１４ａとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ１２はガイドレール１１の延在方向に対して摺動可能になっている。なお、スライダ１２の側面１２ｃとそれに対向するレール部１４の内面１４ｃとの間は、ガイドレール１１とスライダ１２の摺動に影響しない程度に比較的大きな間隔が設けられている。
【００１８】
対向する摺動面の間には、図３に示すように、粘性流体の種類によって寸法ｔが設定される微小な隙間Ｍｇが存在する。隙間Ｍｇの寸法ｔは、例えば１μｍ〜５μｍの範囲に設定される。図３において、隙間Ｍｇは、対向する摺動面をなすスライダ１２の底面１２ａとベース部１３の上面１３ａとの間、及び、スライダ１２の側面１２ｂとレール部１４の側面１４ａとの間に存在する。このようにエアスライダ１０はガイドレール１１及びスライダ１２の各摺動面において１μｍ〜５μｍの隙間Ｍｇを有している。なお、隙間Ｍｇの寸法ｔは、ガイドレール１１とスライダ１２との寸法差に応じて、上記範囲に定まる。例えば、ガイドレール１１の内寸法とスライダ１２の外寸法との水平方向の寸法差が５μｍである場合、該寸法差が隙間Ｍｇの個数（スライダ１２の水平方向両側の２箇所）で等分され、隙間Ｍｇの寸法ｔはそれぞれ２．５μｍに定まる。
【００１９】
ガイドレール１１及びスライダ１２の摺動面は、目標形状（平面）に対する寸法誤差が１μｍ以下に設定されている。エアスライダ１０の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度を意味する。平面度とは、対象となる平面（摺動面）を幾何学的に正しい平行な２平面で挟んだときに、平行な２平面の間隔が最小となる場合の２平面の間隔をいう。上述したように摺動面の目標形状に対する寸法誤差を極めて小さくすることで、隙間Ｍｇにおいて粘性流体をその粘性によって閉じ込めることに寄与する。隙間Ｍｇから粘性流体が極めて漏洩しにくいことで、従来の軸受において必要であったシールパッキンは不要となる。それに伴い、部品の交換やメンテナンスも不要となる。
【００２０】
エアスライダ１０において、圧力空間５は、スライダ１２（摺動体２）に均一な圧力を伝搬し、スライダ１２をガイドレール１１（支持体１）から流体圧で浮かし、負荷に対抗する軸受部として機能する。言い換えれば、加圧された粘性流体の流体圧が作用するのは圧力空間５のみであり、この圧力空間５に流体圧が作用することにより非接触摺動が可能になる。圧力空間５の大きさは負荷に応じて適宜設定することができ、これを適度に設定することで機器の剛性と動作精度を向上することができる。一方、隙間Ｍｇには粘性流体が存在するものの、隙間Ｍｇでは圧力が極めてゼロに近く、負荷に対抗する軸受部としての機能は有しない。そのため、エアスライダ１０の隙間Ｍｇは、従来の軸受の軸受部には相当しない。このように本発明に係る非接触摺動流体軸受は、従来の非接触摺動を可能にする軸受（例えば、静圧軸受など）とは構造が異なるものである。
【００２１】
ガイドレール１１の摺動面及びスライダ１２の摺動面には、それぞれＦＰＳＰ（Fine Particle Shot Peening）処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。即ち、スライダ１２の底面１２ａ、スライダ１２の側面１２ｂ、ベース部１３の上面１３ａ及びレール部１４の側面１４ａにマイクロディンプルが形成されているが、レール部１４の内面１４ｃを含む内面全てやスライダ１２の圧力空間５を含む外面全てに対して形成されていても良い。ＦＰＳＰ処理によるマイクロディンプルは、各摺動面に対して凹部として形成され、それぞれが略半球状を有している。このように対向する摺動面では、隙間Ｍｇが微小（１μｍ〜５μｍ）であるため粘性流体が粘着する恐れがあるので、摺動面の表面保護を目的として、摺動面にマイクロディンプルを形成して粘性流体による粘着を防止している。
【００２２】
エアスライダ１０を用いた場合、方向制御弁３を操作又は制御して空気供給孔６から加圧された空気を供給すると、圧力空間５に空気が充填される。そして、圧力空間５を介してガイドレール１１の摺動面とスライダ１２の摺動面との間（隙間Ｍｇ）にも空気が充填され、粘性流体（空気）がその粘性によって隙間Ｍｇに保持される。これにより、スライダ１２はガイドレール１１に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間５に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Ｍｇが所定の寸法ｔになるように自動調芯されて、ガイドレール１１とスライダ１２とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧（対抗圧力）が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ１２は、ガイドレール１１に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
【００２３】
図４及び図５は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの変形例を示すものである。図１〜図３と同一物には同一符号を付してその部分の詳細な説明は省略する。図４及び図５に示すように、本実施形態のエアスライダ２０は、支持体１としてのガイドレール２１と、ガイドレール２１に対して摺動自在に構成された摺動体２としてのスライダ２２とを有している。
【００２４】
ガイドレール２１は、円柱状のレール部２３と、レール部２３の両端部に固定された一対の支持部２４から構成されている。スライダ２２は、円柱状の収容孔２５を有している。この収容孔２５にガイドレール２１のレール部２３が挿通されている。
【００２５】
スライダ２２は、内周面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５を有している。この圧力空間５は、ガイドレール２１とスライダ２２との間であってガイドレール２１及びスライダ２２の摺動面に隣接するように配置されている。また、スライダ２２には、加圧された粘性流体を供給する空気供給孔６が形成されている。
【００２６】
エアスライダ２０において、ガイドレール２１及びスライダ２２の摺動面は、ガイドレール２１のレール部２３の外周面２３ａとスライダ２２の内周面２２ａである。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ２２はガイドレール２１の延在方向に対して摺動可能になっている。
【００２７】
エアスライダ２０は、図６に示すように、対向する摺動面をなすレール部２３の外周面２３ａとスライダ２２の内周面２２ａとの間に、寸法ｔとして１μｍ〜５μｍの微小な隙間Ｍｇを有している。ガイドレール２１及びスライダ２２の摺動面は、目標形状（円周面）に対する寸法誤差が１μｍ以下に設定されている。エアスライダ２０の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の円筒度を意味する。円筒度とは、対象となる円周面（摺動面）を２つ同心の幾何学的円（最小二乗平均円）で挟んだときに、同心の２円の間隔が最小となる場合の２円の半径差である。また、ガイドレール２１の摺動面及びスライダ２２の摺動面には、それぞれＦＰＳＰ処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
【００２８】
エアスライダ２０を用いた場合、方向制御弁３を操作又は制御して空気供給孔６から加圧された空気を供給すると、圧力空間５に空気が充填される。そして、圧力空間５を介してガイドレール２１の摺動面とスライダ２２の摺動面との間（隙間Ｍｇ）にも空気が充填され、粘性流体（空気）がその粘性によって隙間Ｍｇに保持される。これにより、スライダ２２はガイドレール２１に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間５に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Ｍｇが所定の寸法ｔになるように自動調芯されて、ガイドレール２１とスライダ２２とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧（対抗圧力）が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ２２は、ガイドレール２１に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
【００２９】
図７及び図８は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアスライダの他の変形例を示すものである。図１〜図３と同一物には同一符号を付してその部分の詳細な説明は省略する。図７及び図８に示すように、本実施形態のエアスライダ３０は、支持体１としてのガイドレール３１と、ガイドレール３１に対して摺動自在に構成された摺動体２としてのスライダ３２とを有している。
【００３０】
ガイドレール３１は、四角柱状のレール部３３と、レール部３３の両端部に固定された一対の支持部３４から構成されている。スライダ３２は、四角柱状の収容孔３５を有している。この収容孔３５にガイドレール３１のレール部３３が挿通されている。
【００３１】
スライダ３２は、内面に凹部として形成され、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５を有している。この圧力空間５は、ガイドレール３１とスライダ３２との間であってガイドレール３１及びスライダ３２の摺動面に隣接するように配置されている。ガイドレール３１の四方に配置された圧力空間５は同一面積を有している。また、スライダ３２には、加圧された粘性流体を供給する空気供給孔６が形成されている。
【００３２】
エアスライダ３０において、ガイドレール３１及びスライダ３２の摺動面は、ガイドレール３１のレール部３３の外面３３ａとスライダ３２の内面３２ａである。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、スライダ３２はガイドレール３１の延在方向に対して摺動可能になっている。
【００３３】
エアスライダ３０は、図９に示すように、対向する摺動面をなすレール部３３の外面３３ａとスライダ３２の内面３２ａとの間に、寸法ｔとして１μｍ〜５μｍの微小な隙間Ｍｇを有している。ガイドレール３１及びスライダ３２の摺動面は、目標形状（平面）に対する寸法誤差が１μｍ以下に設定されている。エアスライダ３０の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度を意味する。また、ガイドレール３１の摺動面及びスライダ３２の摺動面には、それぞれＦＰＳＰ処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
【００３４】
エアスライダ３０を用いた場合、方向制御弁３を操作又は制御して空気供給孔６から加圧された空気を供給すると、圧力空間５に空気が充填される。そして、圧力空間５を介してガイドレール３１の摺動面とスライダ３２の摺動面との間（隙間Ｍｇ）にも空気が充填され、粘性流体（空気）がその粘性によって隙間Ｍｇに保持される。これにより、スライダ３２はガイドレール３１に対して浮遊した状態となる。その際、圧力空間５に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Ｍｇが所定の寸法ｔになるように自動調芯されて、ガイドレール３１とスライダ３２とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧（対抗圧力）が生じ、自動調芯することができる。これにより、スライダ３２は、ガイドレール３１に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
【００３５】
図１０は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したエアシリンダを示すものである。図１０に示すように、本実施形態のエアシリンダ４０は、支持体１としてのシリンダチューブ４１と、シリンダチューブ４１に対して摺動自在に構成された摺動体２としてのピストン４２とを有している。
【００３６】
シリンダチューブ４１は、円筒状のシリンダ本体部４３と、空気供給孔６を有し、シリンダ本体部４３の一端側（図の左側）に固定されたヘッドカバー４４と、空気供給孔６を有し、シリンダ本体部４３の他端側（図の右側）に固定されたロッドカバー４５から構成されている。また、シリンダチューブ４１は円柱状の収容孔４６を有している。この収容孔４６にピストン４２が挿通されている。
【００３７】
ピストン４２は、ピストン本体部４７と、ピストン本体部４７に一体に形成され、ピストン本体部４７よりも小径のロッド部４８と、ロッド部４８の先端側（図の右側）に固定されたロッド先端部４９から構成されている。ヘッドカバー４４及びロッドカバー４５の各々に形成された空気供給孔６は、方向制御弁３を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ４に接続されている。
【００３８】
エアシリンダ４０は、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５を有している。この圧力空間５は、シリンダチューブ４１とピストン４２との間であってシリンダチューブ４１及びピストン４２の摺動面に隣接するように配置されている。
【００３９】
エアシリンダ４０において、シリンダチューブ４１及びピストン４２の摺動面は、シリンダチューブ４１の内周面及びピストン４２の外周面である。具体的に、シリンダ本体部４３の内周面４３ａとピストン本体部４７の外周面４７ａとは互いに対向する摺動面である。また、ロッドカバー４５の内周面４５ａとロッド部４８の外周面４８ａとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、ピストン４２はシリンダチューブ４１の軸方向に対して摺動可能になっている。
【００４０】
エアシリンダ４０は、図１１に示すように、対向する摺動面をなすシリンダチューブ４１とピストン４２の間に、寸法ｔとして１μｍ〜５μｍの微小な隙間Ｍｇを有している。シリンダチューブ４１及びピストン４２の摺動面は、目標形状（円周面）に対する寸法誤差が１μｍ以下に設定されている。エアシリンダ４０の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の円筒度を意味する。また、シリンダチューブ４１の摺動面及びピストン４２の摺動面には、それぞれＦＰＳＰ処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
【００４１】
エアシリンダ４０を用いた場合、方向制御弁３を操作又は制御して、ヘッドカバー４４に形成された空気供給孔６から空気を供給すると共に、ロッドカバー４５に形成された空気供給孔６から排気すると、ピストン本体部４７が空気圧で押されてロッド部４８が突出する。逆に、ロッドカバー４５に形成された空気供給孔６から空気を供給すると共に、ヘッドカバー４４に形成された空気供給孔６から排気すると、ピストン本体部４７が空気圧で押されて引き込まれる。また、空気供給孔６から空気を供給した際には、圧力空間５に空気が充填される。そして、圧力空間５を介してシリンダ本体部４３とピストン本体部４７との間及びロッドカバー４５とロッド部４８のとの間（隙間Ｍｇ）にも空気が充填され、粘性流体（空気）がその粘性によって隙間Ｍｇに保持される。その際、圧力空間５に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Ｍｇが所定の寸法ｔになるように自動調芯され、シリンダチューブ４１とピストン４２とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧（対抗圧力）が生じ、自動調芯することができる。これにより、ピストン４２は、シリンダチューブ４１に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
【００４２】
図１２及び図１３は本発明の実施形態からなる非接触摺動流体軸受を適用したギアタービンを示すものである。図１２及び図１３に示すように、本実施形態のギアタービン５０は、支持体１としてのケーシング５１と、ケーシング５１に対して摺動自在に構成された摺動体２としてのギア５２，５３とを有している。
【００４３】
ケーシング５１は、ギア５２，５３を収容するギアボックス５４と、ギアボックス５４の両端部に固定されたサイドカバー５５とを有している。ケーシング５１の一方側（図１２の右側）に形成された空気供給孔６は方向制御弁３を介して外部加圧手段としてのエアコンプレッサ４に接続され、ケーシング５１の他方側（図１２の左側）に形成された空気排出孔８は不図示の空気排出管に接続されている。ギアボックス５４は略長円形の収容孔６０を有している。この収容孔６０にギア５２，５３が配置されている。
【００４４】
ギア５２，５３は、同一寸法及び同一形状を有している。ギア５２，５３は、同一方向に延在する円柱状の中心軸５６，５７と、中心軸５６，５７に取り付けられ、円弧状の３枚歯が一体に形成されたギア本体部５８，５９とを有している。これら中心軸５６，５７をそれぞれケーシング５１に挿通するために、サイドカバー５５にはその厚さ方向に貫通する孔５５ｘが設けられている。
【００４５】
ギアタービン５０は、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５を有している。この圧力空間５は、ケーシング５１のギアボックス５４とギア５２，５３との間であってケーシング５１及びギア５２，５３の摺動面に隣接するように配置されている。
【００４６】
ギアタービン５０において、ケーシング５１及びギア５２，５３の摺動面は、ケーシング５１の内面及びギア５２，５３の外面である。具体的に、ギアボックス５４の内壁５４ａとギア本体部５８，５９の外壁５８ａ，５９ａとは互いに対向する摺動面である。また、サイドカバー５５のギアボックス５４側の側面５５ａとギア本体部５８，５９の側面５８ｂ，５９ｂとは互いに対向する摺動面である。更に、ギア５２のギア本体部５８の外壁５８ａとギア５３のギア本体部５９の外壁５９ａとは互いに対向する摺動面である。中心軸５６，５７の外周面５６ａ，５７ａとサイドカバー５５の孔５５ｘの内周面５５ｂとは互いに対向する摺動面である。これら摺動面は非接触状態で摺動可能になっている。これら摺動面を介して、ギア５２，５３は、それぞれ中心軸５６，５７廻りに摺動可能になっている。
【００４７】
ギアタービン５０は、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、対向する摺動面をなすケーシング５１とギア５２，５３との間及びギア５２とギア５３との間に、寸法ｔとして１μｍ〜５μｍの微小な隙間Ｍｇを有している。具体的に、隙間Ｍｇは、ギアボックス５４の内壁５４ａとギア本体部５８，５９の各外壁５８ａ，５９ａとの間及びギア本体部５８の外壁５８ａとギア本体部５９の外壁５９ａとの間（図１４（ａ）参照）に存在する。また、隙間Ｍｇは、サイドカバー５５の側面５５ａとギア本体部５８，５９の側面５８ｂ，５９ｂとの間、及び、中心軸５６，５７の外周面５６ａ，５７ａとサイドカバー５５の孔５５ｘの内周面５５ｂとの間に存在する（図１４（ｂ）参照）。
【００４８】
ケーシング５１及びギア５２，５３の摺動面は、目標形状（平面又は円周面）に対する寸法誤差が１μｍ以下に設定されている。ギアタービン５０の場合、目標形状に対する寸法誤差は摺動面の平面度又は円筒度を意味する。具体的に、平面度が設定される摺動面としては、サイドカバー５５の側面５５ａ、ギア本体部５８，５９の側面５８ｂ，５９ｂであり、円筒度が設定される摺動面としては、ギアボックス５４の内壁５４ａ、ギア本体部５８，５９の外壁５８ａ，５９ａ、中心軸５６，５７の外周面５６ａ，５７ａ、サイドカバー５５の孔５５ｘの内周面５５ｂである。また、ケーシング５１の摺動面及びギア５２，５３の摺動面には、それぞれＦＰＳＰ処理による無数のマイクロディンプルが形成されている。
【００４９】
ギアタービン５０を用いた場合、方向制御弁３を操作又は制御して、ケーシング５１の一方側（図１２の右側）に形成された空気供給孔６から空気を供給すると、ギア５２が反時計回りに、ギア５３が時計回りにそれぞれ回転する。その際、圧力空間５の位置はギア５２，５３の回転に応じて中心軸５６，５７廻りに変位し、圧力空間５が空気排出孔８に到達したときに圧力空間５内の空気が空気排出孔８から排気される。また、空気供給孔６から空気を供給した際、ケーシング５１の摺動面とギア５２，５３の摺動面との間（隙間Ｍｇ）にも空気が充填され、粘性流体（空気）がその粘性によって隙間Ｍｇに保持される。これにより、圧力空間５に充填された空気の空気圧のバランスにより隙間Ｍｇが所定の寸法ｔになるように自動調芯されて、ギアボックス５４とギア５２，５３及びギア５２とギア５３とが非接触な状態になる。更に、摺動面が接近しようとした場合にも、これに対抗する流体圧（対抗圧力）が生じ、自動調芯することができる。これにより、ギア５２，５３は、ケーシング５１に対して非接触で摺動可能な状態を保持することができる。
【００５０】
なお、図１２〜１４の実施形態では、本発明の非接触摺動流体軸受をギアタービンに適用した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えばギアポンプ等の他の装置に対しても適用することができる。
【００５１】
上述した非接触摺動流体軸受では、支持体１と支持体１に対して摺動する摺動体２とを備え、支持体１及び摺動体２の摺動面の目標形状に対する寸法誤差は１μｍ以下であり、支持体１及び摺動体２の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成され、支持体１の摺動面と摺動体２の摺動面との隙間Ｍｇが１μｍ〜５μｍであり、支持体１と摺動体２との間であって支持体１及び摺動体２の摺動面に隣接する位置に、加圧された粘性流体が供給される圧力空間５が形成され、支持体１の摺動面と摺動体２の摺動面との間に粘性流体が保持される構造を有するので、圧力空間５が負荷に対抗する軸受部として機能すると共に、支持体１と摺動体２の各摺動面の隙間Ｍｇにおいて自動調芯され、支持体１と摺動体２とが完全に非接触な状態となり、その非接触状態を常に維持することができる。特に、負荷に対する剛性を高めることができるので、振動を低減することができると共に、支持体１及び摺動体２の摺動面が非接触であるので、摩擦と発熱を生じることがなく、回転数や往復運動速度も制限され難い。また、支持体１及び摺動体２の摺動面にそれぞれマイクロディンプルが形成されていることで、摺動面の表面保護に寄与する。更には、本発明の非接触摺動流体軸受は少ない部品点数で構成することができるので、製造コスト及び維持管理コストを抑制することができる。
【００５２】
上記非接触摺動流体軸受において、粘性流体は空気であると良い。粘性流体として油又は水を用いた場合よりも継続的なメンテナンスが比較的簡便であり、それによって維持管理コストを低減することができるので好適である。
【００５３】
また、支持体１及び摺動体２は非金属から構成されることが好ましい。非金属として、例えば樹脂を用いることが好ましい。支持体１及び摺動体２を構成する材料として金属を用いることもできるが、支持体１及び摺動体２の双方が樹脂から構成された場合には、自己潤滑性、耐摩耗性及び静粛性に優れており、更には軽量化及び高精度化を図ることができるので好適である。
【００５４】
次に、本発明の非接触摺動流体軸受の形成方法を説明する。上述した非接触摺動流体軸受を形成するにあたって、支持体１及び摺動体２の摺動面が平滑になるように加工する。即ち、各摺動面において、目標形状に対する寸法誤差が１μｍ以下となるように超精密加工を施す。このように摺動面の目標形状に対する寸法誤差を極めて小さくすることで、隙間Ｍｇにおいて粘性流体をその粘性によって閉じ込めることに寄与する。
【００５５】
例えば、図１〜３に示すエアスライダ１０では、スライダ１２の底面１２ａ、ベース部１３の上面１３ａ、スライダ１２の側面１２ｂ及びレール部１４の側面１４ａのそれぞれを所定の平面度となるように加工し、図７〜９に示すエアスライダ３０では、レール部３３の外面３３ａとスライダ３２の内面３２ａを所定の平面度となるように加工する。また、図４〜６に示すエアスライダ２０では、レール部２３の外周面２３ａとスライダ２２の内周面２２ａを所定の円筒度となるように加工し、図１０，１１に示すエアシリンダ４０では、シリンダ本体部４３の内周面４３ａ、ピストン本体部４７の外周面４７ａ、ロッドカバー４５の内周面４５ａ及びロッド部４８の外周面４８ａのそれぞれを所定の円筒度となるように加工する。更に、図１２〜図１４（ａ），（ｂ）に示すギアタービン５０では、サイドカバー５５の側面５５ａ、ギア本体部５８，５９の側面５８ｂ，５９ｂのそれぞれを所定の平面度となるように加工すると共に、ギアボックス５４の内壁５４ａ、ギア本体部５８，５９の外壁５８ａ，５９ａ、中心軸５６，５７の外周面５６ａ，５７ａ、サイドカバー５５の孔５５ｘの内周面５５ｂのそれぞれを所定の円筒度となるように加工する。
【００５６】
上述した超精密加工の後、ＦＰＳＰ処理を施し、支持体１及び摺動体２の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このＦＰＳＰ処理として、支持体１及び摺動体２の摺動面に粒径が３０μｍ〜８０μｍの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を５０ｍ/ｓｅｃ〜２００ｍ／ｓｅｃの吹き付け速度で噴射することにより、支持体１及び摺動体２の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このようにマイクロディンプルが形成されることによって支持体１及び摺動体２の摺動面では、急熱又は急冷が繰り返され、結晶粒界が消失して表面改質がなされる。
【００５７】
上述した非接触摺動流体軸受の形成方法では、ＦＰＳＰ処理を施し、支持体１及び摺動体２の各摺動面にマイクロディンプルを形成する。このＦＰＳＰ処理として、支持体１及び摺動体２の摺動面にそれぞれ粒径が３０μｍ〜８０μｍの範囲にあるセラミック又は金属の微粒子を５０ｍ/ｓｅｃ〜２００ｍ／ｓｅｃの吹き付け速度で噴射し、支持体１及び摺動体２の摺動面にそれぞれマイクロディンプルを形成するので、支持体１及び摺動体２に対して適度な表面粗度を有する摺動面を形成することができる。
【００５８】
本発明を適用した金属製のエアシリンダ（図１０に示す構造）の試作機を作製した。このエアシリンダを用いて、圧力空間に加圧された空気が供給されていない場合と、圧力空間に２ｋＰａの加圧された空気が供給されている場合の各々について、ロッド部が少し突出した状態（例えば、図１０の状態）でピストンを周方向に回転させ、回転が停止するまでの回転数を測定した。その結果、前者の場合は、僅かな隙間が存在することで荷重が偏り、摺動面で金属接触が生じ、僅かに回転したものの測定可能な回転数に達することなく、直ぐに停止してしまった。これに対して、後者の場合は、擦れ合う音もなく数分間回転し続けた。即ち、圧力空間に加圧された空気が供給されることで自動調芯がなされ、非接触で摺動可能な状態を実現できることが確認された。
【００５９】
また、本発明を適用した金属製のギアタービンの試作機を作製した。このギアタービンに空気を供給する小型のエアコンプレッサを接続すると共に、ギアタービンに小型発電機を接続し、この小型発電機を電源とするＬＥＤ電球を点灯させる実証試験を行った。エアコンプレッサは回転数１０００ｒｐｍの能力を有する。その結果、４ＷのＬＥＤ電球を３個点灯させることができた。この回転数等の条件で小型発電機が発電できる電力は１２Ｗであった。ギアタービンの回転数の測定値は９１０ｒｐｍであり、エアコンプレッサから得られる予測回転数（１０００ｒｐｍ）に対して９１％の回転比率であり、その際に測定された電力は１１．７Ｗであった。ギアタービンの回転数に脈動が観察された点及び配管内でのロスがある点を考慮すると、ギアタービンの実質的な回転比率は１００％に近いものであったと推測される。即ち、本発明を適用したギアタービンは、支持体と摺動体との隙間が微小であって圧力損失が少ないものであり、高いエネルギー効率を有することが確認された。
【００６０】
上述した説明では、粘性流体として空気を用いた例を示したが、本発明の非接触摺動流体軸受では、空気だけでなく油又は水を用いることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  支持体
２  摺動体
５  圧力空間
１０，２０，３０  エアスライダ
１１，２１，３１  ガイドレール
１２，２２，３２  スライダ
４０  エアシリンダ
４１  シリンダチューブ
４２  ピストン
５０  ギアタービン
５１  ケーシング
５２，５３  ギア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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