ニュース - エアベアリングとリニアモーションガイドシステムの種類を詳しく見る

ナノメートルスケールの製造という極めて重要な分野において、接触型機構の物理的限界は大きなボトルネックとなっています。業界リーダーが半導体リソグラフィーや航空宇宙検査におけるスループットの向上と高解像度の追求を進める中、高度なエアベアリング技術への依存は、ニッチな贅沢品から産業に不可欠なものへと変化しました。次世代のリニアモーションガイドシステムを設計するエンジニアにとって、さまざまな種類のエアベアリングと、エアベアリングガイドの剛性という重要な要素を理解することは不可欠です。

エアベアリングの主な種類を理解する

エアベアリング技術は、荷重を支える超薄型の加圧空気膜の原理に基づいており、機械式ベアリングに伴う摩擦、摩耗、発熱を効果的に排除します。しかし、空気の分配方法がベアリングの性能特性を決定します。

多孔質媒体エアベアリングは、均一な圧力分布を実現するゴールドスタンダードとよく考えられています。多孔質材料（通常はカーボンまたは特殊セラミック）を使用することで、空気は数百万個のサブミクロンの孔を通過します。これにより、振動が少なく、優れた減衰力を備えた非常に安定した空気膜が形成されます。

オリフィスエアベアリングは、精密に機械加工された穴または溝を利用して空気を分配します。製造は比較的容易ですが、高速回転時の不安定性を防ぐために必要な「圧力補償」を管理するには、専門的なエンジニアリングが必要です。

フラットパッドエアベアリングは、リニアモーションガイドシステムの主力製品です。通常、対向する2つをペアにして搭載し、花崗岩製のレールに「プリロード」をかけることで、多方向において高い拘束剛性を実現します。

ロータリーエアベアリングは、ゴニオメトリやスピンドルテストなどの用途において、ほぼゼロの誤差動作を実現します。ボールベアリングのような「ゴロゴロ」音を発することなく、一定の回転軸を維持できるため、光学的な芯出しには欠かせない存在となっています。

成功のエンジニアリング指標：エアベアリングガイドの剛性

計測学における最も一般的な誤解の一つは、エアベアリングは機械式ローラーに比べて「柔らかい」というものです。実際には、現代のエアベアリングガイドの剛性は、適切に設計されていれば、機械式システムを上回ることがあります。

エアベアリングシステムにおける剛性とは、荷重の変化に対する空気膜の厚さの変化を指します。これは「プリロード」によって実現されます。磁石や真空圧、あるいは対向するエアパッドで花崗岩のレールを固定することで、エンジニアは空気膜を圧縮することができます。空気膜が薄くなるにつれて、それ以上の圧縮に対する抵抗は指数関数的に増加します。

高い剛性は、システムの固有振動数と、高加速リニアモータによって発生する力などの外乱に対する抵抗能力を左右するため、非常に重要です。ZHHIMGでは、数値流体力学（CFD）を用いて、ベアリングと軸受間の隙間を最適化しています。花崗岩ガイド摩擦のない動作の性質を損なうことなく、剛性が最大限に高められることを保証します。

リニアモーションガイドシステムの進化

エアベアリングをリニアモーションガイドシステムに統合することで、現代の機械の構造は大きく変化しました。従来のリニアガイドは、鋼製レールと循環ボールキャリッジで構成されていました。これらのシステムは堅牢ではあるものの、「コギング」や熱膨張の問題を抱えていました。

現代の高精度リニアガイドシステムは、必要な平坦性と熱慣性を提供する花崗岩製のビームと、エアベアリングキャリッジを組み合わせたものが一般的です。この組み合わせにより、以下のことが可能になります。

静止摩擦（スティクション）がゼロなので、微細な増分移動が可能になります。
コンポーネント間の機械的な摩耗がないため、寿命は無限です。
一定の空気の流出によりベアリングの隙間にほこりが入るのを防ぐ、セルフクリーニング特性を備えています。

インダストリー4.0におけるエアベアリング技術メーカーの役割

エアベアリング技術メーカーの選択には、ベアリングそのものの評価だけでは不十分です。最も効果的な実装は、ベアリング、ガイドレール、そして支持構造を一体化したシステムとして扱うことです。

ZHHIMGグループは、専門メーカーとして、材料科学と流体力学の橋渡し役を務めています。私たちは、空気膜の「滑走路」となる花崗岩部品の製造を専門としています。エアベアリングの精度は、その上を飛行する表面の精度に左右されるため、花崗岩をサブミクロンレベルの平坦度で研磨する当社の能力こそが、当社のリニアモーションシステムがナノメートルレベルの再現性を実現している理由です。

半導体検査分野では、2nmノードや1nmノードへの移行に伴い、振動ゼロで移動可能なステージが求められるため、これらのシステムの需要が急増しています。同様に、航空宇宙分野では、大型タービン部品の測定に、花崗岩の高荷重耐性とエアサポートプローブの繊細なタッチの組み合わせが求められています。