JP4530868B2

JP4530868B2 - ピストン駆動機構の静圧気体軸受および気体圧アクチュエータ

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Publication number: JP4530868B2
Application number: JP2005036765A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 輝次松原
Original assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Shimadzu Corp
Current assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Shimadzu Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006220289A

Description

本発明は、ピストン及びシリンダを備えるピストン駆動機構の静圧気体軸受および気体圧アクチュエータに係り、特に気体圧によりピストン駆動機構の直進軸をハウジングに対して浮上支持する静圧気体軸受およびこの静圧気体軸受を備える気体圧アクチュエータに関する。

ピストン及びシリンダを備えるピストン駆動機構は、流体圧を用いるアクチュエータとして、様々な産業分野において利用されていることは周知の通りである。ピストンを駆動するための流体圧としては、油圧、蒸気圧のほか、乾燥空気や不活性ガス等の気体圧が用いられる。特に気体圧を用いる気体圧ピストン駆動機構は、油圧を用いるものに比べてコンタミネーションの問題が少なく、扱いやすい駆動機構として期待されており、例えば車両の動揺抑制に空気圧サーボシリンダが用いられることが特許文献１に記載されている。このピストン駆動機構において、駆動力を外部に取り出す直進軸は、シリンダを構成するハウジングとの間で軸受によって支持される。この支持軸受構造は、直進方向の摺動支持のためであるが、軸方向の移動により流体圧がもれないように工夫がなされ、例えば精密に仕上げ加工された面支持構造等が用いられる。

特開平１０−１２９４７８号公報

車両の動揺防止以外にも、気体圧を用いるピストン駆動機構の検討が行われている。例えば、引張圧縮試験機等の試験機においては、変位と荷重を正確にコントロールする必要があり、取り扱いの利便性等から気体圧を用いるピストン駆動機構が期待されている。

この場合において、直進軸とハウジングとの間の軸受にも気体軸受構造を採用することが考えられる。ピストン駆動にも軸受支持にも気体圧を用いれば、コンタミネーションの排除のほか、いっそう滑らかな動きとなり、例えば引張圧縮試験機等の試験機における精度向上が期待される。

気体軸受構造は、直進軸とハウジングとの間の隙間に気体圧を供給し、その静圧によって直進軸をハウジングに対し浮上させるものである。したがって、直進軸とハウジングとの間に浮上圧以上の軸の径方向衝撃が加わると、直進軸がハウジングに衝突し、軸受構造の摺動面が損傷を受け、あるいは変形を生じて試験等のための動作を行うことが困難になる恐れがある。

本発明の目的は、ピストン駆動機構における径方向の衝撃に対する軸受摺動面の損傷の防止を可能とするピストン駆動機構の静圧気体軸受およびこの静圧気体軸受を備える気体圧アクチュエータを提供することである。

本発明に係るピストン駆動機構の静圧気体軸受は、ピストン駆動機構の直進軸をハウジングに対して浮上支持する静圧気体軸受において、直進軸の気体受面及びハウジングの気体受壁に設けられる衝撃時バッファ用の固体又は液体の潤滑層と、気体受面又は気体受壁の少なくとも一方に設けられ、潤滑層の厚みよりも浅い深さと、潤滑層の厚みよりも小さい表面径とを有する微小くぼみの複数の潤滑剤溜と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るピストン駆動機構の静圧気体軸受において、ピストン駆動機構の直進軸を支持するハウジングの内面に軸方向に沿って設けられる浅溝であって、気体供給路から供給される気体を流して、直進軸をハウジングに対して浮上支持する浅溝表面絞りを含み、潤滑層は、浅溝表面絞りの表面を含むハウジングの気体受壁と、これに向かい合う直進軸の気体受面とに設けられることが好ましい。

また、潤滑層は、グリースを含んで構成されることが好ましい。また、潤滑層は、ＷＰＣ処理による二硫化モリブデンを含んで構成されることが好ましい。
また、本発明に係る気体圧アクチュエータは、上記のピストン駆動機構の静圧気体軸受を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、直進軸の気体受面及びハウジングの気体受壁に、衝撃時バッファ用の固体又は液体の潤滑層を設けるので、ピストン駆動機構における径方向の衝撃に対する軸受摺動面の損傷の防止を可能とする。通常、気体軸受は、微小隙間に精密に制御された気体圧を供給するため、清浄な気体、清浄な表面とされる。上記構成は、この一般的常識と異なり、潤滑層を設け、いわば管理された汚れ表面としたところ、気体軸受の機能を十分に発揮することが確認されたことに基づくものである。

また、気体受面又は気体受壁に微小くぼみの複数の潤滑剤溜を有するので、潤滑剤が微小くぼみに保持され、長期間に渡り衝撃時バッファの機能を発揮することができる。

また、潤滑層は、グリース、ＷＰＣ処理による二硫化モリブデンを含むので、潤滑特性の知られた潤滑剤を用いることができる。
また、気体圧アクチュエータは、上記構成のピストン駆動機構の静圧気体軸受を備える。ここで、ピストン駆動機構の静圧気体軸受は、直進軸の気体受面及びハウジングの気体受壁に、衝撃時バッファ用の固体又は液体の潤滑層を設けるので、ピストン駆動機構における径方向の衝撃に対する軸受摺動面の損傷の防止を可能とする。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、引張圧縮試験機に用いられるピストン駆動機構の静圧気体軸受について説明するが、ピストン駆動機構の静圧気体軸受が適用される対象は、このような試験機以外でも、ピストン駆動機構の直進軸をハウジングに対して浮上支持させる装置であれば適用できる。たとえば、直進軸を静圧気体軸受で支持する一般的なアクチュエータであってもよい。また、以下の説明で用いる軸の寸法、潤滑層の厚み等の数値は一例であって、静圧気体軸受の機能である浮上支持が十分確保できる範囲であれば、それ以外の数値の組み合わせであってもよい。

図１は、静圧気体軸受１００が用いられる引張圧縮試験機用のピストン駆動機構１０の構成を示す図である。ピストン駆動機構１０は、ピストンロッド１２と、シリンダの機能を有するハウジング２０と、制御された気体圧を供給する気体圧制御弁４０とを含んで構成される。静圧気体軸受１００は、ピストンロッド１２がハウジング２０に対し軸方向に移動可能に支持されるところに設けられる。また、気体圧制御弁４０とハウジング２０との間には、マニホールド３０が設けられ、気体圧制御弁４０によって制御された気体圧を制御気体流路３２，３４によりハウジング２０の内部に導く。そして、ピストンロッド１２の一方側の先端は荷重を検出するロードセル１６を介して引張圧縮試験の対象物に接続され、他方側の先端にはピストンロッド１２の軸方向の変位を検出する変位センサ５０が設けられる。

ピストン駆動機構１０において、ピストンロッド１２は、フランジ部１４を有し、ハウジング２０の内部を前後気体室３６，３８に区切り、それぞれの気体室３６，３８に気体圧制御弁４０より制御された気体圧が制御気体流路３２，３４を通って供給され、前後気体室３６，３８の気体圧の差によってフランジ部１４が軸方向、すなわち図１に示すＸ方向に移動駆動される。このように、引張圧縮試験機に用いられるピストン駆動機構１０は、気体圧によってピストンロッド１２を軸方向に移動させ、ピストンロッド１２の先端に設けられたロードセル１６を介して図示されていない試験対象物に荷重を印加し、そのときの変位を測定することができる機能を有する。

ピストンロッド１２は、引張圧縮試験機における荷重軸の機能を有する細長い棒状の部材で、軸方向のほぼ中間部分に直径の大きいフランジ部１４を有する。フランジ部１４の外周はハウジング２０の内周壁と摺動もしくは接触することがあるので、十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。また、ピストンロッド１２の両端はハウジング２０に軸方向自在に支持されるが、その部分も同様に十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。かかるピストンロッド１２は、十分な機械的剛性を有する金属材料を加工し、必要な表面処理等を施して得ることができる。例えば高張力ジュラルミン、高張力ステンレス鋼や工具鋼等の材料をフランジ付き円柱に加工し、表面硬化処理、表面研摩処理、潤滑めっき処理等を施して用いることができる。

ピストンロッド１２の一方側の先端には、上記のように、荷重を検出するロードセル１６が取り付けられる。ロードセル１６は例えば歪みゲージ等を設けた荷重台を用いることができる。また、上記のように、ピストンロッド１２の他方側の先端には変位センサ５０が設けられる。変位センサ５０は差動変圧器方式のものを用いることができる。すなわち、ピストンロッド１２の他方側の先端の一部を延ばして軟磁性体プローブ５２を取り付け、これと協働するトランス巻線５４をハウジング２０側に設ける。軟磁性体プローブ５２は、ピストンロッド１２と一体として軸方向に移動し、トランス巻線５４の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線５４から出力され、この信号を処理してピストンロッド１２の軸方向変位を検出できる。変位センサ５０としては、その他に光学式、磁気式等、一般に用いられる方式のものを用いてもよい。

ロードセル１６及び変位センサ５０の出力は、そのまま引張圧縮試験機の荷重−変位データとして用いられるとともに、図示されていない引張圧縮試験機の制御部にフィードバックされ、気体圧制御弁４０の制御データとして用いられる。

ハウジング２０は、ピストンロッド１２のフランジ部１４を内部に収容し、ピストンロッド１２の両端を外部に突き出させ、軸方向自在に案内支持する機能を有する一応気密の筐体である。ここで一応気密とは、ピストンロッド１２が径方向の衝撃を受ける等で軸方向に異常に傾くときを除き、引張圧縮試験機の性能上十分な程度の気密という意味である。ハウジング２０は、シリンダチューブ２２と前後エンドプレート２４，２６とから構成される。すなわち、略円環状のシリンダチューブ２２の両側開口に、ピストンロッド１２の両端部との間において静圧気体軸受１００を構成する前後エンドプレート２４，２６がそれぞれ配置され、全体としてシリンダ筐体を構成する。

シリンダチューブ２２は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の直径よりやや大きめの内径を有する円環状の部材である。その内周壁は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外周と、摺動又は接触することがあるので、十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。かかるシリンダチューブ２２は、十分な機械的剛性を有する金属材料を加工し、必要な表面処理等を施して得ることができる。例えば高張力ジュラルミン、高張力ステンレス鋼や工具鋼等の材料からなる適当な管材の外周及び内周を所定寸法に加工し、表面硬化処理、表面研摩処理、潤滑めっき処理等を施して用いることができる。

前後エンドプレート２４，２６は、ほぼ同様の形状を有する一対の部材で、中央にピストンロッド１２を通し支持するロッド支持穴を有し、シリンダチューブ２２の両側開口をピストンロッド１２でふさぎながら、ピストンロッド１２を軸方向移動可能に支持する機能を有する部材である。ロッド支持穴の内径は、ピストンロッド１２の両端側の直径よりやや大きめである。このロッド支持穴には、排気溝４２と、浅溝表面絞り４６等が設けられ、ピストンロッド１２とともに静圧気体軸受１００を構成するが、これらの詳細については後述する。また、前後エンドプレート２４，２６は、マニホールド３０を介し、気体圧制御弁４０からの制御された気体圧をハウジング２０の内部に導く制御気体流路３２，３４を有する。また、ピストンロッド１２の軸方向移動が大きすぎてフランジ部１４が前後エンドプレート２４，２６に衝突するときの衝撃を和らげるストッパ５６が設けられる。かかる前後エンドプレート２４，２６は、十分な機械的剛性を有する金属材料を加工し、必要な表面処理等を施して得ることができる。例えば高張力ジュラルミン、高張力ステンレス鋼や工具鋼等の材料をフランジ付き円柱に加工し、表面硬化処理、表面研摩処理、潤滑めっき処理等を施して用いることができる。

シリンダチューブ２２と前後エンドプレート２４，２６とピストンロッド１２とは、次のような手順で組み立てられる。すなわち、最初に、シリンダチューブ２２の中にピストンロッド１２を通す。次に、ピストンロッド１２のフランジ部１４を挟んでロードセル１６側に前エンドプレート２４、変位センサ５０側に後エンドプレート２６を、それぞれのロッド支持穴にピストンロッド１２の端部を通すように配置する。そして、前エンドプレート２４をシリンダチューブ２２のロードセル１６側の開口をふさぐように合わせ、同様に後エンドプレート２６をシリンダチューブ２２の変位センサ５０側の開口をふさぐように合わせる。そして、制御気体流路３２，３４のマニホールド３０側の開口が同じ平面上に揃うように、前後エンドプレート２４，２６の相対位置を調整する。調整が終われば、制御気体流路３２，３４がマニホールド３０と前後エンドプレート２４，２６の間で合うことを確かめ、シリンダチューブ２２と前後エンドプレート２４，２６との合わせ目を気密封止する。気密封止はＯリング等のパッキングを介したねじ止め等を用いてもよく、また完全な気密封止が必要でない場合は、金属合わせ面による封止を用いてもよい。このようにして、ハウジング２０とピストンロッド１２との組立体が得られ、これをピストン・シリンダサブアセンブリと呼ぶことができる。

マニホールド３０は、気体圧制御弁４０とハウジング２０の制御気体流路３２，３４とを接続するための中間部材で、制御気体流路３２，３４に対応する制御気体流路３３，３５を備える。かかるマニホールド３０は、適当な金属材料等を加工して得ることができる。マニホールド３０は、ピストン・シリンダサブアセンブリの制御気体流路３２，３４に制御気体流路３３，３５を合わせるようにして、気密にしっかりと接続される。気密接続は、適当な気密パッキングを用いたねじ止め等を用いることができる。

気体圧制御弁４０は、図示されていない引張圧縮試験機の制御部の指示により、２つの制御された気体圧を生成する機能を有する制御弁である。２つの制御された気体圧は、それぞれ制御気体流路３３，３２と、制御気体流路３５，３４を通り、ハウジング２０内部の前後気体室３６，３８に供給される。例えば、ピストンロッド１２をロードセル１６側に所定の荷重で変位させたいときは、気体室３６に供給する気体圧より気体室３８に供給する気体圧の方を大きくするようにし、その気体圧の差圧にフランジ部１４の気体圧の受圧面積を乗じたものが荷重となるように、気体圧制御弁４０は２つの気体圧を生成する。かかる気体圧制御弁としては、周知のスプール・スリーブ型気体圧制御弁等を用いることができる。

次に、静圧気体軸受１００の構成について、特にロッド支持穴に設けられる排気溝４２及び浅溝表面絞り４６について説明する。静圧気体軸受１００は、ピストンロッド１２の両端部、すなわち前エンドプレート２４におけるピストンロッド１２の前方側の支持部分と、後エンドプレート２６におけるピストンロッド１２の後方側の支持部分とにそれぞれ設けられる。図２は、両側の静圧気体軸受１００のうち、後エンドプレート２６におけるピストンロッド１２の支持部分を示す拡大図である。なお、前エンドプレート２４においても同様の構成及び作用を有するので、ここでは後エンドプレート２６の部分に代表させて説明する。上記のように、ロッド支持穴の内径は、ピストンロッド１２の端部の直径よりもやや大きいので、図２に示すように、後エンドプレート２６のロッド支持部２７とピストンロッド１２との間には隙間５８がある。この隙間５８に沿って、後気体室３８の側の端部から、外部の大気開放６０の側に向かって、排気溝４２、浅溝表面絞り４６がこの順で配置される。

排気溝４２は、後気体室３８から、ロッド支持部２７とピストンロッド１２との間の隙間５８を通って漏れてくる気体を集め、排気路４４へ流す機能を有する。排気路４４に入った気体は、例えば再び気体圧の制御ルートに戻すことができる。つまり、排気溝４２は、後気体室３８から隙間５８を通って漏れてくる気体を大気開放６０の方に無制限に流れることをここで抑制する機能を有する。

浅溝表面絞り４６は、ロッド支持部２７の内面、すなわち、ロッド支持穴の内壁に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の長さは、一端側は排気溝４２と軸方向に十分間隔をあけ、他方端は大気開放６０の側の端部から十分間隔をあけるように設定される。そして、各浅溝表面絞り４６の軸方向に沿った長さの略中央部を結んでロッド支持穴の内壁にやや深めの溝が設けられ、そこに気体供給路４８の開口が接続される。この気体供給路４８には、図示されていない気体源から所定の供給圧の気体が供給される。このような構成の浅溝表面絞り４６は、気体供給路４８からの高圧気体が開口から導かれて浅溝に沿って流れ、一方は排気溝４２の方へ、他方は大気開放６０側の端部へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側、すなわち排気溝４２あるいは大気開放６０の側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。

浅溝表面絞り４６の浅溝の深さは、隙間５８の大きさとも関係するが、１例を上げると、中立状態の隙間５８を約１０μｍとして、浅溝の深さを約１０〜１５μｍとすることができる。また、気体供給路４８に供給される気体圧は約０．５ＭPａ程度とすることができる。

図３は、ロッド支持部２７における静圧気体軸受１００の部分を説明する図である。ここでは、後エンドプレート２６におけるロッド支持部２７の内壁の状態がわかるように、ピストンロッド１２を外したときの後エンドプレート２６について、ロッド支持部２７の支持穴の中心軸を含む断面図が示されている。図３に示されるように、静圧気体軸受１００を構成する後エンドプレート２６におけるロッド支持部２７の内壁には、ＭｏＳ_２を含む潤滑層１０２，１０４が塗布されている。潤滑層１０４は、浅溝表面絞り４６の浅溝におけるもので、浅溝表面絞り４６以外の後エンドプレート２６の内壁における潤滑層１０２よりもやや厚めになっているので、区別して示してある。

潤滑層１０２，１０４は、ピストンロッド１２と後エンドプレート２６とが衝撃等により衝突する恐れのあるときにバッファとして機能する薄いＭｏＳ_２の層である。径方向の衝撃等の恐れは、引張圧縮試験中における測定対象物の破断等の特性急変によるものや、予期せぬ事故のほか、静圧気体軸受１００の作動開始及び作動終了の際の衝撃等が考えられる。

図４は、図３における静圧気体軸受１００の軸方向に垂直な方向での断面図である。ここでは、ピストンロッド１２と、後エンドプレート２６との間の隙間部分を誇張して示してある。図に示すように、ピストンロッド１２の表面にもＭｏＳ_２を含む潤滑層１０６が塗布される。そして、静圧気体軸受１００が作動するとき、ピストンロッド１２と、後エンドプレート２６との間の隙間部分は、後エンドプレート２６側の潤滑層１０２，１０４、ピストンロッド１２側の潤滑層１０６、及び浮上のための気体層５９によって構成される。上記の例で、中立状態の隙間５８を約１０μｍとすれば、気体層５９が約８μｍ、潤滑層１０２及び潤滑層１０６はそれぞれ約１μｍ程度が好ましい。

図５は、後エンドプレート２６の内面の様子を示す図である。上記のように後エンドプレート２６には適当な金属材料が用いられ、ロッド支持部２７の内面は滑らかに仕上げられるが、図５に示されるように、内面にわたりほぼ一様に設けられる微小くぼみ１０８は、潤滑層１０２，１０４を構成する潤滑剤を保持する機能を有するいわば潤滑剤溜である。各微小くぼみ１０８の大きさは、潤滑層１０２，１０４の厚みより浅い深さと、潤滑層１０２，１０４の厚みより小さい表面径、例えば直径を有することが好ましい。上記の例では、潤滑層１０２，１０４の厚みが約１μｍであるので、各微小くぼみ１０８の深さ、直径は、サブμｍが好ましい。各微小くぼみ１０８の表面形状は円形の他、楕円形等の他の形状であってもよい。なお、この微小くぼみ１０８は、ピストンロッド１２の静圧気体軸受１００に対応する部分にも同様に設けられる。かかる微小くぼみ１０８は、微小硬球を金属材料表面に吹き付けるショットピーニング処理、あるいはエッチング処理等で得ることができる。

潤滑層１０２、１０４，１０６は、上記のようにＭｏＳ_２を含んで構成されるが、具体的にはＭｏＳ_２を薄く一様になるように後エンドプレート２６又はピストンロッド１２の表面に手作業等で塗ることで得ることができる。もちろん後エンドプレート２６及びピストンロッド１２の双方に塗ってもよい。

また、ＷＰＣ処理を用いてＭｏＳ₂を後エンドプレート２６及びピストンロッド１２に塗布してもよい。ここでＷＰＣ処理とは、金属表面処理の一種で、例えば４０〜２００μｍの小さなショットを処理される材料に対して１００ｍ／ｓ以上の高速で噴射する処理で、材料の疲労強度向上と摺動性向上を図るものである。なおこの処理により材料には微小な凹凸が形成される。ここでは、ＭｏＳ₂を含む微小な粒子の塊をショットに用いる。微小な粒子の塊には、バインダ等を含んでよく、好ましくは摺動性のよいバインダ、あるいは摺動の熱等により蒸散するバインダが好ましい。すなわち、静圧気体軸受１００の部分に一様に、ＭｏＳ₂の微小な粒子の塊を高速で吹き付け、それによって、微小くぼみ１０８を形成するとともに、その部分にＭｏＳ₂を含む粒子の塊を付着させることができる。付着されたＭｏＳ₂を含む粒子の塊は、ピストンロッド１２の移動により、静圧気体軸受１００の全面に一様に広がって塗られ、ＭｏＳ₂を含む潤滑層１０２，１０４，１０６が形成される。

潤滑層１０２，１０４，１０６を形成する潤滑剤としては、ＭｏＳ_２以外の固体又は液体の潤滑材料を用いることができる。例えば、機械部品の潤滑に用いられる一般的な各種グリース、流動性の低い粘度を有する潤滑油、これらとＭｏＳ_２の混合物等を用いることができる。

上記構成により、引張圧縮試験中における測定対象物の破断等の特性急変によるものや、予期せぬ事故のほか、静圧気体軸受１００の作動開始及び作動終了の際の径方向の衝撃等に対し、ピストンロッド１２と、前後エンドプレート２４，２６とが衝突する前に、潤滑層１０２，１０４，１０６が衝撃バッファとして働き、軸受摺動面の損傷を防止できる。また、潤滑層の存在で、ピストンロッド１２の動きがさらに滑らかとなり、精度のよい引張圧縮試験を行うことができる。

図６は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外周とシリンダチューブ２２の内周壁との間にも静圧気体軸受１１０を設けたピストン駆動機構８０の構成図である。図６では、ピストン・シリンダサブアセンブリの部分で説明に必要なところを示してある。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。このピストン駆動機構８０では、前エンドプレート２４のロッド支持部に浅溝表面絞り８２による静圧気体軸受を設けるとともに、フランジ部１４の外周とシリンダチューブ２２の内周壁との間にも浅溝表面絞り８４による静圧気体軸受が設けられる。

このピストン駆動機構８０では、前後気体室の一方に一定高圧の供給圧Ｐｓが供給され、他方に図示されていない引張圧縮試験機の制御部の指示により制御された制御気体圧Ｐａが供給される。例えば供給圧Ｐｓは図示されていない気体供給源から直接供給され、制御気体圧Ｐａは気体圧制御弁から供給されるものとすることができる。図６の場合では、前気体室３７に一定高圧の供給圧Ｐｓが供給されるものとして示してある。供給圧Ｐｓは、例えば約０．５ＭPａ程度とすることができる。

図７は、ロッド支持部２７における静圧気体軸受１１０の部分を説明する図である。ここでは、前エンドプレート２４におけるロッド支持部２７の内壁の状態がわかるように、ピストンロッド１２を外したときの前エンドプレート２４について、ロッド支持部２７の支持穴の中心軸を含む断面図が示されている。

前エンドプレート２４のロッド支持部２７に設けられる浅溝表面絞り８２は、ロッド支持穴の内壁に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の軸方向長さは、ロッド支持部２７の前気体室側端部から始まり、ロッド支持部２７の長さの１／２から２／３程度とできる。このような構成の浅溝表面絞り８２は、前気体室３７からの高圧気体が押し込まれ浅溝に沿って流れ、大気開放６０側の端部へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。

図７に示されるように、静圧気体軸受１１０を構成する前エンドプレート２４におけるロッド支持部２７の内壁には、ＭｏＳ_２を含む潤滑層１１２，１１４が塗布されている。潤滑層１１４は、浅溝表面絞り８２の浅溝におけるもので、浅溝表面絞り４６以外の後エンドプレート２６の内壁における潤滑層１１２よりもやや厚めになっているので、区別して示してある。潤滑層１１２，１１４の内容は、図３から図５において説明したものと同様である。また、図示されていないがピストンロッド１２の表面にも同様な潤滑層が塗布される。

図８は、フランジ部１４の外周における静圧気体軸受１１０の部分を説明する図である。ここでは、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外表面の状態がわかるように、ピストンロッド１２をハウジング２０から外したときの様子が示される。

フランジ部１４の外周には浅溝表面絞り８４が設けられる。これに関連して、排気溝８６もフランジ部１４の外周に設けられ、排気溝８６はピストンロッド１２の中を通る排気路８８に接続される。排気路８８は大気に開放することができる。この浅溝表面絞り８４は、フランジ部１４の外周に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の軸方向長さは、フランジ部１４の前気体室側端部から始まり、フランジ部１４の軸方向長さの１／２程度とできる。

このような構成の浅溝表面絞り８４は、前気体室３７からの高圧気体が押し込まれ浅溝に沿って流れ、最終的に大気に開放される排気溝８６へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。

これらの浅溝表面絞り８２，８４の浅溝の深さは、図１の浅溝表面絞りと同様に、例えば、ピストンロッド１２とこれに向かい合うシリンダチューブ２２の内壁面との間の隙間を約１０μｍとして、浅溝の深さを約３〜２０μｍとすることができる。

図８に示されるように、静圧気体軸受１１０を構成するフランジ部１４の外周面には、ＭｏＳ_２を含む潤滑層１１２，１１４が塗布されている。潤滑層１１４は、浅溝表面絞り８４の浅溝におけるもので、浅溝表面絞り８４以外のフランジ部１４の外周面における潤滑層１１２よりもやや厚めになっているので、区別して示してある。潤滑層１１２，１１４の内容は、図３から図５において説明したものと同様である。また、図示されていないがシリンダチューブ２２の表面にも同様な潤滑層が塗布される。

上記構成により、引張圧縮試験中及び静圧気体軸受１００の作動開始及び作動終了の際の径方向の衝撃等に対し、ピストンロッド１２と、前エンドプレート２４あるいはシリンダチューブ２２とが衝突する前に、潤滑層１１２，１１４，１１６が衝撃バッファとして働き、軸受摺動面の損傷を防止できる。また、潤滑層の存在で、ピストンロッド１２の動きがさらに滑らかとなり、精度のよい引張圧縮試験を行うことができる。

本発明に係る実施の形態における静圧気体軸受が用いられる引張圧縮試験機用ピストン駆動機構の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態における静圧気体軸受のうち、後エンドプレートにおけるピストンロッドの支持部分を示す拡大図である。本発明に係る実施の形態におけるロッド支持部における静圧気体軸受の部分を説明する図である。図３における静圧気体軸受の軸方向に垂直な方向での断面図である。本発明に係る実施の形態において、後エンドプレートの内面の様子を示す図である。他の実施の形態において、静圧気体軸受を設けたピストン駆動機構の構成図である。他の実施の形態において、ロッド支持部における静圧気体軸受の部分を説明する図である。他の実施の形態において、フランジ部の外周における静圧気体軸受の部分を説明する図である。

符号の説明

１０，８０ピストン駆動機構、１２ピストンロッド、１４フランジ部、１６ロードセル、２０ハウジング、２２シリンダチューブ、２４，２６前後エンドプレート、２７ロッド支持部、３０マニホールド、３２，３３，３４，３５制御気体流路、３６，３７，３８前後気体室、４０気体圧制御弁、４２，８６排気溝、４４，８８排気路、４８気体供給路、５０変位センサ、５２軟磁性体プローブ、５４トランス巻線、５６ストッパ、５８隙間、５９気体層、６０大気開放、１００，１１０静圧気体軸受、１０２，１０４，１０６，１１２，１１４，１１６潤滑層、１０８微小くぼみ。

Claims

ピストン駆動機構の直進軸をハウジングに対して浮上支持する静圧気体軸受において、
直進軸の気体受面及びハウジングの気体受壁に設けられる衝撃時バッファ用の固体又は液体の潤滑層と、
気体受面又は気体受壁の少なくとも一方に設けられ、潤滑層の厚みよりも浅い深さと、潤滑層の厚みよりも小さい表面径とを有する微小くぼみの複数の潤滑剤溜と、
を含むことを特徴とするピストン駆動機構の静圧気体軸受。
請求項１に記載のピストン駆動機構の静圧気体軸受において、
ピストン駆動機構の直進軸を支持するハウジングの内面に軸方向に沿って設けられる浅溝であって、気体供給路から供給される気体を流して、直進軸をハウジングに対して浮上支持する浅溝表面絞りを含み、
潤滑層は、浅溝表面絞りの表面を含むハウジングの気体受壁と、これに向かい合う直進軸の気体受面とに設けられることを特徴とするピストン駆動機構の静圧気体軸受。
請求項１に記載のピストン駆動機構の静圧気体軸受において、
潤滑層は、グリースを含んで構成されることを特徴とするピストン駆動機構の静圧気体軸受。
請求項１に記載のピストン駆動機構の静圧気体軸受において、
潤滑層は、ＷＰＣ処理による二硫化モリブデンを含んで構成されることを特徴とするピストン駆動機構の静圧気体軸受。
請求項１から４のいずれか１に記載のピストン駆動機構の静圧気体軸受を備えることを特徴とする気体圧アクチュエータ。