(57)【要約】【課題】マイクロマシン・ガスタービン用のインペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる超高速マイクロ動圧軸受とその製造方法を提供する。【解決手段】超高速マイクロ動圧軸受１０は、細長い円筒部分１２と円板部分１４とからなる。軸対称部材を製作し、円筒部溝形成ステップと円板部溝形成ステップで円筒部分１２の外周面と円板部分１４の両面に動圧発生用の溝１２ａ，１４ａを形成する。円筒部溝形成ステップでは、フォトレジストを円筒部分１２の外周面に塗布した後、溶媒蒸気中で円筒部分の軸心を中心に回転させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部にインペラーが取り付けられインペラーと共に高速回転する細長い円筒部分と、該円筒部分の一部に同心に一体成形されインペラーの回転軸に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなり、
前記円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されている、ことを特徴とする超高速マイクロ動圧軸受。
【請求項２】
細長い円筒部分とその軸心に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなる軸対称部材を製作する部材製作ステップと、該円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を形成する円筒部溝形成ステップと、円板部分の両面に動圧発生用の溝を形成する円板部溝形成ステップと、を有することを特徴とする超高速マイクロ動圧軸受の製造方法。
【請求項３】
前記円筒部溝形成ステップにおいて、フォトレジストを円筒部分の外周面に塗布した後、溶媒蒸気中で円筒部分の軸心を中心に回転させる、ことを特徴とする請求項２に記載の超高速マイクロ動圧軸受の製造方法。
【請求項４】
前記円板部溝形成ステップにおいて、動圧発生用の溝パターンを有するマスクに円筒部分が嵌合する貫通穴を設け、該貫通穴に円筒部分を通して円板部分の表面にマスクを密着させて、円板部分に溝パターンを焼付ける、ことを特徴とする請求項２に記載の超高速マイクロ動圧軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシン・ガスタービン用のインペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持する超高速マイクロ動圧軸受とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の発展により、超小型の機械が各種実現できるようになってきた。これにより可能性が開けてきた機械の１つにマイクロマシン・ガスタービンがある。
【０００３】
マイクロマシン・ガスタービンのうち、直径１０ｍｍ前後の３次元インペラーを備えたものは、手のひらに載るパームトップサイズで１００Ｗ前後の発電が可能であり、汎用バッテリーに代わる広い用途が期待されている。
【０００４】
かかるパームトップガスタービンは、その高性能を発揮するために、インペラーを８０万ｒｐｍを超える超高速回転で運転する必要がある。また、インペラーを支持する軸は、直径が数ｍｍ（３〜５ｍｍ）の極細となる。
【０００５】
このような超高速回転を支持する軸受には、動圧流体軸受が適しており、かかる動圧流体軸受に関して特許文献１、２が開示され、さらに動圧流体軸受をエッチングで形成する場合に必要となるレジストのコーティングに関して特許文献３、４が開示されている。
【０００６】
特許文献１の「動圧流体軸受の溝加工方法」は、図６（Ａ）に示すように、完成した軸の外径より各動圧発生溝の溝深さを差し引いた外径の軸心材５１を予め製造しておき、この軸心材５１に耐摩耗性硬質無電解メッキを行って、動圧発生溝の溝深さと同等の厚さのメッキ層５２を形成し、メッキ層５２の周囲の動圧発生溝を形成すべき部位以外の部分にレジスト５３を印刷し、ついで、エッチングにより、動圧発生溝となる部位のメッキ層５２を除去したのち、レジスト５３を除去して動圧発生溝を有する軸を製造するものである。なお、この例で、レジストは図６（Ｂ）に示すグラビアオフセット印刷機で印刷している。
【０００７】
特許文献２の「動圧気体軸受」は、図７に示すように、滑り軸受の相対向する各摺動面部に、反応性イオンエッチングによりガス化処理できる硬質膜を被着し、一方の摺動面部に被着した硬質膜６１に、反応性イオンエッチングにより動圧発生溝６２を形成したものある。なお、図７（Ａ）はラジアル軸受、図７（Ｂ）はスラスト軸受の例である。
【０００８】
特許文献３の「スピンコート方法」は、図８に示すように、レジスト塗膜の基板上へのスピンコート工程において、スピンコート完了後、コーターカップ７２の天板７４の開放時に基板７１を回転させることにより、ムラの発生を防止するものである。
【０００９】
特許文献４の「スピンコート用組成物の製造方法及びスピンコート方法」は、樹脂製光学物品をスピンコート方法にて塗布した後、液膜を硬化させて光学物品にハードコート被膜を形成する方法において、有機けい素化合物、金属酸化物微粒子、有機溶媒を含有するコーティング組成物を調製した後、有機溶媒の一部を蒸発させ、固形分濃度及び粘度を上昇させた後に塗布・硬化を行うものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−９３２８５号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２０００−３４６０５９号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２０００−５１７８１号公報
【００１３】
【特許文献４】
特開２００１−１０６９４２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
直径１０ｍｍ前後の３次元インペラーを備えたマイクロマシン・ガスタービン用の回転軸は、高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持するため、スラストディスク付きの軸が一例として用いられる。インペラー（コンプレッサ、タービン）は、この軸の一端又は両端に取り付けられ、軸とインペラーが一体となって回転する。この場合、スラストディスク付きの軸のスラストディスクは直径１０ｍｍ前後、軸は直径４ｍｍ前後であり、強度を確保するために、軽量で強度の高い材料（例えばチタン合金軸）から超精密加工により一体成形される。
上述したスラストディスク付きの軸には、高速回転とスラスト力を支持するために、軸の外周面とスラストディスクの両面に各動圧発生用の溝を形成する必要があり、この動圧発生溝は、フォトリソグラフィにより原理的には加工できる。しかし、上述したスラストディスク付きの軸にフォトレジストをコーティングする場合、突起物（スラストディスク）が邪魔となり、従来のスピンコーティングでは均一な塗布ができない問題点があった。また、スピンコーティングの代わりに周知のスプレーコーティングを適用しても、均一な塗布が困難であり、スプレーとワークの相対的動かし方、スプレーの噴出条件、ワークの温度条件などの設定に時間がかかるばかりでなく、フォトレジストやシンナーを大量に消費し、製造コストが高くなる問題点があった。
また、エッチング処理を施せる形状は、従来、突起物のない平面、あるいは円筒面に限られているため、上述したスラストディスクの両面へのエッチングができなかった。このため、エッチングを施す部分が突起物のない平面あるいは円筒面となるように、部品を分解可能な構造に設計すると、スラストディスクの強度を確保できない問題点があった。
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、マイクロマシン・ガスタービン用のインペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる超高速マイクロ動圧軸受とその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、端部にインペラーが取り付けられインペラーと共に高速回転する細長い円筒部分と、該円筒部分の一部に同心に一体成形されインペラーの回転軸に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなり、前記円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されている、ことを特徴とする超高速マイクロ動圧軸受が提供される。
上記本発明の構成によれば、超高速マイクロ動圧軸受の細長い円筒部分と半径方向外方に延びる円板部分が同心に一体成形されているので、スラストディスクの強度を確保することができる。また、円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されているので、円筒部分の外周面で動圧を発生してインペラーの高速回転を支持でき、円板部分の両面で動圧を発生してインペラーに作用するスラスト力を支持することができる。
また、本発明によれば、細長い円筒部分とその軸心に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなる軸対称部材を製作する部材製作ステップと、該円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を形成する円筒部溝形成ステップと、円板部分の両面に動圧発生用の溝を形成する円板部溝形成ステップと、を有することを特徴とする超高速マイクロ動圧軸受の製造方法が提供される。
この方法によれば、円筒部溝形成ステップで円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を形成し、円板部溝形成ステップで円板部分の両面に動圧発生用の溝を形成することができ、インペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる超高速マイクロ動圧軸受を製造することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記円筒部溝形成ステップにおいて、フォトレジストを円筒部分の外周面に塗布した後、溶媒蒸気中で円筒部分の軸心を中心に回転させる。
この方法により、円筒部分に塗布されたフォトレジストの表面が溶媒蒸気と接触して軟化しながら遠心力を受けるので、円筒部分の周方向に均一に広がり、均一なフォトレジストの塗布を安価に行うことができる。
【００１６】
従って、その後、フォトレジスト面に動圧発生用の溝を焼付け、現像後にエッチングすることにより、円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を容易に形成することができる。
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記円板部溝形成ステップにおいて、動圧発生用の溝パターンを有するマスクに円筒部分が嵌合する貫通穴を設け、該貫通穴に円筒部分を通して円板部分の表面にマスクを密着させて、円板部分に溝パターンを焼付ける。
この方法により、シャフトと一体構造のディスクに直接露光することができ、部品を分解可能な構造に設計する必要がなく、スラストディスクの強度を確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
【実施例】
以下、東北大学におけるパームトップガスタービンプロジェクトにおける超高速マイクロ動圧軸受とその製造方法に付いて説明する。
図２は、本発明の超高速マイクロ動圧軸受の構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は端面から見た図である。。この図に示す１００Ｗ級パームトップガスタービン用の超高速動圧気体軸受１０を、円筒形フォトリソグラフィ、特殊マスク付きフォトリソグラフィ、及びウエットエッチングにより製造し、直径１０ｍｍの３次元インペラー付きのマイクロターボチャージャで試験した。この超高速動圧気体軸受１０は、端部にインペラーが取り付けられインペラーと共に高速回転する細長い円筒部分１２と、円筒部分１２の一部に同心に一体成形されインペラーの回転軸に直交して半径方向外方に延びる円板部分１４とからなる。また、円筒部分１２の外周面と円板部分１４の両面に動圧発生用の溝１２ａ，１４ａ（以下、「動圧発生溝」と呼ぶ）がそれぞれ形成されている。
図３は、製造した超高速マイクロ動圧軸受の部分拡大写真である。この図に示すように、超高速動圧気体軸受１０の動圧気体軸受は、直径４ｍｍのチタン合金軸表面のヘリンボーン溝１２ａと、直径１０ｍｍのスラストディスク両面のスパイラル溝１４ａからなる。この超高速動圧気体軸受１０の計画回転速度は８７万ｒｐｍである。動圧発生溝１２ａ，１４ａは、ＣＦＤ解析（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙａｍｉｃｓ）で種々の運転状態における軸受負荷を計算し、この軸受負荷に基に設計した。
図１は、本発明の製造プロセスの模式図である。本発明による超高速マイクロ動圧軸受の製造方法は、部材製作ステップ、円筒部溝形成ステップ、円板部溝形成ステップ、及びコーティングステップからなる。
図示しない部材製作ステップでは、細長い円筒部分１２とその軸心に直交して半径方向外方に延びる円板部分１４とからなる軸対称部材１０を製作する。この実施例では、直径１０ｍｍのスラストディスク（円板部分１４）を有する直径４ｍｍのチタン合金軸（円筒部分１２）を超精密加工により製作した。
円筒部溝形成ステップでは、円筒部分１４の外周面に動圧発生用の溝１４ａを形成する。この実施例では、（Ａ）でチタン合金軸１２を溶媒蒸気１中で回転させながら軸表面にポジのフォトレジスト２をコーティングした。
【００１９】
均一なフォトレジストコーティングとフォトレジストの選択はこのプロセスにおいて重要である。フォトレジストには、市販のＡＺ４４００を使用し、これにＡＺシンナーを１０：４の容量比で混合した。軸１２ができるだけ垂直に回転するようにスピンナに取り付け、軸１２にスポイトを用いてできるだけ均一に塗布した後、溶媒蒸気１としてＡＺシンナーを用い、４０００ｒｐｍの回転速度で２０秒間回転後、約２０秒間で減速した。その結果、微細なパターニングに適した均一なコーティングができた。
次いで、（Ｂ）で軸１２をスピンドル、マスクフィーダー、光学スリット３、数値制御装置からなる特殊な円筒形フォトリソグラフィ装置にセットし、軸１２をスピンドルで固定して一定速度で回転し、ヘリンボーンパターンを持ったクロムマスク４をスピンドルの回転と同期して移動してヘリンボーンパターンを紫外線５で焼き付けた。
【００２０】
次いで、ヘリンボーンパターンを現像後、（Ｃ）で軸表面をフッ化水素と過酸化水素の混合液でエッチングした。この混合液の混合比は、Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：ＨＦ＝２０：１：１であり、２０℃で約２μｍ／ｍｉｎのエッチレートで約５分間エッチングした。
円板部溝形成ステップでは、円板部分１４の両面に動圧発生用の溝１４ａを形成する。この例では、スラストディスク１４のスパイラル溝１４ａを形成するために、（Ｄ）でフォトレジストを上述と同様の方法で再度塗布した。この際、フォトレジストは、スポイトを用いてスラスト板の縁からスラスト板のみに付け、軸には付けない。またスラスト板の側壁部分にもフォトレジストを付けた。
【００２１】
次いで、（Ｅ）でスパイラル溝１４ａのパターンは、軸が通る穴を有する特殊マスク６を用いて紫外線５で焼付けた。この穴を高精度に加工することにより、マスクの精密な位置決めが確保された。その後、（Ｆ）で円板部分１４をウエットエッチングした。このステップを両面に繰返し、スラストディスク１４の両面にスパイラル溝１４ａを形成した。
最後に（Ｇ）のコーティングステップで摩擦を低減するために軸表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜（Ｄｉａｍｏｎｎｄ−Ｌｉｋｅ−Ｃａｒｂｏｎ）をコーティングした。
製造した超高速マイクロ動圧軸受にインペラを組立てた拡大写真である。完成した軸受を直径１０ｍｍの３次元インペラー付きのマイクロターボチャージャで試験した。インペラは、ＣＦＤ解析と有限要素法により設計し、特殊な５軸高速ミーリング装置を用いて製造した。この試験の目的は８７万ｒｐｍに達する高速回転と室温で６５％以上の圧縮効率を実証することにある。
図５は、製造したマイクロターボチャージャの最初の試験結果である。軸受は、少なくとも５万６千ｒｐｍまで良好に作動したが、軸受ステータのエッジ処理不良によりロータが破壊したため、それ以上の高速回転は未確認である。しかし、この試験結果から、少なくとも本発明の超高速マイクロ動圧軸受が５万６千ｒｐｍ以上の超高速に適用可能であることが確認された。
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
上述した本発明の構成によれば、超高速マイクロ動圧軸受の細長い円筒部分と半径方向外方に延びる円板部分が同心に一体成形されているので、スラストディスクの強度を確保することができる。また、円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されているので、円筒部分の外周面で動圧を発生してインペラーの高速回転を支持でき、円板部分の両面で動圧を発生してインペラーに作用するスラスト力を支持することができる。
また本発明の製造方法によれば、円筒部溝形成ステップで円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を形成し、円板部溝形成ステップで円板部分の両面に動圧発生用の溝を形成することができ、インペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる超高速マイクロ動圧軸受を製造することができる。
また、円筒部分に塗布されたフォトレジストの表面が溶媒蒸気と接触して軟化しながら遠心力を受けるので、円筒部分の周方向に均一に広がり、均一なフォトレジストの塗布を安価に行うことができる。従って、その後、フォトレジスト面に動圧発生用の溝を焼付け、現像後にエッチングすることにより、円筒部分の外周面に動圧発生用の溝を容易に形成することができる。
さらに、シャフトと一体構造のディスクに直接露光することができ、部品を分解可能な構造に設計する必要がなく、スラストディスクの強度を確保することができる。
従って、本発明の超高速マイクロ動圧軸受とその製造方法は、マイクロマシン・ガスタービン用のインペラーの高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造プロセスの模式図である。
【図２】本発明の超高速マイクロ動圧軸受の構成図である。
【図３】製造した超高速マイクロ動圧軸受の部分拡大写真である。
【図４】製造した超高速マイクロ動圧軸受にインペラを組立てた拡大写真である。
【図５】製造したマイクロターボチャージャの試験結果である。
【図６】特許文献１の「動圧流体軸受の溝加工方法」の模式図である。
【図７】特許文献２の「動圧気体軸受」の模式図である。
【図８】特許文献３の「スピンコート方法」の模式図である。
【符号の説明】
１  溶媒蒸気、２  フォトレジスト、３  光学スリット、
４  マスク、５  紫外線、６  マスク、
１０  超高速動圧気体軸受、１２  円筒部分、
１２ａ  動圧発生溝（ヘリンボーン溝）、
１４  円板部分、１４ａ  動圧発生溝（スパイラル溝）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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