JP2013029123A - 空気動圧軸受および該空気動圧軸受を用いた送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は十分な軸受剛性が得られるとともに、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝で生じる結露の水分をストレートタイプの結露防止溝より排出して、結露した水分による影響の不具合の発生を効率よく阻止することができる空気動圧軸受および該空気動圧軸受を用いた送風機を得るにある。
【解決手段】 シャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成した空気動圧軸受において、前記へリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されていてる側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成して空気動圧軸受を構成している。
【選択図】 図２

Description

本発明は送風機、光偏向器、カラーホイルモータ等に使用される空気動圧軸受および該空気動圧軸受を用いた送風機に関する。

従来の空気動圧軸受はシャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成したり、スキュー溝タイプの動圧発生溝を形成している。

しかしながら、へリングボーンタイプの動圧発生溝を形成したものは、溝の軸方向外側から進入した空気が、溝の中央部先端近傍の平坦部で圧縮されて圧力が高くなり、空気中の水分が結露する可能性があり、結露した水分がその部分にとどまり、軸受負荷が大きくなり、電流が増え、最悪の場合、水の剪断力により軸受にダメージを与えるという欠点があった。

また、中央部までヘリングボーン溝が延びていると、溝の中央部付近のみ圧力が高くなり、所謂片持ち支持のような状態となることから、回転安定性が悪くなるという欠点があった。

前記スキュー溝タイプの動圧発生溝を形成したものは、ヘリングボーン溝タイプのような軸受剛性が得られないとともに、特に低速回転領域（１０Ｋｒ／ｍｉｎ）での軸受剛性が低いため、起動から高速回転に至るまで、また、高速回転から減速させて停止に至るまでの比較的高い回転数において、シャフトとスリーブが接触するという欠点があった。

特開平９−２１００５２号公報 特開平１１−１９０３２９号公報 特開２０００−９２７７４号公報 特開２００１−３０４２４６号公報

本発明は以上のような従来の欠点に鑑み、十分な軸受剛性が得られるとともに、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝で圧縮されることにより生じる空気の結露に起因する水分をストレートタイプの結露防止溝により除去して、結露した水分による影響の不具合の発生を効率よく阻止することができる空気動圧軸受および該空気動圧軸受を用いた送風機を提供することを目的としている。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は次の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。
ただし、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明はシャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成した空気動圧軸受において、前記へリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されている側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成して空気動圧軸受を構成している。

また、本発明はシャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成した空気動圧軸受を用いた送風機において、前記ヘリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されている側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成した空気動圧軸受を用いて送風機を構成している。

以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。
(１) 請求項１により、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されている側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成しているので、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まる部位での結露による水分を、結露防止溝により圧力を低下させ、結露した水分を吸引、あるいは、水蒸気圧を下げることにより除去して、効率よく結露を防止することができる。
また、結露防止溝が空気(潤滑流体)の中を横切るため、万一結露による水分が発生したとしても、この水分を結露防止溝の中に吸引して排出することができる。
したがって、従来の結露による不具合の発生を阻止することができる。
（２）前記（１）によって、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されている側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成するだけでよいので、構造が容易で、安価に製造することができる。
（３）前記（１）によって、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝により高められた圧力をほとんど低下させることがないので、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝本来の軸受剛性を得ることができる。
（４）請求項２も前記（１）〜（３）と同様な効果を得ることができる。
（５）請求項３も前記（１）〜（３）と同様な効果を得ることができるとともに、軸受剛性を保ちつつ、結露した水分による影響の不具合が発生しない送風機を得ることができる。

本発明を実施するための第１の形態の使用状態の平面図。 図１の２−２線に沿う拡大断面図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態のシャフトの展開図。 本発明の第１の実施の形態のスリーブの断面図。 本発明の第１の実施の形態の羽根車の平面図。 図４のＡ−Ａ線部分の溝深さおよび圧力分布を示す説明図。 図４のＢ−Ｂ線部分の溝深さおよび圧力分布を示す説明図。 図４の圧力分布の三次元モデルを示す説明図。 本発明を実施するための第２の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第２の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第２の形態のスリーブの展開図。 本発明を実施するための第３の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第３の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第３の形態のシャフトの展開図。 本発明を実施するための第４の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第４の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第４の形態のシャフトの展開図。 本発明を実施するための第５の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第５の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第５の形態のシャフトの展開図。 本発明を実施するための第６の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第６の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第６の形態のシャフトの展開図。 図２4のＡ−Ａ線部分の溝深さおよび圧力分布を示す説明図。 本発明を実施するための第７の形態の縦断面図。 本発明を実施するための第７の形態の空気動圧軸受の説明図。 本発明を実施するための第７の形態のシャフトの展開図。

以下、図面に示す本発明を実施するための形態により、本発明を詳細に説明する。

図１ないし図９に示す本発明を実施するための第１の形態において、１は本発明の空気動圧軸受２を用いた送風機で、この送風機１は空気吸引口３と排出口４が形成されたケース体５と、このケース体５内に取付けられた高速回転で駆動される空気動圧軸受２を用いたモータ６と、このモータ６の外周部に位置するように、該モータ６の回転部材に固定された、回転により前記ケース体５の空気吸引口３より空気を吸引し、前記排出口４より排出することができる羽根車７とで構成されている。

前記ケース体５は図１ないし図３に示すようにベース板８と、このベース板８上に複数本のビス９で固定された、前記モータ６の外周部および前記羽根車７の下部を覆う下部ケース１０と、この下部ケース１０の上部に複数本のビス１１で固定される上面中央部に空気吸引口３が形成され、前記羽根車７の上部を覆う上部ケース１２と、この上部ケース１２と前記下部ケース１０の外周部に形成された排出口４とで構成されている。

前記モータ６は図３ないし図５に示すように、前記ケース体５のベース板８の上面に固定されたモータ駆動回路（図示せず）が設けられた基板１３と、この基板１３より上方へ突出するように固定されたシャフト１４、このシャフト１４の外周部に微小隙間１５を介して配置されたスリーブ１６とからなる空気動圧軸受２と、この空気動圧軸受２のスリーブ１６の外周部に取付けられたバックヨーク１７と、このバックヨーク１７の外周部に位置するように、前記基板１３に取付けられたコアレス波形連続コイル１８と、このコアレス波形連続コイル１８の外周部に位置するように設けられた永久磁石が配置されたロータ１９と、前記スリーブ１６、バックヨーク１７およびロータ１９を支持するとともに、前記シャフト１４の上部およびロータ１９の外周部を覆う回転部材としてのハブ２０を備え、前記シャフト１４を覆うハブ２０の上部の凹部２１に固定されたリング状のスラストマグネット２２と、このスラストマグネット２２と対向するように、前記シャフト１４の上部に固定されたリング状のスラストマグネット２３とで構成されている。

前記空気動圧軸受２は図４および図５に示すように、シャフト１４の上下位置で、かつ外周に対して３等分した部位に形成された３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４と、この３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４の圧力が高まり、空気が結露し易い部位(平坦部)の近傍で軸方向と平行に形成した３個のストレートタイプの結露防止溝２５、２５、２５とで構成されている。

前記羽根車７は図２および図６に示すように、前記モータ６の回転部材としてのハブ２０のボス部分に嵌合固定されるインロー２６と、このインロー２６部の下部外周部より外方へ突出するように一体成型された底板２７と、この底板２７に所定間隔で一体成型された、前記インロー２６部より順次外側下方へ、高さ寸法が順次小さくなるような弧状の多数個の長い羽根２８と、この多数個の長い羽根２８、２８間に配置され、起点部が長い羽根２８よりも外周部寄りに設けられた、該長い羽根２８とほぼ同じ高さと弧状に形成された多数個の短い羽根２９と、前記底板２７の中央部寄りの底面に前記長い羽根２８と短い羽根２９との間にそれぞれ開口し、該長い羽根２８と短い羽根２９の前記ケース体５の排出口側と、反排出口側とに異なる圧力が加わるのを阻止する羽根車７の軸心と同軸心となるリング状の圧力均一空間３０とで構成されている。

上記構成の送風機１は駆動させると羽根車７が高速で回転し、ケース体５の空気吸引口３より上部ケース１２と下部ケース１０の羽根車室３１へ空気を吸引し、圧力を高めて排出口４より排出する。このため、小型でも大風量で、高圧の送風ができる。

また、モータ６の空気動圧軸受２は３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４で圧力(動圧)を発生させ軸受保持を図るとともに、該３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４により圧力が高められた部位近傍の平坦部における空気の水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超えて、結露が生じても、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４で高められた圧力が低下することのないように、この最大圧力が発生する箇所から僅かに離れた、進行(回転)方向やや後ろ側に設けた、ストレートタイプの結露防止溝２５、２５、２５により圧力を低下させ、結露した水分を吸引、あるいは水蒸気圧を下げることにより、結露による水分を除去することができるとともに、ヘリングボーンタイプの動圧発生溝本来の軸受剛性を得ることができる。

このため、毎分１万回転ぐらいの低速回転領域から１０万回転ぐらいの高速回転領域まで、安定した回転が可能で、かつ結露による不具合も防止することができる。
ここで、ある条件下における、空気（潤滑流体）が結露により水分が生じた場
合と、そうでない場合の剪断力について説明する。
軸受隙間：３μｍ、シャフト径：φ８ｍｍ、回転数：毎分３０万回転の場合、
空気の剪断力と水の剪断力は、次式により求めることができる。
剪断力τ＝μ・ｖ／Ｃｒ
＝μ・ｒ・ω／Ｃｒ
＝２πμ・ｒ・Ｎ・／６０Ｃｒ（Ｎ／ｍ＾２）
（ただし、＾は階乗を表すものとする。）
μ：粘度（Ｐａ・Ｓ）
ｖ：軸受の周速（ｍ／ｓｅｃ）
Ｃｒ：軸受隙間（半径方向のクリアランス）（ｍ）
ｒ：軸受半径（ｍ）
ω：軸受回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
Ｎ：軸受回転数（ｒ／ｍｉｎ）
上記式に空気の粘度（数値１）と水の粘度（数値２）を入れて計算すると、
空気の剪断力： ８０Ｎ／平方メートル
水の剪断力：４，２２６Ｎ／平方メートル
のようになる。

空気の結露は、動圧発生溝により空気（潤滑流体）が圧縮され、溝の中央部先
端（軸内側の先端部分）付近の平坦部の圧力が高まり、この圧力が飽和水蒸気圧
を超えると、空気が結露して水分の液化が生じる。

前記水の剪断力が発生するのは、シャフトとスリーブ間に速度差が生じている
ことに加えて、軸受隙間（シャフトとスリーブの間）が狭く、両者間に水が渡っ
た状態のときであると考えられる。

このため、結露により水分の液化が生じても、直ちにこのような剪断力が発生
するとは考え難いが、高速回転を続けることにより、軸受隙間が水で埋まり、突
如として軸受に大きなダメージを与える結果となる。

本発明の結露防止溝は、回転中に大気圧または負圧となっており、へリングボ
ーンタイプの動圧発生溝により圧力が高められ、空気に結露が生じたとしても、
その直後に結露防止溝により圧力が下がり、それに伴って結露した水分を吸引、
あるいは、空気の水蒸気圧を下げることができるため、結露による水分を除去す
ることができる。

また、結露防止溝が必ず空気（潤滑流体）の中を横切るため、万一結露による
水分が発生したとしても、この水分を結露防止溝の中に吸引して排出することができる。
このように、結露そのものが生じないように水蒸気圧を下げる効果と、万一結露が生じたとしても、直ちにその水分を結露防止溝に吸引排出する２つの効果により、本発明の空気動圧軸受は、軸受隙間に水の剪断力が働くことはない。

また、へリングボーンタイプの動圧発生溝により高められた圧力が低下するこ
とのないように、この最大圧力が発生する箇所（平坦部）から僅かに離れた、進
行（回転）方向やや後ろ側にストレートタイプの結露防止溝を設けていることか
ら、へリングボーンタイプの動圧発生溝本来の軸受剛性を得ることができる。

(発明を実施するための異なる形態)
次に、図１０ないし図２８に示す本発明を実施するための異なる形態につき説明する。なお、これらの本発明を実施するための異なる形態の説明に当って、前記本発明を実施するための第１の形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１０ないし図１２に示す本発明を実施するための第２の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ａで、この空気動圧軸受２Ａはスリーブ１６に３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４と、ストレートタイプの結露防止溝２５、２５、２５を形成するとともに、外周部に溝のないシャフト１４Ａを用いた点で、このように形成した空気動圧軸受２Ａを用いた送風機１Ａにしても、前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られるとともに、結露防止溝２５、２５、２５がスリーブ１６の内周部に形成されていることから、スリーブ１６が回転することにより、空気(潤滑流体)にも遠心力が作用するため、結露した水分による不具合の発生をより確実に阻止することができる。

図１３ないし図１５に示す本発明を実施するための第３の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ｂで、この空気動圧軸受２Ｂはシャフト１４の上下部に異なる長さの３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４Ａ、２４Ａ、２４Ａを形成している。このようなシャフト１４に３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４Ａ、２４Ａ、２４Ａを形成した空気動圧軸受２Ｂを使用した送風機１Ｂにしても、前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られるとともに、シャフト１４の上下で異なる軸受剛性が要求される場合であっても容易に対応することができる。

図１６ないし図１８に示す本発明を実施するための第４の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ｃで、この空気動圧軸受２Ｃはシャフト１４に弧状の３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４Ｂ、２４Ｂ、２４Ｂを形成している。このようなシャフト１４に３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４Ｂ、２４Ｂ、２４Ｂを形成した空気動圧軸受２Ｃを使用した送風機１Ｃにしても、前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られる。

図１９ないし図２１に示す本発明を実施するための第５の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ｄで、この空気動圧軸受２Ｄはシャフト１４に３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４と連通しないストレートタイプの結露防止溝２５Ａ、２５Ａ、２５Ａを、その端部が３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４の内側端部と軸方向にオーバーラップするように形成している。このようなシャフト１４に３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝２４、２４、２４と連通しないストレートタイプの結露防止溝２５Ａ、２５Ａ、２５Ａを形成した空気動圧軸受２Ｄを使用した送風機１Ｄにしても、前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られる。

なお、動圧発生溝２４、２４、２４の内側端部と、結露防止溝２５Ａ、２５Ａ、２５Ａ端部とは、同一周面上(オーバーラップ長さ＝０ｍｍ)に形成されていてもよい。

図２２ないし図２５に示す本発明を実施するための第６の形態において、前記本発明を実施するための第３の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ｅで、この空気動圧軸受２Ｅはシャフト１４に軸方向に対して傾きがある状態でストレートタイプの結露防止溝２５Ｂ、２５Ｂ、２５Ｂを形成している。このようなシャフト１４に傾きのあるストレートタイプの結露防止溝２５Ｂ、２５Ｂ、２５Ｂを形成した空気動圧軸受２Ｅを使用した送風機１Ｅにしても、前記本発明を実施するための第３の形態と同様な作用効果が得られる。

図２６ないし図２８に示す本発明を実施するための第７の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は空気動圧軸受２Ｆで、この空気動圧軸受２Ｆはシャフト１４に１本のストレートタイプの結露防止溝２５を形成している。このようなシャフト１４に１本のストレートタイプの結露防止溝２５を形成した空気動圧軸受２Ｆを使用した送風機１Ｆにしても、前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られる。

なお、本発明を実施する形態では送風機について説明したが、本発明はこれに限らず、送風機以外の光偏向器、カラーホイルモータ等の空気動圧軸受として使用することができる。

また、前記本発明を実施する形態では、空気動圧軸受にシャフトの外周に対して３等分した部位にヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成したものについて説明したが、本発明はこれに限らず、シャフトの外周部に３等分以上のヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成してもよい。

また、第３、第４、第５、第６、第７の実施の形態の３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝とストレートタイプの結露防止溝をスリーブに形成しても同様な作用効果が得られる。

さらに、スキュー溝ストレートタイプの結露防止溝を、第４の実施の形態の３対のヘリングボーンタイプの動圧発生溝と同様に、弧状に形成するなど完全なストレート形状でなくてもよい。

本発明は空気動圧軸受および該空気動圧軸受を用いた送風機を製造する産業で利用される。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ：送風機、
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ：空気動圧軸受、
３：空気吸引口、 ４：排出口、
５：ケース体、 ６：モータ、
７：羽根車、 ８：ベース板、
９：ビス、 １０：下部ケース、
１１：ビス、 １２：上部ケース、
１３：基板、 １４、１４Ａ：シャフト、
１５：微小隙間、 １６：スリーブ、
１７：バックヨーク、 １８：コアレス波形連続コイル、
１９：ロータ、 ２０：ハブ、
２１：凹部、 ２２：スラストマグネット、
２３：スラストマグネット、
２４、２４Ａ、２４Ｂ：ヘリングボーンタイプの動圧発生溝、
２５、２５Ａ、２５Ｂ：ストレートタイプの結露防止溝、
２６：インロー、 ２７：底板、
２８：長い羽根、 ２９：短い羽根、
３０：圧力均一空間、 ３１：羽根車室。

Claims (3)

1. シャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成した空気動圧軸受において、前記へリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されている側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成したことを特徴とする空気動圧軸受。
2. ストレートタイプの結露防止溝は軸方向と平行あるいは軸方向に対して傾きがある状態で形成されていることを特徴とする請求項１記載の空気動圧軸受。
3. シャフトあるいはスリーブにヘリングボーンタイプの動圧発生溝を形成した空気動圧軸受を用いた送風機において、前記ヘリングボーンタイプの動圧発生溝の圧力が高まり、空気が結露し易い部位の近傍で該動圧発生溝が形成されていてる側に少なくとも１本以上のストレートタイプの結露防止溝を形成した空気動圧軸受を用いたことを特徴とする送風機。

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