JP6880542B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は軸受機構に関するものであり、特に静圧軸受に関するものである。

生産設備や輸送機器など様々な装置の稼働部において軸受や案内機構が用いられている。軸受や案内機構には、転がり軸受、滑り軸受、流体潤滑軸受およびその他の軸受が用いられる。高速で高精度な動作が要求されるような用途では、静圧軸受が用いられることが多い。静圧軸受では、回転や摺動等の相対的に運動している２表面の間の潤滑に、空気や油などの流体が用いられる。静圧軸受は、局部的な接触による案内ではなく、流体表面での案内であるため高い案内精度を得ることができる。

軸受の基本特性である剛性および負荷容量は、軸受面の面積に比例し、軸受間の間隔であるエアギャップに反比例する。軸受面の面積は、装置の大きさや加工精度の面において設計上の制約が大きい。したがって、安定した高い特性を得るためには、軸受間の間隔、および、流体の供給や排出を行う給気部や排気部の構造等の最適な設計を行い、使用環境下において適切する必要がある。

一方で、軸受装置の動作時には軸受の動力からの伝熱、周辺の温度変化およびエアギャップ内の流体摩擦による温度上昇等によって軸受の部材の熱膨張が生じる。軸受の部材の熱膨張が生じると、軸受間のエアギャップが変化して軸受の剛性等の特性に変動が生じる。また、軸受の部材の膨張によって軸受面の接触も生じうる。そのため、実使用環境において性能を維持して安定して軸受装置を稼働させるためには、軸受の剛性等の特性を実使用環境において維持する必要がある。そのような背景から、軸受装置において実際に使用が想定される環境下において安定した特性を得る技術の開発が行われている。軸受装置において実使用環境において安定した特性を得るための技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。

特許文献１は、スラスト軸受機構を備えたスピンドル装置に関するものである。特許文献１のスピンドル装置は、軸部に備えられたフランジ部と、軸受本体および軸受部との間にスラスト隙間が形成されている。特許文献１の軸受機構では、軸受本体とフランジ部付近の軸受部に互いに熱膨張係数の近い部材が用いられている。特許文献１は、軸受本体と軸受部の部材の熱膨張係数を近くすることで低温下においてスラスト隙間が狭くなりすぎて、フランジ部と軸受が接触する状態を避けることができるとしている。

特開２０１３−７３９３号公報

しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の軸受機構では、低温下で軸受本体が収縮した際にフランジ部周辺の軸受部の変形によりスラスト隙間が狭くなることを抑制している。そのため、特許文献１の軸受機構では温度上昇時には、軸受本体および軸受部が熱膨張しフランジ部を受けるスラスト隙間が狭くなる恐れがある。フランジ部を受けるスラスト隙間が狭くなると、フランジと軸受の接触や剛性等の特性の変動が生じる。そのため、特許文献１の軸受機構は、連続稼働等による温度上昇時に安定した稼働状態を得られない恐れがある。よって、特許文献１の技術は、軸受装置において実使用環境において安定した特性を得るための技術としては十分ではない。

本発明は、上述の課題を解決するため、連続稼働等によって温度が上昇したたような環境下において、十分な特性を有する軸受装置を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の軸受装置は、第１の軸受部と、第２の軸受部を備えている。第１の軸受部は、第１の材料で形成された第１の層と、第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料で形成された第２の層を積層した領域を有する。第２の軸受部は、第１の軸受部と空隙を介して対向または嵌合する。第１の軸受部および第２の軸受部の少なくとも一方は、回転または摺動の動作手段を有する。また、第２の層は、第１の軸受部の第２の軸受部の側に形成されている。

本発明によると、連続稼働等によって温度が上昇したたような環境下において、十分な特性を得ることができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の軸受装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の軸受装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における温度上昇時の軸受装置の状態を示す図である。 本発明の第３の実施形態の軸受装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の軸受装置の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態の軸受装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の軸受装置の構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の軸受装置の構成の概要を示した図である。本実施形態の軸受装置は、第１の軸受部１と、第２の軸受部２を備えている。第１の軸受部１は、第１の材料で形成された第１の層３と、第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料で形成された第２の層４とを積層した領域を有する。第２の軸受部２は、第１の軸受部１と空隙を介して対向または嵌合する。第１の軸受部１および第２の軸受部２の少なくとも一方は、回転または摺動の動作手段を有する。また、第２の層４は、第１の軸受部１の第２の軸受部２の側に形成されている。

本実施形態の軸受装置の第１の軸受部１は、熱膨張係数が互いに異なる２つの材料が積層された構造を有している。また、第２の軸受部２と空隙を介して対向する側の第２の層４の材料の熱膨張係数に比べ、反対側の第１の層３の材料の熱膨張係数の方が大きい。そのため、温度が上昇したときには、第２の層４に比べて第１の層３の方が大きく膨張しようとするので、第１の軸受部１は、第２の軸受部２側とは反対側の面の面積を広くするように反った構造となる。第１の軸受部１が第２の軸受部２側とは反対側の面の面積を広くするように反った状態となると、第１の軸受部１の端部では、第１の軸受部１と第２の軸受部２の距離が近くなる。第１の軸受部１と第２の軸受部２の距離が近くなることにより、本実施形態の軸受装置は、温度上昇時等に高い剛性を得ることができる。その結果、本実施形態の軸受装置では、連続稼働等によって温度が上昇したたような環境下において、十分な特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２および図３は、本実施形態の軸受装置の構成の概要を示したものである。図２は、本実施形態の軸受装置の斜視図である。また、図３は、本実施形態の軸受装置の断面図である。

本実施形態の軸受装置は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２と、上側軸受端部１３を備えている。また、図３に示す通り、下側軸受部１１は、給気部１４を備えている。また、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３との間には、エアギャップ１５が形成されている。下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３との間に形成されているエアギャップ１５の端部は、排気部１６として備えられている。

本実施形態の軸受装置は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３で形成された上側軸受部がエアギャップ１５を介して平面で対向または嵌合したスラスト軸受機構を有する。本実施形態の軸受装置では、エアギャップ１５には潤滑油等の流体が充てんされ、流体の静圧によって軸受部間の間隔が維持され、軸受部が回転や摺動の動作を行う。

下側軸受部１１は、スラスト軸受としてしての機能を有する。本実施形態の下側軸受部１１は、ステンレス鋼であるＳＵＳ（Steel Use Stainless）３０４で形成されている。本実施形態で用いているＳＵＳ３０４の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。下側軸受部１１は、ＳＵＳ３０４以外のステンレス鋼やその他の金属で形成されていてもよい。また、下側軸受部１１には、給気部１４が形成されている。本実施形態の下側軸受部１１は、第１の実施形態の第２の軸受部２に相当する。

上側軸受本体部１２は、上側軸受端部１３との組み合わせによりスラスト軸受としての機能を有する。下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３は、エアギャップ１５を介して互いに平面で対向または嵌合している。本実施形態の上側軸受本体部１２は、下側軸受部１１と同じ材質、すなわち、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４で形成されている。そのため、本実施形態の上側軸受本体部１２の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。上側軸受本体部１２は、ＳＵＳ３０４以外のステンレス鋼やその他の金属で形成されていてもよい。また、下側軸受部１１と上側軸受本体部１２は、互いに異なるステンレス鋼やその他の金属で形成されていてもよい。

上側軸受端部１３は、上側軸受本体部１２との組み合わせによりスラスト軸受としての機能を有する。また、上側軸受端部１３は、エアギャップ１５の間隔を調整する部材としての機能を有する。上側軸受端部１３は、上側軸受本体部１２の排気部１６付近の、下側軸受部１１の側に形成されている。排気部１６付近では、互いに異なる金属で形成された上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３が、積層されている。すなわち、排気部１６付近では、上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３で形成されているスラスト軸受は、バイメタル構造を有している。

上側軸受端部１３は、上側軸受本体部１２よりも熱膨張係数が小さな金属を用いて形成されている。上側軸受端部１３に用いられている材料の熱膨張係数は、上側軸受本体部１２に用いられている材料の熱膨張係数の半分未満であることが好ましい。本実施形態では、上側軸受端部１３は、チタンで形成されている。本実施形態の上側軸受端部１３に用いられているチタンの熱膨張係数は８．０ｐｐｍである。上側軸受端部１３は、チタン以外の金属で形成されていてもよい。

また、本実施形態の上側軸受端部１３は、上側軸受本体部１２と接合され一体の部材として形成されている。例えば、上側軸受端部１３は、上側軸受本体部１２に溶接や接着によって接合される。上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３が接合されていることで、熱膨張係数の違いによる変形の効果が向上する。

上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３は、分離可能な部材として形成されていてもよい。上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３を分離可能な状態で軸受を形成することで、どちらかに傷がついた場合などに、該当する部材のみを交換することができる。上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３が分離可能な構成とした場合には、上側軸受端部１３は、中心付近側と周辺側を含む２か所以上において、上側軸受本体部１２に固定具で固定されることが望ましい。２か以上で固定することで、上側軸受本体部１２が熱膨張する際に自由度が抑制されて反りを生じる効果が高くなるからである。

本実施形態では、上側軸受本体部１２に熱膨張係数が大きく、硬度が高いＳＵＳ３０４が用いられている。また、上側軸受端部１３に熱膨張係数が小さく、硬度が低いチタンが用いられている。そのため、急に流体の供給が停止するような異常が発生した際には、上側軸受端部１３が下側軸受部１１と接触して傷づく可能性が高い。そのような場合には、上側軸受端部１３を交換するのみで、軸受として再び使用することが可能となり得る。静圧軸受には高い表面精度が要求されるので、部材ごとの交換を可能な構成とすることで保守性が向上する。

本実施形態の上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３によって形成される軸受は、第１の実施形態の第１の軸受部１に相当する。また、上側軸受本体部１２は、第１の実施形態の第１の軸受部１の第１の層３に相当する。上側軸受端部１３は、第１の実施形態の第１の軸受部１の第２の層４に相当する。

給気部１４は、エアギャップ１５に加圧された流体を供給する経路としての機能を有する。本実施形態の軸受装置では、給気部１４は、下側軸受部１１に備えられている。給気部１４は、流体の供給管と接続されている。給気部１４を介して共有された加圧された流体は、エアギャップ１５に充てんされ、排気部１６から排出される。給気部１４は、複数、備えられていてもよい。流体には、加圧された気体や潤滑油等が用いられる。

エアギャップ１５は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３の間に形成された空隙である。稼働時は、エアギャップ１５に、給気部１４を介して加圧された流体が充てんされる。エアギャップ１５は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３の間隔がマイクロメートルのオーダーとなるように形成される。また、本実施形態では、稼働時の温度上昇によって、排気部１６付近の下側軸受部１１と上側軸受端部１３の間隔は、軸受装置の中心付近の下側軸受部１１と上側軸受本体部１２の間隔に比べて狭くなる。

エアギャップ１５の間隔は、軸受装置に要求される剛性特性に応じて設定される。エアギャップ１５の間隔とは、下側軸受部１１の平面と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３が形成する平面との距離のことをいう。本実施形態のエアギャップ１５の間隔は、軸受装置が実際に使用される環境下で想定される温度における下側軸受部１１、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３の変形量を考慮して設定される。すなわち、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３の熱膨張によって部材が反った場合の対向側の下側軸受部１１との距離を考慮してエアギャップ１５の間隔が設定される。

本実施形態の軸受装置では、上側軸受本体部１２の材料の熱膨張係数は、上側軸受端部１３の材料の熱膨張係数に比べて大きい。よって、軸受装置の稼働時に温度が上昇した際に、上側軸受本体部１２は、上側軸受端部１３よりも大きく熱膨張しようとする。しかし、上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３が一体の部材として形成されているので、上側軸受本体部１２は、膨張する際に上側軸受端部１３の影響を受ける。その際に、上側軸受本体部１２の方が大きく膨張するので上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３は、エアギャップ１５とは反対側の面が凸状態となるように変形し反った形状となる。すなわち、温度上昇とともに、エアギャップ１５の周辺付近における下側軸受部１１と上側軸受端部１３の間隔が、中心付近における下側軸受部１１と上側軸受本体部１２の間隔に比べて狭くなる構造となる。

エアギャップ１５の周辺付近、すなわち、排気部１６付近のエアギャップ１５の間隔が狭くなるので、本実施形態の軸受装置は、温度上昇時に排気絞りと同様の構造を有する。すなわち、本実施形態の軸受装置では、排気部１６の周辺を熱膨張係数の異なる２物質を接続したバイメタル構造にすることで、温度上昇を利用して軸受特性を高剛性化することができる。

また、本実施形態の軸受装置は、熱膨張係数の異なる上側軸受端部１３を周辺付近、すなわち、排気部１６の付近にのみ備えている。排気部１６以外の部分には、対向側の下側軸受部１１と熱膨張係数が同じ材料で形成された上側軸受部１２単層とすることでエアギャップ１５の温度による間隔の変動の見積もりおよび制御が容易となる。その結果、エアギャップ１５の平均的な間隔を精度よく制御できるようになるので、軸受装置の剛性が安定する。また、排気部１６付近では、エアギャップ１５の間隔を狭めて剛性を上げているので、上側軸受端部１３を排気部１６付近に備えることで、軸受装置全体として、剛性の安定した制御と、剛性の向上を両立することができる。

排気部１６は、エアギャップ１５に充てんされた流体を排出する機能を有する。排気部１６は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３の間に形成されたエアギャップ１５の端部に形成されている。

図２および図３において、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３を上側に、下側軸受部１１を下側に示したが、上下は逆に設置されていてもよい。すわなち、下側軸受部１１が上側、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３が下側に設置されていてもよい。また、上下方向ではなく横方向等に設置されていてもよい。また、吸気部１４は、上側軸受本体部１２に備えられていてもよい。

本実施形態の軸受装置の動作について説明する。本実施形態の軸受装置は、稼働時に給気部１４から所定の流体が加圧されて供給される。本実施形態では所定の流体としては、潤滑油が用いられる。所定の流体は、加圧された気体や潤滑油以外の液体であってもよい。給気部１４から供給された潤滑油はエアギャップ１５に充てんされる。また、エアギャップ１５に充てんされた潤滑油は、順次、排気部１６から排出される。

エアギャップ１５に潤滑油が充てんされると、潤滑流体膜の静圧によって軸受に作用する荷重が支えられる。下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３は、流体の静圧によって間隔を維持し、回転または摺動等の動作を行う。回転または摺動等の動作は、下側軸受部１１と、上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３で形成される上側軸受部の少なくとも一方が動くことによって行われる。

連続稼働を行っていると、動力からの伝熱、装置内の温度上昇および流体摩擦による温度上昇等によって、軸受装置の各部位の温度が上昇する。温度が上昇すると、軸受装置の各部位はそれぞれ熱膨張する。図４は、温度上昇時における本実施形態の軸受装置の状態を模式的に示したものである。

上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３がそれぞれ熱膨張する際に、上側軸受本体部１２は、上側軸受端部１３よりも熱膨張係数が大きいのでより大きく膨張しようとする。上側軸受本体部１２および上側軸受端部１３は互いに接合された状態なので、上側軸受本体部１２の上側軸受端部１３との接合面側は自由に膨張することができない。一方で上側軸受本体部１２の上側軸受端部１３と反対側の面は自由に膨張することができる。よって、上側軸受本体部１２は、熱膨張によって反った状態になる。上側軸受本体部１２は、熱膨張によって反る際に、エアギャップ１５とは反対側の面が山、エアギャップ１５側の面が谷となるような構造を形成する。このような構造は、上側軸受本体部１２がエアギャップ１５とは反対側の面では、熱膨張で自由に面積を広くしようとする一方で、エアギャップ１５側の面では上側軸受端部１３との接合面に拘束されることで形成される。

上側軸受本体部１２が反った状態になると、上側軸受本体部１２に接合された上側軸受端部１３は、エアギャップ１５の周辺付近、すなわち、排気部１６付近において下側軸受部１１に近づいた状態になる。上側軸受端部１３と下側軸受部１１が近づいた状態になると、軸受装置の剛性が高くなる。よって、本実施形態の軸受装置は、温度の上昇とともに高剛性の状態で動作する。

また、本実施形態の軸受装置において上側軸受本体部１２が熱膨張によって反ったことで中心付近においてエアギャップ１５の間隔が広がった場合においても、周辺付近では間隔が狭くなっているので装置全体としては剛性の変動を抑制することができる。

本実施形態の軸受装置は、上側軸受本体部１２と上側軸受端部１３に互いに熱膨張係数の異なる金属を用いたバイメタル構造の軸受部を備えている。本実施形態の軸受装置は、エアギャップ１５側の上側軸受端部１３に熱膨張係数が小さな金属、エアギャップ１５とは反対側の上側軸受本体部１２に熱膨張係数が大きな金属を用いたバイメタル構造を備えている。そのため、本実施形態の軸受装置では、エアギャップとは反対側でより大きく膨張しようとするので、温度上昇時に周辺部のみエアギャップ１５が狭くなった構造となる。本実施形態の軸受装置では、温度上昇時に周辺部のエアギャップ１５が狭くなるので、剛性が高くなる。また、本実施形態の軸受装置は、軸受部の熱膨張による変形を用いて剛性を高めているので、剛性を高めるために他に特別な機構を必要としない。そのため、本実施形態の軸受装置では、装置構成の複雑化や装置の大型化を抑制しつつ、軸受の剛性を高めることができる。以上より、本実施形態の軸受装置では、装置構成の複雑化や装置の大型化を生じることなく、常温よりも温度が上昇することの多い実使用環境下において高い剛性を得ることができる。その結果、本実施形態の軸受装置では、連続稼働等によって温度が上昇したような環境下において、十分な特性を得ることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図５および図６は、本実施形態の軸受装置の構成の概要を示したものである。図５は、本実施形態の軸受装置の斜視図である。また、図６は、本実施形態の軸受装置の断面図である。第２の実施形態では、スラスト軸受機構に対応した軸受装置について説明したが、本実施形態の軸受装置は、エアスライドガイド機構に対応していることを特徴とする。

本実施形態の軸受装置は、ガイド部２１と、ステージ本体部２２と、ステージ端部２３を備えている。また、図６に示す通り、ガイド部２１は、給気部２４を備えている。また、ガイド部２１と、ステージ本体部２２およびステージ端部２３との間には、エアギャップ２５が形成されている。給気部２４、エアギャップ２５および排気部２６の機能は、第２の実施形態の同名称の部位とそれぞれ同様である。

本実施形態の軸受装置は、ステージ本体部２２およびステージ端部２３で形成されたステージの内部に、エアギャップ２５を介してガイド部２１を備えるエアスライドガイド機構を有する。本実施形態の軸受装置では、エアギャップ２５に潤滑油等の流体が充てんされ、流体の静圧によってガイド部２１と、ステージ本体部２２およびステージ端部２３との間隔が維持される。本実施形態の軸受装置では、ガイド部２１の長軸方向に沿って、ステージ本体部２２およびステージ端部２３が動作を行う。

ガイド部２１は、ステージ本体部２２およびステージ端部２３で形成されるステージが動作する際のガイドとしての機能を有する。本実施形態のガイド部２１は、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４で形成されている。本実施形態で用いているＳＵＳ３０４の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。ガイド部２１は、ＳＵＳ３０４以外のステンレスやその他の金属で形成されていてもよい。また、ガイド部２１には、給気部２４が形成されている。

ステージ本体部２２は、ガイド部２１の長軸方向に沿って動作する機能を有する。本実施形態のステージ本体部２２は、ガイド部２１と同じ材質、すなわち、ＳＵＳ３０４で形成されている。そのため、本実施形態のステージ本体部２２の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。ステージ本体部２２は、ＳＵＳ３０４以外のステンレスやその他の金属で形成されていてもよい。また、ガイド部２１とステージ本体部２２は、互いに異なる金属で形成されていてもよい。

ステージ端部２３は、ステージ本体部２２とともにガイド部２１の長軸方向に沿って動作する機能と、排気部２６付近でのエアギャップ２５の幅を調整する機能を有する。ステージ端部２３は、排気部２６の付近に形成されている。排気部２６付近では、互いに異なる金属で形成されたステージ本体部２２とステージ端部２３が、積層されて形成されている。すなわち、排気部２６付近では、ステージ本体部２２とステージ端部２３によって、バイメタル構造が形成されている。また、ステージ端部２３は、ステージ本体部２２に接合され、ステージ本体部２２とステージ端部２３は、一体の部材として形成されている。ステージ端部２３は、例えば、ステージ本体部２２に溶接や接着によって接合される。

ステージ本体部２２とステージ端部２３は、取り外し可能な別々の部材として形成されていてもよい。ステージ本体部２２とステージ端部２３が分離可能な構成とした場合には、ステージ端部２３は、ステージ長軸方向の２か所以上において、ステージ本体部２２に固定具で固定されることが望ましい。２か以上で固定することで、ステージ本体部２２が熱膨張する際に自由度が抑制されて反りを生じる効果が高くなるからである。

ステージ端部２３は、ステージ本体部２２よりも熱膨張係数が小さな金属を用いて形成されている。ステージ端部２３に用いられている材料の熱膨張係数は、ステージ本体部２２に用いられている材料の熱膨張係数の半分未満であることが好ましい。本実施形態では、ステージ端部２３は、チタンで形成されている。本実施形態のステージ端部２３に用いられているチタンの熱膨張係数は８．０ｐｐｍである。ステージ端部２３は、チタン以外の金属で形成されていてもよい。

本実施形態の軸受装置の動作について説明する。本実施形態の軸受装置は、第２の実施形態と同様に稼働時に給気部２４から所定の流体が加圧されて供給される。本実施形態では所定の流体としては、潤滑油が用いられる。給気部２４から供給された潤滑油はエアギャップ２５に充てんされる。また、エアギャップ２５に充てんされた潤滑油は、順次、排気部２６から排出される。

エアギャップ２５に潤滑油が充てんされると、潤滑流体膜の静圧によってガイド部２１と、ステージ本体部２２およびステージ端部２３との間隔が維持される。ガイド部２１と、ステージ本体部２２およびステージ端部２３で形成されるステージは、流体の静圧によって間隔を維持する。テージ本体部２２およびステージ端部２３で形成されるステージは、ガイド部２１の長軸方向に沿って動作する。

連続稼働を行っていると、動力からの伝熱、装置内の温度上昇および流体摩擦による温度上昇等によって軸受装置の各部位の温度が上昇する。温度が上昇すると、軸受装置の各部位はそれぞれ熱膨張する。ステージ本体部２２およびステージ端部２３がそれぞれ熱膨張する際には、ステージ本体部２２は、ステージ端部２３よりも熱膨張係数が大きいのでより大きく膨張しようとする。ステージ本体部２２およびステージ端部２３が互いに接合された状態なので、ステージ本体部２２は、熱膨張によって反った状態になる。

ステージ本体部２２が反った状態になると、ステージ本体部２２に接合されたステージ端部２３は、ステージの端部、すなわち、排気部２６付近においてガイド部２１に近づいた状態になる。そのため、本実施形態の軸受装置は、実使用時等に温度が上昇した際に、ステージの端部の排気口２６付近において剛性が高くなる。その結果、本実施形態の軸受装置は、実使用環境下で高い剛性を有する。

また、温度上昇時において、ステージの中心付近はガイド部２１とステージ本体部２２が互いに少し離れた状態になった場合にも、周辺付近では近づくため軸受装置全体では、温度上昇時の剛性の変化量は抑制される。

本実施形態では、ステージ本体部２２とステージ端部２３で形成されるステージ側が可動部として動作を行ったが、ガイド２１側が動く構成としてもよい。また、吸気部２４は、ステージ本体部２２に備えられていてもよい。また、本実施形態ではステージ本体部２２とステージ端部２３で形成されるステージを可動部としてが、可動部はステージ以外のものであってもよい。

本実施形態の軸受装置は、ステージ本体部２２とステージ端部２３に互いに熱膨張係数の異なる金属を用いたバイメタル構造の軸受部を備えている。本実施形態の軸受装置は、ガイド部２１と対向する側のステージ端部２３に熱膨張係数が小さな金属、ガイド部２１とは反対側のステージ本体部２２に熱膨張係数が大きな金属を用いたバイメタル構造を備えている。そのため、本実施形態の軸受装置では、ガイド部２１とは反対側でより大きく膨張しようとするので、温度上昇時にステージの端部の排気口２６の周辺のみエアギャップ２５が狭くなった構造となる。本実施形態の軸受装置では、温度上昇時にステージの端部でエアギャップ２５が狭くなるので、剛性が高くなる。また、本実施形態の軸受装置は、ステージ本体部２２の熱膨張による変形を用いて剛性を高めているので、剛性を高めるために他に特別な機構を必要としない。以上より、本実施形態の軸受装置では、装置構成の複雑化や装置の大型化を生じることなく、常温よりも温度が上昇することの多い実使用環境下において高い剛性を得ることができる。その結果、本実施形態の軸受装置では、連続稼働等によって温度が上昇したたような環境下において、十分な特性を得ることができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図７および図８は、本実施形態の軸受装置の構成の概要を示したものである。本実施形態の軸受装置は、スピンドル機構を有していることを特徴とする。

本実施形態の軸受装置は、主軸部３１と、回転体本体部３２と、回転体端部３３を備えている。また、図８に示す通り、主軸部３１は、給気部３４を備えている。また、主軸部３１と、回転体本体部３２および回転体端部３３との間には、エアギャップ３５が形成されている。給気部３４、エアギャップ３５および排気部３６の機能は、第２の実施形態の同名称の部位とそれぞれ同様である。

本実施形態の軸受装置は、回転体本体部３２および回転体端部３３で形成された回転体の内部に、エアギャップ２５を介して主軸部３１を備えるスピンドル機構を有している。本実施形態の軸受装置では、エアギャップ３５に潤滑油等の流体が充てんされ、流体の静圧によって主軸部３１と、回転体本体部３２および回転体端部３３との間隔が維持される。本実施形態の軸受装置では、回転体本体部３２および回転体端部３３で形成された回転体が、主軸部３１を回転中心とした円周方向の回転動作を行う。

主軸部３１は、回転体本体部３２および回転体端部３３で形成された回転体の回転軸としての機能を有する。本実施形態の主軸部３１は、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４で形成されている。本実施形態で用いているＳＵＳ３０４の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。主軸部３１は、ＳＵＳ３０４以外のステンレス鋼やその他の金属で形成されていてもよい。また、主軸部３１には、給気部３４が形成されている。

回転体本体部３２は、主軸部３１を回転軸とした回転動作を行う回転体としての機能を有する。本実施形態の回転体本体部３２は、主軸部３１と同じ材質、すなわち、ＳＵＳ３０４で形成されている。そのため、本実施形態の回転体本体部３２の熱膨張係数は、１７．３ｐｐｍである。回転体本体部３２は、ＳＵＳ３０４以外のステンレス鋼やその他の金属で形成されていてもよい。また、主軸部３１と回転体本体部３２は、互いに異なる金属で形成されていてもよい。

回転体端部３３は、回転体本体部３２とともに回転動作を行う機能と、排気部３６付近でのエアギャップ３５の間隔を調整する機能を有する。回転体端部３３は、排気部３６の付近に形成されている。排気部３６付近では、互いに異なる金属で形成された回転体本体部３２と回転体端部３３が、積層されて形成されている。すなわち、排気部３６付近では、回転体本体部３２と回転体端部３３によって、バイメタル構造が形成されている。本実施形態では、回転体端部３３が回転体本体部３２と接合され、回転体本体部３２および回転体端部３３は、一体の部材として形成されている。回転体端部３３は、例えば、回転体本体部３２に溶接や接着によって接合される。

回転体本体部３２および回転体端部３３は、取り外し可能な別々の部材として形成されていてもよい。回転体本体部３２と回転体端部３３が分離可能な構成とした場合には、回転体端部３３は、回転体の長軸方向の２か所以上において、回転体本体部３２に固定具で固定されることが望ましい。２か以上で固定することで、回転体本体部３２が熱膨張する際に自由度が抑制されて反りを生じる効果が高くなるからである。

回転体端部３３は、回転体本体部３２よりも熱膨張係数が小さな金属を用いて形成されている。回転体端部３３に用いられている材料の熱膨張係数は、回転体本体部３２に用いられている材料の熱膨張係数の半分未満であることが好ましい。本実施形態では、回転体端部３３は、チタンで形成されている。本実施形態の回転体端部３３に用いられているチタンの熱膨張係数は８．０ｐｐｍである。回転体端部３３は、チタン以外の金属で形成されていてもよい。

本実施形態の軸受装置の動作について説明する。本実施形態の軸受装置は、第２の実施形態と同様に稼働時に給気部３４から所定の流体が加圧されて供給される。本実施形態では所定の流体としては、潤滑油が用いられる。給気部３４から供給された潤滑油はエアギャップ３５に充てんされる。また、エアギャップ２５に充てんされた潤滑油は、順次、排気部３６から排出される。

エアギャップ３５に潤滑油が充てんされると、潤滑流体膜の静圧によって主軸部３１と、回転体本体部３２および回転体端部３３との間隔が維持される。主軸部３１と、回転体本体部３２および回転体端部３３は、流体の静圧によってエアギャップ３５の間隔を維持する。回転体本体部３２および回転体端部３３で形成される回転体は、主軸部３１の長軸を回転中心とした回転動作を行う。

連続稼働を行っていると、動力からの伝熱、装置内の温度上昇および流体摩擦による温度上昇等によって軸受装置の各部位の温度が上昇する。温度が上昇すると、軸受装置の各部位はそれぞれ熱膨張する。回転体本体部３２および回転体端部３３がそれぞれ熱膨張する際に、回転体本体部３２は、回転体端部３３よりも熱膨張係数が大きいのでより大きく膨張しようとする。回転体本体部３２および回転体端部３３が互いに接合された状態なので、回転体本体部３２は、熱膨張によって反った状態になる。

回転体本体部３２が反った状態になると、回転体本体部３２に接合された回転体端部３３は、回転体の端部、すなわち、排気部３６付近において主軸部３１に近づいた状態になる。そのため、回転体の端部では剛性が高くなる。その結果、本実施形態の軸受装置は、温度が常温よりも上昇するような実使用環境下で高い剛性を有する。

また、温度上昇時の反りによって、回転体の中心付近において主軸部３１と回転体本体部３２が互いに少し離れた状態になったような場合においても、周辺部では近づいた状態になるので、軸受装置全体では剛性の変化量は抑制される。

本実施形態では、回転体本体部３２と回転体端部３３で形成される回転体側が可動部として動作を行ったが、主軸部３１側が動く構成としてもよい。また、吸気部３４は、回転体本体部３２に備えられていてもよい。

本実施形態の軸受装置は、回転体本体部３２と回転体端部３３に互いに熱膨張係数の異なる金属を用いたバイメタル構造の軸受部を備えている。本実施形態の軸受装置は、主軸部３１と対向する側の回転体端部３３に熱膨張係数が小さな金属、主軸部３１とは反対側の回転体本体部３２に熱膨張係数が大きな金属を用いたバイメタル構造を備えている。そのため、本実施形態の軸受装置では、主軸部３１とは反対側でより大きく膨張しようとするので、温度上昇時に周辺部のみエアギャップ３５が狭くなった構造となる。本実施形態の軸受装置では、温度上昇時に周辺部のエアギャップ３５が狭くなるので、剛性が高くなる。また、本実施形態の軸受装置は、回転体本体部３２の熱膨張による変形を用いて剛性を高めているので、剛性を高めるために他に特別な機構を必要としない。以上より、本実施形態の軸受装置では、装置構成の複雑化や装置の大型化を生じることなく、常温よりも温度が上昇することの多い実使用環境下において高い剛性を得ることができる。その結果、本実施形態の軸受装置では、連続稼働等によって温度が上昇したたような環境下において、十分な特性を得ることができる。

第２乃至第４の実施形態において、軸受部の部材は金属によって形成されていたが、軸受部の部材は、熱膨張に差のある樹脂またはセラミックの組み合わせによって形成されていてもよい。また、各部位の金属は、その他の金属や樹脂等によって表面が加工されていてもよい。

１ 第１の軸受部
２ 第２の軸受部
３ 第１の層
４ 第２の層
１１ 下側軸受部
１２ 上側軸受本体部
１３ 上側軸受端部
１４ 給気部
１５ エアギャップ
１６ 排気部
２１ ガイド部
２２ ステージ本体部
２３ ステージ端部
２４ 給気部
２５ エアギャップ
２６ 排気部
３１ 主軸部
３２ 回転体本体部
３３ 回転体端部
３４ 給気部
３５ エアギャップ
３６ 排気部

Claims (8)

1. 第１の金属材料で形成された第１の層からなる中心付近の領域と、前記第１の層に前記第１の金属材料よりも熱膨張係数が小さい第２の金属材料で形成された第２の層が積層された周辺付近の領域とを有する第１の軸受部と、
   前記第１の軸受部と空隙を介して対向または嵌合する第２の軸受部とを備え、
   前記第１の軸受部および前記第２の軸受部の少なくとも一方が回転または摺動の動作手段を有し、
   前記第１の軸受部は、前記第２の軸受部側とは反対側の略全面および前記第２の軸受部側の中心付近が前記第１の層で形成され、
   前記第１の軸受部と前記第２の軸受部の間に形成される前記空隙の間隔が、温度が上昇した際に、前記第１の軸受部の変形によって中心付近よりも周辺付近において狭くなることを特徴とする軸受装置。
2. 前記第１の軸受部または前記第２の軸受部に形成され、流体を注入する給気部と、
   前記第１の軸受部および前記第２の軸受部の間の前記空隙の前記周辺付近に形成され、前記流体を排出する排気部とをさらに備え、
   前記給気部および前記排気部はそれぞれ前記空隙に接続され、前記流体が前記空隙に充てんされていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記第１の軸受部の前記第１の層と前記第２の層とは互いに接合され、前記第１の軸受部は一体の部材として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受装置。
4. 前記第１の軸受部は、前記第１の層と、前記第２の層とが互いに分離可能な部材として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受装置。
5. 前記第２の軸受部は、スラスト軸受機構となるように前記第１の軸受部と前記空隙を介して互いに対向または嵌合していることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の軸受装置。
6. 前記第２の軸受部は、前記第１の軸受部の内部に、前記第２の軸受部の長軸方向と、前記第１の軸受部の長軸方向がほぼ平行になるように備えられ、
   前記第２の軸受部の外周部と前記第１の軸受部の内周部の間に前記空隙を有することを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の軸受装置。
7. 前記第１の軸受部および前記第２の軸受部の少なくとも一方が、前記長軸方向に動作することを特徴とする請求項６に記載の軸受装置。
8. 前記第１の軸受部および前記第２の軸受部の少なくとも一方が、前記長軸を回転中心として動作することを特徴とする請求項６に記載の軸受装置。

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