JPH01105015A - 動圧溝付空気軸受 - 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〕 本発明は軸受および軸のいづれか一方に、そのラジアル
荷重受圧面にはヤマバ溝を、そのスラスト荷重受圧面に
はマガリバ溝を設け、軸受が固定で軸が回転およびその
逆の軸が固定で軸受が回転のいづれか一方の組合わせの
軸受形式の回転体の回転により、周囲の空気を粘性でま
き込むことによって荷重受圧面に圧縮空気を発生させ、
この圧縮空気の潤滑作用と動圧効果とによって軸受と軸
とを非接触状態として、軸受および軸のいづれか一方を
回転させる空気軸受、特に縦軸の軸回転の動圧溝付空気
軸受に関する。

〔従来の技術〕

（１）第５図および第６図はこの種の空気軸受の原理を
示すもので、文献：世界大百科事典８（平凡社）から引
用した図で、第５図は空気軸受の断面図、第６図は軸受
内の空気の流れを示す斜視断面図である。第６図におい
て軸１０２の一部（ジャーナルという）１０４を軸受１
０６の内面で支承するすべり軸受は、ジャーナル１０４
と軸受１０６との摩擦による抵抗や摩耗をへらすために
、適度の粘性をもつ潤滑油を接触面゛に与え、軸受１０
６が油膜を介してジャーナル１０４を支承するようにす
る。この除油のかわりに空気１０８の粘性を利用したも
のが空気軸受で、１９２２年アメリカのビッピンスによ
ってジャイロに用いられたのが始まりである。構造は第
５図に示すように、軸受１０６にあけられた複数個の空
気穴１）０を通してジャーナル１０４との接触面に適当
な圧力の空気（平軸受では、高速回転の場合、空気圧力
（ｋｇ　／　ｃｄ　）は軸荷重（ｋｇ　／　ｃｄ　）の
７〜１）倍くらい）を吹き出とす空気は軸の回転にとも
なって第６図に示すようにらせん状に流動して軸受のそ
とに流れ出るようになっている。空気穴１）０の大きさ
や位置は軸荷重による軸受圧力の分布に関連して決めら
れる。

前記に説明したものは、軸の中心線１）２に対して垂直
な軸荷重を支承するラジアル軸受であったが、中心［１
）２に平行した軸荷重を支承するスラスト軸受も、軸受
１０６の端面がら空気１０Ｂを、軸１０２の段付きつば
部との間に吹き出すことによって実現できる。前記に説
明したものは、横軸の場合であったが、これを縦軸にし
ても実現でき、さらに前記に説明したものは一般に多く
使用される、軸受固定で軸回転の組合わせのものであっ
たが、その逆の軸固定で軸受回転の組合わせのものも実
現できる。この方式の空気軸受は、コンプレッサ。

配管などの給気機構が必要で、静圧空気軸受と呼んでい
る。

（２）前記（１）静圧空気軸受では給気機構が必要であ
ったが、軸および軸受のいづれか一方に動圧溝と呼ぶら
せん状の溝を設けることによって、軸または軸受の回転
に伴って発生する空気流によって潤滑支承されるラジア
ル、スラスト空気軸受があり、これを動圧溝付空気軸受
と呼び、給気機構が不要で、軸受固定、軸固定の両方式
が実現できる。

前記ｉ１）．　＋２１のいづれの空気軸受においても、
潤滑材として空気を使用しているから、補給はいたると
ころで容易であって、また油と違って周囲をよごす心配
はなく、漏れることにあまり気をくばる必要もないから
、食品、薬品及び医療機器のように油を嫌う機械の軸受
に最適であり、しかも空気の粘性係数が潤滑油に比べて
１／１０００であることから、軸受摩擦も１／１０００
となり軽く回転させることができる０以上の利点に加え
て動圧溝付空気軸受では、自ら圧縮空気を発生できるこ
とから、前記（１）の静圧空気軸受では不可欠であった
コンプレッサ、配管などの給気機構が不要であるため、
装置全体の小形化を図ることができる。従って動圧溝付
空気軸受は、小形で高速回転が必要なジャイロ、磁気ド
ラムのロータあるいはレーザスキャナ用ポリゴンミラー
駆動モータなどの軸受として用いられている。

Ｃ発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら動圧溝付空気軸受に限らず、空気軸受は圧
縮性のある空気に支えられている構造をとっているため
回転時に振動を生じやすく、しかも空気は粘性が小さい
から、−度振動を生じると減衰を期待することができな
い、軸や軸受など回転部分の不つりあいによる振動は、
市販のつりあい試験機によって高精度に不つりあいを検
出し修正することによって、除くことが原理的に可能で
あるが、これに対して振れ回り不安定（以下ホワールと
記する）によｈ振動は、回転部分の不つりあいが原因で
起る振動と異なるため、つりあい試験機による検出、修
正によっても除くことができない０本発明はこのホワー
ルを抑制する空気軸受を提供することを目的としている
から、以下ではまずこのホワールについて一般に多く使
用される軸受固定で軸回転の組合わせの場合について説
明する。なお逆の軸固定で軸受回転の組合わせの場合←
おいても、考え方は同じであるからこの場合の説明を省
略する。

ホワールとは、回転中の軸の中心が軸受の中心に一致せ
ずに、回転軸が角速度ωで自転しながら偏心量ｅの半径
で、回転軸の回転方向と同方向に角速度Ωで軸受中心の
まわりを公転する現象である。この公転運動は、空気膜
が軸のまわりを旋回することによって生じ、このときの
空気膜の平均速度はほぼω／２であるから、ωと００間
にはω−２Ωの関係が成立している。特にΩが回転軸の
固有振動数ω１に一致する場合には、自動振動となりホ
ワールによる振動は急激に増大し、軸と軸受とが接触し
、焼き付（までにその振動振幅は大きくなる。

ホワールの発生条件やその安定条件などは諸々の数学的
な手法によって解明されており、その解析結果から、ラ
ジアル方向の荷重が小さいほどホワールが生じやすく、
特に縦置きの縦軸の場合は軸の自重によるラジアル荷重
がないため、回転数が零の状態から不安定になることが
明らかにされている。

従って、空気軸受を縦軸として使用する場合、おり、例
えば第７図の”断面図に示す遠心分離機に使用された静
圧空気軸受がある。これは第７図に示すように、ロータ
１）４が軸受１）６に縦軸に配設され、その接触面間に
圧縮空気が導入Ｘ硲ロータ１）４を潤滑支承する静圧空
気軸受として構成され、ラジアル軸受面の片側に給気管
１）８を介して、ノズル１２０，１２２からゲージ圧０
．７〜３．５　ｋｇ、ｆ　／−の圧縮空気をロータ１）
４に吹き付け、第７図においては左方より右方に向かう
ラジアル方向の荷重を与え、このラジアル荷重によって
ホワールの発生を抑制するものである。

しかしながら、このように空気を吹きつけて軸にラジア
ル方向荷重を与える方法をとるには、これのためにコン
プレッサ、配管などの給気機構が必要となるため、装置
全体を小形化することが構造的に不可能であるばかりで
なく、そのための設備費及び運転費がかかり経済的にも
問題がある。

本発明は、らせん状の動圧溝による動圧効果で発生する
圧縮空気を利用してラジアル方向荷重を発生させ、縦軸
の動圧溝付空気軸受に発生するホワールを、新たにコン
プレフサ、配管などの給気機構を設けることなく抑制す
る空気軸受を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の問題点を解決するために、本発明は、軸受の軸受
面および軸のジャーナルのいづれか一方のラジアル荷重
受圧面にらせん方向が互に逆の１対の溝からなるヤマバ
溝を設け、軸受の両端面に設けたテーパ状円すい穴と軸
の両端部に設けた円すい面との組合わせからなるスラス
ト荷重受圧面に、 （１）軸受ｈ（固定で軸が回転する組合わせの軸受形式
のときには、軸受の両端面のテーパ状円すい穴のスラス
ト荷重受圧面に軸中心線から偏心した中心線のうず巻線
溝のマガリバ溝を設ける、（２）軸が固定で軸受が回転
する組合わせの軸受形式のときには、軸の円すい面のス
ラスト荷重受圧面に軸中心線から偏心した中心線のうず
巻線溝のマガリバ溝を設ける、 前記＋１）の軸回転および（２）の軸受回転いづれか一
方の軸受形式の回転体の回転によって周囲の空気をその
粘性でまき込むことで発生する圧縮空気によってラジア
ル荷重受圧面とスラスト荷重受圧面とを潤滑して回転体
を支承させるものとする。

〔作用〕

本発明の動圧溝付空気軸受の作用を、第１図の一部断面
の斜視図で示す、軸受２の軸受面４に軸６のラジアル荷
重受圧面のジャーナル８が組合わされ、このジャーナル
８にらせん方向が互に逆の１対の溝からなるヤマバ溝１
０が設けられている。

軸受２の両端面には半頂角Ａのテーパ状円すい穴１２、
１２と、軸６の両端部に半頂角Ａの円すい台形の上部ス
ラスト板１４と下部スラスト板１６とが設けられ、この
両スラスト板１４．１６の円すい面１８．１８との組合
わせからなるスラスト荷重受圧面に、第１図に示したも
のは、軸受２が固定されて軸６が角速度ωで回転する組
合わせの軸受形式であるから、軸受２の両端面のテーパ
状円すい穴１２．１２のスラスト荷重受圧面に、軸中心
線２０から偏心量２２で偏心した中心線２４のうず巻線
溝のマガリバ溝２６を設ける。軸６を矢印のように角速
度ωで回転させると、軸６の回転によってヤマバ溝１０
とマガリバ溝２６とを動圧溝として周囲の空気をその粘
性でまき込んで発生する圧縮空気で、軸受２の軸受面４
と軸６のジャーナル８とのラジアル荷重受圧面をヤマバ
溝１０で発生する圧縮空気で、円すい穴１２と円すい面
１８とのスラスト荷重受圧面をマガリバ溝２６で発生す
る圧縮空気で潤滑して軸６を軸受２に非接触に支承させ
る動圧溝付空気軸受としたものである。

第２図は、前記のホワールを抑制する原理を示す図で、
ｉａｌは軸受２を断面で示した上部スラスト板１４と軸
６との側面図で耐は（ａ）を上方から見た平面図である
。軸受２の円すい穴１２に、軸６の中心線２０から偏心
量２２で偏心した中心１）２４のうず巻線溝のマガリバ
溝２６が設けられ、軸６と一体となって上部スラスト板
１４が角速度ωで矢印方向に回転すると、マガリバ溝２
６を動圧溝として周囲の空気をその粘性でまき込んで発
生する圧縮空気でスラスト荷重受圧面に軸６の中心線２
０に対して左右非対称の空気圧力分布２８．３０を生じ
、空気圧力分布２８、３０の積分値から求まる左右の力
ベクトルＦＬ及びＦａの合力Ｆの水平成分３２が発生し
、図示を省略した（ａ）の下部のスラスト荷重受圧面に
も同様に同方向の水平成分３２が発生し、これらの水平
成分３２が軸６を左方に移動させる、前記第１図のラジ
アル荷重３４として作用するため、前記に説明したよう
にこのラジアル荷重３４によって不安定が解消されてホ
ワールが抑制される。

前記の説明では、軸受２が固定されて軸６が回転する、
通常量も一般的に使用される軸受形式で、ホワールの発
生しやすい縦軸配置の動圧溝付空気軸受についてその作
用を説明したが、図示を省略した横軸配置の動圧溝付空
気軸受についても、軸６の自重によるラジアル荷重が加
算される点を除き前記と同様に作用する。

さらに、図示を省略した軸６が固定で軸受２が回転する
組合わせの軸受形式のときには、マガリバ溝２６の設置
場所を変更して、第１図を参考図として固定側の上部ス
ラスト板１４と下部スラスト板１６との円すい面１８．
１８のスラスト荷重受圧面に、軸中心線２０から偏心量
２２で偏心した中心線２４でマガリバ溝２６設ける。固
定した軸６に対して軸受２が回転すると周囲の空気をそ
の粘性でまき込むことで軸６に設けたヤマバ溝１０と円
すい面１８．１８に設けたマガリバ溝２６．２６との動
圧溝で発生する圧縮空気によってラジアル荷重受正面と
スラスト荷重受圧面とを潤滑して軸受２を支承し、しか
もホワールの発生を抑制する作用がある。前記は縦軸配
置の動圧溝付空気軸受についてその作用を説明したが、
図示を省略した横軸配置の動圧溝付空気軸受についても
、軸受２の自重によるラジアル荷重が加算される点を除
き前記と同様に作用する。

〔実施例〕

第３図は本発明の第１の実施例を示す斜視断面図で、前
記の第１図及び第２図で説明した構成と作用によるもの
である。第３図は軸受２がフレーム４０中に固定され、
軸６が回転する軸受形式になっており、軸６の中央部が
モータの回転子３６となり、軸受２にモータの固定子３
８が埋設されている。

軸６の上端部には六角柱状のポリゴンミラーなどの被駆
動体４２が固定されている。その他の構成及び作用は、
前記の〔作用〕の項で説明したのと同じであるのでここ
では省略する。固定子３８が通電されると回転子３６が
駆動され、これと一体になって軸６．ジャーナル８．上
部スラスト板１４．下部スラスト板１６が矢印方向に角
速度ωで回転され、ヤマバ溝ｌＯとマガリバ溝２６とを
動圧溝として周囲の空気をその粘性でまき込んで発生す
る圧縮空気で、軸受２の軸受面４と軸６のジャーナル８
とのラジアル荷重受圧面をヤマバ溝１０で発生する圧縮
空気で、円すい穴１２と円すい面１８とのスラスト荷重
受圧面をマガリバ溝２６で発生する圧縮空気で潤滑して
軸６を軸受２に非接触に支承させる動圧溝付空気軸受と
したものである。マガリバ溝２６が軸６の中心線２０か
ら偏心して設けられているため、スラスト荷重受正面に
軸６の中心線２０に対して左右非対象の空気圧力分布を
生じ、これによって水平成分が発生してラジアル荷重と
して一方向に作ル 用するためホワールが抑制された縦軸配置の動寿溝付空
気軸受が得られる。また図示を省略した横軸配置、ある
いは軸６固定で軸受２が回転する組合わせの軸受形式の
縦軸配置または横軸配置の動圧溝付空気軸受が得られる
。

第４図は本発明の第２の実施例を示す斜視断面図で、ス
ラスト荷重受圧面にラジアル軸受とスラスト軸受の両方
の機能を持たせるために、円すい穴１２と円すい面１８
の半頂角Ａを４５度にしたものであり、第３図に示した
第１の実施例で軸６のジャーナル８に設けられたヤマバ
溝１０が省略できる。

この第２の実施例においても、破線で示したマガリバ溝
２６は軸６の中心線２０に対して偏心して設けられ、こ
れによってホワールが抑制された縦軸配置の動圧溝付空
気軸受が得られる。また図示を省略した横軸配置、ある
いは、軸６固定で軸受２が回転する組合わせの軸受形式
の縦軸配置または横軸配置の動圧溝付空気軸受が得られ
る。

本発明のヤマバ溝およびマガリバ溝を設ける製造方法は
、下記の種々の加工法を用いて実施することができる。

＋１）ヤマバ溝がヤマバ歯車に、マガリバ溝がマガリバ
カサ歯車（ただし前記したようにうず巻線溝の中心は偏
心している）に、形状が似ているから、これらの歯車の
歯切法すなわちホブなどによる切削加工ののち、必要に
よって研削仕上げする。

（２）溝の深さは歯車はど深くはないから、押し付は加
工などの剛性加工、あるいは放電加工などによって加工
する。

（３）エツチングによって溝加工する。

などの加工法を適宜選択して実施する。

（３）のエツチングによった溝加工は、専用のバタン焼
付用のマスクを用意すれば、あとは従来技術を適用すれ
ば可能であり、そのようなマスクの製作も比較的簡単で
ある。軸受２の軸受面４にヤマバ溝を加工することは比
較的困難であるから、これに換えて、軸６が回転、軸受
２が回転のいづれの軸受形式の場合でも、加工の容易な
軸６にヤマバ溝ｌＯを設けることでラジアル荷重を支承
することができる。これに反して、スラスト荷重側のマ
ガリバ溝２６は、必ずその固定側、すなわち軸６が回転
の場合には軸受２の円すい穴１２に、軸受２が回転の場
合には軸６の円すい面１６に、マガリバ溝２６を設ける
。

第１図の実施例においては、ヤマバ溝１０によってラジ
アル荷重を支承しているから、第３図に示す円すい半頂
角Ａはそれほど小さくとる必要がなく、Ａ−９０°から
だんだん小さい角度をとってＡ−８０°程度から本発明
の効果が得られるため、設計資料が公開されている平面
形（Ａ＝９０”）のデータが、はとんどそのまま利用で
きるという利点もある。

本発明によれば、前記の構成の動圧溝付空気軸受におい
て、軸６および軸受２のいづれか一方の回転体の回転に
伴いヤマバ溝ｌＯおよびマガリバ溝２６とを動圧溝とし
て周囲の空気をその粘性でまき込んで発生する圧縮空気
で、第１の実施例では、ヤマバ溝１０で発生する圧縮空
気でラジアル荷重を支承し、マガリバ溝２６で発生する
圧縮空気でスラスト荷重を支承するとともにホワール抑
制のラジアル荷重を発生させ、第２の実施例では、マガ
リバ溝２６で発生する圧縮空気でラジアル荷重とスラス
ト荷重の両者を支承するとともにホワール抑制のラジア
ル、荷重を発生させることができ、特別な空電の給気機
構が不要となる。

〔発明の効果〕

本発明は、空気の給気機構が不要な動圧溝付空気軸受に
おいて、とくにこれを縦置きの縦軸として使用される際
に発生するホワールを特別な給気機構を付加することな
く抑−できる動圧溝付空気軸受を提供することができる
。すなわち、＋ａｌ軸および伽）軸受のいづれか一方の
回転体のスラスト荷重受圧面の相手方の固定側のスラス
ト荷重受正面に、回転”体の中心線から偏心した中心線
のうず巻線溝のマガリバ溝を設け、回転体の回転に伴っ
てこのマガリバ溝に発生する圧縮空気でスラスト荷重を
支承するとともに、マガリバ溝が偏心しているために生
じる空気圧力分布の不平衡によって発生するラジアル荷
重方向の分力（ラジアル荷重）によってホワールを抑制
する、空気の給気機構が不要な動圧溝付空気軸受を提供
することができる。

空気の給気機構が不要のため、軸受装置を小形化するこ
とができ、製作も比較的容易であり、経済的にも問題が
なく、小形で超高速回転の特に縦軸で軸回転の軸受とし
て最適の動圧溝付空気軸受を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動圧溝付空気軸受の作用を示す一部断
面の斜視図、第２図はホワールを抑制する原理を示す図
で（ａｌは軸受２を断面で示した上部スラスト板１４と
軸６との側面図で山）は（ａｌを上方から見た平面図、
第３図は本発明の第１の実施例を示す斜視断面図、第４
図は本発明の第２の実施例を示す斜視断面図、第５図お
よび第６図はこの種の空気軸受の原理を示すもので文献
：世界大百科事典８（平凡社）から引用した図で、第５
図は空気軸受の断面図、第６図は軸受内の空気の流れを
示す斜視断面図、第７図は遠心分離機に使用されたホワ
ールを抑制する対策を示した静圧空気軸受の断面図であ
る。 ２：軸受、４：軸受面、６：軸、８：ジャーナル、１０
：ヤマバ溝、１２：円すい穴、１８：円すい面、２６：
マガリバ溝、３４ニラシモ ４０：フレーム、１０２：軸、１０４：ジャーナル、１
０６．１）６　　ｊ軸受、１）０：空気穴、１）４：ロ
ータ。 第１図 第２図 第５Ｅ 律６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）軸受の軸受面および軸のジャーナルのいづれか一方
   のラジアル荷重受圧面にらせん方向が互に逆の１対の溝
   からなるヤマバ溝を設け、軸受の両端面に設けたテーパ
   状円すい穴と軸の両端部に設けた円すい面との組合わせ
   からなるスラスト荷重受圧面に、 （１）軸受が固定で軸が回転する組合わせの軸受形式の
   ときには、軸受の両端面のテーパ状円すい穴のスラスト
   荷重受圧面に軸中心線から偏心した中心線のうず巻線溝
   のマガリバ溝を設ける、（２）軸が固定で軸受が回転す
   る組合わせの軸受形式のときには、軸の円すい面のスラ
   スト荷重受圧面に軸中心線から偏心した中心線のうず巻
   線溝のマガリバ溝を設ける、 前記（１）の軸回転および（２）の軸受回転のいづれか
   一方の軸受形式の回転体の回転によって周囲の空気をそ
   の粘性でまき込むことで発生する圧縮空気によってラジ
   アル荷重受圧面とスラスト荷重受圧面とを潤滑して回転
   体を支承させることを特徴とする動圧溝付空気軸受。