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特開2023-183407空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法
(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】P2023183407
(43)【公開日】2023-12-27
(54)【発明の名称】空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法
(51)【国際特許分類】
F16C 32/06 20060101AFI20231220BHJP
F16C 41/00 20060101ALI20231220BHJP
F16C 35/10 20060101ALI20231220BHJP
B23B 19/02 20060101ALI20231220BHJP
【ＦＩ】
F16C32/06 C
F16C41/00
F16C35/10
B23B19/02 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023098503
(22)【出願日】2023-06-15
(31)【優先権主張番号】P 2022096482
(32)【優先日】2022-06-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り
(71)【出願人】
【識別番号】501141769
【氏名又は名称】株式会社ｉｎｄｕｓｔｒｉａ
(74)【代理人】
【識別番号】100199864
【弁理士】
【氏名又は名称】丹羽 良成
(72)【発明者】
【氏名】香川 利春
(72)【発明者】
【氏名】武石 桐生
(72)【発明者】
【氏名】高橋 一彰
【テーマコード（参考）】
3C045
3J102
3J217
【Ｆターム（参考）】
3C045FD14
3J102AA02
3J102BA03
3J102BA17
3J102BA18
3J102CA04
3J102CA11
3J102CA16
3J102CA32
3J102EA02
3J102EA06
3J102EA09
3J102EA13
3J102EB02
3J102EB03
3J102EB08
3J102EB16
3J102GA07
3J217JA03
3J217JA12
3J217JA22
3J217JB23
3J217JB26
3J217JB68
3J217JB88
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高速回転中にスピンドル主軸が傾いた場合、スピンドル主軸に働くジャイロ効果を補償し、高精度の加工を実現する。
【解決手段】スピンドル主軸と、スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段を備えた空気軸受スピンドルおよびその軸受圧力制御方法において、空気軸受手段はハウジングに取り付けられ、複数のラジアル空気軸受とスラスト空気軸受を備え、ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、スピンドル主軸との空気層の隙間に空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、距離センサはスピンドル主軸との距離に応じて圧力制御手段によりエアパッドに供給する圧力を増減させ、距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向に９０度ずらした位置のエアパッドの圧力を変更させることを特徴とする。
【選択図】図１０
【解決手段】スピンドル主軸と、スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段を備えた空気軸受スピンドルおよびその軸受圧力制御方法において、空気軸受手段はハウジングに取り付けられ、複数のラジアル空気軸受とスラスト空気軸受を備え、ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、スピンドル主軸との空気層の隙間に空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、距離センサはスピンドル主軸との距離に応じて圧力制御手段によりエアパッドに供給する圧力を増減させ、距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向に９０度ずらした位置のエアパッドの圧力を変更させることを特徴とする。
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スピンドル主軸と、該スピンドル主軸を収納するハウジングと、前記スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段と、空気を加圧装置、圧力レギュレータおよび圧力制御手段を介して前記空気軸受手段に供給する空気供給手段と、前記スピンドル主軸を回転させる回転駆動手段と、を備えた空気軸受スピンドルにおいて、
前記空気軸受手段は前記ハウジングに取り付けられ、前記スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受および前記スピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、
前記ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、前記スピンドル主軸との前記空気層の隙間に前記空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、前記距離センサは前記スピンドル主軸との距離に応じて前記圧力制御手段により前記エアパッドに供給する圧力を増減させ、前記距離センサと対応する前記エアパッドではなく、円周方向にずらした位置の前記エアパッドの圧力を変更させることを特徴とする空気軸受スピンドル。
前記空気軸受手段は前記ハウジングに取り付けられ、前記スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受および前記スピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、
前記ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、前記スピンドル主軸との前記空気層の隙間に前記空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、前記距離センサは前記スピンドル主軸との距離に応じて前記圧力制御手段により前記エアパッドに供給する圧力を増減させ、前記距離センサと対応する前記エアパッドではなく、円周方向にずらした位置の前記エアパッドの圧力を変更させることを特徴とする空気軸受スピンドル。
【請求項2】
前記ラジアル空気軸受のエアパッドは、前記ラジアル空気軸受が円周方向に沿って複数に区分された環状扇形となる立体形状であって、該区分された各エアパッドは前記スピンドル主軸と対向する面に複数の空気ノズルおよび前記空気ノズルに前記空気を供給する空気供給孔を備え、前記距離センサと接続された前記圧力制御手段により圧力制御された空気が供給される前記エアパッドは前記距離センサから円周方向に９０度ずらした前記エアパッドであることを特徴とする請求項１に記載の空気軸受スピンドル。
【請求項3】
前記圧力制御手段はダイヤフラム方式のパイロット弁であることを特徴とする請求項２に記載の空気軸受スピンドル。
【請求項4】
前記距離センサは圧力検出口を備えたノズルと前記スピンドル主軸の円周側面をフラッパとして構成されるノズルフラッパであり、前記ノズルと接続された前記パイロット弁により前記エアパッドに供給する空気圧を制御するセンサであって、前記ノズル先端と前記スピンドル主軸との距離が狭くなると、前記圧力制御手段により対応する前記ラジアル空気軸受のエアパッドに供給する圧力が低下または上昇し、前記ノズル先端と前記スピンドル主軸との距離が広くなると、前記圧力制御手段により対応する前記ラジアル空気軸受のエアパッドに供給する圧力が上昇または低下することを特徴とする請求項３に記載の空気軸受スピンドル。
【請求項5】
前記スラスト空気軸受のエアパッドは、前記スピンドル主軸と一体加工された厚板円盤形状のフランジの両面を空気層の隙間を介して対向する形状であって、前記フランジと対向する面には複数の空気ノズルおよび該空気ノズルに空気を供給する空気供給孔で構成される請求項４に記載の空気軸受スピンドル。
【請求項6】
前記空気軸受スピンドルに超音波発振装置を付加し空気軸受超音波スピンドルとしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の空気軸受スピンドル。
【請求項7】
前記距離センサの空気圧を計測することによって、スピンドル主軸の先端に取り付けた工具の負荷の状態を監視する請求項６に記載の空気軸受スピンドル。
【請求項8】
スピンドル主軸と、該スピンドル主軸を収納するハウジングと、前記スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段と、空気を加圧装置、圧力レギュレータおよび圧力制御手段を介して前記空気軸受手段に供給する空気供給手段と、前記スピンドル主軸を回転させる回転駆動手段と、を備えた空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法において、
前記空気軸受手段は前記ハウジングに取り付けられ、前記スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受と前記スピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、
前記ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、前記スピンドル主軸との空気層の隙間に前記空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、前記距離センサは前記スピンドル主軸との距離に応じて前記圧力制御手段により前記エアパッドに供給する圧力を増減させ、前記距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向にずらした位置の前記エアパッドの圧力を変更させることを特徴とする空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
前記空気軸受手段は前記ハウジングに取り付けられ、前記スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受と前記スピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、
前記ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、前記スピンドル主軸との空気層の隙間に前記空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、前記距離センサは前記スピンドル主軸との距離に応じて前記圧力制御手段により前記エアパッドに供給する圧力を増減させ、前記距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向にずらした位置の前記エアパッドの圧力を変更させることを特徴とする空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
【請求項9】
前記ラジアル空気軸受のエアパッドは、前記ラジアル空気軸受が円周方向に沿って複数に区分された環状扇形となる立体形状であって、該区分された各エアパッドは前記スピンドル主軸と対向する面に複数の空気ノズルおよび前記空気ノズルに前記空気を供給する空気供給孔を備え、前記距離センサと接続された前記圧力制御手段により圧力制御された空気が供給される前記エアパッドは前記距離センサから円周方向に９０度ずらした前記エアパッドであることを特徴とする請求項８に記載の空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
【請求項10】
前記圧力制御手段はダイヤフラム方式のパイロット弁であることを特徴とする請求項９に記載の空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
【請求項11】
前記距離センサは圧力検出口を備えたノズルと前記スピンドル主軸の円周側面をフラッパで構成されるノズルフラッパであり、前記ノズルと接続されたパイロット弁により前記エアパッドの圧力を制御するセンサであって、前記ノズル先端と前記スピンドル主軸との距離が狭くなると、前記圧力制御手段により対応する前記ラジアル空気軸受のエアパッドの圧力が低下または上昇し、前記ノズル先端と前記スピンドル主軸との隙間が広くなると、対応する前記ラジアル空気軸受のエアパッドの圧力が前記圧力制御手段により上昇または低下することを特徴とする請求項１０に記載の空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
【請求項12】
前記スラスト空気軸受のエアパッドは、前記スピンドル主軸と一体加工された厚板円盤形状のフランジの両面を空気層を介して対向する形状であって、前記フランジと対向する面には複数の空気ノズルおよび該空気ノズルに空気を供給する空気供給孔で構成される請求項８ないし１１のいずれかに記載の空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空気軸受を使用する空気軸受スピンドルに関し、詳しくは空気軸受スピンドルに使用するラジアル空気軸受の圧力制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体のウエハー、治具等の素材にはシリコン（Ｓｉ）やセラミック等の硬脆性の難削材料が多く使用されている。半導体の需要が高まる中、工作機械製造メーカにはＳｉ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の硬脆性材料の加工に関する生産性と精度向上の要求も高くなってきている。難削材料の加工（微細溝加工や面取り等）は、スピンドルに超音波振動器を備えた超音波スピンドルによる超音波振動切削加工が有効であり、図２４にその超音波スピンドルの構造を示す。
【0003】
図２４は転がり軸受を使用する超音波スピンドルの概略図である。図２４に示す超音波スピンドル１００は、スピンドル主軸１０３に圧電セラミックス（チタン酸ジルコン酸鉛）１０２を内蔵し、スピンドル主軸１０３全体が所定の周波数（例えば４０ｋＨｚ）で共振する構造になっている。そして、スピンドル主軸１０３は、２カ所の転がり軸受（玉軸受）１０１で支持されて回転する。
工具１０５（軸付砥石）は、焼きばめチャック１０４によりスピンドル主軸１０３に取り付けられ、スピンドル主軸１０３の回転はその後部端に取り付けられたモータ１０７により付与される。超音波発振器１０６およびモータ１０７の駆動は、それぞれ外部の専用電源より電力が供給されて駆動する。なお、図２４ではスピンドル主軸１０３を収納するハウジングは省略されている。
工具１０５（軸付砥石）は、焼きばめチャック１０４によりスピンドル主軸１０３に取り付けられ、スピンドル主軸１０３の回転はその後部端に取り付けられたモータ１０７により付与される。超音波発振器１０６およびモータ１０７の駆動は、それぞれ外部の専用電源より電力が供給されて駆動する。なお、図２４ではスピンドル主軸１０３を収納するハウジングは省略されている。
【0004】
上記硬脆性材料に対して超音波振動切削加工が有効であるが、以下の課題もある。
加工精度向上のためには超音波振動加工をさらに高速回転で実施する必要があるが、現状で使用している玉軸受１０１の軸受に使用される玉またはころの回転では限界があり、耐久性にも問題がある。
加工精度向上のためには超音波振動加工をさらに高速回転で実施する必要があるが、現状で使用している玉軸受１０１の軸受に使用される玉またはころの回転では限界があり、耐久性にも問題がある。
【0005】
すなわち、現状の超音波スピンドル１００は玉軸受１０１を使用しているため毎分数万回転が限界であり、高精度化が期待される毎分１０万回転を超えるのは難しい。さらに振動の影響等により、玉軸受１０１の消耗が激しく、金型加工や難削材加工で要求される長時間連続加工には不向きで、軸受メンテナンス等によるコスト高となり普及が阻害されている。
【0006】
その課題を解決するために、超音波スピンドルの玉軸受１０１を空気軸受に置換して、高速回転を実現し、さらに耐久性も向上させることができる。
すでに、特許文献１に示すように、玉軸受を空気軸受に置換する発明が提案されている。特許文献１の発明は、静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械である。スピンドル装置に供給する空気の圧力を上昇させ、温度調整装置により空気の温度を制御して圧力レギュレータに空気を供給するスピンドル装置である。供給する空気の圧力と温度を制御して、高精度な加工を安定して実現できる静圧空気軸受スピンドル装置としている。
すでに、特許文献１に示すように、玉軸受を空気軸受に置換する発明が提案されている。特許文献１の発明は、静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械である。スピンドル装置に供給する空気の圧力を上昇させ、温度調整装置により空気の温度を制御して圧力レギュレータに空気を供給するスピンドル装置である。供給する空気の圧力と温度を制御して、高精度な加工を安定して実現できる静圧空気軸受スピンドル装置としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１３－１０４４４９号文献
【特許文献2】特開昭５８－８１２１７号文献
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、スピンドル主軸を高速回転させた状態で、負荷等によりスピンドル主軸が傾いた場合には、回転軸には、ジャイロ効果により傾く方向と９０°ずれた方向に新たな力が働き、スピンドル回転軸が傾いた方向と異なる箇所の軸受の空気圧を制御する必要がある。このため、スピンドル主軸の傾く速度が速い場合には、回転軸がずれて正確な加工が難しくなる。
【0009】
ジャイロ効果を抑制してスピンドルの安定化を図る文献として、特許文献２に示す発明がある。特許文献２の発明は磁気軸受の制御に関するものであり、空気軸受の発明ではない。
また、磁気軸受の制御は、電気的に磁力を発生させるため、磁気軸受では空気軸受とは異なり構造が複雑で高価となる課題がある。
また、磁気軸受の制御は、電気的に磁力を発生させるため、磁気軸受では空気軸受とは異なり構造が複雑で高価となる課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、上記の課題を解決するもので、スピンドルの玉軸受を空気軸受に置換することにより、高速回転を実現させ、耐久性を向上させることができる。また、従来の玉軸受と同等の剛性とサイズを実現する。さらに、ジャイロモーメントの影響を抑制し、加工トルクに影響されない高精度な空気軸受を提供する。
【0011】
すなわち、本発明は、スピンドル主軸と、該スピンドル主軸を収納するハウジングと、スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段と、空気を加圧装置、圧力レギュレータおよび圧力制御手段を介して空気軸受手段に供給する空気供給手段と、スピンドル主軸を回転させる回転駆動手段と、を備えた空気軸受スピンドルにおいて、空気軸受手段はハウジングに取り付けられ、スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受とスピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、スピンドル主軸との空気層の隙間に空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、距離センサはスピンドル主軸との距離に応じて圧力制御手段によりエアパッドに供給する圧力を増減させ、距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向にずらした位置のエアパッドの圧力を変更させることを特徴とする空気軸受スピンドルである。
【0012】
このように構成することにより、ラジアル空気軸受によりスピンドル主軸はハウジングと接触することなく、高速回転させることができる。
【0013】
また、本発明のラジアル空気軸受のエアパッドは、ラジアル空気軸受が円周方向に沿って複数に区分された環状扇形となる立体形状であって、該区分された各エアパッドはスピンドル主軸と対向する面に複数の空気ノズルおよび空気ノズルに空気を供給する空気供給孔を備え、距離センサと接続された圧力制御手段により圧力制御された空気が供給されるエアパッドは前記距離センサから円周方向に９０度ずらしたエアパッドであることを特徴とする。
このように構成することにより、スピンドル主軸が傾いてジャイロ効果によりスピンドル主軸が異なる方向に傾いてもその傾きを抑制することができる。
このように構成することにより、スピンドル主軸が傾いてジャイロ効果によりスピンドル主軸が異なる方向に傾いてもその傾きを抑制することができる。
【0014】
また、圧力制御手段はダイヤフラム方式のパイロット弁であることを特徴とする。
このように構成することにより、距離センサの隙間の距離をエアパッドに供給する圧力に変換することができる。
このように構成することにより、距離センサの隙間の距離をエアパッドに供給する圧力に変換することができる。
【0015】
さらに、距離センサは圧力検出口を備えたノズルとスピンドル主軸の円周側面をフラッパとして構成されるノズルフラッパであり、ノズルと接続されたパイロット弁によりエアパッドに供給する空気圧を制御するセンサであって、ノズル先端とスピンドル主軸との距離が狭くなると、圧力制御手段により対応する空気軸受のエアパッドに供給する圧力が低下または上昇し、ノズル先端とスピンドル主軸との距離が広くなると、圧力制御手段により対応する空気軸受のエアパッドに供給する圧力が上昇または低下することを特徴とする。
このように構成することで、距離センサによって圧力を制御することによりスピンドル主軸の傾きを抑制することができる。
このように構成することで、距離センサによって圧力を制御することによりスピンドル主軸の傾きを抑制することができる。
【0016】
また、本発明のスラスト空気軸受のエアパッドは、スピンドル主軸と一体加工された厚板円盤形状のフランジの両面を空気層の隙間を介して対向する形状であって、フランジと対向する面には複数の空気ノズル、該空気ノズルに空気を供給する空気供給孔で構成されることを特徴とする。
このように構成することにより、スピンドル主軸の垂直方向に負荷が加わってもスピンドル主軸を安定させることができる。
このように構成することにより、スピンドル主軸の垂直方向に負荷が加わってもスピンドル主軸を安定させることができる。
【0017】
また、空気軸受スピンドルに超音波発振装置を付加し空気軸受超音波スピンドルとしたことを特徴とする。
このように構成することにより、空気軸受スピンドルに超音波による振動機能を追加し、高精度のスピンドル加工を実施することができる。
このように構成することにより、空気軸受スピンドルに超音波による振動機能を追加し、高精度のスピンドル加工を実施することができる。
【0018】
さらに、距離センサの空気圧を計測することによって、スピンドル主軸の先端に取り付けた工具の負荷の状態を監視することを特徴とする。
このように構成することにより、工具の摩耗状態を把握することができる。
このように構成することにより、工具の摩耗状態を把握することができる。
【0019】
また、本発明は、スピンドル主軸と、該スピンドル主軸を収納するハウジングと、スピンドル主軸を空気層を介して回転可能に支持する空気軸受手段と、空気を圧力制御手段を介して空気軸受手段に供給する空気供給手段と、スピンドル主軸を回転させる回転駆動手段と、を備えた空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法において、空気軸受手段はハウジングに取り付けられ、スピンドル主軸の直角方向の荷重を支える複数のラジアル空気軸受とスピンドル主軸方向の荷重を支えるスラスト空気軸受を備え、ラジアル空気軸受はスピンドル主軸との距離を計測する複数の距離センサと、スピンドル主軸との空気層の隙間に空気を供給して隙間の間隔を保持する複数に区分されるエアパッドを備え、距離センサはスピンドル主軸との距離に応じて圧力制御手段によりエアパッドに供給する圧力を増減させ、距離センサと対応するエアパッドではなく、円周方向にずらした位置のエアパッドの圧力を変更させること特徴とする空気軸受スピンドルの空気軸受圧力制御方法である。
【0020】
このようにスピンドルの空気軸受の圧力を制御することにより、ジャイロ効果によるスピンドル主軸の傾きを抑制することができる。
【発明の効果】
【0021】
以上、本発明によれば、スピンドルの玉軸受を空気軸受に置換して、玉軸受と同等以上の剛性とサイズを実現し、耐久性も向上させることができる。また、ジャイロモーメントを抑制し、加工による負荷に影響されない高精度なスピンドルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施形態に係る空気軸受スピンドルの外形図である。
【図11】空気軸受スピンドルを構成する空気軸受およびノズルフラッパの配置並びにパイロット弁を含めた空気圧回路を示す概略図である。
【図12】ノズルとフラッパ間の距離が広くなったときの圧力変化を説明する図である。
【図13】ノズルとプラッパ間の距離が狭くなったときの圧力変化を説明する図である。
【図14】ノズルフラッパおよびパイロット弁の構造概略図ならびに空気圧回路図である。
【図15】ノズルとフラッパ間が狭くなったときの空気軸受圧力が低下することを説明する図である。
【図16】ノズルとフラッパ間が広くなったときの空気軸受圧力が上昇することを説明する図である。
【図17】垂直方向の負荷に対するスラスト空気軸受の動作を説明する図である。
【図18】スラスト空気軸受のエアパッド径に対する垂直方向の荷重を保持する圧力値を示す図である。
【図19】ラジアル空気軸受の動作を説明する図である。
【図20】スピンドル径に対するラジアル方向の荷重を保持する圧力差を示す図である。
【図21】ジャイロ効果を補償する動作を説明する図である。
【図22】別のパイロット弁を使用したジャイロ効果を補償する動作を説明する図である。
【図23】ジャイロ効果を補償する空気軸受の動作フローである。
【図24】転がり軸受を使用する超音波スピンドルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の実施形態に係る空気軸受スピンドルについて図１～図８を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る空気軸受スピンドル１の外形図であり、図２は、図１に示す空気軸受スピンドル１の右側面図である。図３は図１に示す空気軸受スピンドル１の左側面図である。図４は、図３に示すＡ―Ａ切断面の空気軸受スピンドル１の断面図であり、図５は、図３に示すＢ―Ｂ切断面の空気軸受スピンドル１の断面図である。
図１は、本発明の実施形態に係る空気軸受スピンドル１の外形図であり、図２は、図１に示す空気軸受スピンドル１の右側面図である。図３は図１に示す空気軸受スピンドル１の左側面図である。図４は、図３に示すＡ―Ａ切断面の空気軸受スピンドル１の断面図であり、図５は、図３に示すＢ―Ｂ切断面の空気軸受スピンドル１の断面図である。
【0024】
図６は図５の断面図に示すＹ－Ｙ切断面のラジアル空気軸受２７の断面図である。図７は、図４の断面図左上部の円形囲み部に示すノズルフラッパ５７の拡大図であり、図８は、図５の断面図右側の円形囲み部に示すラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２９の拡大図である。
【0025】
図１に示す空気軸受スピンドル１は、複数に分割された略円筒状のハウジング１５（１）～１５（９）によって構成される。このスピンドル１のハウジング１５の内側に、２つのラジアル空気軸受２７および１つのスラスト空気軸受２９が取り付けられる。１つのラジアル空気軸受２７は４つのノズルフラッパ５７と組み合され、２つのラジアル空気軸受２７で計８個のノズルフラッパ５７を備える。
【0026】
ハウジング１５には、ラジアル空気軸受２７の空気圧制御に使用されるノズルフラッパ５７とパイロット弁５０との接続のためのパイロット弁制御圧力供給口１０、ノズルフラッパ５７に空気を供給するノズルフラッパ空気供給口１１、パイロット弁５０からラジアル空気軸受２７に圧力制御された空気を供給するラジアル空気軸受空気供給口１２、スラスト空気軸受２９に空気を供給する２か所のスラスト空気軸受空気供給口１３、ノズルフラッパ５７およびラジアル空気軸受２７ならびにスラスト空気軸受２９に供給された空気を排気する空気排気口１４が開口される。
【0027】
ラジアル空気軸受２７は、スピンドル主軸３３の直角方向の荷重を支え、スラスト空気軸受は、スピンドル主軸３３の軸方向の荷重を支える。これらの空気軸受によりスピンドル主軸３３が空気軸受の空気層を介して保持される。ラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２８は本発明では空気軸受手段に相当する。なお、本実施形態では１つのラジアル空気軸受２７には計８つのラジアル空気軸受空気供給口１２を備える。
ここで、空気層は、スピンドル主軸３３とラジアル空気軸受２７またはスラスト空気軸受２９との隙間のことで、空気が供給できる空間である。また、本発明で空気というとき、大気ではなく相対圧力（ゲージ圧力）を有する圧縮空気をいう。
さらに、超音波発振装置を適宜取り付けて空気軸受超音波スピンドルとすることもできる。
ここで、空気層は、スピンドル主軸３３とラジアル空気軸受２７またはスラスト空気軸受２９との隙間のことで、空気が供給できる空間である。また、本発明で空気というとき、大気ではなく相対圧力（ゲージ圧力）を有する圧縮空気をいう。
さらに、超音波発振装置を適宜取り付けて空気軸受超音波スピンドルとすることもできる。
【0028】
図２に示す右側面図には、後述するスピンドル主軸３３を回転させるビルトインルモータ３０に電力を供給する配線取出し口２０、各ハウジング１５をボルト等で連結する連結口２３が設けられる。
図３の左側面図には、各ハウジング１５を連結する連結口２３、４カ所のノズルフラッパ５７の空気供給孔３７の空気漏れを防ぐための埋め栓２４が形成されている。
なお、中央の開口部は工具取付口３１である。
図３の左側面図には、各ハウジング１５を連結する連結口２３、４カ所のノズルフラッパ５７の空気供給孔３７の空気漏れを防ぐための埋め栓２４が形成されている。
なお、中央の開口部は工具取付口３１である。
【0029】
図４は、図３に示すＡ－Ａ切断面による空気軸受スピンドル1の断面図である。
ハウジング１５（１）～（９）は、ボルト等で連結して固定され、その内側にスピンドル主軸３３が挿入される。
ハウジング１５（１）は、円盤状の厚板であり、中央に配線取出し口２０が穴あけされる。ハウジング１５（２）は、円筒状であり、スピンドル主軸３３とは広い隙間を設けて取り付けられる。
ハウジング１５（３）には、ラジアル空気軸受２７の空気圧を制御するためのノズルフラッパ５７が設けられ、ノズルフラッパ５７により空気軸受との隙間の距離を検知してパイロット弁５０に空気圧信号を伝える空気供給孔２６が設けられる。
ハウジング１５（１）～（９）は、ボルト等で連結して固定され、その内側にスピンドル主軸３３が挿入される。
ハウジング１５（１）は、円盤状の厚板であり、中央に配線取出し口２０が穴あけされる。ハウジング１５（２）は、円筒状であり、スピンドル主軸３３とは広い隙間を設けて取り付けられる。
ハウジング１５（３）には、ラジアル空気軸受２７の空気圧を制御するためのノズルフラッパ５７が設けられ、ノズルフラッパ５７により空気軸受との隙間の距離を検知してパイロット弁５０に空気圧信号を伝える空気供給孔２６が設けられる。
【0030】
ハウジング１５（４）の内部にラジアル空気軸受２７が固定される。ハウジング１５（４）は、断面逆Ｌ字形に形成され、この凹部にハウジング１５（５）とその内側にハウジング１５（６）の薄く加工された円筒形状が配置される。また、ハウジング１５（４）には、後述するように、ラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａに空気を供給するための空気供給孔３５（図５に示す）が形成される。
ハウジング１５（５）の内側には、ハウジング１５（６）を介してビルトインモータ３０のステータ３０ａが固定され、その内側にはスピンドル主軸３３にビルトインモータのロータ３０ｂが固定される。ビルトインモータ３０は、本発明の回転駆動手段に相当する。
なお、ハウジング１５（５）とハウジング１５（６）とを重ねるのは、ハウジング１５（６）の外周に複数の溝を形成することができ、それにビルトインモータ３０の熱を冷却するための冷却水を流すこともできる。
ハウジング１５（５）の内側には、ハウジング１５（６）を介してビルトインモータ３０のステータ３０ａが固定され、その内側にはスピンドル主軸３３にビルトインモータのロータ３０ｂが固定される。ビルトインモータ３０は、本発明の回転駆動手段に相当する。
なお、ハウジング１５（５）とハウジング１５（６）とを重ねるのは、ハウジング１５（６）の外周に複数の溝を形成することができ、それにビルトインモータ３０の熱を冷却するための冷却水を流すこともできる。
【0031】
ハウジング１５（６）には、スピンドル主軸３３のフランジ２８の一方の側にスラスト空気軸受２９が取り付けされ、ハウジング１５（８）には、フランジ２８の他方の側にもスラスト空気軸受２９が固定される。フランジ２８の外周にはフランジ２８が回転可能な状態でハウジング１５（７）が対向するように配置される。
また、ハウジング１５（８）の内側には、スラスト空気軸受２９と連続してラジアル空気軸受２７が配置される。さらに、ハウジング１５（８）には、スラスト空気軸受２９に空気を供給する空気供給孔３６が形成され、図５について後述するラジアル空気軸受２７に制御された空気圧を供給するための空気供給孔３５（図５に示す）が形成される。
また、ハウジング１５（８）の内側には、スラスト空気軸受２９と連続してラジアル空気軸受２７が配置される。さらに、ハウジング１５（８）には、スラスト空気軸受２９に空気を供給する空気供給孔３６が形成され、図５について後述するラジアル空気軸受２７に制御された空気圧を供給するための空気供給孔３５（図５に示す）が形成される。
【0032】
ハウジング１５（９）には、ハウジング１５（３）と同じように、ラジアル空気軸受２７の空気圧を制御するためのノズルフラッパ５７が設けられ、ノズルフラッパ５７により軸受との隙間を検知してパイロット弁５０に空気圧信号を伝える空気供給孔２６が設けられる。
スピンドル主軸３３の左端部（使用時は下方となる）には、工具が取り付けられる工具取付口３１が形成される。なお、工具の摩耗状態は距離センサの空気圧により、工具の負荷の状態として把握することができる。
スピンドル主軸３３の左端部（使用時は下方となる）には、工具が取り付けられる工具取付口３１が形成される。なお、工具の摩耗状態は距離センサの空気圧により、工具の負荷の状態として把握することができる。
【0033】
図５は、図４と同じスピンドルの断面図であるが、図４の切断面とは２２．５度の角度差がある。ここで、切断面Ｂ－Ｂは、切断面Ａ－Ａとは６７．５度の角度差があるが、図４の断面図は９０度回転しても同じ断面図となることから、２２．５度の角度差と同じとなる。
図５は、ハウジング１５（３）およびハウジング１５（９）にノズルフラッパが記載されていないこと、ハウジング１５（４）および１５（８）に、ラジアル空気軸受２７に圧力制御された空気を供給する空気供給孔３５が形成されていることで、図４の断面図と相違する。
また、ハウジング１５（８）のスラスト空気軸受２９への空気供給孔３６の記載がない。
それ以外については、図４と同じ断面図となっているので説明は省略する。
図５は、ハウジング１５（３）およびハウジング１５（９）にノズルフラッパが記載されていないこと、ハウジング１５（４）および１５（８）に、ラジアル空気軸受２７に圧力制御された空気を供給する空気供給孔３５が形成されていることで、図４の断面図と相違する。
また、ハウジング１５（８）のスラスト空気軸受２９への空気供給孔３６の記載がない。
それ以外については、図４と同じ断面図となっているので説明は省略する。
【0034】
図６は、図５のＹ－Ｙ切断面によるラジアル空気軸受２７の断面図である。８つのラジアル空気軸受空気供給口１２と空気供給孔３５が円周回りに配置され、その空気供給孔３５はラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａに形成された８つの空気ノズル３２が接続される。
【0035】
図６の断面図は外側から中心に向かって、ハウジング１５（５）、ハウジング１５（６）およびハウジング１５（４）、ラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａおよびスピンドル主軸３３となっており、ラジアル空気軸受２７とスピンドル主軸３３とは隙間を介して回転可能な状態で軸受に保持される。空気供給孔３５は、３つのハウジング１５（５）、１５（６）および１５（４）を貫通するように穿孔され、空気ノズル３２に接続される。また、複数のハウジング１５を組み立てるボルト等を通す連結孔２５が形成される。
なお、エアパッド２７ａとパイロット弁５０の制御圧力空気との接続は図１０で後述する。
なお、エアパッド２７ａとパイロット弁５０の制御圧力空気との接続は図１０で後述する。
【0036】
図７は、ノズルフラッパ５７およびパイロット弁５０への空気圧信号を伝達する空気供給孔３７および２６の拡大図である。その機能は後述する。ノズルフラッパ空気供給口１１から空気が供給され、ノズルフラッパ５７のノズル５７ａの先端とスピンドル主軸３３との隙間の変化を空気圧信号に変換して、その信号を空気供給孔３７および２６を介して、パイロット弁制御圧力供給口１０よりパイロット弁５０に接続される。パイロット弁５０により圧力制御された空気がラジアル空気軸受２７（図７には記載なし）の図６に示すエアパッド２７ａの空気ノズル３２に供給される。
なお、ノズルフラッパ５７はハウジング１５（９）に埋め込まれ、空気供給孔３７および２６はハウジング１５（９）に穿孔され、接続されない開口部には埋め栓２４が挿入される。
なお、ノズルフラッパ５７はハウジング１５（９）に埋め込まれ、空気供給孔３７および２６はハウジング１５（９）に穿孔され、接続されない開口部には埋め栓２４が挿入される。
【0037】
図８は、図５の断面図の円形囲み部の拡大図であり、ラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２９の拡大図である。スピンドル主軸３３のフランジ２８を図に示す左右を取り囲むようにスラスト空気軸受２９が、スピンドル主軸３３が回転可能なようにハウジング１５（６）およびハウジング１５（８）に取付られる。フランジ２８の円周外側には、ハウジング１５（７）がフランジ２８には接触しないが、スラスト空気軸受２９の左右のエアパッド２９ａには接触するように固定されている。
スラスト空気軸受２９に空気を供給する空気供給孔３６は、切断面の角度により表れていないが、図１に示す２つのスラスト空気軸受空気供給口１３から空気が供給される。
図８に示すスラスト空気軸受２９と連続してラジアル空気軸受２７が配置されるが、ラジアル空気軸受２７の構成は、図６に示すラジアル空気軸受２７の断面図と同じである。
スラスト空気軸受２９に空気を供給する空気供給孔３６は、切断面の角度により表れていないが、図１に示す２つのスラスト空気軸受空気供給口１３から空気が供給される。
図８に示すスラスト空気軸受２９と連続してラジアル空気軸受２７が配置されるが、ラジアル空気軸受２７の構成は、図６に示すラジアル空気軸受２７の断面図と同じである。
【0038】
ここで、ラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａは、スピンドル主軸３３の回りを囲む環状のバームクーヘン形の立体形状を複数に区分した形状である。なお、以下では、エアパッドは、例えば４つまたは２つの区分された環状扇形の立体形状と説明している。
図６に示すラジアル空気軸受２７の区分された各エアパッドのスピンドル主軸３３と対向する面には空気ノズル３２が複数配置され、ラジアル空気軸受空気供給口１２、空気供給孔３５を介して空気が供給される。
図６に示すラジアル空気軸受２７の区分された各エアパッドのスピンドル主軸３３と対向する面には空気ノズル３２が複数配置され、ラジアル空気軸受空気供給口１２、空気供給孔３５を介して空気が供給される。
【0039】
また、図８に示すラジアル空気軸受２７の各エアパッドのスピンドル主軸３３と対向する面にも空気ノズル３２が複数構成され、空気供給孔３５を介してパイロット弁５０から圧力が制御された空気が供給される。
このように、ラジアル空気軸受２７の各エアパッド２７ａとスピンドル主軸３３の隙間に空気が供給され、圧力が制御された空気によりスピンドル主軸３３が保持される。
このように、ラジアル空気軸受２７の各エアパッド２７ａとスピンドル主軸３３の隙間に空気が供給され、圧力が制御された空気によりスピンドル主軸３３が保持される。
【0040】
図８に示すスラスト空気軸受２９は、スピンドル主軸３３と一体成形された円盤状のフランジ２８の両面と対向するように２つのエアパッド２９ａから構成され、フランジ２８と対向する面には複数の空気ノズル３２が形成され、空気供給孔３６からの一定圧力の空気が供給される。
なお、スラスト空気軸受２９のエアパッドは、環状の立体形状であるが、ラジアル空気軸受２７のように区分されていないためエアパッド２９ａとフランジ２８の圧力分布はほぼ同一ある。
また、ラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２９の複数の空気ノズル３２は、本実施形態ではいずれも周知の自成り絞り弁で構成される。
なお、スラスト空気軸受２９のエアパッドは、環状の立体形状であるが、ラジアル空気軸受２７のように区分されていないためエアパッド２９ａとフランジ２８の圧力分布はほぼ同一ある。
また、ラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２９の複数の空気ノズル３２は、本実施形態ではいずれも周知の自成り絞り弁で構成される。
【0041】
図９は、図５に示す断面図に空気圧供給源６４およびパイロット弁５０との空気圧回路を説明する図である。パイロット弁５０は、２つのラジアル空気軸受２７に計８つのパイロット弁５０で構成されるが、４つのパイロット弁５０は省略している。
空気圧供給源６４から断面図に示すノズルフラッパ５７、スラスト空気軸受２９および４つのパイロット弁に空気が供給される。パイロット弁５０は、断面図に示すノズルフラッパ５７の圧力信号を受け、圧力制御された空気をラジアル空気軸受２７に供給する。
空気圧供給源６４から断面図に示すノズルフラッパ５７、スラスト空気軸受２９および４つのパイロット弁に空気が供給される。パイロット弁５０は、断面図に示すノズルフラッパ５７の圧力信号を受け、圧力制御された空気をラジアル空気軸受２７に供給する。
【0042】
図１０は、図６に示す断面図にノズルフラッパ５７（断面図には表れないが取付位置を四角枠により示す）、パイロット弁５０およびラジアル空気軸受２７の８つの空気供給孔３５との空気圧回路を示す。
空気圧供給源６４から各パイロット弁５０に空気が供給され、パイロット弁５０がノズルフラッパ５７の圧力信号を受け、圧力制御された空気をノズルフラッパ５７の位置からずらした２つの空気供給孔３５に供給する。ノズルフラッパ５７の位置から２つの空気供給孔３５の中心までの角度は時計回りに９０度ずれている。
空気圧供給源６４から各パイロット弁５０に空気が供給され、パイロット弁５０がノズルフラッパ５７の圧力信号を受け、圧力制御された空気をノズルフラッパ５７の位置からずらした２つの空気供給孔３５に供給する。ノズルフラッパ５７の位置から２つの空気供給孔３５の中心までの角度は時計回りに９０度ずれている。
【0043】
なお、パイロット弁５０から圧力制御された空気が供給される空気供給孔３５は、１つでもよいが本実施形態では２つとしている。その２つの空気供給孔３５の角度差は４５度である。すなわち、８つの空気供給孔３５は４５度の等間隔で配置される、
このように、本発明はスピンドル主軸３３に負荷がかかり変位したとき、変位をうけた方向から９０度ずらしたラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａの圧力を変化させることにより、ジャイロ効果を抑制する。変位方向から９０度ずらした方向のエアパッド２７ａの空気圧を制御するものである
このように、本発明はスピンドル主軸３３に負荷がかかり変位したとき、変位をうけた方向から９０度ずらしたラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａの圧力を変化させることにより、ジャイロ効果を抑制する。変位方向から９０度ずらした方向のエアパッド２７ａの空気圧を制御するものである
【0044】
次に、本発明のラジアル空気軸受２７とノズルフラッパ５７との関係について説明する。
図１１は、空気軸受スピンドル１を構成するラジアル空気軸受２７およびノズルフラッパ５７の配置ならびにパイロット弁５０を含めた空気圧回路を示す概略図である。
図１０とは異なり、図１１では、パイロット弁５０の圧力制御された空気の空気供給孔３５は記載しておらず、その個数も本実施形態の数と異なる。
図１１は、空気軸受スピンドル１を構成するラジアル空気軸受２７およびノズルフラッパ５７の配置ならびにパイロット弁５０を含めた空気圧回路を示す概略図である。
図１０とは異なり、図１１では、パイロット弁５０の圧力制御された空気の空気供給孔３５は記載しておらず、その個数も本実施形態の数と異なる。
【0045】
ラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａは、以下では４つまたは２つに区分された状態として説明するが、本実施形態では、ラジアル空気軸受２７は複数に分割されていない。
ここで、「複数に区分される」という場合、ラジアル空気軸受２７がノズルフラッパ５７またはパイロット弁５０の個数に合わせ、複数のエアパッド２７ａに仮想的に分割される状態をいう。すなわち、区分されたエアパッド２７ａに供給される圧力制御された空気圧は、エアパッド２７ａ毎に異なり、そのエアパッド２７ａに対応するパイロット弁５０に制御される空気圧となる。
また、パイロット弁５０から供給される圧力制御された空気は、単独の空気供給孔３５の場合もあるが、本実施形態では２つの空気供給孔３５に、また複数の空気供給孔３５に供給することもできる。
ここで、「複数に区分される」という場合、ラジアル空気軸受２７がノズルフラッパ５７またはパイロット弁５０の個数に合わせ、複数のエアパッド２７ａに仮想的に分割される状態をいう。すなわち、区分されたエアパッド２７ａに供給される圧力制御された空気圧は、エアパッド２７ａ毎に異なり、そのエアパッド２７ａに対応するパイロット弁５０に制御される空気圧となる。
また、パイロット弁５０から供給される圧力制御された空気は、単独の空気供給孔３５の場合もあるが、本実施形態では２つの空気供給孔３５に、また複数の空気供給孔３５に供給することもできる。
【0046】
図１１の下部に示す図は、空気軸受スピンドル１の２つのラジアル空気軸受２７およびスラスト空気軸受２９の配置を横から見た概略図であり、図１１の上部に示す図はラジアル空気軸受２７の配置を上から見た概略図である。また、図１１は、ラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａおよびノズルフラッパ５７のノズル５７ａにパイロット弁５０が接続されていること、およびその位置関係を示す。
【0047】
図１１では、１つのラジアル空気軸受２７は４つのエアパッド２７ａに区分され、各エアパッド２７ａに対応したノズル５７ａにより、スピンドル主軸３３との隙間を計測し、その隙間に対応した圧力によりエアパッド２７ａの空気圧は制御される。
【0048】
このエアパッド２７ａには空気を溜める空気供給孔（空気溜室）３５を図６に示すように備え、空気供給孔３５にパイロット弁５０により圧力制御された空気が供給される。エアパッド２７ａにはスピンドル主軸３３に対向する側に、スピンドル主軸３３を保持するのに適した複数の空気ノズル（自成り絞り弁）３２を備え、これにより軸受と主軸との隙間近傍部分を細くした給気経路と軸受隙間とで形成され、複数のエアパッドで構成した仮想的な円筒面で絞り効果を得る軸受である。
【0049】
ノズル５７ａからパイロット弁５０に空気圧回路が接続され、パイロット弁５０からパイロット弁５０と同じ位置にあるエアパッド２７ａではなく、円周方向に９０度ずらしたエアパッド２７ａに接続される。９０度ずらしたエアパッド２７ａに圧力制御された空気を供給することによりジャイロ効果を抑制し、スピンドル主軸３３の動作を安定化させる。
また、スラスト空気軸受２９は、スピンドル主軸３３に厚板円盤状のフランジ２８が形成され、スピンドル主軸３３に形成されたフランジ２８の円周部全体を上下両側から空気層により支持する軸受であり、フランジと対向するエアパッド２９ａの面には、ラジアル空気軸受２７と同様に空気ノズル（自成り絞り弁）３２が複数設けられる。
この空気ノズル３２とフランジ２８との間に空気層を形成してスピンドル主軸３３を保持する。
また、スラスト空気軸受２９は、スピンドル主軸３３に厚板円盤状のフランジ２８が形成され、スピンドル主軸３３に形成されたフランジ２８の円周部全体を上下両側から空気層により支持する軸受であり、フランジと対向するエアパッド２９ａの面には、ラジアル空気軸受２７と同様に空気ノズル（自成り絞り弁）３２が複数設けられる。
この空気ノズル３２とフランジ２８との間に空気層を形成してスピンドル主軸３３を保持する。
【0050】
次に、ノズルフラッパ５７による圧力制御について説明する。
図１２は、ノズルプラッパ５７のノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離（隙間）が広くなったときの圧力変化を説明する図である。
ノズル５７ａの先端には、フラッパ５７ｂが隙間を介して対向する。ノズル５７ａには一定圧（供給圧Ｐｓ）の空気が供給され、フラッパ５７ｂとの距離によりノズル５７ａ先端より放出される空気の流出量（Ｇｅ）が変化する。ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離によりノズル５７ａ内の圧力（出力圧Ｐｃ）は変化する。この出力圧を圧力検出口を介してパイロット弁５０に接続する。
図１２は、ノズルプラッパ５７のノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離（隙間）が広くなったときの圧力変化を説明する図である。
ノズル５７ａの先端には、フラッパ５７ｂが隙間を介して対向する。ノズル５７ａには一定圧（供給圧Ｐｓ）の空気が供給され、フラッパ５７ｂとの距離によりノズル５７ａ先端より放出される空気の流出量（Ｇｅ）が変化する。ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離によりノズル５７ａ内の圧力（出力圧Ｐｃ）は変化する。この出力圧を圧力検出口を介してパイロット弁５０に接続する。
【0051】
図１２の上に示す図からのノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が広くなると、ノズル５７ａ先端からの流出量が増加するため、図１２の下の図に示すように出力圧Ｐｃが低下する。この出力圧が後述するパイロット弁５０に伝えられ、パイロット弁５０により空気圧が制御される。
【0052】
図１３は、ノズルとフラッパ間の距離が狭くなるときの圧力変化を説明する図である。
図１３は、図１２と同様の図であるため、重複する箇所の説明は省略する。ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が狭くなると、ノズル５７ａ先端からの流出する空気流量が減少するので、ノズル５７ａ内の出力圧が上昇する。
なお、本発明では、フラッパ５７ｂはスピンドル主軸３３の円周側面に相当し、ノズルフラッパ５７はスピンドル主軸３３の円周側面との距離（隙間）を圧力変化に変換する機能を備える。
図１３は、図１２と同様の図であるため、重複する箇所の説明は省略する。ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が狭くなると、ノズル５７ａ先端からの流出する空気流量が減少するので、ノズル５７ａ内の出力圧が上昇する。
なお、本発明では、フラッパ５７ｂはスピンドル主軸３３の円周側面に相当し、ノズルフラッパ５７はスピンドル主軸３３の円周側面との距離（隙間）を圧力変化に変換する機能を備える。
【0053】
次に、ノズルフラッパ５７のノズルとフラッパ間の距離に応じてパイロット弁による空気軸受の空気圧制御について説明する。
図１４は、ノズルフラッパ５７とパイロット弁５０の構造概略図および空気圧回路図である。図１５は、ノズルとフラッパ間の距離が狭くなったときの空気溜室（空気軸受）６３の圧力が低下することを説明する図であり、図１６は、ノズルとフラッパ間の距離が広くなったときの空気溜室６３の圧力が上昇することを説明する図である。
なお、空気軸受(空気溜室)６３は、空気供給孔（ラジアル空気軸受）３５に相当する。
図１４は、ノズルフラッパ５７とパイロット弁５０の構造概略図および空気圧回路図である。図１５は、ノズルとフラッパ間の距離が狭くなったときの空気溜室（空気軸受）６３の圧力が低下することを説明する図であり、図１６は、ノズルとフラッパ間の距離が広くなったときの空気溜室６３の圧力が上昇することを説明する図である。
なお、空気軸受(空気溜室)６３は、空気供給孔（ラジアル空気軸受）３５に相当する。
【0054】
図１４に示すパイロット弁５０は、第１～第４の圧力室５９～６２で構成される。図１４に示すように、パイロット弁５０の第２の圧力室６０とノズルフラッパ５７が接続され、パイロット弁５０の第３の圧力室６１が空気軸受の空気溜室６３と接続される。パイロット弁５０に他の３つの圧力室５９、６０および６２は空気圧供給源６４と接続され、大気圧より高い圧力の空気が供給される。空気圧供給源６４は、空気を圧縮するコンプレッサ（加圧装置）、圧力レギュレータにより構成され一定圧に制御される空気供給手段である。また、パイロット弁５０は、本発明の圧力制御手段である。
なお、空気軸受からは空気が流出し、パイロット弁５０からも大気に空気が排出されるため、圧力レギュレータにより、空気圧供給源の供給圧を一定圧に保つ。
なお、空気軸受からは空気が流出し、パイロット弁５０からも大気に空気が排出されるため、圧力レギュレータにより、空気圧供給源の供給圧を一定圧に保つ。
【0055】
パイロット弁５０の第１の圧力室５９と第２の圧力室６０の間はダイヤフラム５１で仕切られている。ダイヤフラム５１にはその中央に円筒形状の排気弁５２が固定され、ダイヤフラム５１の圧力による変化に伴い排気弁５２が一体となって移動（図１４では上下となる）する。排気弁５２は、第１圧力室５９および第２の圧力室６０の仕切りを摺動可能となるように、またそれらの圧力室の空気が漏れないように組立てられる。
【0056】
排気弁５２は、その円筒形状の一方は大気に開放（排出）され、他方は主弁５３の排気弁部５４と接触している。排気弁部５４は、主弁５３の一方に形成されたほぼ球形の弁体であって、排気弁５２と接触しているときは、排気弁５２と排気弁部５４の間は空気が遮断される。
【0057】
主弁５３の他方には半球状の給気弁部５５が形成され、給気弁部５５の半球状の平面側にはスプリングコイル５６が固定される。スプリングコイル５６の他方は第４の圧力室６２の仕切りに固定される。
スプリングコイル５６により給気弁部５５は図面の上方に付勢され、第３の圧力室６１と第４の圧力室６２の仕切りの中央の貫通孔に接触している。給気弁部５５が第３の圧力室６１と第４の圧力室６２の仕切りに接触しているときは、空気の流通が遮断される。
スプリングコイル５６により給気弁部５５は図面の上方に付勢され、第３の圧力室６１と第４の圧力室６２の仕切りの中央の貫通孔に接触している。給気弁部５５が第３の圧力室６１と第４の圧力室６２の仕切りに接触しているときは、空気の流通が遮断される。
【0058】
図１５および図１６を参照して、ノズルフラッパ５７のノズルとフラッパ間の距離が変化したときの空気溜室６３の圧力変化について説明する。
図１５は、ノズルフラッパ（本発明では空気式距離センサという）５７のノズル５７ａとフラッパ（スピンドル主軸３３の円周側面）５７ｂとの距離が狭くなった時の空気溜室６３の圧力低下を説明する図である。
図１５は、ノズルフラッパ（本発明では空気式距離センサという）５７のノズル５７ａとフラッパ（スピンドル主軸３３の円周側面）５７ｂとの距離が狭くなった時の空気溜室６３の圧力低下を説明する図である。
【0059】
すなわち、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が狭くなると、スピンドル主軸３３がノズル５７ａ方向に傾いたことになり、すなわち、負荷が加わったことになりスピンドル主軸３３を元に戻すようエアパッドの圧力を低下させる必要がある（詳細は後述する）。
圧力を低下させるために、次のような工程となる。
（Ａ）ノズルフラッパ５７のノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が狭くなると、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ、すなわちスピンドル主軸３３との距離が短くなることでノズル５７ａから空気の放出が遮られ、ノズル５７ａ内の圧力が上昇する。
（Ｂ）ノズル５７ａ内の圧力が上昇すると、パイロット弁５０の第２の圧力室６０の圧力が上昇する。パイロット弁５０の第２の圧力室６０と第１の圧力室５９の中央にあるダイヤフラム５１は２つの圧力室５９および６０の圧力差からダイヤフラム５１が図１５に示す上方に撓む。
圧力を低下させるために、次のような工程となる。
（Ａ）ノズルフラッパ５７のノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離が狭くなると、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ、すなわちスピンドル主軸３３との距離が短くなることでノズル５７ａから空気の放出が遮られ、ノズル５７ａ内の圧力が上昇する。
（Ｂ）ノズル５７ａ内の圧力が上昇すると、パイロット弁５０の第２の圧力室６０の圧力が上昇する。パイロット弁５０の第２の圧力室６０と第１の圧力室５９の中央にあるダイヤフラム５１は２つの圧力室５９および６０の圧力差からダイヤフラム５１が図１５に示す上方に撓む。
【0060】
（Ｃ）ダイヤフラム５１が上方に撓むと、ダイヤフラム５１に固定して取付られた排気弁５２が上方に移動する。排気弁５２の下部先端の主弁５３の上部に形成されているほぼ球状の排気弁部５４は、主弁５３の下部の給気弁部５５がプリングコイル５６により上方に付勢されているが、主弁５３の下部の給気弁部５５が圧力室６１と圧力室６２の空気流通孔と接触しているため、主弁５３は上方には移動できない。
【0061】
（Ｄ）主弁５３の給気弁部５５が上方には移動できないため、主弁５３の上部に形成されているほぼ球状の排気弁部５４も上方には移動ができない。
ダイヤフラム５１が上方へ撓むため、排気弁５２は、そのまま上方に移動する。排気弁５２と排気弁部５４が離合し、排気弁５２の下部と排気弁部５４との間から空気が大気に流出する。
（Ｅ）第３の圧力室６１は、空気軸受の空気溜室６３と接続されており、第３の圧力室６１の空気が大気に流出し、空気溜室６３の空気は圧力室６１を通して大気に排気され、空気溜室６３の圧力が低下する。
これにより、ノズル５７ａとスピンドル主軸３３との距離が狭くなると、空気溜室６３の圧力室の圧力が低下する。
ダイヤフラム５１が上方へ撓むため、排気弁５２は、そのまま上方に移動する。排気弁５２と排気弁部５４が離合し、排気弁５２の下部と排気弁部５４との間から空気が大気に流出する。
（Ｅ）第３の圧力室６１は、空気軸受の空気溜室６３と接続されており、第３の圧力室６１の空気が大気に流出し、空気溜室６３の空気は圧力室６１を通して大気に排気され、空気溜室６３の圧力が低下する。
これにより、ノズル５７ａとスピンドル主軸３３との距離が狭くなると、空気溜室６３の圧力室の圧力が低下する。
【0062】
ここで、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の隙間が狭くなれば、フラッパすなわちスピンドル主軸３３を押し返そうとして、空気溜室６３（ここではスピンドル主軸３３と対応しているエアパッド２７ａ）の圧力が上昇した方がよいと考えられるが、本発明はジャイロモーメントを考慮しているので、ノズルフラッパ５７とは９０度回転した方向になるエアパッドの圧力を低下させるよう制御される。
【0063】
図１６は、ノズルフラッパ５７のノズル５７ａとスピンドル主軸３３との距離が広くなった時の軸受圧力上昇の動作を説明する図である。
図１５の説明とほぼ同じ内容となるが、排気弁５２および主弁５３の移動する方向が逆になる。
図１５の説明とほぼ同じ内容となるが、排気弁５２および主弁５３の移動する方向が逆になる。
【0064】
（Ａ）ノズルフラッパ５７のノズル５７ａとスピンドル主軸３３間の距離（隙間）が広くなると、ノズル５７ａとスピンドル主軸３３との距離が広くなるためノズル５７ａから空気が放出され、ノズル５７ａ内の圧力が低下する。
（Ｂ）ノズル５７ａ内の圧力が低下すると、パイロット弁５０の第２の圧力室６０の圧力が低下する。パイロット弁５０の第２の圧力室６０と第１の圧力室５９の中央にあるダイヤフラム５１は、第１の圧力室５９および第２の圧力室６０の圧力差から下方に撓む。
（Ｃ）ダイヤフラム５１が下方に撓むと、ダイヤフラム５１と一体となった排気弁５２も下方に移動する。排気弁５２の下部先端に主弁５３の上部に形成されている球状の排気弁部５４が接触しているため、主弁５３も下方に移動する。
（Ｂ）ノズル５７ａ内の圧力が低下すると、パイロット弁５０の第２の圧力室６０の圧力が低下する。パイロット弁５０の第２の圧力室６０と第１の圧力室５９の中央にあるダイヤフラム５１は、第１の圧力室５９および第２の圧力室６０の圧力差から下方に撓む。
（Ｃ）ダイヤフラム５１が下方に撓むと、ダイヤフラム５１と一体となった排気弁５２も下方に移動する。排気弁５２の下部先端に主弁５３の上部に形成されている球状の排気弁部５４が接触しているため、主弁５３も下方に移動する。
【0065】
ここで、主弁５３の下部の給気弁部５５は、給気弁部５５の平面側下にスプリングコイル５６が結合され、スプリングコイル５６により主弁５３は上方に付勢されているため、通常、給気弁部５５の上部先端部と圧力室６１と圧力室６２の空気流通孔とが密閉し、空気の流通を遮断している。
（Ｄ）ダイヤフラム５１の移動により主弁５３が下方に移動すると、主弁５３の下部に形成されている半球状の給気弁部５５もスプリングコイル５６のバネ力に逆らって下方に移動する。
（Ｄ）ダイヤフラム５１の移動により主弁５３が下方に移動すると、主弁５３の下部に形成されている半球状の給気弁部５５もスプリングコイル５６のバネ力に逆らって下方に移動する。
【0066】
第３の圧力室６１と第４の圧力室６２との空気流通孔が、給気弁部５５により密栓された状態となって空気が遮断されていたものが、給気弁部５５が下方に移動するため空気流通孔が開放される。
（Ｅ）第４の圧力室６２は、空気圧供給源６４から空気を供給されているから、第４の圧力室６２の供給弁部５５が開放されるため、その圧力空気は第３の圧力室６１を通して、空気溜室６３に供給される。
これにより、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂとの距離が広くなると、空気溜室６３の圧力が上昇する。
（Ｅ）第４の圧力室６２は、空気圧供給源６４から空気を供給されているから、第４の圧力室６２の供給弁部５５が開放されるため、その圧力空気は第３の圧力室６１を通して、空気溜室６３に供給される。
これにより、ノズル５７ａとフラッパ５７ｂとの距離が広くなると、空気溜室６３の圧力が上昇する。
【0067】
以上説明した動作により、ノズルフラッパ５７のノズル５７ａとフラッパ５７ｂ間の距離に応じてパイロット弁５０により空気圧が制御され、その空気圧が空気溜室６３（空気軸受すなわちエアパッド２７ａ）に供給され、空気軸受の圧力が変化する。
【0068】
図１７は、スピンドル主軸３３の軸方向（通常、スピンドル主軸３３は上下方向に取り付けられる。すなわち垂直方向）のスラスト空気軸受２９を説明する図である。
図１７の下方に示す図は、スピンドル主軸３３とスラスト空気軸受２９を横から見た図であり、上方に示す図は、スラスト空気軸受２９を上方から見た図である。スピンドル主軸３３に上方に負荷が加わった状態を説明する図である。
図１７の下方に示す図は、スピンドル主軸３３とスラスト空気軸受２９を横から見た図であり、上方に示す図は、スラスト空気軸受２９を上方から見た図である。スピンドル主軸３３に上方に負荷が加わった状態を説明する図である。
【0069】
垂直上向きに負荷がかかると、スピンドル主軸３３に一体形成されたフランジ２８も上方に移動する。スラスト空気軸受２９のエアパッド２９ａはフランジの上方および下方に設置されているため、フランジ２８が上方に移動すると、フランジ２８と上方のエアパッド２９ａの隙間が狭くなり、エアパッド２９ａとフランジ２８の隙間の圧力が上昇する。隙間の圧力が上昇するため、フランジ２８を押し返すような力が発生する。すなわち、負荷が上方の方向に加わったとき、負荷を押し返す力が発生し、元に復帰する力となる。
【0070】
このように、スピンドル主軸３３に上方への負荷が加わっても、スラスト空気軸受２９の働きによりスピンドル主軸３３の上方への移動が抑えられる。
また、垂直下向きに負荷がかかる場合も、フランジ２８の下方にもスラスト空気軸受２９のエアパッド２９ａが備わっており、上方に押し返す力が発生し元に戻るようになる。
また、垂直下向きに負荷がかかる場合も、フランジ２８の下方にもスラスト空気軸受２９のエアパッド２９ａが備わっており、上方に押し返す力が発生し元に戻るようになる。
【0071】
ここで、スピンドル主軸３３のスラスト空気軸受２９の径Ｄａに対して、どの程度の圧力を加えればよいか検討する。
算出の条件は、スピンドル主軸３３の径Ｄｓを２０ｍｍとし、スラスト荷重７３５ｋＰａ（７．５ｋｇｆ）を満足する圧力とする。
算出の条件は、スピンドル主軸３３の径Ｄｓを２０ｍｍとし、スラスト荷重７３５ｋＰａ（７．５ｋｇｆ）を満足する圧力とする。
【0072】
図１７の上方に示すハッチングを付した部分はスラスト空気軸受径Ｄａからスピンドル主軸径Ｄｓを除いた面積Ｓである。圧力ΔＰ×面積Ｓ≧７３５ｋＰａであればよいから、
スラスト空気軸受径Ｄａ＝３０ｍｍとし、スピンドル主軸径Ｄｓ＝２０ｍｍであるから、面積Ｓ＝３．９３ｃｍ２となり、圧力ΔＰ≧１８７ｋＰａとなる。
また、スラスト空気軸受Ｄａ＝２５ｍｍとすると、面積Ｓ＝１．７７ｃｍ２となり、圧力ΔＰ≧４１５ｋＰａである。同様にスラスト空気軸受Ｄａ＝３５ｍｍでは、圧力ΔＰ≧１１３ｋＰａである。
図１８は、以上の計算値により作成した図であり、エアパッド径に対する垂直方向の荷重を保持する圧力を示す図である。スラスト空気軸受径（エアパッド径）を横軸に、縦軸を必要な圧力値とする図である。
スラスト空気軸受径Ｄａ＝３０ｍｍとし、スピンドル主軸径Ｄｓ＝２０ｍｍであるから、面積Ｓ＝３．９３ｃｍ２となり、圧力ΔＰ≧１８７ｋＰａとなる。
また、スラスト空気軸受Ｄａ＝２５ｍｍとすると、面積Ｓ＝１．７７ｃｍ２となり、圧力ΔＰ≧４１５ｋＰａである。同様にスラスト空気軸受Ｄａ＝３５ｍｍでは、圧力ΔＰ≧１１３ｋＰａである。
図１８は、以上の計算値により作成した図であり、エアパッド径に対する垂直方向の荷重を保持する圧力を示す図である。スラスト空気軸受径（エアパッド径）を横軸に、縦軸を必要な圧力値とする図である。
【0073】
図１８からスラスト空気軸受径３０ｍｍで圧力２００ｋＰａ程度であればスラスト荷重の条件を満足する。
通常、産業機械において使用される空気圧は数百ｋＰａであり、図１８から通常の使用範囲かそれよりも低い圧力で空気軸受として機能する。ここで、スラスト空気軸受２９の供給圧は、図１８より０．５ＭＰａを維持するのが好ましいが、空気軸受スピンドル１の製造条件を考慮し、それよりも高い１．０ＭＰａであってもよい。
通常、産業機械において使用される空気圧は数百ｋＰａであり、図１８から通常の使用範囲かそれよりも低い圧力で空気軸受として機能する。ここで、スラスト空気軸受２９の供給圧は、図１８より０．５ＭＰａを維持するのが好ましいが、空気軸受スピンドル１の製造条件を考慮し、それよりも高い１．０ＭＰａであってもよい。
【0074】
次に、図１９は、スピンドル主軸３３の直角方向の荷重を支えるラジアル空気軸受２７の動作を説明する図である。スピンドル主軸３３は通常上下方向（垂直方向）に取り付けられるため、スピンドル主軸３３と直角方向は水平方向となる。
図１９の下方に示す図はスピンドルを水平方向（横方向）から見た図であり、スピンドル主軸３３の下方に取り付けられたラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａを示し、負荷が水平方向から加わることを示す。
図１９の下方に示す図はスピンドルを水平方向（横方向）から見た図であり、スピンドル主軸３３の下方に取り付けられたラジアル空気軸受２７のエアパッド２７ａを示し、負荷が水平方向から加わることを示す。
【0075】
図１９の上方に示す図は、ラジアル空気軸受２７を上方から見た図であり、図では２つのエアパッド２７ａを示す。なお、図１９に示すラジアル空気軸受２７は、パイロット弁５０等を使用せずジャイロ効果を考慮しない場合の一般的なラジアル空気軸受の動作を説明するものである。
水平方向に負荷がかかり、負荷と相対するエアパッド２７ａでは空気層の圧力が上昇し、スピンドル主軸３３の対向するエアパッド２７ａでは空気層の圧力が低下する。エアパッド間の圧力差でスピンドル主軸３３を押し返し、負荷が加わっても元に戻る力が働き、負荷を相殺する。
水平方向に負荷がかかり、負荷と相対するエアパッド２７ａでは空気層の圧力が上昇し、スピンドル主軸３３の対向するエアパッド２７ａでは空気層の圧力が低下する。エアパッド間の圧力差でスピンドル主軸３３を押し返し、負荷が加わっても元に戻る力が働き、負荷を相殺する。
【0076】
ここで、スピンドル径Ｄｓから必要な圧力値を算出する。図１９より、スピンドル主軸３３の工具先端までの長さＬ、工具の長さＬ２、エアパッド高さｈ、エアパッド幅Ｗ、スピンドル主軸径Ｄｓとすると、エアパッド２７ａの中心迄の長さはＬ－（Ｌ２＋ｈ／２）となる。エアパッド左軸受圧Ｐ１、エアパッド右軸受圧Ｐ２、工具先端に図右から負荷Ｆが加わるとすると、
（Ｐ１－Ｐ２）×ｈ×Ｗ×（Ｌ－（Ｌ２＋ｈ／２））≧Ｆ×Ｌ
が成立すれば、スピンドル主軸３３を保持することができる。すなわち、スピンドル主軸３３先端の工具（距離Ｌ）に右方向から負荷Ｆが加わったとき、ラジアル空気軸受２７のエアパッド中心（距離（Ｌ－（Ｌ２＋ｈ／２）））の圧力差がつりあえばよいことになる。
（Ｐ１－Ｐ２）×ｈ×Ｗ×（Ｌ－（Ｌ２＋ｈ／２））≧Ｆ×Ｌ
が成立すれば、スピンドル主軸３３を保持することができる。すなわち、スピンドル主軸３３先端の工具（距離Ｌ）に右方向から負荷Ｆが加わったとき、ラジアル空気軸受２７のエアパッド中心（距離（Ｌ－（Ｌ２＋ｈ／２）））の圧力差がつりあえばよいことになる。
【0077】
エアパッド高さｈ＝４０ｍｍとして算出する。ラジアル荷重Ｆ＝４４１ｋＰａ（４．５ｋｇｆ）、Ｌ＝１５０ｍｍ、Ｌ２＝２５ｍｍとし、スピンドル主軸径Ｄｓ＝２０ｍｍ、エアパッド幅ＷはＤｓ／√２と近似すると、（Ｐ１－Ｐ２）≧１１１ｋＰａとなる。
また、スピンドル主軸径Ｄｓ＝３０ｍｍでは、（Ｐ１－Ｐ２）≧７４ｋＰａである。同様に、Ｄｓ＝４０ｍｍでは、（Ｐ１－Ｐ２）≧５６ｋＰａである。
図２０は、以上の結果を図示した図である。
また、エアパッド高さｈが、例えば２０ｍｍとすれば、エアパッドの面積が半分になるので図２０に示す圧力差は倍の値となる。
また、スピンドル主軸径Ｄｓ＝３０ｍｍでは、（Ｐ１－Ｐ２）≧７４ｋＰａである。同様に、Ｄｓ＝４０ｍｍでは、（Ｐ１－Ｐ２）≧５６ｋＰａである。
図２０は、以上の結果を図示した図である。
また、エアパッド高さｈが、例えば２０ｍｍとすれば、エアパッドの面積が半分になるので図２０に示す圧力差は倍の値となる。
【0078】
図２０は、スピンドル主軸径に対するラジアル方向の荷重を保持する圧力差を示す図である。エアパッドの高さを、例えば、ラジアルパッドの高さを４０ｍｍとし、スピンドル径を横軸にとって、エアパッド１個あたりの必要な圧力値（Ｐ１－Ｐ２）を縦軸に示す。スピンドル径が大きくなれば、エアパッドとスピンドル主軸３３の対向する面積は大きくなるため、エアパッド１個あたりの必要な圧力は低い圧力値となる。
通常、産業機械において使用される空気圧は数百ｋＰａであり、図２０から通常の使用範囲がそれよりも低い圧力で空気軸受として機能する。
ここで、ラジアル空気軸受２７の供給圧は、スラスト空気軸受２９と同じでよいが、空気圧供給源６４の供給圧は、複数の異なる供給圧があってもよい。例えば、ラジアル空気軸受２７とスラスト空気軸受２９とは異なっていてもよい
通常、産業機械において使用される空気圧は数百ｋＰａであり、図２０から通常の使用範囲がそれよりも低い圧力で空気軸受として機能する。
ここで、ラジアル空気軸受２７の供給圧は、スラスト空気軸受２９と同じでよいが、空気圧供給源６４の供給圧は、複数の異なる供給圧があってもよい。例えば、ラジアル空気軸受２７とスラスト空気軸受２９とは異なっていてもよい
【0079】
回転している物体に力を加えると、スピンドル主軸３３の回転方向によって力の向きに対して右または左に９０度ずれた方向に移動する。これはジャイロ効果といわれるものである。本実施形態の空気軸受スピンドルでは回転数は最高毎分１５万回転を設定するため、このジャイロ効果を考慮する必要がある。
【0080】
【0081】
図２１では、負荷Ｆが図下部の右側より加わり、スピンドル主軸３３が左側に傾く場合である。図２１の下部に示すように、右側から負荷Ｆが加わる場合、スピンドル主軸３３の回転軸をＺ軸とし、負荷Ｆの方向をＹ軸とすると、ジャイロモーメントは右手系座標軸によりＸ軸方向に発生する。図２１では、手前側にジャイロモーメントが発生する。
【0082】
図２１には、ノズル５７ａ、パイロット弁５０およびエアパッド２７ａの位置関係を示すために２つのエアパッド２７ａを示しているが、上部の図にさらに２つのノズル５７ａ、パイロット弁５０およびエアパッド２７ａを加えた状態で説明する。
図２１の手前側にジャイロモーメントが発生すると、負荷Ｆの方向からノズル５７ａの図上部の右側（図示はしていない）のノズル５７ａとスピンドル主軸３３との隙間が広くなり、それに対応するパイロット弁５０の圧力は上昇する（図１６について上述した）。上昇する制御された空気は、図上部の円形の下側にあるエアパッド２７ａ（図示はしていない）に供給される。
図２１の手前側にジャイロモーメントが発生すると、負荷Ｆの方向からノズル５７ａの図上部の右側（図示はしていない）のノズル５７ａとスピンドル主軸３３との隙間が広くなり、それに対応するパイロット弁５０の圧力は上昇する（図１６について上述した）。上昇する制御された空気は、図上部の円形の下側にあるエアパッド２７ａ（図示はしていない）に供給される。
【0083】
負荷Ｆが加わり手前側にジャイロモーメントが発生すると、その力をエアパッド２７ａの隙間の圧力が上昇しスピンドル主軸３３を押し返すことになり、負荷Ｆによるスピンドル主軸３３の傾きが抑制され、スピンドル主軸３３は正常な状態を維持することになる。
一方、図上部の左側のノズル５７ａ（図示はしていない）の隙間が狭くなり、ノズル５７ａに対応したパイロット弁５０の圧力は低下する。その制御された空気は、図上部の円形の上側になるエアパッド２７ａ（図示はしていない）に供給され、スピンドル主軸３３を引き戻すように働く。
なお、スピンドル主軸３３の回転方法が逆であって、ジャイロモーメントが図下部の向こう側に作用する場合でも、パイロット弁５０とエアパッド２７ａの位置関係が変わるだけで、同じ説明となるため省略する。
一方、図上部の左側のノズル５７ａ（図示はしていない）の隙間が狭くなり、ノズル５７ａに対応したパイロット弁５０の圧力は低下する。その制御された空気は、図上部の円形の上側になるエアパッド２７ａ（図示はしていない）に供給され、スピンドル主軸３３を引き戻すように働く。
なお、スピンドル主軸３３の回転方法が逆であって、ジャイロモーメントが図下部の向こう側に作用する場合でも、パイロット弁５０とエアパッド２７ａの位置関係が変わるだけで、同じ説明となるため省略する。
【0084】
このように、負荷Ｆにより発生したスピンドル主軸３３の偏り量Ｘはノズルフラッパ（空気式距離センサ）５７により検知する。ノズル５７ａはフラッパ（本発明ではスピンドル主軸の円周側面）５７ｂとの距離に応じてノズル内部の圧力が変化し、生じた圧力変化をパイロット弁５０で制御することによりエアパッド２７ａの圧力を変化させる。ノズルフラッパ５７とエアパッド２７ａを９０度ずらして配置することによりジャイロ効果を補償する。
【0085】
図２２は、他のパイロット弁によるジャイロ効果を補償する動作を説明する図である。
図２２は、図２１とほぼ同様な図であるが、パイロット弁８０は、パイロット弁５０と異なりノズルフラッパ５７の出力圧が上昇する（間隔が狭くなる）と、パイロット弁８０の出力圧が上昇するような構造になっている。すなわち、上記で説明したパイロット弁５０とは逆の特性になっている。そのため、パイロット弁８０によりの圧力が制御されるエアパッド２７ａの位置が図２１とは異なる。図２２についての動作の説明は、図２１とほぼ同じなので詳細は省略する。
図２２は、図２１とほぼ同様な図であるが、パイロット弁８０は、パイロット弁５０と異なりノズルフラッパ５７の出力圧が上昇する（間隔が狭くなる）と、パイロット弁８０の出力圧が上昇するような構造になっている。すなわち、上記で説明したパイロット弁５０とは逆の特性になっている。そのため、パイロット弁８０によりの圧力が制御されるエアパッド２７ａの位置が図２１とは異なる。図２２についての動作の説明は、図２１とほぼ同じなので詳細は省略する。
【0086】
このようなパイロット弁８０は、図１４に示すノズルプラッパ５７と圧力室６０との接続を、例えばノズルフラッパ５７と圧力室５９との接続とすればよい。
ノズル５７ａとスピンドル主軸３３との隙間とパイロット弁５０の出力の空気圧の上昇または低下の関係、ノズル５７ａとエアパッド２７aの位置関係などの組合せは種々選択することが可能である。
ノズル５７ａとスピンドル主軸３３との隙間とパイロット弁５０の出力の空気圧の上昇または低下の関係、ノズル５７ａとエアパッド２７aの位置関係などの組合せは種々選択することが可能である。
【0087】
図２３は、ジャイロ効果を補償する空気軸受の動作フローである。負荷Ｆがスピンドル主軸３３に加わり、スピンドル主軸３３とノズル５７ａとの偏り量Ｘをノズルフラッパが検出して圧力制御手段であるパイロット弁５０またはパイロット弁８０により空気圧が制御され、その圧力が該当するエアパッド２７ａに出力され、圧力が変化するため軸受の支持力となって負荷を押し返し、負荷を相殺する。すなわち、支持力がフィードバックされ偏り量が元に戻る。
【0088】
ノズルフラッパ５７とパイロット弁５０を使用することで電気的な制御を一切用いることなく負荷が発生してスピンドル主軸３３が傾くような場合もスピンドル主軸３３を支えることができる。
これにより、磁気軸受の制御には電流による磁気の制御が必要のため大掛かりな装置が必要となるが、ラジアルおよびスラスト空気軸受では電気を使用せず、空気圧のみで制御が可能となる。
これにより、磁気軸受の制御には電流による磁気の制御が必要のため大掛かりな装置が必要となるが、ラジアルおよびスラスト空気軸受では電気を使用せず、空気圧のみで制御が可能となる。
【符号の説明】
【0089】
１・・・スピンドル、１０・・・パイロット弁制御圧力空気供給口、１１・・・ノズルフラッパ空気供給口、１２・・・ラジアル空気軸受空気供給口、１３・・・スラスト空気軸受空気供給口、１４・・・空気排出口、１５、１５（１）～１５（９）・・・ハウジング、２０・・・配線取出し口、２３・・・連結孔、２４・・・止め栓、２５・・・連結孔、２６・・・空気供給孔(パイロット弁)、２７・・・ラジアル空気軸受、２７ａ・・・エアパッド、２８・・・フランジ、２９・・・スラスト空気軸受、２９ａ・・・エアパッド、３０・・・ビルトインモータ、３０ａ・・・ステータ、３０ｂ・・・ロータ、３１・・・工具取付口、３２・・・空気ノズル、３３・・・スピンドル主軸、３５・・・空気供給孔（ラジアル空気軸受）、３６・・・空気供給孔（スラスト空気軸受）、３７・・・空気供給孔（ノズルフラッパ）、５０、８０・・・パイロット弁、５１・・・ダイヤフラム、５２・・・排気弁、５３・・・主弁、５４・・・排気弁部、５５・・・給気弁部、５６・・・スプリングコイル、５７・・・ノズルフラッパ、５７ａ・・・ノズル、５７ｂ・・・フラッパ、５９～６２・・・第１～第４の圧力室、６３・・・空気溜室（空気軸受）、６４・・・空気圧供給源、１００・・・スピンドル、１０１・・・転がり軸受（玉軸受）、１０２・・・圧電セラミックス、１０３・・・スピンドル主軸、１０４・・・焼き嵌めチャック、１０５・・・切削工具、１０６・・・超音波発振器、１０７・・・モータ。
【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】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】