(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド動圧ラジアル気体軸受であって、外側スリーブ(1)と、内側スリーブ(２)と、前記外側スリーブ(１)と前記内側スリーブ(２)との間に配置されたフォイル弾性部材(３)とを備え、
前記内側スリーブ(２)の外側円周面と両端面の夫々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(２２)はもう一方の端面に施された溝パターン(２３)とミラー対称となっており、
前記外側円周面に施された溝パターン(２１)の軸方向輪郭線は前記両端面に施された溝パターン(２２，２３)の半径方向輪郭線と一対一で対応し且つ交差し、
前記外側円周面に施された溝パターン(２１)の軸方向高位線(２１１)は、前記両端面に施された溝パターン(２２，２３)の半径方向高位線(２２１，２３１)と互いに対応し且つ当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、
前記外側円周面に施された溝パターン(２１)の軸方向中位線(２１２)は前記両端面に施された溝パターン(２２，２３)の半径方向中位線(２２２，２３２)と互いに対応し且つ前記面取り部を介して連結し、
前記外側円周面に施された溝パターン(２１)の軸方向低位線(２１３)は前記両端面に施された溝パターン(２２，２３)の半径方向低位線(２２３、２３３)と互いに対応し且つ前記面取り部を介して連結し、
前記軸方向高位線(２１１)は、当該軸方向高位線(２１１)、前記軸方向中位線(２１２)および前記軸方向低位線(２１３)の３種の軸方向線のうち前記内側スリーブ(２)の半径方向の高さが最も高く、
前記軸方向低位線(２１３)は、前記３種の軸方向線のうち前記内側スリーブ(２)の半径方向の高さが最も低く、
前記軸方向中位線(２１２)は、前記内側スリーブ(２)の半径方向の高さが、前記軸方向高位線(２１１)よりも低く且つ前記軸方向低位線(２１３)よりも高く、
前記半径方向高位線(２２１、２３１)は、当該半径方向高位線(２２１、 ２３１)、前記半径方向中位線(２２２、２３２)および前記半径方向低位線(２２３、２３３)の３種の半径方向線のうち、前記内側スリーブ(２)の軸方向の高さが最も高く、
前記半径方向低位線(２２３、２３３)は、前記３種の半径方向線のうち前記内側スリーブ(２)の軸方向の高さが最も低く、
前記半径方向中位線(２２２、２３２)は、前記内側スリーブ(2)の軸方向の高さが、前記半径方向高位線(２２１、２３１)よりも低く且つ前記半径方向低位線(２２３、２３３)よりも高い
ことを特徴とするハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項２】
前記フォイル弾性部材の前記内側スリーブの外側円周面と合わせる表面には、耐摩耗性被膜が設けられている請求項１に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項３】
前記フォイル弾性部材と前記内側スリーブとの間に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ラジアル気体軸受。
【請求項４】
前記フォイル弾性部材の両端が前記外側スリーブの内側円周面に固設されている  請求項１または２に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項５】
前記フォイル弾性部材の数は複数であり、当該複数のフォイル弾性部材は前記外側スリーブの内側円周面に沿って均一に分布されている請求項１または４に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項６】
前記外側スリーブの内側円周面には前記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請求項１または４に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項７】
前記フォイル弾性部材は表面熱処理された部材である請求項１に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項８】
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そのトップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が前記外側スリーブの内側円周面に当接している請求項１または７に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項９】
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外側スリーブの内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部がそのトップフォイルに当接している請求項１または７に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項１０】
前記フォイル弾性部材は二つのトップフォイルからなり、当該二つのトップフォイルの内、前記外側スリーブの内側円周面に隣接する一方のトップフォイルには貫通孔が設けられている請求項１または７に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項１１】
前記外側スリーブの両端に止め輪が設けられている請求項１に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【請求項１２】
前記外側スリーブの外側円周面に貫通孔と窪み部が設けられ、当該貫通孔は前記窪み部の中にそれと同軸に形成されている請求項１１に記載のハイブリッド動圧ラジアル気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動圧ラジアル気体軸受、特に溝付き動圧ラジアル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ラジアル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ラジアル気体軸受に関し、気体軸受分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
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。
荷重を支える方向によって、動圧気体軸受は更に動圧ラジアル気体軸受、動圧スラスト気体軸受、動圧ラジアル・スラスト複合気体軸受と分けられる。動圧ラジアル気体軸受は、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の働きによって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ラジアル気体軸受は多少異なる方式で作動する。従来様々な動圧ラジアル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。
【０００３】
ティルティングパッド動圧ラジアル気体軸受は、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ラジアル軸受より厳しいため、応用が限定されている。
フォイル動圧ラジアル気体軸受は、弾性を持つので一定な荷重能力と衝撃・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、剛性に欠けて許容回転速度が低く、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。
溝付き動圧ラジアル気体軸受は、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。
溝付き動圧ラジアル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ラジアル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ラジアル気体軸受は、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、動圧ラジアル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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、溝付き動圧ラジアル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ラジアル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ラジアル気体軸受を提供し、動圧ラジアル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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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： 
外側スリーブと、内側スリーブと、前記外側スリーブと前記内側スリーブとの間に配置されたフォイル弾性部材とを備えたハイブリッド動圧ラジアル気体軸受において、前記内側スリーブの外側円周面と両端面の夫々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は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おり、前記外側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る。
【０００６】
一つの実施態様において、前記外側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互いに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夫々交差し続け、前記外側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互いに対応し且つ前記面取り部の前に夫々交差し続け、前記外側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互いに対応し且つ前記面取り部の前に夫々交差し続ける。
【０００７】
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の前記内側スリーブの外側円周面と合わせる表面には、耐摩耗性被膜が設けられている。
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と前記内側スリーブとの間に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両端が前記外側スリーブの内側円周面に固設されている。
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数は複数であり、当該複数のフォイル弾性部材は前記外側スリーブの内側円周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、前記外側スリーブの内側円周面には前記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そのトップフォイルに当接し、各アーチ形部同士の接続部が前記外側スリーブの内側円周面に当接している。
もう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外側スリーブの内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部がそのトップフォイルに当接している。
もう一つの実施態様において、前記フォイル弾性部材は二つのトップフォイルからなり、当該二つのトップフォイルの内、前記外側スリーブの内側円周面に隣接する一方のトップフォイルには貫通孔が設けられている。
【０００８】
一つの好ましい実施態様において、前記外側スリーブの両端に止め輪が設けられている。
一つの好ましい実施態様において、前記外側スリーブの外側円周面に貫通孔と窪み部が設けられ、当該貫通孔は前記窪み部の中にそれと同軸に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
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、外側スリーブと内側スリーブとの間にフォイル弾性部材を配置し、内側スリーブの外側円周面と両端面の夫々に規則形状を有する溝パターンを施し、外側円周面に施された溝パターンの軸方向輪郭線を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させ且つ交差し続けさせ、一方の端面に施された溝パターンは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、溝付き動圧ラジアル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ラジアル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ラジアル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ラジアル気体軸受は、同じ回転速度で従来の単なる溝付き動圧ラジアル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ラジアル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、従来動圧ラジアル気体軸受の荷重能力が１〜３ｋｇ、最大許容回転速度が１００,０００ｒｐｍ〜１８０,０００ｒｐｍであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は３〜５ｋｇの荷重下での許容回転速度が１６０,０００ｒｐｍ〜４８０,０００ｒｐｍにも達している。なので、本発明による動圧ラジアル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ラジアル気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一部が切り取られた本発明の実施例１によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受を左から見た時の透視概略図
【図２】図１に示す部分Ａの拡大図
【図３】一部が切り取られた本発明の実施例１によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受を右から見た時の透視概略図
【図４】図３に示す部分Ｂの拡大図
【図５】本発明の実施例１によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受の概略断面図
【図６】図５に示す部分Ｃの拡大図
【図７】図６に示す部分Ｄの拡大図
【図８】本発明の実施例２によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受の概略断面図
【図９】図８に示すバンプフォイルの概略図
【図１０】本発明の実施例３によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受の概略断面図
【図１１】図１０に示す貫通孔を設けたトップフォイルの概略図
【図１２】本発明の実施例４によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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と図３に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は、外側スリーブ１と内側スリーブ２を備え、内側スリーブ２の外側円周面と左右両端面の夫々に規則形状を有する溝パターン（図１に２１、２２、２３で示す。本実施例において、これらの溝パターンは全てインペラー形状を有する）が施され、左端面に施された溝パターン２２と右端面に施された溝パターン２３とは互いにミラー対称となっている。
【００１２】
図１ないし図４に示すように、内側スリーブ２の外側円周面に施された溝パターン２１の軸方向輪郭線は左右両端面に施された溝パターン（２２、２３）の半径方向輪郭線と一対一対応し且つ交差し続ける。つまり、該外側円周面に施された溝パターン２１の軸方向高位線２１１は左右両端面に施された溝パターン（２２、２３）の半径方向高位線（２２１、２３１）と互いに対応し且つ当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、外側円周面に施された溝パターン２１の軸方向中位線２１２は左右両端面に施された溝パターン（２２、２３）の半径方向中位線（２２２、２３２）と互いに対応し且つ前記面取り部の前に交差し続け、外側円周面に施された溝パターン２１の軸方向低位線２１３は左右両端面に施された溝パターン（２２、２３）の半径方向低位線（２２３、２３３）と互いに対応し且つ前記面取り部の前に交差し続ける。
【００１３】
左端面に施された溝パターン２２と右端面に施された溝パターン２３が互いにミラー対称となるようにし、そして外側円周面に施された溝パターン２１の軸方向輪郭線が左右両端面に施された溝パターン（２２、２３）の半径方向輪郭線と一対一対応し且つ交差し続けさせることで、両端面に施されたインペラー形状を有する溝パターン（２２、２３）に生ずる加圧気体を軸の中心から半径方向に沿って外側円周面に施された溝パターン２１の溝に送り続けさせ、動圧ラジアル気体軸受の潤滑剤として軸の高速運転を支えるもっと強い支持力を提供てきる気体膜を形成させることが保証できる。こうして、本発明によるハイブリッド動圧ラジアル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。
【００１４】
図５に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は更に外側スリーブ１と内側スリーブ２の間に配置されたフォイル弾性部材３を備える。こうすると、内側スリーブ２が回転する時、フォイル弾性部材３と内側スリーブ２の外側円周面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半径方向の動圧が大幅に増加し倍以上の支持力を提供することができる。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ている。フォイル弾性部材３の数は複数であってよく（図５には三つが図示されている）、そして各フォイル弾性部材３の両端は外側スリーブ１の内側円周面に固設されてよい。
【００１５】
図５と図６を参考すれば分かるように、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が外側スリーブ１の内側円周面に当接している。外側スリーブ１の内側円周面には、各フォイル弾性部材３の両端を固設するための溝部１２が設けられている。溝部１２の数はフォイル弾性部材３の数に等しく、そして各溝部１２は外側スリーブ１の内側円周面に沿って均一に分布されている。
【００１６】
図７に示すように、内側スリーブ２の高速運転によるフォイル弾性部材３の摩耗を低減して軸受の使用寿命を延ばすために、フォイル弾性部材３の内側スリーブ２の外側円周面に合わせる表面（つまり、フォイル弾性部材３を構成するトップフォイル３２の内側表面）には、耐摩耗性被膜が設けられている。
【００１７】
一方、外側スリーブ１の両端に止め輪１１を設けると、内側スリーブ２の両端面と止め輪１１との間が軸の高速回転によって自動的に密封されるので、前記溝パターンに生じ続ける動的気体は完全に軸受の隙間に封じ込まれ、動圧ラジアル気体軸受の高速運転が必要とする十分な潤滑性を保証できる。
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と内側スリーブ２との間に０．００３〜０．００８ｍｍの隙間を設けたことが好ましい。
【００１８】
実施例２
図８に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例１との唯一の相違点が下記のとおりである。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の頂部が外側スリーブ１の内側円周面に当接し、各アーチ形部同士の接続部３１２がトップフォイル３２に当接している。
図９はこのようなバンプフォイル３１の概略図である。
【００１９】
実施例３
図１０と図１１に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例１との唯一の相違点が下記のとおりである。フォイル弾性部材３はトップフォイル３２と貫通孔３３１を設けたトップフォイル３３とからなっている。
【００２０】
実施例４
図１２に示すように、本実施例によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は実施例１との唯一の相違点が下記のとおりである。外側スリーブ１の外側円周面には、当該軸受の運転状況をオンライン監視することによってデータ収集を行うセンサー（例えば、温度センサー、圧力センサー、回転速度センサーなど）を装着するための貫通孔１３と窪み部１４が設けられ、しかも貫通孔１３は窪み部１４の中にそれと同軸に形成されている。
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、従来動圧ラジアル気体軸受の荷重能力が１〜３ｋｇ、最大許容回転速度が１００,０００ｒｐｍ〜１８０,０００ｒｐｍであることに対し、本発明によるハイブリッド動圧ラジアル気体軸受は３〜５ｋｇの荷重下での許容回転速度が１６０,０００ｒｐｍ〜４８０,０００ｒｐｍにも達している。なので、本発明による動圧ラジアル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ラジアル気体軸受技術についての研究を一歩前進させた。
【００２１】
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。
【符号の説明】
【００２２】
１  外側スリーブ
１１    止め輪
１２    溝部
１３    貫通孔
１４    窪み部
２  内側スリーブ
２１    外側円周面に施された溝パターン
２１１  軸方向高位線
２１２  軸方向中位線
２１３  軸方向低位線
２２    左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    右端面に施された溝パターン
２３１  半径方向高位線
２３２  半径方向中位線
２３３  半径方向低位線
３  フォイル弾性部材
３１    バンプフォイル
３１１  アーチ形部
３１２  各アーチ形部同士の接続部
３２    トップフォイル
３３    貫通孔を設けたトップフォイル
３３１  トップフォイルに設けられた貫通孔
３４    耐摩耗性被膜
【図１】
0006767475.tif 000002
【図２】
0006767475.tif 000003
【図３】
0006767475.tif 000004
【図４】
0006767475.tif 000005
【図５】
0006767475.tif 000006
【図６】
0006767475.tif 000007
【図７】
0006767475.tif 000008
【図８】
0006767475.tif 000009
【図９】
0006767475.tif 000010
【図１０】
0006767475.tif 000011
【図１１】
0006767475.tif 000012
【図１２】
0006767475.tif 000013