(57)【要約】【課題】  ポンプ機構部へのグリス、オイルの浸入を防止し、ベーンの動作不良を防止して長期性能の安定化ならびに騒音の低減を図ったベーンロータリ型空気ポンプを提供する。【解決手段】  ポンプ機構部２と、前記ポンプ機構部２と結合し、共通のシャフト２３を介して前記ポンプ機構部２を駆動するモータ部３とを備えたベーンロータリ型空気ポンプ１であって、シャフト２３の一端をモータ部３側に設けたスラスト軸受２６で支承し、モータロータ２２の磁石２７の軸方向中心をステータ２１の軸方向中心からポンプ機構部２側に移動させた状態でモータロータ２２を配置し、ロータ５とフロントプレート７の間ならびにロータ５とエンドプレート８の間に隙間９、１０を設けた。【選択図】  図１
2005264772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ機構部と、前記ポンプ機構部と結合し、共通のシャフトを介して前記ポンプ機構部を駆動するモータ部とを備えたベーンロータリ型空気ポンプであって、シャフトの一端をモータ部側に設けたスラスト軸受で支承し、モータロータの磁石の軸方向中心をステータの軸方向中心からポンプ機構部側に移動させた状態でモータロータを配置し、ロータとフロントプレートの間ならびにロータとエンドプレートの間に隙間を設けたことを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項２】
ポンプ機構部と、前記ポンプ機構部と結合し、同ポンプ機構部を共通のシャフトを介して駆動するモータ部とを備え、前記モータ部は、制御回路を搭載した回路基板と、前記回路基板に取付けられたステータと、前記共通のシャフトに支持され、前記ステータに対応して回転するモータロータと、前記ステータならびにモータロータを包囲し、前記回路基板に取付けられたケーシングとを有し、前記ケーシングには、前記シャフトを回転可能に支承する第1のラジアル軸受が設けられ、前記回路基板には、前記シャフトの回路基板側へのスラスト荷重を支承するスラスト軸受を配設し、前記モータロータの磁石とステータの軸方向の位置関係を前記シャフトがスラスト軸受に当接する方向に磁力が作用するよう配置するとともに、前記ポンプ機構部は、シリンダと、前記シリンダ内で回転し、シリンダとの間でポンプ空間を形成するロータと、前記ロータに摺動自在に保持されて前記ポンプ空間を可変的に区画するベーンと、前記シリンダの両端を閉塞するフロントプレートならびにエンドプレートとを有し、前記フロントプレートならびにエンドプレートは、シャフトを支承する第２のラジアル軸受ならびに第３のラジアル軸受を配設し、シャフトがスラスト軸受に当接した状態において、前記ロータとフロントプレートならびにエンドプレートの間に隙間を形成したことを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項３】
ロータとフロントプレートの間ならびにロータとエンドプレートの間に形成する隙間は、ロータの軸方向寸法の０．１％以上０．４％以下としたことを特徴とする請求項1もしくは２記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項４】
第２ならびに第３のラジアル軸受にボールベアリングを用い、前記二つのラジアル軸受のいずれか一方をシャフトに固定したことを特徴とする請求項２もしくは３記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項５】
シャフトと固定するラジアル軸受において、前記ラジアル軸受の内輪をモータ部側へ移動させた状態で固定したことを特徴とする請求項４記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項６】
シャフトと固定するラジアル軸受において、前記ラジアル軸受の内輪の接着面ならびに前記内輪に対応するシャフトの部分の接着面の一方もしくは両方に接着剤の溝を設け、接着により固定したことを特徴とする請求項４もしくは５記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いたモバイル用情報端末機器の空気供給装置等に使用されるベーンロータリ型空気ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のベーンロータリ型空気ポンプでは、作動流体の圧縮行程において、スラスト方向の荷重は基本的に発生しないため、特にスラスト荷重を支持する構造を必要としない。しかし、ポンプのロータに関し、スラスト方向の位置が定まっていない状態で運転が行われると、前記ロータが、その端面の圧力変動によって軸方向に移動を繰り返し、騒音発生の原因となる可能性がある。
【０００３】
また、空気ポンプの設置構成によっては、ロータの自重により常時一方向に荷重が働き、ロータがフロントプレートあるいはエンドプレートに接触する恐れがある。
【０００４】
これらの問題を解決するため、ロータに外力を加え、一方向に付勢することによりロータの軸方向の位置を規制する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図６は、特許文献１に記載された従来のベーンロータリ型空気ポンプを示すもので、シャフト１０１は、二つの軸受１０２、１０３に支承されており、一方の軸受１０２には、予圧ばね１０４によってスラスト荷重がかけられている。そして、このスラスト荷重は、シャフト１０１とロータ１０５を介してスラスト軸受１０６によって支承されている。また、ロータ１０５とフロントプレート１０７の間ならびにロータ１０５とエンドプレート１０８の間には、隙間が設けられ、ロータの接触、摺動を防いでいる。
【特許文献１】実開昭６１−１３８８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成は、スラスト軸受１０６が直接ロータ１０５と接触しているため、スラスト軸受１０６に封入されているグリスが運転中に漏れ出す可能性があった。この漏れ出したグリスが空気ポンプのロータとベーンの摺動部に入ると、ベーンの動作不良を起こす課題を有していた。
【０００７】
また、外部からスラスト軸受部にオイルを供給して潤滑を行う場合には、そのオイルがポンプ空間に入り、吐出空気にオイルが含まれてしまうという課題も有していた。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するもので、ポンプ空間へのグリスおよびオイルの浸入を防止することで、ベーンの動作不良を解消したベーンロータリ型空気ポンプを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部と、前記ポンプ機構部と結合し、共通のシャフトを介して前記ポンプ機構部を駆動するモータ部とを備えたベーンロータリ型空気ポンプであって、シャフトの一端をモータ部側に設けたスラスト軸受で支承し、モータロータの磁石の軸方向中心をステータの軸方向中心からポンプ機構部側に移動させた状態でモータロータを配置し、ロータとフロントプレートの間ならびにロータとエンドプレートの間に隙間を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部と、前記ポンプ機構部と結合し、同ポンプ機構部を共通のシャフトを介して駆動するモータ部とを備え、前記モータ部は、制御回路を搭載した回路基板と、前記回路基板に取付けられたステータと、前記共通のシャフトに支持され、前記ステータに対応して回転するモータロータと、前記ステータならびにモータロータを包囲し、前記回路基板に取付けられたケーシングとを有し、前記ケーシングには、前記シャフトを回転可能に支承する第1のラジアル軸受が設けられ、前記回路基板には、前記シャフトの回路基板側へのスラスト荷重を支承するスラスト軸受を配設し、前記モータロータの磁石とステータの軸方向の位置関係を前記シャフトがスラスト軸受に当接する方向に磁力が作用するよう配置するとともに、前記ポンプ機構部は、シリンダと、前記シリンダ内で回転し、シリンダとの間でポンプ空間を形成するロータと、前記ロータに摺動自在に保持されて前記ポンプ空間を可変的に区画するベーンと、前記シリンダの両端を閉塞するフロントプレートならびにエンドプレートとを有し、前記フロントプレートならびにエンドプレートは、シャフトを支承する第２のラジアル軸受ならびに第３のラジアル軸受を配設し、シャフトがスラスト軸受に当接した状態において、前記ロータとフロントプレートならびにエンドプレートの間に隙間を形成したことを特徴とする。
【００１１】
そして、ロータとフロントプレートの間ならびにロータとエンドプレートの間に形成する隙間は、ロータの軸方向寸法の０．１％以上０．４％以下とすればより好適である。
【００１２】
また、第２ならびに第３のラジアル軸受にボールベアリングを用い、前記二つのラジアル軸受のいずれか一方をシャフトに固定することで、シリンダとシャフトの熱膨張の差を吸収することが出来る。
【００１３】
さらに、シャフトと固定するラジアル軸受において、前記ラジアル軸受の内輪をモータ部側へ移動させた状態で固定すれば、スラスト軸受の磨耗量を低減に対し、一層好適である。
【００１４】
さらにまた、前記ラジアル軸受の内輪の接着面ならびに前記内輪に対応するシャフトの接着面の一方もしくは両方に接着剤の溝を設け、接着により固定することも好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、運転中の軸方向のばたつきを防止し、また、ロータとフロントプレートならびにエンドプレートとの接触摺動を解消できる。さらにポンプ空間へのグリス、オイルの浸入を防止し、ベーンの動作不良を少なくして、長期にわたり、安定した性能を確保することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１ならびに図２は、本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプの断面図を示す。
【００１８】
図１において、ベーンロータリ型空気ポンプ１は、ポンプ機構部２とモータ部３から構成されている。ポンプ機構部２は、円筒状内壁を有するシリンダ４と、このシリンダ４の中心軸から偏心してシリンダ内で回転する円筒状外周を有するロータ５と、このロータ５に摺動自在に保持され、先端を前記シリンダ４の内壁に当接して前記シリンダ４とロータ５とで形成されるポンプ空間１１を可変的に区画する板状のベーン６と、このベーン６ならびにロータ５を挟み込むように前記空間を閉塞するフロントプレート７ならびにエンドプレート８から構成されている。前記ベーン６は、自己潤滑性材質よりなる材料が使用され、また、フロントプレート７およびエンドプレート８の対向面は、自己潤滑性材質が塗布されて、潤滑性を高めている。
【００１９】
モータ部３は、制御回路を搭載した回路基板２０と、ステータ２１と、モータロータ２２と、ポンプ機構部２に共通のシャフト２３と、ケーシング２４で構成される直流モータが使用される。ステータ２１は、前記回路基板２０に取付けられている。ステータ２１の外周には、前記ステータ２１との間に適切なエアギャップを介してモータロータ２２が回転可能に配置されており、このモータロータ２２は、前記シャフト２３に固定されている。そして、ステータ２１およびモータロータ２２には、ケーシング２４が包囲し、このケーシング２４は、回路基板２０に固定されている。シャフト２３のモータ部は、ケーシング２４に取付けられた第１のラジアル軸受２５で支承されている。この第１のラジアル軸受２５は、シャフト２３の直角度や触れ回り精度の面ならびにコストの面から、オイル含浸のメタルブッシュが使用されるが、ボールベアリングあるいは他のブッシュを用いてもよい。シャフト２３のモータ部端部は、回路基板２０に取付けられたスラスト軸受２６で支承されている。スラスト軸受２６としては、樹脂系のピボットが多く用いられる。モータの種類としては、直流ブラシレスモータを使用し、この駆動制御は、回路基板２０の制御回路による。
【００２０】
シャフト２３のポンプ機構部２側は、フロントプレート７に設けた第２のラジアル軸受３０と、エンドプレート８に設けた第３のラジアル軸受３１に支承されている。このラジアル軸受３０、３１としては、グリス封入型ボールベアリングを用い、支承位置は、各フロントプレート７およびエンドプレート８の非ポンプ空間とする。なお、本実施形態においては、ポンプ機構部２とモータ部３は、取付けプレート３２を介して結合されているが、ケーシング２４と、エンドプレート８とを直接結合するようにすることもできる。
【００２１】
次に、動作について説明する。回路基板２０に直流電源が供給されると、モータロータ２２が回転を開始する。モータロータ２２に固定され、第１のラジアル軸受２５、第２のラジアル軸受３０、第３のラジアル軸受３１に支承されたシャフト２３がモータロータ２２の回転に伴い、回転し、ポンプ機構部２側では、シャフト２３に固定されたロータ５がシリンダ４内を偏心して回転する。ロータ５の回転により、ベーン６がロータ５のロータスリット５ａ内を摺動し、先端をシリンダ４の内壁に当接してポンプ空間１１を仕切っている。これにより、吸入、圧縮、吐出の行程を繰り返し、ポンプ機能を行っている。
【００２２】
本来、このベーンロータリ型空気ポンプは、ロータ５の軸方向端面では圧力差は生じない。しかし、フロントプレート７に背圧溝、吸入ポート、あるいは吐出ポートが設けられているため、エンドプレート８側の端面と圧力差を生ずる。その結果、ロータ５が端面の圧力変動によって、軸方向で移動を繰り返し、騒音を派生してしまう。また空気ポンプの設置方法によっては、たとえば、ロータ５の自重などにより、常に一方向に荷重が働き、ロータ５がフロントプレート７またはエンドプレート８と接触、摺動する恐れがある。
【００２３】
この対策として、モータロータ２２に備えられた磁石２７の軸方向中心をステータ２１の軸方向中心からポンプ機構部２側に移動させた状態でモータロータ２２を配置させる。これにより、磁石２７の軸方向中心とステータ２１の軸方向中心が一致するように磁力が働くので、常にモータロータ２２は、回路基板２０側に引っ張られた状態となる。すなわち、ロータ５は、モータ部３側に引っ張られた状態となる。
【００２４】
この磁力によって発生する荷重は、回路基板２０に取付けられたスラスト軸受２６で支承される。これにより、ロータ５の隣に、すなわち、ロータ５に近接してスラスト軸受２６を配置する必要もなくなり、ポンプ空間１１へのグリスの浸入防止が図れ、ベーン６の動作不良も解消できる。
【００２５】
そして、この状態で、ロータ５とフロントプレート７の間、ロータ５とエンドプレート８の間には、それぞれ、隙間９、１０を設ける。これにより、運転中の接触、摺動を解消できる。この隙間９、１０は、ロータ５の両端面にかかる圧力変動によるシャフト２３の移動距離より大きい値が採られる。隙間９，１０の具体的な数値としては、ロータ５の軸方向寸法の０．１％以上０．４％以下が望ましい。隙間９，１０が小さ過ぎると、高温雰囲気運転において、ロータ５が熱膨張した場合、フロントプレート７もしくはエンドプレート８に接触、摺動してしまい、騒音発生や入力増大といった現象を引き起こしてしまう。逆に、隙間９、１０が広過ぎると、性能悪化を招く。すなわち、高温における非接触運転と性能確保を両立させる隙間の値は、上記が最適である。
【００２６】
次に、長期間、運転が継続されると、スラスト軸受２６とシャフト２３の接触面が磨耗して、シャフト２３が次第にモータ部３側に移動してゆくことが起こる。すなわち、ロータ５とエンドプレート８の隙間１０が次第に狭くなり、さらに磨耗が進行した場合には、ロータ５とエンドプレート８とが接触する危険性がある。これを防止する構成として、第２のラジアル軸受３０もしくは第３のラジアル軸受３１の一方（本実施形態では、第２のラジアル軸受３０）をシャフト２３に固定する。この構成によれば、スラスト軸受２６は、ラジアル軸受３０の内輪３０ａがモータ部３側に移動できる分の磨耗（数μｍ〜数十μｍ）はするものの、それ以上の進行は無く、内輪が最端まで移動しきった後は、ラジアル軸受３０が磁力によって発生するスラスト荷重を支承することになるので、接触にまで至る恐れはない。
【００２７】
さらに、図３に示すように、組み立て時、ラジアル軸受３０の内輪３０ａをモータ部３側へ移動させた状態で固定すると、最初の段階からラジアル軸受３０がスラスト荷重を支承することになるので、スラスト軸受２６の磨耗はほとんど無くなり、その結果、ロータ５とフロントプレート７の隙間９ならびにロータ５とエンドプレート８の隙間１０は、組み立て状態のまま維持されることになる。内輪３０ａの移動量としては、内輪３０ａのみに、２００〜３００ｇｆをかけた場合の移動量が望ましい。
【００２８】
なお、ここでは、第２のラジアル軸受３０を例に説明したが、第３のラジアル軸受３１に関しても同様である。また、第２、第３のどちらか一方のラジアル軸受３０、３１をシャフト２３に固定した理由は、他方のラジアル軸受をシャフト２３に対してフリーにすることで、シリンダ４とシャフト２３の熱膨張に差が生じても、吸収することができ、使用温度範囲が広がるからである。
【００２９】
シャフト２３とラジアル軸受の固定方法としては、圧入が一般的だが、シャフト２３の径が小さい場合は困難である。例えば、２ｍｍφや３ｍｍφ等の場合、圧入代が大きくなると、圧入時にラジアル軸受の内輪を変形させてしまう恐れがある。ラジアル軸受にも寸法公差があり、シャフトにも寸法公差があるので、一定の圧入代内に抑えることは、加工上困難であり、また、寸法毎にランク別けして組み立てる方法も時間を要し、非効率的である。そこで、本実施形態では、しめしろの幅を広く取り、接着による固定が行われている。例として、第２のラジアル軸受３０の固定について説明する。図４には、ラジアル軸受３０の内輪３０ａに溝３３を、図５には、シャフト２３に溝３４をそれぞれ設けており、この溝３３、３４に接着剤を溜めることで確実な接着固定を実現している。なお、溝３３、３４は、周方向に設けても、軸方向に設けても問題ないが、シャフト２３とラジアル軸受３０の接着部分からはみ出さないようにすべきである。また、溝３３，３４の数は、複数設けた方が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプは、高温条件下で、長期にわたり安定した性能を確保できるので、家庭用健康器具や医療用治療器具等の用途に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプの断面図である。
【図２】本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのポンプ機構部の断面図である。
【図３】本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのラジアル軸受部の断面図である。
【図４】本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのラジアル軸受部の断面図である。
【図５】本発明の１実施形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのラジアル軸受部の断面図である。
【図６】従来のベーンロータリ型空気ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
２      ポンプ機構部
３      モータ部
４      シリンダ
５      ロータ
６      ベーン
７      フロントプレート
８      エンドプレート
９，１０      隙間
１１      ポンプ空間
２０      回路基板
２１      ステータ
２２      モータロータ
２３      シャフト
２４      ケーシング
２５      第１のラジアル軸受
２６      スラスト軸受
２７      磁石
３０      第２のラジアル軸受
３０ａ    内輪
３１      第３のラジアル軸受
３３、３４      溝
【図１】
2005264772.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005264772.tif 000006
【図５】
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【図６】
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