JP3095585B2 - 気体軸受 - Google Patents
気体軸受Info
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Description
または動圧によって、回転軸等の移動部材を非接触で支
持する気体軸受に関するものである。
等の気体軸受は、摩擦抵抗が少いために回転軸等の移動
部材が軽く滑かに動き、加えて、オイル等の潤滑剤を必
要としないために雰囲気を汚染するおそれもない。従っ
て、高精度を必要とし、かつ塵を嫌う精密工作機械や半
導体露光装置あるいは15,000r.p.m以上の高
速回転を行うレーザビームプリンタの回転多面鏡の駆動
モータやVTRヘッド駆動モータ、ジャイロ用モータ等
の軸受部分に広く利用されている。
体を噴出する絞りを有し、該絞りは、図6に示すよう
に、移動部材51の軸受面51aおよびこれに対向する
軸受面52aの少くとも一方に1個あるいは複数の小孔
55を設けた自成絞り形や、図7に示すようなオリフィ
ス65を設けたオリフィス絞り形や、図8に示すような
軸受面に沿ってのびる浅溝75を設けた表面絞り形や、
図9に示すような多孔質パッド85を用いた多孔質絞り
形などがあり、自成絞り形、オリフィス絞り形および表
面絞り形の絞りを有する軸受面は、加工しやすいという
点から軟質な銅合金によって形成され、多孔質絞り形の
場合は、多孔質パッドの材料に銅合金、超硬合金、カー
ボン系材料、あるいは多孔質セラミック等が用いられ
る。このような静圧気体軸受の互に対向する軸受面の間
の軸受間隙は、数マイクロメータから十数マイクロメー
タと極めて狭いため、運転中の予期しない過負荷や供給
される気体の圧力不足などによって、前記軸受面が互に
接触し、摩擦による発熱や摩耗粉末の発生等によってか
じりや焼付きを生じる。
示すように、円筒状のスリーブ94とその内側に固着さ
れたスラスト軸受部材92を有する軸受ハウジングH0
と、スリーブ94内に嵌挿された回転軸91からなり、
回転軸91は図示しないモータによって回転されるロー
タと一体であり、回転軸91の軸受面91aにはスパイ
ラル状の溝91bが設けられ、また、回転軸91の端面
91cはスラスト軸受部材92に向って球面状に突出し
ている。回転軸91とスリーブ94の間の軸受間隙の寸
法は2ないし10マイクロメータであり、回転軸91が
回転すると、前記軸受間隙の空気が回転軸91の溝91
bに沿って流動し、その動圧によって回転軸91がスリ
ーブ94に対して非接触で支持されるとともに、回転軸
91の端面91cがスラスト軸受92から浮上する。な
お、スラスト軸受部材92は前記動圧を調整するための
貫通孔98を有する。
を行ったステンレス材によって作られており、スラスト
軸受部材92は自己潤滑性のある樹脂、例えば、ポリア
セタール等が用いられる。しかしながら前述の樹脂は加
工性が悪く所望の精度を得るのが難しいうえに、多量の
摩耗粉末が発生する傾向がある。
は、両者の原子や分子が力を及ぼし合って結合する力
(以下、「凝着力」という。)に起因するもので、その
大きさ(以下、「摩擦力」という。)Fs は、このよう
に両表面の原子や分子が力を及ぼし合って凝着力が発生
する面(以下、「真実接触面」という。)の大きさAr
に比例し、以下の式で表わされる。
表面の硬度Hの比で表わされるものであるから、(1)
式は以下のように表わされる。
末が発生する。気体軸受においては、このような摩耗粉
末が互に付着して大きな粒子に成長すると、軸受間隙が
減少して焼付きやかじりを発生する。また、摩擦熱によ
って軸受面や摩擦粉末が溶融し、このために焼付きを起
こしたり、軸受精度が低下するおそれもある。
ら解るように、各軸受面に硬度の高い材料を用いるとよ
い。そこで、回転軸等の移動部材をセラミック材料で作
成するとともに、セラミック材料の粉末を焼成した多孔
質パッドを用いた静圧気体軸受(特開昭62−2851
9号公報参照)や、回転軸の表面をイオンプレーティン
グによるちっ化チタン(TiN)の薄膜で被覆するとと
もに、多孔質グラファイトによって作成された多孔質パ
ッドを用いる静圧気体軸受(特開昭63−186030
号公報参照)が開発された。
材料を超硬合金とセラミックの組合わせとした動圧気体
軸受(特開昭60−179517号公報参照)も開発さ
れている。
の技術によれば、軸受面が接触したときの摩擦を充分低
減できないうえに、セラミック材料で作られた多孔質パ
ッドは、セラミック粒子の結合力が弱いために極めて摩
耗しやすく、摩耗粒子が高硬度であるために多孔質パッ
ドに対向する軸受面が損傷され、軸受精度を低下させる
おそれがある。
グによるちっ化チタンの薄膜で被覆する方法は、薄膜の
膜厚が数ミクロン(1〜5μm程度)であるため円筒面
に均一な薄膜を設けることが困難であり、かつ機械的方
法による膜厚の修正も難しい。
すると、これらは化学的活性度が高いために軸受面が接
触したときの摩擦を充分低減できない。
鑑みてなされたものであり、運転中の予期しない過負荷
や供給される気体の圧力不足または運転速度の低下等に
よって互に対向する軸受面が接触したときの摩擦を大幅
に低減し、焼付きやかじり、あるいは軸受精度の低下を
容易に防ぐことのできる気体軸受を提供することを目的
とするものである。
めに本発明の気体軸受は、移動部材とこれに対向する支
持部材の間に気体を噴出し、該気体の静圧によって前記
移動部材を非接触で支持する気体軸受であって、前記移
動部材と前記支持部材のうちの一方の表面はカーボング
ラファイトで作られており、他方の表面はアルミナ、そ
の他の酸化物セラミック、炭化物セラミックおよびちっ
化物セラミックのいずれかで作られていることを特徴と
する。
の表面が気体を噴出する多孔質体の表面であり、他方の
表面が、前記多孔質体より硬度の高い材料で作られてい
るとよい。
の少くとも一方に動圧発生用の溝を有する気体軸受であ
って、前記回転部材と前記支持部材のうちの一方の表面
はカーボングラファイトで作られており、他方の表面が
アルミナ、その他の酸化物セラミック、炭化物セラミッ
ク、ちっ化物セラミックのいずれかで作られていること
を特徴とするものでもよい。
支持部材の互に対向する表面の一方がカーボングラファ
イト、他方がアルミナ等であれば、移動部材または回転
部材と支持部材が接触したときの摩擦を大幅に低減でき
る。その理由は以下の通りである。
して分離するのに必要な単位面積あたりの仕事量γ0 は
以下の式で表わされる。
さい程、また、両物体の界面エネルギーが大きい程、両
者を分離するのに要する力は少くなる。すなわち、両物
体の凝着力が小さくなる。そこで、移動部材または回転
部材と支持部材のそれぞれの少くとも互に対向する表面
を構成する材料に、それぞれの表面エネルギーが小さく
て、両者の界面エネルギーの大きい組合わせとして一方
の表面をカーボングラファイト、他方の表面をアルミナ
等に選定すれば、移動部材または回転部材と支持部材の
間の凝着力が極めて小さくなり、摩擦を大幅に低減でき
る。また、移動部材と支持部材のうちの一方の表面が気
体を噴出する多孔質体の表面であり、他方の表面が前記
多孔質体より硬度の高い材料で作られていれば、多孔質
体が摩耗してもその摩耗粒子が他方の表面を損傷するお
それがないという利点が付加される。
て、本実施例の静圧気体軸受E1 は、円筒状の軸受面1
aを有する中空軸1と、その両端のそれぞれに、図示し
ないボルト等によって固着されたスラストプレート2,
3からなる移動部材であるロータR1 と、これを非接触
で回転自在に支持する支持部材である軸受ハウジングH
1 からなり、軸受ハウジングH1 の本体4は、ロータR
1 の中空軸1の表面である軸受面1aに対向する表面を
有する一対の多孔質体であるラジアル軸受パッド5a,
5bと、各スラストプレート2,3の表面である軸受面
2a,3aに対向する表面を有する多孔質体であるスラ
スト軸受パッド6,7を保持し、ラジアル軸受パッド5
a,5bおよびスラスト軸受パッド6,7は焼きばめや
接着等によって軸受ハウジングH1 の本体4に固着され
る。図示しない加圧気体供給源から供給される加圧気体
は、軸受ハウジングH1 の本体4に設けられた加圧気体
供給孔8a,8bを経て分配流路8cに導入され、各ラ
ジアル軸受パッド5a,5bおよび各スラスト軸受パッ
ド6,7に分配供給され、それぞれに対向する軸受面1
a,2a,3aに向って噴出されたのち、軸受面2a,
3aの外周および軸受ハウジングH1 の本体4を径方向
に貫通する排出孔8dを経て排出される。中空軸1およ
び各スラストプレート2,3はそれぞれ金属材料によっ
て作られており、各軸受面1a,2a,3aは、図2に
拡大して示すように、セラミック材料であるアルミナ
(Al2 O3 )の被膜9,10,11によって被覆され
ている。また、各ラジアル軸受パッド5a,5bおよび
各スラスト軸受パッド6,7はカーボングラファイトで
作られている。
れた材料であり、また、カーボングラファイトは共有結
合およびファン・デル・ワールス力によって結合された
材料である。従って、金属に比べるとそれぞれの材料の
表面エネルギーが極めて小さく、かつ、両材料の界面エ
ネルギーが大きいために両者の凝着力が極めて小さい。
また、アルミナおよびカーボングラファイトの硬度はそ
れぞれKNH252000(Hv2000に相当する)、
ショア67(Hv520程度)であり、従って、両者の
真実接触面積も比較的小さいために、ロータR1 の各軸
受面1a,2a,3aとこれに対向するラジアル軸受パ
ッド5a,5b、スラスト軸受パッド6,7が接触した
ときの摩擦は大幅に軽減される。さらに、カーボングラ
ファイトは結晶面のすべりによる自己潤滑性と耐摩耗性
にすぐれており、これらによる摩擦も小さいために摩擦
の発生も一層大幅に軽減できるという利点もある。加え
て、カーボングラファイトの摩擦によって発生する摩耗
粉末の粒子硬度もアルミナの硬度よりはるかに低いため
に、摩耗粉末によって各軸受面1a,2a,3aが損傷
されるおそれはない。なお、中空軸1および各スラスト
プレート2,3は前述のように金属材料で作られてお
り、それぞれのアルミナの被膜9,10,11は、溶射
によって形成された溶射膜であり、機械加工等による寸
法の修正も容易である。
9,10,11の材料は、アルミナに替えて、酸化クロ
ム(Cr2 O3 )等の他の酸化物セラミックや、より凝
着力の小さい炭化珪素(SiC)等の炭化物セラミッ
ク、あるいはちっ化珪素(SiN)等のちっ化物セラミ
ックでもよい。
孔質体の軸受パッドを用いるものであるが、前述の自成
絞り形、オリフィス絞り形、表面絞り形等にも適用でき
ることは言うまでもない。
って、本実施例の静圧気体軸受E2は、中空軸21とそ
の両端のスラストプレート22,23からなる移動部材
であるロータR2 と、多孔質体であるラジアル軸受パッ
ド25a,25bおよびスラスト軸受パッド26,27
を保持する支持部材である軸受ハウジングH2 からな
り、軸受ハウジングH2 の本体24には加圧気体供給孔
28a,28b、分配流路28cおよび排気孔28dが
設けられている。
ート22,23は、アルミナ等のセラミック材料によっ
て一体的に作成されている。従って、各ラジアル軸受パ
ッド25a,25bおよび各スラスト軸受パッド26,
27に対向するロータR2 の表面である軸受面21a,
22a,23aにはアルミナ等のセラミック材料の被膜
を必要としない。その他の点は、第1実施例と同様であ
るので説明は省略する。
て、本実施例の動圧気体軸受E3 は、円筒状のスリーブ
34にカーボングラファイトで作られたラジアル軸受部
材35とスラスト軸受部材32を焼きばめや接着によっ
て固着した支持部材である軸受ハウジングH3 を有し、
ラジアル軸受部材35の表面であるラジアル軸受面35
aとスラスト軸受部材32の表面であるスラスト軸受面
32aは精度よく仕上げられており、また、スラスト軸
受部材32はその中央に貫通孔38を有する。軸受ハウ
ジングH3 の軸受面によって支持される回転部材である
回転軸31は、図示しないモータによって回転されるロ
ータと一体であり、回転軸31の表面である円筒面31
aはスリーブ34のラジアル軸受面35aに対向し、ま
た回転軸31の球面状に突出する端面31cはスラスト
軸受部材32のスラスト軸受面32aに対向する。回転
軸31の円筒面31aと端面31cの表面にはセラミッ
ク材料であるアルミナの被膜39が施されており、該被
膜39の回転軸31の円筒面31aの表面を覆う部分に
はスパイラル状の溝31bが形成されている。
転されると、ラジアル軸受部材35と回転軸31の間の
空気が溝31bに巻きこまれてスラスト軸受部材32に
向って流動し、その動圧によって回転軸31がラジアル
軸受部材35に非接触で支持されるとともに、回転軸3
1の端面31cとスラスト軸受部材32の間の空気が加
圧されて回転軸31の端面31cがスラスト軸受部材3
2から浮上する。回転軸31とスラスト軸受部材32の
間の空気の圧力は、その一部分をスラスト軸受部材32
の貫通孔38から逃がすことで適正な値に調節される。
軸31の回転が停止したときは、回転軸31の球面状の
端面31cの最も突出した部分がスラスト軸受部材32
に接触し、また、回転軸31の円筒面31aの一部分が
ラジアル軸受部材35のラジアル軸受面35aに接触す
る。しかしながら、前述のように、回転軸31の円筒面
31aと端面31cの表面はアルミナが被膜されてお
り、これらに対向する軸受ハウジングH3 のラジアル軸
受面35aとスラスト軸受面32aはカーボングラファ
イトで作られているため、両者の表面エネルギーは極め
て小さいうえに、これらが互に接触したときの界面エネ
ルギーは大であり、従って、両者の凝着力が極めて小さ
い。さらに前述のように、アルミナとカーボングラファ
イトが接触したときの真実接触面積も小であるため、回
転軸31がラジアル軸受部材35やスラスト軸受部材3
2に接触しても両者の間に大きな摩擦を生じるおそれは
ない。また、カーボングラファイトは結晶面のすべりに
よる自己潤滑性と耐摩擦性にすぐれており、その結果、
回転軸31の始動、停止を頻繁に行っても、あるいは回
転軸31の回転速度がたびたび低下することがあって
も、多量の摩耗粉末を発生したり、摩擦熱による焼付き
やかじりを起すおそれはない。
動圧発生用の溝が設けられているが、同様の溝をラジア
ル軸受部材の軸受面に設けてもよい。
って、本実施例の動圧気体軸受E4は、第3実施例と同
様の回転部材である回転軸41全体がセラミック材料で
あるアルミナによって作られており、その表面である円
筒面41aにスパイラル状の溝41bが形成されてい
る。スリーブ44、ラジアル軸受部材45およびスラス
ト軸受部材42については第3実施例のスリーブ34、
ラジアル軸受部材35およびスラスト軸受部材32とそ
れぞれ同様であるので説明は省略する。本実施例は回転
軸41全体がアルミナで作られているため、その表面に
アルミナの被膜を設ける必要はない。その他の点は第3
実施例と同様であるので説明は省略する。
で、以下に記載するような効果を奏する。
接触したときの摩擦を大幅に軽減し、運転中の予期しな
い過負荷や供給される気体の圧力不足あるいは運転速度
の低下等による焼付きやかじり、あるいは軸受精度の低
下を容易に防ぐことができる。
面図である。
の形式の一つである自成絞り形を説明する説明図であ
る。
の形式の一つであるオリフィス絞り形を説明する説明図
である。
の形式の一つである表面絞り形を説明する説明図であ
る。
の形式の一つである多孔質絞り形を説明する説明図であ
る。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 移動部材とこれに対向する支持部材の間
に気体を噴出し、該気体の静圧によって前記移動部材を
非接触で支持する気体軸受であって、前記移動部材と前
記支持部材のうちの一方の表面はカーボングラファイト
で作られており、他方の表面はアルミナ、その他の酸化
物セラミック、炭化物セラミックおよびちっ化物セラミ
ックのいずれかで作られていることを特徴とする気体軸
受。 - 【請求項2】 前記移動部材と前記支持部材のうちの一
方の表面が気体を噴出する多孔質体の表面であり、他方
の表面が、前記多孔質体より硬度の高い材料で作られて
いることを特徴とする請求項1記載の気体軸受。 - 【請求項3】 回転部材とこれに対向する支持部材の少
くとも一方に動圧発生用の溝を有する気体軸受であっ
て、前記回転部材と前記支持部材のうちの一方の表面は
カーボングラファイトで作られており、他方の表面がア
ルミナ、その他の酸化物セラミック、炭化物セラミッ
ク、ちっ化物セラミックのいずれかで作られていること
を特徴とする気体軸受。 - 【請求項4】 前記他方は、アルミナ、その他の酸化物
セラミック、炭化物セラミック、ちっ化物セラミックの
いずれかで作られていることを特徴とする請求項1ない
し3いずれか1項記載の気体軸受。 - 【請求項5】 前記他方の表面は、被膜の表面であるこ
とを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の気
体軸受。 - 【請求項6】 前記被膜が溶射膜であることを特徴とす
る請求項5記載の気体軸受。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05205689A JP3095585B2 (ja) | 1992-11-26 | 1993-07-28 | 気体軸受 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33976892 | 1992-11-26 | ||
JP4-339768 | 1992-11-26 | ||
JP05205689A JP3095585B2 (ja) | 1992-11-26 | 1993-07-28 | 気体軸受 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06213236A JPH06213236A (ja) | 1994-08-02 |
JP3095585B2 true JP3095585B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=26515201
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP05205689A Expired - Lifetime JP3095585B2 (ja) | 1992-11-26 | 1993-07-28 | 気体軸受 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3095585B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19835339A1 (de) * | 1998-08-05 | 2000-02-17 | Alfred Jaeger | Luftlager, insbesondere für die Welle einer Motorspindel |
US9429191B2 (en) * | 2013-10-11 | 2016-08-30 | General Electric Company | Journal bearing assemblies and methods of assembling same |
-
1993
- 1993-07-28 JP JP05205689A patent/JP3095585B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06213236A (ja) | 1994-08-02 |
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