JP2020165471A - 気体動圧軸受、モータおよび送風装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定してシャフトを回転させることができる気体動圧軸受およびモータを提供する。【解決手段】上下に延びる中心軸を中心とするシャフト５１と、前記シャフトの少なくとも一部と径方向に対向するスリーブ５２と、を有する、気体動圧軸受であって、前記スリーブと前記シャフトとが径方向に対向する部分は、軸方向両端部に位置する第１動圧部５０１と、前記第１動圧部の間に位置する第２動圧部５０２と、を有し、前記第１動圧部において、前記スリーブおよび前記シャフトの一方には周方向に配列された複数の動圧溝を有し、前記中心軸に直交する面で切断した切断面における前記動圧溝の中心角度の総和が１４４°以上２１６°以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、気体動圧軸受、これを用いるモータおよび送風装置に関する。

特開２０００−３０４０３７号公報に記載の気体動圧軸受は、円筒状の外周面領域を有するリングと、外周面領域と対向する内周面領域を有する筒状部を備えるハウジングとを含む。そして、外周面領域又は内周面領域には、これら両面領域の間をラジアル動圧軸受領域として作用させる複数のラジアル動圧溝を備えている。

気体動圧軸受では、空気を圧縮してラジアル動圧軸受領域とする構成であり、非接触であることから、高回転に対応可能であり、静音性も高い。

特開２０００−３０４０３７号公報

特開２０００−３０４０３７号公報の気体動圧軸受では、ラジアル動圧溝によって空気を圧縮する構成である。しかしながら、ラジアル動圧軸受領域の空気の圧縮効率が低い場合にリングの回転が不安定になる虞がある。

本発明は、安定してシャフトを回転させることができる気体動圧軸受およびモータを提供することを目的とする。

本発明は、安定して空気を吐出できる送風装置を提供することを目的とする。

本発明の例示的な気体動圧軸受は、上下に延びる中心軸を中心とするシャフトと、前記シャフトの少なくとも一部と径方向に対向するスリーブと、を有する、気体動圧軸受であって、前記スリーブと前記シャフトとが径方向に対向する部分は、軸方向両端部に位置する第１動圧部と、前記第１動圧部の間に位置する第２動圧部と、を有し、前記第１動圧部において、前記スリーブおよび前記シャフトの一方には周方向に配列された複数の動圧溝を有し、前記中心軸に直交する面で切断した切断面における前記動圧溝の中心角度の総和が１４４°以上２１６°以下であることを特徴とする。

本発明の例示的な気体動圧軸受およびモータによれば、安定してシャフトを回転させることができる。

本発明の例示的な送風装置によれば、安定して空気を吐出できる。

図１は、送風装置の斜視図である。 図２は、図１に示す送風装置の分解斜視図である。 図３は、図１に示す送風装置の縦断面図である。 図４は、気体動圧軸受を構成するシャフトおよびスリーブの縦断面図である。 図５は、スリーブの縦断面図である。 図６は、図４に示す気体動圧軸受をＶＩ−ＶＩ線を含み中心軸と直交する面で切断した断面の断面図である。 図７は、スリーブの内周面を周方向に展開した展開図である。 図８は、図４に示す気体動圧軸受をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線を含み中心軸と直交する面で切断した断面の断面図である。 図９は、第１シミュレーションの結果を示すグラフである。 図１０は、第２シミュレーションの結果を示すグラフである。 図１１は、気体動圧軸受を構成するシャフトおよびスリーブの縦断面図である。 図１２は、スリーブの縦断面図である。 図１３は、図１１に示す気体動圧軸受をＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線を含み中心軸Ｃｘと直交する面で切断した断面の断面図である。 図１４は、スリーブの内周面の周方向に展開した展開図である。 図１５は、本発明の変形例にかかる気体動圧軸受の通気孔を示す断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本明細書では、送風装置Ａ、モータ２０および気体動圧軸受５は中心軸Ｃｘが一致する。そして、本明細書において、送風装置Ａ、モータ２０および気体動圧軸受５の中心軸Ｃｘと平行な方向を「軸方向」とし、中心軸Ｃｘに直交する方向を「径方向」とし、中心軸Ｃｘを中心とする円弧に沿う方向を「周方向」とする。本明細書では、送風装置Ａにおいて、軸方向を上下方向とし、インペラ３０に対してハウジング１０の吸気口１４側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。なお、上下方向は単に説明のために用いられる名称であって、送風装置Ａの使用状態における位置関係及び方向を限定しない。

＜１．送風装置の全体構成＞
本発明の例示的な実施形態の送風装置について以下説明する。図１は、送風装置Ａの斜視図である。図２は、図１に示す送風装置Ａの分解斜視図である。図３は、図１に示す送風装置Ａの縦断面図である。図１〜図３に示すとおり、送風装置Ａは、ハウジング１０と、モータ２０と、インペラ３０と、回路基板４０と、を有する。

図３に示すとおり、送風装置Ａでは、ハウジング１０の内部にモータ２０、インペラ３０および回路基板４０が配置される。インペラ３０はモータ２０に取り付けられる。モータ２０の回転によってインペラ３０が回転する。インペラ３０が取り付けられたモータ２０は、ハウジング１０の後述する風洞部１１の内部に取り付けられる。送風装置Ａでは、モータ２０の回転によって風洞部１１に軸方向上方から下方に向かう気流が発生する。気流は、後述の排気口１５から噴出される。

＜２． ハウジング１０について＞
図１から図３に示すとおり、ハウジング１０は、風洞部１１と、ベース部１２と、静翼１３と、を有する。風洞部１１は、ハウジング１０の上端と下端とをつなぐ貫通孔である。風洞部１１は、中心軸Ｃｘに沿って延びる円筒状の内面を有する。風洞部１１の内部にインペラ３０が配置される。風洞部１１の内部でインペラ３０が回転することで、風洞部１１の内部に上方から下方に向かう気流が発生する。なお、風洞部１１は、インペラ３０の回転によって発生する気流を中心軸Ｃｘに沿って導くガイドである。風洞部１１の軸方向上端が、吸気口１４であり、軸方向下端が排気口１５である。インペラ３０が回転することで、吸気口１４から空気が吸い込まれ、インペラ３０で加速または加圧された気流が排気口１５から排出される。

ベース部１２は、軸方向において風洞部１１の下端部、すなわち、気流の流れ方向において風洞部１１の下流側端部に配置される。そして、ベース部１２は、径方向において風洞部１１の内側に配置されている。ベース部１２は、中央部に軸方向に貫通するベース貫通孔１２１を有するとともに（図３参照）、ベース貫通孔１２１の辺縁部より軸方向上側に突出した筒状の軸受保持部１２２を有する。軸受保持部１２２は、ベース部１２と同一の部材で形成されるが、これに限定されない。例えば、軸受保持部１２２は、ベース部１２に溶接、接着、ねじ止め等の固定方法にて固定してもよい。

風洞部１１とベース部１２とは、径方向に間隙をあけて配置されている。そして、風洞部１１とベース部１２との間隙には、複数の静翼１３が周方向に配置されている。静翼１３は、風洞部１１とベース部１２とを接続する。換言すると、ベース部１２は、静翼１３を介して風洞部１１に保持される。静翼１３は、インペラ３０の回転によって発生した気流を中心軸Ｃｘを中心とした軸対称な流れに整流する。そのため、複数の静翼１３は、周方向に等間隔で配置される。ベース部１２は、ハウジング１０と一体に形成されている。ここでは、ハウジング１０とベース部１２とは、樹脂の射出成形にて形成される。しかしながらこれに限定されず、ベース部１２は、ハウジング１０と別部材で形成されていてもよい。

＜３． インペラ３０について＞
上述したとおり、インペラ３０は、モータ２０に取り付けられた状態でハウジング１０の風洞部１１の内部に回転可能に配置される。インペラ３０は、モータ２０の後述されるロータ２２に取り付けられる。モータ２０の回転によって、インペラ３０が中心軸回りに回転する。図１〜図３に示すように、インペラ３０は、インペラハブ３１と、複数の羽根３２と、を有する。インペラ３０は、樹脂の射出成形にて形成される。

＜３．１ インペラハブ３１について＞
図２、図３に示すように、インペラハブ３１は、ハブ天板部３１１と、ハブ筒部３１２とを有する。ハブ天板部３１１は径方向に拡がる円板状である。ハブ筒部３１２は、ハブ天板部３１１の径方向外縁から軸方向下側に延びる筒状である。

ハブ筒部３１２の内部には、モータ２０の後述するロータ２２のロータヨーク２２１が固定される。これにより、インペラハブ３１とロータ２２とが固定される。

＜３．２ 羽根３２について＞
複数の羽根３２は、インペラハブ３１の外面に周方向に並んで配置される。本実施形態においては、羽根３２はインペラハブ３１の外面上に周方向に所定の間隔に並んで配置され、インペラハブ３１と一体成形される。羽根３２の上部は下部に対して回転方向Ｒｔ前方に配される。

インペラ３０は、モータ２０に固定された状態で、ハウジング１０の風洞部１１の内部に取り付けられる。そして、モータ２０が駆動されることで、インペラ３０は風洞部１１の内部で、中心軸Ｃｘ回りに回転される。

＜４．回路基板４０について＞
回路基板４０は、ハウジング１０内部に配置される。回路基板４０は、モータ２０の軸方向下方に配置される。回路基板４０は、中央に貫通孔を有する円板状である。回路基板４０は、モータ２０を駆動させる駆動回路を有している。回路基板４０は、モータ２０の後述するステータ２１のインシュレータ２１２に形成された基板保持部２１４に保持される。

＜５． モータ２０について＞
次に、モータ２０の詳細について説明する。図２、図３に示すように、モータ２０は、ステータ２１と、ロータ２２と、気体動圧軸受５と、を有する。ステータ２１およびロータ２２が気体動圧軸受５を介してハウジング１０のベース部１２に取り付けられる。

＜５．１ 気体動圧軸受５について＞
図４は、気体動圧軸受５を構成するシャフト５１およびスリーブ５２の縦断面図である。図５は、スリーブ５２の縦断面図である。図６は、図４に示す気体動圧軸受５をＶＩ−ＶＩ線を含み中心軸Ｃｘと直交する面で切断した断面の断面図である。図７は、スリーブ５２の内周面５２１を周方向に展開した展開図である。図８は、図４に示す気体動圧軸受５をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線を含み中心軸Ｃｘと直交する面で切断した断面の断面図である。

図２〜図６に示すとおり、気体動圧軸受５は、シャフト５１と、スリーブ５２と、スラストマグネット５３と、キャップ５４とを有する。図３、図４に示すとおり、シャフト５１は、スリーブ５２の内部に回転可能に配置されている。すなわち、シャフト５１は上下方向に延びる中心軸Ｃｘを中心とする。スラストマグネット５３は、シャフト５１およびスリーブ５２に取り付けられている。スラストマグネット５３によって、シャフト５１はスリーブ５２に回転可能であるとともに軸方向（スラスト方向）に一定の位置で支持される。キャップ５４は、スリーブ５２の下端の開口を塞ぐ。

シャフト５１とスリーブ５２とは径方向に隙間を介して対向する。すなわち、スリーブ５２はシャフト５１の少なくとも一部と径方向に対向する。シャフト５１とスリーブ５２の径方向に対向する部分は、軸方向に、の第１動圧部５０１と、第２動圧部５０２とに分けられる。第１動圧部５０１は、シャフト５１とスリーブ５２との径方向の隙間の軸方向上端部および下端部の２つの領域である。第２動圧部５０２は、シャフト５１とスリーブ５２との径方向の隙間の第１動圧部５０１の間の領域である。すなわち、スリーブ５２とシャフト５１とが径方向に対向する部分は、軸方向両端部に位置する第１動圧部５０１と、第１動圧部５０１の間に位置する第２動圧部５０２と、を有する。

第２動圧部５０２は、軸方向において第１動圧部５０１の間に各第１動圧部５０１と連続して配置される。スリーブ５２の第１動圧部５０１には、後述の気体圧縮部５２３が形成される。そして、シャフト５１が回転することで、第１動圧部５０１は軸方向中央側に向かう気流、すなわち、第２動圧部５０２に向かう気流を発生させる。これにより、第２動圧部５０２の気圧が上昇する。詳細は後述するが、気体動圧軸受５は、第２動圧部５０２の気圧を高めることで、スリーブ５２に対してシャフト５１を非接触で支持する。以下に、気体動圧軸受５の各部の詳細について説明する。

＜５．１．１ シャフト５１について＞
シャフト５１は、中心軸Ｃｘに沿って延びる。本実施形態において、シャフト５１は、ステンレス等の金属製の柱部材である。シャフト５１は、十分な強度を有する場合、例えば、セラミック等を用いて金属でなくてもよい。さらに、十分な強度を有する場合、内部に空間を有する、いわゆる、中空の筒状の部材であってもよい。なお、シャフト５１の十分な強度とは、例えば、回転時に変形しにくい強度を挙げることができる。

図４に示すとおり、シャフト５１は、軸受部５１１と、ロータ固定部５１３と、マグネット固定部５１４とを有する。シャフト５１では、軸方向上方からロータ固定部５１３、軸受部５１１、マグネット固定部５１４が順に配置される。軸受部５１１の外周面５１２は、円柱状である。

ロータ固定部５１３は、柱状であり、ロータ２２の後述するロータヨーク２２１のシャフト保持部２２５が固定される。ロータ固定部５１３とシャフト保持部２２５との固定は、本実施形態において、圧入で行われる。しかしながら、ロータ固定部５１３とシャフト保持部２２５との固定は、圧入に限定されず、シャフト５１とロータ２２との中心線が一致するとともに強固に固定できる方法を広く採用できる。マグネット固定部５１４は、円柱状であり、スラストマグネット５３の内側が固定される。

シャフト５１は、スラストマグネット５３によって、軸方向（スラスト方向）に支持される。スラストマグネット５３は、径方向の内側と外側に分かれており、内側はシャフト５１のマグネット固定部５１４に固定され、外側はスリーブ５２の軸受マグネット保持部５２２に保持される。スラストマグネット５３は、磁石の引力および斥力を利用して、シャフト５１のスリーブ５２に対する軸方向の位置を一定の位置に維持する。

なお、シャフト５１には、少なくとも軸受部５１１の外周面５１２を覆う、保護部材（不図示）が配置されてもよい。

＜５．１．２ スリーブ５２について＞
図４、図５に示すとおり、スリーブ５２は、中心軸Ｃｘに沿って延びる筒状である。スリーブ５２は、例えば、ステンレス等の金属で形成される。なお、スリーブ５２は、十分な強度を有する場合、例えば、セラミック等を用いてもよい。スリーブ５２を形成する材料はステンレス等に限定されず、シャフト５１、ステータコア２１１を強固に保持できる材料を広く採用できる。

図５に示すように、スリーブ５２は、中心軸Ｃｘに沿って延びる孔５２０を有する。孔５２０は、軸方向の両端に開口を有する。孔５２０の内部には、シャフト５１が回転可能に配置される。

スリーブ５２の孔５２０は、軸受マグネット保持部５２２と、気体圧縮部５２３と、内筒部５２６と、を有する。軸受マグネット保持部５２２は、孔５２０の軸方向下端に配置される。軸受マグネット保持部５２２は、スラストマグネット５３の径方向外面を保持する。そして、スリーブ５２の孔５２０の下端部には、キャップ５４が取り付けられる。キャップ５４はスリーブ５２の孔５２０に固定されており、スリーブ５２の外部からスリーブ５２の内部に異物が混入することを抑制する。

上述したとおり、気体圧縮部５２３は、孔５２０の内周面５２１の第１動圧部５０１を構成する部分に形成される。内筒部５２６は、孔５２０の内周面５２１の第２動圧部５０２を構成する部分に形成される。

内筒部５２６は、軸方向全長にわたって、内径が一定の筒状である。なお、ここで一定とは、正確に一定である場合を含むとともに、気圧の変動によりシャフト５１の回転が不安定にならない程度にばらつきがある場合も含む。

スリーブ５２の第１動圧部５０１に形成される気体圧縮部５２３には、複数本（たとえば、３本）の動圧溝５２４が配置される。すなわち、第１動圧部５０１において、スリーブ５２およびシャフト５１の一方には周方向に配列された複数の動圧溝５２４を有する。動圧溝５２４は、孔５２０の内周面５２１から径方向に凹み、軸方向および周方向に延びる。動圧溝５２４は第２動圧部５０２側がシャフト５１の回転方向前方側に位置するらせん状である。つまり、図７に示すとおり、動圧溝５２４は、スリーブ５２の第２動圧部５０２に向かうにつれて、シャフト５１の回転方向Ｒｔの前方に延びる。

動圧溝５２４のスリーブ５２の内周面５２１を中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角度を角θとする。すなわち、動圧溝５２４はスリーブ５２の内周面５２１に設けられる。動圧溝５２４は、第２動圧部５０２に向かうにつれてシャフト５１の回転方向Ｒｔ前方に延びる。スリーブ５２の内周面５２１に動圧溝５２４はエッチング等で、容易に形成できる。また、シャフト５１の軸受部５１１の外周面５１２に保護部材を容易に形成することが可能である。

また、図５、図７等に示すとおり、上側の第１動圧部５０１に配置される動圧溝５２４の角θと下側の第１動圧部５０１に配置される動圧溝５２４の角θとは同じ角度であり、向きが異なる。すなわち、一方の第１動圧部５０１の動圧溝５２４と中心軸Ｃｘに直交する面との角度が、他方の第１動圧部５０１の動圧溝５２４と中心軸Ｃｘに直交する面との角度と同じである。これにより、シャフト５１とスリーブ５２との間の圧力が上下に対称になりやすく、シャフト５１を安定して回転可能に支持できる。

また、図６に示すとおり、３つの動圧溝５２４の周方向の角度（動圧溝５２４の溝幅の中心角度）をα１、α２、α３とすると、本実施形態のスリーブ５２では、α１＝α２＝α３となっている。すなわち、動圧溝５２４の周方向の幅が均一である。なお、ここで均一とは、厳密に均一な場合を含むとともに、多少のばらつきがある場合も含む。

気体動圧軸受５において、スリーブ５２の内部でシャフト５１が回転するとき、シャフト５１とスリーブ５２との隙間には、シャフト５１の回転方向に流れる気流が発生する。第１動圧部５０１において、シャフト５１の回転によって発生した気流は、動圧溝５２４に流入する。そして、動圧溝５２４に流入した気流は、第１気流Ａｆ１として、動圧溝５２４に沿って第２動圧部５０２に向かって流れる。

気体圧縮部５２３では、３本の動圧溝５２４が周方向に並んで配置される。そして、周方向に隣り合う動圧溝５２４の間の部分には、陸部５２５が形成される。陸部５２５は、内筒部５２６と内径が同一の円筒状の一部である。ここで、同一とは、正確に同一である場合を含むとともに、気圧の変動によりシャフト５１の回転が不安定にならない程度にばらつきがある場合も含む。なお、気体圧縮部５２３および動圧溝５２４は、以上の構成に限定されず、シャフト５１の回転によって、気体を第２動圧部５０２に送り込むことができる形状を広く採用できる。

また、スリーブ５２は、通気孔５２７と、ステータ固定部５２８とを有する。スリーブ５２は、下側の第１動圧部５０１よりも軸方向端部側に延びるスリーブ延長部５２１１を有する。通気孔５２７は、スリーブ延長部５２１１に設けられる。通気孔５２７は、スリーブ５２の外側から孔５２０に貫通する貫通孔である。本実施形態において、通気孔５２７は、径方向に延びる。通気孔５２７は、スリーブ５２の軸方向下部に形成される。すなわち、スリーブ５２は、第１動圧部５０１よりも軸方向端部側に延びるスリーブ延長部５２１１を有し、スリーブ延長部５２１１には、スリーブ５２の径方向外側と内側とを通気可能に接続する通気孔５２７を有する。

気体動圧軸受５では、シャフト５１の回転によって、上側の第１動圧部５０１で軸方向下方向きの速度成分を有する第１気流Ａｆ１が発生し、下側の第１動圧部５０１で軸方向上方向きの速度成分を有する第１気流Ａｆ１が発生する。スリーブ５２の孔５２０は上端に開口を有するため、上側の第１動圧部５０１が第２動圧部５０２に第１気流Ａｆ１を送るときに、開口から外部の気体（空気）が取り込まれる。一方、孔５２０の下端の開口は、キャップ５４にて閉じられている。そのため、開口から外部の気体が取り込まれない。そこで、スリーブ５２では、通気孔５２７を設け、下側の第１動圧部５０１から第２動圧部５０２に第１気流Ａｆ１を送るときに、通気孔５２７を介して孔５２０に気体を取り込む。

通気孔５２７を設けることで、下側の第１動圧部５０１にも気体が取り込まれるので、第２動圧部５０２に送られる気体の圧力の上下のばらつきを抑制できる。なお、通気孔５２７は、ステータ２１等で塞がれない位置に、配置される。また、図８に示すとおり、本実施形態のスリーブ５２において、通気孔５２７は、６個備えられており、周方向に等間隔で配置される。通気孔５２７の配置によって、空気の流入する流入量を増やすとともに、シャフト５１とスリーブ５２との間の気圧の周方向のばらつきを抑制できる。また、通気孔５２７を設けることで、下側の第１動圧部５０１の軸方向下方の圧力を上側の第１動圧部５０１の軸方向上側の圧力と同じ圧力にすることができる。これにより、スリーブ５２内の圧力が安定する。

なお、本実施形態では、通気孔５２７を６個備えているが、これに限定されない。通気孔５２７としては、十分な気体を流入させることができるともに、圧力がばらつきにくい個数および配置を広く採用できる。また、本実施形態では、スリーブ延長部５２１１および通気孔５２７を下側の第１動圧部５０１よりも軸方向端部側に配置しているが、これに限定されない。スリーブ延長部５２１１および通気孔５２７を上側の第１動圧部５０１よりも軸方向端部側に配置してもよい。また、両方の第１動圧部５０１よりも軸方向端部側に配置してもよい。スリーブ延長部５２１１および通気孔５２７は、スリーブ５２内の気体の圧力を安定させることができる位置に設けることが好ましい。また、スリーブ５２内の気体の圧力が安定する場合、通気孔５２７は省略してもよい。

ステータ固定部５２８はスリーブ５２の外面に形成される。図３に示すとおり、ステータ固定部５２８は、ステータ２１の後述するステータコア２１１が固定される。なお、ステータコア２１１の固定は、例えば、圧入を挙げることができる。しかしながら、ステータコア２１１の固定は、圧入に限定されず、接着、溶接、ねじ止め等、ステータコア２１１をスリーブ５２に固定する固定方法を広く採用できる。なお、ステータ固定部５２８にステータコア２１１を圧入するときの力が、ステータ固定部５２８に作用する。ステータコア２１１の圧入時の力によるステータ固定部５２８、つまり、スリーブ５２の変形を抑制するため、スリーブ５２の径方向にある程度の厚みを有することが好ましい。スリーブ５２の厚みとしては、例えば、ステータ固定部５２８外径を、孔５２０の内径の１．２倍以上とすること￥ができる。すなわち、スリーブ５２の外径は、スリーブ５２の内径の１．２倍以上である。

＜５．２ ステータ２１について＞
図３に示すように、ステータ２１は、ステータコア２１１と、インシュレータ２１２と、コイル２１３とを有する。

ステータコア２１１は、筒状のコアバック部（不図示）と、コアバック部の外周面から径方向外側に突出するティース部（不図示）とを有する。ステータコア２１１は、電磁鋼板を積層した構造であってもよいし、粉体の焼成や鋳造等で形成された単一の部材であってもよい。ステータコア２１１は、コアバック部がスリーブ５２のステータ固定部５２８に固定される。

インシュレータ２１２は、樹脂の成型体である。インシュレータ２１２は、ステータコア２１１の一部を覆う。インシュレータ２１２は、ティース部を覆っており、インシュレータ２１２にて覆われたティース部に導線を巻きつけることで、コイル２１３が形成される。インシュレータ２１２によって、ステータコア２１１とコイル２１３とが絶縁される。なお、本実施形態において、インシュレータ２１２は、樹脂の成型体とするが、これに限定されない。ステータコア２１１とコイル２１３とを絶縁することができる構成を広く採用できる。

インシュレータ２１２は、基板保持部２１４を有する。基板保持部２１４は、インシュレータ２１２の軸方向下面から下方に延びる。基板保持部２１４は、回路基板４０の中央に形成された貫通孔を貫通するとともに、回路基板４０を保持する。

気体動圧軸受５のスリーブ５２は、ベース部１２の軸受保持部１２２に保持される。上述のとおり、ステータコア２１１は、スリーブ５２に固定されるため、ステータコア２１１は、気体動圧軸受５のスリーブ５２を介して、ベース部１２に固定される。つまり、ステータ２１は、気体動圧軸受５のスリーブ５２に取り付けられて、ハウジング１０に固定される。このとき、ステータコア２１１の中心は中心軸Ｃｘと一致する（図３参照）。

＜５．２ ロータ２２について＞
図２、図３に示すとおり、ロータ２２は、ロータヨーク２２１と、ロータマグネット２２２と、を有する。ロータヨーク２２１は、ロータ天板部２２３と、ロータ筒部２２４と、シャフト保持部２２５とを有する。ロータヨーク２２１は磁性金属で形成されている。ロータヨーク２２１は、例えば、金属板を押し出し成型にて形成される。なお、ロータヨーク２２１の成型方法については、金属板の押し出し成型に限定されない。

ロータ天板部２２３は、円環状であり、中央に貫通孔を有する。ロータ筒部２２４は、ロータ天板部２２３の径方向外側の縁部より軸方向下側に延びる。ロータ筒部２２４は円筒状である。シャフト保持部２２５は、貫通孔の辺縁部より軸方向上方に突出する筒形状である。なお、シャフト保持部２２５は、軸方向において、ロータ天板部２２３を挟んでロータ筒部２２４と反対側に形成されるが、これに限定されず、同じ側に形成されてもよい。

ロータ天板部２２３の中央に形成された貫通孔をシャフト５１が貫通する。そして、シャフト保持部２２５は、シャフト５１の軸方向上端のロータ固定部５１３を保持する。シャフト保持部２２５とロータ固定部５１３とは、圧入によって固定される。これにより、ロータヨーク２２１の中心は、中心軸Ｃｘと一致する。なお、シャフト保持部２２５とロータ固定部５１３との固定は、圧入に限定されず、接着、溶接等、強固に固定できる方法を広く採用できる。

ロータマグネット２２２は、円柱状である。ロータマグネット２２２は、ステータ２１と径方向に対向する。そして、ロータマグネット２２２は周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置された構成である。ロータマグネット２２２は、周方向に分割可能な磁石を用いて形成してもよいし、単一の部材で形成された筒体に周方向に交互に異なる磁極を形成してもよい。

ロータマグネット２２２は、ロータヨーク２２１の内面に固定される。ロータマグネット２２２が固定されたロータヨーク２２１がシャフト５１のロータ固定部５１３に固定される。そして、シャフト５１がスリーブ５２に回転可能に支持されることで、ロータマグネット２２２は、ステータコア２１１と径方向に対向する。そして、コイル２１３に電流を流すことで、ステータコア２１１とロータマグネット２２２との間に発生する磁気力（引力および斥力）によって、ロータ２２に回転方向の力が作用する。

送風装置Ａおよびモータ２０は、以上示した構成を有する。すなわち、モータ２０は、気体動圧軸受５と、スリーブ５２の外面に配置されたステータ２１と、シャフト５１の上端に固定されるとともにステータ２１と径方向に対向するロータ２２と、を備える。そして、送風装置Ａは、モータ２０のロータ２２に取り付けられたインペラ３０を備える。

＜６． 気体動圧軸受５の動作について＞
ここで、気体動圧軸受５の動作について説明する。気体動圧軸受５において、シャフト５１がスリーブ５２の内部で、回転方向Ｒｔに回転する。図１、図３、図６等に示すとおり、シャフト５１の回転方向Ｒｔは、軸方向上方から見て反時計回り方向である。

シャフト５１が回転するときにシャフト５１の外面に空気の流れが発生する。シャフト５１の外面に発生する気流は、シャフト５１の回転方向Ｒｔと同じ方向である。気体動圧軸受５では、軸方向の上部および下部の第１動圧部５０１にそれぞれ、気体圧縮部５２３を有する。第１動圧部５０１において、シャフト５１の外面に発生する気流は、気体圧縮部５２３の動圧溝５２４に流れ込み、第１気流Ａｆ１として動圧溝５２４に沿ってシャフト５１の回転方向Ｒｔに流れる。動圧溝５２４は、シャフト５１の回転方向Ｒｔの前方が、第２動圧部５０２に向かって延びる。そのため、第１気流Ａｆ１は、動圧溝５２４に沿って流れて、第２動圧部５０２に流入される。すなわち、動圧溝５２４は、第１動圧部５０１で発生する周方向の気流を軸方向に向けて、第２動圧部５０２に送り込む。

シャフト５１の回転によって発生する気流は、第１気流Ａｆ１として第１動圧部５０１から第２動圧部５０２に強制的に流入される。第１気流Ａｆ１が強制的に流入されることで、第２動圧部５０２の気体（空気）の圧力が高くなる。第２動圧部５０２における気体の圧力によって、シャフト５１はスリーブ５２から離れた（浮いた）状態で、回転する。すなわち、気体動圧軸受５では、第１動圧部５０１で第２動圧部５０２に向かって気体（空気）を送り込むことで、第２動圧部５０２の圧力を高め、第２動圧部５０２でシャフト５１を非接触状態で回転可能に支持する。

モータ２０は上述した気体動圧軸受５を備えており、モータ２０は安定して円滑に回転可能である。シャフト５１がスリーブ５２に安定して回転可能に支持されることで、モータ２０の回転によって、インペラ３０が安定して回転する。これにより、風洞部１１で安定して気流を発生させることができ、送風装置Ａは排気口１５から安定した気流を吐出することができる。

＜７． 動圧溝５２４の形状の最適化＞
上述のとおり、気体動圧軸受５では、第２動圧部５０２における気体の圧力によってシャフト５１を非接触状態で回転可能に支持する。そのため、第２動圧部５０２における気体の圧力が低いと、シャフト５１がスリーブ５２と接触する虞がある。そのため、第２動圧部５０２における気体の圧力は高い方が好ましい。

気体動圧軸受５において、第２動圧部５０２における気体の圧力は、動圧溝５２４の形状によって変化する。そして、気体動圧軸受５では、動圧溝５２４の形状を適切に設定することで、シャフト５１をより安定して回転可能に支持できる。

上述したとおり、シャフト５１の回転によって発生する気流は、動圧溝５２４の内部を第１気流Ａｆ１として動圧溝５２４に沿って流れる。第１気流Ａｆ１の流量を多くすることで、第２動圧部５０２に多くの気体を送ることができ、第２動圧部５０２における気体の圧力を高めることができる。

そこで、動圧溝５２４の形状として、動圧溝５２４の周方向の幅（周方向の角α１、α２、α３：図６）と動圧溝５２４の中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断形状の接線との交差する角θ（図７）に注目した。そして、数値シミュレーションにて、動圧溝５２４の最適化された形状について求めた。

＜７．１ シミュレーションの概要＞
シャフト５１は、外径が略７ｍｍ、長さが２２ｍｍの円柱形とした。気体動圧軸受５のスリーブ５２は、外径９ｍｍ、軸方向長さ１５．７ｍｍの円筒形とし、内径はシャフトの外径よりも略３μｍ大きくした。スリーブ５２の孔５２０の内周面５２１には、軸方向の両端から長さ４．６ｍｍの気体圧縮部５２３を形成し、気体圧縮部５２３に径方向に凹んだ動圧溝５２４を形成した。

気体圧縮部５２３には、３つの動圧溝５２４を周方向に等間隔で形成した、なお、気体圧縮部５２３を中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断面における動圧溝５２４の溝幅の中心角度は、それぞれ、α１、α２、α３であり、α１＝α２＝α３とする。そして、本シミュレーションでは、α＝α１＋α２＋α３とする。αは、中心軸Ｃｘに直交する面で切断した切断面における動圧溝５２４の溝幅の中心角の総和である。

雰囲気気体を空気とし、温度２２℃、気体動圧軸受５が停止状態の周囲の気圧を１気圧（１０１ｋＰａ）とし、シャフト５１を３４０００ｒｐｍで回転させた。そして、各モデルに対して、複数回のシミュレーションを行うとともに、各シミュレーション時における第２動圧部５０２の気体の圧力の最大値を取得し、最大値の総和平均を用いて、動圧溝５２４の適正な形状の検討を行った。

＜７．３ 第１シミュレーション＞
第１シミュレーションでは、動圧溝５２４の大きさについて検討した。角θ＝３２°とし、中心角の総和αをそれぞれ、７２°、１０８°、１４４°、１８０°、２１６°、２５２°に変更したシミュレーションモデルでシミュレーションを行った。説明を容易にするため、α＝７２°、１０８°、１４４°、１８０°、２１６°、２５２°のシミュレーションモデルをそれぞれ、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６とする。

シミュレーション結果は図９に示す。図９は、第１シミュレーションの結果を示すグラフである。図９において、縦軸は第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均（単位：ｋＰａ）とし、横軸はシミュレーションモデルとしている。

図９に示すとおり、シミュレーションモデルＳ１１では、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、およそ１４３ｋＰａであった。そして、シミュレーションモデルＳ１２、シミュレーションモデルＳ１３、シミュレーションモデルＳ１４と中心角度の総和αが増加するごとに、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、増加する。シミュレーションモデルＳ１４では、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、およそ１５６ｋＰａであった。そして、シミュレーションモデルＳ１５、シミュレーションモデルＳ１６と中心角度の総和αが増加するごとに第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、減少する。

気体動圧軸受５において、シャフト５１を円滑かつ安定して回転可能に支持させるために１５０ｋＰａ以上であることが好ましい。中心軸に直交する面で切断した切断面における動圧溝５２４の中心角度の総和αは、１４４°以上、２１６°以下であることが好ましいことが分かった。すなわち、中心軸Ｃｘに直交する面で切断した切断面における動圧溝５２４の中心角の合計が１４４°以上２１６°以下である。なお、中心軸に直交する面で切断した切断面における動圧溝５２４の溝幅の中心角の総和αが２５２°のシミュレーションモデルＳ１６も平均値では１５０ｋＰａを超えているが、シミュレーションを行うごとの値のばらつきが大きかったため、ここでは、適切な値から外した。

なお、本実施形態では、動圧溝５２４の溝幅の中心角の合計としているが、図７に示すように、気体圧縮部５２３の内周面上における動圧溝５２４の形成領域の占有面積の比率とすることもできる。そして、気体圧縮部５２３の内周面上の動圧溝５２４形成領域の占有面積は、４０％以上、６０％以下であることが好ましい。

動圧溝５２４の溝幅の中心角の合計（図６のα１＋α２＋α３）を１４４°以上２１６°以下とすることで、第２動圧部５０２における気体の圧力を高く保つことが可能である。これにより、シャフト５１の径方向の荷重を効率よく支持し、シャフト５１を非接触状態で回転可能に支持できる。

＜７．４ 第２シミュレーション＞
第２シミュレーションでは、動圧溝５２４の中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角θについて検討した。角度の総和αを略１８０°とし、中心軸と直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角θを２２°、２７°、３２°、３７°、４２°、４７°に変更したシミュレーションモデルでシミュレーションを行った。説明を容易にするため、θ＝２２°、２７°、３２°、３７°、４２°、４７°のシミュレーションモデルをそれぞれ、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６とする。

シミュレーション結果は図１０に示す。図１０は、第２シミュレーションの結果を示すグラフである。図１０に示すとおり、シミュレーションモデルＳ２１では、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、およそ１５８ｋＰａであった。そして、シミュレーションモデルＳ２２では、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、およそ１６０ｋＰａであった。そして、シミュレーションモデルＳ２３、以降、第２動圧部５０２の圧力の最大値の平均は、減少している。

気体動圧軸受５において、シャフト５１を円滑かつ安定して回転可能に支持させるために１５０ｋＰａ以上であることが好ましい。動圧溝５２４の中心軸と直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角θは、２７°以上、３７°以下であることが好ましいことが分かった。すなわち、動圧溝５２４は、中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断面と２７度以上３７度以下の角度で交差する方向に延びる。なお、動圧溝５２４の中心軸と直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角θが２２°のシミュレーションモデルＳ２１も平均値では１５０ｋＰａを超えているが、シミュレーションを行うごとの値のばらつきが大きかったため、ここでは、適切な値から外した。これにより、第２動圧部５０２における、気体の圧力を効率よく上昇させることができる。

＜８．１ 第１変形例＞
本実施形態の第１変形例について図面を参照して説明する。図１１は、気体動圧軸受５ａを構成するシャフト５１ａおよびスリーブ５２ａの縦断面図である。図１２は、スリーブ５２ａの縦断面図である。図１３は、図１１に示す気体動圧軸受５ａをＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線を含み中心軸Ｃｘと直交する面で切断した断面の断面図である。図１４は、スリーブ５２ａの内周面５２１ａの周方向に展開した展開図である。気体動圧軸受５ａは、シャフト５１ａに動圧溝５１５が形成されている点で、気体動圧軸受５と異なる。気体動圧軸受５ａにおいて、シャフト５１ａおよびスリーブ５２ａ以外の部分は、気体動圧軸受５と同じ構成を有する。そのため、気体動圧軸受５ａにおいて、気体動圧軸受５と同じく構成の部分は同じ符号を付すとともに、同じ部分の詳細な説明は省略する。

図１１、図１３に示すとおり、気体動圧軸受５ａは、シャフト５１ａと、スリーブ５２ａとを有する。スリーブ５２ａは、円筒状である。スリーブ５２ａは、孔５２０ａの内周面５２１ａを有する。内周面５２１ａは、円筒形の曲面である。

シャフト５１ａの内周面５２１ａと径方向に対向する軸受部５１１ａは、気体圧縮部５１７と、外筒部５１８と、を有する。気体圧縮部５１７は、軸受部５１１ａの外周面５１２ａの第１動圧部５０１を構成する部分に形成される。外筒部５１８は、軸受部５１１ａの第２動圧部５０２を構成する部分に形成される。

外筒部５１８は、軸方向全長にわたって、外径が一定の筒状である。なお、ここで一定とは、正確に一定である場合を含むとともに、気圧の変動によりシャフト５１の回転が不安定にならない程度にばらつきがある場合も含む。

第１動圧部５０１に配置される気体圧縮部５１７には、複数本（たとえば、３本）の動圧溝５１５が配置される。すなわち、第１動圧部５０１において、スリーブ５２およびシャフト５１の一方には周方向に配列された複数の動圧溝５１５を有する。動圧溝５１５は、軸受部５１１ａの外周面５１２ａから径方向に凹み、軸方向および周方向に延びる。動圧溝５１５は第２動圧部５０２側がシャフト５１の回転方向Ｒｔ後方側に位置するらせん状である。つまり、図１４に示すとおり、動圧溝５１５は、シャフト５１の第２動圧部５０２に向かうにつれて、シャフト５１の回転方向Ｒｔの後方に延びる。

動圧溝５１５のシャフト５１ａの外周面５１２ａを中心軸Ｃｘと直交する面で切断した切断形状の接線と交差する角度を角γとする。すなわち、動圧溝５１５はシャフト５１の外周面５１２ａに設けられる。シャフト５１ａの回転方向Ｒｔ前方に向かうにつれて第２動圧部５０２に延びる。シャフト５１ａの外周面５１２ａに動圧溝５１５を形成するため、動圧溝５１５の加工が容易である。そして、角γについては、スリーブ５２に動圧溝５２４が形成されている場合の角度θと同様、２７°以上、３７°以下が好ましい。

また、図１１、図１４等に示すとおり、上側の第１動圧部５０１に配置される動圧溝５１５の角γと下側の第１動圧部５０１に配置される動圧溝５１５の角γとは同じ角度であり、向きが異なる。すなわち、一方の第１動圧部５０１の動圧溝５１５と中心軸Ｃｘに直交する面との角度が、他方の第１動圧部５０１の動圧溝５１５と中心軸Ｃｘに直交する面との角度と同じである。これにより、シャフト５１とスリーブ５２との間の圧力が上下に対称になりやすく、シャフト５１を安定して回転可能に支持できる。

また、図１３に示すとおり、３つの動圧溝５１５の溝幅の中心角をβ１、β２、β３とすると、本実施形態のシャフト５１では、β１＝β２＝β３となっている。すなわち、動圧溝５１５の周方向の幅が均一である。なお、ここで均一とは、厳密に均一な場合を含むとともに、多少のばらつきがある場合も含む。そして、シャフト５１ａを中心軸Ｃｘに直交する面で切断した切断面における動圧溝５１５の中心角度の総和βは、スリーブ５２に動圧溝が形成されている場合の角αと同様、１４４°以上、２１６°以下が好ましい。

気体動圧軸受５において、スリーブ５２の内部でシャフト５１が回転するとき、シャフト５１とスリーブ５２との隙間には、シャフト５１の回転方向に流れる気流が発生する。第１動圧部５０１において、シャフト５１の回転によって発生した気流は、動圧溝５１５に流入する。そして、動圧溝５１５に流入した気流は、第２気流Ａｆ２として、動圧溝５１５に沿って第２動圧部５０２に向かって流れる。

気体圧縮部５１７では、３本の動圧溝５１５が周方向に並んで配置される。そして、周方向に隣り合う動圧溝５１５の間の部分には、陸部５１６が形成される。陸部５１６は、外筒部５１８と内径が同一の円筒状の一部である。ここで、同一とは、正確に同一である場合を含むとともに、気圧の変動によりシャフト５１の回転が不安定にならない程度にばらつきがある場合も含む。なお、気体圧縮部５１７および動圧溝５１５は、以上の構成に限定されず、シャフト５１の回転によって、気体を第２動圧部５０２に送り込むことができる形状を広く採用できる。

シャフト５１ａに動圧溝５１５を設けることで、第２動圧部５０２のシャフト５１ａとスリーブ５２ａとの隙間の気体の圧力を高めて、シャフト５１ａを安定して、回転可能に支持することが可能である。

＜７．２ 第２変形例＞
図１５は、本発明の変形例にかかる気体動圧軸受５ｂの通気孔５２９を示す断面図である。気体動圧軸受５ｂは、通気孔５２９が通気孔５２７と異なる以外、気体動圧軸受５と同じである。そのため、気体動圧軸受５ｂの気体動圧軸受５と実質的に同じ部分には同じ符号を付すとともに、同じ部分の詳細な説明は省略する。

図１５に示すとおり、気体動圧軸受５ｂの通気孔５２９は、径方向内側に向かうにつれて、シャフト５１の回転方向の前方側に延びる。これにより、シャフト５１の回転で発生する気流によって気体が吸い込まれるときに、抵抗が少なくなる。また、通気孔５２９から吸い込まれた空気は、シャフト５１の回転方向の気流に円滑に合流できる。以上のことから、通気孔５２９から効率よく気体を吸い込むことができ、第２動圧部５０２での圧力のばらつきを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変形及び組合せが可能である。

本発明によると、例えば、電子機器に冷却風を吹き付ける送風装置として利用することができる。

１０ ハウジング
１１ 風洞部
１２ ベース部
１２１ ベース貫通孔
１２２ 軸受保持部
１３ 静翼
１４ 吸気口
１５ 排気口
２０ モータ
２１ ステータ
２１１ ステータコア
２１２ インシュレータ
２１３ コイル
２１４ 基板保持部
２２ ロータ
２２１ ロータヨーク
２２２ ロータマグネット
２２３ ロータ天板部
２２４ ロータ筒部
２２５ シャフト保持部
３０ インペラ
３１ インペラハブ
３１１ ハブ天板部
３１２ ハブ筒部
３２ 羽根
４０ 回路基板
５ 気体動圧軸受
５０１ 第１動圧部
５０２ 第２動圧部
５１ シャフト
５１１ 軸受部
５１２ 外周面
５１３ ロータ固定部
５１４ マグネット固定部
５１５ 動圧溝
５１６ 陸部
５１７ 気体圧縮部
５１８ 外筒部
５２ スリーブ
５２０ 孔
５２１ 内周面
５２２ 軸受マグネット保持部
５２３ 気体圧縮部
５２４ 動圧溝
５２５ 陸部
５２６ 内筒部
５２７ 通気孔
５２８ ステータ固定部
５２９ 通気孔
５２１１ スリーブ延長部
５３ スラストマグネット
５４ キャップ
５ａ 気体動圧軸受
５１ａ シャフト
５１１ａ 軸受部
５１２ａ 外周面
５２ａ スリーブ
５２０ａ 孔
５２１ａ 内周面
５ｂ 気体動圧軸受
Ａ 送風装置
Ａｆ１ 第１気流
Ａｆ２ 第２気流
Ｃｘ 中心軸
Ｒｔ 回転方向

Claims (10)

1. 上下に延びる中心軸を中心とするシャフトと、
   前記シャフトの少なくとも一部と径方向に対向するスリーブと、を有する、気体動圧軸受であって、
   前記スリーブと前記シャフトとが径方向に対向する部分は、
   軸方向両端部に位置する第１動圧部と、
   前記第１動圧部の間に位置する第２動圧部と、を有し、
   前記第１動圧部において、前記スリーブおよび前記シャフトの一方には周方向に配列された複数の動圧溝を有し、
   前記中心軸に直交する面で切断した切断面における前記動圧溝の溝幅の中心角の総和が１４４°以上２１６°以下である気体動圧軸受。
2. 前記動圧溝は前記スリーブの内周面に設けられ、前記第２動圧部側に向かうにつれて前記シャフトの回転方向前方に延びる請求項１に記載の気体動圧軸受。
3. 前記動圧溝は前記シャフトの外周面に設けられ、前記第２動圧部側に向かうにつれて前記シャフトの回転方向後方に延びる請求項１に記載の気体動圧軸受。
4. 前記動圧溝は、前記中心軸と直交する面との角度が２７°以上３７°以下である請求項１から請求項３のいずれかに記載の気体動圧軸受。
5. 一方の前記第１動圧部の前記動圧溝と前記中心軸に直交する面との角度が、他方の前記第１動圧部の前記動圧溝と前記中心軸に直交する面との角度と同じである請求項２または請求項３に記載の気体動圧軸受。
6. 前記スリーブの外径は、前記スリーブの内径の１．２倍以上である請求項１から請求項５のいずれかに記載の気体動圧軸受。
7. 前記スリーブは、前記第１動圧部よりも軸方向端部側に延びるスリーブ延長部を有し、
   前記スリーブ延長部には、前記スリーブの径方向外側と内側とを通気可能に接続する通気孔を有する請求項１から請求項６のいずれかに気体動圧軸受。
8. 前記通気孔は、径方向内側に向かうにつれて前記シャフトの回転方向前方側に延びる請求項７に記載の気体動圧軸受。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の気体動圧軸受と、
   前記スリーブの外面に配置されたステータと、
   前記シャフトの上端に固定されるとともに前記ステータと径方向に対向するロータと、を備える、モータ。
10. 請求項９に記載のモータと、
    前記ロータに取り付けられたインペラと、を有する送風装置。