JP2007113775A

JP2007113775A - リングフォイルガス軸受

Info

Publication number: JP2007113775A
Application number: JP2005334914A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Matsuo; 栄人松尾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】動圧型ガス軸受は、フォイル型が主流となっているが、軸径が３０ｍｍより小さなものでは、加工精度が厳しく、コスト的に油軸受に劣っている。また、負荷能力の向上や軸系重量の軽減、軸受外径の低減等のレイアウト上の課題が残されている。
【解決手段】フォイルをリング状にしたリングフォイル、帯状の板バネに回転軸方向にスリットを設けてバネ部を構成した板バネを組み合わせることにより、リングの変形で適切な楔状流路形成を行って付加能力とコスト低減を図った。更に、カートリッジに溝を設け、リングフォイルに設けた軸方向の突起を前記の溝に組み入れることにより、リングフォイルの回転や軸方向の動きを規制して安定性を向上させた動圧型ガス軸受。
【選択図】図４

Description

ターボ機械の回転軸を支持するガスや空気を使用した軸受に関する技術分野

ガスを潤滑剤として使用するガス軸受は、ガスを高圧で供給する静圧型と呼ばれるタイプが各方面で実用化されているが、ガスを供給しない動圧型は、一部で実用化されているだけで、メーカも限定され、普及が遅れている。その最大の理由は、油潤滑の軸受に比べて、負荷能力が低い、低速の振動が大きい、高速域での減衰能力が低い等の点が挙げられる。

動圧型ガス軸受は、フォイル型と呼ばれる形式が主流であり、軸と接するフォイルとカートリッジ間を弾性支持するバネで構成され、これらの支持剛性と減衰能力、軸とフォイル間の軸受隙間の設定が重要な鍵となっている。低速域の振動を抑制するために軸受隙間を小さくすると、高速での損失が大きくなる。このため、低速域では、フォイルを支持するバネで軸受隙間を小さく抑え、高速域では、軸受隙間を大きくして損失を低減することが必要である。

バネとしては、主に板バネが採用され、各種の形状が考案されている。その中で、図９に示す化学エッチングで板（１０）に形成された多数の爪状バネ（２０）が板（１０）を円筒状に曲げるときに平面に保たれるために、円筒面から突出してバネの働きをするもので特筆すべき考案（特表平９−５１２０８４）である。爪状バネ（２０）は、フォイル（３０）に力がかかって外周側へと押される時、カートリッジ（４０）の内面に接して曲げられ、そのバネ力でフォイル（３０）を押し戻す力が生み出される。

この爪状バネ（２０）を有する板（１０）をフォイル（３０）とカートリッジ（４０）で形成される狭い隙間に挿入する時、爪状バネ（２０）がフォイル（３０）とカートリッジ（４０）の側面に当って挿入が困難となり、生産性を損ねることがある。

図９に示すように、爪状バネ（２０）を形成するために爪状バネ（２０）を支持する部分と板（１０）から切り取られた部分が必要であり、所定の板厚でバネ力を強めるためには、爪の長さを短くする必要があるが、短くするとフォイル（３０）の変位が小さく、爪状バネ（２０）の応力が大きくなるという欠点がある。

所定の板厚で爪状バネ（２０）バネ力を大きくするためには、回転軸方向の爪状バネ（２０）の数を減らすことが有効であるが、一枚一枚のバネ力が増大し、前記の隙間への挿入は更に困難になる。

図１０に示すようなバンプフォイル型やリーフフォイル型、図１１に示すフォイル型では、回転軸径が３０ｍｍ以下になると、フォイルの厚みは０．２ｍｍ以下で、板バネの厚さは、０．１ｍｍ以下となり、フォイルやバネの製作は非常に困難なものとなり、軸の芯保持、フォイル面の面形状、隙間寸法の精度が悪く、バネ力の調整が困難になる。

回転軸径が３０ｍｍ以下の動圧型ガス軸受は、軸受隙間や回転軸の軸振動許容値が小さく、軸浮上の働きをする楔状の流路の最大軸受隙間が２０μｍ以下、最小軸受隙間は１０μｍ前後であり、各種の機械で加工するには困難を伴う。この小さな回転軸系に使用される動圧型ガス軸受のフォイルや板バネの製作を容易にし、寸法精度の向上を図ることのできる新しいフォイルと板バネの構造を提供する。

動圧型ガス軸受は、同一の軸系形状であっても付加能力を変更する場合、全ての構成要素（カートリッジ、フォイル、板バネ）の形状寸法を変更する必要があり、生産性が乏しい。本考案では、軸受の軸支持能力を決定する軸とフォイル間で形成される楔状流路の形状を板バネ或いは板バネとフォイル厚とで調整可能とする。

動圧型ガス軸受は、油潤滑軸受に比べて支持能力と減衰能力が小さいため、軸径が大きく、軸受長さも長く、軸受に隣接する部品との距離を長く取る必要があり、回転軸全体が長くなりやすく、軸系全体の重量が重くなり、軸系の固有振動数が低くなるという欠点を有する。カートリッジに収納されるフォイルと板バネで形成される外径を小さくして、隣接する部品（例えばモータ）との距離が短くなる（例えばモータの巻線の内径側隙間に設置可能な）動圧型ガス軸受を提供する。

フォイルを円筒形状で形成する。（以下では、このフォイルをリングフォイルと呼ぶ。）リングフォイルの外周面に適当な荒さを設ける。リングフォイルとカートリッジ間に形成される隙間に、板状の少なくとも一枚の板バネを設ける。前記の板バネに、少なくとも一本の軸方向のスリットを設ける。このスリットは、板バネの両端を切断しないものとする。スリットで切断された部分の少なくとも一方の端部をスリットに沿って折り曲げ、板バネから突出した部分がリングフォイルに接するように、カートリッジとリングフォイルで形成される隙間に挿入する。

リングフォイルの外周面に軸方向に伸びた少なくとも一個の突起を設ける。カートリッジ内面に上記のリングフォイル外周に設けられた突起を収納可能な溝を少なくとも一個設ける。リングフォイルとカートリッジ間に形成される隙間に、板状の少なくとも一枚の板バネを設ける。前記の板バネに、少なくとも一本の軸方向のスリットを設ける。このスリットは、板バネの両端を切断しないものとする。

実施例１の構成を図１に示す。回転軸（１００）の外周に適当な軸受隙間（１１０）を設けて設置されたリングフォイル（２００）、リングフォイル（２００）をカートリッジ（４００）に弾性支持する板バネ（３００）で構成され、板バネ（３００）に設けられた突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）でリングフォイル（２００）と接している。

図２に実施例１の板バネ（３００）の詳細図を示す。板バネ（３００）には、スリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）が設けられ、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）の一部は一方側に曲げられ、突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）が形成されている。板バネ（３００）の両側には結合部（３３６）、（３３７）が、両端には端部（３３８）、（３３９）が設けられ、それぞれが角で連続し、結合部（３３６）、（３３７）は、スリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）間のバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）と連続している。板バネ（２００）は、リングフォイル（２００）の外周をほぼ囲むように設置され、全周を数区間に分割、各区間の構成は同一のものが用いられる。この例では、３分割され、１区間について記号を示しており、残りの２区間も同じ構成になっている。

図３に実施例１のリングフォイル（２００）の詳細図を示す。

実施例２の構成を図４に示す。回転軸（１００）の外周に適当な軸受隙間（１１０）を設けて設置されたリングフォイル（２００）、リングフォイル（２００）をカートリッジ（４００）に弾性支持する板バネ（３００）で構成され、板バネ（３００）の端部（３１０）は、線（３２０）を囲むように線（３２０）に固着され、カートリッジ（４００）に設けられた溝（４１０）に挿入されている。

図５の丸Ａ（図４に図示）内の詳細図に、板バネ（３００）の取り付け状況を示す。板バネ（３００）は、後述のスリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）により、一部がバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）に分断され、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）のほぼ中心部がリングフォイル（２００）に、両端がカートリッジ（４００）に接している。

図６に実施例２の板バネ（３００）の詳細図を示す。板バネ（３００）には、スリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）が設けられ、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）が形成されている。板バネ（３００）の両側には結合部（３３６）、（３３７）が、両端には端部（３３８）、（３３９）が設けられ、それぞれが角で連続し、結合部（３３６）、（３３７）は、スリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）間のバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）と連続している。板バネ（２００）は、リングフォイル（２００）の外周をほぼ囲むように設置され、全周を数区間に分割、各区間の構成は同一のものが用いられる。この例では、３分割され、１区間について記号を示しており、残りの２区間も同じ構成になっている。

発明の効果

実施例１のガス軸受は、リングフォイル（２００）の外周に設けられた板バネ（３００）が３区間に分けられ、各区間にスリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）で不等間隔に分けられて、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）が形成され、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）の一部が曲げられ、突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）が形成されている。突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）は、リングフォイル（２００）に接して、リングフォイル（２００）を内径側へと押し付ける働きをしている。回転軸（１００）が回転すると、回転軸（１００）とリングフォイル（２００）間に存在するガスを介してリングフォイル（２００）を回転させようとする力が働く。前記の突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）は、リングフォイル（２００）に食い込むように設けられているために、リングフォイル（２００）の回転を阻止する働きをする。

実施例１の回転軸（１００）に半径方向の力が作用した場合、この説明では図中の右方向に回転軸（１００）が動いた場合を考えると、リングフォイル（２００）はガスを介して右方向に押され、板バネ（３００）のバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）をカートリッジ（４００）に押しつけられる。この時、平板状のバネ部（３３１）、（３３２）、（３３３）は、カートリッジ（４００）の内面と同じ円弧状に変形して平板状に復元しようとするバネ力を発揮して押し戻す働きをする。また、予め曲げられた突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）は、前述のバネ力を高める働きもする。

板バネ（３００）は、リングフォイル（２００）とカートリッジ（４００）との間にできる狭い隙間に挿入されるものであり、板バネ（２００）の結合部（３３６）から挿入されるため、突出部（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）及びバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）は、リングフォイル（２００）の外面とカートリッジ（４００）の内面で押しつけられるので容易に挿入される。

リングフォイル（２００）の１／３周に当る不等間隔にスリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）で形成されたバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）は、リングフォイル（２００）を外周部から三角、四角、正弦波などの力分布で押されるので、リングフォイル（２００）が所期の形状に変形し、軸受の負荷能力向上に望ましい楔形状が形成される。

実施例２のガス軸受は、リングフォイル（２００）の外周に設けられた板バネ（３００）が３区間に分けられ、各区間にスリット（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）で不等間隔に分けられたバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）が形成されている。バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）のほぼ中央は、リングフォイル（２００）に接し、両端はカートリッジ（４００）の内面に接して、リングフォイル（２００）を内径側へと押し付ける働きをしている。回転軸（１００）が回転すると、回転軸（１００）とリングフォイル（２００）間に存在するガスを介してリングフォイル（２００）を回転させようとする力が働く。リングフォイル（２００）に設けられた突起（２１０）は、カートリッジ（４００）に設けられた溝（４１０）に挿入されており、リングフォイル（２００）の回転を阻止する働きをする。

実施例２の回転軸（１００）に半径方向の力が作用した場合、この場合は図中の右方向に回転軸（１００）が動いた場合、リングフォイル（２００）はガスを介して右方向に押され、板バネ（３００）のバネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）をカートリッジ（４００）に押しつける。この時、平板状のバネ部（３３１）、（３３２）、（３３３）は、カートリッジ（４００）の内面と同じ円弧状に変形して平板状に復元しようとするバネ力を発揮して押し戻す働きをする。

リングフォイル（２００）の軸方向の動きは、カートリッジ（４００）の側面に溝（４１０）を塞ぐ蓋を設けること、或いは、突起（２１０）の一部を切り欠いて、その部分にカートリッジ（４００）に設けたネジ孔又は孔を通してネジ又はピンを差し込むことによって制限される。

板バネ（３００）は、リングフォイル（２００）とカートリッジ（４００）との間にできる狭い隙間に挿入されるものであり、板バネ（２００）の結合部（３３６）から挿入されるため、バネ部（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）は、リングフォイル（２００）の外面とカートリッジ（４００）の内面で押しつけられるので容易に挿入される。

以上の説明では、板バネ（２００）を３区間に分けた場合について説明したが、区間数が変わっても本考案の主旨や効果が変わるものではない。

更に、リングフォイル（２００）に設けられる突起（２１０）及びカートリッジ（４００）に設けられる溝（４１０）の数は、複数であっても本考案の主旨や効果が変わるものではなく、溝（４１０）の数は少なくとも突起（２１０）を全て収める場所に突起（２１０）と同数があれば良い。

実施例１のガス軸受の構成実施例１の板バネの構成実施例１のリングフォイルの構成図実施例２のガス軸受の構成実施例２の板バネ組込状態の詳細図実施例２の板バネの構成図実施例１及び２の板バネの働きを示す図実施例２のリングフォイルの構成図従来の考案の板バネの構成と板バネの働きを示す図従来のリーフフォイル型及びバンプフォイル型のガス軸受例従来のフォイル型のガス軸受例

符号の説明

（１００）回転軸
（１１０）軸受隙間
（２００）リングフォイル
（２１０）突起
（３００）板バネ
（３３１）、（３３２）、（３３３）、（３３４）、（３３５）スリット
（３４１）、（３４２）、（３４３）、（３４４）、（３４５）突起部
（３５１）、（３５２）、（３５３）、（３５４）、（３５５）バネ部
（３３６）、（３３７）結合部
（３３８）、（３３９）端部
（４００）カートリッジ
（４１０）溝

Claims

ガスを潤滑剤とする動圧型ガス軸受において、回転軸の外周に適当な隙間をおいて設置されたリングフォイルとその外周にリング状に巻かれた少なくとも１枚の板バネがカートリッジとリングフォイルとの間に挿入されており、前記の板バネに少なくとも一本のスリットが板の両端の一部を残して軸方向に切られていることを特徴とする動圧型ガス軸受。
請求項１において、板バネのスリットで形成された少なくとも一方の端部を片側に曲げこんだことを特徴とする動圧型ガス軸受。
請求項１において、リングフォイルに少なくとも一本の軸方向に伸びた突起を設けたことを特徴とする動圧型ガス軸受。