気体軸受スピンドル
【課題】回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供する。
【解決手段】気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状スリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、ゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。スリーブ３０は、スリーブ貫通穴３３を有し、外周面の一部がスリーブ３０の外周面を成し、スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部３１と、スリーブ貫通穴３３の延びる方向における軸受部３１の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、Ｏリング４１、４２を介してスリーブ３０をハウジング２０に対して保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。
【解決手段】気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状スリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、ゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。スリーブ３０は、スリーブ貫通穴３３を有し、外周面の一部がスリーブ３０の外周面を成し、スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部３１と、スリーブ貫通穴３３の延びる方向における軸受部３１の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、Ｏリング４１、４２を介してスリーブ３０をハウジング２０に対して保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転軸とハウジング内部において回転軸に対向する部材との間の微小なすき間に圧縮空気などの気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される気体軸受を備えた気体軸受スピンドルにおいては、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなく、回転軸と、回転軸に対向する部材とが直接接触しないため、正常な運転状態である限り、部材の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、気体軸受スピンドルは精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される高速スピンドルとして広く使用されている。
【０００３】
この気体軸受スピンドルに対しては、その性能を向上させるため、種々の提案がなされている。たとえば、回転軸と、回転軸に対向する部材とが万一接触した場合でも、回転軸の焼付きを回避するため、回転軸に対向する部材として黒鉛からなる内壁を有するスリーブを採用した気体軸受スピンドルが提案されている。また、Ｏリングを介して回転軸に対向する部材としてのスリーブをハウジングに対して支持することにより、回転軸の振れ回り振動を吸収可能な気体軸受スピンドルが採用される場合もある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略部分断面図である。図３を参照して、従来の気体軸受スピンドルの一例について説明する。
【０００５】
図３を参照して、従来の気体軸受スピンドル１００は、回転軸１１０と、回転軸１１０の外周面の一部を軸受すき間１５０を隔てて取り囲む軸受スリーブ１３０と、軸受スリーブ１３０を取り囲むハウジング１２０とを備えている。そして、軸受スリーブ１３０はゴム製のＯリング１４１、１４２を介してハウジング１２０に対して支持されている。また、軸受スリーブ１３０は、黒鉛などの焼結材からなる内筒部材１３１と、金属からなる外筒部材１３２とから構成されている。外筒部材１３２は、内筒部材１３１の外周面に焼嵌めにより所定の締め代で嵌合されている。さらに、軸受スリーブ１３０の両端の近傍部分には、ノズル１６０が形成されている。ノズル１６０は、スリーブ給気路１６１と、軸受スリーブ１３０、ハウジング１２０およびＯリング１４２により閉じられた環状空間１７０と、給気通路１８０とを介して図示しない軸受用気体供給部に接続されている。
【０００６】
次に、従来の気体軸受スピンドル１００の動作を説明する。図示しない軸受用気体供給部から供給された高圧気体を給気通路１８０、環状空間１７０、スリーブ給気路１６１およびノズル１６０を介して軸受すき間１５０に供給することにより、回転軸１１０は、軸受スリーブ１３０に対して回転自在に非接触支持される。そして、回転軸１１０が図示しない駆動手段により駆動力を与えられることにより、回転軸１１０の周方向に回転する。
【０００７】
このとき、軸受スリーブ１３０は、黒鉛などの焼結材からなる内筒部材１３１を有しているため、回転軸１１０と、軸受スリーブ１３０とが万一接触した場合でも、回転軸１１０の焼付きを抑制することができる。また、Ｏリング１４１、１４２を介して軸受スリーブ１３０がハウジング１２０に対して支持されていることにより、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。
【特許文献１】特開２００２−２９５４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、図３に示す気体軸受スピンドル１００によれば、Ｏリング１４１、１４２の弾性を利用して、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。しかし、軸受スリーブ１３０の質量が大きくなると、Ｏリング１４１、１４２が支持する系全体の固有振動数が低下するとともに、回転軸１１０の振れ回り振動に対する軸受スリーブの応答性が低下する。その結果、Ｏリング１４１、１４２による回転軸１１０の振れ回り振動を減衰する効果が低下する。
【０００９】
図３に示すように、軸受スリーブ１３０が黒鉛製の内筒部材１３１を質量の大きい金属製の外筒部材１３２で取り囲む二層構造とした場合、軸受スリーブ１３０の質量が大きくなり、上述のようにＯリング１４１、１４２による回転軸１１０の振れ回り振動を減衰する効果が低下する。
【００１０】
一方、軸受スリーブ１３０全体を黒鉛などの焼結材製とすることにより、軸受スリーブ１３０を軽量化することができる。しかし、焼結材は金属に比べて脆いため、気体軸受スピンドル１００の組立て等を行なう場合において、ハウジング１２０に対して軸受スリーブ１３０を抜き差しする際、不慮の接触による衝撃等によって、軸受スリーブ１３０に損傷が発生しやすいという問題点がある。
【００１１】
また、軸受スリーブ１３０の内周面は、微小な軸受すき間１５０を形成するために、きわめて高精度に加工されている必要がある。一般に、当該加工は、軸受スリーブ１３０の一部を保持することにより、軸受スリーブ１３０を強固に固定した上で実施される。しかし、焼結材は金属に比べて脆いため、上述と同様に、軸受スリーブ１３０の保持された部分に損傷が発生しやすい。さらに、焼結材は一般に縦弾性係数が小さいため、保持された部分に変形が生じやすく、安定した固定が困難となり、高精度の加工の実現が難しい。そのため、高精度の加工を実現するためには複雑な工程を含む加工が必要となり、製造コスト上昇の原因となる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、スリーブを取り囲み、弾性部材を介してスリーブを保持するハウジングとを備えている。スリーブは、スリーブ貫通穴を有し、外周面の一部がスリーブの外周面を成し、スリーブ貫通穴の内周面が回転軸の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部と、スリーブ貫通穴の延びる方向における軸受部の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、弾性部材を介してスリーブをハウジングに対して保持する金属製の保持リングとを含んでいる。
【００１４】
本発明の気体軸受スピンドルによれば、スリーブを黒鉛製の内筒部材と金属製の外筒部材との二層構造とするのではなく、スリーブは基本的には比重の小さい非金属焼結体によって構成されている。これにより、スリーブの軽量化が図られ、弾性部材によって支持されるスリーブを含む系全体の固有振動数が上昇するとともに、回転軸の振れ回り振動に対する応答性が向上する。その結果、弾性部材による回転軸の振れ回り振動を減衰させる効果を向上させることができる。さらに、本発明の気体軸受スピンドルにおいては、スリーブの端部である軸受部の端部には、金属製の保持リングが嵌め込まれている。そのため、ハウジングに対してスリーブを抜き差しする際に、不慮の接触による衝撃で欠けが生じ易いスリーブの両端部分を金属製の保持リングで保護することで、スリーブの損傷が抑制できる。また、スリーブの内周面を加工する際に、非金属焼結体に比べて靭性の高い金属製の保持リングに応力が負荷されるようにスリーブを保持することで、スリーブに損傷が発生することを抑制することができる。
【００１５】
さらに、スリーブの内周面を加工する際に、焼結材に比べて縦弾性係数が大きい金属製の保持リングに応力が負荷されるようにスリーブを保持することで、強固な固定が容易となり、高精度の加工が容易に実現することができる。
【００１６】
以上のように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【００１７】
ここで、スリーブの軸受部を構成する非金属焼結体としては、たとえば焼結により成形された黒鉛、セラミックなどを採用することができる。また、スリーブの軽量化の観点から、スリーブの軸受部を構成する非金属焼結体の比重は小さいことが好ましく、たとえば比重５以下の非金属焼結体を採用することがより効果的である。
【００１８】
また、スリーブの軽量化の観点から、スリーブ貫通穴の延びる方向における保持リングの長さは短く、厚みは小さいことが好ましい。具体的には、保持リングの長さは、たとえばスリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの長さの３０％以下であることが好ましい。一方、ハウジングに対してスリーブを抜き差しする際や、スリーブの内周面を加工する際に、他の部材によって保持される部位として十分機能するためには、保持リングはある程度の長さおよび厚みを有していることが好ましい。具体的には、保持リングの長さは、たとえばスリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの長さの５％以上、厚みはスリーブの厚みの２０％以上であることが好ましい。また、上述の弾性部材としては、たとえばニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等を採用することができる。
【００１９】
また、保持リングを構成する金属としては、鉄系合金、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金などを採用することができ、具体的には、たとえばＪＩＳ規格 ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３（ステンレス鋼）、Ａ２０００系（アルミニウム系合金）などを採用することができる。
【００２０】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、保持リングには、弾性部材を保持するための、保持リングの外周に沿った方向に延びる環状の溝が形成されている。
【００２１】
これにより、上述の弾性部材としてたとえばゴム製のＯリングを採用し、上記環状の溝にＯリングを嵌め込むことにより、Ｏリングの位置を固定することができる。また、弾性部材を固定するための溝を金属に比べて脆い非金属焼結体からなる軸受部に形成すると、加工が困難となる。さらに、高い表面精度に加工することが難しく、また内部に気孔が存在する非金属焼結体と弾性部材との接触部によっては気密性を十分確保することができないおそれがあるため、当該接触部によって気密性を確保する必要のある気体軸受スピンドルには、当該構成は好適であるとはいえない。これに対し、内部に気孔が存在するおそれが小さく、かつ高い表面精度に加工することが比較的容易な金属製の保持リングに上記環状の溝を形成することにより、溝の加工が容易となるとともに、金属製の保持リングと弾性部材との接触部によって気密性を十分確保することが可能となる。
【００２２】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブには、スリーブの周壁において、スリーブ貫通穴の内周面と回転軸の外周面との間に設けられた軸受隙間に気体を供給するためのノズルが複数形成されている。そして、ノズルは、スリーブ貫通穴の円周方向に延びる複数の列を構成するように配置されている。
【００２３】
回転軸は、ノズルを通じて供給される圧縮空気などの軸受用気体によって生じる軸受隙間内の圧力により、スリーブに対して非接触に保持される。したがって、当該ノズルを複数形成し、かつ複数の列を構成するように配置することにより、気体軸受の剛性を高め、より高い軸受性能を得ることができる。
【００２４】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、ノズルは、スリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの中央部を挟む両側のそれぞれに、少なくとも１列以上形成されている。これにより、回転軸の傾きに対して高い角度剛性を有する気体軸受スピンドルにすることが可能である。
【００２５】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブ貫通穴の延びる方向において、複数のノズルのうち両端に位置する端部ノズルは、スリーブの両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離がスリーブの長さの２５％以下である位置に形成されている。軸受が回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つためには、所定の間隔以上離れた位置において軸受用気体を供給する軸受ノズルが設けられていることが好ましい。上述の構成により、ジャーナル軸受は回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つことができる。
【００２６】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブ貫通穴の延びる方向において、スリーブの中央部からの距離が、スリーブの長さの２０％以下である位置に、少なくとも１つのノズルが形成されている。
【００２７】
本発明の気体軸受スピンドルのように、スリーブが弾性部材を介してハウジングに保持されている気体軸受スピンドルにおいては、スリーブとハウジングとの間の熱伝導性が低いため、スリーブおよび回転軸に熱が溜まりやすい。回転軸が高速で長時間回転する場合などにおいては、軸受すき間内の気体が摩擦によって発熱することで軸受すき間周辺の温度が上昇し、熱膨張に起因した気体軸受スピンドルの不具合、たとえば軸受すき間が小さくなることによる回転軸とスリーブとの接触などが発生するおそれがある。
【００２８】
これに対し、上述のように、スリーブの中央付近にノズルが形成されていることにより、スリーブの中央付近に面する軸受すき間の気圧が周囲の軸受すき間に比べて高くなる。そのため、軸受すき間のスリーブの中央付近に面する領域から、スリーブの端部に面する領域に向かう気流が発生し、軸受用すき間に存在する温度の上昇した軸受用気体が効率よくスリーブの端部に面する領域に向けて排出されて、温度の上昇が緩和される。その結果、上述の熱膨張に起因した気体軸受スピンドルの不具合を回避することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの概略断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における気体軸受スピンドルの構成について説明する。
【００３２】
図１を参照して、実施の形態１の気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、弾性部材としてのゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。回転軸１０とスリーブ３０とは、１０μｍ以上４０μｍ以下程度のジャーナル軸受すき間１３を隔てて配置されている。
【００３３】
回転軸１０は、円筒状の軸部１１と、軸部１１の一方の端部に形成された軸部１１よりも直径の大きい円盤状の形状を有するフランジ部１２とを有しており、軸部１１の他方の端部には工具などを保持するための保持部１９が形成されている。そして、スリーブ３０には、スリーブ３０の周壁に形成され、スリーブ貫通穴３３の内周面と回転軸１０の軸部１１の外周面１１Ａとの間に設けられたジャーナル軸受隙間１３に軸受用気体を供給するための複数個のノズルであるジャーナルノズル５１が形成されている。
【００３４】
ジャーナルノズル５１は、スリーブ貫通穴３３の円周方向に延びる２つの列を構成するように配置されており、ジャーナルノズル５１は、スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸部１１における軸方向）におけるスリーブ３０の中央部を挟む両側のそれぞれに１列ずつ形成されている。
【００３５】
以上の構成により、スリーブ３０は、ハウジング２０に対して回転軸１０を軸部１１の軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。なお、軸部１１の軸方向におけるスリーブ３０の中央部から両側のジャーナルノズル５１までの距離がほぼ等しくなるように、ジャーナルノズル５１は形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受隙間１３内の圧力分布が軸方向にほぼ対称となり、回転軸１０はスリーブ３０に対して、軸方向にバランスよく軸支される。
【００３６】
さらに、ハウジング２０の内部には、円環状の形状を有する気体スラスト軸受６０が、回転軸１０のフランジ部１２の両側の底面１２Ａのそれぞれに対して一方の底面が対向するように配置されている。ここで、気体スラスト軸受６０と回転軸１０のフランジ部１２とは、１０μｍ以上５０μｍ以下程度のスラスト軸受すき間１４を隔てて配置されている。気体スラスト軸受６０には、当該一方の底面と、これに対向するフランジ部１２の底面１２Ａとの間に設けられたスラスト軸受すき間１４に気体を供給するための複数個のスラストノズル６１が形成されている。スラストノズル６１は、フランジ部１２の周方向に沿った方向に複数個形成されている。
【００３７】
さらに、ジャーナルノズル５１は、スリーブ給気路５２と、スリーブ３０、ハウジング２０およびＯリング４２により閉じられた空間である環状空間２２とを介してハウジング２０内に形成された軸受用気体供給路２１に接続されている。また、スラストノズル６１は、スラスト軸受給気路６２を介して軸受用気体供給路２１に接続されている。そして、軸受用気体供給路２１は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。
【００３８】
さらに、フランジ部１２の一部である外周部には、フランジ部１２内において隣接する部分よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部１２Ｂが形成されており、薄肉部１２Ｂの一方の底面には、フランジ部１２の円周方向に配列され、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸１０をフランジ部１２の周方向に回転させるための複数のタービン翼１５が形成されている。さらに、ハウジング２０の内部には、フランジ部１２の外周側に配置され、タービン翼１５に対向する位置に開口を有し、ハウジング２０の内壁からタービン翼１５に向けて圧縮空気などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル７３が形成されている。タービンノズル７３は、フランジ部１２の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝７２を介して駆動用気体供給路７１接続されている。そして、駆動用気体供給路７１は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。さらに、ハウジング２０には、フランジ部１２の薄肉部１２Ｂのタービン翼１５が形成された側の面であって、タービン翼１５が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング２０の外壁に他方の開口を有する駆動用気体排出路７５が形成されている。
【００３９】
次に、図１を参照して、実施の形態１の気体軸受スピンドル１の動作について説明する。図示しない軸受用気体供給源から供給された圧縮空気などの軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スリーブ給気路５２およびジャーナルノズル５１を通じてジャーナル軸受すき間１３に供給される。さらに、図示しない軸受用気体供給源から供給された軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スラスト軸受給気路６２およびスラストノズル６１を通じてスラスト軸受すき間１４に供給される。これにより、ジャーナル軸受すき間１３およびスラスト軸受すき間１４においては、供給された軸受用気体により気体膜が形成される。その結果、回転軸１０は、回転軸１０を軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）および軸方向（アキシアル方向）において、ハウジング２０に対して非接触かつ回転自在に軸支される。
【００４０】
さらに、図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源から供給された駆動用気体は、駆動用気体供給路７１から円周溝７２を通じてタービンノズル７３に供給される。タービンノズル７３に供給された駆動用気体は、タービン翼１５に向けて噴出する。そして、噴出した駆動用気体をタービン翼１５で受けることにより、フランジ部１２には回転軸１０の軸まわりに回転する駆動力（トルク）が与えられて、回転軸１０が軸まわりに回転する。回転軸１０に駆動力を与えた駆動用気体は、駆動用気体排出路７５から気体軸受スピンドル１の外部へと排出される。
【００４１】
ここで、スリーブ３０は、スリーブ貫通穴３３を有し、外周面の一部がスリーブ３０の外周面を成し、スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面１１Ａに対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部３１と、スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸方向）における軸受部３１の両側の端部のそれぞれに外嵌めされることにより嵌め込まれ、弾性部材であるゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０をハウジング２０に対して保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。なお、保持リング３２の軸受部３１への嵌め込みは、たとえば焼嵌めにより実施することができる。
【００４２】
以上のように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１ではスリーブ３０は基本的には比重の小さい非金属焼結体によって構成されている。これにより、スリーブ３０の軽量化が図られ、弾性部材であるゴム製のＯリング４１、４２によって支持されるスリーブ３０を含む系全体の固有振動数が上昇するとともに、回転軸１０の振れ回り振動に対する応答性が向上する。その結果、回転軸１０の振れ回り振動をＯリング４１、４２の変形により効果的に減衰させることができる。さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０の端部である軸受部３１の端部には、金属製の保持リング３２が外嵌めされている。そのため、ハウジング２０に対してスリーブ３０を抜き差しする際や、スリーブ３０の内周面を加工する際に、非金属焼結体に比べて靭性の高い金属製の保持リング３２に応力が負荷されるようにスリーブ３０を保持することで、スリーブ３０に損傷が発生することを抑制することができる。また、不慮の接触による衝撃で欠けが生じ易いスリーブの両端部分を金属製の保持リングで保護することで、スリーブの損傷が抑制できる。
【００４３】
さらに、スリーブ３０の内周面を加工する際に、焼結材に比べて縦弾性係数が大きい金属製の保持リング３２に応力が負荷されるようにスリーブ３０を保持することで、安定した固定が容易となり、高精度の加工が容易に実現できる。
【００４４】
以上のように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１によれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【００４５】
さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、保持リング３２には、Ｏリング４１、４２を保持するための保持リング３２の外周に沿った方向に延びる環状の溝３２Ａが形成されている。そして、Ｏリング４１、４２は、溝３２Ａに嵌め込まれることにより、その位置が固定されている。
【００４６】
これにより、Ｏリング４１、４２の位置を安定して固定することができる。また、非金属焼結体に比べて表面精度の高い加工が容易で、かつ内部に気孔が存在するおそれの小さい金属製の保持リング３２に溝を形成してＯリング４１、４２することにより、環状空間２２の気密性を十分に確保することができる。また、金属製の保持リング３２は、非金属焼結体に比べて欠けや割れが発生しにくいため、薄肉部が存在するような複雑な形状への加工も容易である。
【００４７】
さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、スリーブ貫通穴３３の延びる方向において、複数のジャーナルノズル５１のうち両端に位置する端部ノズル（ジャーナルノズル）５１は、スリーブ３０の両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離がスリーブ３０の長さの２５％以下である位置に形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受は回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つことができる。ここで、端部ノズル５１は、端部ノズル５１の回転軸１０に対向する側の開口の中央（たとえば、開口が円形であれば中心、楕円形であれば２つの焦点の中点）が上述の位置に配置されていれば、上記端部ノズル５１の位置に関する条件は満たされる。
【００４８】
なお、保持リング３２は縦弾性係数の大きい金属、たとえばステンレス、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成されていることが好ましい。これにより、スリーブ３０の加工の際に、保持リング３２を保持することによってスリーブ３０を固定することで、保持リング３２の変形が抑制され、スリーブ３０を一層高精度に加工することが可能となる。
【００４９】
また、回転軸１０が高速回転した場合、軸受損による発熱が大きくなり、スリーブ３０が熱膨張する。この場合、非金属焼結体に比べて線膨張係数の大きい金属製の保持リング３２が嵌め込まれたスリーブ３０の両端において、スリーブ貫通穴３３の内径が大きくなる。しかし、ジャーナル軸受すき間１３を適当な大きさに設定しておくことにより、スリーブ貫通穴３３の内径の変化による軸受性能への影響を回避することができる。また、保持リング３２の素材としてインバー材（ニッケル３６％、鉄６４％の合金）等の線膨張係数の小さい材質を採用することにより、スリーブ３０の両端におけるスリーブ貫通穴３３の内径の変化を抑制し、スリーブ貫通穴３３の内径の変化による軸受性能への影響を回避してもよい。
【００５０】
また、回転軸１０の材質としては比較的安価な鉄鋼系金属材料を採用することができる。また、耐食性や耐摩耗性を向上させるために、回転軸１０の表面に硬質クロムめっきなどのめっき処理のような表面処理を実施してもよい。さらに、回転軸１０の材質として、鉄鋼系金属材料よりも線膨張係数の小さいインバー材やセラミックなどを採用してもよい。回転軸１０が高速回転した場合、軸受損による発熱が大きくなり、回転軸１０の外径が大きくなる。その結果、ジャーナル軸受すき間１３が狭くなり、軸受性能に影響するおそれがある。これに対し、回転軸１０の材質としてインバー材やセラミックなどの線膨張係数の小さい材質を採用することにより、回転軸１０の外径の変化を抑制し、軸受性能への影響を抑制することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの概略断面図である。図２を参照して、本発明の実施の形態２における気体軸受スピンドルの構成について説明する。
【００５２】
図２を参照して、実施の形態２の気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様の効果を有している。しかし、実施の形態２の気体軸受スピンドル１では、スリーブ３０の軸方向における中央部において中央ジャーナルノズル５１Ｃが形成されている点で、実施の形態１の気体軸受スピンドル１とは異なっている。
【００５３】
そして、スリーブ貫通穴３３の延びる方向において、スリーブ３０の中央部からの距離が、スリーブ３０の長さの２０％以下である位置に、中央ジャーナルノズル５１Ｃは形成されている。ここで、中央ジャーナルノズル５１Ｃは、中央ジャーナルノズル５１Ｃの回転軸１０に対向する側の開口の中央（たとえば、開口が円形であれば中心、楕円形であれば２つの焦点の中点）が上述の位置に配置されていれば、上記中央ジャーナルノズル５１Ｃの位置に関する条件は満たされる。
【００５４】
回転軸１０が高速で長時間回転する場合などにおいては、ジャーナル軸受隙間１３内の気体が摩擦によって発熱することでジャーナル軸受すき間１３周辺の温度が上昇し、ジャーナル軸受すき間１３が小さくなることによる回転軸１０とスリーブ３０との接触などの不具合が発生するおそれがある。これに対し、上述のように中央ジャーナルノズル５１Ｃが形成されていることにより、スリーブ３０の中央付近に面するジャーナル軸受すき間１３の気圧が周囲に比べて高くなる。そのため、ジャーナル軸受すき間１３のスリーブ３０の中央付近に面する領域から、スリーブ３０の端部に面する領域に向かう気流が発生し、ジャーナル軸受すき間１３に存在する温度の上昇した軸受用気体が効率よくスリーブの端部に面する領域に向けて排出されて、温度の上昇が緩和される。その結果、上述の熱膨張に起因した気体軸受スピンドル１の不具合を回避することができる。
【００５５】
なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、本発明の気体軸受スピンドルの一例として、ノズルが２列および３列に形成された場合について説明したが、本発明の気体軸受スピンドルはこれに限られず、ノズルが４以上の列を成すように形成されたものであってもよい。また、実施の形態１および実施の形態２においては、保持リングの端面側および側面側のそれぞれに１つずつ、合計２つの溝が形成され、弾性部材としてのＯリングが嵌め込まれた場合について説明したが、気密性向上などを目的として、溝が３本以上形成され、３つ以上の弾性部材が嵌め込まれていてもよい。また逆に、弾性部材の剛性を小さくすること等を目的として、弾性部材を各保持リングに対して１つとし、ジャーナル軸受用の弾性部材とスラスト軸受用の弾性部材との機能を当該１つの弾性部材（たとえばＯリング）で兼用可能な構造にしてもよい。また、実施の形態１および実施の形態２においては、保持リングの一例として一体の保持リングがスリーブの各端部に嵌め込まれた態様について説明したが、たとえば各保持リングがスリーブの端部側の保持リングと側面側の保持リングとに分割された態様であってもよい。
【００５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の気体軸受スピンドルは、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施の形態１の気体軸受スピンドルの概略断面図である。
【図２】実施の形態２の気体軸受スピンドルの概略断面図である。
【図３】従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略部分断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 気体軸受スピンドル、１０ 回転軸、１１ 軸部、１１Ａ 外周面、１２ フランジ部、１２Ａ 底面、１２Ｂ 薄肉部、１３ ジャーナル軸受すき間、１４ スラスト軸受すき間、１５ タービン翼、１９ 保持部、２０ ハウジング、２１ 軸受用気体供給路、２２ 環状空間、３０ スリーブ、３１ 軸受部、３２ 保持リング、３２Ａ 溝、３３ スリーブ貫通穴、４１，４２ Ｏリング、５１ ジャーナルノズル、５１Ｃ 中央ジャーナルノズル、５２ スリーブ給気路、６０ 気体スラスト軸受、６１ スラストノズル、６２ スラスト軸受給気路、７１ 駆動用気体供給路、７２ 円周溝、７３ タービンノズル、７５ 駆動用気体排出路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転軸とハウジング内部において回転軸に対向する部材との間の微小なすき間に圧縮空気などの気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される気体軸受を備えた気体軸受スピンドルにおいては、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなく、回転軸と、回転軸に対向する部材とが直接接触しないため、正常な運転状態である限り、部材の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、気体軸受スピンドルは精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される高速スピンドルとして広く使用されている。
【０００３】
この気体軸受スピンドルに対しては、その性能を向上させるため、種々の提案がなされている。たとえば、回転軸と、回転軸に対向する部材とが万一接触した場合でも、回転軸の焼付きを回避するため、回転軸に対向する部材として黒鉛からなる内壁を有するスリーブを採用した気体軸受スピンドルが提案されている。また、Ｏリングを介して回転軸に対向する部材としてのスリーブをハウジングに対して支持することにより、回転軸の振れ回り振動を吸収可能な気体軸受スピンドルが採用される場合もある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略部分断面図である。図３を参照して、従来の気体軸受スピンドルの一例について説明する。
【０００５】
図３を参照して、従来の気体軸受スピンドル１００は、回転軸１１０と、回転軸１１０の外周面の一部を軸受すき間１５０を隔てて取り囲む軸受スリーブ１３０と、軸受スリーブ１３０を取り囲むハウジング１２０とを備えている。そして、軸受スリーブ１３０はゴム製のＯリング１４１、１４２を介してハウジング１２０に対して支持されている。また、軸受スリーブ１３０は、黒鉛などの焼結材からなる内筒部材１３１と、金属からなる外筒部材１３２とから構成されている。外筒部材１３２は、内筒部材１３１の外周面に焼嵌めにより所定の締め代で嵌合されている。さらに、軸受スリーブ１３０の両端の近傍部分には、ノズル１６０が形成されている。ノズル１６０は、スリーブ給気路１６１と、軸受スリーブ１３０、ハウジング１２０およびＯリング１４２により閉じられた環状空間１７０と、給気通路１８０とを介して図示しない軸受用気体供給部に接続されている。
【０００６】
次に、従来の気体軸受スピンドル１００の動作を説明する。図示しない軸受用気体供給部から供給された高圧気体を給気通路１８０、環状空間１７０、スリーブ給気路１６１およびノズル１６０を介して軸受すき間１５０に供給することにより、回転軸１１０は、軸受スリーブ１３０に対して回転自在に非接触支持される。そして、回転軸１１０が図示しない駆動手段により駆動力を与えられることにより、回転軸１１０の周方向に回転する。
【０００７】
このとき、軸受スリーブ１３０は、黒鉛などの焼結材からなる内筒部材１３１を有しているため、回転軸１１０と、軸受スリーブ１３０とが万一接触した場合でも、回転軸１１０の焼付きを抑制することができる。また、Ｏリング１４１、１４２を介して軸受スリーブ１３０がハウジング１２０に対して支持されていることにより、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。
【特許文献１】特開２００２−２９５４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、図３に示す気体軸受スピンドル１００によれば、Ｏリング１４１、１４２の弾性を利用して、回転軸１１０の振れ回り振動を減衰させることができる。しかし、軸受スリーブ１３０の質量が大きくなると、Ｏリング１４１、１４２が支持する系全体の固有振動数が低下するとともに、回転軸１１０の振れ回り振動に対する軸受スリーブの応答性が低下する。その結果、Ｏリング１４１、１４２による回転軸１１０の振れ回り振動を減衰する効果が低下する。
【０００９】
図３に示すように、軸受スリーブ１３０が黒鉛製の内筒部材１３１を質量の大きい金属製の外筒部材１３２で取り囲む二層構造とした場合、軸受スリーブ１３０の質量が大きくなり、上述のようにＯリング１４１、１４２による回転軸１１０の振れ回り振動を減衰する効果が低下する。
【００１０】
一方、軸受スリーブ１３０全体を黒鉛などの焼結材製とすることにより、軸受スリーブ１３０を軽量化することができる。しかし、焼結材は金属に比べて脆いため、気体軸受スピンドル１００の組立て等を行なう場合において、ハウジング１２０に対して軸受スリーブ１３０を抜き差しする際、不慮の接触による衝撃等によって、軸受スリーブ１３０に損傷が発生しやすいという問題点がある。
【００１１】
また、軸受スリーブ１３０の内周面は、微小な軸受すき間１５０を形成するために、きわめて高精度に加工されている必要がある。一般に、当該加工は、軸受スリーブ１３０の一部を保持することにより、軸受スリーブ１３０を強固に固定した上で実施される。しかし、焼結材は金属に比べて脆いため、上述と同様に、軸受スリーブ１３０の保持された部分に損傷が発生しやすい。さらに、焼結材は一般に縦弾性係数が小さいため、保持された部分に変形が生じやすく、安定した固定が困難となり、高精度の加工の実現が難しい。そのため、高精度の加工を実現するためには複雑な工程を含む加工が必要となり、製造コスト上昇の原因となる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、スリーブを取り囲み、弾性部材を介してスリーブを保持するハウジングとを備えている。スリーブは、スリーブ貫通穴を有し、外周面の一部がスリーブの外周面を成し、スリーブ貫通穴の内周面が回転軸の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部と、スリーブ貫通穴の延びる方向における軸受部の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、弾性部材を介してスリーブをハウジングに対して保持する金属製の保持リングとを含んでいる。
【００１４】
本発明の気体軸受スピンドルによれば、スリーブを黒鉛製の内筒部材と金属製の外筒部材との二層構造とするのではなく、スリーブは基本的には比重の小さい非金属焼結体によって構成されている。これにより、スリーブの軽量化が図られ、弾性部材によって支持されるスリーブを含む系全体の固有振動数が上昇するとともに、回転軸の振れ回り振動に対する応答性が向上する。その結果、弾性部材による回転軸の振れ回り振動を減衰させる効果を向上させることができる。さらに、本発明の気体軸受スピンドルにおいては、スリーブの端部である軸受部の端部には、金属製の保持リングが嵌め込まれている。そのため、ハウジングに対してスリーブを抜き差しする際に、不慮の接触による衝撃で欠けが生じ易いスリーブの両端部分を金属製の保持リングで保護することで、スリーブの損傷が抑制できる。また、スリーブの内周面を加工する際に、非金属焼結体に比べて靭性の高い金属製の保持リングに応力が負荷されるようにスリーブを保持することで、スリーブに損傷が発生することを抑制することができる。
【００１５】
さらに、スリーブの内周面を加工する際に、焼結材に比べて縦弾性係数が大きい金属製の保持リングに応力が負荷されるようにスリーブを保持することで、強固な固定が容易となり、高精度の加工が容易に実現することができる。
【００１６】
以上のように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【００１７】
ここで、スリーブの軸受部を構成する非金属焼結体としては、たとえば焼結により成形された黒鉛、セラミックなどを採用することができる。また、スリーブの軽量化の観点から、スリーブの軸受部を構成する非金属焼結体の比重は小さいことが好ましく、たとえば比重５以下の非金属焼結体を採用することがより効果的である。
【００１８】
また、スリーブの軽量化の観点から、スリーブ貫通穴の延びる方向における保持リングの長さは短く、厚みは小さいことが好ましい。具体的には、保持リングの長さは、たとえばスリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの長さの３０％以下であることが好ましい。一方、ハウジングに対してスリーブを抜き差しする際や、スリーブの内周面を加工する際に、他の部材によって保持される部位として十分機能するためには、保持リングはある程度の長さおよび厚みを有していることが好ましい。具体的には、保持リングの長さは、たとえばスリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの長さの５％以上、厚みはスリーブの厚みの２０％以上であることが好ましい。また、上述の弾性部材としては、たとえばニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等を採用することができる。
【００１９】
また、保持リングを構成する金属としては、鉄系合金、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金などを採用することができ、具体的には、たとえばＪＩＳ規格 ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３（ステンレス鋼）、Ａ２０００系（アルミニウム系合金）などを採用することができる。
【００２０】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、保持リングには、弾性部材を保持するための、保持リングの外周に沿った方向に延びる環状の溝が形成されている。
【００２１】
これにより、上述の弾性部材としてたとえばゴム製のＯリングを採用し、上記環状の溝にＯリングを嵌め込むことにより、Ｏリングの位置を固定することができる。また、弾性部材を固定するための溝を金属に比べて脆い非金属焼結体からなる軸受部に形成すると、加工が困難となる。さらに、高い表面精度に加工することが難しく、また内部に気孔が存在する非金属焼結体と弾性部材との接触部によっては気密性を十分確保することができないおそれがあるため、当該接触部によって気密性を確保する必要のある気体軸受スピンドルには、当該構成は好適であるとはいえない。これに対し、内部に気孔が存在するおそれが小さく、かつ高い表面精度に加工することが比較的容易な金属製の保持リングに上記環状の溝を形成することにより、溝の加工が容易となるとともに、金属製の保持リングと弾性部材との接触部によって気密性を十分確保することが可能となる。
【００２２】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブには、スリーブの周壁において、スリーブ貫通穴の内周面と回転軸の外周面との間に設けられた軸受隙間に気体を供給するためのノズルが複数形成されている。そして、ノズルは、スリーブ貫通穴の円周方向に延びる複数の列を構成するように配置されている。
【００２３】
回転軸は、ノズルを通じて供給される圧縮空気などの軸受用気体によって生じる軸受隙間内の圧力により、スリーブに対して非接触に保持される。したがって、当該ノズルを複数形成し、かつ複数の列を構成するように配置することにより、気体軸受の剛性を高め、より高い軸受性能を得ることができる。
【００２４】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、ノズルは、スリーブ貫通穴の延びる方向におけるスリーブの中央部を挟む両側のそれぞれに、少なくとも１列以上形成されている。これにより、回転軸の傾きに対して高い角度剛性を有する気体軸受スピンドルにすることが可能である。
【００２５】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブ貫通穴の延びる方向において、複数のノズルのうち両端に位置する端部ノズルは、スリーブの両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離がスリーブの長さの２５％以下である位置に形成されている。軸受が回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つためには、所定の間隔以上離れた位置において軸受用気体を供給する軸受ノズルが設けられていることが好ましい。上述の構成により、ジャーナル軸受は回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つことができる。
【００２６】
上記気体軸受スピンドルにおいて好ましくは、スリーブ貫通穴の延びる方向において、スリーブの中央部からの距離が、スリーブの長さの２０％以下である位置に、少なくとも１つのノズルが形成されている。
【００２７】
本発明の気体軸受スピンドルのように、スリーブが弾性部材を介してハウジングに保持されている気体軸受スピンドルにおいては、スリーブとハウジングとの間の熱伝導性が低いため、スリーブおよび回転軸に熱が溜まりやすい。回転軸が高速で長時間回転する場合などにおいては、軸受すき間内の気体が摩擦によって発熱することで軸受すき間周辺の温度が上昇し、熱膨張に起因した気体軸受スピンドルの不具合、たとえば軸受すき間が小さくなることによる回転軸とスリーブとの接触などが発生するおそれがある。
【００２８】
これに対し、上述のように、スリーブの中央付近にノズルが形成されていることにより、スリーブの中央付近に面する軸受すき間の気圧が周囲の軸受すき間に比べて高くなる。そのため、軸受すき間のスリーブの中央付近に面する領域から、スリーブの端部に面する領域に向かう気流が発生し、軸受用すき間に存在する温度の上昇した軸受用気体が効率よくスリーブの端部に面する領域に向けて排出されて、温度の上昇が緩和される。その結果、上述の熱膨張に起因した気体軸受スピンドルの不具合を回避することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明の気体軸受スピンドルによれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの概略断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における気体軸受スピンドルの構成について説明する。
【００３２】
図１を参照して、実施の形態１の気体軸受スピンドル１は、回転軸１０と、回転軸１０の外周面１１Ａの一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴３３を有するスリーブ３０と、スリーブ３０を取り囲み、弾性部材としてのゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０を保持するハウジング２０とを備えている。回転軸１０とスリーブ３０とは、１０μｍ以上４０μｍ以下程度のジャーナル軸受すき間１３を隔てて配置されている。
【００３３】
回転軸１０は、円筒状の軸部１１と、軸部１１の一方の端部に形成された軸部１１よりも直径の大きい円盤状の形状を有するフランジ部１２とを有しており、軸部１１の他方の端部には工具などを保持するための保持部１９が形成されている。そして、スリーブ３０には、スリーブ３０の周壁に形成され、スリーブ貫通穴３３の内周面と回転軸１０の軸部１１の外周面１１Ａとの間に設けられたジャーナル軸受隙間１３に軸受用気体を供給するための複数個のノズルであるジャーナルノズル５１が形成されている。
【００３４】
ジャーナルノズル５１は、スリーブ貫通穴３３の円周方向に延びる２つの列を構成するように配置されており、ジャーナルノズル５１は、スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸部１１における軸方向）におけるスリーブ３０の中央部を挟む両側のそれぞれに１列ずつ形成されている。
【００３５】
以上の構成により、スリーブ３０は、ハウジング２０に対して回転軸１０を軸部１１の軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に軸支する気体ジャーナル軸受として機能する。なお、軸部１１の軸方向におけるスリーブ３０の中央部から両側のジャーナルノズル５１までの距離がほぼ等しくなるように、ジャーナルノズル５１は形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受隙間１３内の圧力分布が軸方向にほぼ対称となり、回転軸１０はスリーブ３０に対して、軸方向にバランスよく軸支される。
【００３６】
さらに、ハウジング２０の内部には、円環状の形状を有する気体スラスト軸受６０が、回転軸１０のフランジ部１２の両側の底面１２Ａのそれぞれに対して一方の底面が対向するように配置されている。ここで、気体スラスト軸受６０と回転軸１０のフランジ部１２とは、１０μｍ以上５０μｍ以下程度のスラスト軸受すき間１４を隔てて配置されている。気体スラスト軸受６０には、当該一方の底面と、これに対向するフランジ部１２の底面１２Ａとの間に設けられたスラスト軸受すき間１４に気体を供給するための複数個のスラストノズル６１が形成されている。スラストノズル６１は、フランジ部１２の周方向に沿った方向に複数個形成されている。
【００３７】
さらに、ジャーナルノズル５１は、スリーブ給気路５２と、スリーブ３０、ハウジング２０およびＯリング４２により閉じられた空間である環状空間２２とを介してハウジング２０内に形成された軸受用気体供給路２１に接続されている。また、スラストノズル６１は、スラスト軸受給気路６２を介して軸受用気体供給路２１に接続されている。そして、軸受用気体供給路２１は、空気などの高圧の気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの軸受用気体供給源に接続されている。
【００３８】
さらに、フランジ部１２の一部である外周部には、フランジ部１２内において隣接する部分よりも軸方向の厚みの薄い薄肉部１２Ｂが形成されており、薄肉部１２Ｂの一方の底面には、フランジ部１２の円周方向に配列され、板状の形状を有し、吹き付けられた気体を受けて回転軸１０をフランジ部１２の周方向に回転させるための複数のタービン翼１５が形成されている。さらに、ハウジング２０の内部には、フランジ部１２の外周側に配置され、タービン翼１５に対向する位置に開口を有し、ハウジング２０の内壁からタービン翼１５に向けて圧縮空気などの駆動用気体を噴出できるように構成されたタービンノズル７３が形成されている。タービンノズル７３は、フランジ部１２の外周に沿った方向に延びるように形成された円周溝７２を介して駆動用気体供給路７１接続されている。そして、駆動用気体供給路７１は、高圧の空気などの気体を供給する機能を有し、気体軸受スピンドル１の外部に配置された図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源に接続されている。さらに、ハウジング２０には、フランジ部１２の薄肉部１２Ｂのタービン翼１５が形成された側の面であって、タービン翼１５が形成された領域よりも内周側の領域に対向する位置に一方の開口を有し、ハウジング２０の外壁に他方の開口を有する駆動用気体排出路７５が形成されている。
【００３９】
次に、図１を参照して、実施の形態１の気体軸受スピンドル１の動作について説明する。図示しない軸受用気体供給源から供給された圧縮空気などの軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スリーブ給気路５２およびジャーナルノズル５１を通じてジャーナル軸受すき間１３に供給される。さらに、図示しない軸受用気体供給源から供給された軸受用気体は、軸受用気体供給路２１、スラスト軸受給気路６２およびスラストノズル６１を通じてスラスト軸受すき間１４に供給される。これにより、ジャーナル軸受すき間１３およびスラスト軸受すき間１４においては、供給された軸受用気体により気体膜が形成される。その結果、回転軸１０は、回転軸１０を軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）および軸方向（アキシアル方向）において、ハウジング２０に対して非接触かつ回転自在に軸支される。
【００４０】
さらに、図示しないエアコンプレッサなどの駆動用気体供給源から供給された駆動用気体は、駆動用気体供給路７１から円周溝７２を通じてタービンノズル７３に供給される。タービンノズル７３に供給された駆動用気体は、タービン翼１５に向けて噴出する。そして、噴出した駆動用気体をタービン翼１５で受けることにより、フランジ部１２には回転軸１０の軸まわりに回転する駆動力（トルク）が与えられて、回転軸１０が軸まわりに回転する。回転軸１０に駆動力を与えた駆動用気体は、駆動用気体排出路７５から気体軸受スピンドル１の外部へと排出される。
【００４１】
ここで、スリーブ３０は、スリーブ貫通穴３３を有し、外周面の一部がスリーブ３０の外周面を成し、スリーブ貫通穴３３の内周面が回転軸１０の外周面１１Ａに対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部３１と、スリーブ貫通穴３３の延びる方向（回転軸１０の軸方向）における軸受部３１の両側の端部のそれぞれに外嵌めされることにより嵌め込まれ、弾性部材であるゴム製のＯリング４１、４２を介してスリーブ３０をハウジング２０に対して保持する金属製の保持リング３２とを含んでいる。なお、保持リング３２の軸受部３１への嵌め込みは、たとえば焼嵌めにより実施することができる。
【００４２】
以上のように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１ではスリーブ３０は基本的には比重の小さい非金属焼結体によって構成されている。これにより、スリーブ３０の軽量化が図られ、弾性部材であるゴム製のＯリング４１、４２によって支持されるスリーブ３０を含む系全体の固有振動数が上昇するとともに、回転軸１０の振れ回り振動に対する応答性が向上する。その結果、回転軸１０の振れ回り振動をＯリング４１、４２の変形により効果的に減衰させることができる。さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、スリーブ３０の端部である軸受部３１の端部には、金属製の保持リング３２が外嵌めされている。そのため、ハウジング２０に対してスリーブ３０を抜き差しする際や、スリーブ３０の内周面を加工する際に、非金属焼結体に比べて靭性の高い金属製の保持リング３２に応力が負荷されるようにスリーブ３０を保持することで、スリーブ３０に損傷が発生することを抑制することができる。また、不慮の接触による衝撃で欠けが生じ易いスリーブの両端部分を金属製の保持リングで保護することで、スリーブの損傷が抑制できる。
【００４３】
さらに、スリーブ３０の内周面を加工する際に、焼結材に比べて縦弾性係数が大きい金属製の保持リング３２に応力が負荷されるようにスリーブ３０を保持することで、安定した固定が容易となり、高精度の加工が容易に実現できる。
【００４４】
以上のように、実施の形態１の気体軸受スピンドル１によれば、回転軸の振れ回り振動を効率的に減衰させることが可能で、かつ製造が容易な気体軸受スピンドルを提供することができる。
【００４５】
さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、保持リング３２には、Ｏリング４１、４２を保持するための保持リング３２の外周に沿った方向に延びる環状の溝３２Ａが形成されている。そして、Ｏリング４１、４２は、溝３２Ａに嵌め込まれることにより、その位置が固定されている。
【００４６】
これにより、Ｏリング４１、４２の位置を安定して固定することができる。また、非金属焼結体に比べて表面精度の高い加工が容易で、かつ内部に気孔が存在するおそれの小さい金属製の保持リング３２に溝を形成してＯリング４１、４２することにより、環状空間２２の気密性を十分に確保することができる。また、金属製の保持リング３２は、非金属焼結体に比べて欠けや割れが発生しにくいため、薄肉部が存在するような複雑な形状への加工も容易である。
【００４７】
さらに、実施の形態１の気体軸受スピンドル１においては、スリーブ貫通穴３３の延びる方向において、複数のジャーナルノズル５１のうち両端に位置する端部ノズル（ジャーナルノズル）５１は、スリーブ３０の両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離がスリーブ３０の長さの２５％以下である位置に形成されていることが好ましい。これにより、ジャーナル軸受は回転軸の傾きに対して高い角度剛性を持つことができる。ここで、端部ノズル５１は、端部ノズル５１の回転軸１０に対向する側の開口の中央（たとえば、開口が円形であれば中心、楕円形であれば２つの焦点の中点）が上述の位置に配置されていれば、上記端部ノズル５１の位置に関する条件は満たされる。
【００４８】
なお、保持リング３２は縦弾性係数の大きい金属、たとえばステンレス、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成されていることが好ましい。これにより、スリーブ３０の加工の際に、保持リング３２を保持することによってスリーブ３０を固定することで、保持リング３２の変形が抑制され、スリーブ３０を一層高精度に加工することが可能となる。
【００４９】
また、回転軸１０が高速回転した場合、軸受損による発熱が大きくなり、スリーブ３０が熱膨張する。この場合、非金属焼結体に比べて線膨張係数の大きい金属製の保持リング３２が嵌め込まれたスリーブ３０の両端において、スリーブ貫通穴３３の内径が大きくなる。しかし、ジャーナル軸受すき間１３を適当な大きさに設定しておくことにより、スリーブ貫通穴３３の内径の変化による軸受性能への影響を回避することができる。また、保持リング３２の素材としてインバー材（ニッケル３６％、鉄６４％の合金）等の線膨張係数の小さい材質を採用することにより、スリーブ３０の両端におけるスリーブ貫通穴３３の内径の変化を抑制し、スリーブ貫通穴３３の内径の変化による軸受性能への影響を回避してもよい。
【００５０】
また、回転軸１０の材質としては比較的安価な鉄鋼系金属材料を採用することができる。また、耐食性や耐摩耗性を向上させるために、回転軸１０の表面に硬質クロムめっきなどのめっき処理のような表面処理を実施してもよい。さらに、回転軸１０の材質として、鉄鋼系金属材料よりも線膨張係数の小さいインバー材やセラミックなどを採用してもよい。回転軸１０が高速回転した場合、軸受損による発熱が大きくなり、回転軸１０の外径が大きくなる。その結果、ジャーナル軸受すき間１３が狭くなり、軸受性能に影響するおそれがある。これに対し、回転軸１０の材質としてインバー材やセラミックなどの線膨張係数の小さい材質を採用することにより、回転軸１０の外径の変化を抑制し、軸受性能への影響を抑制することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの概略断面図である。図２を参照して、本発明の実施の形態２における気体軸受スピンドルの構成について説明する。
【００５２】
図２を参照して、実施の形態２の気体軸受スピンドル１は、基本的には実施の形態１の気体軸受スピンドル１と同様の構成を有しており、同様の効果を有している。しかし、実施の形態２の気体軸受スピンドル１では、スリーブ３０の軸方向における中央部において中央ジャーナルノズル５１Ｃが形成されている点で、実施の形態１の気体軸受スピンドル１とは異なっている。
【００５３】
そして、スリーブ貫通穴３３の延びる方向において、スリーブ３０の中央部からの距離が、スリーブ３０の長さの２０％以下である位置に、中央ジャーナルノズル５１Ｃは形成されている。ここで、中央ジャーナルノズル５１Ｃは、中央ジャーナルノズル５１Ｃの回転軸１０に対向する側の開口の中央（たとえば、開口が円形であれば中心、楕円形であれば２つの焦点の中点）が上述の位置に配置されていれば、上記中央ジャーナルノズル５１Ｃの位置に関する条件は満たされる。
【００５４】
回転軸１０が高速で長時間回転する場合などにおいては、ジャーナル軸受隙間１３内の気体が摩擦によって発熱することでジャーナル軸受すき間１３周辺の温度が上昇し、ジャーナル軸受すき間１３が小さくなることによる回転軸１０とスリーブ３０との接触などの不具合が発生するおそれがある。これに対し、上述のように中央ジャーナルノズル５１Ｃが形成されていることにより、スリーブ３０の中央付近に面するジャーナル軸受すき間１３の気圧が周囲に比べて高くなる。そのため、ジャーナル軸受すき間１３のスリーブ３０の中央付近に面する領域から、スリーブ３０の端部に面する領域に向かう気流が発生し、ジャーナル軸受すき間１３に存在する温度の上昇した軸受用気体が効率よくスリーブの端部に面する領域に向けて排出されて、温度の上昇が緩和される。その結果、上述の熱膨張に起因した気体軸受スピンドル１の不具合を回避することができる。
【００５５】
なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、本発明の気体軸受スピンドルの一例として、ノズルが２列および３列に形成された場合について説明したが、本発明の気体軸受スピンドルはこれに限られず、ノズルが４以上の列を成すように形成されたものであってもよい。また、実施の形態１および実施の形態２においては、保持リングの端面側および側面側のそれぞれに１つずつ、合計２つの溝が形成され、弾性部材としてのＯリングが嵌め込まれた場合について説明したが、気密性向上などを目的として、溝が３本以上形成され、３つ以上の弾性部材が嵌め込まれていてもよい。また逆に、弾性部材の剛性を小さくすること等を目的として、弾性部材を各保持リングに対して１つとし、ジャーナル軸受用の弾性部材とスラスト軸受用の弾性部材との機能を当該１つの弾性部材（たとえばＯリング）で兼用可能な構造にしてもよい。また、実施の形態１および実施の形態２においては、保持リングの一例として一体の保持リングがスリーブの各端部に嵌め込まれた態様について説明したが、たとえば各保持リングがスリーブの端部側の保持リングと側面側の保持リングとに分割された態様であってもよい。
【００５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の気体軸受スピンドルは、精密加工機、穴加工機、静電塗装機などに使用される気体軸受スピンドルに特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施の形態１の気体軸受スピンドルの概略断面図である。
【図２】実施の形態２の気体軸受スピンドルの概略断面図である。
【図３】従来の気体軸受スピンドルの一例を示す概略部分断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 気体軸受スピンドル、１０ 回転軸、１１ 軸部、１１Ａ 外周面、１２ フランジ部、１２Ａ 底面、１２Ｂ 薄肉部、１３ ジャーナル軸受すき間、１４ スラスト軸受すき間、１５ タービン翼、１９ 保持部、２０ ハウジング、２１ 軸受用気体供給路、２２ 環状空間、３０ スリーブ、３１ 軸受部、３２ 保持リング、３２Ａ 溝、３３ スリーブ貫通穴、４１，４２ Ｏリング、５１ ジャーナルノズル、５１Ｃ 中央ジャーナルノズル、５２ スリーブ給気路、６０ 気体スラスト軸受、６１ スラストノズル、６２ スラスト軸受給気路、７１ 駆動用気体供給路、７２ 円周溝、７３ タービンノズル、７５ 駆動用気体排出路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、
前記スリーブを取り囲み、弾性部材を介して前記スリーブを保持するハウジングとを備え、
前記スリーブは、
前記スリーブ貫通穴を有し、外周面の一部が前記スリーブの外周面を成し、前記スリーブ貫通穴の内周面が前記回転軸の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部と、
前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記軸受部の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、前記弾性部材を介して前記スリーブを前記ハウジングに対して保持する金属製の保持リングとを含んでいる、気体軸受スピンドル。
【請求項２】
前記保持リングには、前記弾性部材を保持するための、前記保持リングの外周に沿った方向に延びる環状の溝が形成されている、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項３】
前記スリーブには、前記スリーブの周壁において、前記スリーブ貫通穴の内周面と前記回転軸の外周面との間に設けた軸受隙間に気体を供給するためのノズルが複数形成され、
前記ノズルは、前記スリーブ貫通穴の円周方向に延びる複数の列を構成するように配置されている、請求項１または２に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項４】
前記ノズルは、前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記スリーブの中央部を挟む両側のそれぞれに、少なくとも１列以上形成されている、請求項３に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項５】
前記スリーブ貫通穴の延びる方向において、複数の前記ノズルのうち両端に位置する端部ノズルは、前記スリーブの両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離が前記スリーブの長さの２５％以下である位置に形成されている、請求項３または４のいずれかに記載の気体軸受スピンドル。
【請求項６】
前記スリーブ貫通穴の延びる方向において、前記スリーブの中央部からの距離が、前記スリーブの長さの２０％以下である位置に、少なくとも１つの前記ノズルが形成されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の外周面の少なくとも一部を取り囲む円筒状の貫通穴であるスリーブ貫通穴を有するスリーブと、
前記スリーブを取り囲み、弾性部材を介して前記スリーブを保持するハウジングとを備え、
前記スリーブは、
前記スリーブ貫通穴を有し、外周面の一部が前記スリーブの外周面を成し、前記スリーブ貫通穴の内周面が前記回転軸の外周面に対向するように構成された非金属焼結体からなる軸受部と、
前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記軸受部の両側の端部のそれぞれに嵌め込まれ、前記弾性部材を介して前記スリーブを前記ハウジングに対して保持する金属製の保持リングとを含んでいる、気体軸受スピンドル。
【請求項２】
前記保持リングには、前記弾性部材を保持するための、前記保持リングの外周に沿った方向に延びる環状の溝が形成されている、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項３】
前記スリーブには、前記スリーブの周壁において、前記スリーブ貫通穴の内周面と前記回転軸の外周面との間に設けた軸受隙間に気体を供給するためのノズルが複数形成され、
前記ノズルは、前記スリーブ貫通穴の円周方向に延びる複数の列を構成するように配置されている、請求項１または２に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項４】
前記ノズルは、前記スリーブ貫通穴の延びる方向における前記スリーブの中央部を挟む両側のそれぞれに、少なくとも１列以上形成されている、請求項３に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項５】
前記スリーブ貫通穴の延びる方向において、複数の前記ノズルのうち両端に位置する端部ノズルは、前記スリーブの両側の端部のうち最も近い一方の端部からの距離が前記スリーブの長さの２５％以下である位置に形成されている、請求項３または４のいずれかに記載の気体軸受スピンドル。
【請求項６】
前記スリーブ貫通穴の延びる方向において、前記スリーブの中央部からの距離が、前記スリーブの長さの２０％以下である位置に、少なくとも１つの前記ノズルが形成されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１７０５３４（Ｐ２００７−１７０５３４Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６８５００（Ｐ２００５−３６８５００）
【出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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