JP4466349B2

JP4466349B2 - 多孔質静圧気体軸受

Info

Publication number: JP4466349B2
Application number: JP2004354638A
Authority: JP
Inventors: 秀夫小澤; 博嗣冨田
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006161961A

Description

本発明は、多孔質静圧気体軸受、とくに自励振動の発生を抑制した多孔質静圧気体軸受に関する。

特公平５−４５２７号公報特開平６−３３７０１４号公報

静圧気体軸受は、その軸受面で支持する可動体との間に気体膜を形成して、この気体膜を介して可動体を移動自在に支持するものであるため、摩擦係数が極めて低いこと、高精度な運動形態が容易であること、軸受隙間に潤滑油及び給油を必要としなくクリーンであること、などの特徴をもっている反面、圧縮気体の気体膜により可動体を支持するために負荷容量が比較的低いという欠点を有している。

この種の静圧気体軸受において、剛性と負荷容量を向上させるために、図３及び図４に示すように、軸受パッド１の下面周部を環状の平坦部２に形成すると共に、この平坦部２の内面を凹部（ポケット）３に形成し、さらにこの凹部３の中央部にオリフィス４を設けたものがある。しかし、この構造の静圧気体軸受は、凹部３の容量が大きいので、剛性は高められる反面、気体の圧縮性に起因する自励振動（ニューマチックハンマ）が発生し易くなるという問題がある（特許文献１の図５及び図６参照）。

この自励振動の発生を抑制する手段として、図５及び図６に示すように、軸受パッド１の周部に平坦部２を形成すると共に、この平坦部２の内部を凹部３に形成し、この凹部３に梨子地状の微細な凸部５を多数密集して形成し、凹部３にオリフィス４を設けた構造の静圧気体軸受が提案されている（特許文献１参照）。この静圧気体軸受では、オリフィス４から供給された圧縮気体は各凸部５、５間の隙間を通って放射状方向に外周部に向かって流れ、気体圧力は中央部より外周部に向かってほぼ同心円状に徐々に低下して大気圧に至るから、圧力変化は急峻でなくなり、自励振動が発生しないというものである。

また、自励振動の発生を抑制する他の手段として、図７に示すように、絞り（オリフィス）６を有する軸受部材７のスラスト軸受面８と軸受すき間Ｓを介して対向する相手部材９のスラスト受け面１０に窪み１１を形成し、この窪み１１に平板状の多孔質部材１２を埋め込んだ構造の静圧気体軸受が提案されている（特許文献２参照）。この静圧気体軸受では、軸受すき間Ｓに供給された圧縮気体の膨張収縮の挙動がその多孔質部材１２自体が持つ通気抵抗や内部に存在する気孔の作用で自励振動を抑制するというものである。

上記した静圧気体軸受においては、いずれも圧縮気体をオリフィスを介して軸受隙間に供給するものであり、設計にあたっては、凹部（ポケット）の大きさ、オリフィスの形状及び寸法並びに軸受隙間等を十分検討しなくてはならず、煩雑さを伴うものである。

本発明は前記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軸受剛性及び負荷容量が大きく、自励振動の発生を抑制することのできる多孔質静圧気体軸受を提供することにある。

本発明の多孔質静圧気体軸受は、裏金の一方の面には、裏金の環状立壁面で囲まれた円形の凹部が形成されており、該凹部の底面を規定する裏金の円盤状面には同心円状に複数個の環状凹溝が形成されていると共に、少なくとも最外側に位置する環状凹溝は該裏金の外周面からその中央部に向けて形成された行き止り孔に連通しており、該凹部には、裏金の円盤状面及び環状立壁面に接合層を介して一体に接合されている多孔質金属焼結層が配されており、少なくとも最内側に位置する環状凹溝は、行き止り孔からの直接的な圧縮気体の供給を受けない一方、多孔質金属焼結層からの圧縮気体を受容する半密閉チャンバーとなっていると共に、最外側に位置する環状凹溝は、行き止り孔から多孔質金属焼結層への圧縮気体の供給源となっていることを特徴とする。

本発明の多孔質静圧気体軸受によれば、同心円状の複数個の環状凹溝のうちの少なくとも最内側に位置する環状凹溝が行き止り孔からの直接的な圧縮気体の供給を受けない半密閉チャンバーとなっているので、軸受隙間に供給された圧縮気体の膨張収縮の挙動が多孔質金属焼結層内部に存在すると共に多孔質金属焼結層表面で開口する気孔を介して半密閉チャンバーに伝達される結果、当該挙動が多孔質金属焼結層の当該気孔の通気抵抗及び半密閉チャンバー等により低減されることになって、軸受隙間に供給された圧縮気体の膨張収縮に起因する自励振動の発生が効果的に抑制され、而して、軸受剛性及び負荷容量を大きくしても自励振動をなくし得る。

本発明の好ましい例では、多孔質金属焼結層は、４重量％以上１０重量％以下の錫と、１０重量％以上４０重量％以下のニッケルと、０．１重量％以上０．５重量％未満の燐と、２重量％以上１０重量％以下の無機物質粒子と、残部が銅からなる。

この例の多孔質静圧気体軸受では、焼結過程において液相のＮｉ_３Ｐを発生する成分の燐成分が０．１重量％以上０．５重量％未満の含有量であるために、液相のＮｉ_３Ｐの発生量が少なくなり、焼結時に液相のＮｉ_３Ｐが流れ出すことがないために、裏金の円盤状面に形成された環状凹溝を塞ぐことがなく、多孔質金属焼結層を接合層に接合するのに必要な量の液相のＮｉ_３Ｐとなり、接合層を介する多孔質金属焼結層と裏金との接合力が高められ、しかも、液相のＮｉ_３Ｐの発生量が少ないことにより焼結後の冷却（放冷）時の多孔質金属焼結層の収縮量が少ないので、多孔質金属焼結層の収縮に起因する裏金と多孔質金属焼結層との接合層を介する各接合面での多孔質金属焼結層の剥離を生じることがない。

多孔質金属焼結層に分散含有される無機物質粒子は、好ましくは、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素及び炭化珪素のうちの少なくとも一つが選択されて使用される。

多孔質金属焼結層の粒界に分散含有された斯かる無機物質粒子は、このもの自体が機械加工によって塑性変形することがなく、加えて多孔質金属焼結層の素地の金属部分の塑性変形を分断して軽減する働きにより、軸受面の形成のための切削加工又は研削加工等の機械加工における多孔質金属焼結層に存在する気孔の目詰まりを抑えることができる。

本発明の好ましい例において、接合層は、ニッケルメッキ層と銅メッキ層との二層のメッキ層を含んでおり、ニッケルメッキ層は裏金の円盤状面に接合されており、多孔質金属焼結層は銅メッキ層に接合されているとよく、この例の多孔質静圧気体軸受によれば、裏金と接合層とは強固な接合力をもって並びに裏金に接合された接合層と多孔質金属焼結層とは強固な接合力をもって夫々接合されることになる。

本発明の好ましい例において、行き止り孔は、最内側に位置する環状凹溝にまで臨んで伸びていると共に当該最内側に位置する環状凹溝を含んで各環状凹溝に連通しており、最内側に位置する環状凹溝への行き止り孔からの圧縮気体の直接的な供給は、該行き止り孔の途中に係止された閉塞栓によって阻止されるようになっている。

本発明によれば、軸受剛性及び負荷容量が大きく、自励振動の発生を抑制することのできる多孔質静圧気体軸受を提供し得る。

次に、本発明の実施の形態の例を、図に示す好ましい例に基づいて更に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例に何等限定されないのである。

図１及び図２において、本例の多孔質静圧気体軸受２０は、ステンレス鋼からなる円盤状の裏金２１と、裏金２１の一方の面２２に形成された円形の凹部２３と、該凹部２３の底面を規定する裏金２１の円盤状面２４に形成された同心円状の複数個の環状凹溝２５、２６、２７及び２８（実施例では４個）と、裏金２１の外周面２９から径方向内側であって裏金２１の中央部に向けて最内側に位置する環状凹溝２５にまで臨んで伸びて形成されていると共に当該最内側に位置する環状凹溝２５及び最外側に位置する環状凹溝２８を含んで環状凹溝２５、２６、２７及び２８の夫々に垂直孔３６、３７、３８及び３９を介して連通している行き止り孔３０と、裏金２１の凹部２３に、円盤状面２４及び凹部２３を取り囲む裏金２１の環状立壁面３１の夫々に接合層３３を介して一体に接合されて配されている多孔質金属焼結層３４と、行き止り孔３０の途中に係止されていると共に最内側に位置する環状凹溝２５を含んで環状凹溝２５、２６及び２７の夫々への行き止り孔３０からの圧縮気体（通常、圧縮空気）の供給を阻止する閉塞栓３５とを具備しており、環状凹溝２５、２６及び２７は、閉塞栓３５により行き止り孔３０からの直接的な圧縮気体の供給を受けない一方、多孔質金属焼結層３４の気孔からの圧縮気体を受容する半密閉チャンバーとなっていると共に、最外側に位置する環状凹溝２８は、行き止り孔３０から多孔質金属焼結層３４の気孔への圧縮気体の供給源となっている。

裏金２１を形成するステンレス鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼が使用される。とくに、クロム（Ｃｒ）含有量の少ないマルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼は好ましいものである。

接合層３３は、裏金２１の円盤状面２４及び環状立壁面３１に接合されたニッケルメッキ層と該ニッケルメッキ層の表面に接合されていると共に多孔質金属焼結層３４が表面に接合されている銅メッキ層との二層のメッキ層を含んでいる。接合層３３を介する裏金２１と多孔質金属焼結層３４との接合部に剥離等を生じさせないためには、多孔質金属焼結層３４を形成する圧粉体のメッキ層への圧接の程度にもよるが、ニッケルメッキ層は、２μｍ以上２０μｍ以下、好ましくは３μｍ以上１５μｍ以下の厚さを有しており、銅メッキ層は、１０μｍ以上２５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有している。

多孔質金属焼結層３４は、４重量％以上１０重量％以下の錫と、１０重量％以上４０重量％以下のニッケルと、０．１重量％以上０．５重量％未満の燐と、２重量％以上１０重量％以下の無機物質粒子と、残部が銅とからなる。成分中の燐成分は、圧粉体の焼結過程において液相のＮｉ_３Ｐを生成し、焼結を進行させると共に裏金２１の円盤状面２４及び環状立壁面３１に形成された接合層３３へのニッケル成分の拡散を助長し、圧粉体の焼結により得られた多孔質金属焼結層３４を接合層３３に強固に一体にさせる役割を果たす。

また、燐成分の配合量を０．１重量％以上０．５重量％未満とすることにより、多孔質金属焼結層３４の焼結後冷却時の収縮量を低く抑えることができ、多孔質金属焼結層３４の収縮に起因する裏金２１の円盤状面２４及び環状立壁面３１からの多孔質金属焼結層３４の剥離等を生じることはない。さらに、燐成分の配合量を少なくして液相のＮｉ_３Ｐの生成量を少なくすることにより、多孔質金属焼結層３４の気孔率が高められ、多孔質金属焼結層３４の気孔を流通する圧縮気体の圧力損失が低下することによって、該多孔質金属焼結層３４の軸受面に噴出する給気圧力が相対的に高まり浮上量を高めることができる。

多孔質金属焼結層３４に分散含有される無機物質粒子は、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つからなる。これらは、多くの金属材料のように塑性変形することはなく、無機物質である。このような無機物質粒子が多孔質金属焼結層３４の錫、ニッケル、燐及び銅からなる素地（粒界）中に分散含有されていると、このもの自体が機械加工によって塑性変形することがなく、加えて、多孔質金属焼結層３４の素地の金属部分の塑性変形を分断し軽減する働きがあるため、機械加工における多孔質金属焼結層３４の気孔の目詰まりを抑えることができる。そして、これら無機物質粒子の配合量は、２重量％以上１０重量％以下の割合が適当である。配合量が２重量％未満では多孔質金属焼結層３４の素地の金属部分の塑性変形を分断し軽減する働きが充分発揮されず、また配合量が１０重量％を超えると、多孔質金属焼結層３４の焼結性を阻害する。

以上の多孔質静圧気体軸受２０では、行き止り孔３０の開口端部４１に接続された圧縮気体供給管を介して行き止り孔３０に圧縮気体が供給されると、この圧縮気体は、垂直孔３９を介して最外側に位置する環状凹溝２８に導入され、環状凹溝２８に導入された圧縮気体は、多孔質金属焼結層３４の気孔に導入され、多孔質金属焼結層３４の気孔に導入された圧縮気体は、軸受面となる多孔質金属焼結層３４の外部露出面４２から噴出されて外部露出面４２と対面した相手材である例えば可動体との間の軸受隙間に気体膜（空気膜）を形成し、可動体を可動に支持する。

斯かる多孔質静圧気体軸受２０によれば、環状凹溝２５、２６及び２７が行き止り孔３０からの直接的な圧縮気体の供給を受けない一方、多孔質金属焼結層３４の気孔からの圧縮気体を受容する半密閉チャンバーとなっているので、軸受隙間に供給された圧縮気体の膨張収縮の挙動が多孔質金属焼結層３４の気孔を介して斯かる半密閉チャンバーに伝達される結果、当該挙動が多孔質金属焼結層３４の気孔の通気抵抗及び当該半密閉チャンバー等により低減されることになって、軸受隙間に供給された圧縮気体の膨張収縮に起因する自励振動の発生が効果的に抑制され、而して、軸受剛性及び負荷容量を大きくしても自励振動がほとんど生じないことになる。

本発明の多孔質静圧気体軸受の裏金の平面図である。図１に示す裏金に多孔質金属焼結層を形成した場合のＩＩ−ＩＩ線断面図である。従来の静圧気体軸受の底面図である。図３の縦断面図である。従来の他の静圧気体軸受を示す底面図である。図５の縦断面図である。従来の他の静圧気体軸受の断面図である。

符号の説明

２０多孔質静圧気体軸受
２１裏金
２２面
２３凹部
２４円盤状面
２５、２６、２７、２８環状凹溝
３０行き止り孔
３１環状立壁面
３３接合層
３４多孔質金属焼結層
３５閉塞栓

Claims

裏金の一方の面には、裏金の環状立壁面で囲まれた円形の凹部が形成されており、該凹部の底面を規定する裏金の円盤状面には同心円状に少なくとも三個の環状凹溝が形成されていると共に、少なくとも三個の環状凹溝は該裏金の外周面からその中央部に向けて最内側に位置する環状凹溝にまで臨んで伸びて該裏金の内部に形成された行き止り孔に夫々連通しており、該凹部には、裏金の円盤状面及び環状立壁面に接合層を介して一体に接合されている多孔質金属焼結層が配されており、少なくとも三個の環状凹溝のうちの最外側に位置する環状凹溝が行き止り孔から多孔質金属焼結層への圧縮気体の供給源となるように、且つ、最外側に位置する環状凹溝に対して内側に位置する少なくとも二個の環状凹溝が行き止り孔からの直接的な圧縮気体の供給を受けない一方、多孔質金属焼結層からの圧縮気体を受容する半密閉チャンバーとなるように、最外側に位置する環状凹溝に対して中央部側に位置すると共に、該最外側に位置する環状凹溝に対して内側に位置する少なくとも二個の環状凹溝に対して外側に位置する行き止り孔の途中の部位に係止された閉塞栓を具備していることを特徴とする多孔質静圧気体軸受。
多孔質金属焼結層は、４重量％以上１０重量％以下の錫と、１０重量％以上４０重量％以下のニッケルと、０．１重量％以上０．５重量％未満の燐と、２重量％以上１０重量％以下の無機物質粒子と、残部が銅からなる請求項１に記載の多孔質静圧気体軸受。
無機物質粒子は、黒鉛、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素及び炭化珪素のうちの少なくとも一つからなる請求項２に記載の多孔質静圧気体軸受。
接合層は、ニッケルメッキ層と銅メッキ層との二層のメッキ層を含んでおり、ニッケルメッキ層は裏金の円盤状面に接合されており、多孔質金属焼結層は、銅メッキ層に接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載の多孔質静圧気体軸受。