JP2010249315A - 静圧気体軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高い応答性を有する可変自成絞りにより、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供する。
【解決手段】軸受面の一部に、可撓性を持つ可撓部材７による可撓性軸受面１を有し、前記可撓部材に、自成絞りを形成する給気孔３を設け、可変自成絞りとして作用させる。軸受隙間Ｃｒ内の気体の圧力変化を、ダイレクトに可撓性軸受面１に伝えることができ、また、可動物体を持たないために、高い応答性を有する可変自成絞りを実現できる。これにより、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などの位置決め装置に用いる、可動体を非接触支持する静圧気体軸受の高剛性化に関するものである。

精密加工機や精密計測機あるいは半導体製造装置などで用いる位置決め装置を高性能化するためには、位置決め対象物を支持する軸受の高度化が必要である。位置決め精度の要求レベルがナノメータレベルの場合、非接触支持による摩擦レス・発塵レス・低発熱といった特徴から、静圧気体軸受が一般に用いられている。しかし、更にサブナノメータレベルに達する位置決めの高精度化を狙った場合、一般的な静圧気体軸受では、剛性が不足するという問題点があった。

従来、剛性を高めるために、軸受隙間に作用する負荷の変動によって流量を変化させる要素を有した、可変絞り型静圧気体軸受が提案されている。流量を変化させる要素は、配置する位置によって、給気位置と排気位置の２種類に、また方式によって、自動調整絞りと制御絞りの２種類に分けられる。

自動調整絞りとは、軸受隙間の圧力変動を利用して、自動的に絞りを調整する方式である。また、制御絞りとは、軸受隙間の変化をセンシングして、圧電素子などのアクチュエータを制御することで絞りを調整する方式である。以後、給気位置に設けた自動調整絞りを給気自動調整絞り、給気位置に設けた制御絞りを給気制御絞り、排気位置に設けた自動調整絞りを排気自動調整絞り、排気位置に設けた制御絞りを排気制御絞りと呼ぶこととする。

これらの具体的な従来例として、給気自動調整絞りに関しては、特許文献１に開示されたものがある。これは、固定給気絞りに可変絞りとなる可動物体を付加し、可動物体を動作させるための圧力室（特許文献１の文中では、下部ポケットと記載）と、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路を備えた構成である。軸受隙間の変化による軸受隙間内の圧力変動を、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路を経由して圧力室に伝達し、可動物体を動作させることで、軸受隙間への流量を調整し、高剛性化を図っている。

また、給気制御絞りに関しては、特許文献２に開示されたものがある。これは、スロット状給気絞りのスロット間隔を、圧電素子により駆動される調整スリーブにより、変化させる構造を有する。別途備えた変位センサにより軸受隙間の変化量をセンシングし、フィードバック制御を行って、軸受隙間の変化量を打ち消すように圧電素子を駆動することで、高剛性化を図っている。

さらに、排気制御絞りに関しては、特許文献３に開示されたものがある。これは、ラジアル静圧気体軸受において、給気経路に囲まれた領域に設けた排気路に、圧電素子によって駆動可能な排気制御絞りを組み込んだ構成である。別途備えた変位センサにより、軸受隙間の変化量をセンシングし、フィードバック制御を行い、軸受隙間の変化量を打ち消すように圧電素子を駆動することで、排気流量を可変し、高剛性化を図っている。

特公平６−８６５１号公報 特開２００１−１０７９６３号公報 特開平４−１３１５１８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたものは、圧力室、軸受隙間と圧力室をつなぐ流路、可動物体を備えた構成であり、負荷の変動に対して、流量を変化させる要素の応答性が低く、高周波数において高い剛性を得ることは困難であるという問題があった。また、軸受隙間の大きい部分の負荷容量を、ある程度維持した状態となっており、軸受隙間の大きい領域の負荷容量を低下させることで高剛性化できる余地があった。

また、上記特許文献２、３に開示されたものは、制御を利用した高剛性化手法であるため、変位センサや、圧電素子といったアクチュエータが必須である。そのため、装置構成が複雑になるとともに、圧電素子を駆動するための周辺機器が必要となり、装置が高額となっていた。

また、圧電素子の固定部分および圧電素子そのものの共振周波数により、給気制御絞りまたは排気制御絞りの応答性が制限されるため、高周波数領域において、応答することが困難であり、高い剛性が得られなかった。

本発明の目的は、高い応答性を有し、高周波数領域でも高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の静圧気体軸受は、案内面に対して軸受隙間をおいて相対する軸受面と、前記軸受隙間に気体を介在させた静圧気体軸受において、前記軸受隙間に前記気体を供給する給気路およびまたは前記軸受隙間から前記気体を排気する排気路を有し、前記給気路およびまたは前記排気路と、前記軸受隙間と、の間に可撓部材が配置され、前記可撓部材は、前記可撓部材の給気路側の気体の圧力およびまたは前記可撓部材の排気路側の気体の圧力と、前記軸受隙間側の気体の圧力の差によって変形することを特徴とする。

精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などで用いる位置決め装置において、本発明によるところの応答性の高い自動調整絞りを有する静圧気体軸受を用いることで、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供することができる。

第１の実施形態による静圧気体軸受を説明する図である。 静圧気体軸受の負荷特性曲線の説明図である。 第１の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第２の実施形態による静圧気体軸受を説明する図である。 他の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第５の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第６の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第７の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 静圧気体軸受の負荷特性曲線の説明図である。 変形例による静圧気体軸受の概略図である。 第８の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第９の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第１０の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。 第１１の実施形態による静圧気体軸受の概略図である。

（第１の実施形態）
本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１は第１の実施形態であって、給気自動調整絞りを有する静圧気体軸受の概略構成を示す模式断面図である。図１は、静圧気体軸受１０を示す。案内部９の案内面９ａに対して、軸受隙間Ｃｒをおいて相対する軸受面２と、前記軸受隙間Ｃｒに介在させた気体により、前記案内面９ａは支持される。５は、前記軸受隙間Ｃｒに前記気体をする給気路である。７は、給気路と軸受隙間との間に配置された可撓部材である。本実施形態においては、可撓部材７は、基体６に設けられた給気路５の端部にあって、例えば基体６と一体的に形成されている薄肉板で構成される。この可撓部材７には軸受隙間Ｃｒと給気路５とを連通させる給気孔３が設けられ、加圧気体供給源（不図示）からの加圧気体を給気路５を通して給気孔３から軸受隙間Ｃｒに供給する。可撓部材７の、案内面９ａに相対する面を、以下、可撓性軸受面１と称し、それ以外の軸受面２（基体６の、案内面９ａに相対する面）を、非可撓性軸受面と称する。

一般の静圧気体軸受は、絞りを経由して軸受隙間Ｃｒに加圧気体を供給し、軸受隙間Ｃｒに形成される気体膜の圧力によって負荷を支持するものである。そのため、負荷が増加した場合は軸受隙間Ｃｒが減少し、絞りの軸受隙間側の気体の圧力が上昇して軸受隙間Ｃｒの気体の圧力が負荷と釣り合う。しかし本実施形態の静圧気体軸受１０は、可変する自成絞りによって軸受隙間Ｃｒへの加圧気体の供給量を調整するものである。ここで、自成絞りとは、給気孔３の直径をｄとし、給気孔縁４と給気孔縁４に相対する案内面９ａとの距離を示す高さを自成絞り高さｈとしたとき、直径ｄ、自成絞り高さｈの仮想円筒の側面が絞りとして作用するものである。

本実施形態は、可撓性を持つ可撓部材７に自成絞りを形成する給気孔３を設けたことを特徴としている。軸受に作用する負荷に応じて可撓部材７が変形し、自成絞り高さｈが変化する。すなわち可変絞りとなる。以下、従来の自成絞りを固定自成絞りと呼び、本発明の静圧気体軸受に用いられる給気自動調整絞りであって、可撓性軸受面が変形する自成絞りを可変自成絞りと呼ぶことにする。

図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は第１の実施形態に係る給気自動調整絞りである可変自成絞りを有する静圧気体軸受の動作原理を説明した図である。図１（ｂ）は、軸受に作用する負荷と軸受隙間内の気体の圧力が釣り合った状態を示している。ここで、軸受隙間Ｃｒと給気路５とを連通させる可撓部材７にあけた給気孔３の給気孔縁４と給気孔縁４に相対する案内面９ａからなる自成絞りによって絞られた直後の気体の圧力のことを、軸受隙間側の気体の圧力と呼ぶこととする。また、給気圧力Ｐｓであって、可撓部材７にあけた給気孔３の給気路側の気体の圧力を、給気路側の気体の圧力と呼ぶこととする。給気路側の気体の圧力Ｐｓは、軸受隙間側の気体の圧力Ｐ０より大きいため、可撓部材７を挟む両側の圧力差により、可撓性軸受面１は、相対する案内面９ａ側に凸に撓んだ状態となる。

本実施形態による可変自成絞りを備えた静圧気体軸受１０によれば、図１（ｂ）に示す釣り合い状態から、負荷が減少した場合、釣り合いを保つために、図１（ｃ）に示すように、軸受隙間側の気体の圧力がＰ０からＰ２（Ｐ２＜Ｐ０）へと減少する。そのため、可撓部材７を挟む両側の圧力差が大きくなり、可撓性軸受面１が相対する案内面９ａに近づく方向へ変形する。その結果、自成絞り高さｈがｈ０からｈ２（ｈ２＜ｈ０）へと小さくなって、絞り効果が大きくなり、軸受隙間Ｃｒ内への流量が減少することで、負荷減少量と釣り合うように、軸受隙間内圧力が減少する。このとき、軸受隙間Ｃｒの変動量は、従来の固定自成絞りの場合に比べて本発明の可変自成絞りの方が小さい。すなわち、高剛性化されている。

また、図１（ｂ）に示す釣り合い状態から、負荷が増加した場合、釣り合いを保つために、図１（ｄ）に示すように、軸受隙間側の気体の圧力がＰ０からＰ１（Ｐ１＞Ｐ０）へと増加する。可撓部材７を挟む給気路側と軸受隙間側の両側の気体の圧力差が小さくなることで、可撓性軸受面１が相対する案内面９ａから遠ざかる方向へ変形する。そして、自成絞り高さｈがｈ０からｈ１（ｈ１＞ｈ０）へと大きくなって、絞り効果が小さくなり、軸受隙間Ｃｒ内への流量が増加する。その結果、負荷増加量と釣り合うように、軸受隙間内圧力が増加する。このとき、軸受隙間の変動量は、従来の固定自成絞りの場合に比べて、本発明の可変自成絞りの方が小さい。すなわち、高剛性化されている。

図２は、本発明による可変自成絞りを備えた静圧気体軸受の動作原理を負荷特性曲線により説明した図である。前記可変自成絞りにおいて、可撓部材７を挟む両側の気体の圧力差が最も大きく、すなわち撓みが大きくなった場合と、可撓部材７を挟む両側の気体の圧力差が最も小さく、すなわち撓みが小さくなった場合で、可撓部材７の撓み量を固定することを考える。そして、仮想的に固定絞りとして扱った場合の負荷特性を、前者を２点鎖線で、後者を点線で示してある。本発明による可変自成絞りによれば、負荷変化に伴う可撓部の変形によって、図２（ｂ）の２点鎖線で示した負荷特性と、点線で示した負荷特性を、移り変わる負荷特性を実現することができる。剛性は図２（ａ）のように、負荷容量変動量と軸受隙間変動量の割合であらわされるので、図２（ｂ）のように、２点鎖線で示した負荷特性と、点線で示した負荷特性を、移り変わる負荷特性を実現することで、高剛性化が図れる。

このように、本発明による可変自成絞りによれば、負荷変化を、固定自成絞りの場合のように、軸受隙間変化で補償するのではなく、可撓性軸受面の変化により補償することができる。その結果、負荷変動量に対する軸受隙間変動量を固定自成絞りの場合に比べ小さくすることができる。すなわち、剛性を高めることができる。

また、軸受隙間Ｃｒ内の気体の圧力変化を、圧力室や、圧力室と軸受隙間Ｃｒをつなぐ流路を介さずに、ダイレクトに、流量調節をおこなう要素である可撓部材７に伝えることができる。さらに、可動物体を持たないために、高い応答性を有する自動調整絞りを実現できる。これにより、広い周波数領域にわたり高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供できる。

なお、本方式で自動調整絞りとなるためには、絞りが自成絞りとなることが必要条件である。すなわち、給気孔３の直径ｄと自成絞り高さｈの関係が、ｄ／４＞ｈを満たす必要がある。前記式を満たさない場合は、絞りは給気孔３の面積により絞り効果を発揮するオリフィス絞りとなるため、可撓性軸受面１の変化による絞りの変化はおきず、自動調整絞りとはならない。また、可撓部材７が圧力差によって撓まなければ本発明の自動調整絞り（可変自成絞り）は実現できない。可撓部材７は例えば給気孔３を有する板状部材から形成され、給気孔３が板状部材の中心部に形成されている場合、この板状部材の板厚ｔ［ｍ］、ヤング率Ｅ［Ｐａ］、給気路５の半径に相当する薄肉円板ａ［ｍ］の関係が

を満たす形状であることを特徴とする。

前記関係式は、本発明の効果を得るための可撓部材７の条件である。前記関係式を満たすように、各パラメータを設計することで、可撓部材７の変形量は、可撓部材７を挟む両側の圧力差１ａｔｍあたり、０．１μｍ以上となる。静圧気体軸受１０において、供給圧力Ｐｓは一般にゲージ圧で５ａｔｍであり、また、軸受隙間Ｃｒは５μｍ以上である。このとき、可撓部材７の変形量が１ａｔｍあたり０．１μｍ未満であった場合、可撓部材７の変形量は最大でも、０．５μｍ（＝５ａｔｍ×０．１μｍ／ａｔｍ）となる。軸受隙間Ｃｒ５μｍで使用した場合でも、１０％以下の変形量でしかないため、可変自成絞りによる高剛性化の効果は、実用上非常に小さい。前記関係式を満たすように、可撓部材７の形状を決定することで、可撓部材７を挟む両側の圧力差１ａｔｍあたりの可撓部変形量は０．１μｍ以上となり、自成絞りが可変絞りとして作用し、静圧気体軸受１０の高剛性化を図ることができる。

図３は、第１の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。案内面９ａに軸受隙間Ｃｒをおいて相対する軸受面が一部に可撓性を有する可撓部材７による可撓性軸受面１を８ヶ所に有する。第一の実施形態では、可変自成絞りの配置個所は８ヶ所とする例を示したが、配置個所の場所および個数に制限はない。なお、可撓性軸受面１および給気孔３は、可動体側に設けられていても、固定体側に設けられていても、構わない。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示す模式断面図である。図４（ａ）は、第２の実施形態による静圧気体軸受の概略構成を示し、（ｂ）はその模式断面図、（ｃ）は案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。

本実施形態による静圧気体軸受２０は、案内面９ａに対して軸受隙間Ｃｒをおいて相対する軸受面に凹部１８が設けられている。可変自成絞りとして作用する給気孔３がある可撓性軸受面１が、軸受面２に設けられた凹部１８の底面に８ヶ所配置されている。図７では、可変自成絞りの配置は８ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。

上記構成において、凹部１８の目的は、給気孔縁と相対する案内面９ａとの距離である自成絞り高さｈを、凹部１８の深さだけ拡大することである。このようにすると、可撓性軸受面１を挟む両側の単位圧力差あたりの変形量を、凹部１８のない場合に比べて、大きくすることでき、可変自成絞りの効果を高め、高剛性化の作用を高めることができる。

可撓性軸受面１は、薄肉円板であり、中心に自成絞りを形成する給気孔３を有している。薄肉円板は、半径ａ［ｍ］、板厚ｔ［ｍ］、ヤング率Ｅ［Ｐａ］としたとき、

を満たす形状であり、薄肉円板である可撓部材７を挟む両側の気体の圧力差「Ｐｓ−Ｐ０」により、圧力差１ａｔｍあたりで、薄肉円板中心部は０．１μｍ以上変形する。給気孔３は相対する案内面９ａとの関係により自成絞りを形成している。すなわち、給気孔３の直径をｄとし、また、自成絞り高さ（給気孔縁４と、給気孔縁４と対向する案内面９ａとの高さ）をｈとしたとき、

の関係が成り立つような範囲で、給気孔直径と、軸受使用時の軸受隙間Ｃｒが決定されている。

これにより、可撓性軸受面１に形成された給気孔３は可変自成絞りとして作用し、軸受への負荷変化を、軸受隙間変動ではなく、可変自成絞りの動作により補償することができる。そして負荷容量変動に対する軸受隙間変動量を固定自成絞りの場合に比べて、小さくすることができる。すなわち剛性を高めることができる。

（第３の実施形態）
図５（ａ）は、第３の実施形態による静圧気体軸受の概略構成であって、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受は、軸受面２に口の字形状の溝２８が設けられている。そして、口の字形状の溝２８の４ヶ所に可撓性を有する可撓部材による可撓性軸受面および給気孔からなる可変自成絞りが設けられている。本実施形態では、可変自成絞りの配置は４ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。

（第４の実施形態）
図５（ｂ）は、第４の実施形態による静圧気体軸受の概略構成であって、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔３のある可撓性軸受面が、田の字形状の溝３８に含まれ、方形状の軸受面２に１ヶ所配置されている。本実施形態では、可変自成絞りの配置は１ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。

図５（ｃ）は、一変形例による円形状の溝に含まれた可変自成絞りを有する丸形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔３のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円形状の溝４８に含まれ、丸形状の軸受面２に４ヶ所配置されている。なお、図５（ｃ）では、可変自成絞りの配置は４ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。

図５（ｄ）は、他の変形例による円と十字の複合形状溝に含まれた可変自成絞りを有する丸形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔３のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円と十字の複合形状の溝５８に含まれ、丸形状の軸受面２に１ヶ所配置されている。なお、図５（ｄ）では、可変自成絞りの配置は１ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。

図５（ｅ）は、さらに別の変形例による円形状溝に含まれた可変自成絞りを有するリング形状軸受を示し、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本変形例による静圧気体軸受は、可変自成絞りとして作用する給気孔３のある可撓性軸受面が、軸受面に設けられた円形状の溝６８に含まれ、リング形状の軸受面に４ヶ所配置されている。なお、図５（ｅ）では、可変自成絞りの配置は４ヶ所であるが、配置の場所および個数に制限はない。また、溝は、多角形、または、多角形と当該多角形の重心と各頂点を結合した複合形状でもよく、多角形の代表例が前記した口の字形状であり、多角形と当該多角形の重心と各辺または各頂点を結合した複合形状の代表例が前記した田の字形状である。

図５に示した構成において、溝は、軸受隙間の給気孔出口部分の圧力を、溝を通して軸受面全体に広げる効果を持つ。溝なしの場合に比べて、軸受の負荷容量を高めることができ、剛性を高めることができる。また、軸受面形状が角形状の場合には、口の字形状または田の字形状の溝を形成することが望ましい。軸受面形状が丸形状の場合には、円形状または円と十字の複合形状の溝を形成することが望ましい。また、軸受面形状がリング形状の場合には、円形状の溝を形成することが望ましい。このように軸受面形状に対し、望ましい溝形状とすることで、軸受の負荷容量を効率よく高めることができ、剛性を高めることができる。

（第５の実施形態）
図６は第５の実施形態による静圧気体軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。本実施形態による静圧気体軸受８０は、可変自成絞りとして作用する給気孔３がある可撓性軸受面１が、軸受面に設けられた田の字形状の溝６９に含まれ、十字部交点に１ヶ所配置されている。また、固定絞りとして作用する給気孔３が、軸受面に設けられた田の字形状の溝７８に、８ヶ所配置されている。ここで、固定絞りは、例えば、自成絞り、オリフィス絞りである。また、不図示であるが、固定絞りは、例えばスロット絞り、表面絞りなどを用いても構わない。本実施形態では、可変自成絞りの配置は１ヶ所、また固定絞りの配置は８ヶ所の例を示したが、配置の場所および個数に制限はない。

上記構成において、非可撓性軸受面に形成された固定絞りは、自成絞りまたはオリフィス絞りまたはスロット絞りのうちのいずれか１つ、または複数の組み合わせであってもよい。可撓性軸受面に設けた可変自成絞りと前記固定絞りを組み合わせることで、可変絞りを組み込んだ軸受の製作性の改善に効果がある。１つの軸受に、複数の可変自成絞りを形成した場合、可変自成絞り相互の寸法精度の管理が必要となる。そこで、可変自成絞りはなるべく少なくし、不足する負荷容量は固定絞りで補うようにすることで、可変自成絞り相互の寸法精度管理が不必要となり、製作性の改善・コストダウンに効果がある。

（第６の実施形態）
図７は、第６の実施形態であり、非可撓性の軸受面が潤滑性材料で形成され、口の字形状溝に含まれた可変自成絞りを有する角形状の軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は、案内面側から見た模式平面図である。図１と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。図７に示すように、本実施形態による静圧気体軸受９０は、案内面９ａに対して軸受隙間Ｃｒをおいて相対する軸受面に設けられた口の字形状の溝８８を有する。口の字形状の溝８８の４ヶ所に可撓性を有する可撓部材７による可撓性軸受面１を有する。可撓性軸受面１以外の部位には潤滑性材料による層が積層された非可撓性の軸受面２が設けられている。

可変自成絞りとして作用する給気孔３のある可撓性軸受面１が、軸受面に設けられた口の字形状の溝８８に含まれ、口の字形状軸受面に４ヶ所配置されている。潤滑性材料とは、例えば、樹脂、グラファイトが接着などの手段により固定されたもの、スパッタリングやメッキなどの手段により非可撓性の軸受面の表面にコーティングされたもの、などである。コーティングする材料としては、ＤＬＣ、フッ素系材料、二硫化モリブデンを含んだ材料、グラファイトを含んだ材料等が代表的であるが、使用状態や使用環境により最適な材料を選択することが可能である。本実施形態では、可変自成絞りの配置は４ヶ所とするが、配置の場所および個数に制限はない。非可撓性の軸受面を潤滑性材料で形成することで、軸受の耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合などの突発トラブルによるタッチダウン時に、軸受のかじりを防ぐことができる。

（第７の実施形態）
図８は、第７の実施形態であって、排気自動調整絞りを有する静圧気体軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側からみた模式平面図である。（ｃ）、（ｄ）は、可撓性薄肉板の動作を説明する図である。

図８において、Ｐｓは給気圧を、Ｐａ１およびＰａ２は周囲圧を、７３は周囲圧環境Ｐａ１へ気体を排気する排気路、Ｐｅは軸受隙間から排気路７３に気体が流入する地点の圧力を示している。本実施形態による静圧気体軸受は、案内面７２に対して軸受隙間Ｃｒをおいて相対する軸受面が気体噴出面７１を含み、給気路７７ａに連通された前記気体噴出面７１から軸受隙間Ｃｒに供給された圧縮空気等の圧縮気体により高圧の気体膜を発生させる。軸受面の気体噴出面７１に囲まれた領域に弾性体である可撓性薄肉板７４を備えている。

排気路７３には、可撓性薄肉板７４の反軸受隙間側（排気路側）の面と固定部７１０との間の狭い隙間からなる排気隙間７３ｂが設けられている。固定部７１０は、基体７８の一部であってもよいし、基体７８に一体的に設けられた別部材から構成されていてもよい。排気路７３の排気隙間７３ｂと軸受隙間Ｃｒとは可撓性薄肉板７４にあけられた排気孔７３ａにより連通されている。

可撓性薄肉板７４は、軸受隙間Ｃｒの圧力変化に連動して動作する。軸受への負荷が増加し、軸受隙間Ｃｒの圧力が高まったときに、可撓性薄肉板７４の軸受隙間側の圧力が、排気路側の圧力より大きくなり、図８（ｃ）から（ｄ）のように、案内面７２から遠ざかる方向に変形する。その結果、排気路７３の排気隙間７３ｂが狭くなり、排気流量が減少することで、軸受隙間内圧力が、さらに高まる。このように、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間内圧力を、軸受隙間Ｃｒの減少により補償するのではなく、可撓性薄肉板７４の変形により補償することで、軸受隙間Ｃｒ内を一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。

図９（ａ）は、軸受の一般的な負荷特性曲線であり、剛性の説明図である。軸受隙間Ｃｒの変化に対する負荷容量Ｗの変化の割合が剛性である。高剛性化とは、軸受隙間Ｃｒの変化に対する負荷容量の変化の割合を大きくすることに相当する。

図９（ｂ）は、排気自動調整絞りの動作原理を、負荷特性により説明した図である。前記排気自動調整絞りにおいて、絞りを最もきつくした場合と、絞りを最もゆるくした場合で、排気自動調整絞りの絞り量を仮想的に固定することを考え、前者の負荷特性を点線で、後者の負荷特性を２点鎖線で示してある。

本実施形態による排気自動調整絞りによれば、軸受への負荷が変化したときに、点線で示した負荷特性と２点鎖線で示した負荷特性を結ぶ図９（ｂ）の実線で示したような負荷特性を実現することができる。例えば、軸受への負荷を零から増加した場合、軸受隙間Ｃｒは、図９（ｂ）の２点鎖線で示した曲線から、実線で示した曲線を通り、点線で示した曲線に至るという変化をたどる。

なお、排気自動調整絞りは、実用時に負荷容量を必要としない、軸受隙間Ｃｒの大きい部分での負荷容量を、低減するような効果がある。一方、給気自動調整絞りは、このような効果は小さく、軸受隙間Ｃｒの小さい部分の負荷容量を、固定絞りの場合に比べて、上昇させるような効果を持っている。両者を組み合わせることで、軸受隙間Ｃｒの広い領域において、高剛性化を図ることもできる。

また、軸受隙間Ｃｒ内の圧力変動を、圧力室や、圧力室と軸受隙間Ｃｒを連通させる流路を介さずに、ダイレクトに排気自動調整絞りに伝えることができるために、高い応答性を有する自動調整絞りを実現できる。これにより、高周波数領域においても高剛性化を実現した静圧気体軸受を提供できる。

なお、図１０（ａ）、（ｂ）に第７の実施形態の変形例を示す。図８と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。第７の実施形態では、気体噴出面１を多孔質絞りとしているが、気体噴出面を、自成絞りまたはオリフィス絞りを形成する給気孔７７を含む面としても構わない。給気自動調整絞りであっても構わない。もちろん、第１の実施形態乃至第６の実施形態で説明した可変自成絞りを用いてもよい。第１の実施形態乃至第６の実施形態で説明した可変自成絞りと併用した場合は、どちらか一方を用いた場合より、さらなる高剛性化を実現することが可能となる。

（第８の実施形態）
図１１は、第８の実施形態による静圧気体軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側からみた模式平面図である。図８と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。

第７の実施形態が、軸受隙間Ｃｒから排気隙間７３ｂへの経路が中心一点だったのに対し、本実施形態では、軸受隙間Ｃｒと排気隙間７３ｂとを連通する排気孔７３ａの代わりに、排気孔７３ａより直径の大きな円状のスリット７１３を設けたものである。

このようにして、軸受隙間Ｃｒから排気隙間７３ｂに至る場所を、より外径側に配設することで、可撓性薄肉板７４の変形による軸受隙間Ｃｒの内圧力変化量を大きくし、剛性を高くすることができる。

（第９の実施形態）
図１２は、第９の実施形態による静圧気体軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側からみた模式平面図である。図８と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。

本実施形態において、排気隙間７３ｂに連通する溝７６は、軸受隙間Ｃｒから排気隙間７３ｂに流入する部分の圧力Ｐｅと、溝内圧力が概ね同一となるようにするはたらきがある。排気自動調整絞りの効果は、絞りを最もゆるくした状態で固定した固定排気絞りと、絞りを最もきつくした状態で固定した固定排気絞りの負荷特性が、乖離しているほど大きくなる。溝７６を排気隙間７３ｂから気体噴出面近傍まで延ばすことで、圧力Ｐｅとなる範囲を中心一点から外周へ拡大することができる。すなわち、溝７６を加えることで、絞りを最もゆるくした状態で固定した固定排気絞りの負荷容量を軸受隙間全体にわたり小さくすることができる。絞りを最もきつくした状態で固定した固定排気絞りの負荷特性は、溝７６があっても、負荷特性の大きな変化は起きない。結果として、自動調整絞りの変化による軸受隙間内圧力変化量を大きくし、溝７６がない場合に比べて、剛性を高くすることができる。

（第１０の実施形態）
図１３は、第１０の実施形態による静圧気体軸受を示し、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は案内面側からみた模式平面図である。（ｃ）、（ｄ）は、動作を説明する図である。図８と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。

気体噴出面７１は、内側が矩形にくり抜かれた多孔質材料からなり、弾性体である弾性ヒンジ７５は、前記多孔質材料の内側側面に沿って配設されている。本実施形態における排気隙間７３ｂは、弾性ヒンジ７５の反多孔質材料側の面と固定部７１０との間の狭い隙間からなる。固定部７１０は、基体７８の一部であってもよいし、基体７８に一体的に設けられた別部材から構成されていても良い。軸受隙間Ｃｒの圧力変動に連動して、多孔質材料の内側側面の圧力も変化する。弾性ヒンジ７５は、前記多孔質材料の内側側面の圧力変化に連動し、軸受への負荷が増加し、軸受隙間Ｃｒの圧力が高まり、多孔質材料の内側側面の圧力が高まったときに、図１３（ｃ）から図１３（ｄ）のように、排気隙間７３ｂを狭くする方向に変形する。すなわち排気流量を小さくする方向に変化する。排気流量が減少することで、軸受隙間Ｃｒの内圧力がさらに高まる。このように、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間Ｃｒ内圧力を、軸受隙間Ｃｒの減少により補償するのではなく、弾性ヒンジ７５の動作により補償することで、軸受隙間Ｃｒを一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。

（第１１の実施形態）
図１４は、第１１の実施形態による静圧気体軸受を示す模式断面図である。図８と共通する部分には同一符号を附して重複説明を省略する。

本実施形態は、排気自動調整絞りをラジアル軸受に適用したものである。軸方向に関して、気体噴出面１に挟まれた領域に、可撓性薄肉板７４を配置することで、排気自動調整絞りを形成している。第７の実施形態の実施形態に示した平面軸受の場合と同様の原理で、軸受への負荷増加に伴い増加する軸受隙間内圧力を、軸受隙間Ｃｒの減少により補償するのではなく、可撓性薄肉板７４の動作により補償することで、軸受隙間Ｃｒを一定に保持することができる。すなわち、高剛性化が図れる。

図１４は、可撓性薄肉板７４を９０度ごとに配置したものであり、１８０度対向した可撓性薄肉板７４は、逆方向の動作をする。例えば、図１８の紙面上方に軸７９が移動した場合、紙面上側の可撓性薄肉板７４は流量を絞り、圧力を高める方向に、紙面下側の可撓性薄肉板７４は流量を拡大し、圧力を低める方向に動き、結果的に、軸７９を紙面下方向に押し戻す。なお、可撓性薄肉板７４の配置は９０度ごとである必要はなく、３０度おき、６０度おき、その他の間隔で配置されていても構わない。

なお、本発明において、気体噴出面に潤滑性を持たせることで、軸受の耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合等の突発トラブルによるタッチダウン時に、軸受のかじりの発生を防ぐことができる。

ここで、潤滑性を有する気体噴出面は、例えば接着により固定されたグラファイト材料からなる面や、スパッタリングやメッキ等の手段により気体噴出面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）や二硫化モリブデンがコーティングされた面等である。

１ 可撓性軸受面
２ 非可撓性軸受面
３ 給気孔
５ 給気路
６ 基体
７ 可撓部材
９ 案内部
９ａ 案内面
１８ 凹部
２８ 溝

Claims (13)

1. 案内面に対して軸受隙間をおいて相対する軸受面と、
   前記軸受隙間に気体を介在させた静圧気体軸受において、
   前記軸受隙間に前記気体を供給する給気路およびまたは前記軸受隙間から前記気体を排気する排気路を有し、
   前記給気路およびまたは前記排気路と、前記軸受隙間と、の間に可撓部材が配置され、
   前記可撓部材は、前記可撓部材の給気路側の気体の圧力およびまたは前記可撓部材の排気路側の気体の圧力と、前記軸受隙間側の気体の圧力の差によって変形することを特徴とする静圧気体軸受。
2. 前記可撓部材は薄肉板であって、前記薄肉板には前記給気路と前記軸受隙間を連通させて自成絞りを形成する給気孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受。
3. 前記薄肉板は、前記給気孔を中心に有する薄肉円板であり、前記薄肉円板の半径ａ［ｍ］、板厚ｔ［ｍ］、ヤング率Ｅ［Ｐａ］の関係が
   

   

   を満たす形状であることを特徴とする請求項２に記載の静圧気体軸受。
4. 前記軸受面には凹部が設けられており、前記凹部の底面に前記給気孔が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の静圧気体軸受。
5. 前記軸受面には溝が設けられており、前記溝の底面に前記給気孔が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の静圧気体軸受。
6. 前記溝は、口の字形状、田の字形状、円形状、円と十字の複合形状、多角形、多角形と該多角形の中心と各辺または各頂点を結合した複合形状のうちのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の静圧気体軸受。
7. 前記軸受面には、固定絞りが形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静圧気体軸受。
8. 前記軸受面が、潤滑性材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静圧気体軸受。
9. 前記潤滑性材料が、グラファイトまたはグラファイトを含む材料であることを特徴とする請求項８に記載の静圧気体軸受。
10. 前記潤滑性材料が樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の静圧気体軸受。
11. 前記可撓部材は薄肉板であって、前記薄肉板には前記排気路と前記軸受隙間を連通させる排気孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受。
12. 前記可撓部材は、前記排気路に配置された弾性ヒンジであることを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受。
13. 前記排気路に連通する溝が、前記軸受面の気体噴出面に囲まれた領域に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の静圧気体軸受。

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