流体軸受及びそれを備えた非対称流体供給式流体軸受装置
【課題】流体軸受の負荷容量を増大し、且つ軸受の作動に必要となる流体の流量を低減する。
【解決手段】軸５０が挿通される軸受孔７と、流体軸受２の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔９，１０と、流体軸受２内で軸受孔７を外囲し、流体流入孔９，１０に連通する流体流路１１と、流体流路１１を軸受孔７に連通させる流体絞り１４，１５と、を有し、流体流入孔９，１０が複数設けられ、流体流路１１が流体流入孔９，１０に対応して複数の分割流体流路１２，１３に仕切られ、分割流体流路１２，１３にはそれぞれ少なくとも１つの流体絞り１４，１５が連通している。
【解決手段】軸５０が挿通される軸受孔７と、流体軸受２の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔９，１０と、流体軸受２内で軸受孔７を外囲し、流体流入孔９，１０に連通する流体流路１１と、流体流路１１を軸受孔７に連通させる流体絞り１４，１５と、を有し、流体流入孔９，１０が複数設けられ、流体流路１１が流体流入孔９，１０に対応して複数の分割流体流路１２，１３に仕切られ、分割流体流路１２，１３にはそれぞれ少なくとも１つの流体絞り１４，１５が連通している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受隙間に供給する流体の圧力により軸の負荷を支持する流体軸受、及びそれを備えた流体軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械の軸を低摩擦及び高精度で支持する軸受に、いわゆる流体軸受が用いられている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。流体軸受が適用される回転機械として、地中で人工的に弾性波を発生する精密制御定常震源装置等の振動発生装置、旋盤や研削盤等の精密工作機械、及び真円度を測定するための真円度測定器等がある。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）は一般的な従来型の流体軸受装置を示す断面図である。図１（ａ），（ｂ）に示す流体軸受装置１０１は円筒状の軸受本体１０２を備え、この軸受本体１０２の軸心部には軸線方向に延びる軸受孔１０７が形成されている。軸受本体１０２の外周面には単一の流体流入孔１０９が開口し、この流体流入孔１０９は軸受本体１０２内を周方向に延びる流体流路１１１に連通している。流体流路１１１には径方向内側へと延びる複数の流体絞り１１４が連通し、各流体絞り１１４は軸受孔１０７の内周面に開口している。軸受孔１０７には回転機械の回転軸１５０が挿通され、挿通された回転軸１５０の外周面と軸受孔１０７の内周面との間には軸受隙間１０８が設けられる。流体流入孔１０９には、例えば高圧ガスを供給するポンプ等の流体供給源１３５が接続される。
【０００４】
回転機械の運転中には、流体供給源１３５の動作により、高圧且つ定圧の流体が単一の流体流入孔１０９に供給される。流体流入孔１０９に供給された流体は、流体流路１１１及び流体絞り１１４を通じて軸受隙間１０８内に流出し、流出した流体の圧力によって回転軸１５０が支持される。
【０００５】
回転軸１５０の負荷が流体軸受装置１０１に作用すると、回転軸１５０は負荷の作用方向に偏心し、軸受隙間１０８の隙間寸法が負荷側と反負荷側とで変わる。他方、流体絞り１１４から流出する流体の圧力は軸受隙間１０８の隙間寸法に応じて変化し、隙間寸法が小さいときほど流体の圧力が大きくなる。よって、軸受本体１０２においては、負荷側の軸受面と反負荷側の軸受面との間に差圧が生じ、この差圧に応じて負荷容量が与えられる。
【０００６】
かかる流体軸受は、例えば転がり軸受などの機械式軸受に対し、本質的には軸受面における固体接触がないためフレーキングの心配がなく長寿命化が見込まれる点や、軸受摩擦が小さく発熱しにくい点で有利である。その反面、流体軸受の負荷容量は比較的小さく、また、軸受の作動に多量の流体を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０７６６８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Tomohiko ISE et al., “Hydrostatic Asymmetric Journal Gas Bearings for Largely Unbalanced Rotors of Seismic ACROSS Transmitters”, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol. 1, No. 1 (2007), pp. 93-101
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び非特許文献１には、負荷容量を増大させるために、回転軸の外周部のうち反負荷側を部分的に切り欠いてなる非対称軸を備えた軸受構造が開示されている。これにより、反負荷側の軸受隙間が広くなるとともに軸受長さが短くなることにより反負荷側での受圧面積が小さくなるため、負荷側との差圧が大きくなって負荷容量が増大しうる。但し、流体軸受の作動に必要となる流体の流量は、軸受隙間の隙間寸法の３乗に比例し、軸受長さに反比例する。よって、この軸受構造によれば、隙間が大きく長さが短い反負荷側を流れる流体流量が大きくなり、軸受の作動に必要な流体の流量が大きくなる。したがって、この軸受では、流体供給源の大型化及び運転コストの増大を招く。
【００１０】
前述した比例及び反比例の関係のため、流量の低減化には軸受隙間を狭くすることが有効となる。但し、軸受隙間を所望の小さい隙間寸法とするには、要求される加工精度が高くなる。
【００１１】
そこで本発明は、流体軸受の負荷容量を増大し、且つ軸受の作動に必要となる流体の流量を低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、本発明に係る流体軸受は、軸受隙間に供給する流体の圧力で軸の負荷を支持する流体軸受であって、前記軸が挿通される軸受孔と、前記流体軸受の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔と、前記流体軸受内で前記軸受孔を外囲し、前記流体流入孔に連通する流体流路と、前記流体流路を前記軸受孔に連通させる流体絞りと、を有し、前記流体流入孔が複数設けられ、前記流体流路が前記流体流入孔に対応して複数の分割流体流路に仕切られ、前記分割流体流路にはそれぞれ少なくとも１つの前記流体絞りが連通していることを特徴としている。
【００１３】
このような構成とすることにより、軸受隙間の負荷側と反負荷側とに、外部から互いに分離独立した流路を用いて流体を供給することができる。このため、ある流体流入孔に供給する流体の圧力と、他の流体流入孔に供給する流体の圧力とを異ならせるなどして、軸受隙間の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易且つ自在に調整可能となる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、負荷容量の大きい流体軸受装置の提供に資する。同時に、供給圧を反負荷側と負荷側とで互いに独立して調整可能となり、例えば反負荷側の供給圧を負荷側の供給圧に対して低減させることもできる。従って、軸受の作動に必要な流体の流量の低減に資する。また、負荷側と反負荷側とで供給圧を変更可能にしたことで負荷容量の増大及び流量の低減を図っていることから、特別に高い加工精度が要求されることもない。
【００１４】
また、本発明に係る非対称流体供給式流体軸受装置は、前述した流体軸受と、前記流体軸受に流体を供給する流体供給源と、を備え、前記流体供給源が、前記流体軸受に設けられた複数の流体流入孔に、互いに異なる圧力の流体を供給可能に構成されていることを特徴としている。
【００１５】
これにより、軸受隙間の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易且つ自在に調整可能となる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、負荷容量の大きい流体軸受装置を提供することができる。同時に、供給圧を反負荷側と負荷側とで互いに独立して調整可能となり、例えば反負荷側の供給圧を負荷側の供給圧に対して低減させることもできる。従って、軸受の作動に必要な流体の流量を低減することができる。
【００１６】
このとき、負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力が、反負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力よりも大きいことが好ましい。
【００１７】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量に対し負荷容量が線形に変化するようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、同一の偏心量（すなわち偏心率）であらゆる負荷に対応可能な流体軸受を提供することができる。
【００１８】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量が所定の閾値を超えているときに、当該検出される偏心量が大きくなるにしたがって負荷側と反負荷側との圧力差が大きくなるようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、従来よりも安定的に軸の負荷を支持することができる。
【００１９】
また、前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量が一定となるように前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、特に高偏心率領域において、従来よりも安定的に軸の負荷を支持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の本発明によると、負荷側の圧力と反負荷側の圧力との非対称性を大きくすることができ、負荷容量を増大させることができる。また、圧力を自在に変更可能であることにより、軸受の作動に必要となる流体の流量もこれに併せて低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）が従来型の流体軸受の断面図及びそれを備える流体軸受装置の構成図、（ｂ）が図１（ａ）のIb−Ib線に沿って切断して示す断面図である。
【図２】（ａ）が本発明の実施形態に係る流体軸受の断面図及び本発明の実施形態に係る非対称流体供給式流体軸受装置の構成図、（ｂ）が図２（ａ）のIIb−IIb線に沿って切断して示す断面図である。
【図３】流体軸受装置の軸方向圧力分布を模式的に示す説明図であって、（ａ）が図２に示す本発明の実施形態に係る軸方向圧力分布の模式図、（ｂ）が図１に示す従来型に係る軸方向圧力分布の模式図である。
【図４】流体軸受装置における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。
【図５】流体軸受装置における偏心率に対する流量の数値計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化させた場合における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化させた場合における偏心率に対する流量の数値計算結果を示すグラフである。
【図８】偏心率に対して負荷容量を線形に変化させる制御において、偏心率に応じて反負荷側の供給圧の目標値を求めるために参照される制御マップを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
［流体軸受］
図２（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る流体軸受装置１は、非対称流体供給式となっており、この方式を実現するための流体軸受として略円筒形状の軸受本体２を備えている。軸受本体２は金属材料から成形されるが、その材料は特に限定されない。軸受本体２は、軸線方向一側（図２（ａ）左側）の第１軸受半体３と、軸線方向他側（図２（ａ）右側）の第２軸受半体４とを組み付けてなる。より具体的には、第１軸受半体３の軸線方向他側の端面（以下「第１端面５」という）が、第２軸受半体４の軸線方向一側の端面（以下「第２端面６」という）に軸線方向に突き合わされた後、第１軸受半体３が第２軸受半体４にボルト（図示せず）で結合される。
【００２４】
このようにして組付状態とした軸受本体２の軸心部には、軸線方向に延びる断面円形状の軸受孔７が形成される。この軸受孔７に回転機械の回転軸５０が挿通される。なお、本実施形態の回転軸５０は、断面円形状の一般的なものであり、切り欠きを部分的に設けるなどした非対称軸とはなっていない。回転軸５０が軸受孔７に挿通されると、回転軸５０の外周面と軸受孔７の内周面との間に、断面円環形状の軸受隙間８が設けられる。なお、図２では便宜的に軸受隙間８を大きく示している。
【００２５】
流体軸受装置１は、軸受隙間８に流体を供給し、供給した流体の圧力により回転軸５０が発生する負荷Ｗを支持する。他方、負荷Ｗの作用により、回転軸５０の軸線は、軸受孔７の軸線から見て負荷Ｗが作用する方向（図２下方）へと偏心する。回転軸５０が偏心すると、軸受隙間８は、負荷Ｗが作用する側（図２下側，以下「負荷側」という）で狭くなり、その反対側（図２上側，以下「反負荷側」という）で広くなる。このとき、軸受隙間８の負荷側に供給される流体の圧力は、反負荷側に供給される流体の圧力よりも大きくなるが、流体軸受装置１の軸受容量はこの差圧に応じて決まる。なお、軸受隙間８は、軸受本体２の軸線方向両端部で、大気に開放されている。
【００２６】
このような流体軸受装置１の作動のため、第１軸受半体３の第１端面６には溝が形成されており、この溝は、第１端面５を第２端面６に突き合わせたときに第２端面６で閉鎖される。これにより、組付状態とした軸受本体２内には、軸受隙間８に供給される流体を流通させるための流路が構成されることとなる。
【００２７】
当該流路として、軸受本体２の外周面には、外部から流体が流入する第１流体流入孔９及び第２流体流入孔１０が開口している。これら第１及び第２流体流入孔９，１０は、周方向に互いに１８０度離れて配置されている。本実施形態では、第１流体流入孔９が反負荷側に配置され、第２流体流入孔１０が負荷側に配置されている。
【００２８】
軸受本体２内には、第１及び第２流体流入孔９，１０に連通する流体流路１１が形成されている。流体流路１１は、軸受孔７よりも外周側にて断面円環形状に形成されており、軸受孔７を外囲している。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る流体流路１１は、第１軸受半体３の第１端面５に形成された円環形状の溝３ａが第２軸受半体４の第２端面６で閉鎖されることにより構成されている。この構造により、断面円環形状の流体流路１１が軸受本体２内に容易に構成される。
【００３０】
この溝３ａは、周方向に互いに１８０度離れて設けられた２つの仕切部３ｂ，３ｃにより、２つの溝に分割されている。この仕切部３ｂ，３ｃを第１軸受半体３に一体に設けた場合にあっては、これら仕切部３ｂ，３ｃの軸線方向他側の端面が、軸受本体２を組付状態としたときに、第２軸受半体４の第２端面６と突き合わされる。よって、流体流路１１も、これら仕切部３ｂ，３ｃによって２つの流路１２，１３に分割され、これら２つの流路１２，１３が軸受孔７の軸線を中心とする円に沿って周方向に並んで配置されることとなる。２つの流路１２，１３の密封性を確保するため、仕切部３ｂ，３ｃの軸線方向他側の端面と第２軸受半体４の第２端面６との間には、密封要素（図示せず）を設けることが好ましい。これにより、一方の流路を流れる流体が他方の流路に侵入するのを防ぎ、また、一方の流路を流れる流体の圧力が他方の流路を流れる流体の圧力に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００３１】
なお、ここでは、仕切部３ｂ，３ｃを、流体流路１１を構成する溝３ａが形成されている第１軸受半体３と一体に設けるとしたが、溝３ａを閉鎖する側の第２軸受半体４と一体に設けてもよい。この場合、仕切部３ｂ，３ｃは第２端面６から軸線方向一側に部分的に突出するようにして設けられることとなる。このように、仕切部３ｂ，３ｃを軸受本体２（すなわち第１軸受半体３又は第２軸受半体４）と一体に設けると軸受本体２の組立が容易になる。但し、仕切部３ｂ，３ｃは、軸受本体２とは別体の専用の部品から成形されてもよい。
【００３２】
本実施形態においては、仕切部３ｂ，３ｃがそれぞれ、第１及び第２流体流入孔９，１０から見て周方向に９０度離れた位置に設けられている。２つの仕切部３ｂ，３ｃは何れも負荷側と反負荷側との境界部分に配置されており、流体流路１１は、かかる仕切部３ｂ，３ｃによって、反負荷側に位置する流路１２と、負荷側に位置する流路１３とに分割されている。以下では、前者を「第１分割流体流路１２」、後者を「第２分割流体流路１３」という。
【００３３】
なお、図２（ｂ）では、各分割流体流路１２，１３の周方向（円弧方向）中央部に、対応する流体流入孔９，１０が連通している場合を例示している。第１及び第２流体流入孔９，１０は、上記のように位置する第１及び第２分割流体流路１２，１３にそれぞれ連通してれば、周方向に関してどこに設けられていてもよい。
【００３４】
反負荷側の第１分割流体流路１２は、第１流体流入孔９と連通している。第１流体流入孔９は、第１分割流体流路１２から見て径方向外側へと延びている。また、第１分割流体流路１２は、複数の第１流体絞り１４と連通している。これら第１流体絞り１４は、周方向に等間隔をおいて互いに離れて配置されている。第１流体絞り１４はそれぞれ、軸受孔７の内周面に開口し、軸受隙間８の反負荷側に連通している。負荷側の第２分割流体流路１３も、第１分割流体流路１２と同様にして、第２流体流入孔１０及び複数の第２流体絞り１５と連通している。これら第２流体絞り１５はそれぞれ、軸受孔７の内周面に開口し、軸受隙間８の負荷側に連通している。
【００３５】
なお、第１及び第２流体絞り１４，１５は、流体流路１１と同様にして、第１軸受半体３の第１端面５に形成された溝が第２軸受半体４の第２端面６で閉鎖されることにより構成される。これら流体絞り１４，１５に係る溝の深さは流体流路１１に係る溝の深さよりも浅く、これにより流体絞り１４，１５の流路抵抗が流体流路１１の流路抵抗よりも大となる。
【００３６】
上記構成を備える軸受本体２は、２つの流体流入孔９，１０を有し、これら流体流入孔９，１０は、仕切部３ｂ，３ｃにより互いに分離独立している第１分割流体流路１２及び第２分割流体流路１３にそれぞれ連通している。第１分割流体流路１２は第１流体絞り１４を介して軸受隙間８の反負荷側に連通し、第２分割流体流路１３は第２流体絞り１５を介して軸受隙間８の負荷側に連通している。つまり、この軸受本体２によれば、軸受隙間８の負荷側と反負荷側とに、外部から互いに分離独立した流路を用いて流体を供給可能となっている。
【００３７】
このため、第１流体流入孔９に供給する流体の圧力と、第２流体流入孔１０に供給する流体の圧力とを異ならせるなどして、軸受隙間８の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易に調整可能になる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、この軸受本体２は負荷容量の大きい流体軸受装置１の提供に資する。
【００３８】
さらに、この軸受本体２によれば、流体流入孔を追加し、且つ流体流路を構成する溝に仕切部を設け、これにより負荷側と反負荷側とで供給圧を非対称に変更可能として負荷容量の増大及び流量の低減を図っている。このため、この目的を達成するために、軸受隙間の隙間寸法を極めて小さくした場合と比べて、特別に高い加工精度が要求されることもなく、製造コストが増大するのを抑えることができる。更に、回転軸５０を断面円形状の一般的なものとしても、負荷容量の増大を図ることができる。
【００３９】
［非対称流体供給式流体軸受装置］
次に、この作用を具体的に実現するための構成について説明する。図２（ａ）に示すように、前述した軸受本体２を備える流体軸受装置１には、第１圧力調整器３１及び第２圧力調整器３２と、制御装置３３と、偏心量検出器３４と、流体供給源３５とが更に備えられる。
【００４０】
第１圧力調整器３１は第１流体流入孔９と接続され、第２圧力調整器３２は第２流体流入孔１０と接続されている。第１及び第２圧力調整器３１，３２は、流体供給源３５から圧送された高圧流体を調圧する。流体供給源３５は単一であっても複数であってもよいが、各圧力調整器３１，３２は互いに独立して動作可能であり、送られてきた流体の圧力を互いに異なる圧力に調整することができる構成となっている。これにより、第１流体流入孔９には、第１圧力調整器３１で調整された第１供給圧Ｐs1の流体が流入し、第２流体流入孔１０には、第２圧力調整器３２で調整された第２供給圧Ｐs2の流体が流入する。
【００４１】
偏心量検出器３４は、回転軸５０の軸線の軸受孔７の軸線に対する偏心量ｅを検出する。制御装置３３の入力側にはこの偏心量検出器３４が接続され、出力側には上記第１及び第２圧力調整器３１，３２が接続されている。制御装置３３は、偏心量検出器３４により検出された偏心量ｅに基づいて第１及び第２圧力調整器３１，３２の動作を制御することができ、これにより第１供給圧Ｐs1及び第２供給圧Ｐs2の値が互いに独立して調整されうる。
【００４２】
第１供給圧Ｐs1に設定された流体は、第１流入孔９、第１分割流体流路１２及び第１流体絞り１４を介して軸受隙間８の反負荷側に供給される。第２供給圧Ｐs2に設定された流体は、第２流入孔１０、第２分割流体流路１３及び第２流体絞り１５を介して軸受隙間８の負荷側に供給される。
【００４３】
［流体軸受装置の効果（従来比）］
図３は流体軸受装置における負荷側及び反負荷側それぞれの軸方向圧力分布の模式図であり、（ａ）には本実施形態に係る分布、（ｂ）には一般的な従来型に係る分布をそれぞれ模式的に示している。
【００４４】
図３（ａ）及び（ｂ）を参照すると、回転軸が軸受に対し負荷を発生すると、軸受隙間８の負荷側が狭くなる一方で反負荷側が広くなるため、負荷側の圧力が反負荷側の圧力よりも大きくなる。図３（ａ）には、第１供給圧Ｐs1を第２供給圧Ｐs2よりも小さくした場合を示している。反負荷側に供給する流体の圧力を、負荷側に供給する流体の圧力よりも予め小さくしておけば、負荷側の圧力を維持した上で、反負荷側の圧力を更に低下させることができる。したがって、負荷側と反負荷側との間の差圧を大きくすることができる。
【００４５】
図４は、偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。ここで、偏心率は、回転軸５０の偏心量ｅを軸受隙間８の隙間寸法で除することにより求められる。この隙間寸法は、反負荷側の隙間寸法Ｃr1と負荷側の隙間寸法Ｃr2との和であって、軸受孔７の直径から回転軸５０の直径を減じることによっても求められる。偏心量ｅは負荷Ｗに応じて変化しうるが、隙間寸法は軸受孔７及び回転軸５０の設計寸法が決まれば定数として扱うことができる。
【００４６】
なお、数値計算には、ダイバージェンス・フォーミュレーション法（divergence formulation method）が用いられている。計算モデルは非特許文献１に開示の計算モデル（特に96−98頁，Fig. 6参照）に準拠しており、ここではその詳細説明を省略する。計算緒元は、軸受長さ：120mm，軸受直径：60mm，隙間寸法：30μmである。更に、本実施形態では、反負荷側の供給圧が0.4MPa(gauge)、負荷側の供給圧が0.8MPa(gauge)であり、従来型では、供給圧が0.8MPa(gauge)である。なお、作動流体は空気としている。
【００４７】
図４から、本実施形態の負荷容量は、偏心率の大小に関わらず、従来型に比べて大きくなることがわかる。これは、図３に示したように、負荷側と反負荷側との間の差圧を大きくしたことにより得られる効果である。また、図４に示す曲線の傾きは軸受の剛性を表している。２つの曲線が互いに同様の傾きを示しているため、本実施形態に係る流体軸受の剛性は従来型と同程度であり、剛性の低下は認められない。
【００４８】
図５は、偏心率に対する流量の数値計算結果を示している。なお、計算法、計算緒元及び作動流体は、図４に示したものと同様である。図５に示すように、本実施形態の流量は、偏心率の大小に関わらず、従来型に比べて大きく低減することがわかる。偏心率が任意のある値において、本実施形態の軸受隙間の反負荷側に供給される流体の圧力は従来型と比べて小さいことから、反負荷側に供給された流体の圧力と軸受隙間の出口圧力（例えば大気圧）との差についても本実施形態のほうが小さくなる。これにより、本実施形態においては、軸受の作動に必要となる流体の流量が、従来型に比べて低減する。
【００４９】
［流体軸受装置の効果（供給圧感度解析）］
図６は、本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化した場合における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示している。なお、計算法及び作動流体は図４に示したものと同様であり、計算緒元についても反負荷側の供給圧を除いて図４に示したものと同様である。負荷側の供給圧は0.8MPa(gauge)で固定し、反負荷側の供給圧は0.8MPa(gauge)から0.2MPa(gauge)までの範囲内で0.2MPa(gauge)間隔で変化させる。図６に示すように、反負荷側の供給圧が小さくなるほど、すなわち、負荷側と反負荷側とで供給圧の非対称性が大きくなるほど、負荷容量が増加することがわかる。
【００５０】
図７は、本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化した場合における偏心率に対する流量の数値計算結果を示している。なお、計算法、計算緒元及び作動流体は図６に示したものと同様である。図７に示すように、反負荷側の供給圧が小さくなるほど、すなわち、負荷側と反負荷側とで供給圧の非対称性が大きくなるほど、軸受の作動に必要となる流体の流量が低減することがわかる。
【００５１】
このように、本実施形態に係る流体軸受装置によれば、反負荷側に供給される流体の圧力を、負荷側に供給される流体の圧力よりも小さくすることにより、負荷容量が増大する。これにより、従来よりも大きい負荷を支持することができ、軸受の汎用性が高くなる。また、反負荷側に供給される流体の圧力を、負荷側に供給される流体の圧力よりも小さくすることにより、軸受の作動に必要となる流体の流量を低減することができる。これにより、軸受の運転コストを抑えることができる。
【００５２】
なお、反負荷側の供給圧を０Pa(gauge)に設定すると、負荷容量を更に増加させることができ、且つ流量を更に低減させることができる。但し、反負荷側の供給圧の最小値を０Pa(gauge)を超えた所定値とすると、不意に回転軸に反負荷側に向けて外力が作用するようなことがあっても回転軸の外周面と軸受孔の内周面との固体接触を避けることができ、軸受の保護性が確保される。
【００５３】
［非対称流体供給式流体軸受装置における偏心率に応じた供給圧制御］
ここで、図６を参照すると、偏心率が０から所定値（０．６程度）に至るまでの間は負荷容量が略線形で変化するが、偏心率がこの所定値を超えて大きくなると、負荷容量の変化率が低下する。このため、一般に流体軸受においては、高偏心率領域での安定的な負荷支持が難しく、軸受が損傷するおそれが高まるという技術的課題がある。他方、本実施形態では、負荷側の圧力と反負荷側の圧力との非対称性を自在に変化させることができるため、これに対応することが可能である。
【００５４】
つまり、この流体軸受装置１の制御装置３３の記憶領域には、図６の破線で示すように負荷容量を偏心率に対して線形に変化させるようにするため、図８の破線に例示するように偏心率に応じて反負荷側の供給圧の目標値を求めるためのマップが予め記憶される。図示するマップは、偏心率が０から０．８まで変化する間に負荷容量を０から１４００[Ｎ]まで線形に変化させるとする際に利用され得るものであって、単なる一例に過ぎず、所望する負荷容量の増加率が変更されればそれに応じてこのマップも適宜変更される。なお、図８の実線は、破線の推移の特異性を明示すべく、負荷容量が図６の実線に示すように推移する際における反負荷側の供給圧と偏心率との関係を確認的に示したものである。
【００５５】
図８を参照すると、負荷容量を偏心率に対して線形に変化させるため、偏心率が大きくなるほど、反負荷側の供給圧の目標値が減少している。特に、反負荷側の供給圧を一定とした場合に負荷容量の増加率の減少が顕著に現れる高偏心率領域においては、偏心率が大きくなるほど反負荷側の供給圧の目標値を大きく減少させるようにしている（すなわち、目標値の減少率を大きくしている）。
【００５６】
制御装置３３は、このようにして設定される供給圧の目標値に応じて第１圧力調整器３１の動作を制御する。これにより、この流体軸受装置１においては、偏心率の大小に関わらず、偏心率に対して負荷容量が線形に変化する。したがって、従来、安定動作が困難であった高偏心率領域においても、安定して負荷を支持することができるようになる。
【００５７】
なお、図８には、負荷側の供給圧を固定し、反負荷側の供給圧のみを変化させることで偏心率に対する負荷容量の線形性を確保する場合に用いるマップを例示している。他方、本実施形態の流体軸受装置１は、負荷側の供給圧を変化させることもできる。このため、同様の作用効果を得るために、反負荷側の供給圧に替えて、あるいはそれに加えて、負荷側の供給圧を偏心率に応じて変更する制御を行ってもよい。
【００５８】
また、従来型の流体軸受装置においては、回転軸の負荷が変動すると、偏心量（すなわち偏心率）が変更して負荷容量が変更し、これにより負荷の変動を吸収して回転軸の負荷を支持した状態を維持する。これは、本実施形態のように負荷側の供給圧を反負荷側の供給圧と異ならせることができる軸受であっても、これら供給圧をそれぞれ一定値としていれば、同様の作動を示す。他方、図６の矢印を参照すると、本実施形態に係る流体軸受装置においては、偏心率が任意のある値である場合において、反負荷側の供給圧を低下させて負荷側の供給圧との非対称性を大きくすればするほど、負荷容量が増大する。
【００５９】
従って、本実施形態の制御装置３３は、偏心量検出器３４からの入力に基づいて偏心率の変化を測定し、偏心率が一定の値をとるように負荷側及び／又は反負荷側の供給圧を変化させるよう第１圧力調整器３１及び／又は第２圧力調整器３２の動作を制御する構成であってもよい。すなわち、制御装置３３は、反負荷側の供給圧と負荷側の供給圧との非対称性を変更する制御を通じて、偏心率を一定とするフィードバック制御を実行する構成であってもよい。この場合、負荷が増大して偏心率が大きくなる傾向にあるときには、供給圧の非対称性が大きくなるよう圧力調整器３１，３２を制御し、負荷Ｗが減少して偏心率が小さくなる傾向にあるときには、供給圧の非対称性が小さくなるよう圧力調整器３１，３２を制御するとよい。これにより、同一の偏心率であらゆる負荷に対応可能な流体軸受を提供することができる。
【００６０】
これまで、本発明の実施形態について説明したが、上記構成は一例に過ぎず、本発明の範囲内で適宜変更可能である。特に、上記実施形態においては、流体流入孔の個数及びこれに対応する流体流路の分割数を２つとしたが、この数は複数であればよく特に限定されない。また、作動流体も、空気に限らず、オイル等の液体であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、負荷容量が増大し、且つ軸受の作動に必要な流体の流量が低減するという作用効果を奏し、例えば振動発生装置、精密工作機械及び真円度測定器等、流体軸受を適用しうる種々の回転機械に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ 流体軸受装置
２ 軸受本体（流体軸受）
７ 軸受孔
８ 軸受隙間
９，１０ 流体流入孔
１１ 流体流路
１２，１３ 分割流体流路
１４，１５ 流体絞り
３１，３２ 圧力調整器
３３ 制御装置
３４ 偏心量検出器
３５ 流体供給源
５０ 回転軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受隙間に供給する流体の圧力により軸の負荷を支持する流体軸受、及びそれを備えた流体軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械の軸を低摩擦及び高精度で支持する軸受に、いわゆる流体軸受が用いられている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。流体軸受が適用される回転機械として、地中で人工的に弾性波を発生する精密制御定常震源装置等の振動発生装置、旋盤や研削盤等の精密工作機械、及び真円度を測定するための真円度測定器等がある。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）は一般的な従来型の流体軸受装置を示す断面図である。図１（ａ），（ｂ）に示す流体軸受装置１０１は円筒状の軸受本体１０２を備え、この軸受本体１０２の軸心部には軸線方向に延びる軸受孔１０７が形成されている。軸受本体１０２の外周面には単一の流体流入孔１０９が開口し、この流体流入孔１０９は軸受本体１０２内を周方向に延びる流体流路１１１に連通している。流体流路１１１には径方向内側へと延びる複数の流体絞り１１４が連通し、各流体絞り１１４は軸受孔１０７の内周面に開口している。軸受孔１０７には回転機械の回転軸１５０が挿通され、挿通された回転軸１５０の外周面と軸受孔１０７の内周面との間には軸受隙間１０８が設けられる。流体流入孔１０９には、例えば高圧ガスを供給するポンプ等の流体供給源１３５が接続される。
【０００４】
回転機械の運転中には、流体供給源１３５の動作により、高圧且つ定圧の流体が単一の流体流入孔１０９に供給される。流体流入孔１０９に供給された流体は、流体流路１１１及び流体絞り１１４を通じて軸受隙間１０８内に流出し、流出した流体の圧力によって回転軸１５０が支持される。
【０００５】
回転軸１５０の負荷が流体軸受装置１０１に作用すると、回転軸１５０は負荷の作用方向に偏心し、軸受隙間１０８の隙間寸法が負荷側と反負荷側とで変わる。他方、流体絞り１１４から流出する流体の圧力は軸受隙間１０８の隙間寸法に応じて変化し、隙間寸法が小さいときほど流体の圧力が大きくなる。よって、軸受本体１０２においては、負荷側の軸受面と反負荷側の軸受面との間に差圧が生じ、この差圧に応じて負荷容量が与えられる。
【０００６】
かかる流体軸受は、例えば転がり軸受などの機械式軸受に対し、本質的には軸受面における固体接触がないためフレーキングの心配がなく長寿命化が見込まれる点や、軸受摩擦が小さく発熱しにくい点で有利である。その反面、流体軸受の負荷容量は比較的小さく、また、軸受の作動に多量の流体を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０７６６８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Tomohiko ISE et al., “Hydrostatic Asymmetric Journal Gas Bearings for Largely Unbalanced Rotors of Seismic ACROSS Transmitters”, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol. 1, No. 1 (2007), pp. 93-101
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び非特許文献１には、負荷容量を増大させるために、回転軸の外周部のうち反負荷側を部分的に切り欠いてなる非対称軸を備えた軸受構造が開示されている。これにより、反負荷側の軸受隙間が広くなるとともに軸受長さが短くなることにより反負荷側での受圧面積が小さくなるため、負荷側との差圧が大きくなって負荷容量が増大しうる。但し、流体軸受の作動に必要となる流体の流量は、軸受隙間の隙間寸法の３乗に比例し、軸受長さに反比例する。よって、この軸受構造によれば、隙間が大きく長さが短い反負荷側を流れる流体流量が大きくなり、軸受の作動に必要な流体の流量が大きくなる。したがって、この軸受では、流体供給源の大型化及び運転コストの増大を招く。
【００１０】
前述した比例及び反比例の関係のため、流量の低減化には軸受隙間を狭くすることが有効となる。但し、軸受隙間を所望の小さい隙間寸法とするには、要求される加工精度が高くなる。
【００１１】
そこで本発明は、流体軸受の負荷容量を増大し、且つ軸受の作動に必要となる流体の流量を低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、本発明に係る流体軸受は、軸受隙間に供給する流体の圧力で軸の負荷を支持する流体軸受であって、前記軸が挿通される軸受孔と、前記流体軸受の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔と、前記流体軸受内で前記軸受孔を外囲し、前記流体流入孔に連通する流体流路と、前記流体流路を前記軸受孔に連通させる流体絞りと、を有し、前記流体流入孔が複数設けられ、前記流体流路が前記流体流入孔に対応して複数の分割流体流路に仕切られ、前記分割流体流路にはそれぞれ少なくとも１つの前記流体絞りが連通していることを特徴としている。
【００１３】
このような構成とすることにより、軸受隙間の負荷側と反負荷側とに、外部から互いに分離独立した流路を用いて流体を供給することができる。このため、ある流体流入孔に供給する流体の圧力と、他の流体流入孔に供給する流体の圧力とを異ならせるなどして、軸受隙間の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易且つ自在に調整可能となる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、負荷容量の大きい流体軸受装置の提供に資する。同時に、供給圧を反負荷側と負荷側とで互いに独立して調整可能となり、例えば反負荷側の供給圧を負荷側の供給圧に対して低減させることもできる。従って、軸受の作動に必要な流体の流量の低減に資する。また、負荷側と反負荷側とで供給圧を変更可能にしたことで負荷容量の増大及び流量の低減を図っていることから、特別に高い加工精度が要求されることもない。
【００１４】
また、本発明に係る非対称流体供給式流体軸受装置は、前述した流体軸受と、前記流体軸受に流体を供給する流体供給源と、を備え、前記流体供給源が、前記流体軸受に設けられた複数の流体流入孔に、互いに異なる圧力の流体を供給可能に構成されていることを特徴としている。
【００１５】
これにより、軸受隙間の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易且つ自在に調整可能となる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、負荷容量の大きい流体軸受装置を提供することができる。同時に、供給圧を反負荷側と負荷側とで互いに独立して調整可能となり、例えば反負荷側の供給圧を負荷側の供給圧に対して低減させることもできる。従って、軸受の作動に必要な流体の流量を低減することができる。
【００１６】
このとき、負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力が、反負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力よりも大きいことが好ましい。
【００１７】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量に対し負荷容量が線形に変化するようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、同一の偏心量（すなわち偏心率）であらゆる負荷に対応可能な流体軸受を提供することができる。
【００１８】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量が所定の閾値を超えているときに、当該検出される偏心量が大きくなるにしたがって負荷側と反負荷側との圧力差が大きくなるようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、従来よりも安定的に軸の負荷を支持することができる。
【００１９】
また、前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量が一定となるように前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御してもよい。これにより、特に高偏心率領域において、従来よりも安定的に軸の負荷を支持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の本発明によると、負荷側の圧力と反負荷側の圧力との非対称性を大きくすることができ、負荷容量を増大させることができる。また、圧力を自在に変更可能であることにより、軸受の作動に必要となる流体の流量もこれに併せて低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）が従来型の流体軸受の断面図及びそれを備える流体軸受装置の構成図、（ｂ）が図１（ａ）のIb−Ib線に沿って切断して示す断面図である。
【図２】（ａ）が本発明の実施形態に係る流体軸受の断面図及び本発明の実施形態に係る非対称流体供給式流体軸受装置の構成図、（ｂ）が図２（ａ）のIIb−IIb線に沿って切断して示す断面図である。
【図３】流体軸受装置の軸方向圧力分布を模式的に示す説明図であって、（ａ）が図２に示す本発明の実施形態に係る軸方向圧力分布の模式図、（ｂ）が図１に示す従来型に係る軸方向圧力分布の模式図である。
【図４】流体軸受装置における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。
【図５】流体軸受装置における偏心率に対する流量の数値計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化させた場合における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化させた場合における偏心率に対する流量の数値計算結果を示すグラフである。
【図８】偏心率に対して負荷容量を線形に変化させる制御において、偏心率に応じて反負荷側の供給圧の目標値を求めるために参照される制御マップを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
［流体軸受］
図２（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る流体軸受装置１は、非対称流体供給式となっており、この方式を実現するための流体軸受として略円筒形状の軸受本体２を備えている。軸受本体２は金属材料から成形されるが、その材料は特に限定されない。軸受本体２は、軸線方向一側（図２（ａ）左側）の第１軸受半体３と、軸線方向他側（図２（ａ）右側）の第２軸受半体４とを組み付けてなる。より具体的には、第１軸受半体３の軸線方向他側の端面（以下「第１端面５」という）が、第２軸受半体４の軸線方向一側の端面（以下「第２端面６」という）に軸線方向に突き合わされた後、第１軸受半体３が第２軸受半体４にボルト（図示せず）で結合される。
【００２４】
このようにして組付状態とした軸受本体２の軸心部には、軸線方向に延びる断面円形状の軸受孔７が形成される。この軸受孔７に回転機械の回転軸５０が挿通される。なお、本実施形態の回転軸５０は、断面円形状の一般的なものであり、切り欠きを部分的に設けるなどした非対称軸とはなっていない。回転軸５０が軸受孔７に挿通されると、回転軸５０の外周面と軸受孔７の内周面との間に、断面円環形状の軸受隙間８が設けられる。なお、図２では便宜的に軸受隙間８を大きく示している。
【００２５】
流体軸受装置１は、軸受隙間８に流体を供給し、供給した流体の圧力により回転軸５０が発生する負荷Ｗを支持する。他方、負荷Ｗの作用により、回転軸５０の軸線は、軸受孔７の軸線から見て負荷Ｗが作用する方向（図２下方）へと偏心する。回転軸５０が偏心すると、軸受隙間８は、負荷Ｗが作用する側（図２下側，以下「負荷側」という）で狭くなり、その反対側（図２上側，以下「反負荷側」という）で広くなる。このとき、軸受隙間８の負荷側に供給される流体の圧力は、反負荷側に供給される流体の圧力よりも大きくなるが、流体軸受装置１の軸受容量はこの差圧に応じて決まる。なお、軸受隙間８は、軸受本体２の軸線方向両端部で、大気に開放されている。
【００２６】
このような流体軸受装置１の作動のため、第１軸受半体３の第１端面６には溝が形成されており、この溝は、第１端面５を第２端面６に突き合わせたときに第２端面６で閉鎖される。これにより、組付状態とした軸受本体２内には、軸受隙間８に供給される流体を流通させるための流路が構成されることとなる。
【００２７】
当該流路として、軸受本体２の外周面には、外部から流体が流入する第１流体流入孔９及び第２流体流入孔１０が開口している。これら第１及び第２流体流入孔９，１０は、周方向に互いに１８０度離れて配置されている。本実施形態では、第１流体流入孔９が反負荷側に配置され、第２流体流入孔１０が負荷側に配置されている。
【００２８】
軸受本体２内には、第１及び第２流体流入孔９，１０に連通する流体流路１１が形成されている。流体流路１１は、軸受孔７よりも外周側にて断面円環形状に形成されており、軸受孔７を外囲している。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る流体流路１１は、第１軸受半体３の第１端面５に形成された円環形状の溝３ａが第２軸受半体４の第２端面６で閉鎖されることにより構成されている。この構造により、断面円環形状の流体流路１１が軸受本体２内に容易に構成される。
【００３０】
この溝３ａは、周方向に互いに１８０度離れて設けられた２つの仕切部３ｂ，３ｃにより、２つの溝に分割されている。この仕切部３ｂ，３ｃを第１軸受半体３に一体に設けた場合にあっては、これら仕切部３ｂ，３ｃの軸線方向他側の端面が、軸受本体２を組付状態としたときに、第２軸受半体４の第２端面６と突き合わされる。よって、流体流路１１も、これら仕切部３ｂ，３ｃによって２つの流路１２，１３に分割され、これら２つの流路１２，１３が軸受孔７の軸線を中心とする円に沿って周方向に並んで配置されることとなる。２つの流路１２，１３の密封性を確保するため、仕切部３ｂ，３ｃの軸線方向他側の端面と第２軸受半体４の第２端面６との間には、密封要素（図示せず）を設けることが好ましい。これにより、一方の流路を流れる流体が他方の流路に侵入するのを防ぎ、また、一方の流路を流れる流体の圧力が他方の流路を流れる流体の圧力に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００３１】
なお、ここでは、仕切部３ｂ，３ｃを、流体流路１１を構成する溝３ａが形成されている第１軸受半体３と一体に設けるとしたが、溝３ａを閉鎖する側の第２軸受半体４と一体に設けてもよい。この場合、仕切部３ｂ，３ｃは第２端面６から軸線方向一側に部分的に突出するようにして設けられることとなる。このように、仕切部３ｂ，３ｃを軸受本体２（すなわち第１軸受半体３又は第２軸受半体４）と一体に設けると軸受本体２の組立が容易になる。但し、仕切部３ｂ，３ｃは、軸受本体２とは別体の専用の部品から成形されてもよい。
【００３２】
本実施形態においては、仕切部３ｂ，３ｃがそれぞれ、第１及び第２流体流入孔９，１０から見て周方向に９０度離れた位置に設けられている。２つの仕切部３ｂ，３ｃは何れも負荷側と反負荷側との境界部分に配置されており、流体流路１１は、かかる仕切部３ｂ，３ｃによって、反負荷側に位置する流路１２と、負荷側に位置する流路１３とに分割されている。以下では、前者を「第１分割流体流路１２」、後者を「第２分割流体流路１３」という。
【００３３】
なお、図２（ｂ）では、各分割流体流路１２，１３の周方向（円弧方向）中央部に、対応する流体流入孔９，１０が連通している場合を例示している。第１及び第２流体流入孔９，１０は、上記のように位置する第１及び第２分割流体流路１２，１３にそれぞれ連通してれば、周方向に関してどこに設けられていてもよい。
【００３４】
反負荷側の第１分割流体流路１２は、第１流体流入孔９と連通している。第１流体流入孔９は、第１分割流体流路１２から見て径方向外側へと延びている。また、第１分割流体流路１２は、複数の第１流体絞り１４と連通している。これら第１流体絞り１４は、周方向に等間隔をおいて互いに離れて配置されている。第１流体絞り１４はそれぞれ、軸受孔７の内周面に開口し、軸受隙間８の反負荷側に連通している。負荷側の第２分割流体流路１３も、第１分割流体流路１２と同様にして、第２流体流入孔１０及び複数の第２流体絞り１５と連通している。これら第２流体絞り１５はそれぞれ、軸受孔７の内周面に開口し、軸受隙間８の負荷側に連通している。
【００３５】
なお、第１及び第２流体絞り１４，１５は、流体流路１１と同様にして、第１軸受半体３の第１端面５に形成された溝が第２軸受半体４の第２端面６で閉鎖されることにより構成される。これら流体絞り１４，１５に係る溝の深さは流体流路１１に係る溝の深さよりも浅く、これにより流体絞り１４，１５の流路抵抗が流体流路１１の流路抵抗よりも大となる。
【００３６】
上記構成を備える軸受本体２は、２つの流体流入孔９，１０を有し、これら流体流入孔９，１０は、仕切部３ｂ，３ｃにより互いに分離独立している第１分割流体流路１２及び第２分割流体流路１３にそれぞれ連通している。第１分割流体流路１２は第１流体絞り１４を介して軸受隙間８の反負荷側に連通し、第２分割流体流路１３は第２流体絞り１５を介して軸受隙間８の負荷側に連通している。つまり、この軸受本体２によれば、軸受隙間８の負荷側と反負荷側とに、外部から互いに分離独立した流路を用いて流体を供給可能となっている。
【００３７】
このため、第１流体流入孔９に供給する流体の圧力と、第２流体流入孔１０に供給する流体の圧力とを異ならせるなどして、軸受隙間８の負荷側の圧力と反負荷側の圧力とを容易に調整可能になる。従って、これら圧力の差も容易に大きくすることが可能となり、この軸受本体２は負荷容量の大きい流体軸受装置１の提供に資する。
【００３８】
さらに、この軸受本体２によれば、流体流入孔を追加し、且つ流体流路を構成する溝に仕切部を設け、これにより負荷側と反負荷側とで供給圧を非対称に変更可能として負荷容量の増大及び流量の低減を図っている。このため、この目的を達成するために、軸受隙間の隙間寸法を極めて小さくした場合と比べて、特別に高い加工精度が要求されることもなく、製造コストが増大するのを抑えることができる。更に、回転軸５０を断面円形状の一般的なものとしても、負荷容量の増大を図ることができる。
【００３９】
［非対称流体供給式流体軸受装置］
次に、この作用を具体的に実現するための構成について説明する。図２（ａ）に示すように、前述した軸受本体２を備える流体軸受装置１には、第１圧力調整器３１及び第２圧力調整器３２と、制御装置３３と、偏心量検出器３４と、流体供給源３５とが更に備えられる。
【００４０】
第１圧力調整器３１は第１流体流入孔９と接続され、第２圧力調整器３２は第２流体流入孔１０と接続されている。第１及び第２圧力調整器３１，３２は、流体供給源３５から圧送された高圧流体を調圧する。流体供給源３５は単一であっても複数であってもよいが、各圧力調整器３１，３２は互いに独立して動作可能であり、送られてきた流体の圧力を互いに異なる圧力に調整することができる構成となっている。これにより、第１流体流入孔９には、第１圧力調整器３１で調整された第１供給圧Ｐs1の流体が流入し、第２流体流入孔１０には、第２圧力調整器３２で調整された第２供給圧Ｐs2の流体が流入する。
【００４１】
偏心量検出器３４は、回転軸５０の軸線の軸受孔７の軸線に対する偏心量ｅを検出する。制御装置３３の入力側にはこの偏心量検出器３４が接続され、出力側には上記第１及び第２圧力調整器３１，３２が接続されている。制御装置３３は、偏心量検出器３４により検出された偏心量ｅに基づいて第１及び第２圧力調整器３１，３２の動作を制御することができ、これにより第１供給圧Ｐs1及び第２供給圧Ｐs2の値が互いに独立して調整されうる。
【００４２】
第１供給圧Ｐs1に設定された流体は、第１流入孔９、第１分割流体流路１２及び第１流体絞り１４を介して軸受隙間８の反負荷側に供給される。第２供給圧Ｐs2に設定された流体は、第２流入孔１０、第２分割流体流路１３及び第２流体絞り１５を介して軸受隙間８の負荷側に供給される。
【００４３】
［流体軸受装置の効果（従来比）］
図３は流体軸受装置における負荷側及び反負荷側それぞれの軸方向圧力分布の模式図であり、（ａ）には本実施形態に係る分布、（ｂ）には一般的な従来型に係る分布をそれぞれ模式的に示している。
【００４４】
図３（ａ）及び（ｂ）を参照すると、回転軸が軸受に対し負荷を発生すると、軸受隙間８の負荷側が狭くなる一方で反負荷側が広くなるため、負荷側の圧力が反負荷側の圧力よりも大きくなる。図３（ａ）には、第１供給圧Ｐs1を第２供給圧Ｐs2よりも小さくした場合を示している。反負荷側に供給する流体の圧力を、負荷側に供給する流体の圧力よりも予め小さくしておけば、負荷側の圧力を維持した上で、反負荷側の圧力を更に低下させることができる。したがって、負荷側と反負荷側との間の差圧を大きくすることができる。
【００４５】
図４は、偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示すグラフである。ここで、偏心率は、回転軸５０の偏心量ｅを軸受隙間８の隙間寸法で除することにより求められる。この隙間寸法は、反負荷側の隙間寸法Ｃr1と負荷側の隙間寸法Ｃr2との和であって、軸受孔７の直径から回転軸５０の直径を減じることによっても求められる。偏心量ｅは負荷Ｗに応じて変化しうるが、隙間寸法は軸受孔７及び回転軸５０の設計寸法が決まれば定数として扱うことができる。
【００４６】
なお、数値計算には、ダイバージェンス・フォーミュレーション法（divergence formulation method）が用いられている。計算モデルは非特許文献１に開示の計算モデル（特に96−98頁，Fig. 6参照）に準拠しており、ここではその詳細説明を省略する。計算緒元は、軸受長さ：120mm，軸受直径：60mm，隙間寸法：30μmである。更に、本実施形態では、反負荷側の供給圧が0.4MPa(gauge)、負荷側の供給圧が0.8MPa(gauge)であり、従来型では、供給圧が0.8MPa(gauge)である。なお、作動流体は空気としている。
【００４７】
図４から、本実施形態の負荷容量は、偏心率の大小に関わらず、従来型に比べて大きくなることがわかる。これは、図３に示したように、負荷側と反負荷側との間の差圧を大きくしたことにより得られる効果である。また、図４に示す曲線の傾きは軸受の剛性を表している。２つの曲線が互いに同様の傾きを示しているため、本実施形態に係る流体軸受の剛性は従来型と同程度であり、剛性の低下は認められない。
【００４８】
図５は、偏心率に対する流量の数値計算結果を示している。なお、計算法、計算緒元及び作動流体は、図４に示したものと同様である。図５に示すように、本実施形態の流量は、偏心率の大小に関わらず、従来型に比べて大きく低減することがわかる。偏心率が任意のある値において、本実施形態の軸受隙間の反負荷側に供給される流体の圧力は従来型と比べて小さいことから、反負荷側に供給された流体の圧力と軸受隙間の出口圧力（例えば大気圧）との差についても本実施形態のほうが小さくなる。これにより、本実施形態においては、軸受の作動に必要となる流体の流量が、従来型に比べて低減する。
【００４９】
［流体軸受装置の効果（供給圧感度解析）］
図６は、本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化した場合における偏心率に対する負荷容量の数値計算結果を示している。なお、計算法及び作動流体は図４に示したものと同様であり、計算緒元についても反負荷側の供給圧を除いて図４に示したものと同様である。負荷側の供給圧は0.8MPa(gauge)で固定し、反負荷側の供給圧は0.8MPa(gauge)から0.2MPa(gauge)までの範囲内で0.2MPa(gauge)間隔で変化させる。図６に示すように、反負荷側の供給圧が小さくなるほど、すなわち、負荷側と反負荷側とで供給圧の非対称性が大きくなるほど、負荷容量が増加することがわかる。
【００５０】
図７は、本発明に係る流体軸受装置において、反負荷側の供給圧を変化した場合における偏心率に対する流量の数値計算結果を示している。なお、計算法、計算緒元及び作動流体は図６に示したものと同様である。図７に示すように、反負荷側の供給圧が小さくなるほど、すなわち、負荷側と反負荷側とで供給圧の非対称性が大きくなるほど、軸受の作動に必要となる流体の流量が低減することがわかる。
【００５１】
このように、本実施形態に係る流体軸受装置によれば、反負荷側に供給される流体の圧力を、負荷側に供給される流体の圧力よりも小さくすることにより、負荷容量が増大する。これにより、従来よりも大きい負荷を支持することができ、軸受の汎用性が高くなる。また、反負荷側に供給される流体の圧力を、負荷側に供給される流体の圧力よりも小さくすることにより、軸受の作動に必要となる流体の流量を低減することができる。これにより、軸受の運転コストを抑えることができる。
【００５２】
なお、反負荷側の供給圧を０Pa(gauge)に設定すると、負荷容量を更に増加させることができ、且つ流量を更に低減させることができる。但し、反負荷側の供給圧の最小値を０Pa(gauge)を超えた所定値とすると、不意に回転軸に反負荷側に向けて外力が作用するようなことがあっても回転軸の外周面と軸受孔の内周面との固体接触を避けることができ、軸受の保護性が確保される。
【００５３】
［非対称流体供給式流体軸受装置における偏心率に応じた供給圧制御］
ここで、図６を参照すると、偏心率が０から所定値（０．６程度）に至るまでの間は負荷容量が略線形で変化するが、偏心率がこの所定値を超えて大きくなると、負荷容量の変化率が低下する。このため、一般に流体軸受においては、高偏心率領域での安定的な負荷支持が難しく、軸受が損傷するおそれが高まるという技術的課題がある。他方、本実施形態では、負荷側の圧力と反負荷側の圧力との非対称性を自在に変化させることができるため、これに対応することが可能である。
【００５４】
つまり、この流体軸受装置１の制御装置３３の記憶領域には、図６の破線で示すように負荷容量を偏心率に対して線形に変化させるようにするため、図８の破線に例示するように偏心率に応じて反負荷側の供給圧の目標値を求めるためのマップが予め記憶される。図示するマップは、偏心率が０から０．８まで変化する間に負荷容量を０から１４００[Ｎ]まで線形に変化させるとする際に利用され得るものであって、単なる一例に過ぎず、所望する負荷容量の増加率が変更されればそれに応じてこのマップも適宜変更される。なお、図８の実線は、破線の推移の特異性を明示すべく、負荷容量が図６の実線に示すように推移する際における反負荷側の供給圧と偏心率との関係を確認的に示したものである。
【００５５】
図８を参照すると、負荷容量を偏心率に対して線形に変化させるため、偏心率が大きくなるほど、反負荷側の供給圧の目標値が減少している。特に、反負荷側の供給圧を一定とした場合に負荷容量の増加率の減少が顕著に現れる高偏心率領域においては、偏心率が大きくなるほど反負荷側の供給圧の目標値を大きく減少させるようにしている（すなわち、目標値の減少率を大きくしている）。
【００５６】
制御装置３３は、このようにして設定される供給圧の目標値に応じて第１圧力調整器３１の動作を制御する。これにより、この流体軸受装置１においては、偏心率の大小に関わらず、偏心率に対して負荷容量が線形に変化する。したがって、従来、安定動作が困難であった高偏心率領域においても、安定して負荷を支持することができるようになる。
【００５７】
なお、図８には、負荷側の供給圧を固定し、反負荷側の供給圧のみを変化させることで偏心率に対する負荷容量の線形性を確保する場合に用いるマップを例示している。他方、本実施形態の流体軸受装置１は、負荷側の供給圧を変化させることもできる。このため、同様の作用効果を得るために、反負荷側の供給圧に替えて、あるいはそれに加えて、負荷側の供給圧を偏心率に応じて変更する制御を行ってもよい。
【００５８】
また、従来型の流体軸受装置においては、回転軸の負荷が変動すると、偏心量（すなわち偏心率）が変更して負荷容量が変更し、これにより負荷の変動を吸収して回転軸の負荷を支持した状態を維持する。これは、本実施形態のように負荷側の供給圧を反負荷側の供給圧と異ならせることができる軸受であっても、これら供給圧をそれぞれ一定値としていれば、同様の作動を示す。他方、図６の矢印を参照すると、本実施形態に係る流体軸受装置においては、偏心率が任意のある値である場合において、反負荷側の供給圧を低下させて負荷側の供給圧との非対称性を大きくすればするほど、負荷容量が増大する。
【００５９】
従って、本実施形態の制御装置３３は、偏心量検出器３４からの入力に基づいて偏心率の変化を測定し、偏心率が一定の値をとるように負荷側及び／又は反負荷側の供給圧を変化させるよう第１圧力調整器３１及び／又は第２圧力調整器３２の動作を制御する構成であってもよい。すなわち、制御装置３３は、反負荷側の供給圧と負荷側の供給圧との非対称性を変更する制御を通じて、偏心率を一定とするフィードバック制御を実行する構成であってもよい。この場合、負荷が増大して偏心率が大きくなる傾向にあるときには、供給圧の非対称性が大きくなるよう圧力調整器３１，３２を制御し、負荷Ｗが減少して偏心率が小さくなる傾向にあるときには、供給圧の非対称性が小さくなるよう圧力調整器３１，３２を制御するとよい。これにより、同一の偏心率であらゆる負荷に対応可能な流体軸受を提供することができる。
【００６０】
これまで、本発明の実施形態について説明したが、上記構成は一例に過ぎず、本発明の範囲内で適宜変更可能である。特に、上記実施形態においては、流体流入孔の個数及びこれに対応する流体流路の分割数を２つとしたが、この数は複数であればよく特に限定されない。また、作動流体も、空気に限らず、オイル等の液体であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、負荷容量が増大し、且つ軸受の作動に必要な流体の流量が低減するという作用効果を奏し、例えば振動発生装置、精密工作機械及び真円度測定器等、流体軸受を適用しうる種々の回転機械に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ 流体軸受装置
２ 軸受本体（流体軸受）
７ 軸受孔
８ 軸受隙間
９，１０ 流体流入孔
１１ 流体流路
１２，１３ 分割流体流路
１４，１５ 流体絞り
３１，３２ 圧力調整器
３３ 制御装置
３４ 偏心量検出器
３５ 流体供給源
５０ 回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受隙間に供給する流体の圧力で軸の負荷を支持する流体軸受であって、
前記軸が挿通される軸受孔と、
前記流体軸受の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔と、
前記流体軸受内で前記軸受孔を外囲し、前記流体流入孔に連通する流体流路と、
前記流体流路を前記軸受孔に連通させる流体絞りと、を有し、
前記流体流入孔が複数設けられ、前記流体流路が前記流体流入孔に対応して複数の分割流体流路に仕切られ、前記分割流体流路にはそれぞれ少なくとも１つの前記流体絞りが連通していることを特徴とする流体軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の流体軸受と、
前記流体軸受に流体を供給する流体供給源と、を備え、
前記流体供給源が、前記流体軸受に設けられた複数の流体流入孔に、互いに異なる圧力の流体を供給可能に構成されていることを特徴とする非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項３】
負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力が、反負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項４】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量が一定となるように前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項５】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量に対し負荷容量が線形に変化するようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項６】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量が所定の閾値を超えているときに、当該検出される偏心量が大きくなるにしたがって負荷側と反負荷側との圧力差が大きくなるようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項１】
軸受隙間に供給する流体の圧力で軸の負荷を支持する流体軸受であって、
前記軸が挿通される軸受孔と、
前記流体軸受の外周面に開口し、外部から流体が流入する流体流入孔と、
前記流体軸受内で前記軸受孔を外囲し、前記流体流入孔に連通する流体流路と、
前記流体流路を前記軸受孔に連通させる流体絞りと、を有し、
前記流体流入孔が複数設けられ、前記流体流路が前記流体流入孔に対応して複数の分割流体流路に仕切られ、前記分割流体流路にはそれぞれ少なくとも１つの前記流体絞りが連通していることを特徴とする流体軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の流体軸受と、
前記流体軸受に流体を供給する流体供給源と、を備え、
前記流体供給源が、前記流体軸受に設けられた複数の流体流入孔に、互いに異なる圧力の流体を供給可能に構成されていることを特徴とする非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項３】
負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力が、反負荷側の軸受隙間に供給される流体の圧力よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項４】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量が一定となるように前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項５】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量に基づいて、前記偏心量に対し負荷容量が線形に変化するようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【請求項６】
前記流体供給源から供給される流体の圧力を制御する制御装置と、
前記軸の軸線の前記軸受孔の軸線に対する偏心量を検出するための偏心量検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記偏心量検出器により検出される偏心量が所定の閾値を超えているときに、当該検出される偏心量が大きくなるにしたがって負荷側と反負荷側との圧力差が大きくなるようにして、前記複数の流体流入孔のそれぞれに供給する流体の圧力を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の非対称流体供給式流体軸受装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−９９４５９（Ｐ２０１１−９９４５９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２６７７（Ｐ２００９−２５２６７７）
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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