(57)【要約】【課題】  静圧型の流体軸受を用いることなく、超高速で回転するロータ１１を保持することができるようにする。【解決手段】  ロータ基板１２の側面に複数の径方向突起３１を設ける。これによりロータ１１が回転すると側部ケーシング基板２０との間に正圧の動圧が発生し、何らかの原因によりロータ１１が偏心回転すると、動圧はロータ１１を偏心の無い状態に戻すように復元力として作用する。従って、ロータ１１が超高速回転するマイクロ回転流体機械であっても回転安定性が向上し、信頼性が高まる。【選択図】      図３
2005155387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状のロータと、
該ロータを内包するように設けられたケーシングと、
前記ロータが回転することにより、当該ロータと前記ケーシングとの間に動圧を発生して、該動圧により前記ロータを回動自在に保持する動圧軸受装置とを備えたことを特徴とするマイクロ回転流体機械。
【請求項２】
前記動圧軸受装置が、前記ロータの側面に設けられ又は当該側面と対向した位置の前記ケーシングに設けられた径方向突起を有し、
前記ロータの回転に伴い前記径方向突起が動圧を発生して、この動圧により前記ロータをその回転軸の方向に付勢して該ロータの半径方向の保持を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項３】
前記動圧軸受装置が、前記ロータの回転軸端面又は当該回転軸端面と対面する位置の前記ケーシングに設けらた上側突起と、
前記ロータの底面又は当該底面に対面する位置の前記ケーシングに設けらた下側突起とを有し、
前記ロータの回転に伴い前記上側突起及び下側突起が動圧を発生して、前記上側突起で発生した動圧により前記ロータを前記下側突起側に付勢し、前記下側突起で発生した動圧により前記ロータを前記上側突起側に付勢して、当該ロータにおける回転軸方向の保持を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項４】
前記径方向突起又は前記上側突起及び前記下側突起の内部が中空に形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項５】
前記径方向突起又は前記上側突起及び前記下側突起が、前記ロータの回転中心に対して、それぞれ幾何学的に対称な位置に３以上設けられていることを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項６】
前記径方向突起又は前記上側突起及び前記下側突起におけるコーナ形状が、円弧状であることを特徴とする請求項２乃至５いずれか１項記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項７】
前記径方向突起又は前記上側突起及び前記下側突起と対向する位置に設けられた位置規制部を有し、前記ロータが位置ずれした際に、当該径方向突起又は上側突起及び下側突起が前記位置規制部に当接して、該ロータの位置ずれを規制するようにしたことを特徴とする請求項２乃至６いずれか１項記載のマイクロ回転流体機械。
【請求項８】
前記位置規制部が、板バネ又は渦巻バネであることを特徴とする請求項７記載のマイクロ回転流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの回転に伴い動圧を発生して、該動圧によりロータを保持するようにしたマイクロ回転流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、インクジェットプリンタ用マイクロポンプ、ＤＮＡチップ用マイクロポンプ等の半導体製造技術を応用して製作されたマイクロ回転流体機械を搭載した製品が多数提供されている。
【０００３】
これらの製品に搭載されているマイクロ回転流体機械における流量は、約数マイクロリットルから数百マイクロリットルのオーダであり、圧力差は数キロパスカルから数百キロパスカルのオーダである。
【０００４】
一方、燃料電池やＣＰＵ液冷却等においては、流量が数リットルのオーダで、圧力差が数キロパスカルのオーダのマイクロ回転流体機械が求められているが、従来のマイクロ回転流体機械の１つである圧電素子を用いた小型ポンプでは、この圧電素子を数ミクロンのオーダで変位させて圧力差を発生し、この圧力差により流体を流す構成であるため、要求される仕様を原理的に満たすことができない問題がある。
【０００５】
そこで、半導体製造技術を応用してロータの直径がミリメータオーダの超小型ラジアルコンプレッサとモータとを製作し、これにより大きな圧力差を発生させて流体を流すマイクロ回転流体機械の開発が行われている（特許文献１参照）。
【０００６】
このマイクロ回転流体機械は、従来機械加工により製作されているロータ直径がセンチメートルオーダのポンプと同じ原理で動作するため、従来のポンプと同一性能（圧力差）を発生するためには従来ポンプと同等の周速度でロータを回転させる必要がある。
【０００７】
従って、ロータ直径が小さくなると、その分回転数を高くしなければならず、上記特許文献の例では、数キロパスカルの圧力差を得るために、直径４ミリメータのロータを１分間あたり約百万回転させている。
【０００８】
さらに、この原理のマイクロ回転流体機械では、回転体を保持するために回転軸方向と半径方向にそれぞれスラスト軸受、ラジアル軸受を設けている。
【０００９】
これらの軸受には様々な方式が考案され適用されてきたが、マイクロ回転流体機械では従来ポンプよりもロータの直径が小さくなり、これに伴い回転数が高くなるため、ボールベアリング等により軸受することが困難である。
【００１０】
また、半導体製造技術では、平面内での加工は可能であるが、この面と垂直な面への加工は実質不可能である。このため、ラジアル軸受にヘリングボーン型軸受を適用することができない。
【００１１】
そこで、上記特許文献の例では、超高速回転するロータを保持するため、静圧型の流体軸受を採用していた。
【００１２】
【特許文献１】特表２０００−５１４８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、静圧型の流体軸受は、流体（空気等）を常時流し続ける必要があり、このための軸受用ポンプが必要になって、このマイクロ回転流体機械本体と軸受用ポンプとを備える構成では、マイクロ回転流体機械を劇的に小型化することができない問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は、静圧型の流体軸受を用いることなく、超高速で回転するロータを保持することができるようにしたマイクロ回転流体機械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】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、円板状のロータと、該ロータを内包するように設けられたケーシングと、ロータが回転することにより、当該ロータとケーシングとの間に動圧を発生して、該動圧によりロータを回動自在に保持する動圧軸受装置とを備える。
【００１６】
これにより、ロータとケーシングとの間に動圧を発生して、この動圧によりロータを回動自在に保持でき、静圧型の流体軸受等を用いることなく、超高速で回転するロータを保持することができるようになり、回転信頼性を向上させると共に小型化を図るようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、動圧軸受装置によりロータとケーシングとの間に動圧を発生して、この動圧によりロータを回動自在に保持するため、静圧型の流体軸受等を用いることなく、超高速で回転するロータの保持が可能になり回転安定性が向上すると共に、マイクロ回転体の小型化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。なお、本実施の形態では、マイクロ回転流体機械として半導体技術を用いて形成したマイクロブロアを例に説明するが、本発明はマイクロポンプ、マイクロガスタービン等のマイクロ回転流体機械にも適用できることを予め断っておく。
【００１９】
図１〜図３は、第１の実施の形態にかかるマイクロ送風機の構成を示す図で、図１は斜視図、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）における矢視ＡＡ断面図を示している。また、図３は図２（ａ）における四角の領域を拡大して示した図である。
【００２０】
当該マイクロ送風機は、ロータ１１、ロータ１１を回転させる図示しないステータ、少なくともロータ１１を内包するように設けられたケーシング１８、動圧軸受装置３０等を備えている。
【００２１】
ロータ１１は、直径が１０▲−４▲〜１０▲−３▲ｍの円板状のロータ基板１２、このロータ基板１２の周辺部に複数立設された翼１３により形成されている。
【００２２】
ロータ基板１２の中心位置には、回転軸１４が設けられている。しかし、この回転軸１４は回転中心をなすものであり、実際に軸受等により支持されているわけではない。
【００２３】
ケーシング１８は、ロータ１１が収納されるロータ収納穴２２を有する側部ケーシング１９、ロータ１１の上面側に位置する上部ケーシング２５、ロータ１１の下面側に位置する下部ケーシング２６により構成されている。
【００２４】
ステータは、下部ケーシング２６の位置に設けられ、当該ステータとロータ１１とで静電モータを形成されている。
【００２５】
なお、図１〜図３においては、内部構成がわかるように、上部ケーシング２５及び下部ケーシング２６を適宜省略して示している。
【００２６】
側部ケーシング１９は、ロータ１１の外径より適宜大きな内径のロータ収納穴２２を持ち、このロータ収納穴２２にロータ基板１２が装着される側部ケーシング基板２０、該側部ケーシング基板２０に複数設けられたノズル２１により形成されて、当該側部ケーシング基板２０とロータ１１との隙間ｔは、ｔ＝１〜１０μｍに設定されている。
【００２７】
図３に示すように、動圧軸受装置３０は、ロータ基板１２の側面に設けられた複数の径方向突起３１により形成されている。
【００２８】
この径方向突起３１は、当該径方向突起３１の存在によりロータ基板１２が偏心して回転するのを防止する観点から、ロータ１１の回転中心に対して幾何学的に対称な位置に少なくとも３つ以上設けられている。
【００２９】
また、この径方向突起３１の内部は、中空３２に形成されて肉厚が薄くなっている。
【００３０】
これはロータ１１が偏心回転した際に、径方向突起３１が側部ケーシング基板２０に衝突しても、この径方向突起３１の肉厚を薄くすることにより得られる弾性特性により、衝突による衝撃を和らげるためである。
【００３１】
このような構成で、ロータ１１が、図１において反時計周りの方向に回転すると、翼１３により流体は回転軸１４側から側部ケーシング１９側に流動し、ノズル２１の隙間から流出する。
【００３２】
このときロータ基板１２の回転に伴い径方向突起３１と側部ケーシング基板２０との間に圧力変動が生じて、正圧の動圧が発生する。この動圧によりロータ基板１２は回転軸１４の方向に付勢されるようになり、ロータ１１は付勢力がバランスした位置で定常回転するようになる。
【００３３】
このような状態で、何らかの原因によりロータ１１が偏心回転すると、動圧はロータ１１が偏心していない状態に戻すように復元力として作用する。
【００３４】
従って、ロータ１１の半径方向の保持が可能になり、従来のように軸受用ポンプを別途設けて静圧型の流体軸受を構成する場合に比べ、超高速回転するロータ１１の回転安定性を向上させながらマイクロ回転流体機械の大幅な小型化を図ることが可能となる。
【００３５】
なお、先に図３で示したように径方向突起３１における断面（ロータ基板１２面に平行な面での断面）のコーナ形状は、概略矩形状であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示すように当該コーナ形状が円弧状であっても良い。
【００３６】
このようにコーナ形状を円弧状にすることにより、例えばロータ１１が偏心して径方向突起３１が側部ケーシング基板２０に衝突しても、滑らかに衝突するようになり、当該衝突による大きな反動がロータ１１に生じるのを防止することが可能になる。
【００３７】
従って、ロータ１１は短時間で偏心状態から復帰することができ、回転安定性が向上する。
【００３８】
また、先の説明では、径方向突起３１をロータ基板１２の側面に設けた場合について説明したが、図５に示すように、当該側面と対向する部位の側部ケーシング基板２０に設けても正圧の動圧が発生するため同様の作用効果を得ることが可能である。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。
【００４０】
先の実施の形態では、動圧軸受装置３０を設け、その動圧が回転軸１４の方向に作用することを利用してロータ１１の半径方向の保持を行った。
【００４１】
これに対し、本実施の形態にかかる動圧軸受装置３０は、動圧を利用してロータ１１の回転軸１４方向の保持を行うようにしたものである。
【００４２】
無論、第１の実施の形態に係る動圧軸受装置３０との併用を妨げるものでないことを予め付言する。以下、併用した場合を例に説明する。
【００４３】
図６〜図８は本実施の形態に係るマイクロ送風機の構成を示す図で、図６は斜視図、図７（ａ）上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡＡ矢視断面図、図８は下部ケーシング２６の斜視図を示している。なお、図６及び図７（ａ）では、上部ケーシング２５は適宜省略して示している。
【００４４】
本実施の形態に係る動圧軸受装置３０は、回転軸１４に設けられた上側突起３３、下部ケーシング２６に設けられた下側突起３４により構成されている。
【００４５】
上側突起３３は、回転軸１４の端面に形成された複数の帯状突起で、各突起は回転軸１４の中心で交わっている。
【００４６】
下側突起３４は、図８に示すように、複数の渦巻状突起で、外周に向うに従い突起幅が大きくなっている。
【００４７】
このような構成で、ロータ１１の回転に伴い上側突起３３と上部ケーシング２５との間に正圧の動圧が発生して、この動圧によりロータ１１は下部ケーシング２６側に付勢される。
【００４８】
一方、下側突起３４とロータ１１の底面との間にも正圧の動圧が発生して、この動圧によりロータ１１は上部ケーシング２５側に付勢される。
【００４９】
そして、これらの付勢力がバランスした位置でロータ１１の上下位置が決り、回転軸１４方向の保持が行われる。
【００５０】
なお、先の実施の形態において述べたと同じ理由により、上側突起３３と下側突起３４とは、ロータ１１の偏心回転を防止するために、回転中心に対して幾何学的な対称位置に３つ以上設けることが必要であり、またその内部を中空３２にすることが好ましい。
【００５１】
また、上記説明では上側突起３３を回転軸１４の端面に設け、下側突起３４をロータ１１側の下部ケーシング２６の面に設けた場合について述べたが、上側突起３３を上部ケーシング２５における回転軸１４の端面に対向する面に設け、下側突起３４を下部ケーシング２６のロータ１１側の面に設けても、同様の動圧が発生するため同様の作用効果を得ることが可能である。
【００５２】
以上により、ロータ１１の回転軸１４方向の保持が可能になり、従来のように軸受用ポンプを別途設けて静圧型の流体軸受を構成する場合に比べ、超高速回転するロータ１１の回転安定性を向上させながらマイクロ回転流体機械の大幅な小型化を図ることが可能となる。
【００５３】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。
【００５４】
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、径方向突起３１、上側突起３３、下側突起３４を設けて、これらにより発生する動圧によりロータ１１を保持するようにした。
【００５５】
本実施の形態に係る発明では、このような構成に加え、ロータ１１の位置変動を規制する位置規制部を設けたものである。
【００５６】
図９は位置規制部３６として、ロータ１１の径方向の位置変動を規制する径方向位置規制部材３８を設けた場合を示し、図１０は位置規制部３６としてロータ１１の回転軸１４方向の位置変動を規制する軸方向位置規制部材３７を設けた場合を示している。
【００５７】
この径方向位置規制部材３８は、径方向突起３１に対向した位置の側部ケーシング基板２０に設けらた板バネで、ロータ１１の回転安定性を向上させるため、ロータ１１の回転中心に対して幾何学的な対称位置に３つ以上設けられている。
【００５８】
軸方向位置規制部材３７は、上側突起３３に対向した位置の上部ケーシング２５に設けられた板バネ及び下側突起３４と対向する位置のロータ基板１２の底面に設けられた板バネからなり、ロータ１１の回転安定性を向上させるため、ロータ１１の回転中心に対して幾何学的な対称位置に３つ以上設けられている。
【００５９】
なお、径方向突起３１が側部ケーシング基板２０に設けられている場合には、バネはロータ１１の側面に設けられ、上側突起３３が上部ケーシング２５に設けられている場合には、バネは回転軸１４端面に設けられ、下側突起３４がロータ基板１２に設けられている場合には、バネは下部ケーシング２６に設けられる。
【００６０】
これにより、ロータ１１が半径方向に微少量偏心した場合に、径方向位置規制部材３８が径方向突起３１に当接して当該偏心状態を抑制し、またその偏心量の拡大を抑制する。
【００６１】
同様に、ロータ１１が回転軸１４方向に微少量変位した場合に、軸方向位置規制部材３７が上側突起又は下側突起に当接して当該変位状態を抑制し、またその変位量の拡大を抑制する。
【００６２】
従って、ロータ１１が高速回転しても安定性を維持することができるようになる。
【００６３】
特に、動圧を利用してロータ１１の保持を行う場合には、運転開始時や運転停止時には動圧が発生しない（圧力が小さく、軸受としての作用が十分に発生できない場合も含む）。
【００６４】
このような場合でも、軸方向位置規制部材３７及び軸方向位置規制部材３７がロータ１１をある程度保持するため、安定して高速回転状態までスムースに推移させることができ、また停止させることができるようになる。
【００６５】
なお、上記説明では、径方向位置規制部材３８及び軸方向位置規制部材３７として、板バネを用いる場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１１及び図１２に示すように渦巻状バネ（コイルバネ）であってもよい。
【００６６】
図１１は、図９に対応した図で、ロータ１１の径方向の位置変動を規制する渦巻状バネからなる径方向位置規制部材３８を設けた場合を示している。
【００６７】
また、図１２は図１０に対応した図でロータ１１の回転軸１４方向の位置変動を規制する渦巻状バネからなる軸方向位置規制部材３７を設けた場合を示している。
【００６８】
このように、径方向位置規制部材３８及び軸方向位置規制部材３７として、渦巻状バネを用いても、当該渦巻バネがロータ１１の位置を規制するため、ロータ１１を高速安定性が保たれると共に、運転開始や停止時におけるロータ１１の安定性を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】第１の実施の形態にかかるマイクロ送風機の斜視図である。
【図２】図１に示すマイクロ送風機の上面図及び断面図である。
【図３】図２における四角の領域を拡大して示した図である。
【図４】径方向突起における断面のコーナ形状が円弧状の場合の図である。
【図５】ロータ基板の側面と対向する部位の周囲ケーシングに径方向動圧軸受装置を設けた場合の図である。
【図６】第２の実施の形態にかかるマイクロ送風機の斜視図である。
【図７】図６に示すマイクロ送風機の上面図及び断面図である。
【図８】下部ケーシングの斜視図である。
【図９】第３の実施の形態にかかるロータの径方向の位置変動を規制する板バネからなる径方向位置規制部材を設けた場合の図である。
【図１０】ロータの回転軸方向の位置変動を規制する板バネからなる軸方向位置規制部材を設けた場合の図である。
【図１１】ロータの径方向の位置変動を規制する渦巻ネからなる径方向位置規制部材を設けた場合の図である。
【図１２】ロータの回転軸方向の位置変動を規制する渦巻バネからなる軸方向位置規制部材を設けた場合の図である。
【符号の説明】
【００７０】
１１  ロータ
１２  ロータ基板
１３  翼
１４  回転軸
１８  ケーシング
１９  側部ケーシング
２０  側部ケーシング基板
２１  ノズル
２２  ロータ収納穴
２５  上部ケーシング
２６  下部ケーシング
３０  動圧軸受装置
３１  径方向突起
３２  中空
３３  上側突起
３４  下側突起
３６  位置規制部
３７  軸方向位置規制部材
３８  径方向位置規制部材
【図１】
2005155387.tif 000003
【図２】
2005155387.tif 000004
【図３】
2005155387.tif 000005
【図４】
2005155387.tif 000006
【図５】
2005155387.tif 000007
【図６】
2005155387.tif 000008
【図７】
2005155387.tif 000009
【図８】
2005155387.tif 000010
【図９】
2005155387.tif 000011
【図１０】
2005155387.tif 000012
【図１１】
2005155387.tif 000013
【図１２】
2005155387.tif 000014