JP2018515733A - ハイブリッド動圧ラジアル気体軸受 - Google Patents
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Abstract
Description
動圧気体軸受は軸との間に形成された気体膜を潤滑剤とすることで転動面と案内面との接触をさせない気体軸受の一種で、汚染無し・低摩擦損失・広い適用温度範囲・高い運転安定性・長い使用寿命・高い運転速度など様々な長所を持つ。摩擦損失が少なくて液体潤滑油を必要としないため、高速回転分野、特に、転がり軸受で支えにくい超高速分野及び液体潤滑油が使えない場合によく利用されている。
荷重を支える方向によって、動圧気体軸受は更に動圧ラジアル気体軸受、動圧スラスト気体軸受、動圧ラジアル・スラスト複合気体軸受と分けられる。動圧ラジアル気体軸受は、相対的に回転する二つの作動面が作り出すくさび状の隙間に気体が自身の粘度の働きによって連込まれて圧縮されることで動的な圧力を生じて荷重を支える。構造が互いに異なる動圧ラジアル気体軸受は多少異なる方式で作動する。従来様々な動圧ラジアル気体軸受の中で最も多く使用されているのはティルティングパッド式、溝付き式とフォイル式である。
フォイル動圧ラジアル気体軸受は、弾性を持つので一定な荷重能力と衝撃・振動緩和能力を有するが、一般的に金属フォイルを用いるため、材料の製造・加工に問題がある。そのほか、この種の軸受は減衰性能を向上させにくいため、剛性に欠けて許容回転速度が低く、高速運転時に安定性を失ったり焼き付き固着したりする問題もある。
溝付き動圧ラジアル気体軸受は、安定性に優れゼロ荷重の状態でも安定して運転できる。特に、高速運転時には他種類の軸受より大きい静的支持力を提供できる。今では主に小型高速回転機械、例えばジャイロスコープや磁気ドラムなどの精密機械に使用されている。然しながら、この種の軸受は剛性が高くて衝撃耐性と荷重能力に欠けているため、大きな荷重条件下において高速運転できない問題がある。
溝付き動圧ラジアル気体軸受が示す高い許容回転速度を可能にする剛性特性及びフォイル動圧ラジアル気体軸受が示す高い衝撃耐性と荷重能力を可能にする柔軟性特性を有するハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は、当分野の研究者が一貫して追求している目標でありながら、動圧ラジアル気体軸受の超高速高荷重用途への応用にとっても重大な価値と意義がある。
外側スリーブと、内側スリーブと、前記外側スリーブと前記内側スリーブとの間に配置されたフォイル弾性部材とを備えたハイブリッド動圧ラジアル気体軸受において、前記内側スリーブの外側円周面と両端面の夫々に規則形状を有する溝パターンが施され、一方の端面に施された溝パターンはもう一方の端面に施された溝パターンとミラー対称となっており、前記外側円周面に施された溝パターンの軸方向輪郭線は前記両端面に施された溝パターンの半径方向輪郭線と一対一対応し且つ交差し続ける。
一つの好ましい実施態様において、前記フォイル弾性部材の前記内側スリーブの外側円周面と合わせる表面には、耐摩耗性被膜が設けられている。
一つの好ましい実施態様において、前記フォイル弾性部材と前記内側スリーブとの間に0.003〜0.008mmの隙間が設けられている。
一つの好ましい実施態様において、前記フォイル弾性部材の両端が前記外側スリーブの内側円周面に固設されている。
一つの好ましい実施態様において、前記フォイル弾性部材の数は複数であり、当該複数のフォイル弾性部材は前記外側スリーブの内側円周面に沿って均一に分布されている
一つのより好ましい実施態様において、前記外側スリーブの内側円周面には前記フォイル弾性部材を固設するための溝部が設けられている。
一つの好ましい実施態様において、前記フォイル弾性部材は表面熱処理された部材である。
一つの実施態様において、前記フォイル弾性部材はバンプフォイルとトップフォイルとからなり、当該バンプフォイルは、各アーチ形部の頂部がそのトップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が前記外側スリーブの内側円周面に当接している。
もう一つの実施態様において、前記フォイル弾性部材はバンプフォイルとトップフォイルとからなり、当該バンプフォイルは、各アーチ形部の頂部が前記外側スリーブの内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部がそのトップフォイルに当接している。
もう一つの実施態様において、前記フォイル弾性部材は二つのトップフォイルからなり、当該二つのトップフォイルの内、前記外側スリーブの内側円周面に隣接する一方のトップフォイルには貫通孔が設けられている。
一つの好ましい実施態様において、前記外側スリーブの外側円周面に貫通孔と窪み部が設けられ、当該貫通孔は前記窪み部の中にそれと同軸に形成されている。
本発明は、外側スリーブと内側スリーブとの間にフォイル弾性部材を配置し、内側スリーブの外側円周面と両端面の夫々に規則形状を有する溝パターンを施し、外側円周面に施された溝パターンの軸方向輪郭線を前記両端面に施された溝パターンの半径方向輪郭線と一対一対応させ且つ交差し続けさせ、一方の端面に施された溝パターンはもう一方の端面に施された溝パターンとミラー対称となるようにすることで、溝付き動圧ラジアル気体軸受が示す高い許容回転速度を可能にする剛性特性及びフォイル動圧ラジアル気体軸受が示す高い衝撃耐性と荷重能力を可能にする柔軟性特性を有するハイブリッド動圧ラジアル気体軸受を提供することができる。当該ハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は、同じ回転速度で従来の単なる溝付き動圧ラジアル気体軸受より倍以上の衝撃耐性と荷重能力を有し、そして同じ荷重条件下で従来の単なるフォイル動圧ラジアル気体軸受より倍以上の許容回転速度を有する。試験結果によると、従来動圧ラジアル気体軸受の荷重能力が1〜3kg、最大許容回転速度が100,000rpm〜180,000rpmであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は3〜5kgの荷重下での許容回転速度が160,000rpm〜480,000rpmにも達している。なので、本発明による動圧ラジアル気体軸受は超高速高荷重用途に応用でき、従来技術より著しい進歩を達成し動圧ラジアル気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。
実施例1
図1と図3に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は、外側スリーブ1と内側スリーブ2を備え、内側スリーブ2の外側円周面と左右両端面の夫々に規則形状を有する溝パターン(図1に21、22、23で示す。本実施例において、これらの溝パターンは全てインペラー形状を有する)が施され、左端面に施された溝パターン22と右端面に施された溝パターン23とは互いにミラー対称となっている。
高速運転が性能に対する要求をよりよく満たすために、フォイル弾性部材3が表面熱処理されたことが好ましい。その上、軸受の高速運転時の信頼性と安定性をさらに確保するために、フォイル弾性部材3と内側スリーブ2との間に0.003〜0.008mmの隙間を設けたことが好ましい。
図8に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例1との唯一の相違点が下記のとおりである。フォイル弾性部材3はバンプフォイル31とトップフォイル32とからなり、バンプフォイル31は、各アーチ形部311の頂部が外側スリーブ1の内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部312がトップフォイル32に当接している。
図9はこのようなバンプフォイル31の概略図である。
図10と図11に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例1との唯一の相違点が下記のとおりである。フォイル弾性部材3はトップフォイル32と貫通孔331を設けたトップフォイル33とからなっている。
図12に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例1との唯一の相違点が下記のとおりである。外側スリーブ1の外側円周面には、当該軸受の運転状況をオンライン監視することによってデータ収集を行うセンサー(例えば、温度センサー、圧力センサー、回転速度センサーなど)を装着するための貫通孔13と窪み部14が設けられ、しかも貫通孔13は窪み部14の中にそれと同軸に形成されている。
ここで留意すべきなのは、フォイル弾性部材3の構成は上記実施例のものに限らず、フォイル弾性部材3と内外輪との関係を本発明の上述した実質的な要求を満たせればよい。
試験結果によると、従来動圧ラジアル気体軸受の荷重能力が1〜3kg、最大許容回転速度が100,000rpm〜180,000rpmであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は3〜5kgの荷重下での許容回転速度が160,000rpm〜480,000rpmにも達している。なので、本発明による動圧ラジアル気体軸受は超高速高荷重用途に応用でき、従来技術より著しい進歩を達成し動圧ラジアル気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。
11 止め輪
12 溝部
13 貫通孔
14 窪み部
2 内側スリーブ
21 外側円周面に施された溝パターン
211 軸方向高位線
212 軸方向中位線
213 軸方向低位線
22 左端面に施された溝パターン
221 半径方向高位線
222 半径方向中位線
223 半径方向低位線
23 右端面に施された溝パターン
231 半径方向高位線
232 半径方向中位線
233 半径方向低位線
3 フォイル弾性部材
31 バンプフォイル
311 アーチ形部
312 各アーチ形部同士の接続部
32 トップフォイル
33 貫通孔を設けたトップフォイル
331 トップフォイルに設けられた貫通孔
34 耐摩耗性被膜
Claims (13)
- ハイブリッド動圧ラジアル気体軸受であって、
外側スリーブと、内側スリーブと、前記外側スリーブと前記内側スリーブとの間に配置されたフォイル弾性部材とを備え、前記内側スリーブの外側円周面と両端面の夫々に規則形状を有する溝パターンが施され、一方の端面に施された溝パターンはもう一方の端面に施された溝パターンとミラー対称となっており、前記外側円周面に施された溝パターンの軸方向輪郭線は前記両端面に施された溝パターンの半径方向輪郭線と一対一対応し且つ交差し続ける
ことを特徴とするハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記外側円周面に施された溝パターンの軸方向高位線は前記両端面に施された溝パターンの半径方向高位線と互いに対応し且つ当該両端面に形成された円周方向面取り部の前に交差し続け、前記外側円周面に施された溝パターンの軸方向中位線は前記両端面に施された溝パターンの半径方向中位線と互いに対応し且つ前記面取り部の前に交差し続け、前記外側円周面に施された溝パターンの軸方向低位線は前記両端面に施された溝パターンの半径方向低位線と互いに対応し且つ前記面取り部の前に交差し続ける
請求項1に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材の前記内側スリーブの外側円周面と合わせる表面には、耐摩耗性被膜が設けられている
請求項1に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材と前記内側スリーブとの間に0.003〜0.008mmの隙間が設けられている
請求項1に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材の両端が前記外側スリーブの内側円周面に固設されている
請求項1または3に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材の数は複数であり、当該複数のフォイル弾性部材は前記外側スリーブの内側円周面に沿って均一に分布されている
請求項1または5に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記外側スリーブの内側円周面には前記フォイル弾性部材を固設するための溝部が設けられている
請求項1または5に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材は表面熱処理された部材である
請求項1に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材はバンプフォイルとトップフォイルとからなり、当該バンプフォイルは、各アーチ形部の頂部がそのトップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が前記外側スリーブの内側円周面に当接している
請求項1または8に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材はバンプフォイルとトップフォイルとからなり、当該バンプフォイルは、各アーチ形部の頂部が前記外側スリーブの内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部がそのトップフォイルに当接している
請求項1または8に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記フォイル弾性部材は二つのトップフォイルからなり、当該二つのトップフォイルの内、前記外側スリーブの内側円周面に隣接する一方のトップフォイルには貫通孔が設けられている
請求項1または8に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記外側スリーブの両端に止め輪が設けられている
請求項1に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。 - 前記外側スリーブの外側円周面に貫通孔と窪み部が設けられ、当該貫通孔は前記窪み部の中にそれと同軸に形成されている
請求項12に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
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