JPH03204411A - 非対称溝付動圧空気軸受 - 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】

この発明は、軸の表面に形成されたやまば状の溝により
、軸と軸受との間に周囲の空気を巻き込んで気体潤滑を
行う動圧空気軸受に関する。

【従来の技術】

（１）第１０図及び第１１図はこの種の空気軸受の原理
を示すもので文献二世界大百科事典８（平凡社）から引
用した図で、第１０図は空気軸受の構造を示す断面図、
第１１図は軸受内の空気の流れを示す断面斜視図である
。第１１図において軸１゜２の一部（ジャーナルという
）１０４を軸受の内面１０６で支承するすべり軸受は、
ジャーナル１０４と軸受ジャーナル面１０６との摩擦に
よる抵抗や摩耗を減らすために、適度の粘性をもつ潤滑
油を接触面に与え、軸受ジャーナル面１０６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
の代わりに空気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１０図に示す
ように、軸受ジャーナル面１０６にあけられた複数筒の
空気穴１１０を通してジャーナル１０４との接触面に適
当な圧力の空気を吹き出すと、空気は軸の回転にともな
って第１１図に示すようにらせん状に流動して軸受の外
に流れ出るようになっている。空気穴１１０の大きさや
位置は軸荷重による軸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１１２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、中心線１
１２に並行した軸荷重を支承するスラスト軸受も、軸受
ジャーナル面１０６の端面から空気１０８を、軸１０２
の段付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、さらに前記で説明したものは
一般に多く使用される軸受固定で軸回転の組み合わせの
ものであったが、この逆の軸固定で軸受回転の組合せの
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ばれ
ている。 （２）前記（１）静圧空気軸受では給気機構が必要であ
ったが、軸及び軸受のいず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
及びスラスト軸受があり、これを動圧溝付空気軸受と呼
び、給気機構が不要で、軸固定、軸受固定の両方式が実
現できる。 前記（１）、　（２）のいず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、油の潤滑材とは
ことなって周囲をよごす心配はなく、漏れることにあま
り気を配る必要もないから、食品、医薬品及び医療機器
のように油を嫌う機械の軸受に最適であり、しかも空気
の粘性係数が油に比べて１／１０００であることから、
摩擦係数も１／１０００となり軽く回転させることがで
きる。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、装置全体の小型化を図ることが
できる。したがって動圧軸受では、小型で高速回転が可
能なジャイロ、磁気ドラムのロータあるいはレーザスキ
ャナ用モータなどの軸受として用いられている。 第１４図は動圧溝付空気軸受の原理を示す断面斜視図で
ある。第１４図において、２０２は軸、２０３は軸受ジ
ャーナル面、３０２は中心線、３０３はやまば状溝、３
０４は空気の流れ、３０５は軸受、３０６は回転方向で
ある。動圧空気軸受では、軸２０２と軸受３０５との間
に回転方向３０６の相対回転が与えられると互いに向き
合ったやまば状溝３０３の間に圧縮空気をため込むこと
を原理としている。このときやまば状溝３０３が充分長
い軸の中央に設けであるとすると、外気から軸方向へ図
に示すように流入する空気の円周にわたる流量の分布は
ほぼ均一であると考えることができる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら動圧軸受に限らず、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一度
振動を生じると減衰を期待することができない。軸や軸
受など回転体の不釣合いによる振動は、市販の釣合試験
機によって高精度に不釣合いを検出し修正することによ
って、取り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）による振動
は、回転体の不釣合いが原因で起こる振動と異なるため
、釣合試験機による検出、修正によっても取り除くこと
ができない。以下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におい
ても、考え方は同じであるからこの場合については説明
を省く。 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、空気膜が軸の周
りを旋回することによって生し、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Ωとの間には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ω、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
くまでその振動の振幅は大きくなる。 ホワール発生条件やその安定条件などは種々の数学的な
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＠ｉ置きの場合は軸の自重、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。 したがって、このようなラジアル荷重を利用してホワー
ルを抑制する方法がこれまでいくつが提案されており、
その−例として第１２図のような遠心分離機の静圧軸受
への応用した例を示す。第１２図において、１０６は軸
のジャーナル面、１１６は軸受、１１８は給気管、１２
０は給気穴である。この方法は同図に示すように軸受面
の片側に給気管１１８を通し、給気穴１２０からゲージ
圧０．７〜３．５ｋｇ／ｃ＋ｆの気体をロータに吹きつ
けてラジアル荷重を付加させるものである。 第１３図はホワールの抑止効果を示したもので、何もし
ない場合の曲線Ａは２０００Ｏｒｐｍで運転が不安定で
あるが、横から空気を吹きつけた場合の曲線Ｂは７５０
００　ｒｐｍでも安定に回転する。 しかしながら、このように気体を吹き付けてラジアル荷
重を与える方法をとるにはコンプレッサーにより気体を
供給する必要がある。したがってコンプレッサー及び供
給気体の導入機構が必要となるため、装置全体を小型化
することが構造的に不可能であるばかりでなく、そのた
めの設備費用及び運用費用がかかるから経済的にも問題
がある。 この発明は、空気の供給機構を用いずにラジアル荷重を
発生させ、ホワールを抑制するようにした動圧空気軸受
を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、請求項１の発明によれば、溝付動圧空気軸
受において、軸の円周上に断面形状を左右非対称とした
やまば状溝を設け、軸の回転に伴ってラジアル荷重を発
生するようにしたことによって達成される。 上記目的は、請求項２の発明によれば、溝付動圧空気軸
受において、軸の円周上に溝の長さを左右非対称に分布
させたやまば状溝を設け、軸の回転に伴ってラジアル荷
重を発生するようにしたことによって達成される。

【作　用】

この発明は、請求項１によれば、軸の円周上に断面形状
を左右非対称としたやまば状溝を設けたので、軸と軸受
により閉じ込める空気の体積は、軸の中心に関して非対
称となり、一方気体にはＰ■”＝一定の法則があるため
、閉じ込めた体積の大きな方が発生する圧力が小さいの
で、圧力の分布は不均一となり軸は一方向にラジアル荷
重の合力を発生し、結果としてホワールを抑制する。 この発明は、請求項２によれば、軸の円周上に溝の長さ
を左右非対称に分布させたやまば状溝を設けたので、軸
と軸受により閉じ込める空気の体積は、軸の中心に関し
て非対称となり、一方気体にはｐｖＩ′Ｉ−一定の法則
があるため、閉じ込めた体積の大きな方が発生する圧力
が小さいので、圧力の分布は不均一となり軸は一方向に
ラジアル荷重の合力を発生し、結果としてホワールを抑
制する。

【実施例】

以下図面に基づいてこの発明の詳細な説明する。第１図
はこの発明の請求項１の実施例による非対称溝付動圧空
気軸受の原理を説明する説明図である。第１図において
２００は軸の中心、２０１ば溝底の包絡円の中心、２０
２は軸、２０３は軸受ジャーナル面、２０４は溝底、２
０５は圧力分布、２０６は軸が受ける力である。軸２０
２には左右非対称のやまば状溝５０８を設けたので、軸
と軸受により閉じ込める空気の体積が異なり、閉じ込め
た体積の大きな方が発生する圧力が小さい。したがって
第１図のような場合、軸２０２を固定し軸受を回転させ
ると、圧力の分布は第１図に示すように不均一な分布と
なり結果として矢印で示す方向にラジアル荷重の合力が
発生する。 第２図はこの発明をポリゴンミラー駆動用モータに実施
した例を示すものである。この例では、軸２０２はモー
タケース５０６に取り付けられているから回転しない。 回転部は、スリーブ５０３でありこれを駆動するためス
リーブには回転子５０４．モータケース５０６には固定
子５０９がそれぞれ設けられている。ポリゴンミラー５
０１は、ナツト５００によりテーパ部５０２に組付けら
れている。 ５０７はスリーブのっぽ部、３０３はやまば状溝、５０
９は固定子、２０３はスリーブのジャーナル面、５１１
はスリーブのっぽ部端面、５１２はらせん状溝、５１３
は軸のっぽ部、５１４は給気穴である。 この実施例では、スリーブのつば部の端面５１１には第
３図に示すようにらせん状溝が、また軸の表面には第２
図かられかるようにやまば状溝３０３が設けられている
ため、スリーブ５０３の回転に伴いスリーブのっぽ部端
面５１１およびスリーブのジャーナル面５１０はそれぞ
れ非接触状態となる。このとき、空気は給気穴５１４に
より供給される。しかし、このポリゴンミラ駆動用モー
タは、通常縦置きで用いられるため、横置きの場合に比
べてホワールに対して不利となる。このため、軸のラジ
アル面上に設けるやまば状溝３０３に関し第１図のよう
に非対称溝を採用する。 第４図は、請求項１の発明の他の実施例を示す軸２０２
の断面図で、やまば状溝３０３の深さは同一で、溝幅の
ピッチ６０１に関し非対称としている。 第５図は、請求項１の発明の他の実施例を示すもので、
加工上の簡便さから溝３０３の深さについて右半分と左
半分とで差を設けている。第６図は第５図のやまば状溝
の加工順序を示す図で、第６図（Ａ）は軸２０２にレジ
スト７００を施し、次に第６図（Ｂ）のごとく全体をエ
ツチングした後、第６図（Ｃ）のごとく片側を全面マス
クし、さらに残りの片側にエツチングを施すことにより
非対称のやまば状溝を刻む。 以上いずれの例についても、第１図の軸２０２と軸受ジ
ャーナル面２０３とで囲まれた領域を左右非対称にすれ
ば良いとの考えに基づいており、この他の例として、溝
深さの非対称と溝ピッチの非対称との組み合わせたもの
も容易に考えることができる。 溝幅に関し非対称である溝を軸表面に設けることは、専
用のエツチング用マスクを用意すれば可能であり、その
ようなマスクの製作も簡単である。 また、溝深さに関し非対称とする場合は、第５図の例で
のべたようにエツチング時間を左右で違えれば、簡単に
加工できる。 第７図はこの発明の請求項２の実施例による非対称溝付
動圧空気軸受の原理を説明する説明図である。第７図に
おいて、２０２は軸、２０５は圧力分布、２０６は軸が
受ける力、３０３はやまば状溝、３０５は軸受、３０７
は溝の端包絡線、３０８は軸受の回転方向である。軸２
０２には軸の円周上に設けた複数本のやまば状溝３０３
の長さを軸２０２の円周上にわたり左右非対称として分
布させたので、溝の端包絡線３０７は図のごとく左右非
対称となり、軸２０２と軸受３０５により閉じ込める空
気の体積が異なり、閉じ込めた体積の大きい方の発生す
る圧力が小さいので、第７図のような場合、軸２０２を
固定し軸受３０５を回転させると、圧力の分布は第７図
に示すように不均一な分布となり、結果として矢印２０
６で示す方向にラジアル荷重の合力が発生する。 第８図は、第７図の発明をポリゴンミラー駆動用モータ
に実施した例を示す断面図、第９図は第８図のスリーブ
のっぽ部端面を下から見た図である。第８図の例では、
軸２０２はモータケース５０６に取り付けられているか
ら回転しない。回転部は、スリーブ５０３でありこれを
駆動するためスリーブ５０３には回転子５０４．モータ
ケース５０６には固定子５０９がそれぞれ設けられてい
る。ポリゴンミラー５０１は、ナツト５００によりテー
パ部５０２に組付けられている。２０３はスリーブのジ
ャーナル面、３０３はやまば状溝、５０７はスリーブの
つば部、５０９は固定子、５１１はスリーブのつば部端
面、５１２はらせん状溝、５１３は軸のつば部、５１４
は給気穴である。 第８図の実施例では、スリーブのっぽ部の端面５１１に
は、第９図に示すようにらせん状溝５１２が設けられ、
また軸の表面には第８図かられかるようにやまば状溝３
０３が設けられているため、スリーブ５０３の回転に伴
いスリーブのっぽ部端面５１１及びスリーブのジャーナ
ル面５１０はそれぞれ非接触状態となる。このとき、空
気は給気穴５１４により供給されるため、横置きの場合
に比べてホワールに対して不利となる。このため軸のラ
ジアル面上に設けるやまば状溝３０３に関し、第７図の
ように非対称溝を採用する。溝の長さに関し非対称であ
る溝を軸表面に設けることは、専用のエツチング用マス
クを用意すれば可能であり、そのようなマスクの製作も
可能である。

【発明の効果】

請求項１記戦の発明によれば、軸の円周上に断面形状を
左右非対称としたやまば状溝を設けたので、軸と軸受に
より閉じ込める空気の体積は、軸の中心に関して非対称
となり、特に他の機構を設けなくてもモータの回転によ
り自動的にラジアル荷重が発生し、ホワールを抑制でき
る。その結果として、ホワール対策をとらない従来の軸
受に比べて高い回転数でも回転可能な動圧溝付き空気軸
受を供給できる。 請求項２記載の発明によれば、軸の円周上に溝の長さを
左右非対称に分布させたやまば状溝を設けたので、軸と
軸受により閉じ込める空気の体積は、軸の中心に関して
非対称となり、特に他の機構を設けなくともモータの回
転により自動的にラジアル荷重が発生し、ホワールを抑
制できる。その結果として、ホワール対策をとらない従
来の軸受に比べて高い回転数でも回転可能な動圧溝付空
気軸受を供給できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例による非対称溝付動圧空気軸
受の原理を説明する説明図、第２図はこの発明の実施例
による非対称溝付動圧空気軸受をポリゴンミラーに適用
した場合の断面図、第３図は第２図のスリーブのっぽ部
端面を下から見た図、第４図はこの発明の他の実施例に
よる非対称溝付動圧空気軸受に用いる軸の断面図、第５
図はこの発明の他の実施例による非対称溝付動圧空気軸
受に用いる軸の断面図、第６図は第５図の非対称溝付動
圧空気軸受に用いる軸の加工順序を示す図、第７図はこ
の発明の他の実施例による非対称溝付動圧空気軸受の原
理を説明する説明図、第８図は第７図の原理による非対
称溝付動圧空気軸受をポリゴンミラーに適用した場合の
断面図、第９図は第８図のスリーブのっぽ部の端面を下
から見た図、第１０図は空気軸受の構造を示す断面図、
第１１図は空気軸受における空気の流れを示す斜視断面
図、第１２図は従来のホワールの抑止法を示す断面図、
第１３図は第１２図のホワールの抑止効果を示す図、第
１４図は動圧溝付空気軸受の原理を示す斜視断面図であ
る。 １０２　、２０２　：軸、１０６　、２０３　：軸受ジ
ャーナル面、１１６　、３０５　　：軸受、１２０　、
５１４　：給気穴、２０４：溝底、２０６：軸が受ける
力、３０３：やまば状溝、３０７：溝の端包絡線、５０
３ニスリーブ、５１２：らせん状溝、６０１：溝幅のピ
ッチ、７００ニレジスト、７０１　、７０２　　：溝底
の曲線。 傾」理士駒田喜英ｌ ５００ （ 箪 図 第 図 ６０１　＋Ａ？山のＬ゛・士 ／ 第 図 第 ８ 図。 箪 図 箪 １ 図 凹転恢（×１ぴ１９ｍ） 箪 ３ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）軸あるいは軸受表面にやまば状の溝を設け、軸ある
   いは軸受の回転により周囲の空気を粘性で軸と軸受面間
   のすきまにひきずり込むことによって生じる軸と軸受面
   間の動圧効果により軸あるいは軸受を浮上させる溝付動
   圧空気軸受において、前記軸の円周上に断面形状を左右
   非対称としたやまば状溝を設け、前記軸の回転に伴って
   ラジアル荷重を発生するようにしたことを特徴とする非
   対称溝付動圧空気軸受。 ２）軸あるいは軸受表面にやまば状の溝を設け、軸ある
   いは軸受の回転により周囲の空気を粘性で軸と軸受面間
   のすきまにひきずり込むことによって生じる軸と軸受面
   間の動圧効果により軸あるいは軸受を浮上させる溝付動
   圧空気軸受において、前記軸の円周上に溝の長さを左右
   非対称に分布させたやまば状溝を設け、前記軸の回転に
   伴ってラジアル荷重を発生するようにしたことを特徴と
   する非対称溝付動圧空気軸受。