JP2009092195A

JP2009092195A - 静圧流体軸受

Info

Publication number: JP2009092195A
Application number: JP2007265600A
Authority: JP
Inventors: Mochi Takei; 持武井; Toshihiro Tanaka; 俊宏田中; Shinichi Sogo; 晋一十合
Original assignee: DAIYA SEIKI CO Ltd
Current assignee: DAIYA SEIKI CO Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: JP4908372B2

Abstract

【課題】静圧流体軸受を容易に製造できると同時に高精度に構成可能な新規構造を実現する。
【解決手段】本発明の静圧流体軸受の軸受体２００は、第１凹凸端部２１１を一体に有する第１軸受部材２１０と、第１凹凸端部に対して軸線方向に嵌合可能に構成された第２凹凸端部２２１を一体に有する第２軸受部材２２０とを具備し、第１軸受部材と第２軸受部材が軸線方向に第１凹凸端部と第２凹凸端部とが組み合わされる態様で軸線方向に嵌合し、第１軸受側部分２１１ｔと第２軸受側部分２２１ｔの少なくとも一方には半径方向に伸び軸受隙間Ｇに連通する複数の凹溝２２１ｇが放射状に形成され、第１軸受側部分と第２軸受側部分とが突き合わされることで凹溝により絞りＰが軸線周りに複数分散して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は気体、油等の液体その他の流体の圧力で軸受する静圧流体軸受に係り、さらに詳しく言えば、電子記憶媒体に用いるディスクの検査用や精密加工用などのスピンドルの軸受に用いる場合に好適な静圧流体軸受の構造に関する。

高圧流体を絞りを通して軸受隙間に供給し、その流体の有する静圧によって軸に加わる負荷を支持する静圧流体軸受はすでに数多く実用化されている。とくに、高剛性、高精度を必要とする静圧流体軸受にあっては、軸受隙間を小さくし、それに相応して絞りの流体抵抗を大きくすることが求められている。そのため、静圧流体軸受は高い精度で加工することが必要で、さらに複数個の静圧流体軸受を用いるスピンドルにあっては静圧流体軸受自体及びその間の同心度、円筒度、真直度を高い精度で維持することが必要とされている。

図３は２個の静圧流体軸受２，２を用いて半径方向の負荷を受ける軸１を支持する従来の技術によるスピンドルの一例を模式的に示す概略断面図である。２個の静圧流体軸受２，２は、それぞれ第１軸受部材２Ａと第２軸受部材２Ｂとが軸線方向に突き合わされた状態で固定されてなる。これらの内径２１は高い精度で加工され、真円度、円筒度、真直度、および外径２２との同心度、ならびに内径２１に対する端面２３の直角度は必要精度を十分達成している必要がある。スピンドルを構成するには、スピンドルの構造体となるホルダー（ハウジング）３を用意し、一組の軸受部材２Ａ，２Ｂをホルダー３に挿入し、スペーサー４を挿入しさらに他方の組の軸受部材２Ａ，２Ｂを挿入する。ホルダー３の内径３１の真円度、円筒度、真直度は必要精度を満足する必要があり、内径３１の絶対寸法は第１軸受部材２Ａ、第２軸受部材２Ｂの挿入を可能にするため、これらの外径２２より数マイクロメータ大きく仕上げられている。スペーサー４の両端面４１、４１の平行度は第１軸受部材２Ａ、第２軸受部材２Ｂが傾くことを防ぐため十分な精度に仕上げられている。また、スペーサー４の外径４２の絶対寸法はホルダー３への挿入を可能にするためホルダー３の内径３１より小さく仕上げられている。

上記のような静圧流体軸受２の具体例若しくは改良例はたとえば以下の特許文献１に記載されている。また、静圧流体軸受の他の従来例としては、以下の特許文献２乃至４に示す構造が知られている。
特許第３７７９１８６号公報特公昭４６−８０４４号公報（特に図１及び図２に示される構造）特公昭４９−２９５２６号公報（特に図１及び図２に示される構造）実開平３−１１２１２１号公報

従来の技術による静圧流体軸受２を複数個用いてスピンドルを構成するには、図３に示すように、静圧流体軸受２を構成する第１軸受部材２Ａ及び第２軸受部材２Ｂをホルダー３に隙間嵌めで挿入しなければならないため、静圧流体軸受の内径２１と外径２２の同心度をたとえ０に仕上げても、複数個の静圧流体軸受間の内径の同心度、すなわち、内径の調心度（アライメント）はホルダー内径３１と流体軸受外径２２の差、すなわち、隙間嵌めの隙間の値だけの誤差を生じることになる。これは軸受隙間を小さくすることを求められる高剛性、高精度スピンドルでは大きな問題となる。また、工作に当たっても、静圧流体軸受２の内径２１／外径２２の同心度、端面２３の内径２１に対する直角度、ホルダー内径３１の真円度、円筒度、同心度および絶対寸法、さらに、スペーサー４の両端面４１の平行度を高い精度で加工することが必要となる。

すなわち、従来の技術を用いた静圧流体軸受を用いてスピンドルを構成するには、部品点数が多く、しかも前記したように各部品を高い精度で加工することが必要である。それにもかかわらず、最終的に複数個の静圧流体軸受の同心度（アライメント）は隙間嵌めの隙間の値だけ誤差を生じるということになる。

そこで、本発明の目的は、静圧流体軸受を容易に製造できると同時に高精度に構成可能な新規構造を実現することにある。特に、静圧流体軸受を複数個用いる場合、複数個の静圧流体軸受間の内径の同心度、すなわち、内径の調心度の誤差をかぎりなく０に近づけ、しかも部品点数を少なくし、さらに部品の精度を寛容にし工作を容易にすることを可能とする際に好適な構造若しくは製法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の静圧流体軸受は、回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した流体を絞りを通して導くことにより前記回転体を回転可能に支持する静圧流体軸受において、前記軸受体は、前記軸受面の一部を構成する第１軸受面部、及び、半径方向に見て凹凸状に設けられた第１凹凸端部を一体に有する第１軸受部材と、前記第１軸受面部に隣接し前記軸受面の他の一部を構成する第２軸受面部、及び、半径方向に見て凹凸状に設けられ、前記第１凹凸端部に対して軸線方向に嵌合可能に構成された第２凹凸端部を一体に有する第２軸受部材とを具備し、前記第１軸受部材と前記第２軸受部材が前記第１凹凸端部と前記第２凹凸端部とが組み合わされる態様で軸線方向に嵌合し、前記第１凹凸端部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１反軸受側部分と、前記第２凹凸端部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２反軸受側部分の対向面間が密接して全周に亘り気密に構成され、前記第１凹凸端部のうち半径方向の前記第１軸受面部の側に設けられた第１軸受側部分と、前記第２凹凸端部のうち半径方向の前記第２軸受面部の側に設けられた第２軸受側部分の少なくとも一方には半径方向に伸び前記軸受隙間に連通する複数の凹溝が放射状に形成され、前記第１軸受側部分と前記第２軸受側部分とが突き合わされることで前記凹溝により前記絞りが軸線周りに複数分散して構成され、前記第１軸受部材と前記第２軸受部材の間に画成され、前記複数の絞りに共通に連通する流体供給用の環状の圧力室が構成されることを特徴とする。

本発明によれば、第１軸受部材と第２軸受部材とが第１凹凸端部と第２凹凸端部とにおいて軸線方向に嵌合することで、第１軸受面部と第２軸受面部とが隣接して軸受面を構成するとともに、凹溝によって圧力室に連通する複数の絞りが構成される一方、第１反軸受側部分と第２反軸受側部分とが密接して気密に構成されるため、各軸受部材を嵌合端部より軸線方向に伸びる構造とすれば、第１軸受部材と第２軸受部材の嵌合構造で軸受体を構成することが可能になることから、ホルダー（ハウジング）が不要となって組立作業の容易化及び部品点数の削減を図ることができるとともに、第１軸受部材及び第２軸受部材をホルダーの内部に隙間嵌めによって組み込む必要がなくなるため、当該隙間嵌めによる第１軸受部材及び第２軸受部材の位置ずれ等を防止でき、真円度、円筒度、同心度等への影響を低減できる。

なお、本明細書において、「Ａのうち半径方向のａ１とは反対側に設けられたａ２」の意味は、Ａにおいて（或いはＡに対して）ａ１が半径方向内側にある場合には、ａ２がＡの半径方向外側に設けられた部分であることを示し、Ａにおいて（或いはＡに対して）ａ１が半径方向外側にある場合には、ａ２がＡの半径方向内側に設けられた部分であることを示すこととする。また、「Ｂのうち半径方向のｂ１の側に設けられたｂ２」の意味は、Ｂにおいて（或いはＢに対して）ｂ１が半径方向内側にある場合には、ｂ２がＢの半径方向内側に設けられた部分であることを示し、Ｂにおいて（或いはＢに対して）ｂ１が半径方向外側にある場合には、ｂ２がＢの半径方向外側に設けられた部分であることを示す。

特に、前記第１凹凸端部と前記第２凹凸端部とが相互に圧入状態とされていることにより、組立時における第１軸受部材と第２軸受部材の相対的な位置ずれを確実に防止できるとともに、組立後の経時的な位置変化も抑制できるため、軸受隙間等の精度低下等の不具合の発生を防止できる。すなわち、軸受部材間を締まり嵌めで位置決めすることで、従来の隙間嵌めによる位置ずれ等を回避しつつ、各部の精度を高めることができる。なお、第１軸受部材と第２軸受部材はボルト等の固定手段により軸線方向に互いに固定されることが好ましい。なお、「第２軸受部材と同様に嵌合する」とは、嵌合形状が同様であるという意味ではなく、第１軸受部材と第２軸受部材が圧入状態で嵌合している場合には第１軸受部材と第３軸受部材も圧入状態で嵌合しているという意味である。

本発明において、前記第１軸受部材には前記第１凹凸端部の軸線方向反対側に半径方向に見て凹凸状に構成された第１凹凸反端部が形成されるとともに、前記第１軸受部材の前記第１凹凸反端部に対し前記第２軸受部材と同様に嵌合する第３凹凸端部を備えた第３軸受部材が設けられ、前記第１軸受部材と前記第３軸受部材との間に前記絞り及び前記圧力室が同様に構成されることが好ましい。

これによれば、第１軸受部材の両側に第２軸受部材と第３軸受部材とが嵌合して軸受体を構成するので、軸線方向の少なくとも二箇所に静圧流体軸受を構成する場合に、スペーサ等の余分な構成部材が不要になるため、さらに製造の容易化及び部品点数の削減を図ることができる。また、二箇所の静圧流体軸受が一体に構成された第１軸受部材の両端部に嵌合した状態（圧入状態で）固定されるので、二箇所の静圧流体軸受間の整合性（調芯度等）を高めることができる。

この場合に、前記第１凹凸反端部の凹凸形状が前記第１凹凸端部の凹凸形状に対して軸線方向と直交する対称面に対して対称に形成されている場合があり、また、前記第１凹凸反端部の凹凸形状が前記第１凹凸端部の凹凸形状に対する嵌合可能な形状に形成されている場合もある。また、前記第１軸受部材には、前記第１軸受部材の両端部にそれぞれ設けられた一対の前記絞りの軸線方向中間部において前記軸受隙間若しくはこれらに連通する内部空間に開口する流体排出経路が構成されている場合（一対の一列軸受構造が軸線方向に設けられる場合）と、前記第１軸受部材の両端部にそれぞれ設けられた一対の前記絞りの間に連続する軸受隙間が設けられるとともに当該軸受隙間には流体排出経路が開口せず、前記一対の絞りの軸線方向両側において前記軸受隙間若しくはこれらに連通する内部空間に開口する流体排出経路がそれぞれ構成されている場合（二列軸受構造が設けられる場合）とがある。

次に、本発明の別の静圧流体軸受は、回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した流体を絞りを通して導くことにより前記回転体を回転可能に支持する静圧流体軸受において、前記軸受体は、前記軸受面の一部を構成する第１軸受面部、及び、軸線方向の端部における半径方向の前記第１軸受面部の側において軸線方向に環状に突出する環状凸部を一体に有する第１軸受部材と、前記第１軸受面部に隣接し前記軸受面の他の一部を構成する第２軸受面部、及び、軸線方向の端部における半径方向の前記第２軸受面部の側において軸線方向に環状に凹入する環状凹部を一体に有する第２軸受部材とを具備し、前記第１軸受部材の端部と前記第２軸受部材の端部が前記環状凸部と前記環状凹部とが組み合わされる態様で軸線方向に嵌合し、前記環状凸部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１側面部と、前記環状凹部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２側面部との対向面間、或いは、前記環状凸部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１端面部と、前記環状凹部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２端面部との対向面間の少なくとも一方が密接して全周に亘り気密に構成され、前記環状凸部の軸線方向の先端面と、前記環状凹部の軸線方向の奥底面の少なくとも一方には半径方向に伸び前記軸受隙間に連通する複数の凹溝が放射状に形成され、前記先端面と前記奥底面とが突き合わされることで前記凹溝により前記絞りが軸線周りに複数分散して構成され、前記第１軸支部材と前記第２軸支部材との間に画成され、前記複数の絞りに共通に連通する流体供給用の環状の圧力室が構成されることを特徴とする。

本発明によれば、第１軸受部材と第２軸受部材とが環状凸部と環状凹部とにおいて軸線方向に嵌合することで、第１軸受面部と第２軸受面部とが隣接して軸受面を構成するとともに、凹溝によって圧力室に連通する複数の絞りが構成される一方、環状凸部の第１側面部若しくは第１軸受部材の第１端面部と、環状凹部の第２側面部若しくは第２軸受部材の第２端面部とが密接して気密に構成されるため、第１軸受部材と第２軸受部材の嵌合構造で軸受体を構成することが可能になることから、ホルダー（ハウジング）が不要となって組立作業の容易化及び部品点数の削減を図ることができる。特に、第１軸受部材及び第２軸受部材を圧入状態とすることで、ホルダーの内部に隙間嵌めによって組み込む必要がなくなるため、当該隙間嵌めによる第１軸受部材及び第２軸受部材の位置ずれ等を防止でき、真円度、円筒度、同心度等への影響を低減できる。

本発明において、前記第１軸受部材と前記第２軸受部材のうちの一方の軸受部材の前記環状凸部若しくは前記環状凹部が設けられた端部とは反対側の端部に別の環状凸部若しくは環状凹部が形成されるとともに、当該別の環状凸部若しくは環状凹部に対し前記第２軸受部材と同様に嵌合する第３軸受部材がさらに設けられ、前記一方の軸受部材と前記第３軸受部材との間に前記絞り及び前記圧力室が同様に構成されることが好ましい。

本発明によれば、軸受部を構成する第１軸受部材と第２軸受部材とがそれぞれ嵌合可能な凹凸状に構成された端部同士で軸線方向に嵌合してなることから、ホルダーを不要とすることができるため、容易に製造できると同時に高精度に構成可能な静圧流体軸受を実現することができる。特に、静圧流体軸受を複数個用いる場合、複数個の静圧流体軸受自体の構造精度だけでなく、当該軸受間の内径の同心度、すなわち、内径の調心度の誤差をかぎりなく０に近づけ、しかも部品点数を少なくし、さらに部品の精度を寛容にし工作を容易にすることを可能とすることができるという優れた効果を奏し得る。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。最初に図１を参照して本発明の実施形態の基本構成例について説明する。図１は本発明の基本構成例（ただし、静圧流体軸受を複数個用いてスピンドルを構成する点、軸体で構成される回転体を取り囲む軸受体を構成する点等で具体化されている。）を模式的に示す概略断面図である。図１に示すように、本基本構成例では、回転体１００を軸支する軸受体２００が、第１軸受部材２１０と、この第１軸受部材２１０の軸線Ｘ方向の一方の端部２１１に嵌合する第２軸受部材２２０と、第１軸受部材２１０の他方の端部２１２に嵌合する第３軸受部材２３０とを有する。なお、特に限定されるものではないが、図示例の場合、回転体１００が円柱状の軸体として構成され、軸受体２００が回転体１００を挿入可能な円筒状に構成される。

第１軸受部材２１０の両端部２１１、２１２はそれぞれ半径方向に見て凹凸状に構成され、第１凹凸端部２１１及び第１凹凸反端部２１２となっている。また、第２軸受部材２２０の一方の端部は第１凹凸端部２１１に嵌合可能に、しかも半径方向に見て凹凸状に構成された第２凹凸端部２２１となっている。さらに、第３軸受部材２３０の一方の端部は第１凹凸反端部２１２に嵌合可能な、半径方向に見て凹凸状に構成された第３凹凸端部２３１となっている。

上記各端部の凹凸形状は少なくとも半径方向に見て凹凸状に構成されていればよいが、特に、軸線Ｘの周り全周に亘って凸部及び凹部がそれぞれ環状に連続した形状となっていることが好ましい。図示例の場合には、第１凹凸端部２１１のうち半径方向の内側部分に環状凸部２１１Ａが形成され、同半径方向の外側部分に第１端面部２１１Ｂが設けられている。第１端面部２１１Ｂは特に限定されないが、図示例では（軸線Ｘに直交する）平坦面とされている。また、上記第１凹凸端部２１１と嵌合可能な態様で、第２凹凸端部２２１のうち半径方向の内側部分に環状凹部２２１Ａが形成され、同半径方向の外側部分に第２端面部２２１Ｂが設けられている。この第２端面部２２１Ｂも特に限定されないが、図示例では（軸線Ｘに直交する）平坦面となっている。さらに、第１凹凸反端部２１２のうち半径方向の内側部分には環状凸部２１２Ａが、半径方向の外側部分には第１反端面部２１２Ｂがそれぞれ設けられ、これらに嵌合可能な態様で、第３凹凸端部２３１のうち半径方向の内側部分には環状凹部２３１Ａが、半径方向の外側部分には第３端面部２３１Ｂがそれぞれ設けられている。図示例では、第１反端面部２１２Ｂ及び第３端面部２３１Ｂは、上記第１端面部２１１Ｂと第２端面部２２１Ｂと同様に、それぞれ相互に密接する平坦面となっている。

環状凸部２１１Ａの軸線方向の先端面２１１ｔは環状凹部２２１Ａの軸線方向の奥底面２２１ｔに突き当てられた状態とされ、また、環状凸部２１１Ａの第１側面部２１１ｓ（半径方向外側の外側面部分）は環状凹部２２１Ａの第２側面部２２１ｓ（半径方向外側の内側面部分）と密接し、気密に構成される。さらに、第１端面部２１１Ｂは第２端面部２２１Ｂと密接し、気密に構成される。この場合、第１側面部２１１ｓと第２側面部２２１ｓのみが密接して気密に構成されていてもよく、或いはまた、第１端面部２１１Ｂと第２端面部２２１Ｂのみが密接して気密に構成されていてもよい。ここで、第１側面部２１１ｓと第１端面部２１１Ｂは上記の第１反軸受側部分に相当し、第２側面部２２１ｓと第２端面部２２１Ｂは上記の第２反軸受側部分に相当している。なお、このような構成は第１凹凸反端部２１２と第３凹凸端部２３１の嵌合部においても同様に構成される。

環状凹部２２１Ａの奥底面２２１ｔの表面には半径方向に伸び上記軸受隙間Ｇに連通する凹溝２２１ｇが形成され、この凹溝２２１ｇと先端面２１１ｔで絞りＰが構成される。ここで、絞りＰとしては凹溝２２１ｇを幅広の溝形状とすることでスロット絞りを構成するものであることが好ましいが、絞りＰの流路の断面形状は特に限定されず、たとえば自成絞りを構成するものであってもよい。いずれにしても、凹溝２２１ｇは軸線Ｘ周りに放射状に複数設けられ、複数の絞りＰが軸線Ｘ周りに（望ましくは均等に）分散して形成される。なお、絞りＰを形成するには奥底面２２１ｔに凹溝２２１ｇを設けるだけでなく、その代わりに先端面２１１ｔに凹溝を設けてもよく、また、奥底面２２１ｔと先端面２１１ｔの双方に凹溝を形成してもかまわない。ここで、先端面２１１ｔは上記第１軸受側部分に相当し、奥底面２２１ｔは上記第２軸受側部分に相当している。

また、上記凹溝２２１ｇは奥底面２２１ｔの半径方向外側に形成された環状溝２２１ｈに連通している。この環状溝２２１ｈは軸線Ｘ周りに環状に構成され、先端面２１１ｔとの間に圧力室Ｒを構成する。この圧力室Ｒは上記複数の絞りＰに連通して均等な圧力で流体を供給するものであり、後述する流体供給経路（給気経路Ｑ）に連通している。ここで、上記環状溝２２１ｈの代わりに先端面２１１ｔに環状溝を形成してもよく、奥底面２２１ｔと先端面２１１ｔの双方に環状溝を形成してもかまわない。さらに、上記環状溝は第１側面部２１１ｓ及び／又は第２側面部２２１ｓのうち上記先端面２１１ｔ又は奥底面２２１ｔ側の部分に形成されてもよい。なお、凹溝２３１ｇ及び環状溝２３１ｈも上記と同様に構成される。

第１凹凸端部２１１の内周部には第１軸受面部２１３が形成され、これに隣接して第２凹凸端部２２１の内周部に第２軸受面部２２３が形成されている。第１軸受面部２１３と第２軸受面部２２３は静圧流体軸受の軸受面２０１を構成し、回転体１の外周面に対して軸受隙間Ｇを介して対向している。軸受面２０１は回転体１の外周面に対応する（同軸の）円筒面を構成している。これと同様に、第１凹凸反端部２１２の内周部には第１反軸受面部２１４が形成され、これに隣接して第３凹凸端部２３１の内周部に第３軸受面部２３３が形成され、これらによって軸受面２０２が上記と同様に構成される。

第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０は嵌合している。特に、環状凸部２１１Ａと環状凹部２２１Ａとが圧入された圧入状態とされている。この場合、第１側面部２１１ｓの外径に対して、第２側面部２２１ｓの内径が数マイクロメートル〜数十マイクロメートル（２〜６０μｍ）の締め代を以って圧入されていることが好ましい。これによって両軸受部材間の位置精度（組立時及び組立後）を高めることができる。この締め代は第１軸受部材２１０及び第２軸受部材２２０の素材の剛性や部材の寸法によって適宜に設定される。特に、第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０を一度圧入してから取り外し、再度圧入しても軸受面２０１の寸法変化が許容範囲内となる程度の軽圧入であることが望ましい。なお、第１軸受部材２１０と第３軸受部材２３０の関係についても上記と同様である。

なお、第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０とはボルトＢ等の固定手段によって相互に固定されることが望ましい。図示例の場合、ボルトＢは両軸受部材を軸線方向に固定している。第１軸受部材２１０と第３軸受部材２３０との間も同様である。

この基本構成例は、上述の構成により一列給気軸受が軸線方向の二箇所においてそれぞれ構成されたものとなっている。この基本構成例において、上記圧力室Ｒには流体供給経路である給気経路Ｑが連通し、当該給気経路Ｑを介して圧縮空気等の気体が導入される。図示例では、第１軸受部材２１０、第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０の内部において軸線方向に延長するように形成された共通の給気経路Ｑが二箇所の圧力室Ｒに共に連通した構造となっている。軸受構造や他の構造の都合上、給気経路Ｑの開口部位を軸受体の軸線方向の端部に設ける場合には、図示のように好ましくは複数の軸受部材の内部に軸線方向に伸びる給気経路Ｑを構成することが望ましい。ただし、本発明においては、流体供給経路は圧力室Ｒに流体を供給することができる構造となっていればよく、一般的には上記軸受部材のうち少なくとも一つ（たとえば、第１軸受部材２１０）に形成されていれば足りる。

また、第１軸受部材２１０の内部には流体排出経路である排気経路Ｓが形成され、当該排気経路Ｓは二つの絞りＰの中間部において軸受隙間Ｇに連通する内部空間Ｔに開口している。なお、内部空間Ｔは軸受面２０１と２０２の間に形成された環状凹溝よりなる。

以上説明した実施形態の基本構成例では、第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０又は第３軸受部材２３０とが嵌合し、第１凹凸端部２１１と第２凹凸端部２２１、或いは、第１凹凸反端面部２１２と第３凹凸端部２３１が互いに圧入状態とされていることで、組立時及び組立後の相対的な位置決め精度を確保することができ、高精度の静圧流体軸受を構成できる。また、これらの軸受部材の嵌合部によって流体の密封性を容易に得ることができるため、ホルダー（ケーシング）を別途用いなくても軸受構造を構成することができ、部品点数の削減、製造の容易化を図ることが可能になる。

この第１軸受部材２１０の両端面に第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０を数〜十数マイクロメータの締め代で圧入することにより、第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０は相互に加圧状態とされるとともに、軸線方向のねじＢで固定されることで、密着し気密が保持された状態とされる。このとき、第１軸受部材２１０の半径方向内側に軸線方向に環状に突出する環状凸部２１１Ａと軸線方向中央部付近に軸受隙間Ｇを形成する第１軸受面部２１３の同心度、及び、第２軸受部材２２０の環状凹部２２１Ａとその第２軸受面部２２３の同心度が高い精度で仕上げられていれば、第１軸受部材２１０と第２軸受部材２２０の圧入・密着後、軸受面２０１の同心度、真直度、円筒度は高い精度で確保される。これは、第１反軸受面部２１４と第３軸受面部２３３で構成される軸受面２０２についても同様である。さらに、必要に応じ、圧入、密着ねじ止め後、軸受面２０１と２０２を同時一体研削加工すれば、複数の静圧流体軸受の調心度（アライメント）をかぎりなく０に近づけることが可能となる。

さらに、第１軸受部材２１０が後述するスピンドル等の構造体となるのでホルダーおよびスペーサーが不要となり、高精度加工を必要とする部品点数を削減することが可能となる。すなわち、本基本構成例の具体的な構成において、第１軸受部材２１０、第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０がスピンドル等の構造体であるハウジングとして機能し、また、第１軸受部材２１０自体が２つの静圧流体軸受間のスペーサとしても機能している。

なお、上記実施形態では、第１軸受部材２１０の両端部に第１凹凸端部２１１と第１凹凸反端部２１２とが形成され、これら各端部の半径方向内側には共に環状凸部２１１Ａ、２１２Ａがそれぞれ形成されているが、これとは異なり、両端部の半径方向内側に共に環状凹部を形成し、これらに対応させて第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０の端部に環状凸部を設けてもよい。さらには、両端部の一方に同環状凸部を設け、他方に同環状凹部を設けるとともに、これらに対応させて第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０の端部を形成してもよい。また、上記実施形態では、各軸受部材の半径方向内側に環状凸部又は環状凹部を設けているが、半径方向に見て凹凸状に構成され、相互に嵌合しているのであれば、各凹凸端部の凹凸形状は上記態様に限定されるものではない。なお、これらの点は以下に説明する他の例においても同様である。

図２は上記基本構成例とは異なる態様の軸受構造を示す変形例である。ここで、上記基本構成例と対応する部分には同一符号を付してある。この例は、第１軸受部材３１０の両側にそれぞれ複数の軸受部材を互いに嵌合させた場合を示している。すなわち、第１軸受部材３１０の両側に第２軸受部材３２０と第３軸受部材３３０とが圧入されて嵌合し、第２軸受部材３２０にはさらに第４軸受部材３４０が圧入されて嵌合し、第３軸受部材３３０にはさらに第５軸受部材３５０が圧入されて嵌合するといった具合である。この場合も上記と同様に、種々のバリエーションを適用することができる。この図示例では、軸線方向の二箇所においてそれぞれ二列給気軸受が構成され、これによって軸受剛性のより高い軸受構造が実現されている。ただし、当該例において第２軸受部材３２０や第３軸受部材３３０にもそれぞれ流体排出経路を設けることで複数の一列給気軸受が軸線方向に配列された態様で構成されたものとすることも可能である。

次に、上記の実施形態の基本構成例の製造方法について説明する。第１軸受部材２１０、第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０をそれぞれ用意し、一旦、これらを相互に圧入して嵌合させ、軸受体を一時的に形成する。この場合、これらの圧入状態は、予め締め代を設定しておくことで、嵌合後一旦取り外して再度嵌合させても軸受面２０１、２０２の面精度が許容範囲内となる程度の軽圧入とする。この第１嵌合工程は、複数の軸受部材を相互に完成状態となるように嵌合させる工程である。

そして、この嵌合状態で、軸受面２０１、２０２を研削加工、研摩加工等によって成形し、所要の面精度を得る。この軸受面成形工程は、各軸受部材が嵌合状態にあるときに必要な軸受面精度を得るための工程である。

その後、第１軸受部材２１０、第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０の嵌合を外してばらばらとし、上記凹溝２２１ｇ及びこれに対向する先端面２１１ｔの部分等といった絞りＰの軸受面２０１、２０２に対する開口縁のバリを除去したり、研摩したり、塵埃を除去したりする。この開口縁の処理工程は、上記軸受面成形工程で生じた絞りＰの詰まりを防止したり、バリを除去したりといった絞りＰの開口部に対する適正化処理工程である。

最後に、第１軸受部材２１０、第２軸受部材２２０及び第３軸受部材２３０を再び圧入して嵌合させ、一体の軸受体を構成する。この再度の（第２）嵌合工程によって軸受体が完成する。

図４は本発明に係る静圧流体軸受の構造をスピンドルに応用した場合の主要部分を示す概略縦断面図である。このスピンドルは、上記基本構成例と同様の、スピンドル軸４００を挿通する第１軸受部材５１０と、この第１軸受部材５１０の両端部に嵌合して圧入状態とされた第２軸受部材５２０及び第３軸受部材５３０とを有している。各軸受部材間には上記と同様の絞りＰ及び圧力室Ｒが構成され、スピンドル軸４００をラジアル方向に軸支する。

スピンドル軸４００は基本的に円柱状に構成されているが、一部に半径方向に張り出したフランジ部４０１を有し、当該フランジ部４０１が軸線方向両側にそれぞれ対向するスラスト軸受部材５４０と僅かな軸線方向の軸受隙間Ｈを介して嵌合している。スラスト軸受部材５４０内にはフランジ部４０１に対して軸線方向両側にそれぞれ対向し、上記軸受隙間Ｈに軸線方向に開口する絞りＵ及び圧力室Ｖが形成され、スピンドル軸４００をスラスト方向に軸支する。なお、このスラスト軸受構造としては、上記構造の凹凸関係を逆にし、スピンドル軸４００に環状溝を形成し、この環状溝内に軸受隙間を介して嵌入する、内側に張り出したフランジ状の部分を備えた軸受部材を設けたものであってもよい。なお、スラスト軸受部材５４０は一方で第２軸受部材５２０に固定され、他方で半径方向の環状固定部材５４１と軸線方向の環状固定部材５４２によって支持固定される。なお、各部の固定手段としては図示しないボルト等が用いられる。

本応用例でも第１軸受部材５１０、第２軸受部材５２０及び第３軸受部材５３０の少なくとも一つには流体供給経路である給気経路５０１が構成される。図示例の場合、流体供給経路５０１は第１軸受部材５１０、第２軸受部材５２０及び第３軸受部材５３０を軸線方向に貫通する態様で各軸受部材の内部に構成される。給気経路５０１は第３軸受部材５３０の端面に開口し、図示しない供給管等に接続される。給気経路５０１は上記圧力室Ｒ及びＶに連通し、各絞りＰ及びＵを介して軸受隙間Ｇ及びＨに流体が供給される。また、流体排出経路である排気経路５０２、５０３、５０４が第１軸受部材５１０及びスラスト軸受部材５４０に形成されている。

図４に示す上記スピンドルにおいて、潤滑流体としてゲージ圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２(＝４９０ｋＰａ)の空気を利用し、半径方向負荷に対する剛性ｋ＝５ｋｇｆ／μｍ(＝４９Ｎ／μｍ)、偏心率０．５における負荷容量Ｗ＝２５ｋｇｆ(＝２４５Ｎ)を有するように設計した。

一方、図５は、従来の技術による静圧流体軸受を用い、同じ設計目標の性能(半径方向負荷に対する剛性ｋ＝５ｋｇｆ／μｍ(＝４９Ｎ／μｍ)、偏心率０．５における負荷容量Ｗ＝２５ｋｇｆ(＝２４５Ｎ)を有するスピンドルの設計例を示したものである。ここで、対応する部品には図３と同様の符号を付してある。従来構造では、一対の静圧流体軸受を構成するのに、二組の軸受部材２Ａ，２Ｂをスペーサ４を介してホルダー３内に組み込む必要があるので、部品点数が増大し、組立作業も煩雑であるとともに、ホルダー３に対して四つの軸受部材２Ａ、２Ｂを隙間嵌めで装着する必要があり、同心度、円筒度、真直度及び調芯度を高めることが難しい。

図６は、静圧流体軸受１個当たりの剛性ｋｓおよび流量Ｑと軸受の半径隙間Ｃｒの関係を示したものである。この静圧流体軸受を用いて図４および図５に示すスピンドルで半径方向負荷に対する剛性ｋ＝５ｋｇｆ／μｍ(＝４９Ｎ／μｍ)を得るには、半径隙間ＣｒをＣｒ＝８〜１１μｍ（約１０μｍ）とする必要がある。

従来の技術による静圧流体軸受を用いてスピンドルを構成するには、前記したように静圧流体軸受をホルダーに隙間数μｍの隙間嵌めで挿入しなければならない。いま、隙間５μｍの隙間嵌めでホルダーに静圧流体軸受を挿入したとすると、２個の静圧流体軸受の同心度（調心度、すなわち、アライメントの誤差）は、静圧流体軸受の内径と外径の同心度が0という理想的な精度で加工されていたとしても、隙間嵌めの隙間５μｍの誤差を生じることになる。これは、スピンドルで半径方向負荷に対する剛性ｋ＝５ｋｇｆ／μｍ(＝４９Ｎ／μｍ)を得るために必要な静圧流体軸受の半径隙間Ｃｒ＝８〜１１μｍ（約１０μｍ）の５０％、偏心率εで表すとε＝０．５に達する。すなわち、偏心率ε＝０．５で負荷容量ＷはＷ＝０となる。設計目標の負荷容量Ｗ＝２５ｋｇｆ(＝２４５Ｎ)を発揮するためにこの状態からさらに５μｍ軸が変位すると、軸は軸受に接触することになる。

本発明による静圧流体軸受を用いれば、複数個の静圧流体軸受の同心度（調心度、すなわち、アライメントの誤差）は確保され、さらに、必要に応じ、圧入、密着ねじ止め後、前記軸受面（円筒内面、図１の２０１、２０２）を同時一体研削加工すれば、前記軸受面２０１、２０２の同心度すなわち複数の静圧流体軸受の調心度はかぎりなく０に近づけることが可能となり、半径隙間Ｃｒ＝８〜１１（１０）μｍの静圧流体軸受を複数個用い、潤滑流体としてゲージ圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２(＝４９０ｋＰａ)の空気を利用し、半径方向負荷に対する剛性ｋ＝５ｋｇｆ／μｍ(＝４９Ｎ／μｍ)、偏心率０．５における負荷容量Ｗ＝２５ｋｇｆ(＝２４５Ｎ)を有するスピンドルを実現することができる。

以上記したように、従来の技術による静圧流体軸受を用いると設計目標の性能を有するスピンドルを実現することは困難であるが、本発明による静圧流体軸受を用いることにより設計目標の性能を満足するスピンドルを実現することが可能となる。

なお、上記実施形態は流体として空気を用いているが、他の流体、たとえば、油等の液体、その他の流動性を有する物質を用いることができる。特に、潤滑性の高い流体を用いることが望ましい。また、回転体と軸受体の半径方向の内外の位置関係を逆転させた態様、すなわち、軸受体を中心部に設置し、回転体を軸受体の外周の軸受面を取り巻くように構成した場合でも、上記と同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る静圧流体軸受の実施形態の基本構成例を示す概略縦断面図。基本構成例の変形例を示す概略縦断面図。従来の静圧流体軸受を用いた軸受構造の概略縦断面図。実施形態の静圧流体軸受を用いたスピンドル構造を示す概略縦断面図。従来の静圧流体軸受を用いたスピンドル構造を示す概略縦断面図。静圧流体軸受１個当たりの剛性および流量と軸受の半径隙間Ｃｒの関係を示すグラフ。

符号の説明

１００…回転体、２００…軸受体、２０１，２０２…軸受面、２１０…第１軸受部材、２１１…第１凹凸端部、２１１Ａ…環状凸部、２１１Ｂ…第１端面部、２１１ｔ…先端面、２１１ｓ、２２１ｓ…第１側面部、２１２…第１凹凸反端部、２１２Ａ…環状凸部、２１２Ｂ…第１反端面部、２１３…第１軸受面部、２２０…第２軸受部材、２２１…第２凹凸端部、２２１Ａ…環状凹部、２２１Ｂ…第２端面部、２２１ｔ…奥底面、２２３…第２軸受面部、２３０…第３軸受部材、２３１…第３凹凸端部、２３１Ａ…環状凹部、２３１Ｂ…第３端面部、Ｇ、Ｈ…軸受隙間、Ｐ、Ｕ…絞り、Ｒ、Ｖ…圧力室

Claims

回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した流体を絞りを通して導くことにより前記回転体を回転可能に支持する静圧流体軸受において、
前記軸受体は、前記軸受面の一部を構成する第１軸受面部、及び、半径方向に見て凹凸状に設けられた第１凹凸端部を一体に有する第１軸受部材と、前記第１軸受面部に隣接し前記軸受面の他の一部を構成する第２軸受面部、及び、半径方向に見て凹凸状に設けられ、前記第１凹凸端部に対して軸線方向に嵌合可能に構成された第２凹凸端部を一体に有する第２軸受部材とを具備し、
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材が前記第１凹凸端部と前記第２凹凸端部とが組み合わされる態様で軸線方向に嵌合し、前記第１凹凸端部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１反軸受側部分と、前記第２凹凸端部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２反軸受側部分の対向面間が密接して全周に亘り気密に構成され、
前記第１凹凸端部のうち半径方向の前記第１軸受面部の側に設けられた第１軸受側部分と、前記第２凹凸端部のうち半径方向の前記第２軸受面部の側に設けられた第２軸受側部分の少なくとも一方には半径方向に伸び前記軸受隙間に連通する複数の凹溝が放射状に形成され、前記第１軸受側部分と前記第２軸受側部分とが突き合わされることで前記凹溝により前記絞りが軸線周りに複数分散して構成され、
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材の間に画成され、前記複数の絞りに共通に連通する流体供給用の環状の圧力室が構成されることを特徴とする静圧流体軸受。
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材とが圧入状態で嵌合していることを特徴とする請求項１に記載の静圧軸受部材。
前記第１軸受部材には前記第１凹凸端部の軸線方向反対側に半径方向に見て凹凸状に構成された第１凹凸反端部が形成されるとともに、前記第１軸受部材の前記第１凹凸反端部に対し前記第２軸受部材と同様に嵌合する第３凹凸端部を備えた第３軸受部材が設けられ、前記第１軸受部材と前記第３軸受部材との間に前記絞り及び前記圧力室が同様に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧流体軸受。
回転体と、該回転体との間に軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受体とを具備し、前記軸受隙間に加圧した流体を絞りを通して導くことにより前記回転体を回転可能に支持する静圧流体軸受において、
前記軸受体は、前記軸受面の一部を構成する第１軸受面部、及び、軸線方向の端部における半径方向の前記第１軸受面部の側において軸線方向に環状に突出する環状凸部を一体に有する第１軸受部材と、前記第１軸受面部に隣接し前記軸受面の他の一部を構成する第２軸受面部、及び、軸線方向の端部における半径方向の前記第２軸受面部の側において軸線方向に環状に凹入する環状凹部を一体に有する第２軸受部材とを具備し、
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材が前記環状凸部と前記環状凹部とが組み合わされる態様で軸線方向に嵌合し、
前記環状凸部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１側面部と、前記環状凹部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２側面部との対向面間、或いは、前記環状凸部のうち半径方向の前記第１軸受面部とは反対側に設けられた第１端面部と、前記環状凹部のうち半径方向の前記第２軸受面部とは反対側に設けられた第２端面部との対向面間の少なくとも一方が密接して全周に亘り気密に構成され、
前記環状凸部の軸線方向の先端面と、前記環状凹部の軸線方向の奥底面の少なくとも一方には半径方向に伸び前記軸受隙間に連通する複数の凹溝が放射状に形成され、前記先端面と前記奥底面とが突き合わされることで前記凹溝により前記絞りが軸線周りに複数分散して構成され、
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材の間に画成され、前記複数の絞りに共通に連通する流体供給用の環状の圧力室が構成されることを特徴とする静圧流体軸受。
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材とが圧入状態で嵌合していることを特徴とする請求項４に記載の静圧軸受部材。
前記第１軸受部材と前記第２軸受部材のうちの一方の軸受部材の前記環状凸部若しくは前記環状凹部が設けられた端部とは反対側の端部に別の環状凸部若しくは環状凹部が形成されるとともに、当該別の環状凸部若しくは環状凹部に対し前記第２軸受部材と同様に嵌合する第３軸受部材がさらに設けられ、前記一方の軸受部材と前記第３軸受部材との間に前記絞り及び前記圧力室が同様に構成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の静圧流体軸受。