JP6762359B2 - ハイブリッド動圧スラスト気体軸受 - Google Patents

Description

本発明は、動圧スラスト気体軸受、特に溝付き動圧スラスト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スラスト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スラスト気体軸受に関し、気体軸受分野に属する。

気体軸受は高速度・高精密度・高温度耐性・低摩擦損失・長使用寿命などの利点があるので、最近何十年の急速発展を経て、今では既に高速・精密支持などの分野に幅広く応用されている。今まで様々な構造が提案されているが、気体軸受は大きく動圧型と静圧型とに分けられる。

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。
動圧スラスト気体軸受は、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で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スラスト気体軸受は多少異なる方式で作動する。従来様々な動圧スラスト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。
ティルティングパッド動圧スラスト気体軸受は、セルフ調整機能が付き、より薄い気体膜で安全に運転でき、熱変形・弾性変形しにくく、加工精度が保証しやすく、そして荷重の変化を自動的に追跡できる高性能動圧気体軸受であり、今国内外で主に大型高速回転機械やタービン機械に使用されている。然しながら、この種の軸受は、パッド構造が複雑なので組み立てに対する要求が一般のスラスト軸受より厳しいため、応用が限定されている。
フォイル動圧スラスト気体軸受は、弾性を持つので一定な荷重支持能力と衝撃・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、剛性に欠けて限界回転速度が低く、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。
溝付き動圧スラスト気体軸受は、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。
溝付き動圧スラスト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スラスト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スラスト気体軸受は、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、動圧スラスト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。

本発明は、上記従来技術の問題点及び需要に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝付き動圧スラスト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スラスト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スラスト気体軸受を提供し、動圧スラスト気体軸受の超高速高荷重用途への応用を実現させることにある。

上記目的を達成するために、本発明の内容は以下に示すとおりである。
二つの外輪と当該二つの外輪の間に挟まれた内輪とを備えたハイブリッド動圧スラスト気体軸受において、前記各外輪と前記内輪との間にフォイル弾性部材が設けられ、前記内輪の両端面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が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いる。

一つの実施態様において、前記内輪の外円周面にはその両端面に施された溝パターンと同じ形状を有する溝パターンが施され、その外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ている。
一つの好ましい実施態様において、前記外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ており、前記外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対応し且つ前記面取り部の前に交差し続けており、前記外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対応し且つ前記面取り部の前に交差し続けている。
一つの実施態様において、前記各溝パターンはインペラー形状を有する。

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輪の間に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少なくとも一端が対応外輪の内側端面に固設されている。
一つの好ましい実施態様において、各外輪には複数のフォイル弾性部材が固設され且つその内側端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、一方の外輪に固設されたフォイル弾性部材はもう一方の外輪に固設されたフォイル弾性部材とミラー対称となっている。
一つのより好ましい実施態様において、前記外輪の内側端面には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前記トップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が対応外輪の内側端面に当接している。

従来技術に対して、本発明は以下とおりの著しい進歩性を示す：
本発明は、外輪と内輪との間にフォイル弾性部材を設け、内輪の両端面に規則形状を有する溝パターンを施し、そして一方の端面に施された溝パターンが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、溝付き動圧スラスト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スラスト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スラスト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スラスト気体軸受は、同じ回転速度で従来の単なる溝付き動圧スラスト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スラスト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、従来動圧スラスト気体軸受の荷重能力が０.５〜１.５ｋｇ、最大許容回転速度が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受は１〜３ｋｇの荷重下での許容回転速度が２００，０００〜４５０，０００ｒｐｍにも達している。なので、本発明による動圧スラスト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スラスト気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。

本発明の実施例１によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受の概略断面図 実施例１による内輪の左側面図 実施例１による内輪の右側面図 実施例１によるフォイル弾性部材を固設した左外輪の右側面図 実施例１によるフォイル弾性部材を固設した右外輪の左側面図 実施例１によるフォイル弾性部材の概略断面図 実施例１によるフォイル弾性部材の概略透視図 本発明の実施例２によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受を左から見た時の透視概略図 本発明の実施例２によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受を右から見た時の透視概略図 一部が切り取られた本発明の実施例２によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受の透視概略図 実施例２による内輪を左から見た時の透視概略図 図８に示す部分Ａの拡大図 実施例２による内輪を右から見た時の透視概略図 図１０に示す部分Ｂの拡大図

以下、実施例と図面に基づいて本発明の内容をもっと詳しく説明する。
実施例１
図１に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受は、二つの外輪１と、当該二つの外輪１の間に挟まれた内輪２とを備え、各外輪１と内輪２との間にフォイル弾性部材３が設けられ、内輪２の左端面に規則形状を有する溝パターン２１が施され、その右端面に規則形状を有する溝パターン２２が施されている。

図２ａと図２ｂを参考すれば分かるように、内輪２の左端面に施された溝パターン２１はその右端面に施された溝パターン２２とミラー対称であり、左端面に施された溝パターン２１の半径方向輪郭線は右端面に施された溝パターン２２の半径方向輪郭線と一対一対応している。溝パターン２１と溝パターン２２は同じ形状、本実施例ではインペラー形状を有する。

更に図３ａと図３ｂを参考すれば分かるように、フォイル弾性部材３は対応外輪１（例えば、図３ａに示すフォイル弾性部材３ａを固設した左外輪１１、及び図３ｂに示すフォイル弾性部材３ｂを固設した右外輪１２）の内側端面に固設されており、左外輪１１に固設されたフォイル弾性部材３ａと右外輪１２に固設されたフォイル弾性部材３ｂとはミラー対称となっている。各外輪にはその内側端面に均一に分布された複数のフォイル弾性部材が固設されてよい（四つが図示されている）。

図１、図４と図５に示すように、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の頂部がトップフォイル３２に当接し、各アーチ形部同士の接続部３１２が対応外輪１の内側端面に当接している。各フォイル弾性部材３は、少なくとも一端が対応外輪の内側端面に固設されている（本実施例においては、その一端が各図の３３に示すように固設されており、もう一端が自由端となっている）。

実施例２
図６ａ、図６ｂ、図７、図８と図１０を参考すれば分かるように、本実施例によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受は実施例１との唯一の相違点が下記のとおりである。

内輪２の外円周面には、左右両端面に施された溝パターン（２１、２２）と同じ形状（本実施例においてインペラー形状）を有する溝パターン２３が施されており、当該溝パターン２３の軸方向輪郭線は左右両端面に施された溝パターン（２１、２２）の半径方向輪郭線とそれぞれ一対一対応し且つ交差し続ける。

即ち、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向高位線２３１は左端面に施された溝パターン２１の半径方向高位線２１１と対応し且つ該端面に形成された円周方向面取り部の前に交差し続け、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向中位線２３１は左端面に施された溝パターン２１の半径方向中位線２１１と対応し且つ前記面取り部の前に交差し続け、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向低位線２３１は左端面に施された溝パターン２１の半径方向低位線２１１と対応し且つ前記面取り部の前に交差し続ける。

そして、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向高位線２３１は右端面に施された溝パターン２１の半径方向高位線２１１と夫々対応し且つ該端面に形成された円周方向面取り部の前に交差し続け、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向中位線２３１は右端面に施された溝パターン２１の半径方向中位線２１１と夫々対応し且つ前記面取り部の前に交差し続け、外円周面に施された溝パターン２３の軸方向低位線２３１は右端面に施された溝パターン２１の半径方向低位線２１１と夫々対応し且つ前記面取り部の前に交差し続ける（図１１参照）。

外輪１の内側端面にはフォイル弾性部材３を固設するための溝部１３が設けられている（図７参照）。

本発明は、外輪１と内輪２との間にフォイル弾性部材３を設け、内輪２の左右両端面に規則形状を有する溝パターン（２１、２２）を施し、そして左端面に施された溝パターン２１が右端面に施された溝パターン２２とミラー対称となるようにすることで、溝付き動圧スラスト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スラスト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スラスト気体軸受を提供することができる。こうして、内輪２が回転する時、フォイル弾性部材３と内輪２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により軸方向の動圧が大幅に増加し、同じ荷重条件下では従来の単なるフォイル動圧スラスト気体軸受より倍以上の許容回転速度を可能にしている。一方、弾性を有するフォイル弾性部材３の使用のよって、軸受の荷重能力・衝撃耐性・振れ回り抑制効果が顕著に向上され、同じ回転速度で従来の単なる溝付き動圧スラスト気体軸受より倍以上の衝撃耐性と荷重能力が可能にしている。特に、内輪２の外円周面に左右両端面に施された溝パターン（２１、２２）と同じ形状を有する溝パターン２３を施し、そして当該溝パターン２３の各軸方向輪郭線を左右両端面に施された溝パターン（２１、２２）の各半径方向輪郭線とそれぞれ一対一対応させ且つ交差し続けさせることで、内輪の両端面に施された溝パターン（２１、２２）に生ずる加圧気体が軸の中心から半径方向に沿って外円周面に施された溝パターン２３の溝に送り続けられ、動圧スラスト気体軸受の潤滑剤として軸受の高速運転を支えるもっと強い支持力を提供するのに必要とする気体膜を形成することができる。こうして、本発明によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受は浮上状態の下において安定な高速運転が実現でき、より高い許容回転速度を保証できる。

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と内輪２との間に０．００３〜０．００８ｍｍの隙間を設けたことが好ましい。

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、従来動圧スラスト気体軸受の荷重能力が０.５〜１.５ｋｇ、最大許容回転速度が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧スラスト気体軸受は１〜３ｋｇの荷重下での許容回転速度が２００，０００〜４５０，０００ｒｐｍにも達している。なので、本発明による動圧スラスト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スラスト気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。

最後に、ここで留意すべきなのは、上記内容は単なる本発明の技術案をより詳しく説明するつもりのもので、本発明の保護範囲を限定することを意図したものではない。当業者が本発明の上述内容の基づいてなし得た非本質的な改良と調整がすべて本発明の保護範囲に属する。

１ 外輪
１１ 左外輪
１２ 右外輪
１３ 溝部
２ 内輪
２１ 左端面に施された溝パターン
２１１ 半径方向高位線
２１２ 半径方向中位線
２１３ 半径方向低位線
２２ 右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 外円周面に施された溝パターン
２３１ 軸方向高位線
２３２ 軸方向中位線
２３３ 軸方向低位線
３ フォイル弾性部材
３ａ 左外輪に固設されたフォイル弾性部材
３ｂ 右外輪に固設されたフォイル弾性部材
３１ バンプフォイル
３１１ アーチ形部
３１２ アーチ形部同士の接続部
３２ トップフォイル
３３ 固設端

Claims (8)

1. 二つの外輪（１）と当該二つの外輪（１）の間に挟まれた内輪（２）とを備えたハイブリッド動圧スラスト気体軸受であって、
   前記各外輪（１）と前記内輪（２）との間にフォイル弾性部材（３）が設けられ、前記内輪（２）の両端面及び外円周面にインペラー形状を有する溝パターン（２１，２２，２３）が施され、一方の端面に施された溝パターン（２１）がもう一方の端面に施された溝パターン（２２）とミラー対称であり、
   前記内輪（２）の外円周面に施された溝パターン（２３）は、前記内輪（２）の両端面の外周に形成された円周方向面取り部の間を軸方向に対して平行に延び、前記円周方向面取り部を介して、前記内輪の両端面に施された溝パターン（２１，２２）と一対一で対応して連結し、
   前記内輪（２）の外円周面に施された溝パターン（２３）の軸方向高位線（２３１）は、その両端面に施された溝パターン（２１，２２）の半径方向高位線（２１１，２２１）と互いに対応して、該両端面に形成された円周方向面取り部を介して連結し、
   前記内輪（２）の外円周面に施された溝パターン（２３）の軸方向中位線（２３２）は、前記両端面に施された溝パターン（２１，２２）の半径方向中位線（２１２，２２２）と互いに対応して、該両端面に形成された円周方向面取り部を介して連結し、
   前記内輪（２）の外円周面に施された溝パターン（２３）の軸方向低位線（２３３）は、前記両端面に施された溝パターン（２１，２２）の半径方向低位線（２１３，２２３）と互いに対応して、該両端面に形成された円周方向面取り部を介して連結し、
   前記軸方向高位線（２３１）は、当該軸方向高位線（２３１）、前記軸方向中位線（２３２）および前記軸方向低位線（２３３）の３種の軸方向線のうち前記内輪（２）の半径方向の高さが最も高く、
   前記軸方向低位線（２３３）は、前記３種の軸方向線のうち前記内輪（２）の半径方向の高さが最も低く、
   前記軸方向中位線（２３２）は、前記内輪（２）の半径方向の高さが、前記軸方向高位線（２３１）よりも低く且つ前記軸方向低位線（２３３）よりも高く、
   前記半径方向高位線（２１１，２２１）は、当該半径方向高位線（２１１，２２１）、前記半径方向中位線（２１２，２２２）および前記半径方向低位線（２１３，２２３）の３種の半径方向線のうち、前記内輪（２）の軸方向の高さが最も高く、
   前記半径方向低位線（２１３，２２３）は、前記３種の半径方向線のうち前記内輪（２）の軸方向の高さが最も低く、
   前記半径方向中位線（２１２，２２２）は、前記内輪（２）の軸方向の高さが、前記半径方向高位線（２１１，２２１）よりも低く且つ前記半径方向低位線（２１３，２２３）よりも高い
   ことを特徴とするハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
2. 前記フォイル弾性部材（３）と前記内輪（２）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スラスト気体軸受。
3. 前記フォイル弾性部材（３）の少なくとも一端が当該フォイル弾性部材（３）と対応する外輪（１）の内側端面に固設されている
   請求項１に記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
4. 各外輪（１）には複数のフォイル弾性部材（３）が固設され且つその内側端面に沿って均一に分布されている
   請求項３に記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
5. 一方の外輪（１）に固設されたフォイル弾性部材（３）はもう一方の外輪（１）に固設されたフォイル弾性部材（３）とミラー対称となっている
   請求項３または４に記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
6. 前記外輪（１）の内側端面にはフォイル弾性部材（３）を固設するための溝部が設けられている
   請求項３または４に記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
7. 前記フォイル弾性部材（３）は表面熱処理された部材である
   請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
8. 前記フォイル弾性部材（３）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トップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が対応する外輪の内側端面に当接している
   請求項１〜７のいずれかに記載のハイブリッド動圧スラスト気体軸受。
   

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