JP2006170437A - 流体動圧軸受装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造寸法のバラツキに起因する規定方向へのポンプ作用に対する悪影響を抑えて流体動圧を発生させることができる表面溝パターン構造の流体動圧軸受装置を提供する。
【解決手段】少なくとも2個の軸受構成部材1、2を備え、対向する軸受面の間に軸受流体が満たされる軸受間隙3が形成され、軸受面の少なくとも一方に形成されて流体動圧を発生させる表面溝パターン構造11を備え、軸受構成部材1、2が相対的に回転することにより、軸受間隙3内に流体動圧を発生させる流体動圧軸受装置であって、表面溝パターン構造11は、少なくとも3つのパターン構成部分11a,11b,11cを含み、各パターン構成部分11a,11b,11cは、各々隣り合うパターン構成部分毎に本質的に逆方向である規定された方向にポンプ作用を発生させる。
【選択図】図5A

Description

本発明は、対向して相対的に回転可能な少なくとも2個の軸受構成部材を備え、対向する軸受面の間に軸受流体が満たされている軸受間隙が形成され、軸受面の少なくとも一方に流体動圧を発生させる表面溝パターン構造が形成され、軸受構成部材が相対的に回転することにより軸受間隙の範囲内に流体動圧を発生させる流体動圧軸受装置、特に、ラジアル動圧軸受装置に関する。
流体動圧軸受装置は、一般的に相対的に回転する少なくとも2個の軸受構成部材により構成される。それらの軸受構成部材における対向する2つの軸受面の間には、例えば空気又は軸受油等の軸受流体が満たされる軸受間隙が形成される。その場合の軸受面には、軸受流体に作用する表面溝パターン構造を設けることが従来から知られている。
流体動圧軸受装置の表面溝パターン構造は、一般的に、軸受面の一方又は両方に、凹形状又は凸形状に形成される。対向する軸受面に配置されたそれらの構造は、軸受構成部材が相対的に回転する際に、軸受間隙の中に流体動圧を発生させる軸受の表面溝パターン構造、及び/又は、ポンプ用表面溝パターン構造として機能する。ラジアル動圧軸受装置の場合には、例えば、少なくとも一方の軸受構成部材の周囲表面上に割り当てられて配置され、その軸受構成部材の回転軸と垂直方向に、放物線形状又はヘリングボーン形状の表面溝パターン構造が形成される。
理想的な流体動圧軸受装置では、軸受流体が満たされた2個の軸受構成部材の間に配置される軸受間隙は、軸受の全長に渡って同一の幅である。しかし、実際の流体動圧軸受装置では、軸受間隙の幅が理想とは異なってしまう。軸受相手となる軸受構成部材は、多くの場合円錐形であり、そのため軸受間隙の幅は軸受の長さ方向に拡大又は縮小される。
流体動圧軸受装置の一方の表面溝パターン構造によるポンプ作用は、軸受間隙の幅に依存しており、軸受間隙の幅の違いに加えて全く対称な表面溝パターン構造に基づいて、異なった方向と強さでポンプ作用が発生される。
図1は、円錐形状の軸受孔に対向するシャフト表面に対称の表面溝パターン構造が形成された従来のラジアル流体動圧軸受装置の概略構成を示した側面図である。
図1には、上述した状態の例として、円錐形状(誇張描写されている)の軸受孔を有する軸受スリーブ1と、シャフト2の外周に図示された対称の表面溝パターン構造4により構成されるラジアル流体動圧軸受装置が示されている。対称に形成された表面溝パターン構造4は、シャフト2の回転に伴い、軸受間隙3における軸方向の何れの方向に対しても同一の強度でポンプ作用を発生させることが期待されるものである。
しかし、実際には、表面溝パターン構造4のうちでも、軸受間隙3の幅が狭いところに位置するパターン構成部分は、軸受間隙3の幅が広いところに位置するパターン構成部分よりも強力なポンプ作用を発生させる。従って、図示されている例では、矢印5の方向へのポンプ作用がより強くなり、それによって軸受流体は、回転軸6と平行に矢印5に沿って、図中の上方向に付勢される。
又、実際のポンプ作用は、規定された方向及び強さのポンプ作用であることがしばしば望まれる。そのような場合に用いられるのが、図2に図示されている非対称である放物線形状の従来の表面溝パターン構造(又はポンプ用表面溝パターン構造)7である。例えば、放物線形状の表面溝パターン構造(ポンプ用表面溝パターン構造)7の場合、パターン構成部分7aは、これと逆向きに作用するパターン構成部分7bよりも長く、より長いパターン構成部分である7aにより発生されるポンプ作用は、より短いパターン構成部分7bにより発生されるポンプ作用よりも強い。従ってポンプ作用としては、主により短いパターン構成部分7bの方向に発生されることになり、軸受流体は、より長いパターン構成部分7aから発してより短いパターン構成部分7bに向かう矢印8に沿って、図中の下方向に付勢される。
しかしながら、実際の流体動圧軸受装置では、上記の図2に示された表面溝パターン構造が非対称であることにより発生されるポンプ作用と、上記の図1に示された軸受構成部材同士の形状の相違により発生されるポンプ作用とが重なり合って動圧が発生される。又、軸受構成部材の製造寸法公差が大きくばらつくことによって、あるパターン構成部分から別のパターン構成部分へのポンプ作用に大きな差が発生する場合があり、状況次第では、規定方向に対する負方向への圧力が軸受領域内に発生される場合がある。このことを避けるには、表面溝パターン構造を非常に非対称に形成させて規定された必要不可欠なポンプ作用を確保できるようにすれば可能であるが、その場合には、結果的に流体動圧軸受装置の性能を悪化させるという問題がある。
本発明は上述したような課題を解決するためになされたもので、上述した軸受構成部材の製造寸法公差のバラツキに起因する規定方向へのポンプ作用に対する悪影響(規定方向に対する負方向への圧力と性能の悪化)を抑えられるように改善された流体動圧を発生させることができる表面溝パターン構造の流体動圧軸受装置を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、この発明に係る流体動圧軸受装置は、流体動圧を発生させる表面溝パターン構造と、
対向して相対的に回転可能な少なくとも2個の軸受構成部材を備え、
対向する軸受面の間に軸受流体が満たされている軸受間隙が形成され、
軸受面の少なくとも一方に表面溝パターン構造が形成され、
軸受構成部材が相対的に回転することにより、軸受間隙の範囲内に流体動圧を発生させる流体動圧軸受装置であって、
表面溝パターン構造は、少なくとも3つのパターン構成部分を含み、
各パターン構成部分は各々規定された方向にポンプ作用を発生させ、
そのポンプ作用は、隣り合うパターン構成部分毎に、本質的に逆方向である。
本発明によれば、軸受構成部材の製造寸法公差のバラツキに起因する規定方向へのポンプ作用に対する悪影響を抑えられるよう改善された流体動圧を発生させることができる表面溝パターン構造の流体動圧軸受装置を提供することができる。
以下に、本発明を図面を参照して詳細に説明する。本発明の図面及びその説明により、本発明の更なる特徴、有利性及び用途を得ることができる。
(実施の形態)
本発明による表面溝パターン構造の例を図3A、図3B、図3C、図4A、図4B、図6A、及び、図6Bに示す。表面溝パターン構造では、幾何学的に分離させる(幾何学的分離部分を設ける)ことにより、相手の軸受構成部材が円錐形状であることにより発生される影響を部分的に補償することができる。
以下、方向についての記載では、当該図が直視されている場合を前提として「左方向」、「右方向」、「上方向」及び「下方向」という表現を用いる。
図3Aは、本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第1の例を示す図である。
図3Aの表面溝パターン構造9は、放物線形状に湾曲されつつ互いに接続されたパターン構成部分9aと9b、及び、鋭角を介して接続されるパターン構成部分9cにより構成される。図3Aに示したような表面溝パターン構造9を、例えば、シャフト2(図1参照)に設けた上、シャフト2を右方向に回転させると、パターン構成部分9aと9cは、各々下方向にポンプ作用を発生させる。
一方、パターン構成部分9bは、上方向にポンプ作用を発生させる。この表面溝パターン構造9におけるポンプ作用は、軸受間隙3が均一である場合には、主に下方向に発生される。それは、パターン構成部分9bの長さが、パターン構成部分9aと9cを合わせた長さより短いからである。
図3Bは、本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第2の例を示す図である。
図3Bの表面溝パターン構造10は、放物線形状に湾曲されつつ互いに接続されたパターン構成部分10aと10b、及び、その接続された表面溝パターン構造10a−10bに接続される湾曲パターン構成部分10cにより構成される。パターン構成部分10a及び10cは、各々下方向にポンプ作用を発生させる。
一方、パターン構成部分10bは、上方向にポンプ作用を発生させる。この表面溝パターン構造10の場合のポンプ作用は、軸受間隙3が均一であるという条件の下では、主として下方向に発生される。
図3Cは、本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第3の例を示す図である。
図3Cの表面溝パターン構造11は、各々鋭角に接続されたパターン構成部分11a、11b及び11cにより構成される。パターン構成部分11a及び11cは、各々下方向にポンプ作用を発生させる。
一方、パターン構成部分11bは、上方向にポンプ作用を発生させる。この表面溝パターン構造11の場合のポンプ作用は、軸受間隙3が均一である場合には主に下方向に発生される。
図4A及び図4Bは、本発明の実施形態である非対称で分離されたパターン構成部分により構成される(ポンプ用)表面溝パターン構造の第1の例及び第2の例を各々示す図である。
図4Aには、表面溝パターン構造を構成する各パターン構成部分のうちの一部が分離されている表面溝パターン構造12が示されており、図4Bには、表面溝パターン構造を構成する各パターン構成部分が全て分離されている表面溝パターン構造13が示されている。それらの表面溝パターン構造12、13により発生されるポンプ作用は、図3A及び図3Cに示された表面溝パターン構造9及び11が発生させるポンプ作用に相当する。
図5A及び図5Bは、円錐形状に形状が逸脱した円筒形状部(軸受スリーブ1)と、非対称の分離された(ポンプ用)表面溝パターン構造11を備えるラジアル流体動圧軸受装置の第1の例及び第2の例の概略構成を各々示した側面図である。
表面溝パターン構造11の作用について、図5A及び図5Bを参照しながら説明する。軸受スリーブ1の軸受孔が理想的円筒形状から円錐形状に形状が逸脱した軸受としては、実際には2通りの円錐形状が考えられる。(ここで、当然ながら理想的円筒形状から形状が逸脱したシャフト2の場合も同様と考えてよい。)軸受間隙3は、上側方向又は下側方向の何れかの一方向へ行くほど拡大される。このことが図5A及び図5Bに示される。
図5A及び図5Bには、軸受スリーブ1とシャフト2により構成されるラジアル流体動圧軸受装置が示されている。図示された流体動圧軸受装置の場合には、軸受間隙3に介在する軸受流体が主として下方向(規定方向)に付勢されるよう構成される必要がある。
図5Aに示されている表面溝パターン構造11は、通常は下方向(規定方向)にポンプ作用を発生させる。しかし、図1に示されたように上方向に拡大された一般的な軸受間隙3は、それとは逆の上方向にポンプ作用を発生させる。又、図5Aに示されている実施形態による表面溝パターン構造11の上側のパターン構成部分11aは、下方向にポンプ作用を発生させる。ところが、軸受間隙3の幅が上に向かって拡大されているため、表面溝パターン構造11の上側のパターン構成部分11aにおけるポンプ作用は期待されるほど大きくはない。
それに対して、表面溝パターン構造11の下側のパターン構成部分11cは、軸受間隙3の幅が縮小される部位に位置しているので、下方向に期待を上回るポンプ作用を発生させる。そのポンプ作用は、上側のパターン構成部分11aにおけるポンプ作用と合わせると、軸受間隙3の幅が縮小された場所に位置して上方向にポンプ作用を発生させる表面溝パターン構造11のパターン構成部分11bによるポンプ作用を補償できるほど強くなる。従って、例え軸受間隙3の幅が均一でない場合であっても、期待通りに主として下方向(規定方向)のポンプ作用を発生させることができる。
図5Bに示されている軸受間隙3は、上方向に向かって狭くなるので、図5Aに示されている軸受間隙3の場合のちょうど逆になる。図5Bに示されている実施形態による表面溝パターン構造11の上側のパターン構成部分11aは、下方向にポンプ作用を発生させる。ところが、軸受間隙3の幅は上方向に向かって縮小されているため、表面溝パターン構造11の上側のパターン構成部分11aにおけるポンプ作用は期待を上回って発生される。
それに対して、表面溝パターン構造11の下側のパターン構成部分11cは、軸受間隙3の幅が拡大される部位に位置しているので、下方向に、ポンプ作用を殆ど発生させない。表面溝パターン構造11のパターン構成部分11bは、軸受間隙3の幅が縮小される部位に位置し、上方向に比較的大きなポンプ作用を発生させる。以上から、図5Bの場合も、期待通りに主として下方向(規定方向)のポンプ作用を発生させることができる。
図6Aは、本発明の実施形態である対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造14の第1の例を示す図であり、図6Bは、本発明の実施形態である対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造15の第2の例を示す図である。
表面溝パターン構造14、15は、流体動圧軸受装置に上記したような規定された方向へのポンプ作用が求められていない場合を想定している。表面溝パターン構造14、15は、好適には、軸受間隙3中の圧力が大気圧を上回る場合に用いられる。
図6Aは、各々が鋭角に接続されている4つの直線形状のパターン構成部分14a〜14dにより構成される対称の表面溝パターン構造14を示している。より長い2つのパターン構成部分14b及び14cは、同一の長さを有することから、互いに逆の方向に同一に強さのポンプ作用を発生させる。
又、互いに離間しているより短いパターン構成部分14a及び14dも、同様に、互いに逆の方向に同一に強さのポンプ作用を発生させる。但し、より短いパターン構成部分14a及び14dが発生させるポンプ作用は、先に説明したより長いパターン構成部分14b及び14cが発生させるポンプ作用よりも弱い。尚、パターン構成部分14aと14cのポンプ作用の方向と、パターン構成部分14bと14dのポンプ作用の方向は、各々同一方向であって、全体として互いに均衡を保つ強さになっている。
図6Bは、放物線形状に湾曲されて接続されている2つのパターン構成部分15bと15c、及び、そのパターン構成部分15bと15cの各自由端部に接続された、湾曲パターン構成部分15aと15dにより構成される表面溝パターン構造15を示している。湾曲パターン構成部分15aと15dの湾曲方向は、より長いパターン構成部分15bと15cが接続される自由端部側の湾曲方向と逆である。
パターン構成部分15bと15dは、各々下方向にポンプ作用を発生させる。一方、パターン構成部分15aと15cは、各々上方向にポンプ作用を発生させる。軸受間隙3が均一である場合には、全体としてのポンプ作用は、軸方向は互いに相殺される。
本実施形態の流体動圧を発生させる表面溝パターン構造9〜15を備える流体動圧軸受装置は、対向し、相対的に回転する軸受面の間に軸受流体が満たされる軸受間隙3を形成させる少なくとも2個の軸受構成部材(軸受スリーブ1とシャフト2)を含んでいる。表面溝パターン構造9〜15は、上記した軸受面の少なくとも一方に形成されているので、上記した軸受構成部材1、2の相対的回転運動に伴って上記した軸受間隙3の範囲内に流体動圧を発生させる。
本実施形態によれば、表面溝パターン構造9〜15の各々は、少なくとも3つのパターン構成部分(9a、9b、9c)〜(15a、15b、15c、15d)を含んで構成され、各パターン構成部分は、各々規定された方向にポンプ作用を発生させる。その場合、互いに隣り合うパターン構成部分毎に、本質的に互いに逆の方向にポンプ作用を発生させる。
本実施形態の一部の実施例によれば、表面溝パターン構造11;14は、好適には、互いに隣り合う直線形状のパターン構成部分11a,11b,11c;14a,14b,14c;14dが鋭角で互いに重なり合うように変形されつつ接続されて一緒に設置される構成である。
本実施形態の別の実施例によれば、表面溝パターン構造10;15は、互いに接続される湾曲形状の各パターン構成部分10a,10b,10c;15a,15b,15c,15dが一緒に設置される構成である。その際に、それらの各パターン構成部分は接続されて略S字形状又は波状線形状の構造を形成する。
本実施形態の更に別な実施例によれば、表面溝パターン構造9は、湾曲形状の各パターン構成部分9a,9b及び直線形状の各パターン構成部分9cが組み合わされて一緒に設置されていてもよい。その際に、接続されて互いに隣り合わされる湾曲形状の各パターン構成部分9a,9bが放物線の形状で形成され、一方で直線形状のパターン構成部分9cは、鋭角で湾曲形状のパターン構成部分に接続される。
一般的には、表面溝パターン構造9;10;11;12;13;14;15における個々の各パターン構成部分の構造は、異なる長さに形成される。表面溝パターン構造9;10;11;12;13における個々の各パターン構成部分の各々が、異なる2方向に、異なる強さでポンプ作用を発生させる。特に、互いに直接に接続されて隣り合わさない2つのパターン構成部分9a,9c;10a,10c;11a,11c;14a,14b,14c;14d;15a,15b,15c,15dにおけるポンプ作用は、同じ方向に設定される。
上述した表面溝パターン構造は対称であっても非対称であってもよいが、対称の場合の表面溝パターン構造は少なくとも4つのパターン構成部分を有する。
表面溝パターン構造14,15における個々の各パターン構成部分は、特定方向に規定されたポンプ作用を発生させず、流体動圧軸受装置は、スラスト動圧軸受装置又はラジアル動圧軸受装置であってもよい。
このように本実施形態の表面溝パターン構造は、上記したような各パターン構成部分により形成されるので、軸受間隙3における製造寸法の幾何学的なバラツキ(製造寸法公差に基づく)による、予め規定された方向へのポンプ作用に及ぼす影響を僅かにすることができる。
軸受スリーブが円錐形状であって、シャフトには対称である表面溝パターン構造が形成されたラジアル流体動圧軸受装置の概略図である(従来技術)。 非対称である放物線形状の(ポンプ用)表面溝パターン構造を示す(従来技術)。 本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第1の例を示す図である。 本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第2の例を示す図である。 本発明の実施形態である非対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第3の例を示す図である。 本発明の実施形態である非対称で分離されたパターン構成部分により構成される(ポンプ用)表面溝パターン構造の第1の例を示す図である。 本発明の実施形態である非対称で分離されたパターン構成部分により構成される(ポンプ用)表面溝パターン構造の第2の例を示す図である。 軸受スリーブが円錐形状で分離されたパターン構成部分により構成される(ポンプ用)表面溝パターン構造を備えるラジアル流体動圧軸受装置の第1の例の概略構成図である。 軸受スリーブが円錐形状で分離されたパターン構成部分により構成される(ポンプ用)表面溝パターン構造を備えるラジアル流体動圧軸受装置の第1の例及び第2の例の概略構成図である。 本発明の実施形態である対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第1の例を示す図である。 本発明の実施形態である対称の(ポンプ用)表面溝パターン構造の第2の例を示す図である。
符号の説明
1 軸受スリーブ、
2 シャフト、
3 軸受間隙、
4 表面溝パターン構造(対称)、
5 矢印、
6 回転軸、
7 表面溝パターン構造(非対称)、
7a パターン構成部分、
7b パターン構成部分、
8 矢印、
9 表面溝パターン構造(分離型 非対称)、
9a パターン構成部分、
9b パターン構成部分、
9c パターン構成部分、
10 表面溝パターン構造(分離型 非対称)、
10a パターン構成部分、
10b パターン構成部分、
10c パターン構成部分、
11 表面溝パターン構造(分離型 非対称)、
11a パターン構成部分、
11b パターン構成部分、
11c パターン構成部分、
12 表面溝パターン構造(分離型 非対称)、
13 表面溝パターン構造(分離型 非対称)、
14 表面溝パターン構造(分離型 対称)、
14a パターン構成部分、
14b パターン構成部分、
14c パターン構成部分、
14d パターン構成部分、
15 表面溝パターン構造(分離型 対称)、
15a パターン構成部分、
15b パターン構成部分、
15c パターン構成部分、
15d パターン構成部分。

Claims (11)

  1. 流体動圧を発生させる表面溝パターン構造と、
    対向して相対的に回転可能な少なくとも2個の軸受構成部材を備え、
    対向する軸受面の間に軸受流体が満たされている軸受間隙が形成され、
    前記軸受面の少なくとも一方に前記表面溝パターン構造が形成され、
    前記軸受構成部材が相対的に回転することにより、前記軸受間隙の範囲内に流体動圧を発生させる流体動圧軸受装置であって、
    前記表面溝パターン構造は、少なくとも3つのパターン構成部分を含み、
    前記各パターン構成部分は各々規定された方向にポンプ作用を発生させ、
    そのポンプ作用は、隣り合うパターン構成部分毎に、本質的に逆方向である
    ことを特徴とする流体動圧軸受装置。
  2. 前記表面溝パターン構造の前記各パターン構成部分は、
    互いに重なり合うように接続される
    ことを特徴とする請求項1に記載の流体動圧軸受装置。
  3. 前記表面溝パターン構造の前記各パターン構成部分は、
    その全て或いは一部が、僅かな間隔で分離されつつ互いに隣接している
    ことを特徴とする請求項1に記載の流体動圧軸受装置。
  4. 前記表面溝パターン構造は、
    直線形状の前記各パターン構成部分が180°より小さな角で互いに重なり合うように設置される
    ことを特徴とする、請求項1から3の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  5. 前記表面溝パターン構造は、
    湾曲形状の前記各パターン構成部分が一緒に設置され、
    前記各パターン構成部分が接続されて略S字形状又は波状線形状の構造を形成する
    ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  6. 前記表面溝パターン構造は、
    湾曲形状の前記各パターン構成部分及び直線形状の前記各パターン構成部分が一緒に設置され、
    接続されて隣り合わされる前記湾曲形状の各パターン構成部分が放物線の形状で形成され、前記直線形状のパターン構成部分が180°より小さな角で前記湾曲形状のパターン構成部分に接続される
    ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  7. 前記表面溝パターン構造における個々の前記各パターン構成部分の構造は、異なる長さに形成される
    ことを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  8. 前記表面溝パターン構造における個々の前記各パターン構成部分は、異なる2方向に、異なる強さでポンプ作用を発生させる
    ことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  9. 前記表面溝パターン構造における個々の前記各パターン構成部分は、前記特定方向に規定されたポンプ作用を発生させない
    ことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  10. 直接に接続されて隣り合わない2つの前記各パターン構成部分におけるポンプ作用は、同じ方向に設定される
    ことを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
  11. 前記流体動圧軸受装置は、スラスト動圧軸受装置又はラジアル動圧軸受装置である
    ことを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の流体動圧軸受装置。
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