JPH03272317A - 気体軸受け構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は気体軸受は構造に関し、特に動圧ラジアル気体
軸受は及び動圧スラスト気体軸受けを備えた高速回転機
用の気体軸受は構造に関する。

［従来の技術］ 従来、ラジアル軸受は及びスラスト軸受けを備えた高速
回転機用の軸受は構造としては、例えばターボ分子ポン
プの軸受は構造が知られており、これは、タービン翼と
駆動装置とが取り付けられたシャフトを、ベアリングに
よってラジアル支持し、またスラスト支持するものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の如きベアリングを使用したターボ
分子ポンプは、高速回転性に劣るためポンプとしての能
力が低く、高真空状態を実現できないばかりでなく、耐
久性に乏しいという問題点を有していた。

これら問題点を解決する方法としては、前記ラジアル及
びスラストの軸受は構造を比較的高速回転に適した気体
軸受は構造とすることが考えられる。例えば、第２図に
示すように、シャフト２３の周囲にラジアル軸受は体２
４及び上下一対のスラスト軸受は体２５を配設すると共
に、シャフト２３には、これら軸受は体２４．２５との
間にそれぞれ数μｍ〜数十μ粕のクリアランスＣ１，Ｃ
２を隔てて対向するラジアル軸２６及びスラスト軸２７
（第２図では平板状）を一体固着し、動圧又は静圧にて
前記クリアランスＣＩ、Ｃ２に圧力気体膜を形成可能と
することが考えられる。そして、このような軸受は構造
のもと、シャフト２３に取着されたモータロータ２２と
、その周囲に配設された電磁コイル２８との相互作用に
基づきシャフト２３を前記各軸受は体２４．２５と非接
触状態で回転させるターボ分子ポンプが本発明者らによ
り検討されている。

ところが、係るターボ分子ポンプにおいては、シャフト
２３の回転速度が次第に上昇して特定の回転数に達する
と、突然振動が発生し、シャフト２３０安定回転が阻害
されるのみならず、最悪の場合にはメカニズムそのもの
が破損されるという問題があり、上述の如き気体軸受は
構造を採用することができなかった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、その目的は、ラジアル軸及びスラスト軸と一体回転
される回転体の回転数の上昇に伴う振動等の発生を未然
に防止して、係る回転体を常時安定回転させることが可
能な高速回転機に適した気体軸受は構造を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 一般に、気体軸受は構造においては、軸及び軸受は体に
は極めて高い寸法精度が要求されるが、特にラジアル及
びスラストの双方を気体軸受けで構成する場合には、回
転されるラジアル軸２６とスラスト軸２７とを極めて高
い精度で直交させる必要がある。

しかし、前記ラジアル軸２６とスラスト軸２７とを完全
に直交させることは、加工精度の技術的限界から実際上
困難であり、−船釣には第３図（ａ）及び（ｂ）に示す
ように、ラジアル軸２６の中心線りとスラスト軸２７の
スラスト面に平行な平面Ｐとの間には、その直角度にお
いて、±α０の誤差が生じる。前述した気体軸受は構造
にあっては、このような直角度の不足からシャフト２３
が特定の回転数に達したときに、振動が発生するものと
考えられる。

即ち、第３図（ａ）に示すように、シャフト２３はその
起動に伴い、先ずラジアル方向及びスラスト方向のうち
、回転時の剛性の高い方向（第３図（ａ）ではラジアル
方向）が優先して位置規制される。すると、回転時の剛
性の低い方向のスラスト軸２７とスラスト軸受は体２５
との間に、通常のクリアランスＣ２よりも狭い部位ｓ１
が形成され、この部位Ｓ１の圧力が増大する。その結果
、シャフト２３にはその重心Ｇを中心とする右回りのモ
ーメントが発生し、シャフト２３が第３図（ａ）の状態
から第３図（ｂ）の状態へ傾動される。すると、今度は
ラジアル軸２６とラジアル軸受は体２４との間に、通常
のクリアランスｃ１よりも狭い部位Ｓ２が形成され、こ
の部位ｓ２の圧力が増大する。その結果、シャフト２３
にその重心Ｇを中心とする左回りのモーメントが発生し
、シャフト２３が再び第３図（ａ）の状態に復帰される
。

こうして、シャフト２３は第３図（ａ）の状態と第３図
（ｂ）の状態との間を絶えず揺動されることになり、回
転数の上昇に伴い、前記揺動の振幅が大きくなって各軸
２６．２７と各軸受は体２４．２５とが接触するように
なり、軸受は構造の破壊に至るものと推測される。

本発明は、ラジアル軸とスラスト軸とが相互に一体固定
されるために、上述のような互いに反対方向に作用する
モーメントか交互に発生し、前記揺動現象を助長する原
因になっている点に着目してなされたものである。

本発明の気体軸受は構造は、ラジアル軸受は体及びスラ
スト軸受は体によってそれぞれ回転可能に支持されるラ
ジアル軸及びスラスト軸が弾性部材を介して連結されて
なるものである。

［作用］ 係る構成によれば、ラジアル軸とスラスト軸との間には
弾性部材によって相互の取り付は角度を微小量変化させ
る程度の自由度が確保される。従って、ラジアル軸とス
ラスト軸との間の直角塵の不足に起因して、通常ならば
、一体回転されるラジアル軸とスラスト軸とを不安定振
動させるモーメントか生しるような場合でも、ラジアル
軸及びスラスト軸は、それぞれラジアル軸受は体及びス
ラスト軸受は体との間の空気圧バランスに応じて、相互
の取り付は角度を微妙に変化させ、各軸受は体とのクリ
アランスが局所的に狭くなることを極力回避する。それ
故、一体回転されるラジアル軸とスラスト軸とを不安定
振動させるモーメントの発生が未然に防止され、ラジア
ル軸及びスラスト軸の安定した一体回転が確保される。

前記弾性部材はシート状で、ラジアル軸とスラスト軸と
の間に挟持されていることが好ましい。

このような簡便な構成により、ラジアル軸とスラスト軸
との間には相互の取り付は角度を微小量変化させる程度
の自由度が確保される。

この場合のシート厚さは、０．１〜０．５ｍｍの範囲が
好適である。シート厚さが０．１ｍｍ未満ではラジアル
及びスラストの両軸間に必要な自由度を付与することか
できず、０．５ｍｍを超えると一体回転される両軸間の
剛性が不足して新たな問題を生ずる。

前記弾性部材の構成材料としては、シリコンゴム、ウレ
タンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム等があげられ、前記
弾性部材はこれらから選択される何れか少なくとも一種
からなることが好ましい。

また、前記弾性部材は、ショア硬度にして６０〜９５、
圧縮永久歪みにして最大で２０〜４０％のものが好まし
く、この範囲内のものであれば、新たな問題を生じるこ
となくラジアル軸とスラスト軸とを、適度な弾性をもっ
て連結することができる。

更に、ラジアル軸及びそれと対向するラジアル軸受は体
の何れか一方の対向面、並びにスラスト軸及びそれと対
向するスラスト軸受は体の何れか一方の対向面に、動圧
溝を形成して動圧軸受は構造とすることが好ましい。

その理由は、ラジアル軸及びスラスト軸の回転速度の上
昇に伴い、各対向面間に圧力気体膜が安定形成されて、
軸受けとしての効果が高められるからである。

ラジアル軸及びスラスト軸、並びにラジアル軸受は体及
びスラスト軸受は体の構成材料としては、炭化珪素等の
セラミックスが好適である。

その理由は、炭化珪素焼結体は機械的強度、耐磨耗性等
に優れており、かつ比較的軽量だからである。

［実施例］ 以下に、本発明をターボ分子ポンプの駆動モータ部に具
体化した一実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図に示すように、中央部が突出した円筒形状のケー
シング１内には、その軸方向（上下方向）に延びるロー
タシャフト２が回動可能に収容されている。このロータ
シャフト２のケーシング１外へ突出された上端部には、
タービン翼３が設けられている。一方、ロータシャフト
２の上端部外周には、複数に分割されたマグネット４が
一体的に取着されていると共に、ケーシング１の下部内
周面上には、これらマグネット４を包囲するように、複
数の電磁コイル１７が設けられている。

また、ケーシングｌ内には、その上半部内周面に沿って
円筒状に形成されたラジアル軸受は部５と、その軸受は
部５に直交して鍔状に形成されたスラスト軸受は部６と
を有し、かつ炭化珪素で形成された軸受は部材７が装着
されている。これに対し、前記ロータシャフト２の外周
部には、この軸受は部材７のラジアル軸受は部５に対向
して円筒状に形成された炭化珪素製のラジアル軸として
のラジアル対向部材１１が、前記ラジアル軸受は部５と
の間に所定のクリアランスＣ３（実寸１０μｍ）を隔て
て一体回動可能に取着されている。

また、ケーシング１内には、前記軸受は部材７のスラス
ト軸受は部６に対応してリング状に形成された炭化珪素
製のスラスト軸受は板８が、前記スラスト軸受は部６と
の間に円筒状のスペーサ９を介在させることにより、所
定間隔を隔てて平行に装着されている。

前記軸受は部材７のスラスト軸受は部６と前記スラスト
軸受は板８との間には、これら６，８に対し所定のクリ
アランスＣ４（実寸５μｍ）を隔てて配置され、円板状
に形成された炭化珪素製のスラスト軸としてのスラスト
対向部材１２が介装されている。このスラスト対向部材
１２の中心部には、ロータシャフト２の直径よりも大き
な内径を有する挿通孔１２ａが設けられ、この挿通孔１
２ａ内にロータシャフト２が遊挿されている。

このスラスト対向部材１２と前記ラジアル対向部材ＩＩ
との間、及びスラスト対向部材Ｉ２とロータシャフト２
に鍔状に形成された係止片１３との間には、それぞれシ
リコンゴムを使用して円環状のシートに形成された弾性
部材としてのゴム板１４（厚さ０．２ｍｍ）が介装され
ており、スラスト対向部材１２はこれら一対のゴム板１
４、並びにラジアル対向部材１１及び係止片Ｉ３を介し
、ロータシャフト２に対し一体回動可能に装着されてい
る。

更に、前記ラジアル対向部材１１の外周面、及び前記ス
ラスト対向部材１２の上下両面には、ロータシャフト２
の回転に伴い、前記各クリアランスＣ３，Ｃ４にそれぞ
れ気体を導入する複数の動圧溝Ｉ５及び１６が刻設され
ている。

尚、前記軸受は部材７のラジアル軸受は部５によってラ
ジアル軸受は体が構成され、軸受は部材７のスラスト軸
受は部６及びスラスト軸受は板８によってスラスト軸受
は体が構成される。また、前記ロータシャフト２並びに
前記各部材１１，１２．１３及びＩ４により回転体Ｒが
構成され、ラジアル対向部材１１及びスラスト対向部材
１２が、それぞれ回転体Ｒのラジアル軸及びスラスト軸
に相当する。

次に、上述のように構成されたターボ分子ポンプの駆動
モータ部の作用について説明する。

前記各電磁コイル１７に対する通電制御か開始されると
、各電磁コイルＩ７によって形成される磁界とマグネッ
ト４による磁界との相互作用により、回転体Ｒが所定方
向へ回転駆動される。

回転体Ｒの起動に伴って、前記各動圧溝１５゜１６の作
用により、ラジアル対向部材１１と軸受は部材７のラジ
アル軸受は部５との間、並びに、スラスト対向部材１２
とスラスト軸受は板８及び軸受は部材７のスラスト軸受
は部６との間に空気が導入されて、それぞれに圧力気体
膜が形成される。この圧力気体膜により、回転体Ｒはケ
ーシング１に内装された各部材７，８等と、前記各クリ
アランスＣ３，Ｃ４等を保ちながら、非接触状態に支持
され、安定回転される。

ここで、仮に、この回転体Ｒのロータシャフト２の中心
線りと、スラスト対向部材１２のスラスト面と平行な平
面Ｐとが、加工精度上の限界から完全に直交していない
とする。このような場合、前述したように、回転体Ｒの
ラジアル方向及びスラスト方向のうち、回転時の剛性の
高い方向が優先的に位置規制され、回転体Ｒの重心を中
心とする揺動現象を生じる条件か成立する。しかし、回
転体Ｒのラジアル対向部材１１とスラスト対向部材１２
とは、ゴム板１４を介して連結されているため、両者１
１．１２間には、それらの取り付は角度を、各部材の先
端部において±２μｍ程度変位させる自由度かある。そ
れ故、通常ならば回転時の剛性の低い方向の対向部材（
１１又は１２）と、これに対する軸受は体（５又は６．
８）との間に、通常のクリアランスよりも狭い部位が形
成されて、その対向部材を所定位置に復元しようとする
モーメントが生じるような場合でも、その対向部材（１
１又は１２）は、対する軸受は体（５又は６，８）との
間の空気圧バランスに応じて、取り付は角度を微妙に変
化させ、対する軸受は体（５又は６．８）とのクリアラ
ンスか局所的に狭くなることを極力回避する。そのため
、回転体Ｒを不安定振動させるモーメントの発生が未然
に防止される。

また、仮に一方の対向部材（１１又は１２）において前
述のようなモーメントが発生される場合でも、他方の対
向部材はその影響をほとんど受けることがなく、所定の
クリアランスを保持し続けることができる。従って、回
転体Ｒの駆動状態においては、ラジアル、方向及びスラ
スト方向のうちの一方の対向部における振動が、ゴム板
１４によって吸収されて、他方の対向部に伝達されない
ため、回転体Ｒは破壊的振動に襲われることなく、安定
回転することができる。

尚、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、ス
ラスト対向部材１２をロータシャフト２に直接取着し、
ラジアル対向部材１１を一対のゴム板１４を介してスラ
スト対向部材１２及びロータシャフト２に一体回転可能
に取着する構成としてもよく、このような構成において
も前記実施例と同様の作用、効果を発揮する。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、ラジアル軸及びス
ラスト軸と一体回転される回転体の回転数の上昇に伴う
振動等の発生を未然に防止して、係る回転体を常時安定
回転させることができるという優れた効果を奏する。

従って、本発明は高速回転機用の気体軸受は構造として
極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した一実施例を示す断面図、第
２図は試験的構成例を示す断面図、第３図（ａ）及び（
ｂ）は前記試験的構成例の欠点を示す説明図である。 ５・・・ラジアル軸受は体としてのラジアル軸受は部、
６・・・スラスト軸受は部、８・・・スラスト軸受は板
（前記６，８によりスラスト軸受は体が構成される）、
１１・・・ラジアル軸としてのラジアル対向部材、１２
・・・スラスト軸としてのスラスト対向部材、１４・・
・弾性部材としてのゴム板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ラジアル軸受け体（５）によって回転可能に支持さ
   れるラジアル軸（１１）と、スラスト軸受け体（６、８
   ）によって回転可能に支持されるスラスト軸（１２）と
   が弾性部材（１４）を介して連結されてなる気体軸受け
   構造。 ２　前記弾性部材（１４）はシート状で、前記ラジアル
   軸（１１）とスラスト軸（１４）との間に挟持されてな
   る請求項１に記載の気体軸受け構造。 ３　前記弾性部材（１４）は、シリコンゴム、ウレタン
   ゴム、フッ素ゴム及びブチルゴムから選択される何れか
   少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の気体軸受け構造。