特開 2019-190591 多孔質静圧空気軸受及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-190591(P2019-190591A)

(43)【公開日】2019年10月31日

(54)【発明の名称】多孔質静圧空気軸受及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/06 20060101AFI20191004BHJP

   F16C 33/12 20060101ALI20191004BHJP

【ＦＩ】

   F16C32/06 B

   F16C33/12 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-85277(P2018-85277)

(22)【出願日】2018年4月26日

(71)【出願人】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】宮武 正明

(72)【発明者】

【氏名】貞弘 稜

(72)【発明者】

【氏名】中山 将太

【テーマコード（参考）】

3J011

3J102

【Ｆターム（参考）】

3J011AA20

3J011BA08

3J011CA10

3J011DA02

3J011KA02

3J011KA03

3J011LA01

3J011SB02

3J011SB19

3J102AA02

3J102BA03

3J102BA17

3J102BA18

3J102CA15

3J102EA02

3J102EA06

3J102EA19

3J102EA24

3J102EA26

3J102EA29

3J102FA03

3J102FA09

(57)【要約】

【課題】製造コストが増加することを抑制する。
【解決手段】多孔質静圧空気軸受１０は、金属材料を用いて形成され、一方側から他方側へ向けて空気が流れる複数の第１流通孔２４を有する多孔質層支持部１２を備えている。また、多孔質静圧空気軸受１０は、金属材料を用いて形成され、多孔質層支持部１２の他方側の面に沿ってこの多孔質層支持部１２と一体に形成された多孔質層１４を備えている。多孔質層１４は、第１流通孔２４からの空気が導入されると共にこの空気が多孔質層支持部１２とは反対側の面から流出する複数の第２流通孔３２を有している。この第２流通孔３２から流出した空気によってシャフト３４が支持される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料を用いて形成され、一方側から他方側へ向けて空気が流れる複数の第１流通部を有する支持部と、
金属材料を用いて形成され、前記支持部の他方側の面に沿って前記支持部と一体に形成され、前記第１流通部からの空気が導入されると共にこの空気が前記支持部とは反対側の面から流出する複数の第２流通部を有し、この第２流通部から流出した空気によって軸部材が支持される多孔質層と、
を備えた多孔質静圧空気軸受。

【請求項2】

前記多孔質層をその厚み方向から見て、前記多孔質層の中心部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さと外周部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さとが異なっている請求項１記載の多孔質静圧空気軸受。

【請求項3】

前記多孔質層の外周部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さが、中心部側よりも通り易くなっている請求項２記載の多孔質静圧空気軸受。

【請求項4】

前記多孔質層の中心部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さが、外周部側よりも通り易くなっている請求項２記載の多孔質静圧空気軸受。

【請求項5】

前記支持部と前記多孔質層とが、同じ金属材料を用いて形成されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多孔質静圧空気軸受。

【請求項6】

金属材料を用いて形成され、一方側から他方側へ向けて空気が流れる複数の第１流通部を有する支持部と、
金属材料を用いて形成され、前記支持部の他方側の面に沿って前記支持部と一体に形成され、前記第１流通部からの空気が導入されると共にこの空気が前記支持部とは反対側の面から流出する複数の第２流通部を有し、この第２流通部から流出した空気によって軸部材が支持される多孔質層と、
を備えた多孔質静圧空気軸受の製造方法に適用され、
金属粉末にレーザを照射することで、前記支持部を形成する支持部形成工程と、
金属粉末にレーザを照射することで、前記支持部の他方側の面に沿って前記多孔質層を形成する多孔質層形成工程と、
を有する多孔質静圧空気軸受の製造方法。

【請求項7】

単位体積当たりの前記金属粉末に投入される前記レーザのエネルギをエネルギ密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ^２）とし、
前記多孔質層形成工程においてエネルギ密度Ｅを調節することで、前記多孔質層の前記第２流通部を介した空気の通り易さを調節する請求項６記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法。

【請求項8】

ステンレス鋼の前記金属粉末を用い、
前記多孔質層形成工程において前記エネルギ密度Ｅを２８．１２５Ｊ／ｍｍ^２以下に設定する請求項７記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多孔質静圧空気軸受及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、静圧軸受として用いられるハニカムサンドイッチ構造体が開示されている。このハニカムサンドイッチ構造体は、平均粒径１００マイクロメートルのＳｉＣ粉末１００重量部とアクリルバインダー１００質量部及びエタノール２０質量部を混練した接合材を、静圧軸受け形状に切り出した２枚の多孔質カーボン平板のハニカム構造体との接合面に塗布し、その２枚の塗布面の間にＳｉＣハニカム構造体を配置することで構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１９５１０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、多孔質カーボン平板等の多孔質層とハニカム構造体とを接合材を介して接合する構成や、多孔質層からの空気の流出量を調節するために多孔質層の表面に目詰まり処理を行う構成では、製造コストが増加する。

【0005】

本発明は上記事実を考慮し、製造コストが増加することを抑制できる多孔質静圧空気軸受及びその製造方法を得ること目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の多孔質静圧空気軸受は、金属材料を用いて形成され、一方側から他方側へ向けて空気が流れる複数の第１流通部を有する支持部と、金属材料を用いて形成され、前記支持部の他方側の面に沿って前記支持部と一体に形成され、前記第１流通部からの空気が導入されると共にこの空気が前記支持部とは反対側の面から流出する複数の第２流通部を有し、この第２流通部から流出した空気によって軸部材が支持される多孔質層と、を備えている。

【0007】

請求項１記載の多孔質静圧空気軸受によれば、第１流通部を有する支持部を形成した後に、この支持部の他方側の面に沿って第２流通部を有する多孔質層を形成する。これにより、製造コストが増加することを抑制することができる。

【0008】

請求項２記載の多孔質静圧空気軸受は、請求項１記載の多孔質静圧空気軸受において、前記多孔質層をその厚み方向から見て、前記多孔質層の中心部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さと外周部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さとが異なっている。

【0009】

請求項２記載の多孔質静圧空気軸受によれば、多孔質層の中心部側の第２流通部を介した空気の通り易さと外周部側の第２流通部を介した空気の通り易さとが異なっている。これにより、軸部材と多孔質層との間の空気の繰り返しの圧縮に起因する不安定な振動を抑制することができることがわかっている。なお、以下においてはこの不安定な振動を「ニューマティックハンマ」と呼ぶ。

【0010】

請求項３記載の多孔質静圧空気軸受は、請求項２記載の多孔質静圧空気軸受において、前記多孔質層の外周部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さが、中心部側よりも通り易くなっている。

【0011】

請求項３記載の多孔質静圧空気軸受によれば、多孔質層の外周部側の第２流通部を介した空気の通り易さが、中心部側よりも通り易くなっている。これにより、ニューマティックハンマが生じることを抑制することができることがわかっている。

【0012】

請求項４記載の多孔質静圧空気軸受は、請求項２記載の多孔質静圧空気軸受において、前記多孔質層の中心部側の前記第２流通部を介した空気の通り易さが、外周部側よりも通り易くなっている。

【0013】

請求項４記載の多孔質静圧空気軸受によれば、多孔質層の中心部側の第２流通部を介した空気の通り易さが、外周部側よりも通り易くなっている。これにより、ニューマティックハンマが生じることを抑制することができることがわかっている。

【0014】

請求項５記載の多孔質静圧空気軸受は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多孔質静圧空気軸受において、前記支持部と前記多孔質層とが、同じ金属材料を用いて形成されている。

【0015】

請求項５記載の多孔質静圧空気軸受によれば、支持部と多孔質層とが、同じ金属材料を用いて形成されている。これにより、第１流通部を有する支持部を形成した後に、材料の変更を行うことなく、この支持部の他方側の面に沿って第２流通部を有する多孔質層を形成することができる。これにより、製造コストが増加することをより一層抑制することができる。

【0016】

請求項６記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法は、金属材料を用いて形成され、一方側から他方側へ向けて空気が流れる複数の第１流通部を有する支持部と、金属材料を用いて形成され、前記支持部の他方側の面に沿って前記支持部と一体に形成され、前記第１流通部からの空気が導入されると共にこの空気が前記支持部とは反対側の面から流出する複数の第２流通部を有し、この第２流通部から流出した空気によって軸部材が支持される多孔質層と、を備えた多孔質静圧空気軸受の製造方法に適用され、金属粉末にレーザを照射することで、前記支持部を形成する支持部形成工程と、金属粉末にレーザを照射することで、前記支持部の他方側の面に沿って前記多孔質層を形成する多孔質層形成工程と、を有する。

【0017】

請求項６記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法によれば、金属粉末にレーザを照射することで、支持部を形成する（支持部形成工程）。次いで、金属粉末にレーザを照射することで、支持部の他方側の面に沿って多孔質層を形成する（多孔質層形成工程）。この製造方法では、支持部と多孔質層とを一体に形成でき、製造コストが増加することを抑制することができる。なお、支持部を形成する金属粉末と多孔質層を形成する金属粉末とは、同じ種類の金属粉末であってもよいし異なる種類の金属粉末であってもよい。

【0018】

請求項７記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法は、請求項６記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法において、単位体積当たりの前記金属粉末に投入される前記レーザのエネルギをエネルギ密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ^２）とし、前記多孔質層形成工程においてエネルギ密度Ｅを調節することで、前記多孔質層の前記第２流通部を介した空気の通り易さを調節する。

【0019】

請求項７記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法によれば、エネルギ密度Ｅを調節することにより、多孔質層の第２流通部を介した空気の通り易さを調節することができる。

【0020】

請求項８記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法は、請求項７記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法において、ステンレス鋼の前記金属粉末を用い、前記多孔質層形成工程において前記エネルギ密度Ｅを２８．１２５Ｊ／ｍｍ^２以下に設定する。

【0021】

請求項８記載の多孔質静圧空気軸受の製造方法によれば、ステンレス鋼の金属粉末を用いると共にエネルギ密度Ｅを２８．１２５Ｊ／ｍｍ^２以下に設定することにより、多孔質静圧空気軸受として機能する多孔質層を得ることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明に係る多孔質静圧空気軸受及びその製造方法は、製造コストが増加することを抑制できる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受を示す平面図である。

【図2】図１に示された２−２線に沿って切断した多孔質静圧空気軸受を示す側断面図である。

【図3】多孔質層支持部のハニカム部を拡大して示す拡大平面図である。

【図4】シャフトを支持している多孔質静圧空気軸受を示す図２に対応する側断面図である。

【図5】レーザ密度２５Ｊ／ｍｍ^３で造形後の多孔質層の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図6】レーザ密度２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３で造形後の多孔質層の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図7】レーザ密度３１．２５Ｊ／ｍｍ^３で造形後の多孔質層の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図8】レーザ密度３４．３７５Ｊ／ｍｍ^３で造形後の多孔質層の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図9】レーザ密度３７．５Ｊ／ｍｍ^３で造形後の多孔質層の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図10】実験装置を示す断面図である。

【図11】Ｐ_ｓｇが０．４ＭＰａで測定された無次元軸受負荷容量Ｗ及び無次元静剛性Ｋ_Ｓを示すグラフである。

【図12】Ｐ_ｓｇが０．６ＭＰａで測定された無次元軸受負荷容量Ｗ及び無次元静剛性Ｋ_Ｓを示すグラフである。

【図13】第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受を示す図２に対応する側断面図である。

【図14】第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受を示す図２に対応する側断面図である。

【図15】測定された無次元軸受負荷容量Ｗ及び無次元静剛性Ｋ_Ｓを示すグラフである。

【図16】測定された無次元減衰係数Ｂ及び無次元動剛性Ｋ_ｄを示すグラフである。

【図17】シャフトを径方向に支持する多孔質静圧空気軸受を示す平面図である。

【図18】シャフトを径方向に支持する多孔質静圧空気軸受を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

（はじめに）
多孔質静圧空気軸受は、高い負荷容量や剛性が得られることから、超精密加工機や測定器などに広く使用されている。さて、現在市販されている多孔質空気軸受は、厚さ数ｍｍの多孔質材（グラファイト，セラミックス，金属粉末焼結体）をハニカム構造の部材や、給気溝を設けた部材に接着等することにより製作している。また、ニューマティックハンマを防止するため、表面目詰まり（多孔質表層部の通気率を母材通気率よりも低くする処理）を施している。そのため、量産製造に際しては、接着や多孔質層の表面の目詰まり度の管理が必要となり、コストの増加の原因となっている。

【0025】

そこで、本発明では、従来の多孔質静圧空気軸受の表面目詰まり層と同等の通気率を持つ多孔質層（厚さ：数十μｍ〜数百μｍ）と、ハニカム形状の支持部材が一体となった構造を提案し、金属粉末積層焼結３Ｄプリンタ（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＰｒｏＸ（登録商標）ＤＭＰ３００）を用いて多孔質静圧空気軸受を製作した。この構造を採用することにより、表面の多孔質層は強度を維持しつつ、簡易的な多孔質静圧空気軸受の作製が期待できる。本発明では、試作した軸受の静特性に関して、実験的検討を行い、提案する多孔質静圧空気軸受の構造の有用性を以下に示す。

【0026】

（第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０の構成）
先ず、本発明の第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０の構成について説明する。

【0027】

図１〜図３に示されるように、本実施形態の多孔質静圧空気軸受１０は、金属材料を用いて一体に形成された支持部としての多孔質層支持部１２及び多孔質層１４を備えている。

【0028】

多孔質層支持部１２は、円板状に形成されている。この多孔質層支持部１２の外周部は、固定フランジ部１６とされており、この固定フランジ部１６には、周方向に間隔をあけて配置された複数のボルト挿通孔１８が形成されている。そして、図４に示されるように、ボルト挿通孔１８に挿通されたボルト２０がバックメタル２２等の被取付部に螺合されることで、多孔質静圧空気軸受１０がバックメタル２２等の被取付部に取付けられるようになっている。なお、本実施形態では固定フランジ部１６を設けた例について説明したが、多孔質層支持部１２がハウジング等と一体化された構成では、固定フランジ部１６を設けなくてもよい。

【0029】

また、多孔質層支持部１２において固定フランジ部１６よりも内側の部分には、軸方向に貫通された第１流通部としての複数の第１流通孔２４が形成されている。なお、軸方向一方側を矢印Ｚで示している。図３に示されるように、この第１流通孔２４は、軸方向から見て内周面が正六角形状に形成されている。また、複数の第１流通孔２４は、軸方向から見て略蜂の巣状に規則的に並んでいる。ここで、本実施形態では、第１流通孔２４の内周面の１片（正六角形の１片）の長さが０．５ｍｍに設定されている。また、隣り合う第１流通孔２４の間の間隔は、０．２５ｍｍに設定されている。なお、多孔質層支持部１２において複数の第１流通孔２４が形成されている部分をハニカム部２６と呼ぶ。ここで、第１流通孔２４の内周面の１片（正六角形の１片）の長さは、後述する多孔質層１４の変形（多孔質層支持部１２側からの空気の圧力ｐ_ｓｇによる変形）を考慮して、０．５ｍｍ以下に設定するとよい。換言すると、第１流通孔２４の半径を０．５ｍｍ以下に設定するとよい。これにより、後述する多孔質層１４の変形が抑制され、多孔質層１４の変形によって当該多孔質層１４と後述するシャフト３４とが接触することを効果的に抑制することができる。

【0030】

また、多孔質層支持部１２は、ハニカム部２６の外周部から軸方向他方側（矢印Ｚ方向とは反対側）へ向けて突出する環状の外壁部２８を備えている。この外壁部２８の内周側に多孔質層１４が形成されている。

【0031】

図１及び図２に示されるように、多孔質層１４は、多孔質層支持部１２の外壁部２８の内周側においてハニカム部２６と一体に形成されている。この多孔質層１４には、多孔質層支持部１２のハニカム部２６に形成された複数の第１流通孔２４からからの空気が導入されると共にこの空気がハニカム部２６とは反対側の面３０から流出する第２流通部としての複数の第２流通孔３２が形成されている。なお、複数の第２流通孔３２は、後述するように第１流通孔２４と比べて極めて小さな孔である。

【0032】

図４に示されるように、以上説明した本実施形態の多孔質静圧空気軸受１０では、多孔質層支持部１２のハニカム部２６の軸方向一方側（矢印Ｚ方向側）の空気の圧力が所定の圧力に設定されている。その結果、多孔質層支持部１２のハニカム部２６の軸方向一方側の空気は、ハニカム部２６に形成された複数の第１流通孔２４の内部に導入される。複数の第１流通孔２４内に導入された空気は、軸方向他方側（矢印Ｚ方向とは反対側）へ向けて流れる。また、複数の第１流通孔２４内を軸方向他方側へ向けて流れた空気は、多孔質層１４に形成された複数の第２流通孔３２内に導入される。そして、複数の第２流通孔３２内に導入された空気は、多孔質層１４においてハニカム部２６とは反対側の面３０から流出する。この多孔質層１４においてハニカム部２６とは反対側の面３０から流出する空気によって、軸部材としてのシャフト３４が支持されるようになっている。

【0033】

（多孔質静圧空気軸受１０の製造方法）
次に、多孔質静圧空気軸受１０の製造方法について説明する。

【0034】

本実施形態の多孔質静圧空気軸受１０は、多孔質層１４（厚さ数百μｍ）と、多孔質層支持部１２が一体となっており、金属粉末焼結３Ｄプリンタを用いて製作した。これにより、多孔質静圧空気軸受１０の製造コストが増加することが抑制されている。

【0035】

本実施形態で用いた金属３Ｄプリンタは、金属粉末を半導体レーザ（スポット径約８０μｍ、最大出力５００Ｗ）により溶融させて焼結を行うが、多孔質静圧空気軸受１０の製作に使用した金属粉末はステンレス鋼の金属粉末である１７−４ＰＨ（ＳＵＳ６３０相当）、平均粒径は２０μｍである。３Ｄプリンタによる積層焼結のピッチは４０μｍとした。

【0036】

今回使用した３Ｄプリンタによる多孔質静圧空気軸受１０の製造においては、同時に複数個の多孔質静圧空気軸受１０を製造可能である。製造時間は、多孔質静圧空気軸受１０を４個同時製造の場合は約８時間、８個同時製造の場合は約１０時間である。

【0037】

本実施形態では、金属粉末にレーザを照射することで、多孔質層支持部１２を形成し（支持部形成工程）、多孔質層支持部１２上の金属粉末にレーザを照射することで、多孔質層支持部１２の軸方向他方側の面に沿って多孔質層１４を形成する（多孔質層形成工程）。金属３Ｄプリンタにより多孔質静圧空気軸受１０を製作した後、軸受下面（多孔質層支持部１２における多孔質層１４とは反対側の面）を研削加工し、その後、ワイヤ放電加工機を用いて多孔質層１４の表面をカットし、多孔質層１４を初期厚さの１０００μｍから任意の厚さｔｐに加工した。

【0038】

本実施形態で用いた金属３Ｄプリンタは、金属粉末を半導体レーザにより溶融させて造形を行うが、レーザ強度を調整することで、多孔質層１４と緻密部をそれぞれ製作することが可能である。多孔質静圧空気軸受１０の試作に際しては、多孔質層１４を製作するための最適レーザ強度を選定するため、レーザ強度を、２００Ｗから３００Ｗまで２５Ｗずつ変化させて造形を行い、比較を行った。レーザ走査速度は何れも２５００ｍｍ／ｓとした。以下の表１（Ｔａｂｌｅ１）にレーザの照射条件の一覧を、図５〜図９に、造形後の多孔質層１４の断面の顕微鏡写真を示す。

【0039】

【表1】

【0040】

図５に示すように、レーザ密度２５Ｊ／ｍｍ^３（２００Ｗ）や、図６に示すように、レーザ密度２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３（２２５Ｗ）では、断面に数十μｍの空孔（第２流通孔３２）が多く確認された。図５や図６に示すものは、多孔質層１４の断面写真であるため、空孔同士はつながっていないように見えるが、３次元的には空孔同士がつながっていると考えられ、多孔質層１４は通気性を有する。

【0041】

一方、図７に示すレーザ密度３１．２５Ｊ／ｍｍ^３（２５０Ｗ）、図８に示すレーザ密度３４．３７５Ｊ／ｍｍ^３（２７５Ｗ）、図９に示すレーザ密度３７．５Ｊ／ｍｍ^３（３００Ｗ）では断面に存在する空孔（第２流通孔３２）はわずかであり，通気性はほぼ無い。このことから、金属粉末として１７−４ＰＨ（ＳＵＳ６３０相当）を用いて多孔質層１４を製作するには、レーザ密度２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３（２２５Ｗ）以下とする必要があることがわかった。

【0042】

以上の結果により、多孔質層１４を製作する際のレーザ密度を、２５Ｊ／ｍｍ^３（２００Ｗ）および２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３（２２５Ｗ）として多孔質静圧空気軸受１０を製作し、３Ｄプリンタで製造後、多孔質層１４を初期の約１０００μｍから２００μｍカットして（多孔質層１４の厚さｔｐ＝約８００μｍ）、多孔質静圧空気軸受１０の開放流量を測定した。

【0043】

測定の結果、レーザ密度２５Ｊ／ｍｍ^３（２００Ｗ）では流量が５．８５ｌ／ｍｉｎ（ｐ_ｓｇ＝０．５ＭＰａ）であった。ここで、ｐ_ｓｇとは、多孔質層支持部１２のハニカム部２６の軸方向一方側（矢印Ｚ方向側）の空気の圧力（図４参照）のことである。また、レーザ密度２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３（２２５Ｗ）では流量が０．５５ｌ／ｍｉｎ（ｐ_ｓｇ＝０．５ＭＰａ）であった。今回試作した多孔質静圧空気軸受１０の外径（多孔質層１４の外径）は４０ｍｍであるが、外径４０ｍｍの市販品の多孔質静圧空気軸受の開放流量は１〜２ｌ／ｍｉｎ 程度であることから、レーザ密度２５Ｊ／ｍｍ^３（２００Ｗ）では流量が過大となる。以上の結果により、本実施形態では，多孔質層１４を製作するためのレーザ密度を２８．１２５Ｊ／ｍｍ^３（２２５Ｗ）に決定した。なお、多孔質層１４を支持する多孔質層支持部１２については、1 辺０．５ｍｍの六角形の穴（第１流通孔２４）から多孔質層１４に給気する。多孔質層支持部１２は通気性を持たない緻密構造とするため、レーザ密度は４０．６２５Ｊ／ｍｍ^３（３２５Ｗ）とて製作した。

【0044】

ところで、多孔質静圧空気軸受１０の特性は、軸受開放流量により大きく変化する。本実施形態で取り扱う多孔質静圧空気軸受１０では、多孔質層１４を通過する気体の流速が遅く粘性が支配的であるため、多孔質層１４を通過する気体の流れはＤａｒｃｙの法則に従うとすると、開放流量は多孔質層１４の厚さｔｐに反比例する。そのため、多孔質層１４の厚さｔｐを変化させることで、流量を調整することが可能となる。本実施形態では、多孔質層１４の厚さｔｐを、初期厚さである１０００μｍからワイヤ放電加工機によりカットして、市販品と同等の１〜２ｌ／ｍｉｎ程度の流量が得られるように調整した。そして、試験軸受（多孔質層厚さｔｐ＝約３００μｍ、軸受開放流量１．１４ｌ／ｍｉｎ：ｐ_ｓｇ＝０．６ＭＰａ）を製作した。なお、この試験軸受けの多孔質層１４は、レーザ密度２７．５Ｊ／ｍｍ^３（２２０Ｗ）で製作している。

【0045】

（多孔質静圧空気軸受１０の特性の評価）
次に、本実施形態の多孔質静圧空気軸受１０の特性の評価について説明する。

【0046】

図１０には、実験装置３６の概略図が示されている。この図に示されるように、試験軸受である多孔質静圧空気軸受１０は、軸受面を下向きとされた状態で天蓋部３８の一部を構成するバックメタル２２にボルト２０で固定されている。

【0047】

質量ｍ＝３．５ｋｇのシャフト３４は鉛直に置かれ、静圧空気ジャーナル軸受４０により非接触支持されている。このシャフト３４の下部はエアシリンダ４２となっており、エアシリンダ４２への給気圧力ｐｆを変化させることで試験軸受である多孔質静圧空気軸受１０に任意の負荷ｗを与えることができる。実験に際しては、軸受負荷ｗ［Ｎ］を変化させた際の軸受すきまｈ［μｍ］の変化量を静電容量型非接触変位計により測定した。軸受無次元負荷容量Ｗおよび無次元静剛性Ｋ_Ｓは、以下の式１、式２により求めた。Ａは軸受面積である。

【0048】

【数1】

【数2】

【0049】

図１１にｐ_ｓｇ＝０．４ＭＰａの場合の無次元軸受負荷容量Ｗおよび無次元静剛性Ｋ_Ｓの測定結果を示し、図１２にｐ_ｓｇ＝０．６ＭＰａの場合の無次元軸受負荷容量Ｗおよび無次元静剛性Ｋ_Ｓの測定結果を示す。これらの図に示すように、無次元軸受負荷容量Ｗはすきまｈの減少にともない増加し、無次元静剛性Ｋ_Ｓの値が最大となる最適軸受すきまは、ｈ＝３〜５μｍ程度、無次元静剛性Ｋ_Ｓの最大値は０．４程度であった。これらの軸受静特性は、市販されている多孔質静圧空気軸受とおおむね同程度の値であり、本実施形態で提案する軸受構造と金属３Ｄプリンタを用いた製造方法により、通常の製作方法より簡便に多孔質静圧空気軸受１０を製作できることが確認された。なお、ｐ_ｓｇ＝０．６ＭＰａの場合、軸受すきまｈ＝６．５〜１４μｍにおいて実験データが無いが、これはニューマティックハンマによりデータの取得が困難であったためである。

【0050】

（第２実施形態及び第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受）
以上説明したように、第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０においても、一般的な多孔質静圧空気軸受と同じく、給気圧や軸受すきまによっては、ニューマティックハンマが生じることが明らかとなった。以下、このニューマティックハンマが生じることを抑制した第２実施形態及び第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受について説明する。なお、第２実施形態及び第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受において、前述の多孔質静圧空気軸受１０と対応する部分には、当該多孔質静圧空気軸受１０と対応する部分と同一の符号を付して、その説明を省略することがある。

【0051】

図１３及び図１４に示されるように、第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４及び第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６は、多孔質層１４の内径部４８を焼結する際のレーザ強度と多孔質層１４の外径部５０を焼結する際のレーザ強度を変化させることで、多孔質層１４の通気率を内径部４８と外径部５０で変化させている。

【0052】

図１３に示された第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４では、多孔質層１４の内径部４８（直径２４．５ｍｍより内径側）の通気率（空気の通り易さ）が外径部５０より大きく（空気が通り易く）なるように焼結している。具体的には、多孔質層１４の内径部４８をレーザ密度２６．８７５Ｊ／ｍｍ^３（２１５Ｗ）で焼結し、多孔質層１４の外径部５０をレーザ密度２８．７５Ｊ／ｍｍ^３（２３０Ｗ）で焼結している。

【0053】

図１４に示された第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６では、多孔質層１４の外径部５０（直径２４．５ｍｍより外径側）の通気率（空気の通り易さ）が内径部４８より大きく（空気が通り易く）なるように焼結している。具体的には、多孔質層１４の内径部４８をレーザ密度２８．７５Ｊ／ｍｍ^３（２３０Ｗ）で焼結し、多孔質層１４の外径部５０をレーザ密度で２６．８７５Ｊ／ｍｍ^３（２１５Ｗ）焼結している。

【0054】

なお、多孔質静圧空気軸受４４、４６の試作においては、何れの軸受においても、軸受開放流量が０．８〜１．２ｌ／ｍｉｎ（吸気圧ｐ_ｓｇ＝０．６ＭＰａ）となるよう多孔質層１４の厚みをワイヤ放電加工機により加工して調節した。

【0055】

以上説明した多孔質静圧空気軸受４４、４６について、図１０に示された実験装置３６を用いて、前述と同様に無次元軸受負荷容量Ｗおよび無次元静剛性Ｋ_Ｓを測定した。

【0056】

また、多孔質静圧空気軸受４４、４６の動特性の実験においては、実験装置３６のシャフト３４の下部にインパルス荷重を与え、その際の自由振動波形を非接触変位計に接続したデジタルオシロスコープにより記録する。その自由振動波形により、振動周波数ｆ、対数減衰率δを求める。得られた値を以下の式３に代入し無次元減衰係数Ｂを、また以下の式４から無次元動剛性Ｋ_ｄを求める。

【0057】

【数3】

【数4】

【0058】

軸受静特性については、図１５に無次元軸受負荷容量Ｗおよび無次元静剛性Ｋ_Ｓの測定結果を示す。この図に示すように、前述の第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０（ＴｙｐｅＡ）については、軸受すきまｈ＝６．５〜１４μｍにおいてニューマティックハンマが生じたが、第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４（ＴｙｐｅＢ）および第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６（ＴｙｐｅＣ）においては、ニューマティックハンマは生じなかった。軸受静特性を比較すると、第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０に関しては、静剛性の値が最大となる最適軸受すきまはｈ＝３〜５μｍ、第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４および第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６はｈ＝５〜７μｍであり、第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４と第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６については、ほぼ同等の性能であった。なお、第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０については、軸受開放流量を多くすることで、無次元軸受負荷容量Ｗが増加し、最適軸受すきまｈを第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４および第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６と同等にすることは可能であるが、軸受開放流量を多くするとニューマティックハンマ発生すきま領域がさらに増加する可能性が高くなる。

【0059】

軸受動特性については、図１６に動特性の試験結果を示す。この図に示すように、無次元減衰係数Ｂの値を見ると、第１実施形態に係る多孔質静圧空気軸受１０においては、ｈ＝６．５〜１４μｍにおいてニューマティックハンマにより測定結果が得られていないが、ｈ＝６．５〜１４μｍにおいて無次元減衰係数Ｂが負の値になっていると考えらえられる。 一方、静特性試験においてニューマティックハンマは生じなかった第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４および第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６においては、すべての軸受すきまｈにおいて、無次元減衰係数Ｂが正の値であることがわかる。第２実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４４および第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６を比較すると、両者の静特性は同等であったが、無次元動剛性Ｋ_ｄや無次元減衰係数Ｂについては、第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６の方が高い値であり、第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６のほうが軸受動特性に優れるという結果となった。第３実施形態に係る多孔質静圧空気軸受４６は，多孔質層１４の内径部４８の通気率を外径部５０の通気率よりも低くしているが、軸受すきまの変動により生じる軸受すきまから多孔質層１４の内部への流入・流出流量が少なくなることで、高いスクイーズ効果が得られたものと考えられる。

【0060】

なお、以上説明した多孔質静圧空気軸受１０、４４、４６では、多孔質層支持部１２と多孔質層１４とを同じ金属粉末によって形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、多孔質層支持部１２と多孔質層１４とを互いに異なる金属粉末によって形成してもよい。

【0061】

また、以上説明した多孔質静圧空気軸受１０、４４、４６は、シャフト３４の軸方向の端部を支持するが、本発明は他のタイプの多孔質静圧空気軸受に適用することもできる。例えば、図１７及び図１８に示されるように、シャフト３４を径方向に支持する多孔質静圧空気軸受５２に本発明を適用することもできる。なお、多孔質静圧空気軸受５２において、前述の多孔質静圧空気軸受１０、４４、４６と対応する部分には、当該多孔質静圧空気軸受１０、４４、４６と対応する部分と同一の符号を付している。

【0062】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0063】

１０ 多孔質静圧空気軸受
１２ 多孔質層支持部（支持部）
１４ 多孔質層
２４ 第１流通孔（第１流通部）
３２ 第２流通孔（第２流通部）
４４ 多孔質静圧空気軸受
４６ 多孔質静圧空気軸受
５２ 多孔質静圧空気軸受

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】