エアベアリング

エアベアリング（エアロスタティックベアリングまたはエアロダイナミックベアリングとも呼ばれる）は、加圧されたガスの薄膜を使用して表面間の低摩擦の荷重支持インターフェースを提供するベアリングです。2つの表面は接触しないため、摩擦、摩耗、微粒子、潤滑剤の取り扱いなど、従来のベアリング関連の問題を回避でき、バックラッシュや静摩擦がないなど、精密な位置決めや高速アプリケーションで明確な利点があります。^[1] 宇宙船シミュレーターでは現在、エアベアリングが最もよく使用されており^[2]、CubeSat衛星用のエアベアリングベースの姿勢シミュレーターの作成には3Dプリンターが使用されています。^[3]

静止部品と可動部品の相対運動によって空気クッションを確立する空気力学的ベアリングと、圧力が外部から挿入される空気静圧ベアリングとが区別されます。

ガスベアリングは主に精密機械工具（計測・加工機械）や高速機械（スピンドル、小型ターボ機械、精密ジャイロスコープ）に使用されます。

ガス潤滑軸受は、荷重支持能力を提供するガス膜の加圧源に応じて 2 つのグループに分類されます。

• 空気静圧ベアリング: ガスは外部から加圧され (コンプレッサーまたは圧力タンクを使用)、ベアリングの隙間に注入されます。その結果、空気静圧ベアリングは相対運動がない場合でも荷重に耐えることができますが、外部のガス圧縮システムが必要となり、複雑さとエネルギーの面でコストがかかります。
• 空力ベアリング: ベアリング内の静止面と移動面の相対速度によってガスが加圧されます。このようなベアリングは自動作動式で、圧縮ガスの外部入力を必要としません。ただし、速度がゼロのときに機械接触が発生するため、早期摩耗を回避するために特別な摩擦学的考慮が必要です。

2 つのファミリーを組み合わせたハイブリッド ベアリングも存在します。このような場合、通常、ベアリングには低速時に外部圧縮ガスが供給され、高速時には自己加圧効果に部分的または完全に依存します。

これら 2 つの技術カテゴリのうち、ガス ベアリングは実現するリンクの種類に応じて分類されます。

• 直線運動ベアリング: 2つの平面間の1方向または2方向の移動をサポートします。
• ジャーナルベアリング：2つの部品間の回転をサポートする
• スラストベアリング：回転部品の軸方向の変位をブロックします。通常はジャーナルベアリングと組み合わせて使用​​されます。

主なエアベアリングの種類は次のカテゴリに分類されます。

加圧ガスは、ベアリング可動部品間の隙間で潤滑剤として機能します。ガス クッションは、可動部品間の接触なしに荷重を支えます。通常、圧縮ガスはコンプレッサーによって供給されます。隙間にガス圧を供給する主な目的は、ガス クッションの剛性と減衰を可能な限り最高レベルにすることです。さらに、ガス消費量と隙間へのガス供給の均一性は、空気静圧ベアリングの動作にとって非常に重要です。

空気静圧軸受の可動要素間の界面にガスを供給するには、いくつかの方法があります。^[4]

• 多孔質表面
• 部分的な多孔質表面
• 個別オリフィス給餌
• スロット給餌
• 溝送り

フィルム供給には唯一の最良の方法はありません。すべての方法には、それぞれの用途に応じた長所と短所があります。^[5]

デッドボリュームとは、従来の空気静圧軸受にガスを分配し、隙間内の圧縮圧力を高めるために存在するチャンバーやチャネルを指します。多孔質（焼結）ガス軸受内の空洞もデッドボリュームに起因します。^[6]

従来のシングルノズルの静圧空気軸受では、圧縮空気が比較的大きなノズル（直径 0.1～0.5 mm）を数個通過して軸受隙間に流れ込みます。そのため、ガス消費量にはある程度の柔軟性しかなく、軸受の特性（力、モーメント、軸受面、軸受隙間の高さ、減衰）を十分に調整することはできません。しかし、ノズルが数個しかない場合でも均一なガス圧を実現するために、静圧空気軸受メーカーは構造的な技術を採用しています。そうすることで、これらの軸受はデッドボリューム（圧縮できない弱い空気量）を生み出します。実際、このデッドボリュームはガス軸受の動力学に非常に有害であり、自励振動を引き起こします。^[7]

予圧チャンバーは、中央ノズルの周囲のチャンバーで構成されています。通常、このチャンバーの比率は、ベアリングの表面の3％から20％の間です。チャンバーの深さが1/100 mmであっても、デッドボリュームは非常に高くなります。最悪の場合、これらのエアベアリングは、チャンバーではなく凹面のベアリング表面で構成されます。これらのエアベアリングの欠点は、傾斜剛性が非常に低いことです。^[8]

通常、従来の静圧空気軸受は、チャンバーとチャネルを使用して実装されます。この設計では、限られた数のノズルでデッドボリュームが減少すると同時に、ギャップ内のガスが均一に分散されることを想定しています。ほとんどの建設的なアイデアは、特別なチャネル構造を参照しています。1980 年代後半以降、チャンバーのないマイクロチャネル構造を備えた静圧空気軸受が製造されています。ただし、この技術では、デッドボリュームの問題も管理する必要があります。ギャップの高さが増加すると、マイクロチャネルの負荷と剛性が低下します。高速リニアドライブや高周波スピンドルの場合と同様に、これは重大な欠点を引き起こす可能性があります。^[9]

レーザー ドリル加工されたマイクロ ノズル エアロスタティック ベアリングは、コンピューター化された製造および設計技術を利用して、パフォーマンスと効率を最適化します。この技術により、メーカーは製造の柔軟性を高めることができます。その結果、特定のアプリケーション向けに設計を最適化するための設計範囲が広がります。多くの場合、エンジニアは理論上のパフォーマンス限界に近づくエア ベアリングを作成できます。少数の大型ノズルではなく、多数のマイクロ ノズルを備えたエアロスタティック ベアリングは、動的に不利なデッド ボリュームを回避します。デッド ボリュームとは、ギャップの減少時にガスを圧縮できないすべての空洞を指します。これらは、弱いガス圧が振動を刺激すると発生します。利点の例としては、1,000 m/s² (100 g) を超える加速度のリニア ドライブ、または動的剛性と組み合わせた高い減衰により 100,000 m/s² (10,000 g) を超える衝撃ドライブ、ノイズによる誤差が最小であることによるサブナノメートルの動き、およびガイド付き空気供給によるギャップを介した回転およびリニア ドライブのガスまたは真空のシールフリー伝送が挙げられます。

マイクロノズル エアロスタティック ベアリングは、多数のマイクロノズルを使用して、ギャップ内で効果的でほぼ完璧な圧力分散を実現します。 ノズルの直径は通常 0.02 mm ～ 0.06 mm です。 これらのノズルの最も狭い断面は、ベアリングの表面と正確に一致します。 これにより、この技術は、支持エア ベアリングの表面と空気供給ノズルの領域内のデッド ボリュームを回避します。

マイクロノズルはレーザービームで自動的に穴あけされ、最高品質と再現性を実現します。エアベアリングの物理的動作は、大量生産でも少量生産でも変動が少ないことが証明されています。従来のベアリングとは異なり、この技術では、エアベアリングに手作業やコストのかかる製造は必要ありません。

マイクロノズルエアベアリング技術の利点は次のとおりです。

• 隙間全体に均一な圧力をかけることで、エアクッションを（物理的限界に近い）効率的に使用します。
• 静的特性と動的特性の完璧な組み合わせ。
• エアベアリング特性の最大限の柔軟性：特定のギャップ高さにより、例えば最大荷重、剛性、傾斜剛性、減衰、または最小空気消費量（それぞれ他のものとの組み合わせも可能）を持つようにエアベアリングを最適化することが可能である。
• あらゆるエアベアリングの中で、複数の認証を受けた最高の精度。たとえば、物理的で可能な限り低い自己励起振動によるわずかな動き (<< 2 ナノメートル) による測定技術など。
• 従来のエアベアリングよりも傾斜剛性が大幅に高く、隙間内の空気が負荷のかかる領域から負荷のかからない領域へと運ばれる経路を通って流れます。
• 高い空気圧供給（実際には 10 bar をはるかに超える圧力も可能）でも全動作範囲で振動がありません。
• ノズルの数が多いため信頼性が最高です。ノズルの直径がギャップの高さよりもはるかに大きいため、粒子によるノズルの詰まりは問題になりません (動作に障害は発生しません)。
• ベアリングと反対側の表面の変形と許容差に合わせてベアリング特性を調整する可能性。
• 多くのベアリング材料およびコーティングでの使用が実証されています。

これらの利点のいくつか、例えば高い柔軟性、優れた静的および動的特性の組み合わせ、低ノイズ励起などは、他のすべての空気静圧軸受の中でユニークなものであることが証明されています。^{[10] [11]}

標準エアベアリングは、システム内で接続するためのさまざまなマウントとともに提供されます。

• ボールピンとの柔軟な接続用のベアリング。この標準エアベアリングの設計は、通常、市場で供給されています。
• 従来のボールピンの代わりに高剛性ジョイントを備えたベアリング。このバージョンを使用すると、システム全体の剛性が大幅に高まります。
• 静的に決定されたガイドのプリロード用のピストンが組み込まれたベアリング。
• さらに、最高の精度または最高の動力を得るために最高の剛性を備えたガイド用の固定マウント（ジョイントレス）を備えた長方形ベアリングもあります。
• さらに、真空または磁気プリロードを内蔵したエアベアリング、400℃を超える高温用のエアベアリング、代替材料で製造されたエアベアリングもあります。 ^{[12] [10]}

• 摩耗のない動作、耐久性。エアベアリングは非接触で動作するため、摩耗がありません。摩擦はベアリング表面間の空気の流れによってのみ発生します。したがって、エアベアリングは正しく設計および計算されていれば、その耐久性は無制限です。ローラーベアリングと摩擦ベアリングは、高速または加速で使用すると摩擦が大きく、摩耗が大きいと精度が低下するという正のフィードバックループが発生し、摩耗がさらに進み、最終的には故障につながります。
• ガイド、繰り返し精度、位置精度。チップ製造およびバックエンドでの位置決めでは、ワイヤボンダーで 1 ～ 2 μm の繰り返し精度を達成する必要があります。ダイボンダーでは、5 μm を達成する必要があります。このような精度では、ローラーベアリングは、加速度を低下させることなく物理的限界に達します。フロントエンド (リソグラフィー) では、エアベアリングがすでに確立されています。
• コスト上の利点と再現性。ガス ベアリングを直列に適用すると、ローラー ベアリングよりもコスト上の利点が得られます。メーカーによると、ローラー ガイドの高周波スピンドルの製造コストは、空気ガイドのスピンドルよりも約 20% 高くなります。
• 環境の純粋さ。潤滑にオイルを使用する必要がなく、摩擦がないため、ガス ベアリングは作動流体の汚染が少ないことが求められる用途に適しています。これは、製薬業界、核燃料処理、半導体製造、エネルギー変換サイクルにとって重要な側面です。

• 自己励起振動。ジャーナル ベアリングでは、相互結合剛性とガス潤滑の減衰が低いため、一定の速度を超えると自己励起振動が発生することがあります。この振動は不安定性を引き起こし、ガス ベアリングの動作を脅かす可能性があります。目的の速度範囲内で安全な動作を確保するには、正確な動的計算が必要です。この種の不安定性は「半速旋回」と呼ばれ、特に空力ベアリングに影響を及ぼします。
• 厳しい製造公差。十分な負荷を支え、前述の不安定性を回避するには、ベアリング面間のクリアランスに厳しい公差が必要です。空気力学的ベアリングと空気静圧ベアリングの両方で、通常 5 μm ～ 50 μm のクリアランスが必要です。その結果、エアベアリングは製造コストが高くなります。
• クリーンな環境。ガス潤滑ベアリングはクリアランスが小さいため、環境中の微粒子やほこり（空気力学的ベアリングの場合）や外部から加圧されたガス（空気静圧ベアリングの場合）の存在に敏感です。

^{[13] [14]}

ガス潤滑ベアリングは、薄膜領域における圧力の変化を記述するために、通常レイノルズ方​​程式を使用してモデル化されます。液体潤滑ベアリングとは異なり、ガス潤滑剤は圧縮性であると見なされる必要があるため、非線形微分方程式を解く必要があります。有限差分法や有限要素法などの数値手法は、各ベアリング形状 (直線運動、ジャーナル、スラスト ベアリング) に関連する境界条件を考慮した方程式の離散化と解決によく使用されます。ほとんどの場合、ガス膜は等温であり、理想気体の法則に従うと考えられるため、レイノルズ方​​程式は簡略化されます。

• 空気誘導高周波ナイフ駆動

ローラーベアリングの破壊的な摩耗により損傷を引き起こす動作の場合でも、駆動システムの寿命は無制限です。

• エアガイドターボチャージャー

信頼性を確保し、最初の調査を行うために、従来のオイルガイド式ターボチャージャーから空気ガイド式への最初の変換が行われました。実際の将来のバージョンでは、高温ソリューション、大量生産品 (実証済みの生産コスト)、高周波スピンドル (動的バックグラウンドのノウハウ) から得られた結果の使用が非常に役立ちます。

• 検査装置用エアベアリング

ウェーハやフラットパネルの測定では、センサーチップを表面に沿って正確に、かつ接触せずに配置することが非常に重要です。そのため、チップはベアリングの表面に直接組み込まれています。エアベアリングのギャップ変動を示す表面までの最大距離許容差は、0.5 μm 未満です。エアベアリングをセンサーチップと一緒に配置する場合、測定対象のウェーハ表面に触れないようにしてください。上下運動については、再現性を確保するために空気でガイドされる空気圧ピストンが使用されます。このピストンで、エアベアリングのプリロードとギャップの高さも調整されます。

• 一体型リフトドライブ付きチャック

ウェーハの電気テストでは、チャックをスティックスリップなしで最大 3 mm まで持ち上げることができます。プローブに必要な接触力は調整可能で、ストロークとは無関係です。リフト ドライブはボイス コイル モーターに基づいており、ガイドは空気誘導式です。チャックとドライブ間の空気誘導式空気圧ピストンが接触力を制限します。

• 精密測定ステージ

フィリグリー構造により、1nm 未満の最高精度で 300nm チップ製造の透過光測定が可能になります。特に、エア ベアリングは、最高の剛性を保ちながら空気消費量を最小限に抑えるように設計されています。

• 高加速ドップラードライブ

高加速ドップラードライブは、最大 300 m/s² の加速度と高精度の柔軟な動作プロファイルでカーボンファイバーミラー (表面 500 mm x 250 mm) をサポートおよびガイドします。ソリューションは、エアガイドドライブで構成されています。ミラーに固定されたビーム (長さ 900 mm) はカーボンファイバー製で、リニアモーターの磁石を支えます。ケーブル/チューブ (モーター、エアベアリング、測定システム) は、高負荷サイクルによる破損を避けるため動きません。エアベアリングは、温度変化による形状の変動に対してまったく影響を受けません。^[15]

• 生産機械用ドライブ

生産機械にとって、性能だけでなく信頼性も非常に重要です。エアガイドソリューションは静的に決定されるように設計されています。鉄芯リニアモーターとピストンベアリングがエアベアリングの予圧を実現します。これにより、ドライブの組み立てが容易になり、温度の影響や機械の配置などによる形状の変化の影響を受けません。^[16]

人工呼吸器の脂肪や油を使わない駆動、スキャナーのスティックスリップのない動き、大型ローターの高速回転はすべてエアベアリングによって実現されています。

• 空気誘導CT

回転速度が速い (> 5.5 Hz / 330 rpm)、運用コストが低い、騒音がない、内側のローターの直径が大きい (> 1 m)、ローターとフレームの重量が軽い、ローターの傾斜が可能、信頼性が高い。直接駆動のほか、ベルト駆動も可能です。

主に、スティックスリップのない動きと最小の力が求められます。エアベアリング技術は、短いストロークで脂肪や油分のない高ダイナミックな動きを実現するように設計されています。

• 部品調整用エアベアリング

空気ガイドユニットを使用すると、光学部品を回転テーブル上に同じ直径で配置できます。真空プリロードと一定のベアリングギャップ高さを備えたエアベアリングは、回転テーブルの上に非接触で浮かんでいます。

• 光学生産用調整スライダー

空気誘導式で静的に決定されるリニア スライダーは、研削前に光学部品の高精度な位置決めを保証します。自動調整プロセスは、摩擦や力なしで実行されます。クランプされると、部品はその位置を維持し、サブ マイクロメートル範囲でさらに製造することができます。

• 空気磁気スリップシステム

衛星用のソーラーパネルは、打ち上げロケットで輸送する際には折りたたむ必要があります。軌道に到達した後、スプリング機構によって無重力で摩擦なく展開します。信頼性上の理由から、このプロセスは事前に地球上でテストする必要があります。テスト設計中、ソーラーパネルは重力を補正する磁気プリロードエアベアリングに吊り下げられます。これにより、展開動作プロセスは最小限の摩擦衝撃で実行され、ソーラーパネルは現実に近い状態でテストされます。さらに、この設計では、均等な連続動作で完全にメンテナンスフリーの取り扱いが可能です。

磁石を内蔵したエアベアリング部品 (直径 34 mm) は非常に小型で、従来のロール シート プレートに沿って非接触でスムーズに滑走でき、ベアリング ギャップの高さは約 25 μm です。ソーラー パネル 1 枚に対するエアベアリングの保持力は平均 600 N です。この力は、16 個の単一エアベアリング要素に負荷を均等に分散することで実現されます。ソーラー パネルの展開プロセスは、21 mx 2.5 m の領域で開発されました。

永久磁石プリロードエアベアリングガイドシステムは、多くの種類の吊り下げ輸送動作や、組み立て時の部品のスティックスリップのない位置決めなど、他の多くの用途に使用できます。

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• ベルント・シュルツ (1999)。Herstellung von aerostatischen Lagern mit Laserendbearbeitung [レーザー加工による静圧軸受の製造] (Ph.D.) (ドイツ語)。ドイツ: VDI Verlag。ISBN 3-18-352502-X。
• Schulz, B.; Muth, M. (1997).レーザービームで製造された動的に最適化されたエアベアリング(Ph.D.).イギリス: SPIE. ISBN 0-8194-2522-2。
• JW バーツ (1993)。ルフトラーゲルンゲン[エアベアリング]。ドイツ: エキスパート Verlag。ISBN 978-3-8169-1962-9。
• クレメント、ヨアヒム（2009）。Luftlager の機能:エレクトリッシェン ディレクタントリーブの技術[エアベアリングの機能分析 In:電動ダイレクトエンジンの技術]。ドイツ：Expert Verlag。ISBN 978-3-8169-2822-5。
• ドイツ DE4436156、J. Heinzl; M.ムス; B. Schulz、「Aerostatische Lager und Verfahren zur Herstellung eines aerostatischen Lagers [空気静圧ベアリングおよび空気静圧ベアリングの製造手順]」、1994 年 10 月 10 日発行、1994 年 10 月 10 日発行、J. Heinzl に譲渡。 M.ムス; B.シュルツ 
• シュローター、アンドレアス (1995)。Ausgleichsvorgänge und Strömungsgeräüsche bei aerostatischen Lagern mit flächig verteilten Mikrodüsen [スプレッドマイクロノズルを使用した空気静圧ベアリングでの手順と電流ノイズを均一化する]。ドイツ: VDI Verlag。ISBN 978-3-18-324501-7。
• ゲルケ、M. (1991)。 Auslegung von ebenen und zylindrischen aerostatischen Lagern bei stationären Betrieb [定置運転による平滑および円筒空気静圧軸受の構築]。ドイツ: トゥーミュンヘン。ISBN 978-3-8316-0631-3。

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